專利名稱：高頻電力變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高頻電力變壓器和構(gòu)成高頻電力變壓器的方法。特別地，本實(shí)用 新型涉及這樣的高頻電力變壓器以及形成所述變壓器的方法其中，第一繞組被布置為經(jīng) 過第二繞組的至少兩個(gè)繞組孔(Windingaperture)。
背景技術(shù)：
當(dāng)構(gòu)成高頻電力變壓器時(shí)，需要考慮多種可能的問題，以便使變壓器盡可能有效 和高效地運(yùn)行。第一個(gè)問題是“集膚效應(yīng)”所引起的，其是AC(交流)現(xiàn)象。當(dāng)AC流經(jīng)導(dǎo)線或電 纜等導(dǎo)體時(shí)，內(nèi)部渦流在導(dǎo)體中產(chǎn)生。這些渦流使得電流密度在導(dǎo)體表面處比在導(dǎo)體中心 處大。這是由于導(dǎo)體的有效電阻向著導(dǎo)體中心隨著電流頻率增大。參照圖1A，示出了沿著導(dǎo)體101的圓周的截面。假設(shè)AC信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)體101。由于 AC信號(hào)，電流密度103被指示為在導(dǎo)體101邊緣附近最強(qiáng)。參照圖1B，同樣的導(dǎo)體101被 示為沿著其長度的截面，以便指示沿著導(dǎo)體表面的同樣的電流密度103。第二個(gè)問題由于電流集聚或“鄰近效應(yīng)”而導(dǎo)致。這發(fā)生在沿著導(dǎo)體的邊緣處，其 中，磁場強(qiáng)度(磁通)集中。這在變壓器中特別重大，其中，第一隔離導(dǎo)體具有經(jīng)過其的AC 信號(hào)，從而產(chǎn)生磁場。第一導(dǎo)體的磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流，其改變電流通過鄰近導(dǎo) 體的分布。也就是說，電流集聚將沿著鄰近第一導(dǎo)體的第二導(dǎo)體的表面發(fā)生。這有效地增 大了鄰近導(dǎo)體的AC電阻，并因此增大了發(fā)熱和損耗。參照圖2，隔離導(dǎo)體201被示為緊鄰鄰近的導(dǎo)體203。交流205被示為經(jīng)過隔離導(dǎo) 體201。此電流205產(chǎn)生磁場207，其又產(chǎn)生將在鄰近導(dǎo)體203中產(chǎn)生的渦流。渦流使得電 流集聚209問題與在鄰近導(dǎo)體203的表面附近流動(dòng)的電流相關(guān)聯(lián)。也就是說，集聚問題是 由于繞組鄰近區(qū)域的電流集中引起的。一種已知的移除這些效應(yīng)的方法是使用Litz導(dǎo)線，其由彼此個(gè)體絕緣并扭在一 起的多個(gè)較小直徑的導(dǎo)線構(gòu)成。這在某種程度上有助于減小集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)。然而， Litz導(dǎo)線昂貴。本實(shí)用新型的目的在于克服或至少緩和某些或全部上面提到的問題，或至少向公 眾提供有用的選擇。

實(shí)用新型內(nèi)容根據(jù)一實(shí)施形態(tài)，本實(shí)用新型提供了一種高頻電力變壓器，其包含第一繞組、第二 繞組和芯，其中芯被布置為圍繞第二繞組的至少一部分，第二繞組包含通過第二繞組的至 少兩個(gè)繞組孔，第一繞組被布置為經(jīng)過所述至少兩個(gè)繞組孔。根據(jù)另一實(shí)施形態(tài)，本實(shí)用新型提供了一種構(gòu)成包含第一繞組、第二繞組和芯的 高頻電力變壓器的方法，該方法包含以下步驟將芯布置為圍繞第二繞組的至少一部分，將 第一繞組布置為經(jīng)過第二繞組的至少兩個(gè)繞組孔。根據(jù)本實(shí)用新型的特定實(shí)施例，降低了與電流集聚以及集膚效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的問題。
現(xiàn)在將參照附圖僅僅以舉例的方式介紹本實(shí)用新型的實(shí)施例，在附圖中圖IA示出了導(dǎo)體截面部分上的集膚效應(yīng)；圖IB示出了導(dǎo)體上的集膚效應(yīng)；圖2示出了鄰近導(dǎo)體上的電流集聚效應(yīng)；圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組；圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的高頻電力變壓器的前視圖；圖5A示出了根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組的透視圖；圖5B示出了根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的高頻電力變壓器的透視圖；圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組的截面圖；圖7A示出了根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組；圖7B示出了在進(jìn)一步的制造步驟之后的圖7A的繞組。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在介紹高頻電力變壓器的第一實(shí)施例。高頻變壓器可如同例如在開關(guān)式電源或 轉(zhuǎn)換器中使用的那樣使用。圖3示出了根據(jù)此實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組。在此實(shí)施例中，繞組301由擠壓銅塊形成。然而，將會(huì)明了，繞組也可由用于構(gòu)成 變壓器繞組的一種或多于一種的其他合適的導(dǎo)電材料形成，例如鋁。繞組301可由固體銅塊形成，其中，使用例如銑削等任何已知的合適技術(shù)，將部分 銅從塊中移除。在此實(shí)施例中，繞組被形成為實(shí)質(zhì)上為C或U形部分，其包含大致互相平行 的兩個(gè)側(cè)腿部分(side leg portion) 303以及連接側(cè)腿部分303的頂部305。在此實(shí)施例 中，繞組301為一個(gè)單片銅片。也就是說，繞組的側(cè)部和頂部被形成為一個(gè)一體化元件。透過各個(gè)側(cè)部303形成多個(gè)孔或洞307，使其從各個(gè)側(cè)部的最接近頂部305的末端 延伸到側(cè)部的相反的遠(yuǎn)端。也就是說，洞(繞組孔)的矩陣(matrix)從側(cè)部303的頂?shù)降?透過。使用例如鉆孔等任何合適的已知制造技術(shù)來形成洞。另外，在側(cè)部的底(即不鄰近頂部的遠(yuǎn)端)上形成多個(gè)插腳309，插腳309的形狀 被設(shè)計(jì)為使得繞組能被附著或焊接到電路板，例如印刷電路板(PCB)。這些接觸插腳也可 使用任何合適的制造技術(shù)形成，例如銑削。圖4示出了使用參照圖3介紹的繞組301的高頻電力變壓器的前視圖。在此實(shí)施 例中，繞組301為變壓器的副方繞組。原方繞組(401A和401B)由固體銅線構(gòu)成。各個(gè)銅 線具有在導(dǎo)線外周緣周圍形成的電氣絕緣材料。在此實(shí)施例中，絕緣材料被設(shè)置為三層，以 便保證原方與副方繞組之間存在增強(qiáng)的絕緣層。將會(huì)明了，作為替代方式，絕緣層的數(shù)量可 以改變。絕緣材料可以為任何合適的電絕緣材料，例如。原方繞組401經(jīng)過由副方繞組301的洞307形成的通道403。鐵氧體芯405設(shè)置 在側(cè)部的外表面上，并在C形繞組塊301內(nèi)形成的孔中。也就是說，芯包含第一芯孔，副方 繞組的第一側(cè)部的至少一部分被放置為穿過第一芯孔；第二芯孔，副方繞組的第二側(cè)部的 至少一部分被放置為穿過第二芯孔。[0032]末端插腳309用于經(jīng)由PCB上的對(duì)應(yīng)的洞將變壓器的副方繞組附著到PCB板407。因此，在原方繞組環(huán)路(loop)的四個(gè)側(cè)面中的兩個(gè)上，原方繞組被封閉或封裝在 副方繞組內(nèi)。通過以這樣的方式形成變壓器，大大降低了現(xiàn)有技術(shù)中已知的變壓器的與集膚效 應(yīng)相關(guān)聯(lián)的問題和電流集聚問題。這是因?yàn)樵嚼@組被副方繞組封裝或封閉。通過將原方 繞組封裝或封閉在副方繞組內(nèi)，原方繞組通量之和不會(huì)導(dǎo)致在在副方繞組內(nèi)產(chǎn)生電流集聚 的渦流。相反，各個(gè)個(gè)體原方繞組在原方繞組經(jīng)過的通道周圍形成的局部區(qū)域周圍在副方 繞組部分中感應(yīng)總磁通量的一部分。因此，沿繞組周圍流動(dòng)的電流在整個(gè)周圍分布，使得電 流集聚問題得到緩和。進(jìn)一步的實(shí)施例圖5A示出了根據(jù)本實(shí)用新型進(jìn)一步的實(shí)施例的高頻電力變壓器繞組501的繞組 的透視圖。在此實(shí)施例中，在原方繞組環(huán)路的三個(gè)側(cè)面上，變壓器的原方繞組被封閉或封裝 在副方繞組內(nèi)。副方繞組501由三個(gè)不同的銅片構(gòu)成。第一銅片構(gòu)成繞組的頂部503。銅頂部在 截面上實(shí)質(zhì)上是矩形的，頂部503的相反的側(cè)邊包含斜切邊。第二以及第三銅部分包含側(cè) 部505，其與底部507 —體化地形成，以便構(gòu)成實(shí)質(zhì)上為L形的部分。各個(gè)側(cè)部505的頂邊 由斜切邊形成，其在組裝時(shí)與頂部503的鄰近的斜切邊對(duì)應(yīng)。在頂部503和側(cè)部505的各個(gè)之內(nèi)形成多個(gè)通道(509A，509B，509C，509D)，其縱向
透過各個(gè)部分。這些通道可使用任何合適的制造技術(shù)形成，例如鉆孔。這些通道用于允許 原方繞組513經(jīng)過副方繞組，使其被封裝或封閉在之中。在制造過程中，原方繞組可首先經(jīng) 過側(cè)部之一的一個(gè)通道，接著，經(jīng)過頂部以及其余側(cè)部的通道。頂部503于是可在兩個(gè)側(cè)部 505的頂上被放置在合適的位置，以便對(duì)準(zhǔn)通道并形成完整的副方繞組501。也就是說，在 使原方繞組經(jīng)過副方繞組通道之后，頂部被附著到側(cè)部。圖5B示出了根據(jù)本實(shí)用新型進(jìn)一步的實(shí)施例的高頻電力變壓器的透視圖。在此實(shí)施例中，變壓器的形式類似于在第一實(shí)施例中所介紹的，除副方繞組外。此 實(shí)施例中的副方繞組不是由一個(gè)單片銅片形成，而是由三個(gè)分立的片形成。副方繞組的兩 個(gè)分立的側(cè)部515由矩形截面的銅片形成。這些側(cè)部具有使用與上面介紹的相同的技術(shù)在 其中形成的洞517。洞用于產(chǎn)生原方繞組(521&523)經(jīng)過的通道，如上面所介紹的那樣。具 有矩形截面的分立的固體銅塊被放置在中間鐵氧體芯519頂上并在各個(gè)側(cè)部515之間。由于在芯519的主支(limb)之間鄰近效應(yīng)在量值上最大，在側(cè)部515中獲得最大 的優(yōu)點(diǎn)，繞組可簡單地繞卷在鄰近效應(yīng)小得多的末端521上。這在犧牲很小的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí) 簡化了結(jié)構(gòu)。圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型進(jìn)一步的實(shí)施例的高頻電力變壓器的副方繞組的截 面圖。根據(jù)此實(shí)施例，副方繞組由多個(gè)層疊部分形成。第一層疊部分601優(yōu)選為通過擠 壓由銅構(gòu)成。第一疊層部分在一開始在截面上是矩形的，接著，沿著其長度的一側(cè)形成多 個(gè)半圓形的孔通道603。也就是說，各個(gè)孔被形成為產(chǎn)生具有半圓截面的孔。第二層疊部分 605以類似的方式產(chǎn)生，以便形成對(duì)應(yīng)的孔通道607。因此，當(dāng)?shù)谝慌c第二層疊部分601&605被放置為彼此緊鄰時(shí)，形成原方繞組可經(jīng)過的整圓孔。用于原方繞組的進(jìn)一步的通道通過 在第二層疊部分的相反側(cè)上提供多個(gè)其他的半圓孔608形成，其將與緊貼層疊放置的另外 的層疊部分對(duì)應(yīng)。此實(shí)施例允許在孔通道603上原方繞組繞卷在層疊層601的周圍。隨后，下一個(gè) 層疊層605被放在適當(dāng)?shù)奈恢靡允乖嚼@組進(jìn)一步被繞卷在第二層疊層605的孔通道608 周圍。隨后，可使用閉合通道的進(jìn)一步的層疊層601，或者，如果需要進(jìn)一步的繞組，可使用 增加更多孔(通道)的進(jìn)一步的層疊層605?！盈B部分形成，它們使用任何已知的合適層疊固定技術(shù)固定在一起，例如。因此，可在副方繞組中形成多個(gè)通道，而不需要鉆通副方繞組部分的長度。層疊可 用在圖3-5B所示的實(shí)例中。圖7A示出了根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的高頻電力變壓器的繞組。圖7A所示的副方繞組701由一個(gè)單片銅片形成。原方繞組經(jīng)過的通道703使用 任何合適的技術(shù)在通道內(nèi)形成，例如鉆孔。繞組701于是通過彎曲銅片而形成為實(shí)質(zhì)上的 U形，如圖7B所示。原方繞組于是被饋經(jīng)副方繞組的通道，以便形成完整的變壓器。或者，一系列彎曲的層疊層可用于形成完整的繞組，并且，以與上面介紹的類似的 方式，使原方繞組在層疊層被放在一起時(shí)被放置在副方繞組周圍。也就是說，層疊層被創(chuàng)建 為如圖6所示以及參照圖6所介紹的那樣，并接下來被彎曲，從而形成副方繞組。這提供了附加的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閷⑦厪母狈嚼@組移除，使得流經(jīng)繞組的電流不受到邊 緣區(qū)域內(nèi)的電流集聚問題影響。將會(huì)明了，本實(shí)用新型在這里介紹的實(shí)施例僅僅是舉例的形式，在不脫離本實(shí)用 新型的范圍的情況下，可作出多種修改和改變。另外，將會(huì)明了，對(duì)原方繞組和副方繞組的引用可互換。另外，將會(huì)明了，可能存在在繞組內(nèi)形成的兩個(gè)或多于兩個(gè)的孔或通道。另外，將會(huì)明了，頂部的輪廓——無論是否為繞組的一體化部分——可以是線形 輪廓、曲線形輪廓或不規(guī)則形狀輪廓。
權(quán)利要求一種高頻電力變壓器，其包含第一繞組、第二繞組和芯，其中芯被布置為圍繞第二繞組的至少一部分，第二繞組包含通過第二繞組的至少兩個(gè)繞組孔，且第一繞組被布置為經(jīng)過所述至少兩個(gè)繞組孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，芯包含第一與第二芯孔，第二繞組的至少一部分被 布置在所述芯孔中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組為副方繞組，第一繞組為原方繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組包含繞組孔的矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組包含被形成為一個(gè)一體化元件的第一側(cè) 部、第二側(cè)部和頂部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組包含作為接合在一起以形成第二繞組的 分立元件的第一側(cè)部、第二側(cè)部和頂部。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，第一側(cè)部被連接到頂部的第一邊，第二側(cè)部被 連接到頂部的第二邊，第一邊與第二邊相反。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，第一與第二側(cè)部被布置為從頂部以實(shí)質(zhì)上垂直 于頂部的方向延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，芯包含第一與第二芯孔，且第一側(cè)部至少部分 布置在第一芯孔內(nèi)，第二側(cè)部至少部分布置在第二芯孔內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，繞組孔的一個(gè)或多于一個(gè)縱向地透過第一側(cè) 部形成，一個(gè)或多于一個(gè)的繞組孔縱向地透過第二側(cè)部形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的變壓器，其中，一個(gè)或多于一個(gè)的繞組孔縱向地透過頂部形成， 使得第一和第二側(cè)部中的個(gè)體繞組孔與頂部中的個(gè)體繞組孔對(duì)準(zhǔn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，頂部具有曲線形的輪廓。
13.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，頂部具有線形的輪廓。
14.根據(jù)權(quán)利要求5或6的變壓器，其中，頂部具有不規(guī)則形狀的輪廓。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組包含用于將第二繞組連接到電路板的接 觸插腳。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第一繞組包含具有多個(gè)絕緣層的固體銅線。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓器，其中，第二繞組由多個(gè)層疊部分構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的變壓器，其中，層疊部分包含用于使第一繞組定位于其中的多 個(gè)孔。
專利摘要一種高頻電力變壓器，其包含第一繞組、第二繞組和芯，其中芯被布置為圍繞第二繞組的至少一部分，第二繞組包含通過第二繞組的至少兩個(gè)繞組孔，且第一繞組被布置為經(jīng)過所述至少兩個(gè)繞組孔。
文檔編號(hào)H01F19/04GK201689768SQ20102010703
公開日2010年12月29日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者M·J·哈里森 申請人:伊頓工業(yè)公司