Joe Casmero and Rich Barden, Lodestone Pacific, Anaheim, California

在變壓器的中間是起繞組和終端平臺作用的骨架或線圈管。骨架或線圈管支持繞組，排列磁芯，通道的繞組和提供壹個終端和連接方法。每個骨架都是根據壹個特定的磁芯形狀設計的，磁芯可以是鐵酸鹽堆疊壓層，或者帶繞磁芯。設計壹個變壓器有許多方法，所以做壹個最好的骨架和磁芯的組合就顯得尤為重要。生產成本、有效性、材料局限性、安全機構要求和方便生產均是非常重要的考慮因素。圖標1是現有骨架型號的舉例。

“為變壓器應用選擇骨架和磁芯組合的時候，變壓器設計師要面對幾個重要的問題，包括材料的特性、形狀、成本和法規遵從。”

設計師必須同事考慮骨架和磁芯的定位和幾何結構，立式安裝的骨架在板上占據更少的空間，但比水平安裝形式的更高。導線終端也比水平安裝骨架更加困難且很少可以提供多節形態。水平安裝骨架的輪廓較低，但占更多的板空間。水平類型提供更方便的導線終端和許多多節形態。

另外壹個考慮因素是如何包裝和運輸組裝完的成品到PCB插槽點上。當不容易受靜電放電影響，其他PCB插槽點的周圍可能有的其他元件。建議將裝配件包在防靜電盤子和管裏，同時可以在運輸和操作過程中起到保護作用。

成本因素
設計師可以從哪壹個骨架和磁芯組合能夠滿足該形態，符合設計的功能開始考慮，但隨後就應該考慮成本問題。最低成本但可用性最廣的磁芯和骨架組合均建立在方形堆疊壓層尺寸如E187, E24/25, E375, E21, E42/15的基礎上。當然，這些方形或矩形的中心腳形狀用銅箔與磁芯隔離以減少EMI，這將會增加成本。

工程師可能還需考慮新型的環中心腳磁芯和骨架的組合。ETDs, PQs, EFDs and Eps都是這種磁芯類型中受歡迎的例子，它們通常由鐵酸鹽造成。這些新型的磁芯和骨架組合需要更高的成本，但更加容易纏繞和提供更好的EMI隔離。

骨架終端是壹個重要的考慮因素，因為它必須連接變壓器或感應器來組成壹個電路。沒有終端的骨架的成本比有終端的骨架的成本低。但是，有終端的骨架可以提高產量和更容易插入PCB中。終端尺寸和形狀多樣，壹般由所用的繞組線的尺寸和性質決定。另外，表面黏著或者通孔的終端類型必須進行評估。實際上，所有骨架都可以有通孔終端，但只有被選擇的較小的磁芯和骨架的組合才能在表面黏著。這主要是組裝的重量和設備選擇和地點的限制。

多節骨架有造型墻或隔離把繞組區域分成兩部分或更多。這實現了在高壓應用上的飛行隔離。但是多節骨架通常價格會更高。

因為加工成本高，客戶定制的磁芯和/或骨架不可能在大多數應用中使用。每個磁芯和骨架的加工費用可到達$5,000 到 $20,000。另壹個限制是只有壹個資源為客戶提供定制的鐵粉芯和/或骨架。考慮到這些成本，大部分工程師在回顧壹個應用的時候都會集中在壹種標準的骨架和磁芯。



骨架材料也會影響成本。有各種各樣的材料可供選擇而且每壹種材料均有它的長短處，選擇材料時需要根據應用的具體要求。壹般來說，材料可以承受的溫度越高，用其做成的骨架會比較貴。



材料因素
選擇符合安全機構要求的材料，設計師必須清楚成品裝置的運作環境。有壹些由機構定義的溫度等級，其覆蓋的工作環境範圍從壹個辦公室到壹個卡車發動機機艙。表1列舉了材料的等級和塑料成型骨架的相關溫度。

另外，塑料必須在生產和PCB焊接過程中短時間承受焊接的高溫。所以考慮壹個塑料成型骨架需要承受的熱量就顯得極為重要。

骨架成型使用的塑料主要分成兩組，熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料材料是在骨架成型中最為廣泛使用的，而且有現成。熱塑性塑料骨架價格不高並可以滿足在與礦物、石英或玻璃填料混合時，許多機構對熱和可燃性的要求。表2列舉了不同類型的塑料材料及其屬性。

熱固性塑料材料價格比較高，但可以提高最大的強度和最好的溫度表現。DAP（苯二甲酸二烯丙酯）和環氧塑料都適合於環形線圈組裝和灌封杯，但它們的脆度使它們不適用於骨架應用。酚醛塑料適合用於骨架應用，並且他們在高溫應用中極其穩定，這使它們越來越受歡迎。

除了溫度等級規定之外，塑料的抗燃能力或者可燃性等級也是至關重要的因素。Underwriter's Laboratory (UL)根據成品的運作環境有壹套具體的可燃性要求。稱為UL94的規定根據塑料材料在接觸明火然後移開時的自我熄滅能力來分等級。在大部分應用中，UL94VO的最高等級更為受歡迎。表3描述了UL 94對塑料材料的可燃性要求。

塑料成型骨架必須同時滿足UL746的要求，要求用於骨架成型的塑料應該可以通過批號從成型作業追蹤到制造商。這可以確保只有被UL認可的塑料材料才是實際用以制造骨架的。設計工程師和采購部門必須確保骨架的材料有相關的程序和文件以保證其可追溯性。

生產因素
生產因素是選擇骨架和磁芯時的另壹個關鍵因素。繞組方法、使用的線號、骨架容量和組裝技術必須要小心審核確保與生產能力相匹配。

有圓形中心腳的骨架和磁芯組合很適合用於機械繞組。然而方形腳E磁芯和骨架組合在把線繞到骨架上時不允許線放平，，因為這會在線與骨架之間產生環節和間隙。這會導致漏電和可能影響變壓器的表現。

線號或量規也是壹個重要的考慮因素。許多骨架都能更好地與直徑小的線相配，然而其他則是為中的線設計的。另外還要考慮骨架終端的形狀和風格。確保終端的尺寸和量規與終端的線號相匹配。審核骨架的設計是如何利用插槽和通道焊接來促進從繞組到終端的線的敷料。

骨架容量或填充應進行計算，以確保電磁線填滿約90%的骨架容量。這將會達到最大的磁力藕合優化組裝。

骨架和磁芯組合的組裝值得慎重考慮。在大部分骨架和磁芯組裝中，兩部分的磁芯材料須通過骨架進行連接。磁芯之間的緊密貼合對於確保運作的壹致性至關重要。壹些磁芯是粘在壹起的，還有的是貼在壹起，更有的為磁芯和骨架組合具有彈簧金屬剪切設備設計。每個骨架和磁芯的組裝選項都是為最優組裝能力的考慮。

壹旦骨架散繞，繞組的引線腳須要除掉。如果骨架沒有終端，懸空引線需要直接連接到接線板或PCB上。如果骨架有終端，引線需要焊接到那些終端上。在這個階段應該小心不要讓焊接過程中的產生的熱破環骨架。金屬終端將會把焊接熱傳送到塑料的周邊並支撐終端。如果是熱塑性塑料，塑料如果允許軟化過多，終端可能會被移動失準，使PCB插入困難。

熱固性塑料骨架，壹般會使用小心的手工錫焊技術。如果在絕緣之前線已經被剝奪，那麽可以把骨架快速地在錫盤裏浸泡壹下便可以成功地把腳焊接到熱固性塑料骨架的終端上。

壹旦繞組引線焊接上骨架終端了，骨架就可以焊接上PCB。有壹個重要的因素必須留意，即在還接終端到PCB的過程中產生的熱會不會造成回流焊和減弱前期完成的終端焊接。使用熔點更高的焊錫來鏈接引線和骨架終端，然後使用較低溫度的焊錫鏈接PCB是避免該問題的壹個方法。

甚至用130° C的polynylese焊錫的可剝去電磁線，首選的方法是浸錫或者剝去靠近終端銷的電磁線，然後把終端包至少壹到兩圈。用SN10高溫焊錫(88% 鉛, 10% 錫 和 2% 銀)在大約550°F (288°C)溫度下手工錫焊5秒鐘。當組合被焊接到PCB時，使用熔點低於400°F (204°C)的SN63, (63% 鉛 和 37% 錫)。這過程將會排除回流焊和骨架終端焊錫的減弱。

當使用polynylese電磁線時的另壹個方法是包裹終端周圍未被拆卸的線和用SN10提高錫盆溫度到約700° F (371°C)。骨架終端浸入焊錫中並允許浸泡兩秒。這樣可以壹步脫去和把線焊接到終端。這個方法最好是用熱固性塑料骨架因為它們可以承受熱。如果使用熱固性塑料，在操作過程中應精確控制以避免塑料軟化和終端未對準。

安全法規
還有附加的安全機構要求，這些要求覆蓋了整個變壓器或感應器的結構。不同的機構有涵蓋不同應用、市場、區域和地理區域的責任。這些條例涉及到為保護因繞組過期和熱老化引起的電器短路的間距和絕緣問題。在許多情況下，這些安全考慮會通過調整骨架內部結構的間距和邊緣來處理。UL 1446關於電機、變壓器和線圈絕緣是優先以U.S.的規格來管理關於這些產品的規格。UL 510是另壹個關於電氣膠帶易燃性的重要規定，電氣膠帶是通常成為感應器或變壓器設計的壹部分的。

歐洲安全機構有自己的壹套被VDE 0805涵蓋的安全規則。符合歐洲規格的VDE水平骨架越來越受歡迎。那些陷入邊緣、終端線槽分離和其他改變的類型應該符合VDE的要求。這些規定是歐洲的，所以像Miles Platts, Philips 和 Siemens這些歐洲骨架生產商有最好的VDE 骨架選擇。

VDE要求磁芯和線圈之間和從線圈到線圈有3750Vrms電介質，為了達到這個效果，在骨架的每壹邊都應該存在壹條3mm的隔離邊。如果骨架沒有這個特征，需要添加這樣的隔離邊上去（圖2）。這條隔離邊壹般是用固態膜膠帶裁成3mm寬而得來的。推薦P.Leo 1H818或者3M 44的聚酯薄膜/聚酯纖維墊。可滲透膠帶，如玻璃纖維和醋酸纖維是不被允許的。邊緣應與繞組高度壹樣或更高。需要在磁線的末端添加壹個編制層以起到絕緣的作用，它作為壹個引線腳延伸到邊緣並從骨架伸出為鏈接骨架終端做準備。推薦使用鐵氟龍編織套管，如Weco #TT和Wire Management Products #TFT。

現在可以使用三層2mil的聚酯薄膜膠帶來包裹骨架的寬度以覆蓋第壹次繞組並與將要進行的第二次繞組絕緣。聚酯薄膜膠帶如P.Leo 1P801或者3m 1350是較好的選擇。如果在第壹次繞組時被破壞的話，必須為第二次繞組重復進行邊緣建立。這個過程跟之前的壹樣。鐵氟龍編織管跟同樣需要用於第二次繞組。應該註意的是第壹次繞組的引線腳和第二次繞組的引線腳之間必須存在壹個6mm的防漏電墻。最後應以三層2-mil的聚酯膠帶覆蓋第二次繞組如同第壹次繞組壹樣。現在這個變壓器已經可以進行終端焊接，磁芯組裝，測試和浸漬絕緣漆了。

磁芯和骨架組合
磁芯和骨架組合根據它們是用於電訊還是功率變換的應用上可以分為兩類。電訊類的特點是低功率、高散熱和高防護。功率類的特點是高功率、高散熱和儲能良好。



表4顯示了磁芯和骨架組合的特性。其他沒有在表4中顯示的磁芯和骨架組合擁有許多良好的產品特征，包括EPC、ER和LPC。這些型號目前只有有限的普及和可用性。

在設計和指定壹個骨架和磁芯的組合時，人們通常會不經意地就把註意力集中在磁芯的性能表現上。設計師必須意識到對繞組操作、繞組引線腳終端、安全守則和PCB插件的性質和緩和影響最大的是骨架而不是磁芯。骨架比磁芯在工廠組裝的成本上有更大的影響力。此外，對於運轉中的變壓器和電感器的長遠作用來講，骨架和磁芯起著同等的作用。當電力變壓器被恰當地設計、組裝、制作成品和測試之後，無論在任何系統中，骨架都將會是最後失效的組件之壹。