CN107464674B - 一种电场梯度渐变变压器以及柔性电路变压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电场梯度渐变变压器以及柔性电路变压装置，柔性电路变压装置包括壳体和电场梯度渐变变压器，电场梯度渐变变压器包括多个柔性电路板，每个柔性电路板包括叠片本体和叠加线圈，每个叠加线圈呈螺旋结构并贯穿设置在对应的叠片本体上，多个叠片本体重叠设置，以使相邻两个叠片本体上的叠加线圈相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈的螺旋方向相反，以使多个叠加线圈形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。相较于现有技术，本发明提供的一种电场梯度渐变变压器，提高了耐压水平，在高、低电压中均可使用。同时该电场梯度渐变变压器结构小巧，并大大提高了多种电气性能。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路变压器领域，具体而言，涉及一种电场梯度渐变变压器以及柔性电路变压装置。
背景技术
应用印制板电路平面变压器是近十多年来发展起来的一项新技术，目前已经在部分电子技术领域得到应用。例如：PCB平面变压器通常采用印制板的制造工艺，在PCB板上布上螺旋式线圈来形成变压器绕组，印制板中间留出缺口，用来安装磁芯，电路板面上设计外部链接点，实现电路之间的连接。
经发明人调研发现，现有印刷板平面变压器通常适用于低电压，或低电压变比电路系统中。也有印制电路采用薄膜或厚膜电路制备工艺，叠层构成平面变压器，其目的是将变压器集成到芯片电路中应用，形成在集成电路系统中的电压变换，但常应用于小功率、低电压、低电压变比电路中。进一步地，现有印制板平面变压器，适用于低电压、低电压变比变压器，此时变压器内的电场强度较低，不容易出现电压击穿现象。当应用于高电压、高变比变压器时，绕组匝数多，需要串联叠加的板层数多，仍然采用现有平面变压器串联绕组，耐电压问题突出，给设计和使用带来了不少困难，也降低了变压器的可生产性及可靠性。因此高电压、高变比印制板平面变压器，需要解决尺寸大、变比小、板间连接困难、电场强度分布不够均匀等问题。常规绕制线圈变压器受到绕制方式的限制，也不能够实现电场梯度渐变的高电压变压器所具有的特性要求。
对于数千伏至10万伏的高电压、高变比电子电路变压器，目前仍然采用绕制线圈的常规变压器居多。
有鉴于此，设计制造出一种新型的高电压、高变比电子电路变压器就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电场梯度渐变变压器，能够在高电压、高变比的电子电路中使用，同时其电场梯度分布均匀。
本发明的另一目的在于提供一种柔性电路变压装置，能够在高电压、高变比的电子电路中使用，同时其电场梯度分布均匀。
本发明是采用以下的技术方案来实现的。
一种电场梯度渐变变压器，包括多个柔性电路板，每个柔性电路板包括叠片本体和叠加线圈，每个叠加线圈呈螺旋结构并贯穿设置在对应的叠片本体上，多个叠片本体重叠设置，以使相邻两个叠片本体上的叠加线圈相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈用于形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈的螺旋方向相反，形成多个平面螺旋线圈叠加，无外引线连接，相互自然平滑连接过渡，这样不会形成电场畸变，以使多个叠加线圈形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。
进一步地，叠加线圈包括内圈输出环、外圈输出环以及螺旋电路，内圈输出环固定设置在叠片本体上，外圈输出环固定设置在叠片本体上并绕设在内圈输出环外，螺旋电路呈螺旋状并贴合设置在内圈输出环与外圈输出环之间的叠片本体上，且相邻两个叠片本体上的螺旋电路的螺旋方向相反。
进一步地，内圈输出环向着叠片本体的一侧凸起，用于抵接并电性连接于叠片本体一侧的另一个内圈输出环，外圈输出环向着叠片本体的另一侧凸起，用于抵接并电性连接于叠片本体另一侧的另一个外圈输出环。
进一步地，内圈输出环、外圈输出环以及螺旋电路均为铜箔。
进一步地，叠加线圈的厚度尺寸为0.1mm至0.2mm，此特征尺度很好的平衡了漏感和交流阻抗参数。
进一步地，叠片本体为聚酰亚胺薄膜。
进一步地，电场梯度渐变变压器还包括磁芯，每个叠片本体均开设有连接通孔，磁芯穿设于多个连接通孔。
进一步地，多个叠片本体之间通过环氧树脂灌注成型。
进一步地，叠片本体为圆盘状。
一种柔性电路变压装置，包括壳体和电场梯度渐变变压器，该电场梯度渐变变压器包括多个柔性电路板，每个柔性电路板包括叠片本体和叠加线圈，每个叠加线圈呈螺旋结构并贯穿设置在对应的叠片本体上，多个叠片本体重叠设置，以使相邻两个叠片本体上的叠加线圈相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈用于形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈的螺旋方向相反，形成多个平面螺旋线圈叠加，无外引线连接，相互自然平滑连接过渡，这样不会形成电场畸变，以使多个叠加线圈形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。壳体与叠片本体的形状相配合，多个叠片本体和多个叠加线圈均容置在壳体内。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种电场梯度渐变变压器，将多个叠片本体重叠设置，每个叠片本体上均设置有叠片线圈，相邻两个叠片本体上的叠加线圈相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈的螺旋方向相反，形成多个平面螺旋线圈叠加，无外引线连接，相互自然平滑连接过渡，这样不会形成电场畸变，以使多个叠加线圈形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。相较于现有技术，本发明提供的一种电场梯度渐变变压器，通过精确的设计叠加线圈间的电场强度分布、电路结构和耐电压结构，构成电场梯度渐变的高变比、高电压变压器，提高了该电场梯度渐变变压器的耐压水平，进一步发展了印制板平面变压器技术，在高、低电压中均可使用。同时该电场梯度渐变变压器结构小巧，并大大提高了多种电气性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的电磁梯度渐变变压器第一视角的整体结构示意图；
图2为图1中柔性电路板的第一视角的左旋结构示意图；
图3为图1中柔性电路板的第一视角的右旋结构示意图；
图4为图1中柔性电路板的第二视角结构示意图；
图5为本发明第一实施例提供的电磁场梯度渐变变压器的绕线示意图；
图6为本发明第一实施例提供的电磁梯度渐变变压器第二视角的整体结构示意图。
图标：100-电场梯度渐变变压器；110-磁芯；130-柔性电路板；131-叠片本体；133-叠加线圈；1331-内圈输出环；1333-外圈输出环；1335-螺旋电路；150-初级绕组。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
第一实施例
结合参见图1至图3，本实施例提供一种电场梯度渐变变压器100，主要应用于电子电路系统，该电场梯度渐变变压器100包括磁芯110、多个柔性电路板130以及初级绕组150，多个柔性电路板130绕设在磁芯110上且多个柔性电路板130重叠设置。每个柔性电路板130上均开设有连接通孔，磁芯110依次穿设于多个连接通孔。多个柔性电路板130形成次级绕组，初级绕组150绕设在多个柔性电路板130外。
每个柔性电路板130包括叠片本体131和叠加线圈133，每个叠加线圈133呈螺旋结构并贯穿设置在对应的叠片本体131上，多个叠片本体131重叠设置并套设在磁芯110上，以使相邻两个叠片本体131上的叠加线圈133相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈133在通电时形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈133的螺旋方向相反，以使多个叠加线圈133形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。多个叠片本体131之间通过环氧树脂灌注成型。
叠加线圈133包括内圈输出环1331、外圈输出环1333以及螺旋电路1335，内圈输出环1331固定设置在叠片本体131上，外圈输出环1333也固定设置在叠片本体131上并绕设在内圈输出环1331外，螺旋电路1335呈螺旋状并贴合设置在内圈输出环1331与外圈输出环1333之间的叠片本体131上，且相邻两个叠片本体131上的螺旋电路1335的螺旋方向相反。具体地，相邻两个叠片本体131上的螺旋电路1335中，其中一个采用左旋电路，而另一个则采用右旋电路，构成绕线在径向的绕制。
在本实施例中，内圈输出环1331、外圈输出环1333以及螺旋电路1335均为铜箔。当然，并不仅仅限于此，也可以是金箔或者银箔等其他导电材料，但凡具有良好的导电性能的薄型材料均在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，叠片本体131为聚酰亚胺薄膜。当然，此处叠片本体131也可以是聚酯薄膜或折叠双向拉伸聚丙烯薄膜等其他绝缘薄膜材料，但凡具有良好的韧性的绝缘薄膜材料均在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，聚酰亚胺薄膜包括均苯型聚酰亚胺薄膜和联苯型聚酰亚胺薄膜两类，前者由均苯四甲酸二酐与二苯醚二胺制得，后者由联苯四甲酸二酐与二苯醚二胺(R型)或间苯二胺(S型)制得。通过将聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高温酰亚胺化制得。其具有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能。
在本实施例中，叠片本体131为圆盘状。当然，此处叠片本体131的形状也可以是矩形或者正六边形等其他形状，在此不作具体限定。
参加图4，内圈输出环1331向着叠片本体131的一侧凸起，用于抵接并电性连接于于叠片本体131一侧的另一个内圈输出环1331，外圈输出环1333向着叠片本体131的另一侧凸起，用于抵接并电性连接于叠片本体131另一侧的另一个外圈输出环1333。
具体地，内圈输出环1331与外圈输出环1333裸露在外，方便进行接触电连接。对于左旋电路，内圈输出环1331及螺旋电路1335设置在叠片本体131的一侧，外圈输出环1333设置在叠片本体131的另一侧，其中螺旋电路1335和外圈输出环1333是贯通连接的；对于右旋电路，外圈输出环1333及螺旋电路1335设置在叠片本体131的一侧，内圈输出环1331在叠片本体131的另一侧，其中螺旋电路1335和内圈输出环1331也是贯通连接的。多片左旋及右旋的叠片本体131交替叠加。
在本实施例中，叠加线圈133的厚度尺寸为0.1mm至0.2mm，需要说明的是，在10kHz至500kHz工作频率下，由于漏感随绕组间距增大而增加，而交流阻抗随绕组间距增大而降低，本实施例选择柔性电路板130上的叠加线圈133的厚度尺寸为0.1至0.2毫米，此特征尺度很好的平衡了漏感和交流阻抗参数。
由于柔性电路板130采用极薄的铜箔和聚酰亚胺绝缘薄膜，在这个厚度尺度上，可以获得很好的变压器电路工作特征尺度。柔性聚酰亚胺薄膜厚度在结构上具有电路可“柔性接触”导通、电路可“折叠”特点，在电路折叠中实现初次级绕组密切耦合的电磁功能、电气导通连接无外接点结构。单个电路绕组可以设计成为“连续电路”，无需连接断点而增加焊点和连接电阻。
结合参见图5至图6(圆圈中数字表示匝数)，线圈绕组的电场强度可以满足沿轴渐变的设计要求。采用电场梯度渐变变压器100要求的径向绕制，大大降低线圈匝与匝之间的最大电位。在本实施例中，电场梯度渐变变压器100的绕制结构决定的电场如图，假定叠加线圈133匝与匝之间能够形成的电位为500V，且该电场梯度渐变变压器100能够输出的电压为50kV，则此时最大的匝间电位在(1、10)匝，(6、15)匝，(11、20)匝，(16、25)匝，(21、30)匝，(26、35)匝，(31、40)匝，(36、45)匝，(41、50)匝，(46、55)匝，(51、60)匝，(56、65)匝，(61、70)匝，(66、75)匝，(71、80)匝，(76、85)匝，(81、90)匝，(86、95)匝，(91、100)匝之间，所要承受的电压为10匝×500V＝5000V(5千伏)量值，它们之间有叠片本体131绝缘，在此不需要再加绝缘膜了，并且形成沿轴方向渐变的电场梯度。
值得注意的是，图5所示并不是本实施例中叠加线圈133的实际绕制方式，仅仅是为了说明此处形成了梯度渐变的电场，在此并不特指。
在该电场渐变变压器设计中，由于有了新的绕制方式，结合柔性电路板130的材料、规格及工艺制备等技术参数，确定螺旋电路1335间的间距或耐压参数、电流参数、初次级结构，可以充分设计和应用电场强度沿轴单向递减的特点，这构成了高变比或高电压变压器能够小型化设计的特殊技术途径。
值得注意的是，该电场梯度渐变变压器100利用柔性电路板130的特点设计，且能实现常规变压器绕制无法实现的绕组结构，解决了柔性电路板130间的电路连接，实现更加均匀的电场强度渐变分布。该电场梯度渐变变压器100可以适用于高压、低压电路，特别是高电压变比变压器的设计，更是便于提高变压器生产自动化程度。电场梯度渐变变压器100中电场梯度的渐变，意味着设计可以遵循电场强度连续渐变设计原则，最大程度的降低最大电位差值，降低了耐受电压要求，显然这也可以大大提高变压器的小型化水平。均匀密集绕组电场分布可以提高变压器电磁耦合，效率可达97％，工作温度200℃。这些对于优化变压器的工作特性和提高工作可靠性具有重要意义。因此，这是一种新型高变比，高、低压变压器都可以适用的新技术。受柔性印制电路铜箔电导限制，变压器交流电流导通能力取决于铜箔设计尺寸，该电场梯度渐变变压器100交流功率可达几十千瓦，对于脉冲变压器可达百千瓦的应用。这些可以大大提高现有变压器的多种电气性能(电压变比高、耐压方式优越、低电感、强电磁耦合等)，设计的产品特性十分突出，适用于变压器元件的系列小型化，适用工作参数范围大，脉冲(或交流)电压变换输出高压可达100kV，输出电流10A，初级输入电流范围小于400A内选取。同时，应用本发明生产的电场梯度渐变变压器100，可以选择具有较高自动化程度的工艺生产方式，大大增加产品的可靠性能，更有望成为具有新意的系列化通用元件。
综上所述，本实施例提供的一种电场梯度渐变变压器100，将多个叠片本体131重叠设置并绕制在磁芯110上，每个叠片本体131上均设置有叠片线圈，相邻两个叠片本体131上的叠加线圈133相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈133形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈133的螺旋方向相反，以使多个叠加线圈133形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。与现有变压器技术对比，本设计增加了新的叠加线圈133绕制结构，对于变压器中的电场强度可以更加合理的设计分布，变压器耐压水平得到发展，变压器更加容易小型化，变压器工作性能在特征尺度上的平衡更易达到。通过精确的设计叠加线圈133间的电场强度分布、电路结构和耐电压结构，构成电场梯度渐变的高变比、高电压变压器，提高了该电场梯度渐变变压器100的耐压水平，进一步发展了印制板平面变压器技术，在高、低电压中均可使用。同时该电场梯度渐变变压器100结构小巧，并大大提高了多种电气性能。
第二实施例
本实施例提供了一种柔性电路变压装置，包括壳体和电场梯度渐变变压器100，其中电场梯度渐变变压器100的基本结构和原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。
该电场梯度渐变变压器100包括多个柔性电路板130、磁芯110以及初级绕组150，每个柔性电路板130包括叠片本体131和叠加线圈133，每个叠加线圈133呈螺旋结构并贯穿设置在对应的叠片本体131上，多个叠片本体131重叠设置并绕制在磁芯110上，以使相邻两个叠片本体131上的叠加线圈133相互抵接并相互电性连接，多个叠加线圈133形成一渐变电场，且相邻两个叠加线圈133的螺旋方向相反，以使多个叠加线圈133形成的渐变电场的电场梯度均匀分布。多个柔性电路板130形成次级绕组，初级绕组150绕设在多个柔性电路板130外。壳体与叠片本体131的形状相配合，磁芯110、多个叠片本体131、多个叠加线圈133以及次级绕组均容置在壳体内。
在本实施例中，壳体采用绝缘塑料制成并呈圆柱状，且采用灌封封装工艺。值得注意的是，此处壳体的外形并不仅仅限于圆柱状，也可以根据实际安装位置进行调整，在此不做赘述。
本实施例提供的一种柔性电路变压装置，具有体积小巧、耐受电压高的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电场梯度渐变变压器，其特征在于，包括多个柔性电路板，每个所述柔性电路板包括叠片本体和叠加线圈，每个所述叠加线圈呈螺旋结构并贯穿设置在对应的所述叠片本体上，多个所述叠片本体重叠设置，以使相邻两个所述叠片本体上的所述叠加线圈相互抵接并相互电性连接，多个所述叠加线圈用于形成一渐变电场，且相邻两个所述叠加线圈的螺旋方向相反，以使多个所述叠加线圈形成的所述渐变电场的电场梯度均匀分布；
所述叠加线圈包括内圈输出环、外圈输出环以及螺旋电路，所述内圈输出环固定设置在所述叠片本体上，所述外圈输出环也固定设置在所述叠片本体上并绕设在所述内圈输出环外，所述螺旋电路呈螺旋状并贴合设置在所述内圈输出环与所述外圈输出环之间的所述叠片本体上，且相邻两个所述叠片本体上的所述螺旋电路的螺旋方向相反，所述内圈输出环、所述外圈输出环分别向两侧凸起，以抵接形成电性连接。
2.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述内圈输出环向着所述叠片本体的一侧凸起，用于抵接并电性连接于所述叠片本体一侧的另一个所述内圈输出环，所述外圈输出环向着所述叠片本体的另一侧凸起，用于抵接并电性连接于所述叠片本体另一侧的另一个所述外圈输出环。
3.根据权利要求2所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述内圈输出环、所述外圈输出环以及所述螺旋电路均为铜箔。
4.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述叠加线圈的厚度尺寸为0.1mm至0.2mm。
5.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述叠片本体为聚酰亚胺薄膜。
6.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述电场梯度渐变变压器还包括磁芯，每个所述叠片本体均开设有连接通孔，所述磁芯穿设于多个所述连接通孔。
7.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，多个所述叠片本体之间通过环氧树脂灌注成型。
8.根据权利要求1所述的电场梯度渐变变压器，其特征在于，所述叠片本体为圆盘状。
9.一种柔性电路变压装置，其特征在于，包括壳体和如权利要求1-8任一项所述的电场梯度渐变变压器，所述壳体与所述叠片本体的形状相匹配，多个所述叠片本体和多个所述叠加线圈均容置在所述壳体内。
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