CN107895640A - 一种降低高频变压器绕组损耗的方法 - Google Patents

一种降低高频变压器绕组损耗的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力传输技术领域的一种降低高频变压器绕组损耗的方法。该方法为在铜导线的绝缘层外引入一层磁性薄膜；其中磁性薄膜由细颗粒磁粉和硅油组成，通过喷雾的方式涂覆到绝缘层表面；本发明提供的方法简单高效，能够有效降低导线的高频交流阻抗，从而减少高频变压器的绕组损耗。

Description

一种降低高频变压器绕组损耗的方法
技术领域
本发明属于电力传输技术领域，特别涉及一种降低高频变压器绕组损耗的方法。
背景技术
在高频变压器中，频率的提高带来了变压器体积的减小，然而高频导致了交流电阻的增加。交流电阻主要分为三种：直流电阻，集肤效应产生的电阻和邻近效应产生的电阻。
其中，邻近效应是由于邻近导体产生的交流磁场在本导体中感应的涡流引起的。在多层线圈中，邻近效应造成的涡流在两个导体相互接近的一面集中，电流密度同样发生畸变。邻近效应在多层绕组中产生的涡流与绕组的磁动势MMF的分布密切相关，符合安培环路定律，其大小与绕组位置有关，其方向和电流的方向相同或相反，越是外层的绕组最大磁动势越大，涡流越大，涡流产生的损耗也越大。在中高频范围内，邻近效应造成的涡流损耗要比集肤效应产生的损耗严重得多。
邻近效应产生的阻抗计算过程基于以下假设：考虑一根导线时，它的周围导线产生的磁场在这根导线的横截面上被认为是均匀分布的；计算每根导线的外部磁场时，不考虑邻近导线的铁磁覆层磁导率所带来的场失真，并不考虑邻近效应所致的电流再分布。外部磁场在磁铁线上产生的耗散功率由两部分组成：一部分是铜线内部的耗散功率，一部分是铁磁覆层薄膜内部的耗散功率。通过计算出的耗散功率的值，依公式
其中PP代表邻近效应产生的功率损耗，I为流经线圈和导线的电流，RP即为邻近效应产生的电阻。
因此，降低高频变压器的绕组损耗，可以有效地提升高频变压器的运行效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述方法为在铜导线的绝缘层外覆上一层磁性薄膜。
所述绝缘层材料为聚酰亚胺；
所述磁性薄膜由磁性粉末和粘合剂按照质量比1：(1～4)混合，使铜导线为具有铁磁覆层的低损耗导线；其中磁性粉末和粘合剂使用机械搅拌器均匀混合，机械搅拌器的发动机为搅拌棒提供动力。
所述磁性粉末和粘合剂质量比优选为1：(2～3.5)。
所述磁性粉末为平均直径2.56μm的细颗粒铁粉。
所述粘合剂为硅油。
所述硅油优选为甲基硅油。
磁覆层厚度为≥2.56μm尽可能薄的厚度。
所述磁性薄膜通过喷雾的方式涂覆于绝缘层表面，固化2～4h即可得到具有铁磁覆层的低损耗导线。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的铁磁覆层导线上的磁覆层通过喷雾添加，工艺简单可控，制造效率高，生产成本低。
(2)本发明提供的铁磁覆层导线上的磁覆层削弱了因邻近效应产生的高频交流电阻，从而减少高频变压器的绕组损耗，有效提高高频变压器的运行效率。
(3)本发明提供的具有铁磁覆层低损耗导线适用于MHz的高频变压器，频率越高，铁磁覆层对于电阻的减弱效果越明显。
附图说明
图1是具有铁磁覆层低损耗导线的结构图；
图2是常规绕组中铜线的剖面图和一种具有铁磁覆层低损耗导线的剖面图；其中，(a)为常规绕组所用铜线的剖面图，(b)为本发明所提供的铁磁覆层导线的剖面图；
附图标记：1-铜线，2-绝缘层，3-磁性薄膜。
图3为1～6MHz频率下，半径45μm三匝铜线在不同磁覆层厚度下的电阻值对比图；
图4为1～6MHz频率下，半径725μm单匝铜线在不同磁覆层厚度下的电阻值对比图；
图5为1～6MHz频率下，半径725μm 12匝铜线在不同磁覆层厚度下的电阻值对比图；
具体实施方式
本发明提供了一种降低高频变压器绕组损耗的方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图1为根据本发明提供的降低高频变压器绕组损耗的方法制得的具有铁磁覆层的低损耗导线结构图，包括处于中心位置呈圆柱状的铜线1、包裹在铜线1外的绝缘层2和包裹在绝缘层2外的磁性薄膜3。
铜线1用于传输电流；
绝缘层2是一种名为聚酰亚胺的材料，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200℃～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，用于保护铜线，减少外界条件的腐蚀与破坏；
磁性薄膜3，是通过制成喷雾状物体喷覆在绝缘层2外围的，喷雾由平均直径为2.56μm的不规则铁粉粉末和硅油混合制成的，喷涂时先沿导线轴均匀喷涂一面，再均匀喷涂另一面；其中硅油是在室温下保持液体状态的线型聚硅氧烷，进一步地，优选选用甲基硅油，其有机基团全部为甲基,具有良好的化学稳定性、绝缘性、疏水性，低温下和铁磁粉末混合搅拌后粘度高的特点，有利于微米级铁粉粉末粘附于绝缘层2表面。
附图2是常规绕组中铜线的剖面图和一种具有铁磁覆层低损耗导线的剖面图；(a)为常规绕组所用铜线的剖面图，(b)为本发明所提供的铁磁覆层导线的剖面图。
实施例
在1～6MHz频率内，用Ansoft软件分别仿真测定不同匝数、不同厚度铁磁覆层的铜导线的电阻；Ansoft软件仿真时均选择直角坐标系、涡流场、激励源为1A的电流进行仿真，设定铜线的电导率为5.8×107S/m，相对磁导率为0.999991，相对介电常数为1；磁性薄膜的电导率为1.03×107S/m，相对磁导率为4000，相对介电常数为1；绝缘层聚酰亚胺的电导率为3.38×10-3S/m，相对磁导率为1，相对介电常数3.4。
图3为利用Ansoft软件测定铁磁覆层厚度分别为0μm、5μm、10μm、30μm，半径为45μm的三匝铜导线电阻对比图；从图3可以看出，具有铁磁覆层三匝铜导线绕组值降低，且随着频率越高，铁磁覆层对于阻抗的减弱效果越明显；但是由于仿真模拟是在三匝铜导线下进行的，邻近效应不明显，铁磁覆层削弱邻近效应产生绕组损耗的作用稍弱；另外，因为铁磁层的引入会在铁中产生涡流损耗，为了在降低邻近效应带来损耗的同时避免涡流损耗的影响，铁磁覆层应该越薄越好。鉴于铁粉的颗粒直径在2.56μm,故规定铁磁层厚度在≥2.56um的尽可能薄的厚度，这也是采用喷雾法的原因之一。
图4为利用Ansoft软件测定铁磁覆层厚度分别为0μm、5μm、10μm、15μm，半径为725μm单根铜导线的电阻对比图；明显可以看出，此时因为无邻近效应作用，铁磁覆层对电阻的降低基本不起作用。
图5为利用Ansoft软件测定铁磁覆层厚度分别为0μm、5μm、10μm、15μm，半径为725μm的12匝铜导线电阻对比图；从图中可以看出，经过计算可得，6MHZ下，铁磁覆层线的电阻比铜导线降低了1.2％，即铁磁覆层对引入了邻近效应后的铜导线具有削弱作用。
表1为Ansoft软件仿真结果，具体为无邻近效应：0μm、5μm磁覆层的单根铜导线电阻值；有邻近效应：12匝铜导线、12匝带5um铁磁覆层铜导线电阻值。
表1
从图4、图5和表1数据可以得知，当增大绕组匝数时，铜线电阻增加，邻近效应明显，铁磁覆层削弱邻近效应产生绕组损耗的作用增大。
根据图3-5可知，由于铁磁覆层的引入，铁磁覆层低损耗铜导线的交流电阻减小，且随着频率的升高，具有铁磁覆层的低损耗导线和铜线的电阻差值均呈现出更大的趋势，即频率越高，铁磁覆层对于电阻的减弱效果越明显，原理为磁覆层中的磁性材料为铁粉，当导线中通过电流变大时，在电流增大的过程中铁磁覆层转移了交流磁场，从而降低了邻近效应带来的交流损耗，使得邻近效应引入的交流电阻减小，降低了高频变压器使用过程中的绕组损耗，进而提高了高频变压器的工作效率。另外，对于MHz的高频变压器，铜导线绕组为几百至几千匝不等，极薄的铁磁覆层产生的涡流损耗，相较于铁磁覆层对因邻近效应产生的绕组损耗相比极小，铁磁覆层对铜导线邻近效应的削弱作用会明显增强。

Claims (7)

1.一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述方法为在铜导线的绝缘层外覆上一层磁性薄膜；其中，绝缘层为聚酰亚胺；磁性薄膜由磁性粉末和粘合剂按照质量比1：(1～4)混合，使铜导线为具有铁磁覆层的低损耗导线。
2.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述磁性粉末和粘合剂质量比优选为1：(2～3.5)。
3.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述磁性粉末为平均直径2.56μm的细颗粒铁粉。
4.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述粘合剂为硅油。
5.根据权利要求4所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述硅油优选为甲基硅油。
6.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，磁覆层厚度为≥2.56μm尽可能薄的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述磁性薄膜通过喷雾的方式涂覆于绝缘层表面。
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