1引言
铁心是电源中电磁元件的重要部件，对它的性能起着重要的作用。设计电磁元件的铁心，包括以下几个主要内容：
（1）根据电源的电路和工作频率，转换成铁心对软磁材料的要求，选取适用的软磁材料；
（2）根据电源要求的性能指标，选取适用的铁心结构形式；
（3）根据传送功率和输入阻抗（输入电感），计算和选取铁心尺寸；
（4）根据电磁元件电磁场数学模型，进行铁心和线圈参数计算；
（5）根据使用要求，换算铁心散热面积和工作温度。
如果工作频率在10Hz至20kHz的声频范围内，还要考虑周围环境对可闻噪声的要求。在强调环境保护的今天，可闻噪声污染，对人的身心都会造成相当的危害。因此，降低可闻噪声，使它限制在一定范围内，是相当重要的。如果达不到指标，在设计铁心结构时要采取降低噪声的措施。
对有铁心的电源变压器，第（1）、第（2）项是决定性的，文献1中已作介绍，不再赘述。关于第（3）项，比较通用的是从下面三个公式来设计和选取铁心尺寸。
ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)
ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)
L1=μOμACN12/lC(3)
式中：AC是铁心实际截面积（包括铁心占空系数KC）；
AO是铁心窗口实际面积（包括窗口占空系数KO），ACAO是铁心的特征参数；
P2是电源变压器的输出功率；
η是电源变压器的效率，P2(1＋η)相当于电源变压器的视在功率；
KU是波形系数，对矩形波为2，对正弦波为222；
J是电流密度；
f是工作频率；
ΔBm是工作磁通密度变化范围，对磁通密度双向变化的电源变压器为2Bm，对磁通密度单向变化的电源变压器为Bm－Br；
lC是铁心的平均磁路长度，ACLC是铁心的有效体积；
L1是输入电感；
μO是真空磁导率；
μ是铁心在工作频率下的有效磁导率；
N1是输入（初级）线圈匝数。
关于第（4）项，在超过一定工作频率的高频条件下，电源变压器的设计应当考虑电磁场的一维、二维或三维数学模型，否则会造成相当大的误差。原电子工业部的指导性技术文件SJ/Z292188《开关电源变压器设计方法》已不再适用。应当根据现在已经比较普及的计算机辅助设计，制定新的指导性技术文件。
关于第（5）项，一般不怎么受设计者重视，而是根据试制样品温升试验的结果再作修改。但是对功率较大（例如100W以上），工作频率较高（例如100kHz以上），还是先进行铁心工作温度核算，以便在设计中采取措施，防止铁心温升超过规定值。
以上简单地介绍电源变压器铁心的设计程序，不但是为了强调软磁材料和铁心结构对电源变压器的重要性，同时也是为了澄清现在设计中流行的一些方向误导的作法，供同行们参考。由于收集资料还不完备，这里只介绍高度为厘米级以上的立体式铁心结构，包括复合铁心结构和多功能（磁集成）铁心结构。至于高度为1mm～10mm级的平面式铁心结构和高度为1mm级以下的薄膜式铁心结构，以后再作介绍。
图1硅钢铁心的片形
(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形
图2硅钢叠片式铁心结构截面
(a)方形(b)三阶梯形(c)多阶梯形
2硅钢铁心
50Hz～60Hz工频电磁元件和400Hz～1000Hz中频电磁元件，多数选用硅钢铁心。硅钢铁心结构分为叠片式铁心和卷绕式铁心两种。
叠片式铁心是把硅钢带材通过剪切或冲压成铁心片，然后叠装成一定结构形式的铁心。从铁心片形状发展来看（图1），最早是单I形，后来是CI形、EI形和EE形，其目的是便于叠装，减少工时。如果材料是取向硅钢带，要注意使磁路中磁力线方向与硅钢取向一致，不要与硅钢取向垂直，否则会增加铁心激磁能量和铁心损耗。为了解决转角处磁力线方向不与硅钢取向垂直，后来又发展成45°斜切角形片形。从叠装成的铁心截面发展来看（图2），最早是方形，后来发展成三阶梯形、多阶梯形，使铁心截面逐步趋向圆形。这一方面是为了减少线圈平均匝长，降低阻抗和铜损；另一方面也是为了便于线圈绕制。从叠装成的铁心柱数发展来看（图3），最早是用于单相变压器和电抗器的两柱式，后来发展成用于三相变压器的三柱式，用于带平衡电抗器的整流变压器的五柱式。
卷绕式铁心是把硅钢带材剪切成需要的宽度后，卷绕成一定结构形式的铁心。从卷绕成的铁心形状发展来看（图4），最早为环形，后来为了便于绝缘结构设计和线圈绕制，发展成方框形。方框形包括：用于单相电源变压器的单框式和双框式，用于三相电源变压器的三框式和四框式。三框式又分为两种：一种是合成的，由两个小框外套一个大框组成；一种是独立的，由互相成120°角布置的三个方框组成。为了使铁心截面逐渐趋向圆形，和叠片式铁心一样，卷绕式铁心截面也从矩形，经过三阶梯形、多阶梯形，发展成铁心截面基本上是圆形的R形铁心。截面是R形的卷绕式环形铁心，称为O形铁心。既可充分利用铁心材料，又可以减少线圈平均匝长，是比较理想的卷绕式铁心结构。
图3硅钢叠片式铁心结构柱数
(a)两柱式(b)三柱式(c)五柱式
图4硅钢卷绕式铁心结构形状
(a)环形(b)单框形(c)双框形(d)合成三框形(e)120°布置三框形
图5硅钢CD形和XD形铁心结构
(a)CD形(b)XD形
卷绕式铁心和叠片式铁心比较，卷绕式铁心可以使磁路中的磁力线完全与硅钢取向一致，而且不存在气隙，因此激磁能量和铁心损耗将减小10％～25％，噪声也低一些。其铁心加工工艺比较简单，便于用机械加工代替手工叠装。但是线圈绕制比叠片式铁心难度大，必须用专门的绕线设备，如果线圈损伤则整体报废，不能返修。为了补偿这些缺点，把卷绕式铁心切开成两半，变成CD形和XD形铁心（图5）。这种结构虽然有两个或三个气隙，但仍然保持卷绕式铁心的优点，激磁能量和铁心损耗增加不多，噪声也增加不大。铁心加工除增加铁心切割加工和气隙磨光工序而外，加工工艺也不复杂，仍能采用机械加工。同时又象叠片式铁心那样线圈绕制比较容易。线圈损伤也便于拆卸更换。还有，CD形和XD形铁心对于必须有气隙的电抗器来说，更是一种比较理想的铁心结构。
图6铁基非晶合金单I形叠片式铁心结构
图7铁基非晶合金搭接式铁心结构
3非晶和微晶合金铁心
铁基非晶合金可以用在50Hz～60Hz工频和400Hz～20kHz中频电源中作为电磁元件的铁心材料。20世纪80年代末，日本大阪变压器厂的研究结论认为：铁基非晶合金铁心在150Hz以上的综合性能，比硅钢铁心好。经过十多年的研究，铁基非晶合金铁心正在向50Hz～60Hz工频领域扩展，和硅钢铁心进行竞争。
铁基非晶合金铁心结构也分为叠片式和卷绕式两种。叠片式铁心是比较早期的结构，是把铁基非晶合金带材剪切成一定的铁心片后，再叠装成一定结构形状的铁心。铁基非晶合金带材厚度一般为20μm～40μm，叠装起来既费时又不容易叠好。为了缩短工时和增加铁心强度，把几片和十几片薄铁心片粘接在一起，成为0.1mm～0.25mm厚的铁心片，但是损耗也有所增加。铁基非晶合金磁性不存在取向问题，但是剪切加工困难，一般铁心片形状都为单I形（图6），叠装后的铁心截面都为矩形。铁心柱数也分为单相电磁元件用的两柱式和三相电磁元件用的三柱式两种。由于需要大量的工时，叠装式铁基非晶合金铁心结构现在已很少使用。但是在150μm铁基非晶合金带材工艺成熟之后，仍然有可能采用叠装式铁心结构。
卷绕式铁心是把铁基非晶带材剪切或喷制成一定宽度后，再卷绕成一定结构形式的铁心。最早是环形，后来为了绕线方便，发展成方框形，包括单框形、双框形、三框形和四框形。再后来为了简化绕线和装卸工艺，便于更换线圈，发展成CD形和XD形。和硅钢卷绕式铁心结构不同，铁基非晶合金铁心在20世纪90年代初，出现一种新型的搭接式方框形铁心结构（图7）。在铁心的接缝部分，铁心带互相搭接在一起，而且接缝部分不在一条直线上，因此气隙比CD形铁心小。激磁能量和铁心损耗与卷绕式方框形铁心基本相同。但是它可以逐层打开，在装入线圈后，再逐层合上。线圈绕制、装卸和更换都比较容易。现在普遍认为，这种搭接式方框形铁心结构是综合了卷绕式方框形和CD形铁心结构优点的、比较好的铁心结构。不但可以用于低频，而且可以用于中高频电磁元件。在配电变压器中已经大量使用，既缩短了铁心加工和装配工时，又可以发挥非晶合金材料的优良性能。
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