轻量化变压器、轻量化变压器设计方法及高压电源

1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种轻量化变压器设计方法、轻量化变压器及高压电源。


背景技术：

2.电空气动力推进方式是一种新型推进方式，不同于传统机械运动产生推力，推力来源于高电压电离空气产生的“离子风”，同时使用新型推进方式的飞行器所具有的轻量化的特点，因此得到了广大学者关注。电空气动力推进方式依靠一台高功率密度的高压电源，而高压变压器是高压电源中的重要组成，影响着电路的功率密度重要参数。
3.传统lcc变换器中的变压器匝比大，初级绕组匝数少、次级绕组匝数多，变压器初级漏感值无法完全实现谐振电感的磁集成，需在变压器外部串联额外电感加以补充，这增加了变换器重量，不利于电空气动力推进方式飞行器的轻量化设计；变压器次级存在的寄生电容，增加了变压器的损耗，若对该寄生电容加以设计并利用，完全实现lcc变换器并联电容的磁集成，进一步减轻lcc变换器重量，有利于电空气动力推进方式飞行器的轻量化设计。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种轻量化变压器设计方法及轻量化变压器，旨在解决现有的变压器不利于电空气动力推进方式飞行器的轻量化设计的问题。
5.本发明实施例提供了一种轻量化变压器，所述变压器包括：磁芯、磁分流器环形磁芯、初级骨架、初级绕组、次级骨架、次级绕组、第一气隙和第二气隙；
6.所述第一气隙位于所述磁芯的中柱；
7.所述第二气隙位于所述磁芯的边柱；
8.所述第一气隙和所述第二气隙宽度相等；
9.所述磁分流器环形磁芯穿过所述磁芯中柱，距离所述磁芯中柱顶端距离为所述初级骨架的槽宽；
10.所述磁芯和所述磁分流器环形磁芯材质相同，导磁率相同；
11.所述初级绕组使用利兹线均匀绕在所述初级骨架内；
12.所述次级绕组使用高压绝缘线绕在所述次级骨架内。
13.优选地，所述磁芯、所述初级骨架和所述次级骨架为共中心轴结构。
14.优选地，所述初级骨架、所述次级骨架和所述磁分流器环形磁芯为独立结构；
15.在所述磁芯通过所述初级骨架、所述磁分流器环形磁芯和所述次级骨架形成完整磁集成变压器后，使用绝缘胶带固定为一个整体。
16.优选地，所述磁分流器环形磁芯的相对导磁率小于或等于所述磁芯的相对导磁率。
17.本发明还提出一种轻量化变压器设计方法，用于对上述任一项所述的轻量化变压
器进行设计，所述设计方法包括：
18.设计磁分流器环形磁芯厚度以实现变压器漏感作为谐振电感；
19.利用变压器次级绕组和倍压整流电路中寄生电容实现并联电容的集成。
20.优选地，所述设计磁分流器环形磁芯环形磁芯厚度以实现变压器漏感作为谐振电感具体包括：
21.根据需要的谐振电容，设计带磁分流器环形磁芯结构的变压器漏感等于所需谐振电感，磁分流器环形磁芯厚度t
sh
通过以下公式解出：
[0022][0023]
其中a、b由以下公式确定：
[0024]
a＝r
c2
0.5(r5 r6 r
c1
2r
cc
2r7)；
[0025][0026]
其中，磁阻r
c1
、r
c2
、r5、r6、r7和r
cc
为：
[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033]
其中，l为lcc变换器所需谐振电感，n
p
为初级绕组每层绕组数，k
p
为初级绕组层数，ac为变压器磁柱面积，μi为磁芯或磁分流器环形磁芯相对导磁率，μ0为空气导磁率，lg为第一气隙或第二气隙宽度，l
c2
为磁芯边柱至磁芯中柱的距离，bw为磁芯窗口宽度，bd为磁芯边柱厚度，wc为磁芯厚度，l
c1
为磁芯边柱长度，h1为磁分流器环形磁芯至磁芯中柱上端距离，h2为磁分流器环形磁芯至磁芯中柱下端距离。
[0034]
优选地，所述利用变压器次级绕组和倍压整流电路中寄生电容实现并联电容的集成具体包括：
[0035]
计算第一等效电容的容值；
[0036]
通过第一等效电容的容值计算第二等效电容的容值；
[0037]
计算变压器次级绕组层数。
[0038]
优选地，第一等效电容的容值通过以下公式确定：
[0039][0040]
其中，c
eq1
为第一等效电容的容值；c
d1
与c
d2
为高压二极管体电容值，ns为次级绕组匝数，n
p
为初级绕组匝数；
[0041]
第二等效电容的容值通过以下公式确定：
[0042][0043]
其中，c
eq2
为第二等效电容的容值，c
p
为lcc变换器所需并联电容，c
wdg
为变压器次级绕组寄生电容。
[0044]
优选地，所述计算变压器次级绕组层数具体通过下述公式确定：
[0045]
其中c
wdg
≤4c0；
[0046]
其中参数具体计算方式为：
[0047][0048][0049][0050][0051]
其中，hlt(ns)为次级平均绕组长度，n
layer
变压器次级绕组层数，ε0为空气介电常数，εd为次级绕线绝缘皮相对介电常数,δ为次级绕线绝缘皮厚度，d0为铜线中心距离。
[0052]
本发明还提出一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源，所述高压电源设置有上述所述的轻量化变压器。
[0053]
本发明所达到的有益效果：一种轻量化变压器设计方法及轻量化变压器包括：磁芯、磁分流器环形磁芯、初级骨架、初级绕组、次级骨架、次级绕组、第一气隙和第二气隙；所述第一气隙位于所述磁芯的中柱；所述第二气隙位于所述磁芯的边柱；所述磁分流器环形磁芯穿过所述磁芯中柱，距离所述磁芯中柱顶端距离为所述初级骨架的槽宽；所述初级绕组使用利兹线均匀绕在所述初级骨架内；所述次级绕组使用高压绝缘线绕在所述次级骨架内。本发明增加漏感的方式为：通过调整线圈圈数和初次级间的距离大小来调节漏感，实现谐振电感的全部集成；利用倍压整流电路和变压器次级绕组中存在的寄生电容，并通过设计次级绕组的层数，通过变压器反射至初级形成所需的等效电容，从而实现并联的电容的
全部集成，达到减轻变换器重量的最终目的，从而满足飞行器轻量化设计要求。
附图说明
[0054]
图1是本发明实施例提供的一种轻量化变压器的剖面结构示意图；
[0055]
图2是本发明实施例提供的一种轻量化变压器的结构示意图；
[0056]
图3是本发明实施例提供的一种轻量化变压器的尺寸示意图；
[0057]
图4是本发明实施例提供的一种轻量化变压器的磁阻图；
[0058]
图5是本发明实施例提供的一种轻量化变压器的等效电路图。
[0059]
附图标记：磁芯1、磁分流器环形磁芯2、初级骨架3、初级绕组4、次级骨架5、次级绕组6、第一气隙7、第二气隙8。
具体实施方式
[0060]
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。
[0061]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0062]
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
[0063]
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0064]
如图1所示，一种轻量化变压器包括：磁芯1、磁分流器环形磁芯2、初级骨架3、初级绕组4、次级骨架5、次级绕组6、第一气隙7和第二气隙8；
[0065]
第一气隙7位于磁芯1的中柱；
[0066]
第二气隙8位于磁芯1的边柱；
[0067]
第一气隙7和第二气隙8宽度相等；
[0068]
磁分流器环形磁芯2穿过磁芯1中柱，距离磁芯1中柱顶端距离为初级骨架3的槽宽；
[0069]
磁芯1和磁分流器环形磁芯2材质相同，导磁率相同；
[0070]
初级绕组4使用利兹线均匀绕在初级骨架3内；
[0071]
次级绕组6使用高压绝缘线绕在次级骨架5内。
[0072]
本发明所达到的有益效果为，增加漏感的方式采用：通过调整线圈圈数和初次级间的距离大小来调节漏感，实现谐振电感的全部集成；利用倍压整流电路和变压器次级绕组中存在的寄生电容，并通过设计次级绕组的层数，通过变压器反射至初级形成所需的等
效电容，从而实现并联的电容的全部集成，达到减轻变换器重量的最终目的，从而满足飞行器轻量化设计要求。
[0073]
第一气隙7放置在磁芯1的中柱之间，第二气隙8放置在两边的边柱，变压器的磁芯1、初级骨架3、次级骨架5为共中心轴结构；所述初级骨架3、所述次级骨架5和所述磁分流器环形磁芯2为独立结构；
[0074]
在所述磁芯1通过所述初级骨架3、所述磁分流器环形磁芯2和所述次级骨架5形成完整磁集成变压器后，使用绝缘胶带固定为一个整体。磁分流器环形磁芯2的相对导磁率不高于磁芯1；
[0075]
初级绕组4均匀绕制于初级骨架3内；次级绕组6绕制于次级骨架5内，初级绕组4采用普通利兹线，次级绕组6采用聚四氟乙烯基本绝缘线。
[0076]
本发明的轻量化变压器，采用轻量化变压器设计方法进行设计，所述设计方法包括：
[0077]
步骤s10，设计磁分流器环形磁芯厚度以实现变压器漏感作为谐振电感；
[0078]
步骤s20，利用变压器次级绕组和倍压整流电路中寄生电容实现并联电容的集成。
[0079]
具体的，设计磁集成的变压器中参数。单个磁集成变压器外观尺寸为附图2所示，其中，步骤s10包括：
[0080]
步骤s11，根据lcc所需谐振电感设计，设计带磁分流器环形磁芯结构的变压器漏感等于所需谐振电感，磁分流器环形磁芯厚度通过公式(1)求解：
[0081][0082]
其中a、b由以下公式确定：
[0083]
a＝r
c2
0.5(r5 r6 r
c1
2r
cc
2r7)；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0084][0085]
其中，磁阻r
c1
、r
c2
、r5、r6、r7和r
cc
为：
[0086][0087][0088][0089]
[0090][0091][0092]
其中，l为lcc变换器所需谐振电感，n
p
为初级绕组每层绕组数，k
p
为初级绕组层数,ac为变压器磁柱面积，μi为磁芯或磁分流器环形磁芯相对导磁率，μ0为空气导磁率，lg为第一气隙或第二气隙宽度，l
c2
为磁芯边柱至磁芯中柱的距离，bw为磁芯窗口宽度，bd为磁芯边柱厚度，wc为磁芯厚度，l
c1
为磁芯边柱长度，h1为磁分流器环形磁芯至磁芯中柱上端距离，h2为磁分流器环形磁芯至磁芯中柱下端距离。
[0093]
其中，步骤s20中，根据所需要的并联电容，设计变压器次级绕组层数，该步骤s20可分为以下若干小步骤：
[0094]
步骤s21，计算第一等效电容的容值；
[0095]
步骤s22，通过第一等效电容的容值计算第二等效电容的容值；
[0096]
步骤s23，计算变压器次级绕组层数。
[0097]
第一等效电容的容值由公式(10)确定：
[0098][0099]
其中，c
eq1
为第一等效电容的容值；c
d1
与c
d2
为高压二极管体电容值，ns为次级绕组匝数，n
p
为初级绕组匝数。
[0100]
首先计算由倍压整流电路反射至初级形成的寄生电容，因为该值大小固定，而第二等效电容需要通过设计变压器次级绕组层数得到，该步骤为第二等效电容的设计做铺垫。
[0101]
第二等效电容的容值由公式(11)确定：
[0102][0103]
其中，n
p
为,初级绕组匝数，ns为次级绕组匝数，c
p
为lcc变换器所需并联电容，c
wdg
为变压器次级绕组寄生电容。通过该步骤计算出需要设计的第二等效电容，第二等效电容通过设计变压器次级绕组层数实现。
[0104]
计算变压器次级绕组层数采用公式(12)：
[0105][0106]
其中，c
wdg
≤4c0；
[0107]
公式(12)中参数由下列公式确定：
[0108]
[0109][0110][0111][0112][0113]
其中，n
p
为变压器初级绕组匝数，ns为变压器次级绕组匝数，hlt(ns)为次级平均绕组长度，n
layer
变压器次级绕组层数，ε0为空气介电常数，εd为次级绕线绝缘皮相对介电常数,δ为次级绕线绝缘皮厚度，d0为铜线中心距离。
[0114]
如图3所示，为磁芯1、磁分流器环形磁芯2外观尺寸标注。
[0115]
如图4所示，为图1中所示的集成变压器磁路原理图。
[0116]
如图5所示，为图1中所述变压器等效电路。
[0117]
本发明的目的还在于提供一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源，旨在实现高压电源的轻量化、高功率密度；为实现上述目的，所采取的手段为：主电路采用全桥逆变—磁集成变压器组—倍压整流输出的结构；绝缘材料使用重量更轻的可凝固型绝缘胶，并以灌封方式进行绝缘；控制上使用前馈式恒功率控制和打弧抑制电路。
[0118]
本发明提一种用于电空气动力推进高压电源的轻量化集成变压器具备高集成度和轻量化的特点，能够将lcc谐振电感和激磁电感都集成在变压器内部，有效提高lcc谐振变换器的功率密度，实现高压电源的轻量化设计。
[0119]
以上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。
[0120]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0121]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。