CN101789308A - 一种高频变压器绕组的绕制方法、及高频变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高频变压器绕组的绕制方法，所述变压器包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组绕制的层数分别为c1和c2，且有c1＝c2或|c1-c2|＝1；将所述高频变压器的一次绕组和二次绕组分层交错绕制；所述分层交错绕制具体为：当c1＝c2时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组或奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组；当c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；当c2-c1＝1时，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。本发明实施例还公开一种高频变压器。采用本发明实施例，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

Description

一种高频变压器绕组的绕制方法、及高频变压器

技术领域

本发明涉及变压器领域，特别是涉及一种高频变压器绕组的绕制方法、及高频变压器。

背景技术

随着电力电子技术、磁性技术的快速发展，对DC/DC变换器高频化、高功率密度、高转换效率提出了更高的要求。高频变压器是DC/DC变换器中的关键部件之一，对DC/DC变换器的性能和转换效率有着非常重要的影响。

目前采用的高频变压器主要为两绕组结构。传统的两绕组高频变压器的线圈绕制方法有两种：一是原边(一次)线圈在内，次边(二次)线圈在外，称为一次-二次形式；二是原边(一次)线圈在外，次边(二次)线圈在内，称为二次-一次形式。

参照图1和图2，图1为传统的高频变压器线圈绕制结构示意图；图2为图1所示高频变压器线圈的电流示意图。图1以一个磁芯6层绕制为例说明。

如图1所示，磁芯的第1～3层绕制一次绕组，第4～6层绕制二次绕组。假设一次绕组和二次绕组的导通电流分别为i(t)和-i(t)，由于临近效应，一次绕组的第1层线圈所流过的电流在第2层线圈的左表面产生了一个感应电流，且该感应电流的方向与第1层线圈所流过的电流方向相反，记为-i(t)；由于第1层与第2层绕组串联，因此其中流过的电流代数和应相同，均为i(t)，则在第2层绕组的右表面导通电流应为+2i(t)；同理在第3层绕组右表面导通电流应为+3i(t)，在第4～6层绕组为次边绕组，其电流代数和为-i(t)，由于临近效应第3层绕组在第4层绕组左表面感应-3i(t)，则第4层绕组右表面导通电流为+2i(t)，同理第5层绕组右表面电流为+i(t)，第6层绕组右表面电流为零，各层绕组表面电流示意图如附图2所示。

假设各层绕组交流电阻相等且记为R_ac，则图1所示变压器各层绕组产生的线圈交流损耗为：

第1层：P₁＝i²R_ac；

第2层：P₂＝i²R_ac+(2i)²R_ac＝5i²R_ac＝5P₁；

第3层：P₃＝(2i)²R_ac+(3i)²R_ac＝13i²R_ac＝13P₁；

第4层：P₄＝(3i)²R_ac+(2i)²R_ac＝13i²R_ac＝13P₁；

第5层：P₅＝(2i)²R_ac+i²R_ac＝5i²R_ac＝5P₁；

第6层：P₆＝i²R_ac＝P₁。

可见随着绕组层数的增加，由于临近效应导致的线圈交流损耗成指数倍增长，从而降低了变压器的传输效率。

发明人在实现本发明的过程中发现，传统的高频变压器线圈绕制方法，使得线圈流过高频电流时，临近效应引起的线圈损耗在多层绕制的变压器中会与线圈层数成指数倍增长，降低了高频变压器的能量传输效率。

发明内容

本发明提供一种高频变压器绕组的绕制方法、及高频变压器，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种高频变压器绕组的绕制方法，所述变压器包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组绕制的层数分别为c1和c2，且有c1＝c2或|c1-c2|＝1；将所述高频变压器的一次绕组和二次绕组分层交错绕制；

所述分层交错绕制具体为：

当c1＝c2时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组或奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组；

当c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；

当c2-c1＝1时，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。

优选地，所述一次绕组的匝数是层数c1的整倍数和二次绕组的匝数为层数c2的整倍数；

则，所述分层交错绕制具体为：

对于一次绕组，每层各绕制m/c1匝；对于二次绕组，每层各绕制n/c2匝；

其中，m为一次绕组的匝数；n为二次绕组的匝数。

优选地，所述一次绕组的匝数不是层数c1的整倍数或二次绕组的匝数不是层数c2的整倍数；

将匝数不是层数整倍数的绕组等份为对应层数份相等载流横截面积的线圈组，将等份后的线圈组与匝数是层数整倍数的绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将层数等份的相等载流截面积的线圈组合并成绕组。

优选地，所述一次绕组的匝数不是层数c1的整倍数和二次绕组的匝数不是层数c2的整倍数；

分别将一次绕组和二次绕组等份为c1份和c2份相等载流横截面积的线圈组；将等份后的一次线圈组与二次线圈组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c1等份一次线圈组合并成一次绕组、将c2等份二次线圈组合并成二次绕组。

本发明还提供一种高频变压器，所述高频变压器包括按所述方法绕制的一次绕组和二次绕组。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

与现有技术相比，本发明实施例所述高频变压器绕组的绕制方法中，将变压器的一次绕组和二次绕组采用分层交错绕制，使得变压器各层绕组线圈的交流损耗均等于第1层绕组的交流损耗值，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。采用本发明实施例所述方法，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

本发明实施例所述高频变压器，其一次绕组和二次绕组采用分层交错绕制方法绕制而成，使得各层绕组线圈交流损耗均等于第1层绕组的交流损耗值，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。采用本发明实施例所述变压器，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的高频变压器绕组绕制结构示意图；

图2为图1所示高频变压器绕组的电流示意图；

图3为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示意图；

图4为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示例图(m＝6、n＝6、c＝3)；

图5为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示例图(m＝2、n＝6、c＝3)；

图6为本发明实施例二的高频变压器绕组结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种高频变压器绕组的绕制方法、及高频变压器，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例所述高频变压器满足以下条件：

(1)所述高频变压器包括两个绕组，即为一次绕组和二次绕组；且所述高频变压器一次绕组和二次绕组的匝数分别为m、n；其中，m、n均为正整数；

(2)所述高频变压器一次绕组和二次绕组分别绕制的层数相等或层数相差一层；具体为，所述高频变压器一次绕组和二次绕组绕制的层数分别为c1和c2，则有c1＝c2或|c1-c2|＝1。

本发明实施例所述高频变压器绕组的绕制方法为：将所述一次绕组和二次绕组分层交错绕制。

所述分层交错绕制具体为：

当c1＝c2时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组或奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组；

当c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；

当c2-c1＝1时，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。

下面针对一次绕组和二次绕组的层数相等和层数相差一层两种情况分别进行详细介绍。

本发明实施例一中，可以设定高频变压器一次绕组和二次绕组的绕制层数相等、且均为c层；即该高频变压器绕组的总的绕制层数为2c。具体参照图3所示，为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示意图。

则本发明实施例一所述的高频变压器中，所述一次绕组和二次绕组分层交错绕制。所述分层交错绕制具体为：第(2p-1)层绕制一次绕组、第(2p)层绕制二次绕组；或，第(2p-1)层绕制二次绕组、第(2p)层绕制一次绕组；其中，p为1至c的整数。

换言之，即为：奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；或，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。

图3以奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组为例进行说明。对于奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组的情况与之相同。

结合图3，所述高片变压器的总的绕制层数为2c层，其中，第1、3、5、…(2c-1)层绕制一次绕组；第2、4、6、…(2c)层绕制二次绕组。

下面结合高频变压器一次绕组和二次绕组的匝数，对上述分层交错绕制进行详细解释和描述。

所述高频变压器一次绕组的匝数为m，二次绕组的匝数为n；且一次绕组和二次绕组的绕制层数均为c。

a)一次绕组的匝数m和二次绕组的匝数n均为c的整倍数。

则，所述分层交错绕制具体为：对于一次绕组，每层各绕制m/c匝；对于二次绕组，每层各绕制n/c匝。

下面结合具体示例进行说明。参照图4，为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示例图(m＝6、n＝6、C＝3)。

图4中，所述高频变压器的一次绕组和二次绕组的匝比为6∶6(即为：一次绕组匝数m＝6，二次绕组匝数n＝6)；该高频变压器一次绕组和二次绕组各绕制3层(即为c＝3)，共绕制6层(p＝1、2、3)。

此时，该高压变频器绕组的结构示意图如图4所示，将一次绕组和二次绕组分层交错绕制，具体为：第1层绕制2匝一次绕组、第2层绕制2匝二次绕组、第3层绕制2匝一次绕组、第4层绕制2匝二次绕组、第5层绕制2匝一次绕组、第6层绕制2匝二次绕组。

如图4所示，假设一次绕组和二次绕组的导通电流分别为i(t)和-i(t)。变压器第1层的一次绕组流过电流为i(t)，由于临近效应；第1层的一次绕组所流过的电流在第2层的二次绕组的左表面产生了一个感应电流，且该感应电流的方向与第1层的一次绕组所流过的电流方向相反，为-i(t)，正好满足第2层的二次绕组的电流要求，使得第2层的二次绕组流过的电流即为-i(t)；同理，第2层的二次绕组流过的电流在第3层的一次绕组右表面的感应电流为i(t)，正好满足第3层的一次绕组的电流要求，使得第3层的一次绕组流过的电流即为i(t)；依次类推，第4层的二次绕组流过的电流为-i(t)；第5层的一次绕组流过的电流为i(t)；第6层的二次绕组流过的电流为-i(t)。

假设各层绕组交流电阻相等且记为R_ac，则图4所示变压器各层绕组产生的交流损耗分别为：

第1层：P₁＝i²R_ac；

第2层：P₂＝(-i)²R_ac＝P₁；

第3层：P₃＝i²R_ac＝P₁；

第4层：P₄＝(-i)²R_ac＝P₁；

第5层：P₅＝i²R_ac；

第6层：P₆＝(-i)²R_ac＝P₁。

由上式可知，所述高频变压器对其一次绕组和二次绕组采用分层交错绕制方法后，使得各层绕组线圈交流损耗均等于P₁，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。

b)一次绕组的匝数m和/或二次绕组的匝数n不是c的整倍数。

在这种情况下，由于一次绕组和/或二次绕组的匝数不是层数的整倍数，由此使得无法直接对各层绕组的匝数进行平均分配，需要先对匝数不是层数整倍数的绕组进行等分，将该绕组等分为层数整倍数的线圈组，再按照层数进行平均分配，分别绕制。

具体说明为：假设一次绕组的匝数m不是层数c的整倍数，二次绕组的匝数n为层数c的整倍数。

将所述高频变压器的一次绕组等分成c份相等载流截面积的一次线圈组，即为将原有的m匝一次绕组等分成m×c小匝一次线圈，将等分后的一次线圈和二次绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c等份相等载流截面积的一次线圈组合并成一次绕组。

其中，所述分层交错绕制具体为：对于一次绕组，每层各绕制c小匝一次线圈；对于二次绕组，每层各绕制n/c匝二次绕组。

下面结合具体示例进行说明。参照图5，为本发明实施例一的高频变压器绕组结构示例图(m＝2、n＝6、c＝3)。

图5中，所述高频变压器的一次绕组和二次绕组的匝比为2∶6(即为：一次绕组匝数m＝2，二次绕组匝数n＝6)；该高频变压器一次绕组和二次绕组各绕制3层(即为c＝3)，共绕制6层。

首先，将所述高频变压器的一次绕组等分成3份相等载流截面积的一次线圈组，即为将原有的2匝一次绕组等分成6小匝一次线圈，将等分后的一次线圈和二次绕组进行分层交错绕制；

假设，奇数层绕制一次绕组，则，该高压变频器绕组的结构示意图如图5所示，具体为：第1层绕制2小匝一次线圈、第2层绕制2匝二次绕组、第3层绕制2小匝一次线圈、第4层绕制2匝二次绕组、第5层绕制2小匝一次线圈、第6层绕制2匝二次绕组；

然后，再将6小匝相等载流截面积的一次线圈组合并成一次绕组。

对于图5所示高频变压器，将一次绕组等分成3份相等载流截面积的一次线圈组绕制，绕制完成后，再将分别绕制在第1层、第3层、及第5层的3份一次线圈组通过并联方式合并成一次绕组。此时，对于各层的一次线圈组，其流过的电流为：3i/3。

假设各层绕组交流电阻相等且记为R_ac，则图5所示变压器各层绕组产生的交流损耗分别为：

第1层： $P_1={\left(\frac{3i}{3}\right)}^2{R}_{\mathrm{ac}}=i^2{R}_{\mathrm{ac}};$

第2层：P₂＝(-i)²R_ac＝P₁；

第3层： $P_3={\left(\frac{3i}{3}\right)}^2{R}_{\mathrm{ac}}=i^2{R}_{\mathrm{ac}}=P_1;$

第4层：P₄＝(-i)²R_ac＝P₁；

第5层： $P_5={\left(\frac{3i}{3}\right)}^2{R}_{\mathrm{ac}}=i^2{R}_{\mathrm{ac}}=P_1;$

第6层：P₆＝(-i)²R_ac＝P₁。

由上式可知，所述高频变压器各层绕组线圈交流损耗均等于P₁，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。

当然，对于一次绕组匝数m是层数c的整倍数而二次绕组匝数n不是层数c的整倍数的情况、以及一次绕组匝数m和二次绕组匝数n均不是层数c的整倍数的情况与上述相同。

具体为：

当高频变压器的一次绕组或二次绕组的匝数不是层数c的整倍数时，只需先对所述匝数不是层数c整倍数的绕组进行等份，将其等份为c份相等载流横截面积的线圈组，将等份后的线圈组与匝数是层数c整倍数的绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c等份相等载流截面积的线圈组合并成绕组。

或者为，

当高频变压器的一次绕组和二次绕组的匝数均不是层数c的整倍数时，只需先分别对一次绕组和二次绕组进行等份，分别将其等份为c份相等载流横截面积的线圈组，即为将原有的m匝一次绕组等分成m×c小匝一次线圈，将原有的n匝二次绕组等分成n×c小匝二次线圈；将等份后的一次线圈组与二次线圈组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c等份一次线圈组合并成一次绕组、将c等份二次线圈组合并成二次绕组。

由上述可知，本发明实施例所述高频变压器，通过对其一次绕组和二次绕组采用分层交错绕制方法，使得各层绕组线圈交流损耗均等于P₁(第1层绕组的交流损耗值)，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。采用本发明实施例，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

本发明实施例一中，所述高频变压器一次绕组和二次绕组的绕制层数相等、且均为c层。本发明实施例二所述高频变压器与实施例一的区别在于：所述一次绕组和二次绕组的层数相差1层。

具体参照图6，为本发明实施例二的高频变压器绕组结构示意图。本发明实施例二所述变压器中，设定其一次绕组和二次绕组的层数分别为c1和c2，且有|c1-c2|＝1。

则本发明实施例二所述的高频变压器中，所述一次绕组和二次绕组分层交错绕组。所述分层交错绕制具体为：第(2p+1)层绕制一次绕组、第(2p)层绕制二次绕组；或，第(2p+1)层绕制二次绕组、第(2p)层绕制一次绕组；其中，p为0至c_min的整数；c_min＝min(c1，c2)。

换言之，即为：当c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；或，当c2-c1＝1时，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。

图6以c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组为例进行说明。对于c2-c1＝1的情况与之相同。

结合图6，所述高片变压器的总的绕制层数为c1+c2层(假设c1-c2＝1)，其中，第1、3、5、…(c1+c2)层绕制一次绕组；第2、4、6、…(c1+c2-1)层绕制二次绕组。

下面结合高频变压器一次绕组和二次绕组的匝数，对上述分层交错绕制进行详细解释和描述。

所述高频变压器一次绕组的匝数为m，二次绕组的匝数为n；且一次绕组绕制层数为c1，二次绕组绕制层数为c2。

a)一次绕组的匝数m和二次绕组的匝数n分别为c1和c2的整倍数。

则，所述分层交错绕制具体为：对于一次绕组，每层各绕制m/c1匝；对于二次绕组，每层各绕制n/c2匝。

其具体绕制方式与实施例一所述相同，不再赘述。

b)一次绕组的匝数m不是c1的整倍数和/或二次绕组的匝数n不是c2的整倍数。

这种情况下的处理方式与实施例一相同，由于一次绕组和/或二次绕组的匝数不是层数的整倍数，由此使得无法直接对各层绕组的匝数进行平均分配，需要先对匝数不是层数整倍数的绕组进行等分，将该绕组等分为层数整倍数的线圈组，再按照层数进行平均分配，分别绕制。

具体说明为：假设一次绕组的匝数m不是层数c1的整倍数，二次绕组的匝数n为层数c2的整倍数。

将所述高频变压器的一次绕组等分成c1份相等载流截面积的一次线圈组，即为将原有的m匝一次绕组等分成m×c1小匝一次线圈，将等分后的一次线圈和二次绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c1等份相等载流截面积的一次线圈组合并成一次绕组。

其中，所述分层交错绕制具体为：对于一次绕组，每层各绕制c1小匝一次线圈；对于二次绕组，每层各绕制n/c2匝二次绕组。

当然，对于一次绕组匝数m是层数c1的整倍数而二次绕组匝数n不是层数c2的整倍数的情况、以及一次绕组匝数m不是层数c1的整倍数和二次绕组匝数n不是层数c2的整倍数的情况与上述相同。

具体为：

当高频变压器的一次绕组匝数m不是层数c1的整倍数或二次绕组的匝数n不是层数c2的整倍数时，只需先对所述匝数不是层数整倍数的绕组进行等份，将其等份为层数份相等载流横截面积的线圈组，将等份后的线圈组与匝数是层数整倍数的绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将等份相等载流截面积的线圈组合并成绕组。

或者为，

当高频变压器的一次绕组匝数m不是层数c1的整倍数和二次绕组的匝数不是层数c2的整倍数时，只需先分别对一次绕组和二次绕组进行等份，分别将其等份为c1份和c2相等载流横截面积的线圈组，即为将原有的m匝一次绕组等分成m×c1小匝一次线圈，将原有的n匝二次绕组等分成n×c2小匝二次线圈；将等份后的一次线圈组与二次线圈组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c1等份一次线圈组合并成一次绕组、将c2等份二次线圈组合并成二次绕组。

由上述可知，本发明实施例所述高频变压器，通过对其一次绕组和二次绕组采用分层交错绕制方法，使得各层绕组线圈交流损耗均等于P₁(第1层绕组的交流损耗值)，不会由于临近效应而产生额外的线圈交流损耗。采用本发明实施例，能够减少因临近效应而增加的线圈损耗，提高高频变压器的能量传输效率。

以上对本发明所提供的一种高频变压器绕组的绕制方法及高频变压器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种高频变压器绕组的绕制方法，所述变压器包括一次绕组和二次绕组，其特征在于，所述一次绕组和二次绕组绕制的层数分别为c1和c2，且有c1＝c2或|c1-c2|＝1；将所述高频变压器的一次绕组和二次绕组分层交错绕制；

所述分层交错绕制具体为：

当c1＝c2时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组或奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组；

当c1-c2＝1时，奇数层绕制一次绕组、偶数层绕制二次绕组；

当c2-c1＝1时，奇数层绕制二次绕组、偶数层绕制一次绕组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次绕组的匝数是层数c1的整倍数和二次绕组的匝数为层数c2的整倍数；

则，所述分层交错绕制具体为：

对于一次绕组，每层各绕制m/c1匝；对于二次绕组，每层各绕制n/c2匝；

其中，m为一次绕组的匝数；n为二次绕组的匝数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次绕组的匝数不是层数c1的整倍数或二次绕组的匝数不是层数c2的整倍数；

将匝数不是层数整倍数的绕组等份为对应层数份相等载流横截面积的线圈组，将等份后的线圈组与匝数是层数整倍数的绕组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将层数等份的相等载流截面积的线圈组合并成绕组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次绕组的匝数不是层数c1的整倍数和二次绕组的匝数不是层数c2的整倍数；

分别将一次绕组和二次绕组等份为c1份和c2份相等载流横截面积的线圈组；将等份后的一次线圈组与二次线圈组进行分层交错绕制；绕制完成后，再将c1等份一次线圈组合并成一次绕组、将c2等份二次线圈组合并成二次绕组。

5.一种高频变压器，其特征在于，所述高频变压器包括如权利要求1至4任一项所述方法绕制的一次绕组和二次绕组。

Images