CN111899964B - 一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，输出线圈为多个，并自上而下依次套装于输入线圈的外侧；上磁轭和下磁轭分别设置于壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；固体绝缘填充结构分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输入线圈与分段式磁芯柱之间以及壳式磁芯及绕组组件与磁轭之间。中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，上、下两段均采用高磁导率磁性材料。本发明固体绝缘材料具有高的击穿电场强度、良好的导热性能，使得绝缘间距比传统空气绝缘间距小，不存在变压器油循环和外部封闭油箱及其冷却变压器油所需的散热结构，提高了变压器的功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及高频变压器技术领域，具体地，涉及一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器。
背景技术
电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。总之，升压与降压都必须由变压器来完成。在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。利用变压器提高电压，减少了送电损失。
现有的电力变压器产品中，兆瓦级大容量光伏发电直接并网工频配电变压器占用空间大，消耗材料多。模块化高频变压器尺寸比传统工频变压器小得多、功率密度高，采用隔离型多电平光伏逆变交流并网发电系统需要数量较多的多绕组高频变压器。高频变压器损耗的热负荷高，散热困难，高压状态引线绝缘间距大，使得传统空冷绝缘结构高频变压器的体积大且散热困难，而变压器油冷却需要油箱和复杂的散热结构，不利于多模块高电压和高油压系统。
因此们如何提供一种具有良好导热性能的电力变压器，成为本领域亟待解决的问题。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，包括：壳式磁芯及绕组组件、磁轭和固体绝缘填充结构；其中：
所述壳式磁芯及绕组组件中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱，绕组包括输入线圈和输出线圈，其中，所述输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，所述输出线圈为多个，并自上而下依次套装于所述输入线圈的外侧；
所述磁轭包括上磁轭、下磁轭以及分别与上磁轭和下磁轭连接且呈空间对称分布的多个旁路磁轭，其中，所述上磁轭和下磁轭分别设置于所述壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，所述多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；
所述固体绝缘填充结构分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输出线圈与分段式磁芯柱之间、输出线圈与旁路磁轭之间、以及壳式磁芯及绕组组件与上磁轭和下磁轭之间。
优选地，所述分段式磁芯柱包括上、中、下三部分，其中，中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于上、下两段磁芯柱，上、下两段磁芯柱均采用高磁导率磁性材料。
优选地，所述低磁导率磁性材料和高磁导率磁性材料的工作频率均为100kHz以上。
优选地，所述低磁导率磁性材料，包括相对磁导率小于50的铁硅铝。
优选地，所述高磁导率磁性材料，包括相对磁导率超过1000锰锌铁氧体。
优选地，所述中段磁芯柱长度根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整。
优选地，所述上磁轭和下磁轭均包括中间圆盘部分和与中间圆盘部分一体成型的多个分支部分，其中，所述中间圆盘部分覆盖输入线圈和输出线圈，多个分支部分分别与多个旁路磁轭一一对应连接。
优选地，所述上磁轭、下磁轭和旁路磁轭均采用高磁导率磁性材料。
优选地，所述输入线圈采用圆筒式偶数层绕线，输入线圈的引出线附近线匝与相邻层之间设有绝缘间距；
所述输出线圈为偶数个，分别采用饼式结构，其中每一个输出线圈的匝数均相同，相邻两个输出线圈的绕向相反，降低工作状态的相邻线圈导体匝间的最大电压差；
所述输入线圈和输出线圈的每匝导线均由多股细导线交叉换位制成，其中，细导线直径小于工作频率下的电磁波的透入深度。
优选地，所述输入线圈的引出线在靠近上磁轭侧，所述输出线圈的引出线外部包覆有交联聚乙烯绝缘材料，且每一个输出线圈的引出线均与输入线圈的引出线不在同一侧。
优选地，所述输入线圈的引出线和输出线圈的引出线分离。
优选地，所述输入线圈的引出线和输出线圈的引出线均可以与外电路联结。
优选地，所述固体绝缘填充结构含有氧化铝。
优选地，所述上、下两段磁芯柱和磁轭分别采用高磁导率磁性材料(高频且低损耗的磁性材料)，主电感的主磁路磁通经过分段式磁芯柱的具有低磁导率的中段，使得主电感降低，而漏电感的漏磁路主要是输入线圈、输出线圈及其之间的固体绝缘填充结构空间，而上磁轭和下磁轭覆盖输入和输出线圈的范围使得漏电感增大，从而使输入线圈侧等效漏电感增大，与串联电容形成谐振，输入侧开关实现零电流切换的软开关控制，达到谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下至少一项的有益效果：
1、本发明提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，是一种具有良好导热性能的大容量固体绝缘多绕组高频变压器。
2、本发明提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，具有良好导热性能的固体绝缘结构多绕组高频变压器，这种结构绝缘强度高、散热性能好、功率密度高，便于多模块系统集成且避免高油压冷却系统。
3、本发明提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，可以根据需要将输入线圈的引出线和输出线圈的引出线分离，能够保证高绝缘强度要求、高热负荷散热能力和高功率密度要求。
4、本发明提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，针对多绕组高频变压器，通过采用分段式磁芯柱的低磁导率中段长度调整降低主电感，结构方面通过上磁轭和下磁轭覆盖输入线圈和输出线圈、优化输入线圈和输出线圈之间绝缘间隔以及饼式输出线圈高度等方法增大漏电感，解决了谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计，以及高功率密度、高绝缘强度、良导热性能等关键问题，便于系统集成，避免变压器油冷却带来的高油压和封闭油箱冷却难题。
5、本发明提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其所采用的固体绝缘材料具有高的击穿电场强度、良好的导热性能，使得绝缘间距比传统空气绝缘间距小，不存在变压器油循环和外部封闭油箱及其冷却变压器油所需的散热结构，提高了变压器的功率密度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中的电路原理示意图；
图2为本发明一优选实施例中的多绕组高频变压器结构示意图；其中，(a)为壳式磁芯与旁路磁轭之间的位置关系结构示意图；(b)为分段式磁芯柱结构示意图；(c)为上磁轭、旁路磁轭以及固体绝缘填充结构之间的连接关系示意图；
图3为本发明一实施例的多绕组高频变压器剖视图；
图中：1为输入线圈，2为输出线圈(多个)，3为上磁轭，4为下磁轭，5为旁路磁轭，6为分段式磁芯柱(其中，上段6-1和下段6-3以及上磁轭3、下磁轭4和旁路磁轭5均采用高磁导率磁性材料，中段6-2为低磁导率磁性材料且饱和磁感应强度更高),7为固体绝缘填充结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，该高频变压器用于双极性高频方波电压输入、多路输出H桥不控整流和H桥逆变级联结构，解决了谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计问题，以及高功率密度、多绕组变压器高绝缘强度、相邻输出线圈间最大工作电压的最小化和高热负荷散热问题。
本发明实施例采用了如下技术方案。
该高频变压器，包括：壳式磁芯及绕组组件、磁轭和固体绝缘填充结构；其中：
壳式磁芯及绕组组件中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱，绕组包括输入线圈和输出线圈，其中，输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，输出线圈为多个，并自上而下依次套装于输入线圈的外侧；
磁轭包括上磁轭、下磁轭以及分别与上磁轭和下磁轭连接且呈空间对称分布的多个旁路磁轭，其中，上磁轭和下磁轭分别设置于壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；
固体绝缘填充结构分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输入线圈与分段式磁芯柱之间、输出线圈与旁路磁轭之间、以及壳式磁芯及绕组组件与上磁轭和下磁轭之间。
作为一优选实施例，分段式磁芯柱包括上、中、下三部分，其中，中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于上、下两段磁芯柱，上、下两段磁芯柱均采用高磁导率磁性材料。
作为一优选实施例，低磁导率磁性材料和高磁导率磁性材料的工作频率均为100kHz以上。
作为一优选实施例，低磁导率磁性材料包括：相对磁导率小于50的铁硅铝。
作为一优选实施例，高磁导率磁性材料包括：相对磁导率超过1000的锰锌铁氧体。
作为一优选实施例，中段磁芯柱长度根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整。
作为一优选实施例，上磁轭和下磁轭均包括中间圆盘部分和与中间圆盘部分一体成型的多个分支部分，其中，中间圆盘部分覆盖输入线圈和输出线圈，减小了主电感而增加漏电感，多个分支部分分别与多个旁路磁轭一一对应连接。
多个旁路磁轭空间对称分布，使得整体磁路结构空间对称；分段式磁芯柱没有非磁性材料间隙，中段低磁导率磁芯柱长度可以根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整，相当于采用高磁导率磁芯柱中间增加非磁性气隙的效果，但由于没有非磁性材料间隙引起的扩散磁场对绕组的附加损耗，也可避免多段非磁性材料间隔引起的磁性材料散热问题。
作为一优选实施例，上磁轭和下磁轭的分支部分以及旁路磁轭的数量均为三个。
作为一优选实施例，上磁轭、下磁轭和旁路磁轭均采用高磁导率磁性材料。
作为一优选实施例，高磁导率磁性材料包括：相对磁导率超过1000的锰锌铁氧体。
作为一优选实施例，输入线圈采用圆筒式偶数层绕线，输入线圈的引出线附近线匝与相邻层之间设有绝缘间距。
作为一优选实施例，输出线圈为偶数个以确保输出线圈的引线在最外侧，分别采用饼式结构，其中每一个输出线圈的匝数均相同，相邻两个输出线圈的绕向相反，以最小化不同控制状态下相邻线圈间的最大电压，即，降低工作状态的相邻线圈导体匝间的最大电压差。
作为一优选实施例，输入线圈和输出线圈的每匝导线均由多股细导线交叉换位制成，其中，细导线直径小于工作频率下的电磁波的透入深度。
作为一优选实施例，输入线圈的引出线在靠近上磁轭侧，输出线圈的引出线外部包覆有交联聚乙烯绝缘材料，且每一个输出线圈的引出线均与输入线圈的引出线不在同一侧，可以耐受高压电场。
作为一优选实施例，输入线圈的引出线和输出线圈的引出线分离。
作为一优选实施例，固体绝缘填充结构含有氧化铝，是一种具有良导热性能的高击穿电场强度固体绝缘材料，具有良好的导热性能。
高频变压器的输入线圈与输出线圈之间、输出线圈与上下磁轭和旁路磁轭之间的绝缘可以耐受高压电场。
作为一优选实施例，上、下两段磁芯柱和磁轭分别采用高频且低损耗的高磁导率磁性材料(如锰锌铁氧体)，主电感的主磁路磁通经过分段式磁芯柱的低磁导率中段(如采用铁硅铝)，使得主电感降低，而漏电感的漏磁路主要是输入线圈、输出线圈及其之间的固体绝缘填充结构空间，而上磁轭和下磁轭覆盖输入线圈和输出线圈的范围使得漏电感增大，从而使输入线圈侧等效漏电感增大，与串联电容形成谐振，输入侧开关实现零电流切换的软开关控制，达到谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计。
下面结合附图对本发明实施例所提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器进一步详细描述。
如图1所示，是本发明一优选实施例中的电路原理示意图；
图2是图1中多绕组高频变压器的结构示意图，图中：1为输入线圈，2为输出线圈(多个)，3为上磁轭，4为下磁轭，5为旁路磁轭(三个)，6为分段式磁芯柱(其中，上段6-1和下段6-3以及上磁轭3、下磁轭4和旁路磁轭5均为高磁导率磁性材料，中段6-2为低磁导率磁性材料但饱和磁感应强度更高)，7为固体绝缘材料结构，磁轭内部空间填充具有良导热性能的固体绝缘材料结构固定输入和输出线圈。
图3为图2中多绕组高频变压器的剖视图。
具体的，本发明实施例所提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱6，绕组包括输入线圈1和多个输出线圈2，输入线圈1紧靠分段式磁芯柱6，输入线圈1外自上而下依次布置多个输出线圈2，输入线圈1与输出线圈2之间、输入线圈1与分段式磁芯柱6之间、输入线圈1、输出线圈2与上磁轭3、下磁轭4和旁路磁轭5之间填充具有良导热性能的高击穿电场强度固体绝缘材料结构7，所有线圈引出线可以与外电路联结。上磁轭3、下磁轭4和三个对称分布的旁路磁轭5分别设置于壳式磁芯及绕阻组件的上侧、下侧和外侧。
壳式磁芯和磁轭采用高频且低损耗的磁性材料，主电感的主磁路磁通经过分段式磁芯柱低磁导率中段，使得主电感降低，而漏电感的漏磁路主要是输入线圈、输出线圈及其之间的固体绝缘填充结构空间，而上下磁轭覆盖输入和输出线圈的范围使得漏电感增大，从而使输入线圈侧等效漏电感增大，与串联电容形成谐振，输入侧开关实现零电流切换的软开关控制，达到谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计，分段式磁芯柱的中段6-2采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于其他部分磁芯，而上段6-1、下段6-3和磁轭3、4和5均采用高磁导率磁性材料；上、下磁轭中间部分圆盘覆盖输入和输出绕组，增加漏电感，圆盘与三个分支磁轭一体，三个分支磁轭与旁路磁轭连接且空间对称分布，使得整体磁路结构空间对称；中间分段磁芯柱没有非磁性材料间隙，中段低磁导率磁芯柱长度可以根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整，相当于采用高磁导率磁芯柱中间增加非磁性气隙的效果，但由于没有非磁性材料间隙引起的扩散磁场对绕组的附加损耗，也可避免多段非磁性材料间隔引起的磁性材料散热问题。
输入线圈1靠近分段式磁芯柱6，采用圆筒式偶数层绕线，引线附近线匝与相邻层之间增加绝缘间距，输出线圈2采用饼式多层结构，多个输出线圈2匝数相同，套装在输入线圈1外部且依次上、下顺序排列，相邻输出线圈2的绕向相反，以最小化不同控制状态下相邻线圈间的最大电压。
输入线圈1与分段式磁芯柱6之间、输入线圈1与输出线圈2之间、输入线圈1、输出线圈2与上磁轭3、下磁轭4之间、输出线圈2与旁路磁轭5之间均填充含有氧化铝的固体绝缘材料结构7且具有良好的导热性能；输入线圈1引线在靠近上磁轭侧，输出线圈2的引出线外部包裹交联聚乙烯绝缘材料，输出线圈2引线均与输入线圈1引线不在同一侧，可以耐受高压电场。
高频变压器输入线圈1与输出线圈2之间，输出线圈2与分段式磁芯柱6之间的绝缘可以耐受高压电场。
固体绝缘材料结构7具有高的击穿电场强度、良好的导热性能，使得绝缘间距比传统空气绝缘间距小，不存在变压器油循环和外部封闭油箱及其冷却变压器油所需的散热结构，提高了变压器的功率密度。
输入线圈1采用偶数层结构，确保引线位于同一侧，多个输出线圈2的匝数相同，均采用多层结构，并且各输出线圈依次上、下排列，相邻输出线圈之间绕向相反，最小化相邻输出线圈之间的最大电压差。
本发明上述实施例所提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，针对多绕组高频变压器，解决了谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计，以及高功率密度、高绝缘强度、良导热性能等关键问题，便于系统集成，避免变压器油冷却带来的高油压和封闭油箱冷却难题。
本发明上述实施例所提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，固体绝缘材料具有高的击穿电场强度、良好的导热性能，使得绝缘间距比传统空气绝缘间距小，不存在变压器油循环和外部封闭油箱及其冷却变压器油所需的散热结构，提高了变压器的功率密度。
本发明上述实施例所提供的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，用于双极性高频方波电压输入、多路输出H桥不控整流和H桥逆变级联结构，解决了谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计问题，以及高功率密度、多绕组变压器高绝缘强度、相邻输出线圈间最大工作电压的最小化和高热负荷散热问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，包括：壳式磁芯及绕组组件、磁轭和固体绝缘填充结构；其中：
所述壳式磁芯及绕组组件中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱，绕组包括输入线圈和输出线圈，其中，所述输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，所述输出线圈为多个，并自上而下依次套装于所述输入线圈的外侧；
所述磁轭包括上磁轭、下磁轭以及分别与上磁轭和下磁轭连接且呈空间对称分布的多个旁路磁轭，其中，所述上磁轭和下磁轭分别设置于所述壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，所述多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；
所述固体绝缘填充结构分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输入线圈与分段式磁芯柱之间、输出线圈与旁路磁轭之间、以及壳式磁芯及绕组组件与上磁轭和下磁轭之间；
所述固体绝缘填充结构含有氧化铝。
2.根据权利要求1所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述分段式磁芯柱包括上、中、下三部分，其中，中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于上、下两段磁芯柱，上、下两段磁芯柱均采用高磁导率磁性材料；所述低磁导率磁性材料和高磁导率磁性材料的工作频率均为100kHz以上。
3.根据权利要求2所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述中段磁芯柱长度根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整。
4.根据权利要求1所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述上磁轭和下磁轭均包括中间圆盘部分和与中间圆盘部分一体成型的多个分支部分，其中，所述中间圆盘部分覆盖输入线圈和输出线圈，多个分支部分分别与多个旁路磁轭一一对应连接。
5.根据权利要求4所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述上磁轭、下磁轭和旁路磁轭均采用高磁导率磁性材料。
6.根据权利要求1所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，
所述输入线圈采用圆筒式偶数层绕线，输入线圈的引出线附近线匝与相邻层之间设有绝缘间距；
所述输出线圈为偶数个，分别采用饼式结构，其中每一个输出线圈的匝数均相同，相邻两个输出线圈的绕向相反；
所述输入线圈和输出线圈的每匝导线均由多股细导线交叉换位制成，其中，细导线直径小于工作频率下的电磁波的透入深度。
7.根据权利要求6所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述输入线圈的引出线在靠近上磁轭侧，所述输出线圈的引出线外部包覆有交联聚乙烯绝缘材料，且每一个输出线圈的引出线均与输入线圈的引出线不在同一侧。
8.根据权利要求6所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，所述输入线圈的引出线和输出线圈的引出线分离。
9.根据权利要求2所述的具有固体绝缘结构的多绕组高频变压器，其特征在于，上、下两段磁芯柱和磁轭分别采用高磁导率磁性材料，主电感的主磁路磁通经过分段式磁芯柱的中段，使得主电感降低，而漏电感的漏磁路主要是输入线圈、输出线圈及其之间的固体绝缘填充结构空间，而上磁轭和下磁轭覆盖输入和输出线圈的范围使得漏电感增大，从而使输入线圈侧等效漏电感增大，与串联电容形成谐振，输入侧开关实现零电流切换的软开关控制，达到谐振软开关控制高频变压器主电感和漏电感集成设计。
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