一种大功率中频隔离变压器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种大功率中频隔离变压器，至少包含一个变比为1:1的变压器单元；变压器单元包括一次绕组、二次绕组、第一立板、第二立板、第一绝缘支撑子、第二绝缘支撑子和环形磁芯；一次绕组固定在两侧立板之间；二次绕组固定在两侧绝缘支撑子之间，且二次绕组与一次绕组同轴设置；环形磁芯固定在所述一次绕组外侧；一次绕组和所述二次绕组通过环形磁芯实现磁耦合。本发明提供的大功率中频隔离变压器的整体结构紧凑，模块化设计，变比可调，调整灵活、节约成本；一、二次的同轴结构，二次绕组外的环形磁芯结构，漏感小，损耗小，磁芯不必单独冷却。对于不同的功率要求，可灵活调整磁芯个数，以避免磁芯饱和、控制温升，满足功率传输要求。
【专利说明】一种大功率中频隔离变压器
【技术领域】
[0001]本发明属于变压器领域，更具体地，涉及一种大功率中频隔离变压器。
【背景技术】
[0002]隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气上彼此隔离的变压器，它的原理与普通干式变压器相同，也是利用电磁感应原理，使得二次回路对地浮空，以保证用电安全。
[0003]中频信号是指频率范围为300kHz?3MHz射频电磁波信号，多被用于AM电台、感应加热、等离子体装置等。由于射频的“趋肤效应”，以硅钢片为磁芯的传统变压器无法在中频范围内使用。
[0004]目前，中频变压器采用的方案主要有同轴线变压器、空心变压器、传统铁氧体磁芯变压器。同轴线变压器用在中频功率放大电路中起阻抗变换作用，具有一定的电压隔离作用，但功率容量不高，一般不超过lkw。空心变压器中频功率传输时漏感较大，传输效率低，应用较少。传统铁氧体磁芯变压器主要有两种结构形式，一种是在柱式铁氧体磁芯上缠绕一、二次侧绕组，另一种是在闭合铁氧体磁芯上缠绕一、二次绕组，它们的缺点是变压器漏感相对较大，传输效率相对较低，特别是在大功率(几十千瓦到上百千瓦)传输时损耗较大，铁氧体磁芯发热严重，不能长时间工作。而且，在大功率传输时所需的导线比较粗，如果绕组之间要满足高电压隔离，导线的绝缘层就要求比较厚，变压器绕组难以制造。因此，采用传统中频变压器方案存在难以同时兼顾大功率容量、高效率传输和中频高电压隔离的问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大功率中频隔离变压器，其目的在于提出一种变比、功率容量调节灵活，既能够高效传输中频功率，又具备高电压隔离功能的变压器解决方案；解决了传统变压器方案存在的难以同时兼顾大功率容量、高效率传输和中频高电压隔离的问题。
[0006]本发明为中频大功率的隔离传输提供一种可行方案，同时也可以优化中频阻抗匹配网络结构和参数。本发明提供了一种大功率中频隔离变压器，包括至少一个变比为1:1的变压器单元；所述变压器单元包括一次绕组、二次绕组、第一立板、第二立板、第一绝缘支撑子、第二绝缘支撑子和环形磁芯；所述一次绕组与位于所述一次绕组两侧的第一立板和第二立板固定连接；所述二次绕组通过位于二次绕组两端的第一绝缘支撑子和第二绝缘支撑子分别固定在所述第一立板和所述第二立板之间，且所述二次绕组与所述一次绕组同轴设置；所述环形磁芯固定在所述一次绕组外侧；所述一次绕组和所述二次绕组通过所述环形磁芯实现磁耦合。
[0007]本发明还提供了一种大功率中频隔离变压器，包括η个变比为1:1的变压器单元，η个变比为1:1的变压器单元中的一次绕组串联，且二次绕组并联后构成一个变比为η:1的变压器；所述变压器单元包括一次绕组、二次绕组、第一立板、第二立板、第一绝缘支撑子、第二绝缘支撑子和环形磁芯；所述一次绕组与位于所述一次绕组两侧的第一立板和第二立板固定连接；所述二次绕组通过位于二次绕组两端的第一绝缘支撑子和第二绝缘支撑子分别固定在所述第一立板和所述第二立板之间，且所述二次绕组与所述一次绕组同轴设置；所述环形磁芯固定在所述一次绕组外侧；所述一次绕组和所述二次绕组通过所述环形磁芯实现磁耦合；n为大于I的正整数。
[0008]本发明还提供了一种大功率中频隔离变压器，包括n*m个变比为1:1的变压器单元，在一次侧，n*m个绕组分为η组，每组m个并联，然后η组串联；在二次侧，n*m个绕组分为m组，每组η个并联，然后m组串联；构成一个变比为n:m的变压器单元；所述变压器单元包括一次绕组、二次绕组、第一立板、第二立板、第一绝缘支撑子、第二绝缘支撑子和环形磁芯；所述一次绕组与位于所述一次绕组两侧的第一立板和第二立板固定连接；所述二次绕组通过位于二次绕组两端的第一绝缘支撑子和第二绝缘支撑子分别固定在所述第一立板和所述第二立板上，且所述二次绕组与所述一次绕组同轴设置；所述环形磁芯固定在所述一次绕组外侧；所述一次绕组和所述二次绕组通过所述环形磁芯实现磁耦合；n、m均为大于I的正整数，η与m不相等。
[0009]更进一步优选地，在所述一次绕组和所述环形磁芯之间填充一定厚度的绝缘物质，保证环形磁芯与所述一次绕组同轴。
[0010]更进一步优选地，所述一次绕组采用金属管，所述二次绕组采用金属管或者高压绝缘电缆。
[0011]更进一步优选地，所述二次绕组采用内空的金属管，并在金属管中通冷却水散热。
[0012]更进一步优选地，所述环形磁芯采用环形铁氧体磁芯，由多个环形铁氧体叠加而成，并套接在所述一次绕组上。
[0013]本发明提供的大功率中频隔离变压器的整体结构紧凑，模块化设计，调整灵活、节约成本；一、二次绕组的同轴结构，二次绕组外的环形磁芯结构，漏感小，发热少，不必单独为磁芯提供冷却，能满足大功率高效传输要求。对于不同的功率条件，可灵活调整磁芯个数，避免磁芯饱和、控制温升，以实现大功率、高效的功率传输。采用了射频绝缘材料，提高了绝缘性能，能实现高电压条件下的电气隔离。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例提供的大功率中频隔离变压器中1:1变压器单元的结构剖视图；
[0015]图2为本发明实施例提供的大功率中频隔离变压器中变压器单元的磁芯结构示意图；
[0016]图3为本发明实施例提供的一个变比为3:1 (η:1)的变压器电气示意图；
[0017]图4为本发明实施例提供的一个变比为3:1的变压器结构外形图；
[0018]图5为本发明实施例提供的的一个变比为3:2 (n:m)的变压器电气示意图。
[0019]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:1为二次绕组、2为第一立板、3为一次绕组、4为第一绝缘支撑子、5为固定螺栓、6为第二立板、7为环形磁芯、8为第二绝缘支撑子、9为并联连接板、10为分支水冷管、11为入水管、12为四通连接、13为管接头、14为连接固定卡、15为串联连接件、16为底座和17出水管。【具体实施方式】
[0020]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。
[0021]本发明涉及的大功率中频隔离变压器至少包含一个变比为1:1的变压器单元，如附图1所示。变压器单元包括一次绕组3、二次绕组1、第一立板2、第二立板6、第一绝缘支撑子4、第二绝缘支撑子8和环形磁芯7 次绕组3与位于一次绕组3两侧的第一立板2和第二立板6固定连接；二次绕组I通过位于二次绕组I两端的第一绝缘支撑子4和第二绝缘支撑子8分别固定在第一立板2和所述第二立板6上，且二次绕组I与一次绕组3同轴设置；环形磁芯7固定在一次绕组3外侧；一次绕组3和二次绕组I通过环形磁芯7实现磁率禹合。
[0022]在变压器单元中，二次绕组在一次绕组内部，环形磁芯套在一次绕组外壁上，从而实现一、二次绕组的磁耦合。本发明的结构特殊之处在于:二次绕组沿中轴线穿过一次绕组，一、二次绕组通过外侧环形磁芯实现磁耦合，由此组成变比为1:1的变压器单元。
[0023]本发明大功率中频隔离变压器单元的结构主要包括:一次绕组、二次绕组、环形铁氧体磁芯、立板、绝缘支撑子。为了降低变压器的漏感，本发明涉及的变压器单元采用同轴结构的一、二次绕组方案，一次绕组采用金属管(通常采用铜管，但不仅限于铜管)，二次绕组采用金属管(通常采用铜管，但不仅限于铜管)或者高压绝缘电缆。
[0024]在本发明实施例中，绝缘支撑子整体为圆筒结构，一次绕组通过绝缘支撑子外壁固定，二次绕组通过绝缘支撑子内孔固定。绝缘支撑子的一端为伞裙结构，增加爬电距离，提高绝缘强度。立板的一面有阶梯定位孔，一次绕组可固定在两个立板的阶梯孔之间。立板的另一面有螺纹孔，用于固定绝缘支撑子，进而实现一、二次绕组的同轴。立板和绝缘支撑子均采用射频绝缘材料，使其适用于中频、高压环境。
[0025]环形磁芯固定在一次绕组外侧，整体磁芯由多个小环形铁氧体磁芯叠置而成。根据不同的传输功率要求，增加或减少变压器单元上的磁芯个数，从而调整工作磁通大小，保证变压器运行时磁芯的温升在合理范围之内，如附图2所示。
[0026]在1:1的变压器单元的基础上，根据不同的变比需求，将多个变压器单元的一、二次绕组分别采取串联、并联或者串并联混合的方式连接起来以实现所需的变比。
[0027]本发明大功率中频隔离变压器可实现η:1变比。在本发明实施例中，大功率中频隔离变压器包括η个变比为1:1的变压器单元，η个变比为1:1的变压器单元中的一次绕组串联，且二次绕组并联后构成一个变比为η:1的变压器；变压器单元包括一次绕组3、二次绕组1、第一立板2、第二立板6、第一绝缘支撑子4、第二绝缘支撑子8和环形磁芯7 ; —次绕组3与位于所述一次绕组3两侧的第一立板2和第二立板6固定连接；二次绕组I通过位于二次绕组I两端的第一绝缘支撑子4和第二绝缘支撑子8分别固定在第一立板2和所述第二立板6上，且二次绕组I与一次绕组3同轴设置；所述环形磁芯7固定在一次绕组3外侧；一次绕组3和所述二次绕组I通过环形磁芯7实现磁耦合；η为大于I的正整数。
[0028]为了方便叙述，在此以3:1变比的大功率中频隔离变压器为例，电气连接如附图3所示，其由三个1:1的变压器单元组成，每个相互耦合的绕组表示一个变压器单元。将三个变压器单元的一次绕组依次串联，二次绕组同时并联，可实现3:1的变比。由此类推，η组变压器单元的一次绕组串联，二次绕组并联，即可实现η:1的变比。
[0029]如附图4所示，3:1变比的大功率中频隔离变压器的主要结构包括一次绕组3、二次绕组1、环形磁芯7、立板2、6、绝缘支撑子4、8、底座16、连接固定卡14、串联连接件15、并联连接板9。其中，一、二次绕组、环形磁芯、立板和绝缘支撑子结构与前述相同。连接固定卡用作一次绕组的引线端子，由夹在一次绕组外壁上的两个薄铜片组成。串联连接件可将一次绕组串联，其结构是一段铜管，将其两端夹平，并在两端留两个小孔，用于串联连接件与连接固定卡的固定。并联连接板将二次绕组并联，其结构是在铜板的三个侧面加工半圆形凹槽，用于固定二次绕组。底座用于固定立板，作为变压器整体结构的底部支撑。
[0030]3:1变比的大功率中频隔离变压器的机械结构如附图4所示，三个1:1的变压器单元固定在底座16上，固定在一次绕组3外侧的连接固定卡14作为一次绕组3的引线端子，两个串联连接件15将一次侧的三个一次绕组3依次串联。并联连接板9作为二次绕组I的引线端子，两块并联连接板9将二次侧的三个二次绕组I并联。同时，连接固定卡14、并联连接板9还可作为对外的引线端子，可将变压器接入到电力设备中。
[0031]本发明大功率中频隔离变压器可实现n:m变比。在本发明实施例中，大功率中频隔离变压器包括n*m个变比为1:1的变压器单元，在一次侧，n*m个绕组分为η组，每组m个并联，然后η组串联；在二次侧，n*m绕组分为m组，每组η个并联，然后m组串联；构成一个变比为n:m的变压器单元；变压器单元包括一次绕组3、二次绕组1、第一立板2、第二立板6、第一绝缘支撑子4、第二绝缘支撑子8、固定螺栓5和环形磁芯7 次绕组3与位于一次绕组3两侧的第一立板2和第二立板6固定连接；二次绕组I通过位于二次绕组I两端的第一绝缘支撑子4和第二绝缘支撑子8分别固定在第一立板2和第二立板6上，且二次绕组I与一次绕组3同轴设置；环形磁芯7固定在一次绕组3外侧；一次绕组3和二次绕组I通过环形磁芯7实现磁稱合；n、m均为大于I的正整数，η与m不相等。
[0032]为了方便叙述，在此以3:2变比的大功率中频隔离变压器为例。如附图5所示，其由六个1:1的变压器单元组成，每两相互耦合的绕组表示一个变压器单元。一次侧，六个绕组分为三组，每组两个并联，然后三组串联。二次侧，六个绕组分为两组，每组三个并联，然后两组并联。一、二次侧绕组经过环形磁芯耦合，实现变比为3:2的大功率中频隔离变压器。由此，在计算好变比的条件下，n*m个1:1的变压器单元可实现n:m的大功率中频隔离变压器。
[0033]在本发明实施例中，变压器单元的一、二次绕组间距可根据不同的绝缘强度要求而改变。通过改变变压器单元的一、二次绕组的内外径尺寸，即改变一、二次绕组之间的间距，可适应不同的绝缘强度要求。
[0034]优选地，一次绕组采用铜管，引入干燥高压气流对内表面散热，使其适用于大功率场合。二次绕组采用铜管，引入冷却水循环起到散热作用，使其适用于大功率场合。二次绕组铜管外壁烧结有聚酰亚胺和玻璃丝带的绝缘层，大幅度提高绝缘强度。立板和绝缘支撑子采用聚四氟乙烯材料。环形磁芯采用多个环形铁氧体磁芯叠加而成，整体环形磁芯套在一次绕组上，与一次绕组同心。变压器单元的二次绕组采用金属管时，可在其外表面烧结绝缘材料，与一次绕组内壁绝缘，绝缘材料为聚酰亚胺和玻璃丝带复合层。变压器单元的环形磁芯通过一次绕组上的固定卡将磁芯从两侧压紧。变压器单元的二次绕组可采用内空的铜管，在铜管中通冷却水散热。
[0035]本发明新型结构的大功率中频隔离变压器，一方面解决了同轴线变压器功率容量小的问题，另一方面解决了空芯变压器、传统变压器结构漏抗大、效率低的问题。
[0036]本发明新型结构的大功率中频隔离变压器的优点在于整体结构紧凑，模块化设计，调整灵活、节约成本。一、二次绕组的同轴结构，一次绕组外的环形铁氧体磁芯结构，漏感小，发热少，不必单独为磁芯提供冷却。对于不同的功率要求，可灵活调整磁芯个数，以避免磁芯饱和、控制温升，满足功率传输要求。
[0037]现举一个变比为3:1的变压器具体实施例对本发明进行说明，该实施例由三个变比为1:1变压器单元连接而成。现参见图1，一次绕组3通过两侧的立板2、6固定，二次绕组I通过两端的绝缘支撑子4、8固定在立板上，与一次绕组的同轴，同轴度为±0.05mm,以降低变压器损耗。环形磁芯7固定在一次绕组3外侧。在一次绕组和磁芯之间可填充一定厚度的绝缘物质，保证环形磁芯与一次绕组同轴，降低变压器损耗。
[0038]现参见图2，变压器上的环形磁芯7采用环形铁氧体磁芯层层叠加而成，对于不同的功率传输要求，可加减磁芯的个数，避免变压器工作磁通饱和，调整灵活，节约成本。
[0039]现参见图3，变比为3:1的变压器由三个变压器单元组成。一次绕组3选用粗无氧铜管、二次绕组I选用细无氧铜管。3个变压器单元的一次绕组3通过串联连接件15串联，二次绕组I与并联连接板9短接，使得整个变压器的变比为3:1。第一立板2和第二立板6上各开有三个圆孔，三个一次绕组3固定在立板的圆孔之间。二次绕组I穿过一次绕组3，通过绝缘支撑子4、8固定，保证一次绕组3与二次绕组I的同轴度小于±0.05mm，降低了变压器损耗。三个一次绕组3通过串联连接件15串联，三个二次绕组I通过两边的并联短接板9并联。环形磁芯7套在一次绕组3上，通过两端的连接固定卡14固定位置。串联连接件15通过螺栓固定在连接固定卡14上，实现变压器一次绕组3的串联。
[0040]二次绕组I外壁烧结有聚酰亚胺和玻璃丝带绝缘层，提高了绝缘强度，保证了二次绕组I与一次绕组3的绝缘。在二次绕组I内通入去离子冷却水，起到散热的作用。去离子水由入水管11流入，通过四通12分成三支进入分支水冷管10。管接头13用于二次绕组I与分支水冷管10的连接。去离子经由二次绕组I内部流过，从另一侧出水管17流出。立板2、6、绝缘支撑子4、8以及支柱绝缘子都采用聚四氟乙烯的材料，大大提高了绝缘强度，使本实施例适用于高压隔离要求。
[0041]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。
【权利要求】
1.一种大功率中频隔离变压器，其特征在于，包括至少一个变比为1:1的变压器单元；所述变压器单元包括一次绕组(3)、二次绕组(I)、第一立板(2)、第二立板(6)、第一绝缘支撑子(4 )、第二绝缘支撑子(8 )和环形磁芯(7 );所述一次绕组(3 )与位于所述一次绕组(3 )两侧的第一立板(2)和第二立板(6)固定连接；所述二次绕组(I)通过位于二次绕组(I)两端的第一绝缘支撑子(4)和第二绝缘支撑子(8)分别固定在所述第一立板(2)和所述第二立板(6)之间，且所述二次绕组(I)与所述一次绕组(3)同轴设置；所述环形磁芯(7)固定在所述一次绕组(3 )外侧；所述一次绕组(3 )和所述二次绕组(I)通过所述环形磁芯(7 )实现磁耦合。
2.一种大功率中频隔离变压器，其特征在于，包括η个变比为1:1的变压器单元，η个变比为1:1的变压器单元中的一次绕组串联，且二次绕组并联后构成一个变比为η:1的变压器； 所述变压器单元包括一次绕组(3)、二次绕组(I)、第一立板(2)、第二立板(6)、第一绝缘支撑子(4)、第二绝缘支撑子(8)和环形磁芯(7);所述一次绕组(3)与位于所述一次绕组(3)两侧的第一立板(2)和第二立板(6)固定连接；所述二次绕组(I)通过位于二次绕组(I)两端的第一绝缘支撑子(4 )和第二绝缘支撑子(8 )分别固定在所述第一立板(2 )和所述第二立板(6)上，且所述二次绕组(I)与所述一次绕组(3)同轴设置；所述环形磁芯(7)固定在所述一次绕组(3 )外侧；所述一次绕组(3 )和所述二次绕组(I)通过所述环形磁芯(7 )实现磁耦合；n为大于I的正整数。
3.一种大功率中频隔离变压器，其特征在于，包括n*m个变比为1:1的变压器单元，在一次侧，n*m个绕组分为η组，每组m个并联，然后η组串联；在二次侧，n*m个绕组分为m组，每组η个并联，然后m组串联；构成一个变比为n:m的变压器单元； 所述变压器单元包括一次绕组(3)、二次绕组(I)、第一立板(2)、第二立板(6)、第一绝缘支撑子(4)、第二绝缘支撑子(8)和环形磁芯(7);所述一次绕组(3)与位于所述一次绕组(3)两侧的第一立板(2)和第二立板(6)固定连接；所述二次绕组(I)通过位于二次绕组(I)两端的第一绝缘支撑子(4 )和第二绝缘支撑子(8 )分别固定在所述第一立板(2 )和所述第二立板(6)上，且所述二次绕组(I)与所述一次绕组(3)同轴设置；所述环形磁芯(7)固定在所述一次绕组(3 )外侧；所述一次绕组(3 )和所述二次绕组(I)通过所述环形磁芯(7 )实现磁稱合；n、m均为大于I的正整数，η与m不相等。
4.如权利要求1-3任一项所述的大功率中频隔离变压器，其特征在于，在所述一次绕组(I)和所述环形磁芯(7)之间填充一定厚度的绝缘物质，保证环形磁芯(7)与所述一次绕组(I)同轴。
5.如权利要求1-3任一项所述的大功率中频隔离变压器，其特征在于，所述一次绕组采用金属管，所述二次绕组采用金属管或者高压绝缘电缆。
6.如权利要求5所述的大功率中频隔离变压器，其特征在于，所述二次绕组采用内空的金属管，并在金属管中通冷却水散热。
7.如权利要求1-3任一项所述的大功率中频隔离变压器，其特征在于，所述环形磁芯(7)采用环形铁氧体磁芯，由多个环形铁氧体叠加而成，并套接在所述一次绕组上。
【文档编号】H01F27/26GK103700470SQ201310418116
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】李冬, 陈德智, 汪辰热, 岳海昆, 刘开锋, 黄江, 李小飞 申请人:华中科技大学