基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器

1.本发明属于变压器领域，特别涉及一种基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器。


背景技术：

2.传统的工频变压器为50hz工作频率，频率的升高会导致变压器磁芯在工况时的损耗有较大幅度的增大。而且，现有的变压器即使可在500-1000hz的频率下工作，其绕组的通流情况会和在直流及工频下的通流情况存在明显区别，绕组会出现严重的趋肤效应和邻近效应，导致交流电阻增大，绕组损耗骤增。
3.另外，按照以往的设计标准来设计单机容量非常大达到1.5mva的变压器，一方面会导致变压器的体积很大，另一方面也会增大变压器的损耗。
4.因此，现有的国内厂家尚无法生产容量达到单机1.5mva，工作频率在500-1000hz之间，同时鉴于变压器的工作环境，变压器的耐压水平也很高，原、副边绝缘、原边对地绝缘、副边对地绝缘的要求都达到了ac50kv的高隔离等级下的兆瓦级中频变压器，也没有相关的国标和相关制作规范书。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器。
6.本发明提供的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器，包括：磁芯，所述磁芯包括平行并列设置且结构相同的取向硅钢片，其中，每片所述取向硅钢片自身搭接成一个回字形回路；所述回字形回路中心的空窗构成磁芯内窗口，所述回字形回路的外沿构成磁芯外窗口，所述回字形回路的两侧在所述磁芯内窗口和磁芯外窗口之间构成侧柱；所述侧柱上缠绕有绕组。
7.进一步，所述磁芯内窗口面积为：250mm
×
600mm至400mm
×
800mm；所述磁芯外窗口面积为：500mm
×
900mm至700mm
×
1100mm。
8.进一步，所述磁芯内窗口面积为：330mm
×
730mm；所述磁芯外窗口面积为：610mm
×
1010mm。
9.进一步，所述磁芯的截面积为：0.025-0.072m2，长250-360mm，宽100-200mm。
10.进一步，所述磁芯的截面积为：0.042m2，长300mm，宽140mm。
11.进一步，所述侧柱包括：第一侧柱和第二侧柱；所述绕组包括：第一绕组和第二绕组；所述第一侧柱上缠绕有第一绕组，所述第二侧柱上缠绕有第二绕组；所述第一绕组和第二绕组串联。
12.进一步，所述绕组为20-40匝，所述第一绕组和第二绕组均为10-20匝。
13.进一步，所述绕组为32匝，所述第一绕组和第二绕组均为16匝。
14.进一步，所述绕组中，原边绕组总计32匝，等分成2组绕组各16匝，所述2组绕组分别绕制在所述第一侧柱和第二侧柱上，所述绕组的绕制都采用铜排进行串联连接，副边绕制同理。
15.进一步，所述绕组为铜箔绕组。
16.进一步，所述铜箔绕组尺寸为：0.3mm
×
300mm至0.8mm
×
800mm。
17.进一步，所述铜箔绕组尺寸为：0.5mm
×
550mm。
18.进一步，所述铜箔绕组的材料为紫铜。
19.进一步，所述取向硅钢片为b20r75硅钢片，相邻所述取向硅钢片紧邻设置。
20.进一步，单片所述取向硅钢片厚度为0.18-0.30mm，磁芯厚度为240-380mm，单层所述取向硅钢片由四片硅钢片构成回路，共需要所述硅钢片4600-6900片。
21.进一步，单片所述取向硅钢片厚度为0.20mm，磁芯厚度为300mm，共需要所述硅钢片6000片。
22.本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器：能够实现变压器的高效率传输、高功率密度、体积小、重量轻和低噪声等技术指标。
23.本发明的中频心式隔离变压器的容量达到了单机1.5mva，工作频率在500-1000hz之间。同时鉴于变压器的工作环境，变压器的耐压水平也很高，原、副边绝缘、原边对地绝缘、副边对地绝缘的要求都达到了ac50kv。且理论传输功率为99.2%，实际拷机的传输效率为99.02%，均高于99%，实现了效率高达99%的兆瓦级功率传输。
24.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了根据本发明实施例的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器模型图；图2示出了根据本发明实施例的超低损超薄取向硅钢磁芯的正视图；图3示出了根据本发明实施例的超低损超薄取向硅钢磁芯的左视图；图4示出了根据本发明实施例的超低损超薄取向硅钢磁芯的全局图；图5示出了根据本发明实施例的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器的绕组模型图，图6示出了根据本发明实施例的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的取向硅钢片在磁芯的四个对角接缝处的斜角交错接缝的接缝方式示意图一；图7示出了根据本发明实施例的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的取向硅钢片在磁芯的四个对角接缝处的斜角交错接缝的接缝方式示意图二，a、第一侧柱；b、第二侧柱；c、第一绕组；d、第二绕组；e、磁芯外窗口；f、磁芯内窗口；h1、第一对角接缝；h2、第二对角接缝；h3、第三对角接缝；h4、第四对角接缝；g1、单层取向硅钢片中第一硅钢片；g2、单层取向硅钢片中第二硅钢片；g3、单层取向硅钢片中第三硅钢片；g4、单层取向硅钢片中第四硅钢片；x、取向硅钢片的宽度方向；y、取向硅钢片的高度方向；z、取向硅钢片的厚度方向。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器从两个方面进行了变压器的设计：磁芯（即铁芯）设计、绕组设计。本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器能够实现高效率传输、高功率密度（体积小重量轻）和低噪声等技术指标。
29.一、磁芯设计。
30.关于磁芯材料，考虑到变压器工作的频率在500-1000hz之间，综合各个磁芯材料的情况，选择了超低损耗超薄b20r75硅钢片（即取向硅钢片）作为本发明的中频心式隔离变压器的磁芯材料。b20r75硅钢片的饱和磁密为1.8t,居里温度为600摄氏度，厚度0.2mm，叠层系数为0.94。在500-1000hz这个频率段下所述磁芯材料的磁芯损耗明显低于其他硅钢片，发热明显低于其他磁芯。
31.图1示出了本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器模型图。图2，图3和图4分别示出了本发明所采用的超低损超薄取向硅钢磁芯的正视图，左视图
和全局图。
32.参见图1，可知，本发明的中频心式隔离变压器采用的是心式结构，由相同结构的取向硅钢片平行并列拼构而成，每片取向硅钢片自身搭接成一个回字形回路，回字形回路中心的空窗构成磁芯内窗口f，回字形回路的外沿构成磁芯外窗口e，回字形回路两侧在磁芯内窗口f和磁芯外窗口e之间构成两个侧柱：第一侧柱a和第二侧柱b。第一侧柱a上缠绕有第一绕组c，第二侧柱b上缠绕有第二绕组d。其中，单片取向硅钢片厚度0.18-0.30mm，优选为0.20mm，磁芯厚度240-380mm，优选为300mm。参见图6，单层取向硅钢片需要四片硅钢片（g1、g2、g3和g4）构成回路，为此需要硅钢片片数为4600-6900片，优选为6000片左右，相邻取向硅钢片紧邻设置。
33.图6和图7为本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的单层取向硅钢片在磁芯的四个对角接缝处的斜角交错接缝的接缝方式示意图。考虑到叠片式硅钢片变压器工作时，由于取向硅钢片的导磁特性导致接缝处的磁密分布极度不均匀，磁性能会变坏，磁芯损耗会增大。因此，所述取向硅钢片在磁芯的四个对角（即斜角）接缝（包括第一对角接缝h1，第二对角接缝h2，第三对角接缝h3和第四对角接缝h4）处，采用了“斜角交错接缝”的接缝方式，该接缝方式指的是铁芯与铁轭连接时，四个斜角处的取向硅钢片采用交错排布的方式使得四个对角接缝处，平行于取向硅钢片的宽度方向x和高度方向y的同一平面内，相邻拼接的两片取向硅钢片之间的空气间隙沿取向硅钢片的厚度方向z为交错排布，所述空气间隙为0.05-0.16mm（优选为0.1mm），且在所述厚度方向z上，相邻的两片取向硅钢片用于形成所述空气间隙的侧边之间的距离为0.20-0.36mm（优选为0.25mm）。这样一方面可以减小磁芯损耗，改善磁密分布，另一方面这种接缝方式相对其他接缝方式在制作工艺上更为简便。在取向硅钢片接缝的制作工艺方面，需要避免出现各片硅钢片之间的片间间隙，要尽量保证各片硅钢片的平齐。这样的操作可以进一步减小变压器的磁芯损耗。
34.磁芯结构如图2、图3和图4所示。磁芯尺寸既与变压器的绝缘距离相关（磁芯与原边绕组距离、原边与副边绕组距离、两侧副边之间的绝缘距离），又与绕组的长度的有关，综合考虑后本发明的中频心式隔离变压器的磁芯尺寸设计为：磁芯内窗口面积：330mm
×
730mm；磁芯外窗口面积：610mm
×
1010mm。
35.由于在一定的工作电压下，变压器的磁芯面积会与变压器绕组的匝数成反比，考虑到本发明的中频心式隔离变压器的工作频率较高，绕组间会存在严重的涡流效应，因此，本发明的中频心式隔离变压器中绕组匝数不易过大，为此设计本发明的中频心式隔离变压器的磁芯实际截面积（磁芯横截面的面积）为：0.025-0.072m2（优选0.042m2），长250-360mm（优选为300mm），宽100-200mm（优选为140mm），磁芯截面如图7所示。
36.在上述磁芯结构和标准工况下，本发明的中频心式隔离变压器的磁芯损耗为7600w左右，占变压器总容量的0.507%。
37.二、绕组设计。
38.本发明的中频心式隔离变压器的绕组材料为常见的紫铜。而绕组结构为铜箔绕组，主要原因为通过仿真和实测对比发现铜管绕组在中频段的涡流效应非常严重，绕组损耗巨大，同时利兹线绕组在如此大容量大电流的情况下，难以满足散热要求，为此铜箔绕组结构便脱颖而出。在所述中频段下，铜箔绕组的涡流效应相对轻微，同时铜箔绕组的导热性
良好、电阻率低，非常适合作为这种大容量大电流的变压器绕组。并且铜箔绕组相比于铜管绕组，其空间利用率很高，对于缩小本款大容量变压器的体积有着重要意义。
39.绕组的设计一般会根据磁芯材料的磁化曲线，选取合适工况下的磁场磁通密度，从而得到一个绕组的值，然后再结合前面设计的磁芯截面积，最后计算得到绕组匝数。同时，考虑到在中频段的涡流效应，绕组匝数不宜选取过大。本发明的中频心式隔离变压器根据工作频率为500hz时，磁芯截面积选为0.042m2，磁场磁通密度选为0.1t，可计算得到匝数为32匝。因此选取绕组匝数为32匝。
40.不同的绕组布置不仅会影响绕组的损耗，还会影响变压器的漏感等。根据dewell模型可知，对于单独的绕组，当绕组的匝数越多时，绕组间的涡流效应更加严重。为此，本发明的中频心式隔离变压器采用了绕组分离的措施。图5为本发明的基于超低损超薄取向硅钢磁芯的中频心式隔离变压器的绕组模型图。参见图5，可知本发明的中频心式隔离变压器的原副边绕组均采用了左右两组绕组串联的形式，每组绕组均为16匝，具体而言，原边绕组总计32匝，等分成2组绕组各16匝，这2组绕组分别绕制在铁芯的两个铁芯柱（即侧柱）上，然后两个铁芯柱上绕组的绕制都采用铜排进行串联连接，副边绕制同理。
41.在正常工况时，本发明的中频心式隔离变压器的绕组电流为500a；通过仿真对比，综合损耗、电密以及温升等因素，选定铜箔绕组尺寸（即铜箔绕组的横截面）为：0.5mm
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550mm。在275mm2的绕组截面积下，工况时绕组电密为2.18a/mm2,为较低的电密，低于铜箔的最高磁密同时也不会存在严重的温升。
42.在上述绕组结构和标准工况下，本发明的中频心式隔离变压器的绕组损耗为4400w左右，占变压器总容量的0.293%。
43.本发明的中频心式隔离变压器从两个方面进行了变压器的设计：磁芯设计、绕组设计，能够实现变压器的高效率传输、高功率密度（体积小重量轻）和低噪声等技术指标。
44.本发明的中频心式隔离变压器的理论传输功率为99.2%，实际拷机的传输效率为99.02%，均高于99%，实现了效率高达99%的兆瓦级功率传输。
45.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。