宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯及其分数匝变压器

1.本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯及其分数匝变压器。


背景技术：

2.分数匝变压器是一种特殊的变压器，它的匝数是整数和分数的组合，相比传统的整数匝数变压器，它可以实现更为精细的变比调节。与传统的整数匝数变压器相比，分数匝变压器在设计时可以通过合理的匝数组合来减少电磁干扰问题，同时还可以降低变压器的布线面积和体积，提高变换器的效率和功率密度。此外，分数匝变压器的变比调节更为灵活，可以实现更高效率和更高功率密度的转换器设计。分数匝变压器通过控制开关器件的通断状态，可以改变变压器绕组的电路拓扑结构，从而实现可变匝比。具体而言，在分数匝变压器中，将绕组分成多个子绕组，每个子绕组的匝数都是一个分数，通过控制开关器件的通断状态，可以选择将不同的子绕组串联或并联起来，从而改变整个变压器的匝比。这种可变匝比的设计方案可以适应不同的输入输出电压范围，提高了系统的灵活性和适用性。
3.然而，传统分数匝变压器匝比取决于pcb走线，即一旦pcb走线固定，则变压器匝比固定，如传统pcb画好了就固定了，且具有以下特性：和绕线绕组不同，pcb绕组的匝比不能变；如果要改变匝比，需要重新画pcb，成本支出巨大；pcb常用于集成结构中，受体积等限制较大，难以实现较多匝数的绕线结构；
4.由于这一特性越来越难满足llc等变换器宽范围输入输出、大功率以及高效率的要求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出了宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯及其分数匝变压器，用于解决背景技术中至少一个技术问题。
6.目的可以通过以下技术方案实现：
7.宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，包括多个磁柱，磁柱上缠绕有通电线圈；磁柱包括第一磁柱以及第二磁柱，第二磁柱设置在第一磁柱上，第二磁柱为可调磁阻材料制成。
8.进一步地，第二磁柱处于第一磁柱的一端。
9.进一步地，第二磁柱插接在第一磁柱的一端。
10.进一步地，第一磁柱的一端设置有卡口或者卡块，对应第二磁柱设置对应配合的卡块或者卡口。
11.进一步地，第二磁柱处于第一磁柱的中部。
12.进一步地，磁柱局部或者整体为可调磁阻材料制成。
13.进一步地，可调磁阻材料为压电材料、偏置永磁体、nizn铁氧体及co铁氧体混合材料、mnzn铁氧体和co铁氧体混合材料中的一种。
14.第二方面，目的可以通过以下技术方案实现：
15.分数匝变压器，包括上述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯。
16.本发明的有益效果：
17.在不改变绕组匝数比例的情况下，灵活地调整输入输出电压比例，从而避免了传统变压器中因改变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗；
18.通过调整磁芯的磁导率，可以使得变压器或变换器在工作时更加接近理想功率因数；
19.通过调控磁芯磁导率的方式，可以使得变压器或变换器在不同输入输出电压比例下都能够保持较高的功率因数，从而提高系统的能效。
附图说明
20.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
21.图1为本技术的新型可变匝比分数匝变压器磁芯示意图；
22.图2为本技术的可调磁阻材料内部结构图；
23.图3为本技术的磁芯底座结构示意图；
24.图4为本技术的磁芯底座及可调磁阻材料示意图；
25.图5为本技术的2：0.5，额定功率60w的fft磁场仿真图；
26.图6为本技术的fft效率频率特性图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例一：
29.宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，包括多个磁柱1，磁柱1上缠绕有通电线圈；
30.磁柱1包括第一磁柱11以及第二磁柱12，第二磁柱12设置在第一磁柱11上，第二磁柱12为可调磁阻材料制成。
31.在本技术中，如通过通电线圈进行缠绕在磁柱1上形成磁芯，此时缠绕方式矩阵式多输出绕组，即针对于多个磁柱1上线圈构成同向绕组，理论上根据整个磁芯的磁通为整体磁柱1对应的绕组激励的磁通；如在本技术的图示中，此时磁柱1为5个，5个磁柱1上分别缠绕有通电线圈，其中处于周侧的4个磁柱1为分磁柱，处于中部的1个磁柱1为主磁柱；当然4个分磁柱也不一定要4个，也可以是1个、2个、6个等等,根据实际需要进行调整。
32.在本实施例中，第二磁柱12设置方式为处于第一磁柱11的一端，如图示中，处于靠近磁芯上盖2的第一磁柱11的一端；当然在一些案例中，也可以设置在处于靠近磁芯底座3的第一磁柱11的一端；当然针对于第二磁柱12也可以处于第一磁柱11的中部等其他部位。
33.针对于第二磁柱12设置方式为处于第一磁柱11的一端，此时可以理解为第一磁柱11与第二磁柱12之间是相对于保持固定状态，如将第二磁柱12插接在第一磁柱11的一端，此时的插接可以理解为在第一磁柱11的一端设置有卡口或者卡块，对应第二磁柱12设置对
应配合的卡块或者卡口；当然针对于第一磁柱11与第二磁柱12之间是相对于保持固定状态方式还有很多，如采用磁芯胶水黏连、采用磁芯骨架固定等等。
34.第二磁柱12设置的目的在于，将第二磁柱12为可调磁阻材料制成，对第二磁柱12进行磁阻调节，从而实现整个磁柱1的磁阻大小改变，从而控制磁芯的磁导率，从而改变磁路磁阻，灵活调整主磁通在副边的磁耦合。
35.通过对第二磁柱12的材料改变，第二磁柱12为可调磁阻材料制成，一方面，就可以实现变压器或变换器的无极调节，满足不同输入输出电压范围的需求；同时，通过控制磁导率，可以实现对主磁柱和副磁柱之间的磁通分配比例的调节；
36.一方面，可以在不改变绕组匝数比例的情况下，灵活地调整输入输出电压比例，从而避免了传统变压器中因改变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗；通过调整磁芯的磁导率，可以使得变压器或变换器在工作时更加接近理想功率因数；在传统变压器或变换器中，由于磁芯的磁导率不可调，可能导致功率因数下降；而通过调控磁芯磁导率的方式，可以使得变压器或变换器在不同输入输出电压比例下都能够保持较高的功率因数，从而提高系统的能效。
37.可调磁阻材料的选择，如压电材料、偏置永磁体、nizn铁氧体及co铁氧体混合材料、mnzn铁氧体和co铁氧体混合材料、非晶磁带与氧化板pb(zr,ti)o3(pzt)混合结构等等；
38.压电材料为：压电材料是一类可以在受到外加电场作用下发生机械变形的材料。当施加电场到压电材料上时，会引起材料内部的应力和应变分布发生变化，从而导致材料的磁导率发生调控。通过调整外加电场的大小和方向，可以控制压电材料内部的应力和应变分布，从而调节材料的磁导率。基于这种原理，可以将压电材料作为第二磁柱12材料，通过调控电场来控制磁芯的磁导率，从而改变磁路磁阻，灵活调整主磁通在副边的磁耦合。针对于本技术中的压电材料可以选择为1、单晶有：水晶、铌酸锂、铌锌酸铅-钛酸铅；2、陶瓷有：锆钛酸铅、pzt-4、pzt-5、pzt-8、pzt-6、铌镁锆钛酸铅、铌锌酸铅钛酸铅、铌镍酸铅钛酸铅等；3、其它的还有：pvdf。
39.如图5所示，在可调磁阻材料上设置正负极，并分别用铜线/铜片引出，在铜片上施加相应的电压应力，即可改变磁芯磁阻，磁阻随着电压应力的变化而变化。
40.压电材料可选的为n izn铁氧体及co铁氧体混合材料；nizn铁氧体及co铁氧体混合材料的内部结构示意图，如图2所示，具体是压电层和磁性层逐层掺杂，然后每层之间布置导电的电极片，并从端口分布引出正极和负极，通过在端口正负极导电，可以自由改变材料的磁阻。
41.实施例二：
42.如图1、3和4所示，宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，包括多个磁柱1，磁柱1上缠绕有通电线圈；
43.磁柱1局部或者整体为可调磁阻材料制成；
44.当然针对于磁柱1的局部可以理解为，此时局部可以为磁柱1的两端部或者磁柱1的中部等；
45.在本技术中，如通过通电线圈进行缠绕在磁柱1上形成磁芯，此时缠绕方式为矩阵式多输出绕组，即针对于多个磁柱1上线圈构成同向绕组，理论上根据整个磁芯的磁通为整体磁柱1对应的绕组激励的磁通；如在本技术的图示中，此时磁柱1为5个，5个磁柱1上分别
缠绕有通电线圈，其中处于周侧的4个磁柱1为分磁柱，处于中部的1个磁柱1为主磁柱。
46.将磁柱1为可调磁阻材料制成，对磁柱1进行磁阻调节，从而实现整个磁柱1的磁阻大小改变，从而控制磁芯的磁导率，从而改变磁路磁阻，灵活调整主磁通在副边的磁耦合。
47.通过对磁柱1的材料改变，磁柱1为可调磁阻材料制成，一方面，就可以实现变压器或变换器的无极调节，满足不同输入输出电压范围的需求。同时，在该结构中，通过控制磁导率，可以实现对主磁柱和副磁柱之间的磁通分配比例的调节；
48.一方面，可以在不改变绕组匝数比例的情况下，灵活地调整输入输出电压比例，从而避免了传统变压器中因改变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗。通过调整磁芯的磁导率，可以使得变压器或变换器在工作时更加接近理想功率因数。在传统变压器或变换器中，由于磁芯的磁导率不可调，可能导致功率因数下降。而通过调控磁芯磁导率的方式，可以使得变压器或变换器在不同输入输出电压比例下都能够保持较高的功率因数，从而提高系统的能效。
49.可调磁阻材料的选择，如压电材料、偏置永磁体、nizn铁氧体及co铁氧体混合材料、mnzn铁氧体和co铁氧体混合材料、非晶磁带与氧化板pb(zr,ti)o3(pzt)混合结构等等；
50.压电材料为：压电材料是一类可以在受到外加电场作用下发生机械变形的材料。当施加电场到压电材料上时，会引起材料内部的应力和应变分布发生变化，从而导致材料的磁导率发生调控。通过调整外加电场的大小和方向，可以控制压电材料内部的应力和应变分布，从而调节材料的磁导率。基于这种原理，可以将压电材料作为磁柱1材料，通过调控电场来控制磁芯的磁导率，从而改变磁路磁阻，灵活调整主磁通在副边的磁耦合。针对于本技术中的压电材料可以选择为1、单晶有：水晶、铌酸锂、铌锌酸铅-钛酸铅；2、陶瓷有：锆钛酸铅、pzt-4、pzt-5、pzt-8、pzt-6、铌镁锆钛酸铅、铌锌酸铅钛酸铅、铌镍酸铅钛酸铅等；3、其它的还有：pvdf。
51.如图5所示，在可调磁阻材料上设置正负极，并分别用铜线/铜片引出，在铜片上施加相应的电压应力，即可改变磁芯磁阻，磁阻随着电压应力的变化而变化。
52.压电材料可选的为nizn铁氧体及co铁氧体混合材料；nizn铁氧体及co铁氧体混合材料的内部结构示意图，如图2所示，具体是压电层和磁性层逐层掺杂，然后每层之间布置导电的电极片，并从端口分布引出正极和负极，通过在端口正负极导电，可以自由改变材料的磁阻。
53.实施例三：
54.在实施例一和实施例二的基础上，分数匝变压器，包括实施例一和实施例二的磁芯，磁芯的主磁柱绕原边绕组，磁芯的分磁柱绕副边绕组；原边绕组和副边绕组的线圈通常采用导电性能较好的绝缘线或扁平线，以减小线圈电阻和电感。原边绕组的线圈和副边绕组的线圈的匝数比是分数(非整数)，以实现需要的输出电压和电流比例。
55.当然，针对于实施例一和实施例二基础上的分数匝变压器是原边在中间磁柱，副边分布于四周四个磁柱，在其他案例中，分数匝变压器的表现形式其他方式，如原副边都在一个磁柱，如图5所示。
56.由于传统变压器的线圈通常需要按照特定的布局方式进行设计，而pcb作为一种可以进行复杂线路布线的材料，可以用于构建变压器的线圈，从而实现所需的线圈布局和电气性能。
57.磁阻控制结构与磁柱1之间的连接关系，以及针对于压电材料而言，磁阻控制结构结构为如：磁柱1的可调磁阻材料上设置正负极，并分别用铜线/铜片引出，在铜片上施加相应的电压应力，即可改变磁芯磁阻，磁阻随着电压应力的变化而变化；磁阻控制结构的原理为给压电材料施加激励电压，引发机械形变，从而改变磁路磁阻，调整主磁通在副边的磁耦合，进而实现无极调节。
58.本发明中，通过调节磁阻的磁导率来改变主磁路的磁阻，从而实现匝比的无极调节，不受pcb物理结构的限制，具有更高的灵活性和通用性；更容易进行扩展和升级，以满足不同应用场景的需求。这种新型变压器结构具有灵活性高、稳定性好、效率高等优点，可以满足日益增长的高功率输出要求。
59.而本发明中，通过调节磁阻的磁导率来实现匝比的调节，无需改变绕组的物理结构，简化了制造和维护的过程，提高了变压器的可维护性和可靠性。
60.此外，在本发明中的变压器结构中，通过调节磁阻的磁导率来控制主磁路的磁阻，改变主磁路中的磁通分布，避免磁芯中某些部分的过度磁化，降低磁芯的损耗。
61.因此，本发明的分数匝变压器具有抗干扰性强、尺寸小重量轻、稳定性好高效节能以及无级调节匝比等优势。
62.实施例四：
63.针对于实施例一至实施例三的分数匝变压器的标称变比为2：0.5时，漏感和可调磁阻磁导率μr之间的关系，如图6所示，其中图示中展示，其中横坐标为通过外加激励调节的磁阻，纵坐标为变压器原副边变比的变化，在该例中变比随着磁阻的增大而减小，研究结果表明，通过调节可变磁阻的磁导率，无需机械部件的移动或开关的切换，即可实现漏感和变比的无极调控，验证了本发明结构设计的灵活便利和有效性。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，包括多个磁柱(1)，磁柱(1)上缠绕有通电线圈；其特征在于，磁柱(1)包括第一磁柱(11)以及第二磁柱(12)，第二磁柱(12)设置在第一磁柱(11)上，第二磁柱(12)为可调磁阻材料制成。2.根据权利要求1所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，第二磁柱(12)处于第一磁柱(11)的一端。3.根据权利要求2所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，第二磁柱(12)插接在第一磁柱(11)的一端。4.根据权利要求3所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，第一磁柱(11)的一端设置有卡口或者卡块，对应第二磁柱(12)设置对应配合的卡块或者卡口。5.根据权利要求1所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，第二磁柱(12)处于第一磁柱(11)的中部。6.根据权利要求1-5任一所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，磁柱(1)局部或者整体为可调磁阻材料制成。7.根据权利要求6所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯，其特征在于，可调磁阻材料为压电材料、偏置永磁体、nizn铁氧体及co铁氧体混合材料、mnzn铁氧体和co铁氧体混合材料中的一种。8.一种分数匝变压器，包括如权利要求1-7任一所述的宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯。

技术总结
本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及宽范围可调变比的分数匝变压器磁芯及其分数匝变压器；包括多个磁柱，磁柱上缠绕有通电线圈；磁柱包括第一磁柱以及第二磁柱，第二磁柱设置在第一磁柱上，第二磁柱为可调磁阻材料制成；在不改变绕组匝数比例的情况下，灵活地调整输入输出电压比例，从而避免了传统变压器中因改变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗。变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗。变绕组匝数比例而引入的磁芯损耗。


技术研发人员：沈湛 王世山 范俊宇 陈武 徐志科 金龙 李鑫 王江峰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/6