一种具有导热结构的高频变压器及其制造方法与流程

本发明涉及变压器领域，更具体地，涉及一种具有内部导热结构的变压器及其制造方法。

背景技术：

高频变压器是作为开关电源主要的组成部分，是实现能量转换和传输的主要器件，目前正向更小的尺寸，更高的功率和效率，更好的稳定性和可靠性方向发展。典型的高频变压器结构由磁芯组，绕组支撑骨架与原副边绕组构成。原副边绕组多匝分层绕制于骨架上，骨架嵌套于磁芯芯柱上，成为同轴结构。变压器的发热来源于其内部的绕组损耗与磁芯损耗，由于变压器骨架等结构材料导热性能不佳，变压器内部绕组间形成密闭空间导致空气对流不畅，使变压器表面到芯部温度梯度较大，造成变压器运行时内部温度过高。

常规变压器采用改善外部换热方式或填充导热胶等方法提升其散热性能，然而这些方式对改善变压器稳态热流分布，减小变压器内部热阻作用有限，灵活性较低。变压器运行时内部温度过高制约了其功率密度的提升，直接影响到变压器的可靠性，安全性与使用寿命。因此，发展一种通过改变变压器内部热路结构，进而提升变压器内部导热性能，改善热流分布的设计方案是十分有益的。

技术实现要素：

针对现有变压器设计结构中存在的以上缺陷和改进需求，本发明提供一种具有导热结构的高频变压器，通过一种灵活便捷的方式，旨在改善现有结构中因变压器内部导热性能较差造成的变压器内部温度过高，提升变压器的传热性能，减小结构温升并进一步提升变压器的功率密度。

为实现上述目的，按本发明提供了一种具有导热结构的高频变压器，包括：

磁芯，所述磁芯具有磁芯芯柱；

绕组骨架，所述绕组骨架套在所述磁芯芯柱上；

绕组，所述绕组缠绕在所述绕组骨架上；以及

导热结构，所述导热结构与所述绕组骨架的多层相接合。

优选地，所述导热结构包括连通导热结构，所述连通导热结构贯穿所述绕组骨架。

优选地，所述导热结构位于所述绕组的匝间，所述绕组骨架和所述磁芯芯柱之间，或者所述绕组与所述绕组骨架之间。

优选地，所述连通导热结构为导热片，所述导热片在所述位置时，分别与两侧的所述绕组相接触，分别与所述绕组骨架和所述磁芯芯柱相接触，分别与所述绕组和所述绕组骨架相接触。

所述导热片为矩形或阶梯状薄片结构。

优选地，所述导热结构还包括：端部导热结构，所述端部导热结构位于与所述连通导热结构的两端，所述端部导热结构的一侧与所述连通导热结构相接触，另一侧与所述磁芯相接触或暴露于空气中。

优选地，所述导热结构包括：连通导热结构，所述连通导热结构与所述绕组骨架的多层相接合；以及端部导热结构，所述端部导热结构位于与所述连通导热结构的两端，所述端部导热结构的一侧与所述连通导热结构相接触，另一侧与所述磁芯相接触或暴露于空气中。

优选地，所述绕组骨架包括原边绕组骨架和副边绕组骨架，所述绕组包括原边绕组和副边绕组，自磁芯芯柱由内向外每相邻的一组原副边绕组组成一组绕组对，所述端部导热结构位于所述两组绕组对之间。

优选地，所述导热结构位于高频变压器的磁芯窗口的漏磁场强度弱的区域。

本发明还提出一种具有导热结构的高频变压器的制造方法，包括：

s1，提供磁芯，所述磁芯具有磁芯芯柱；

s2，提供绕组骨架，将所述绕组骨架套在所述磁芯芯柱上；

s3，提供绕组，将所述绕组缠绕在所述绕组骨架上；以及

s4，提供导热结构，将所述导热结构设置在高频变压器的磁芯窗口中漏磁场强度弱的区域，所述导热结构与所述绕组骨架的多层相接合。

通过本发明的技术方案，一方面可以显著减小变压器内部热路热阻，提升内部导热能力，降低变压器因绕组损耗与磁芯损耗而产生的内部温升，减小变压器内部温度峰化。

另一方面，本发明可改善变压器内部热流传导路径，实验变压器表面热流的定向引导，与表面换热设计相配合，提升变压器热性能。同时，合理的布置导热片在绕组的层间位置与尺寸，可显著降低导热片引入的附加损耗，减少对变压器磁路的影响，同时基本不影响变压器励磁电感、漏电感等电路参数。

总体而言，通过在变压器内部嵌入导热结构的方式可以减小变压器结构热阻，从而提升变压器的内部导热性能和外部换热效率，本发明具有显著降低变压器内部温升，同时基本维持变压器原有电磁参数与损耗水平的特点。

本发明尤其适用于功率密度较高，内部多空隙等导热性能较差的变压器结构。

本发明结构简单，加工调试方便，易于装配，成本较低，灵活性较高。在设计成本，体积重量，装配方式，导热效率方面都具有相当优势，有利于推广应用。

附图说明

图1是根据本发明的实施例一的高频变压器构造的示意分解图；

图2是根据本发明的实施例一的正面半剖视图；

图3是根据本发明的实施例一的用于高频变压器的原副边绕组骨架及导热片分解图；

图4是根据本发明的实施例二的正面半剖视图；

图5是根据本发明的实施例二的用于高频变压器的原副边绕组骨架及导热片分解图；

图6是根据本发明的实施例三的正面半剖视图；

图7是本发明的方法的一个实施例的流程图；

图8是本发明的方法的另一个实施例的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-第一磁芯，12-第二磁芯，21-原边绕组骨架，22-副边绕组骨架，31-原边绕组，32-副边绕组，41、51、52、61、62-导热片，53、54、63、64-端部导热片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

请参阅图1、图2及图3，本实施例为一种具有导热结构的高频变压器的优选结构方案，所述高频变压器设计额定功率7.5kw，结构包括：第一磁芯11，第二磁芯12，原边绕组骨架21，副边绕组骨架22，原边绕组31，副边绕组32。

原边绕组骨架21中部开孔并贯通，用于收容第一磁芯11的磁芯芯柱。原边绕组骨架21外侧表面绕制有原边绕组31。副边绕组骨架22中部开孔并贯通，用于收容所述原边绕组骨架21及其磁芯芯柱。副边绕组骨架22外侧表面绕制有副边绕组32。即多组绕组骨架套装在磁芯芯柱上。

所述骨架21、22为多层结构，具有绕线导向与支撑作用，骨架层数由原副边绕组的线圈绕制方式与绕制总匝数决定。原、副边绕组31、32可以采用金属导线贴骨架依次螺旋绕制，原边绕组31沿原边线圈骨架21绕制，副边绕组32沿副边线圈骨架22绕制。

本实施例中，所述原边绕组31与副边绕组32均为16匝串联结构，采用圆形截面利兹线绕制(以减小高频损耗)，骨架每层并列绕制两匝，因此本实施例中所述绕组骨架21与22均为8层结构。原边绕组31贴着原边绕组骨架21内壁沿各层自上而下或自下而上依次螺旋绕制，副边绕组32贴着副边绕组骨架22依同样方法绕制。绕组的线圈在骨架每层中可并排多匝绕制，所述磁芯、骨架、线圈具有同轴结构。

装配后，原边绕组骨架21及其绕制于其上的原边绕组31套在所述第一磁芯11的磁芯芯柱上，副边绕组骨架22及其绕制于其上的副边绕组32套在第二磁芯12的磁芯芯柱上。装配完毕后，第一磁芯11与第二磁芯12的磁芯芯柱相对合。

原边绕组骨架21骨架中部开孔的内侧表面开槽，槽型上下两端处较窄，中部较宽，用于装配导热结构(在下面详述)。当然，所述槽型可以配合导热结构的形状而改变。

前述的导热结构位于高频变压器的磁芯芯柱与绕组之间，导热结构可以显著减小变压器内部热路热阻，提升内部导热能力。

导热结构如图1-3显示为如导热片41的片状。导热片41的形状在上下两端处较窄，中部较宽，并具有一定的宽度和厚度。导热片41贯穿原边绕组骨架21与副边绕组骨架22骨架多层或各层，与两个骨架结合在一起，称为连通导热结构。导热片41一面与原边绕组31良好接触，另一面与第一磁芯11以及第二磁芯12的磁芯芯柱良好接触，导热片41可在骨架21和22加工时一起装配，亦可在绕组31和32绕制完毕后装入。

如图3所示，本实例中导热片41优选地为矩形或阶梯状薄片结构(图3中圆圈所示位置)，便于安装，装配时，图3中薄片结构嵌入左侧骨架上的凹槽中，所以薄片和凹槽的形状需要相互配合，都是阶梯状形状。同时材料选用铜、铝等热导率高的金属材料。对应地，在骨架21和22的内壁上开有开口，用于容纳导热片41。本实施例中导热片41位于磁芯与原边绕组31之间，其宽度l1为25mm，厚度w1为1.5mm。

本实施例中，第一磁芯11和第二磁芯12是一对ee型锰锌铁氧体磁芯，其长宽高分别为l＝64mm，w＝50.8mm，h＝30mm，亦可以选用其它形式磁芯，诸如ei磁芯，er磁芯等。第一磁芯11和第二磁芯12合拢后，两者的磁芯芯柱接合，而磁芯芯柱两侧形成空间。

装配时，第一磁芯11和第二磁芯12的磁芯芯柱插入在原边绕组骨架21的内部中空处，磁芯芯柱两侧形成的空间用于容纳原边绕组骨架21和副边绕组骨架22，并压紧原边绕组骨架21和副边绕组骨架22。

导热片41由两片导热片组成，两片导热片相互独立，分别嵌入原边绕组骨架21内侧表面的两个槽中。

实施例二

请参阅图4、图5，本实施例为一种具有导热结构的高频变压器的优选结构方案，所述高频变压器基本结构与实施例一相同，包括：第一磁芯11，第二磁芯12，原边绕组骨架21，副边绕组骨架22，原边绕组31，副边绕组32。

所述高频变压器内部具有导热结构，导热结构包括连通导热结构和端部导热结构。连通导热结构装配并嵌入绕组骨架21和22内部，连通导热结构贯穿绕组骨架21和22各层，故而称为连通导热结构。所述连通导热结构具有一定的宽度和厚度以及特定的截面形状，本实例中连通导热结构采用矩形截面薄片结构，便于安装，同时材料选用铜片。

绕组骨架21和22内部加工安装通孔，用于装配所述连通导热结构，所述连通导热结构在绕组绕制过程中插入绕组骨架21和22内。

所述连通导热结构可布置于第一磁芯11的磁芯芯柱与原边绕组骨架21之间的位置a1处，可布置于原边绕组线圈31与原边骨架21内壁之间位置a2处，亦可布置于绕组线圈匝间的位置a3处。

本实施例中，所述连通导热结构分别布置于位置a1与位置a2处，所述位置a1与位置a2均位于原边绕组31与第一磁芯11的磁芯芯柱之间，该区域漏磁场强度很弱，所述连通导热结构包括位于位置a1处的导热片51以及位于位置a2处的导热片52，所述连通导热结构依磁芯芯柱中心线两侧对称布置，共四片导热片。导热片51和52的宽度l2为25mm，厚度w2为0.5mm，并分别与磁芯芯柱、绕组及骨架内壁紧密接触。

所述导热结构的端部导热结构位于连通导热结构的上下两端。端部导热结构贴装在在骨架21和22上下两端(或左右两端)，一侧与连通导热结构良好接触，另一侧与磁芯良好接触。本实施例中，端部导热结构亦采用铜薄片结构。片状的端部导热结构有助于增大导热结构两端的换热面积，提升换热效率，其设计尺寸亦应综合考虑其导热效率与其引入的附加损耗。

在一个实施例中，所述端部导热结构包括端部导热片53、54，端部导热片53、54分别与连通导热片51、52良好接触的，端部导热片53、54的长度与连通导热片宽度51、52相同，宽度l3为5mm，厚度w3为0.9mm。

本实施例与实施例一相比，导热结构用铜量减小，虽然牺牲掉一部分导热能力，变压器芯部温升略高，但本实施例无需在所述原边绕组骨架21上开槽，维持了磁芯与原边绕组31之间的分隔，在对变压器绝缘要求更高的使用场合中，具有更大的优势。在某些对变压器效率要求并不严格的使用场合中，亦可通过增加导热结构数量的方法，在适当牺牲部分变压器能量传输效率的同时，进一步提升变压器的热性能。

具体设计中，本发明的连通导热结构在磁芯窗口中的布置位置应选择磁芯窗口中漏磁场强度较弱的区域，以减小金属导热结构上的附加损耗发热，设计布置数量应综合考虑其导热效率与其引入的附加损耗，使其在提升导热效率与其减少附加损耗之间实现平衡。弱磁场区相当于“电磁真空”，只有在这里引入导热结构才不会显著改变现有电磁参数。

本实施例展示了如何确定常规同心绕组导热结构的布置位置及方式，下面通过实施例3展示绕组排布方式为交叉排布的变压器导热结构的布置位置及方式。

实施例三

请参阅图6，本实施例为一种具有导热结构的高频变压器的优选结构方案，所述高频变压器基本结构与实施例一、实施例二相同，包括：第一磁芯11，第二磁芯12，原边绕组骨架21，副边绕组骨架22，原边绕组31，副边绕组32。

本实施例中，原边绕组31与副边绕组32采用交叉绕制的方式，分别绕制在两组原边绕组骨架21与副边绕组骨架22上，自第一磁芯11和第二磁芯12的磁芯芯柱由内向外按照“原边-副边-原边-副边”的顺序依次绕制，绕组骨架亦按照“原边骨架-副边骨架-原边骨架-副边骨架”的顺序依次套装。绕组骨架21、22均为8层结构。原边绕组31绕制在原边绕组骨架21上，每组骨架上共串联绕制16匝，每层绕制两匝。副边绕组32绕制在副边绕组骨架22上，每组骨架上共串联绕制8匝，每层绕制一匝。自磁芯芯柱由内向外每相邻的一组原副边绕组组成一组“绕组对”。本实施例中，原副边绕组交叉绕制成两组“绕组对”的形式，自磁芯芯柱由内向外依次为“第一绕组对”与“第二绕组对”。

所述高频变压器内部具有导热结构，所述导热结构的截面形状、装配方式与实施例二相同，并包括连通导热结构与端部导热结构。

所述连通导热结构可布置于第一磁芯11和第二磁芯12的磁芯芯柱与所述“第一绕组对”原边绕组骨架21之间的位置b1处，可布置于“第一绕组对”原边绕组线圈31与原边骨架21内壁之间位置b2处，可布置于原边绕组线圈31匝间的位置b3处，亦可布置于两组“绕组对”之间的位置b4处。其中，位于“第一绕组对”原边绕组31与磁芯芯柱之间的位置b1与位置b2，以及两组“绕组对”之间的位置b4处漏磁场强度较弱，是优先选择的布置位置。

本实施例中，所述连通导热结构分别布置于位置b1、位置b2与位置b4处。所述连通导热结构包括：导热片51、导热片52、导热片61与导热片62。其中，导热片51位于所述磁芯芯柱与所述“第一绕组对”原边绕组骨架21之间位置b1处。导热片52位于“第一绕组对”原边绕组31与原边绕组骨架21内壁之间位置b2处。导热片61与导热片62位于两组“绕组对”中相邻的“第一绕组对”副边绕组骨架22与“第二绕组对”原边绕组骨架21上。所述连通导热结构的导热片依磁芯芯柱中心线两侧对称布置，共八片导热片，所述连通导热结构中的导热片的宽度亦为25mm，厚度亦为0.5mm，并分别与磁芯芯柱，绕组及骨架内壁紧密接触。

所述导热结构还包括端部导热结构。本实施例中所述端部导热结构形状和作用与实施例二相同。所述端部导热结构包括：端部导热片53、54和端部导热片63、64。端部导热片53、54与连通导热片51、52良好接触的，端部导热片63、64与连通导热片61、62良好接触。本实施例中，所述端部导热片的宽度亦为5mm，厚度亦为0.9mm。

实施例四

如图7所示，本发明还提出一种具有导热结构的高频变压器的制造方法。本发明的方法包括：

s1，提供磁芯，所述磁芯具有磁芯芯柱；

s2，提供绕组骨架，所述绕组骨架套在所述磁芯芯柱上；

s3，在所述绕组骨架上缠绕绕组；以及

s4，提供导热结构，所述导热结构设置在高频变压器的磁芯窗口中漏磁场强度弱的区域。

在一个改进中，如图8所示，本发明的具有导热结构的高频变压器的制造方法包括：

s1，依据变压器用途及设计目标参数提供变压器磁芯及绕组骨架，确定绕组的排布形式；

s2，依据变压器内部漏磁场分布与损耗分布，确定导热结构设置位置及数量的可行方案；

s3，依据变压器损耗及温升设计要求，利用数值分析方法确定导热结构的型式与尺寸。所述导热结构与所述绕组骨架的各层相接合；

s4，在所述绕组骨架上绕制绕组，安装导热结构，并将所述绕组骨架套装于所述磁芯芯柱上。

优选地，导热结构设置在高频变压器的磁芯窗口中漏磁场弱的区域。弱磁场区相当于“电磁真空”，只有在这里引入导热结构才不会显著改变现有电磁参数。

在一个优选实施方式中，在步骤s2中，将导热结构设置的位置如实施例一所述，在此不再详述。

在一个优选实施方式中，让高频变压器的磁芯窗口的弱磁场区和高温升区重合，将导热结构设置在弱磁场区，以减小金属导热结构上的附加损耗发热，设计布置数量应综合考虑导热结构的导热效率与导热结构引入的附加损耗，使其在提升导热效率与其减少附加损耗之间实现平衡。

在一个优选实施方式中，导热结构的结构和位置如实施例二所述。

在一个优选实施方式中，对于绕组排布形式为原副边绕组交叉排布的变压器，导热结构放置在该弱磁场区，如实施例三所描述的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。