CN101728066A - Uu型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器 - Google Patents

Abstract

一种UU型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器，其中该绕组配置方法包括下述步骤：步骤a：提供一UU型铁芯，UU型铁芯具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部；步骤b：提供一绕置在第一臂部的第一绕组及一绕置在第二臂部的第二绕组；及步骤c：第一绕组产生一第一磁场，第二绕组产生一与该第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，并通过第二磁场抵消第一磁场。本发明UU型铁芯的绕组装置具有体积小、重量轻、成本低、转换效率高且无干扰源的特性，非常适合于电源变压器的应用并达成轻薄、高效率、节能及环保的需求。

Description

UU型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器

技术领域

本发明涉及一种铁芯绕组配置方法、装置及变压器，特别是涉及一种能避免干扰外部且不易产生噪声，应用于谐振式(resonant)变压器、背光电源(Inverter)变压器、功率因素修正扼流(PFC choke)装置，或其他需要更小体积及更高效率设计的UU型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器。

背景技术

所有的电器产品，均须通过电源供应器(power supply)供给电能，合乎高效率、节能、环保及轻薄短小等要求是其设计目标，而在电源供应器最重要的元件就是变压器，变压器依铁芯(core)的外观型式来区分，常见的有EE型、ER型、EC型、PQ型、UU型等各类的铁芯。

参阅图1及图2，UU型铁芯变压器可区分为二类，一类是初级绕组81及次级绕组82位于同一侧的单边绕组(如图1)，另一类是初级绕组931及次级绕组932分别位于相异侧的双边绕组(如图2)。

UU型铁芯变压器具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点，但UU型铁芯变压器很少使用于变压器，原因是UU型铁芯变压器很容易干扰周边的电路或元件，愈大的变压器干扰愈强，甚至于无法正常运作；不管单边或双边绕组，其初级磁场(primary field)为一组单一磁场(N极+S极)，磁场切割导体就会产生电压电流干扰到其它电路，原理说明如下：

参阅图2，以双边绕组的UU型铁芯变压器9为例，包括一包括二组U型铁芯的开口相连的的UU型铁芯91、绕在UU型铁芯91的一第一臂911的初级绕组931，以及绕在UU型铁芯91的一第二臂912的次级绕组932。

初级绕组931接上一电源(source)90后，初级绕组931的线圈产生一初级电流I_p，此时，UU型铁芯91的第一臂911会产生一感应磁场(上方为N极，下方为S极)，若初级绕组931的磁通量为φ，其关系式参考下述公式：

$V=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},V=N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}},\mathrm{d\φ}=\frac{L}{N}\mathrm{dt}$ 公式1

推导出 $\mathrm{d\φ}=\frac{\mathrm{Lp}}{\mathrm{Np}}\mathrm{dIp}$ 公式2

其符号意义分别为φ：初级绕组的磁通量；Lp：初级绕组的电感量；Np：初级绕组的圈数；Ip：流经初级绕组的电流。由公式2可知，初级绕组931的磁通量φ与输入电流Ip成正比。

次级绕组932感应的输出电压Vo为：

$\mathrm{Vo}=\mathrm{Ns}\frac{{\mathrm{d\φ}}_S}{\mathrm{dt}}$ 公式3

其符号意义分别为Vo：次级绕组的输出电压；Ns：次级绕组圈数；φ_s：次级绕组的磁通量。

除了次级绕组932感应产生的输出电压Vo，假设有一外部导线7横跨于变压器9之上，则此外部导线7将受初级绕组931的磁通量φ影响也将感应产生一感应电压V_x，其关系式可参考下述公式：

$\mathrm{Vx}=N\frac{{\mathrm{d\φ}}_X}{\mathrm{dt}},N=1;\mathrm{Vx}=\frac{{\mathrm{d\φ}}_X}{\mathrm{dt}}$ 公式4

由于受初级绕组931的磁通量φ影响，外部导线7感应的磁通量φ_X是与初级绕组931的磁通量φ成正比，而初级绕组931的磁通量φ又与输入电流Ip成正比(公式2)，得知输入电流Ip愈大，将使得外部导线7的感应电压Vx也愈大。

因此，以往UU型铁芯变压器的绕组技术容易会衍生下述缺失：

一、对于外部导线7或电路产生电磁干扰(EMI)的问题，输入电流Ip越大造成的干扰也越强。

二、距离变压器愈近也会产生愈严重的干扰，这些都不利于将UU型铁芯应用在大电流的变压器中。

发明内容

本发明的目的是在提供一种克服现有绕组技术易产生电磁干扰的问题，提供一种能产生相抵消的磁场来防止电磁干扰现象的UU型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器。

本发明的UU型铁芯的绕组配置方法包括下述步骤：步骤a：提供一UU型铁芯，该UU型铁芯具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部；步骤b：提供一绕置在第一臂部的第一绕组及一绕置在第二臂部的第二绕组；及步骤c：该第一绕组产生一第一磁场，该第二绕组产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，并通过第二磁场抵消第一磁场。

本发明所述的UU型铁芯的绕组配置方法，所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

本发明所述的UU型铁芯的绕组配置方法，步骤b还包括下述子步骤：提供一绕置在第一臂部的第一次级绕组及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

本发明所述的UU型铁芯的绕组配置方法，所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述第二次级绕组是平行或交叉设置。

本发明所述的UU型铁芯的绕组配置方法，需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用分离绕法，不需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用重叠绕法。

本发明的UU型铁芯的绕组装置包括一具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部的UU型铁芯、一绕置在第一臂部并接受一电源供电而产生一第一磁场的第一绕组，及一绕置在第二臂部并产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场的第二绕组，且通过第二磁场抵消第一磁场。

本发明所述的UU型铁芯的绕组装置，所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

本发明所述的UU型铁芯的绕组装置，所述UU型铁芯的绕组装置还包括一绕置在第一臂部的第一次级绕组及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

本发明所述的UU型铁芯的绕组装置，所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述二次级绕组是平行或交叉设置。

本发明所述的UU型铁芯的绕组装置，所述UU型铁芯的绕组装置是一功率因素修正扼流装置。

本发明所述的UU型铁芯的绕组装置，需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用分离绕法，不需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用重叠绕法。

本发明的变压器包括一UU型铁芯、一绕线架、一第一绕组及一第二绕组；UU型铁芯包括二组U型铁芯，各U型铁芯的同一侧边的臂部为一第一臂部，另一侧边的臂部为一第二臂部，第一臂部、第二臂部的末端以一连接部彼此相连接。

绕线架具有平行且彼此相间隔的二通孔，各U型铁芯相对地穿设于各二通孔内，且各U型铁芯的第一臂部及第二臂部相应地连接成一封闭回路。

第一绕组是将线圈绕置在相邻于各U型铁芯的第一臂部的绕线架表面，并接受一电源供电而产生一第一磁场；第二绕组是将线圈绕置在相邻于各U型铁芯的第二臂部的绕线架表面，并产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场以抵消第一磁场。

本发明所述的变压器，所述变压器还包括一外壳，该外壳具有一间隔板及二个以间隔板分隔的容置槽，绕线架包括具有各通孔以分别容纳各U型铁芯的二架体，各架体容置于外壳以间隔板分隔的各容置槽内。

本发明所述的变压器，所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

本发明所述的变压器，所述变压器还包括一绕置在第一臂部的第一次级绕组，及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

本发明所述的变压器，所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述第二次级绕组是平行或交叉设置。

本发明所述的变压器，所述变压器是一谐振式电源变压器或一背光电源变压器。

本发明的有益效果在于：

一、配置UU型铁芯的二个绕组时，建立二个大小相等但极性相反的磁场，使极性相反的两磁场同时切割同一导体所产生的两组电压由于极性相反而互相抵消，借此消除电磁干扰现象。

二、UU型铁芯变压器有较大的绕线窗口面积(wire windingwindow area)，因此具有可以承载更大的电流或功率输出。

三、双初级磁场的互补作用可提升变压器本身的转换效率，利用UU型铁芯型高转换率的优势，能应用于谐振式电源变压器、背光电源变压器、功率因素修正扼流装置中，进而提高变压器的效率、降低其重量及体积。

附图说明

图1是一示意图，说明UU型铁芯变压器的一种类型是初级绕组及次级绕组位于同一侧的单边绕组。

图2是一示意图，说明UU型铁芯变压器的另一种类型是初级绕组及次级绕组分别位于相异侧的双边绕组。

图3是一流程图，说明本发明的UU型铁芯的绕组配置方法流程。

图4是一立体分解图，说明本发明的UU型铁芯的绕组装置的各元件。

图5是一立体组合图，说明将图4的各元件组装后的UU型铁芯的绕组装置。

图6是一示意图，说明变压器的右边磁场由第一初级绕组产生，左边磁场则由第二初级绕组产生。

图7是一示意图，说明外部导线在极性相反的双初级磁场中的感应电压。

图8是一示意图，说明变压器的初级绕组与次级绕组分别交叉设置。

图9是一示意图，说明本发明的UU型铁芯的绕组配置方法还可用于功率因素修正扼流装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图3并配合图4，本发明UU型铁芯的绕组配置方法详述如下：

步骤301：提供一UU型铁芯，其具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部。

UU型铁芯1包括二组U型铁芯11、12，U型铁芯11、12分别具有二臂部111、112及121、122，所述二臂部111、112及121、122可分别穿入绕线架3的通孔310、320并构成一封闭磁路。

步骤302：提供一绕置在第一臂部111的第一初级绕组21及一绕置在第二臂部112的第二初级绕组22。

绕线架3是供第一臂部111、第二臂部112间隔地绕置第一初级绕组21、第二初级绕组22的线圈绕组，并具有隔板可区隔初级线圈绕组及次级线圈绕组(容后再述)，且第一初级绕组21与第二初级绕组22的圈数及线径都相同。

步骤303：提供一绕置在第一臂部111的第一次级绕组23及一绕置在第二臂部112的第二次级绕组24。

与图1类似，第一初级绕组21与第一次级绕组23可视为一侧边的单边绕组，至于第二初级绕组22与第二次级绕组24可视为另一侧边的单边绕组。

步骤304：由第一初级绕组21产生一第一磁场，第二初级绕组22产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，并通过第二磁场抵消第一磁场。

本发明UU型铁芯的绕组配置方法的原理在于：第一初级绕组21和第二初级绕组22的圈数及线径等特性完全相等，利用此种绕组配置方法使其能够建立一对特性完全相同，但极性完全相反的双初级磁场，分布在变压器铁芯的左右两侧上；借此，在内部磁回路形成对等互补作用，除了能提升变压器的转换效率，且产生两个大小相等极性相反的感应电压，其总和为零，相互抵消，呈现中性体的特性，可以避免对外部导体或电路产生干扰。

以下介绍利用本发明UU型铁芯的绕组配置方法实现的UU型铁芯的绕组装置的二种实施例：

第一实施例：变压器

再参阅图4，本发明的变压器100的较佳实施例包括一UU型铁芯1、一第一绕组201、一第二绕组202、一绕线架3及一外壳6。

外壳6具有一间隔板61及二个以间隔板61分隔的容置槽610、620；绕线架3包括二架体31、32，各架体31、32具有平行且彼此相间隔的二通孔310、320。

UU型铁芯1包括二组U型铁芯11、12，为方便说明起见，将各U型铁芯11、12的同一侧边的臂部111、121统称为一第一臂部131，另一侧边的臂部112、122统称为一第二臂部132。

后侧的U型铁芯11的二臂部111、112末端以一连接部113彼此相连接，而二臂部111、112的另一端为自由端；相同的，前侧的U型铁芯12的二臂部121、122末端也有一连接部123彼此相连接，而二臂部121、122的另一端也为自由端。

第一绕组201是将线圈(图未示)绕置在邻近于UU型铁芯1的第一臂部131的架体31表面，并接受一电源供电而产生一第一磁场；第二绕组202是将线圈(图未示)绕置在邻近于UU型铁芯1的第二臂部132的架体32表面，并产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，借此抵消第一绕组201产生的第一磁场。

参阅图4及图5，变压器100组装时，二架体31、32先分别容置于外壳6的二容置槽610、620内；然后，各U型铁芯11、12以自由端分别穿伸于各架体31、32相间隔的二通孔310、320内，且各U型铁芯11、12的连接部113、123受间隔板61阻挡而外露于架体31、32及外壳6。

参阅图4及6，变压器100具有第一初级绕组21、第二初级绕组22、第一次级绕组23及第二次级绕组24，且第一初级绕组21、第二初级绕组22与第一次级绕组23、第二次级绕组24是平行设置。其他实施例中，若为单一次级绕组或多组次级绕组也可以，多组只需要求左右均衡的原则；需说明的是，实务上两个初级磁场距离愈近愈好，以不超过10公分为原则。

参阅图6及图7，变压器100的右边磁场由第一初级绕组21产生，左边磁场则由第二初级绕组22产生，假设左边磁场上方为S且下方为N，则右边磁场必为上方为N且下方为S，若左边磁场的磁通量为-φ，则右边磁场的磁通量为等量的+φ。

变压器100的第一次级绕组23、第二次级绕组24的次级输出电压分别为：

$\mathrm{Vo}1=\mathrm{Ns}1\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}},\mathrm{Vo}2=\mathrm{Ns}2\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$ 公式5

由于双初级磁通量是大小相等，但极性相反的磁通量-φ及+φ，当一外部导线5横跨于变压器表面时，外部导线5在左右两边磁场感应的电压分别为外部导线5在两磁场的感应电压的总和Vx，且Vx为：

$\mathrm{Vx}=\mathrm{Vx}1+\mathrm{Vx}2=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=0$ 公式6

换句话说，外部导线5在极性相反的双初级磁场中感应的加总电压为零，也就不会对外部导线5造成任何感应电流产生，因此，使用本发明具有UU型铁芯的绕组装置的变压器，并通过极性相反的双初级磁场设计可以完全消除对于外部导线或电路的电磁干扰。

参阅图8，本较佳实施例的另一种设计是，第一初级绕组21’、第二初级绕组22’与第一次级绕组23’、第二次级绕组24’是分别交叉设置(相较于图6的第一初级绕组21、第二初级绕组22与第一次级绕组23、第二次级绕组24是平行设置)，无论何种设置方式，只需把握第一初级绕组21’、第二初级绕组22’能产生极性相反的双初级磁场的原则就可以了。

本较佳实施例应用在谐振式电源变压器方面，除了使用两组特性完全相同的第一初级绕组21、第二初级绕组22之外，次级绕组可以是单组输出、多组输出，但不超过三组，且要求左右均衡为原则，分布于次级的左右两端。

本实施例应用在背光电源变压器方面，除了使用两组特性完全相同的第一初级绕组21、第二初级绕组22之外，次级绕组可以单输出或双输出，单次级绕组要求左右均衡，左右两组绕组串接而成双输出，则须两组特性相同，分置于次级端的左右两边。

如表1所示，以42英寸液晶电视的功率消耗来进行比较，使用传统背光电源变压器与本发明背光电源变压器经实验后，可知本发明背光电源变压器的功率损耗较少，符合环保节能的要求。

表1

第二实施例：功率因素修正扼流装置

参阅图9，本发明的概念还可用于功率因素修正扼流装置4，功率因素修正扼流装置4只要两组特性相同的第一初级绕组41、第二初级绕组42，且第一初级绕组41、第二初级绕组42可分别与次级绕组(图未示)采用分离或重叠绕法，依应用电路所需的漏电感(leakage inductance)而定，若需要较大漏电感则采用分离式，不需要漏电感者采用重叠式。

由以上说明可知，本发明UU型铁芯的绕组配置方法、装置及变压器，不但未见于以往，还具有下述功效：

一、UU型铁芯的绕组配置方法能克服目前UU型铁芯变压器单一磁场对外部产生的电磁干扰问题。

二、UU型铁芯变压器能有较大的绕线窗口面积，因此具有可以承载更大的电流或功率输出的优点。

三、双初级磁场的互补作用可提升变压器本身的转换效率，尤其适合于谐振式电源变压器、背光电源变压器、功率因素修正扼流装置，以及其他要求轻薄、高效率、节能及环保的电源变压器。

Claims (17)

1.一种UU型铁芯的绕组配置方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤a：提供一UU型铁芯，该UU型铁芯具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部；

步骤b：提供一绕置在第一臂部的第一绕组及一绕置在第二臂部的第二绕组；及

步骤c：该第一绕组产生一第一磁场，该第二绕组产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，并通过第二磁场抵消第一磁场。

2.根据权利要求1所述的UU型铁芯的绕组配置方法，其特征在于，

所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

3.根据权利要求2所述的UU型铁芯的绕组配置方法，其特征在于，步骤b还包括下述子步骤：

提供一绕置在第一臂部的第一次级绕组及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

4.根据权利要求3所述的UU型铁芯的绕组配置方法，其特征在于，

所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述第二次级绕组是平行或交叉设置。

5.根据权利要求2所述的UU型铁芯的绕组配置方法，其特征在于，

需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用分离绕法，不需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用重叠绕法。

6.一种UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，包括：

一UU型铁芯，具有一第一臂部及一与第一臂部相异侧的第二臂部；

一第一绕组，绕置在第一臂部并接受一电源供电而产生一第一磁场；及

一第二绕组，绕置在第二臂部并产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场，并通过第二磁场抵消第一磁场。

7.根据权利要求6所述的UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，

所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

8.根据权利要求7所述的UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，

所述UU型铁芯的绕组装置还包括一绕置在第一臂部的第一次级绕组及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

9.根据权利要求8所述的UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，

所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述二次级绕组是平行或交叉设置。

10.根据权利要求7所述的UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，

所述UU型铁芯的绕组装置是一功率因素修正扼流装置。

11.根据权利要求10所述的UU型铁芯的绕组装置，其特征在于，需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用分离绕法，不需要漏电感则对各初级绕组与次级绕组采用重叠绕法。

12.一种变压器，其特征在于，包括：

一UU型铁芯，包括二组U型铁芯，各U型铁芯的同一侧边的臂部为一第一臂部，另一侧边的臂部为一第二臂部，第一臂部、第二臂部的末端各以一连接部彼此相连接；

一绕线架，具有平行且彼此相间隔的的二通孔，各U型铁芯相对地穿设于各二通孔内，且各U型铁芯的第一臂部及第二臂部连接成一封闭回路；

一第一绕组，将线圈绕置在相邻于各U型铁芯的第一臂部的绕线架表面，并接受一电源供电而产生一第一磁场；及

一第二绕组，将线圈绕置在相邻于各U型铁芯的第二臂部的绕线架表面，并产生一与第一磁场的磁通量相同但磁性相反的第二磁场以抵消第一磁场。

13.根据权利要求12所述的变压器，其特征在于，

所述变压器还包括一外壳，该外壳具有一间隔板及二个以间隔板分隔的容置槽，绕线架包括具有各通孔以分别容纳各U型铁芯的二架体，各架体容置于外壳以间隔板分隔的各容置槽内。

14.根据权利要求13所述的变压器，其特征在于，

所述第一绕组是一第一初级绕组，所述第二绕组是一第二初级绕组，且第一初级绕组与第二初级绕组的圈数及线径都相同。

15.根据权利要求14所述的变压器，其特征在于，

所述变压器还包括一绕置在第一臂部的第一次级绕组，及一绕置在第二臂部的第二次级绕组。

16.根据权利要求15所述的变压器，其特征在于，

所述第一初级绕组、所述第二初级绕组与所述第一次级绕组、所述第二次级绕组是平行或交叉设置。

17.根据权利要求12至16中任意一项所述的变压器，其特征在于，

所述变压器是一谐振式电源变压器或一背光电源变压器。

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