專利名稱：導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于變壓器領(lǐng)域，涉及一種導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組 柔性變壓器。
背景技術(shù)：
變壓器是廣泛應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的電磁器件，主要的作用是進(jìn)行能量傳遞 和信號(hào)傳遞，變壓器性能的優(yōu)劣直接影響到電路的工作品質(zhì)，也在很大程度 上體現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)的水平。根據(jù)變壓器用途的不同，其結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)等也 千差萬別，呈現(xiàn)出多樣性的特征。目前電路設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的進(jìn)行能量傳遞和電 能變換的繞線式變壓器，正被以電力電子開關(guān)為主要器件的開關(guān)電源代替， 以降低體積，提高電源設(shè)計(jì)的靈活性。此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用雖然極大的促 進(jìn)了電路設(shè)計(jì)技術(shù)的提高和進(jìn)步，但是現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，對(duì)變壓器 也提出了越來越高的要求。在變壓器設(shè)計(jì)開發(fā)中采用新材料、新原理和新結(jié) 構(gòu)，開發(fā)更高能量密度、更高電氣性能的變壓器，促進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈 活性和多樣性，既是變壓器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是進(jìn)一步提高電路設(shè)計(jì) 水平的需要。
電路設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向之一，就是電路板的小型化。而電路板上電源 功能模塊往往占據(jù)著電路板的一大部分，因此電路小型化中一個(gè)重要內(nèi)容就 是盡可能降低電路板電源的體積。為此研究人員進(jìn)行了諸多研究，平面變壓
器就是其中的一項(xiàng)重要嘗試[1，2]。專利號(hào)為"CN1462457A"的專利公開了"平面 線圈及平面變壓器"[3]，和專利號(hào)為"CN1232572A"的專利公開了"平面變壓器""的專利公開了"低噪音平面型變壓器"，上述 三個(gè)專利給出了不同的平面型變壓器設(shè)計(jì)，這些變壓器在功率密度、體積和 電磁輻射方面有著很大優(yōu)勢，具有剖面低、高電流、低漏感等顯著特點(diǎn)，可 以較大程度的提高變壓器的能量密度。上述平面型變壓器的主要用途，是和 電力電子開關(guān)器件(如mosfet開關(guān)管) 一起構(gòu)成斬波電源電路。平面型變壓 器可以減小PCB (印刷電路板)電路的電源體積，但是主要用于數(shù)百kHz的 高頻開關(guān)電源斬波電路中，變壓器的繞組及磁芯需要布置在印刷電路板上， 仍然需要占據(jù)一定的印刷電路板空間。專利號(hào)為"CN101299378"的專利公開了 "柔性磁材料用于制備印刷電路板變壓器磁芯的應(yīng)用，，[6]，該變壓器也屬于平面 型變壓器，其2個(gè)顯著特點(diǎn)分別是采用了導(dǎo)磁線材構(gòu)成平面變壓器的磁芯以 及采用了矩陣結(jié)構(gòu)以降低PCB電路板的層數(shù)，該變壓器需要直接印制在印刷 電路板上，和電力電子開關(guān)管協(xié)同工作進(jìn)行電能變換。
分析現(xiàn)有平面型變壓器和傳統(tǒng)的繞線式變壓器的特點(diǎn)，借鑒柔性磁材料 用于平面變壓器的磁芯的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明提出的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分 布式繞組柔性變壓器，可使用于電路板電源的變壓器不再布置在印刷電路板 上，從而節(jié)省了電路板的空間，有利于促進(jìn)電路板設(shè)計(jì)的小型化發(fā)展。同時(shí) 本發(fā)明提出的變壓器也可用于進(jìn)行信號(hào)傳遞的變壓器設(shè)計(jì)，有利于開發(fā)出更 多結(jié)構(gòu)的小型變壓器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器，可 減少導(dǎo)線的平均匝長，從而減小導(dǎo)線電阻和發(fā)熱功率，增加線圈散熱面積， 有利于線圈繞組散熱，實(shí)現(xiàn)電路板小型化。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。 變壓器磁芯采用多股絞線結(jié)構(gòu)或磁性帶材結(jié)構(gòu)，變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)，變壓器整體結(jié)構(gòu)采用螺旋結(jié)構(gòu)或盤狀結(jié)構(gòu)。 所述的變壓器磁芯采用導(dǎo)磁薄膜結(jié)構(gòu)。
所述的多股絞線結(jié)構(gòu)，是由多根長導(dǎo)磁線通過絞接構(gòu)成絞接結(jié)構(gòu)。 磁性帶材或?qū)Т疟∧そY(jié)構(gòu)，是由多層導(dǎo)磁帶材或?qū)Т疟∧?gòu)成層疊結(jié)構(gòu)。 所述的變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)，分布式繞組的繞線方式沿磁芯
表面同方向螺旋盤繞，或沿磁芯表面呈十字交叉二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
變壓器整體結(jié)構(gòu)可采用雙螺旋結(jié)構(gòu)、三螺旋結(jié)構(gòu)、盤狀結(jié)構(gòu)或其他的不
同結(jié)構(gòu)。
1) 變壓器磁芯采用多股絞線結(jié)構(gòu)或磁性帶材(磁性薄膜)層疊結(jié)構(gòu) 變壓器磁芯的磁性材料可選用適合于在工頻或低頻條件下工作的磁性材
料，以便在低頻下工作時(shí)磁芯的渦流損耗和磁滯損耗可滿足變壓器的溫升設(shè)
計(jì)要求；可將磁性材料首先加工成長導(dǎo)磁線，然后通過絞接方法，將變壓器 磁芯加工成多根長磁線絞接結(jié)構(gòu)；絞接結(jié)構(gòu)磁芯既具有較好的機(jī)械韌性，使 得變壓器磁芯可彎曲盤繞，同時(shí)磁芯又可保持較好的結(jié)構(gòu)完整性，磁芯結(jié)構(gòu) 不易松散變形。或先將磁性材料先加工成導(dǎo)磁帶(或?qū)Т疟∧?，變壓器磁芯 可由導(dǎo)磁帶層疊而成，構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的磁芯，各層導(dǎo)磁帶間絕緣。
2) 變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)
變壓器線圈的導(dǎo)線可采用銅導(dǎo)線，原邊繞組和副邊繞組均勻分布在上述 磁芯的周圍，線圈繞組的層數(shù)較傳統(tǒng)繞線式變壓器的層數(shù)少很多，如可繞1 5 層。因此可降低線圈平均匝長，降低線圈電阻和發(fā)熱功率。線圈繞組沿磁芯 長度方向均勻分布，形成分布式繞組結(jié)構(gòu)。因此有利于增加線圈和周圍環(huán)境 的接觸面積，即增加散熱面積。
變壓器線圈中原邊繞組和副邊繞組的繞線，可沿磁芯表面螺旋盤繞，同 層內(nèi)的原邊繞組導(dǎo)線和副邊繞組導(dǎo)線間隔排列。也可同層一內(nèi)均為原邊繞組 或副邊繞組，原邊繞組和副邊繞組隔層排列。
變壓器線圈中原邊繞組和副邊繞組的繞線，也可沿磁芯表面呈十字交叉二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，二維網(wǎng)格的經(jīng)線與緯線分別為原邊繞組導(dǎo)線和副邊繞組導(dǎo)線， 它們與磁芯軸線成一定角度，根據(jù)線圈總匝數(shù)需要，變壓器原邊繞組和副邊 繞組可多層繞線，每層均采用二維網(wǎng)格繞線方式，這種方式可更好的緊固線 圈，使變壓器保持結(jié)構(gòu)完整性。
3)變壓器整體結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的繞線式變壓器結(jié)構(gòu)可采用U型、E型，平面型變壓器也可采用矩 陣結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明變壓器采用的磁芯和線圈繞組具有較好的韌性，因此變 壓器整體結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)繞線式變壓器和平面型變壓器結(jié)構(gòu)不同。
首先變壓器整體結(jié)構(gòu)可采用螺旋結(jié)構(gòu)，即單相變壓器可采用雙螺旋結(jié)構(gòu)， 三相變壓器可采用三螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)中的每一股包括磁芯和纏繞在磁芯 外的繞組，變壓器磁芯形成閉合結(jié)構(gòu)以構(gòu)成主磁通回路，同時(shí)變壓器磁芯也 起到整體結(jié)構(gòu)的骨架作用，支撐起變壓器整體。
其次變壓器整體結(jié)構(gòu)可采用盤狀結(jié)構(gòu)，即變壓器磁芯和磁芯外的繞組， 以圓心為起點(diǎn)，沿著平面螺旋線的前進(jìn)方向逐圈盤繞，變壓器形成盤狀結(jié)構(gòu)， 在最外圍位置點(diǎn)磁芯又直接連向圓心，以便變壓器磁芯形成閉合結(jié)構(gòu)。
根據(jù)實(shí)際變壓器的大小，如變壓器用于信號(hào)傳遞體積較小時(shí)，可將變壓 器固定在電路板上；當(dāng)變壓器作為電路板電源器件進(jìn)行電能變換時(shí)，因?yàn)樽?壓器體積較大，可將變壓器固定在電磁設(shè)備的殼體內(nèi)壁上，從而減小電路板 占用的空間。
本發(fā)明提出的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器，主要應(yīng)用 于工作在低頻條件下的信號(hào)變壓器和低功耗電路板的電源變壓器，其主要優(yōu) 點(diǎn)是變壓器線圈的散熱面積較大，散熱條件良好，避免出現(xiàn)線圈內(nèi)部的溫升 過高點(diǎn)；同時(shí)因?yàn)榫€圈平均匝長較小，可減少線圈用銅量；而且該變壓器的 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為靈活，變壓器不必固定在電路板上，有利于實(shí)現(xiàn)電路板小 型化。


圖1為變壓器線圈的分布式繞組結(jié)構(gòu)簡圖，
圖1 (a)為沿磁芯表面螺旋盤繞的線圈繞線方式，
圖1 (b)為沿磁芯表面呈二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的線圈繞線的平面展開圖局部， 圖中1， 3， 5—原邊繞線，2， 4， 6—副邊繞線；
圖2為三絞接結(jié)構(gòu)的變壓器磁芯簡圖，圖中l(wèi)， 2， 3—三絞線中的一根；
圖3為采用雙螺旋結(jié)構(gòu)的單相變壓器結(jié)構(gòu)簡圖，圖中l(wèi)一變壓器整體雙螺 旋閉合結(jié)構(gòu)，2—表面線圈的螺旋繞線局部放大圖4為采用盤狀結(jié)構(gòu)的單相變壓器結(jié)構(gòu)簡圖，圖中l(wèi)一變壓器整體盤狀閉 合結(jié)構(gòu)，2—表面線圈的二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)繞線局部放大圖；
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
參照圖1所示，變壓器的線圈繞線方式采用圖1 (a)所示的結(jié)構(gòu)。線圈 的原邊繞組銅線和副邊繞組銅線相鄰排列，即銅線l、 3、 5為原邊繞組導(dǎo)線， 銅線2、 4、 6為副邊繞組導(dǎo)線，相鄰的兩個(gè)銅線分別屬于原邊繞組和副邊繞 組，相隔的兩個(gè)銅線屬于同相的繞組，原邊繞組和副邊繞組在磁芯表面依次 循環(huán)排列。為保證線圈固定在磁芯表面，上述導(dǎo)電銅線沿磁芯表面層螺旋形 繞進(jìn)，即銅線沿磁芯長度方向發(fā)生一定度數(shù)(本例中可取30度)的扭轉(zhuǎn)，單 根銅線材在空間呈螺旋曲線結(jié)構(gòu)。本例中變壓器線圈沿磁芯外表面僅繞一層。 根據(jù)實(shí)際的需要，變壓器線圈沿磁芯外表面可繞一層至數(shù)層(如5、 6層等)。 變壓器線圈沿磁芯為分布式繞線結(jié)構(gòu)，可在磁芯的部分或全部表面分布線圈 繞組。
參照圖2所示，變壓器的磁芯由3股(或根據(jù)需要選用多股)導(dǎo)磁長線 材l、 2和3通過絞接方式加工而成。變壓器的基本導(dǎo)磁單元為圓導(dǎo)磁長線l (及圓導(dǎo)磁長線2和3)，其線徑可取為0.1mm lmm，導(dǎo)磁線的材料可選用適 合在低頻下工作的磁材料(如低碳鋼及其改進(jìn)材料或合金磁材料)，根據(jù)變壓器的磁芯有效導(dǎo)磁橫截面積，結(jié)合導(dǎo)磁線的線徑，確定基本導(dǎo)磁單元圓導(dǎo)磁 長線的根數(shù)，進(jìn)而采用絞接加工工藝，各導(dǎo)磁線間相互絞接，加工而成變壓 器磁芯。磁芯首尾相接形成封閉結(jié)構(gòu)，構(gòu)成變壓器主磁通回路。在磁芯中導(dǎo)
磁線l、 2和3的首尾相接處，采用相互交錯(cuò)搭接或壓接的方法連接。根據(jù)實(shí) 際需要和線徑大小，組成變壓器磁芯采用的導(dǎo)磁長線可為幾根至數(shù)百根，多 絞線中絞接線的絞接方式也可不同。
由于線圈分布在磁芯外表面且線圈繞線層數(shù)少，加之磁芯本身韌性較好， 因此磁芯和外面的線圈繞組具有較好的機(jī)械變形能力，可實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等 機(jī)械變形。
參照圖3所示，該變壓器的磁芯由絞接結(jié)構(gòu)的柔性線材磁芯構(gòu)成，變壓 器磁芯的外部是變壓器原邊和副邊繞組，變壓器磁芯和其外的分布式繞組共 同構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋線，雙螺旋線在變壓器的頂端和底端交匯，從而形 成閉合結(jié)構(gòu)。同本例雙螺旋線單相變壓器的結(jié)構(gòu)和原理類似，三相變壓器可 設(shè)計(jì)成三螺旋線結(jié)構(gòu)，多相變壓器可設(shè)計(jì)成多螺旋線結(jié)構(gòu)。
本例中變壓器采用的磁芯和實(shí)施例一中的變壓器磁芯相同，不同的是將 實(shí)施例一中的磁芯表面的線圈繞線方式由螺旋繞線改為二維網(wǎng)格繞線方式， 變壓器整體結(jié)構(gòu)由螺旋結(jié)構(gòu)改為盤狀結(jié)構(gòu)。
變壓器的線圈繞線方式采用圖1 (b)所示的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，圖中所示的是沿 磁芯表面呈二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的線圈繞線的平面展開圖局部。線圈的原邊繞組銅 線和副邊繞組銅線，相互間絕緣，交錯(cuò)排列成二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具體做法是銅 線1、 3、 5為原邊繞組導(dǎo)線，銅線2、 4、 6為副邊繞組導(dǎo)線，原邊繞組導(dǎo)線 和副邊繞組導(dǎo)線呈現(xiàn)十字交叉方式。對(duì)于和同一根副邊銅線2交叉的相鄰原 邊銅線l、 3，分別從這根副邊銅線2的上側(cè)和下側(cè)相鄰?fù)ㄟ^，間隔排列的原 邊銅線l、 5從這根副邊銅線2的同側(cè)通過；而對(duì)于和同一根原邊銅線1交叉 的相鄰副邊銅線2、 4，則分別從這根原邊銅線1的上側(cè)和下側(cè)通過，間隔排 列的副邊銅線2、 6從這根原邊銅線1的同側(cè)通過；原邊繞組和副邊繞組構(gòu)成
8的二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，經(jīng)向銅線和緯向銅線分別屬于原邊繞組和副邊繞組，經(jīng)向
繞組銅線和緯向繞組銅線和磁芯軸線成約45°角度。線圈繞組固定在磁芯表 面，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的單根銅線沿磁芯表面呈螺旋形繞進(jìn)，單根銅線在空間呈螺 旋曲線結(jié)構(gòu)。本例中變壓器線圈沿磁芯外表面繞2層，根據(jù)線圈實(shí)際匝數(shù)的 需要，變壓器線圈沿磁芯外表面可繞一層至數(shù)層(如4、 5層)。變壓器線圈沿 磁芯也為分布式繞線結(jié)構(gòu)，可在磁芯的部分或全部表面分布線圈繞組。 由于磁芯和外面線圈的韌性較好，可實(shí)現(xiàn)彎曲等機(jī)械變形， 參照圖4所示，該變壓器的磁芯和其外表面的分布式繞組，以盤狀結(jié)構(gòu) 的圓心為起點(diǎn)，沿著平面螺旋線的軌跡，盤繞3圈，在磁芯和線圈平面的盤 狀結(jié)構(gòu)最外圍位置，磁芯連同其外的繞組直接沿著盤狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面和圓心處 的磁芯和繞組首尾相連，變壓器形成閉合結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器，包括一變壓器，其特征在于，變壓器磁芯采用多股絞線結(jié)構(gòu)或磁性帶材結(jié)構(gòu)，變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)，變壓器整體結(jié)構(gòu)采用螺旋結(jié)構(gòu)或盤狀結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器， 其特征在于，所述的變壓器磁芯采用導(dǎo)磁薄膜結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器， 其特征在于，所述的多股絞線結(jié)構(gòu)，是由多根長導(dǎo)磁線通過絞接構(gòu)成絞接結(jié) 構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器， 其特征在于，磁性帶材或?qū)Т疟∧そY(jié)構(gòu)，是由多層導(dǎo)磁帶材或?qū)Т疟∧?gòu)成 層疊結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器, 其特征在于，所述的變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)，分布式繞組的繞線沿 磁芯表面同方向螺旋盤繞，或沿磁芯表面繞成十字交叉二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器， 其特征在于，變壓器整體結(jié)構(gòu)采用雙螺旋結(jié)構(gòu)、三螺旋結(jié)構(gòu)、盤狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導(dǎo)磁線和導(dǎo)電線混繞的分布式繞組柔性變壓器，變壓器磁芯采用多股絞線結(jié)構(gòu)或磁性帶材層疊結(jié)構(gòu)，各導(dǎo)磁線和磁性帶材間絕緣；變壓器線圈采用分布式繞組結(jié)構(gòu)，線圈繞組的層數(shù)較傳統(tǒng)繞線式變壓器的層數(shù)少很多，線圈繞組沿磁芯長度方向均勻分布；原邊繞組和副邊繞組的繞線方式，可沿磁芯表面螺旋盤繞，也可沿磁芯表面呈十字交叉二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，二維網(wǎng)格的經(jīng)線與緯線分別為原邊繞組導(dǎo)線和副邊繞組導(dǎo)線；變壓器整體結(jié)構(gòu)可采用雙螺旋結(jié)構(gòu)或三螺旋結(jié)構(gòu)，也可采用盤狀結(jié)構(gòu)以及其它結(jié)構(gòu)。該變壓器主要應(yīng)用于工作在低頻條件下的信號(hào)變壓器和低功率電源變壓器，其主要優(yōu)點(diǎn)是變壓器散熱條件良好，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為靈活。
文檔編號(hào)H01F30/06GK101630585SQ200910022999
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者婁建勇, 梁得亮, 陳以通 申請人:西安交通大學(xué)