CN114121445A - 高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器 - Google Patents

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曾繁豪
邓启鹏
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Abstract

公开了一种变压器，包括由内到外分别布置的磁芯(7)、低压侧骨架(3)、低压侧线圈绕组(4)、高压侧骨架(1)、高压侧线圈绕组(2)、外套筒(5)，高压侧绕组(2)绕制在高压侧骨架(1)套筒外壁，低压侧绕组(4)绕制在低压侧骨架(3)套筒外壁，底盖设置在低压侧骨架、高压侧骨架、外套筒两端部，低压侧骨架与高压侧骨架之间的间隙、高压侧骨架与外套筒之间的间隙以及底盖与低压侧骨架、高压侧骨架和外套筒之间的间隙均由高导热绝缘胶填充。线圈绕组产生的热量一部分通过低压侧骨架、高压侧骨架传导到底盘上进行散热，另一部分通过高导热的绝缘胶将热量传递到外套筒进行散热。

Description

高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器
技术领域
本发明涉及大功率磁性元件设计领域，特别涉及一种高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，大功率隔离型开关电源的应用也越来越广泛。变压器作为隔离型大功率开关电源的核心器件，它不仅仅起着电气隔离的作用，同时还可实现电压等级转换以及能量传输等重要作用。因此，变压器性能的好坏将直接影响隔离型开关电源的可靠稳定运行，而变压器的性能除合理的设计，还取决于其热稳定性和绝缘特性。
首先，影响变压器热稳定性的主要因素是磁芯损耗和绕组损耗。磁芯损耗是磁芯在交变或脉动磁场而引起的功率损耗，以热的形式存在；而绕组损耗是指由于线圈绕组存在寄生的欧姆电阻产生的功率损耗，同样是以热的形式存在。且变压器的工作频率越高，磁芯损耗和绕组损耗越大，而变压器产生的热量无法导出，热量不断积累，温度逐渐升高，将会影响变压器的热稳定性，造成变压器损坏电力电子装置崩溃。其次，当变压器的电压等级较高时，常由于高压击穿造成变压器损坏，引发高压击穿的原因主要有两种，一种是爬电距离不够引起的空气击穿；另一种是由于变压器骨架材料的耐压能力不够引起的击穿。不管是哪种击穿均会使得变压器损坏，进而使系统崩溃。
因此，变压器的热稳定性和绝缘特性成为了制约大功率电力电子发展的关键，目前市面上线圈骨架材料一般常用塑胶(电胶木)，或塑料(尼龙)，这些材料仅能保证线圈与骨架或线圈与铜皮之间的电气绝缘，其骨架本身并不能传导热量，这就致使热量不断积累，温度升高，损坏变压器进而使系统崩溃；并且在高电压等级的应用场合下，传统骨架常因为绝缘耐压不够造成击穿，进而损坏电力电子装置。因此，就迫切需要一种同时具有良好散热能力与绝缘能力的变压器骨架，来增强电力电子装置的热稳定性和装置可靠性。为解决这一难题，本发明提出了一种高耐压强散热的混合材料变压器骨架。
发明内容
本发明提出了一种高耐压强散热的混合材料变压器骨架，采用新型的导热氧化铝陶瓷材料与3D打印的尼龙材料结合，氧化铝陶瓷材料具有很高的导热系数，与尼龙材料相比导热性能更好；耐热特性好，可以承受2000℃的极热；绝缘性能远高于普通绝缘塑胶和塑料；热膨胀系数与介电常数均较低；其材质机械强度高，在严酷的条件下仍能工作，非常适合作绝缘导热材料。因此，低压侧骨架采用3D打印的尼龙材料，方便设计出最优的形状，将氧化铝陶瓷材料制作成变压器高压侧骨架，将变压器线圈绕组产生的热量通过骨架传导到外部散热，帮助变压器散热降温，提高其热稳定性，同时降低成本。
根据本发明实施例的一方面，提供一种变压器，包括：
低压侧骨架，所述低压侧骨架为空心圆柱体；
磁芯，所述磁芯设置在所述低压侧骨架内；
低压侧绕组，所述低压侧绕组绕制在所述低压侧骨架外壁；
高压侧骨架，所述高压侧骨架为与所述低压侧骨架结构相同且高度一致的空心圆柱体，其套在所述低压侧绕组外侧，所述高压侧骨架采用绝缘、耐高温、高导热率的非金属材料；
高压侧绕组，所述高压侧绕组绕制在所述高压侧骨架外壁；
外套筒，所述外套筒套在所述高压侧绕组外侧；以及
底盖，所述底盖设置在所述低压侧骨架、所述高压侧骨架、所述外套筒两端部，所述底盖上具有供连接所述低压侧绕组和所述高压侧绕组的导线穿过的两个出线口；
其中，所述低压侧骨架与所述高压侧骨架之间的间隙、所述高压侧骨架与所述外套筒之间的间隙以及所述底盖与所述低压侧骨架、所述高压侧骨架和所述外套筒之间的间隙均由高导热绝缘胶填充。
在一些示例中，所述外套筒上设有散热齿。
在一些示例中，所述外套筒采用氧化铝陶瓷材料。
在一些示例中，所述低压侧骨架、所述高压侧骨架、所述外套筒两端部分别置于所述底盖的三个环形凹槽内。
在一些示例中，所述底盖采用氧化铝陶瓷材料。
在一些示例中，所述两个出线口呈180°分布。
在一些示例中，所述高压侧骨架采用氧化铝陶瓷材料。
在一些示例中，所述低压侧骨架采用尼龙材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明用于大功率电源变压器，借助导热套筒(低压侧骨架、高压侧骨架)或高导热绝缘胶直接或间接的将线圈绕组产生的热传导至底盘或外套筒上进行散热，氧化铝陶瓷材料具有高绝缘电阻、耐高温，高导热率，并且是非金属，在磁场中不会产生涡流，是对以前塑胶骨架的一次革新，减小损耗提高系统的散热能力，改善系统的热稳定性；
(2)本发明外套筒自带圆柱分布的散热锯齿，增大与外界空气的接触面积，增强散热能力；
(3)本发明采用内外层叠加的“三明治”结构，减小了大功率变压器的体积，提升了电力电子装置的功率密度；
(4)氧化铝材料可制成粉末状，易加工，方便产品小型化、高频化、模块化设计且结构简单紧凑；
(5)低压侧和高压侧骨架采用了传统的尼龙材料与新型的氧化铝陶瓷材料，发挥各自的优势，同时降低了变压器骨架的制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1a为本发明一实施例提供的低压侧骨架示意图。
图1b为本发明一实施例提供的高压侧骨架示意图。
图1c为本发明一实施例提供的外套筒示意图。
图2a为本发明一实施例提供的低压侧骨架及低压侧绕组示意图。
图2b为本发明一实施例提供的高压侧骨架及高压侧绕组示意图。
图3为本发明一实施例提供的底盖示意图。
图4为本发明一实施例提供的磁芯示意图。
图5为本发明一实施例提供的高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器水平剖面结构示意图。
图6为本发明一实施例提供的高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器示意图。
图7为本发明一实施例提供的变压器骨架散热路径示意图。
具体实施方式
本发明提出一种高耐压强散热的混合材料变压器骨架组成的变压器，该变压器包括高压侧骨架1、高压侧绕组2、低压侧骨架3、低压侧绕组4、外套筒5、两个底盖6以及磁芯7。
如图1a、1b、1c，高压侧骨架1与低压侧骨架3结构相同且高度一致，为空心圆柱体，外套筒5上分布有散热齿。高压侧骨架1可以采用氧化铝陶瓷材料。低压侧骨架3可以采用尼龙材料，可以通过3D打印得到。如图2a、2b，高压侧绕组2绕制在高压侧骨架1套筒外壁，低压侧绕组4绕制在低压侧骨架3套筒外壁。
图3示出了底盖6，两个底盖6为带有三个环形凹槽8、9、10的空心圆环，由外向内分布的三个环形凹槽8、9、10的宽度分别与外套筒5壁厚、高压侧骨架1套筒壁厚、低压侧骨架3套筒壁厚相适应。底盖6上具有两个出线口11、12，出线口11、12呈180度，增加爬电距离，提高绝缘特性。
图4示出了磁芯，本实施例以UY42磁芯为例，但不限定于此。
本发明变压器采用由内到外的“三明治”结构，变压器水平剖面由内到外分别为磁芯7、低压侧骨架3、低压侧线圈绕组4、高压侧骨架1、高压侧线圈绕组2、外套筒5，这种结构可有效减小变压器的漏感，其水平剖面图如图5所示。磁芯7置于低压侧骨架3套筒内，高压侧骨架1套筒套在低压侧线圈4外侧，外套筒5套在高压侧线圈2外侧，两个底盖6封闭变压器的两端，外套筒5、高压侧骨架1、低压侧骨架3的两端分别置于两个底盖的凹槽8、9、10内，连接低压侧绕组4和高压侧绕组2的导线从出线口11、12引出。其中，低压侧骨架3套筒内径大于磁芯7直径；高压侧骨架套1筒套内径大于低压侧骨架3套筒外径与两倍低压侧线圈绕线4直径之和；外套筒5的内径大于高压侧骨架1套筒的外径与两倍高压侧线圈绕线2直径之和；底盖6的内径为磁芯7的直径一致，外径与外套筒5的外径一致。图4示出了装配后的变压器。
如图7，低压侧骨架3的套筒与高压侧骨架1套筒之间的间隙、高压侧骨架1套筒与外套筒5之间以及三个套筒与底盘6凹槽之间的间隙均由导热系数为5.0W/(m·K)高导热绝缘胶13填充，增强散热的同时提高绝缘能力。
高压侧骨架1采用氧化铝陶瓷材料，充分利用其绝缘特性和导热特性，将线圈绕组产生的热量一部分通过套筒传导到底盘6上进行散热，另一部分通过高导热的绝缘胶将热量传递到外套筒5进行散热。低压侧由于耐压要求并不高，所以低压侧骨架3采用生产成本较低的尼龙材料，其散热路径如图7箭头所示。此外，外套筒5、底盖6也可以采用氧化铝陶瓷材料。

Claims (8)

1.一种变压器，其特征在于，包括：
低压侧骨架，所述低压侧骨架为空心圆柱体；
磁芯，所述磁芯设置在所述低压侧骨架内；
低压侧绕组，所述低压侧绕组绕制在所述低压侧骨架外壁；
高压侧骨架，所述高压侧骨架为与所述低压侧骨架结构相同且高度一致的空心圆柱体，其套在所述低压侧绕组外侧，所述高压侧骨架采用绝缘、耐高温、高导热率的非金属材料；
高压侧绕组，所述高压侧绕组绕制在所述高压侧骨架外壁；
外套筒，所述外套筒套在所述高压侧绕组外侧；以及
底盖，所述底盖设置在所述低压侧骨架、所述高压侧骨架、所述外套筒两端部，所述底盖上具有供连接所述低压侧绕组和所述高压侧绕组的导线穿过的两个出线口；
其中，所述低压侧骨架与所述高压侧骨架之间的间隙、所述高压侧骨架与所述外套筒之间的间隙以及所述底盖与所述低压侧骨架、所述高压侧骨架和所述外套筒之间的间隙均由高导热绝缘胶填充。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述外套筒上设有散热齿。
3.根据权利要求1或2所述的变压器，其特征在于，所述外套筒采用氧化铝陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述低压侧骨架、所述高压侧骨架、所述外套筒两端部分别置于所述底盖的三个环形凹槽内。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述底盖采用氧化铝陶瓷材料。
6.根据权利要求1或4或5所述的变压器，其特征在于，所述两个出线口呈180°分布。
7.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述高压侧骨架采用氧化铝陶瓷材料。
8.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述低压侧骨架采用尼龙材料。
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