RU118469U1

RU118469U1 - TOROIDAL TRANSFORMER

Info

Publication number: RU118469U1
Application number: RU2012106124/07U
Authority: RU
Inventors: Егор Андреевич Моисеев; Вячеслав Семенович Данилов
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-20

Abstract

1. Тороидальный трансформатор, содержащий тороидальный магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, размещенные на нем, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена в виде многослойной объемной пленочной спирали с перекрытием одного слоя относительно другого и равномерно распределена по периметру магнитопровода, а вторичная выполнена идентично первичной, охватывающей первичную, причем обе обмотки выполнены из слоев материала с высокой электропроводностью. ! 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что между витками расположены слои диэлектрика, повторяющие профиль обмоток. 1. A toroidal transformer containing a toroidal magnetic circuit, primary and secondary windings placed on it, characterized in that the primary winding is made in the form of a multilayer volumetric film spiral with overlapping one layer relative to the other and is evenly distributed along the perimeter of the magnetic circuit, and the secondary is identical to the primary one, covering the primary, and both windings are made of layers of material with high electrical conductivity. ! 2. A transformer according to claim 1, characterized in that dielectric layers are located between the turns, repeating the profile of the windings.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике, в частности к индукционным устройствам для высокочастотных транзисторных преобразователей и может быть использована при создании источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, в том числе на малые выходные напряжения (2÷5 В) и большие токи нагрузки (свыше 100 А), построенные на базе высокочастотных транзисторных преобразователей. К ним могут быть отнесены, в частности, источники питания промышленных электронных приборов, сварочное оборудование, гальванические ванны и т.д.The proposed utility model relates to a conversion technique, in particular, to induction devices for high-frequency transistor converters and can be used to create power sources for various electronic equipment, including low output voltages (2-5 V) and high load currents (over 100 A), built on the basis of high-frequency transistor converters. These may include, in particular, power sources of industrial electronic devices, welding equipment, galvanic baths, etc.

Известные индукционные устройства относительно малых габаритов, работающие на повышенных частотах и имеющие высокие потери, относятся к планарным дросселям и трансформаторам и содержат спиральные обмотки, выполняемые из листового металла и набираемые в пакет вместе с изолирующими прокладками, например патент №5949321, США.Known induction devices of relatively small dimensions, operating at high frequencies and having high losses, relate to planar chokes and transformers and contain spiral windings made of sheet metal and stacked together with insulating spacers, for example, US Patent No. 5,949,321.

Известен тороидальный трансформатор, содержащий спиральные обмотки, выполненные в виде печатных проводников на несущей плоской многослойной плате, а также содержащий специализированные низкопрофильные ферритовые сердечники, которые вставляются в специально подготовленные отверстия в плате (патент №6069548, США).Known toroidal transformer containing spiral windings made in the form of printed conductors on a carrier flat multilayer board, and also containing specialized low-profile ferrite cores that are inserted into specially prepared holes in the board (patent No. 6069548, USA).

Однако в указанном устройстве плоские печатные проводники, выполняющие роль обмоток, находятся в радиальной плоскости центрального керна магнитопровода, следовательно, увеличены добавочные потери из-за вихревых токов, кроме того первичная и вторичная обмотки секционированы, а большая толщина диэлектрика печатных плат, разделяющая секции, приводит к увеличению индуктивности рассеяния, что приводит к снижению коэффициента полезного действия трансформатора и росту электромагнитных излучений. Подобные трансформаторы большой мощности, в силу малой толщины металлизации стандартных заготовок печатных плат, изготовить достаточно проблематично, так как увеличивать толщину печатных проводников не позволяет технология прессования многослойных плат.However, in this device, flat printed conductors that act as windings are located in the radial plane of the core core of the magnetic circuit, therefore, additional losses due to eddy currents are increased, in addition, the primary and secondary windings are partitioned, and the large thickness of the dielectric of the printed circuit boards separating the sections leads to increase the leakage inductance, which leads to a decrease in the efficiency of the transformer and the growth of electromagnetic radiation. Such transformers of high power, due to the small thickness of metallization of standard blanks of printed circuit boards, are rather difficult to manufacture, since the technology of pressing multilayer boards does not allow increasing the thickness of printed conductors.

Кроме того, известен тороидальный трансформатор (патент на изобретение №2351032, Россия, на рисунке «приложение к заявке»), являющийся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащий тороидальный магнитопровод, на который намотаны первичная и вторичная обмотки многожильным проводом из изолированных лаком проволок. Провод, перед укладкой на внутреннюю поверхность магнитопровода, скручивают в форму с круглым поперечным сечением. На торцевых и внешней поверхности магнитопровода, проводу придают форму с прямоугольным поперечным сечением изменяющейся ширины, пропорциональной отношению текущего радиуса укладки к внутреннему радиусу окна для каждого слоя намотки. Подобный способ укладки скрученных проводов (литцендрат), обеспечивает определенную плотность укладки, что несколько уменьшает индуктивность рассеяния обмоток, сокращает длину многожильного провода и уменьшает габаритные размеры трансформатора.In addition, a toroidal transformer is known (patent for invention No. 2351032, Russia, in the figure “annex to the application”), which is a prototype of the proposed utility model and contains a toroidal magnetic circuit on which the primary and secondary windings are wound with stranded wires of varnished insulated wires. The wire, before laying on the inner surface of the magnetic circuit, is twisted into a shape with a round cross section. On the end and outer surfaces of the magnetic circuit, the wire is shaped with a rectangular cross section of varying width proportional to the ratio of the current stacking radius to the inner radius of the window for each winding layer. A similar method of laying twisted wires (littsendrat) provides a certain packing density, which somewhat reduces the leakage inductance of the windings, shortens the length of the stranded wire and reduces the overall dimensions of the transformer.

Однако в указанном устройстве, обмотки имеют малый коэффициент заполнения проводящим материалом, что приводит к большим температурным сопротивлениям между обмотками, магнитопроводом и окружающей средой. Все это приводит к снижению КПД трансформатора, увеличению массы и габаритов устройства.However, in the specified device, the windings have a small fill factor with a conductive material, which leads to high temperature resistances between the windings, the magnetic circuit and the environment. All this leads to a decrease in the efficiency of the transformer, an increase in the mass and dimensions of the device.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции тороидального трансформатора с более высоким коэффициентом полезного действия.The objective of the proposed utility model is to create the design of a toroidal transformer with a higher efficiency.

Поставленная задача достигается тем, что в известном тороидальном трансформаторе содержащем тороидальный магнитопровод, первичную и вторичную обмотки из многожильного скрученного медного провода (литцендрат) заключающемся в том, что первичная обмотка выполнена в виде многослойной объемной пленочной спирали, с перекрытием одного слоя относительно другого и равномерно распределена по периметру магнитопровода, а вторичная выполнена идентично первичной, охватывающей первичную, причем обе обмотки выполнены из слоев материала с высокой электропроводностью, а между витками расположены слои диэлектрика повторяющие профиль обмоток.The problem is achieved in that in the known toroidal transformer containing a toroidal magnetic circuit, the primary and secondary windings of stranded stranded copper wire (littsendrat) consisting in the fact that the primary winding is made in the form of a multilayer bulk film spiral, with the overlapping of one layer relative to another and evenly distributed along the perimeter of the magnetic circuit, and the secondary is identical to the primary, covering the primary, and both windings are made of layers of material with high electrical conductivity, and between the turns are layers of dielectric repeating the profile of the windings.

На чертеже приведен предлагаемый трансформатор.The drawing shows the proposed transformer.

Предлагаемый трансформатор содержит тороидальный магнитопровод 1, слои диэлектрика 2, витки первичной обмотки 3, к которой присоединяются выводы 4. К вторичной обмотке 5, выполненной аналогично первичной обмотке, присоединяются выводы 6.The proposed transformer contains a toroidal magnetic circuit 1, dielectric layers 2, turns of the primary winding 3, to which the leads 4 are connected. To the secondary winding 5, made similarly to the primary winding, the leads 6 are connected.

Изготовление предлагаемого трансформатора производится следующим образом: на тороидальный магнитопровод методом напыления, либо другим способом, обеспечивающим равномерное покрытие, наносится тонкий слой диэлектрика, например в виде эпоксидной композиции, либо другого электрически не проводящего материала, с одинаковым коэффициентом теплового расширения с материалами обмоток и магнитопровода. После сушки на магнитопровод с защитным диэлектрическим покрытием наносится проводящий слой, например медь, для первичной обмотки требуемой толщины методом химического, а затем гальванического осаждения. Методом объемной фотолитографии на покрытие наносится маска, защищающая витки первичной обмотки и осуществляется травление спиральной дорожки разделяющей витки, что обеспечивает получение обмотки в виде многослойной объемной пленочной спирали с максимальным сцеплением магнитного потока между обмоткой и магнитопроводом, а также максимальным коэффициентом заполнения обмотки материалом. После удаления маски к месту разрыва полученной объемной пленочной спирали, являющейся первичной обмоткой, присоединяются выводы. На магнитопровод с готовой первичной обмоткой, снова наносится слой диэлектрика и после сушки выращивается электропроводящее покрытие для вторичной обмотки необходимой толщины методом химического, а затем гальванического осаждения металла. Методом объемной фотолитографии на металлическое покрытие наносится маска аналогичная первичной для получения многослойной объемной пленочной спирали. После удаления маски к краям многослойной объемной пленочной спирали присоединяются выводы вторичной обмотки.The manufacture of the proposed transformer is carried out as follows: a thin dielectric layer is applied to the toroidal magnetic circuit by sputtering, or by another method providing uniform coverage, for example, in the form of an epoxy composition or other electrically non-conductive material with the same coefficient of thermal expansion with the materials of the windings and magnetic circuit. After drying, a conductive layer, for example, copper, is applied to the magnetic circuit with a protective dielectric coating for the primary winding of the required thickness by chemical and then galvanic deposition. Using the method of volume photolithography, a mask is applied to the coating to protect the turns of the primary winding and the spiral path of the separating turns is etched, which provides a winding in the form of a multilayer volume film spiral with maximum magnetic flux cohesion between the winding and the magnetic circuit, as well as the maximum fill factor of the winding with the material. After removing the mask to the rupture point of the obtained volumetric film spiral, which is the primary winding, the conclusions are attached. On a magnetic circuit with a finished primary winding, a dielectric layer is again applied and, after drying, an electrically conductive coating is grown for secondary winding of the required thickness by the method of chemical and then galvanic metal deposition. Using the method of volume photolithography, a mask similar to the primary one is applied to the metal coating to obtain a multilayer volume film spiral. After removing the mask, the terminals of the secondary winding are attached to the edges of the multilayer bulk film spiral.

Предлагаемый тороидальный трансформатор с пленочными обмотками, в сравнении с трансформатором-прототипом с обмотками выполненными намоткой медным проводом (литцендрат), изготовленные на одинаковую мощность с одинаковым коэффициентом трансформации на разных частотах показали следующие основные параметры:The proposed toroidal transformer with film windings, in comparison with the prototype transformer with windings made by winding copper wire (littsendrat), made at the same power with the same transformation ratio at different frequencies showed the following main parameters:

Измерительный прибор (частота на которой производилось измерение)Measuring instrument (frequency at which the measurement was made) Параметры трансформаторовTransformer Parameters ТрансформаторыTransformers Предлагаемый трансформатор с обмотками, выполненными гальваническим способом. w₁=15, w₂=1, n=15The proposed transformer with windings made in a galvanic manner. w ₁ = 15, w ₂ = 1, n = 15 Трансформатор-прототип с обмотками (литцендрат), выполненными намоткой. w₁=60, w₂=4, n=15Prototype transformer with windings (littsendrat) made by winding. w ₁ = 60, w ₂ = 4, n = 15 E7-12(1МГц)E7-12 (1MHz) Индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке, не включая индуктивности выводовPrimary winding leakage inductance, not including terminal inductance 0,935 мкГн0.935 μH 47 мкГн47 μH E7-8(1кГц)E7-8 (1kHz) Индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке, включая индуктивности выводовPrimary winding leakage inductance, including terminal inductances 2,2 мкГн2.2 μH 51,4 мкГн51.4 μH

Индуктивность намагничиванияMagnetization inductance 478 мкГн478 μH 9,05 мГн9.05 mH Межобмоточная емкостьWinding capacity 279,3 пФ279.3 pF 76,8 пФ76.8 pF Сопротивление первичной обмоткиPrimary resistance 19 мОм19 mOhm 180 мОм180 mOhm -- Расчетная мощность при f_раб=120 кГц и токе через первичную обмотку 9 АTDP at f _slave = 120 kHz and current through the primary winding 9 A 2000 Вт2000 watts -- Мощность, запасаемая индуктивностью рассеяния (паразитная)Power stored by dissipation inductance (spurious) 20 Вт20 watts 509 Вт509 watts Здесь: w₁ - количество витков первичной обмотки;
w₂ - количество витков вторичной обмотки;
n - коэффициент трансформации.Here: w ₁ - the number of turns of the primary winding;
w ₂ - the number of turns of the secondary winding;
n is the transformation coefficient.

Индуктивность рассеяния, благодаря выполнению обмоток в виде объемной пленочной спирали, приведенная к первичной обмотке предлагаемого трансформатора без учета индуктивности выводов, на частоте 1 МГц в 50 раз меньше, чем у прототипа, а с учетом индуктивности выводов на частоте 1 кГц в 23 раза меньше.The scattering inductance, due to the implementation of the windings in the form of a volumetric film spiral, reduced to the primary winding of the proposed transformer without taking into account the inductance of the leads, at a frequency of 1 MHz is 50 times less than that of the prototype, and taking into account the inductance of the leads at a frequency of 1 kHz is 23 times less.

Кроме того, коэффициент заполнения электропроводным материалом обмоток у предлагаемого трансформатора в 1,27 раза больше чем у прототипа на одинаковую мощность и как следствие, тепловое сопротивление между слоями проводников и магнитопровода в 1,2 раза меньше.In addition, the fill factor of the electrically conductive material of the windings of the proposed transformer is 1.27 times greater than that of the prototype for the same power and, as a result, the thermal resistance between the layers of conductors and the magnetic circuit is 1.2 times less.

Таким образом, в предлагаемой конструкции тороидального трансформатора достигается максимальное сцепление магнитного потока между обмотками и магнитопроводом, соответственно достигается минимальная индуктивность рассеяния. Сечение проводника обмотки используется наиболее полно вследствие его геометрии и расположения в пространстве, обмотки имеют максимально возможный коэффициент заполнения электропроводящим материалом, в результате чего уменьшается тепловое сопротивление между обмотками, магнитопроводом и окружающей средой, что в совокупности повышает коэффициент полезного действия трансформатора.Thus, in the proposed design of the toroidal transformer, maximum coupling of the magnetic flux between the windings and the magnetic circuit is achieved, respectively, the minimum leakage inductance is achieved. The section of the conductor of the winding is used to the fullest because of its geometry and location in space, the windings have the highest possible fill factor with electrically conductive material, as a result of which the thermal resistance between the windings, the magnetic circuit and the environment is reduced, which together increases the efficiency of the transformer.

Claims

1. A toroidal transformer containing a toroidal magnetic circuit, primary and secondary windings placed on it, characterized in that the primary winding is made in the form of a multilayer volumetric film spiral with the overlapping of one layer relative to another and uniformly distributed around the perimeter of the magnetic circuit, and the secondary is made identical to the primary, covering the primary, and both windings are made of layers of material with high electrical conductivity.

2. The transformer according to claim 1, characterized in that between the turns there are dielectric layers repeating the profile of the windings.