CN109804441B - 变压器及具备该变压器的电力转换器 - Google Patents

变压器及具备该变压器的电力转换器 Download PDF

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Abstract

变压器(1)具备：铁芯(10)，其形成磁路，并且至少一部分设置有间隙(11)；绕线架(20)，其被安装于该铁芯(10)；第一绕组(31)，其被成两层以上进行卷绕，所述两层以上包括被卷绕在该绕线架(20)的离间隙(11)最近的一侧的层(31a)和被卷绕在比该层(31a)离间隙(11)远的一侧的层(31b)；和第二绕组(32)，其包括被卷绕在第一绕组(31)侧的层(31a)与层(31b)之间的第二绕组(32)侧的层(32a)，与第一绕组(31)绝缘，所述第一绕组(31)的层(31a)与层(31b)被串联连接。

Description

变压器及具备该变压器的电力转换器
技术领域
本发明涉及变压器(transformer)及具备该变压器的电力转换器，特别是涉及具有适合于绝缘型转换器等电力转换器的绕组结构的变压器及具备该变压器的电力转换器。
背景技术
作为高效率的绝缘型转换器，实际使用了LLC(逻辑链路控制)电流谐振转换器。近年来，出现了如下的情况：LLC被用于如太阳光功率调节器等那样要求宽范围的电压变动的转换器。在该情况下，为了应对宽的输入输出电压范围，LLC的励磁电流需要设计成较大。为了增大励磁电流，需要减小变压器的励磁电感，存在变压器的间隙增大的倾向。
此外，提出有漏感低、可抑制浪涌电压的产生并能够减少噪声的变压器(例如，参照专利文献1)。
并且，还提出有减少涡流损耗并减少发热的变压器(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-62399号公报
专利文献2：日本特开2010-232272号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所述的变压器的绕组结构中，层叠的各绕组层被并联连接。因此，存在这样的课题：在变压器的铁芯间隙大的情况下，来自该间隙的泄漏磁通使并联绕组之间产生电流波动，一部分绕组异常发热。
另一方面，在专利文献2所述的变压器中，需要将两处铁芯间隙设置在各个泄漏磁通因磁干扰而彼此消除那样的地方。
鉴于以往技术的这样的课题，本发明的目的在于，提供利用简单的结构而无需在两处设置铁芯间隙就能够抑制来自铁芯间隙的泄漏磁通导致的绕组的异常发热的变压器及具备那样的变压器的电力转换器。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明的变压器的特征在于，所述变压器具备：铁芯，其形成磁路，并且至少一部分设置有空隙；绕线架，其被安装于所述铁芯；第一绕组，其被分成两层以上进行卷绕，所述两层以上包括被卷绕在所述绕线架的离所述空隙最近的一侧的第一绕组第一层和被卷绕在比所述第一绕组第一层离所述空隙远的一侧的第一绕组第二层；和第二绕组，其包括被卷绕在所述第一绕组第一层与所述第一绕组第二层之间的第二绕组第一层，与所述第一绕组绝缘，所述第一绕组第一层与所述第一绕组第二层被串联连接。
这里，第一绕组也可以是包括第一绕组第一层和第一绕组第二层以外的层的三层以上，第二绕组也可以是包括第二绕组第一层以外的层的两层以上。例如，铁芯具有两个外脚和中脚，在该中脚设置有空隙的情况下，绕线架的最内侧的绕组层相当于第一绕组第一层。相反地，在两个外脚分别设置有空隙的情况下，绕线架的最外侧的绕组层相当于第一绕组第一层。
根据这样的结构的变压器，即使来自空隙的泄漏磁通在第一绕组与第二绕组之间交链，也不会产生环电流，因此，可抑制绕组的异常发热。
在本发明的变压器中，也可以这样：所述第二绕组也被分成两层以上进行卷绕，所述第一绕组的各层与所述第二绕组的各层被交替地层叠在所述绕线架上，所述第一绕组的各层和所述第二绕组的各层分别被串联连接。
根据这样的结构的变压器，层叠的层越多，表示变压器的第一绕组和第二绕组的结合程度的结合系数越高，因此，可减小漏感。
在本发明的变压器中，也可以这样：所述第一绕组的各层和所述第二绕组的各层被交替地层叠在所述绕线架上，在所述第一绕组中，第一绕组特定层和比该第一绕组特定层离所述空隙近的一侧的各层被串联连接，并且所述第一绕组特定层和比该第一绕组特定层离所述空隙远的一侧的各层被并联连接，在所述第二绕组中，第二绕组特定层和比该第二绕组特定层离所述空隙近的一侧的各层被串联连接，并且所述第二绕组特定层和比该第二绕组特定层离所述空隙远的一侧的各层被并联连接。
根据这样的结构的变压器，来自空隙的泄漏磁通的影响减少，并能够进一步增大变压器的结合系数。
在本发明的变压器中，优选的是，在所述绕线架设置有连接线保持部，所述连接线保持部对所述第一绕组或所述第二绕组的各层之间的串联连接线进行保持。
根据这样的结构的变压器，由于将作为各自分开的绕组的各层串联连接起来无需焊接等的连接，因此，能够减少工时和空间。
在本发明的变压器中，优选的是，所述第一绕组的各层之间的线的出入口与所述第二绕组的各层之间的线的出入口被分离地配置。
根据这样的结构的变压器，能够防止第一绕组与第二绕组之间的绝缘破坏。
另外，具备上述的任一变压器的电力转换器也是本发明的范畴。
发明效果
根据本发明的变压器，即使来自空隙的泄漏磁通在第一绕组与第二绕组之间交链，也不会产生环电流，因此，可抑制绕组的异常发热。
此外，根据具备本发明的变压器的电力转换器，能够应对宽的输入输出电压范围。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的变压器1的概观结构的剖视图。
图2是示出变压器1的绕组部30的具体情况的剖视图。
图3是示出变压器1的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。
图4是示出以往的变压器101的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。
图5是例示变压器1的来自间隙11的泄漏磁通Φ的剖视图。
图6是例示以往的变压器101的泄漏磁通Φ的影响的剖视图。
图7是例示变压器1的泄漏磁通Φ的影响的剖视图。
图8是例示变压器1和以往的变压器101动作时的绕组的温度上升的图表。
图9是例示本发明的第二实施方式的变压器1A的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。
图10是示出本发明的第三实施方式的变压器1B的概观结构及第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。
图11是示出本发明的第四实施方式的变压器1C的概观结构的剖视图。
图12是示出变压器1C的第一绕组31的各层之间的电连接的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。
<第一实施方式>
1.1概略结构
图1是示出本发明的第一实施方式的变压器1的概观结构的剖视图。图2是示出变压器1的绕组部30的具体情况的剖视图。
如图1所示，变压器1具备：铁芯10，其形成磁路，并且在中脚10b设置有间隙11；绕线架(卷绕框)20，其被安装于该铁芯10的中脚10b；和绕组部30，其被分成多层地卷绕在该绕线架20上。
铁芯10具有一个中脚10b和从该中脚10b分支成两个的外脚10a、10c(在需要的情况下分别称为左脚10a、右脚10c来区别)，其中，在中脚10b设置有间隙11。设置该间隙11是用于防止铁芯10的磁饱和、或调整变压器1的励磁电感，但也可以不设置在中脚10b。
可将例如两个E型铁芯组合起来构成铁芯10，但需要将与中脚对应的部分缩短相当于间隙11的间隔G的长度。在该情况下，既可以例如将与两方的E型铁芯的外脚对应的部分分别各缩短相当于间隙间隔G的1/2的长度，也可以仅将与一方的E型铁芯的外脚对应的部分缩短相当于间隙间隔G的长度。另外，铁芯10的材质是一般的材质即可。
如图2所示，被电绝缘的第一绕组31的各层和第二绕组32的各层以交替层叠的方式被卷绕在绕线架20上。具体而言，从绕线架20的内侧(离间隙11近的一侧)起按下面的顺序卷绕。
1)第一绕组31的层31a
2)第二绕组32的层32a
3)第一绕组31的层31b
4)第二绕组32的层32b
5)第一绕组31的层31c
但是，并非限于第一绕组31为三层、第二绕组32为两层的共计五层。另外，在该情况下，按离间隙11近的顺序，关于第一绕组31，层31a相当于本发明的“第一绕组第一层”，层31b相当于“第一绕组第二层”。关于第二绕组32，层32a相当于“第二绕组第一层”。此外，第一绕组31和第二绕组32例如对应于电力转换器的一次侧/二次侧或者二次侧/一次侧。
此外，在第一绕组31和第二绕组32的各层之间贴有用于防止绝缘破坏的绝缘带(绝缘部件)41，在各层的绕组两端也贴有用于防止与相邻的层的绝缘破坏的屏蔽带(绝缘部件)42。所述绝缘带41和绝缘带42实际上使用不同的带，但也可以使用相同的带。
变压器1的第一绕组31和第二绕组32的结合程度通过取0～1的数值的结合系数来表示，泄漏磁通越少越接近1。通过交替地卷绕第一绕组31和第二绕组32的各层，从而能够减少在相同绕组之间产生的接近效果，并能够减少绕组产生的损失。此外，根据这样的结构，由于变压器1的结合系数增高(漏感减小)，因此，根据使用了该变压器1的电力转换器的回路结构，能够提高效率。
1.2第一绕组31和第二绕组32的电连接
图3是示出变压器1的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。图4是示出以往的变压器101的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。
如图3所示，在变压器1中，第一绕组31的各层(层31a、层31b和层31c)被串联连接(参照图3的右侧)，第二绕组32的各层(层32a和层32b)也被串联连接(参照图3的左侧)。
具体而言，关于第一绕组31，层31a的一端(在图3中是上端)与层31b的一端(在图3中是上端)通过第一绕组侧的连接线33a被连接起来，并且层31b的另一端(在图3中是下端)与层31c的一端(在图3中是下端)通过连接线33b被连接起来。关于第二绕组32，层32a的一端(在图3中是上端)与层32b的一端(在图3中是上端)通过第二绕组侧的连接线34a被连接起来。
另一方面，在以往的变压器101中，如图4所示，第一绕组31的各层通过第一绕组侧的连接线133a和连接线133b被并联连接(参照图4中的右侧)，第二绕组32的各层也通过第二绕组侧的连接线134a和连接线134b被并联连接(参照图4中的左侧)。
但是，优选的是，变压器1的第一绕组31整体的电阻值和第二绕组32整体的电阻值与以往的变压器101为相同的程度。因此，例如，变压器1的第一绕组31和第二绕组32也可以采用更粗的线材。具体而言，也可以这样：由三层构成的第一绕组31采用每单位长度的电阻值为1/3的线材，由两层构成的第二绕组32采用每单位长度的电阻值为1/2的线材。
1.3来自间隙11的泄漏磁通Φ的影响
图5是例示变压器1的来自间隙11的泄漏磁通Φ的剖视图。图6是例示以往的变压器101的泄漏磁通Φ的影响的剖视图。图7是例示变压器1的泄漏磁通Φ的影响的剖视图。图8是例示变压器1和以往的变压器101动作时的绕组的温度上升的图表。另外，在图6和图7中，省略了第二绕组32的图示。
如图5所示，在变压器1动作的情况下，从被设置于铁芯10的间隙(气隙)11产生泄漏磁通Φ。在该间隙11大时泄漏磁通Φ到达至第一绕组31及第二绕组32，在这些绕组的层之间产生磁通变动。
在以往的变压器101中，由于第一绕组31和第二绕组32的各层分别被并联连接，因此，如图6所示，当泄漏磁通Φ在并联的环内交链时，在该环内产生感应电动势而环电流I流动。该环电流I使应流过本来均一的电流的各层之间产生电流波动，在一部分的绕组中产生由过剩电流导致的发热。
另一方面，在第一实施方式的变压器1中，由于第一绕组31和第二绕组32的各层分别被串联连接，因此，如图7所示，即使在各层之间泄漏磁通Φ交链，由于本来不存在环，因而也不会产生环电流I。其结果是，没有环电流I导致的过剩电流，可防止绕组的异常发热的发生。
将实际试制的变压器1与以往的变压器101的各绕组的温度上升在同一动作条件下进行了比较，如图8所示，在以往的变压器101中是55.1℃(图8中的左侧)，但在变压器1中停留在31.4℃(图8中的右侧)。即，可确认的是，通过使变压器1的第一绕组31和第二绕组32为串联层叠结构，从而能够大幅度地抑制温度上升。
根据以上说明的第一实施方式，即使来自间隙11的泄漏磁通Φ在第一绕组31与第二绕组32之间交链，也不会产生环电流I，因此，没有环电流I导致的过剩电流，可抑制第一绕组31及第二绕组32的异常发热。
<第二实施方式>
图9是例示本发明的第二实施方式的变压器1A的第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。另外，对与第一实施方式相同的构成部件标注相同的参照标号，下面，主要对不同点进行说明。
如图9所示，在变压器1A中，第一绕组31的层31a与层31b被串联连接，层31b与层31c被并联连接。即，第一绕组31的特定层(这里是层31b)与比其靠内侧(离间隙11近的一侧)的各层(这里仅是层31a)被串联连接，该特定层(层31b)与比其靠外侧(离间隙11远的一侧)的各层(这里仅是层31c)被并联连接。
第二绕组32的各层(层32a、层32b)全部被并联连接。另外，在第二绕组32有三层以上的情况下，也可以这样：与第一绕组31同样地，特定层与比其靠内侧的各层被串联连接，并且该特定层与比其靠外侧的各层被并联连接。
根据以上说明的第二实施方式，仅容易受到来自间隙11的泄漏磁通Φ的影响的内侧层(离间隙11近的层)与其它层被串联连接。能够利用比将所有层串联连接(例如，参照图3)简单的结构避免泄漏磁通Φ的影响，并且能够进一步增大变压器1A的结合系数。
<第三实施方式>
图10是示出本发明的第三实施方式的变压器1B的概观结构及第一绕组31和第二绕组32的各层之间的电连接的剖视图。另外，对与第一实施方式及第二实施方式相同的构成部件标注相同的参照标号，下面，主要对不同点进行说明。
在将绕组串联连接时，也可以考虑如下方法：在每层上卷绕各自分开的绕组，将其端部通过焊接等连接成为串联，但在该情况下需要用于连接作业的工时。
因此，作为对用于将各层之间串联连接的连接线进行保持的结构，在绕线架20上分别设置有连接线保持部21。例如，也可以在绕线架20上挖出供连接线进入的那样的槽。
并且，第一绕组31的层之间的线的出入口与第二绕组32的层之间的线的出入口被分离地(在该图中分成左侧和右侧)配置，与各自对应的连接线保持部21也被配置在分离的位置上，因此，可防止第一绕组31与第二绕组32之间的绝缘破坏。
根据以上说明的第三实施方式，能够利用一根绕组简便且稳定地交替地串联卷绕。此外，还可防止由在连接线之间接触导致的绝缘破坏等。
<第四实施方式>
图11是示出本发明的第四实施方式的变压器1C的概观结构的剖视图。图12是示出变压器1C的第一绕组31的各层之间的电连接的剖视图。另外，在图12中省略了第二绕组32的图示。对与第一实施方式至第三实施方式相同的构成部件标注相同的参照标号，下面，主要对不同点进行说明。
如图11所示，变压器1C具备：铁芯10C，其形成磁路，并且在两个外脚10Ca、10Cc分别设置有间隙11C；绕线架20，其被安装于该铁芯10C的中脚10Cb；和绕组部30，其被分成多层地卷绕在该绕线架20上。
此外，如图12所示，在变压器1C中，第一绕组31的各层(层31a、层31b和层31c)被串联连接。具体而言，层31a的一端(在图12中是上端)与层31b的一端(在图12中是上端)通过连接线33a被连接起来，并且层31b的另一端(在图12中是下端)与层31c的一端(在图12中是下端)通过连接线33b被连接起来。
根据以上说明的第四实施方式，即使来自外脚10Ca、10Cc的各间隙11C的泄漏磁通Φ在第一绕组31之间交链，也不会产生环电流，因此，没有环电流导致的过剩电流，可抑制第一绕组31的异常发热。关于第二绕组32也同样。
<第四实施方式的变形例>
此外，与第二实施方式同样地，例如，关于第一绕组31，也可以仅将容易受到来自各间隙11C的泄漏磁通Φ的影响的离间隙11C近的层(这里是外侧层)与其它层串联连接。另外，在该情况下，按离间隙11C近的顺序，层31c相当于“第一绕组第一层”，层31b相当于“第一绕组第二层”。
具体而言，将第一绕组31的层31c与层31b串联连接，将层31b与层31a并联连接。即，将第一绕组31的特定层(这里是层31b)与比其离间隙11C近的一侧的各层(这里仅是层31c)串联连接，将该特定层(层31b)与比其离间隙11C远的一侧的各层(这里仅是层31a)并联连接。
根据以上说明的第四实施方式的变形例，仅容易受到来自间隙11C的泄漏磁通Φ的影响的离间隙11C近的层(外侧层)与其它层被串联连接。能够利用比将所有层串联连接简单的结构避免泄漏磁通Φ的影响，并能够进一步增大变压器1C的结合系数。
<其它实施方式>
也可以将上述的变压器1、变压器1A、变压器1B或变压器1C中的任一变压器应用于绝缘型转换器等电力转换器。这样的电力转换器能够应对宽的输入输出电压范围。
另外，本发明在不脱离其主旨或主要特征的情况下可通过其它各种方式实施。因此，上述的各实施方式及各实施例在所有方面仅仅是示例，不可限定地进行解释。本发明的范围通过权利要求书表示，不受说明书正文任何限制。并且，属于权利要求书的同等范围的变形及变更均在本发明的范围内。
本申请要求基于2016年10月12日在日本申请的特愿2016-200694号的优先权。其内容通过在此提及而被加入到本申请中。此外，在本说明书中引用的文献通过在此提及而其全部被具体地加入进来。
标号说明
1 变压器
1A 变压器
1B 变压器
1C 变压器
10 铁芯
10a 外脚(左脚)
10b 中脚
10c 外脚(右脚)
10C 铁芯
11 间隙
11C 间隙
20 绕线架
21 连接线保持部
30 绕组部
31 第一绕组
32 第二绕组
33a 连接线
33b 连接线
34a 连接线
41 绝缘带
42 屏蔽带
101 变压器(以往技术)

Claims (4)

1.一种变压器，其特征在于，
所述变压器具备：
铁芯，其形成磁路，并且至少一部分设置有空隙；
绕线架，其被安装于所述铁芯；
第一绕组，其被分成两层以上进行卷绕，所述两层以上包括被卷绕在所述绕线架的离所述空隙最近的一侧的第一绕组第一层和被卷绕在比所述第一绕组第一层离所述空隙远的一侧的第一绕组第二层；和
第二绕组，其包括被卷绕在所述第一绕组第一层与所述第一绕组第二层之间的第二绕组第一层，与所述第一绕组绝缘，
所述第一绕组第一层与所述第一绕组第二层被串联连接，
所述第二绕组也被分成两层以上进行卷绕，
所述第一绕组的各层与所述第二绕组的各层被交替地层叠在所述绕线架上，
在所述第一绕组中，第一绕组特定层和比该第一绕组特定层离所述空隙近的一侧的各层被串联连接，并且所述第一绕组特定层和比该第一绕组特定层离所述空隙远的一侧的各层被并联连接，
在所述第二绕组中，第二绕组特定层和比该第二绕组特定层离所述空隙近的一侧的各层被串联连接，并且所述第二绕组特定层和比该第二绕组特定层离所述空隙远的一侧的各层被并联连接，但是，将所述第一绕组特定层是所述第一绕组的最外层、并且所述第二绕组特定层是所述第二绕组的最外层的情况除外。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，
在所述绕线架设置有连接线保持部，所述连接线保持部对所述第一绕组或所述第二绕组的各层之间的串联连接线进行保持。
3.根据权利要求1或2所述的变压器，其特征在于，
所述第一绕组的各层之间的线的出入口与所述第二绕组的各层之间的线的出入口被分离地配置。
4.一种电力转换器，其具备权利要求1至3中的任一项所述的变压器。
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