大功率浮动高压可重构组合式高频高压整流变压器

摘要

本发明涉及一种大功率浮动高压可重构组合式高频高压整流变压器，包括铁氧体组合磁芯，其上由内而外依次套设初级绕组、次级绕组单元组，初级绕组和次级绕组单元组之间设置绝缘层，铁氧体组合磁芯的外侧通过支撑架单元连接固定。本发明采用模块化、可重构组合式设计思路，根据所需变压器总功率输出大小，增加磁路长度、增加磁芯的窗口面积、增加初、次级导线线径、增加次级整流绕组个数，从而实现可浮动高压、正或负高压输出、多种功率组合式大功率高频高压整流变压器。

说明书

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其是一种大功率浮动高压可重构组合式高 频高压整流变压器。

背景技术

现代电源设备中常用到大功率高压电源，其用途十分广泛，在能源转换、 粒子产生和加速、激光、国防等场合都有非常重要的应用。

现有的大功率高频高压电源，逆变方式有多种分类，对于不同的逆变方式， 对高频变压器的要求也不同。现有的大功率高频高压电源常用的超微晶体磁芯 饱和磁导率高、加工工艺复杂，使用时要加防护外壳，而常用的铁氧体饱和磁 导率低，但其可以使用模具成型成多种形状，加上简单的初次级骨架就可以使 用，相对批量生产的成本低。然而，在大功率高频高压电源变压器中，由于功 率、使用环境、是否浮动、输出最高电压等不同，一般都需要进行特殊设计，

特别是使用超微晶体磁芯，还需要订制防护外壳，为此增加了大功率高频高压 电源的设计周期和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计周期短、成本低、组合方便、实现可浮动 高压、输出正或负高压、输出多组高压的大功率浮动高压可重构组合式高频高 压整流变压器。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种大功率浮动高压可重 构组合式高频高压整流变压器，包括铁氧体组合磁芯，其上由内而外依次套设 初级绕组、次级绕组单元组，初级绕组和次级绕组单元组之间设置绝缘层，铁 氧体组合磁芯的外侧通过支撑架单元连接固定。

所述铁氧体组合磁芯包括两个开口相对布置的U型铁氧体磁芯，二者的磁 柱端部之间横向夹置多个加长铁氧体磁柱，铁氧体组合磁芯的上方磁柱上由内 而外依次套设初级绕组、次级绕组单元组，铁氧体组合磁芯的下方磁柱上包裹 绝缘介质纸膜，两个U型铁氧体磁芯通过支撑架单元连接固定。

所述绝缘层为空气介质、绝缘变压器油、环氧树脂、阻燃导热液体灌封AB 胶中的任意一种。

所述初级绕组由初级骨架和初级线包组成，初级骨架紧套在U型铁氧体磁 芯以及加长铁氧体磁柱上，初级线包缠绕在初级骨架上，初级线包的外侧设置 绝缘层，次级绕组单元组由多个次级绕组单元并排连接组成，次级绕组单元由 次级骨架、次级线包和整流板组成，次级线包缠绕在次级骨架上，多个次级绕 组单元并排连接，共同套设在初级绕组上且和初级绕组之间布置绝缘层，整流 板上开设与次级骨架的端部相配合的圆孔。

所述支撑架单元包括支撑架本体、环氧树脂固定环和支撑柱，环氧树脂固 定环套设在两U型铁氧体磁芯位于上方的磁柱内侧且紧紧抵靠在次级绕组单元 组的两侧上，环氧树脂固定环上设置安装部，安装部内开设螺纹孔，支撑架本 体紧贴U型铁氧体磁芯的磁柱外侧布置，支撑架本体上开设多个安装孔，螺钉 穿过安装孔安装在环氧树脂固定环的螺纹孔内，支撑柱紧贴两U型铁氧体磁芯 位于下方的磁柱以及加长铁氧体磁柱布置，支撑柱的两端通过螺钉与支撑架本 体固连。

所述整流板上焊接整流电路，所述整流电路为桥式整流电路；所述的次级 骨架、整流板、次级线包的个数相同，所述的初级骨架的长度与铁氧体组合磁 芯的单边绕线长度一致。

所述次级绕组单元组的两侧与铁氧体组合磁芯的两端内侧之间留有安全 距离d，所述次级绕组单元组的长度是铁氧体组合磁芯的单边绕线长度与两倍 的安全距离之差，其中安全距离d是变压器最高电压输出端与U型铁氧体磁芯 的电气安全距离，所述次级线包的总匝数N2为输出最高电压U2除以初级电压 U再乘以初级线包的匝数N，即：

$N2=\frac{U2}{U}*N.$

所述初级线包的匝数N的计算公式为

，其中，N为初级线包的匝数，U为变压器初级电压，f为 变压器工作频率，Bm为U型铁氧体磁芯的峰值，Ae为U型铁氧体磁芯的有效横截 面积。

由上述技术方案可知，本发明采用模块化、可重构组合式设计思路，根据 所需变压器总功率输出大小，增加磁路长度、增加磁芯的窗口面积、增加初、 次级导线线径、增加次级整流绕组个数，从而实现可浮动高压、正或负高压输 出、多种功率组合式大功率高频高压整流变压器。

本发明通过增加或减少加长铁氧体磁柱、次级绕组单元的个数，从而更方 便的对变压器进行组合和重构，实现设计周期短，成本低、组合方便的特点； 本发明通过设置不同绝缘层的厚度和采用不同绝缘材料，使变压器实现可浮动 不同高压、输出正或负高压的功能；本发明次级绕组单元组采用多个次级绕组 单元并排连接组合而成，从而使变压器实现多种功率组合、输出多组高压的功 能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的A-A剖视图；

图3为图1中初级绕组、次级绕组单元和铁氧体组合磁芯截面图；

图4为本发明的电气原理图。

具体实施方式

一种大功率浮动高压可重构组合式高频高压整流变压器，包括铁氧体组合 磁芯10，其上由内而外依次同心轴套设初级绕组20、次级绕组单元组，初级绕 组20和次级绕组单元组之间设置绝缘层40，铁氧体组合磁芯10的外侧通过支撑 架单元50连接固定，如图1、2、3所示，所述绝缘层40为空气介质、绝缘变压器 油、环氧树脂、阻燃导热液体灌封AB胶中的任意一种，其绝缘耐压度由输出最 高电压大小或所需浮动高压的大小来决定，使变压器实现了可浮动高压输出的 功能。

如图1、2、3所示，所述铁氧体组合磁芯10包括两个开口相对布置的U 型铁氧体磁芯11，二者的磁柱端部之间横向夹置多个加长铁氧体磁柱12，铁 氧体组合磁芯10的上方上由内而外依次套设初级绕组20、次级绕组单元组， 铁氧体组合磁芯10的下方上包裹绝缘介质纸膜，两个U型铁氧体磁芯11通过 支撑架单元50连接固定。加长铁氧体磁柱12的个数根据所需变压器功率容量 的增大而增加，所述U型铁氧体磁芯11的型号为UY20、UF101、UF120等。可 见，铁氧体组合磁芯10由两个U型铁氧体磁芯11、偶数个加长铁氧体磁柱12 组合而成，利用增加磁路长度的方法增加磁芯的窗口面积，从而可以容下大功 率变压器的初、次级导线，其单边绕线长度由U型铁氧体磁芯11的尺寸、加 长铁氧体磁柱12的单边个数、单个加长铁氧体磁柱12的长度共同决定，其窗 口绕线的有效面积由所需变压器功率容量的大小、磁芯截面积、工作频率、浮 动高压大小等决定。

如图1、2、3所示，所述初级绕组20由初级骨架21和初级线包22组成， 初级骨架21紧套在U型铁氧体磁芯11以及加长铁氧体磁柱12上，初级线包 22缠绕在初级骨架21上，初级线包22的外侧设置绝缘层40，次级绕组单元 组由多个次级绕组单元30并排连接组成，次级绕组单元30由次级骨架31、次 级线包32和整流板33组成，次级线包32缠绕在次级骨架31上，多个次级绕 组单元30并排连接，共同套设在初级绕组20上且和初级绕组20之间布置绝 缘层40，整流板33上开设与次级骨架31的端部相配合的圆孔。

所述支撑架单元50包括支撑架本体51、环氧树脂固定环52和支撑柱53， 环氧树脂固定环52套设在两U型铁氧体磁芯11位于上方的磁柱内侧且紧紧抵 靠在次级绕组单元组的两侧上，环氧树脂固定环52上设置安装部52a，安装部 52a内开设螺纹孔，支撑架本体51紧贴U型铁氧体磁芯11的磁柱外侧布置， 支撑架本体51上开设多个安装孔，螺钉穿过安装孔安装在环氧树脂固定环52 的螺纹孔内，支撑柱53紧贴两U型铁氧体磁芯11位于下方的磁柱以及加长铁 氧体磁柱12布置，支撑柱53的两端通过螺钉与支撑架本体51固连。

如图4所示，所述整流板33上焊接整流电路33a，所述整流电路为桥式整流 电路；所述的次级骨架31、整流板33、次级线包32的个数相同，所述的初级骨 架21的长度与铁氧体组合磁芯10的单边绕线长度一致。所述的次级骨架31采用 环氧桶加工而成；所述的次级线包32用丝包线绕制一定的匝数，其匝数由次级 绕组单元组总匝数和次级绕组单元的总个数来决定，其输出端与整流板32的输 入端相连；所述的整流板32的整流方式为桥式整流，其输出端与下一整流板32 的输入端相连。

所述次级绕组单元组的两侧与铁氧体组合磁芯10的两端内侧之间留有安 全距离d，所述次级绕组单元组的长度是铁氧体组合磁芯10的单边绕线长度与 两倍的安全距离之差，其中安全距离d是变压器最高电压输出端与U型铁氧体 磁芯11的电气安全距离，所述次级线包32的总匝数N2为输出最高电压U2除 以初级电压U再乘以初级线包22的匝数N，即：

$N2=\frac{U2}{U}*N.$

所述初级线包22的匝数N的计算公式为，其中，N为初级线包的匝数，U为变压器初级电压，f为变压器工作频率，Bm为 U型铁氧体磁芯11的峰值，Ae为U型铁氧体磁芯11的有效横截面积。

实施例一

本例为电压10kV、电流3A，即功率容量Po为30kW的高频变压器。变压器工 作频率为50kHz，该变压器初级前的拓扑采用全桥方式，变压器初级电压U为 500V。

如图1、2所示，铁氧体组合磁芯10的U型铁氧体磁芯11采用UF120C/90/30， 其截面积Ae为9.0cm²，单边绕线长度为180mm，其窗口绕线的有效面积为 104.4cm²，两个U型铁氧体磁芯11之间加各加入一个加长铁氧体磁柱12一一对接； 加长铁氧体磁柱12的长度和铁氧体组合磁芯11的单边内侧长度相同为60mm，其 截面积、形状和U型铁氧体磁芯11的截面积、形状一样，其总个数为两个，一边 各一个。

如图1、2所示，初级绕组20的导线均匀绕制在初级骨架21上，初级线包22 的匝数为12匝。初级绕组20采用三根丝包线0.1*700并行均匀绕制12匝在初级骨 架21上，引出头加固，引出长度大于15cm，初级线包22从一头绕向另一头后， 再从初级骨架21一面返回起头处，两组初级导线再引出；初级骨架21的长度与 铁氧体组合磁芯11的单边绕线长度一致为180mm。绝缘层40采用油浸式绝缘，同 时控制次级绕组单元组的两端与U型铁氧体磁芯11的距离，使变压器实现了可浮 动高压的功能。支撑架单元50包含两个环氧树脂固定环51、两个不锈钢的支撑 架本体51、两个支撑柱53，用于固定变压器。

如图3、4所示，次级绕组单元组由十段次级绕组单元30在绝缘层40上并排 连接组合而成，其长度为140mm，总匝数为240匝，次级线包32采用单根丝包线 0.1×100蜂房绕法绕制24匝。次级线包32的匝数为24匝，次级骨架31采用环氧 桶加工而成；十段次级骨架31之间夹整流板32，并且相互紧扣，两头使用环氧 树脂固定环52固定，安装好后，次级骨架31与初级线包22之间存在3mm以上的间 隙，便于变压器油流动散热和绝缘，每段次级绕组单元30的两个出线头加固处 理，成90度引出，便于连接整流板32。

总之，本发明采用模块化、可重构组合式设计思路，根据所需变压器总功 率输出大小，增加磁路长度、增加磁芯的窗口面积、增加初、次级导线线径、 增加次级整流绕组个数，从而实现可浮动高压、正负高压输出、多种功率组合 式大功率高频高压整流变压器。