CN109243794A - 一种铸造式水冷高频变压器外壳结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种铸造式水冷高频变压器外壳结构及其制造方法，其外壳包括包括上外壳和下外壳；所述上外壳、下外壳的中部均设有半圆柱，在半圆柱的矩形面旁设有贯穿的半圆；所述半圆柱的轴向面上设有圆柱通孔；在外壳的半圆柱和半圆孔外设有环形的内腔；在的内腔的边缘上设有凹槽；在外壳的内部设有水道。其制造方法包外壳型芯模具加工、水道型砂加工、放置水道型砂、铸造成型五个步骤。变压器外壳外形、变压器原边线圈安装腔体及其冷却水道、固定孔等均一次性铸造成型，减少后期机加工的工作量，大大提高了生产效率。变压器外壳内置的水道拐弯处均为圆弧过度，可有效降低水流动时的运动阻力，增大了冷却效率。

Description

一种铸造式水冷高频变压器外壳结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高频变压器，尤其涉及一种铸造式水冷高频变压器外壳结构及其制造方法。

背景技术

高频变压器是高频开关电源等高频设备的关键器件，目前的高频变压器的冷却方式主要分为风冷、水冷两种；而水冷方式又分为直接水冷与间接水冷。

高频变压器由于体积小，散热面小，变压器的散热问题严重限制了变压器的输出功率，特别是对于副边电压低、电流大的高频变压器，副边发热量大，散热问题更是高频变压器设计的难点。为了达到最佳散热效率、进一步提高变压器输出功率，直接水冷方式成为了首要选择的冷却方式。

目前采用直接水冷方式的高频变压器基本上是采用大铝块进行机械切削加工，采用深孔钻的方式加工冷却水道，由于机械加工的技术问题，水道基本上采用了相互垂直相接的方式，因此水冷高频变压器铝壳内部水道就有若干个直角弯位，使得水阻大大增加，水阻增加导致流速下降，冷却效率大幅降低。而且采用大铝块进行机械加工的方式，成品重量大概不及毛坯材料的一半重量，此种加工方式存在材料成本高，加工时间长，加工费高昂的缺点。

发明内容

本发明的第一个目的是提供铸造式水冷高频变压器外壳结构的制造方法。

本发明的第二个目的是提供一种由上述制备方法制备出的铸造式水冷高频变压器外壳结构，此变压器的结构内置水道，水道设置更为合理，冷却效率高。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，包括以下步骤：

1)外壳型芯模具加工：根据所需高频变压器外壳的尺寸，确定型芯模具的上模、下模并加工出外壳型芯模具，加工型芯模具时在成品外壳为通孔或/和埋孔的结构相应的位置制作成抽芯结构；

2)水道型砂加工：根据高频变压器的要求，确定水道形状后根据其水道形状设计型砂；

3)放置水道型砂：在外壳型芯模具内放置水道型砂；水道弯折处均为圆弧过度，水道弯折处最小半径大于等于水道的直径；

4)铸造成型：将液体金属浇铸到外壳型芯模具中铸造成型。

优选的，还包括步骤5)产品后处理：将铸造成型后的高频变压器外壳打磨，倒出内置的型砂，并去飞边、毛刺和打磨抛光。

优选的，铸造成型的方式包括砂型铸造、重力铸造、压力铸造和负压铸造。

优选的，当铸造成型的方式为砂型铸造或重力铸造时，水道型砂由粘土湿砂、粘土干砂和化学硬化砂制作；当铸造成型的方式为压力铸造或负压铸造时，水道型砂为金属管包裹耐高温型砂。

优选的，当水道型砂为金属管包裹耐高温型砂时，金属管为铝、铜或不锈钢；耐高温型砂为石英砂、耐高温陶瓷丸或钢丸。

优选的，当铸造成型的方式为压力铸造、且压铸金属为铝合金时，其浇注温度为680-700℃、型腔温度为190-210℃、压射比压为35-45MPa和保压时间为5-10秒。当铸造成型的方式为压力铸造、且压铸金属为锌合金时，其浇注温度为415-430℃、型腔温度为120-140℃、压射比压为15-30MPa和保压时间为5-10秒。当铸造成型的方式为压力铸造、且压铸金属为铜合金时，其浇注温度为1100-1200℃、型腔温度为300-450℃、压射比压为10-25MPa和保压时间为5-10秒。

一种铸造式水冷高频变压器外壳结构，包括上外壳和下外壳；所述上外壳、下外壳的中部均设有半圆柱，在半圆柱的矩形面旁设有贯穿的半圆孔，所述半圆孔截面积大于等于半圆柱的截面积；所述半圆柱的轴向面上设有圆柱通孔；

在上外壳、下外壳的半圆柱和半圆孔外设有环形的内腔；在上外壳的内腔的边缘上设有一上凹槽；在下外壳的内腔的边缘上设有一下凹槽；上凹槽和下凹槽相对；在上外壳、下外壳的外周设有通孔；

在上外壳、下外壳的内部设有水道，水道在上外壳、下外壳的外表面上与水孔连通，所述水道经过半圆柱的内部，水道的弯折部均为圆弧，其圆弧的半径大于等于水道的直径。

优选的，上外壳、下外壳的外周设有凸块，凸块上设有通孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)变压器外壳外部轮廓、变压器原边线圈安装腔体及其冷却水道、固定孔等均一次性铸造成型(一体成型)，减少后期机加工的工作量，大大提高了生产效率，大幅降低了制造成本。

2)由于目前变压器外壳采用的直接削切工艺，使得内置的水道拐弯处均为直角，无法形成圆弧过渡的水道，而本申请由于生产工艺的改进使得内置的水道拐弯处均为圆弧过度，可有效降低水流动时的运动阻力，增大了冷却效率。

3)用此方法制作变压器外壳时为包埋型砂后一次成型，可根据使用环境的水质不同选取不同的型砂和/或外壳材质，此种方法的耗时少，且生产的器件需要的后处理表面加工量少；即缩短了生产周期也降低了工作量。

附图说明

图1为本发明铸造式水冷高频变压器外壳结构的结构示意图；

图2为本发明铸造式水冷高频变压器外壳结构的剖面图；

图3为本发明铸造式水冷高频变压器外壳结构的其中一种水道形式示意图；

图4为本发明铸造式水冷高频变压器外壳结构的另外一种水道形式示意图。

图中：1-上外壳；2-下外壳；3-凸块；4-通孔；5-内腔；6-半圆柱；7-圆柱通孔；8-半圆孔；9-水道；101-上凹槽；102-上底边；202-下底边；301-磁芯；302-线圈；303-抽头线耳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1至图4所示，本发明可分为上外壳1和下外壳2两部分；这两部分除了凹槽部分其余地方均为镜像布置。

以上外壳1为例，其中部设有半圆柱6，在半圆柱6的矩形面旁设有贯穿的半圆孔8，半圆孔8的截面积等于或稍大于半圆柱6的截面积；半圆柱6的轴向面上设有圆柱通孔7。

上外壳1的内部挖空，在半圆柱6和半圆孔8的外围为环形的内腔5。

在上外壳1的内部设有水道9，水道9的出入水口位于上外壳的表面上；水道9的弯折部为圆弧过渡，其圆弧的半径大于等于水道9的直径。其水道9的形状可根据变压器的冷却效率要求而改变，在图3和图4中展示了两种水道9的形状；除图3、4所示外，水道9在外壳内部中时可经过其半圆柱6，进一步增加其冷却效率。

在上外壳1的上上设有两个凸块3，在凸块3和上外壳1的下方，共四处设有通孔4，通孔4内可安装螺丝或使用其他方式使得上外壳1和下外壳2组装在一起。

在上外壳1的内腔5的边缘上设有上凹槽101；在下外壳2的内腔5相对与上外壳1的一侧上设有下凹槽201。除了上凹槽101和下凹槽201外，上外壳1和下外壳2为镜像布置，因此不再详细阐述下外壳2的构造，下外壳2的构造可参考上外壳1。

本发明在工作时的组装如图2所示，在上外壳1和下外壳2的内腔5上安装有原边线圈绕组，原边线圈绕组由磁芯301和线圈302组成，并在上凹槽101和下凹槽201处引出抽头线耳303至壳外；然后上外壳1和下外壳2对扣安装；在通孔4上安装好螺丝并在内腔5中灌上导热系数较高且绝缘的环氧树脂或硅胶材料；把灌封好的变压器放置在真空箱内排出腔体气泡后静置固化并构成一个完整的水冷高频变压器。

两个半圆柱6为水冷高频变压器的两侧副边，上外壳1和下外壳2的的上底边102和下底边202作为构成水冷高频变压器的副边中心抽头。

本发明可使用砂型铸造、重力铸造、压力铸造或负压铸造等方式制作。

压力铸造和负压铸造类似，因此以压力铸造为例说明其铸造方式：

1)外壳型芯模具设计：确定分模面后，根据所需的外壳尺寸，设计外壳型芯模具的上模、下模(或前模、后模)。在成品变压器外壳上为通孔或埋孔(包括通孔4、圆柱通孔7等)的结构在加工外壳型芯模具上相应的位置时制作成抽芯结构。根据压铸铝性能，设定好拔模斜度，为了确保产品容易分模，拔模斜度需大于1度。型芯模具设置有水道型砂固定位置，用于锁定水道型砂。

2)水道型砂设计：根据变压器冷却效率等要求，确定水道形状。水道型砂为使用金属管包裹耐高温型砂，金属管为铝，耐高温型砂为石英砂。

3)加工外壳型芯模具：根据设计好的外壳型芯模具图纸，加工出高频变压器外壳型芯模具。外壳型芯模具材质使用高强度钢模具钢，并通过CNC数控加工、型芯模具内腔打磨抛光等工序加工出所需的模具。模具初加工后，再进行焠火硬化处理，提高模具硬度，增加模具寿命。

4)加工水道型砂：把铝金属管弯曲至所需的形状，把石英砂填充至铝金属管内，再把金属管两端密封。

5)把制作好的变压器外壳型芯模具放置在400吨压铸设备上。向模具的模腔内喷上润滑剂(润滑剂可帮助控制模具的温度并有助于铸件脱模，可使用水掺油的水基润滑剂)。把金属水道型砂放置在模具上的水道型砂固定位，闭合上型芯模具。把需要铸造的金属熔化，如果铸造的金属为铝合金时，浇铸温度保持在680-700℃，型腔温度190-210℃，用高压将熔融金属注射进模具内，压射比压约35-45MPa，保压时间5-10秒条件下将铝合金液压铸成成型。如果铸造的金属为锌合金时，浇铸温度保持在415-430℃，型腔温度120-140℃，用高压将熔融金属注射进模具内，压射比压约15-30MPa，保压时间5-10秒条件下将铝合金液压铸成成型。如果铸造的金属为铜合金时，浇铸温度保持在1100-1200℃，型腔温度300-450℃，用高压将熔融金属注射进模具内，压射比压约10-25MPa，保压时间8-15秒条件下将铝合金液压铸成成型。

6)把铸造后的变压器外壳，打磨开金属管水道型砂的一端，把内部的型砂倒出，然后将其进行去飞边、毛刺和打磨抛光的后处理。然后使用CNC机床对铸件产品端面(特别是导电安装面)进行精细铣切、钻孔、攻螺纹、去毛刺等处理。

在压力铸造中，金属管除了铝以外还可以使用铜或者不锈钢，耐高温型砂还可以使用耐高温陶瓷丸、钢丸；使用不同的金属管就要根据不同金属的熔点设计不同的浇筑温度、压射比压和保压时间。

压力铸造和负压铸造类似，其区别在于步骤5中使用抽气管和真空泵与铸造设备相连，并根据所需负压环境调整真空泵的参数。

从广义上来说砂型铸造和重力铸造类似，但从窄义上说，重力铸造是指金属型铸造，与压力铸造相比，其区别在于浇铸方式，重力铸造是自然重力状态下铸造。下面以重力铸造为例说明其铸造方式：

1)外壳型芯模具设计：确定分模面后，根据所需的外壳尺寸，设计外壳型芯模具的上模、下模(或前模、后模)。在成品变压器外壳上为通孔或埋孔(包括通孔4、圆柱通孔7等)的结构在加工外壳型芯模具上相应的位置时制作成抽芯结构。型芯模具设置有水道型砂固定位置，用于锁定水道型砂。

2)水道型砂设计：根据变压器冷却效率等要求，确定水道形状。水道型砂为使用金属管包裹耐高温型砂，金属管为铝，耐高温型砂为石英砂。

3)加工外壳型芯模具：根据设计好的外壳型芯模具图纸，加工出高频变压器外壳型芯模具。外壳型芯模具材质使用高强度钢模具钢，并通过CNC数控加工、型芯模具内腔打磨抛光等工序加工出所需的模具。模具初加工后，再进行焠火硬化处理，提高模具硬度，增加模具寿命。

4)加工水道型砂：把铝金属管弯曲至所需的形状，把石英砂填充至铝金属管内，再把金属管两端密封。

5)把制作好的变压器外壳型芯模具放置在地面或浇铸平台上。向模具的模腔内喷上润滑剂(润滑剂可帮助控制模具的温度并有助于铸件脱模，可使用水掺油的水基润滑剂)。把水道型砂放置在模具上的水道型砂固定位，闭合上型芯模具。把需要铸造的金属熔化，并将熔融的金属液浇筑在模具内成型。

6)把铸造后的变压器外壳，打磨开含有水道型砂的一端，把内部的型砂倒出，然后将其进行去飞边、毛刺和打磨抛光的后处理。然后使用CNC机床对铸件产品端面(特别是导电安装面)进行精细铣切、钻孔、攻螺纹、去毛刺等处理。

砂型铸造，与其它铸造相比，其区别在与所使用的模具型腔、水道型砂等均为粘土湿砂、粘土干砂或化学硬化砂。下面以砂型铸造为例说明其铸造方式：

1)外壳型芯模具设计：确定分模面后，根据所需的外壳尺寸，设计外壳型芯模具的上模、下模(或前模、后模)。型芯模具设置有水道型砂固定位置，用于锁定水道型砂。

2)水道型砂设计：根据变压器冷却效率等要求，确定水道形状。水道型砂为使用粘土湿砂。

3)加工外壳型芯砂型模具：根据设计好的外壳型芯模具图纸，制作出砂型模具。

4)把制作好的变压器外壳型芯模具放置在重力铸造设备上。向模具的模腔内喷上润滑剂(润滑剂可帮助控制模具的温度并有助于铸件脱模)。把水道型砂放置在模具上的水道型砂固定位，闭合上型芯模具。把需要铸造的金属熔化，并浇筑在重力铸造设备内成型。

4)加工水道型砂：使用粘土湿砂、粘土干砂或化学硬化砂等，制作水道型砂，并使其硬化。

5)把制作好的变压器外壳砂型模放置在地面或平台上。向砂型模的模腔内喷上润滑剂(润滑剂可帮助控制模具的温度并有助于铸件脱模)。把水道型砂放置在砂型模上的水道型砂固定位，闭合上砂型模。把需要铸造的金属熔化，并将熔融的金属液浇筑砂型模内成型。

6)把铸造后的变压器外壳，打磨开含有水道型砂的一端，把内部的型砂倒出，然后将其进行去飞边、毛刺和打磨抛光的后处理。然后使用CNC机床对铸件产品端面(特别是导电安装面)进行精细铣切、钻孔、攻螺纹、去毛刺等处理。

如果使用砂型铸造方式制成的产品，铸件产品内部水道易于产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷。由于砂型铸造或重力铸造制成的铸件产品金属组织致密度较压力铸造低，机械强度较低，耐蚀性能也较低。铸件为铝合金时，铸件产品不适合在水质较差的环境下使用。要提高铸件产品耐蚀性，铸件材质可使用铜或其它耐蚀性更好的材质，但制造成本会大幅提高。这两种铸造方法制成的产品铸件产品只适用于水质良好的环境，如用于超纯水且没有其他腐蚀调下的前提下。

使用压力铸造或负压铸造方式制成的产品，铸造完成后，型砂可顺利地倒出，水道内部光滑，没有夹砂、气孔等不良问题出现，而且还可根据实际使用的水质环境进行调整金属管材质。当使用的冷却水质较差，水道型砂金属管可选用耐蚀性能更好地铜或不锈钢管。而铸件材质仍可使用成本较低的铝合金，保持较低成本的同时又兼顾了使用性能。压力铸造或负压铸造的铸件产品金属组织较为致密，机械强度更高，表面质量更好。不重要的表面无需进行加工处理，可减少二次加工的工作量。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)外壳型芯模具加工：根据所需高频变压器外壳的尺寸，确定型芯模具的上模、下模并加工出外壳型芯模具，加工型芯模具时在成品外壳为通孔或/和埋孔的结构相应的位置制作成抽芯结构；

2)水道型砂加工：根据高频变压器的要求，确定水道形状后根据其水道形状设计型砂；

3)放置水道型砂：在外壳型芯模具内放置水道型砂；水道弯折处均为圆弧过度，水道弯折处最小半径大于等于水道的直径；

4)铸造成型：将液体金属浇铸到外壳型芯模具中铸造成型。

2.根据权利要求1所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：还包括步骤5)产品后处理：将铸造成型后的高频变压器外壳打磨，倒出内置的型砂，并去飞边、毛刺和打磨抛光。

3.根据权利要求1或2所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：铸造成型的方式包括砂型铸造、重力铸造、压力铸造和负压铸造。

4.根据权利要求3所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：当铸造成型的方式为砂型铸造时，水道型砂由粘土湿砂、粘土干砂和化学硬化砂制作；当铸造成型的方式为压力铸造、负压、重力铸造时，水道型砂为金属管包裹耐高温型砂。

5.根据权利要求4所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：当水道型砂为金属管包裹耐高温型砂时，金属管为铝、铜或不锈钢；耐高温型砂为石英砂、耐高温陶瓷丸或钢丸。

6.根据权利要求3所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：当铸造成型的方式为压力铸造、且铸造金属为铝合金时，其浇注温度为680-700℃、型腔温度为190-210℃、压射比压为35-45MPa和保压时间为5-10秒。

7.根据权利要求3所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：当铸造成型的方式为压力铸造、且压铸金属为锌合金时，其浇注温度为415-430℃、型腔温度为120-140℃、压射比压为15-30MPa和保压时间为5-10秒。

8.根据权利要求3所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构的制备方法，其特征在于：当铸造成型的方式为压力铸造、且压铸金属为铜合金时，其浇注温度为1100-1200℃、型腔温度为300-450℃、压射比压为10-25MPa和保压时间为5-10秒。

9.根据权利要求1-8任一所述方法制备的一种铸造式水冷高频变压器外壳结构，其特征在于：包括上外壳和下外壳；所述上外壳、下外壳的中部均设有半圆柱，在半圆柱的矩形面旁设有贯穿的半圆孔，所述半圆孔截面积大于等于半圆柱的截面积；所述半圆柱的轴向面上设有圆柱通孔；

在上外壳、下外壳的半圆柱和半圆孔外设有环形的内腔；在上外壳的内腔的边缘上设有一上凹槽；在下外壳的内腔的边缘上设有一下凹槽；上凹槽和下凹槽相对；在上外壳、下外壳的外周设有通孔；

在上外壳、下外壳的内部设有水道，水道在上外壳、下外壳的外表面上与水孔连通，所述水道经过半圆柱的内部，水道的弯折部均为圆弧，其圆弧的半径大于等于水道的直径。

10.根据权利要求9所述的铸造式水冷高频变压器外壳结构，其特征在于：所述上外壳、下外壳的外周设有凸块，凸块上设有通孔。