CD型电源变压器的快速设计方法

摘要：工频CD型电源变压器一般选用0.23-0.35mm的冷轧取向硅钢带材卷绕、浸漆，退火后采用砂轮切割或者线切割，将其中间对切。之后将切割端面进行打磨以提高其导磁率。因此CD型电源变压器相比于传统EI型电源变压器，其优点是导磁率高、磁化电流小、损耗低、效率高等特点。（见图1）同时CD型电源变压器不同于EI型电源变压器的结构特点是，EI型电源变压器是铁心包裹线包，俗称“铁包线”，（见图2）而CD型电源变压器是线包包裹铁铁芯，俗称“线包铁”其散热效果相对要好得多。（见图3）

当然CD型电源变压器相比于传统的环型电源变压器以及R型变压器，效率有所不如，但CD型电源变压器具有加工速度快、工装简单、生产效率高等特点。本文就是以CD型电源变压器的设计为例，和大家一起探讨电源变压器的设计思路及电源变压器性能的核心要点。

一、为什么要用硅钢铁芯？

传统的电源变压器的核心指标包括除了额定输出功率外，还有诸如调整率、效率和温升等指标，而要做好这些核心指标，其实翻来覆去就是要做好变压器两个核心的部件：铜和铁，铜即是漆包铜线，由外表面附着绝缘漆的铜线构成，其线径一般可以从0.025-6.0mm的圆铜线，当然也有能选用过载较大电流的扁铜线，如2*0.8mm-4.5*16mm。一般根据变压器的电流大小进行选用。而铁是变压器的核心中的核心，因为铁直接影响着变压器的性能和效率，即是我们常说的软磁材料。

在电源变压器当中，要做到效率高、体积小、输出功率高，则必须采用导磁率高、磁感应强度高的软磁材料。同时软磁材料能够具有一定的机械应力以便于铁芯能够方便加工成各种需要的形状。（见表1）

参数	铁氧体	坡莫合金	超微晶\纳米晶	铁基非晶	硅钢
磁感应强度	0.5	0.8T	1.2T	1.5T	2.0T
最大磁导率	0.2*104	80*104	60*104	45*104	4*104
机械应力	好	好	差	差	很好
价格	便宜	非常高	较高	较高	便宜

表1：常见的软磁材料各项性能对比

从表1来看，铁氧体磁感应强度很低同时导磁率也低，所以最不适用于制作电源变压器，而坡莫合金虽然导磁率最高，但是其磁感应强度不算高，同时价格太贵也制约其制作电源变压器的可能性，超微晶和铁基非晶综合性能可以说是最好的，拥有不错的磁感应强度和较高的导磁率，但是其机械应力很大，而CD铁芯需要中间切割，所以超微晶和铁基非晶不适合进行切割加工，如果是环型电源变压器，那么倒是可以考虑。

最后来看硅钢铁芯，其具有最高的磁感应强度，那么可以做到变压器的尺寸小、输出功率高，虽然导磁率不算高，但其具有很好的机械应力和相对便宜的价格，所以说硅钢是做电源变压器的理想材料。

二、CD型电源变压器设计参数

要设计一款CD型电源变压器，起码要知道输入电压U1、输出电流I2、输出电压U2等，同时需要知道使用的铁芯各项参数，如尺寸、最大设计磁感应强度等，然后才能进行设计，

根据前人的经验总结，现在我们可以把最常用的CD铁芯的参数列表列出来。（见表2）以便我们能够进行快速的设计变压器。

铁芯型号  aXbXh	铁芯参数				P2     VA	B         T	J   A/mm2	△u%	温升
	C       mm	Lc      cm	Sc     cm2	Gc     Kg
CD10X12.5X20	12.5	9.38	1.15	0.083	2.12	1.60	3.33	25%	11.7
25		10.4		0.092	3		3.31		13.6
32		11.8		0.105	4.3		3.28		16
40		13.4		0.119	5.9		3.26		18.3
CD12.5X16X25	16	11.8	1.85	0.17	9.5	1.65	4.3	25%	30
32		13.3		0.19	13.2		4.2		35
40		14.8		0.213	17.6		4.2		39
50		17		0.241	22.5		4.1		43
CD12.5X25X30	20	13.6	2.88	0.306	28.1	1.70	4.5	25	55.4
40		15.6		0.35	40.7		4.5	23	60
50		17.6		0.394	50.3		4.2	21.4	60
60		19.6		0.438	59		4.1	20.7	60
CD16X32X40	25	17.7	4.71	0.65	83.1	1.70	4.1	16.2	60
50		19.7		0.721	104		3.8	14.8	60
65		22.7		0.829	133		3.5	13.6
80		25.7		0.934	161		3.3	13
CD20X40X50	32	22.4	7.36	1.28	185	1.70	3.5	10.7	60
60		24.4		1.39	216		3.2	10.1
80		28.4		1.61	287		3.0	9.17
100		32.4		1.84	352		2.8	8.68
CD25X50X65	40	28.5	11.5	2.54	421	1.70	2.9	7.17	60
80		31.5		2.8	507		2.7	6.7
100		35.5		3.15	620		2.5	6.3
120		37.5		3.5	730		2.4	6.0
CD32X64X80	50	35.8	18.84	5.6	967	1.70	2.35	4.5	60
100		39.7		6.17	1165		2.2	4.2
130		45.7		7.04	1453		2.0	4.0
160		51.7		7.9	1771		1.9	3.7
CD40X80X100	64	45	29.5	10.2	2078	1.70	1.9	3	60
120		49.1		11.12	2424		1.86	2.8
160		57.1		13	3086		1.67	2.6
200		65		14.7	3759		1.6	2.4

表2：CD型点原变压器的设计参数列表

三、设计举例

下面以一款CD型电源变压器来进行设计举例，在设计的过程来分析变压器的核心要点。

举例：初级输入电压U1：220V；频率：工频；输出电压U2:36V；输出电流0.5A；电压调整率：≤25%。

1、 计算变压器的输出功率P2

P2=U2*I2=36*0.5=18VA

2、 选择铁心

根据P2=18VA选择CD铁心大小，根据表2选择，如果希望设计有余量的话请选择功率大一点的铁心，所以我们选择22.5VA的CD铁心，其尺寸是CD12.5*16*50，其铁芯截面积SC=1.85cm²，磁感应强度B=1.65T，电流密度J= 4.1A/mm²，△u%=25%,铁芯重量Gc=0.241KG。

3、 计算初级绕组匝数N1

其匝数根据法拉第定律来计算，其表达是

N1=U1*10⁴/(4.44*F*B*SC)

其中F，工作频率(HZ)；

B，磁感应强度（T）

SC，铁芯截面积（cm²）

故计算初级匝数N1=220*10000/(4.44*50*1.65*1.85)=3246.48T≈3248T

这里的匝数首先设计成偶位数，便于绕线，同时适宜进位数，相当于降低B值，所以进成3248T。

4、 计算次级匝数N2

次级匝数要算上调整率，故其公式是

N2=N1/U1*U2(1+△u%)

故计算次级匝数N2=3248/220*36*(1+25%)=664.36T≈666T

这里可以增加或者减去小数位，为了绕线可以进城偶位数，因为调整率本身就是估算值。

5、 计算初级功率P1

P1=P2/η

其中η，效率（%），不同功率其效率值如表3

CD变压器容量	10VA以下	50VA-10VA	50VA-200	200-1000VA
η	0.7	0.8	0.85	0.9

故初级效率P1=18/0.8=22.5VA

6、 计算初级电流I1

I1=P1/U1=22.5/220=0.102A

7、 计算初次级线径d1、d2

d1=1.13√I1/J

d2=1.13√I2/J

 

其中J：导线的电流密度（A/mm²）

故初级线径d1=1.13√0.102/4.1≈0.18mm、d2=1.13√0.5/4.1≈0.4mm。

8、 CD型变压器绕线方法

CD型电源变压器有2个骨架，采用初次级分别平均绕制在两边铁芯骨架上，然后进行连接。变压器有2只骨架，每只骨架平均分配一半的初级和次级绕线，然后把初次级的首线相接即可。

9、 计算初次级绕线每层排绕匝数

PR1=骨架可绕线长度/d1/Kp

PR2=骨架可绕线长度/d2/Kp

其中PR1，骨架每层排绕初级线径的匝数（T/层）；

PR2，骨架每层排绕次级线径的匝数（T/层）；

Kp，漆包线排绕系数。

计算初次级的每层排绕匝数，首线要知道骨架的尺寸，根据铁心的尺寸，我们可以估算骨架的尺寸。其中骨架可绕线长度为45mm。

不同线径的排绕系数和叠绕系数如表4

排绕系数和叠绕系数表
导线直径mm	Kp	Kd
0.07-0.1	1.25	1.3
0.11-0.20	1.2	1.25
0.21-	1.15	1.2

表4：漆包线的排绕系数及叠绕系数

故初级PR1=45/0.18/1.2=208T/层，次级PR2=45/0.4/1.15=97T/层。这里只能舍位。

10、            计算初次级绕线要绕几层

初级要绕层数=N1/2/PR1=1624/208=7.8=8层，次级要绕层数=N2/2/97=3.4=4层。

11、            计算初次级线包厚度A1、A2

A1=d1*初级层数*Kd=0.18*8*1.25=1.8mm。A2=d2*次级层数*1.2=0.4*4*1.2=1.92。

12、            计算是否可以绕的下

A1+A2≤骨架高度（4mm），则绕的下。

则1.8+1.92=3.72mm≤4mm，所以骨架绕得下。

13、            计算初次级平均匝长L01、L02

L01=(20+14)*2+4A1=75.2mm;

L02=(20+14)*2+8A1+4A2=90.08mm。

14、            计算初次级漆包线总长度L1、L2

L1=L01*N1=75.2*3248T=244249.6mm=244.25米

L2=L02*N2=90.08*666T=59993.28mm=60米

15、            计算初次级漆包线铜阻和漆包线重量

R1= ρ1*L1/S1；R2=ρ1*L2/S2

G1=ρ2*L1*S1；G2=ρ2*L2*S2

其中ρ1,电阻率，铜的电阻率=0.0175Ω*米/mm²；

Ρ2,密度，铜的密度=8.9g/cm³；

R1、R2，初、次级漆包线内阻；（Ω）

L1、L2，初、次级漆包线长度；（米）

S1、S2，初、次级线径截面积；（mm²）

G1、G2，初、次级漆包线质量；（Kg）

所以R1=168Ω、R2=8.36Ω；G1=0.055kg、G2=0.067kg

16、            计算空载二次输出电压U20（V）

图7：初级电压U1、初级电压势E1、次级电压势E2、次级空载电压U20、次级满载电压U2关系图。

U20=U1*N2/N1=220*666/3248≈45.1V

17、            计算满载二次电压U2（V）

U2=（U1-I1*R1）*N2/N1-I2*R2=（220-0.102*168）*666/3248-0.5*8.36=37.41V

18、            计算调整率△u（%）

△u=(U20-U2)/U20*100=（45.1-37.41）/45.1*100≈17%

19、            验证

至此变压器已经计算完成，对比计算出的二次调整率17%，低于表2给出的额定值，二次输出电压37.41V，同时高于设计值36V，且已经超过额定值±0.5V的范围，所以可以将调整率降低至17%，重新代入重复以上计算。结果如图8：

图8：将次级圈数调整，从调整率25%调至17%。