CN101383224B - 应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器 - Google Patents
应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，主要由线圈绕组和铁芯两部分组成，线圈绕组由公共绕组和串联绕组组成，其特征在于：以铁芯绕线柱的中心轴线为基准，串联绕组在铁芯绕线柱径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五至第N的奇数层，公共绕组在铁芯绕线柱径向上从内向外绕制分布在第二、第四、第六至第N-1的偶数层，各层绕组相对铁芯绕线柱的中心轴线绕制旋向一致。该变压器连接在功率放大器和台体动圈之间，用于提高功率放大器的输出电压来满足音频工况下，动圈高电压输入的需要。其特点是简单、可靠、低成本，满足了大型电动振动台功率输出的要求。
Description
技术领域
本发明涉及环境力学电动振动试验领域，具体涉及应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器。该变压器用于提高功率放大器的输出电压来满足音频工况下，动圈高电压输入的需要。
背景技术
在电动振动台系统中，动圈(动圈绕组)的交流阻抗是随交流频率变化的，振动台高频(500Hz以上)工作时主要呈现的感抗特性，随交流工作频率的提高，动圈的等效阻抗也增大。为了达到额定的推力，功率放大器必须有更高的输出电压。但功率放大器的最高输出电压往往受功率输出器件或功率输出模式的限制，很难高于120VRMS(V有效值)。所以通常在台体动圈绕组的磁钢体两侧安装短路环，降低动圈高频的交流等效阻抗。
在大推力电动振动台中，由于动圈绕组的线径粗，磁路气隙相应增加，因此短路环对高频阻抗的耦合作用降低，不能将动圈绕组的等效阻抗降低到较小的数值，从而使得功率放大器的输出电压增大很多(最大可达180V)。
为提高功率放大器的输出电压目前有两种解决方案：第一种方案是采用两套功率放大器串联输出，见图1所示。通常功率放大器的最大输出电压在100V左右，当电动振动台需要的最大驱动电压为150V甚至更高时，为了实现系统功率匹配，可以按图1所示，采用两套功率放大器串联的方式来提高输出电压。但是这种方式由于多用了一套功率放大器，制造成本增加一倍，同时放大器的输出功率容量也增加一倍，而实际的输出功率却小于输出功率容量，所以有很大的浪费。另外采用两套功率放大器串联时，每套功率放大器的电参考点不同，要非常小心的区分。由于目前技术尚不成熟，功率放大器经常发生烧毁，极不可靠。而且由于电参考点的不同会增大系统噪音，使工作系统的指标恶化。总之，在实际应用中，由于系统接线复杂，两个接地点(电参考点)很难相互独立，因此两套功率放大器串联实现困难，使用和维护成本高，可靠性差。第二种方案是使用普通输出变压器。电动振动台工作频率通常在5-3000Hz范围，使用输出变压器的电动振动台一般都在20吨推力以上，比如一个20吨推力的电动振动台通常需要150VRMS驱动电压，2000A驱动电流，变压器的容量需要300kVA以上。使用输出变压器虽然比两套功率放大器串联应用减少了很大费用，但这种容量要求的输出变压器仍然体积大，成本高，同时由于输出电流较大，导线较粗，给变压器线圈绕制后减少漏感带来困难。
发明内容
本发明提供一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，其目的是要用简单、可靠、低成本的装置来提高功率放大器输出的电压，以克服现有技术不足，满足大型电动振动台功率输出的要求。
为达到上述目的，本发明采用的第一技术方案是：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，主要由线圈绕组和铁芯两部分组成，其中，线圈绕组由公共绕组和串联绕组组成，其创新在于：
以铁芯的绕线柱的中心轴线为基准，串联绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五至第N的奇数层，其中N表示大于或等于三的自然奇数；公共绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第二、第四、第六至第N-1的偶数层；
公共绕组的两端中一端作为第一引线端，另一端作为第二引线端，其中，第一引线端位于第二层的端部，第二引线端位于第N-1层的端部；串联绕组的两端中一端作为第三引线端，另一端作为第四引线端，其中，第三引线端位于第一层的端部，第四引线端位于第N层的端部；第一引线端作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端与第三引线端电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端作为自耦输出变压器的高压端。
为达到上述目的，本发明采用的第二技术方案是：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，主要由线圈绕组和铁芯两部分组成，其中，线圈绕组由公共绕组和串联绕组组成，其创新在于：
以铁芯的绕线柱的中心轴线为基准，公共绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五至第N的奇数层，其中N表示大于或等于三的自然奇数；串联绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第二、第四、第六至第N-1的偶数层；
公共绕组的两端中一端作为第一引线端，另一端作为第二引线端，其中，第一引线端位于第一层的端部，第二引线端位于第N层的端部；串联绕组的两端中一端作为第三引线端，另一端作为第四引线端，其中，第三引线端位于第二层的端部，第四引线端位于第N-1层的端部；第一引线端作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端与第三引线端电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端作为自耦输出变压器的高压端。
上述两个技术方案中的有关内容解释如下：
1、所述“音频自耦输出变压器”实际上是一种专用于电动振台系统在音频工况下提高功率放大器的输出电压来满足动圈高电压输入需要的自耦变压器。它具有自耦变压器的一般特性，比如只有一个线圈绕组，当作为升压变压器使用时，初级电压只施加在该绕组的一部分线匝上。所以通常把同时属于初级和次级的那部分绕组称为“公共绕组”，而其余部分称为“串联绕组”。
2、上述两个方案中，由于绕组通过的电流大，当单股导线不能满足要求时，可以采用多股导线并绕的方式来增大导线的表面积，有利于消除高频交流电的集肤效应，同时有利于减小漏感。而采用多股导线并绕方式时有以下三种变化形式：
(1)所述铁芯上设一个绕线柱，见图5所示，公共绕组和串联绕组均由二至四股绝缘导线并联构成，由二至四股绝缘导线并联的公共绕组和串联绕组绕制在该一个绕线柱上。
(2)所述铁芯上设两个绕线柱，见图6所示，公共绕组和串联绕组均由二股(或四股)绝缘导线组成，每股(每两股)公共绕组和串联绕组绕制在一个绕线柱上，两个绕线柱上的公共绕组和串联绕组对应端并联连接。
(3)所述铁芯上设两个绕线柱，公共绕组和串联绕组均由二股(或四股)绝缘导线组成，公共绕组和串联绕组均分成两段，每段绕制在一个绕线柱上，两个绕线柱上的公共绕组和串联绕组串联连接。
3、上述两个方案中，铁芯采用高磁导率、磁通密度大、低损耗的高硅钢片或非晶合金材料制作，目的是在有限的圈数下尽量增加电感和减少漏感。
4、上述两个方案中，线圈绕组采用分层绕制结构，目的是减少高频漏感和降低分布电容。各层间包好绝缘纸，将上述绕组接头进行连接，得到绕组的接线引出端。
5、上述两个方案中，次级可留有多组抽头，在使用中根据需要进行选择。
本发明应用的原理是：采用大功率音频自耦输出变压器，将功率放大器的输出电压升高到动圈需要的数值。音频自耦输出变压器连接在功率放大器和台体动圈之间，工作频率范围在2Hz到3kHz即音频范围之间，满足了振动台系统的要求。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明使得大推力振动台的功率匹配得以可靠、简单的实现，满足了台体的驱动电压要求。
2、本发明使得振动台动圈需要更高的输入电压时，不必再采用繁琐的功率放大器串联方式，只需制作一只特殊的音频自耦输出变压器即可达到目的，因此具有结构简单、成本低、实现方便，而且可靠性得到大幅提升。
3、本发明音频自耦输出变压器采用自耦的方式，使得相应的体积大大缩小，而且容易制作，工作频率范围宽。其原因是：在变压器变比ka＜1(ka＝输入电压/输出电压)时，音频自耦输出变压器功率容量为普通变压器功率容量的(1-ka)倍，ka越接近于1，体积越小。本发明中，动圈最大电压在150VRMS，功率放大器最大输出电压为120VRMS，最大输出电流2000ARMS。音频自耦输出变压器变比ka＝120/150＝0.8，可以近似计算音频自耦输出变压器功率容量为(150-120)×2000＝60kVA，功率容量仅为普通变压器的1/5，而且由于公共绕组的线径减少，大大减少变压器体积和制造成本。
4、本发明中，由于振动台本身的特点是低频(20Hz以下)和高频(500Hz)，参见图4所示，因此所需的驱动电压电流会大幅减小，所以变压器铁芯容量比计算值可以减小1/3倍。振动台要求驱动电压电流随频率变化曲线如图4。
附图说明
附图1为现有两套功率放大器串联工作原理图；
附图2为本发明自耦输出变压器线路等效原理图；
附图3为本发明实施例一自耦输出变压器线圈绕组结构示意图；
附图4为本发明动圈阻抗、驱动电压和驱动电流随频率变化曲线图；
附图5为本发明一个绕线柱的自耦输出变压器结构示意图；
附图6为本发明两个绕线柱的自耦输出变压器结构示意图；
附图7为安装有自耦输出变压器的电动振动系统连接图；
附图8为本发明实施例二自耦输出变压器线圈绕组结构示意图；
附图9为本发明实施例三自耦输出变压器线圈绕组结构示意图；
附图10为本发明实施例四自耦输出变压器线圈绕组结构示意图。
以上附图中：1、第一引线端；2、第二引线端；3、第三引线端；4、第四引线端；5、公共绕组；6、串联绕组；7、固定支架；8、线圈绕组；9、铁芯；10、绕线柱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器
如图5所示，主要由线圈绕组8和铁芯9两部分组成，其中，铁芯9具有一个铁芯绕线柱10，线圈绕组8由一股绝缘导线构成，或者由二股绝缘导线并联构成。
线圈绕组8如图2所示由公共绕组5和串联绕组6组成，公共绕组5的两端中一端作为第一引线端1，另一端作为第二引线端2，串联绕组6的两端中一端作为第三引线端3，另一端作为第四引线端4。绕制结构如图3所示，以绕线柱10的中心轴线为基准，串联绕组6在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五的奇数层，其中第三引线端3位于第一层的端部，第四引线端4位于第五层的端部。公共绕组5在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第二、第四的偶数层，其中第一引线端1位于第二层的端部，第二引线端2位于第四层的端部。第一引线端1作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端2与第三引线端3电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端4作为自耦输出变压器的高压端。
本实施例音频自耦输出变压器按照系统额定功率设计，采用自耦的方式绕制。变压器由线圈绕组8、铁芯9和固定支架7组成，铁芯9采用具有高磁导率、低损耗的材料制作。线圈绕组8采用上述分层的方式绕制，层间用电缆纸绝缘，铁芯9和底筒间用环氧树脂板绝缘。初级和次级根据需要可设置两组或多组输出。音频自耦输出变压器接于功率放大器和台体动圈之间，如图7所示，低压端与公共端作为初级接功率放大器的输出端，高压端与公共端作为次级接台体动圈。按照上述方案绕制的变压器工作频率范围2Hz到3kHz即音频范围之间，满足了振动台系统的要求。
本实施例还可以采用图6所示的两个绕线柱10的自耦输出变压器来实现。假设公共绕组5和串联绕组6均由二股(或四股)绝缘导线组成，每股(每两股)公共绕组5和串联绕组6绕制在一个绕线柱10上，两个绕线柱10上的公共绕组5和串联绕组6对应端并联连接。
实施例二：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器
如图8所示，公共绕组5的两端中一端作为第一引线端1，另一端作为第二引线端2，串联绕组6的两端中一端作为第三引线端3，另一端作为第四引线端4。绕制结构以绕线柱10的中心轴线为基准，公共绕组5在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五的奇数层，其中第一引线端1位于第一层的端部，第二引线端2位于第五层的端部。串联绕组6在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第二、第四的偶数层，其中第三引线端3位于第二层的端部，第四引线端4位于第四层的端部。第一引线端1作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端2与第三引线端3电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端4作为自耦输出变压器的高压端。
其它内容以及绕线柱10数量的变化与实施例一相同这，这里不再重复描述。
实施例三：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器
如图9所示，公共绕组5的两端中一端作为第一引线端1，另一端作为第二引线端2，串联绕组6的两端中一端作为第三引线端3，另一端作为第四引线端4。绕制结构以绕线柱10的中心轴线为基准，公共绕组5在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第一、第三的奇数层，其中第一引线端1位于第一层的端部，第二引线端2位于第三层的端部。串联绕组6在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第二的偶数层，其中第三引线端3位于第二层的一个端部，第四引线端4位于第二层的另一个端部。第一引线端1作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端2与第三引线端3电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端4作为自耦输出变压器的高压端。
其它内容以及绕线柱10数量的变化与实施例一相同这，这里不再重复描述。
实施例四：一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器
如图10所示，公共绕组5的两端中一端作为第一引线端1，另一端作为第二引线端2，串联绕组6的两端中一端作为第三引线端3，另一端作为第四引线端4。绕制结构以绕线柱10的中心轴线为基准，串联绕组6在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第一、第三的奇数层，其中第三引线端3位于第一层的端部，第四引线端4位于第三层的端部。公共绕组5在铁芯的绕线柱10径向上从内向外绕制分布在第二的偶数层，其中第一引线端1位于第二层的一个端部，第二引线端2位于第四层的另一个端部。第一引线端1作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端2与第三引线端3电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端4作为自耦输出变压器的高压端。
其它内容以及绕线柱10数量的变化与实施例一相同这，这里不再重复描述。
根据以上四个实施例可以类推采用七层或九层绕组，采用一个绕线柱或两个绕线柱，以及采用一股绝缘导线或二股绝缘导线或四股绝缘导线等等变化方案。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，主要由线圈绕组和铁芯两部分组成，其中，线圈绕组由公共绕组和串联绕组组成，其特征在于：
以铁芯的绕线柱的中心轴线为基准，串联绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五至第N的奇数层，其中N表示大于或等于三的自然奇数；公共绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第二、第四、第六至第N-1的偶数层；
公共绕组的两端中一端作为第一引线端，另一端作为第二引线端，其中，第一引线端位于第二层的端部，第二引线端位于第N-1层的端部；串联绕组的两端中一端作为第三引线端，另一端作为第四引线端，其中，第三引线端位于第一层的端部，第四引线端位于第N层的端部；第一引线端作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端与第三引线端电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端作为自耦输出变压器的高压端。
2.一种应用于电动振动试验系统的音频自耦输出变压器，主要由线圈绕组和铁芯两部分组成，其中，线圈绕组由公共绕组和串联绕组组成，其特征在于：
以铁芯的绕线柱的中心轴线为基准，公共绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第一、第三、第五至第N的奇数层，其中N表示大于或等于三的自然奇数；串联绕组在铁芯的绕线柱径向上从内向外绕制分布在第二、第四、第六至第N-1的偶数层；
公共绕组的两端中一端作为第一引线端，另一端作为第二引线端，其中，第一引线端位于第一层的端部，第二引线端位于第N层的端部；串联绕组的两端中一端作为第三引线端，另一端作为第四引线端，其中，第三引线端位于第二层的端部，第四引线端位于第N-1层的端部；第一引线端作为自耦输出变压器的公共端，第二引线端与第三引线端电连接后作为自耦输出变压器的低压端，第四引线端作为自耦输出变压器的高压端。
3.根据权利要求1或2所述的音频自耦输出变压器，其特征在于：所述铁芯上设一个绕线柱，公共绕组和串联绕组均由二至四股绝缘导线并联构成，由二至四股绝缘导线并联的公共绕组和串联绕组绕制在该一个绕线柱上。
4.根据权利要求1或2所述的音频自耦输出变压器，其特征在于：所述铁芯上设两个绕线柱，公共绕组和串联绕组均由二股绝缘导线组成，每股公共绕组和串联绕组绕制在一个绕线柱上，两个绕线柱上的公共绕组和串联绕组对应端并联连接。
5.根据权利要求1或2所述的音频自耦输出变压器，其特征在于：所述铁芯上设两个绕线柱，公共绕组和串联绕组均由四股绝缘导线组成，每两股公共绕组和串联绕组绕制在一个绕线柱上，两个绕线柱上的公共绕组和串联绕组对应端并联连接。
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20090626 Address after: Jiangsu Province, Suzhou Industrial Park, the new science and Technology City, 18 Ting Feng Road, No. 215122, postcode Applicant after: Suzhou Sushi Testing Instrument Co., Ltd. Address before: 55, Lu Lu, hi tech Zone, Jiangsu, Suzhou Province, China: 215129 Applicant before: Suzhou Testing Instrument Factory |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 215122 Suzhou Industrial Park, the new science and Technology City, the town of Ting Ting Feng Road, No. 18, No. Patentee after: Suzhou Sushi Testing Instrument Co.,Ltd. Address before: 215122 Suzhou Industrial Park, the new science and Technology City, the town of Ting Ting Feng Road, No. 18, No. Patentee before: Suzhou Sushi Testing Instrument Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 215122 Suzhou Industrial Park, the new science and Technology City, the town of Ting Ting Feng Road, No. 18, No. Patentee after: Suzhou Su test group Limited by Share Ltd Address before: 215122 Suzhou Industrial Park, the new science and Technology City, the town of Ting Ting Feng Road, No. 18, No. Patentee before: Suzhou Sushi Testing Instrument Co.,Ltd. |