三相立柱形变压器及其铁心材料
摘要:
介绍一种新型航空电源变压器——三相立柱形变压器。说明了这种变压器对铁心材料的要求。讨论了FeCoV合金的性能及热处理对合金性能的影响。同时总结了三相立柱形变压器的制作过程。
关键词:三相立柱形变压器FeCoV合金航空电源变压器
Three－phaseColumniformTransformerandItsCoreMaterial
Abstract:Inthispaperanewkindofaviationpowertransformer－three－phasecolumniformtransformerisintroduced.Itisillustratedthatwhichmaterialisrequiredforthetransformercore.TheperformanceofFeCoValloyandtheinfluenceofcoolingmethodofheatingtreatmentontheperformancearediscussed.Theprocesstoproducethree－phasescolumniformtransformerissummarizedaswell.
Keywords:Three－phasecolumniformtransformerFeCoValloyAviationpowertransformer
1引言
在当今航空工业的发展中,对航空元器件的重量、体积的要求愈来愈严格。特别是航空军事领域，为了保证整机的机动、灵活性，尽量要求元器件体积小、重量轻。尤其是航空电源部分，占据了电子设备整体体积重量的相当大的部分。当前航空电源普遍采用开关电源形式。开关电源本身具有体积小、重量轻、线路效率高的特点。但因开关电源的工作频率高，对周边设备会产生较强的电磁干扰，所以为改善整机电磁兼容性，提高可靠性，需加屏蔽及电磁滤波器。这样开关电源连同配套部分也具有相当的体积重量。
本着航空电源应体积小、重量轻的设计原则，现有一种新的设计思路，即线性电压变压器模式。使用高饱和磁密的坡莫合金制作变压器铁心，并采取一系列措施降低变压器的体积、重量，使电源结构紧凑。以高压三相电源变压器为例，采用独特的立柱形结构，称之为三相立柱形变压器。用FeCoV作为铁心材料，在铁心成形等方面采取了特殊工艺措施。变压器在较高磁感应下工作，输入功率重量比可达1kW/kg以上。从而使电源的体积重量与开关电源及配套部件的体积重量相近，而且不存在电磁兼容性问题。
2三相立柱形变压器的结构
高压三相立柱形变压器的外形如图1所示。变压器铁心一改以往的平面形设计，采用了立体型铁心，形状如图2所示。由上下两个卷绕成形的环形磁轭和三个叠片成型的近似圆截面的磁柱组成。初次级线圈套在三个磁柱上。三相立柱形变压器技术的关键是FeCoV合金材料制作变压器铁心。
图1三相立柱形变压器
图2三相立柱形铁心
3铁心材料的选择
在三相立柱形变压器铁心的设计制造中，首先是铁心材料的选择。为了降低铁心的体积重量，必须选择高饱和磁密的软磁合金。根据感应电压与变压器铁心磁密的关系
U=4.44fNBmSc（1）
式中U为感应电压，f为频率，N为线圈匝数，Bm为工作磁感，Sc为铁心有效截面积。在要求得到相同端电压的情况下，铁心的工作磁密与铁心有效截面积及线圈匝数成反比。采用饱和磁密高的软磁材料制作铁心，就可以将铁心的截面积或线圈匝数设计得较小，从而降低整个变压器的体积重量。
在软磁合金中，铁钴合金是迄今所发现的饱和磁密和居里温度最高的一类合金。饱和磁密Bs可达2.4T，居里温度Tc=980℃。国外有两种铁钴合金，称为Permendur和Supermendur[1]。其成分为Fe49％、Co49％、V2％。Supermendur与Permendur的区别在于极仔细地控制纯度和在最后处理时加磁场。两种合金的性能如表1所示。
表1两种铁钴磁性合金的性能
品名 | 热处理 | μ0×103(T·m/A) | μm×103(T·m/A) | Hc(A/m) | Bm(T) |
|---|---|---|---|---|---|
Permendur | 900℃ | 1.0 | 5.65 | 160 | 2.4 |
Supermendur | 900℃ | —— | 75.4～125.7 | 24 | 2.4 |
Permendur和Supermendur合金具有较高的饱和磁密、高的磁导率和低的矫顽力。使用于要求高磁密的变压器铁心、大功率磁放大器铁心、超导磁铁、电磁铁的磁极头、接收机线圈、开关和存储磁心、高温元件、耳膜震动片、电机的转子和定子等。
我国Fe－Co系软磁合金现有1J20、1J21、1J22三个牌号。1J20不常用，1J21、1J22相当于国外的Permendur合金。以1J22为例（1J21的V含量比1J22略低，其它成分性能与1J22相同），其性能见表2[2]。1J21、1J22合金目前广泛应用于要求重量轻、体积小的航空元器件。
表21J22合金的磁性
合金牌号 | 成品种类 | 在不同磁场强度（A/m）时的磁感应强度，T | 矫顽力Hc,A/m不大于 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
B400 | B800 | B1600 | B2400 | B4000 | B8000 | |||
不小于 | ||||||||
1J22 | 冷轧带材 | 1.60 | 1.80 | 2.00 | 2.10 | 2.15 | 2.20 | 128 |
丝材锻材 | — | — | — | 2.05 | 2.15 | 2.20 | 144 | |
4试验方法
4.11J22的热处理
选用0.1mm厚1J22冷轧薄带作为铁心材料，在氢气保护下900℃保温5小时，以60℃/h的速度冷却到750℃，再以200℃/h的速度冷却到200℃以下出炉。然后测量材料的静态磁感应强度、矫顽力、400Hz损耗。
4.2用FeCoV合金研制三相立柱形变压器
采用FeCoV合金制作铁心，经过卷绕、热处理，用有机硅树脂浸渍，制成三相立柱形铁心。配以初次级线圈，制成一只变压器样品，对其进行了空载电性能测试。
5试验结果及讨论
5.11J22的磁性能
测得热处理后的1J22的直流性能见表3
表30.1mmFeCoV带材直流磁性能
合金牌号 | 厚度（mm） | 在不同磁场强度（A/m）时的磁感应强度，T | 矫顽力Hc(A/m) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
B400 | B800 | B1600 | B2400 | B4000 | |||
1J22 | 0.1 | 1.9792 | 2.1359 | 2.2508 | 2.3056 | 2.3403 | 57.11 |
400Hz下1J22的动态损耗见表4：
表4400Hz下1J22的动态损耗
B(T) | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
|---|---|---|---|---|---|---|
P(W/kg) | 8.485 | 11.25 | 14.32 | 17.73 | 21.61 | 25.35 |
由表中可以看出，1J22合金经适当的热处理后可以达到良好的磁性能，性能高于1J22国标的规定以及Permendur的性能。热处理时应注意保证炉内氢气的纯度，严格控制750℃以下的冷却速度，避免形成过多的有序相。根据铁钴合金金相图[3]，接近等原子比成分的铁钴合金在冷却到730℃附近时，内部结构会发生从无序相α到有序α1相的转变，α1相是呈氧化铯型结构的体心立方固溶体。这种有序结构使合金的磁性能恶化。所以在750℃以下要求快冷，冷却速度为180～240℃/h
5.2变压器空载性能，见表5
表5三相立柱形变压器空载性能（f=400Hz）
空载电压（V） | 铁心磁密（T） | 空载电流（A） | 铁心损耗 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 总损耗（W） | 比损耗（W/kg） | ||
40.0 | 0.4 | 0.417 | 0.415 | 0.436 | 16.5 | 3.08 |
79.9 | 0.8 | 0.635 | 0.665 | 0.668 | 52.8 | 9.84 |
120.0 | 1.2 | 0.936 | 1.012 | 1.005 | 105.8 | 19.7 |
159.9 | 1.6 | 1.433 | 1.629 | 1.595 | 172.2 | 32.1 |
199.9 | 2.0 | 2.777 | 3.723 | 3.531 | 257 | 47.9 |
变压器工作状态为400Hz、2T，如表中所示，此时比损耗小于50W/kg，与1J22热处理后损耗比较，铁心经过浸渍成型后损耗增加不超过材料热处理后损耗的一倍。
5.3三相立柱形变压器的特殊工艺
整个变压器在铁心成型、铁心浸渍、线圈绕制、变压器装配等方面采取了与以往变压器制造不同的特殊工艺措施。具有一定的先进性。
（1）铁心成型三相立柱形铁心的上下两个磁轭用氧化镁电泳卷绕法即可成形。三根磁柱可用钢片
三相立柱形变压器及其铁心材料涂漆法制造，即先将1J22钢带按磁柱尺寸裁成三种宽度的钢片，经热处理后叠合浸渍成型。
（2）铁心浸渍三相立柱形变压器在设计时为了保证高输出，要求绝缘等级达到H级，这样可以提高设计温升，使铁心在比一般变压器更高的电磁负荷下工作，这对铁心浸渍要求很高。我们选择了有机硅树脂作为铁心浸渍漆。
（3）线圈的绕制初级线圈为铜皮绕制，较为简单。次级线圈采用了铝箔导线，是为了降低变压器的体积重量。由一根厚5丝、宽3mm、长几十米连续不断的铝箔带卷绕在圆环骨架上形成空心饼状线圈。铝箔在绕制前经过电化学氧化处理，表面生成一层Al2O3绝缘层。
（4）变压器装配线圈与高压整流器件采用一体化技术，并采用冷板技术导出变压器工作时产生的热量，降低温升,提高长期工作的可靠性。
6结论
（1）三相立柱形变压器是一种新型的航空电源变压器，结构紧凑，比功率高。
（2）FeCoV合金是一种高磁导率、高饱和磁密的软磁材料，适用于要求重量轻、体积小的航空元器件。
（3）FeCoV合金热处理的冷却速度要求750℃以下快冷，避免形成有序相。
（4）用FeCoV合金制作的三相立柱形铁心在400Hz、2T时损耗小于50W/kg
（5）三相立柱形变压器在铁心成型、线圈绕制时必须采用特殊工艺以保证结构紧凑。
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