我公司設(shè)計(jì)中頻變壓器基本原理

1、我公司設(shè)計(jì)中頻變壓器基本原理我公司生產(chǎn)各種鐵芯、非晶體及鐵氧體中高頻變壓器，頻率從5030000HZ，廣泛用于表面淬火、透熱等各種適應(yīng)加熱的領(lǐng)域內(nèi)，為使客戶充分了解及使用本公司的各種變壓器，我們編寫以下說明，供我廠廣大客戶參考。目 錄目錄11.中頻變壓器21.1變壓器的用途21.2變壓器的工作21.3 線圈的正確結(jié)構(gòu)和尺寸的確定41.4 線圈的結(jié)構(gòu)形式61.5 磁導(dǎo)體72.中頻變壓器的近似計(jì)算112.1 原始數(shù)據(jù)112.2 鐵心截面形狀和尺寸的選定122.3 鐵心內(nèi)的感應(yīng)密度和損耗系數(shù)的求法132.4 鐵心的熱力計(jì)算132.5 規(guī)定工作狀態(tài)的計(jì)算142.6 磁軛的計(jì)算152.7 變壓器線圈和絕

2、緣套的計(jì)算162.8 磁導(dǎo)體的尺寸192.9 磁導(dǎo)體的重量和鐵損202.10變壓器的電壓、功率和效率的計(jì)算212.11 磁導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)的計(jì)算222.12 線圈冷卻系統(tǒng)的計(jì)算241.中頻變壓器1.1變壓器的用途為了造成磁場，以便將所需的能量在規(guī)定的短時(shí)間內(nèi)輸送給被加熱零件，這就必須有足夠的電流通過感應(yīng)器。零件的幾何尺寸、形狀以及所需的加熱強(qiáng)度決定著感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、感應(yīng)器與零件的相對(duì)位置、電流的頻率、所采用的加熱方法和完成該項(xiàng)加熱過程所必需的功率。在每種不同的加熱情況下，加到感應(yīng)器的電壓都是有一定范圍的：在500到15000周的聲頻范圍內(nèi)，感應(yīng)器上每匝的電壓一般為15100伏。我們本文所指中頻范圍定

3、義為200HZ30000HZ。功率為數(shù)十或數(shù)百千瓦的發(fā)電機(jī)，若設(shè)計(jì)成直接用作感應(yīng)器的電源（即低壓電源），是不適宜的。因?yàn)樵诘蛪簳r(shí)從發(fā)電機(jī)到負(fù)荷的輸電線上的損耗很大；采用低壓的電容器有很多的困難；且在低壓是機(jī)動(dòng)發(fā)電機(jī)和整個(gè)高頻裝置的效率也將很低。用于中頻設(shè)備的現(xiàn)代機(jī)動(dòng)發(fā)電機(jī)的電壓一般為7501500伏。 射頻電子管振蕩器的電壓，由于電子管工作過程的特點(diǎn)，可達(dá)數(shù)千伏。采用變壓器作為中間環(huán)節(jié)，就可將半導(dǎo)體變流器的高壓變?yōu)楦袘?yīng)器所需的低壓。雖然在變壓器內(nèi)不免有若干損耗，但是如能遵循設(shè)計(jì)變壓器的一定原則，就可使這項(xiàng)能量損耗減小到只占中頻裝置消耗總能量中的一小部分。1.2變壓器的工作 由于中頻技術(shù)的特點(diǎn)，

4、在感應(yīng)加熱設(shè)備內(nèi)必須采用專用的中頻變壓器。設(shè)計(jì)此種變壓器時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到由于中頻電流的固有物理現(xiàn)象而產(chǎn)生的一些要求，以及變壓器的工作條件。我們知道中頻電流通過導(dǎo)體時(shí)并不是均勻分布在整個(gè)導(dǎo)體截面上。隨著頻率的增高，電流就會(huì)由于所謂趨膚效應(yīng)而趨向?qū)w的表面層。在卷成環(huán)狀或螺旋狀的導(dǎo)線內(nèi)，中頻電流不是均勻的分布在導(dǎo)線的表面層中，而是大部分集中在環(huán)圈的內(nèi)側(cè)。這種現(xiàn)象叫做線圈效應(yīng)。如果中頻電流沿兩根彼此直接相鄰的導(dǎo)線流過，且電流的方向相反（例如在來回兩線中往往如此），則導(dǎo)線內(nèi)電流密度最大的部分是兩導(dǎo)線彼此相對(duì)的一側(cè)。這種現(xiàn)象叫做鄰近效應(yīng)。如果把一塊金屬放在中頻磁場內(nèi)，則金屬內(nèi)便產(chǎn)生感應(yīng)電流，而使金屬發(fā)熱。

5、磁性材料的這種發(fā)熱現(xiàn)象尤其顯著。 上述各種現(xiàn)象在中頻變壓器中也都存在。這種現(xiàn)象便決定著中頻變壓器的結(jié)構(gòu)特征。中頻變壓器的特點(diǎn)就在于它的工作狀態(tài)。用同時(shí)加熱法加熱金屬零件以進(jìn)行淬火及熔焊時(shí)，加熱的時(shí)間是極短的，一般為410秒鐘。而冷卻、取下零件和裝放新零件卻要花費(fèi)較多的時(shí)間。因此變壓器承受符合的時(shí)間僅為每個(gè)工作循環(huán)的一部分。用連續(xù)加熱法加熱很大很重的零件時(shí)，一個(gè)工作循環(huán)中的工作時(shí)間部分增加了，但其中的非工作部分時(shí)間也延長，因?yàn)楦鼡Q較大的零件所需地時(shí)間自然要比較多些。但自動(dòng)淬火機(jī)例外，因?yàn)樗梢圆婚g斷地進(jìn)行加熱。 這種在工作中插有或長或短停頓時(shí)間的周期性負(fù)荷稱為反復(fù)短時(shí)負(fù)荷。如果在停頓時(shí)間內(nèi)，因結(jié)

6、構(gòu)的各部分損耗而產(chǎn)生的余熱，能由相當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)完全冷卻，那么在上述這一類工作狀態(tài)下，變壓器可容許短時(shí)間負(fù)荷工作，但在連續(xù)工作的狀態(tài)下卻不容許。用水冷卻時(shí)，磁導(dǎo)體能夠承受住短時(shí)間的過熱負(fù)荷，因此就有可能縮小磁導(dǎo)體的尺寸、節(jié)省材料、減少漏磁通，并提高變壓器的效率。同時(shí)還需考慮變壓器的某些工作條件，這些條件雖然對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)影響不大，但卻使對(duì)變壓器的要求愈加復(fù)雜化。這就是：變壓器周圍空氣的濕度，由于淬火用的水不斷蒸發(fā)而增加，水分可能間接的侵入變壓器，也可能由于冷卻系統(tǒng)損壞而直接流入變壓器。在工作過程中，變壓器還可能受到機(jī)械力的作用。這種作用是由于淬火機(jī)上固定變壓器的那一部分有了移動(dòng)，以及電動(dòng)現(xiàn)象所引

7、起，后者當(dāng)功率大、頻率較低時(shí)特別顯著。變壓器一般是裝在淬火機(jī)上，因此可能還必須縮小它的尺寸和減輕重量。變壓器的效率應(yīng)盡可能提高。計(jì)算證明，變壓器的效率降低1%，就能引起相當(dāng)大的電能過耗，且與淬火設(shè)備的功率成比例的增加。例如功率為100千瓦的變壓器，在全年1/3的工作時(shí)間中效率降低1%所過耗的電能約為2000千瓦小時(shí)。1.3 線圈的正確結(jié)構(gòu)和尺寸的確定如果淬火設(shè)備的功率達(dá)數(shù)百千伏安，并且加到感應(yīng)器上的電壓很低，那么感應(yīng)器內(nèi)和感應(yīng)器所接變壓器次級(jí)線圈內(nèi)的電流便可達(dá)到數(shù)千甚至數(shù)萬安。（表一）表一 當(dāng)平均功率因數(shù)等于0.3時(shí)，不同功率的感應(yīng)器上的電壓與電流的關(guān)系輸入感應(yīng)器的功率，千瓦255075100

8、200當(dāng)2=0.3時(shí)，輸入感應(yīng)器的功率，千伏安83166250333666感應(yīng)器上的電壓，伏2030405060變壓器次級(jí)線圈和感應(yīng)器內(nèi)的電流，安415055306250666011100流經(jīng)變壓器線圈的中頻電流在導(dǎo)線截面上的分布是不均勻的。大致可以認(rèn)為，電流是沿導(dǎo)線的表面層流過，此表面層的厚度決定于電流的等效透入深度。 電流在銅內(nèi)的透入深度可按下式求得近似值： =7/厘米， （1）式中：f電流的頻率，周。 初級(jí)線圈位于次級(jí)線圈之內(nèi)，距離次級(jí)線圈很近。次級(jí)感應(yīng)電流的方向恰與初級(jí)電流的方向相反。由于臨近效應(yīng)以及鐵心能將初級(jí)電流排擠到線圈的外側(cè)，所以流經(jīng)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電流，主要集中在兩線圈上

9、彼此相對(duì)的那一面（圖一）。導(dǎo)線內(nèi)有電流流過的這部分截面一般叫做有效截面。在這里它等于 Sa=H* 厘米3 （2）式中H線圈卷匝的寬度，厘米 電流透入深度，厘米圖1：中頻變壓器在工作狀態(tài)下電流在線圈內(nèi)的分布情況。有效截面上電流密度是受線圈內(nèi)引起線圈過熱的損耗大小所限制的，中頻變壓器在水冷條件下，線圈每平方毫米有效界面上的電流密度可容許不超過100安。在電流密度較大的情況下工作是不允許的，因?yàn)檫@樣就很難使線圈急速冷卻，特別是較長的初級(jí)線圈。中頻變壓器次級(jí)線圈卷匝的最小寬度（表2）可按以下的近似公式求出： H2min=I2*/7*10000厘米， (3) 式中I2次級(jí)線圈內(nèi)的電流，安；f頻率，周表2

10、 變壓器次級(jí)線圈卷匝的最小寬度輸入感應(yīng)器的功率，千瓦255075100200變壓器次級(jí)線圈內(nèi)的電流，安 （從表一中采用）415053306250666011100H2min，厘米頻率為2500周3.074.134.664.978.28頻率為8000周5.527.358.338.8814.8設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，不宜以線圈在最大容許電流密度工作為參考標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫^大的銅損將嚴(yán)重影響效率值。最好是盡可能使變壓器以比極限值小2/31/2的電流密度工作，為此需適當(dāng)增加卷匝高度。增加的范圍視感應(yīng)器與變壓器次級(jí)線圈寬度之比而定。 變壓器次級(jí)線圈的寬度如果比感應(yīng)器寬34倍，那么就會(huì)使得次級(jí)線圈截面上的電流密度不均勻。

11、電流總是沿捷徑流通，所以次級(jí)電流主要是分布在線圈的中部。此時(shí)邊緣部分不僅沒有承受有效負(fù)荷，卻反而由于漏磁場感應(yīng)出電流而產(chǎn)生額外損耗。中頻變壓器因卷匝很寬，所以它的次級(jí)線圈通常只有一匝或至多兩匝。因此當(dāng)初級(jí)電壓和次級(jí)電壓（U1和U2）已確定時(shí)，初級(jí)線圈的匝數(shù)也就可以確定。中頻變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)一般在10到25匝之間，很少會(huì)超出這個(gè)范圍。初級(jí)線圈繞成螺旋形，且通常是單層的。線匝的層數(shù)如加多時(shí)，由于每一層卷匝處于內(nèi)部幾層卷匝的總電流所造成的磁場內(nèi)，因而線圈內(nèi)的銅損大增。初級(jí)線圈的寬度應(yīng)盡可能與次級(jí)線圈的寬度相等，因此時(shí)漏磁通最?。▓D2）。初級(jí)線圈是繞在鐵心上，所以初級(jí)線圈的直徑以及包于其外的次級(jí)線

12、圈的直徑，主要取決于鐵心的尺寸。圖2 變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的相對(duì)位置。1.4 線圈的結(jié)構(gòu)形式 由于趨膚效應(yīng)，初級(jí)線圈的有效截面（電流流經(jīng)的截面）是緊貼導(dǎo)線表面的金屬層，因此螺旋形的初級(jí)線圈可用空心銅管來繞制，并利用管內(nèi)孔道實(shí)施強(qiáng)烈的水冷卻。管的截面應(yīng)為扁方形，因?yàn)榫€圈內(nèi)的電流是沿卷匝面對(duì)著次級(jí)線圈的那一面流過。所以在卷匝寬度相等的情況下，扁方形截面的銅管的有效截面比圓管的有效截面大（圖3）。管壁的厚度應(yīng)比所取頻率的電流在銅內(nèi)的透入深度約大50%。繞制初級(jí)線圈的銅管上須用漆布交疊地繞上12層（圖4），以作卷匝與卷匝間的絕緣。圖3：卷匝寬度相等時(shí)，扁方形管的有效截面比圓管的大。圖4：初級(jí)線圈

13、的卷匝用漆布帶絕緣的情況。初級(jí)線圈卷匝的最小寬度不僅應(yīng)根據(jù)初級(jí)電流的容許密度來選擇，同時(shí)還應(yīng)考慮到使管內(nèi)空腔應(yīng)足夠通過冷卻用水。從減少損耗的觀點(diǎn)上來說，最好盡量增大卷匝的寬度，但增大的范圍還需取決于所需卷匝數(shù)、匝間的絕緣厚度、線圈只能單層繞制以及必須保持初次級(jí)線圈寬度大致相等這些因素。次級(jí)線圈最好是用厚34毫米的紅銅片制成，銅片卷成圓筒狀。因?yàn)槌跫?jí)線圈和次級(jí)線圈內(nèi)的電流密度大致相同，所以次級(jí)線圈同樣也須用水冷卻。要使這線圈冷卻，可以在圓筒外表面上一定地位焊裝幾根扁方銅管（如圖5a）或一個(gè)水套（如圖5b）以供水冷之用。還有一個(gè)合適的辦法是把圓筒狀的次級(jí)線圈做成可以拆開的兩半個(gè)，用螺栓扣緊在一起（

14、如圖5c）。在這兩個(gè)銅片制的半圓筒（即次級(jí)線圈）的引出端上裝有接頭板，以供裝置感應(yīng)器。圖5 次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)a-焊有冷卻水管的銅片制成的次級(jí)線圈b-裝有水套的銅片制成的次級(jí)線圈c-可拆式次級(jí)線圈d-雙匝式次級(jí)線圈有時(shí)接頭板（圖6）還同時(shí)利用來分配次級(jí)線圈冷卻系統(tǒng)內(nèi)的水，這樣還可順便冷卻接頭板本身，以防材料和固定螺栓過熱。初級(jí)線圈位于次級(jí)線圈內(nèi)，并且同軸。次級(jí)線圈比初級(jí)線圈稍狹一些，使初級(jí)線圈引出線的方向可以垂直于變壓器的軸線。初級(jí)線圈的引出端經(jīng)過次級(jí)線圈兩端外側(cè)引出，兩者之間填有相當(dāng)厚的絕緣墊圈（一般為紙板制成），墊圈的厚度應(yīng)足夠防止絕緣被擊穿。整個(gè)初級(jí)線圈用特制的絕緣套，與次級(jí)線圈和鐵心完全絕

15、緣。絕緣套厚約36毫米，是用紙板膠合成的（圖7）。圖6 高頻變壓器的接頭板圖7 初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的相互位置。絕緣套和絕緣墊圈。1.5 磁導(dǎo)體頻率為50010000周的中頻變壓器與一般的電力變壓器一樣，最好是制成鐵心式的，也就是用鐵磁導(dǎo)體的。交變磁場內(nèi)的鐵心會(huì)由于反復(fù)磁化所產(chǎn)生的損耗和內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流而劇烈發(fā)熱；同時(shí)當(dāng)選用一般通用厚薄的鋼片時(shí)，單位體積中耗散的功率在聲頻范圍內(nèi)大致是與頻率的平方成比例的增加。鋼片減薄，鐵損即隨之減少，但含矽百分率較高的特種變壓器鋼是很脆的，若繼續(xù)減薄鋼片，在生產(chǎn)上必然有很大困難。在更高頻率上通常采用鐵氧體做鐵芯材料。為了減少漏磁通，中頻變壓器的磁導(dǎo)體一般是制成

16、所謂的“殼式”（圖8a）。在這種變壓器中，繞在鐵心上的線圈局部的被磁軛（指位于線圈外部使鐵心的磁路成閉合回路的磁道體部分）包住。采用“芯式”磁導(dǎo)體（圖8b）可以略微減小變壓器的外廓尺寸和重量，提高一些效率，但若要把次級(jí)線圈分布在左右兩條鐵心上，則線圈引出端的結(jié)構(gòu)以及制造方法都將很復(fù)雜。因此這種變壓器在中頻技術(shù)上實(shí)際上幾乎不采用。 圖8 變壓器的磁導(dǎo)體a-殼式b-芯式磁導(dǎo)體一般是用0.20.35毫米厚的鋼片疊成。鋼片的裝合方法有好幾種。一種是無可卸閉合磁軛的裝合（圖9a）。方法是先用不同尺寸的長方形鋼片疊成E型磁導(dǎo)體，上段的閉合磁路部分則在線圈裝上鐵心后再將鋼片一片一片插入。裝合鐵心時(shí)，鋼片對(duì)接

17、的地方必定要上下層交錯(cuò)安置。但是線圈裝上鐵心后，磁導(dǎo)體的裝合和拆卸都很繁復(fù)，所以這種方法并不方便。有可卸閉合磁軛的拼裝鐵心（圖9b）裝合過程比較簡單，但所需不同尺寸的鋼片種數(shù)卻比較多。為變壓器的裝拆迅速便利找想，磁路最好是用整塊的E形鋼片和一個(gè)可卸的閉合磁軛構(gòu)成（圖9c）但這只在大批生產(chǎn)的條件下才有可能，因?yàn)橹圃霦形鋼片需要用很昂貴的沖模。而且還需考慮到，制造不同型的變壓器所用的E形鋼片的尺寸也是根本不同的。磁導(dǎo)體的尺寸容許與其最佳值略有上下，但不能太多，否則變壓器的效率就會(huì)降低。圖9 磁導(dǎo)體的裝合方法整個(gè)磁導(dǎo)體可用套有絕緣套的黃銅螺栓穿入鋼片上專備的孔內(nèi)鎖緊，或用兩個(gè)框架夾緊。在工頻變壓器內(nèi)

18、，磁導(dǎo)體一般都是采用氣冷卻或油冷卻。中頻變壓器由于磁導(dǎo)體內(nèi)的鐵損很大，所以必須采用更有效的冷卻方法。為此，將組成磁導(dǎo)體的整個(gè)鋼片組分疊為數(shù)組，組與組之間夾放焊有冷卻水管的散熱片（圖10）。散熱片必須用導(dǎo)熱優(yōu)良的非磁性材料銅來制造，這樣才能使散熱片即使較厚（12毫米），也不致有很大的內(nèi)部損耗。鋼片中產(chǎn)生的熱被間隔在鋼片組中的散熱片吸收，再靠銅的良好導(dǎo)熱，而被流過冷卻水管的水帶出。圖10 裝有銅散熱片合銅散熱管的鋼片組a-無可卸閉合軛鐵b-有可卸閉合軛鐵 制造水冷卻系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意防止各個(gè)散熱片間形成閉合回路，否則這些回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流將引起額外損耗。冷卻管的末端裝有連接橡皮軟管用的專用接頭。管與

19、管間和管與供水管道間都用橡皮軟管連接。磁路采用猛烈的水冷后，就可在同樣頻率，以采用其他冷卻方法時(shí)所不容許的感應(yīng)密度進(jìn)行工作。因此采用水冷卻時(shí)，就可以縮小鐵心的截面積和整個(gè)磁導(dǎo)體的總尺寸。繞在鐵心上的線圈的直徑、長度、有效電阻和損耗也都可減小。結(jié)果變壓器的效率就可靠水冷而提高。變壓器中的損耗是由線圈損耗和磁路損耗合成的。從這些損耗來說，正確選擇鐵心的截面是很有影響的。鐵心截面增大，感應(yīng)密度和鐵損便減小，但線圈的直徑和銅損則增大。反之，鐵心的截面縮小，則鐵損將增大，但線圈的直徑和銅損則可減小。磁路鐵損和線圈銅損保持相等時(shí)，變壓器可達(dá)最高的效率。高頻變壓器在絕大多數(shù)情況下不能滿足這一條件。此處所用的

20、磁路冷卻系統(tǒng)不能保證將鐵損所產(chǎn)生的熱量急速帶出，而線圈的冷卻則還可算是理想的。因此，這類變壓器一般都是在較小的感應(yīng)密度下進(jìn)行工作；也就是說線圈內(nèi)的損耗要比磁路上的損耗大些。最理想的鐵心截面應(yīng)當(dāng)是圓形，這樣的幾何形狀的周邊最小而面積最大。但此種鐵心制造起來很復(fù)雜，故中頻變壓器常常采用正方形截面的、單極十字形截面的或二級(jí)十字形截面的鐵心（圖11）。圖11 鐵心截面的形狀a-正方形b-單級(jí)十字形c-二級(jí)十字形正方形截面鐵心制造起來最為簡便，但不宜采用。因?yàn)樵谄渌慕撬拥膱A面積內(nèi)有36%是沒有鋼的。鋼充滿外接圓面積的程度，可用占空系數(shù)k3來表示，其值為內(nèi)接圓的面積與外接圓面積的比值。單極十字形的鐵心已

21、能相當(dāng)充滿圓筒形線圈內(nèi)部。在此情況下，未利用的面積只占圓面積的21%，并且制造起來也不很復(fù)雜。二級(jí)十字形鐵心的截面制造起來要復(fù)雜很多，而其有效面積則比單極十字形截面大的不多，圓面積還有15%沒有充滿鐵心。因此比較最合適的鐵心截面形狀是單極十字形截面。正方形截面的鐵心應(yīng)盡可能不采用。二級(jí)的鐵心則在對(duì)損耗的大小要求很嚴(yán)、而結(jié)構(gòu)卻不必簡化的特殊情況下采用。應(yīng)該記住，鐵心內(nèi)部裝有冷卻系統(tǒng)的銅片和銅管，它們占據(jù)這一部分截面，使鐵心的有效面積減小，并且還需要制造出尺寸與原來鋼片不同的鋼片，因而使鐵心的組合復(fù)雜化。磁導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)與散熱片在磁路截面上的分布是否適當(dāng)很有關(guān)系，也就是與相鄰兩散熱片的距離

22、以及散熱片和水管本身的尺寸有關(guān)。考慮散熱片的分布位置時(shí)，應(yīng)盡可能使全部散熱片所承受的熱負(fù)荷達(dá)到均衡。散熱片的數(shù)目不應(yīng)過多，因?yàn)槊恳粋€(gè)裝有水管的散熱片都要占去鐵心的一部分有效面積，這回減小 截面占空系數(shù)k2即包括絕緣在內(nèi)的鋼片截面積與整個(gè)鐵心截面積之比。散熱片數(shù)目的減少有一定的容許限度，決定于相鄰兩散熱片間的距離。選定散熱片間的距離時(shí)，應(yīng)考慮鐵心內(nèi)的損耗系數(shù)和鋼片的厚度（注：熱流掃過鋼片和鋼片間的絕緣層。如不改變絕緣厚度，那么增大鋼片的厚度時(shí)，熱流所經(jīng)路線單位長度上導(dǎo)熱性較小的部分就減小，而使橫割疊片方向的導(dǎo)熱性增大）。損耗系數(shù)愈大及鋼片愈薄，則散熱片之間的距離應(yīng)當(dāng)愈小，也就是說，為保證磁路冷卻

23、所需的散熱片的數(shù)目應(yīng)愈多。在相當(dāng)大的頻率和功率范圍內(nèi)，如鐵心的尺寸、鋼片的厚度、散熱片的尺寸及其分布方式正確配合，則可只限于采用兩種冷卻系統(tǒng)：具有四個(gè)散熱片的或六個(gè)散熱片的冷卻系統(tǒng)（圖12）。 圖12 有六個(gè)散熱片的（a）和四個(gè)散熱片的（b）變壓器磁導(dǎo)第一種冷卻系統(tǒng)是在鐵心外接圓的直徑較小（70100毫米）、變壓器次級(jí)電壓較低（20|50伏）、頻率較高（50008000周），并且是短時(shí)間工作的情況下采用。第二種冷卻系統(tǒng)則適用于鐵心外接圓的直徑大（100140毫米）、次級(jí)電壓高（50100伏）、頻率較低（25005000周）和長期工作的場合。頻率在2500周以上時(shí)應(yīng)采用0.2毫米厚的鋼片。頻率較

24、低（約1000周時(shí)）可用0.35毫米厚的鋼片。散熱片的厚度在絕大多數(shù)情況下是用12毫米的。頻率如果在高，我公司采用2KB鐵氧體或非晶態(tài)材料，也取得較好的效果。當(dāng)磁路的尺寸在上述范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，冷卻系統(tǒng)中相鄰兩散熱片間的距離也應(yīng)相應(yīng)改變，一保持全部散熱片的熱負(fù)荷相等的原則。幾乎在任何情況下，磁路冷卻系統(tǒng)都可采用外部尺寸為7*7毫米、內(nèi)部尺寸為5*5毫米的正方形銅管。為了使導(dǎo)熱良好起見，必須將銅管用硬焊料妥善焊在散熱片上。相鄰兩散熱片間的距離如超過15毫米，銅管最好是裝在散熱片的對(duì)著鐵心中央的一面上。這樣可以改善冷卻系統(tǒng)的工作情況，有時(shí)還能減少不同尺寸的鋼片 種數(shù)。在磁軛部分的散熱片上的銅管應(yīng)伸出磁

25、軛外邊，這樣也可以大大減少不同尺寸的鋼片種數(shù)。根據(jù)功用和工作條件的不同，變壓器可制成蔽式和敞式兩種。 蔽式變壓器是在裝配完畢后立即裝入特制外殼內(nèi)（圖13），然后在外殼內(nèi)灌注石蠟和變壓器油的混合物。外殼可以保護(hù)變壓器不受外界環(huán)境、濕氣等的影響，但初次級(jí)線圈引出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)以及水冷系統(tǒng)供水等卻因而復(fù)雜起來。此外，變壓器的外廓尺寸也要做得較大而重疊也較重。敞式變壓器（圖14）上裝有一個(gè)框架，用以夾緊鐵心、固定初級(jí)線圈引出線和固定變壓器于淬火機(jī)上?？蚣苡蓛刹糠纸M成，一般可用304不銹鋼、不導(dǎo)磁角鐵制成，用雙頭螺栓夾緊。為了防止形成短路，夾緊角鐵要用絕緣螺栓，在螺栓與角鐵接觸處還須墊上一薄片絕緣墊片。灰夾框

26、可用有色金屬的合金鑄造。圖13 取下外殼的蔽式變壓器圖14 敞式變壓器2.中頻變壓器的近似計(jì)算變壓器計(jì)算的內(nèi)容包括：確定變壓器的主要結(jié)構(gòu)元件、冷卻系統(tǒng)的配置、線圈的相互位置和它們的尺寸等等；校核變壓器是否符合規(guī)定的工作狀態(tài)；計(jì)算制造變壓器所需的材料和冷卻水的消耗量；計(jì)算損耗、效率和功率因數(shù)1（決定于變壓器初級(jí)線圈端電壓與電流間的相位差）。2.1 原始數(shù)據(jù)計(jì)算變壓器用的原始數(shù)據(jù)，取決于連同被加熱零件在一起時(shí)的感應(yīng)器的參數(shù)和用作高頻電源的振蕩器的參數(shù)。在計(jì)算和設(shè)計(jì)變壓器的計(jì)劃任務(wù)書中一定要說明：工作電流頻率f，周；初級(jí)電壓U1，伏；次級(jí)電壓U2，伏；送到感應(yīng)器上的有功功率P2，千瓦；負(fù)荷功率因數(shù)2

27、（決定于變壓器初級(jí)線圈端電壓與電流間的相位差）；一次工作時(shí)間t1，秒；一次停頓時(shí)間t2，秒。除了上面所列舉的一些原始數(shù)據(jù)以外，在技術(shù)條件內(nèi)還可以提出一些可能有很大影響的附帶要求，如變壓器尺寸的限制范圍，要求的鋼片組合方式，如何利用現(xiàn)有材料及是否需要外殼等。任務(wù)書中最好還說明感應(yīng)器的預(yù)定寬度。2.2 鐵心截面形狀和尺寸的選定關(guān)于選定鐵心截面形狀的根據(jù)，前面已經(jīng)說過。選定鐵心的尺寸和散熱片的數(shù)目時(shí)，在近似計(jì)算中可以運(yùn)用表3中的數(shù)據(jù)。表3中的數(shù)據(jù)適合于鋼片厚度為0.2毫米的單極十字形截面的鐵心和t1=t2=10秒的反復(fù)短時(shí)間工作。若鐵心截面形狀不同，且工作狀態(tài)亦異時(shí)，表中的數(shù)據(jù)需相應(yīng)改變。表3 選定

28、變壓器鐵心和散熱片數(shù)目用的參考數(shù)據(jù)（次級(jí)線圈為單匝時(shí)）頻率，周 2500 8000次級(jí)電壓，伏2030405020304050鐵心的外接圓直徑，毫米801001101207090100110散熱片數(shù)目44664466頻率為2500周時(shí)，鋼片的厚度也可能用0.35毫米。此時(shí)，從表3求得的鐵心外接圓的參考直徑應(yīng)增大1015%。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)作出一個(gè)鐵心截面的草圖（圖19）。 圖19 變壓器的鐵心和磁軛的截面2.3 鐵心內(nèi)的感應(yīng)密度和損耗系數(shù)的求法根據(jù)鐵心截面的草圖求有效鋼的截面積 S0=S1*k1=(S2-SM)*k1 厘米2 （4）式中：S2鐵心的截面積，厘米2；SM冷卻系統(tǒng)所占的截面積，厘米2

29、；S1連同絕緣在內(nèi)的鋼的截面積，厘米2 ；k1隨鋼片厚度而定的鋼的占空系數(shù)（鋼片厚0.2毫米時(shí)，k1=0.83）為保證規(guī)定的次級(jí)電壓U2所必須的電動(dòng)勢E2，可從下列近似公式求得：E2 （1.081.20）*U2，伏， （5）式中：較大的系數(shù)是用于頻率較高、功率較大和規(guī)定的次級(jí)電壓值較小時(shí)；較小的系數(shù)則用于較低的頻率和較大的次級(jí)電壓時(shí)。 鐵心內(nèi)的感應(yīng)密度 B0 E2*108 / 4.44*S0*2高斯， （6）式中：2次級(jí)線圈的匝數(shù)，一般2=1；f 電流頻率，周。在大多數(shù)情況下，中頻變壓器鐵心中的感應(yīng)密度不超過一下數(shù)值：頻率為2500周時(shí)約為8000高斯；頻率為8000周時(shí)約為3000高斯。頻率

30、較高時(shí)用鐵氧體，適應(yīng)密度不超過1500高斯。4A號(hào)鋼在中歐頻時(shí)的損耗系數(shù)可按下列公式求得： P0=2.4*+0.6*（）2*(*)2*1.8瓦/每公斤，式中：0 鋼片的厚度，毫米。2.4 鐵心的熱力計(jì)算熱力計(jì)算的目的是：校核鐵心截面的大小是否選得正確和冷卻系統(tǒng)的分布是否妥當(dāng)。對(duì)于散熱條件及其惡劣的鐵心部分應(yīng)進(jìn)行熱力計(jì)算。假設(shè)熱流先橫掃過鋼片，然后沿銅散熱片傳到冷卻管，在傳到水中，根據(jù)這樣的前提來求出在一定的損耗系數(shù)下鐵心的溫升（對(duì)于冷卻水溫度T0而言）。當(dāng)變壓器在穩(wěn)定狀態(tài)下工作時(shí)，此項(xiàng)溫升按下式計(jì)算：T=7.8*10-3P0k1n+ ， （8）式中：n相鄰兩散熱片間的距離，厘米（圖19）；M散

31、熱片的厚度，厘米；從散熱片邊緣到冷卻水管的距離，厘米；管的內(nèi)壁寬度，厘米；0橫割疊片方向的導(dǎo)熱系數(shù)，0=*10-2瓦/厘米；k1鋼的占空系數(shù)；M銅的導(dǎo)熱系數(shù)，瓦/厘米；對(duì)流系數(shù)，瓦/厘米2 （表4）水的流動(dòng)速度v可參考表4中的平均值而定出。表4 對(duì)流系數(shù)與水流速度v的關(guān)系 （適用于毫米的管子）V,米/抄0.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2，瓦/厘米2 0.1830.2350.2850.3340.3820.4280.4750.5200.5660.610在反復(fù)短時(shí)負(fù)荷狀態(tài)下工作的變壓器中，由公式（8）求得的穩(wěn)定溫升值T可達(dá)百余度。2.5 規(guī)定工作狀態(tài)的計(jì)算 如上所述，淬火用

32、變壓器大都是在反復(fù)短時(shí)負(fù)載狀態(tài)下工作。為使處于穩(wěn)定狀態(tài)的變壓器在規(guī)定的能量損耗下，磁路的溫度達(dá)到T0+T的數(shù)值，在不用冷卻的條件下應(yīng)使發(fā)熱有一定的時(shí)間。這時(shí)間叫做磁路的時(shí)間的常數(shù) =*(1+*)秒， （9）式中： C0=480鋼的比熱； CM=350銅的比熱。如果工作時(shí)間與停頓時(shí)間是交替的，則在反復(fù)短時(shí)負(fù)荷狀態(tài)下，當(dāng)t1+t2時(shí)，鐵心的溫升T=T （10）當(dāng)t1+t2時(shí)，溫升應(yīng)按下式求得： T=T （11）按照規(guī)定，變壓器尺寸的最大容許溫升為75。因此如果求出的數(shù)值T75，則須重新設(shè)計(jì)，這時(shí)須增大鐵心截面，同時(shí)還必須變更散熱片間的距離，有時(shí)如果鐵心的截面很大，還須增加散熱片的數(shù)目。如T75，則

33、應(yīng)縮小鐵心的截面，同時(shí)也相應(yīng)改變散熱片間的距離。如果變壓器適用于穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，也就是說，如果t1,就應(yīng)該認(rèn)為T等于75。2.6 磁軛的計(jì)算從提高效率的觀點(diǎn)上來說，磁軛的截面積最好略大于鐵心截面積之半。磁軛的疊集厚度和冷卻系統(tǒng)元件在其內(nèi)的分布位置應(yīng)與鐵心完全一致。因此要增大磁軛的截面積只能加到其寬度。磁軛的寬度AH(圖19)大體可從下式求得：AH=（1.21.3）*厘米， （12）式中C磁導(dǎo)體的疊厚。于是磁軛的截面積SH2= AH*C厘米2設(shè)磁軛中冷卻系統(tǒng)占據(jù)反而截面積為SHM，鋼的占空系數(shù)為k1,則磁軛的有效鋼截面積可按下式求出：SH0=(SH2-SHM)k1 厘米3 （13）磁軛內(nèi)的感應(yīng)

34、密度可按下式求得：BH=*高斯， （14）式中： 鐵心中鋼的有效截面和磁軛中鋼的有效截面之比；B0鐵心中的感應(yīng)密度.然后按公式（7）求出當(dāng)感應(yīng)密度為BH時(shí)磁軛內(nèi)的損耗系數(shù)P。由于磁軛的截面較大，它的工作條件比鐵心的工作條件好些，所以對(duì)磁軛不必作熱力計(jì)算。2.7 變壓器線圈和絕緣套的計(jì)算 據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)所知，用層壓紙板制成的、厚為36公厘的絕緣套，再經(jīng)過專門浸泡，已可滿足要求。設(shè)計(jì)絕緣套時(shí)，以鐵心的人外接圓直徑d3作為原始依據(jù)。決定絕緣套和線圈的直徑時(shí)，應(yīng)預(yù)留各個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間實(shí)際上必要的容許間隙，此間隙一般為1毫米。因此，用作初級(jí)線圈與鐵心間絕緣的第一絕緣套的內(nèi)徑：毫米； （15）它的外徑：毫米

35、（16）式中：所用的絕緣套厚度，毫米。此絕緣套的長度等于窗口的寬度。初級(jí)線圈的匝數(shù)可用多次近似法求得，這在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)便要作出好幾種設(shè)計(jì)方案。選定匝數(shù)時(shí)，可用下式求得的數(shù)值作為基礎(chǔ)： ， （17）式中U1規(guī)定的初級(jí)電壓；U2規(guī)定的次級(jí)電壓；次級(jí)線圈匝數(shù)在變壓器的線圈內(nèi)是有電壓降落的，故按公式（17）求得的匝數(shù)應(yīng)減少24匝，并且在頻率較高及功率較大時(shí)多減去一些。通過變壓器次級(jí)線圈的電流I2=安； （18）式中P2加在感應(yīng)器上的規(guī)定的有功功率，千瓦；規(guī)定的負(fù)荷功率因數(shù)。中頻變壓器的磁化電流一般平均為初級(jí)工作電流的6%。因此初級(jí)電流大致等于I1=I2（1+0.06）安。 （19）近一步再求初級(jí)線圈和次

36、級(jí)線圈的各部尺寸。根據(jù)容許的電流密度，初級(jí)線圈卷匝的最小寬度 hB=厘米。 （20）但是應(yīng)當(dāng)注意，增大卷匝的寬度對(duì)減少損耗是有利的。此外，為了保證水能暢流，繞線圈用的管子內(nèi)壁的最小尺寸不應(yīng)小于6毫米。初級(jí)線圈的卷匝寬度hB和沿線圈徑向的寬度a就根據(jù)這些原則來選定。繞制初級(jí)線圈用的管子的最小外部尺寸應(yīng)為10*10毫米。變壓器初級(jí)線圈的寬度（圖20a） H1=（1+1）hB+（1+2）厘米， （21）式中：兩個(gè)相鄰卷匝間的絕緣漆布厚度。 變壓器初級(jí)線圈的內(nèi)徑（圖20b） D1=dH1+2*0.1厘米。 （22）圖20 變壓器的鐵心、磁軛和線圈的相互位置 a-垂直截面b-水平截面初級(jí)線圈的外徑: D

37、1H=D1+2厘米 （23）式中初級(jí)線圈卷匝的徑向?qū)挾?，厘?初級(jí)線圈與次級(jí)線圈間絕緣套的內(nèi)徑厘米 （24）外徑： 厘米 （25）式中：絕緣套的徑向壁厚，厘米初級(jí)線圈與次級(jí)線圈間絕緣套的長度 Hr=H1-2(Hb+)厘米。 （26）根據(jù)初級(jí)線圈的尺寸，次級(jí)線圈的寬度應(yīng)取H2厘米）厘米 （27）但是所求得的H2的值應(yīng)按前所述加以修正。如果H2的值需要改變，則繞制初級(jí)線圈用的管子也應(yīng)重新選定。新選的初級(jí)線圈卷匝寬度大體上可從下式求的：hB= 厘米 （28）式中：H2改變后的次級(jí)線圈寬度。求得卷匝的新寬度后，再選定最適宜繞制初級(jí)線圈的管子。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的寬度配準(zhǔn)后，還需驗(yàn)算達(dá)到的電流密度。初級(jí)

38、線圈內(nèi)的電流密度 安/毫米2， （29）式中：hB卷匝的寬度，毫米；透入深度，毫米。次級(jí)線圈內(nèi)的電流密度 安/毫米2 （30）式中：H2次級(jí)線圈卷匝的寬度，毫米。任何一個(gè)線圈中的電流密度如超過100安/毫米2，即應(yīng)增加卷匝的寬度，同時(shí)也需改變所有與這一數(shù)值有關(guān)的結(jié)構(gòu)部分，并修正計(jì)算的結(jié)果。次級(jí)線圈的內(nèi)徑 D2=dH2+2*0.1厘米 （31） 外徑： D2H=D2+2厘米， （32）式中：次級(jí)線圈的徑向?qū)挾?，厘米（冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也計(jì)算在內(nèi)）。初級(jí)線圈的有效電阻 歐， （33）初級(jí)線圈的有效截面積， =厘米2 （34）式中：和以厘米為單位。 次級(jí)線圈的有效電阻 歐， （35）式中：次級(jí)線圈的寬度

39、，厘米漏磁通對(duì)初級(jí)線圈形成的電抗 歐， （36）式中：線圈的計(jì)算寬度，厘米；線圈間的距離，厘米；透入深度，厘米；漏磁通增大系數(shù)。如果感應(yīng)器的寬度HH已確定，且次級(jí)線圈的寬度比感應(yīng)器寬五倍以上，那么從公式（厘米）求出線圈的計(jì)算寬度后，需要大概計(jì)算一下電抗的增加值。2.8 磁導(dǎo)體的尺寸變壓器磁導(dǎo)體窗口的寬度（圖21） 厘米， （37） 式中：A鐵心的最大寬度，厘米，次級(jí)線圈冷卻套外壁與磁軛內(nèi)壁之間的間隙（圖20），約在0.81.5厘米之間，隨結(jié)構(gòu)的尺寸而定。 磁導(dǎo)體窗口的高度 厘米， （38）式中：初級(jí)線圈端面與磁軛之間襯有絕緣墊圈的間隙（圖20），此間隙約在1.52厘米之間，隨結(jié)構(gòu)的尺寸而定。磁

40、導(dǎo)體的縱寬（圖19、21）圖21 磁導(dǎo)體簡圖厘米 ， （39）式中：磁軛的寬度，厘米 磁導(dǎo)體的橫寬 HM=H0+2厘米。 （40）2.9 磁導(dǎo)體的重量和鐵損 鐵心鋼的重量 公斤， （41）式中：=7.8*10-3公斤/厘米3鋼的比重；S0鐵心鋼的有效截面積。磁軛鋼的重量 公斤。 （42） 磁導(dǎo)體鋼的總重量 G=G0+Ga公斤， （43） 鐵心鋼內(nèi)的損失 千瓦， （44）式中：P0鐵心鋼的損耗系數(shù)，瓦/公斤。 磁軛內(nèi)的損失 千瓦。 （45） 磁導(dǎo)體的總損耗 M=O+a 千瓦 （46）磁導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)中各元件的重量可根據(jù)簡圖求出。由于冷區(qū)系統(tǒng)位于磁導(dǎo)體內(nèi)部，即直接位于交變磁通的作用范圍內(nèi)，故可以認(rèn)為

41、散熱片和管子內(nèi)會(huì)應(yīng)感應(yīng)電流而產(chǎn)生銅損。但由于銅是非磁性材料，并且分量也不多，故在近似計(jì)算中，這些損耗可以略去不計(jì)。要確定磁導(dǎo)體的總重量，還需計(jì)算出冷卻系統(tǒng)內(nèi)銅的重量；銅的比重公斤/厘米3。體積可根據(jù)散熱片的圖樣求出。2.10變壓器的電壓、功率和效率的計(jì)算 短路時(shí)，相對(duì)電壓降的有功成分 (47)式中：和線圈的有效電阻；和初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)。相對(duì)電壓降的無功成分 ， （48）式中：按公式（36）求得的電抗。 相對(duì)短路電壓 。 （49）變壓器線圈內(nèi)的電壓降 伏 （50）式中：由負(fù)荷確定，按表格求得。 伏。在額定的次級(jí)電壓值U2時(shí)，應(yīng)輸給初級(jí)線圈端的電壓 伏。 （51） 如果求得U1的值大于額定

42、的初級(jí)電壓，則應(yīng)減少初級(jí)線圈的匝數(shù)，同時(shí)每減少一次即進(jìn)行一次計(jì)算，直至電壓值最接近額定值時(shí)為止。 如果U1的值小于額定值，則應(yīng)增加初級(jí)線圈的匝數(shù)。 變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的損耗 千瓦。 （52） 變壓器次級(jí)線圈內(nèi)的損耗千瓦 （53）變壓器內(nèi)的總損耗 千瓦。 （54） 變壓器的效率 %, (55) 式中：P2負(fù)荷 上的功率，千瓦。輸入變壓器中的有功功率 千瓦。 (56)變壓器的視在功率 千伏安， （57）式中：U1初級(jí)電壓；I1初級(jí)電流。U1和I1都可取前述計(jì)算所得的數(shù)據(jù)。被加熱零件、感應(yīng)器和變壓器全部在內(nèi)的總功率因數(shù) 。 （58）2.11 磁導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)的計(jì)算 磁導(dǎo)體的冷卻系統(tǒng)和線圈的冷卻系統(tǒng)須分別計(jì)算。計(jì)算的目的是要確定冷卻水在選定的流動(dòng)速度下的溫度和用水量，以及線圈在工作狀態(tài)下的溫度。在均衡的熱負(fù)荷條件下，一個(gè)散熱片上的熱量 千卡/秒， （59）式中：鐵心磁導(dǎo)體內(nèi)的總損耗，千瓦；散熱片的數(shù)目。 這熱量被冷卻系統(tǒng)銅管內(nèi)以一定速度v流動(dòng)的水排出。 每根冷卻水管的用水量 qT=0.1*v*a*b公升/秒 （60）式中：a和b管的內(nèi)壁尺寸，厘米。水流過一根冷卻水管后的溫升 。 （61）水管出口處水的溫度 ， （62）式中：T0=20水的起