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CN101171652A - 用于平面型变压器和感应器的绕组装置 - Google Patents

用于平面型变压器和感应器的绕组装置 Download PDF

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CN101171652A CNA2006800151221A CN200680015122A CN101171652A CN 101171652 A CN101171652 A CN 101171652A CN A2006800151221 A CNA2006800151221 A CN A2006800151221A CN 200680015122 A CN200680015122 A CN 200680015122A CN 101171652 A CN101171652 A CN 101171652A
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Abstract

本发明涉及用于平面型变压器尤其是用于高频AC变换或用于感应器的绕组装置(31)。为了提供展示出平面型绕组装置的优点并减少或避免集肤效应的用于平面型变压器或用于感应器的绕组装置(31)，提出一种用于平面型变压器尤其是用于高频AC变换或用于感应器的绕组装置(31)，这种绕组装置(31)包括至少两个传导层(37、39)，每个传导层(37、39)具有内孔(45)并包括多个传导路径(19、27)，这些传导路径(19、27)相互电气绝缘并从该传导层(37、39)的外周缘(21)通向该传导层(37、39)的内周缘(23)，该传导层的内周缘(23)邻近于该呈螺旋形式的内孔(45)。

Description

用于平面型变压器和感应器的绕组装置
技术领域
本发明涉及用于平面变压器的绕组装置，尤其涉及用于高频AC变换或用于感应器的绕组装置。
背景技术
为了电力供应，通常必须将电压变换成另一种电压，且用户负载必须与供应电网电隔离。这通过具有铁芯以及初级和次级绕组的变压器来实现。这些初级和次级绕组通常由丝或线提供。对于一些特殊用途来讲，这些绕组中的至少一个由平面型绕组形成，如形成为导体带或箔或印刷电路板(PCB)。这种装置的优点在于良好的重复性和降低的电容。平面型绕组装置可从US 5,166,965、US 5,774,349、US5,991,178和WO 93/19515获知，并且在“高频平面型变压器绕组中的柔性箔技术的比较研究”(P.Zumel等人，IEEE电力电子学专家会议(PESC)，凯恩斯(澳大利亚)，2002年6月)和“利用准平面型绕组构造的改进PFC增压扼流圈”(D.Shonts，第14届IEEE应用电力电子学会议学报，美国德克萨斯州达拉斯市，(1999年)3月14至18日)进行了描述。公知的平面型绕组装置在图1中示出。
公知的平面型绕组装置中普遍所具有的缺陷由所称的“集肤效应”产生。沿着示于图2中的平面绕组路径的宽度存在不均匀的电流密度。这种不均匀随着绕组中的电流的频率的增加而组件，从而导致并不希望的额外的电力消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供用于平面型变压器或用于感应器的绕组装置，这种绕组装置展示出平面型绕组装置的优点并通过减少或避免集肤效应来克服前面所提及的缺陷，这样就可以进行较高频率的变换，且电力损失降低。本发明的另一个目的在于提供包括这种绕组装置的平面型变压器和感应器。
这些目的通过用于平面型变压器尤其是用于高频AC变换或用于感应器的绕组装置以及包括这种绕组装置的平面型变压器和感应器来实现，这种绕组装置包括至少两个传导层，每个传导层具有内孔并包括多个传导路径，这些传导路径相互电气绝缘并从该传导层的外周缘通向该传导层的内周缘，该传导层的内周缘邻近于该呈螺旋形式的内孔。
令人惊奇的是，现已发现，对于这种装置来讲，每个导体路径中的电流相同，而与往往出现在一个共用导体路径而不是出现在这些螺旋状导体路径中的集肤效应相比，每个导体路径中的集肤效应减少。电流密度的均匀性显著增加，甚至对于更高的频率来讲也是如此。这样就可以减少甚至避免可能会出现的电力损失。
避免一个传导层的该导体路径相互连接的这种内孔还可用于容纳变压器铁芯或感应器铁芯。
在本发明的有利实施例中，提供用于承载该传导层的至少一个承载板。承载装置的提供允许不能够支撑它们本身的传导层和导体路径即非常小和薄的层和路径的使用。也可使用这些承载板之外的其它承载装置。不过，这些承载板具有支撑这些传导层的整个结构的优点。这样就避免了这些绕组装置的并不希望的变形。若不需该绕组装置所围绕在周围的变压器铁芯或感应器铁芯，那么该承载板也可是连续的，并且可根本不设有孔。
根据本发明的实施例，这些导体路径具有基本上相同的形状。通过提供基本上相同的形状，就可容易地确保这些导体路径围绕基本上相同的磁通量，从而导致感生到不同的导体路径的基本上相同的电压。
在优选实施例中，这些承载板电气绝缘，且在这些承载板的每个侧面上设有传导层，其中，由这些导体路径在承载板的不同侧面上形成的在该内孔周围的螺旋的旋转方向彼此相反。该承载层的每个侧面中的一个在如该内周缘的两个导体路径的终结点连接，这两个导体路径产生一种路径，该路径在一个导体路径的起始点开始，并在另一个导体路径的起始点终结，其中，该路径以在该内孔周围的一个旋转方向旋转。
在有利实施例中，每个承载板的两个传导层具有基本上呈镜像的形状(mirrored shape)，从而确保基本上感生的电压。
还优选在这些承载板之间提供绝缘板，以将相邻的承载板的传导层相互绝缘。即便是将在每个侧面上带有传导层的相邻的承载板紧紧地排列在一起，也可通过设在这些承载板之间的绝缘板避免短路。
在本发明的另一个实施例中，绕组装置包括在该内孔周围旋转的多个绕组路径，每个绕组路径包括多个导体路径，其中，这些多个导体路径的导体路径在该外周缘的它们的起始点处和在该内周缘的它们的终结点处交替连接，且由每两个连接的导体路径所形成的在该内孔周围的螺旋旋转方向彼此相反。绕组路径包括不同传导层的多个导体路径。
例如，该绕组路径在位于该外周缘的第一导体路径的起始点开始。第二导体路径在位于该内周缘的其终结点与该第一导体路径的终结点连接。因此，该绕组路径与该第二导体路径连续到位于该外周缘的该第二导体路径的起始点。换言之，该绕组路径包括从该外周缘通向该内周缘的该第一导体路径和向后通向该外周缘的该第二导体路径。该第二导体路径的旋转方向与该第一导体路径相反，这样，该绕组路径的路线就跟随该内孔周围的多个导体路径的旋转。
在本发明的再一个实施例中，在该外周缘的导体路径的该起始点的角度与在该内周缘的该导体路径的终结点的角度之间的差异是360°的普通分数(vulgar fraction)，尤其是1/2、2/5或1/3。这样，传导层的整数组合就提供360°的旋转，从而允许这些导体路径的容易的外部连接。该普通分数的分母提供在等于该普通分数的分母的该内孔周围实现旋转的数量所需的导体路径的数量。
还优选以介于0°与25°尤其是从5°至15°之间的角度将相邻的传导层和/或相邻的承载板的该导体路径的这些起始点旋转和/或在该外周缘的导体路径的起始点的角度与在该内周缘的导体路径的终结点的角度以介于0°与25°尤其是从5°至15°之间的值相差180°或120°。通过差异在相邻的传导层和/或承载板之间实现旋转位移，从而产生导体路径的螺旋状组合，在这种组合中，不仅导体路径的路线而且该路线的对称中心绕着该内孔旋转。这就允许绕组装置和导体路径的每个组合相对于该内孔对称。
现已发现，在该承载板的一侧上的多个导体路径的数量在从4至20优选在从6至12的范围是有利的。这就在该传导层的尺寸即宽度与导体路径之间提供合理的折衷。
在根据本发明的绕组装置的另一个有利实施例中，N是一个传导层中的导体路径的数量，且以介于360°/(N+1)与360°/(N-1)之间的角度使相邻的传导层相互旋转。根据此实施例，将要连接的导体路径的这些终结点进行布置，以使足够大的区域由两个导体路径覆盖，即这些导体路径到达突出部分部分地重合，这样，由这两个导体路径进行的连接可由适当的连接装置提供，例如，由延伸穿过这两个导体路径的螺杆或由该承载板的相应地限定的传导部分提供。
根据优选实施例，该承载板是印刷电路板。制造带有预定形状的导体路径的印刷电路板的技术是公知的，因此，可用容易而廉价的方式制造根据本发明的绕组装置。
还提出根据本发明的平面型变压器，尤其是包括如权利要求6所主张的绕组装置的变压器，在这种变压器中，在作为初级绕组提供该绕组装置时，将这些绕组路径并行连接和/或在作为次级绕组提供该绕组装置时，将这些绕组路径串行连接。与串行连接相比，并行连接的这些绕组路径产生较少的绕组。
附图说明
下面参考附图对本发明进行更详细的描述，在这些图中：
图1示出了用于平面型变压器或感应器的公知的绕组装置的透视图；
图2示出了示于图1中的公知的绕组装置的局部绕组和相关的电流密度分布；
图3示出了另一种绕组装置的局部绕组和相关的电流密度分布；
图4a示出了根据本发明的传导层的第一种布局；
图4b示出了根据本发明的传导层的第二种布局；
图5示出了在其终结点连接的根据示于图4a和图4b中的第一和第二布局的两个导体路径的路线；
图6示出了根据本发明的绕组装置的示意性截面图；
图7a至7d示出了示于图6中的绕组装置的绕组路径；
图8示出了根据本发明的绕组路径的路线的示意性透视图；
图9示出了具有串行连接的绕组路径的根据本发明的绕组装置的示意性透视图；以及
图10示出了具有并行连接的绕组路径的根据本发明的绕组装置的示意性透视图。
具体实施方式
图1示出了用于平面型变压器或感应器的公知的绕组装置1的示意性透视图。绕组装置1包括绕着内铁芯5旋转的平面型导体3的三个绕组。平面型导体3设有两个端子7、9，端子7、9用于供给或收集流过该平面型导体3的电流I。由于该绕组装置1是变压器(未示出)的一部分，所以可以用普通方式将电压感生到该平面型导体5中，从而产生电流I。流过平面型导体3的这种电流会展示出如图2所示的电流密度分布。由于所称的集肤效应的原因，在平面型导体3的内和外周缘9、11的电流密度大大高于在其内部区域的电流密度。这种集肤效应随着电流和电压的频率的增加而增加，从而导致并不希望的额外电力损失。共同形成如图3所示的平面型导体3′的多个分离的局部平面型导体13a至13e的提供基本上提供相同的电流密度分布，因此，与示于图1和图2的连续平面型导体相比，并不是改进。
图4a和图4b示出了根据本发明的绕组装置的传导层的第一和第二布局15、17。第一和第二布局15、17类似于镜像。因此，本说明书仅对第一布局15进行描述，因为相应的描述适用于第二布局17。符合该布局15的传导层包括具有相同形状的8个分离的导体路径19a至19h。这些导体路径19a至19h在该传导层的外周缘21开始，并且以顺时针方向卷绕在位于内周缘23的它们的终结点。该内周缘可围绕用于容纳变压器铁芯的内孔。导体路径19a至19h的路线沿着螺旋，该螺旋在圈的一个半部周围形成，该圈在该内周缘23周围。导体路径19a至19h由绝缘区域25分离，这些绝缘区域25也沿着该螺旋。
图5通过示例示出了在其终结点连接的符合示于图4a和图4b中的第一和第二布局15、17的两个导体路径19、27的路线。两个不同的传导层包括第一和第二布局15、17并相互对准。可将这些传导层布置在承载板的不同侧面上。导体路径19在该外周缘21开始、卷绕在内周缘23周围并在与其位于内周缘23的起始点大致相对的位置终结。导体路径27也在该外周缘21开始、卷绕在内周缘23周围并在与其位于内周缘23的起始点大致相对的位置终结，其中，导体路径19、27的终结点大致重合。这样，从导体路径19的起始点至其位于内周缘23的终结点至该导体路径27的终结点至该导体路径27的起始点的路线29形成绕着该内周缘23的旋转。导体路径19、27在邻近于该内周缘的这些布局的连接区域30重合。突出穿过导体路径19、27的传导螺杆(未示出)形成导体路径19、27之间的连接。
图6示出了根据本发明的绕组装置31的示意性截面图。该绕组装置包括两个相同并对准的承载板33，每个承载板具有布置在该承载板33的每个侧面上的两个传导层37、39。上传导层37具有示于图4a中的布局15，且下传导层39具有示于图4b中的布局17。在这些承载板33之间设有绝缘板41，以将上承载板33的下传导层39和下承载板33的上传导层37绝缘。而且，将铁芯43布置在这些承载板33和绝缘板41的内孔45中。将多个接头47、49、51设在相邻的传导层37、39的导体路径之间，从而形成绕组路径。为了清楚起见，在图6和图7a至图7d中仅示出了一个绕组路径的接头。这种绕组路径设有两个端点53、55。
示于图6中的绕组装置的绕组路径的路线在图7a至图7d中示出。该绕组路径在位于该下承载板33的下传导层39的端点53开始、绕在该铁芯43(图7a)周围、沿着该下承载板33(图7a、7b)的下传导层39与上传导层37之间的接头47、绕在该铁芯43(图7b)周围、沿着该下承载板33的上传导层37与上承载板33(图7b、7c)的下传导层39之间的接头49、绕在该铁芯43(图7c)周围、沿着该上承载板33(图7c、7d)的下传导层39与上传导层37之间的接头51、绕在该铁芯43(图7d)周围并在该端点55终结。
图8示出了根据本发明的绕组路径57的路线的示意性透视图。为了清楚起见，将该绕组路径示出为连续路径，其中，略去了这些传导层和接头的视图。该绕组路径57在位于该外周缘21的点A开始、绕着该内周缘23旋转并在位于该外周缘21的点B终结。该绕组路径57绕着该内周缘23旋转的中心也绕着该内周缘23旋转。因此，绕组路径57形成绕在内周缘23周围的螺旋。所示出的第二绕组路径59的一部分从点C开始。第二绕组路径59在以与该第一绕组路径57形成的角度α旋转时对应于第一绕组路径57。卷绕后的螺旋的效果为在内周缘23周围的合成磁场的对称和感生的电压/电流的对称。
根据本发明的包括符合示于图4a和图4b中的布局的传导层的绕组装置31包括8个绕组路径57。图9示出了具有并行连接的绕组路径57的绕组装置31的示意性透视图。这些绕组路径37的端部连接到各自的共用端子61、63，其中，就端子61、63中断，以避免这些端子中的短路。图10示出了具有串行连接的绕组路径57的绕组装置31的示意性透视图。第一端子65设在第一绕组路径57的起始点。绕组路径57在其终结点由接头69连接到另一个绕组路径57的起始点，以此类推。最后的绕组路径57设有第二端子67。
在示于图中的实施例中，这些路径的起始点和这些端子设在该外周缘。不过，必须注意到，也可将端子和接头等设在该内周缘并且可既设在内周缘又设在外周缘。而且，可用不同的方式连接这些传导层和导体路径。本发明并不仅限于直接相邻的导体路径或传导层之间的连接。而且，可以用不同的方式堆叠这些承载板。本发明也并不仅限于圆形铁芯布置，因为也可采用其它形式。而且，可将串行和并行绕组路径的连接进行组合。
一种制造根据本发明的绕组装置的可能方法是在带有这些传导层的两个侧面上均设有印刷电路板并堆叠这些印刷电路板，且绝缘板在这些印刷电路板之间。另一种可能的方法是以单印刷电路板开始、将绝缘或隔离层布置在印刷电路板的一侧的顶部上并依次在绝缘或隔离层的顶部上提供另一个传导层，以此类推。将不同的传导层的导体路径连接的容易的方式是将导电螺杆放置穿过这些传导层和它们的隔离层。
本发明并不仅限于包括用于承载这些传导层的承载板的绕组装置。还可以用传导层和导体路径具有足够的机械强度的方式来构成这些传导层和导体路径，以承载它们本身，而无线另外的支撑。也可用如承载杆的形式来提供适当的承载装置。还可将这些传导层嵌入其它某些材料的树脂中，以支撑这些传导层。
通过示例的方式对本发明进行了描述，本发明具有传导层，这些传导层带有从该外周缘至该内周缘的降低宽度，这种宽度由具有恒定宽度的绝缘区域分离。不过，还可提供绝缘基本上恒定的宽度的导体路径，其中，绝缘区域的宽度是变化的。还可这些总体布局或其它类似的布局的组合。
通过导体路径或绕组路径在磁场(参看图8)中的适当的空间布置，就可在每个导体路径或绕组路径中实现基本上相同的感生电压Uab＝∫BdA1，从而确保每个导体路径或绕组路径中基本上相同的电流。由于导体路径或绕组路径具有相对于中心线的基本上相同的几何结构(至少在沿着中心线的突出)，所以每个导体路径或绕组路径中所包括的磁通量是相同的。因此，这些导体路径或绕组路径中的电流和电流密度是相同的。为了确保用于电流供应绕组装置的相等的电流密度，可由提供相同电流的源向这些绕组路径供电。
根据本发明，提出一种绕组装置，这种绕组装置避免或减少“集肤效应”，这样就可用较高的频率使用该绕组装置并具有较低的电力损失。例如，这种绕组装置可用在采用平面型印刷电路板绕组的用途中，而且采用高频率，如用于X光管的高压变压器。

Claims (17)

1.用于平面型变压器尤其是用于高频AC变换或用于感应器的绕组装置(31)，所述绕组装置(31)包括至少两个传导层(37、39)，每个传导层(37、39)具有内孔(45)并包括多个导体路径(19、27)，所述多个导体路径(19、27)相互电气绝缘并从所述传导层(37、39)的外周缘(21)通向所述传导层(37、39)的内周缘(23)，所述内周缘(23)邻近于呈螺旋形式的所述内孔(45)。
2.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：设有用于承载所述传导层(37、39)的至少一个承载板(33)。
3.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：所述导体路径(19、27)具有基本上相同的形状。
4.如权利要求2所述的绕组装置(31)，其特征在于：所述承载板(33)电气绝缘，且在所述承载板(33)的每个侧面上设有传导层(37、39)，其中，由所述导体路径(19、27)在承载板(33)的不同侧面上形成的绕着所述内孔(45)的螺旋的旋转方向彼此相反。
5.如权利要求4所述的绕组装置(31)，其特征在于：每个承载板(33)的所述两个传导层(37、39)具有基本上呈镜像的形状。
6.如权利要求4所述的绕组装置(31)，其特征在于：在所述承载板(33)之间设有绝缘板(41)，以将相邻的承载板(33)的传导层(37、39)相互绝缘。
7.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于，包括：在所述内或外周缘(21、23)处开始和终结的绕着所述内孔(45)旋转的多个绕组路径(57)，每个绕组路径(57)包括多个导体路径(19、27)，其中，所述多个导体路径(19、27)的导体路径(19、27)在该所述外周缘(21)的它们的起始点处和在所述内周缘(23)的它们的终结点处交替连接，且由每两个连接的导体路径(19、27)所形成的在该所述内孔(45)周围的螺旋旋转方向彼此相反。
8.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：在所述外周缘(21)处的导体路径(19、27)的所述起始点的角度与在所述内周缘(23)处的所述导体路径(19、27)的终结点的角度之间的差异是360°的普通分数，尤其是1/2、2/5或1/3。
9.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：以在0°与25°尤其是从5°至15°之间的角度将相邻的传导层(37、39)和/或相邻的承载板(33)的所述导体路径(19、27)的所述起始点旋转。
10.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：在所述外周缘(21)的导体路径(19、27)的起始点处的角度与在所述内周缘(23)的所述导体路径(19、27)的终结点处的角度以介于0°与25°尤其是从5°至15°之间的值相差180°或120°。
11.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：在一个传导层(37、39)中的所述多个导体路径(19、27)的数量在从4至20的范围中，优选在从6至12的范围内。
12.如权利要求1所述的绕组装置(31)，其特征在于：N是一个传导层(37、39)中的导体路径(19、27)的数量，且以介于360°/(N+1)与360°/(N-1)之间的角度使相邻的传导层(37、39)相互旋转。
13.如权利要求2所述的绕组装置(31)，其特征在于：所述承载板(33)是印刷电路板。
14.一种平面型变压器，尤其是用于高频AC变换的平面型变压器，所述平面型变压器包括变压器铁芯(43)和设在所述变压器铁芯(43)周围的第一和第二绕组装置(31)，所述绕组装置中的至少一个是根据权利要求1的绕组装置。
15.如权利要求14所述的平面型变压器，尤其是包括如权利要求6所述的绕组装置(31)作为初级绕组的平面型变压器，其特征在于：所述绕组路径(57)并行连接。
16.如权利要求14所述的平面型变压器，尤其是包括如权利要求6所述的绕组装置(31)作为次级绕组的平面型变压器，其特征在于：所述绕组路径(57)串行连接。
17.一种感应器，所述感应器包括如权利要求1所述的绕组装置(31)。
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