CN102034592A - 低成本充电变压器 - Google Patents

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Abstract

一种成本有效的整体自动化解决方法，其用于具有最小化边缘通量和用于减少电磁干扰(EMI)的磁芯接地的充电变压器。该方法提供了用胶黏剂和铁氧体粉末的混合物填充的气隙，该混合物将铁氧体磁芯部件粘合在一起。此外，变压器接地管脚通过绕线轴凹穴中的凹槽被暴露出来，磁芯被固定在绕线轴上并且在接地管脚的暴露端和磁芯表面之间通过一滴环氧树脂建立起电连接。

Description

低成本充电变压器
技术领域
本发明涉及变压器领域。
本发明尤其涉及反馈(flyback)充电变压器。
背景技术
本节提供了关于本发明的背景信息，但其未必是现有技术。
反馈变压器(FBT)或者行输出变压器(LOPT)是一种工作在很高的转换频率下并产生高电压的变压器。与电源变压器(mains transformer)不同，反馈变压器(FBT)或行输出变压器(LOPT)被设计成不仅能够转换能量，而且能够在大部分的转换周期内存储能量。这通过在铁氧体磁芯上带有一定气隙(air gap)地缠绕线圈来实现。气隙增大了磁路的磁阻，并因此增大了磁路存储能量的能力。反馈变压器产生在几千瓦范围内的高电压，并工作在千赫兹范围内的更高频率的转换电流下。
气隙在变压器的设计中具有非常重要的作用。无论间隙何时被插入磁通路，间隙处都会产生边缘通量，该边缘通量随气隙大小的增大而增大。边缘通量减少了磁通路的总磁阻。如果边缘通量足够强，将在磁芯和邻近绕组中产生涡流电流，并将引起局部加热而导致损耗增加并因此导致变压器失效。
目前需要对反馈变压器的气隙或任意在铁氧体磁芯中具有能量存储能力的装置进行优化。典型地，反馈变压器使用了切割成类似‘E’，‘I’和‘C’形状的独立叠片(lamination)粘合在一起制成的高磁导率铁氧体磁芯部件。增加E形磁芯几何形状及类似形状的间隙的现有技术是对铁氧体磁芯的内部芯腿(leg)或芯柱(limb)进行研磨。另一种方法是将薄膜插入到两个外部芯腿或芯柱上的两半铁氧体磁芯的配合面处，或者使用例如聚酰亚胺(kapton)胶带的高温胶带纸将磁芯部件联结起来。还有一种在本领域熟知的方法是将铁粉块放置在铁氧体磁芯的内部芯腿或芯柱配合面处来代替气隙并使边缘通量最小化。
变压器磁芯的接地装置起到解决EMI(电磁干扰)的作用并且在现有技术中磁芯接地装置还具有很多变形。在移动和成像工业中，法拉第屏蔽铜板(faraday’s copper plate shield)被用于直接接触铁氧体磁芯以及接地管脚的导柱。一段时间后，覆盖在变压器主体周围的法拉第屏蔽铜板发展成只有一小片铜板置于磁芯表面的顶部上，该磁芯表面具有端接于接地管脚上的导柱。此方法通过以下方式被进一步简化，即通过完全地去除铜板并使用导电环氧树脂(conductive epoxy)来提供在导线终端(去除瓷釉涂层或在导线末端镀锡)与磁芯之间的耦合。依据另一种方法，镀锡的导柱被缠绕在变压器主体周围并与磁芯表面直接接触。再另一种方法是提供直接与磁芯表面接触的特殊管脚，而这是一种昂贵的解决方法。
在本领域中已经使用了不同的技术来提供用于在变压器中储存能量的低成本解决方法以及用于减少EMI的成本有效的磁芯接地装置。
发明内容
本节提供了本发明的总体概述，但这并非本发明全部范围或所有特征的全面揭示。
依据一个示范性实施例，变压器包括第一铁氧体磁芯部件和第二铁氧体磁芯部件。该铁氧体磁芯部件使用含有胶黏剂和磁颗粒的混合物粘合在一起。
依据另一个示范性实施例，变压器包括铁氧体磁芯、适于被装到磁芯的绕线轴、定义在绕线轴中用于保护接地管脚的凹穴(pocket)、定义在绕线轴中的凹槽，以及通过凹槽将接地管脚连接到磁芯的导电胶黏剂，其中凹槽将接地管脚的一端非常靠近地暴露给铁氧体磁芯表面。
依据再一个示范性实施例，装配变压器的处理包括将第一磁芯部件安装在固定装置上，将绕线轴插入第一磁芯部件中，在第一磁芯部件的一个或多个配合面上涂上可压缩填充物，将第二磁芯部件插入绕线轴中，并且用力推压第二磁芯部件直到到达目标电感。
附图说明
在此描述的附图只为了描述所选实施例，而非意图限制本发明的范围。
图1说明了变压器磁芯的装配处理过程；
图2说明了依照图1中说明的处理步骤安装在固定装置(fixture)上的磁芯A；
图3说明了依照图1中说明的处理步骤插入磁芯A中的绕线轴；
图4说明了磁芯A，该磁芯A带有依照图1中说明的处理步骤涂在外部芯腿/芯柱的配合面上的胶合剂；
图5说明了依照图1中说明的处理步骤被插入绕线轴中的磁芯B；
图6说明了依照图1中说明的处理步骤对磁芯A和磁芯B的联结；
图7说明了依照图1中说明的处理被装配起来的磁芯；
图8说明了设计成暴露了接地管脚的绕线轴凹槽。
在附图的多个视图中，相应的参考编号/标记代表相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更透彻地描述示范性实施例。
示范性实施例的提供使得本发明将更充分，并将范围完整地传达给本领域技术人员。例如特定组件、装置和方法的许多特定细节被阐述，以提供对本发明实施例透彻的理解。对于本领域的技术人员将是显而易见的是那些特定细节没有必要被采用，那些示范性实施例可以许多不同形式来体现，而不应被理解为限制了本发明的范围。在某些示范性实施例中，没有对熟知的处理、熟知的装置结构，以及熟知的技术进行详细描述。
在此使用的技术名词只为描述特定示范性实施例的目的，并非意图进行限制。如在此使用的，表示单数的术语“一”、“一个”以及“该”，除非上下文另外明确指出，可能也意图包含了多数形式。词语“包括”、“正包括”、“包含”以及“具有”是非遍举的，因此表示所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或附加了一个或多个其他特性、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。在此描述的方法步骤、处理过程和操作除非明确指定了执行的顺序，否则不必解释为必须要求以所讨论或示出的特定顺序来执行。还可以理解的是，额外的或另外的步骤也可以被采用。
当元件或层被称为“在...上”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可能直接在另一个元件或层上，直接被接合、直接被连接或直接被耦合到另一个元件或层，或者可存在中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接地在...上”、“直接地接合到”、“直接地连接到”或“直接地耦合到”另一个组件或层时，则可能没有中间的元件或层存在。其他用来描述元件之间关系的措辞应作类似解释(比如“在...之间”相对于“直接在之...间”，“相邻”相对于“直接相邻”等)。如在此使用的，术语“和/或”包含一个或多个关联的列出项的任意组合和所有组合。
尽管在本文中术语第一、第二、第三等可能被用于描述不同元件、组件、区域、层和/或部件，这些元件、组件、区域、层和/或部件不应被这些术语所限制。这些术语可能只用于将一个元件、组件、区域、层或部件与另一个区域、层或部件区别开。当在本文中使用时，除非由上下文明确地指出，否则例如“第一”、“第二”和其他用数字表示的术语，不暗指顺序或次序。因此，在下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部件也可以被称作第二元件、组件、区域、层或部件，而不会背离示范性实施例的教导。
本发明设想了具有最小化的边缘通量和用于减少电磁干扰(EMI)的磁芯接地装置的成本有效充电变压器的设计。边缘通量是在磁芯侧面边缘或离开磁芯侧面，并偏离到气隙以外从而造成磁通路的总磁阻降低的那部分磁芯通量。边缘通量的有害影响包括磁芯和毗邻间隙的绕组中的涡流电流损耗。
对于变压器的两个主要成本推动因素是原材料和装配/制造周期时间。依照本发明的变压器设计首先包括使用胶黏剂(环氧树脂)和铁氧体粉末混合物填充变压器磁芯中的间隙，以便最小化边缘通量。其次，变压器绕线轴适于提供用来暴露出接地管脚的凹槽。因此磁芯表面可通过使用少许导电环氧树脂来被耦合到接地管脚，而不需要额外的导线。
图1说明了变压器的磁芯装配处理。以下参考图1至图7来描述根据本发明设想的处理。
反馈变压器的磁芯通常由两部份组成，在此称为磁芯A和磁芯B，每个部份具有用于耦合这两个部份的配合面。A磁芯的安装处理100(在图1中示出)包括将磁芯A如图2所示地安装在固定装置(fixture)上，其中磁芯A 120被安装在固定装置110上。该固定装置110是向变压器磁芯提供机械支持的装置。
绕线轴插入处理200(在图1中示出)包括如图3所示将绕线轴插入磁芯A中，其中绕线轴210被插入磁芯A中。绕线轴210起到对准磁芯、引导绕组的作用，并提供用于端接变压器导柱(lead)的器件。
作为绕线轴插入处理200(在图1中示出)的一部分，零件馈送器700(在图1中示出)被用于将绕线轴馈送入磁芯A中。
胶黏剂涂敷处理300(在图1中示出)包括如图4所示将胶黏剂与铁氧体粉末混合的混合物310涂到磁芯A的外部芯腿/芯柱的配合面上。铁氧体粉末与胶黏剂数量的比例，取决于所需要的空隙的大小，并最终取决于能实现变压器正常存储功能而不会使磁芯饱和的最终电感。预定量的混合了铁氧体粉末的胶黏剂被涂到铁氧体磁芯的外部芯腿/芯柱的配合面上。可使用市场上能买到的机器和涂料器来混合和分送铁氧体粉末和环氧树脂。手工混合也是可能的，但不能用于大量生产。环氧树脂/胶黏剂可被烤炉或空气所固化。依照本发明，例如钼-坡莫合金(moly-permalloy)、镍合金(nickel alloy)及其类似物的其他材料的粉末也可与例如环氧树脂的胶黏剂混合，和被使用。
磁芯插入处理400(在图1中所示)包括如图5所示将磁芯B插入绕线轴中，其中抓手420将绕线轴保持在适当的位置上，并且磁芯B 410被插入绕线轴中。抓手420是用于将磁芯保持在装配位置的止动器件。
磁芯粘合处理过程500(在图1中所示)包括如图6所示地将磁芯A和磁芯B粘合在一起，其中抓手将磁芯A保持在适当位置上。另一个抓手将磁芯B保持在适当位置上，并且使其摆动以匹配磁芯配合面。推动器510以约3kgf的力推动磁芯B直至达到预期的电感。磁芯的装配可能需要特定大小的压力，直至胶黏剂凝固或固化，这通常要花费约3秒钟。
排出处理600(在图1中所示)包括如图7所示的装配后的磁芯的排出。
传送器800(在图1中所示)被用于将装配后的磁芯传输到下一个处理单元。
通过如图1至图7中说明的以及本文以上所描述的粘合配合面方法使铁氧体产生间隙，使用与铁氧体粉末混合的胶黏剂，可消除现有技术中用于将铁氧体磁芯固定在一起的聚酯胶带以及相关处理，同样还消除了在变压器制造中的研磨处理。
磁芯装配处理、初始电感测试以及机械压力的施加可用自动化磁芯装配系统来完成。在该自动化磁芯装配系统中两个磁芯部件的固定处理可快到只用5秒钟。
通常，磁导率不是常数，它可能随在媒质中的位置、施加场的频率、湿度、温度以及其他参数而变化。例如，当在100kHz～1MHz的频率范围中工作时，铁氧体(镍-锌)具有约20-800×10-6H/m的磁导率，而铁氧体(锰锌)具有的磁导率大于800×10-6。所使用的材料的磁导率对间隙大小和公差有直接影响。因此预定磁导率是确定间隙大小所基于的因素之一，间隙大小的确定还取决于该装置将被用于哪种应用。
对于低功率装置，其中变压器性能可能被损害，依照本发明可以只使用不含粉末的胶黏剂。
也可以使用两种具有不同磁导率的环氧树脂混合物。可将磁导率较低的混合物用在中间的芯腿中；同时将磁导率较高的混合物用在外部的芯腿中。这样，边缘通量可被集中在中间的芯腿中，从而减少损耗。
依照本发明的边缘通量最小化产生了具有更严格的公差的稳定电感。
反馈变压器通常包括大约10到20个管脚，每个管脚作为整个电路的一部分具有特定的功能。接地管脚是用于将高电压绕组接地的反馈变压器管脚。以下参考图8来描述根据本发明的降低EMI的解决方法，其中说明了被设计成暴露出接地管脚的一端的绕线轴凹槽810。
为使磁芯能被耦合到电路接地装置，被嵌入绕线轴凹穴(pocket)中的变压器接地管脚的另一端可被更近地暴露给磁芯。绕线轴凹穴是用于安全地保持变压器接地管脚的接收空腔。在绕线轴凹穴上接近铁氧体磁芯处制造凹槽810。因此不需要将接地管脚的设计改变成与其余的管脚不同。
以一定方式设计凹槽810，使得一滴导电环氧树脂可以提供接地管脚的暴露端与铁氧体磁芯之间的耦合。此外，导电环氧树脂将不会轻易漏出，以便不会使附近处与印刷电路板(PCB)上的其他电路走线耦合的管脚短路。
依照本发明的用于将磁芯连接到接地管脚的材料具有类似导电环氧树脂的相对低的阻抗以及高的传导率。尽管依照本发明仅仅一滴环氧树脂就足够使磁芯表面接地，但使用任意廉价的挠性导电材料都可以在磁芯表面和接地管脚之间提供耦合。此设计中的一个关键参数是为拔出管脚而施加的力，其大小应该正好足够通过任何机械可靠性的测试。管脚以及绕线轴的管脚凹穴的尺寸可被改变以适合任意预期的应用。
依照本发明且在以上解释的磁芯装配处理和磁芯接地装置的实现，不仅起到最小化边缘通量和EMI的解决方法的作用，而且提供了更简便的具有更好质量和更低成本的制造处理。这继而增大了生产能力，并且需要更少的操作者来管理。
尽管本发明描述了需要存储能量的间隙以及最小化EMI的磁芯接地装置的反馈充电变压器，但本发明可扩展到需要在铁氧体磁芯中存储能量的能力的任意装置。
如在本发明中描述的具有最小化的边缘通量以及有效磁芯接地装置的变压器具有多个技术优点，包括但不限于实现了：
关于在变压器中存储能量而不损害其性能的低成本解决方法；
关于变压器磁芯接地以最小化电磁干扰(EMI)的成本有效的解决方法；
用于制造变压器的简单处理；
减少了变压器的制造周期时间；
关于制造变压器的提高了生产能力且可靠、准确和有效的解决方法；
去除了固定磁芯的聚酯胶带；
消除了磁芯研磨处理，该处理需要为使表面平坦和实现批处理而进行预研磨；
使初始电感测试与磁芯产生间隙和磁芯装配整体化，从而大大缩短制造中订货至交货的时间；
最小化了磁芯匹配的处理过程；
由于可以接受具有粗糙的最后一层的磁芯表面，磁芯较廉价；
获得了更精确公差的稳定电感；
生产过程中占用较少的工作处理中空间；
制造处理中需要较少的操作员；
由于所提出的方法可完全被自动化，因此手工干涉较少；
消除了用于使磁芯接地的瓷釉导线导柱和预切割处理；
消除了导柱的预先镀锡浸渍及关联处理；
消除了导线勾起或管脚端接及相关的导线废料；
消除了为获得接地管脚与磁芯接触的任意特定设计的需求；以及
高速自动化装配的能力。
以上对实施例的描述是为说明和描述的目的提供的，而并非旨在穷举出或限制本发明。特定实施例的单独元件或特性通常不被限制在该特定实施例中，而是可应用的，是可被替换的，并且即使没有特别地示出或描述也可被用在所选实施例中。同样的事物也可以在许多方面有所不同，这样的变形不被认为是背离了本发明的，并且所有这样的改变都意图被包括在本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种变压器，其包括：
第一铁氧体磁芯部件和
第二铁氧体磁芯部件；
其中铁氧体磁芯部件用包括胶黏剂和磁颗粒的混合物被粘合在一起。
2.如权利要求1所述的变压器，其中所述磁颗粒选自于包括铁氧体、铁、钼-坡莫合金和镍合金的一组材料。
3.如权利要求1所述的变压器，其中所述胶黏剂是环氧树脂。
4.如权利要求1所述的变压器，其中
铁氧体磁芯部件具有一个或多个外部芯柱以及一个或多个内部芯柱；
所述外部芯柱通过磁导率较高的混合物粘合在一起；并且
所述内部芯柱通过磁导率较低的混合物粘合在一起。
5.如权利要求1所述的变压器，其中所述混合物被用于建立接地管脚的暴露端与第一铁氧体磁芯部件表面之间的电耦合。
6.一种变压器，其包括
铁氧体磁芯；
适于被安装到所述磁芯的绕线轴；
定义在所述绕线轴中用于保护接地管脚的凹穴；
定义在所述绕线轴中的凹槽，该凹槽将所述接地管脚的一端非常接近地暴露给所述铁氧体磁芯的表面；以及
导电胶黏剂，其将所述接地管脚通过所述凹槽连接到磁芯。
7.如权利要求6所述的变压器，其中所述导电胶黏剂是导电环氧树脂。
8.如权利要求6所述的变压器，其中所述导电胶黏剂被容纳成防止相邻管脚短路。
9.一种用于装配变压器的处理，该处理包括：
将第一磁芯部件安装在固定装置上；
将绕线轴插入所述第一磁芯部件中；
将可压缩填充物涂在所述第一磁芯部件的一个或多个配合面上；
将第二磁芯部件插入所述绕线轴中；以及
用力推压所述第二磁芯部件直到达到目标电感。
10.如权利要求9所述的处理，其中所述可压缩填充物是胶黏剂。
11.如权利要求9所述的处理，其中所述可压缩填充物是环氧树脂。
12.如权利要求9所述的处理，其中所述可压缩填充物是胶黏剂和磁颗粒的混合物。
13.如权利要求9所述的处理，其中推压还包括：
测量所述变压器中的一个或多个电感器的电感；并且
当达到目标电感时减少所述推力。
14.如权利要求10所述的处理，还包括胶黏剂的固化。
15.一种具有在权利要求1所述的铁氧体磁芯中存储能量的能力的装置。
16.一种通过权利要求9所述的处理装配出的变压器。
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