智能伺服變壓器：從技術和應用角度來了解磁性元件

隨著電子產品在我們日常生活中越來越普遍，大多數用戶卻只知道少數器件類型。互聯網可以搜索到半導體、微處理器和晶體管，但卻很少提到這些設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為技術含量非常低。實際上，設計和制造這些無源器件需要用到有大量的技術和知識。

 

從技術和應用角度來看，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需求通常需要定制設計。按照標準最大限度地提高材料效率的重要性驅動著變壓器設計工程師，材料研究推動著繞線元器件領域的創新。

 

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。其應用到包括線性濾波器、電機驅動器、不間斷電源(UPS)、泵浦電路、輸送系統、暖通空調設備、線性電源和電力計量。

 

隨著高效開關電源的出現，高頻磁性元件的使用變得越來越受歡迎。其初始頻率約為16kHz的，略高于人類的聽覺極限，但現在可以達到兆赫茲。這種電源現在主要用于移動設備充電、以及LED、電視、電腦、通訊設備，甚至電動汽車的開關調節和保護。

 

非隔離磁性元件包括用于減少電噪聲或短暫儲存能量的電感器、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(英國交流電為415V)輸入減少到230V。

 

在人類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)電路在次級端進行隔離。在內部，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。其中要求最為嚴格的是醫療行業的產品，其隔離需要需要采用三重絕緣和幾毫米空隙。電子產品可能會直接接觸病人，因此環形隔離變壓器通常會提供額外的保護。

 

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)，以及或有或無的絕緣層組成的。盡管大多數變壓器和電感屬于勞動密集型產業，但要實現非常簡單器件的大批量生產，自動化是可行的。

 

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型的結構，并且圍繞骨架和繞組相互交錯。另一種是使用環形磁芯，它是將取向硅鋼進行纏繞以形成圓環形狀。然后電線和絕緣材料對磁芯進行纏繞。這個過程是比較耗時的，但由于芯的形狀，這種類型的變壓器具有極低的雜散磁場和較高的效率，從而導致整體的尺寸更小。

 

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。更復雜的變壓器設計和工藝是由變壓器結構的標準、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，會用到多股線，或這金屬箔必須使用絕緣膠帶。在某些情況下，初級繞組將分裂成兩個獨立的繞組，把二級繞組夾在中間以提高磁耦合。在Hi-pot測試中，TIW(三層絕緣線)經常被用來保證更好的性能。

 

雖然機器可以用來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，這為了保護所有安全隔離的完整性，使得其能夠適合磁芯。

 

根據不同的應用，變壓器和電感器可能會受到安全認證的影響。在這種情況下，獨立的測試機構如VDE、CENELEC、UL和CSA將檢查磁性元件的工藝結構和執行電氣測試。因此，實行驗收測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因為過熱而導致繞組短路。定型測試(例如熱或浪涌試驗)，需要要與最終客戶達成一致。該部件的環境和操作溫度也決定了絕緣等級的選擇；130 C(B)、155 C(F)和180 C(H)是典型溫度級。

 

變壓器的設計標準里面包括安全限度，例如H級變壓器設計的繞組的最大工作溫度必須達到125℃。這是因為H級設計工程允許有±40ºC的環境溫度和+ 15ºC安全范圍調節。