1 前言

　　電源中一般都含有軟磁鐵心組成的電磁器件。按照比較廣義的說法，在電子設備和電子電路中的電磁器件，都叫做電子變壓器。電源中變壓器或電磁器件，絕大多數屬于電子變壓器。但是，有的電源中，變壓器還具有耐高壓的絕緣要求。例如：大容量直流電源和大容量不間斷電源，整流變壓器不從一般的380V或220V輸入，而從10KV或6.3KV輸入，與一般電子變壓器有很大差別，而與電力變壓器更相似一些。所以，本文討論的電源中的變壓器，既包括電子變壓器，又涉及電力變壓器。

　　本文討論電源中變壓器的要求和技術參數，以及它們與鐵心材料和導電材料之間的關系，是為了更深入理解另外兩篇文章“變壓器鐵心材料的近期動向”和“變壓器導電材料的近期動向”中所介紹的內容，從而使三篇文章形成有機的整體。編寫這三篇文章的目的是希望通過了解鐵心材料和導電材料的近期動向，更好的把握電源中變壓器的發展趨勢，供電源行業、電子變壓器行業、電力變壓器行業的朋友們參考。如有錯誤之處，敬請指正。

　　2 一般要求

　　電源中的變壓器，作為一種商品的產品，總的要求是在具體使用條件下完成具體的功能中，追求性能價格比最高。從總要求出發，提出四點一般要求：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技術性能，又包括經濟指標。

　　2.1使用條件

　　電源中的變壓器的使用條件，包括使用可靠性和使用電磁兼容性。

　　使用可靠性是指在具體的使用條件下，變壓器能正常工作到使用壽命為止。使用條件中對變壓器影響最大的是環境溫度。決定鐵心材料受溫度影響強度的是居里點。鐵心材料居里點高，受溫度影響小，鐵心材料居里點低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體居里點一般只有215℃，比較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發生變化。除正常溫度25℃而外，還要給出60℃、80℃、100℃時的各種參數數據，MnZn鐵氧體制成的鐵心，一般工作溫度限制在100℃以下，也就是在環境溫度40℃時，溫升只允許低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃—180℃以下使用。鐵基納米晶合金的居里點為600℃，硅鋼的居里點為730℃，可以在300℃以下使用。

　　決定導電材料工作溫度的不是銅導線，而是外包絕緣材料的耐熱等級。例如QZ聚酯漆包線，耐熱等級為B級，最高溫度為130℃。QY聚酰亞胺漆包線，耐熱等級為C級，最高工作溫度為220℃。

　　使用電磁兼容性是指變壓器既不產生對外界的電磁*，又能承受外界的電磁*。電磁*包括可聽見的音頻嗓聲和聽不見的高頻噪聲。變壓器產生電磁*的主要原因是鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮系數大的鐵心材料，產生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數為（27—30）×10-6，最大，用它制作鐵心時必須采取減少噪聲抑制*的措施，MnZn軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數為21×10-6左右，也容易產生電磁*。3%取向冷軋硅鋼磁致伸縮系數 為（1-3）×10-6.，鐵基納米晶合金磁致伸縮系數為（0.5-2） ×10-6，比較容易產生電磁*。6.5%無取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數為0.1×10-6左右，不容易產生電磁*。由鐵心材料產生的電磁*的頻率一般與變壓器的工作頻率相同，如果有低于或高于工作頻率的電磁*，那是由其他原因產生的。導電材料不產生電磁*。由導電材料繞制的線圈有可能產生電磁*，不是由導電材料造成的，而是由導電材料之間的作用和線圈結構造成的。

　　2.2完成功能

　　電源中的電磁器件從功能上區分主要有變壓器和電感器兩種。變壓器完成的功能有三個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有兩個：功率傳送和紋波抑制，這里不單討論電源中變壓器的完成功能，也討論電源中電感器的完成功能。

　　變壓器的功率傳送是這樣完成的：外加在變壓器初級繞組上的交變電壓，在鐵心中產生磁通變化，使次級繞組感應電壓，輸出給負載，從而使電功率從變壓器初級傳送給次級。傳送功率的大小，決定于感應電壓，也就是決定于單位時間內磁通密度變化量△B。△B與磁導率無關，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關。硅鋼飽和磁通密度為1.5—2.03T，鐵基非晶合金飽和磁通密度為1.58T 左右，鐵基納米晶合金飽和磁通密度為1.2—1.45T，鈷基非晶合金飽和磁通密度為0.5—0.8T。MnZn軟磁鐵氧體飽和磁通密度為0.3— 0.5T。作為變壓器用鐵心材料，硅鋼占優勢，鐵基非晶合金其次，MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　電感器的功率傳送是這樣完成的：輸入給電感器繞組的電能，使鐵心激磁，變為磁能儲存起來，然后通過去磁變成電能，釋放給負載。傳送功率的大小，決定于鐵心的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關，而與磁導率有關。磁導率高，電感量大，傳送能量多，傳送功率大。鈷基非晶合金磁導率為（1—1.5）×106，鐵基納米晶合金導磁率為（5—8）×105，鐵基非晶合金磁導率為（2—4）×105，硅鋼磁導率（2— 9）×104，MnZn軟磁鐵氧體磁導率為（1—3）×104。作為電感器用鐵心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占優勢，硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　傳送功率大小，還與單位時間內的傳送次數有關，即與變壓器和電感器的工作頻率有關。工作頻率越高，在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數的線圈條件下，傳送功率越大。

　　電壓變換通過變壓器初級和次級線組的匝數比來完成。不管變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

　　絕緣隔離，通過變壓器初級和次級繞組的絕緣結構來完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結構越復雜。一般電子變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結構比較簡單。電力變壓器外加電壓超過6kV，絕緣結構比較復雜，除了承受工頻試驗電壓而外，還要求承受短時沖擊試驗電壓。

　　電感器的紋波抑制通過自感電勢來實現。只要流過電感器的電流發生變化，線圈在鐵心中產生的磁通也會隨著發生變化，使電感器線圈兩端出現自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比工作頻率（基本頻率）高，因此更能被電感器產生的自感電勢抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢的大小，也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導率有關，從電感器抑制紋波能力來看，磁導率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好，磁導率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。

　　2.3提高效率

　　提高效率是對電源中變壓器的一個重要要求，一個原因是由于石油、煤等能源價格上漲，節能成為當代的一個重要任務。許多電子設備，包括電源在內，不單要求考核負載時的能耗，還要求考核待機（接近空載）時的能耗。電源中變壓器的損耗是電源待機能耗中的主要部份。另一個原因是電源中變壓器數量巨大，雖然從單個電源中變壓器來看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬個，成百萬個電源中變壓器，總損耗可達到幾十萬瓦，幾百萬瓦，相當可觀。還有，許多電源中變壓器一直長期運行，年總損耗決不是一個小數目。因此，電源中變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個重要要求。

　　電源中變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中變壓器投入運行，一直存在，是變壓器空載損耗的主要部分。在設計和制作變壓器鐵心時，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關，因此，鐵心材料的損耗必須注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度 1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度 0.25T（250mT）和工作頻率100kHZ下的損耗。

　　鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，渦流損耗與鐵心材料電阻率有關。電阻率越大，渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108— 109μΩcm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻變壓器中應用占優勢，鐵基非晶合金電阻率為130——150μΩcm，硅鋼電阻率為20— 40μΩcm，比MnZn軟磁鐵氧體小106—107倍，在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻變壓器中應用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現在各種工作頻率的變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是：工頻50HZ—60HZ用0.50—0.23mm（500—230μm），中頻 400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm（200—80μm），1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm（100-25μm），中高頻 20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm（50-15μm），高頻100kHZ至1MHZ用 0.02-0.005mm（20-5μm），1MHZ以上用小于5μm。鐵基非晶合金由于噴帶設備原因，帶厚一般為40—25μm，在工頻50HZ至中頻 400HZ—20kHZ時都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金，帶厚一般都小于18μm。以前人有認為：鐵心的填充系數與金屬鐵心材料的帶厚有關，并且提出一個計算的經驗公式，把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數的唯一因數。現在看來，這個計算鐵心填充系數的經驗公式并不完全成立。因為，鐵心填充系數并不只由鐵心材料帶厚一個因數決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數影響。按照經驗公式計算，鐵基非晶合金帶厚25μm時，填充系數達不到0.80，而現在用25μm厚鐵基非晶合金帶材加工成的變壓器鐵心，填充系數一般都大于0.86，甚至還達到0.90。

　　電源中變壓器線圈損耗是負載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導電材料的電阻率。現在電源中變壓器的導電材料絕大多數采用銅。而不用鋁，原因就是銅的電阻率小，造成的線圈損耗小，在有些體積小的高頻平面變壓器和薄膜變壓器中，導電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因為變壓器的體積小，散熱面積小，要求線圈損耗更小，才能保證平面變壓器和薄膜變壓器的線圈溫升不會超過規定的允許值。

　　2.4降低成本

　　降低成本是電源變壓器作為商品的一個重要要求，有時甚至是決定性的要求。因為在商品競爭中性能價格比是產品的主要指標。不注意降低成本，不注意降低價格，往往會在商品競爭中被淘汰。

　　電源中變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%，是最重要的部份。材料成本中鐵心材料和導電材料成本又占 80%左右。因此鐵心材料和導電材料的市場動向，價格變化情況對電源中變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設計有關。在設計電源中變壓器時，應當根據鐵心材料和導電材料的價格，調整變壓器的用鐵心材料量與用導電材料量的比值（銅鐵比），使材料成本在現有條件下達到最低。現在采用計算機設計電源中變壓器時，追求成本最低，應當成為一個主要限制條件。

　　制造成本也與設計和工藝有關。設計電源中變壓器時，不單要考慮鐵心材料和導電材料的價格和用量，還要考慮鐵心和線圈的結構以及變壓器總體結構是否便于加工和裝配？需用多少人工工時？需要多少設備和工模具？需要什么檢測設備和儀器來控制質量？這些都是變壓器設計者應當考慮的。

　　管理成本決定于人力和財力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工時利用率，減少管理人員和工人的比例等。充分利用財力，是指縮短生產周期，減少庫存，加快資金流轉等。這些主要由經營管理人員負責。但是與變壓器設計者也有關系。如果設計的變壓器便于加工和裝配，可以縮短生產周期。所用的原材料和配件便于采購，可以減少庫存。這些都有利于降低管理成本。

　　所以，一個好的電源中變壓器設計者，除了了解變壓器理論和設計方法而外，還要了解鐵心材料、導電材料、絕緣材料、結構材料的價格和市場動向，還要了解鐵心、線圈和變壓器總體加工和裝配工藝，還要了解實現質量控制的檢測參數和儀器設備，還要了解生產管理知識和變壓器市場動向等等。只有知識全面的變壓器設計者，才能設計出性能好，價格合式的變壓器產品。