鐵心電感

鐵心電感基本計(jì)算式

鐵心電感器線圈中通以交流電流后，所產(chǎn)生的磁通分為兩部分： 一部分是通過鐵心磁 路(包括在鐵心磁路中插入非磁性氣隙) 的主磁通，另一部分是通過線圈與鐵心柱間空隙 的漏磁通。根據(jù)電感的基本定義，我們將主磁通產(chǎn)生的電感稱為主電感

鐵心電感鐵心中無氣隙時(shí)的電感計(jì)算

鐵心電感器鐵心中無氣隙時(shí)，其漏電感可忽略不計(jì)，電感量按下式計(jì)算

N——線圈匝數(shù)；

鐵心交流磁導(dǎo)率

由此可見，正確地確定鐵心的磁導(dǎo)率是電感計(jì)算的基礎(chǔ)。

交流磁導(dǎo)率

鐵心電感鐵心中有氣隙時(shí)的電感計(jì)算

鐵心電感器中有氣隙時(shí)，當(dāng)忽略其漏電感，其電感量按下式計(jì)算

當(dāng)

當(dāng)

考慮氣隙磁通擴(kuò)散后，氣隙導(dǎo)磁面積

此時(shí)，在按式(3)計(jì)算電感或按式(5)計(jì)算有效磁導(dǎo)率時(shí)，將

鐵心電感大氣隙電感計(jì)算

當(dāng)

1. 當(dāng)忽略漏電感時(shí)的電感計(jì)算

2. 考慮漏電感影響時(shí)的電感計(jì)算

當(dāng)漏電感不能忽略時(shí)，必須按以下公式計(jì)算漏電感

(1) 殼式或單線圈心式鐵心電感器(圖4) 漏電感按下式計(jì)算

N——電感器線圈匝數(shù)；

洛氏系數(shù)

線圈漏磁等效面積

(2) 雙線圈式鐵心電感器(圖5) 漏電感按下式計(jì)算

式中，

鐵心電感器的主電感

鐵心電感器的電感L為

鐵心電感電源濾波扼流圈

電源濾波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，減小其波紋電壓，以滿足電子設(shè)備對(duì)直流電源的要求。

電源濾波扼流圈的主要技術(shù)指標(biāo)為： 電感量、直流電壓降。電感量由所要求的波紋系數(shù)，在進(jìn)行整流器和濾波器計(jì)算時(shí)確定；直流電壓降影響整流器輸出電壓和負(fù)載調(diào)整率。

通過電源濾波扼流圈線圈的電流包括直流和交流兩部分，并以直流電流為主要成分。在扼流圈鐵心中存在著交直流兩種磁化場，其中直流分量是主要部分。

根據(jù)濾波器的種類，電源濾波扼流圈可分為電感輸入式和電容輸入式兩種。電感輸入式濾波扼流圈具有較高的波紋電壓，鐵心中交流磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在0.1T以上；電容輸入式濾波扼流圈具有較低的波紋電壓，鐵心中交流磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在0.1T以下。

電源濾波扼流圈的電感量隨著直流磁化電流的增加而降低，這是由于隨著直流磁化電 流的增大，鐵心越來越達(dá)到飽和狀態(tài)。在扼流圈鐵心磁路中引入非磁性間隙可以減小電感 隨直流磁化電流增大而產(chǎn)生的下降量，對(duì)應(yīng)于給定的直流磁化電流，具有一個(gè)最佳的非磁性間隙，相應(yīng)于這個(gè)最佳間隙，電源濾波扼流圈可獲得最大的電感值。

鐵心電感交流扼流圈

交流扼流圈用于交流回路中，作為平衡、鎮(zhèn)流、限流和濾波等感性元件來使用。

交流扼流圈工作于交流狀態(tài)，無直流磁化，類似于單線圈變壓器。其電磁過程與變壓 器的區(qū)別是： 在變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定取決于外施電壓，與實(shí)際的負(fù)載電流無 關(guān)；對(duì)大多數(shù)交流扼流圈來說，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定取決于負(fù)載電流，而與電路的外施電壓無關(guān)。

交流扼流圈的電感量隨交流磁場的變化而變化，而且是非線性的，只有在鐵心未達(dá)到飽和時(shí)，變化才近似線性，這時(shí)，電感隨交流磁場的增大而增大。在交流扼流圈鐵心中插入非磁性間隙將減小其電感量，但電感隨磁場的變化量也同時(shí)減小，因此變化非磁性間隙 的大小可調(diào)節(jié)電感值。當(dāng)鐵心中非磁性間隙增大至一定值時(shí)，在磁場變化時(shí)，電感將基本保持不變，這時(shí)的交流扼流圈將具有線性的伏安特性。大多數(shù)交流扼流圈都具有接近于線 性的伏安特性。

交流扼流圈的主要技術(shù)指標(biāo)是，在某一交流電流 (固定的或有一定變化范圍的)作用 下的電感值。對(duì)某些工作于高頻的交流扼流圈，品質(zhì)因數(shù)Q也是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。

鐵心電感電感線圈

電感線圈多數(shù)用于高頻電路中，如濾波器用電感線圈，振蕩回路電感線圈，陷波器線圈，高頻扼流圈，匹配線圈，噪聲濾波線圈等。多數(shù)電感線圈工作于交流狀態(tài)，因此，它 屬于交流扼流圈范疇，是交流扼流圈的一個(gè)分支。

電感線圈的鐵心以鐵氧體磁芯使用最多，也有采用鉬坡莫粉末磁芯，鐵粉芯，鋁硅鐵粉芯，非晶或超微晶粉末磁芯及精密軟磁合金等。

電感線圈的主要技術(shù)指標(biāo)為電感量和品質(zhì)因數(shù)。在某些場合，對(duì)電感的溫度穩(wěn)定性也 有一定的要求。

鐵心電感飽和扼流圈

飽和扼流圈用于穩(wěn)定和調(diào)壓線路中，通過調(diào)節(jié)電路中的感抗來達(dá)到穩(wěn)定或調(diào)節(jié)電壓的 目的。飽和扼流圈至少有兩個(gè)繞組，一個(gè)繞組(工作繞組) 接入調(diào)節(jié)交流電路，另一個(gè)繞 組(控制繞組) 接入直流電路。和電源濾波扼流圈及交流扼流圈不同，飽和扼流圈鐵心應(yīng) 是無氣隙的。

飽和扼流圈鐵心中存在著交直流兩種磁化狀態(tài)，而且交流成分很大，由于鐵心磁化曲 線的非線性，工作繞組中電流波形是失真的，這在接近鐵心飽和時(shí)特別明顯。

飽和扼流圈的主要技術(shù)指標(biāo)是： 電感量調(diào)節(jié)范圍或輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，負(fù)載功率的最 大值與最小值，控制電流(功率) 的最大值與最小值，功率因數(shù)最小值等。

由于可控硅調(diào)壓裝置、磁性調(diào)壓器、可調(diào)穩(wěn)壓變壓器的技術(shù)發(fā)展，飽和扼流圈應(yīng)用范 圍逐步縮小，只有在大功率或特殊要求場合才使用，為此，本手冊(cè)將不加詳述 。

早在上個(gè)世紀(jì)四、五十年代，國外率先研制單相卷鐵心變壓器。前蘇聯(lián)莫斯科變壓器廠最先在小容量單向變壓器中采用卷鐵心結(jié)構(gòu)，美國、日本也研發(fā)了小型R型卷鐵心變壓器運(yùn)用在游戲機(jī)中。我國在20世紀(jì)60年代開始研制卷鐵心變壓器，限于當(dāng)時(shí)材料和技術(shù)的原因，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少。到了20世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)的一些廠家才開始生產(chǎn)卷鐵心變壓器，作為全國領(lǐng)先的沈變、天威保變等公司在卷鐵心變壓器的研發(fā)投入了較大精力，發(fā)展到現(xiàn)在，全國現(xiàn)有卷鐵心變壓器生產(chǎn)廠200多家，形成一定的生產(chǎn)能力的廠家約占總數(shù)的20%。

在我國，卷鐵心在變壓器運(yùn)用最廣泛的方向是農(nóng)村配電網(wǎng)中的配電變壓器，我國農(nóng)村人口眾多，農(nóng)村電網(wǎng)投入大，卷鐵心結(jié)構(gòu)以其低空載損耗的優(yōu)勢(shì)帶來節(jié)能效益不可估量。卷鐵心變壓器是由硅鋼片卷繞而成，由最開始的單相卷鐵心發(fā)展到后來的立體三相卷鐵心，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜多樣 。

鐵心和繞組是變壓器的核心結(jié)構(gòu)，是變壓器的電磁耦合的關(guān)鍵，決定了變壓器的基本性能，所以首先確立鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)就大體確立了整個(gè)變壓器的框架。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器原理

AT供自耦變壓器是用在牽引供電系統(tǒng)中的一種特殊的單相變壓器。自耦變壓器與普通電力變壓器的區(qū)別是一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。正因?yàn)槿绱?，在傳輸容量相同的條件下，自耦變壓器與普通的電力變壓器相比，尺寸更小，效率更高。

AT供單相自耦變壓器繞組電路連接關(guān)系如圖2-1所示，其中AB繞組是串聯(lián)繞組；CD繞組是為高壓側(cè)和低壓側(cè)共有的，通常稱為公共繞組 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器卷鐵心

（1）鐵心結(jié)構(gòu)及尺寸

1) 鐵心結(jié)構(gòu)選擇

AT自耦變壓器是單相變壓器，這種大容量的單相變壓器的鐵心一般采用單相雙框式或者是單相單框式。單相雙框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-2所示，兩個(gè)部分的鐵心獨(dú)立繞制；單相單框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-3所示。其各自的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)如下：

單相雙框式鐵心

優(yōu)勢(shì)：絕緣墊塊、壓塊結(jié)構(gòu)簡單； 運(yùn)輸方便

劣勢(shì)：拼合難度大；線圈高度高，加上端部絕緣部分，圈制造造成困難；抗短路能力較弱

單相單框式鐵心

優(yōu)勢(shì)：抗短路能力強(qiáng)；繞組分散，利于散熱

劣勢(shì)：線圈繞制的工作量翻倍；對(duì)線引線更復(fù)雜

綜合考慮兩種鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是單相單框式結(jié)構(gòu)在抗短路能力上的優(yōu)勢(shì)，采用單相單框式鐵心結(jié)構(gòu)。

2) 鐵心直徑

鐵心直徑選取是否合理，將直接影響變壓器的材料消耗、變壓器重量、體積、成本、運(yùn)輸及主要性能指標(biāo)。如果鐵心直徑選取過大時(shí)，變壓器的重量將會(huì)增加，空載損耗增加，這樣運(yùn)輸成本也會(huì)增加，變壓器的外形也更加矮胖，而導(dǎo)線重和負(fù)載損耗會(huì)減小。如果變壓器鐵心直徑選取過小，會(huì)得到相反的結(jié)果。

3）鐵心材料

鐵心作為變壓器的骨架和導(dǎo)磁構(gòu)件，其性能至關(guān)重要，而變壓器鐵心的性能又主要是由其材料所決定。為使變壓器性能達(dá)到要求，鐵心材料必須滿足兩點(diǎn)要求：

第一，材料要有較高的磁導(dǎo)率，這樣在同樣的磁通密度下，傳導(dǎo)的磁通量就大，所需的鐵心材料就少，變壓器鐵心的體積和重量也較小，相對(duì)而言可節(jié)省硅鋼片、銅線和絕緣材料，方便運(yùn)輸節(jié)省成本；

第二，材料的單位損耗要低，變壓器的空載損耗是由鐵心的材料所決定的，單位損耗越低，相應(yīng)的空載損耗就越低，同時(shí)損耗產(chǎn)生的溫升也降低，對(duì)變壓器的性能就有顯著提升。目前，變壓器鐵心材料多使用硅鋼片，而硅鋼片按生產(chǎn)工藝分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片，冷軋硅鋼片又分為晶粒有取向和晶粒無取向硅鋼片，不同硅鋼片材料的特點(diǎn)和性能如表2.3所示。

經(jīng)過上表中的硅鋼片的性能比較，雖然工藝相對(duì)較復(fù)雜，但冷軋硅鋼片在損耗方面具有較大優(yōu)勢(shì)，采用取向高導(dǎo)磁硅鋼片 。

（2）加工工藝

由于卷鐵心的結(jié)構(gòu)和疊鐵心結(jié)構(gòu)的區(qū)別，所以卷鐵心的制造過程同疊鐵心相比也有本質(zhì)的不同。疊鐵心和卷鐵心的基礎(chǔ)材料都是硅鋼片，疊鐵心通過不同大小的硅鋼片堆疊而成，卷鐵心通過集中寬度不同的硅鋼片卷繞而成。按鐵心層內(nèi)有無接縫，卷鐵心又分為切斷和不切斷兩種結(jié)構(gòu)。其中切斷結(jié)構(gòu)多用于柱截面為矩形或者是橢圓形的鐵心，適用于三相五柱式鐵心；不切斷結(jié)構(gòu)鐵心柱截面為正圓形或者R形，多用于單柱式或雙柱式鐵心。本文中的自耦變壓器結(jié)構(gòu)采用單柱式結(jié)構(gòu)，卷鐵心采用不切斷及無接縫結(jié)構(gòu)，其卷繞過程是連續(xù)的，整個(gè)鐵心的磁化方向與硅鋼片的軋制方向也一致，磁路各路磁通分布均勻。理想退火情況下，單相卷鐵心的工藝系數(shù)可以達(dá)到1.02，勵(lì)磁電流相對(duì)于疊鐵心可以降低75%左右。

卷鐵心的制造過程可分為如下幾個(gè)部分：

1）縱剪開料

按照設(shè)計(jì)要求縱剪合適寬度后，在折線開料機(jī)上開料。開料機(jī)在調(diào)試使用當(dāng)中可能出現(xiàn)料帶跑偏、料帶卷邊、料帶毛刺，送收料同步、刀頭微動(dòng)精度等問題。

2）卷繞

將心模板安裝在支撐軸上，繞后將開好的料帶按照設(shè)計(jì)圖紙逐條卷繞在心模板上。卷繞過程中要解決平面齊整度、料帶導(dǎo)向、張力控制、卷繞鎖制、心模脫卸等諸多問題。

3）卸料翻轉(zhuǎn)

鐵心重量重達(dá)好幾噸，需要設(shè)計(jì)工裝解決鐵心重量從支撐軸轉(zhuǎn)移并翻轉(zhuǎn)問題。

4）退火

退火工藝曲線關(guān)乎退火成敗，正空度、溫升速度、分幾個(gè)階段升溫、保溫溫度、保溫時(shí)間、降溫速度、充氮?dú)鈺r(shí)刻等多個(gè)參數(shù)都舉足輕重。真空度不夠，硅鋼片表面將被氧化，升溫速度過快硅鋼片將產(chǎn)生應(yīng)變，鐵心變形，退火效果大打折扣，升溫速度過慢則浪費(fèi)能源增加費(fèi)用，保溫時(shí)間類同。

5）鐵心拼裝

將兩半鐵心拼合，中間設(shè)置油道，安裝鐵心拉板及夾件，安裝支撐的木件，并用綠綁帶捆扎為一體 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器繞組結(jié)構(gòu)

變壓器繞組結(jié)構(gòu)大體上可以分為兩類，層式繞組和餅式繞組。層式繞組又稱為圓筒式繞組，其中應(yīng)用最為廣泛的是雙層及多層圓筒式繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，常用于35kV及以下的中小型油浸式變壓器，構(gòu)成整個(gè)繞組的材料及零部件有導(dǎo)線、厚紙筒、端絕緣、層絕緣、油道支撐、靜電屏。雖然其制作簡單，工藝性好，但端部支撐的穩(wěn)定性不好，所有層式繞組，尤其是多層式繞組的雷電沖擊性能好，在超高壓變壓器領(lǐng)域有所應(yīng)用，但它的廣泛應(yīng)用受制于其軸向支撐的穩(wěn)定性較差。餅式繞組包括連續(xù)式、糾結(jié)式、內(nèi)屏蔽式、螺旋式以及更加復(fù)雜的交錯(cuò)式繞組，餅式繞組機(jī)械強(qiáng)度高，散熱性好，在目前得到廣泛的使用，其中的糾結(jié)式繞組和內(nèi)屏蔽式繞組，可以增加繞組的縱向電容，改善繞組沖擊電壓的分布，沖擊特性較好，適用于高電壓等級(jí)的變壓器。綜合分析兩種繞組結(jié)構(gòu)，采用餅式繞組結(jié)構(gòu)。

短路阻抗是變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)十分重要的參數(shù)，它的大小涉及到變壓器的成本、效率、電壓變化率、機(jī)械強(qiáng)度、短路電流大小等。對(duì)于大型變壓器，短路阻抗的電阻分量所占的比重很小，所以短路阻抗的大小就由其電抗分量所決定。短路電抗主要由變壓器的繞組布置方式、繞組連接方式所決定，而不同的繞組布置方式又決定了變壓器的漏磁大小及分布規(guī)律，所以可以說短路電抗是由變壓器的漏磁場大小及分布規(guī)律所決定的 。

電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心或鐵心等組成。

1、骨架 骨架泛指繞制線圈的支架。一些體積較大的固定式電感器或可調(diào)式電感器（如振蕩線圈、阻流圈等），大多數(shù)是將漆包線（或紗包線）環(huán)繞在骨架上，再將磁心或銅心、鐵心等裝入骨架的內(nèi)腔，以提高其電感量。骨架通常是采用塑料、膠木、陶瓷制成，根據(jù)實(shí)際需要可以制成不同的形狀。小型電感器（例如色碼電感器）一般不使用骨架，而是直接將漆包線繞在磁心上。空心電感器（也稱脫胎線圈或空心線圈，多用于高頻電路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上繞好后再脫去模具，并將線圈各圈之間拉開一定距離。

2、繞組 繞組是指具有規(guī)定功能的一組線圈，它是電感器的基本組成部分。繞組有單層和多層之分。單層繞組又有密繞（繞制時(shí)導(dǎo)線一圈挨一圈）和間繞（繞制時(shí)每圈導(dǎo)線之間均隔一定的距離）兩種形式；多層繞組有分層平繞、亂繞、蜂房式繞法等多種。

3、磁心與磁棒 磁心與磁棒一般采用鎳鋅鐵氧體（NX系列）或錳鋅鐵氧體（MX系列）等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多種形狀。

4、鐵心 鐵心材料主要有硅鋼片、坡莫合金等，其外形多為“E”型。

5、屏蔽罩 為避免有些電感器在工作時(shí)產(chǎn)生的磁場影響其它電路及元器件正常工作，就為其增加了金屬屏幕罩（例如半導(dǎo)體收音機(jī)的振蕩線圈等）。采用屏蔽罩的電感器，會(huì)增加線圈的損耗，使Q值降低。

6、封裝材料 有些電感器（如色碼電感器、色環(huán)電感器等）繞制好后，用封裝材料將線圈和磁心等密封起來。封裝材料采用塑料或環(huán)氧樹脂等。

銅線圈

電感是導(dǎo)線內(nèi)通過交流電流時(shí)，在導(dǎo)線的內(nèi)部周圍產(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。當(dāng)電感中通過直流電流時(shí)，其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線，不隨時(shí)間而變化；

可是當(dāng)在線圈中通過交流電流時(shí)，其周圍將呈現(xiàn)出隨時(shí)間而變化的磁力線。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律—磁生電來分析，變化的磁力線在線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)“新電源”。當(dāng)形成閉合回路時(shí)，此感應(yīng)電勢(shì)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流。由楞次定律知道感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁力線總量要力圖阻止磁力線的變化的。磁力線變化來源于外加交變電源的變化，故從客觀效果看，電感線圈有阻止交流電路中電流變化的特性。電感線圈有與力學(xué)中的慣性相類似的特性，在電學(xué)上取名為“自感應(yīng)”，通常在拉開閘刀開關(guān)或接通閘刀開關(guān)的瞬間，會(huì)發(fā)生火花，這自感現(xiàn)象產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)所造成的。

總之，當(dāng)電感線圈接到交流電源上時(shí)，線圈內(nèi)部的磁力線將隨電流的交變而時(shí)刻在變化著，致使線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)。這種因線圈本身電流的變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為“自感電動(dòng)勢(shì)”。由此可見，電感量只是一個(gè)與線圈的圈數(shù)、大小形狀和介質(zhì)有關(guān)的一個(gè)參量，它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無關(guān)。

代換原則：1、電感線圈必須原值代換（匝數(shù)相等，大小相同）。2、貼片電感只須大小相同即可，還可用0歐電阻或?qū)Ь€代換。