CN105931821A - 一种井下高温的中高频变压器及其参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下高温的中高频变压器及其参数获取方法，包括磁芯单元、原边绕组、副边绕组和固定架。磁芯由多个高温特性良好的环形纳米晶磁芯组成，绕组均匀绕在每个环形磁芯上，原边绕组在内层，副边绕组在外层，并且每个环形磁芯上的原副边绕组匝数都相同，相邻两个磁芯上的原副边绕组采用串联形式连接。所有磁芯及绕组采用同轴纵向排列，并固定在固定架上，相邻的两个磁芯之间留有一定的距离，便于散热。整个变压器采用高温环氧树脂灌封，原边绕组经原边接线端子引出，副边绕组经副边接线端子引出。该变压器体积灵活，在井下高温环境下可以可靠运行。

Description

一种井下高温的中高频变压器及其参数获取方法

技术领域

本发明涉及一种变压器，具体是一种可在井下高温环境下运行的中高频变压器及其参数获取方法。

背景技术

中高频变压器是开关电源电路中的一种重要部件，可实现电气隔离和电压变换的功能。然而在某些特殊场合，如在油井解堵、矿井物探和水下目标探测等方面的脉冲功率应用领域，要求变压器体积小，激磁电感大，并且可以在100℃左右的井下高温环境下可靠工作。现有的中高频变压器设计方案基本都是基于室温条件，在稍高温度下都采用了水冷、风冷等散热措施，这些都不适用于上述特殊环境。因此，需要一种体积小、结构简单、可在井下高温环境下运行的中高频变压器。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可在井下高温环境下运行的中高频变压器，旨在解决现有变压器体积大、在井下高温环境下难以正常工作的问题。

本发明提供了一种井下高温的中高频变压器，包括磁芯单元、原边绕组、副边绕组和固定架；所述磁芯单元由多个环形纳米晶磁芯组成；所述原边绕组和所述副边绕组均匀绕制在每个环形纳米晶磁芯上，且所述原边绕组在内层，所述副边绕组在外层，每个环形纳米晶磁芯上的原、副边绕组匝数都相同，且所有环形纳米晶磁芯的原边绕组之间通过串联形式连接，所有环形纳米晶磁芯的副边绕组之间也通过串联形式连接；所述磁芯、所述原边绕组和所述副边绕组同轴纵向排列，并固定在所述固定架上。

更进一步地，所述中高频变压器还包括原边接线端子和副边接线端子；所有磁芯的原边绕组串联后构成了中高频变压器的原边绕组，中高频变压器原边绕组的引出线接在所述原边接线端子上；所有磁芯的副边绕组串联后构成了中高频变压器的副边绕组，中高频变压器副边绕组的引出线接在所述副边接线端子上。

更进一步地，在所述磁芯单元中相邻的两个环形纳米晶磁芯之间留有一定的距离以增加散热面积，从而降低变压器内部的温度。

更进一步地，所述原边绕组和所述副边绕组的绕线为耐热等级是H级的聚酯亚胺漆包铜圆线。

更进一步地，所述原边绕组和所述副边绕组的引出线附近套设有一层热缩绝缘护套。

更进一步地，所述固定架的材料为铜质材料。

更进一步地，所述中高频变压器通过高温环氧树脂灌封成型。

本发明还提供了一种井下高温的中高频变压器的参数的获取方法，包括下述步骤：

S1：根据公式D_s-d_w>0.5d_n选择磁芯尺寸；

其中，D_s为变压器的直径，d_w为环形磁芯外直径，d_n为环形磁芯内直径；

S2：根据公式nA_p>AP和确定磁芯个数；

其中，n为磁芯个数，A_p为步骤S1中选择的单个磁芯的面面积，单位为cm⁴；AP为变压器所需总的面面积，单位为cm⁴；P_T为变压器的视在功率，单位为W；K₀为窗口使用系数，K_f为波形系数，f_s为变压器工作频率，单位为Hz；B_w为磁心工作磁感应强度，单位为T；K_j为电流密度比例系数，X为磁心的结构常数；

S3：根据公式V₁＝V_p/n和V₂＝V_s/n分别确定每个磁芯原边绕组的额定电 压V₁和每个磁芯副边绕组的额定电压V₂；

其中，n为步骤S2中确定的磁芯个数，V_p为变压器的原边额定电压为，V_s为变压器的副边额定电压；

S4：根据公式和分别确定每个磁芯的原边绕组匝数N₁和每个磁芯的副边绕组匝数N₂；

其中，V₁是步骤S3中确定的每个磁芯原边绕组的额定电压，V₂是步骤S3中确定的每个磁芯副边绕组的额定电压，K_f为波形系数，f_s为变压器工作频率，单位为Hz；B_w为磁心工作磁感应强度，单位为T；A_e是单个磁芯的有效截面积，单位为m²；

S5：通过判断每个磁芯的窗口面积利用系数K是否满足K<0.4，若是，则获得满足要求的参数，若否，则将磁芯个数增加一个并重新执行步骤S3～S5；

其中，S为每个磁芯需要的绕线面积，d_n为环形磁芯内直径。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)采用多个小的环形磁芯串联使用，绕组均匀绕在每个环形磁芯上，原边绕组在内层，副边绕组在外层，相邻两个磁芯上的原副边绕组采用串联形式连接。所有磁芯及绕组采用同轴纵向排列，并固定在固定架上。这样可以根据不同的体积需要选择磁芯个数和尺寸，从而使变压器的形状体积更加灵活。

(2)采用多个高温特性好的磁芯分别绕制后再串联，磁芯间通过增大距离的方法增加每个磁芯和绕制的散热面积，并且采用导热性良好的材料作为固定架，这样可以有效增强变压器内部的散热效果，从而使变压器的高 温特性好，可以在最高温度为100℃的井下高温环境下可靠运行，并且不需要采用特殊的冷却措施，结构简单。

附图说明

图1是本发明实施例提供的井下高温的中高频变压器的结构原理图。

图2是本发明实施例提供的井下高温的中高频变压器的内部接线图。

图3是25℃时磁芯的磁滞回线图。

图4是100℃时磁芯的磁滞回线图。

图5是本发明实施例提供的井下高温的中高频变压器的参数获取方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明包括磁芯、原边绕组、副边绕组和固定架。磁芯由多个高温特性良好的环形纳米晶磁芯组成，绕组均匀绕在每个环形磁芯上，原边绕组在内层，副边绕组在外层，相邻两个磁芯上的原副边绕组采用串联形式连接。所有磁芯及绕组采用同轴纵向排列，并固定在固定架上，相邻的两个磁芯之间留有一定的距离以增加散热面积，从而降低变压器内部的温度。

优选地，整个变压器采用高温环氧树脂灌封，原边绕组经原边接线端子引出，副边绕组经副边接线端子引出。

优选地，每个环形磁芯上的原副边绕组匝数都相同，这样可以保证在原副边电流作用下各个磁芯中的磁动势都相同，从而不会出现某个磁芯先饱和的情况。

相比于将所有环形磁芯堆叠粘接构成一个大磁芯后再绕绕组，这种方法可以有效增大磁芯和绕组的散热面积，增强整个变压器的散热效果，便于散热。

磁芯的材料经过高温磁特性测量，保证其在高温下运行时饱和磁感应强度不变。具体的高温磁特性测量方法是利用恒温箱，分别测量磁芯在室温和高温下的磁滞回线，若在两种温度下的磁滞回线变化不大，则认为此种磁芯具备较好的高温磁特性。例如，可以选择Antainano纳米晶带材来制作的ONL系列磁芯。

变压器的设计过程如图5所示，变压器磁芯的尺寸、个数及绕组匝数设计过程按如下步骤进行，变压器的设计过程如图5所示：

步骤1：选择磁芯尺寸。磁芯的尺寸由整个变压器的设计尺寸决定，若设计时要求变压器的直径为D_s，而需要选择的目标环形磁芯外直径为d_w，内直径为d_n，则需要满足D_s-d_w>0.5d_n，这样可以保证磁芯环内和环外的绕线面积基本相等，从而不会浪费变压器内部的空间。根据环形磁芯外直径为d_w、内直径为d_n可以选定一种磁芯。

步骤2：初步确定磁芯个数。采用磁芯的面面积法来初步确定磁芯个数。磁芯的面面积是磁芯功率处理能力的一个数值体现，变压器所需的面面积由式(1)确定：式中，P_T为变压器的视在功率；K₀为窗口使用系数，一般典型值取K₀＝0.4，K_f为波形系数,f_s为变压器工作频率(Hz)；B_w为磁心工作磁感应强度(T)，K_j表示电流密度比列系数，与设计允许温升有关，当允许温升为25℃时，K_j＝250；X是由所选用磁心确定的结构常数，环形磁芯X＝﹣0.13。所需的磁芯个数为n，查询上一步中选择磁芯的资料，可得到这种磁芯单个的面面积A_p，则需满足nA_p>AP。这样可以初步确定磁芯个数n。

步骤3：确定每个磁芯原边、副边绕组的额定电压。整个变压器的原边、副边电压是均匀分布在每个磁芯的原边、副边绕组上。变压器设计时的原边额定电压为V_p，副边额定电压为V_s，则每个磁芯原边绕组的额定电压为V₁＝V_p/n，每个磁芯副边绕组的额定电压V₂＝V_s/n。

步骤4：确定每个磁芯原边、副边绕组匝数。每个磁芯原边、副边绕组的匝数由每个磁芯原边绕组额定电压V₁、副边绕组的额定电压V₂确定。计算公式如式(2)、式(3)确定： 式中，K_f为波形系数,f_s为变压器工作频率(Hz)，B_w为磁心工作磁感应强度(T)，A_e是单个磁芯的有效截面积(m²)。

步骤5：校核每个磁芯的窗口面积。原边绕组的绕线截面积为S₁，副边绕组的绕线截面积为S₂，则需要的绕线面积S＝N₁S₁+N₂S₂，则磁芯的窗口利用系数K为：

当K<0.4时，以上设计满足要求；当K>0.4时，表明磁芯窗口面积不足，需要增加磁芯个数，则将磁芯个数变为n+1个，再重复步骤3～步骤5，直到满足K<0.4时停止，此时确定的磁芯个数即为最终的个数。

所述固定架的材料可以选择为便于导热的材料，优选地，可以采用铜质材料，便于磁芯和绕组的散热。

所述绕组的绕线采用耐热等级是H级的聚酯亚胺漆包铜圆线，以防止其在井下高温环境下损坏；原边、副边绕组的匝数根据原边、副边的额定电压确定。

所示原边、副边绕组引出线附近通过套一层热缩绝缘护套来加强绝缘。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的井下高温的中高频变压器及其参数获取方法，现结合附图和实施例详述如下：

如图1和图2所示，包括副边接线端子101、磁芯单元102、原边绕组103、副边绕组104、固定架105、高温环氧树脂106、原边接线端子107。磁芯由多个高温特性良好的环形纳米晶磁芯组成，原边绕组103、副边绕组104均匀绕在每个环形磁芯上，原边绕组在内层，副边绕组在外层，相邻两个磁芯上的原副边绕组采用串联形式连接。所有磁芯及绕组采用同轴纵向排列，并固定在固定架105上，相邻的两个磁芯之间留有一定的距离以增 加散热面积，从而降低变压器内部的温度。所有磁芯的原边绕组串联后构成了变压器的原边绕组，变压器原边绕组的引出线接在原边接线端子107上。所有磁芯的副边绕组串联后构成了变压器的副边绕组，变压器副边绕组的引出线接在副边接线端子101上。

如图3、图4所示，磁芯需要具有良好的高温特性。磁芯的材料的选择需先经过高温磁特性测量，保证其在高温下运行时饱和磁感应强度不变。具体的高温磁特性测量方法是利用恒温箱，采用双绕组测量电路分别测量磁芯在室温和高温下的磁滞回线，若在两种温度下的磁滞回线变化不大，则认为此种磁芯具备较好的高温磁特性。经过对铁氧体、非晶材料、纳米晶等材料的测量，最终选用Antainano纳米晶带材制作的ONL系列磁芯，磁芯磁滞回线的温度特性如图3、图4所示，可见此种材料的磁芯在室温(25℃)和高温(100℃)环境下，其磁滞回线和饱和磁感应强度都变化不大，具备良好的高温特性，其饱和磁感应强度为1.2T左右。

如图5所示，变压器的设计流程为：

先确定变压器设计参数。本实施例设计的变压器直径为69mm，工作频率为1kHz，视在功率P_T＝1kW，变压器原方额定电压为500V，副方额定电压为10kV。磁芯尺寸、磁芯个数及每个磁芯的原边、副边绕组匝数按照以下步骤来确定。

步骤1：选择磁芯尺寸。设计时要求变压器的直径为D_s＝69mm，当环形磁芯外直径为d_w＝50mm，内直径为d_n＝32mm，可见需要满足D_s-d_w>0.5d_n，因此选择外直径为50mm、内直径为32mm、高为20mm的ONL503220型磁芯。

步骤2：初步确定磁芯个数。采用磁芯的面面积法来初步确定磁芯个数。磁芯的面面积是磁芯功率处理能力的一个数值体现，变压器所需的面面积根据式(1)可得：

$AP={\left(\frac{P_T\&times;{10}^4}{K_0{K}_f{f}_s{B}_W{K}_j}\right)}^{\frac{1}{1+X}}\left({\mathrm{cm}}^4\right)={\left(\frac{1000\&times;{10}^4}{0.4\&times;4.44\&times;1000\&times;0.8\&times;250}\right)}^{\frac{1}{1-0.13}}=46.4{\mathrm{cm}}^4\mathrm{......}\left(5\right)$

查询上一步中选择ONL503220磁芯的资料，可得到这种磁芯单个的面面积A_p＝11.26cm⁴，因此当磁芯个数n＝4时，需满足nA_p>AP。这样可以初步确定磁芯个数n＝4。

步骤3：确定每个磁芯原边、副边绕组的额定电压。整个变压器的原边、副边电压是均匀分布在每个磁芯的原边、副边绕组上。变压器设计时的原边额定电压为V_{p ＝}500V，副边额定电压为V_s＝10kV，则每个磁芯原边绕组的额定电压为V₁＝V_p/n＝500/4＝125V，每个磁芯副边绕组的额定电压V₂＝V_s/n＝10000/4＝2500V。

步骤4：确定每个磁芯原边、副边绕组匝数。每个磁芯原边、副边绕组的匝数由每个磁芯原边绕组额定电压V₁、副边绕组的额定电压V₂确定。根据计算公式(2)、式(3)确定：

$N_1=\frac{V_1}{K_f{f}_s{B}_W{A}_e}=\frac{125}{4.44\&times;1000\&times;0.8\&times;1.4\&times;{10}^{-4}}=\mathrm{250......}\left(6\right)$

$N_2=\frac{V_2}{K_f{f}_s{B}_W{A}_e}=\frac{2500}{4.44\&times;1000\&times;0.8\&times;1.4\&times;{10}^{-4}}=\mathrm{5000......}\left(7\right)$

因此每个磁芯的原边绕组为N₁＝250匝，副边绕组为N₂＝5000匝。

步骤5：校核每个磁芯的窗口面积。原边绕组采用耐热等级为H级、直径为0.6mm的聚酯亚胺漆包铜圆线，其截面积S₁＝0.283mm²，副边绕组也采用耐热等级为H级、直径为0.12mm的聚酯亚胺漆包铜圆线，它的截面积为S₂＝0.011mm²，则需要的绕线面积S＝N₁S₁+N₂S₂＝125.7mm²，则磁芯的窗口利用系数K为：可见磁芯的窗口利用系数K满足K<0.4，以上的设计满足要求。因此可最终确定采用4个ONL503220型磁芯来制作变压器。

在此实施例中，变压器是用于给3km深井下的电容器充电，而在变压 器前端有3km的电缆用于电能传输，因此要求变压器的原边电感必须远大于电缆的总电感。由于变压器原方绕组采用串联形式连接，并且磁芯的饱和磁感应强度很高，因此在此实施例中其原边电感会较大，经测量变压器原方绕组电感为123mH，而经测量3km的七芯电缆电感约为2.67mH，可见变压器满足要求。

整个变压器采用高温环氧树脂灌封，用以加强变压器内部的绝缘水平。原边绕组经原边接线端子引出，副边绕组经副边接线端子引出，在两个绕组的引出线附近通过套一层热缩绝缘护套来加强绝缘。

相比于将所有环形磁芯堆叠粘接构成一个大磁芯后再绕绕组，这种方法可以有效增大磁芯和绕组的散热面积，增大整个变压器的散热效果，便于散热。

固定架采用铜质材料，便于磁芯和绕组的散热。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种井下高温的中高频变压器，其特征在于，包括磁芯单元(102)、原边绕组(103)、副边绕组(104)和固定架(105)；

所述磁芯单元(102)由多个环形纳米晶磁芯组成；

所述原边绕组(103)和所述副边绕组(104)均匀绕制在每个环形纳米晶磁芯上，且所述原边绕组(103)在内层，所述副边绕组(104)在外层，每个环形纳米晶磁芯上的原、副边绕组匝数都相同，且所有环形纳米晶磁芯的原边绕组之间通过串联形式连接，所有环形纳米晶磁芯的副边绕组之间也通过串联形式连接；

所述磁芯、所述原边绕组(103)和所述副边绕组(104)同轴纵向排列，并固定在所述固定架(105)上。

2.如权利要求1所述的中高频变压器，其特征在于，所述中高频变压器还包括原边接线端子(107)和副边接线端子(101)；

所有磁芯的原边绕组串联后构成了中高频变压器的原边绕组，中高频变压器原边绕组的引出线接在所述原边接线端子(107)上；

所有磁芯的副边绕组串联后构成了中高频变压器的副边绕组，中高频变压器副边绕组的引出线接在所述副边接线端子(101)上。

3.如权利要求1或2所述的中高频变压器，其特征在于，在所述磁芯单元(102)中相邻的两个环形纳米晶磁芯之间留有一定的距离以增加散热面积，从而降低变压器内部的温度。

4.如权利要求1-3任一项所述的中高频变压器，其特征在于，所述原边绕组(103)和所述副边绕组(104)的绕线为耐热等级是H级的聚酯亚胺漆包铜圆线。

5.如权利要求1-4任一项所述的中高频变压器，其特征在于，所述原边绕组(103)和所述副边绕组(104)的引出线附近套设有一层热缩绝缘护套。

6.如权利要求1-5任一项所述的中高频变压器，其特征在于，所述固定架(105)的材料为铜质材料。

7.如权利要求1-5任一项所述的中高频变压器，其特征在于，所述中高频变压器通过高温环氧树脂(106)灌封成型。

8.一种井下高温的中高频变压器的参数的获取方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：根据公式D_s-d_w>0.5d_n选择磁芯尺寸；

其中，D_s为变压器的直径，d_w为环形磁芯外直径，d_n为环形磁芯内直径；

S2：根据公式nA_p>AP和确定磁芯个数；

其中，n为磁芯个数，A_p为步骤S1中选择的单个磁芯的面面积，单位为cm⁴；AP为变压器所需总的面面积，单位为cm⁴；P_T为变压器的视在功率，单位为W；K₀为窗口使用系数，K_f为波形系数，f_s为变压器工作频率，单位为Hz；B_w为磁心工作磁感应强度，单位为T；K_j为电流密度比例系数，X为磁心的结构常数；

S3：根据公式V₁＝V_p/n和V₂＝V_s/n分别确定每个磁芯原边绕组的额定电压V₁和每个磁芯副边绕组的额定电压V₂；

其中，n为步骤S2中确定的磁芯个数，V_p为变压器的原边额定电压，V_s为变压器的副边额定电压；

S4：根据公式和分别确定每个磁芯的原边绕组匝数N₁和每个磁芯的副边绕组匝数N₂；

其中，V₁是步骤S3中确定的每个磁芯原边绕组的额定电压，V₂是步骤S3中确定的每个磁芯副边绕组的额定电压，K_f为波形系数，f_s为变压器工作频率，单位为Hz；B_w为磁心工作磁感应强度，单位为T；A_e是单个磁芯的有效截面积，单位为m²；

S5：通过判断每个磁芯的窗口面积利用系数K是否满足K<0.4，若是，则获得满足要求的参数，若否，则将磁芯个数增加一个并重新执行步骤S3～S5；

其中，S为每个磁芯需要的绕线面积，d_n为环形磁芯内直径。