模块 2 变压器的设计

1. 模块2变压器的设计 一．教学目标 终极目标：能够掌握小型电源变压器的设计。 促成目标： 1、能掌握小型电源变压器的铁芯结构及铁芯镶(迭)； 2、能掌握小型电源变压器的绕组结构及绕组绕制； 3、能掌握小型电源变压器的绝缘材料的； 4、能正确理解变压器的简单制作工序； 5、能根据要求掌握小型电源变压器的分析计算方法。

2. 二．工作任务 • 试设计一单相电源变压器，规格要求如图3-22所示，其中变压器η=80%。 • 其工作任务是： （1）确定变压器的铁芯型号、规格； （2）绕组导线的型号、规格及匝数； （3）使用绝缘材料的情况。

3. 小型电源变压器简单设计： 1、计算变压器的额定功率 （1）计算输出总功率P2： 输出总功率P2=U2×I2+U3×I3=10W （2）计算输入功率P1及输入电流I1： 输入功率P1=P2/η=10/0.75 =13.3W 输入电流I1 = 1.1 ×（P1/U1）= 1.1×13.3/220=0.0665A

4. 2、计算变压器的铁心规格 （1）确定铁心截面积Ｓ： = 1.25×3.16=3.95(cm²) （2）确定铁心规格： 查表3-22 GEI型铁心数据，可选用GEI16铁心，a×b = 16×28。

5. 3、计算变压器绕组匝数 （1）确定每伏匝数N0： N0 = 45000/ （Bm ×S） = 450000/（11000×4.04）=10匝/伏 （2）初、次级绕组匝数的计算： 匝数N1=N0×U1=11×220 = 2200匝， 次级绕组匝数N2=1.05×N0×U2 = 1.05×10×10=105匝， 次级绕组匝数N3=1.05×N0×U3 = 1.05×10×5=53匝

6. 4、计算变压器绕组导线的规格 （1）计算导线直径： 初级绕组导线直径d1 = = 0.17毫米 次级绕组导线直径d2 = =0.46毫米 次级绕组导线直径d3 = =0.65毫米 （2）查《电工手册》漆包线规格表，可分别选用导线直径为0.17毫米、0.47毫米、0.67毫米的Q2型漆包线。

7. 5、选用合适的变压器绝缘材料 对一般的小型电源变压器，其工作环境、温升情况无特殊要求，工作电压为220V，其层间绝缘可用牛皮纸，其厚度为0.05 mm。线圈间的绝缘可采用2～3层牛皮纸或0.12 mm的青壳纸。采用现成的16×28线圈框架。

8. 6、核算变压器铁心窗口容纳绕组的情况 （1）根据选定的铁心窗高h计算每层可绕的匝数ni： n1 = 0.9×（h-2毫米)/d1΄= 0.9 ×（28-2）/0.19 = 123匝 n2 = 0.9×（h-2毫米)/d2΄= 0.9 ×（28-2）/0.52 = 45匝 n3 = 0.9×（h-2毫米)/d3΄= 0.9 ×（28-2）/0.72 = 32匝 （2）每组绕组需绕的层数mi为： M1 = N1/n1 = 2200/123 = 18（层） M2 = N2/n2 = 105/45 = 3（层） M3 = N3/n3 = 53/32 = 2（层）

9. （3）每组绕组厚度Bi为： B1 = m1（d1΄+δ）+γ = 18 ×（0.19 + 0.05）+ 0.1 = 4.42（毫米） B2 = m2（d2΄+δ）+γ = 3 ×（0.52 + 0.05）+ 0.1 = 1.81（毫米） B3 = m3（d3΄+δ）+γ = 2 ×（0.72 + 0.05）+ 0.1 = 1.64（毫米） （4）所有绕组的总厚度B为： B = 1.1×(B0+∑Bi) = 1.1×（1+4.42+1.81+1.64）= 9.8（毫米） 结论：此绕组厚度约等于窗宽（10毫米），方案可行，但绕组必须紧绕。

10. 三．相关实践知识 要设计制作一个变压器,必须对与变压器相 关的材料要有一定的认识。

11. 1、小型电源变压器的铁芯的认识 • 铁芯是变压器磁路的主体部分，由表面涂有绝缘漆膜、厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲压成一定形状后叠装而成，担负着变压器原、副边的电磁耦合任务。变压器使用的铁心材料主要是硅钢片，在钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少,我们通常称加了硅的钢片为硅钢片，硅钢片有热轧和冷轧两种.热轧硅钢片的工作磁通密度B一般取9000-12000高斯,冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好,它的工作磁通密度B取值范围为12000-18000高斯。

12. 铁心由铁柱和铁轭两部分组成，绕组套装在铁柱上，而铁轭则用来使整个磁路闭合。变压器铁心一般采用交迭方式进行叠装，应使上层和下层叠片的接缝相互错开，减小气隙， 降低磁路磁阻。小型变压器铁心一般采用EI型或F型，图3-24为EI铁心的示意图，表3-23为部分EI铁心的尺寸数据。 （见课本）

13. 2、小型电源变压器的绕组的认识 绕组是变压器电路的主体部分，担负着输入和输出电能的任务。绕制变压器通常用的材料有漆包线、丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成.原边绕组接输入电压,副边绕组接负载.原边绕组只有一个,副边绕组为一个或多个原副边绕组套装在同一铁心柱上.套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。

14. 3、小型电源变压器的绝缘材料的认识 （1）绝缘材料： 在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕组间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。 （2）浸渍材料： 变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。

15. 思考题1：为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？思考题1：为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？ • 把原副边绕组套在同一铁心柱上时,由于原副边绕组紧挨在一起（间隙实际上很小），部分漏磁通在空气中的路径大受限制，因此漏磁通较小，漏抗压降小，对变压器运行有利，因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化，减 小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化，使变压器副边电压比较稳定 。

16. 4、变压器的简单制作工序 4.1绕线前的准备工作 （1）选择漆包线和绝缘材料； （2）选择或制作绕组骨架； （3）制作木芯（木芯是套在绕线机转轴上支撑绕组骨架，以进行绕线）。 4.2绕线 （1）绕组层次按一次侧、静电屏蔽层、二次侧高压绕组、二次侧低压绕组依次迭绕； （2）做好层间、绕组间及绕组与静电屏蔽层的绝缘； （3）当绕组线径大于0.2毫米时，绕组的引出线可利用原线，当绕组线径小于0.2毫米时，应采用软线焊接后输出，引出线应用绝缘套管绝缘。

17. 4.3绕组的测试 （1）不同绕组的绝缘测试； （2）绕组的断线及短路测试。 4.4铁心叠装 （1）硅钢片采用交迭方式进行叠装，叠装时要注意避免损伤线包； （2）铁心叠片要求平整且紧而牢，以防铁心截面达不到计算要求且会使硅钢片产生振动噪音。

18. 4.5半成品测试 （1）绝缘电阻测试（用兆欧表测试各组绕组之间及各绕组对铁心（地）的绝缘电阻）； （2）空载电压的测试（一次侧加额定电压时，二次侧空载电压允许误差：≤±5%）； （3）空载电流的测试（一次侧加额定电压时，其空载电流应小于10%--20%的额定电流）。 4.6浸漆与烘干 （1）绕组或变压器预烘干（去潮作用，温度不能超过变压器材料的耐温）； （2）浸漆（绕组或变压器浸漆）； （3）烘干（浸漆滴干后的绕组或变压器，再次送入烘箱内干燥，烘到漆膜完全干燥、固化不粘手为止。

19. 4.7成品测试 （1）耐压及绝缘测试（用高压仪、兆欧表测试各组绕组之间及各绕组对铁心（地）的耐压及绝缘电阻）； （2）空载电压、电流测试（同上） （3）负载电压、电流测试（一次侧加额定电压、二次侧加额定负载，测量电压与电流）。

20. 四．相关理论知识 • 设计一个小型电源变压器（这里介绍的方法适合50Hz、2000W以下普通单相交流变压器的设计），主要是根据变压器功率选择变压器铁心的截面积（铁心截面积Ｓ是指硅钢片中间舌的标准尺寸ａ和叠加起来的总厚度ｂ的乘积），再根据初、次级电压计算初次级各线圈的匝数等。主要有以下几个步骤：1、计算变压器的额定功率；2、计算变压器的铁心规格；3、计算变压器线圈匝数；4、计算变压器绕组导线的规格；5、选用合适的变压器绝缘材料；6、核算变压器铁心窗口容纳绕组的情况。 • 如果电源变压器的初级电压是U1，次级有n个组,各组电压分别是U21,U22,┅,U2n,各组电流分别是I21,I22,┅,I2n，输出为纯阻性负载。计算步骤如下：

21. 1、计算变压器的额定功率 （1）计算输出总功率P2： 输出总功率：P2=U21×I21+U22×I22+┅+U2n×I2n。 （2）计算输入功率P1及输入电流I1： 输入功率： P1=P2 / η （η为变压器效率，根据输出功率的大小不同而略有变化，通常对于容量在100W以下的变压器η在0.7--0.8之间，100W以上至1000W，在0.8--0.9之间，实际运用时，输出功率低者取小值。） 输入电流：I1 = (1.1--1.2) ×（P1/U1） （1.1--1.2）为考虑变压器空载励磁电流的经验系数。

22. 2、计算变压器的铁心规格 （1）确定铁心截面积Ｓ： 小型变压器常用的是E型（或F型）铁心，它的中柱截面S的大小与变压器总输出视在功率有关，铁心截面积： （S——铁芯截面积 K——经验系数） K的取值和变压器的输出功率有关，对于100W以下的K取1.2--1.3，100W-500W的K取1.1--1.2，500W-1000W可取1--1.1（功率大者取小值）。

23. （2）确定铁心规格 根据计算所得的S值，确定使用GEI形铁心，再根据实际情况来确定铁心舌宽a与叠厚b的大小，从国产小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择铁心片规格和叠厚，一般舌宽ａ和叠厚ｂ的比在1:1～1:2之间。由于铁心用涂绝源漆的硅钢片叠成，考虑倒漆膜与硅钢片间隙的厚度，实际的铁心叠厚b΄应比b更厚，即b΄=b/0.9。 S = a × b （a为铁心舌宽，b为铁心叠厚）

24. = U 4 . 44 fN Φ m 3、计算变压器线圈匝数 （1）确定每伏圈数N0： 根据 ，已知铁心截面积S和磁通密度 B，可求得线圈的每伏圈数N0： N0 = N/U = 1/（4.44 f Фm）= 1/（4.44 f Bm 〔Bm（特斯拉）， S（平方米）〕 N0 = 450000/（Bm S） 〔Bm（高斯），S（平方厘米）〕 铁心的B值可以这样选取:热轧硅钢片的工作磁通密度B一般取9000-12000高斯,冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好,它的工作磁通密度B取值范围为12000-18000高斯。一般铁片取7000高斯。.

25. （2）初、次级绕组的计算： 初级绕组 ： N1=N0×U1， 次级绕组： N21=1.05×N0×U21,N22=1.05×N0×U22, ┅,N2n=1.05×N0×U2n. 考虑到负载时的压降及损耗,次级绕组应增加5%的匝数。

26. 4、计算变压器绕组导线的规格 • 根据各绕组的电流大小和选定的电流密度，可以得到各组绕组的导线直径，导线直径为： （一般电源变压器的电流密度可以选用J=2--3安/毫米）。再根据导线直径及变压器的绝缘等级选择合适的漆包线。

27. 5、选用合适的变压器绝缘材料 • 根据变压器工作环境、温升情况及耐压要求选用合适的绝缘材料，绝缘材料的耐热等级一般分为Y、A、E、B、F、H、N、C级，其与最高工作温度的关系如表3-26所示。

28. 6、核算变压器铁心窗口容纳绕组的情况 • 核算时除需要上述计算结果外，还要掌握层间绝缘、框架厚度和导线连同绝缘漆的直径等。一般层间绝缘用牛皮纸，其厚度为0.05 mm。对于线径较粗的绕组，层间也可用0 .12 mm厚的青壳纸或较厚的牛皮纸；如线径较细，可采用厚约0.02～0.03 mm的透明纸或塑料薄膜，线圈间的绝缘厚度在电压不超过250 V时可采用2～3层牛皮纸或0.12 mm的青壳纸。因为线圈是绕在绝缘框架上的，所以铁心窗口有效长度只能算0.9倍的额定长度 ，计算时先算出每层匝数，再算出每个线圈的厚度，最后算出总的厚度，看看窗口是否放得下，如果放不下,可以加大一号铁心，如果太空,可以减小一号铁心。

29. （1）根据选定的铁心窗高h计算每层可绕的匝数n：（1）根据选定的铁心窗高h计算每层可绕的匝数n： ni = 0.9（h-2毫米)/d΄（匝） 〔d΄—包括绝缘厚的导线外径（毫米）〕 〔0.9—考虑绕组框架两端各空出约5%〕 （2）每组绕组需绕的层数mi为： mi = Ni/ni（层） 〔Ni—绕组总匝数〕 （3）每组绕组厚度Bi为： Bi = mi（d’+δ）+γ（毫米） 〔δ—绕组层间绝缘的厚度（毫米）〕 〔γ--绕组间绝缘的厚度（毫米）〕 （4）所有绕组的总厚度B为： B =（1.1--1.2）(B0+∑Bi) （毫米） 〔B0—绕组框架的厚度（毫米）〕 〔(1.1~1.2)—尺寸裕量〕

30. 显然，若计算得到的绕组厚度B小于铁心窗口宽度C的话，这个设计是可行的。在设计时，若遇到B>C的情况，有两种解决办法，一是加大铁心叠厚，使所有绕组匝数降低，一般叠厚ｂ=（1~2）ａ较为合适，但不能任意加厚。另一种方法就是加大铁心尺寸，按上法核算直到合适为止。显然，若计算得到的绕组厚度B小于铁心窗口宽度C的话，这个设计是可行的。在设计时，若遇到B>C的情况，有两种解决办法，一是加大铁心叠厚，使所有绕组匝数降低，一般叠厚ｂ=（1~2）ａ较为合适，但不能任意加厚。另一种方法就是加大铁心尺寸，按上法核算直到合适为止。 • 近似核算：上述核算较繁琐，一般小型变压器可用以下近似核算：当初、次级绕组裸线截面积乘以相应匝数，所得总面积占铁心窗口面积的30%左右时，一般是能容纳的下，也是比较适当的。 • 需要说明的是，这里所讲述的变压器计算是近似计算，大家以后也可以根据自己的工作经验去简化计算或查询相关《电工手册》去设计。

31. 五．拓展知识 1、自耦变压器的设计 （1）自耦变压器的计算容量Pj是自耦变压器的额定容量Ps的K倍： Pj = K Ps 当一次側电压U1大于二次側电压U2 （降压变压器）时， K=（U1-U2）/U1 当一次側电压U1小于二次側电压U2 （升压变压器）时， K=（U2-U1）/U2 结论：计算铁心截面S时要用Pj。

32. （2）对自耦降压变压器（如图3-27）， I=I2-I1， I1=Ps/U1， I2=Ps/U2 结论：自耦变压器虽是一单绕组变压器，一、二次侧共用一个绕组，但通过每段绕组的电流不一样，设计时根据计算电流的大小确定导线的线径。 （3）其他计算与一般变压器相同。

33. 实验一：制作一小型电源变压器，并对其进行简单测试实验一：制作一小型电源变压器，并对其进行简单测试