智能伺服變壓器：從技術(shù)和應(yīng)用角度來(lái)了解磁性元件

隨著電子產(chǎn)品在我們?nèi)粘Ｉ钪性絹?lái)越普遍，大多數(shù)用戶卻只知道少數(shù)器件類(lèi)型?；ヂ?lián)網(wǎng)可以搜索到半導(dǎo)體、微處理器和晶體管，但卻很少提到這些設(shè)備所必需的磁性元件。

 

甚至與電子工程師聊天，這些不起眼的電感器和變壓器都被認(rèn)為技術(shù)含量非常低。實(shí)際上，設(shè)計(jì)和制造這些無(wú)源器件需要用到有大量的技術(shù)和知識(shí)。

 

從技術(shù)和應(yīng)用角度來(lái)看，磁性元件可以分為四種：低頻、高頻、隔離和非隔離。為滿足特定的電氣和物理參數(shù)需求通常需要定制設(shè)計(jì)。按照標(biāo)準(zhǔn)最大限度地提高材料效率的重要性驅(qū)動(dòng)著變壓器設(shè)計(jì)工程師，材料研究推動(dòng)著繞線元器件領(lǐng)域的創(chuàng)新。

 

在歐洲，低頻通常為50 Hz -500Hz，并連接到220V-240V交流單相電源輸入，在美洲則是115V 交流電源輸入。其應(yīng)用到包括線性濾波器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源(UPS)、泵浦電路、輸送系統(tǒng)、暖通空調(diào)設(shè)備、線性電源和電力計(jì)量。

 

隨著高效開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)，高頻磁性元件的使用變得越來(lái)越受歡迎。其初始頻率約為16kHz的，略高于人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)極限，但現(xiàn)在可以達(dá)到兆赫茲。這種電源現(xiàn)在主要用于移動(dòng)設(shè)備充電、以及LED、電視、電腦、通訊設(shè)備，甚至電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)和保護(hù)。

 

非隔離磁性元件包括用于減少電噪聲或短暫儲(chǔ)存能量的電感器、濾波器以及升、降交流電壓的變壓器。例如，降壓變壓器可以將400V交流電(英國(guó)交流電為415V)輸入減少到230V。

 

在人類(lèi)是有可能接觸電力的地方(例如筆記本電腦電源)，使用隔離變壓器可避免被電擊。采用變壓器，將電源(主)電路在次級(jí)端進(jìn)行隔離。在內(nèi)部，變壓器繞組將有一層或多層絕緣，這可能包括塑料骨架或絕緣膠帶。其中要求最為嚴(yán)格的是醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品，其隔離需要需要采用三重絕緣和幾毫米空隙。電子產(chǎn)品可能會(huì)直接接觸病人，因此環(huán)形隔離變壓器通常會(huì)提供額外的保護(hù)。

 

磁性元件由繞組(線或者箔纏繞磁芯)、骨架或心軸(空氣芯電感所需)，以及或有或無(wú)的絕緣層組成的。盡管大多數(shù)變壓器和電感屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，但要實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單器件的大批量生產(chǎn)，自動(dòng)化是可行的。

 

低頻磁性元件通常使用鋼或鐵疊片作為磁芯材料，這些磁芯可以是E型和I型的結(jié)構(gòu)，并且圍繞骨架和繞組相互交錯(cuò)。另一種是使用環(huán)形磁芯，它是將取向硅鋼進(jìn)行纏繞以形成圓環(huán)形狀。然后電線和絕緣材料對(duì)磁芯進(jìn)行纏繞。這個(gè)過(guò)程是比較耗時(shí)的，但由于芯的形狀，這種類(lèi)型的變壓器具有極低的雜散磁場(chǎng)和較高的效率，從而導(dǎo)致整體的尺寸更小。

 

高頻磁性元件通常使用鐵氧體或功率鐵材料作為磁芯，磁芯可以做成各種不同的形狀。更復(fù)雜的變壓器設(shè)計(jì)和工藝是由變壓器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)、大小、阻抗、漏電和爬電距離共同決定的。一般額定頻率越高，電感就越小。為了克服這一點(diǎn)，會(huì)用到多股線，或這金屬箔必須使用絕緣膠帶。在某些情況下，初級(jí)繞組將分裂成兩個(gè)獨(dú)立的繞組，把二級(jí)繞組夾在中間以提高磁耦合。在Hi-pot測(cè)試中，TIW(三層絕緣線)經(jīng)常被用來(lái)保證更好的性能。

 

雖然機(jī)器可以用來(lái)把線繞到骨架上面去，但繞組之間添加絕緣膠帶、拆漆包線漆膜、穿套管仍然需要手工組裝，這為了保護(hù)所有安全隔離的完整性，使得其能夠適合磁芯。

 

根據(jù)不同的應(yīng)用，變壓器和電感器可能會(huì)受到安全認(rèn)證的影響。在這種情況下，獨(dú)立的測(cè)試機(jī)構(gòu)如VDE、CENELEC、UL和CSA將檢查磁性元件的工藝結(jié)構(gòu)和執(zhí)行電氣測(cè)試。因此，實(shí)行驗(yàn)收測(cè)試和在工作條件下模擬變壓器是非常重要的，這可以確保在正常操作中該部件不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而導(dǎo)致繞組短路。定型測(cè)試(例如熱或浪涌試驗(yàn))，需要要與最終客戶達(dá)成一致。該部件的環(huán)境和操作溫度也決定了絕緣等級(jí)的選擇；130 C(B)、155 C(F)和180 C(H)是典型溫度級(jí)。

 

變壓器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)里面包括安全限度，例如H級(jí)變壓器設(shè)計(jì)的繞組的最大工作溫度必須達(dá)到125℃。這是因?yàn)镠級(jí)設(shè)計(jì)工程允許有±40oC的環(huán)境溫度和+ 15oC安全范圍調(diào)節(jié)。