CN117079944A - 一种基于扁铜线嵌套结构的绕组和高频电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子变压器研究领域，具体涉及一种基于扁铜线嵌套结构的绕组和高频电子变压器。包括初级线圈、次级线圈一和次级线圈二；所述初级线圈为扁铜线立绕成螺旋线圈，绕线方向可以是右螺旋或者左螺旋；次级线圈一和次级线圈二的截面都为立绕成螺旋线圈，绕线方向都与初级线圈保持一致；次级线圈一和次级线圈二使用的扁铜线宽度小于等于初级线圈的一半；次级线圈一的内径尺寸与初级线圈的内径相同；次级线圈二的外径尺寸与初级线圈的外径相同；初级线圈与次级线圈一、次级线圈二交叉排列。提高变压器绕线窗口利用率，使用了扁平线提高绕线窗口的利用率，绕组耦合程度高，漏感大大降低，变压器效率得到提高。
Description
技术领域
本发明属于电子变压器研究领域，具体涉及一种基于扁铜线嵌套结构的绕组和高频电子变压器。
背景技术
随着电子设备的发展，其功率越来越大，体积越来越小，对供电电源的体积和功率密度要求越来越高。功率变压器是电源中体积最大的器件，其尺寸大小限制了电源的尺寸。尤其是高度尺寸，随着设备扁平化发展的趋势，高频变压器平面化趋势越来越强烈。提高变压器的功率密度，减小变压器体积，实现变压器平面化是变压器发展的一个趋势。
传统高频变压器绕组使用漆包线绕制，改加工方式存在许多不足：一是磁芯窗口利用率低，圆线即使紧密排列也存在缝隙骨架也占用了大量空间，铜的实际占有率只有0.2-0.4左右；二是初级绕组和次级绕组的耦合程度差，导致变压器漏感大；三是高频工作时电流趋肤效应和临近效应使得电流在漆包线内部分布不均匀，这导致绕组损耗增大，发热严重。
为了解决这些缺点，行业不断推出新技术，比如采用多股细线绞合的结构来降低趋肤效应，采用印制电路板的结构来提高初级绕组和次级绕组和耦合程度，或者采用冲压铜片绕组代替漆包线来提高载流能力。
新的技术解决了一些问题，但是也带来了其他问题。比如多股细线绞合结构的绕组虽然降低的趋肤效应，但是线径变小后绝缘层占据的空间更多了，窗口利用率相比单股的漆包线更低了；印制电路板由于其每层可以随意排布，初级绕组和次级绕组可以耦合很好，漏感也很低，但是层与层之间必须通过过孔互联，对于多圈结构的变压器来讲，需要太多过孔，尺寸反变大了，过孔发热问题也难以解决；而且印制板覆铜厚度一般只有0.1mm，最厚也难以超过0.2mm，不能适应大电流应用场合；冲压的铜片多用于大功率、大电流应用，但是一般仅限于3圈以下的绕组，多圈绕组需要通过内部焊点方式连接，工艺复杂，可靠性也差。
发明内容
本发明提供了一种基于扁铜线嵌套结构的绕组和高频电子变压器，其目的提高绕线窗口利用率、降低漏感、降低损耗、提高变压器效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种基于扁铜线嵌套结构的绕组，包括初级线圈、次级线圈一和次级线圈二；
所述初级线圈为扁铜线立绕成螺旋线圈，绕线方向可以是右螺旋或者左螺旋；
次级线圈一和次级线圈二的截面都为立绕成螺旋线圈，绕线方向都与初级线圈保持一致；
次级线圈一和次级线圈二使用的扁铜线宽度小于等于初级线圈的一半；
次级线圈一的内径尺寸与初级线圈的内径相同；
次级线圈二的外径尺寸与初级线圈的外径相同；
初级线圈与次级线圈一、次级线圈二交叉排列。
在一实施例中，所述初级线圈的螺旋线圈截面为矩形。
在一实施例中，所述次级线圈一和次级线圈二的螺旋线圈截面为矩形。
在一实施例中，所述初级线圈、次级线圈一和次级线圈二为铜线。
一种高频电子变压器，包括所述嵌套结构的绕组，磁芯为RM5型铁氧体磁芯。
本发明所达到的有益效果为：
本发明一种基于扁铜线嵌套结构的高频电子变压器，提高变压器绕线窗口利用率，由绕组由于使用了扁平线，其截面呈矩形，相比圆导线能大幅提高绕线窗口的利用率，同时由于初级绕组和次级绕组紧密交叉排列，绕组耦合程度高，漏感大大降低；而且这种交叉排列的结构使得初级绕组电流和次级绕组电流形成的磁场互相抵消，铜线内部磁场强度降低，从而大大削弱了电流的交流趋肤效应和邻近效应，使得导线内部电流分布更加均匀，绕组损耗降低，变压器效率得到提高，同样输出功率下，变压器尺寸可以做的更小；同时由于多个次级线圈并非采用叠放结构，而是采用了嵌套的结构，能够大幅降低变压器高度，实现变压器平面化。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为初级线圈嵌套次级线圈一、次级线圈二结构图；
图2为初级线圈嵌套与次级线圈一、次级线圈二嵌套前结构；
图3中a为传统变压器线圈绕组截面排列结构，b为本变压器线圈绕组截面交叉排列结构；
图4为传统结构变压器电流密度分布云图；
图5本变压器绕组电流密度分布云图；
图6为传统结构变压器绕组电流密度分布曲线图；
图7为本变压器绕组电流密度分布曲线图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1～7所示，本发明提供了一种基于扁铜线嵌套结构的高频电子变压器，包括初级线圈、次级线圈一和次级线圈二；
N1为初级线圈，所述初级线圈为扁铜线立绕成螺旋线圈，绕线方向可以是右螺旋或者左螺旋；
N2为次级线圈1，N3为次级线圈2，次级线圈一和次级线圈二的截面都为立绕成螺旋线圈，绕线方向都与初级线圈保持一致；
如图3所示，a为传统变压器排列结构，b为本变压器采用的交叉排列结构。
次级线圈一和次级线圈二使用的扁铜线宽度小于等于初级线圈的一半；
次级线圈一的内径尺寸与初级线圈的内径相同；
次级线圈二的外径尺寸与初级线圈的外径相同；
初级线圈与次级线圈一、次级线圈二交叉排列。
所述初级线圈的螺旋线圈截面为矩形。
所述次级线圈一和次级线圈二的螺旋线圈截面为矩形。
组装方式：首先将次级线圈1套入次级线圈2形成嵌套的结构，如图2所示，然后将初级线圈通过螺旋的方式扭入次级线圈，形成初级线圈与次级线圈交叉排列结构，如图1所示，最后将组装好的线圈装入磁芯中得到完整的高频变压器。
本发明设计1款双路输出的正激变压器，额定输出功率为65W，工作频率800kHz，原边输入电压为20V～50V，副边输出电压±12V。长宽高尺寸要求不大于12.5mm×12.5mm×7.6mm，工作温度-65℃～180℃，损耗不高于1W。
磁芯选择RM5型铁氧体磁芯，长宽尺寸为12.3mm×12.3mm，高度尺寸磨低至7.5mm。由于工作频率较高，选择横店东磁高频低损耗铁氧体材质DMR50B，该材质工作频率范围为500kHz～1MHz。
根据变压器工作电压和频率，设计初级绕组圈数为5圈，次级绕组一的圈数为6圈，次级绕组二的圈数为6圈。
本变压器由于工作频率高，电流的趋肤效应和邻近效应非常严重，传统漆包线方案效果较差，本方案选择选择截面为矩形的扁铜线作为绕组导线。根据磁芯窗口尺寸，选择宽度为2.4mm的扁铜线。同时考虑绕制工艺的可实施性，宽厚比不能超过15，否则容易起褶皱，选择0.2mm线厚度。
根据绕组圈数计算出绕组厚度为4.78mm，而磁芯窗口尺寸只有3.9mm±0.2mm，不满足装配要求。
由于双路输出，副边绕组圈数太多，导致扁铜线高度超出磁心窗口高度。为减小线圈高度，将副边双路输出设计为嵌套结构，线宽选择1.0mm，厚度依然选择0.2mm，计算出绕组厚度为3.13mm，满足装配要求。
如图4-7所示，使用ANSYS MAXWELL有限元仿真软件对变压器的电流密度和损耗进行分析。根据分析结构可以看出，传统变压器在高频工作时，邻近效应非常明显，电流分布极不均匀，虽然导体厚度只有0.2mm，但是同一层导体的上方和下方仍然感应出了方向相反的电流，电流分布不均匀极大的增加了绕组损耗，根据分析结果，绕组交流损耗Pac＝4060mW，远超预期。而本变压器由于采用初次级交叉排布结构，邻近效应大大减弱，绕组电流分布较为均匀，根据分析结果绕组交流损耗Pac＝175mW，相比传统结构大大降低。
同时，传统结构变压器漏感分析结果为0.2μH，而本变压器漏感分析结果只有0.005μH，是传统结构变压器的2.5％，漏感降低有助于提高变压器效率，降低开关管电压应力。
根据仿真计算结果，变压器磁芯损耗为223mW，绕组损耗319mW，总损耗542mW，满足设计指标要求。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于扁铜线嵌套结构的绕组，其特征在于：包括初级线圈、次级线圈一和次级线圈二；
所述初级线圈为扁铜线立绕成螺旋线圈，绕线方向可以是右螺旋或者左螺旋；
次级线圈一和次级线圈二的截面都为立绕成螺旋线圈，绕线方向都与初级线圈保持一致；
次级线圈一和次级线圈二使用的扁铜线宽度小于等于初级线圈的一半；
次级线圈一的内径尺寸与初级线圈的内径相同；
次级线圈二的外径尺寸与初级线圈的外径相同；
初级线圈与次级线圈一、次级线圈二交叉排列。
2.根据权利要求1所述的一种基于扁铜线嵌套结构的绕组，其特征在于：所述初级线圈的螺旋线圈截面为矩形。
3.根据权利要求1所述的一种基于扁铜线嵌套结构的绕组，其特征在于：所述次级线圈一和次级线圈二的螺旋线圈截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种基于扁铜线嵌套结构的绕组，其特征在于：所述初级线圈、次级线圈一和次级线圈二为铜线。
5.一种高频电子变压器，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的嵌套结构的绕组，磁芯为RM5型铁氧体磁芯。
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