一种线包绕线骨架及板式臭氧发生器专用高频谐振变压器的制作方法

1.本发明涉及变压器技术领域，具体来说，涉及一种线包绕线骨架及板式臭氧发生器专用高频谐振变压器。


背景技术：

2.臭氧发生器原理为通过高压放电技术，电离氧气使之产生电化学反应，从而产生臭氧。目前最高效的臭氧发生器均采用介质阻挡放电技术，相比uv法、电解法更有能效优势。介质阻挡放电技术的臭氧发生器主要包括管式臭氧发生器和板式臭氧发生器，管式臭氧发生器采用玻璃作为阻挡介质，工作频率较低，臭氧输出浓度低，臭氧单位产量功耗高。板式臭氧发生器采用的阻挡介质采用高纯氧化铝陶瓷，可运行于更高频率，臭氧输出浓度高，臭氧单位产量功耗低，为最新一代的高效臭氧发生器技术。
3.板式臭氧发生器采用高频交流放电技术，放电电压通常在5600vpp（交流电压峰峰值）~12000vpp。放电电压幅值的高低与臭氧发生器放电室的结构及材料有关，其中阻挡介质电气参数及厚度是关键因素。有研究表明臭氧发生器的工作频率越高，其臭氧输出浓度越高，综合能耗越低，效率越高。为了满足臭氧发生器的放电要求，需要其工作于谐振状态，由于臭氧发生器本身为容性负载，因此臭氧发生器系统中需要大功率的高压谐振电感器。为了使臭氧发生器运行于高频状态，臭氧发生器电源一般采用ac-dc-ac的拓扑结构，即整流逆变的方式。通过全控性逆变桥，调节电源输出功率信号的频率，使放电室工作于谐振状态，提高系统的工作效率。臭氧发生器工作于高压状态，为保证系统的可靠运行，需要在电源逆变器的输出和臭氧发生器之间设计专用变压器，一方面将逆变器工作的低电压与臭氧发生器工作的高电压隔离开来，另一面利用变压器的等效电感，在逆变器输出引入感性元件，减小逆变器开关管的开关应力实现软开关，以便逆变器能工作于更高频率状态。
4.板式臭氧发生器电源系统的变压器及谐振电感目前有两种方案，一是将变压器与电感器分开设计，一种为变压器和电抗器一体化设计。将变压器与电感器分开设计的方案中，变压器负责电压隔离和幅值提升，电感器负责谐振产生高压。其缺点为，变压器与电感器都工作于高压状态，由于串联关系，承受同样的电流，即变压器和电感器处于同样的功率等级与绝缘水平，大大增加了系统的材料成本及安装体积，也增加了系统的故障点。变压器和电抗器一体化设计方案利用变压器的漏感作为谐振电感，从而减少外置串联电感器，变压器励磁电感负责电压隔离和幅值提升，变压器的副变漏感与放电室谐振，产生高压。该方案优点突出，既节省了材料，减少了设备的体积，又由于串联电感的隐去，较少了系统的故障点。但是臭氧发生器变压器的寄生参数复杂，漏感、寄生电容控制难度大，由集成产生导致的多阶谐振、电磁涡流等，导致的变压器发热，绝缘击穿等问题突出。有研究表明目前采用一体化变压器的高故障率，一直为臭氧发生器系统最为主要的问题之一。


技术实现要素：

5.针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种线包绕线骨架及板式臭氧发生
器专用高频谐振变压器，能够克服现有技术的上述不足。
6.为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种线包绕线骨架，其特征在于，包括骨架本体，所述骨架本体的上端和下端均设有线包对磁芯的绝缘隔层，所述骨架本体的中部设有多个线包层间绝缘隔层，所述骨架本体的下端设有线包进线导槽，所述骨架本体的上端设有线包出线导槽，所述骨架本体的中部设有多个线包绕线导槽。
7.进一步的，所述线包对磁芯的绝缘隔层的厚度为5mm。
8.进一步的，所述线包层间绝缘隔层的厚度为2.5mm。
9.进一步的，多个所述线包层间绝缘隔层上均设有层间引线导槽。
10.进一步的，所述线包层间绝缘隔层的数量为7个，所述线包绕线导槽的数量为6个。
11.一种应用以上所述的线包绕线骨架的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器，其特征在于，包括磁芯，所述磁芯为u型铁氧体,所述磁芯的左端套设有初级线包绕线骨架，所述初级线包绕线骨架套设有初级线包，所述磁芯的右端套设有次级线包绕线骨架，所述次级线包绕线骨架套设有次级线包，所述初级线包绕线骨架和所述次级线包绕线骨架的结构均与所述线包绕线骨架一致，所述磁芯的顶面通过紧固螺栓与顶部压板固定，所述磁芯的底面通过安装固定螺栓与底部压板固定，所述顶部压板左端和右端的正面通过多个接驳立柱固定螺丝分别与输入端接驳立柱和输出端接驳立柱上端的背面连接，所述底部压板左端和右端的正面通过多个接驳立柱固定螺丝分别与所述输入端接驳立柱和所述输出端接驳立柱下端的背面连接，所述输入端接驳立柱的上端和下端均设有输入端接驳螺栓，所述输出端接驳立柱的上端和下端均设有输出端接驳螺栓。
12.进一步的，所述顶部压板的底面设有磁芯减震卡槽，所述磁芯减震卡槽内设有磁芯缓冲保护硅胶垫。
13.进一步的，所述初级线包的导线采用0.2*250规格利兹线，所述初级线包的导线截面积为7.85平方毫米，所述次级线包的导线采用0.2*100规格利兹线，所述次级线包的导线截面积为3.1平方毫米。
14.进一步的，所述初级线包和所述次级线包的导线表面均设有聚四氟乙烯涂层。
15.进一步的，所述安装固定螺栓的长度比所述底部压板的厚度大30mm。
16.本发明的有益效果：（1）独特的u型磁芯结构设计，针对臭氧专用高频谐振变压器u型磁芯漏感值难于调节，e型磁芯发热量大的问题，本发明采用u型磁芯、线包分层的特殊骨架设计，解决了变压器由于输出功率的不同，频率工作点差异导致的漏感扰动问题，避免了谐振点的漂移，增强了电源系统控制的鲁棒性，克服了臭氧发生器的输出不稳定，提高了臭氧发生器系统的稳定性，降低单位臭氧功耗，提高臭氧输出浓度；（2）独特变压器线包绕线骨架设计，本发明的变压器线包绕线方式采用分层绕制，并设计了独特绕线骨架结构，变压器原边电流大，发热严重，采用分层骨架，增加了线包的有效散热面积，降低线包温升，变压器副变的输出电压高，峰峰值可到12000v，采用分层骨架，方便变压器的漏感感值的控制，变压器漏感具有更大的设计范围，相同绕法的漏感设计一致性更好，参数分散性小，漏感感值的零飘、温漂更小，臭氧放电室的工作可靠性更好，稳定性更好，臭氧输出浓度高，能耗更低，同时有效降低了层间电压差，降低了层间绝缘击穿风险，采用本发明的变压器的骨架，能将变压器原边、副边的层间寄生电容将至最低，降低
变压器的高次谐振涡流，从而降低变压器的发热和抗冲击响应能力，分层骨架可通过不同层的绕制圈数精确调节变压器的漏感值，更容易匹配臭氧放电室，达到高效工作的目的；（3）独特变压器散热设计，本发明的变压器，高频性能好，功耗降低，能够实现节约能源21%，变压器发热更小，运行更稳定，臭氧专用高频谐振变压器的发热为诱发变压故障的首要原因，特别是对于铁氧体材料，发热将更加危险，由于铁氧体材料的居里点较低，如果发热导致铁氧体温度接近或者超过居里点，铁氧体材料将瞬间失去磁性，使得变压器线圈的电感量降低至0，从而导致瞬间短路，烧毁驱动器件，引发严重故障，本发明的变压器采用低发热量的u型磁芯，通过特殊结构骨架，解决漏感调节问题，同时增加变压器线包的散热面积，分层的骨架形成导流风道，更利于变压器发热的导出，变压器骨架的分层设计将变压器线包的寄生电容（匝间电容、层间电容、初次级耦合电容）降至最低，降低了变压器的磁滞损耗和涡流损耗，减少变压器发热，变压器线包采用利兹线，提高导线的载流能力，降低了变压器铜损，减少发热，利兹线的聚四氟乙烯涂层，不仅提高了线包的层间绝缘和匝间绝缘，同时相比环氧浇注线包、绝缘纸现有技术，有更好的散热特性，降低变压器的温升；（4）更高的变压器参数一致性和更简单变压器生产工艺，相比现有臭氧专用高频谐振变压器技术，本发明的变压器结构设计采用组件组装模式，各组件采用开模工艺，一致性好，误差小，线包绕制工艺简单，电气连接方便，可分工艺段加工，并行加工，缩短变压器的生产周期，各工艺段具可标准化生产，流水线加工，降低人为因素导致的参数差异，保证了变压器的一致性，变压器生产中不需要特殊工艺，如环氧浇注，线包垫层，变压器初次级耦合，工艺简单，降低变压器生产的技术门槛，更容易实现规模化生产，且容易保证变压器参数的一致性。
附图说明
17.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，下面描述中的附图仅仅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。
18.图1是根据本发明实施例所述的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器的结构示意图；图2是根据本发明实施例所述的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器的组装结构示意图一；图3是根据本发明实施例所述的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器的组装结构示意图二；图4是根据本发明实施例所述的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器的组装结构示意图三；图5是根据本发明实施例所述的线包绕线骨架的结构示意图一；图6是根据本发明实施例所述的线包绕线骨架的结构示意图二；图中：1、初级线包，2、次级线包，3、紧固螺栓，4、输入端接驳螺栓，5、输出端接驳螺栓，6、安装固定螺栓，7、输入端接驳立柱，8、输出端接驳立柱，9、底部压板，10、顶部压板，11、接驳立柱固定螺丝，12、磁芯减震卡槽，13、磁芯缓冲保护硅胶垫，14、线包对磁芯的绝缘
隔层，15、线包层间绝缘隔层，16、线包进线导槽，17、线包出线导槽，18、线包绕线导槽，19、层间引线导槽，20、初级线包绕线骨架，21、次级线包绕线骨架，22、磁芯。
具体实施方式
19.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图5-6所示，根据本发明实施例所述的线包绕线骨架，其特征在于，包括骨架本体，所述骨架本体的上端和下端均设有线包对磁芯的绝缘隔层14，所述骨架本体的中部设有多个线包层间绝缘隔层15，所述骨架本体的下端设有线包进线导槽16，所述骨架本体的上端设有线包出线导槽17，所述骨架本体的中部设有多个线包绕线导槽18。
21.以上所述线包对磁芯的绝缘隔层14的厚度为5mm。
22.以上所述线包层间绝缘隔层15的厚度为2.5mm。
23.以上多个所述线包层间绝缘隔层15上均设有层间引线导槽19。
24.以上所述线包层间绝缘隔层15的数量为7个，所述线包绕线导槽18的数量为6个。
25.如图1-4所示，根据本发明实施例所述的线包绕线骨架的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器，其特征在于，包括磁芯22，所述磁芯22为u型铁氧体,所述磁芯22的左端套设有初级线包绕线骨架20，所述初级线包绕线骨架20套设有初级线包1，所述磁芯22的右端套设有次级线包绕线骨架21，所述次级线包绕线骨架21套设有次级线包2，所述初级线包绕线骨架20和所述次级线包绕线骨架21的结构均与所述线包绕线骨架一致，所述磁芯22的顶面通过紧固螺栓3与顶部压板10固定，所述磁芯22的底面通过安装固定螺栓6与底部压板9固定，所述顶部压板10左端和右端的正面通过多个接驳立柱固定螺丝11分别与输入端接驳立柱7和输出端接驳立柱8上端的背面连接，所述底部压板9左端和右端的正面通过多个接驳立柱固定螺丝11分别与所述输入端接驳立柱7和所述输出端接驳立柱8下端的背面连接，所述输入端接驳立柱7的上端和下端均设有输入端接驳螺栓4，所述输出端接驳立柱8的上端和下端均设有输出端接驳螺栓5。
26.以上所述顶部压板10的底面设有磁芯减震卡槽12，所述磁芯减震卡槽12内设有磁芯缓冲保护硅胶垫13。
27.以上所述初级线包1的导线采用0.2*250规格利兹线，所述初级线包1的导线截面积为7.85平方毫米，所述次级线包2的导线采用0.2*100规格利兹线，所述次级线包2的导线截面积为3.1平方毫米。
28.以上所述初级线包1和所述次级线包2的导线表面均设有聚四氟乙烯涂层。
29.以上所述安装固定螺栓6的长度比所述底部压板（9）的厚度大30mm。
30.本发明的变压器工作频率可以达到75khz，高于目前一体化变压器10khz的工作频率，本发明的变压器发热量小，绝缘强度高，漏感值的设计简单方便，能够方便匹配不同的臭氧放电室，板式臭氧发生器放电室工作状态的不同，其等效模型参数有非常大的变化，主要表现在，进气的氧气压力、浓度、温度；放电室放电通道的温度、臭氧含量、工作压力；放电室所处的放电状态、工作频率，以上工况的不同，会导致放电室电气模型参数的明显差异，为匹配放电室的最佳工作状态，高效的板式臭氧发生器专用变压器的工作特性，边界参数
的需求更为苛刻，根据放电室的极大工作状态，确定变压器的设计边界。
31.根据臭氧发生器放电室工作频率最大范围、磁芯损耗、功率等级，确定变压器的磁芯材料采用铁氧体pc40，磁芯结构采用u型结构，本发明的变压器的u型铁氧体磁芯22漏磁小，磁致发热小，可有效降低变压器温升，降低散热要求，提高臭氧发生器的整机效率，变压器的初级线包1、次级线包2分别位于磁芯22的左右两侧，线包采用特殊设计的骨架绕制，骨架特点在于，采用高绝缘强度、高导热特性的环氧树脂进行磨具浇注成型，骨架采用多层结构，增加线包的层间绝缘强度，提高导线的dv/dt抗冲击能力，层间预留层间引线导槽19，保证线包层间过渡时，线包最大直径的一致性，避免线包最外层在层间切换位置的鼓包现象，导致的该局部位置与磁芯的绝缘距离，骨架顶端与底端设计厚度保证线包与磁芯22的绝缘强度大于5倍的实际工作要求值。
32.变压器工作于高频状态，绕组线包导线的趋肤效应明显，结合变压器功率、频率、发热、寄生参数因素，确定变压器初级线包1的导线采用0.2*250规格利兹线，导线截面积7.85平方毫米，变压器次级线包3的导线采用0.2*100规格利兹线，导线截面积3.1平方毫米；为保证臭氧发生器变压器工作环境耐腐蚀要求，线包的导线外层设有聚四氟乙烯涂层，抗臭氧腐蚀。
33.骨架采用八层导槽，提高线包层间绝缘能力，降低分散电容，通过调整骨架各层的绕线匝数，调整变压的变比，初、次级的激磁电感值及漏磁电感值，变压器磁芯22采用u型铁氧体，分为上下结构，上下磁芯结构位于线包绕线骨架垂直中心位置，通过增减垫片方便调整变压器磁路气隙大小，进而调整变压器漏感，激磁电感参数。
34.初级线包1、次级线包3绕制均采用底部进线，顶部出线，根据设计的绕制匝数在各层间均匀分配，根据设计的气隙长度，确定磁芯间垫片厚度，当需要调整变压器漏感时，可通过将骨架中部层的绕线匝数增减，向骨架两端层匝数（顶端、低端）调整，对变压器器漏感进行微调，配合变压器气隙调整，方便控制变压器的输出漏感，使之与不同的臭氧发生器匹配，工作于最优状态，采用聚四氟乙烯涂层利兹线，利兹线的单股线径为0.2平方，最大工作频率可到200khz，有效降低趋肤效应，增加导线的载流能力，聚四氟乙烯涂层增加匝间绝缘，抗dv/dt、di/dt冲击能力，同时就有抗臭氧腐蚀能力，保证变压器可以工作于臭氧泄露的危险环境，避免异常情况的变压器击穿、着火风险。
35.底部压板9，顶部压板10，输入端接驳立柱7，输出端接驳立柱8的材质均为环氧树脂材料，保证机械强度和电气绝缘强度，紧固螺栓3、输入端接驳螺栓4、输出端接驳螺栓5、安装固定螺栓6、接驳立柱固定螺丝11均为黄铜材质，避免普通钢制材料磁致使发热，紧固螺栓3穿孔带内螺纹，顶部压板10紧固不需要螺母，紧固螺栓3底部低于顶部压板，底部压板9采用安装固定螺栓6紧固，安装固定螺栓6长出底部压板30mm，螺母紧固后安装固定螺栓6底部预留20mm，作为变压器安装的固定点。
36.为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
37.在具体使用时，将本发明所述的板式臭氧发生器专用高频谐振变压器安装于变压器固定支架上，紧固安装固定螺栓6，保证变压器安装固定可靠，将臭氧放电室专用电源的输出正极接至输入端接驳螺栓4的正极，电源负极接至输入端接驳螺栓4的负极，将输出端接驳螺栓5的正极接至臭氧放电室正极，输出端接驳螺栓5的负极接至放电室的负极，连接
好放电室的气路与水路，调整臭氧发生器控制系统，保证除电源以外的部分工作正常，通过控制系统，将臭氧发生器电源上电，打开氧气通道，进行吹扫15分钟，彻底排除放电室内水分、异物，打开制冷机，使冷媒进入放电室，充分排空通道内空气，调节放电室电源的频率及功率输出，逐步达到额定工作电压，通过安装于臭氧反应器的臭氧浓度检测仪，观测臭氧浓度根际气体流量计算臭氧产量及单位功耗。
38.使用本发明的变压器，经测定，300g/h臭氧发生器放电室的最高臭氧输出浓度为20.4%wt，在10%wt浓度的输出产量为365g/h，单位功耗为5.65w/g，使用本发明的变压器较采用现有技术的变压器，臭氧发生器最高输出浓度提高约52%，10%wt浓度下的输出产量提高18.4%~21.7%；在10%wt浓度下额定产量的单位功耗降低42%，当变压器工作于30%、65%、110%负载的温升分别为9℃、18℃、25℃，均优于现有技术变压器的24℃、47℃、75℃，经测定本发明的变压器相比于现有技术的变压器能够实现节能21.4%，表明本发明的变压器稳定性好，功耗低，具有良好的使用价值和经济价值。
39.本发明的变压器的有益效果：（1）独特的u型磁芯结构设计，针对臭氧专用高频谐振变压器u型磁芯漏感值难于调节，e型磁芯发热量大的问题，本发明采用u型磁芯、线包分层的特殊骨架设计，解决了变压器由于输出功率的不同，频率工作点差异导致的漏感扰动问题，避免了谐振点的漂移，增强了电源系统控制的鲁棒性，克服了臭氧发生器的输出不稳定，提高了臭氧发生器系统的稳定性，降低单位臭氧功耗，提高臭氧输出浓度；（2）独特变压器线包绕线骨架设计，本发明的变压器线包绕线方式采用分层绕制，并设计了独特绕线骨架结构，变压器原边电流大，发热严重，采用分层骨架，增加了线包的有效散热面积，降低线包温升，变压器副变的输出电压高，峰峰值可到12000v，采用分层骨架，方便变压器的漏感感值的控制，变压器漏感具有更大的设计范围，相同绕法的漏感设计一致性更好，参数分散性小，漏感感值的零飘、温漂更小，臭氧放电室的工作可靠性更好，稳定性更好，臭氧输出浓度高，能耗更低，同时有效降低了层间电压差，降低了层间绝缘击穿风险，采用本发明的变压器的骨架，能将变压器原边、副边的层间寄生电容将至最低，降低变压器的高次谐振涡流，从而降低变压器的发热和抗冲击响应能力，分层骨架可通过不同层的绕制圈数精确调节变压器的漏感值，更容易匹配臭氧放电室，达到高效工作的目的；（3）独特变压器散热设计，本发明的变压器，高频性能好，功耗降低，能够实现节约能源21%，变压器发热更小，运行更稳定，臭氧专用高频谐振变压器的发热为诱发变压故障的首要原因，特别是对于铁氧体材料，发热将更加危险，由于铁氧体材料的居里点较低，如果发热导致铁氧体温度接近或者超过居里点，铁氧体材料将瞬间失去磁性，使得变压器线圈的电感量降低至0，从而导致瞬间短路，烧毁驱动器件，引发严重故障，本发明的变压器采用低发热量的u型磁芯，通过特殊结构骨架，解决漏感调节问题，同时增加变压器线包的散热面积，分层的骨架形成导流风道，更利于变压器发热的导出，变压器骨架的分层设计将变压器线包的寄生电容（匝间电容、层间电容、初次级耦合电容）降至最低，降低了变压器的磁滞损耗和涡流损耗，减少变压器发热，变压器线包采用利兹线，提高导线的载流能力，降低了变压器铜损，减少发热，利兹线的聚四氟乙烯涂层，不仅提高了线包的层间绝缘和匝间绝缘，同时相比环氧浇注线包、绝缘纸现有技术，有更好的散热特性，降低变压器的温升；（4）更高的变压器参数一致性和更简单变压器生产工艺，相比现有臭氧专用高频
谐振变压器技术，本发明的变压器结构设计采用组件组装模式，各组件采用开模工艺，一致性好，误差小，线包绕制工艺简单，电气连接方便，可分工艺段加工，并行加工，缩短变压器的生产周期，各工艺段具可标准化生产，流水线加工，降低人为因素导致的参数差异，保证了变压器的一致性，变压器生产中不需要特殊工艺，如环氧浇注，线包垫层，变压器初次级耦合，工艺简单，降低变压器生产的技术门槛，更容易实现规模化生产，且容易保证变压器参数的一致性。
40.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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。