ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ФОЛЬГОВОЙ ОБМОТКОЙ
PULSE TRANSFORMER WITH FOIL WINDING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к импульсному трансформатору с новым выполнением обмотки и к эффективному способу изготовления импульсного трансформатора с такой обмоткой.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электроэнергетические системы используются во всех отраслях промышленности и обычно содержат определенные схемы для регулируемой передачи электрической мощности или энергии к нагрузке. Примером широко распространенной электроэнергетической системы является модулятор энергии, который можно рассматривать как устройство, регулирующее электрическую энергию. Когда модулятор энергии предназначен для генерации электрических импульсов, его также называют импульсным модулятором или импульсным генератором. Обычно модулятор энергии подает электрические импульсы высокой энергии на специализированную нагрузку. Например, электрические импульсы высокой мощности используются для питания мощных микроволновых усилительных ламп в системах электронных ускорителей и/или микроволновых генераторных системах в медицине и радиолокации.
Ключевым элементом в модуляторе энергии является импульсный трансформатор, содержащий сердечник, одну или несколько первичных обмоток и одну или несколько вторичных обмоток. Импульсный трансформатор используется для передачи импульсной энергии с первичной стороны на вторичную сторону, обычно с изменением напряжения и тока. Сердечник выполнен из магнитного материала, а обмотки - в основном из медных проводов. При работе трансформатор часто находится в резервуаре, где соответствующая жидкость, например масло, может эффективно охлаждать его элементы и обеспечивать электрическую изоляцию.
Сердечники трансформаторов для коротких импульсов длительностью в диапазоне нескольких микросекунд обычно изготавливают из намотанной ленты из кремнистого чугуна. Толщина этой ленты обычно составляет всего 0,05 мм. Это необходимо для уменьшения потерь в сердечнике. Для практического использования катушек/обмоток сердечник разрезают на две половины. Когда половины соединяют снова, оставшийся зазор должен быть минимальным и поэтому поверхности должны быть отшлифованы и, возможно, протравлены, чтобы исключить короткое замыкание между слоями ленты. Между половинами сердечника также должна быть тонкая изоляция.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение устраняет эти и другие недостатки известных устройств.
Главной целью изобретения является создание усовершенствованной конструкции импульсного трансформатора.
Целью изобретения является также создание нового способа изготовления импульсного трансформатора,
Изобретение предлагает новый подход при конструировании импульсного трансформатора. Обычный подход состоит в том, что сердечник трансформатора разрезают пополам, на разрезанный сердечник ставят обмотки и снова соединяют половины сердечника, оставляя между ними минимальный зазор. Импульсный трансформатор согласно изобретению состоит из неразрезанного сердечника и фольговой обмотки, содержащей несколько изолированных проводящих полос, намотанных на сердечник и заканчивающихся выводами фольговой обмотки, для образования группы независимых первичных обмоток.
Этот новый конструктивный принцип имеет несколько преимуществ. При выполнении обмотки (обмоток) из фольги благодаря легкой установке обмотки (обмоток) на сердечник отпадает необходимость разрезать его. Работа по установке нескольких первичных обмоток значительно сокращается. Помимо исключения затрат на разрезание сердечника, достигаются также дополнительные преимущества, состоящие в уменьшении возвратного постоянного тока, снижении риска коротких замыканий и исключении чрезмерных потерь из-за проблем, обусловленных сопротивлением переменному току высокой частоты.
Несколько первичных обмоток и их выводы предпочтительно могут быть образованы на единой проводящей фольге, расположенной на изоляционной фольге. Преимущество такого решения в том, что для создания нескольких независимых (т.е. изолированных одна от другой) первичных обмоток с готовыми к присоединению концевыми выводами нужно намотать только один виток многополосной фольговой обмотки. Затем соединения можно выполнить, например, просто путем присоединения к концам проводящих фольговых полос стандартных многоштыревых разъемов или любого другого соединительного устройства.
Вторичная обмотка может быть образована путем сдвига проводников многополосной фольговой обмотки на одну полосу, когда фольгу оборачивают вокруг сердечника и встречные концы припаивают друг к другу с образованием вторичной обмотки с одним начальным концом и с одним конечным концом.
Изобретение имеет по меньшей мере следующие преимущества:
- Конструкция, оптимальная по критерию «эффективность - стоимость».
- Уменьшение стоимости изготовления.
- Уменьшение возвратного постоянного тока.
- Уменьшение риска коротких замыканий.
- Исключение чрезмерных потерь из-за возможных проблем, связанных с сопротивлением переменному току высокой частоты.
- Уменьшение индуктивности и риска искрения.
Другие преимущества изобретения будут понятны из описания вариантов его осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Новые признаки, характеризующие изобретение, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Изобретение и другие его особенности и преимущества будут более понятны из подробного описания конкретных вариантов его осуществления, сопровождаемого чертежами, где:
На фиг.1 схематично изображен импульсный трансформатор согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения,
На фиг 2 показана многополосная фольговая обмотка согласно типичному варианту осуществления изобретения,
На фиг.3 показана последовательность операций способа изготовления импульсного трансформатора согласно типичному варианту осуществления изобретения,
На фиг.4 показана обмотка согласно другому типичному варианту осуществления изобретения,
На фиг.5 показан трансформатор с несколькими первичными фольговыми обмотками согласно типичному варианту осуществления изобретения,
На фиг.6А-В показан пример выполнения трансформатора с несколькими первичными фольговыми обмотками согласно типичному варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для лучшего понимания изобретения в начале данного описания рассматривается обычный подход к конструированию импульсных трансформаторов.
Для практического применения катушек/обмоток сердечник обычно разрезают на две половины. Когда эти половины соединяют снова, зазор между ними должен быть минимальным и потому поверхности должны быть отшлифованы по плоскости и, возможно, протравлены, чтобы исключить короткие замыкания между слоями ленты. По этой же причине между половинами сердечника должна также находиться тонкая изоляция.
Однако заявителям известно, что разрез сердечника оказывает некоторое влияние на характеристики трансформатора.
Например, если остаточный зазор в разрезе составляет около 0,05 мм, то необходимо некоторое магнитное поле (например, 80 ампер-витков), чтобы индукция в зазоре была равна 1 Тл. Это выгодно в том отношении, что при токе, равном нулю, остаточное поле будет близко к нулю и для формирования импульса поле может нарастать примерно до 1-1,5 Тл. Без зазора остаточное поле может составлять около 1 Тл и для формирования импульса остается только от 0-0,5 Тл. Однако для эффективного использования сердечника часто подают постоянный ток на дополнительную обмотку, чтобы сдвинуть поле при нулевом первичном токе в сторону отрицательных значений 1-1,5 Тл. В результате для формирования импульса нарастание поля составляет до 3 Тл. Большая часть этого тока расходуется в зазоре, и отрицательным следствием этого является необходимость в более мощных элементах электропитания. При отсутствии разреза постоянный возвратный ток обычно уменьшается в четыре раза. Кроме дополнительных затрат на разрезание сердечника, существует также повышенная опасность коротких замыканий.
Поэтому импульсный трансформатор, использующий несколько первичных источников питания, например, описанный в нашем патенте США 5905646, опубликованном также как международная заявка WO 98/28845 А1, и нашем патенте США 6741484, опубликованном также как международная заявка WO 03/061125 А1, имеет несколько первичных обмоток. При традиционной технологии установка всех этих обмоток и создание соединений для обмоток представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс.
Поэтому существует потребность в усовершенствованной конструкции импульсного трансформатора.
Основной идеей изобретения является создание конструкции импульсного трансформатора с неразрезанным сердечником и по меньшей мере одной фольговой обмоткой, имеющей несколько изолированных электропроводящих полос, расположенных вокруг сердечника и заканчивающихся выводами фольговой обмотки, для образования нескольких независимых первичных обмоток.
В примере, схематично показанном на фиг.1, импульсный трансформатор 100 содержит неразрезанный сердечник 110, две фольговые обмотки 120-А, 120-В и две вторичные обмотки 130-А, 130-В. Каждая фольговая обмотка 120 имеет несколько изолированных проводящих полос, расположенных вокруг сердечника, для образования нескольких независимых первичных обмоток по типу «многопроводного монтажа». Каждая фольговая обмотка из фольги может также называться первичной фольговой обмоткой с многопроводным монтажом.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения несколько первичных обмоток и их выводы образованы и выполнены на одной проводящей фольге, расположенной на изоляционной фольге. Проводящая фольга выполнена из подходящего электропроводящего материала, например из меди. Для образования нескольких независимых (т.е. изолированных одна от другой) первичных обмоток с готовыми для соединения концевыми выводами, вокруг неразрезанного сердечника нужно сделать только один виток многополосной фольговой обмотки 120. Проводящие полосы в общем изолированы одна от другой и расположены вокруг сердечника.
«Проводники» (проводящие полосы) предпочтительно образуют на проводящей фольге известным фотохимическим способом, например, с использованием стандартных методов изготовления печатных плат.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первичные обмотки и их выводы создают на единой проводящей фольге (осажденной на изоляционной фольге), а соединения выполняют просто путем присоединения, например, стандартных многоштыревых разъемов (например, 15-ти штыревых). Это является еще одним важным преимуществом изобретения. Хотя с точки зрения изготовления многоштыревые разъемы очень эффективны, можно использовать любые другие имеющиеся на рынке соединительные устройства, например обычные контактные колодки, припаянные к печатным платам или впаянные в кабель.
Другое преимущество фольговой обмотки состоит в том, что она легко может закрывать окно сердечника по всей длине почти непрерывным проводящим листом, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля. Тем самым уменьшается индуктивность и опасность искрения.
При использовании фольговой обмотки (обмоток) отпадает необходимость разрезать сердечник, так как на нем легко разместить такую обмотку (обмотки). Работа по установке нескольких первичных обмоток значительно упрощается. Помимо исключения затрат на разрезание сердечника, также достигаются дополнительные преимущества - уменьшение возвратного постоянного тока и риска коротких замыканий. Дополнительный эффект, обусловленный новым принципом выполнения обмотки, состоит в том, что исключаются большие потери, связанные с проблемами сопротивления переменному току высокой частоты.
Вторичная обмотка (обмотки) может (могут) быть любой обычной обмоткой (обмотками), и предпочтительно представляет (представляют) собой многовитковую вторичную обмотку (обмотки).
Фольговые обмотки сами по себе известны из [1-4], но они предназначены для другого применения и имеют другой принцип конструкции по сравнению с предложенной согласно изобретению.
В [1] фольговая обмотка в виде однополосной фольги намотана в несколько слоев вокруг обычного сердечника, а между слоями имеется подходящая межвитковая изоляция.
В [2] описана низковольтная фольговая обмотка для высоковольтного трансформатора телевизионной линии. Фольговая обмотка окружает сердечник, а слои обмотки изолированы друг от друга изоляционной лентой, которую наматывают одновременно с проводящей фольгой. Проводящая фольга образует непрерывную проводящую поверхность, так что силовые линии поля в центральной части проходят параллельно обмотке.
В [3] описан предназначенный для подвода питания проводник, выполненный из проводящей фольги фольговой обмотки силового трансформатора. Этот проводник образован в виде проводникового пакета из имеющих форму флажков сложенных концевых частей одного конца фольговой обмотки и является иллюстрацией того, как можно простым путем получить узкий выполненный в виде пакета концевой вывод из более широкого куска фольги.
В [4] описана фольговая обмотка с собственными выводами для трансформаторов и дросселей. Концевая часть обычной многослойной фольговой обмотки разрезана на части в форме флажков, которые сгибают или формируют иным образом для получения уложенных друг на друга собственных выводов. Имеющие форму флажков части выполнены достаточно длинными, чтобы полученные уложенные друг на друга выводы доходили до монтажной платы для упрощения соединения трансформатора с платой.
На фиг.2 показана обмотка, выполненная в соответствии с типовым вариантом осуществления изобретения. Фольга из подходящего проводящего материала (например, из меди) нанесена на фольгу из изоляционного материала (например, из пластмассы), а полосы проводящей фольги выполнены по типу проводов с соответствующей конфигурацией, например, обычными методами травления. Показанная на фиг.2 обмотка 120 из фольги особенно подходит для образования нескольких первичных обмоток. Отделенные друг от друга проводящие полосы или проводники предпочтительно проходят на всю длину фольговой обмотки. Первичную фольговую обмотку наматывают на сердечник предпочтительно в один виток и затем один ее конец сгибают под углом около 45 градусов (как показано на фиг.2 штриховыми линиями), а другой конец образуют путем поворота примерно на 90 градусов, чтобы проводники для входящего тока (входные выводы) могли находиться очень близко к проводникам для выходящего тока (выходные выводы), когда в конце процесса изготовления эти два конца собирают вместе. В результате уменьшаются поля рассеивания. Хотя выполненные из фольги первичные обмотки изолированы одна от другой, должно быть понятно, что для особых видов работ две или большее число проводящих полос фольговой обмотки могут быть соединены параллельно.
На фиг.3 показаны операции способа изготовления импульсного трансформатора согласно типовому варианту осуществления изобретения. Первая операция (S1) заключается в обеспечении наличия неразрезанного сердечника импульсного трансформатора. На следующей операции (S2) изготавливают фольговую обмотку трансформатора с несколькими изолированными проводящими полосами, оканчивающимися выводами обмотки для образования группы из нескольких отдельных независимых первичных обмоток. Например, многополосную фольговую обмотку получают предпочтительно путем осаждения фольги из проводящего материала на фольгу из изоляционного материала и образования на проводящей фольге нескольких проводящих полос по типу проводного монтажа. Затем многополосную фольговую обмотку, образующую несколько первичных обмоток, обматывают вокруг неразрезанного сердечника трансформатора (S3). Для создания соединений для нескольких первичных обмоток, выводы или концевые части нескольких проводящих полос присоединяют, по выбору, к многоштыревому разъему или подобному соединительному устройству.
На фиг.4 показана обмотка согласно другому типовому варианту осуществления изобретения, которую можно взять за основу при создании вторичной обмотки. «Провода» на фольге предпочтительно сдвигаются на одну полосу, когда фольгу наматывают (обычно с суживающейся общей формой) на сердечник и припаивают друг к другу встречные концы, образуя обмотку, как показано штриховыми линиями. Путем смещения на одну полосу обеспечиваются естественные начальный конец (вход) и конечный конец (выход) обмотки.
В настоящее время фольгу толщиной более 0,05 мм нелегко найти на рынке. Это может ограничивать среднюю мощность трансформатора, если в процессе создания обмоток не добавить несколько слоев.
На фиг.5 показан трансформатор с несколькими первичными фольговыми обмотками без вторичной обмотки. Этот трансформатор имеет двухстержневой сердечник, причем первичная обмотка на одном из стержней изображена без разъема, чтобы было видно, что входные и выходные проводники расположены близко друг к другу благодаря сгибу под углом 45 градусов, а на другом стержне первичная обмотка присоединена к многоштыревому разъему.
На фиг.6А-В показаны различные виды всего трансформатора с новой фольговой первичной обмоткой и обычной вторичной проволочной обмоткой. Разумеется, ничто не мешает выполнить вторичную обмотку из фольги.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере первичная обмотка и/или вторичная обмотка выполнена/выполнены из фольги из подходящего проводящего материала, такого как медь, расположенного на изоляционной фольге, намотанной вокруг ярма.
Если импульсный трансформатор имеет несколько сердечников, то каждый из них может иметь одну или несколько фольговых обмоток.
Описанные выше варианты осуществления представлены в качестве примеров и не ограничивают изобретения. В пределах объема, определяемого формулой изобретения, возможны другие его варианты осуществления, модификации и усовершенствования.
Источники информации
[1] «Трансформаторы с алюминиевой и медной фольгой», Technical Information, ElectroCube, Август 2006.
[2] Патент США 4,086,552
[3] Патент США 5,805,045
[4] Патент США 6,930,582