一种可实现绕组非正交解耦的变压器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可实现绕组非正交解耦的变压器，包括变压器绕组和非正交解耦绕组，所述变压器绕组和非正交解耦绕组绕制在同一铁芯上，所述非正交解耦绕组包括偶数段匝数相等、绕向相反的串联线圈。本发明将非正交解耦理论应用于工程上变压器等电气装备的特定绕组间的解耦，即通过特殊设计的绕组排布方式，使某对或某些对绕组间只有磁耦合而无功率耦合。因其能以非正交的排列形式实现解耦，与正交解耦相比，能有效地减小装备体积、提高制造材料利用率。
【专利说明】—种可实现绕组非正交解耦的变压器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁场领域，特别是一种可实现绕组非正交解耦的变压器。
【背景技术】
[0002]根据电磁场理论，磁场由电流产生，即若导体中通以电流，则该载流导体的周围将产生相应的磁场。而在实际中，载流导体往往绕制成线圈(绕组)的形式，这些线圈之间由各自的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。对于其中的某两个载流线圈，功率若能从一个线圈传输到另外一个，则称它们之间存在功率耦合，并称这类线圈为耦合线圈。
[0003]耦合电感是从实际耦合线圈中抽象出来的一种电路模型，它反映了电流在耦合线圈中产生的磁通及磁场能量相互耦合、相互关联的现象。工程上通常用耦合因数A来表示
两个线圈磁耦合的紧密程度，即有改变耦合线圈的形状、几何位置等可以相
应地改变耦合电感的耦合因数。实际上，当自感Z1和Z2 —定时，若上述因素发生变化时，互感#的大小会相应地改变j往往也随之改变。若两个线圈呈相互垂直的排布方式，则耦合因数々=O即为无耦合，也就是空间上若两线圈是呈正交排列的，则其中一个载流线圈产生的磁力线不会与另一个的磁力线产生交链，这是一种绕组解耦方式，称为电磁正交解耦。
[0004]变压器是电工技术中常用的电气设备，是耦合电感绕组在工程实际应用中的典型例子，它是由两个或多个具有互感的绕组绕制在铁芯上而构成的。变压器通过变化的电磁场进行电磁能的转换和传输，将电磁能从原边绕组传输到闭合的副边绕组，或者说它通过电磁感应将耦合功率从供电端输送至闭合的受电端。在多绕组变压器中，要实现某绕组与另一绕组的电磁解耦，需要将它们进行垂直放置，这样就需要特殊的铁芯设计，以使得这两个绕组呈正交排列，或者通过加长铁芯磁路以增加磁阻的方式来减小耦合因数，然而这两种方法均会增大变压器本身的体积、重量和成本，不利于工程上的应用和推广。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种可实现绕组非正交解耦的变压器，使得某两个绕组或多个绕组之间仅有磁交链而无功率交换。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种可实现绕组非正交解耦的变压器，包括变压器绕组和非正交解耦绕组，其特征在于，所述变压器绕组和非正交解耦绕组绕制在同一铁芯上，所述非正交解耦绕组包括偶数段匝数相等、绕向相反的串联线圈。
[0007]所述非正交解耦绕组的相邻两段线圈之间的垂直距离为2(T30mm ;所述非正交解耦绕组的线圈与铁芯之间的绝缘距离为KTlOOmm;非正交解耦绕组的每段线圈的缠绕平均半径为15?90mm ;每段线圈在所述铁芯上的轴向长度为5(Tl50mm ;每段线圈绕制后的辐向长度为15?50mm。
[0008]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明将非正交解耦理论应用于工程上变压器等电气装备的特定绕组间的解耦，即通过特殊设计的绕组排布方式，使某对或某些对绕组间只有磁耦合而无功率耦合。因其能以非正交的排列形式实现解耦，因而与正交解耦相比，能有效地减小装备体积、提高制造材料利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为应用于变压器中的绕组非正交解耦原理图；
图2 (a)为应用于变压器中的非正交解耦绕组排布示意图一；图2 (b)为图2 (a)的工程实现方式图；图2 (C)为应用于变压器中的非正交解耦绕组排布示意图二 ；
其中，3~8均为绕组；
图3为应用于变压器中非正交解耦绕组的两段绕组结构参数示意图。
【具体实施方式】
[0010]如图1，假设绕组I为变压器绕组，绕组2为解耦绕组，通电时，绕组I在空间产生磁场，则已分成偶数段的绕组2中的每一段都有感应电势，这表明绕组I和2之间存在磁场耦合；然而从整体上看，绕组2中的感应电势是各段线圈感应电势之和，由于两两线圈匝数相等、绕向相反，因而总感应电势为零。这样，当绕组2外接负荷形成闭环时，并不会产生感应电流，也就不会存在功率耦合。反之绕组2由于是内部的两两线圈匝数相等、绕向相反，因此在绕组I中产生偶数个大小相等、方向相反的感应电势,从而绕组2对绕组I的感应电势亦为零。从上述分析可知，绕组I和绕组2借助电磁感应巧妙地实现了功率解耦，且它们并不需要呈正交排列，故称非 正交解耦。
[0011]为方便进一步叙述，先对电动势的下标进行说明，如」^表示绕组i对绕组J产生的感应电动势。
[0012]如图1和图2 Ca)所示，对绕组I和绕组I进行非正交解耦分析，绕组I两端施加电压-- ,则其在绕组I上产生电动势爲，在绕组3和4上分别产生感应电动势爲!和<
。由于绕组3和4是反向串联且匝数相等的，则鳥1和鳥1是等值反向的，故电动势矣在绕
组I感生的总电动势私为零，即便绕组I两端形成回路，也不会产生感应电流；反之，绕
组I两端施加电压.1?,绕组3和4产生的电动势分别为毛和毛，它们在绕组I产生的电
动势分别为爲1和，显然这两者也是等值反向的，故总电动势鳥为零，在绕组I形成的
回路中亦无感应电流产生，从而绕组I和I之间不会存在功率耦合现象。同理，绕组I可以实现与绕组2之间的功率解耦。
[0013]值得说明的是，绕组I为原边绕组，绕组2为副边绕组，由于绕组I已实现了功率解耦，因而原边传输的功率能够正常地传输至副边的负载，不会造成功率损失；另外，由于绕组I的独立性，由与上述类似的分析可知，从整体上看，它们之间、它们各自与变压器绕组之间都能实现解耦，并且分别形成了独立的非正交解耦绕组。
[0014]解耦绕组的偶数段绕组在竖直方向上呈上下排布，一种简单的变压器非正交解耦绕组排布设计如图2(a)所示。图示中变压器的某一相的解耦绕组I由匝数相等、绕向相反的两串联部分组成，并满足对称性等要求，则根据非正交解耦理论分析，绕组I和1、2之间可以实现功率解耦，一方面形成了非正交绕组，另一方面却不影响原边绕组I对副边绕组2的功率传输。在工程实际中，为了保证非正交解耦的效果及非正交解耦绕组的独立性，还需考虑漏磁场的影响，特别是非正交解耦绕组之间的漏磁场有重叠的问题。若设置两个解耦绕组，其工程实现方式可如图2(b)所示。对于非正交解耦绕组I和II，由于两者之间的距离相隔较远，一般垂直距离大于200mm，因而它们的漏磁场无交链，故能够保证良好的独立性。对于非正交解耦绕组III，为了保证工程实际中的解耦效果，采用如图2(c)所示的排布方式，与I和II之间均保持一定的绝缘距离，具体地，轴向距离应大于0，辐向距离为10?35mm。
[0015]如图3所示，对于单个非正交解耦绕组的结构，相邻两段线圈之间的垂直距离a为2(T30mm;线圈与铁芯之间的绝缘距离为l(Tl00mm ;每段线圈的缠绕平均半径e为15?90mm ;每段线圈在铁芯上的轴向长度b为5(Tl50mm ;每段线圈绕制后的福向长度c为15?50mmo
【权利要求】
1.一种可实现绕组非正交解耦的变压器，包括变压器绕组和非正交解耦绕组，其特征在于，所述变压器绕组和非正交解耦绕组绕制在同一铁芯上，所述非正交解耦绕组包括偶数段匝数相等、绕向相反的串联的线圈。
2.根据权利要求1所述的可实现绕组非正交解耦的变压器，其特征在于，所述非正交解耦绕组的相邻两段线圈之间的垂直距离为2(T30mm。
3.根据权利要求1或2所述的可实现绕组非正交解耦的变压器，其特征在于，所述非正交解耦绕组的线圈与铁芯之间的绝缘距离为10-1OOmm。
4.根据权利要求3所述的可实现绕组非正交解耦的变压器，其特征在于，非正交解耦绕组的每段线圈的缠绕平均半径为15~90mm。
5.根据权利要求4所述的可实现绕组非正交解耦的变压器，其特征在于，非正交解耦绕组的每段线 圈在所述铁芯上的轴向长度为5(Tl50mm。
6.根据权利要求5所述的可实现绕组非正交解耦的变压器，其特征在于，非正交解耦绕组的每段线圈绕制后的福向长度为15~50_。
【文档编号】H01F27/28GK104021922SQ201410236610
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】梁崇淦, 李勇, 罗隆福, 廖闻迪, 许加柱, 祁琦, 朱军 申请人:湖南大学, 中国船舶重工集团公司第七一二研究所