一文了解环形变压器的结构、优缺点及常用计算公式

环形变压器是电子变压器的一种特殊类型，其核心特征是采用了环形磁路结构。这种变压器的设计基于一个无缝卷制的环形铁心，通常由高质量的冷轧硅钢片制成，这样做可以显著减少磁阻并提高效率。线圈均匀缠绕在铁心上，这样的结构使得磁力线与铁心路径几乎完全一致，相比传统的叠片式变压器，能更有效地利用磁通量，减少能量损失和电磁干扰。

典型的#环形变压器#由环形磁芯和围绕磁芯的两层线圈（称为初级绕组和次级绕组布线）形成。除了磁芯绝缘外，初级绕组和次级绕组之间还有一层绝缘物质，通常由 PET 薄膜制成（见图）。它类似于螺线管，但它是弯曲的。

环形变压器的结构图（图片来源：novinharris.com）

环形磁芯

环形变压器的名称来源于具有高磁导率的环形铁磁芯。这就是为什么它也被称为环形电流互感器。在几何学中，这个“甜甜圈”被称为环形多面体。然而，在实践中，环形磁芯通常并不严格采用几何环形线圈的形状来构造。用于构成环形磁芯的材料可以是铁氧体环、硅钢、铁粉等。

环形变压器绕组

（图片来源：talema）

如图所示，当电流流过初级线圈时，会产生电动势（EMF）。该力向次级绕组产生电流。当磁通量通过次级绕组时，产生输出电压。 

理想情况下，它不应该是通过环形磁芯的圆周电流，如果发生这种情况，可以将返回绕组连接到环形电感器的外部，以将 B 场限制在磁芯外部。

环形变压器：优点和缺点

环形变压器的优点主要包括：

1. 高效性：环形变压器因磁路设计紧凑，磁阻小，使得铁损和铜损都相对较低，总效率较高，通常优于普通变压器。

2. 磁场稳定性：磁密和磁场线密度分布均匀，提供稳定的磁场环境，降低了电力噪音和机械振动，适用于高精度和低噪音需求的设备。

3. 低漏磁：漏磁磁感应低，输出电压和电流波动小，能在宽范围的输入输出电流下保持电气特性稳定。

4. 待机能耗低：空载损耗小，有利于节能。

5. 低温特性：即使在极低温度下也能正常工作。

6. 内阻小、抗干扰能力强：结构设计减少了干扰，适合对信号质量要求高的应用。

7. 体积小、重量轻：结构紧凑，节省空间，便于集成到各种设备中。

8. 环保性能好：无高频电磁辐射，对环境和人体影响小。

9. 性价比高：虽然初期投资可能较高，但长期运行成本低，可靠性高。

环形变压器的缺点可能包括：

1. 成本：相比于普通变压器，环形变压器的制造成本可能更高，尤其是对于大型或定制化的变压器。

2. 灵活性有限：由于其结构特点，环形变压器在电压和功率调节上的灵活性不如传统变压器，定制和改造较为困难。

3. 散热限制：紧凑的结构可能导致散热问题，尤其是在高功率应用中，可能需要额外的散热设计。

4. 重量限制：虽然环形变压器通常重量较轻，但在大功率应用中，整体重量仍然较大，可能影响安装和搬运。

5. 初始投资：对于某些应用来说，环形变压器的初始购买成本可能会是一个考虑因素。

与传统电源变压器相比，环形变压器在体积、重量、损耗、安装方式、噪声、效率等方面均具有优越的性能。

减少体积和重量

总体而言，环形变压器实现了与传统 EI 电源变压器相同的功率水平，但体积和重量分别减少了 64% 和 55%。这是因为环形变压器带有导体线圈，而“E”磁芯则没有，从而产生更高的磁通密度并节省大量空间。 

这使得环形变压器更加紧凑和灵活，以适应医疗应用和其他空间是设计重点考虑的小型设备。

低杂散损耗（漏磁）

EO 叠片铁芯与环形铁芯

当磁通量试图穿过钢晶粒逸出时，就会发生杂散损耗。对于EI型变压器，其铁芯由两个单独的部件组成，因此形成三个气隙。相比之下，环形变压器中不存在这种空洞。此外，环形电感器不像传统变压器那样具有尖角，因此环形电感器的形状也有助于实现这一优点。通量方向也很重要。在环形磁通中，磁性颗粒沿相同方向移动，而在传统磁通中，磁通移动更加随机。

也就是说，环形变压器具有非常低的电磁干扰 (EMI)和较低的失真，可提供更清晰的声音，同时对音频放大器的影响更小。此外，杂散损耗以热量的形式排出。因此环形变压器的散热也较少。

低嗡嗡声

EI 和 UI 变压器中使用的叠片铁芯和松散钢板使其容易受到振动的影响，从而导致机械发出嗡嗡声。环形线圈类型的情况并非如此。

由于没有叠片或气隙，环形变压器仅在初始化时由于浪涌电流而发出可听见的嗡嗡声。此外，紧密缠绕在磁芯周围的电感线圈提供较少的磁致伸缩效应。在需要无噪音运行的医疗机器中，环形变压器非常有用。

更高的效率

电力变压器的效率或投资回报率由以下公式评估：

E= P_输出/P_输入

其中P OUT代表输出功率，P IN代表变压器的输入功率。典型的环形变压器可提供 90%~95% 的效率，而标准传统变压器的效率低于 90%。 

Onkyo 805 家庭音响中的环形变压器（图片来源：hometheatershack）

与EI或其他类型的电源变压器不同，环形变压器的感应线圈对称地分布在整个环形磁芯上，并且不依赖额外的部分来提供返回路径，从而节省了绕组损耗和磁芯损耗。它们可以从较低的电平输出较高的功率，因此非常受高保真、高分辨率音频爱好者的欢迎。

直接安装

环形变压器安装的俯视图和侧视图

环形变压器安装简单且稳定。每个环形变压器都有一个封装的中心孔，一根金属螺栓穿过该孔进入并将两个橡胶垫以及一个金属板锁定在设备的顶部和底部。

环形变压器常见计算公式

环形变压器内的 B 场

安培定律的效力可以在环形线圈内部磁场的计算中得到体现。虚线的电流就是回路数乘以每个回路中的电流。然后使用安培定律计算磁场。

等式为：

N：环形线圈匝数

B：磁场

μ：金属芯的磁导率

I：当前封闭

计算次级功率（P2）

其中，$I2$ 是次级电流，$U2$ 是次级电压。

计算变压器效率和输入功率（P1）

变压器的输入功率 $P1$ 可以根据效率 $\eta$ 计算得出：

​

其中，$\eta$ 通常设定为0.95（对于高效变压器）。

计算输入电流（I1）

输入电流 I1 可以通过输入功率和初级电压 $U1$ 计算：

​

选择磁通密度（B）和计算匝数

磁通密度 $B$ 一般根据材料特性和应用选择，例如常用的值为1.4T。匝数 $N$ 可以通过下面的关系计算，考虑电压比和磁路长度：

​

其中，$U$ 是电压（初级或次级），f 是电源频率，B 是磁通密度，$Ae$ 是有效磁芯截面积。

导线线径选择

根据通过导线的电流 I 和电流密度 j（例如，2.5～3A/mm²）来确定绕组导线的直径 $d$：

​​

结构计算

确保铁心内径尺寸适合绕线，计算绕组完成后铁心内剩余的空间，确保绕组能够顺利安装且不会过度拥挤，影响散热。

实例数据

例如，已知初级电压 $U1=220V$，次级电压 $U2=11.8V$，次级电流 $I2=16.7A$，效率 $\eta =0.95$，频率 $f=50Hz$，磁通密度 $B=1.4T$，可以通过上述公式依次计算各项参数。

这些计算公式是基于理想条件下的简化模型，实际设计时还需考虑诸多因素，如温度上升、电压调整率、安全裕量、实际磁芯材料特性等。在具体设计时，可能还需要参考具体变压器设计手册或使用专业的变压器设计软件进行精确计算。