三相立柱形變壓器及其鐵心材料
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摘要:
介紹一種新型航空電源變壓器——三相立柱形變壓器。說明了這種變壓器對鐵心材料的要求。討論了FeCoV合金的性能及熱處理對合金性能的影響。同時總結了三相立柱形變壓器的制作過程。
關鍵詞:三相立柱形變壓器FeCoV合金航空電源變壓器
Three－phaseColumniformTransformerandItsCoreMaterial
Abstract:Inthispaperanewkindofaviationpowertransformer－three－phasecolumniformtransformerisintroduced.Itisillustratedthatwhichmaterialisrequiredforthetransformercore.TheperformanceofFeCoValloyandtheinfluenceofcoolingmethodofheatingtreatmentontheperformancearediscussed.Theprocesstoproducethree－phasescolumniformtransformerissummarizedaswell.
Keywords:Three－phasecolumniformtransformerFeCoValloyAviationpowertransformer
1引言
在當今航空工業(yè)的發(fā)展中,對航空元器件的重量、體積的要求愈來愈嚴格。特別是航空軍事領域，為了保證整機的機動、靈活性，盡量要求元器件體積小、重量輕。尤其是航空電源部分，占據(jù)了電子設備整體體積重量的相當大的部分。當前航空電源普遍采用開關電源形式。開關電源本身具有體積小、重量輕、線路效率高的特點。但因開關電源的工作頻率高，對周邊設備會產生較強的電磁干擾，所以為改善整機電磁兼容性，提高可靠性，需加屏蔽及電磁濾波器。這樣開關電源連同配套部分也具有相當?shù)捏w積重量。
本著航空電源應體積小、重量輕的設計原則，現(xiàn)有一種新的設計思路，即線性電壓變壓器模式。使用高飽和磁密的坡莫合金制作變壓器鐵心，并采取一系列措施降低變壓器的體積、重量，使電源結構緊湊。以高壓三相電源變壓器為例，采用獨特的立柱形結構，稱之為三相立柱形變壓器。用FeCoV作為鐵心材料，在鐵心成形等方面采取了特殊工藝措施。變壓器在較高磁感應下工作，輸入功率重量比可達1kW/kg以上。從而使電源的體積重量與開關電源及配套部件的體積重量相近，而且不存在電磁兼容性問題。
2三相立柱形變壓器的結構
高壓三相立柱形變壓器的外形如圖1所示。變壓器鐵心一改以往的平面形設計，采用了立體型鐵心，形狀如圖2所示。由上下兩個卷繞成形的環(huán)形磁軛和三個疊片成型的近似圓截面的磁柱組成。初次級線圈套在三個磁柱上。三相立柱形變壓器技術的關鍵是FeCoV合金材料制作變壓器鐵心。
圖1三相立柱形變壓器
圖2三相立柱形鐵心
3鐵心材料的選擇
在三相立柱形變壓器鐵心的設計制造中，首先是鐵心材料的選擇。為了降低鐵心的體積重量，必須選擇高飽和磁密的軟磁合金。根據(jù)感應電壓與變壓器鐵心磁密的關系
U=4.44fNBmSc（1）
式中U為感應電壓，f為頻率，N為線圈匝數(shù)，Bm為工作磁感，Sc為鐵心有效截面積。在要求得到相同端電壓的情況下，鐵心的工作磁密與鐵心有效截面積及線圈匝數(shù)成反比。采用飽和磁密高的軟磁材料制作鐵心，就可以將鐵心的截面積或線圈匝數(shù)設計得較小，從而降低整個變壓器的體積重量。
在軟磁合金中，鐵鈷合金是迄今所發(fā)現(xiàn)的飽和磁密和居里溫度最高的一類合金。飽和磁密Bs可達2.4T，居里溫度Tc=980℃。國外有兩種鐵鈷合金，稱為Permendur和Supermendur[1]。其成分為Fe49％、Co49％、V2％。Supermendur與Permendur的區(qū)別在于極仔細地控制純度和在最后處理時加磁場。兩種合金的性能如表1所示。
表1兩種鐵鈷磁性合金的性能
品名 | 熱處理 | 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合金具有較高的飽和磁密、高的磁導率和低的矯頑力。使用于要求高磁密的變壓器鐵心、大功率磁放大器鐵心、超導磁鐵、電磁鐵的磁極頭、接收機線圈、開關和存儲磁心、高溫元件、耳膜震動片、電機的轉子和定子等。
我國Fe－Co系軟磁合金現(xiàn)有1J20、1J21、1J22三個牌號。1J20不常用，1J21、1J22相當于國外的Permendur合金。以1J22為例（1J21的V含量比1J22略低，其它成分性能與1J22相同），其性能見表2[2]。1J21、1J22合金目前廣泛應用于要求重量輕、體積小的航空元器件。
表21J22合金的磁性
合金牌號 | 成品種類 | 在不同磁場強度（A/m）時的磁感應強度，T | 矯頑力Hc,A/m不大于 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
B400 | B800 | B1600 | B2400 | B4000 | B8000 | |||
不小于 | ||||||||
1J22 | 冷軋帶材 | 1.60 | 1.80 | 2.00 | 2.10 | 2.15 | 2.20 | 128 |
絲材鍛材 | — | — | — | 2.05 | 2.15 | 2.20 | 144 | |
4試驗方法
4.11J22的熱處理
選用0.1mm厚1J22冷軋薄帶作為鐵心材料，在氫氣保護下900℃保溫5小時，以60℃/h的速度冷卻到750℃，再以200℃/h的速度冷卻到200℃以下出爐。然后測量材料的靜態(tài)磁感應強度、矯頑力、400Hz損耗。
4.2用FeCoV合金研制三相立柱形變壓器
采用FeCoV合金制作鐵心，經過卷繞、熱處理，用有機硅樹脂浸漬，制成三相立柱形鐵心。配以初次級線圈，制成一只變壓器樣品，對其進行了空載電性能測試。
5試驗結果及討論
5.11J22的磁性能
測得熱處理后的1J22的直流性能見表3
表30.1mmFeCoV帶材直流磁性能
合金牌號 | 厚度（mm） | 在不同磁場強度（A/m）時的磁感應強度，T | 矯頑力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的動態(tài)損耗見表4：
表4400Hz下1J22的動態(tài)損耗
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合金經適當?shù)臒崽幚砗罂梢赃_到良好的磁性能，性能高于1J22國標的規(guī)定以及Permendur的性能。熱處理時應注意保證爐內氫氣的純度，嚴格控制750℃以下的冷卻速度，避免形成過多的有序相。根據(jù)鐵鈷合金金相圖[3]，接近等原子比成分的鐵鈷合金在冷卻到730℃附近時，內部結構會發(fā)生從無序相α到有序α1相的轉變，α1相是呈氧化銫型結構的體心立方固溶體。這種有序結構使合金的磁性能惡化。所以在750℃以下要求快冷，冷卻速度為180～240℃/h
5.2變壓器空載性能，見表5
表5三相立柱形變壓器空載性能（f=400Hz）
空載電壓（V） | 鐵心磁密（T） | 空載電流（A） | 鐵心損耗 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 總損耗（W） | 比損耗（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 |
變壓器工作狀態(tài)為400Hz、2T，如表中所示，此時比損耗小于50W/kg，與1J22熱處理后損耗比較，鐵心經過浸漬成型后損耗增加不超過材料熱處理后損耗的一倍。
5.3三相立柱形變壓器的特殊工藝
整個變壓器在鐵心成型、鐵心浸漬、線圈繞制、變壓器裝配等方面采取了與以往變壓器制造不同的特殊工藝措施。具有一定的先進性。
（1）鐵心成型三相立柱形鐵心的上下兩個磁軛用氧化鎂電泳卷繞法即可成形。三根磁柱可用鋼片
三相立柱形變壓器及其鐵心材料涂漆法制造，即先將1J22鋼帶按磁柱尺寸裁成三種寬度的鋼片，經熱處理后疊合浸漬成型。
（2）鐵心浸漬三相立柱形變壓器在設計時為了保證高輸出，要求絕緣等級達到H級，這樣可以提高設計溫升，使鐵心在比一般變壓器更高的電磁負荷下工作，這對鐵心浸漬要求很高。我們選擇了有機硅樹脂作為鐵心浸漬漆。
（3）線圈的繞制初級線圈為銅皮繞制，較為簡單。次級線圈采用了鋁箔導線，是為了降低變壓器的體積重量。由一根厚5絲、寬3mm、長幾十米連續(xù)不斷的鋁箔帶卷繞在圓環(huán)骨架上形成空心餅狀線圈。鋁箔在繞制前經過電化學氧化處理，表面生成一層Al2O3絕緣層。
（4）變壓器裝配線圈與高壓整流器件采用一體化技術，并采用冷板技術導出變壓器工作時產生的熱量，降低溫升,提高長期工作的可靠性。
6結論
（1）三相立柱形變壓器是一種新型的航空電源變壓器，結構緊湊，比功率高。
（2）FeCoV合金是一種高磁導率、高飽和磁密的軟磁材料，適用于要求重量輕、體積小的航空元器件。
（3）FeCoV合金熱處理的冷卻速度要求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鐵心在400Hz、2T時損耗小于50W/kg
（5）三相立柱形變壓器在鐵心成型、線圈繞制時必須采用特殊工藝以保證結構緊湊。
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