CN115691984A - 一种分布式气隙结构、方法及高频变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式气隙结构、方法及高频变压器，其中，所述气隙结构包括用于提升变压器漏感的附加铁芯，所述附加铁芯上设有x个气隙分布区域，每个所述气隙分布区域均分布有m个气隙，每个所述气隙的宽度以及长度均相等。本发明减小损耗和缓解变压器局部发热。

Description

一种分布式气隙结构、方法及高频变压器

技术领域

本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种分布式气隙结构、方法及高频变压器。

背景技术

在双向主动全桥变换器（dual active bridge,DAB）的原边全桥和副边全桥的中间布置有高频变压器和附加电感，附加电感的作用是瞬时功率的缓冲，且附加电感是实现控制功率的传输的必要部件，然而附加电感会带来额外的损耗，降低系统的传输效率，并且附加电感占据较大体积，导致DAB系统所占的空间体积较大，功率密度降低，为此，通常会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，需要设计一种分布式气隙结构、方法及高频变压器，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种分布式气隙结构，其中，所述气隙结构包括用于提升变压器漏感的附加铁芯，所述附加铁芯上设有x个气隙分布区域，每个所述气隙分布区域均分布有m个气隙，每个所述气隙的宽度以及长度均相等。

进一步地，单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离大于3～5个气隙长度。

进一步地，单个所述气隙的长度通过如下公式确定：

其中，l ₁ 表示气隙的长度，n表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离，l _iso 表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离。

进一步地，所述附加铁芯包括两个铁芯柱和两个铁轭，其中，

两个所述铁芯柱连接在两个铁轭之间；

两个所述铁芯柱相互平行，两个所述铁轭相互平行。

进一步地，当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上。

进一步地，当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁轭上。

进一步地，当x=4时，其中2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，另外2个所述气隙分布区域分别设在两个铁轭上。

进一步地，单个所述铁轭上气隙的数量小于单个铁芯柱上气隙的数量。

进一步地，所述铁芯柱与铁轭之间的连接面为斜面或平面。

一方面，本发明提供一种分布式气隙结构的气隙分布方法，其中，所述气隙结构包括用于提升变压器漏感的附加铁芯；

所述方法包括：

在所述附加铁芯上设置x个气隙分布区域；

在每个所述气隙分布区域均分布m个气隙，其中，每个所述气隙的宽度以及长度均相等。

另一方面，本发明还提供一种高频变压器，其中，所述变压器包括原边绕组、副边绕组、附加铁芯，所述附加铁芯采用如上述的附加铁芯；

所述附加铁芯设于原边绕组和副边绕组之间，其中，

所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合。

进一步地，所述变压器还包括主铁芯，所述副边绕组绕制在主铁芯的外周围。

进一步地，

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。

本发明的一种分布式气隙结构、方法及高频变压器，采用分布式气隙，使得气隙不再分布在附加铁芯的一个区域，这样能够极大的减小气隙扩散磁通的数量及气隙扩散磁通的扩散范围，极大地减小损耗和缓解变压器局部发热。

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示出了根据本发明实施例的一种高频变压器拓扑图。

图2示出了根据本发明实施例51mm气隙下的磁通仿真图。

图3示出了根据本发明实施例的x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，且铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图4示出了根据本发明实施例的x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，且铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图5示出了根据本发明实施例的x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁轭上，且铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图6示出了根据本发明实施例的x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁轭上，且铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图7示出了根据本发明实施例的x=4时，其中2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，另外2个所述气隙分布区域分别设在两个铁轭上，且铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图8示出了根据本发明实施例的x=4时，其中2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，另外2个所述气隙分布区域分别设在两个铁轭上，且铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接的附加铁芯结构示意图。

图9示出了根据本发明实施例的附加铁芯采用了图3的分布式气隙方案后的附加铁芯结构示意图。

图10示出了根据本发明一种分布式气隙结构的气隙分布方法的流程图。

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。

以下对本发明进行详细地说明：

在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，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。通过对变压器的漏磁进行精密控制，使得变压器的漏感达到附加电感的数值水平，承担附加电感的作用。

本发明提供的一种基于分布式气隙的大容量（兆瓦级）高频变压器（一下简称一种高频变压器）就是对变压器的漏感进行了集成，通过采用分布式气隙的方法来完成漏感的集成及损耗地降低。其中，分布式气隙指的是在总长度一定的情况下，气隙不再集中在某一个区域或者数量为1，而是数量大于2，且位置分布在铁芯的不同区域。

下面对本发明的一种高频变压器的具体设计方案进行详细地说明。

如图1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，

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（主铁芯是由多个铁芯并联而成，本实施例图1中，主铁芯1是由三个铁芯并联而成）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3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1，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中设置气隙。

由变压器的工作原理可以得知：如图2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。

如图2所示，为51mm气隙下的磁通仿真图，能够发现在集中式大气隙下，磁通的扩散效应会极其严重，不仅扩散的磁通数目多，而且扩散的磁通扩散的范围很广，会在变压器的铁芯表面、绕组以及结构件上产生严重的涡流效应，且会造成变压器的局部发热严重及传输效率显著下降。

由于通过仿真及实验可知：随着气隙的增大，边缘磁通会扩散得更多，范围也会越广。这样会导致更多绕组部位上的磁通发生变化，进而导致更严重的涡流效应，绕组损耗增大。为此对于同样长度的集中式气隙而言，如果采用单一集中式气隙的话，会导致严重的绕组损耗。为此在设置附加铁芯的气隙时，需要采用分布式多气隙的布置方式，同时对气隙的长度及布置方式进行优化。

且当采用气隙总长度固定，气隙多数目结构时，可以发现这种结构下，铁芯大部分区域磁密分布相比于单气隙结构更均匀；多气隙结构下的磁通扩散范围明显小于单一气隙结构下的扩散范围。

下面对采用分布式多气隙的方案进行详细地说明。

为了解决集中式气隙带来的气隙扩散磁通损耗大、漏磁严重、变压器局部发热严重及变压器效率显著下降等问题，在本发明的一个实施例中，采用分布式多气隙的方案可通过一种分布式气隙结构实现，具体的：

一种分布式气隙结构中，所述气隙结构包括上述的用于提升变压器漏感的附加铁芯4，如图10所示的，所述附加铁芯4上设有x个气隙分布区域，每个所述气隙分布区域均分布有m个气隙，每个所述气隙的宽度以及长度（以图3的来看，气隙的长度是上下方向的距离定义，气隙的宽度为左右方向的距离定义）均相等。

在实施例中，为减小气隙扩散磁通在绕组上产生的损耗，需要合理设置分布式小气隙的长度。通过仿真及试验可知，当变压器的绕组（与附加铁芯4耦合的绕组，如原边绕组）到气隙的距离应大于3～5个气隙长度时，能够极大的削减绕组上额外的绕组损耗。因此，单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离需要大于3～5个气隙长度。

同时考虑到当气隙分布在拐角处时，会导致泄露磁通分布混乱，主磁通分布不均等问题，进而导致铁损增大。为此分布式气隙也会相对集中在铁芯柱及铁轭的中央区域，且所述铁芯柱与铁轭之间的连接面为斜面或平面。

在本实施例中，单个所述气隙的长度通过如下公式（1）确定：

（1）

其中，l ₁ 表示气隙的长度，n表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离，l _iso 表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离。

进一步地，在本实施例中，气隙的分布有以下三种情况：

1）当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，并且有以下两种情况：

a.如图3所示的，铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接，即铁芯柱（即图3中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图3中的第二铁轭8）之间的连接面为斜面，且示例性的，每个气隙分布区域分布有7个气隙（即此时m=7）。

b.如图4所示的，铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接，即铁芯柱（即图4中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图4中的第二铁轭8）之间的连接面为平面，且示例性的，每个气隙分布区域分布有7个气隙（即此时m=7）。

2）当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁轭上，并且有以下两种情况：

a.如图5所示的，铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接，即铁芯柱（即图5中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图5中的第二铁轭8）之间的连接面为斜面，且示例性的，每个气隙分布区域分布有5个气隙（即此时m=5）。

b.如图6所示的，铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接，即铁芯柱（即图6中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图6中的第二铁轭8）之间的连接面为平面，且示例性的，每个气隙分布区域分布有7个气隙（即此时m=7）。

3）当x=4时，其中2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，另外2个所述气隙分布区域分别设在两个铁轭上，并且有以下两种情况：

a.如图7所示的，铁芯柱与铁轭之间为斜角连接的方式连接，即铁芯柱（即图7中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图7中的第二铁轭8）之间的连接面为斜面，且示例性的，每个铁芯柱上的气隙分布区域均分布有7个气隙，每个铁轭上的气隙分布区域均分布3个气隙。

b.如图8所示的，铁芯柱与铁轭之间为直角连接的方式连接，即铁芯柱（即图8中的第二铁芯柱7）与铁轭（即图8中的第二铁轭8）之间的连接面为平面，且示例性的，每个铁芯柱上的气隙分布区域均分布有7个气隙，每个铁轭上的气隙分布区域均分布3个气隙。

因此，在3）的两种情况下，m=3或7。

基于上述设计的附加铁芯4，总气隙的长度（气隙的总长度）

，根据需求漏感，并 可利用公式（2）来计算：

（2）

其中，L为附加铁芯上产生的电感值（即集成的漏感），N为原边绕组3的线圈匝数，

为附加铁芯4的磁路长度，

为附加铁芯4的磁导率，

为气隙的磁路长度（即总气隙 的长度），

为气隙的磁导率，S为附加铁芯4的有效截面积，H为磁场强度，B为磁感应强度，

为磁链，I为原边绕组3上通过的电流，

为磁通。

再根据绕组到附加铁芯4气隙的绝缘距离l _iso 计算得到到单个分布式的气隙的长度l ₁ ，进而计算得到分布式气隙的总数量h，最后可根据变压器的实际情况，选取图3-图8中分布式气隙的方案（本实施例中，对于附加铁芯上的气隙的分布方式虽然只是列举出了图3-图8的6种方式，但其他在本实施例的基础上做出的简单变换的气隙的分布方式也能应用到本发明中），进行合理排布。

由于L与原边绕组3的线圈匝N的平方成正比，为了在高功率密度的需求下获得更大的电感，通常外侧与附加铁芯4耦合的绕组为线圈匝数较多的绕组通常为原边绕组3（即所述原边绕组3的线圈匝数多于副边绕组2的线圈匝数）。同时由于原边绕组3通常是高压绕组，一般也设置在外侧，为此将其与附加铁芯4耦合也更便于绕制。

在本发明的一个实施例中，为验证本发明的有效性和可靠性，下面针对一款大容量高频变压器的附加铁芯采用了分布式气隙方案（即采用了图3的方案）。示例性的，该变压器的端口电压为方波电压，原边电压幅值为10000～12000V，同时变压器流过梯形波电流，电流有效值为380～420A。变压器变比为20：3，原、副边之间的耐压为35KVdc,原边对地耐压为35KVdc,副边对地耐压6KVdc,集成的漏感值达到4.3mH。

同时针对原边对附加铁芯存在35KVAC的绝缘要求，绕组到附加铁芯4之间设置了30mm的空气绝缘距离，为抑制气隙磁通扩散效应，如图9所示的，绕组到气隙的距离应大于3～5个气隙长度，为此单个气隙长度设置的长度最多不超过6mm，示例性的，可以为图9中的4mm，同时尽量使得气隙在中间区域，且图9中，首个气隙的上沿到铁轭的距离为266mm。为使得扩散磁通的不扩散不过于混乱，气隙设置在铁芯柱上，由绕组进行包裹；附加铁芯4的单个铁芯柱设计的总长度为740mm，单个铁芯柱上气隙总长度为28mm（单个气隙长度*气隙的数量，即4mm*7=28mm）。

且在本方案中，采取的附加铁芯中间区域（拐角处不设置气隙,附加铁芯的铁芯柱与铁轭之间采用斜角搭接，即附加铁芯的铁芯柱与铁轭之间的连接面为斜面，或者说铁芯的铁芯柱通过一个斜角，搭接在铁轭上，该斜角的一端端面为斜面，该斜面与铁轭上的斜面连接）设置气隙，两个铁芯柱上均分布有7个气隙，7个气隙分布式排列后形成的总长度为208mm。

其中，每个小的气隙长度为4mm，总气隙为4*7*2 mm=56mm，每个小铁芯柱的长为30mm(共有小铁芯柱6*2个)。

在本发明中，采用分布式气隙，使得气隙不再分布在附加铁芯的一个区域，这样能够极大的减小气隙扩散磁通的数量及气隙扩散磁通的扩散范围，极大地减小损耗和缓解变压器局部发热。

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 (13)

1.一种分布式气隙结构，其中，所述气隙结构包括用于提升变压器漏感的附加铁芯，所述附加铁芯上设有x个气隙分布区域，每个所述气隙分布区域均分布有m个气隙，每个所述气隙的宽度以及长度均相等。

2.根据权利要求1所述的一种分布式气隙结构，其中，单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离大于3～5个气隙长度。

3.根据权利要求2所述的一种分布式气隙结构，其中，单个所述气隙的长度通过如下公式确定：

其中，l ₁ 表示气隙的长度，n表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离，l _iso 表示单个所述气隙与所述变压器的绕组之间的距离。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种分布式气隙结构，其中，所述附加铁芯包括两个铁芯柱和两个铁轭，其中，

两个所述铁芯柱连接在两个铁轭之间；

两个所述铁芯柱相互平行，两个所述铁轭相互平行。

5.根据权利要求4所述的一种分布式气隙结构，其中，当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上。

6.根据权利要求4所述的一种分布式气隙结构，其中，当x=2时，2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁轭上。

7.根据权利要求4所述的一种分布式气隙结构，其中，当x=4时，其中2个所述气隙分布区域分别设在附加铁芯的两个铁芯柱上，另外2个所述气隙分布区域分别设在两个铁轭上。

8.根据权利要求7述的一种分布式气隙结构，其中，单个所述铁轭上气隙的数量小于单个铁芯柱上气隙的数量。

9.根据权利要求5-8任一项所述的一种分布式气隙结构，其中，所述铁芯柱与铁轭之间的连接面为斜面或平面。

10.一种分布式气隙结构的气隙分布方法，其中，所述气隙结构包括用于提升变压器漏感的附加铁芯；

所述方法包括：

在所述附加铁芯上设置x个气隙分布区域；

在每个所述气隙分布区域均分布m个气隙，其中，每个所述气隙的宽度以及长度均相等。

11.一种高频变压器，其中，所述变压器包括原边绕组、副边绕组、附加铁芯，所述附加铁芯采用如权利要求1-9任一项所述的气隙结构中的附加铁芯；

所述附加铁芯设于原边绕组和副边绕组之间，其中，

所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合。

12.根据权利要求11所述的一种高频变压器，其中，所述变压器还包括主铁芯，所述副边绕组绕制在主铁芯的外周围。

13.根据权利要求12所述的一种高频变压器，其中，

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。

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