一種井下高溫的中高頻變壓器及其參數獲取方法
【專利摘要】本發明公開了一種井下高溫的中高頻變壓器及其參數獲取方法，包括磁芯單元、原邊繞組、副邊繞組和固定架。磁芯由多個高溫特性良好的環形納米晶磁芯組成，繞組均勻繞在每個環形磁芯上，原邊繞組在內層，副邊繞組在外層，并且每個環形磁芯上的原副邊繞組匝數都相同，相鄰兩個磁芯上的原副邊繞組采用串聯形式連接。所有磁芯及繞組采用同軸縱向排列，并固定在固定架上，相鄰的兩個磁芯之間留有一定的距離，便于散熱。整個變壓器采用高溫環氧樹脂灌封，原邊繞組經原邊接線端子引出，副邊繞組經副邊接線端子引出。該變壓器體積靈活，在井下高溫環境下可以可靠運行。
【專利說明】
一種井下高溫的中高頻變壓器及其參數獲取方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種變壓器，具體是一種可在井下高溫環境下運行的中高頻變壓器及 其參數獲取方法。
【背景技術】
[0002] 中高頻變壓器是開關電源電路中的一種重要部件，可實現電氣隔離和電壓變換的 功能。然而在某些特殊場合，如在油井解堵、礦井物探和水下目標探測等方面的脈沖功率應 用領域，要求變壓器體積小，激磁電感大，并且可以在100°c左右的井下高溫環境下可靠工 作。現有的中高頻變壓器設計方案基本都是基于室溫條件，在稍高溫度下都采用了水冷、風 冷等散熱措施，這些都不適用于上述特殊環境。因此，需要一種體積小、結構簡單、可在井下 高溫環境下運行的中高頻變壓器。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種可在井下高溫環境下運行的中 高頻變壓器，旨在解決現有變壓器體積大、在井下高溫環境下難以正常工作的問題。
[0004] 本發明提供了一種井下高溫的中高頻變壓器，包括磁芯單元、原邊繞組、副邊繞組 和固定架;所述磁芯單元由多個環形納米晶磁芯組成;所述原邊繞組和所述副邊繞組均勻 繞制在每個環形納米晶磁芯上，且所述原邊繞組在內層，所述副邊繞組在外層，每個環形納 米晶磁芯上的原、副邊繞組匝數都相同，且所有環形納米晶磁芯的原邊繞組之間通過串聯 形式連接，所有環形納米晶磁芯的副邊繞組之間也通過串聯形式連接;所述磁芯、所述原邊 繞組和所述副邊繞組同軸縱向排列，并固定在所述固定架上。
[0005] 更進一步地，所述中高頻變壓器還包括原邊接線端子和副邊接線端子;所有磁芯 的原邊繞組串聯后構成了中高頻變壓器的原邊繞組，中高頻變壓器原邊繞組的引出線接在 所述原邊接線端子上;所有磁芯的副邊繞組串聯后構成了中高頻變壓器的副邊繞組，中高 頻變壓器副邊繞組的引出線接在所述副邊接線端子上。
[0006] 更進一步地，在所述磁芯單元中相鄰的兩個環形納米晶磁芯之間留有一定的距離 以增加散熱面積，從而降低變壓器內部的溫度。
[0007] 更進一步地，所述原邊繞組和所述副邊繞組的繞線為耐熱等級是Η級的聚酯亞胺 漆包銅圓線。
[0008] 更進一步地，所述原邊繞組和所述副邊繞組的引出線附近套設有一層熱縮絕緣護 套。
[0009] 更進一步地，所述固定架的材料為銅質材料。
[0010] 更進一步地，所述中高頻變壓器通過高溫環氧樹脂灌封成型。
[0011] 本發明還提供了一種井下高溫的中高頻變壓器的參數的獲取方法，包括下述步 驟：
[0012] S1:根據公式Ds-dw>0.5dn選擇磁芯尺寸；
[0013] 其中，Ds為變壓器的直徑，dw為環形磁芯外直徑，dn為環形磁芯內直徑；
[0014] S2:根據公式nAP>AP和
商定磁芯個數；
[0015] 其中，η為磁芯個數，AP為步驟S1中選擇的單個磁芯的面面積，單位為cm4;AP為變壓 器所需總的面面積，單位為cm 4;PT為變壓器的視在功率，單位為W;K〇為窗□使用系數，Kf為 波形系數，f s為變壓器工作頻率，單位為Hz; Bw*磁心工作磁感應強度，單位為T ;Kj為電流密 度比例系數，X為磁心的結構常數；
[0016] S3:根據公式Vi = VP/n和V2 = Vs/n分別確定每個磁芯原邊繞組的額定電壓Vi和每 個磁芯副邊繞組的額定電壓V2 ;
[0017] 其中，η為步驟S2中確定的磁芯個數，％為變壓器的原邊額定電壓為，Vs為變壓器的 副邊額定電壓；
[0018] S4:根據公￥
別確定每個磁芯的原邊繞組匝數 Λ和每個磁芯的副邊繞組匝數N2;
[0019] 其中，Vi是步驟S3中確定的每個磁芯原邊繞組的額定電壓，V2是步驟S3中確定的每 個磁芯副邊繞組的額定電壓，Kf為波形系數，f s為變壓器工作頻率，單位為Hz; Bw為磁心工作 磁感應強度，單位為T; I是單個磁芯的有效截面積，單位為m2;
[0020] S5:通過判斷每個磁芯的窗口面積利用系數K是否滿足K〈0.4，若是，則獲得滿足要 求的參數，若否，則將磁芯個數增加一個并重新執行步驟S3~S5;
[0021] 其。
S為每個磁芯需要的繞線面積，dn為環形磁芯內直徑。
[0022] 通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，本發明具有以下的有益效 果：
[0023] (1)采用多個小的環形磁芯串聯使用，繞組均勻繞在每個環形磁芯上，原邊繞組在 內層，副邊繞組在外層，相鄰兩個磁芯上的原副邊繞組采用串聯形式連接。所有磁芯及繞組 采用同軸縱向排列，并固定在固定架上。這樣可以根據不同的體積需要選擇磁芯個數和尺 寸，從而使變壓器的形狀體積更加靈活。
[0024] (2)采用多個高溫特性好的磁芯分別繞制后再串聯，磁芯間通過增大距離的方法 增加每個磁芯和繞制的散熱面積，并且采用導熱性良好的材料作為固定架，這樣可以有效 增強變壓器內部的散熱效果，從而使變壓器的高溫特性好，可以在最高溫度為l〇〇°C的井 下高溫環境下可靠運行，并且不需要采用特殊的冷卻措施，結構簡單。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明實施例提供的井下高溫的中高頻變壓器的結構原理圖。
[0026] 圖2是本發明實施例提供的井下高溫的中高頻變壓器的內部接線圖。
[0027]圖3是25°C時磁芯的磁滯回線圖。
[0028]圖4是100°C時磁芯的磁滯回線圖。
[0029]圖5是本發明實施例提供的井下高溫的中高頻變壓器的參數獲取方法的實現流程 圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0031] 本發明包括磁芯、原邊繞組、副邊繞組和固定架。磁芯由多個高溫特性良好的環形 納米晶磁芯組成，繞組均勻繞在每個環形磁芯上，原邊繞組在內層，副邊繞組在外層，相鄰 兩個磁芯上的原副邊繞組采用串聯形式連接。所有磁芯及繞組采用同軸縱向排列，并固定 在固定架上，相鄰的兩個磁芯之間留有一定的距離以增加散熱面積，從而降低變壓器內部 的溫度。
[0032] 優選地，整個變壓器采用高溫環氧樹脂灌封，原邊繞組經原邊接線端子引出，副邊 繞組經副邊接線端子引出。
[0033]優選地，每個環形磁芯上的原副邊繞組匝數都相同，這樣可以保證在原副邊電流 作用下各個磁芯中的磁動勢都相同，從而不會出現某個磁芯先飽和的情況。
[0034]相比于將所有環形磁芯堆疊粘接構成一個大磁芯后再繞繞組，這種方法可以有效 增大磁芯和繞組的散熱面積，增強整個變壓器的散熱效果，便于散熱。
[0035]磁芯的材料經過高溫磁特性測量，保證其在高溫下運行時飽和磁感應強度不變。 具體的高溫磁特性測量方法是利用恒溫箱，分別測量磁芯在室溫和高溫下的磁滯回線，若 在兩種溫度下的磁滯回線變化不大，則認為此種磁芯具備較好的高溫磁特性。例如，可以選 擇An t a i nano納米晶帶材來制作的0NL系列磁芯。
[0036] 變壓器的設計過程如圖5所示，變壓器磁芯的尺寸、個數及繞組匝數設計過程按如 下步驟進行，變壓器的設計過程如圖5所示：
[0037] 步驟1:選擇磁芯尺寸。磁芯的尺寸由整個變壓器的設計尺寸決定，若設計時要求 變壓器的直徑為Ds，而需要選擇的目標環形磁芯外直徑為d w，內直徑為dn，則需要滿足Ds-dw> 0.5d n，這樣可以保證磁芯環內和環外的繞線面積基本相等，從而不會浪費變壓器內部的空 間。根據環形磁芯外直徑為d w、內直徑為4可以選定一種磁芯。
[0038] 步驟2:初步確定磁芯個數。采用磁芯的面面積法來初步確定磁芯個數。磁芯的面 面積是磁芯功率處理能力的一個數值體現，變壓器所需的面面積由式（1)確定：
一u CΟ;式中，ρτ為變壓器的視在功率;K〇為窗口使用系 數，一般典型值取Κο = 0.4，Kf為波形系數，fs為變壓器工作頻率(Hz);Bw為磁心工作磁感應 強度(T)，Kj表示電流密度比列系數，與設計允許溫升有關，當允許溫升為25°C時，Kj = 250;X 是由所選用磁心確定的結構常數，環形磁芯X=-〇. 13。所需的磁芯個數為η，查詢上一步中 選擇磁芯的資料，可得到這種磁芯單個的面面積ΑΡ，則需滿足ηΑ Ρ>ΑΡ。這樣可以初步確定磁 芯個數η。
[0039] 步驟3:確定每個磁芯原邊、副邊繞組的額定電壓。整個變壓器的原邊、副邊電壓是 均勻分布在每個磁芯的原邊、副邊繞組上。變壓器設計時的原邊額定電壓為V P，副邊額定電 壓為Vs，則每個磁芯原邊繞組的額定電壓為ViiVp/n，每個磁芯副邊繞組的額定電壓V 2 = VS/ n〇
[0040] 步驟4:確定每個磁芯原邊、副邊繞組匝數。每個磁芯原邊、副邊繞組的匝數由每個 磁芯原邊繞組額定電SVi、副邊繞組的額定電SV 2確定。計算公式如式（2)、式（3)確定：
;式中，Kf為波形系數，fs為變壓器工 作頻率(Hz)，Bw*磁心工作磁感應強度(T)，Ae是單個磁芯的有效截面積(m2)。
[0041] 步驟5:校核每個磁芯的窗口面積。原邊繞組的繞線截面積為Si，副邊繞組的繞線 截面積SS2，則需要的繞線面積SzhSi + NsSs，則磁芯的窗口利用系數K為：
[0042]當K〈0.4時，以上設計滿足要求；當K>0.4時，表明磁芯窗口面積不足，需要增加磁 芯個數，則將磁芯個數變為η+1個，再重復步驟3~步驟5,直到滿足Κ〈0.4時停止，此時確定 的磁芯個數即為最終的個數。
[0043] 所述固定架的材料可以選擇為便于導熱的材料，優選地，可以采用銅質材料，便于 磁芯和繞組的散熱。
[0044] 所述繞組的繞線采用耐熱等級是Η級的聚酯亞胺漆包銅圓線，以防止其在井下高 溫環境下損壞;原邊、副邊繞組的匝數根據原邊、副邊的額定電壓確定。
[0045] 所示原邊、副邊繞組引出線附近通過套一層熱縮絕緣護套來加強絕緣。
[0046] 為了更進一步的說明本發明實施例提供的井下高溫的中高頻變壓器及其參數獲 取方法，現結合附圖和實施例詳述如下：
[0047] 如圖1和圖2所示，包括副邊接線端子101、磁芯單元102、原邊繞組103、副邊繞組 104、固定架105、高溫環氧樹脂106、原邊接線端子107。磁芯由多個高溫特性良好的環形納 米晶磁芯組成，原邊繞組103、副邊繞組104均勻繞在每個環形磁芯上，原邊繞組在內層，副 邊繞組在外層，相鄰兩個磁芯上的原副邊繞組采用串聯形式連接。所有磁芯及繞組采用同 軸縱向排列，并固定在固定架105上，相鄰的兩個磁芯之間留有一定的距離以增加散熱面 積，從而降低變壓器內部的溫度。所有磁芯的原邊繞組串聯后構成了變壓器的原邊繞組，變 壓器原邊繞組的引出線接在原邊接線端子107上。所有磁芯的副邊繞組串聯后構成了變壓 器的副邊繞組，變壓器副邊繞組的引出線接在副邊接線端子101上。
[0048] 如圖3、圖4所示，磁芯需要具有良好的高溫特性。磁芯的材料的選擇需先經過高溫 磁特性測量，保證其在高溫下運行時飽和磁感應強度不變。具體的高溫磁特性測量方法是 利用恒溫箱，采用雙繞組測量電路分別測量磁芯在室溫和高溫下的磁滯回線，若在兩種溫 度下的磁滯回線變化不大，則認為此種磁芯具備較好的高溫磁特性。經過對鐵氧體、非晶材 料、納米晶等材料的測量，最終選用An ta i nano納米晶帶材制作的0NL系列磁芯，磁芯磁滯回 線的溫度特性如圖3、圖4所示，可見此種材料的磁芯在室溫（25°C)和高溫（100°C)環境下， 其磁滯回線和飽和磁感應強度都變化不大，具備良好的高溫特性，其飽和磁感應強度為 1.2T左右。
[0049] 如圖5所示，變壓器的設計流程為：
[0050] 先確定變壓器設計參數。本實施例設計的變壓器直徑為69mm，工作頻率為1kHz，視 在功率P T=lkW，變壓器原方額定電壓為500V，副方額定電壓為10kV。磁芯尺寸、磁芯個數及 每個磁芯的原邊、副邊繞組匝數按照以下步驟來確定。
[0051] 步驟1:選擇磁芯尺寸。設計時要求變壓器的直徑為Ds = 69mm，當環形磁芯外直徑 為dw=50mm，內直徑為dn = 32mm，可見需要滿足Ds-dw>0.5dn，因此選擇外直徑為50mm、內直徑 為32mm、高為20mm的0NL503220型磁芯。
[0052] 步驟2:初步確定磁芯個數。采用磁芯的面面積法來初步確定磁芯個數。磁芯的面 面積是磁芯功率處理能力的一個數值體現，變壓器所需的面面積根據式(1)可得：
[0053]
[0054] 查詢上一步中選擇0NL503220磁芯的資料，可得到這種磁芯單個的面面積AP = 11.26cm4,因此當磁芯個數n = 4時，需滿足nAp>AP。這樣可以初步確定磁芯個數n = 4。
[0055] 步驟3:確定每個磁芯原邊、副邊繞組的額定電壓。整個變壓器的原邊、副邊電壓是 均勻分布在每個磁芯的原邊、副邊繞組上。變壓器設計時的原邊額定電壓為V P=500V，副邊 額定電壓為1 = 101^，貝11每個磁芯原邊繞組的額定電壓為￥1 = '\^/11 = 500/4 = 125￥，每個磁 芯副邊繞組的額定電壓V2 = Vs/n=10000/4 = 2500V。
[0056] 步驟4:確定每個磁芯原邊、副邊繞組匝數。每個磁芯原邊、副邊繞組的匝數由每個 磁芯原邊繞組額定電壓％、副邊繞組的額定電壓％確定。根據計算公式(2)、式(3)確定：
[0057]
[0058]
[0059] 因此每個磁芯的原邊繞組為沁=250匝，副邊繞組為N2 = 5000匝。
[0060]步驟5:校核每個磁芯的窗口面積。原邊繞組采用耐熱等級為Η級、直徑為0.6mm的 聚酯亞胺漆包銅圓線，其截面積Si = 0.283mm2,副邊繞組也采用耐熱等級為Η級、直徑為 0 · 12 mm的聚酯亞胺漆包銅圓線，它的截面積為S 2 = 0 · 011 mm2，則需要的繞線面積S = Ν! S!+ 賊2 = 125.7謹2，則磁芯的窗口利用系數1(為
（)]6 ;可見磁芯的窗 口利用系數K滿足K〈0.4，以上的設計滿足要求。因此可最終確定采用4個0NL503220型磁芯 來制作變壓器。
[0061] 在此實施例中，變壓器是用于給3km深井下的電容器充電，而在變壓器前端有3km 的電纜用于電能傳輸，因此要求變壓器的原邊電感必須遠大于電纜的總電感。由于變壓器 原方繞組采用串聯形式連接，并且磁芯的飽和磁感應強度很高，因此在此實施例中其原邊 電感會較大，經測量變壓器原方繞組電感為123mH，而經測量3km的七芯電纜電感約為 2.67mH，可見變壓器滿足要求。
[0062] 整個變壓器采用高溫環氧樹脂灌封，用以加強變壓器內部的絕緣水平。原邊繞組 經原邊接線端子引出，副邊繞組經副邊接線端子引出，在兩個繞組的引出線附近通過套一 層熱縮絕緣護套來加強絕緣。
[0063] 相比于將所有環形磁芯堆疊粘接構成一個大磁芯后再繞繞組，這種方法可以有效 增大磁芯和繞組的散熱面積，增大整個變壓器的散熱效果，便于散熱。
[0064] 固定架采用銅質材料，便于磁芯和繞組的散熱。
[0065]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種井下高溫的中高頻變壓器，其特征在于，包括磁芯單元（102)、原邊繞組（103)、 副邊繞組（104)和固定架（105); 所述磁芯單元（102)由多個環形納米晶磁芯組成； 所述原邊繞組（103)和所述副邊繞組（104)均勻繞制在每個環形納米晶磁芯上，且所述 原邊繞組（103)在內層，所述副邊繞組（104)在外層，每個環形納米晶磁芯上的原、副邊繞組 匝數都相同，且所有環形納米晶磁芯的原邊繞組之間通過串聯形式連接，所有環形納米晶 磁芯的副邊繞組之間也通過串聯形式連接； 所述磁芯、所述原邊繞組（103)和所述副邊繞組（104)同軸縱向排列，并固定在所述固 定架（105)上。2. 如權利要求1所述的中高頻變壓器，其特征在于，所述中高頻變壓器還包括原邊接線 端子(107)和副邊接線端子(101); 所有磁芯的原邊繞組串聯后構成了中高頻變壓器的原邊繞組，中高頻變壓器原邊繞組 的引出線接在所述原邊接線端子(107)上； 所有磁芯的副邊繞組串聯后構成了中高頻變壓器的副邊繞組，中高頻變壓器副邊繞組 的引出線接在所述副邊接線端子(101)上。3. 如權利要求1或2所述的中高頻變壓器，其特征在于，在所述磁芯單元（102)中相鄰的 兩個環形納米晶磁芯之間留有一定的距離以增加散熱面積，從而降低變壓器內部的溫度。4. 如權利要求1-3任一項所述的中高頻變壓器，其特征在于，所述原邊繞組（103)和所 述副邊繞組（104)的繞線為耐熱等級是H級的聚酯亞胺漆包銅圓線。5. 如權利要求1-4任一項所述的中高頻變壓器，其特征在于，所述原邊繞組（103)和所 述副邊繞組(104)的引出線附近套設有一層熱縮絕緣護套。6. 如權利要求1-5任一項所述的中高頻變壓器，其特征在于，所述固定架（105)的材料 為銅質材料。7. 如權利要求1-5任一項所述的中高頻變壓器，其特征在于，所述中高頻變壓器通過高 溫環氧樹脂（106)灌封成型。8. -種井下高溫的中高頻變壓器的參數的獲取方法，其特征在于，包括下述步驟： Sl:根據公式Ds-dw>0.54選擇磁芯尺寸； 其中，Ds為變壓器的直徑，dw為環形磁芯外直徑，dn為環形磁芯內直徑； S2:根據公式nAp>AP和確定磁芯個數； 其中，η為磁芯個數，Ap為步驟Sl中選擇的單個磁芯的面面積，單位為cm4;AP為變壓器所 需總的面面積，單位為cm4;PT為變壓器的視在功率，單位為W;K〇為窗□使用系數，K f為波形 系數，f s為變壓器工作頻率，單位為Hz ; BwS磁心工作磁感應強度，單位為T; Kj為電流密度比 例系數，X為磁心的結構常數； S3:根據公式Vi = VpAi和V2 = Vs/n分別確定每個磁芯原邊繞組的額定電壓Vi和每個磁芯 副邊繞組的額定電壓V2; 其中，η為步驟S2中確定的磁芯個數，Vp為變壓器的原邊額定電壓，Vs為變壓器的副邊額 定電壓；?分別確定每個磁芯的原邊繞組匝數他和 每個磁芯的副邊繞組匝數N2; 其中，Vi是步驟S3中確定的每個磁芯原邊繞組的額定電壓，V2是步驟S3中確定的每個磁 芯副邊繞組的額定電壓，Kf為波形系數，fs為變壓器工作頻率，單位為Hz;Bw為磁心工作磁感 應強度，單位為T; Ae3是單個磁芯的有效截面積，單位為m2; S5:通過判斷每個磁芯的窗口面積利用系數K是否滿足K〈0.4，若是，則獲得滿足要求的 參數，若否，則將磁芯個數增加一個并重新執行步驟S3~S5;，S為每個磁芯需要的繞線面積，dn為環形磁芯內直徑。
【文檔編號】H01F27/24GK105931821SQ201610444770
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】劉毅, 張欽, 林福昌, 劉從聰
【申請人】華中科技大學