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智能伺服变压器:从技术和应用角度来了解磁性元件

【摘要】:
随着电子产品在我们日常生活中越来越普遍,大多数用户却只知道少数器件类型。互联网可以搜索到半导体、微处理器和晶体管,但却很少提到这些设备所必需的磁性元件。 甚至与电子工程师聊天,这些不起眼的电感器和变压器都被认为技术含量非常低。实际上,设计和制造这些无源器件需要用到有大量的技术和知识。 从技术和应用角度来看,磁性元件可以分为四种:低频、高频、隔离和非隔离。为满足特定的电气和物理参数需求通常需要定制设
随着电子产品在我们日常生活中越来越普遍,大多数用户却只知道少数器件类型。互联网可以搜索到半导体、微处理器和晶体管,但却很少提到这些设备所必需的磁性元件。
 
甚至与电子工程师聊天,这些不起眼的电感器和变压器都被认为技术含量非常低。实际上,设计和制造这些无源器件需要用到有大量的技术和知识。
 
从技术和应用角度来看,磁性元件可以分为四种:低频、高频、隔离和非隔离。为满足特定的电气和物理参数需求通常需要定制设计。按照标准最大限度地提高材料效率的重要性驱动着变压器设计工程师,材料研究推动着绕线元器件领域的创新。
 
在欧洲,低频通常为50 Hz -500Hz,并连接到220V-240V交流单相电源输入,在美洲则是115V 交流电源输入。其应用到包括线性滤波器、电机驱动器、不间断电源(UPS)、泵浦电路、输送系统、暖通空调设备、线性电源和电力计量。
 
随着高效开关电源的出现,高频磁性元件的使用变得越来越受欢迎。其初始频率约为16kHz的,略高于人类的听觉极限,但现在可以达到兆赫兹。这种电源现在主要用于移动设备充电、以及LED、电视、电脑、通讯设备,甚至电动汽车的开关调节和保护。
 
非隔离磁性元件包括用于减少电噪声或短暂储存能量的电感器、滤波器以及升、降交流电压的变压器。例如,降压变压器可以将400V交流电(英国交流电为415V)输入减少到230V。
 
在人类是有可能接触电力的地方(例如笔记本电脑电源),使用隔离变压器可避免被电击。采用变压器,将电源(主)电路在次级端进行隔离。在内部,变压器绕组将有一层或多层绝缘,这可能包括塑料骨架或绝缘胶带。其中要求最为严格的是医疗行业的产品,其隔离需要需要采用三重绝缘和几毫米空隙。电子产品可能会直接接触病人,因此环形隔离变压器通常会提供额外的保护。
 
磁性元件由绕组(线或者箔缠绕磁芯)、骨架或心轴(空气芯电感所需),以及或有或无的绝缘层组成的。尽管大多数变压器和电感属于劳动密集型产业,但要实现非常简单器件的大批量生产,自动化是可行的。
 
低频磁性元件通常使用钢或铁叠片作为磁芯材料,这些磁芯可以是E型和I型的结构,并且围绕骨架和绕组相互交错。另一种是使用环形磁芯,它是将取向硅钢进行缠绕以形成圆环形状。然后电线和绝缘材料对磁芯进行缠绕。这个过程是比较耗时的,但由于芯的形状,这种类型的变压器具有极低的杂散磁场和较高的效率,从而导致整体的尺寸更小。
 
高频磁性元件通常使用铁氧体或功率铁材料作为磁芯,磁芯可以做成各种不同的形状。更复杂的变压器设计和工艺是由变压器结构的标准、大小、阻抗、漏电和爬电距离共同决定的。一般额定频率越高,电感就越小。为了克服这一点,会用到多股线,或这金属箔必须使用绝缘胶带。在某些情况下,初级绕组将分裂成两个独立的绕组,把二级绕组夹在中间以提高磁耦合。在Hi-pot测试中,TIW(三层绝缘线)经常被用来保证更好的性能。
 
虽然机器可以用来把线绕到骨架上面去,但绕组之间添加绝缘胶带、拆漆包线漆膜、穿套管仍然需要手工组装,这为了保护所有安全隔离的完整性,使得其能够适合磁芯。
 
根据不同的应用,变压器和电感器可能会受到安全认证的影响。在这种情况下,独立的测试机构如VDE、CENELEC、UL和CSA将检查磁性元件的工艺结构和执行电气测试。因此,实行验收测试和在工作条件下模拟变压器是非常重要的,这可以确保在正常操作中该部件不会因为过热而导致绕组短路。定型测试(例如热或浪涌试验),需要要与最终客户达成一致。该部件的环境和操作温度也决定了绝缘等级的选择;130 C(B)、155 C(F)和180 C(H)是典型温度级。
 
变压器的设计标准里面包括安全限度,例如H级变压器设计的绕组的最大工作温度必须达到125℃。这是因为H级设计工程允许有±40ºC的环境温度和+ 15ºC安全范围调节。
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