2020/02/18
技術文章
細說變壓器元件 (三) 什麼才是好鐵芯?

鐡芯是整個變壓器裡,扮演了磁力傳遞的角色。當輸入的電流經一次線圈產生磁力後,在被線圈包圍的鐵芯部份感應了磁力,而當磁力線在整個鐡芯部位流轉時,被二次線圈感應到,又產生了輸出的電壓和電流。

由於能量守恆定律,輸入的電壓X電流 = 輸出的電壓X電流 + 損失。

損失又可分為銅損和鐡損,銅損指的是漆包線本身(電阻)造成的能量損失,而鐵損指的是鐡芯造成的損失,通常會以熱或噪音的方式呈現。

 

鐵損主要分類:

  • 磁滯損:

在可被磁鐵吸引的金屬內,都存在鐵磁質,組成鐵磁質的基本單位是磁疇。磁疇在金屬內是呈現混亂排列的 (如下圖一)。而當變壓器的線圈通電後產生磁力,鐵芯磁疇受到磁化後,依磁力方向產生排列移動,但磁疇是不規則的,所以在移動時互相推擠,因此產生熱能。

在同一個交流頻率(60Hz)的磁場中,每一週期正負極反轉的時間相同,鐵芯磁疇移動週期相同,故磁滯損是相同的;但若交流頻率越高,則磁滯損失越高,因磁疇移動累積了更多熱能。

         

      (圖一、磁疇:磁力方向不一)                   (圖二、磁化後的磁疇)

      (圖片取自維基百科)

 

  • 渦流損:

當鐵芯因感應產生磁場變化,鐵芯也是一種導體,所以在鐵芯內也會產生循環的電流,稱為渦電流。當磁場變化越快,渦電流就越強,從而產生熱能。所以在變壓器設計時,就要想辦法減少渦電流的熱能損失,目前業界的做法有下列幾種:

1. 用含矽量更高的矽鋼片,矽增加了鐵的電阻率,以減少渦流損。

2. 用較薄的矽鋼片堆疊,因為渦流損和電流循環面積成正比,薄的矽鋼片切面面積較小,損失較小。

3. 使用導磁但不導電的材料,例如在高頻變壓器使用鐵氧體,而不是矽鋼片。

(圖片取自維基百科。厚的鐵芯有較大的渦流損,薄的鐵芯可減少)

 

(圖片取自維基百科。矽鋼片交錯堆疊)

 

  • 其他損失:

非以上兩種損失,通稱為其他損失,例如溢散的磁力線造成的磁力損失 (又稱漂游損或磁漏)。像EI型的變壓器,在直角轉角處,較容易有溢散的磁力線 (就是磁力線噴出去回不來),而環型或C型因為接近圓型,磁力損失較小,但相對的製作上比較耗時。

 

介紹完鐵芯的損失之後,接下來說明鐵芯的用途和材質分類。

常用鐡芯分類有3種:高頻鐵芯、低頻鐵芯、電感用鐵芯。

  • 高頻鐵芯:高頻使用的鐡芯稱為鐵氧體(Ferrite core)。它是一種不導電的陶瓷材料,以氧化鐵為主要成份,再加上其他金屬,例如:錳(Mn)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鎂(Ng)、銅(Cu)等。常用的組合為錳鋅(MnZn)系列、鎳鋅(NiZn)系列及鎂鋅(MgZn)系列,頻率範圍為1kHz1MHz以上。

(圖片取自維基百科。EE型鐡芯)

 

  • 低頻鐵芯:低頻多使用矽鋼片(Silicon lamination)堆疊而成,一般含矽量為0.5~4.5%。加入矽可提高鐵的電阻率和最大磁導率。一般厚度為0.5mm0.35m甚至更薄。矽鋼片的兩面會塗上0.01~0.013的絕緣漆膜,使片與片之間絕緣。

 

*矽鋼片再依照晶粒可分為:

A. 方向性矽鋼片:方向性矽鋼片的晶粒具有強烈方向性,具有優越的高磁導率與低損耗特徵。像小編所在的公司健銘電機,都是使用日本JFE進口的35JG155 (俗稱Z11),日本製品質就是好。

(Z11,呈現灰色)

 

B. 非方向性矽鋼片:表示晶粒是隨機排列的,磁導率及鐵損均不及方向性矽鋼片,但勝在便宜。小編的公司所使用的非方向性矽鋼片,均採用台灣中鋼出品的冷軋鋼卷,雖然不是日本進口,但連特斯拉電動車中的馬達用的矽鋼片也是中鋼的,所以在品質上有一定的保證。

 

*矽鋼片依照製作工藝,又分為鍛燒和無鍛燒:

C. 鍛燒:鍛燒後外觀呈現黑色。矽鋼片最終形狀為冷軋鋼卷沖壓而成,其沖剪的應力導致鐵損增高,故在矽鋼片沖壓後會經過鍛燒(退火)程序以消除應力,恢復原來的磁導性。

(鍛燒矽鋼片,外觀呈現黑色)

 

D. 無鍛燒:外觀呈銀白色,即冷軋鋼卷直接沖壓成片,未經過鍛燒,故鐵損較高,但成本較低。

(無鍛燒矽鋼片,外觀呈銀白色)

 

  • 電感用鐵芯:主要是供電感線圈繞線所使用的鐵芯,依形狀可分成環形(TOROID)、棒形(ROD CORE)及鼓形(DRUM CORE)。材質則有鐵氧體和粉末鐵芯,粉末鐵芯又包括鐵鎳鉬合金(MPP)、鐵矽鋁合金(Sendust)、鐵鎳合金(high flux)和鐵粉芯(iron powder)

 

環形:

 

(圖片取自互動百科)

 

棒形:

(圖片取自百科知識)

 

鼓形:

 

(圖片取自百科知識)

 

當然也有空心線圈 (即不用鐵芯的線圈)

 

 

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