Трансформатор
TRANSFORMER

Область
техники
Настоящее техническое решение относится к электротехнике, в частности, к высокочастотным трансформаторам малой мощности (до 1 кВт) и может быть использовано в радиоэлектронике и преобразовательной технике.
Уровень
техники
В настоящее время известны трансформаторы различных конструкций, основными элементами трансформатора являются магнитопровод, обмотки. Трансформаторы разделяют, в частности, по типу магнитопровода на броневые, тороидальные, стержневые.
Броневые трансформаторы имеют разветвленную магнитную цепь. Обмотки располагаются на среднем стержне. Такие трансформаторы имеют простую и недорогую в производстве конструкцию. Недостатками их являются относительно высокая чувствительность к наводкам, большая величина потока рассеяния и плохое охлаждение обмоток. Особенно указанные недостатки проявляются при размещении трансформатора до 1 кВт на печатной плате ввиду ограничений по массогабаритным показателям и допустимой максимальной температуре.
Трансформаторы на тороидальных сердечниках являются наиболее сложными в производстве, что ограничивает и возможную область их применения. Основными преимуществами их являются весьма малая чувствительность к внешним магнитным полям и малое значение потока рассеяния.
В трансформаторах со стержневыми магнитопроводами по сравнению с трансформаторами броневого типа обеспечивается лучшее охлаждение обмоток, так как обмотки располагаются на разных стержнях.
Кроме того, стержневые трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям, в связи с тем, что ЭДС помехи, наводимые в обеих катушках, противоположны по знаку и частично или полностью уничтожаются. Недостатки существующих трансформаторов стержневого типа- высокие массогабаритные показатели, как и у трансформаторов броневого типа.
Задачей настоящего технического решения является создание трансформатора стержневого типа, обладающего улучшенными массогабаритными показателями и повышенной мощностью по сравнению с аналогичными трансформаторами броневого типа.
Раскрытие
Объектом настоящего технического решения является трансформатор, включающий магнитопровод, состоящий из двух частей, концы которых расположены друг напротив друга с образованием по меньшей мере двух зазоров, на каждой из упомянутых двух частей магнитопровода имеется по меньшей мере две обмотки, выполненные непосредственно на магнитопроводе, и связанные с выводами трансформатора, расположенные друг напротив друга концы частей магнитопровода выполнены вогнутыми, с образованием углублений, имеющих вершины и основания, причем величина зазора между вершинами углублений, расположенных друг напротив друга концов двух частей магнитопровода, по меньшей мере в два раза превышает величину зазора между основаниями соответствующих углублений концов двух частей магнитопровода.
Возможен вариант осуществления, в котором форма углубления в продольном сечении вогнутого конца магнитопровода представляет собой, по существу, одно из следующего: трапеция, полукруг, полуовал, треугольник,
Возможен вариант осуществления, в котором в зазоры между частями магнитопровода помещен диэлектрик.
Возможен вариант осуществления, в котором части магнитопровода имеют П- или С-образную форму.
Возможен вариант осуществления, в котором сечение частей магнитопровода имеет квадратную или прямоугольную или круглую форму.
Возможен вариант осуществления, в котором части магнитопровода выполнены из магнитомягкого материала.
Возможен вариант осуществления, в котором части магнитопровода выполнены из магнитотвердого материала.
Возможен вариант осуществления, в котором по меньшей мере одна из частей магнитопровода выполнена составной и содержит по меньшей мере два элемента с образованием зазора между элементами, при этом зазор между элементами имеет прямоугольную форму сечения.
Возможен вариант осуществления, в котором в зазоры между элементами по меньшей мере одной из частей магнитопровода помещен диэлектрик.
Возможен вариант осуществления, в котором по периметру трансформатора части магнитопровода стянуты диэлектрическим поясом.
Возможен вариант осуществления, в котором выводы трансформатора выполнены с возможностью установки на печатную плату.
Возможен вариант осуществления, в котором трансформатор содержит контактную площадку, связанную с выводами трансформатора и выполненную с возможностью установки на печатную плату.
Технический результат - создание трансформатора стержневого типа, обладающего улучшенными массогабаритными показателями и повышенной мощностью по сравнению с аналогичными трансформаторами броневого типа.
Дополнительные и/или альтернативные характеристики, аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего технического решения станут очевидными из последующего описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы.
Краткое
описание
чертежей
На Фиг. 1 схематично показан неограничивающий вариант осуществления заявляемого трансформатора.
На Фиг. 2 схематично показан зазор между плоскими концами частей магнитопровода согласно известному уровню техники
На Фиг. 3 схематично показан зазор между вогнутыми концами частей магнитопровода согласно заявляемому техническому решению.
На Фиг. 4 показана зависимость величины зазора от величины эквивалентного зазора для исследуемых трансформаторов.
Описание
На Фиг. 1 схематично показан трансформатор 100, включающий магнитопровод, состоящий из двух частей 102 и 104 соответственно. Концы частей 102 и 104 магнитопровода расположены друг напротив друга с образованием по меньшей мере двух зазоров 1061 и 1062 соответственно. Как показано на Фиг. 1 конец 1021 одной части 102 магнитопровода расположен напротив конца 1041 другой части 104 магнитопровода, и, соответственно, конец 1022 одной части 102 магнитопровода расположен напротив конца 1042 другой части 104 магнитопровода.
В неограничивающем иллюстративном примере части 102 и 104 магнитопровода имеют П-образную форму (Фиг. 1). В альтернативных вариантах осуществления возможно исполнение частей магнитопровода С- образной формы (не показано).
Сечение частей магнитопровода 102 и 104 может иметь квадратную или прямоугольную или круглую форму.
Части магнитопровода 102 и 104 могут быть выполнены как из магнитомягкого, так и магнитотвердого материала, например из феррита.
На каждой из упомянутых двух частей 102 и 104 магнитопровода имеется по меньшей мере две обмотки 108 и 110 соответственно, выполненные непосредственно на магнитопроводе. То есть магнитопровод является бескаркасным сердечником для двух обмоток 108 и двух обмоток 110. Как будет понятно специалисту в данной области техники количество обмоток 108 и 110 на каждой из частей 102 и 104 магнитопровода, как и количество витков, длина витка обмотки, диаметр провода, материал и др. возможные параметры обмоток 108 и 110 никак конкретно не ограничены, и могут быть выбраны исходя из требуемого назначения, а также требуемых характеристик трансформатора. Кроме того, обмотки 108 и 110 между собой могут по меньшей мере по одному из параметров совпадать и/или отличаться по меньшей мере по одному из параметров.
Например, как показано на Фиг. 1 каждая из частей 102 и 104 магнитопровода может иметь П-образную форму со сторонами f и g, где f>g, при этом обмотки 108 и 110 соответственно выполнены на длинных сторонах f частей 102 и 104 магнитопровода, а зазоры 1061 и 1062 расположены между короткими сторонами g частей 102 и 104 магнитопровода.
Обмотки 108 и 110 связаны с соответствующими выводами 1081 и 1101 трансформатора 100.
n
m
n
≥
2m.
Расположенные друг напротив друга концы 1021 и 1041, а также 1022 и 1042 частей 102 и 104 магнитопровода выполнены вогнутыми, с образованием углублений, имеющих вершины 112 и основания 114. Причем величина  зазора между вершинами 112 углублений, по меньшей мере в два раза превышает величину  зазора между основаниями 114 соответствующих углублений концов 1021 и 1041, а также концов 1022 и 1042 двух частей 102 и 104 магнитопровода. Как показано на Фиг. 1
Таким образом, как показано на Фиг. 1, зазоры 1061 и 1062 в сечении могут иметь, по существу, форму овала.
Возможен вариант осуществления, в котором форма углубления в продольном сечении вогнутого конца магнитопровода представляет собой, по существу, одно из следующего: трапеция, полукруг, полуовал, треугольник.
Возможен вариант осуществления, в котором в зазоры между частями магнитопровода помещен диэлектрик (не показано).
Возможен вариант осуществления, в котором по меньшей мере одна из частей магнитопровода выполнена составной и содержит по меньшей мере два элемента с образованием зазора между элементами, при этом зазор между элементами имеет прямоугольную форму сечения.
Например, одна или обе части магнитопровода могут быть выполнены из нескольких элементов, между которыми имеются зазоры. Так, например, часть магнитопровода П-образного вида, может быть изготовлена автоматизированным способом путем склеивания трех элементов (сторон), с образованием, соответственно, двух зазоров между этими тремя элементами. При этом зазоры суммируются, а из-за их малой величины (например, 0,2 мм) потери практически отсутствуют.
Возможен вариант осуществления, в котором в зазоры между элементами по меньшей мере одной из частей магнитопровода помещен диэлектрик.
Возможен вариант осуществления, в котором по периметру трансформатора части магнитопровода стянуты диэлектрическим поясом.
Возможен вариант осуществления, в котором выводы трансформатора выполнены с возможностью установки на печатную плату.
Возможен вариант осуществления, в котором трансформатор содержит контактную площадку, связанную с выводами трансформатора и выполненную с возможностью установки на печатную плату.
Далее со ссылкой на Фиг. 2 и 3 приведем теоретическое обоснование и пояснение выполнения углублений на расположенных друг напротив друга концах частей магнитопровода
δ
.
a
b
a
b
1
1
На Фиг. 2 схематично показаны концы 2021 и 2041 двух частей 202 и 204 магнитопровода, известные из уровня техники. Поверхности концов представляют по существу плоскость с постоянным зазором между концами 2021 и 2041 равным  Сечение частей 202 и 204 магнитопровода представляет собой прямоугольник со сторонами  и  и площадью сечения S=*. Для ясности на схеме показаны оси X,Y,Z.
δ
δ
.
δ
≥
2
δ
.
2
3
2
3
На Фиг. 3 схематично показаны концы 3021 и 3041 двух частей 302 и 304 магнитопровода, согласно заявляемому изобретению. Поверхности концов представляют по существу вогнутые поверхности, образованные углублениями, имеющими вершины 312 и основания 314. Причем величина  зазора между вершинами 312 углублений концов 3021 и 3041, по меньшей мере в два раза превышает величину  зазора между основаниями 314 соответствующих углублений концов 3021 и 3041 Как показано на Фиг. 3
a
b
a
b
2
Сечение частей 302 и 304 магнитопровода представляет собой прямоугольник со сторонами  и  и площадью сечения S=*.
Таким образом, положим:
1
2
S=S=S
δ
=δ
=δ
=
2
δ
1
2
3
, для ясности на схеме также показаны оси X,Y,Z.
Далее со ссылками на Фиг. 2 и Фиг. 3.
δ
δ
2
S<100, где S - площадь сечения магнитопровода, - величина зазора между концами частей магнитопровода.
Магнитная индукция (Вм) по сечению значительно снижается при приближении к поверхности магнитопровода, вследствие искривления силовых магнитных линий по краям в зазоре. Чем длиннее эквипотенциальная магнитная линия в зазоре, тем меньше магнитная индукция (Вм), согласно формуле (1)
Учитывая граничные условия на разделе двух сред, решается задача по минимизации неоднородности магнитной индукции в зазоре. Чтобы значительно устранить неоднородность, необходимо придать специальную форму поверхностям концов магнитопровода, образующим зазор. Для этого установим картину поля в зазоре с плоскими поверхностями.
Рассматриваем составляющую поля By, направленную от одного полюса (конца части магнитопроводу) к другому см. Фиг. 2, в плоскости XОZ равноудаленную между полюсами (концами частей магнитопровода 2021 и 2041) это будет плоскость наблюдения. Точка наблюдения с координатами x0,z0, находится на этой плоскости.
Необходимо суммировать все магнитные диполи от двух поверхностей полюсов, затем суммировать в объеме близлежащем от поверхностей. В результате приходим к вычислению поверхностного интеграла 2 рода.
Аналитически можно решить интеграл только на поверхности, равноудаленную от двух полюсов (Фиг. 2), в этом случае Вx=0,Bz=0.
В
Численными методами можно определить вектор  в любой точке, даже вне зазора. Получаем зависимость магнитного поля By(x0,z0).
δ
δ
δ
2
Решение приводит к тому, что на расстоянии 2* и более от края поверхности зазора магнитная индукция стремительно падает. И приблизительно еще на 2* и более вне зазора падает до нуля при S<100.
Теперь, зная распределение магнитного поля с плоскими поверхностями, введем определенную кривизну поверхности таким образом, чтобы во всех точках поверхности поле было близко к Вм, при этом, практически, снижение магнитного потока не произойдет (Фиг. 3). Рассмотрим снова поверхность, равноудаленную от двух полюсов (концов 3021 и 3041 частей магнитопровода, расположенных друг напротив друга) XOZ.
Даже в случае кривизны поверхности симметричной относительно центра полюса, Bx=0, Bz=0, (т.к. скомпенсированы двумя поверхностями) By составляет вектор магнитной индукции (Фиг. 3). Зная распределения поля, для плоских поверхностей полюсов (концов 2021 и 2041 на Фиг. 2), можно задать определенную поверхность, например, в виде параболического цилиндра Y=f(x,z) (показано на Фиг. 3) симметричную относительно X. Учитывая ее в интеграле, получаем новое решение.
δ
δ,
δ
.
δ
≥
2
δ
2
3
,
2
3
На линии, проходящей по центру сечения полюса из точки (a/2,0,-в/2) -в(а/2,0,в/2) величина Bm будет одинакова, при сближении полюсов так, чтобы между вершинами 312 углублений концов 3021 и 3041 расстояние составляло  =  а между основаниями 314 соответствующих углублений концов 3021 и 3041 Причем  Как показано на Фиг. 3.
b
На поверхности параболического цилиндра магнитное поле практически не будет изменяться, хотя с краю со стороны  будет от Вм до Bm/2, в зависимости от соотношения сторон магнитопровода. Таким образом, потеря магнитного потока составляет максимум  от потерь при плоских полюсах.
δ
δ
n
m
n
≥
2m).
2
3
Согласно заявляемому изобретению, концы 3021 и 3041 частей магнитопровода, расположенные друг напротив друга, сближаются так, что величина зазора  между вершинами 312 углублений, по меньшей мере в два раза превышает величину  зазора между основаниями 314 соответствующих углублений концов 3021 и 3041 (Фиг. 3). Аналогично показано на Фиг. 1, где величина  зазора между вершинами 112 углублений, по меньшей мере в два раза превышает величину  зазора между основаниями 114 соответствующих углублений концов 1021 и 1041, а так же 1022 и 1042 двух частей 102 и 104 магнитопровода. (
Заявителем проведены практические испытания заявляемой конструкции трансформатора. В таблице 1 ниже приведены полученные характеристики в сравнении с известной конструкцией трансформатора броневого типа.
Из уровня техники известен трансформатор на ферритовом сердечнике EF25/25/7, широко используемый, например, в драйверах светодиодного освещения. Известный трансформатор EF25/25/7 имеет следующие параметры: сердечник броневого типа при стыковке двух половинок типа Е 25 мм*25 мм, высота 7,2 мм, центральный керн 7,2*7,2 мм, габариты с каркасом 30*30*22 мм (длина, ширина, высота).
Заявителем собраны и испытаны несколько вариантов трансформатора стержневого типа с конструкцией согласно настоящему изобретению, условно обозначим как PL29-1, PL29-2, PL29-3 и PL29-4, со следующими параметрами: сердечник стержневого типа при стыковке 29 мм*20 мм, сечение сердечника 6,6 мм*6,6 мм. В сборке 31*27*17 мм (длина, ширина, высота). Как будет понятно специалисту, для испытаний намеренно взят пример с близкими массогабаритными показателями.
2
2
Занимаемая площадь, высота на плате данными трансформаторами одинакова, также массы магнитопроводов одинаковы (у EF25/25/7 Sо без каркаса 94 мм , с каркасом 62 мм). Количество витков рассматривается максимальное до заполнения окна с максимально возможным зазором.
Испытания проводились в обратноходовых преобразователях при одинаковом коэффициенте заполнения D, частоте, входном напряжении Uвх (за исключением PL29-1 для сравнения мощности при равенстве масс меди с EF25) и относительной магнитной проницаемости материала μ.
Таблица 1. Результаты испытаний
Первичная обмотка у известного трансформатора EF25 2*0.28 мм, вторичная 3*0,28 мм.
У PL29 первичная обмотка 2*0.25 мм, вторичная 3*0,25 мм (обмотки на разных стержнях соединены параллельно).
Пояснения к таблице 1 выше:
So - площадь окна
Sк - площадь сечения магнитопровода у зазора
W1 - количество витков первичной обмотки
W2 - количество витков вторичной обмотки
d - диаметр провода
Lсрв - средняя длина витка
Mm - масса меди
Uвых - номинальное значение выходного напряжения
Wмак,эк - максимальная запасаемая энергия в сердечнике с эквивалентным зазором
Pвых,эк выходная мощность с эквивалентным зазором
2
δ
Wмак=Bмак*э *Sc/(2*μ0) (СС.1)
Wмак - максимальная энергия магнитного поля в магнитопроводе.
Bмак - максимальная магнитная индукция в магнитопроводе
μ0 - магнитная проницаемость вакуума.
Sc - поперечное сечение магнитопровода
δ
Bмак= μ0*W1*Iмак/ (для обратноходовых преобразователях)
W1 - количество витков в первичной обмотке
Iмак - максимальный ток первичной обмотки (для обратноходовых преобразователей)
δ
- геометрическая длина зазора.
Так как магнитный поток в области воздушного зазора неоднороден, тогда
Но тем не менее в центральной части в т. (а/2, y, b/2), необходимо за счет геометрического зазора получить Вмак.
δ
Удобнее использовать э - величина эквивалентного зазора.
δ
δ
Заменяя во всех формулах  на э, получается реальный результат.
δ
где  - геометрическая длина зазора; p - периметр сечения магнитопровода у зазора; S - сечение конца магнитопровода у зазора (т. е. сечение полюса); 2с - высота обмотки; а - расстояние от сердечника до средней линии продольного сечения обмотки (т. е. приближенно полуширина обмотки).
При одинаковых геометрических зазорах у EF25 и PL29, эквивалентный зазор у PL29 значительно больше, т.к. он имеет два распределенных зазора (геометрические зазоры складываются), как показано на Фиг. 4
PL29-1
EF25
- импульсный трансформатор, у которого масса меди равна массе меди , Pвых выше на 60%, но окно не занято полностью.
PL29-2
- импульсный трансформатор, у которого окно занято полностью. Уменьшение магнитного потока составляет 30%. Pвых практически не изменилось.
Превышая определенное значения геометрического зазора, эквивалентный зазор согласно формулам (2) и (3) начинает снижаться как показано на Фиг. 4.
При полном заполнении окна количество витков оказалось слишком большим. Из формул (2) и (3) выше видно, что эту проблему можно решить, увеличивая сечение концов частей магнитопровода, образующих зазор. Сечение растет квадратично с ростом периметра.
PL28-3 - сечение концов увеличено вдвое (что у броневого невозможно сделать, ввиду наличия каркаса), что дает ощутимые результаты. При этом у PL29-3 масса меди больше всего на 30%, чем EF25.
Концы частей магнитопровода выполнены в виде части расширяющей конусной пирамиды (на стороне d), у которой основание является поверхность, ограничивающая зазор. Масса магнитопровода и его габаритные размеры практически не изменились.
Эксперименты в PL29-3 проводились с магнитопроводом из феррита, у которого сечение в частях, где отсутствует намотка было в два раза больше, чем в стержне.
В PL28-4 - использован магнитопровод с одинаковым сечением по всей длине, включая сечение концов частей магнитопровода (полюсов). Поверхность концов частей магнитопровода, образующая зазор, имеет определенную кривизну, в результате мощность увеличивается на 22%, в связи с увеличением общего магнитного потока, чем без кривизны.
Как показано в таблице 1 выше, в предлагаемой конструкции имеется значительное повышение мощности по сравнению с известным трансформатором броневого типа, заявляемая конструкция позволяет при необходимости существенно снизить массогабаритные показатели для достижения аналогичной мощности, как в трансформаторах броневого типа.
Заявляемая конструкция может быть изготовлена стандартными способами и на стандартном оборудовании аналогично другим известным конструкциям трансформаторов.
Выполнение углублений на концах частей магнитопровода, расположенных друг напротив друга, возможно для концов с круглым сечением, прямоугольным, квадратным и иной формы. Возможно как шлифование вращением вокруг центра каждого конца (полюса), так и применение плоскошлифовального станка для выполнения кривизны углубления в одном направлении. Соответственно, возможно получение углублений различной формы, например, с получением, углублений в продольном сечении вогнутого конца магнитопровода, по существу, в форме: трапеции, полукруга, полуовала, треугольника.
Сама форма углубления может представлять собой, в частности, усеченный конус, конус, цилиндр, полусферу, полуцилиндр, эллиптический полуцилиндр, призму, треугольную призму и т.д.
Шлифовка магнитопровода, выполненного из феррита, может осуществляться плоскошлифовальным станком, который является неотъемлемой частью производственного оборудования и для броневого типа трансформатора. В этом случае применяется шлифовальный диск с поверхностью шлифования Y=f(x,z). Для минимизации сколов по краям, на поверхность магнитопровода может быть в один или несколько слоев нанесено защитное покрытие.
Заявленная конструкция трансформатора обладает улучшенными массогабаритными показателями и повышенной мощностью по сравнению с аналогичными трансформаторами броневого типа.
Благодаря выполнению обмоток на бескаркасных сердечниках (непосредственно на магнитопроводе) обеспечивается возможность увеличения количества витков/и или диаметра провода, и как следствие повышение мощности трансформатора.
Увеличивается площадь поверхности охлаждения, следовательно возможно дополнительное уменьшение диаметра провода в обмотке и дополнительное снижение массогабаритных показателей.
Таким образом, возможно увеличение длины намотки как минимум в 2 раза по сравнению с каркасным сердечником, как следствие снижение количества слоев в 2 раза, что снижает потери в меди в разы.
Представленные иллюстративные варианты осуществления, примеры и описание служат лишь для обеспечения понимания и не являются ограничивающими. Поясняющие чертежи приведены не в масштабе. Другие возможные варианты осуществления будут ясны специалисту из представленного описания. Объем настоящего изобретения ограничен лишь прилагаемой формулой изобретения.