CN115691983A - 一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法，其中，所述装置包括屏蔽层，所述屏蔽层布置在变压器的铁芯和/或冷水板上，用于减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。本发明能有效减小扩散磁通在铁芯上的额外涡流损耗。

Description

一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法。

背景技术

变压器，是一种利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，且由变压器的工作原理可知：如图1所示的，当变压器的铁芯中存在气隙时，原边集中流通在铁芯内部的磁通会穿过空气间隙。磁通穿过空气间隙时，由于间隙处的磁导率与外界空气的磁导率是一致的，对磁通的约束已经不复存在了，为此磁通不会仅仅集中在气隙区域，会扩散出气隙，这部分扩散的气隙称为气隙扩散磁通。

当扩散的磁通到达变压器的绕组时，会在绕组上产生涡流损耗，绕组损耗骤升，同时当扩散磁通到达变压器的其他结构件上时，也会在这些结构件上产生涡流损耗，温升增大，加剧结构件的老化。为此减小气隙扩散磁通的大小及扩散范围是必要且迫切的。

因此，需要设计一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述装置包括屏蔽层，所述屏蔽层布置在变压器的铁芯和/或冷水板上，用于减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

进一步地，所述屏蔽层由良导体材料制成。

进一步地，所述良导体材料为铜箔。

进一步地，所述屏蔽层的厚度大于铜箔的趋肤深度。

进一步地，所述屏蔽层采用以下任意一种方式布置在铁芯叠层方向的面上：

1)屏蔽层全覆盖于铁芯叠层方向的面上；

2）屏蔽层的气隙长度等于铁芯的气隙的长度；

3）屏蔽层的气隙长度大于铁芯的气隙长度；

4）屏蔽层的气隙长度小于铁芯的气隙长度。

进一步地，所述屏蔽层布置在冷水板的厚度方向的面上。

进一步地，所述铁芯为附加铁芯，其中，

所述附加铁芯设于变压器的原边绕组和副边绕组之间，所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合；

所述副边绕组绕制在变压器的主铁芯的外周围；

所述附加铁芯设于主铁芯的一侧，且所述原边绕组绕制在附加铁芯和副边绕组的外周围。

进一步地，所述主铁芯和/或附加铁芯上布置屏蔽层。

进一步地，所述附加铁芯上分布有多个气隙。

另一方面，本发明还提供一种铁芯的漏磁屏蔽方法，其中，所述方法包括：

在变压器的铁芯和/或冷水板上布置屏蔽层，以减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

进一步地，所述屏蔽层采用以下任意一种方式布置在铁芯叠层方向的面上：

1)屏蔽层全覆盖于铁芯叠层方向的面上；

2）屏蔽层的气隙长度等于铁芯的气隙长度；

3）屏蔽层的气隙大于铁芯的气隙长度；

4）屏蔽层的气隙小于铁芯的气隙长度。

本发明的一种铁芯的漏磁屏蔽装置及方法，具有如下的优点：

（1）通过对附加铁芯采用漏磁屏蔽的方法，能够有效减小扩散磁通在铁芯上的额外涡流损耗，降低气隙处的热点温升；

（2）通过对附加铁芯采用漏磁屏蔽的方法，能够减小扩散磁通在绕组上产生的额外涡流损耗，提高了变压器的传输效率；

（3）通过对附加铁芯采用漏磁屏蔽的方法，能够减小扩散磁通在冷水板上产生的额外涡流损耗。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了变压器的铁芯在51mm气隙下的磁通仿真图。

图2示出了根据本发明实施例铜箔屏蔽层损耗区域分布图。

图3示出了根据本发明实施例的屏蔽层可以采用第一种方式布置在铁芯叠层方向的面上的结构示意图。

图4示出了根据本发明实施例的屏蔽层可以采用第二种方式布置在铁芯叠层方向的面上的结构示意图。

图5示出了根据本发明实施例的屏蔽层可以采用第三种方式布置在铁芯叠层方向的面上的结构示意图。

图6示出了根据本发明实施例的屏蔽层可以采用第四种方式布置在铁芯叠层方向的面上的结构示意图。

图7示出了根据本发明实施例的屏蔽层的布置方式选取第一种方式下，一种铁芯的漏磁屏蔽装置的结构示意图。

图8示出了根据本发明实施例的图7的侧视图。

图9示出了根据本发明实施例的图7的俯视图。

图10示出了根据本发明实施例的将附加电感集成为变压器的漏感，从而形成大漏感集成变压器的结构示意图。

图11示出了根据本发明一种高频变压器的结构示意图。

图12示出了根据本发明一种铁芯的漏磁屏蔽方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

另外，在发明中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。

如图1所示，能够发现铁芯内部的磁力线大范围往外围扩散，同时，在没有屏蔽措施的情况下，泄露的磁通扩散出气隙并穿过超过气隙长度的路径后，由于铁芯的高磁导率，泄露磁通大部分又会回到铁芯中。但泄露磁通返回铁芯时，不是沿着铁芯截面返回，而是从铁芯侧面垂直于铁芯柱表面返回的，这样的返回泄漏磁通会在铁芯表面上产生沿着铁芯表面流动的涡流，造成额外涡流损耗，铁芯增大，温升增大，气隙处温度极高，同时，同样也会在冷水板及变压器的绕组中产生极大的涡流，导致损耗增大，变压器效率骤降。

因此，针对扩散的磁通返回的过程，基于电磁屏蔽的原理，可通过采用将磁感线抵消的方式，消除铁芯及冷水板上的气隙扩散磁通损耗，下面进行详细地描述。

本发明的一个实施例中，提供一种铁芯的漏磁屏蔽装置解决上述问题，其中，所述装置包括屏蔽层，所述屏蔽层布置在变压器的铁芯和/或冷水板上，用于减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

在本实施例中，所述屏蔽层由良导体材料制成，当铁芯上包裹一个良导体时，当变化的磁力线穿过良导体时，根据楞次定律，良导体上会产生涡流来抑制边缘磁通的扩散，进而一方面能够迫使边缘磁通回到磁芯中，另一方面消耗掉外泄的磁通，从而不产生返回和溢出的边缘磁通，相当于电磁屏蔽。

同时良导体的厚度、布置方式以及材料均会影响屏蔽的效果以及额外产热的大小，下面进行详细地描述。

（1）良导体的材料：

常见的良导体的材料为铜箔及铝箔，由于铜箔的电导率高，电阻小，基于麦克斯韦-安培定理如式（1）所示，在磁密及气隙长度不变的情况下，外泄的磁通是一定的，代表需要消除的磁通是一定的，磁通变化激励是相同的，那么需要产生的反向磁通是一定的，故其激发产生的涡流大小及变化率是一定的，那么当屏蔽层的电阻越小，屏蔽层产生的损耗就越低。为此相比铝箔，铜箔更适合作为屏蔽层良导体的材料，产生的损耗更低。同时对于屏蔽效果而言，在一定的磁通变化激励下，当磁通无法完全屏蔽时，产生的涡流越大，变化越快则屏蔽效果越大，为此选择电阻率更小的铜箔作为屏蔽层时，屏蔽效果更好。

（1）

其中，

为磁感应强度，

为电流密度，

为电位移矢量。

（2）良导体的厚度：

在交变的电磁场中，当交变的磁感线（磁场）进入导体时，由于楞次定律，在导体中 会产生感应电流，这种电流一方面会产生变化的磁场抵消外入的磁场，另一个方面也会阻 碍磁场在导体内的透入深度，只允许磁场穿透到导体内部的一定深度。后面这种现象称为 磁场在导体中的趋肤效应，这个深度称为磁趋肤深度

，磁趋肤深度

通过如下式（2）确定：

（2）

其中，f为磁场交变频率，

为电导率，

为磁导率，

为物质的相对磁导率，

表示圆周率。

随着频率的升高，趋肤深度会随之减小，故在磁场趋肤效应的影响下，导体中产生的涡流感应会主要集中在导体的表面区域，在趋肤深度范围内，趋肤深度范围外的区域，电流快速衰减。由此对于铜屏蔽层（屏蔽层采用铜箔材料制成后，形成的铜屏蔽层）而言，气隙扩散的磁通会主要集中在铜箔的趋肤深度的区域，感应涡流电流也主要在这个区域，为此铜屏蔽层厚度大于（略大于）铜箔的趋肤深度即可，同时发热区域也主要在气隙区域，气隙磁通分布的区域。

如图2所示的，为在变压器工作频率为600Hz下的仿真结果，可以观察到：铜屏蔽层中的主要发热区域的厚度为2.6mm，集中在气隙处（此时铜箔的趋肤深度2.697mm）。

（3）屏蔽层9的布置位置：

在满足屏蔽需求的前提下，屏蔽层的体积越大，数量越多，屏蔽层上产生的损耗越多。同时屏蔽层的布置位置不同，也会导致在屏蔽层上产生的损耗存在差异。为此需要对屏蔽层的位置进行合理布置。

在本发明的一个实施例中，屏蔽层为薄片状，呈分布式分布在铁芯叠层方向的面上，且屏蔽层平行于铁芯的厚度方向，根据长宽尺寸的不同，屏蔽层可以采用以下任意一种方式布置在铁芯叠层方向的面上：

第一种方式：如图3所示的，屏蔽层9全覆盖于铁芯11叠层方向的面上，且屏蔽层9整体不设置气隙；

第二种方式：如图4所示的，屏蔽层9上设有第一气隙13，屏蔽层9上设有第一气隙13的数量与铁芯11上的气隙10的数量相等，且屏蔽层9的第一气隙13长度等于铁芯11的气隙10长度（例如如图4所示的，铁芯11由从上至下的硅钢片12-气隙10-硅钢片12-气隙10-硅钢片12-气隙10-硅钢片12构成，因此，也即屏蔽层9的第一气隙13长度等于两个硅钢片12之间的距离）；

第三种方式：如图5所示的，屏蔽层9上设有第二气隙14，屏蔽层9上设有第二气隙14的数量与铁芯11上的气隙10的数量相等，且屏蔽层9的第二气隙14长度大于铁芯11的气隙10长度；

第四种方式：如图6所示的，屏蔽层9上设有第三气隙15，屏蔽层9上设有第三气隙15的数量与铁芯11上的气隙10的数量相等，且屏蔽层9的第三气隙15长度小于铁芯11中的气隙10长度。

首先从泄露磁通的流通分布可以看出，泄露磁通从气隙10出流出，泄露到铁芯11外部，然后沿着垂直于铁芯11表面的方向返回铁芯11。泄露磁通返回铁芯11时才会在铁芯11上产生涡流，为此不需要在气隙10位置设置屏蔽层9。

当泄露磁通返回铁芯11时，有两个返回位置，一个是沿着铁芯11叠层方向，另一个是垂直于铁芯11叠层方向。由于垂直于铁芯11叠层方向的面是由各个相互绝缘的铁芯11叠层得到，为此电阻极大，形成的涡流极小，产生的铁芯11涡流损耗极小，如果在该位置设置铜屏蔽层9，铜屏蔽层9产生涡流损耗反而会大于产生的铁芯11损耗。

而沿着铁芯11叠层方向的面是一个完整的铁芯11截面，泄露磁通会在铁芯11上产生极大的涡流损耗，为此该位置需要布置铜屏蔽层9。而对于冷水板12而言，由于冷水板12很薄，且冷水板12的厚度方向与铁芯11的叠层方向一致，为此也只需在冷水板12的宽面方向（即冷水板12的厚度方向）设置屏蔽层9即可。

由此得到铜屏蔽层9的布置位置为：

a、屏蔽层9不完全包裹住铁芯11，仅沿着铁芯11的叠层方向上布置，同时也仅在冷水板12的厚度方向设置屏蔽层9；

b、屏蔽层9的布置方式主要为图3-7采用的方式。

在本发明的一个实施例中，如图7所示的，屏蔽层9的布置方式选取图3的方式，即此时，由于铁芯11是有多个硅钢片层叠而来，以硅钢片的层叠方向来看，每个硅钢片的层叠方向的面上均全覆盖有屏蔽层9，铁芯11厚度方向（如图8所示的，且图8为图7的侧视图）不覆盖屏蔽层9，且每个两个相邻（该相邻指的是两个屏蔽层9之间不间隔硅钢片）的屏蔽层9之间设冷水板12（如图9所示的，且图9为图7的俯视图），此时，铁芯10和冷水板12上就形成都分布屏蔽层的形式。

另一方面，在双向主动全桥变换器（dual active bridge,DAB）的拓扑中，为了有效控制功率的传输，往往会增加一个额外的附加电感，附加电感一方面会带来额外的损耗，降低系统的传输效率，另一方面附加电感的增加需要重新进行空间布局，考虑到绝缘等问题会导致整个DAB所占的空间体积增大，减小了系统的功率密度。

为解决这个问题，如图10所示的，在现在的变压器设计中可将附加电感集成为变压器的漏感，从而形成大漏感集成变压器，即本方案通过附加铁芯4的方案来集成漏感，为此，需要采用在高频变压器中设计附加铁芯的方案来集成漏感，此时相当于将附加铁芯的励磁电感作为变压器漏感的一部分，但由于附加铁芯整体的磁导率极大，造成附加铁芯上产生的电感值极大，同时附加铁芯上的磁导率变化较大，从而难以完成对准确电感数值的设计控制，由此可知，如何在高频变压器中设计通过附加铁芯的方案来集成漏感，避免附加铁芯上产生的电感值过大，降低附加铁芯上的磁导率变化就变得尤为重要。

因此，针对上述问题，本发明还提供一种基于磁芯漏磁屏蔽的大容量（兆瓦级）高频变压器，就是对变压器的漏感进行了有效集成，下面进行详细地说明。

如图11所示的，给出了本发明的高频变压器（以下简称变压器）拓扑，变压器包括原边绕组3、副边绕组2以及附加铁芯4，所述附加铁芯4设于原边绕组3和副边绕组2之间的间隔空间中，自身能够形成完整磁回路，其中，

在本实施例中，所述附加铁芯4为上述的铁芯，所述附加铁芯4，用于提升变压器的漏感值，其中，

所述附加铁芯4与原边绕组3耦合，与副边绕组2不耦合。

在本发明中，线圈匝数较多的绕组，通常是原边绕组3（通过仅与外侧匝数较多的原边绕组3相耦合进而产生精准稳定的电感值集成到变压器中），通过加压通流到原边绕组3，进而传输能量；线圈匝数较少的绕组，一般是副边绕组2，用于将原边传输来的能量，传输到副边。

下面进行详细地说明。

在本发明的一个实施例中，所述变压器包括的主铁芯1（主铁芯11是由多个铁芯11并联而成，本实施例图2中，主铁芯1是由三个铁芯11并联而成）是变压器的核心部件，承担电磁转换的功能。所述副边绕组2绕制在主铁芯1的外周围，其中，在本实施例中，示例性的，主铁芯1的单个铁芯11由两个铁芯柱和两个铁轭组成，即主铁芯1的单个铁芯由两个左右的第一铁芯柱5及两个上下的第一铁轭6组成，具体的：

其中两个第一铁芯柱5相互平行，另外两个第一铁轭6相互平行。副边绕组2有两对，两对副边绕组2分别绕制在主铁芯1一侧的第一铁芯柱5周围和另一侧的第一铁芯柱5周围，两对副边绕组2采用并联连接或串联连接。

在本发明的一个实施例中，所述附加铁芯4设于主铁芯1的一侧，其中，在本实施例中，示例性的，附加铁芯4也由两个铁芯柱和两个铁轭组成，其中，两个所述铁芯柱相互平行，两个所述铁轭相互平行，即附加铁芯4由图2中的两个第二铁芯柱7及两个第二铁轭8组成，其中两个第二铁芯柱7相互平行，另外两个第二铁轭8相互平行。

在本实施例中，参考图2，附加铁芯4的铁芯柱及铁轭与主铁芯1的铁芯柱及铁轭一一对齐。

在本发明的一个实施例中，对于所述原边绕组3绕制在附加铁芯4和副边绕组2的外周围，具体的：

附加铁芯4的原边绕组3绕有两对，两对原边绕组3绕中，其中一个原边组绕制在其中一个第一铁芯柱5和其中一个第二铁芯柱7的外周围，从而形成其中一个副边绕组2位于其中一个原边绕组3的内部；另一个原边组绕制在其另一个第一铁芯柱5和另一第二铁芯柱7的外周围，从而形成另一副边绕组2位于另一原边绕组3的内部。

在本发明的一个实施例中，附加铁芯4自身能够形成完整磁回路，由于附加铁芯4仅与原边绕组3耦合，与副边绕组2不耦合，因此附加铁芯4产生的电感也仅与原边绕组3的线圈匝数N有关。

在本发明的一个实施例中，在上述的附加铁芯4的基础上，为了达到合适的漏感值，在附加铁芯4中设置多个气隙，且本实施例中，附加铁芯4中设置的气隙分布在附加铁芯4的铁芯柱和/或铁轭上，即附加铁芯4的每个铁芯柱和/或铁轭上分布多个气隙。

另一方面，本发明还提供一种铁芯的漏磁屏蔽方法，其中，所述方法包括：在变压器的铁芯和/或冷水板上布置屏蔽层，以减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述装置包括屏蔽层，所述屏蔽层布置在变压器的铁芯和/或冷水板上，用于减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

2.根据权利要求1所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述屏蔽层由良导体材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述良导体材料为铜箔。

4.根据权利要求3所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述屏蔽层的厚度大于铜箔的趋肤深度。

5.根据权利要求4所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述屏蔽层采用以下任意一种方式布置在铁芯叠层方向的面上：

1)屏蔽层全覆盖于铁芯叠层方向的面上；

2）屏蔽层的气隙长度等于铁芯的气隙的长度；

3）屏蔽层的气隙长度大于铁芯的气隙长度；

4）屏蔽层的气隙长度小于铁芯的气隙长度。

6.根据权利要求4述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述屏蔽层布置在冷水板的厚度方向的面上。

7.根据权利要求3-6任一项所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述铁芯为附加铁芯，其中，

所述附加铁芯设于变压器的原边绕组和副边绕组之间，所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合；

所述副边绕组绕制在变压器的主铁芯的外周围；

所述附加铁芯设于主铁芯的一侧，且所述原边绕组绕制在附加铁芯和副边绕组的外周围。

8.根据权利要求7所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述主铁芯和/或附加铁芯上布置屏蔽层。

9.根据权利要求7所述的一种铁芯的漏磁屏蔽装置，其中，所述附加铁芯上分布有多个气隙。

10.一种铁芯的漏磁屏蔽方法，其中，所述方法包括：

在变压器的铁芯和/或冷水板上布置屏蔽层，以减小铁芯和/或冷水板上产生的涡流损耗。

11.根据权利要求10所述的一种铁芯的漏磁屏蔽方法，其中，所述屏蔽层采用以下任意一种方式布置在铁芯叠层方向的面上：

1)屏蔽层全覆盖于铁芯叠层方向的面上；

2）屏蔽层的气隙长度等于铁芯的气隙长度；

3）屏蔽层的气隙大于铁芯的气隙长度；

4）屏蔽层的气隙小于铁芯的气隙长度。

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