一种采用高导热陶瓷材料的大功率高频变压器骨架设计方法与流程

本发明涉及大功率磁性元件设计领域，属于电气工程领域，特别涉及一种采用高导热陶瓷的大功率中压高频变压器骨架及其设计方法。

背景技术：

1、变压器具有电气隔离和改变电压幅值的作用，基于高频变压器的电力电子变压器是实现清洁能源并网、解决直流负荷供电需求的关键设备，随着这些需求的不断增大，高频变压器的电压等级和功率容量已经越来越高。大功率中压高频变压器性能的好坏直接决定整个电力电子装置是否可以安全稳定运行，是其核心器件。目前高频变压器容量提升的限制因素是其温升，而温升的主要影响因素是变压器损耗大小与变压器散热能力，现分别分析如下：

2、变压器的损耗有两种，一种是磁芯铁损，指磁性材料中由交变或脉动磁场而引起的功率损耗，以热的形式存在；另一种是绕组铜损，指由于线圈绕组欧姆电阻的存在，电流经过线圈绕组时产生的铜损，同样以热的形式存在。变压器工作频率越高，相同时间内磁场脉动次数越多使磁损越大，而高频电流带来的更强的趋肤效应与邻近效应会使铜损也显著增加，即变压器损耗与频率成正比。根据法拉第电磁感应定律，相同容量下，变压器频率越高则其体积可以越小，这也正是变压器高频化的意义，而变压器体积越小，变压器自然散热能力越差，即变压器自然散热能力与频率成反比。

3、通过上述分析可知，对于大功率中压高频变压器而言，首先，相比于同容量工频变压器，高频变压器本身就存在铁损铜损增大而散热面积减小的矛盾，造成其散热难度增加；其次，相比于低压应用场合，中压要求必须使用足够厚的绝缘材料层来保证不同电位的线圈以及线圈与磁芯之间的绝缘要求，基于热电类比理论，绝缘材料层越厚，变压器从内向外的热阻越高，变压器内外温差越大。上述两点说明在大功率中压高频变压器中热量不能有效的导出，进而导致变压器温升较高，限制了大功率中压高频变压器的工程应用与容量的进一步提升，而降低高频变压器温升最直接有效的方式便是绝缘材料的改进。

4、目前高频变压器的绝缘主要依靠有机材料实现(如骨架材料采用塑胶、塑料等，灌封材料采用环氧树脂)，有机材料的缺点在于导热系数较低(仅有0.2～1w/(m·k))，阻碍了变压器内部热量的导出。现有的技术方案多是改进灌封材料特性，以环氧树脂为例，其导热系数通常在0.2w/(m·k)左右，采用纳米以及微米填料对环氧树脂的导热特性进行改良近些年已受到广泛关注，添加硅微粉后，其导热系数可以提高至0.7w/(m·k)左右，而通过在环氧-酸酐体系中添加氧化硅填料可使其导热系数增加到1.494w/(m·k)，但受限于环氧树脂本身，导热特性很难超过1.5w/(m·k)，相比于铜399w/(m·k)的导热系数，差了两个数量级。现有技术方案对变压器导热能力的提升有限，难以满足大功率中压高频变压器的散热需求。

技术实现思路

1、本发明的发明人注意到变压器骨架直接与变压器热源(磁芯及绕组)接触，对变压器热阻大小起着决定性作用，但现有技术方案并未考虑到骨架材料对于变压器导热能力的影响。目前市面上线圈骨架材料一般常用塑胶(电胶木)，或塑料(尼龙)，这些有机高分子材料导热性能极差(不超过1w/mk)，致使热量在变压器内部不断积累，进而使变压器温度升高，威胁其正常运行，限制了变压器容量和效率的提升。因此，迫切需要一种高耐压强导热的大功率变压器骨架，来提高大功率中压高频变压器的绝缘和散热能力。

2、为解决这一难题，本发明提出了一种大功率中压高频变压器用高耐压强导热的氮化铝陶瓷骨架，并提出了氮化铝骨架的设计方法。

3、根据现有技术的不足，本发明提出了一种大功率中压高频变压器用高耐压强导热的氮化铝陶瓷骨架，并基于变压器损耗及热路模型提出了骨架的设计方法。所设计的骨架采用新型的氮化铝陶瓷材料，这种材料具有很高的导热系数(200w/mk)，其导热性能接近铝合金；绝缘性能好，高于普通绝缘塑胶和塑料；热膨胀系数低且材质机械强度高，在严酷的条件下仍能正常工作。因此，氮化铝陶瓷材料制成的变压器骨架，不仅可耐受高压，且可将变压器线圈与磁芯产生的热量快速传导到外部散热器，帮助变压器散热降温，有效的解决了变压器的绝缘与散热难题。

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、具体而言，本发明提供一种采用高导热陶瓷材料的大功率高频变压器骨架设计方法，所述变压器包括原边和副边，原边和副边的设计方法相同，其特征在于，原边和副边中任意一个的设计方法包括：

6、步骤1、确定变压器设计参数；

7、步骤2、计算骨架厚度最小值wmin并设置骨架几何参数初始值，骨架采用氮化铝材料制成，骨架厚度最小值wmin依据氮化铝材料的标称绝缘强度em计算：

8、

9、式中，u1是该边电压的幅值，k是绝缘安全系数；

10、步骤3、计算变压器损耗；

11、步骤4、求解变压器热路模型以计算变压器温升、输出骨架设计结果。

12、优选地，所述变压器设计参数包括原边电压幅值u1、氮化铝材料的标称绝缘强度em、绝缘安全系数k、工作频率f、磁通波形系数feq、磁芯体积vcore、磁芯最大工作磁密及斯坦梅兹方程系数k、α、β，原、副边绕组匝数n1、n2，铜的电导率σ及磁导率μ，圆导线直径dr，导线绝缘层厚度w0，相邻圆导线圆心距t，原副边绕组电流波形以及温升限制tmax。

13、优选地，设置的骨架几何参数初始值包括骨架内套筒厚度及圆环底座厚度w1，外套筒散热齿初始表面积a0。

14、优选地，所述变压器损耗包括磁芯铁损pfe及绕组铜损pcu,pri。

15、优选地，磁芯铁损pfe的计算过程包括：计算磁芯单位体积的铁损pv，计算的自变量为工作频率f，最大工作磁密bm及斯坦梅兹方程系数k、α、β，磁通波形系数feq，计算公式如下：

16、

17、其次，计算总的磁芯铁损pfe，计算的自变量为磁芯单位体积的铁损pv及磁芯体积vcore，计算公式如下：

18、pfe＝pv·vcore

19、优选地，铜耗pcu,pri的计算过程包括：计算频率为f时的交流电阻系数如下：

20、

21、其中：

22、

23、式中，m是绕组层数，dr是绕组圆导线的直径，t是相邻圆导线圆心距，σ是铜的电导率，μ是铜的磁导率，ber和bei分别是第一类0阶贝塞尔函数的实部和虚部，下标2代表二阶，上标’代表求导，求得绕组铜损pcu表达式如下：

24、

25、式中：交流电阻由交流电阻系数体现，fr,n表示第n次谐波电流的交流电阻系数；rdc为绕组运行温度下的直流电阻；irms,n表示原边第n次谐波电流分量有效值。

26、优选地，步骤4中求解变压器热路模型的过程包括：

27、计算传导热阻，传导热阻的计算公式如下：

28、

29、式中，l代表热流路径的长度，s代表垂直于热流方向的截面积，λ代表材料的热导率,

30、计算对流热阻，对流热阻的计算公式如下：

31、

32、式中，h为对流换热系数，a为与空气接触的表面积，δt为热对流两者的温差，

33、计算辐射热阻，辐射热阻的计算公式如下：

34、

35、式中，ε为材料的辐射系数，a为热辐射的有效面积；t1和t0分别为热辐射双方的温度，

36、根据得到的等效热路模型以及热阻大小，计算高频变压器各处温升得如下方程组：

37、

38、解此方程组即可得到变压器磁芯与原边绕组的温度tcore、tcu,pri，若变压器温升过高，不满足温升限制tmax，则增大外圆柱套筒散热齿的表面积a0，以减小骨架外圆柱套筒与空气之间的对流与辐射热阻rbobo,cv、rbobo,rad，并重新求解热路模型，如此迭代下去直到找到使变压器温升小于tmax的a0，并记录此时的骨架设计参数，输出骨架设计结果，

39、热路模型中包括：磁芯与骨架内圆柱套筒之间的绝缘灌封胶的第一传导热阻rresini,cd，骨架内圆柱套筒的第二传导热阻rbobi,cd，骨架上圆环底座与空气之间的第一、第二对流与辐射热阻rbobu,cv、rbobu,rad，骨架下圆环底座与空气之间的第三、第四对流与辐射热阻rbobd,cv、rbobd,rad，骨架内外圆柱套筒之间的绝缘灌封胶的第三传导热阻rresino,cd，骨架外圆柱套筒的第四传导热阻rbobo,cd，骨架外圆柱套筒与空气之间的第五、第六对流与辐射热阻rbobo,cv、rbobo,rad，第五、第六对流与辐射热阻rbobo,cv、rbobo,rad彼此并联与第四传导热阻rbobo,cd以及第三传导热阻rresino,cd串联形成第一热阻支路，第一、第二对流与辐射热阻rbobu,cv、rbobu,rad、第三、第四对流与辐射热阻rbobd,cv、rbobd,rad彼此并联后与第二传导热阻rbobi,cd串联形成第二热阻支路，低于热阻支路与第二热阻支路并联，连接在tamb与tcu,pri之间。

40、优选地，原边骨架和副边骨架，二者结构相同，均包括内外圆柱套筒以及上下两端的圆环底座；原副边骨架的圆柱套筒内侧直径大于磁芯柱直径，外套筒直径大于骨架圆环底座的外径；磁芯柱分别置于原副边骨架的内圆柱套筒内，原副边绕组分别绕制在原副边骨架上，两个外圆柱套筒分别套在原副边骨架上，骨架内圆柱套筒与磁芯柱之间以及线圈绕组与外圆柱套筒之间采用高导热的绝缘胶填充缝隙。

41、原理说明

42、本发明的骨架设计方法首先根据绝缘要求计算骨架的最小厚度，再基于热电类比理论，以变压器损耗模型以及热路模型为依据，求出变压器热源及热阻，进而求出变压器温升，若温升不在允许范围之内则更改变压器骨架参数并重新求解变压器热路模型，直到变压器温升在所允许的范围之内，记录此时的骨架设计参数，将其作为骨架设计结果输出。

43、所述外圆柱套筒的外侧圆柱壁上带有散热齿，用以增大与空气的接触面积，提高散热能力。

44、所述原副边骨架的内圆柱套筒外侧有螺旋式的凹槽，使绕组导线可紧绕在骨架之上，也可增大线圈与骨架的接触面积以减小线圈与骨架之间的热阻，方便绕线的同时也便于导热。

45、所述骨架采用氮化铝陶瓷材料，磁芯损耗产生的热量主要通过氮化铝骨架传导到圆环底座进行散热；线圈绕组产生的热量一方面通过氮化铝骨架传导到圆环底座进行散热，另一方面通过高导热系数的导热绝缘胶与外套筒接触进行散热。

46、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

47、(1)本发明用于大功率变压器，通过导热骨架将大功率变压器产生的热量传递到外部与空气接触，将热量散发掉，氮化铝陶瓷材料具有高绝缘电阻、耐高温，高导热率，并且是非金属，在磁场中不会产生涡流，是对以前塑胶骨架的一次革新，提高系统的散热能力，改善系统的热稳定性。

48、(2)本发明所提出的变压器骨架设计方法基于损耗以及热路解析模型，充分考虑到变压器内部的热源大小以及变压器内部的热传导路径，精度较高的同时计算速度快，在大功率变压器骨架设计中具有实用价值。

49、(3)本发明骨架采用氮化铝陶瓷材料，在高电压等级的工况下仍可安全可靠稳定运行，大幅度提高了变压器的绝缘能力。

50、(4)本发明原副边骨架内圆柱套筒外侧均有螺旋式凹槽，方便绕线的同时，也增大了导线与套筒的接触面积，增强散热能力。