CN112289566A - 变压器装置 - Google Patents

Abstract

描述了用于变压器的系统、装置和方法，该变压器被设计用于支持参考不同电压水平的两组或更多组绕组。使用半导电屏蔽可引导由不同电压水平引起的电场，使其在变压器的第一区域中具有第一振幅，在变压器的第二区域中具有第二振幅，并且可以实现绝缘材料和变压器设计的高效和成本效益高的使用。

Description

变压器装置

背景技术

变压器是一种电子设备，其包括至少两个绕组，有时也称为初级和次级绕组。变压器在第一和第二绕组之间提供电流隔离。在某些情况下，如果第一绕组中的绕组数与第二绕组中的绕组数不同，则变压器提供电压转换。期望减小两组绕组之间存在的电场，以减小使绕组绝缘的绝缘介质所经历的电应力。还期望减少用于促进变压器的有效冷却的封装材料的量。

发明内容

以下发明内容提供了某些特征的简化概述。此概述并非广泛综述，而且并非旨在标识关键或重要要素。

描述了一种用于变压器的系统、装置和方法，该变压器包括至少两组绕组以及至少两个半导电屏蔽，该至少两个半导电屏蔽被配置和设置为引起两个半导电屏蔽之间的第一电场、第一半导电屏蔽和第一组绕组之间的第二电场以及第二半导体屏蔽层和第二组绕组之间的第三电场。根据本文的公开的特征，第二和第三电场可以小于第一电场。相对于第二和第三电场增强第一电场可以使得能够使用减少的绝缘来布置绕组组，并且可以提高变压器元件的冷却效率。

这些和其他特征和优点在下面更详细地描述。

附图说明

在附图中通过示例而非限制地示出了一些特征。在附图中，相同的附图标记指代相似的元件。

图1示出了根据本文的公开内容的变压器。

图2示出了根据本文的公开内容的变压器的其他细节。

图3示出了根据本文的公开内容的变压器的其他细节。

图4根据剖面图示出了根据本公开的变压器的其他细节，并且其包括电场指示。

具体实施方式

形成本文的一部分的附图展示了本公开的实例。应理解，附图中所展示和/或本文中所论述的实例是非排他性的，并且存在可以如何实践本公开的其它实例。现在参考图1，其示出了如下文所述的变压器100。变压器100包括芯110，并且被壳体120包围。壳体120可以由例如树脂制成，并且可以被布置为保护变压器100的内部部件(例如，防止灰尘、湿气等)，并且如图1所示，可以遮挡其他内部组件的外部查看，下面将对其进行显示和详细讨论。芯110可以由铁磁材料或铁磁化合物制成，并且可以设计成使由变压器100的绕组(图1中未示出)感应的磁通量主要流过芯110。

变压器100可以被放置在接地的导电壳体或外壳(例如，未示出的盒子)或接地的导电框架中，以增加安全性并减少从变压器100泄漏的电场。

现在参考图2，其示出了如图1所示的被壳体120遮盖的变压器100的附加元件。除芯110之外，变压器100还包括第一绕组210a和210b、第一内部屏蔽盖211a、第二内部屏蔽盖211b、第一外部屏蔽盖212a、第二外部屏蔽盖212b、第一绕线架213a和第二绕线架213b。变压器100可以包括在图2中被第一绕组210a和210b隐藏的附加组件，下面将对其进行描述。

在图2所示的说明性设计中，芯110是矩形的，具有两个支脚，和两个较短的连接平行支脚以形成完整磁路的构件。根据一些特征，芯110还可包括气隙。第一绕组210a和210b分别缠绕在平行支脚之一上。

示出的绕组210a和210b均具有单个导电材料绕组，该导电材料基本上填充了第一外部屏蔽盖212a和第二外部屏蔽盖212b之间的整个空间。根据本文的公开的特征，绕组210a和210b中的每一个可以包括一个以上的绕组(例如，数个、数十个、数百个、数千个绕组)，并且可以填充第一外部屏蔽盖212a和第二外部屏蔽盖212b之间的整个空间或空间的部分。绕组210a和210b可以使用单股线或多股线(例如，利兹线)形成。绕组210a可以缠绕在芯110的第一支脚上(中间元件设置在绕组210a和芯110的第一支脚之间，如本文所述)，绕组210b可以缠绕在芯110的第二支脚上(中间元件设置在绕组210b和芯110的第二支脚之间，如本文所述)。

第一绕组210a和210b中的每一个可以具有两个或更多个端子或抽头(tap)(未明确示出)以用于连接到变压器外部的电压端子。例如，第一绕组210a和第一绕组210b可以各自具有两个电压端子，并且可以各自连接至振幅为几伏、几十伏、几百伏或数千伏的变化的[例如，交流电(AC)]电压。第一绕组210a和210b可以经由芯110彼此磁耦合，并且也可以与次级绕组(在图3中示出)磁耦合。

第一内部屏蔽盖211a和第二内部屏蔽盖211b可以使用半导体材料形成，例如，半导体塑料、具有半导体涂层的隔离塑料或其他半导体材料。第一内部屏蔽盖211a和第二内部屏蔽盖211b可以通过第一和第二内部屏蔽支脚(图2中未示出)彼此连接，以形成具有两个半导体屏蔽支脚的内部半导体屏蔽，所述两个半导体屏蔽支脚包围芯110的第一和第二支脚。类似地，第一外部屏蔽盖212a和第二外部屏蔽盖212b可以通过第一和第二外部屏蔽支脚(图2中未示出)彼此连接，以形成具有两个半导体屏蔽支脚的外部半导体屏蔽，该两个半导体屏蔽支脚包围芯110的第一和第二支脚。可以将内部半导体屏蔽制造(例如，铸造)为单个组件(例如，可以使用单个模具来制造内部半导体屏蔽，该模具形成第一内部屏蔽盖211a、第二内部屏蔽盖211b以及第一和第二内部屏蔽盖支脚的形状)，或者可以结合单独制造的元件而形成[例如，第一内部屏蔽盖211a和第二内部屏蔽盖211b可以分别制造(例如铸造)，并且可以在构造变压器100的期间连接至第一和第二内部屏蔽支脚]。类似地，外部半导电屏蔽可以被制造(例如，铸造)为单个组件，或者可以结合单独制造的元件而形成。内部屏蔽和外部屏蔽可以成形为形成Rogowski轮廓，或者设计成增加内部屏蔽和外部屏蔽之间电场的均匀性并抑制屏蔽边缘处的电场增强的其他轮廓。

图2还示出了第一内部线架213a和第二内部线架213b的表面。第一内部线架213a和第二内部线架213b可以分别包围芯110的第一和第二支脚，并且可以被提供来支持磁性耦合到绕组210a和210b(并且与它们电隔离)的绕组(图2中未示出)的安装。根据本文的公开的特征，可以不使用第一内部线架213a和第二内部线架213b，并且可以将附加绕组直接设置在芯110的第一和第二支脚周围。

现在参考图3，其描绘了变压器100的各种元件的“分解”图。为了简单和简洁起见，描绘了包围芯110的第二支脚L2的元件。应当理解，根据图2，可选地，相似或相同的元件可以包围芯110的第一支脚L1。以箭头终止的虚线表示分层的顺序：箭头指向第一元件，虚线从箭头延伸到第二元件，指示第二元件可以围绕第一元件设置(例如，可以部分或完全包围第一元件)。

内线架213b可包围第二支脚L2。内线架213b的第一表面s1可以安放在第一内部屏蔽盖211a的第一相应槽槽1周围(如图2中所示)，和内线架213b的第二表面s2可以安放穿过第二内部屏蔽盖211b的相应的槽(图3中未示出)。

绕组310可以缠绕在内线架213b上。根据本文中公开的变压器100的另一种实施方式，可以不使用内线架213b，而是可以将绕组310直接缠绕在第二支脚L2上。绕组310可以与绕组210a和210b相似或相同地构造，但是与绕组210a和210b相比可以具有不同数量的绕组。绕组310可以具有两个或更多个电压抽头(例如，电压端子)以连接到电源电路(例如，晶体管或二极管的全桥或不同类型的电力电子电路)的电压端子。屏蔽支脚311可以围绕(例如，可以包围)绕组310设置。屏蔽支脚311可以附接到第一屏蔽盖211a和第二内部屏蔽盖211b(例如，与它们一起制造，或者随后连接到它们)，以形成围绕(例如包围)绕组310和将绕组310与强电场“屏蔽”的内部屏蔽。内部屏蔽(例如，第一内屏蔽盖211a和第二内屏蔽盖211b中的一个和/或屏蔽支脚311)可以连接到绕组310的第一电压抽头，并且可以被称为与绕组310的第一电压抽头相同的电势。

屏蔽支脚312可以围绕屏蔽支脚311设置(例如，可以包围)。屏蔽支脚312可以附接到第一外部屏蔽盖212a和第二外部屏蔽盖212b(例如，与它们一起制造，或者随后连接到它们)，以形成围绕(例如包围)屏蔽支脚311设置的外部屏蔽。绝缘材料(未明确示出)可以注入到屏蔽支脚311与屏蔽支脚312之间、内部屏蔽盖211a与外部屏蔽盖212a之间、以及内部屏蔽盖211b与外部屏蔽盖212b之间。屏蔽支脚312以及外部屏蔽盖212a和212b可以由与屏蔽盖311以及内部屏蔽盖211a和211b相同或相似的半导体材料制成。

绕组210b可以缠绕在屏蔽支脚312上。绕组210b可以具有两个或更多个电压抽头(例如，电压端子)，其中电压抽头中的第一个电连接到外部屏蔽(例如，第一和第二外部屏蔽盖212a，212b和/或屏蔽支脚312中的一个)，并使外部屏蔽参考与绕组210b的第一个电压抽头相同的电位。

绕组210b可以参考(例如，通过直接电连接)到第一电位，并且绕组310可以参考到与第一电位不同的第二电位。例如，绕组310可以参考为接地，并且绕组210b可以参考(例如电连接)到100V、1000V、10kV、20kV、50kV、100kV或甚至更高的电势。绕组310可以参考变化的电势参考点。例如，绕组310可以是在例如-1kV和+1kV、-10kV和+10kV、-20kV和+20kV、-100kV和+100kV之间变化的(例如正弦波或方波)参考电压参考点，或振幅大于100kV或甚至大于1MV的变化(例如正弦)电势。

由于绕组210b和310的参考电位水平不同，绕组210b和310之间可能存在电压降。根据上面的数字示例，电压降可能很大，例如数十、数百或数千千伏。通过将绕组210b电连接到外部屏蔽并且将绕组310电连接到内部屏蔽，在内部屏蔽和外部屏蔽之间可以存在电压降。通过将内部屏蔽设计为围绕(例如包围)内部绕组并通过将外部屏蔽设计为围绕(例如包围)内部绕组，绕组210b和绕组310可以被“屏蔽”并通过屏蔽彼此分离。这可以使得能够将用于绕组的电线周围的绝缘降低到可以远小于绕组210b与绕组310之间的电势差的额定值。例如，绕组210b在绕组210b上的两个抽头之间可以具有高达1000V的电压降。类似地，绕组310在绕组310上的两个抽头之间可以具有高达1000V的电压降。绕组210b可以参考为20kV，并且绕组310可以参考为接地(0V)。在没有屏蔽的情况下，用于绕组310和210b的电线的绝缘等级应定为可承受20kV以上。如本文所公开的，使用内部屏蔽和外部屏蔽可以使电线绝缘降低到100V，并且在内部屏蔽和外部屏蔽之间放置额定承受20kV的绝缘材料，这可以节省成本和/或可以更有效地冷却变压器元件，例如芯110、绕组210b和绕组310b，因为变压器元件没有被大量的绝缘材料覆盖。

内部屏蔽和外部屏蔽之间的绝缘材料可以与用于制造壳体120的材料相同，并且可以在壳体120的形成期间被注入。例如，如图2所示，可以将具有壳体120形状的模具放置在变压器100的元件周围，并且可以将绝缘材料(例如，环氧树脂、硅氧烷、聚氨酯)注射入到模具中，两者均形成壳体120并填充内部屏蔽和外部屏蔽之间的间隙。注射可以是例如真空灌封、自动压力凝胶化或其他合适的注射方法。

已经相对于芯110的支脚L2描述了线架213b、绕组310、屏蔽支脚311、屏蔽支脚312和绕组310b。相似或相同的元件(例如，图2的绕组210a对应于绕组210b；或图2的线架213a对应于线架213b)可以围绕芯110的支脚L1放置，以提高芯110的有效利用。为了简洁起见，未相对于图3明确示出那些元件，但是它们被包括在本文的公开范围内。

现在参考图4，其根据本文的公开示出了根据图1的X-Y-Z轴的变压器100的X-Y横截面。为了更清楚起见，一些参考标号被多次显示，并且表示单个元件的不同部分，由于横截面视图，这些不同部分看起来不是连续的。还示出了指示从电模拟获得的电场方向和大小的箭头。深色箭头表示较弱的场，而颜色较浅的箭头表示较强的场。绕组310b对应于图3的绕组310，布置在芯110的支脚L2上方。绕组310a类似于绕组310b，并且布置在芯110的支脚L1上方。屏蔽支脚311b对应于图3的屏蔽支脚311，其设置在芯110的支脚L2上方；屏蔽支脚311a对应于与图3的屏蔽支脚311相似的另一屏蔽支脚，其布置在芯110的支脚L1上方。屏蔽支脚312b对应于图3的屏蔽支脚312，其设置在芯110的支脚L2上方；屏蔽支脚312a对应于与图3的屏蔽支脚312相似的另一屏蔽支脚，其布置在芯110的支脚L1上方。

模拟包括将产生方波在-700V和+700V之间变化的第一方波电压发生器连接到绕组210a的两个端子(在模拟中，没有额外的电压抽头)，第二方波电压发生器与第一方波电压发生器基本同相，并向绕组210b的两个端子产生在-700V和+700V之间变化的方波。绕组310的匝数比绕组210a和210b多20％，导致在绕组310a上和绕组310b上在-840V和+840V之间变化的方波。参考绕组210a和210b(在该示例中，直接连接到大约0V的电势)，并且参考绕组310a和310b为大约10kV的电压。该模拟包括将变压器100放置在接地的导电壳体(例如，盒子)中，该导电壳体的导电侧与变压器100的外边缘间隔约60mm。

如图4所示的区域A是指变压器100外部的空间(即，壳体120的外部)。区域B是壳体120内不在半导体屏蔽之间的区域。区域C是半导体屏蔽之间的区域(例如，在屏蔽支脚311和屏蔽支脚312之间，或者在屏蔽盖211a和屏蔽盖212a之间，或者在屏蔽盖211b和屏蔽盖212b之间的区域)。如场箭头所示，在区域A中，电场强度很小，并且从变压器壳体120向外流向模拟中使用的导电壳体。在区域B中，场也很弱，并且从屏蔽盖212a到屏蔽盖211a，并从屏蔽盖212b到屏蔽盖211b以一定“弯曲”(由于在带电板的边缘出现“边缘效应”)的方向流动。在两个屏蔽之间的区域C中，电场很强(如浅色箭头所示)，并且从内部屏蔽(由屏蔽盖211a和211b以及屏蔽支脚311a和311b形成)“流动”到外部屏蔽(由屏蔽盖212a和212b以及屏蔽支脚312a和312b形成)。

尽管上面描述了示例，但是那些示例的特征和/或步骤可以以任何期望的方式被组合、划分、省略、重新布置、修改和/或增强。本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。例如，芯110的支脚L1和L2可以具有圆形或椭圆形的横截面，而不是矩形的横截面；以及屏蔽支脚311和312可以具有圆形或矩形的横截面而不是椭圆形的横截面。作为另一示例，芯110可以包括第三支脚，并且每个支脚可以具有多于两组绕组和/或多于两个屏蔽。尽管本文中没有明确陈述，但是这样的改变、修改和改进意图是本说明书的一部分，并且意图在本公开的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种装置，包括：

变压器，其包括：

至少包括第一芯支脚的芯，

围绕第一芯支脚布置的第一绕组，

围绕第一绕组布置的第一半导体屏蔽，

围绕第一半导体屏蔽布置的第二半导体屏蔽，

围绕第二半导体屏蔽布置的第二绕组。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：第一线架，其布置在第一芯支脚周围，其中第一绕组缠绕在第一线架周围。

3.根据权利要求1所述的装置，其中第一绕组包括至少两个电压抽头，并且第一绕组的第一电压抽头电连接至第一半导体屏蔽。

4.根据权利要求1所述的装置，其中第二绕组包括至少两个电压抽头，并且第二绕组的第一电压抽头电连接至第二半导体屏蔽。

5.根据权利要求1所述的装置，其中第一绕组包括至少两个电压抽头，其中第一绕组的第一电压抽头电连接至第一半导体屏蔽，

第二绕组包括至少两个电压抽头，其中第二绕组的第一电压抽头电连接至第二半导体屏蔽，

其中第一绕组的第一电压抽头连接到第一参考电位，第二绕组的第一电压抽头连接到第二参考电位。

6.根据权利要求5所述的装置，其中第一参考电位与第二参考电位之间的电压差高于100V。

7.根据权利要求5所述的装置，其中第一参考电位和第二参考电位之间的电压差呈正弦变化。

根据权利要求7所述的装置，其中第一参考电位和第二参考电位之间的电压差根据振幅为10kV或更高的正弦波而变化。

8.根据权利要求5所述的装置，其中第一参考电位是电接地。

9.根据权利要求15所述的装置，其中第二参考电位是电接地。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述芯包括第二芯支脚，所述变压器还包括：

围绕第二芯支脚的第三绕组，

围绕第三绕组布置的第三半导体屏蔽，

围绕第三半导体屏蔽布置的第四半导体屏蔽，

围绕第四半导体屏蔽布置的第四绕组。

11.根据权利要求10所述的装置，其中第一绕组和第三绕组连接到第一电位，并且第二绕组和第四绕组连接到第二电位。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括导电壳体，其中所述变压器被放置在所述导电壳体中。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述导电壳体接地。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：绝缘材料，其布置在第一半导体屏蔽和第二半导体屏蔽之间。

15.一种方法，其包括：

将第一绕组绕在磁芯的第一支脚上，

在第一绕组周围布置第一圆柱形屏蔽，

在第一屏蔽周围布置第二圆柱形屏蔽，

在第二屏蔽周围布置第二绕组，

将第一绕组电连接到第一屏蔽，以及

将第二绕组电连接到第二屏蔽。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括在第一屏蔽和第二屏蔽之间注入绝缘材料。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将所述磁芯、第一绕组和第二绕组以及第一屏蔽和第二屏蔽包围在壳体中。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述壳体是环氧树脂壳体。

19.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括第一绕组到电压源的电压端子。

20.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括第二绕组到电压源的电压端子。

21.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括将第一绕组连接到第一电位，以及将第二绕组连接到与第一电位不同的第二电位。

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