CN110942906A - 一种大功率风冷模块变压器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率风冷模块变压器及其设计方法,其是将该变压器设计为一种区域分部的结构，借助所述区域分布法将该变压器的窗口划分为三个区域：第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C，并将中间部分的避气隙区域C设计为具风道结构的避气隙部分，绕线时是分别在第一绕线区域A和第二绕线区域B内进行，从而能在有效利的用风道散热的同时又使线包完美避开了气隙，以提高变压器内部线包和磁芯以及该变压器后方被遮挡器件的散热，并避免气隙磁场切割导致线包异常发热。
Description
技术领域
本发明涉及变压器设计领域，尤指一种大功率风冷模块变压器及其设计方法。
背景技术
目前，随着新能源汽车的使用量越来越多，作为配套设施，充电桩的架设需求也就越来越多，但是受制于设置场地的限制，虽然充电桩模块功率越来越大，体积却需要保持不增加。因此，对于模块内部最为关键的主功率器件之一变压器的设计就要受到空间和功率的双重约束。需要变压器的体积尽量小，线经尽量粗，磁芯窗口利用率尽量高，且绕制线包需避开气隙，这对主变压器的设计提出了更高的要求。
而传统的主功率变压器，随着功率的增加，变压器体积会相应增加，且其绕制所使用的线经也会增加，因而导致磁芯窗口会被高度占据，进而导致基本无风可以吹到变压器后侧。因此带来的后果是，处于背风侧的磁芯、线包以及变压器后方被遮挡的器件散热能力很差，给充电模块设计带来了很高的技术难度。
一般来说，磁性元器件的设计需要考虑磁材、线经、圈数、电感量等参数。磁材的选型，受空间体积的限制，通常需要选择Aw(窗口面积)尽量大、Ae(磁芯有效截面积)尽量大的型材；线材的选型，在保证可以完成绕制的前提下，需要根据流经变压器的电流有效值和电流密度(风冷模块电流密度一般小于8A/mm2)选择线经尽量大的；圈数设计时需要考虑ΔB，以使得磁芯不会出现饱和，根据公式
可以计算出圈数(其中，Lm为变压器初级电感量；工作频率在100k以上时，ΔB一般应小于0.2，且越小越好)；主网络设计好电感量参数，磁材完成选型后，则可以计算出气隙的大小，根据公式
可以发现电感量越小，圈数越多，型材Ae越大，则必然会导致气隙越大，而气隙带来的散磁会因切割线包而增加线包的损耗，导致线包的温升急剧增加，设计时必须要考虑使线包避开气隙。
目前，常见的大功率变压器避气隙的方法多采用“挡墙”来避开气隙，“挡墙”是一个封闭的实体空间，既不能绕线又不能通风，降低了磁芯窗口的利用率。为减小变压器的漏感，常用的设计方法多采用“三明治”绕制，即初次级线包采用互相包裹的方式绕制，这样绕制的线包会多次穿过气隙磁场，其不仅不能有效规避气隙，还会降低磁材的窗口利用率；并且由此导致变压器磁芯和线包的中心部分(热量最集中的位置)被完全遮盖难以有效散热。
在采用风冷方式的变压器中，这一问题尤其明显，为此，发明人经长期研究，提供了一种主功率变压器及其设计方法，通过该方法设计的变压器可应用于风冷模块中，以解决因主功率变压器本身引起的温升过高，以及变压器后方被遮挡器件温升过高的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种大功率风冷模块变压器及其设计方法，其可有效规避气隙，并提高磁材的窗口利用率；以及同时能解决由于变压器最热的磁芯或线包的中心部分被完全遮盖难以有效散热的问题，并且进一步解决变压器后方被遮挡器件温升过高的问题。
为达上述目的，本发明提供了一种大功率风冷模块变压器设计方法,其是将该变压器设计为一种区域分部的结构，借助所述区域分布法将该变压器的窗口划分为三个区域：第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C，并将中间部分的避气隙区域C设计为具风道结构的避气隙部分，绕线时是分别在第一绕线区域A和第二绕线区域B内进行，从而能在有效利的用风道散热的同时又使线包完美避开了气隙，以提高变压器内部线包和磁芯以及该变压器后方被遮挡器件的散热，并避免气隙磁场切割导致线包异常发热。
其中，优选的是，该方法可将所述变压器化分为两部分变压器，且两个线包分别在第一绕线区域A、第二绕线区域B中进行绕制，最后再进行并联使用，以使所述绕制方式方法完全一致，使得两部分线包的特性参数高度一致，且处于同一磁芯下，基本可以不用担心不均流问题。
较佳的是：区域A、区域B两部分的磁芯可以采用均分气隙，即上下两部分的气隙打磨同样大小，一方面使得气隙正好平分在区域C部分，一方面使得上下部分的磁芯保持一致性，同线包一样提高了可生产性。
其中，较佳的是，在所述第一绕线区域A的绕组出线时，使该出线设在线包层外侧，以使其远离气隙。并且所述出线进一步的可设于变压器磁芯不遮挡风道的一端。
优选的是，在该方法中将第一绕线区域A及第二绕线区域B分别设置为绕线槽，所述绕线槽邻近避气隙区域C的分隔板之间通过连接部连接，使所述分隔板、连接部及磁芯之间形成前后连通的风道。此时所述连接部可包围磁芯的芯柱部分，并且包裹部分对应磁隙可设有至少一条长条状的开窗。
本发明还提供了一种由此方法设计的一种大功率风冷模块变压器,该变压器的窗口具有三个区域：第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C，其中，线圈分别缠绕在第一绕线区域A和第二绕线区域B内，而位于中间部分的避气隙区域C与该变压器磁芯的磁隙位置相对应，同时该避气隙区域C具有用于散热的风道结构，以能在有效利的该用风道结构散热的同时又使所述线包避开气隙，以提高变压器内部线包和磁芯以及该变压器后方被遮挡器件的散热，并避免气隙磁场切割导致线包异常发热。
其中，较佳的是，所述风道结构由所述线区域的绕线槽端面及磁芯侧壁构成。并且进一步的，将其中避气隙区域C设为禁止绕线部分，并能同时作为通风道使用；而第一绕线区域A和第二绕线区域B分别为绕线区，且绕线时禁止交叉。
进一步的，所述第一绕线区域A及第二绕线区域B的所述绕线槽端面之间设有连接部，所述连接部可为导流肋条或者是变压器容置磁芯的骨架。优选的所述连接部包裹该变压器的磁芯。并且在不影响强度的基础上，可在所述连接部对应于磁隙的位置设置多个散热窗口。
本发明有益效果在于，借助上述技术方案，充分利用了充电桩模块是风冷模式的特点，设计了一种区域分部变压器，有效利用风道的同时又完美避开了气隙。既提高了变压器内部线包和磁芯的散热，又避免了气隙磁场切割导致线包异常发热，实现了双赢。
附图说明
图1为本发明的设计方法设计的大功率风冷模块的区域分部式变压器的内部结构示意图；
图2为本发明的设计方法设计的具专用骨架的区域分部式变压器变的3D效果图；
图3为图2所述的变压器绕制示意图。
其中：
A第一绕线区域 B第二绕线区域
C避气隙区域 11风道
N1-A、N2-A、N1-B、N2-B为线号，最终N1-A和N1-B并联到期一起，作为N1绕组；N2绕组同理。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
针对以上问题，本发明提出了一种大功率风冷模块的区域分部式变压器设计方法，其是通过将变压器设计为一种区域分部的结构的设计方法，借助区域分布法将所述变压器的窗口划分为三个区域(第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C)，将中间部分也就是位于避气隙区域C的避气隙部分设计为风道结构，并以避气隙部分为分界线，在其余的部分绕线，从而能在有效利的用风道散热的同时又使线包完美避开了气隙。既提高了变压器内部线包和磁芯的散热，又避免了气隙磁场切割导致线包异常发热，实现了双赢。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1及图3所示，本发明借助采取区域分布法，是将该变压器窗口划分为三个区域，并且以该避气隙部分(避气隙区域C)为分界线，将上半部分设为第一绕线区域A，下半部分设为第二绕线区域B，中间部分也就是避气隙部分(风道部分)为避气隙区域C。从而将该变压器化分为两部分变压器，两个线包在第一绕线区域A、第二绕线区域B分别进行绕制，最后再进行并联使用。绕制方式方法完全一致，使得两部分线包的特性参数高度一致，且处于同一磁芯下，基本可以不用担心不均流问题。
在本具体实施例中绕制方法可参见图1，绕组N1分为子绕组(N1-A、N1-B)绕组N2分为子绕组(N2-A、N2-B)，最终子绕组N1-A和N1-B并联到期一起，作为绕组N1；N2绕组同理。
同时，该种绕制方式还有两个好处，一是上下两部分线包可绕的完全一样，复制性强，且绕制时不会互相影响，可以实现完美的三明治绕法，有效降低漏感。二是只有在第一绕线区域A绕组出线时会穿过一次气隙，且该出线可以设在线包层外侧，使其距离气隙较远，能够实现很完美的避气隙效果。
为了实现上述设计方法，发明人还专门为上述新型变压器设计了新式的骨架，参见图2为本发明采用该新式骨架的区域分部式变压器的3D效果图，由图示可以明显看出该种变压器实现了强避气隙的目的，且高效的利用了磁芯窗口和风冷模块风道。
并请参见图3，其为本具体实施例的图2所述的变压器绕制示意图，在本具体实施例中，该变压器采用的一种专用骨架，该骨架分成上下的绕线区(A、B)以及中间的避气隙区域C(风道11)。其中上下两层可以绕线，而中间独立设计风道，同时，在保证骨架强度的前提下，尽量多开窗，使得风道更为顺畅，其具体的内部结构如图1所示，其中避气隙区域C为禁止绕线部分，同时作为通风道使用；而第一绕线区域A和第二绕线区域B分别为绕线区，且绕线时禁止交叉。
同时第一绕线区域A绕组出线经过避气隙区域C时，应该是如图3所示，分别设置在该骨架的避气隙区域C的没有设置风道的一侧边的不遮挡风道的角隅，可设置在出线槽内。
由于风道设置于避气隙区域C中间的挡墙内部，因而，风道壁上设有加强筋，优选的，所述加强筋可沿风道流通方向倾斜。
综上所述，根据本发明的设计方法所制作区域分部式变压器，比较其他方式制作的变压器工作温升要低很多，且可设计的空间更大，有效解决了大功率风冷模块主变压器设计难题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种大功率风冷模块变压器设计方法,其特征在于，其是将该变压器设计为一种区域分部的结构，借助所述区域分布法将该变压器的窗口划分为三个区域：第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C，并将中间部分的避气隙区域C设计为具风道结构的避气隙部分，绕线时是分别在第一绕线区域A和第二绕线区域B内进行，从而能在有效利的用风道散热的同时又使线包完美避开了气隙，以提高变压器内部线包和磁芯以及该变压器后方被遮挡器件的散热，并避免气隙磁场切割导致线包异常发热。
2.根据权利要求1所述的一种大功率风冷模块变压器设计方法，其特征在于，该方法将所述变压器化分为两部分变压器，两个线包分别在第一绕线区域A、第二绕线区域B进行绕制，最后再进行并联使用，以使所述两个线包绕制方式方法完全一致，使得两部分线包的特性参数高度一致，且处于同一磁芯下，避免了不均流问题。
3.根据权利要求2所述的一种大功率风冷模块变压器设计方法，其特征在于，在所述第一绕线区域A的绕组出线时，使该出线设在线包层外侧，以使其远离气隙。
4.根据权利要求3所述的一种大功率风冷模块变压器设计方法，其特征在于：所述出线设于变压器磁芯不遮挡风道的一端。
5.根据权利要求1所述的一种大功率风冷模块变压器设计方法，其特征在于：将第一绕线区域A及第二绕线区域B分别设置为绕线槽，所述绕线槽邻近避气隙区域C的分隔板之间通过连接部连接，使所述分隔板、连接部及磁芯之间形成前后连通的风道。
6.一种大功率风冷模块变压器,其特征在于，该变压器的窗口具有三个区域：第一绕线区域A、第二绕线区域B及避气隙区域C，其中，线圈分别缠绕在第一绕线区域A和第二绕线区域B内，而位于中间部分的避气隙区域C与该变压器磁芯的磁隙位置相对应，同时该避气隙区域C具有用于散热的风道结构，以能在有效利的该用风道结构散热的同时又使所述线包避开气隙，以提高变压器内部线包和磁芯以及该变压器后方被遮挡器件的散热，并避免气隙磁场切割导致线包异常发热。
7.根据权利要求6所述的一种大功率风冷模块变压器，其特征在于，所述风道结构由所述线区域的绕线槽端面及磁芯侧壁构成。
8.根据权利要求7所述的一种大功率风冷模块变压器，其特征在于，第一绕线区域A及第二绕线区域B的所述绕线槽端面之间设有连接部，所述连接部为导流肋条。
9.根据权利要求8所述的一种大功率风冷模块变压器，其特征在于：所述连接部包裹该变压器的磁芯。
10.根据权利要求9所述的一种大功率风冷模块变压器，其特征在于：所述连接部对应于磁隙的位置设有多个散热窗口。
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