铁芯的磁通密度(B0)有效截面积(Sc)对变压器设计的影响

铁芯的磁通密度（B0）、有效截面积（Sc）对变压器设计的影响对变压器硅钢片的要求是：1.有高的导磁率在一定的磁场强度下，磁导率越高，要传递等量磁通，所需的硅钢片就越少，铁心的体积就越小，产品的重量就越轻。由于体积减小，就可节约导线和降低导线电阻所引起的发热损耗。2.要求在一定的频率和磁通密度下，具有低的铁损，即单位重量的硅钢片所引起的损耗（磁滞损耗和涡流损耗）要低，则可降低变压器的总损耗，提高变压器的效率。铁心是制造变压器产品的关键。由变压器原理的公式可知U1=4.44·f·N1·B0·Sc/104（V）故U1———=4.44·f·B0·Sc/104（V/匝）N1同理可得U1U2Ut=———=———=4.44·f·B0·Sc/104(V/匝)N1N2上式中Ut称每匝电压。由该式可知磁通密度B0主要决定了变压器的基本性能和材料利用。当磁通密度B0取值确定时，铁心有效截面积Sc取小值（省铁），则每匝电压Ut变小，匝数多，铜线用量增加（费铜）；铁心有效截面积Sc取大值（费铁），则每匝电压Ut变大，匝数少，铜线用量减少（省铜）。当铁心有效截面积Sc取值确定时，磁通密度B0取小值，则每匝电压Ut变小，匝数多，铜线用量增加（费铜）；磁通密度B0取大值，则每匝电压Ut变大，匝数少，铜线用量减少（省铜）。当磁通密度B0取值大时，每匝电势Ut不变，则铁心有效截面积Sc小，铁心用量少（省铁）；铁心有效截面积Sc不变，则每匝电势Ut值大，匝数少，铜线用量少（省铜），当每匝电势Ut大些而铁心有效截面积Sc小些，铜铁均省；当磁通密度B0取值小时，每匝电势Ut不变，则铁心有效截面积Sc大，铁心用量多（费铁）；铁心有效截面积Sc不变，则每匝电势Ut值小，匝数多，铜线用量多（费铜）；当每匝电势Ut小些而铁心有效截面积Sc大些，铜铁均费。从上述分析可知B0大些，省铁、省铜或均省些，但B0值是由硅钢片性能及所要求的变压器性能（如过励磁）决定，B0只能在一定范围内。B0值是铁心材料主要的指标，冷轧硅钢片的磁饱和点高，磁通密度在1.9T(19000Gs)时开始饱和；热轧硅钢片的饱和点约为1.6T(16000Gs)。在磁通密度及频率相同的情况下，冷轧硅钢片比热轧硅钢片的单位损耗低，所以现在变压器绝大部分采用冷轧硅钢片。冷轧硅钢片有无取向和取向两种。取向冷轧硅钢片有明显的方向性，即沿着轧制的方向的磁性能好，饱和磁通密度高，单位损耗和单位励磁容量小。热轧硅钢片都无取向。采用剪切或冲压对硅钢片进行加工时，对冷轧硅钢片性能影响特别明显，对热轧硅钢片影响较小，因此小容量变压器采用冷轧硅钢片时，可采取退火措施，退火后一般可使空载损耗下降8％左右。此外，Sc也是变压器的最基本参数，由于铁心截面积的大小一旦确定，也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数。从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。它的正确选定还涉及到变压器材料消耗的铜铁比，是影响设计的重要因素。从变压器原理分析可知，在保持磁通密度一定的条件下，Sc增大将使绕组匝数减少，换言之，铁心材料消耗的增加将使得导线材料的消耗减少，并使得短路阻抗、负载损耗值降低；假如减少铁心截面积，则会得出相反结论。其次，如保持绕组匝数不变，增大铁心截面积将使得磁通密度降低，而空载电流、空载损耗（铁损）均相应下降，但铁心材料消耗和导线材料将增加，从而引起负载损耗（铜损）的有限增加；反之，如减少铁心截面积则有可能引起铁心过饱（磁饱和），以致使空载电流和空载损耗（铁损）均大为增加，而负载损耗（铜损）降低有限，从而使变压器的温升升高。综上所述可知，Sc的选取首先将关系到整个变压器的制造本钱。这主要应视铁心材料的增加（或减少）及导线材料的增加（或减少）之中哪一个量变化对制造本钱的影响大来决定，在这一点上，变压器的设计类似于其它电机的设计，存在一个最优的铜铁比选择的题目。其次，Sc的变化还将影响到变压器各技术性能参数（如空载电流、空载损耗、负载损耗、短路阻抗等）的改变。通常，在设计变压器时，选定铁芯材料（即材料的最大磁通密度B已确定）和线圈匝数不变的情况下，应考虑性能与成本的关系：为了提高变压器的效率，减少温升，要选择Sc大的铁芯；为了得到较大的铁芯有效截面积Sc，在计算Sc时，B0的取值要相对取小，即比材料的0.9倍最大磁通密度小较多。为了节省成本，在满足变压器的基本要求前提下，要选择Sc较小的铁芯，为了得到较小的铁芯有效截面积Sc，在计算Sc时，B0的取值要相对取大，即接近材料的0.9倍最大磁通密度。注意：为使变压器在1.1倍电压下不出现磁饱和，设计变压器时，B0的取值应＜B/1.1或≤0.9B研究表明：含硅量在6%～8%的硅钢有最优异的软磁特性，这是由于合金中随着硅的增加，铁素体的发育得到促进，因而钢的初始导磁率和最大导磁率也逐渐增强，并在6%～8%处出现峰值，使得磁滞损耗大为降低；硅含量在7%～12%时，硅钢的电阻率也达到最大值，与非晶合金相当，这使得涡流损耗降至最低；硅含量的增加，还使硅钢的磁致伸缩率减小，并在6.5%时降为零。但是，随着硅含量的提高，硅钢的屈服强度和抗拉强度明显增高，在硅含量＞2.5%时，伸长率急剧下降，硅含量＞4.5%时伸长率迅速降到零，硬度随硅含量增加而继续提高。因此，硅含量＞4.5%时，材料即硬又脆而无法冷加工。由于这个原因，热轧硅钢片的硅含量上限定为4.5%，冷轧硅钢片则定为3.3%。使得硅钢的含硅量达不到最佳，限制了其最优异软磁特性的发挥。