ТОРОИДАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике, в частности к индукционным устройствам для высокочастотных транзисторных преобразователей и может быть использована при создании источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, в том числе на малые выходные напряжения (2÷5 В) и большие токи нагрузки (свыше 100 А), построенные на базе высокочастотных транзисторных преобразователей. К ним могут быть отнесены, в частности, источники питания промышленных электронных приборов, сварочное оборудование, гальванические ванны и т.д.
Известные индукционные устройства относительно малых габаритов, работающие на повышенных частотах и имеющие высокие потери, относятся к планарным дросселям и трансформаторам и содержат спиральные обмотки, выполняемые из листового металла и набираемые в пакет вместе с изолирующими прокладками, например патент №5949321, США.
Известен тороидальный трансформатор, содержащий спиральные обмотки, выполненные в виде печатных проводников на несущей плоской многослойной плате, а также содержащий специализированные низкопрофильные ферритовые сердечники, которые вставляются в специально подготовленные отверстия в плате (патент №6069548, США).
Однако в указанном устройстве плоские печатные проводники, выполняющие роль обмоток, находятся в радиальной плоскости центрального керна магнитопровода, следовательно, увеличены добавочные потери из-за вихревых токов, кроме того первичная и вторичная обмотки секционированы, а большая толщина диэлектрика печатных плат, разделяющая секции, приводит к увеличению индуктивности рассеяния, что приводит к снижению коэффициента полезного действия трансформатора и росту электромагнитных излучений. Подобные трансформаторы большой мощности, в силу малой толщины металлизации стандартных заготовок печатных плат, изготовить достаточно проблематично, так как увеличивать толщину печатных проводников не позволяет технология прессования многослойных плат.
Кроме того, известен тороидальный трансформатор (патент на изобретение №2351032, Россия, на рисунке «приложение к заявке»), являющийся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащий тороидальный магнитопровод, на который намотаны первичная и вторичная обмотки многожильным проводом из изолированных лаком проволок. Провод, перед укладкой на внутреннюю поверхность магнитопровода, скручивают в форму с круглым поперечным сечением. На торцевых и внешней поверхности магнитопровода, проводу придают форму с прямоугольным поперечным сечением изменяющейся ширины, пропорциональной отношению текущего радиуса укладки к внутреннему радиусу окна для каждого слоя намотки. Подобный способ укладки скрученных проводов (литцендрат), обеспечивает определенную плотность укладки, что несколько уменьшает индуктивность рассеяния обмоток, сокращает длину многожильного провода и уменьшает габаритные размеры трансформатора.
Однако в указанном устройстве, обмотки имеют малый коэффициент заполнения проводящим материалом, что приводит к большим температурным сопротивлениям между обмотками, магнитопроводом и окружающей средой. Все это приводит к снижению КПД трансформатора, увеличению массы и габаритов устройства.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции тороидального трансформатора с более высоким коэффициентом полезного действия.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тороидальном трансформаторе содержащем тороидальный магнитопровод, первичную и вторичную обмотки из многожильного скрученного медного провода (литцендрат) заключающемся в том, что первичная обмотка выполнена в виде многослойной объемной пленочной спирали, с перекрытием одного слоя относительно другого и равномерно распределена по периметру магнитопровода, а вторичная выполнена идентично первичной, охватывающей первичную, причем обе обмотки выполнены из слоев материала с высокой электропроводностью, а между витками расположены слои диэлектрика повторяющие профиль обмоток.
На чертеже приведен предлагаемый трансформатор.
Предлагаемый трансформатор содержит тороидальный магнитопровод 1, слои диэлектрика 2, витки первичной обмотки 3, к которой присоединяются выводы 4. К вторичной обмотке 5, выполненной аналогично первичной обмотке, присоединяются выводы 6.
Изготовление предлагаемого трансформатора производится следующим образом: на тороидальный магнитопровод методом напыления, либо другим способом, обеспечивающим равномерное покрытие, наносится тонкий слой диэлектрика, например в виде эпоксидной композиции, либо другого электрически не проводящего материала, с одинаковым коэффициентом теплового расширения с материалами обмоток и магнитопровода. После сушки на магнитопровод с защитным диэлектрическим покрытием наносится проводящий слой, например медь, для первичной обмотки требуемой толщины методом химического, а затем гальванического осаждения. Методом объемной фотолитографии на покрытие наносится маска, защищающая витки первичной обмотки и осуществляется травление спиральной дорожки разделяющей витки, что обеспечивает получение обмотки в виде многослойной объемной пленочной спирали с максимальным сцеплением магнитного потока между обмоткой и магнитопроводом, а также максимальным коэффициентом заполнения обмотки материалом. После удаления маски к месту разрыва полученной объемной пленочной спирали, являющейся первичной обмоткой, присоединяются выводы. На магнитопровод с готовой первичной обмоткой, снова наносится слой диэлектрика и после сушки выращивается электропроводящее покрытие для вторичной обмотки необходимой толщины методом химического, а затем гальванического осаждения металла. Методом объемной фотолитографии на металлическое покрытие наносится маска аналогичная первичной для получения многослойной объемной пленочной спирали. После удаления маски к краям многослойной объемной пленочной спирали присоединяются выводы вторичной обмотки.
Предлагаемый тороидальный трансформатор с пленочными обмотками, в сравнении с трансформатором-прототипом с обмотками выполненными намоткой медным проводом (литцендрат), изготовленные на одинаковую мощность с одинаковым коэффициентом трансформации на разных частотах показали следующие основные параметры:
Измерительный прибор (частота на которой производилось измерение)
Параметры трансформаторов
Трансформаторы
Предлагаемый трансформатор с обмотками, выполненными гальваническим способом. w<sub>1</sub>=15, w<sub>2</sub>=1, n=15
Трансформатор-прототип с обмотками (литцендрат), выполненными намоткой. w<sub>1</sub>=60, w<sub>2</sub>=4, n=15
E7-12(1МГц)
Индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке, не включая индуктивности выводов
0,935 мкГн
47 мкГн
E7-8(1кГц)
Индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке, включая индуктивности выводов
2,2 мкГн
51,4 мкГн
Индуктивность намагничивания
478 мкГн
9,05 мГн
Межобмоточная емкость
279,3 пФ
76,8 пФ
Сопротивление первичной обмотки
19 мОм
180 мОм
-
Расчетная мощность при f<sub>раб</sub>=120 кГц и токе через первичную обмотку 9 А
2000 Вт
-
Мощность, запасаемая индуктивностью рассеяния (паразитная)
20 Вт
509 Вт
Здесь: w<sub>1</sub> - количество витков первичной обмотки;w<sub>2</sub> - количество витков вторичной обмотки;n - коэффициент трансформации.
Индуктивность рассеяния, благодаря выполнению обмоток в виде объемной пленочной спирали, приведенная к первичной обмотке предлагаемого трансформатора без учета индуктивности выводов, на частоте 1 МГц в 50 раз меньше, чем у прототипа, а с учетом индуктивности выводов на частоте 1 кГц в 23 раза меньше.
Кроме того, коэффициент заполнения электропроводным материалом обмоток у предлагаемого трансформатора в 1,27 раза больше чем у прототипа на одинаковую мощность и как следствие, тепловое сопротивление между слоями проводников и магнитопровода в 1,2 раза меньше.
Таким образом, в предлагаемой конструкции тороидального трансформатора достигается максимальное сцепление магнитного потока между обмотками и магнитопроводом, соответственно достигается минимальная индуктивность рассеяния. Сечение проводника обмотки используется наиболее полно вследствие его геометрии и расположения в пространстве, обмотки имеют максимально возможный коэффициент заполнения электропроводящим материалом, в результате чего уменьшается тепловое сопротивление между обмотками, магнитопроводом и окружающей средой, что в совокупности повышает коэффициент полезного действия трансформатора.