具有改进的电磁屏蔽的线圈和变压器的制作方法

具有改进的电磁屏蔽的线圈和变压器


技术实现要素：

1.近年来，对于中压mv ac电网与低压lv dc母线之间的高效接口的需求随着高功率lv dc负载和电源的快速增长而显著增加。
2.在这种情况下，所谓的固态变压器sst(即，电流隔离的高功率ac/dc和dc/dc转换器)由于诸如体积和重量较小等若干优点而可以取代基于低频变压器lft的现有技术。
3.sst中的功率转换由以千赫范围内的mv pwm波形进行操作的变压器支持。因此，这类变压器称为中频变压器mft。它具有与lft类似的绝缘要求的特点，以确保mv电网内的操作安全。根据iec 62477-2，所要求的绝缘水平通常高于10.8kv。为了满足这些要求，在为最近的mft的设计而考虑的隔离水平上，观察到了上升趋势。
4.然而，由于其高得多的操作频率，对于相同的传输功率，mft明显比lft更紧凑。尽管如此，由于所需要的隔离额定值与特定变压器技术无关，因此对于mft和lft两者，在一次侧与二次侧之间的绝缘厚度将相等。这导致了如下情况，即，与lft相比，mft的电流绝缘系统占据变压器体积的大得多的份额，或者换言之，对于mft用于附加的设计裕度的空间大大减少。
5.因此，绝缘的设计需要特别注意，以确保可接受的绝缘距离，同时实现尽可能高的变压器性能，即，高功率密度和高效率。
6.典型mft的线圈由连接到转换器的低压侧(《1.1kv)的lv内部二次绕组和径向堆叠到lv并且连接到转换器的最高电压侧的hv外部一次绕组组成。线圈安装在mft的磁路周围，为了安全起见，该磁路通常接地。
7.对于mft的导体采用的两种主要技术是利兹线(litz wire)和箔导体。选择是在以下两者之间进行权衡：
8.·
欧姆损耗。它们需要受到效率要求的限制。
9.·
电场分布。它需要低于绝缘材料的临界极限。
10.·
材料成本。考虑到mft的成本对整个转换器的成本有很大影响，这也可能很重要。
11.利兹线的高成本引发了对使用箔导体的几项研究。在中压mft中使用箔导体时所观察到的主要问题是：
[0012]-由于磁通量仅在线圈的上部和下部径向跨过导体，导致的导体的顶部和底部边缘的欧姆损耗。
[0013]-由于电荷积累在锋利边缘上而造成的电场增强，电场增强朝向接地磁路。
[0014]
本公开涉及一种解决方案，其中磁场和电场两者都在线圈绕组的凸缘中被屏蔽，这对于由径向磁通量引起的涡流和导体边缘处的电场热点都是重要的。
[0015]
在本公开的第一方面，提供了一种线圈，该线圈包括磁芯和缠绕在磁芯周围的导体，其中导体的横截面沿着缠绕在磁芯周围的导体的一部分而变化。
[0016]
发明人已经发现，沿着缠绕在磁芯周围的导体的一部分改变导体的横截面的形状从而能够屏蔽磁场和电场可以是有益的。
[0017]
横截面指示导体与沿着其绕组方向的平面的交叉点的表示。例如，圆柱体形状的物体被平行于其底部的平面切割；那么所得到的横截面将是一个正圆形。
[0018]
在一个示例中，导体以n匝缠绕在磁芯周围，其中n匝中的至少第一匝的横截面类似于第一形状，并且其中对于n匝中的下一匝，横截面转变为不同于第一形状的第二形状，并且其中对于n匝中的至少最后一匝，横截面转变回第一形状。
[0019]
以上提供的示例的优点在于，与在端部之间的位置处的导体相比，在磁芯的端部处的位置处的导体可以具有不同横截面。这可以通过选择有助于例如欧姆电阻和电场和/或磁场特性中的至少一个的横截面来帮助实现阶段。
[0020]
在另一示例中，第一形状是圆形，例如正圆形，并且第二形状是矩形，例如长方形。
[0021]
在一个示例中，导体包括三个后续导体部分，其中第一导体部分是圆形导体，其中第二导体部分是扁平导体，并且其中第三导体部分是圆形导体。
[0022]
在另一示例中，第二导体部分包括箔导体。
[0023]
箔导体可以被认为是能够允许电流在一个或多个方向上流动的导体。由金属制成的材料是常见的电气导体。在某些情况下，电流是由带负电的电子、带正电的空穴和正负离子的流动生成的。箔导体的典型特征在于它是扁平导体。
[0024]
例如，第一导体部分和/或第三导体部分包括利兹线。
[0025]
利兹线是一种多股导线，其通常用于在电子产品中以传输交流电。导线被设计为减少导体中的趋肤效应和邻近效应损耗。它通常由很多细导线束组成，个体地被绝缘，并且绞合或编织在一起，以遵循若干精心规定的模式中的一个，通常涉及若干层次。
[0026]
这些绕组模式的结果是使每根线束在导体外部处的总长度的比例相等。这具有在线束之间均匀分配电流、降低电阻的效果。利兹线可以在用于以低频进行操作的无线电传输器和接收器的高q因子电感器、感应加热设备和开关电源中使用。
[0027]
在另一示例中，第一导体部分和第二导体部分都以一匝被缠绕。
[0028]
在另一示例中，在任何导体部分之间的连接是通过将第二导体的端部包裹在对应圆形导体周围来获取的。
[0029]
在本公开的第二方面，提供了一种包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的线圈的变压器。
附图说明
[0030]
将参考以下附图更详细地解释本发明，在附图中：
[0031]
图1示出了根据本公开的线圈的绕组概念；
[0032]
图2示意性地公开了根据本公开的线圈的绕组概念；
[0033]
图3示意性地公开了电磁屏蔽概念的图；
[0034]
图4公开了没有em场整形器的参考几何结构、具有磁通线的磁场强度、以及与hv绕组的顶部凸缘相对应的磁通线和欧姆损耗密度；
[0035]
图5公开了在hv绕组的顶部和底部具有em场整形器的参考几何结构、具有磁通线和磁场强度、以及与hv绕组的顶部凸缘相对应的磁通线和欧姆损耗密度；
[0036]
图6公开了1)由标准箔绕组组成的标准配置、2)由箔绕组和管状屏蔽组成的配置、以及3)包括利兹线的配置；
[0037]
图7公开了在没有em整形器的情况下箔边缘处的电场增强、以及当被em整形器屏蔽时与箔导体相对应的电场。
具体实施方式
[0038]
考虑由n匝组成的变压器绕组。在这种设计中，n-2匝是用箔导体制造的，遵循标准过程，并且与利兹线相比，材料成本更低。只有绕组的第一匝和最后一匝是用具有圆形横截面的导体制造的，该导体电气连接到由箔导体组成的绕组的两端。圆形导体可以由利兹线或附加制造的晶格结构制成，以防止内部产生涡流。该概念的示意图如图2所示。
[0039]
应当注意，对于具有带有圆形横截面的导体的绕组的多于一匝，例如，一个、两个或三个绕组，上述情况也可能发生。还注意到，根据本公开，对于具有带有圆形横截面的导体的绕组，不需要具有整数匝数。
[0040]
在两个后续绕组段之间的连接可以通过将箔导体的两端包裹并且例如焊接在每个利兹导体周围来获取。
[0041]
这两匝使磁场的曲率远离箔导体偏移，限制了穿过箔导体的径向磁通量，减少了涡流和附加损耗。当em屏蔽仅应用于hv绕组时，给出了确认em场整形器在磁场上的影响的数值计算。没有任何em屏蔽的参考情况如图4所示。
[0042]
具有em整形器的情况如图5所示。在目前的情况下，可以将箔导体中的欧姆损耗减少20％。
[0043]
进行了更详细的分析，以将所提出的想法与预先存在的解决方案进行比较：
[0044]
图6-屏蔽1。这是由标准箔绕组组成的标准配置
[0045]
图6-屏蔽2。这是由箔绕组和管状屏蔽组成的配置，这些屏蔽用于具有利兹线的现有解决方案(参见图6)。考虑了两种管厚度：
[0046]
a.0.25mm，管状导体不参与电流流动
[0047]
b.0.75mm，管状导体参与电流流动(管状导体是hv绕组的第一匝和最后一匝)
[0048]
图6-屏蔽3。正圆形域表示利兹线。
[0049]
从欧姆损耗的分析中获取的结果在下表中示出5。
[0050][0051]
正如预期的那样，解决方案2中使用的管状结构的特征在于高欧姆损耗(参见hv环损耗)。
[0052]
此外，如图7所示，箔导体的边缘上的电场被圆形导体屏蔽，圆形导体的平滑轮廓不会由于电荷密度的热点而导致电场增强。
[0053]
本公开尤其涉及图1和图2所示的概念。其想法是将箔导体与圆形导体相结合，例
如利兹或附加制造的晶格结构，该结合既用作匝、电场屏蔽，也用作磁场屏蔽。

技术特征：
1.一种线圈，包括：-磁芯，以及-导体，缠绕在所述磁芯周围；其中所述导体的横截面沿着缠绕在所述磁芯周围的所述导体的一部分而变化。2.根据权利要求1所述的线圈，其中所述导体以n匝缠绕在所述磁芯周围，其中所述n匝中的至少第一匝的横截面类似于第一形状，并且其中对于所述n匝中的下一匝，所述横截面转变为不同于所述第一形状的第二形状，并且其中对于所述n匝中的至少最后一匝，所述横截面转变回所述第一形状。3.根据权利要求2所述的线圈，其中所述第一形状是圆形，例如正圆形，并且其中所述第二形状是矩形，例如长方形。4.根据前述权利要求中任一项所述的线圈，其中所述导体由三个后续导体部分组成，其中第一导体部分是圆形、矩形或椭圆形导体，其中第二导体部分是扁平导体，并且其中第三导体部分是圆形、矩形或椭圆形导体。5.根据权利要求4所述的线圈，其中所述第二导体部分包括箔导体。6.根据权利要求4至5中任一项所述的线圈，其中所述第一导体部分和/或所述第三导体部分包括利兹线。7.根据权利要求4至6中任一项所述的线圈，其中所述第一导体部分和所述第二导体部分都以至少一匝被缠绕。8.根据权利要求4至7中任一项所述的线圈，其中在所述导体部分中的任何导体部分之间的连接是通过将所述第二导体部分的端部包裹在对应第一导体部分或对应第三导体部分周围来获取的。9.一种变压器，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的线圈。

技术总结
一种线圈包括：-磁芯，和-导体，导体缠绕在磁芯周围；其中导体的横截面沿着缠绕在磁芯周围的导体的一部分而变化。围的导体的一部分而变化。围的导体的一部分而变化。


技术研发人员：安德烈
受保护的技术使用者：ABB瑞士股份有限公司
技术研发日：2021.12.23
技术公布日：2023/8/24