TWI401708B - UU-type core winding method, device and transformer - Google Patents

Description

UU型鐵心之繞組配置方法、裝置及變壓器

本發明是有關於一種鐵心繞組配置方法、裝置及變壓器，特別是指一種能避免干擾外部且不易產生雜訊，應用於諧振式(resonant)變壓器、背光電源(Inverter)變壓器、功率因素修正扼流(PFC choke)裝置，或其他需要更小體積及更高效率設計的UU型鐵心之繞組配置方法、裝置及變壓器。

所有的電器產品，均須透過電源供應器(power supply)供給電能，合乎高效率、節能、環保及輕薄短小等要求是其設計目標，而在電源供應器最重要的元件就是變壓器，變壓器依鐵心(core)的外觀型式來區分，常見的有EE型、ER型、EC型、PQ型、UU型等各類的鐵心。

參閱圖1及圖2，UU型鐵心變壓器區分為二類，一類是初級繞組81及次級繞組82位在同一側的單邊繞組(如圖1)，另一類是初級繞組931及次級繞組932位分別在相異側的雙邊繞組(如圖2)。

UU型鐵心變壓器具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低等優點，但UU型鐵心變壓器很少使用於變壓器，原因是UU型鐵心變壓器很容易干擾週邊的電路或元件，愈大的變壓器干擾愈強，甚至於無法正常運作；不管單邊或雙邊繞組，其初級磁場(primary field)為一組單一磁場(N極＋S極)，磁場切割導體就會產生電壓電流干擾到其它電路 ，原理說明如下：參閱圖2，以雙邊繞組的UU型鐵心變壓器9例，其包括一包含二組U型鐵心之開口相連的的UU型鐵心91、繞在UU型鐵心91的一第一臂911的初級繞組931，以及繞在UU型鐵心91的一第二臂912的次級繞組932。

初級繞組931接上一電源(source)90後，初級繞組931之線圈產生一初級電流Ip，此時，UU型鐵心91的第一臂911會產生一感應磁場(上方為N極，下方為S極)，若初級繞組931的磁通量為，其關係式參考下述公式：

推導出

其符號意義分別為：初級繞組的磁通量；Lp ：初級繞組之電感量；Np ：初級繞組之圈數；Ip ：流經初級繞組之電流。由公式2可知，初級繞組931的磁通量與輸入電流Ip 成正比。

次級繞組932感應之輸出電壓Vo 為：

其符號意義分別為Vo ：次級繞組的輸出電壓；Ns ：次級次級繞組圈數；：次級繞組的磁通量。

除了次級繞組932感應產生之輸出電壓Vo ，假設有一外部導線7橫跨於變壓器9之上，則此外部導線7將受初級繞組931的磁通量影響也將感應產生一感應電壓Vx，其關係式可參考下述公式：

由於受初級繞組931的磁通量影響，外部導線7感應之磁通量是與初級繞組931的磁通量成正比，而初級繞組931的磁通量又與輸入電流Ip 成正比(公式2)，得知輸入電流Ip 愈大，將使得外部導線94之感應電壓V _x 也愈大。

因此，目前UU型鐵心變壓器的繞組技術容易對於外部導線7或電路產生電磁干擾(EMI)的問題，輸入電流Ip越大造成的干擾也越強，且距離變壓器距離愈近也會產生愈嚴重的干擾，這些都不利於將UU型鐵心應用在大電流的變壓器中。

本發明之目的，即在克服現有繞組技術易產生電磁干擾的問題，提供一種能產生相抵銷的磁場來防止電磁干擾現象的UU型鐵心之繞組配置方法、裝置及變壓器。

於是，本發明的UU型鐵心之繞組配置方法包含下述步驟：(a)提供一UU型鐵心，該UU型鐵心具有一第一臂部及一與該第一臂部相異側的第二臂部；(b)提供一繞置在該第一臂部的第一繞組及一繞置在該第二臂部的第二繞組；及(c)該第一繞組產生一第一磁場，該第二繞組產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場，並藉由該第二磁場抵銷該第一磁場。

本發明的UU型鐵心之繞組裝置包括一具有一第一臂部及一與該第一臂部相異側的第二臂部的UU型鐵心、一繞置 在該第一臂部並接受一電源供電而產生一第一磁場的第一繞組，及一繞置在該第二臂部並產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場的第二繞組，且藉由該第二磁場抵銷該第一磁場。

本發明的變壓器包括一UU型鐵心、一繞線架、一第一繞組及一第二繞組；該UU型鐵心包括二組U型鐵心，各該U型鐵心的同一側邊為一第一臂部，另一側邊為一第二臂部，第一、第二臂部的末端各以一連接部彼此相連接。

該繞線架具有平行且彼此相間隔的二通孔，各該U型鐵心相對地穿設於各該二通孔內，且各該U型鐵心的第一臂部及第二臂部相應地連接成一封閉迴路。

該第一繞組係將線圈繞置在鄰近於各該U型鐵心的第一臂部的繞線架表面，並接受一電源供電而產生一第一磁場；該第二繞組係將線圈繞置在鄰近於各該U型鐵心的第二臂部的繞線架表面，並產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場以抵銷該第一磁場。

本發明的UU型鐵心之繞組配置方法、裝置及變壓器的功效在於：1.配置UU型鐵心的二個繞組時，建立二個對等但極性相反的磁場，使極性相反的兩磁場同時切割同一導體所產生的兩組電壓由於極性相反而互相抵銷，藉此消除電磁干擾現象。

2. UU型鐵心變壓器有較大之繞線視窗面積(wire winding window area)，因此具有可以承載更大之電流或功 率輸出。

3.雙初級磁場之互補作用可提昇變壓器本身之轉換效率，利用UU型鐵心型高轉換率的優勢，能應用於諧振式電源變壓器、背光電源變壓器、功率因素修正扼流裝置中，進而提高變壓器的效率、降低其重量及體積。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3並配合圖4，本發明UU型鐵心之繞組配置方法詳述如下：步驟301： 提供一UU型鐵心，其具有一第一臂部及一與第一臂部相異側的第二臂部。

UU型鐵心1包括二組U型鐵心11、12，U型鐵心11、12分別具有二臂部111、112及121、122可分別穿入繞線架3的通孔310、320並構成一封閉磁路。

步驟302： 提供一繞置在第一臂部111的第一初級繞組21及一繞置在第二臂部112的第二初級繞組22。

繞線架3是供第一臂部111、第二臂部112間隔地繞置第一初級繞組21、第二初級繞組22的線圈繞組，並具有隔板可區隔初級線圈繞組及次級線圈繞組(容後再述)，且第一初級繞組21與第二初級繞組22的圈數及線徑皆相同。

步驟303： 提供一繞置在第一臂部111的第一次級繞組 23及一繞置在第二臂部112的第二次級繞組24。

與圖1類似，第一初級繞組21與第一次級繞組23可視為一側邊的單邊繞組，至於第二初級繞組22與第二次級繞組24可視為另一側邊的單邊繞組。

步驟304： 由第一初級繞組21產生一第一磁場，第二初級繞組22產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場，並藉由第二磁場抵銷第一磁場。

本發明UU型鐵心之繞組配置方法的原理在於：第一初級繞組21和第二初級繞組22之圈數及線徑等特性完全相等，利用此種繞組配置方法使其能夠建立一對特性完全相同，但極性完全相反之雙初級磁場，分佈在變壓器鐵心的左右兩側上；藉此，在內部磁迴路形成對等互補作用，除了能提昇變壓器之轉換效率，且產生兩個大小相等極性相反之感應電壓，其總和為零，相互抵銷，呈現中性體之特性，可以避免對外部導體或電路產生干擾。

以下介紹利用本發明UU型鐵心之繞組配置方法實現的UU型鐵心之繞組裝置的二種實施例：

第一實施例：變壓器

再參閱圖4，本發明的變壓器100的較佳實施例包括一UU型鐵心1、一第一繞組201、一第二繞組202、一繞線架3及一外殼6。

外殼6具有一間隔板61及二個以間隔板61分隔的容置槽610、620；繞線架3包括二架體31、32，各架體31、32分別具有平行且彼此相間隔的二通孔310、320。

UU型鐵心1包括二組U型鐵心11、12，為方便說明起見，將各U型鐵心11、12的同一側邊的臂部111、121統稱為一第一臂部131，另一側邊的臂部112、122統稱為一第二臂部132。

其中後側的U型鐵心11的二臂部111、121末端以一連接部113彼此相連接，而二臂部111、121的另一端為自由端；相同的，U型鐵心12的二臂部121、122末端也有一連接部123彼此相連接，而二臂部121、122的另一端也為自由端。

第一繞組201係將線圈(圖未示)繞置在鄰近於UU型鐵心1的第一臂部131的架體31表面，並接受一電源供電而產生一第一磁場；第二繞組202係將線圈(圖未示)繞置在鄰近於UU型鐵心1的第二臂部132的架體32表面，並產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場，藉此抵銷第一繞組201產生的第一磁場。

參閱圖4及圖5，變壓器100組裝時，二架體31、32是先分別容置於外殼6的二容置槽610、620內；然後，各U型鐵心11、12以自由端分別穿伸於各架體31、32相間隔的二通孔310、320內，且各U型鐵心11、12的連接部113、123受該間隔板61阻擋而外露於架體31、32及外殼6。

參閱圖4及6，變壓器100具有第一初級繞組21、第二初級繞組22、第一次級繞組23及第二次級繞組24，且第一、第二初級繞組21、22與第一、第二次級繞組23、24是平行設置。其他實施例中，若為單一次級繞組或多組次 級繞組亦可，多組只需要求左右均衡的原則即可；需說明的是，實務上兩個初級磁場距離愈近愈好，以不超過10公分為原則。

參閱圖6及圖7，變壓器100的右邊磁場由第一初級繞組21產生，左邊磁場則由第二初級繞組22產生，假設右邊磁場上方為S且下方為N，則左邊磁場必為上方為N且下方為S，若左邊磁場之磁通量為-，則右邊磁場之磁通量為等量之+。

變壓器100的第一、第二次級繞組23、24的次級輸出電壓分別為：

由於雙初級磁通量是相等，但極性相反之磁通量-及+，當一外部導線5橫跨於變壓器表面時，外部導線5在左右兩邊磁場感應之電壓分別為外部導線5在兩磁場的感應電壓的總和V _x 為：

換句話說，外部導線5在極性相反之雙初級磁場中感應的加總電壓為零，也就不會對外部導線5造成任何感應電流產生，因此，使用本發明具有UU型鐵心之繞組裝置的變壓器，並藉由極性相反之雙初級磁場設計可以完全消除對於外部導線或電路之電磁干擾。

參閱圖8，本較佳實施例的另一種設計是，第一、第二初級繞組21'、22'與第一、第二次級繞組23'、24'是分別交叉設置(相較於圖6的第一、第二初級繞組21、22與第一 、第二次級繞組23、24是平行設置)，無論何種設置方式，只要第一、第二初級繞組21'、22'能產生極性相反之雙初級磁場即可。

本較佳實施例應用在諧振式電源變壓器方面，除了使用兩組特性完全相同之第一、第二初級繞組21、22之外，次級繞組可以是單組輸出、多組輸出，但不超過三組，且要求左右均衡為原則，分佈於次級之左右兩端。

本實施例應用在背光電源變壓器方面，除了使用雙組特性完全相同之第一、第二初級繞組21、22之外，次級繞組可以單輸出或雙輸出，單次級繞組要求左右均衡，左右兩組繞組串接而成雙輸出，則須兩組特性相同，分置於次級端之左右兩邊。

如表1所示，以42"液晶電視的功率消耗來進行比較，使用傳統背光電源變壓器與本發明背光電源變壓器經實驗後，可知本發明背光電源變壓器的功率損耗較少，符合環保節能的要求。

第二實施例：功率因素修正扼流裝置

參閱圖9，本發明的概念還可用於功率因素修正扼流裝置4，功率因素修正扼流裝置4只要兩組特性相同之第一、第二初級繞組41、42，且第一、第二初級繞組41、42可分別與次級繞組(圖未示)分離或重疊繞法，依應用電路所需之漏電感(leakage inductance)而定，若需要較大漏電感則採用分離式，不需要漏電感者採重疊式。

如前所述，本發明的UU型鐵心之繞組配置方法、裝置及變壓器具有以下的功效：1.本發明UU型鐵心之繞組配置方法能克服目前UU型鐵心變壓器單一磁場對外部產生的電磁干擾問題。

2. UU型鐵心變壓器能有較大之繞線視窗面積，因此具有可以承載更大之電流或功率輸出之優點。

3.雙初級磁場之互補作用可提昇變壓器本身之轉換效率，尤其適合於諧振式電源變壓器、背光電源變壓器、功率因素修正扼流裝置，以及其他要求輕薄、高效率、節能及環保的電源變壓器。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

[習知]

7‧‧‧外部導線

81、931‧‧‧初級繞組

82、932‧‧‧次級繞組

9‧‧‧UU型鐵心變壓器

90‧‧‧電源

91‧‧‧UU型鐵心

911‧‧‧第一臂

912‧‧‧第二臂

[本創作]

100‧‧‧變壓器

1‧‧‧UU型鐵心

11、12‧‧‧U型鐵心

111、112、121、122‧‧‧臂部

131‧‧‧第一臂部

132‧‧‧第二臂部

113、123‧‧‧連接部

201‧‧‧第一繞組

202‧‧‧第二繞組

21、21'、41‧‧‧第一初級繞組

22、22'、42‧‧‧第二初級繞組

23、23'‧‧‧第一次級繞組

24、24'‧‧‧第二次級繞組

3‧‧‧繞線架

31、32‧‧‧架體

310、320‧‧‧通孔

301~304‧‧‧步驟

4‧‧‧功率因素修正扼流裝置

5‧‧‧外部導線

6‧‧‧外殼

610、620‧‧‧容置槽

圖1是一示意圖，說明UU型鐵心變壓器的一種類型是初級繞組及次級繞組位在同一側的單邊繞組； 圖2是一示意圖，說明UU型鐵心變壓器的另一種類型是初級繞組及次級繞組分別位在相異側的雙邊繞組；圖3是一流程圖，說明本發明的UU型鐵心之繞組配置方法流程；圖4是一立體分解圖，說明本發明的UU型鐵心之繞組裝置的各元件；圖5是一立體組合圖，說明將圖4的各元件組裝後的UU型鐵心之繞組裝置；圖6是一示意圖，說明變壓器的右邊磁場由第一初級繞組產生，左邊磁場則由第二初級繞組產生；圖7是一示意圖，說明外部導線在極性相反之雙初級磁場中的感應電壓；圖8是一示意圖，說明變壓器的初級繞組與次級繞組分別交叉設置；及圖9是一示意圖，說明本發明的UU型鐵心之繞組配置方法還可用於功率因素修正扼流裝置。

301~304‧‧‧步驟

Claims (17)

1. 一種UU型鐵心之繞組配置方法，包含下述步驟：(a)提供一UU型鐵心，該UU型鐵心具有一第一臂部及一與該第一臂部相異側的第二臂部；(b)提供一繞置在該第一臂部的第一繞組及一繞置在該第二臂部的第二繞組；及(c)該第一繞組產生一第一磁場，該第二繞組產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場，並藉由該第二磁場抵銷該第一磁場。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之UU型鐵心之繞組配置方法，其中，該第一繞組是一第一初級繞組，該第二繞組是一第二初級繞組，且該第一初級繞組與該第一初級繞組的圈數及線徑皆相同。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之UU型鐵心之繞組配置方法，其中，步驟(b)還包含下述子步驟：(b1)提供一繞置在該第一臂部的第一次級繞組及一繞置在該第二臂部的第二次級繞組。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之UU型鐵心之繞組配置方法，其中，該第一初級繞組、該第二初級繞組與該第一次級繞組、該第二次級繞組是平行或交叉設置。
5. 依據申請專利範圍第2項所述之UU型鐵心之繞組配置方法，需要漏電流則對各該初級繞組分別與次級繞組採用分離繞法，或不需要漏電流則對各該初級繞組分別與次級繞組採用重疊繞法。
6. 一種UU型鐵心之繞組裝置，包括：一UU型鐵心，具有一第一臂部及一與該第一臂部相異側的第二臂部；一第一繞組，繞置在該第一臂部並接受一電源供電而產生一第一磁場；及一第二繞組，繞置在該第二臂部並產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場，並藉由該第二磁場抵銷該第一磁場。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之UU型鐵心之繞組裝置，其中，該第一繞組是一第一初級繞組，該第二繞組是一第二初級繞組，且該第一初級繞組與該第一初級繞組的圈數及線徑皆相同。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之UU型鐵心之繞組裝置，還包括一繞置在該第一臂部的第一次級繞組及一繞置在該第二臂部的第二次級繞組。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之UU型鐵心之繞組裝置，其中，該第一初級繞組、該第二初級繞組與該第一次級繞組、該第二次級繞組是平行或交叉設置。
10. 依據申請專利範圍第7項所述之UU型鐵心之繞組裝置，其是一功率因素修正扼流裝置。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之UU型鐵心之繞組裝置，其中，需要漏電流則對各該初級繞組分別與次級繞組採用分離繞法，或不需要漏電流則對各該初級繞組分別與次級繞組採用重疊繞法。
12. 一種變壓器，包括：一UU型鐵心，包括二組U型鐵心，各該U型鐵心的同一側邊為一第一臂部，另一側邊為一第二臂部，第一、第二臂部的末端各以一連接部彼此相連接；一繞線架，具有平行且彼此相間隔的的二通孔，各該U型鐵心相對地穿設於各該二通孔內，且各該U型鐵心的第一臂部及第二臂部連接成一封閉迴路；一第一繞組，係將線圈繞置在鄰近於各該U型鐵心的第一臂部的繞線架表面，並接受一電源供電而產生一第一磁場；及一第二繞組，係將線圈繞置在鄰近於各該U型鐵心的第二臂部的繞線架表面，並產生一磁通量相同但磁性相反的第二磁場以抵銷該第一磁場。
13. 依據申請專利範圍第12項所述之變壓器，還包括一具有一間隔板及二個以該間隔板分隔的容置槽的外殼，且該繞線架包括分別具有各該通孔以容納各該U型鐵心的二架體，各該架體是容置於該外殼以該間隔板分隔的各該容置槽內。
14. 依據申請專利範圍第13項所述之變壓器，其中，該第一繞組是一第一初級繞組，該第二繞組是一第二初級繞組，且該第一初級繞組與該第一初級繞組的圈數及線徑皆相同。
15. 依據申請專利範圍第14項所述之變壓器，還包括一繞置在該第一臂部的第一次級繞組及一繞置在該第二臂部的 第二次級繞組。
16. 依據申請專利範圍第15項所述之變壓器，其中，該第一初級繞組、該第二初級繞組與該第一次級繞組、該第二次級繞組是平行或交叉設置。
17. 依據申請專利範圍第12至16項任一項所述之變壓器，其係一諧振式電源變壓器或一背光電源變壓器。