变压器结构

变压器结构提供磁路，通常称为“变压器铁芯”，旨在为磁场提供流动路径。该磁路对于两个输入和输出绕组之间感应电压必不可少。

然而，这种变压器结构（两个绕组缠绕在不同的支路上）效率不高，因为初级绕组和次级绕组彼此分离得很好。这导致两个绕组之间的磁耦合较低，并且变压器本身会产生大量磁通泄漏。但除了这种“O”形结构外，还有不同类型的“变压器结构”和设计可用来克服这些低效率，从而产生更小、更紧凑的变压器。

变压器结构

通过将两个绕组紧密接触，从而改善磁耦合，可以提高简单变压器结构的效率。增加和集中线圈周围的磁路可以改善两个绕组之间的磁耦合，但也会增加变压器铁芯的磁损耗。

除了为磁场提供低磁阻路径外，铁芯还设计用于防止铁芯内部产生循环电流。循环电流称为“涡流”，会导致铁芯发热和能量损失，从而降低变压器的效率。

这些损耗主要是由于铁电路中感应的电压造成的，铁电路不断受到外部正弦电源电压产生的交变磁场的影响。减少这些不必要的功率损耗的一种方法是用薄钢片构成变压器铁芯。

在大多数类型的变压器结构中，中心铁芯由高磁导率材料制成，通常由薄硅钢片制成。这些薄片组装在一起，以提供所需的磁路，同时将磁损耗降至。钢板本身的电阻率很高，因此通过使片层非常薄，可以减少任何涡流损耗。

这些钢变压器层压板的厚度从 0.25 毫米到 0.5 毫米不等，并且由于钢是导体，因此层压板和任何固定螺柱、铆钉或螺栓都通过一层非常薄的绝缘清漆涂层或通过在表面使用氧化层彼此电绝缘。

变压器铁芯结构

通常，变压器结构的名称取决于初级和次级绕组如何缠绕在中央层压钢芯上。两种常见和基本的变压器结构设计是闭芯变压器和壳芯变压器。

在“闭芯”型（铁芯形式）变压器中，初级和次级绕组绕在铁芯环外部并环绕铁芯环。在“壳型”（壳形式）变压器中，初级和次级绕组穿过钢磁路（铁芯）内部，铁磁路在绕组周围形成一个壳，如下图所示。

变压器铁芯结构

在这两种类型的变压器磁芯设计中，连接初级和次级绕组的磁通量完全在磁芯内传播，不会通过空气损失磁通量。在磁芯型变压器结构中，一半绕组缠绕在变压器磁路的每个支腿（或肢）上，如上图所示。

线圈的排列方式并非是初级绕组在一个支路、次级绕组在另一个支路，而是将初级绕组的一半和次级绕组的一半同心地叠放在每个支路中，以增加磁耦合，从而使几乎所有的磁力线同时穿过初级和次级绕组。然而，在这种类型的变压器结构中，一小部分磁力线会流出铁芯，这被称为“漏磁通”。

壳式变压器铁芯克服了这种漏磁通问题，因为初级和次级绕组都缠绕在同一个中心腿或肢上，该中心腿或肢的横截面积是两个外肢的两倍。这样做的好处是，磁通有两个闭合磁路，在左右两侧线圈外部流动，然后再返回到中心线圈。

这意味着，这种变压器结构外柱周围的磁通量等于Φ/2。由于磁通量在线圈周围有一条闭合路径，因此具有降低铁芯损耗和提高整体效率的优势。

变压器铁芯

但是您可能想知道，对于这种类型的变压器结构，初级和次级绕组是如何绕在这些叠层铁或钢芯上的。首先将线圈绕制在具有圆柱形、矩形或椭圆形横截面的成型器上，以适应叠层铁芯的结构。在壳式和芯式变压器结构中，为了安装线圈绕组，从较大的钢板上冲压或冲压出各个叠片，并将其形成类似于字母“E”、“L”、“U”和“I”的薄钢条，如下所示。

变压器铁芯类型

这些叠片冲压件连接在一起时形成所需的铁芯形状。例如，两个“E”冲压件加上两个端部闭合的“I”冲压件形成EI铁芯，形成标准壳式变压器铁芯的一个元件。这些单独的叠片在构造过程中紧密对接在一起，以减少接头处气隙的磁阻，从而产生高度饱和的磁通密度。

变压器铁芯叠片通常交替堆叠以形成重叠接头，并添加更多叠片对以构成正确的铁芯厚度。叠片的这种交替堆叠还使变压器具有减少磁通泄漏和铁损的优势。EI 铁芯叠片变压器结构主要用于隔离变压器、升压变压器和降压变压器以及自耦变压器。

变压器绕组布置

变压器绕组是变压器结构的另一个重要部分，因为它们是绕在铁芯层压部分周围的主要载流导体。在单相双绕组变压器中，将存在两个绕组，如图所示。连接到电压源并产生磁通量的绕组称为初级绕组，第二个绕组称为次级绕组，其中由于互感而产生电压。

如果次级输出电压小于初级输入电压，则变压器称为“降压变压器”。如果次级输出电压大于初级输入电压，则变压器称为“升压变压器”。

类型

式结构

变压器绕组中用作主要载流导体的电线类型是铜或铝。虽然铝线比铜线更轻且通常更便宜，但必须使用更大的导体横截面积来承载与铜线相同的电流量，因此它主要用于大型电力变压器应用。

低压电气和电子电路中使用的小型千伏安电力和电压变压器往往使用铜导体，因为铜导体的机械强度比同等的铝导体高，导体尺寸也更小。缺点是，如果加上铁芯，这些变压器会重得多。

变压器绕组和线圈大致可分为同心线圈和夹层线圈。在铁心式变压器结构中，绕组通常以同心方式围绕铁心柱排列（如上图所示），电压较高的绕组缠绕在电压较低的二次绕组上。

夹层线圈或“薄饼”线圈由扁平导体以螺旋形式缠绕而成，因导体排列成圆盘而得名。交替的圆盘以交错排列的方式从外向内螺旋缠绕，各个线圈堆叠在一起，并由绝缘材料（如纸或塑料片）隔开。夹层线圈和绕组更常见于壳型铁芯结构。

螺旋绕组也称为螺旋绕组，是另一种非常常见的圆柱形线圈布置，用于低压大电流变压器应用。绕组由大横截面积的矩形导体组成，这些导体在其侧面缠绕，绝缘线股沿着圆柱体的长度连续平行缠绕，相邻的匝或盘之间插入合适的垫片，以限度地减少平行线股之间的循环电流。线圈以类似于螺旋钻的螺旋形式向外延伸。

磁芯

变压器铁芯

变压器中用于防止导线短路的绝缘层通常是空气冷却变压器中的一层薄薄的清漆或瓷漆。这种薄薄的清漆或瓷漆在绕在铁芯上之前涂在电线上。

在较大的电力和配电型变压器中，导体之间使用油浸纸或布进行绝缘。整个铁芯和绕组浸入并密封在装有变压器油的保护罐中。变压器油既是绝缘体，也是冷却剂。

变压器点方向

我们不能简单地取一个叠层铁芯，然后将其中一个线圈结构缠绕在其上。我们可以这样做，但可能会发现次级电压和电流可能与初级电压和电流不同相。两个线圈绕组相对于另一个绕组确实具有不同的方向。任一线圈都可以顺时针或逆时针缠绕在铁芯上，因此为了跟踪它们的相对方向，使用“点”来标识每个绕组的特定端。

这种识别变压器方向或绕线方向的方法称为“点约定”。然后，变压器绕组的绕制方式应使绕组电压之间存在正确的相位关系，变压器的极性定义为次级电压相对于初级电压的相对极性，如下所示。

使用点方向的变压器构造

采用点方向构造

个变压器在两个绕组上并排显示两个“点”。流出次级点的电流与进入初级侧点的电流“同相”。因此，点端电压的极性也是同相的，因此当初级线圈点端电压为正时，次级线圈点端两端的电压也为正。

第二台变压器的绕组两端有两个点，这意味着变压器的初级线圈和次级线圈绕组以相反的方向绕制。结果是流出次级点的电流与流入初级点的电流“相位差”180 度。因此，点端电压的极性也是相位差，因此当初级线圈点端电压为正时，相应次级线圈两端的电压将为负。

然后，变压器的结构可以是这样的，即次级电压相对于初级电压可以是“同相”或“异相”。变压器具有多个不同的次级绕组，这些绕组彼此电气隔离，因此了解每个次级绕组的点极性很重要，这样它们就可以以串联辅助（次级电压相加）或串联反向（次级电压相差）配置连接在一起。

调整变压器匝数比的能力通常是理想的，以补偿电源电压变化、变压器调节或变化负载条件的影响。变压器的电压控制通常是通过改变匝数比来实现的，因此电压比也会改变，这样高压侧的绕组的一部分就会被抽出，以便于调整。高压侧的抽头是，因为每匝电压低于低压次级侧。

变压器初级抽头变化

分接变换

在这个简单的例子中，初级抽头变化是根据电源电压变化±5%计算的，但可以选择任何值。一些变压器可能有两个或多个初级绕组或两个或多个次级绕组，用于不同的应用，从单个磁芯提供不同的电压。

变压器结构 – 铁芯损耗

铁或钢承载磁通量的能力比在空气中大得多，这种允许磁通量流动的能力称为磁导率。大多数变压器铁芯由低碳钢制成，其磁导率约为 1500，而空气的磁导率仅为 1.0。

这意味着钢叠片铁芯承载的磁通量比空气高 1500 倍。然而，当磁通量在变压器钢芯中流动时，钢芯中会发生两种损耗。一种称为“涡流损耗”，另一种称为“磁滞损耗”。

磁滞损耗

变压器磁滞损耗是由于分子与磁化铁芯所需的磁力线流动之间的摩擦引起的，由于正弦电源电压的影响，磁力线的值和方向不断变化，首先朝一个方向，然后朝另一个方向。

这种分子摩擦会产生热量，这代表变压器的能量损失。过多的热量损失会随着时间的推移缩短用于制造绕组和结构的绝缘材料的寿命。因此，变压器的冷却非常重要。

此外，变压器的设计工作频率是特定的。降低电源频率将导致磁滞增加和铁芯温度升高。因此，将电源频率从 60 赫兹降低到 50 赫兹将增加磁滞量，降低变压器的 VA 容量。

涡流损耗

另一方面，变压器涡流损耗是由磁通量围绕铁芯流动引起的钢中感应出的循环电流引起的。产生这些循环电流是因为铁芯对磁通量的作用就像一个线圈。由于铁芯是良好的导体，因此实心铁芯感应出的涡流会很大。

涡流对变压器的实用性没有任何贡献，相反，它通过充当负力来阻止感应电流的流动，从而在铁芯内产生电阻加热和功率损耗。

叠层铁芯

叠片铁芯

变压器铁芯内的涡流损耗无法完全消除，但可以通过减小钢芯厚度来大大减少和控制。变压器或线圈的磁芯材料不再采用一个大的实心铁芯，而是将磁路分成许多薄的压制钢片，称为“叠片”。

变压器结构中使用的叠片是连接在一起的非常薄的绝缘金属条，以形成坚固但叠片的铁芯，如我们上面所见。这些叠片通过一层清漆或纸相互绝缘，以增加铁芯的有效电阻率，从而增加总电阻以限制涡流的流动。

所有这些绝缘措施的结果是，铁芯中不必要的感应涡流功率损耗大大降低，因此所有变压器和其他电磁机器的磁铁电路都是层压的。在变压器结构中使用层压板可减少涡流损耗。

变压器结构 – 铜损

能量损失表现为热量，这是由于磁滞和磁路中的涡流造成的，通常称为“变压器铁芯损耗”。由于这些损耗是交变磁场的结果，所有磁性材料都会发生这种损耗。只要初级绕组通电，变压器中就会始终存在变压器铁芯损耗，即使次级绕组没有连接负载。此外，磁滞和涡流损耗的组合通常称为“变压器铁损”，因为造成这些损耗的磁通量在所有负载下都是恒定的。

铜损

但变压器还存在另一种能量损失，称为“铜损”。变压器铜损主要由初级和次级绕组的电阻引起。大多数变压器线圈都使用电阻值为欧姆 (  Ω  ) 的铜线缠绕，根据欧姆定律，铜线的电阻会阻碍流过它的任何磁化电流。

当电气负载连接到变压器的次级绕组时，大电流开始在初级和次级绕组中流动，电能和功率 ( I 2  R  ) 会以热量的形式损耗。通常，铜损会随负载电流而变化，空载时几乎为零，满载时电流时铜损。

可以通过更好的设计和构造来提高变压器的伏安 (VA) 额定值，以减少这些铁芯和铜损耗。具有高电压和电流额定值的变压器需要大横截面积的导体来帮助限度地减少铜损耗。通过强制空气或油来提高散热率（更好的冷却），或通过改善其绝缘性使其能够承受更高的温度，从而提高变压器的 VA 额定值。

然后我们可以定义一个理想的变压器具有：

无磁滞回线或磁滞损耗  → 0

磁芯材料的电阻率无限大，导致涡流损耗为零  → 0绕组电阻为零，导致I 2 *R铜损为零  → 0