变压器结构
Transformer Construction
一个简单的双绕组变压器结构由两个分别绕在单独的软铁磁柱或磁芯上的绕组构成，这种结构为磁通提供了必要的磁路。
变压器的结构提供了一个磁路，这个磁路通常被称为变压器铁芯（transformer core），其设计目的是为磁场的流动提供路径。这个磁路是输入绕组与输出绕组之间电压感应所必需的。
然而，在这种将两个绕组分别绕在不同磁柱上的变压器结构中，由于原边（primary）与副边（secondary）绕组彼此距离较远，磁耦合较弱，因此效率并不高。这种结构不仅磁耦合系数低，还导致了大量的漏磁通（magnetic flux leakage）从变压器中逸出。除了这种“O”形结构外，还有许多不同类型的“变压器结构”与设计形式，这些设计可以克服上述效率低下的问题，制造出更小更紧凑的变压器。
变压器结构的效率可以通过将两个绕组靠近放置来提高，从而增强磁耦合。通过增强并集中绕组周围的磁路可以进一步改善两绕组间的磁耦合，但这同时也会导致变压器铁芯的磁损耗增加。
除了为磁场提供一个低磁阻（low reluctance）的路径之外，变压器铁芯还设计用于防止铁芯内部产生环流（circulating electric currents）。这些环流被称为“涡流”（eddy currents），会在铁芯中产生热量并引起能量损耗，从而降低变压器的效率。
这些损耗主要是由于铁磁回路中感应出的电压所造成的，而该铁磁回路不断受到由外部正弦交流电源电压所建立的交变磁场的作用。减少这些不必要的功率损耗的一种方法是：将变压器铁芯制成薄钢片层叠结构（thin steel laminations）。
在大多数类型的变压器结构中，中央的铁芯是由高磁导率材料构成的，通常采用硅钢片层叠结构（silicon steel laminations）。这些薄钢片被组合在一起，用以提供所需的磁路，并尽可能减少磁损耗。由于钢片本身的电阻率较高，再加之将钢片制得非常薄，可有效降低涡流损耗（eddy current loss）。
这些钢制的变压器硅钢片的厚度一般在 0.25\,\text{mm} \sim 0.5\,\text{mm}之间。由于钢材本身是导体，为了防止层与层之间形成回路，每层钢片以及其连接用的固定螺柱、铆钉或螺栓都经过了绝缘处理，通常采用一层极薄的绝缘漆或氧化膜（oxide layer）作为表面绝缘层。
变压器铁芯的结构
Transformer Construction of the Core
通常，变压器结构的命名取决于原边和副边绕组是如何绕制在中间的层叠钢铁芯上的。变压器结构中最常见和基本的两种设计是闭式铁芯变压器Closed-core Transformer和壳式铁芯变压器Shell-core Transformer。
在“闭式铁芯”类型（铁芯型）变压器中，原边和副边绕组绕制在外部并包围铁芯环。在“壳式”类型（壳型）变压器中，原边和副边绕组穿过钢制磁回路（铁芯）内部，该磁回路形成一个围绕绕组的壳，如下图所示。
变压器铁芯结构
Transformer Core Construction
在这两种类型的变压器铁芯设计中，原边与副边绕组之间的磁通完全在铁芯内部传递，不会有磁通通过空气而损失。
在铁芯型变压器结构中，如上图所示，绕组的一半缠绕在变压器磁路的每个磁柱（或磁腿）上。
绕组的布置方式并不是将原边绕组放在一边、副边绕组放在另一边，而是将原边绕组的一半与副边绕组的一半同轴地叠加在每条磁腿上，这样可以增加磁耦合，从而使几乎所有的磁力线同时穿过原边和副边绕组。
然而，在这种变压器结构中，仍有一小部分磁力线沿铁芯外部流动，这被称为漏磁通。
壳型变压器铁芯结构克服了这种漏磁通现象，因为原边和副边绕组都绕制在相同的中心磁柱（或磁腿）上，该磁柱的横截面积是两侧磁柱的两倍。
这种结构的优点在于：磁通有两个闭合的磁路可供绕行，分别从线圈左侧和右侧的外磁柱流动，然后返回到中心线圈。
这意味着，在这种变压器结构中，外侧磁柱中循环的磁通大小为： \frac{\Phi}{2}。由于磁通在绕组周围形成闭合路径，因此具有减少铁芯损耗、提高整体效率的优点。
但是，你可能想知道在这些类型的变压器结构中，原边和副边绕组是如何绕制在这些层叠铁芯或钢芯上的。线圈首先在一个具有圆柱形、矩形或椭圆形横截面的绕线骨架上预绕，以适应层叠铁芯的结构。在壳式和铁芯式两种变压器结构中，为了安装绕组，各个硅钢片层件都是从较大的钢板上冲压或剪切而成，并制成类似字母 “E”、“L”、“U” 及 “I” 形状的薄钢条，如下所示。
Transformer Core Types
这些冲压铁芯层片在组装后形成所需的铁芯形状。例如，两个 “E” 型层片加上两个端部封闭的 “I” 型层片，就构成了标准壳式变压器铁芯的一个 E-I 铁芯元件。在制造过程中，这些单个层片被紧密贴合，以减少接缝处气隙的磁阻，从而获得高度饱和的磁通密度。
变压器铁芯层片通常采用相互错位叠装的方式，以形成重叠接缝，并通过增加更多的层片对来达到所需的铁芯厚度。这种交替叠装的方式还能降低漏磁和铁损。E-I 型叠片铁芯结构主要用于隔离变压器、升压和降压变压器，以及自耦变压器。
变压器绕组结构
Transformer Winding Arrangements
变压器绕组是变压器结构中的另一个重要部分，因为它们是主要的电流载体，绕在铁芯的层叠部分上。在单相两绕组变压器中，通常有两个绕组：一个是连接到电压源并产生磁通的原边绕组（Primary winding），另一个是副边绕组（Secondary winding），由于互感作用，在副边绕组中感应出电压。
如果副边输出电压低于原边输入电压，变压器被称为“降压变压器”（Step-down Transformer）。如果副边输出电压高于原边输入电压，变压器被称为“升压变压器”（Step-up Transformer）。
变压器绕组中作为主要电流载体的导线通常是铜线或铝线。铝线比铜线轻且通常价格更便宜，但为了承载与铜线相同的电流，铝线必须使用更大的截面积，因此它主要用于大型电力变压器应用中。
用于低压电气和电子电路的小型kVA功率和电压变压器倾向于使用铜导体，因为铜导体比相应的铝导体具有更高的机械强度和更小的导体尺寸。缺点是，当这些变压器完成并装配好铁芯时，它们的重量可能会更大。
铁芯结构
变压器绕组和线圈可以大致分为同心线圈concentric coils 和夹心线圈sandwiched coils。在铁芯型变压器结构中，绕组通常是同心地绕在铁芯磁腿上，如上所示，高压的原边绕组绕在低压副边绕组外面。
夹心线圈或“煎饼”线圈由扁平导体以螺旋形绕制而成，因其导体排列成盘状，像煎饼一样，故得名。每个盘子交替从外向内螺旋排列，线圈被堆叠在一起，并通过绝缘材料如纸或塑料薄膜隔开。夹心线圈和绕组在壳式铁芯结构中更为常见。
螺旋绕组也称为螺旋线圈，是低压高电流变压器应用中非常常见的一种圆柱形线圈排列方式。绕组由大截面的矩形导体组成，导体侧面绕制，绝缘股线并排持续地沿着圆柱的长度绕制。相邻的圈或盘之间插入适当的间隔件，以最小化导体之间的环流。线圈以螺旋形向外推进，类似于瓶塞螺旋形状。
变压器铁芯
在变压器中，为防止导体之间发生短路，通常使用一层薄薄的漆或搪瓷作为绝缘材料，尤其是在空气冷却型变压器中。这层薄漆或搪瓷涂料在绕制之前被涂覆在导线表面。
在更大型的电力和配电型变压器中，导体之间使用浸油的纸或布进行绝缘。整个铁芯和绕组被浸入并密封在含有变压器油的保护罐中。变压器油不仅充当绝缘体，还起到冷却作用。
变压器点标记方向
Transformer Dot Orientation
我们不能简单地将一个层叠铁芯和某种绕组配置绕制在一起。虽然可以这样做，但我们可能会发现副边的电压和电流与原边的电压和电流之间存在相位差。两个绕组之间确实有一个明确的相对方向。绕组可以顺时针或逆时针绕制在铁芯上，因此为了跟踪它们的相对方向，使用“点”来标记每个绕组的端点。
这种用来标识变压器绕组方向的方法称为“点标记法”（dot convention）。变压器的绕组被绕制成这样，以确保绕组电压之间的相位关系正确，并且变压器的极性定义为副边电压相对于原边电压的相对极性，如下所示。
Transformer Construction using Dot Orientation
第一个变压器在两个绕组的同侧标有“点”。从副边点端流出的电流与进入原边点端的电流是“同相”的。因此，在标点端处的电压极性也是同相的：当原边绕组的点端电压为正时，副边绕组的点端电压也为正。
第二个变压器将两个点标在绕组的相对两端，这意味着原边和副边绕组的绕向相反。其结果是从副边点端流出的电流与进入原边点端的电流相位相差 \,180^\circ。因此，在标点端处的电压极性也是反相的：当原边绕组的点端电压为正时，对应的副边绕组点端电压为负。
由此可见，变压器的结构可使副边电压相对于原边电压“同相”或“反相”。对于具有多个彼此电气隔离的副边绕组的变压器，了解各副边绕组的点极性非常重要，以便将它们按“助联”方式（副边电压相加）或“抗联”方式（副边电压相减）串联连接。
调整变压器匝比常用于补偿原边电源电压的变化、变压器的调压性能或负载情况的变化。变压器的电压控制通常通过改变匝比（即电压比）来实现，方法是在高压侧的原边绕组上引出抽头，以便轻松调节。之所以优先在高压侧抽头，是因为高压侧的每匝电压低于低压副边侧，从而便于调节。
变压器原边抽头变化
Transformer Primary Tap Changes
在这个简单的例子中，原边抽头变化是为±5%的电压变化计算的，但也可以选择其他值。一些变压器可能有两个或更多的原边绕组或副边绕组，用于不同的应用，提供来自单一铁芯的不同电压。
变压器结构 – 铁芯损耗
Transformer Construction – Core Losses
铁或钢承载磁通的能力远大于空气，这种允许磁通流动的能力被称为磁导率permeability。大多数变压器的铁芯是由低碳钢制成的，其磁导率大约为1500，而空气的磁导率仅为1.0。
这意味着钢制层叠铁芯承载磁通的能力是空气的1500倍。然而，当磁通流经变压器的钢铁芯时，钢中会发生两种损耗：一种是涡流损耗eddy current losses，另一种是磁滞损耗hysteresis losses。
磁滞损耗
Hysteresis Losses
变压器磁滞损耗是由于分子在磁力线流动时与其相互作用产生的摩擦造成的，这些磁力线的大小和方向不断变化，首先朝一个方向变化，然后因正弦交流电源电压的影响反向变化。
这种分子摩擦会产生热量，表现为变压器的能量损失。过多的热损失可能会缩短绕组和结构中使用的绝缘材料的使用寿命。因此，变压器的冷却非常重要。
此外，变压器设计是为特定的电源频率而设计的。降低电源频率会导致磁滞损失增加和铁芯温度升高。例如，将频率从60赫兹降到50赫兹会增加磁滞损失，从而降低变压器的VA容量。
涡流损耗
Eddy Current Losses
变压器涡流损耗是由于磁通流经铁芯时在钢中产生的环流引起的。这些环流是由于磁通使得铁芯像一条单独的导线圈一样工作而产生的。由于铁芯是良好的导体，固体铁芯所产生的涡流会很大。
涡流不会对变压器的有用工作做出贡献，相反，它们通过生成阻力加热和功率损失来反对感应电流的流动。
铁芯层叠
Laminating the Iron Core
变压器铁芯中的涡流损耗不能完全消除，但可以通过减少钢芯的厚度大大减少和控制。变压器或线圈的磁路不再是一个大的固体铁芯，而是分成许多薄的压制钢形状，称为“层叠片”laminations。
在变压器结构中使用的层叠片是非常薄的绝缘金属条，连接在一起，形成一个坚固但层叠的铁芯。正如我们上面所看到的，这些层叠片通过涂上一层漆或纸来绝缘，从而增加铁芯的有效电阻，提高整体电阻以限制涡流的流动。
所有这些绝缘的结果是，铁芯中不必要的涡流功率损失大大减少，这就是为什么每个变压器和其他电磁设备的磁性铁路都是层叠的原因。使用层叠片的变压器结构可以减少涡流损耗。
变压器结构 – 铜损
Transformer Construction – Copper Losses
变压器的能量损失，表现为由于磁滞和涡流在磁路中产生的热量，通常被称为“变压器铁芯损耗”。由于这些损耗是由于交变磁场在所有磁性材料中都存在，变压器铁芯损耗将始终存在，即使没有负载连接到副边绕组时，只要原边绕组带电。这些损耗的组合通常被称为“变压器铁损”，因为造成这些损耗的磁通在所有负载下都是恒定的。
铜损
Copper Losses
但变压器还有另一种能量损失，称为“铜损”。变压器的铜损主要是由于原边和副边绕组的电阻。大多数变压器线圈是使用铜线绕制的，铜线具有一定的电阻值（单位：欧姆），正如我们从欧姆定律中知道的那样，铜线的电阻会反对通过它的任何磁化电流。
当电负载连接到变压器的副边绕组时，原边和副边绕组中都会开始流动大电流，电能和功率（ I^2R）损耗以热量的形式出现。通常，铜损随负载电流变化，在空载时几乎为零，而在满载时电流流量最大，铜损也最大。
变压器的视在功率（VA）额定值可以通过更好的设计和结构来增加，从而减少这些铁芯和铜损。具有高电压和电流额定值的变压器需要较大截面的导体，以帮助最小化铜损。通过强制空气或油冷却、或改善绝缘以承受更高温度，从而增加变压器的VA额定值。
然后，我们可以定义一个理想的变压器具有：
无磁滞环路或磁滞损耗 → 0
铁芯材料具有无限电阻，导致零涡流损耗 → 0
零绕组电阻，导致零 I^2R 铜损 → 0
在接下来的变压器教程中，我们将查看与电负载相关的副边绕组负载，并观察“无负载”和“负载接通”时变压器对原边绕组电流的影响。
变压器结构总结
本课程涉及变压器的基本构造原理、类型以及相关的能量损耗机制，具体内容包括：
变压器结构概述
变压器绕组是变压器构造中的重要部分，它们是主要的电流载体，绕在铁芯的层叠部分上。
单相两绕组变压器：原边绕组连接电压源并产生磁通，副边绕组由于互感作用产生电压。
根据副边电压相对于原边电压的关系，变压器可以分为升压变压器和降压变压器。
变压器磁芯类型
变压器铁芯由低碳钢制成，具有较高的磁导率，能够比空气更有效地承载磁通。
铁芯损耗：变压器中铁芯的损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗。
磁滞损耗：由分子摩擦引起的热量损失，影响变压器效率，且与电源频率有关。
涡流损耗：由于磁通流动导致的环流损失，涡流会反对电流流动并产生热量。
降低损耗的方法
层叠铁芯：通过将铁芯制成薄钢片层叠的形式，减少涡流损耗。每层钢片之间使用漆或纸进行绝缘，从而提高电阻，减少涡流流动。
铜损：变压器铜损是由于绕组的电阻造成的，这些损耗与负载电流相关。铜损在满载时最大，在空载时接近零。通过合理设计和使用大截面导体来减少铜损。
变压器的冷却与绝缘
在小型变压器中，使用薄漆或搪瓷对导线进行绝缘，而在大型变压器中，则使用浸油纸或布来进行绝缘，并将变压器浸入变压器油中，以提供额外的冷却和绝缘作用。
理想变压器模型
理想变压器应具备以下特性：
无磁滞损耗（磁滞环路损失为0）
无涡流损耗（铁芯材料电阻为无限大）
无铜损（绕组电阻为零）
变压器负载影响
变压器的额定容量（VA）可以通过更好的设计来减少铁芯和铜损，同时提高冷却效果（如采用强制空气或油冷却），并通过改善绝缘材料承受更高的温度，从而提高变压器的额定值。
本课程深入探讨了变压器的构造、能量损耗来源以及如何通过设计优化这些损耗，从而提高变压器的工作效率和使用寿命。
附录
为什么铁芯采用方形而不是圆形
铁芯错缝重叠
交替叠装（错缝重叠）能降低漏磁和铁损，主要基于以下几点原理：
减少接缝处气隙磁阻
单片叠装时，每一层叠片的接缝都相对对齐，会在同一位置形成较大的“气隙”磁阻，磁通在该处易分流到铁芯外部，造成漏磁。
交替叠装时，各层接缝相互错开，任意一点的接缝都只是一条非常薄的气隙，磁通通过错缝区域时仍有相邻层提供连续的铁磁路径，从而显著降低了局部气隙磁阻，也就减少了漏磁。
分散磁通集中应力
当接缝对齐时，磁通在接缝处会被迫集中“跨越”较大的气隙，磁场强度骤增，造成更高的局部铁芯饱和和更大的磁滞损耗。
错缝叠装将磁通路径分散到多个微小接缝之间，使磁场分布更均匀，避免局部过饱和，降低磁滞损耗。
抑制涡流环路形成
每片硅钢片之间都有绝缘漆层，层片越薄，单层涡流环路越小，涡流损耗 P_e 大约与层厚的平方成正比：
P_e \propto t^2其中 t 为钢片厚度。
交替叠装并不改变单片厚度，但通过错缝布置，使得跨越多层的涡流大环路更难形成，进一步抑制了涡流损耗。
图示对比
——单片对齐—— ——错缝重叠——
|=====|=====| |=====|=====|
|=====|=====| | |=|=| =|
|=====|=====| |=====|=====|左图：所有叠片接缝一条直线对齐，形成连续气隙
右图：每层接缝错开，气隙被分散，磁通始终可通过金属层补偿
铁芯绕组
上图为一台小型变压器被切开后的实拍断面图，可清晰看到：
铁芯层叠结构：由多片薄硅钢片叠装而成，中心可见两块切开的磁腿（leg），确保磁通闭合回路。
原边绕组（Primary winding）：图中靠近铁芯侧的较粗线圈，匝数较少、电流较大。
副边绕组（Secondary winding）：图中外侧的多股细导线缠绕，匝数较多、电压较高。
绝缘与夹持：绕组间及绕组与铁芯间涂覆绝缘漆或纸，整体用夹具固定，防止涡流与机械振动。
该图来自 IEEE Spectrum《The Inner Beauty of Basic Electronics》一文，通过现场“抛光剖面”技术拍摄，展现了真实铁芯与绕组的内部结构。
为什么铝作为绕组需要比铜更大的截面积
主要是因为铜和铝的电导率不同。
铜的电导率高于铝的电导率，也就是说，在相同的截面积下，铜导体能够承载更多的电流而不会产生过大的电阻。
铝的电导率相对较低，因此在承载相同电流时，铝线的电阻要比铜线高。为了补偿这一点，铝线需要使用更大的截面积，才能与铜线承载相同的电流。
在变压器绕组中，电流通过导线时会产生电阻损耗（焦耳热），所以为了承载相同的电流，铝线的截面积必须更大，以确保电流的通过能力与铜线相当，从而减少损耗。因此，尽管铝线更轻且更便宜，但在需要较高电流的应用中，铜线由于其更小的尺寸和更高的强度，通常更为常见。
材料的电导率（σ）主要由以下几个物理量决定：
自由电子密度（n） 在金属中，价电子脱离原子核成为“自由电子”，它们在晶格中运动形成电流。自由电子越多，单位体积内可导电的载流子越多，电导率越高。
电子电荷（e） 自由电子所携带的电荷大小是基本常数，符号为 e\approx1.602\times10^{-19}\,\mathrm{C}。
电子有效质量（ m^{*}） 由于晶体势场的影响，电子在晶格中运动时表现出的“惯性”不同于真空中的自由电子，其有效质量 m^* 会略有变化；有效质量越小，电子越容易加速，电导率越高。
松弛时间（ \tau）或迁移率（ \mu） 松弛时间 \tau 表示电子在晶格中两次散射（与晶格、杂质、声子等相互作用）之间的平均自由运动时间；迁移率 \mu 与松弛时间成正比：
\mu = \frac{e\,\tau}{m^*}.散射越少， \tau 越大， \mu 越高，电导率越大。
电导率的基本公式
在经典自由电子模型下，金属的电导率可表示为：
或用迁移率表示为：
影响因素小结
铜与铝的对比
铜：自由电子密度高（约 8.5\times10^{28}\,\mathrm{m^{-3}}），松弛时间相对较大，总体电导率约 5.96\times10^7\,\mathrm{S/m}。
铝：自由电子密度稍低（约 18.1\times10^{28}\,\mathrm{m^{-3}}），但由于杂质和晶格结构差异，松弛时间较铜略小，电导率约 3.77\times10^7\,\mathrm{S/m}。
因此，铜的 \sigma 明显高于铝，表现为更好的导电性能。
常见材料的电导率
单词表
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本文翻译自 electronics-tutorials
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