一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于PT对称原理的并联‑并联型无铁芯变压器，包括初级回路和次级回路；所述初级回路包初级电容、初级线圈及为变压器提供能量的负电阻，所述负电阻、初级电容、初级线圈并联连接；所述次级回路包括次级线圈、次级并联电容和负载，所述次级电容、次级线圈、负载电阻并联连接；所述初级线圈与次级线圈之间无铁芯连接。本发明专利技术应用PT对称原理设计并联‑并联型无铁芯变压器，实现了与传统有铁芯变压器相同的电压、电流变换功能，并能实现能量的高效传输，解决了变压器在无铁芯情况下，因磁场耦合弱而无法高效传递能量的问题，实现了变压器的无铁芯化，极大减小了变压器的体积、成本以及损耗。

A Parallel-Parallel Coreless Transformer Based on PT Symmetry Principle

【技术实现步骤摘要】
一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器
本专利技术涉及变压器的
，尤其是指一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器。
技术介绍
传统有铁芯变压器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，铁芯通常被认为是变压器必不可少的部分，铁芯的作用主要是为初、次级磁通提供良好的导通路径，以增强初、次级之间的磁耦合。但铁芯增加了成本，且铁芯的存在严重限制了变压器的集成化和轻量化，此外铁芯还存在损耗、磁饱和等固有缺点。研究无铁芯变压器成为电气工程师的梦想。基于印刷电路板的PCB无铁芯变压器是目前研究较多的一种，但PCB无铁芯变压器工作频率高、输出功率小，仅适用于开关管驱动等小功率场合，且初、次级电压、电流增益不再直接与线圈感量相关。而Bender.C.M教授创立的宇称-时间(PT)对称量子理论为解决这些问题提供了崭新的途径，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域并展现出了巨大的优势，本专利技术将PT对称原理应用到无铁芯变压器设计中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器，应用PT对称原理设计并联-并联型无铁芯变压器，实现了与传统有铁芯变压器相同的电压、电流变换功能，并能实现能量的高效传输，解决了变压器在无铁芯情况下，因磁场耦合弱而无法高效传递能量的问题，实现了变压器的无铁芯化，极大减小了变压器的体积、成本以及损耗，有望替代传统有铁芯变压器。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器，包括初级回路和次级回路；所述初级回路包初级电容、初级线圈及为变压器提供能量的负电阻，所述负电阻、初级电容、初级线圈并联连接；所述次级回路包括次级线圈、次级并联电容和负载，所述次级电容、次级线圈、负载电阻并联连接；所述初级线圈与次级线圈之间无铁芯连接；所述初级回路的LC并联谐振频率为所述次级回路的LC并联谐振频率为需满足PT对称条件如下：式中，-RN为负电阻阻值,RL为负载电阻值，L1和L2分别为初级线圈和次级线圈的电感值，C1和C2分别为初级并联电容和次级并联电容的电容值，k为初级线圈和次级线圈之间的互感系数。进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：相位关系满足：其中，为流过负电阻的基波电流有效值，V1为负电阻两端的基波电压有效值，-RN为负电阻的阻值。本专利技术的工作原理为：初级回路的负电阻为负载提供能量，当系统参数满足PT对称条件时，电压、电流增益与初、次级线圈感量比直接相关，且负电阻的能量可以接近无损的传递给负载，因此本专利技术无铁芯变压器可以实现与传统有铁芯变压器几乎相同的功能。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术变压器结构简单，无需铁芯。2、相比传统变压器，重量、体积和成本大幅降低。3、相比现有无铁芯变压器电压、电流增益与初、次级线圈电感量直接相关，与传统变压器规律一致。4、采用并联-并联型拓扑结构，适用于负载较大情况。附图说明图1为并联-并联型无铁芯变压器结构电路图。图2为实施方式中并联-并联型无铁芯变压器在不同负载下的工作频率曲线。图3为实施方式中并联-并联型无铁芯变压器在不同负载下的电压比曲线。图4为实施方式中并联-并联型无铁芯变压器在不同负载下的电流比曲线。图5为实施方式中并联-并联型无铁芯变压器在不同负载下的输出功率曲线。图6为实施方式中并联-并联型无铁芯变压器电压仿真波形。具体实施方式为进一步阐述本专利技术的内容和特点，以下结合附图对本专利技术的具体实施方案进行具体说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。如图1所示，本实施例所提供的基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器，实质是利用宇称-时间对称电路实现无铁芯的变压器，包括初级回路和次级回路；所述初级回路包初级电容C1、初级线圈L1及为变压器提供能量的负电阻-RN，所述负电阻-RN、初级电容C1、初级线圈L1并联连接；所述次级回路包括次级线圈L2、次级并联电容C2和负载RL，所述次级电容C2、次级线圈L2、负载电阻RL并联连接；所述初级线圈L1与次级线圈L2之间无铁芯连接。根据图1，由基尔霍夫定律可得：式中，为负电阻-RN两端电压向量，即初级输入电压向量，为负载RL两端电压向量，即次级输出电压向量，L1、L2分别为初级线圈和次级线圈电感值，C1、C2分别为初级并联电容和次级并联电容的容值，-RN为负电阻阻值，RL为负载电阻值，M为初级线圈和次级线圈之间的互感，ω为变压器工作频率。令为初级回路的固有频率，为次级回路的固有频率，并将代入，则式(1)化为：式(2)有非零解的条件是：对式(3)进行实虚部分离可得：当初级回路和次级回路构成PT对称电路时，则有则式(4)可简化为：其中由式(6)可得频率解为：由式(7)可进一步得到频率存在纯实部解的条件为：因此，负载电阻需满足如下条件:将式(4)和式(5)代入式(2)，可得初级输入电压有效值U1与次级输出电压有效值U2之比为：根据-RNU1＝I1,RLU2＝I2,以及式(5)可得电流比：由式(10)、式(11)可见基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器与传统理想变压器的电压、电流比是一样的。根据式(11)可得输出功率：为了说明本专利技术的准确性与可行性，在本实施例中，设计了一个并联-并联型无铁芯的变压器进行仿真，无铁芯变压器参数如下：初级线圈电感L1＝140μH，次级线圈电感L2＝35μH，耦合系数k＝0.3，ω1＝ω2＝20kHz，负电阻由电力电子电路实现。在不同负载下将仿真结果与式(11)和式(12)对比，可得到不同负载电阻下无铁芯变压器的工作频率如图2所示、不同负载电阻下无铁芯变压器电压比和电流比曲线如图3、图4所示，图5是不同负载电阻下无铁芯变压器的输出功率，图6是负载电阻RL＝50Ω时无铁芯变压器电压波形图。由上述分析可知，本专利技术无铁芯变压器完全可以替代传统的有铁芯的变压器，本专利技术的优点显而易见，值得推广。以上所述实施例只为本专利技术之较佳实施例，本实施例为单相并联-并联型无铁芯变压器，并非以此限制本专利技术的实施范围，故凡依本专利技术之结构、原理所作的变化或组合，均应涵盖在本专利技术的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PT对称原理的并联‑并联型无铁芯变压器，其特征在于：包括初级回路和次级回路；所述初级回路包初级电容、初级线圈及为变压器提供能量的负电阻，所述负电阻、初级电容、初级线圈并联连接；所述次级回路包括次级线圈、次级并联电容和负载，所述次级电容、次级线圈、负载电阻并联连接；所述初级线圈与次级线圈之间无铁芯连接；所述初级回路的LC并联谐振频率为

【技术特征摘要】
1.一种基于PT对称原理的并联-并联型无铁芯变压器，其特征在于：包括初级回路和次级回路；所述初级回路包初级电容、初级线圈及为变压器提供能量的负电阻，所述负电阻、初级电容、初级线圈并联连接；所述次级回路包括次级线圈、次级并联电容和负载，所述次级电容、次级线圈、负载电阻并联连接；所述初级线圈与次级线圈之间无铁芯连接；所述初级回路的LC并联谐振频率为所述次级回路的LC并联谐振频率为需满足PT对称条件如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，吴理豪，江彦伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44