CN114496496A - 一种小体积大功率的无骨架变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小体积大功率的无骨架变压器；由磁芯组件、多股漆包线绕组、铜片绕组、陶瓷基片和PCB板所组成；磁芯组件由圆柱形中心磁芯柱、上、下对称的两磁芯块对插组合而成，磁芯块有盲孔，铜片绕组呈“C”字形圆弧状的铜薄片，上、下两铜薄片之间夹一层陶瓷基片同心叠合；多股漆包线绕组的两个相互串联饼状线圈之间，上、下通过陶瓷基片再同心夹叠铜片绕组。本发明具有损耗低、散热效果好、耐压强度高、电流分布均匀安全可靠的效果，并且可以降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子变压器技术，具体涉及一种小体积大功率的无骨架变压器。
背景技术
现有技术的高频变压器是由线圈、骨架、磁芯组成，变压器线圈部分按初级线圈、次级线圈及反馈绕组顺序绕制组成，其中初级绕组和反馈绕组在同一边，绕组之间用胶带进行隔间绝缘；骨架将占用一定的空间，导致变压器的体积会变大，并且难以降低制造成本。2017年03月15日，中国实用新型授权公告号CN206022065U，公开了一种无骨架的高频变压器，包括磁芯组件和绕组线圈，磁芯组件上设有呈横向设置的磁芯轴，绕组线圈沿磁芯轴的轴向方向层绕在其上，磁芯组件底部固定有绝缘板，绕组线圈引出的若干引线穿出绝缘板并在绝缘板上形成接线端。该技术方案虽然在高频变压器内部取消骨架的结构，其可把骨架的空间利用起来，单位体积高频变压器的功率更高，而且有利于节约制造成本。但是，这样做出来的变压器存在磁芯与绕组间，以及每层绕组线圈之间还要绕有绝缘纸进行绝缘，制作起来难度大，绕组与磁芯间在大功率满载散热效果不理想，耐压强度不高，并且存在一定的安全隐患。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种小体积大功率的无骨架变压器，具有损耗低、散热效果好、耐压强度高、电流分布均匀安全可靠的效果，并且可以降低制造成本。
为解决上述问题，本发明采取以下技术方案进行：
一种小体积大功率的无骨架变压器，由磁芯组件、多股漆包线绕组、铜片绕组、陶瓷基片和PCB板所组成；所述磁芯组件由圆柱形中心磁芯柱、上、下对称的两磁芯块对插组合而成，每块磁芯块均包括有左弧形侧柱、右弧形侧柱和纺锤型底边；纺锤型底边的两端圆弧部分别与左弧形侧柱、右弧形侧柱一体相连；左弧形侧柱与右弧形侧柱左右对称，纺锤型底边中心开设有一个与中心磁芯柱的外径相匹配的盲孔；当上、下两磁芯块对插组合时，所述中心磁芯柱的上下两端分别插进对应的盲孔中，并与盲孔底及盲孔侧壁形成气隙；上述多股漆包线绕组和铜片绕组安装在所述的中心磁芯柱上；中心磁芯柱与两磁芯块之间的气隙用软胶填满；磁芯组件的两磁芯块、多股漆包线绕组和铜片绕组之间用环氧树脂相连在一起；所述多股漆包线绕组是采用带有铁氟龙自粘层包裹的多股漆包线，通过缠绕使线与线之间叠成两个相互串联的饼状线圈，两个饼状线圈的引出端组成为绕组输入端；所述铜片绕组是用两片或者两片以上呈“C”字形圆弧状，厚度为0.5-1.5mm的铜薄片组合而成；铜薄片圆弧形部分的内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱外径大小相匹配，铜薄片圆弧的端部设计成不对称的中央引脚和边引脚；中央引脚是其中一端部依照铜薄片圆弧径向所引出的脚，边引脚是另一端部所引出的脚，边引脚平行偏离中央引脚；所述铜片绕组各铜薄片的中央引脚、边引脚一起连接PCB板，通过PCB板的覆铜线路，将铜薄片之间并联或者串联成为绕组输出端；所述陶瓷基片是由圆环形部分和矩形部分组合为呈“Ω”字形状，厚度为0.1-0.5mm的陶瓷薄片，陶瓷基片的圆环形部分内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱外径大小相匹配，外径等于铜片绕组铜薄片圆弧形部分的外径；陶瓷基片的矩形部分外接散热端；所述的铜薄片组合是，上、下两铜薄片之间夹一层陶瓷基片同心叠合；且上、下两铜薄片正反面相对，使一层铜薄片的边引脚在中央引脚的左边，另一层铜薄片的边引脚在中央引脚的右边，如此交替相叠；所述多股漆包线绕组的两个相互串联饼状线圈之间，上、下同心夹叠所述铜片绕组；其中铜片绕组最上层的铜薄片与多股漆包线绕组的饼状线圈之间夹有一层陶瓷基片，同样，铜片绕组最下层的铜薄片与多股漆包线绕组的饼状线圈之间也夹有一层陶瓷基片。
与现有技术比较，本发明的磁芯块及圆柱形中心磁芯柱是锰-镍-锌铁氧体的磁芯体材料，具有高频、高饱、电阻率高和磁通密度和低磁损耗的优良性能，在80℃及120℃以上温升及损耗与25℃无明显变化，特别适合做大功率、体积小的无骨架变压器；其形状与结构使变压器温升稳定，体积小，便于无骨架作业的组装作业。本发明变压器输入端采用高强度的带有铁氟龙自粘层包裹的多股漆包线，工作电流大。本发明变压器输出端用呈“C”字形圆弧状铜片作为绕组，层叠部分用高温绝缘材料的陶瓷基片隔离，散热效果好，损耗低；本发明变压器绕组之间、铜薄片与铜薄片之间，输入与输出之间所垫的陶瓷基片可以方便次级绕组铜薄片所产生的热量传导到陶瓷基片，散热性能大大的提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的局部剖视示意图。
图2为图1的电气原理图。
图3为本发明的磁芯组件装配示意图。
图4为图3的分解示意图。
图5为本发明的陶瓷基片示意图。
图6为本发明的铜片绕组示意图。
图7为本发明的多股漆包线绕组的两个饼状线圈相互串联结构示意图。
图8为本发明PCB板结构示意图。
附图标记是：1磁芯组件；2多股漆包线绕组；3铜片绕组；4陶瓷基片；5 PCB板；6中心磁芯柱；7磁芯块；8左弧形侧柱；9右弧形侧柱；10纺锤型底边；11盲孔；12铁氟龙自粘层12包裹的多股漆包线，通过缠绕使线与线之间叠成两个相互串联的饼状线圈13，两个；13饼状线圈；14绕组输入端；15铜薄片圆弧形部分；16铜薄片中央引脚；17铜薄片边引脚；18陶瓷薄片圆环形部分；19陶瓷薄片矩形部分。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图8，一种小体积大功率的无骨架变压器，由磁芯组件1、多股漆包线绕组2、铜片绕组3、陶瓷基片4和PCB板5所组成；其特征在于：
所述磁芯组件1由圆柱形中心磁芯柱6、上、下对称的两磁芯块7对插组合而成，每块磁芯块7均包括有左弧形侧柱8、右弧形侧柱9和纺锤型底边10；纺锤型底边10的两端圆弧部分别与左弧形侧柱8、右弧形侧柱9一体相连；左弧形侧柱8与右弧形侧柱9左右对称，纺锤型底边10中心开设有一个与中心磁芯柱6的外径相匹配的盲孔11；当上、下两磁芯块7对插组合时，所述中心磁芯柱6的上下两端分别插进对应的盲孔11中，并与盲孔11底及盲孔11侧壁形成气隙；
上述多股漆包线绕组2和铜片绕组3安装在所述的中心磁芯柱6上；中心磁芯柱6与两磁芯块7之间的气隙用软胶填满；磁芯组件1的两磁芯块7、多股漆包线绕组2和铜片绕组3之间用环氧树脂相连在一起；
所述多股漆包线绕组2是采用带有铁氟龙自粘层12包裹的多股漆包线，通过缠绕使线与线之间叠成两个相互串联的饼状线圈13，两个饼状线圈13的引出端组成为绕组输入端14；
所述铜片绕组3是用两片或者两片以上呈“C”字形圆弧状，厚度为0.5-1.5mm的铜薄片组合而成；铜薄片圆弧形部分15的内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱6外径大小相匹配，铜薄片圆弧的端部设计成不对称的中央引脚16和边引脚17；中央引脚16是其中一端部依照铜薄片圆弧径向所引出的脚，边引脚17是另一端部所引出的脚，边引脚17平行偏离中央引脚16；所述铜片绕组3各铜薄片的中央引脚16、边引脚17一起连接PCB板5，通过PCB板5的覆铜线路，将铜薄片之间并联或者串联成为绕组输出端；
所述陶瓷基片4是由圆环形部分18和矩形部分19组合为呈“Ω”字形状，厚度为0.1-0.5mm的陶瓷薄片，陶瓷基片4的圆环形部分18内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱6外径大小相匹配，外径等于铜片绕组3铜薄片圆弧形部分15的外径；陶瓷基片4的矩形部分19外接散热端；
所述的铜薄片组合是，上、下两铜薄片之间夹一层陶瓷基片4同心叠合；且上、下两铜薄片正反面相对，使一层铜薄片的边引脚17在中央引脚16的左边，另一层铜薄片的边引脚17在中央引脚16的右边，如此交替相叠；
所述多股漆包线绕组2的两个相互串联饼状线圈13之间，上、下同心夹叠所述铜片绕组3；其中铜片绕组3最上层的铜薄片与多股漆包线绕组2的饼状线圈13之间夹有一层陶瓷基片4，同样，铜片绕组3最下层的铜薄片与多股漆包线绕组2的饼状线圈13之间也夹有一层陶瓷基片4。
所述磁芯组件的磁芯块7及圆柱形中心磁芯柱6是由三价铁离子作为主要阳离子成份和其它氧化物的混合物组成的一种烧结成型的软磁铁氧体，其原料按重量百分比包括：Fe2O3 25-30％，MnO 20-24％，ZnO 15-18％，NiO 5-10％，MgO 5-10％，Nb2O5 5-10％，CoO4-8％，ZrO2 1-3％，CuO 1-2％，MoO3 0.2-0.5％，烧结助剂纳米TiO2 0.2-0.5％、助熔剂V2O58-12％和Bi2O3 0.2-0.5％，分散剂0.2-0.5％；所述分散剂包括：苯磺酸钠、十二烷基酚聚氧乙烯醚，重量比为1：0.5-0.9；所述磁芯组件的磁芯块7制备方法包括如下步骤：A、将上述料按配比加入至球磨罐中，加入粉体重量的10%PVA水溶液，搅拌均匀后进行喷雾造粒制成100-120目颗粒料，干燥，粉碎，然后预烧，预烧时间为1-1.5h，预烧温度为560-580℃得到预烧料；B、将预烧料和烧结助剂、分散剂混合，球磨至粒径为0.3-0.5μm，压制成型为磁芯组件1坯，压制成型的成型压力1400-1500MPa；C、在惰性气体保护下，对磁芯组件1坯装钵烧结，先以3-5℃/min的速度从室温升温至470-500℃，保温30-35min，排胶；再以6-8℃/min的速度继续升温至900-980℃，冷却至室温，得到磁芯块7及圆柱形中心磁芯柱6。
进一步地，所述磁芯组件磁芯块的左弧形侧柱8截面积，右弧形侧柱9截面积均要大于或等于圆柱形中心磁芯柱6截面积的0.75倍。
本发明的有益效果在于：
①本发明的磁芯块7及圆柱形中心磁芯柱6是锰-镍-锌铁氧体的磁芯体材料，由于Fe2O3的饱和磁通密度小，本发明采用Fe2O3与MnO、ZnO、NiO、V2O5、MgO、Nb2O5 、CoO复配为主料，在烧结助剂TiO2 、助熔剂V2O5 和Bi2O3 的作用下，可以提高磁芯体材料的烧结密度，Mn2+可在烧结反应时可降低Fe3+、Co2+、Ni2+的生成，使本发明的电阻率进一步增高，再配合苯磺酸钠、十二烷基酚聚氧乙烯醚复配研磨，相互间分散程度极高，可有效促使ZnO、MgO、Nb2O5 、ZrO2 、CuO在体系中分散，有效降低溶解所需时间，避免晶粒异常生长造成性能恶化，同时电阻率得到有效提高。本发明制备方法简单，所得铁氧体磁芯具有高频、高饱和磁通密度和低磁损耗的优良性能，在80℃及120℃以上温升及损耗与25℃无明显变化，特别适合做大功率、体积小的无骨架变压器；其形状与结构使变压器温升稳定，体积小，便于无骨架作业的组装作业；磁芯组件磁芯块的左弧形侧柱8截面积，右弧形侧柱9截面积均大于圆柱形中心磁芯柱6截面积的0.75倍；由圆柱形中心磁芯柱6，上下磁芯块的纺锤型底边10，上下磁芯块的左右弧形侧柱9所组成磁通回路，增大了磁路的有效截面积，减少了漏磁和漏感。通过与现有技术相同高频状态下对比，发现本发明损耗比常规变压器小，能承受的功率大，成型方便，利于批量生产；
②本发明通过铁、锌、镍、钴、钒、镁、铌、锰等元素的合理配比及配方设计，使所得铁氧体磁芯具有优异的电感值和磁导率，综合性能优异，完全适用于大功率体积小变压器对磁芯的电感值和磁通率的要求，应用前景广阔；本发明的初始磁导率为3600，电感值65mH，阻抗率87％以上，25℃时的电阻率为12Ω·m；
③本发明变压器输入端采用高强度的带有铁氟龙自粘层12包裹的多股漆包线，比采用单股漆包线工作在高频状态，工作电流通过导体时的趋肤效应大大减少；使工作电流大，电流产生的磁场比较均匀，利用率大大增加。但是多股漆包线的抗高压效果极较差，绕制因难；因此本发明在绕制工艺时用带粘性的铁氟龙把线包裹一起，达到制作方便抗高压能力强，便于批量生产的效果；
④本发明变压器输出端用呈“C”字形圆弧状铜片作为绕组，层叠部分用高温绝缘材料的陶瓷基片4隔离，“C”字形圆弧状铜片并联用电阻率低的材料相连，散热效果好，损耗低；本发明的绕组结构无论是大电流，低电压满载输出时均有保障；
⑤本发明变压器绕组之间、铜薄片与铜薄片之间，输入与输出之间所垫的陶瓷基片4可以方便次级绕组铜薄片所产生的热量传导到陶瓷基片4；而陶瓷基片4的矩形部分19可以有效地方便连接风冷铝合金翅片；
⑥本发明变压器在磁芯组件1上直接组装多股漆包线绕组2与铜片绕组3，其中的中心磁芯柱6与两磁芯块7之间的气隙用软胶填满；磁芯组件1的两磁芯块7、多股漆包线绕组2和铜片绕组3之间用环氧树脂相连在一起，大大减少了产品之间因高频或电源板中振动回路带来的振动噪音。绕组与磁芯之间有空隙，绕组间也有空隙散热性能大大的提升。
Claims (5)
1.一种小体积大功率的无骨架变压器，由磁芯组件（1）、多股漆包线绕组（2）、铜片绕组（3）、陶瓷基片（4）和PCB板（5）所组成；其特征在于：所述磁芯组件（1）由圆柱形中心磁芯柱（6）、上、下对称的两磁芯块（7）对插组合而成，每块磁芯块（7）均包括有左弧形侧柱（8）、右弧形侧柱（9）和纺锤型底边（10）；纺锤型底边（10）的两端圆弧部分别与左弧形侧柱（8）、右弧形侧柱（9）一体相连；左弧形侧柱（8）与右弧形侧柱（9）左右对称，纺锤型底边（10）中心开设有一个与中心磁芯柱（6）的外径相匹配的盲孔（11）；当上、下两磁芯块（7）对插组合时，所述中心磁芯柱（6）的上下两端分别插进对应的盲孔（11）中，并与盲孔（11）底及盲孔（11）侧壁形成气隙；上述多股漆包线绕组（2）和铜片绕组（3）安装在所述的中心磁芯柱（6）上；中心磁芯柱（6）与两磁芯块（7）之间的气隙用软胶填满；磁芯组件（1）的两磁芯块（7）、多股漆包线绕组（2）和铜片绕组（3）之间用环氧树脂相连在一起；
所述多股漆包线绕组（2）是采用带有铁氟龙自粘层（12）包裹的多股漆包线，通过缠绕使线与线之间叠成两个相互串联的饼状线圈（13），两个饼状线圈（13）的引出端组成为绕组输入端（14）；
所述铜片绕组（3）是用两片或者两片以上呈“C”字形圆弧状，厚度为0.5-1.5mm的铜薄片组合而成；铜薄片圆弧形部分（15）的内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱（6）外径大小相匹配，铜薄片圆弧的端部设计成不对称的中央引脚（16）和边引脚（17）；中央引脚（16）是其中一端部依照铜薄片圆弧径向所引出的脚，边引脚（17）是另一端部所引出的脚，边引脚（17）平行偏离中央引脚（16）；所述铜片绕组（3）各铜薄片的中央引脚（16）、边引脚（17）一起连接PCB板（5），通过PCB板（5）的覆铜线路，将铜薄片之间并联或者串联成为绕组输出端；
所述陶瓷基片（4）是由圆环形部分（18）和矩形部分（19）组合为呈“Ω”字形状，厚度为0.1-0.5mm的陶瓷薄片，陶瓷基片（4）的圆环形部分（18）内径与磁芯组件的圆柱形中心磁芯柱（6）外径大小相匹配，外径等于铜片绕组（3）铜薄片圆弧形部分（15）的外径；陶瓷基片（4）的矩形部分（19）外接散热端；
所述的铜薄片组合是，上、下两铜薄片之间夹一层陶瓷基片（4）同心叠合；且上、下两铜薄片正反面相对，使一层铜薄片的边引脚（17）在中央引脚（16）的左边，另一层铜薄片的边引脚（17）在中央引脚（16）的右边，如此交替相叠；
所述多股漆包线绕组（2）的两个相互串联饼状线圈（13）之间，上、下同心夹叠所述铜片绕组（3）；其中铜片绕组（3）最上层的铜薄片与多股漆包线绕组（2）的饼状线圈（13）之间夹有一层陶瓷基片（4），同样，铜片绕组（3）最下层的铜薄片与多股漆包线绕组（2）的饼状线圈（13）之间也夹有一层陶瓷基片（4）。
2.根据权利要求1所述的一种小体积大功率的无骨架变压器，其特征在于：所述磁芯组件磁芯块的左弧形侧柱（8）截面积、右弧形侧柱（9）截面积均要大于或等于圆柱形中心磁芯柱（6）截面积的0.75倍。
3.根据权利要求1所述的一种小体积大功率的无骨架变压器，其特征在于：所述磁芯组件的磁芯块（7）及圆柱形中心磁芯柱（6）是由三价铁离子作为主要阳离子成份和其它氧化物的混合物组成的一种烧结成型的软磁铁氧体。
4.根据权利要求3所述的一种小体积大功率的无骨架变压器，其特征在于：所述软磁铁氧体，其原料按重量百分比包括：Fe2O3 25-30％，MnO 20-24％，ZnO 15-18％，NiO 5-10％，MgO 5-10％，Nb2O5 5-10％，CoO 4-8％，ZrO2 1-3％，CuO 1-2％，MoO3 0.2-0.5％，烧结助剂纳米TiO2 0.2-0.5％、助熔剂V2O5 8-12％和Bi2O3 0.2-0.5％，分散剂0.2-0.5％；所述磁芯组件的磁芯块（7）制备方法包括如下步骤：A、将上述料按配比加入至球磨罐中，加入粉体重量的10%PVA水溶液，搅拌均匀后进行喷雾造粒制成100-120目颗粒料，干燥，粉碎，然后预烧，预烧时间为1-1.5h，预烧温度为560-580℃得到预烧料；B、将预烧料和烧结助剂、分散剂混合，球磨至粒径为0.3-0.5μm，压制成型为磁芯组件（1）坯，压制成型的成型压力1400-1500MPa；C、在惰性气体保护下，对磁芯组件（1）坯装钵烧结，先以3-5℃/min的速度从室温升温至470-500℃，保温30-35min，排胶；再以6-8℃/min的速度继续升温至900-980℃，冷却至室温，得到磁芯块（7）及圆柱形中心磁芯柱（6）。
5.根据权利要求4所述的一种小体积大功率的无骨架变压器，其特征在于：所述分散剂包括：苯磺酸钠、十二烷基酚聚氧乙烯醚，重量比为1：0.5-0.9。
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2022
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