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变压器骨架和核节点选择涉及跨学科设计和成本问题
Joe Casmero and Rich Barden, Lodestone Pacific, Anaheim, California
在变压器的中间是起绕组和终端平台作用的骨架或线圈管。骨架或线圈管支持绕组，排列磁芯，通道的绕组和提供一个终端和连接方法。每个骨架都是根据一个特定的磁芯形状设计的，磁芯可以是铁酸盐堆叠压层，或者带绕磁芯。设计一个变压器有许多方法，所以做一个最好的骨架和磁芯的组合就显得尤为重要。生产成本、有效性、材料局限性、安全机构要求和方便生产均是非常重要的考虑因素。图标1是现有骨架型号的举例。
“为变压器应用选择骨架和磁芯组合的时候，变压器设计师要面对几个重要的问题，包括材料的特性、形状、成本和法规遵从。”
设计师必须同事考虑骨架和磁芯的定位和几何结构，立式安装的骨架在板上占据更少的空间，但比水平安装形式的更高。导线终端也比水平安装骨架更加困难且很少可以提供多节形态。水平安装骨架的轮廓较低，但占更多的板空间。水平类型提供更方便的导线终端和许多多节形态。
另外一个考虑因素是如何包装和运输组装完的成品到PCB插槽点上。当不容易受静电放电影响，其他PCB插槽点的周围可能有的其他元件。建议将装配件包在防静电盘子和管里，同时可以在运输和操作过程中起到保护作用。
成本因素
设计师可以从哪一个骨架和磁芯组合能够满足该形态，符合设计的功能开始考虑，但随后就应该考虑成本问题。最低成本但可用性最广的磁芯和骨架组合均建立在方形堆叠压层尺寸如E187, E24/25, E375, E21, E42/15的基础上。当然，这些方形或矩形的中心脚形状用铜箔与磁芯隔离以减少EMI，这将会增加成本。
工程师可能还需考虑新型的环中心脚磁芯和骨架的组合。ETDs, PQs, EFDs and Eps都是这种磁芯类型中受欢迎的例子，它们通常由铁酸盐造成。这些新型的磁芯和骨架组合需要更高的成本，但更加容易缠绕和提供更好的EMI隔离。
“为变压器应用选择骨架和磁芯组合的时候，变压器设计师要面对几个重要的问题，包括材料的特性、形状、成本和法规遵从。”
设计师必须同事考虑骨架和磁芯的定位和几何结构，立式安装的骨架在板上占据更少的空间，但比水平安装形式的更高。导线终端也比水平安装骨架更加困难且很少可以提供多节形态。水平安装骨架的轮廓较低，但占更多的板空间。水平类型提供更方便的导线终端和许多多节形态。
另外一个考虑因素是如何包装和运输组装完的成品到PCB插槽点上。当不容易受静电放电影响，其他PCB插槽点的周围可能有的其他元件。建议将装配件包在防静电盘子和管里，同时可以在运输和操作过程中起到保护作用。
成本因素
设计师可以从哪一个骨架和磁芯组合能够满足该形态，符合设计的功能开始考虑，但随后就应该考虑成本问题。最低成本但可用性最广的磁芯和骨架组合均建立在方形堆叠压层尺寸如E187, E24/25, E375, E21, E42/15的基础上。当然，这些方形或矩形的中心脚形状用铜箔与磁芯隔离以减少EMI，这将会增加成本。
工程师可能还需考虑新型的环中心脚磁芯和骨架的组合。ETDs, PQs, EFDs and Eps都是这种磁芯类型中受欢迎的例子，它们通常由铁酸盐造成。这些新型的磁芯和骨架组合需要更高的成本，但更加容易缠绕和提供更好的EMI隔离。
骨架终端是一个重要的考虑因素，因为它必须连接变压器或感应器来组成一个电路。没有终端的骨架的成本比有终端的骨架的成本低。但是，有终端的骨架可以提高产量和更容易插入PCB中。终端尺寸和形状多样，一般由所用的绕组线的尺寸和性质决定。另外，表面黏着或者通孔的终端类型必须进行评估。实际上，所有骨架都可以有通孔终端，但只有被选择的较小的磁芯和骨架的组合才能在表面黏着。这主要是组装的重量和设备选择和地点的限制。
多节骨架有造型墙或隔离把绕组区域分成两部分或更多。这实现了在高压应用上的飞行隔离。但是多节骨架通常价格会更高。
因为加工成本高，客户定制的磁芯和/或骨架不可能在大多数应用中使用。每个磁芯和骨架的加工费用可到达$5,000 到 $20,000。另一个限制是只有一个资源为客户提供定制的铁粉芯和/或骨架。考虑到这些成本，大部分工程师在回顾一个应用的时候都会集中在一种标准的骨架和磁芯。
骨架材料也会影响成本。有各种各样的材料可供选择而且每一种材料均有它的长短处，选择材料时需要根据应用的具体要求。一般来说，材料可以承受的温度越高，用其做成的骨架会比较贵。
材料因素
选择符合安全机构要求的材料，设计师必须清楚成品装置的运作环境。有一些由机构定义的温度等级，其覆盖的工作环境范围从一个办公室到一个卡车发动机机舱。表1列举了材料的等级和塑料成型骨架的相关温度。
另外，塑料必须在生产和PCB焊接过程中短时间承受焊接的高温。所以考虑一个塑料成型骨架需要承受的热量就显得极为重要。
骨架成型使用的塑料主要分成两组，热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料材料是在骨架成型中最为广泛使用的，而且有现成。热塑性塑料骨架价格不高并可以满足在与矿物、石英或玻璃填料混合时，许多机构对热和可燃性的要求。表2列举了不同类型的塑料材料及其属性。
热固性塑料材料价格比较高，但可以提高最大的强度和最好的温度表现。DAP（苯二甲酸二烯丙酯）和环氧塑料都适合于环形线圈组装和灌封杯，但它们的脆度使它们不适用于骨架应用。酚醛塑料适合用于骨架应用，并且他们在高温应用中极其稳定，这使它们越来越受欢迎。
除了温度等级规定之外，塑料的抗燃能力或者可燃性等级也是至关重要的因素。Underwriter's Laboratory (UL)根据成品的运作环境有一套具体的可燃性要求。称为UL94的规定根据塑料材料在接触明火然后移开时的自我熄灭能力来分等级。在大部分应用中，UL94VO的最高等级更为受欢迎。表3描述了UL 94对塑料材料的可燃性要求。
塑料成型骨架必须同时满足UL746的要求，要求用于骨架成型的塑料应该可以通过批号从成型作业追踪到制造商。这可以确保只有被UL认可的塑料材料才是实际用以制造骨架的。设计工程师和采购部门必须确保骨架的材料有相关的程序和文件以保证其可追溯性。
生产因素
生产因素是选择骨架和磁芯时的另一个关键因素。绕组方法、使用的线号、骨架容量和组装技术必须要小心审核确保与生产能力相匹配。
有圆形中心脚的骨架和磁芯组合很适合用于机械绕组。然而方形脚E磁芯和骨架组合在把线绕到骨架上时不允许线放平，，因为这会在线与骨架之间产生环节和间隙。这会导致漏电和可能影响变压器的表现。
线号或量规也是一个重要的考虑因素。许多骨架都能更好地与直径小的线相配，然而其他则是为中的线设计的。另外还要考虑骨架终端的形状和风格。确保终端的尺寸和量规与终端的线号相匹配。审核骨架的设计是如何利用插槽和通道焊接来促进从绕组到终端的线的敷料。
骨架容量或填充应进行计算，以确保电磁线填满约90%的骨架容量。这将会达到最大的磁力耦合优化组装。
骨架和磁芯组合的组装值得慎重考虑。在大部分骨架和磁芯组装中，两部分的磁芯材料须通过骨架进行连接。磁芯之间的紧密贴合对于确保运作的一致性至关重要。一些磁芯是粘在一起的，还有的是贴在一起，更有的为磁芯和骨架组合具有弹簧金属剪切设备设计。每个骨架和磁芯的组装选项都是为最优组装能力的考虑。
一旦骨架散绕，绕组的引线脚须要除掉。如果骨架没有终端，悬空引线需要直接连接到接线板或PCB上。如果骨架有终端，引线需要焊接到那些终端上。在这个阶段应该小心不要让焊接过程中的产生的热破环骨架。金属终端将会把焊接热传送到塑料的周边并支撑终端。如果是热塑性塑料，塑料如果允许软化过多，终端可能会被移动失准，使PCB插入困难。
热固性塑料骨架，一般会使用小心的手工锡焊技术。如果在绝缘之前线已经被剥夺，那么可以把骨架快速地在锡盘里浸泡一下便可以成功地把脚焊接到热固性塑料骨架的终端上。
一旦绕组引线焊接上骨架终端了，骨架就可以焊接上PCB。有一个重要的因素必须留意，即在还接终端到PCB的过程中产生的热会不会造成回流焊和减弱前期完成的终端焊接。使用熔点更高的焊锡来链接引线和骨架终端，然后使用较低温度的焊锡链接PCB是避免该问题的一个方法。
甚至用130° C的polynylese焊锡的可剥去电磁线，首选的方法是浸锡或者剥去靠近终端销的电磁线，然后把终端包至少一到两圈。用SN10高温焊锡(88% 铅, 10% 锡 和 2% 银)在大约550°F (288°C)温度下手工锡焊5秒钟。当组合被焊接到PCB时，使用熔点低于400°F (204°C)的SN63, (63% 铅 和 37% 锡)。这过程将会排除回流焊和骨架终端焊锡的减弱。
当使用polynylese电磁线时的另一个方法是包裹终端周围未被拆卸的线和用SN10提高锡盆温度到约700° F (371°C)。骨架终端浸入焊锡中并允许浸泡两秒。这样可以一步脱去和把线焊接到终端。这个方法最好是用热固性塑料骨架因为它们可以承受热。如果使用热固性塑料，在操作过程中应精确控制以避免塑料软化和终端未对准。
安全法规
还有附加的安全机构要求，这些要求覆盖了整个变压器或感应器的结构。不同的机构有涵盖不同应用、市场、区域和地理区域的责任。这些条例涉及到为保护因绕组过期和热老化引起的电器短路的间距和绝缘问题。在许多情况下，这些安全考虑会通过调整骨架内部结构的间距和边缘来处理。UL 1446关于电机、变压器和线圈绝缘是优先以U.S.的规格来管理关于这些产品的规格。UL 510是另一个关于电气胶带易燃性的重要规定，电气胶带是通常成为感应器或变压器设计的一部分的。
欧洲安全机构有自己的一套被VDE 0805涵盖的安全规则。符合欧洲规格的VDE水平骨架越来越受欢迎。那些陷入边缘、终端线槽分离和其他改变的类型应该符合VDE的要求。这些规定是欧洲的，所以像Miles Platts, Philips 和 Siemens这些欧洲骨架生产商有最好的VDE 骨架选择。
因为加工成本高，客户定制的磁芯和/或骨架不可能在大多数应用中使用。每个磁芯和骨架的加工费用可到达$5,000 到 $20,000。另一个限制是只有一个资源为客户提供定制的铁粉芯和/或骨架。考虑到这些成本，大部分工程师在回顾一个应用的时候都会集中在一种标准的骨架和磁芯。
骨架材料也会影响成本。有各种各样的材料可供选择而且每一种材料均有它的长短处，选择材料时需要根据应用的具体要求。一般来说，材料可以承受的温度越高，用其做成的骨架会比较贵。
材料因素
选择符合安全机构要求的材料，设计师必须清楚成品装置的运作环境。有一些由机构定义的温度等级，其覆盖的工作环境范围从一个办公室到一个卡车发动机机舱。表1列举了材料的等级和塑料成型骨架的相关温度。
另外，塑料必须在生产和PCB焊接过程中短时间承受焊接的高温。所以考虑一个塑料成型骨架需要承受的热量就显得极为重要。
骨架成型使用的塑料主要分成两组，热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料材料是在骨架成型中最为广泛使用的，而且有现成。热塑性塑料骨架价格不高并可以满足在与矿物、石英或玻璃填料混合时，许多机构对热和可燃性的要求。表2列举了不同类型的塑料材料及其属性。
热固性塑料材料价格比较高，但可以提高最大的强度和最好的温度表现。DAP（苯二甲酸二烯丙酯）和环氧塑料都适合于环形线圈组装和灌封杯，但它们的脆度使它们不适用于骨架应用。酚醛塑料适合用于骨架应用，并且他们在高温应用中极其稳定，这使它们越来越受欢迎。
除了温度等级规定之外，塑料的抗燃能力或者可燃性等级也是至关重要的因素。Underwriter's Laboratory (UL)根据成品的运作环境有一套具体的可燃性要求。称为UL94的规定根据塑料材料在接触明火然后移开时的自我熄灭能力来分等级。在大部分应用中，UL94VO的最高等级更为受欢迎。表3描述了UL 94对塑料材料的可燃性要求。
塑料成型骨架必须同时满足UL746的要求，要求用于骨架成型的塑料应该可以通过批号从成型作业追踪到制造商。这可以确保只有被UL认可的塑料材料才是实际用以制造骨架的。设计工程师和采购部门必须确保骨架的材料有相关的程序和文件以保证其可追溯性。
生产因素
生产因素是选择骨架和磁芯时的另一个关键因素。绕组方法、使用的线号、骨架容量和组装技术必须要小心审核确保与生产能力相匹配。
有圆形中心脚的骨架和磁芯组合很适合用于机械绕组。然而方形脚E磁芯和骨架组合在把线绕到骨架上时不允许线放平，，因为这会在线与骨架之间产生环节和间隙。这会导致漏电和可能影响变压器的表现。
线号或量规也是一个重要的考虑因素。许多骨架都能更好地与直径小的线相配，然而其他则是为中的线设计的。另外还要考虑骨架终端的形状和风格。确保终端的尺寸和量规与终端的线号相匹配。审核骨架的设计是如何利用插槽和通道焊接来促进从绕组到终端的线的敷料。
骨架容量或填充应进行计算，以确保电磁线填满约90%的骨架容量。这将会达到最大的磁力耦合优化组装。
骨架和磁芯组合的组装值得慎重考虑。在大部分骨架和磁芯组装中，两部分的磁芯材料须通过骨架进行连接。磁芯之间的紧密贴合对于确保运作的一致性至关重要。一些磁芯是粘在一起的，还有的是贴在一起，更有的为磁芯和骨架组合具有弹簧金属剪切设备设计。每个骨架和磁芯的组装选项都是为最优组装能力的考虑。
一旦骨架散绕，绕组的引线脚须要除掉。如果骨架没有终端，悬空引线需要直接连接到接线板或PCB上。如果骨架有终端，引线需要焊接到那些终端上。在这个阶段应该小心不要让焊接过程中的产生的热破环骨架。金属终端将会把焊接热传送到塑料的周边并支撑终端。如果是热塑性塑料，塑料如果允许软化过多，终端可能会被移动失准，使PCB插入困难。
热固性塑料骨架，一般会使用小心的手工锡焊技术。如果在绝缘之前线已经被剥夺，那么可以把骨架快速地在锡盘里浸泡一下便可以成功地把脚焊接到热固性塑料骨架的终端上。
一旦绕组引线焊接上骨架终端了，骨架就可以焊接上PCB。有一个重要的因素必须留意，即在还接终端到PCB的过程中产生的热会不会造成回流焊和减弱前期完成的终端焊接。使用熔点更高的焊锡来链接引线和骨架终端，然后使用较低温度的焊锡链接PCB是避免该问题的一个方法。
甚至用130° C的polynylese焊锡的可剥去电磁线，首选的方法是浸锡或者剥去靠近终端销的电磁线，然后把终端包至少一到两圈。用SN10高温焊锡(88% 铅, 10% 锡 和 2% 银)在大约550°F (288°C)温度下手工锡焊5秒钟。当组合被焊接到PCB时，使用熔点低于400°F (204°C)的SN63, (63% 铅 和 37% 锡)。这过程将会排除回流焊和骨架终端焊锡的减弱。
当使用polynylese电磁线时的另一个方法是包裹终端周围未被拆卸的线和用SN10提高锡盆温度到约700° F (371°C)。骨架终端浸入焊锡中并允许浸泡两秒。这样可以一步脱去和把线焊接到终端。这个方法最好是用热固性塑料骨架因为它们可以承受热。如果使用热固性塑料，在操作过程中应精确控制以避免塑料软化和终端未对准。
安全法规
还有附加的安全机构要求，这些要求覆盖了整个变压器或感应器的结构。不同的机构有涵盖不同应用、市场、区域和地理区域的责任。这些条例涉及到为保护因绕组过期和热老化引起的电器短路的间距和绝缘问题。在许多情况下，这些安全考虑会通过调整骨架内部结构的间距和边缘来处理。UL 1446关于电机、变压器和线圈绝缘是优先以U.S.的规格来管理关于这些产品的规格。UL 510是另一个关于电气胶带易燃性的重要规定，电气胶带是通常成为感应器或变压器设计的一部分的。
欧洲安全机构有自己的一套被VDE 0805涵盖的安全规则。符合欧洲规格的VDE水平骨架越来越受欢迎。那些陷入边缘、终端线槽分离和其他改变的类型应该符合VDE的要求。这些规定是欧洲的，所以像Miles Platts, Philips 和 Siemens这些欧洲骨架生产商有最好的VDE 骨架选择。
VDE要求磁芯和线圈之间和从线圈到线圈有3750Vrms电介质，为了达到这个效果，在骨架的每一边都应该存在一条3mm的隔离边。如果骨架没有这个特征，需要添加这样的隔离边上去（图2）。这条隔离边一般是用固态膜胶带裁成3mm宽而得来的。推荐P.Leo 1H818或者3M 44的聚酯薄膜/聚酯纤维垫。可渗透胶带，如玻璃纤维和醋酸纤维是不被允许的。边缘应与绕组高度一样或更高。需要在磁线的末端添加一个编制层以起到绝缘的作用，它作为一个引线脚延伸到边缘并从骨架伸出为链接骨架终端做准备。推荐使用铁氟龙编织套管，如Weco #TT和Wire Management Products #TFT。
现在可以使用三层2mil的聚酯薄膜胶带来包裹骨架的宽度以覆盖第一次绕组并与将要进行的第二次绕组绝缘。聚酯薄膜胶带如P.Leo 1P801或者3m 1350是较好的选择。如果在第一次绕组时被破坏的话，必须为第二次绕组重复进行边缘建立。这个过程跟之前的一样。铁氟龙编织管跟同样需要用于第二次绕组。应该注意的是第一次绕组的引线脚和第二次绕组的引线脚之间必须存在一个6mm的防漏电墙。最后应以三层2-mil的聚酯胶带覆盖第二次绕组如同第一次绕组一样。现在这个变压器已经可以进行终端焊接，磁芯组装，测试和浸渍绝缘漆了。
现在可以使用三层2mil的聚酯薄膜胶带来包裹骨架的宽度以覆盖第一次绕组并与将要进行的第二次绕组绝缘。聚酯薄膜胶带如P.Leo 1P801或者3m 1350是较好的选择。如果在第一次绕组时被破坏的话，必须为第二次绕组重复进行边缘建立。这个过程跟之前的一样。铁氟龙编织管跟同样需要用于第二次绕组。应该注意的是第一次绕组的引线脚和第二次绕组的引线脚之间必须存在一个6mm的防漏电墙。最后应以三层2-mil的聚酯胶带覆盖第二次绕组如同第一次绕组一样。现在这个变压器已经可以进行终端焊接，磁芯组装，测试和浸渍绝缘漆了。
磁芯和骨架组合
磁芯和骨架组合根据它们是用于电讯还是功率变换的应用上可以分为两类。电讯类的特点是低功率、高散热和高防护。功率类的特点是高功率、高散热和储能良好。
表4显示了磁芯和骨架组合的特性。其他没有在表4中显示的磁芯和骨架组合拥有许多良好的产品特征，包括EPC、ER和LPC。这些型号目前只有有限的普及和可用性。
在设计和指定一个骨架和磁芯的组合时，人们通常会不经意地就把注意力集中在磁芯的性能表现上。设计师必须意识到对绕组操作、绕组引线脚终端、安全守则和PCB插件的性质和缓和影响最大的是骨架而不是磁芯。骨架比磁芯在工厂组装的成本上有更大的影响力。此外，对于运转中的变压器和电感器的长远作用来讲，骨架和磁芯起着同等的作用。当电力变压器被恰当地设计、组装、制作成品和测试之后，无论在任何系统中，骨架都将会是最后失效的组件之一。
磁芯和骨架组合根据它们是用于电讯还是功率变换的应用上可以分为两类。电讯类的特点是低功率、高散热和高防护。功率类的特点是高功率、高散热和储能良好。
表4显示了磁芯和骨架组合的特性。其他没有在表4中显示的磁芯和骨架组合拥有许多良好的产品特征，包括EPC、ER和LPC。这些型号目前只有有限的普及和可用性。
在设计和指定一个骨架和磁芯的组合时，人们通常会不经意地就把注意力集中在磁芯的性能表现上。设计师必须意识到对绕组操作、绕组引线脚终端、安全守则和PCB插件的性质和缓和影响最大的是骨架而不是磁芯。骨架比磁芯在工厂组装的成本上有更大的影响力。此外，对于运转中的变压器和电感器的长远作用来讲，骨架和磁芯起着同等的作用。当电力变压器被恰当地设计、组装、制作成品和测试之后，无论在任何系统中，骨架都将会是最后失效的组件之一。
