平面变压器 |
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| 申请号 | CN201721720106.4 | 申请日 | 2017-12-12 | 公开(公告)号 | CN207690606U | 公开(公告)日 | 2018-08-03 |
| 申请人 | 利乐拉瓦尔集团及财务有限公司; | 发明人 | 米尔科·蓝切洛蒂; 罗萨诺·圭里; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及平面 变压器 。本实用新型公开了一种平面变压器，其包括在第一导体 基板 中的初级绕组、在第二导体基板中的次级绕组、初级绕组与次级绕组之间的绝缘层、平面磁芯，其中初级绕组和次级绕组被设置成包围平面磁芯的一部分，并且其中初级绕组和次级绕组各自包括并联连接的多个绕组层。还公开了一种制造平面变压器的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种平面变压器(100)，其包括： |
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| 说明书全文 | 平面变压器技术领域背景技术[0002] 在包装工业中，采用通过感应加热的方式进行层压包装材料的焊接。现代的制造方法包括通过沿管的纵向焊接而提供包装材料管，然后在填充机中向包装材料管填充内容物，并且沿着被定位成与该管的纵向成直角的分开的狭窄区域密封。感应焊接可以用于纵向密封和横向密封。电感回路或线圈设置在层合板上，层合板包含例如铝箔，并通过适当选择的电流和处理时间来加热铝箔。因此，发电机向感应加热电路中的电感器施加脉冲。与感应焊接线的阻抗相比，发电机被设计成以较低的阻抗工作。然后必须引入阻抗匹配变压器，以使发电机在感应加热电路中工作。在以前的解决方案中出现的一个问题是，在使用标准有线变压器的情况下，可能是平面变压器的变压器不满足关于功率处理或工作频率甚至尺寸方面的要求。尽管存在平面变压器，但作为常规有线变压器的替代方案，许多缺点限制了这种平面变压器在高速填充机中有特别要求的感应焊接应用中的可用性。缺乏准确性和效率将限制吞吐量，这在高速应用中是有害的。此外，为了限制这些影响，必须补偿感应加热电路的缺陷，这将导致更复杂的设计，更复杂的设计除了成本增加之外，还会限制吞吐量或降低效率。涉及感应加热电路中的功率输送效率降低的另一个后果是部件的寿命降低。因此，关键问题之一是变压器的能量转换效率。 [0003] 变压器能量损失的一个示例是所谓的“铜损”和“铁损”。铜损是由于电流围绕变压器铜绕组循环而以热量形式损失的电功率。变压器铜损主要是由于初级绕组和次级绕组的电阻所致。铜损可能代表变压器运行中的最大损失。铁损(也称为磁滞现象)是响应于交变磁通量的磁芯内的磁性分子滞后。这种滞后(或不同相)状态是由于它需要能量来反转磁性分子；它们直到磁通达到足够反转它们的力量才反转。它们的反转导致摩擦，并且摩擦在芯部中产生热量，这是功率损失的一种形式。能量损失的另一个源头是所谓的涡流损耗，其由流入磁芯的循环电流引起，这是由磁通围绕磁芯的流动引起的。涡流通过作为在磁芯内的产生电阻加热和功率损耗的负向力来阻止感应电流的流动。由磁滞现象和涡流产生的损耗通常被称为“磁芯损耗”，其与铜损一起实质上表示变压器中的总损耗。 [0004] 变压器的功率损耗强度决定了其效率。变压器的效率反映在初级 (输入)绕组和次级(输出)绕组之间的功率(瓦特)损耗。上述损耗导致的过热损失可能导致变压器不可接受的工作温度，并且超时工作会缩短变压器制造中使用的材料的寿命。 [0005] 因此，用于感应加热电路以密封包装材料的改进的变压器将是有利的，并且特别地允许避免更多的上述问题和损害，这包括避免效率的损失。实用新型内容 [0006] 因此，本实用新型的示例优选寻求通过提供一种装置单独或以任何组合形式来减轻、减缓或消除本技术领域中的诸如上述的一个或多个缺陷、缺点或问题。 [0007] 根据第一方面，提供了一种平面变压器，其包括：在第一导体基板中的初级绕组、在第二导体基板中的次级绕组、初级绕组与次级绕组之间的绝缘层、平面磁芯，其中初级绕组和次级绕组被设置成包围平面磁芯的一部分，并且其中初级绕组和次级绕组各自包括并联连接的多个绕组层。 [0008] 根据第二方面，提供了一种制造平面变压器的方法。该方法包括：在第一导体基板中提供初级绕组的并联连接的多个绕组层；在第二导体基板中提供次级绕组的并联连接的多个绕组层；在初级绕组和次级绕组之间提供绝缘层；以及设置初级和次级绕组以包围平面磁芯的一部分。 [0009] 根据第三方面，提供了一种感应加热系统，其包括根据第一方面的平面变压器以及感应导体基板，该感应导体基板包括耦合到平面变压器的感应电路。 [0010] 根据第四方面，提供了根据第一方面的平面变压器或根据第二方面制造的平面变压器的用途，以在包装材料密封应用中使感应加热系统与发电机的阻抗匹配。 [0012] 本公开的一些示例提供了功率更有效的变压器。 [0013] 本公开的一些示例提供了一种变压器，其能够处理用于密封包装材料的感应加热应用中增大的功率。 [0014] 本公开的一些示例提供了在较低温度下运行的变压器。 [0015] 本公开的一些示例在感应加热应用中提供了改进的且更精确的阻抗匹配电路。 [0016] 本公开的一些示例提供了改进的频率操作范围。 [0017] 本公开的一些示例提供了更紧凑的变压器，以便于集成到现有的感应加热电路中。 [0018] 本公开的一些示例提供了阻抗匹配的改进的可重复性和可预测性。 [0019] 本公开的一些示例提供了更具成本效益的感应加热电路。 [0020] 本公开的一些示例提供了感应加热电路的更稳健的操作。 [0021] 本公开的一些示例提供了对变化的感应加热应用的阻抗匹配电路的促进的定制。 [0022] 本公开的一些示例提供了增加感应加热电路中的部件的寿命。 [0023] 本公开的一些示例在具有多个电感器的感应加热电路中提供更精确的功率输送。 [0024] 本公开的一些示例提供了在具有感应焊接线的高速填充机中的增加的生产量。 [0025] 本公开的一些示例提供了在具有增加的同时焊接应用的数量的情况下改善填充机中的感应加热电路的可扩展性。 [0026] 本公开的一些示例提供了促进对感应加热电路中的负载变化的补偿。 [0027] 具体而言，本实用新型的一些方面可以阐述如下： [0028] 1.一种平面变压器100，其包括： [0029] 在第一导体基板102中的初级绕组101； [0030] 在第二导体基板104中的次级绕组103； [0031] 在所述初级绕组和所述次级绕组之间的绝缘层105； [0032] 平面磁芯106，其中所述初级绕组和所述次级绕组被设置成包围所述平面磁芯的一部分， [0033] 其中，所述初级绕组和所述次级绕组各自包括并联连接的多个绕组层 107,108。 [0034] 2.根据条款1所述的平面变压器，其中，所述第一导体基板和所述第二导体基板各自具有用于容纳所述磁芯的凹部109,110，其中，所述磁芯具有插入并通过所述第一导体基板和所述第二导体基板中的所述凹部的支柱 111,112,113。 [0035] 3.根据条款1或2所述的平面变压器，其中所述次级绕组中的匝数115 是所述初级绕组中的匝数的四倍或至少四倍。 [0036] 4.根据条款1-3中任一项所述的平面变压器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的匝数比是1:4或2:8。 [0037] 5.根据条款4所述的平面变压器，其中，当匝数比为2:8时，所述磁芯的面积约为当匝数比为1:4时所述变压器的所述磁芯的面积的一半。 [0038] 6.根据条款1至5中任一项所述的平面变压器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量为4或8。 [0039] 7.根据条款4所述的平面变压器，其中，当匝数比为2:8时，所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量是当匝数比为1:4时所述变压器的所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量的两倍。 [0040] 8.根据条款4所述的平面变压器，其中，当匝数比为1:4时，所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量为4，并且其中当匝数比为2:8时，所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量为8。 [0041] 9.根据条款1至8中任一项所述的平面变压器，其中，所述第一导体基板或所述第二导体基板包括磁性地耦合到所述次级绕组的辅助绕组114，例如滤波器。 [0042] 10.一种制造平面变压器100的方法200，其包括： [0043] 在第一导体基板102中提供201初级绕组101的并联连接的多个绕组层 107； [0044] 在第二导体基板104中提供202次级绕组103的并联连接的多个绕组层 108； [0045] 在所述初级绕组和所述次级绕组之间提供203绝缘层105， [0046] 设置203所述初级绕组和所述次级绕组以包围平面磁芯106的一部分。 [0047] 11.根据条款10所述的方法，其包括： [0048] 根据所述初级绕组和所述次级绕组的匝数比改变204所述磁芯的面积以维持所述磁芯中的确定的磁通量水平。 [0049] 12.根据条款10或11所述的方法，其包括： [0050] 根据所述初级绕组和所述次级绕组的匝数比来改变205所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中的绕组层的数量以补偿铜损。 [0051] 13.根据条款10至12中任一项所述的方法，其包括： [0052] 提供206匝数比为1:4的所述初级绕组和所述次级绕组，以及 [0053] 在所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中提供4个绕组层。 [0054] 14.根据条款10至12中任一项所述的方法，其包括： [0055] 提供207匝数比为2:8的所述初级绕组和所述次级绕组，以及 [0056] 在所述初级绕组和所述次级绕组中的每一个绕组中提供8个绕组层。 [0057] 15.一种感应加热系统300，其包括根据条款1至9中任一项所述的平面变压器100以及感应导体基板116，所述感应导体基板116包括耦合至所述平面变压器的感应电路117。 [0058] 16.根据条款1至9中任一项所述的平面变压器或根据条款10至14中任一项制造的平面变压器的用途，其用于在包装材料密封应用中使感应加热系统与发电机的阻抗匹配。 [0060] 根据本实用新型的实施方式的以下描述，参考附图，能够实现的本实用新型的实施方式的这些和其他方面、特征和优点将变得显而易见并被阐明，在附图中： [0061] 图1是根据一个示例的平面变压器的分解图的示意图； [0062] 图2是根据一个示例的平面变压器的示意图； [0063] 图3是根据一个示例的平面变压器中的次级绕组的示意图； [0064] 图4是根据一个示例的平面变压器中的初级绕组的示意图； [0065] 图5a是根据一个示例的平面变压器的分解侧视图的示意图； [0066] 图5b是根据一个示例的平面变压器的分解侧视图的示意图； [0067] 图6是根据一个示例的平面变压器的分解图的示意图； [0068] 图7是根据一个示例的平面变压器和感应电路的示意图； [0069] 图8a是示出不同磁芯的温度随时间变化的图表； [0070] 图8b是对于不同的磁芯和导体基板中的层数，温度随时间变化的图表；以及[0071] 图9是根据一个示例的制造平面变压器的方法的流程图。 具体实施方式[0072] 现在将参考附图描述本实用新型的具体示例。然而，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将是彻底的和完整的，并将本实用新型的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中示出的示例的详细描述中使用的术语不旨在限制本实用新型。在附图中，相同的数字表示相同的元件。 [0073] 下面的描述集中于适用于用于填充机中的感应焊接应用中的平面变压器的示例。然而，应理解的是，这些示例不限于这种应用，而是可以应用于控制许多其他应用中的感应加热，或者通常用于需要阻抗匹配或者功率有效转换的应用中。 [0074] 图1示出了根据一个示例的平面变压器100的分解图。变压器 100包括在第一导体基板102中的初级绕组101和在第二导体基板104中的次级绕组103。绝缘层105位于初级绕组101与次级绕组103之间。绝缘层105 可以包括绝缘材料(例如特氟隆(Teflon))片或用于使初级绕组101与次级绕组103绝缘的其他合适的材料。变压器包括平面磁芯106，其中初级绕组 101和次级绕组103被设置为包围平面磁芯106的一部分。平面磁芯106可以包括布置在平面变压器100的相对侧上的第一部分106a和第二部分106b，如例如图1中所示。即第一导体基板102和第二导体基板104可以布置在平面磁芯106的第一部分106a和第二部分106b之间。还可以想到，平面磁芯106 可以是从一侧布置在第一导体基板102或第二导体基板104上的单片件。平面磁芯在下文中通常将被称为平面磁芯106，其涵盖上述两个示例，其中芯可以是单片芯或两片芯。图2示意性地示出了当初级绕组101、次级绕组103 和平面磁芯 106已经组装在一起时的变压器100。因此，初级绕组101中的电流将在平面磁芯106中产生磁通量，其将在次级绕组103中感应出电流。初级绕组101和次级绕组103中的每一个包括并联连接的多个绕组层 107,108。图3示意性地示出了次级绕组103的被连接成并联连接的多个绕组层108。类似地，图4示意性地示出了初级绕组101的被连接成并联连接的多个绕组层 107。具有多个绕组层107,108将降低变压器电路中的电阻并由此减少铜损。这允许降低变压器100的操作温度，特别是在高功率吞吐量应用中并且在较长的时间段内的情况下。可以选择绕组层107,108的数量以优化给定应用的效率。图8b示出了一个示例，其中对于两种不同芯材料以及对于绕组层107,108的变化数量，对于初级和次级绕组101,103中的每一个，在一段时间内确定温度。例如，给定相同的芯材料(在这种情况下是铜或铁氧体)，当将绕组层从8层加倍至16层时，温度明显降低。因此，该示例还表明，铁氧体磁芯可以有利地用于变压器100中。 [0075] 尽管有多个绕组层107,108，但是分别在第一和第二导体基板 102,104中为初级和次级电路101,103设置绕组层107,108是有利的。这将例如使得变压器100的制造成本降低，同时保持高功率转换效率。因为这些初级和次级绕组101,103设置在单独的导体基板102,104中，因而这也有助于定制和调整初级和次级绕组101,103的能力，尤其是当改变绕组层107,108的数量时。因此，变压器100具有初级绕组和次级绕组101,103，初级绕组和次级绕组101,103位于单独的导体基板102,104中，并且在初级和次级绕组 101,103中的每一个绕组中具有多个绕组层107,108，这样的变压器100提供了高效的功率输送和成本较低的稳健的变压器100，该变压器100是能高度适应的以满足高功率应用的要求，例如在填充机中的感应焊接应用的要求。因此，这也提供了在感应发电机和电感器之间的高度可靠和精确的阻抗匹配电路。通过提供平面设计，将这样的变压器100结合到导体基板(即PCB设计)中，也获得了紧凑和高适应性的变压器。变压器100因此变得容易集成，例如集成在现有的感应加热电路中，例如集成在发电机中，或者进一步例如通过结合电感器117完全用于一些密封应用，如下面将进一步描述的。提供如上所述的变压器100也使得能(opens for)替换感应加热电路的其它部件以使用更精确、高效且成本更低的部件，例如表面安装的器件 (SMD)，例如，SMD电容器，这将进一步提高感应加热电路的可靠性和效率。 [0076] 如图1所示，第一和第二导体基板102,104可各自具有凹部 109,110以容纳磁芯106。这使得能围绕磁芯106对齐初级和次级绕组 101,103，从而绕组之间的磁耦合的效率可以被优化。磁芯106可以具有插入第一和第二导体基板102,104中的凹部109,110中并通过凹部109,110的支柱 111,112,113。图1示出了一个示例，其中三个支柱111,112,113是插入第一和第二导体基板102,104中的每一个基板中的相应数量的凹部(三个)中。这提供了初级和次级电路101,103之间的特别有效的磁耦合。然而，支柱 111,112,113的数量可以修改以优化用于特定的应用。如在图1的示例中，在芯106包括第一部分106a和第二部分106b的情况下，第二部分106b也可以具有如示例中所示的相应的支柱。可以想象的是，支柱111, 112,113也可以仅设置在第一部分106a和第二部分106b中的一个上。 [0077] 次级绕组103中的匝数(由图1中的标号115表示)可以是初级绕组101中的匝数的四倍。这提供了在具有带有大致对应于50欧姆的负载以及在3欧姆的阻抗上工作的发电机的感应加热系统的情况下的阻抗匹配。否则匝数比可以根据关系式Zout＝N2*Zin确定，其中相应地，Zout代表感应加热电路的阻抗，Zin代表发电机的阻抗，N代表匝数比。初级和次级绕组的匝数比例如可以是1:4或2:8。 [0078] 当匝数比为2:8时，芯106的面积可以是当匝数比为1:4时变压器 100的芯的面积的大约一半。为了降低变压器100中的操作温度(操作温度可能由于磁芯106上的磁通的高耗散而是太高的)，可以增加初级绕组101 和次级绕组103的匝数，或者可以增大磁芯106的面积，以降低磁通密度。因此，可以调整匝数或磁芯面积以降低磁通密度和温度。从另一个角度来看，给定相同的磁通量密度，例如在某些应用中可能有利的是，减小磁芯 106的尺寸，并且因此反而增加匝数115，反之亦然-当期望保持更少的匝数，例如1:4的匝数比时-增大磁芯面积。图8a示出了分别针对两种不同芯材料和分别针对单倍(1×)或者双倍(2×)尺寸的芯确定温度作为时间的函数时的一个示例。以铁氧体磁芯为例，如果具有两个磁芯而不是一个磁芯，则温度受到很大影响，并且被抑制在80摄氏度内，而在一个磁芯的情况下，温度在前五分钟内基本上按指数规律升高。 [0079] 转向图5a和图5b，示出了其中初级绕组101和次级绕组103中的每一个中的绕组层107,108的数量分别可以是4或8的示例。图5a-b是变压器100的分解图的示意性横截面。如上所述，增加绕组层107,108的数量可以由于初级和次级绕组101,103中的电阻减小而导致铜损减小。 [0080] 当匝数比为2:8时，在初级和次级绕组101,103中的每个绕组中的绕组层107',108'的数量可以是当匝数比为1:4时在变压器100中的初级和次级绕组101,103中的每个绕组中的绕组层107,108的数量的两倍。因此，图5a 示出了匝数比为1:4的示例，并且图5b示出了匝数比为2:8的示例。增加匝数，与具有2:8的匝数比的情况相同，由于铜布线的长度增加，因而铜损耗可能增加。这因此可以通过增加绕组层107',108'的数量来补偿。在匝数增加的情况下，如具有2:8的匝数比的示例那样，磁通量密度减小并且磁芯106 的面积也会减小，这也在图5a-b中用示意性芯106,106'示出。在两种情况下，芯106,106'可以分别包括第一和第二部分106a,106b,106a',106b'。 [0081] 因此，更具体地，当匝数比为1:4时，初级绕组101和次级绕组 103中的每一个绕组中的绕组层107,108的数量可以是4，并且当匝数比为 2:8时，初级和次级绕组101,103中的每一个绕组中的绕组层107',108'的数量可以是8. [0082] 第一或第二导体基板102,104可以包括磁耦合到次级绕组103的辅助绕组电路114，例如滤波器。在一些情况下，滤波器可以提取更干净的输出，因为在一些情况下，即通过有效地向变压器100应用低通滤波器，可以切除诸如高次谐波之类的失真。在平面变压器 100的导体基板102,104上集成辅助绕组114提供了有效且紧凑的变压器100，从而提供了干净的输出。因此，辅助电路114可以包括绕组和平面磁芯118a,118b，如图6所示，并且可以集成在第二导体基板104上。平面磁芯可以包括第一部分118a和第二部分118b，它们布置在辅助电路114的相对侧上，如图6所示，但是也可以设想，平面磁芯可以是单片件。 [0083] 图7示出了具有可以是电感器117的辅助电路的另一示例。如图 7所示，变压器100和电感器117可以集成在导体基板116上，或者以其它方式布置和相互耦合，以提供紧凑且高效的感应加热系统300。因此提供感应加热系统300，其包括如上所述的平面变压器100和感应导体基板116，感应导体基板116包括耦合到平面变压器的感应电路117。感应加热系统300可以例如在纵向密封应用中布置在要被密封的包装层合材料附近，其中包装材料被很靠近地传送经过感应器117。 [0084] 根据本公开还提供了制造平面变压器100的方法200。方法200 在图9中示意性地示出。描述步骤的顺序不应该被解释为限制，并且可以设想的是，可以以任何其它顺序执行这些步骤。方法200包括：在第一导体基板102中提供201初级绕组101的并联连接的多个绕组层107，在第二导体基板104中提供202次级绕组103的并联连接的多个绕组层108，在初级绕组和次级绕组之间提供203绝缘层105，以及设置203初级绕组和次级绕组以包围平面磁芯106的一部分。因此根据方法200提供变压器100，其优点如上关于变压器100所述的优点。 [0085] 方法200可以包括根据初级绕组和次级绕组的匝数比改变204磁芯106的面积以保持磁芯中的确定的磁通量水平。因此，如上所述，可以调整磁芯106的面积以补偿当使用不同砸数比时磁通密度的变化，以实现稳定的变压器电路。 [0086] 方法200可以包括根据初级和次级绕组101,103的匝数比来改变初级和次级绕组101,103中的每一个绕组中的绕组层107,108的数量，以补偿铜损耗。由此可以调整绕组层 107,108的数量以补偿当使用不同的匝数比时电阻的变化。因此可以保持高效率并补偿铜损。 [0087] 方法200可以包括提供206匝数比为1:4的初级和次级绕组 101,103，以及在初级和次级绕组中的每一个绕组中提供4个绕组层 107,108。 [0088] 方法200可以包括提供匝数比为2:8的初级和次级绕组101,103，以及在初级和次级绕组中的每一个绕组中提供8个绕组层107',108'。 [0089] 还提供了如根据本公开描述的平面变压器100或根据本公开描述制造的平面变压器100的用途，以在包装材料密封应用中使感应加热系统与发电机的阻抗相匹配。 |
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