一种基于磁链最大化原理的SP-P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磁链最大化原理的SP

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器


[0001]本专利技术涉及变压器的
，尤其是指一种基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器。

技术介绍

[0002]传统的变压器主要包括初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)，初级线圈和次级线圈通过铁芯耦合。
[0003]然而，铁芯严重限制了变压器的结构和外形，不利于集成化设计，并且阻碍变压器成本的进一步降低和效率的提升。因此，无铁芯变压器一直都是国内外希望攻克的目标，其优点十分明显：
[0004]1、降低变压器重量、体积和成本；
[0005]2、不存在铁损，提高变压器效率；
[0006]3、不存在铁芯饱和的问题；
[0007]4、更易于集成化设计。
[0008]无铁芯变压器技术现有成果主要包括特斯拉无铁芯变压器、超导无铁芯变压器、PCB无铁芯变压器以及半导体无铁芯变压器等多种不同类型的无铁芯变压器。然而，这些无铁芯变压器都存在着明显的不足，特斯拉无铁芯变压器不具备持续稳定输出功率的能力，仅能用于瞬态放电的场合，没有带负载能力；超导无铁芯变压器虽然既具有瞬态高能量放电的能力，又具有持续大功率输出的能力，但需要工作在极低温环境，运行成本极高，通常用于需要超大功率且对成本较不敏感的应用场合；PCB无铁芯变压器成本低，集成度高，易于扁平化设计，但工作频率极高，通常可达数MHz至数十MHz，容易造成强烈的EMI问题，而传输功率却较低，通常在100W以内，效率一般不超过90％；半导体无铁芯变压器可集成于芯片内部，是目前集成度最高的无铁芯变压器技术，但与PCB无铁芯变压器的缺点类似：工作频率高，传输功率和效率较低。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器，应用磁链最大化原理设计SP
‑
P型无铁芯变压器，实现了与传统有铁芯变压器相同的电压变换功能，并能实现高功率、高效率的能量传输。与现有的无铁芯变压器相比，解决了变压器在没有铁芯情况下，因线圈电感量小、耦合系数低而导致的电压调整率高、传输功率低、效率低等问题，实现了变压器的无铁芯化。不仅如此，本专利技术还具有功率因数恒等于1的特点，无需正弦电压源提供无功功率，降低了对正弦电压源的功率等级要求。总之，本专利技术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。
[0010]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器，所述SP
‑
P型无铁芯变压器包括初级回路和次级回路；所述初级回路包括初级串联电容、初级并联电容、初级线圈以及为变压器提供能量的正弦电压源，所述初级并
联电容与初级线圈并联后再与正弦电压源、初级串联电容串联连接；所述次级回路包括次级电容、次级线圈以及负载电阻，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；其中，所述初级串联电容、初级并联电容、次级电容需满足以下的磁链最大化条件：
[0011][0012]式中，C
P1
为初级串联电容的电容值，C
P2
为初级并联电容的电容值，C
S
为次级电容的电容值，L
P
为初级线圈的电感值，L
S
为次级线圈的电感值，k为初级线圈与次级线圈之间的耦合系数，ω为正弦电压源的角频率。
[0013]进一步，所述磁链的相位差正切的变化规律满足等式：
[0014][0015]式中，θ
Flux
为初级线圈、次级线圈所产生磁链的相位差，γ为次级线圈电流I
LS
与初级线圈电流I
LP
之比，Z
S
为次级阻抗，R
L
为负载电阻的电阻值。
[0016]进一步，所述SP
‑
P型无铁芯变压器的电压变比K
V
满足关系式：
[0017][0018]式中，V
P
为无铁芯变压器初级电压，同时也是正弦电压源两端电压；V
S
为无铁芯变压器次级电压，同时也是负载电阻两端电压。
[0019]本专利技术上述基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器的工作原理为：初级回路中的正弦电压源为负载提供能量，当系统参数满足磁链最大化原理时，初级线圈电流与次级线圈电流的相位差最小，即初级线圈磁链与次级线圈磁链的相位差最小，此时较小的线圈电流即可产生足够大的磁链，所以在没有铁芯的情况下仍然能实现能量传输的高效传输。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。
[0020]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0021]1、本专利技术变压器结构简单，无需铁芯。
[0022]2、本专利技术重量、体积和成本大幅度降低，没有因磁滞效应导致的铁损，效率明显提升。
[0023]3、本专利技术功率因数恒等于1，无需正弦电压源提供无功功率，降低了对正弦电压源的功率等级要求。
[0024]4、本专利技术工作频率更低、传输功率更大、效率更高。
[0025]5、本专利技术在全负载范围内均可正常工作，电压变比恒定，且电压变比与初级、次级线圈电感量之比的平方根成正比，具备有效的电压变换功能。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的SP
‑
P型无铁芯变压器结构电路图。
[0027]图2为本专利技术的磁链相位差与负载电阻关系曲线图。
[0028]图3为本专利技术的电压变比与负载电阻关系曲线图。
[0029]图4为本专利技术的电压变比与输出功率关系曲线图。
[0030]图5为本专利技术的效率与输出功率关系曲线图。
[0031]图6为本专利技术的初级电压与初级电流波形图。
[0032]图7为本专利技术的初级线圈电流与次级线圈电流波形图。
具体实施方式
[0033]下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0034]如图1所示，本实施例公开了一种基于磁链最大化原理的SP
‑
P型无铁芯变压器，包括初级回路和次级回路；所述初级回路包括初级串联电容、初级并联电容、初级线圈以及正弦电压源，所述初级并联电容与初级线圈并联后再与正弦电压源、初级串联电容串联连接，所述正弦电压源两端电压为V
P
，角频率为ω；所述次级回路包括次级电容、次级线圈以及负载电阻；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。
[0035]图1所示的基于磁链最大化原理的SP
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P无铁芯变压器磁链关系可表示为：
[0036][0037]式中，ψ
PP
、ψ
SS
分别为初级线圈、次级线圈产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁链最大化原理的SP
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P型无铁芯变压器，其特征在于：所述SP
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P型无铁芯变压器包括初级回路和次级回路；所述初级回路包括初级串联电容、初级并联电容、初级线圈以及为变压器提供能量的正弦电压源，所述初级并联电容与初级线圈并联后再与正弦电压源、初级串联电容串联连接；所述次级回路包括次级电容、次级线圈以及负载电阻，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；其中，所述初级串联电容、初级并联电容、次级电容需满足以下的磁链最大化条件：式中，C
P1
为初级串联电容的电容值，C
P2
为初级并联电容的电容值，C
S
为次级电容的电容值，L
P
为初级线圈的电感值，L
S
为次级线圈的电感值，k为初级线圈与次级线圈之间的耦合系数，ω为正弦电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，林靖扬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：