CN112906199B - 一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，该方法包括了多变压器励磁电感设计、多变压器电磁解耦设计、外接串联电感磁集成设计和磁通对消设计。首先考虑大气隙励磁电感设计，得到设计式。然后通过共用低磁阻磁路，且让各个变压器处于高磁阻磁路，实现各个变压器之间的电磁解耦。之后设计了一套计算变压器漏感的方法，利用变压器的漏感，将串联变压器绕组上的外接电感集成进变压器。最后利用多变压器共用低磁阻磁路的特性，合理设计磁通方向，使低磁阻回路的磁通互相抵消。本发明所提出的一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，减少了磁性元件的使用和磁路的面积，且变压器之间实现了电磁解耦，提高了功率密度，降低了损耗。

Description

一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法
技术领域
本发明涉及电磁元件磁集成技术领域，具体涉及一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法。
背景技术
随着便携式电子设备和高性能电力电子装置的发展和大范围使用，产品的大小，可靠性和效率成为了关注的焦点。相比于其他类型的设备，电力电子装置大量使用了变压器实现电气隔离和能量传输两块，提高变压器效率，减少变压器的体积，成为研究的重点。
传统的电力电子设备中的变压器，一般是使用多个铁氧体或其他高性能磁芯，因为其在设计原理上简单，容易制作而得到了大量应用。对于多变压器的应用场合，变压器的集成对提高电力电子装置的功率密度和运行效率具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，把两个或多个不同的变压器集成在一个磁芯上，实现了变压器之间的电磁解耦，有效的减少了变压器的体积，减少了变压器损耗，有利于电力电子装置可靠性的提高和小型化。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，包括多变压器励磁电感设计、多变压器电磁解耦设计、外接串联电感磁集成设计和磁通对消设计；
多变压器励磁电感设计：考虑到气隙边缘效应，在大气隙时对多变压器励磁电感影响较大，对变压器气隙进行建模，得到多变压器的励磁电感计算式；
多变压器电磁解耦设计：将各个变压器置于高磁阻回路，共用低磁阻回路进行电磁解耦，将各个变压器的电磁耦合消除，达到多个变压器电磁解耦的目的；
外接串联电感磁集成设计：对变压器的漏感进行建模，得到变压器漏感的计算式，利用变压器漏感，将串联在变压器绕组上的外接电感集成到变压器漏感中；
磁通对消设计：利用多变压器共用低磁阻磁路，将各个变压器在低磁阻的磁通分为两组，采用磁通相反的方法，将共用低磁阻的磁通相互抵消。
进一步地，所述多变压器的结构具体如下：
铁芯：该铁芯具有中柱和左右两边的第一侧柱和第二侧柱，侧柱可根据被集成变压器的个数进行调整，其中，中柱不开气隙，侧柱分别开一定的气隙；
绕组：第一个变压器的初级绕组和次级绕组绕制在第一侧柱上，第二个变压器的初级绕组和次级绕组绕制在第二侧柱上，其他的以此类推；
铁芯上的两个变压器绕组的磁感线分别通过自身的侧柱，并共用低磁阻中柱形成各自的回路；其中各个变压器的磁感线回路在中柱上的方向被控制，使中柱磁路无磁通或者少磁通。
进一步地，在多变压器励磁电感设计中，首先建立铁芯的磁路模型；根据铁芯的主要参数，获得各个磁阻的计算式，其中对于空气磁阻，由于气隙较大，必须考虑气隙形状对空气磁阻的影响：
其中，R1、R2、R3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的铁芯磁阻；Rair1、Rair2、Rair3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的空气磁阻；σ1、σ2、σ3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的气隙长度；u1、u0分别为铁芯磁导率与空气磁导率，A、B、C、D、E、F为铁芯参数；
由于中柱不开气隙，中柱磁阻很低，因此当两侧柱开气隙时，两侧柱的磁阻远远大于中柱的磁阻，这样，对于第一侧柱而言，第二侧柱的磁感线被中柱短路；同理，对于第二侧柱而言，第一侧柱的磁感线被中柱短路；第一侧柱的磁感线几乎不穿过第二侧柱，第二侧柱的磁感线几乎不穿过第一侧柱，第一侧柱和第二侧柱依靠低磁阻的中柱，实现了电磁解耦；依靠解耦后的磁路模型，根据麦克斯韦方程组和电路模型，得到变压器的励磁电感计算式如下：
这里的N为初级线圈绕组的匝数；Lm1、Lm3为两侧柱变压器的励磁电感；上述即为磁集成变压器的电磁解耦过程，上述式(6)，(7)为磁集成变压器的励磁电感设计公式。
进一步地，在多变压器电磁解耦设计中，采用共用低磁阻磁路的设计，将各个变压器磁路开一定的气隙变为高磁阻磁路，共用一条不开气隙的低磁阻磁路，实现多个变压器之间的电磁解耦。
进一步地，在外接串联电感磁集成设计中，建立绕组与磁芯的漏感关系，根据多变压器的模型，先假设磁场分布均匀，使用能量法计算漏感，在考虑磁场不均匀的修正系数，得到漏感的设计式：
其中，Lr为漏感，a0为初级线圈与次级线圈的距离，a1为线圈长度，w为线圈厚度，r为线圈与铁芯的距离，r0为铁芯半径，D、ρ为中间变量；
式(8)即为磁集成变压器的漏感设计依据，漏感可代替部分串联在变压器上的外接电感，这样就可将部外接电感用变压器漏感代替，达到将外接电感集成到变压器的目的，上述过程即为外接电感集成到变压器的设计过程。
进一步地，在磁通对消设计中，根据电磁解耦后的磁路模型，可知两个变压器共用一个低磁阻磁路实现电磁解耦；当两个或偶数个变压器并联或处于相似的运行工况时，将变压器均分为两组，一组为正极性的变压器，一组为负极性的变压器，这样可使各个变压器在低磁阻中柱的磁通，相互抵消，使低磁阻中柱无磁通或含很少的磁通，这可使低磁阻中柱做的很小，并可减少变压器的损耗，中柱磁通为：
其中，Φ为中柱总磁通，Φi为第i侧柱磁通；
上述过程即为本发明磁集成变压器的磁通抵消过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1)、本发明可以将多个变压器集成在一个磁芯上，减小变压器的体积。
2)、本发明可以利用漏感，将部分外接电感磁集成到变压器上。
3)、本发明能减少变压器的损耗，提高了变压器效率。
4)、本发明可以实现变压器之间的电磁解耦，增加磁性元件的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本发明设计的多变压器磁集成变压器结构；其中：1.1为变压器1结构；1.2为变压器1次级绕组；1.3为变压器1初级绕组；1.4为第一侧柱开一定气隙；1.5为中柱不开气隙；1.6为变压器2结构；1.7为变压器2次级绕组；1.8为变压器2初级绕组；1.9为第二侧柱开一定气隙；
图2为EE55铁芯结构参数图；
图3为铁芯磁路图；
图4为磁集成变压器磁感线图；
图5为解耦后磁路图；
图6为绕组磁芯关系图；其中：6.1为次级绕组；6.2为初级绕组；6.3为铁芯；
图7为磁通抵消后磁通分布图；
图8(a)为变压器1通电后变压器2电磁解耦实验效果图；
图8(b)为变压器2通电后变压器1电磁解耦实验效果图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中所使用铁芯的型号为：EE55。绕组采用200股0.1mm利兹线。本发明中最关键的是共用低磁阻磁路电磁解耦的设计和磁路抵消的设计。
本发明变压器结构，如图1所示。首先需要建立铁芯的磁路模型。铁芯的主要尺寸参数如图2，相对磁导率为3700。基于模型分析，可以得到铁芯的磁路如图3所示。根据铁芯的主要参数，可以获得各个磁阻的计算式，其中对于空气磁阻，由于气隙较大，必须考虑气隙形状对空气磁阻的影响：
其中，R1、R2、R3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的铁芯磁阻；Rair1、Rair2、Rair3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的空气磁阻；σ1、σ2、σ3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的气隙长度；u1、u0分别为铁芯磁导率与空气磁导率，A、B、C、D、E、F为铁芯参数。
由于中柱不开气隙，中柱磁阻很低，因此当两侧柱开气隙时，两侧柱的磁阻远远大于中柱的磁阻，这样，对于第一侧柱而言，第二侧柱的磁感线被中柱短路；同理，对于第二侧柱而言，第一侧柱的磁感线被中柱短路。因此如图4所示，第一侧柱的磁感线几乎不穿过第二侧柱，第二侧柱的磁感线几乎不穿过第一侧柱，第一侧柱和第二侧柱依靠低磁阻的中柱，实现了电磁解耦。解耦后的磁路模型，如图5所示，依靠此模型，根据麦克斯韦方程组和电路模型，可以得到变压器的励磁电感计算式如下：
这里的N为初级线圈绕组的匝数；Lm1、Lm3为两侧柱变压器的励磁电感。
上述即为发明磁集成变压器的电磁解耦过程，上述式(6)，(7)为本发明磁集成变压器的励磁电感设计公式。
采用共用低磁阻磁路的设计，将各个变压器磁路开一定的气隙变为高磁阻磁路，共用一条不开气隙的低磁阻磁路，实现多个变压器之间的电磁解耦。
然后建立绕组与磁芯的漏感关系，如图6所示。根据多变压器的模型，先假设磁场分布均匀，使用能量法计算漏感，在考虑磁场不均匀的修正系数，可以得到漏感的设计式：
其中，Lr为漏感，a0为初级线圈与次级线圈的距离，a1为线圈长度，w为线圈厚度，r为线圈与铁芯的距离，r0为铁芯半径，D、ρ为中间变量。
式(8)即为磁集成变压器的漏感设计依据。
漏感可以代替部分串联在变压器上的外接电感，这样就可以将部外接电感用变压器漏感代替，达到将外接电感集成到变压器的目的。
上述过程即为外接电感集成到变压器的设计过程。
根据电磁解耦后的磁路模型，如图5所示，可知，两个变压器共用一个低磁阻磁路实现电磁解耦。当两个或偶数个变压器并联或处于相似的运行工况时，将变压器均分为两组，一组为正极性的变压器，一组为负极性的变压器，这样，可以使各个变压器在低磁阻中柱的磁通，相互抵消，使低磁阻中柱无磁通或含很少的磁通，如图7，这可以使低磁阻中柱做的很小，并可以减少变压器的损耗，中柱磁通为：
其中，Φ为中柱总磁通，Φi为第i侧柱磁通。
上述过程即为本发明磁集成变压器的磁通抵消过程。即采用磁通对消技术，调整各变压器在低磁阻磁路的磁通方向，使低磁阻磁路无磁通或少磁通。
由图8可以看出，当变压器1通电后，变压器2几乎无电流，说明本设计过程达到了电磁解耦的目的。
本发明可减少多个变压器的体积，减少磁性元件个数，实现多变压器之间的电磁解耦，提高变压器的效率，提高电力电子装置的可靠性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，其特征在于，包括多变压器励磁电感设计、多变压器电磁解耦设计、外接串联电感磁集成设计和磁通对消设计；
多变压器励磁电感设计：考虑到气隙边缘效应，在大气隙时对多变压器励磁电感影响较大，对变压器气隙进行建模，得到多变压器的励磁电感计算式；
多变压器电磁解耦设计：将各个变压器置于高磁阻回路，共用低磁阻回路进行电磁解耦，将各个变压器的电磁耦合消除，达到多个变压器电磁解耦的目的；
外接串联电感磁集成设计：对变压器的漏感进行建模，得到变压器漏感的计算式，利用变压器漏感，将串联在变压器绕组上的外接电感集成到变压器漏感中；
磁通对消设计：利用多变压器共用低磁阻磁路，将各个变压器在低磁阻的磁通分为两组，采用磁通相反的方法，将共用低磁阻的磁通相互抵消；
在多变压器励磁电感设计中，首先建立铁芯的磁路模型；根据铁芯的主要参数，获得各个磁阻的计算式，其中对于空气磁阻，由于气隙较大，必须考虑气隙形状对空气磁阻的影响：
其中，R1、R2、R3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的铁芯磁阻；Rair1、Rair2、Rair3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的空气磁阻；σ1、σ2、σ3分别为第一侧柱、中柱、第二侧柱的气隙长度；u1、u0分别为铁芯磁导率与空气磁导率，A、B、C、D、E、F为铁芯参数；
由于中柱不开气隙，中柱磁阻很低，因此当两侧柱开气隙时，两侧柱的磁阻远远大于中柱的磁阻，这样，对于第一侧柱而言，第二侧柱的磁感线被中柱短路；同理，对于第二侧柱而言，第一侧柱的磁感线被中柱短路；第一侧柱的磁感线几乎不穿过第二侧柱，第二侧柱的磁感线几乎不穿过第一侧柱，第一侧柱和第二侧柱依靠低磁阻的中柱，实现了电磁解耦；依靠解耦后的磁路模型，根据麦克斯韦方程组和电路模型，得到变压器的励磁电感计算式如下：
这里的N为初级线圈绕组的匝数；Lm1、Lm3为两侧柱变压器的励磁电感；上述即为磁集成变压器的电磁解耦过程，上述式(6)，(7)为磁集成变压器的励磁电感设计式；
在外接串联电感磁集成设计中，建立绕组与磁芯的漏感关系，根据多变压器的模型，先假设磁场分布均匀，使用能量法计算漏感，在考虑磁场不均匀的修正系数，得到漏感的设计式：
其中，Lr为漏感，a0为初级线圈与次级线圈的距离，a1为线圈长度，w为线圈厚度，r为线圈与铁芯的距离，r0为铁芯半径，D、ρ为中间变量；
式(8)即为磁集成变压器的漏感设计依据，漏感可代替部分串联在变压器上的外接电感，这样就可将部外接电感用变压器漏感代替，达到将外接电感集成到变压器的目的，上述过程即为外接电感集成到变压器的设计过程。
2.根据权利要求1所述的多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，其特征在于，所述多变压器的结构具体如下：
铁芯：该铁芯具有中柱和左右两边的第一侧柱和第二侧柱，侧柱可根据被集成变压器的个数进行调整，其中，中柱不开气隙，侧柱分别开一定的气隙；
绕组：第一个变压器的初级绕组和次级绕组绕制在第一侧柱上，第二个变压器的初级绕组和次级绕组绕制在第二侧柱上，其他的以此类推；
铁芯上的两个变压器绕组的磁感线分别通过自身的侧柱，并共用低磁阻中柱形成各自的回路；其中各个变压器的磁感线回路在中柱上的方向被控制，使中柱磁路无磁通或者少磁通。
3.根据权利要求1所述的多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，其特征在于，在多变压器电磁解耦设计中，采用共用低磁阻磁路的设计，将各个变压器磁路开一定的气隙变为高磁阻磁路，共用一条不开气隙的低磁阻磁路，实现多个变压器之间的电磁解耦。
4.根据权利要求1所述的多变压器电磁解耦与高度磁集成设计方法，其特征在于，在磁通对消设计中，根据电磁解耦后的磁路模型，可知两个变压器共用一个低磁阻磁路实现电磁解耦；当两个或偶数个变压器并联或处于相似的运行工况时，将变压器均分为两组，一组为正极性的变压器，一组为负极性的变压器，这样可使各个变压器在低磁阻中柱的磁通，相互抵消，使低磁阻中柱无磁通或含很少的磁通，这可使低磁阻中柱做的很小，并可减少变压器的损耗，中柱磁通为：
其中，Φ为中柱总磁通，Φi为第i侧柱磁通；
上述过程即为磁集成变压器的磁通抵消过程。
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