在电力系统中,变压器是一种至关重要的电气设备,而铁心作为变压器的组成部分,其性能和构造对变压器的整体性能起着决定性作用。磁路是变压器铁心的重要组成部分,铁心通常采用叠片或卷绕结构,其主要作用是为励磁绕组产生的主磁通提供低磁阻路径。铁心被绕组环绕的部分称为铁心柱,未被绕组环绕的部分则称为铁轭。

不同规格的变压器,其铁心柱截面形状有所不同。小型变压器的铁心柱截面一般为矩形或方形,而大型变压器铁心柱截面通常做成阶梯形的多边形以接近圆形,这样的设计更便于套装绕组。

从变压器的类型来看,心式变压器和壳式变压器在铁心构造上存在明显差异。心式变压器的铁轭靠着绕组的顶端和底面,而不包围绕组的侧面;壳式变压器的铁轭不仅包围绕组的顶端和底面,而且还包围绕组的部分侧面。


叠片式铁心是由剪成一定形式的硅钢片叠装而成。为了降低磁阻和减少铁损耗,铁心一般采用交错式叠法,使相邻层的接缝错开。大多数叠片式变压器使用晶粒取向的冷轧硅钢片作铁心,这种钢片沿着碾轧方向具有较小的损耗和较高的磁导率。在三相斜缝铁心叠片的磁路转角处,能够进一步减少铁损耗。


通过这样的叠装方式,铁心柱与铁轭间连接的叠片间气隙,会通过下一层的叠片搭接,从而避免连接处出现连续的间隙。

在叠片的接缝形式方面,直接缝和斜接缝各有特点。直接缝的重叠角为 90°,制造较为简单,但由于其中的磁通没有沿晶粒取向的方向,角中的损耗较高,一般用于小型变压器;斜接缝中,重叠角通常为 30 - 60°,连接处穿过的磁通沿晶粒取向的方向,可使损耗化。此外,阶梯搭接连接方式的性能比交错搭接更为优异。当铁心的工作磁通密度设计为 1.7T 时,交错搭接铁心接缝处的磁通密度升至 2.7T(重度饱和),气隙中的磁通密度约为 0.7T;而阶梯搭接铁心中,气隙中的磁通密度约为 0.04T,接缝处的磁通密度接近 2.0T。

在铁心结构方面,有铁轭螺杆的铁心结构中,铁轭叠片的冲孔会使孔区域的磁通分布发生畸变,导致铁心中的损耗增加。因此,无铁轭螺杆的铁心结构性能更优,可采用由玻璃纤维 / 不锈钢带构成的特殊夹紧结构。为加强不同叠片间的结合,需要在边缘处使用环氧树脂,这种方式还可降低变压器噪声。

除了传统的叠片式铁心,还有一些新型的铁心材料和结构。非晶合金变压器是一种节能型变压器,以铁基非晶合金为例,它具有较大的磁导率、较小的矫顽力、较高的饱和磁感应强度、较小的磁滞损耗和涡流损耗等特点。不过,非晶合金材料具有耐腐蚀、耐磨损、韧性高和对机械应力敏感等特点,受力后会影响其磁性能。

平面卷铁心变压器由硅钢片连续卷制而成,铁心无接缝,大大减少了磁阻,空载电流可减少 60 - 80%。连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性,空载损耗降低了 20 - 35%。卷铁心经退火工艺后,其导磁性能可恢复到机加工前的原有水平。
立体卷铁心变压器也是一种节能型电力变压器,其三相磁路完全对称,三相空载电流完全平衡。三维立体卷铁心的磁化方向完全与硅钢片的轧制方向一致,且铁心层间没有搭头接缝,磁路各处的磁通分布均匀,没有明显的高阻区和接缝处磁通密度的畸变现象。
综上所述,不同类型和构造的变压器铁心各有优缺点,在实际应用中需要根据具体的需求和场景进行选择。随着电力技术的不断发展,未来变压器铁心的设计和制造技术也将不断创新和进步。