CN103050227A - 一种高频高压变压器结构 - Google Patents

Abstract

一种高频高压变压器结构。变压器磁芯采用两个U型磁芯（1）对接组成。原边绕组（5）、副边绕组（4）均采用两段式结构，分别绕制在两个原边绕组骨架（3）和两个副边绕组骨架（2）上，副边绕组骨架（2）套在原边骨架（3）外面，成为同轴结构。两套原、副边绕组骨架分别套在U型磁（1）的高度方向的磁臂上，原、副边绕组各自串联连接，串联连接方向使得各绕组产生的磁力线在磁芯中为同一方向。原边绕组与变压器磁芯（1）间通过原边绕组骨架（3）绝缘，副边绕组与原边绕组绝缘通过副边绕组骨架（2）的壁厚和原边绕组（5）与副边骨架内壁的间隙实现。一套夹具（6、7）实现两个对接磁芯的夹紧和变压器的固定。

Description

一种高频高压变压器结构

技术领域

本发明涉及一种高频高压变压器。

背景技术

随着电能变换技术的发展，高频高压电源的功率密度、输出电压越来越高，电源工作频率也随之升高。高频高压变压器作为高频高压电源中的重要组成部分，是影响电压输出、电源功率密度的关键环节，同时在较高工作频率下，高压变压器的寄生或分布参数的存在将直接影响电源逆变器的开关过程或系统设计参数，如果电源参数设计中无法利用高频高压变压器的寄生和分布参数，在高频高压变压器结构和参数设计中就要尽量减小寄生和分布参数。高频高压变压器中，影响电源的参数主要有变压器漏感和分布电容。某些高频高压变压器为了降低漏感，采用环形线圈，但高压实现较难、变压器维修不方便。

中国专利200520005836.7提供一种高频变压器结构，是于绕线架外部两端设有可供一次侧线圈绕设的第一、三绕线部，其目的是输出稳定的感应电压。中国专利201220077826.4的高频变压器结构，包括“工”形骨架、“EI”形铁芯和线圈，“EI”形铁芯分设于“工”形骨架的两端，线圈绕制于所述的“工”形骨架的中间横梁，“工”形骨架的两端端架与线圈之间还分别设置有2mm厚的挡墙，解决了爬电距离不够而造成高电压时易打火、拉弧、甚至高电压通过绕组或者变压器引脚进入到低压部分的问题。

发明内容

本发明的目的是降低现有高频高压变压器漏感和分布电容，实现变压器的小型化，解决维修不便问题，提出一种高频高压变压器的结构。本发明整体上为分段式同轴结构，具有两个独立的同轴结构原边、副边绕组。

本发明包括6个组成部分：两个U型磁芯、两个变压器原边绕组、两个变压器副边绕组、两个变压器原边绕组骨架、两个变压器副边绕组骨架，以及一套紧固夹具。所述的U型磁芯可根据变压器工作频率选用适宜的材质，两个U型磁芯对接形成一个矩形磁芯。所述的矩形磁芯较长的两个磁臂定义为高度方向，较短的两个磁臂定义为宽度方向，矩形磁芯形成的矩形空间在磁芯高度方向定义为内窗高，在磁芯宽度方向定义为内窗宽。变压器原边绕组和副边绕组通常固定在矩形磁芯高度方向的磁臂上，变压器原边绕组骨架、副边绕组骨架的高度与由U型磁芯对接而成的矩形磁芯的内窗高度配合。所述的变压器原边绕组、副边绕组分别绕制在变压器原边绕组骨架和变压器副边绕组骨架上；所述的变压器原边绕组骨架和副边绕组骨架采用具有一定强度的绝缘材料加工而成，均为中空的圆柱筒，两个变压器原边绕组骨架分别套在所述矩形磁芯高度方向的两个磁臂上，两个变压器副边绕组骨架分别套在两个变压器原边绕组骨架外面，变压器原边绕组和副边绕组通过变压器同轴的原边绕组骨架和副边绕组骨架实现同轴。由于变压器原边绕组骨架上的绕组匝数少、绕组间绝缘电压低，在变压器原边绕组骨架可仅开一个槽。变压器原边绕组骨架的直径由三个要素决定，一是原边绕组骨架内径，二是原边绕组骨架壁厚，三是原边绕组骨架槽深。变压器原边绕组骨架的内径与两个U型磁芯对接而成的矩形磁芯高度方向磁臂的最大直径尺寸配合。变压器原边绕组骨架的壁厚由原边绕组和U型磁芯间的绝缘电压决定，例如，原边绕组与磁芯间耐压为1kV，则原边绕组骨架的壁厚应能使原边绕组和磁芯间耐受1kV电压。变压器原边绕组骨架的开槽有两个作用，一个是绕制变压器原边绕组，另一个是绕制原边绕组后剩余的间隙能够和套在原边绕组外面的副边绕组骨架的壁厚共同承受原边绕组和副边绕组间的绝缘耐压。变压器副边绕组骨架为多槽结构，开有多个绕线槽，副边绕组均匀绕制在副边绕组骨架的各个槽内。变压器副边绕组骨架的直径由三个要素决定，一是副边绕组骨架内径，二是副边绕组骨架壁厚，三是副边绕组骨架槽深。变压器副边绕组骨架的内径与变压器原边绕组骨架的外径配合，变压器副边绕组骨架壁厚加上其与变压器原边绕组间的间隙保证原副边绕组间的绝缘耐压；变压器副边绕组槽深保证副边绕组能够全部均匀绕制在副边骨架开槽内。变压器副边骨架两端的若干个槽不绕制导线，不绕制导线的槽数由副边绕组与磁芯间的绝缘电压决定，例如，变压器副边绕组骨架每个槽绝缘为10kV，变压器最高输出为40kV，则至少留4个槽不绕制导线。所述的一套紧固夹具包括有两块绝缘材料制作的夹板，两块夹板装夹在所述的矩形磁芯宽度方向的磁臂上，通过螺杆紧固，从而保证对接的两个U型磁芯紧密接触，同时实现变压器的固定。

变压器的磁芯采用U型结构的目的是通过两个U型磁芯的对接成为一个矩形磁芯，形成两个较长的用于绕制变压器绕组的臂，并且可以方便地拆装。变压器原边绕组和副边绕组采用同轴结构，目的是减小原边漏感，变压器副边绕组采用分槽绕制，可以有效减小副边分布电容。两套原边绕组和两套副边绕组简单地将变压器原、副边设计参数一分为二，然后原边绕组和原边绕组串联，副边绕组和副边绕组串联，这一结构可以进一步减小原边漏感和副边分布电容。变压器原边骨架壁厚和槽深、变压器副边骨架壁厚和槽深、变压器副边骨架两端不绕制绕组的槽数等5个结构参数可全部实现变压器的耐压设计。变压器可以采用油绝缘和环氧浇注绝缘，采用变压器油绝缘时，变压器便于实现维修。

本发明的积极效果是：

1、原、副边绕组采用同轴结构并分段绕制，充分利用了磁芯周长，减小漏磁通，降低了变压器漏感。

2、副边绕组分段绕制，充分利用了磁芯周长，增加了副边可分槽数，降低了变压器副边分布电容，降低了副边绕组槽间电压，可有效提高变压器输出电压设计值。

3、原、副边绕组骨架5个结构参数的设计可方便实现变压器绝缘电压的设计。

4、紧凑的可拆卸的结构，不仅减小了变压器尺寸，还便于变压器维修和部件的更换。

附图说明

图1为本发明高频高压变压器结构示意图，图中：1变压器磁芯，2变压器副边绕组骨架，3变压器原边绕组骨架，4变压器副边绕组，5变压器原边绕组，6变压器紧固及固定夹板，7磁芯紧固螺杆。

图2a为本发明中变压器原边绕组骨架结构示意图，图2b为本发明变压器副边绕组骨架结构示意图，图2a中：d1原边绕组骨架外径，d2原边绕组骨架内径，d3原边绕组骨架壁厚，d4原边绕组骨架槽深，d5原边绕组骨架高，a原边绕组出线孔，b绝缘油注入孔；图2b中：d6副边绕组骨架内径，d7副边绕组骨架外径，d8副边绕组骨架槽深，d9副边绕组骨架高度，d10副边绕组骨架槽宽，d11副边绕组骨架槽绝缘宽，c副边绕组绕线槽，d副边绕组过线槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细说明本发明。

如图1所示，本发明包括两个变压器U型磁芯1、两个变压器副边绕组骨架2、两个变压器原边绕组骨架3、两个变压器副边绕组4、两个变压器原边绕组5，以及一套变压器紧固夹具六个组成部分。变压器磁芯采用两个可对接的U型磁芯，U型磁芯的材料视所设计变压器工作频率而定，通常高频变压器可选择铁氧体类磁芯，非晶类磁芯或纳米晶类磁芯。采用两个可对接的U型磁芯的目的是为了能够方便的将原、副边绕组拆下更换；变压器原、副边绕组骨架采用绝缘材料加工制成，绝缘材料考虑绝缘强度和结构强度，通常可选择尼龙、有机玻璃等。变压器原边绕组骨架和副边绕组骨架采用同轴结构，装配过程如下：副边绕组平均绕制在两个副边绕组骨架上，例如副边绕组为1000匝，则每个副边绕组骨架分别绕制500匝，原边绕组平均绕制在两个原边绕组骨架上，原、副边绕组在骨架上绕好后，将副边绕组骨架套原边绕组骨架外面，两套同轴结构的原副边绕组骨架再分别套在矩形磁芯高度方向的磁臂上。

变压器原边骨架结构主要要素包括：原边绕组骨架高度、原边绕组骨架内径、原边绕组骨架壁厚和原边绕组骨架槽深，如图2a所示为只开一个槽的原边绕组骨架。变压器原边绕组骨架高度d5与对接而成的矩形磁芯的内窗高度相配合，变压器原边绕组骨架内径d2与磁芯高度方向磁臂的最大直径配合，变压器原边绕组骨架内径d2与原边绕组骨架壁厚d3和原边绕组骨架槽深d4之和等于原边绕组骨架外径d1。变压器原边绕组均匀绕制在变压器原边绕组骨架上，出线端在原边绕组骨架出线孔处引出并固定。图2中，a为变压器原边绕组出线孔，b为绝缘油注入孔。

变压器副边绕组骨架结构主要有六个要素组成：副边骨架高度、副边骨架内径、副边骨架壁厚、副边骨架外径、，副边骨架槽深、副边骨架槽宽、副边骨架槽绝缘宽度。变压器副边绕组骨架结构如图2b所示。变压器副边绕组骨架内径d6与原边绕组骨架外径d2配合，副边绕组骨架内径d6与副边绕组骨架壁厚，以及副边绕组骨架槽深d8之和等于副边绕组骨架外径d7。副边绕组骨架高度d9与矩形磁芯内窗高度配合。副边绕组均匀绕制在副边绕组骨架的绕线槽c内。副边绕组骨架两侧的若干个槽不绕制导线，用于副边绕组与U型磁芯绝缘。图2b中，d11为副边绕组骨架槽绝缘宽，d为副边绕组过线槽。不绕制导线的槽数视绝缘电压的大小决定。副边绕组出线处通过尼龙绳固定，并焊接有高压绝缘导线作为高压绕组的出线，便于高压出线与原边绕组、U型磁芯，以及另一个副边绕组的绝缘。两个变压器原边绕组5串联，两个变压器副边绕组4串联，串联方向均应使相串联绕组在磁芯中所产生磁力线方向相同。变压器一套紧固夹具包括2块夹板6、两根磁芯紧固螺杆7，两块夹板6采用具有一定强度的绝缘材料，如环氧板，磁芯紧固螺杆7要求具有一定结构轻度，如铸铁螺杆，两块夹板6夹在磁芯宽度方向的磁臂上，将安装好原副边绕组的变压器U型磁芯居中放置在两块夹板6之间，两根磁芯紧固螺杆7分别从变压器两侧穿过夹板6上的过孔并用螺母紧固，从而将对接的U型磁芯紧密对接。

本发明的具体实施例以输出功率20kW，工作频率20kHz，输出电压30kV的高频变压器为例。磁芯采用两个铁氧体U型磁芯，对接后的矩形磁芯内窗高度209mm，高度方向磁臂最大直径57mm。原边骨架和副边骨架采用尼龙加工制成，骨架长度208mm，原边骨架内孔径58mm，外径85mm，壁厚3mm，原边骨架只一个槽，槽深10.5mm，槽宽198mm。副边骨架长度208mm，内孔径为86mm，外径107mm壁厚为3mm，分28个槽，槽深5.5mm，槽宽5mm。副边骨架两侧各留4个槽不绕制导线，因此一个副边骨架有效绕线槽为20个，两个骨架共40个绕线槽。最终实测变压器原边漏感6.8uH，副边分布电容40pf，包括紧固夹具在内的变压器外围尺寸为304×290×123mm，变压器固定在变压器油箱中，采用变压器油进行绝缘。

本发明可用于对变压器漏感、分布电容、变压器体积要求较高的高频高压电源中。

Claims (7)

1.一种高频高压变压器结构，其特征在于，所述的变压器的原边和副边采用分段式同轴结构；所述的变压器包括两个U型磁芯、两个变压器原边绕组、两个变压器副边绕组、两个变压器原边绕组骨架、两个变压器副边绕组骨架，以及一套紧固夹具；所述的变压器原边绕组骨架和副边绕组骨架为中空的圆柱筒；所述的变压器原边绕组骨架套在U型磁芯上，变压器副边绕组骨架套在变压器原边绕组骨架的外面；变压器副边绕组骨架为多槽结构，变压器副边绕组均匀绕制在变压器副边绕组骨架的槽内；变压器副边绕组骨架两端有若干个槽内不绕制绕组，不绕制绕组的槽数的多少视沿面绝缘电压大小确定；变压器原边绕组骨架只开一个槽；变压器原边绕组、变压器副边绕组、变压器原边绕组骨架、变压器副边绕组骨架均有两套；两套变压器原边绕组和两套变压器副边绕组分别绕在两套变压器原边绕组骨架和变压器副边绕组骨架上，变压器原边绕组骨架和变压器副边绕组骨架分别套装在对接的两个U型磁芯的两个磁臂上；所述的紧固夹具由绝缘材料制作的两块夹板（6）和紧固螺杆（7）组成，两个夹板（6）装夹在所述的矩形磁芯宽度方向的磁臂上，通过紧固螺杆（7）紧固。

2.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的两个U型磁芯对接形成一个矩形磁芯；所述的矩形磁芯较长的两个磁臂为高度方向，较短的两个磁臂为宽度方向。

3.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的变压器原边绕组骨架和副边绕组骨架为中空的圆柱筒；两个变压器原边绕组骨架分别套在所述矩形磁芯高度方向的两个磁臂上，两个变压器副边绕组骨架分别套在两个变压器原边绕组骨架外面；变压器原边绕组和副边绕组通过变压器同轴的原边绕组骨架和副边绕组骨架实现同轴。

4.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的变压器原边绕组骨架开有一个槽，用以绕制变压器原边绕组，绕制原边绕组后剩余的间隙能够和套在原边绕组外面的副边绕组骨架的壁厚共同承受原边绕组和副边绕组间的绝缘耐压；变压器副边绕组骨架开有多个绕线槽，副边绕组均匀绕制在副边绕组骨架的各个槽内；变压器副边绕组骨架的内径与变压器原边绕组骨架的外径配合，变压器副边绕组骨架壁厚加上其与变压器原边绕组间的间隙保证原副边绕组间的绝缘耐压；变压器副边绕组槽深保证副边绕组能够全部均匀绕制在副边骨架开槽内；变压器副边骨架两端不绕制导线的槽用于副边绕组与U型磁芯绝缘。

5.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的变压器副边绕组骨架内径与副边绕组骨架壁厚，以及副边绕组骨架槽深之和等于副边绕组骨架外径；副边绕组骨架高度与矩形磁芯内窗的高度配合。

6.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的变压器原边绕组和原边绕组串联，变压器的副边绕组和副边绕组串联。

7.根据权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于所述的两块夹板（6）夹在所述的U型磁芯宽度方向的磁臂上，安装好原副边绕组的U型磁芯居中放置在两块夹板6之间，两根磁芯紧固螺杆（7）分别从变压器两侧穿过夹板（6）上的过孔并用螺母紧固。

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