一种单相转三相的超材料变压器的制作方法

1.本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种单相转三相的超材料变压器。


背景技术：

2.现有的单相转三相变压器主要为电力电子变压器，其依赖额外的电力电子拓扑及控制方式，通过交流-直流-交流的方式实现设计目标。由于电力电子拓扑的引入，增加了此类变流器的成本。额外的物料成本包含大容量直流支撑电容、由四个功率器件组成的整流电路及由六个功率器件组成的三相逆变电路。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种单相转三相的超材料变压器，能够在没有外部控制电路、算法及器件的情况下实现单相输入转三相输出。
4.根据本发明的一个方面，提供一种单相转三相的超材料变压器，包括：变压器以及超材料制成的磁柱；
5.所述磁柱设置于所述变压器输出测的支路磁路；所述磁柱用于改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位；
6.所述超材料为铜制，且由异形线圈与补偿电容构成的左手材料。其示意图如下图所示。
7.在上述技术方案中，超材料为一种铜制、由异形线圈与补偿电容构成的左手材料，在不同的运行频率下会呈现不同的电磁特性，其在特定频率范围内超材料会呈现负磁导率与负磁阻的特性。根据超材料的电磁特性，其磁导率/磁阻曲线可视为一条关于其谐振频率近似对称的奇函数。该对称特性即为本发明的理论基础。超材料的磁阻由实部与虚部组成，两者的合成矢量不仅具有大小，且具有相位。因此，超材料可以用来调节磁路中磁通的大小与相位。本发明提出的超材料变压器，不依赖任何外部电力电子器件及控制方式，极大地降低了物料成本。该超材料变压器仅仅通过引入两个铜制超材料线圈，通过改变支路磁路磁通的方式改变该支路感应电动势的相位，从而实现单项输入三相输出的目的。铜线与补偿谐振电容的物料成本远远低于功率器件与大功率母线支撑电容的成本。
8.在一些实施例中，所述变压器包括a相磁路、b相磁路以及c相磁路，其中a相与c相磁路的磁柱由超材料制成，其中a相磁路的磁柱使得该支路磁通相位超前120
°
；c相磁路的磁柱使得该支路磁通滞后120
°
；b相则与输入电压相位保持一致。
9.在上述技术方案中，变压器的磁柱由一条主磁路与三条支路磁阻组成。每一条支路对应输出的每一相。其中a相与c相磁路的磁柱由超材料组成，其中a相的超材料使得该支路磁通相位超前120
°
；c相的超材料使得该支路磁通滞后120
°
；b相则与输入电压相位保持一致。磁导率随频率变化曲线如图2所示。当a相磁导率与c相磁导率互为相反数时，其改变磁通相位的能力也互为相反数，即一方超前的相位与另一方滞后的相位相同。而由于a相与c相相位互补，因而其总磁通不会对b相产生影响，从而保证了a、b、c三相磁通的相位差稳定
在120
°
。利用超材料作为变压器磁柱的一部分，通过超材料改变该磁路磁阻的阻值及相对于初级线圈磁通的相位，使得不同磁柱之间磁通产生120
°
的相位差，从而实现超材料变压器单相转三相的目的。
10.在一些实施例中，所述超材料的磁阻由实部与虚部组成，其磁导率符合如下公式：
[0011][0012]
其中，μr为相对磁导率、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、sk与n为超材料的表面积与匝数，r为超材料的等效阻抗，μ0为真空磁导率
[0013]
所述超材料磁柱的磁阻由实部与虚部组成，其磁阻符合如下公式：
[0014][0015]
其中，μr为相对磁导率、μ0为真空磁导率、a为超材料的等效面积、l为超材料的体积、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、sk与n为超材料的表面积与匝数，r为超材料的等效阻抗。
[0016]
在上述技术方案中，若系统频率与超材料谐振频率差值的绝对值相同时，超材料的磁导率可近似为相反数。当系统的运行频率与超材料谐振频率的差值相同时，其磁导率实部的绝对值相同，虚部的值相同。因此，在该情况下，若把磁导率视为一个矢量，则此时在两个频率下的磁导率矢量模长相对但方向不同。该矢量的合成方向可改变磁路中磁通的相位，因此，通过改变该频率，则理论上可使得磁路钟磁通的相位与电压源的相位之差取得任意值。
[0017]
在一些实施例中，所述超材料变压器磁通φ与感应电动势e的关系如下式：
[0018][0019]
在上述技术方案中，以超材料替代变压器磁柱的超材料变压器，其核心是可以通过改变支路磁路的磁导率，来调节该磁路磁通的相位，进而改变该支路感应电动势的相位。其中磁通φ与感应电动势e的关系如式(3)所示。利用超材料作为变压器磁柱的一部分，通过超材料改变该磁路磁阻的阻值及相对于初级线圈磁通的相位，使得不同磁柱之间磁通产生120
°
的相位差，从而实现超材料变压器单相转三相的目的。
[0020]
根据本发明的另一个方面，提出一种磁柱，所述磁柱用于变压器，其特征在于，所述磁柱由异形线圈与补偿电容构成的铜制左手材料制成。
[0021]
在上述技术方案中，在不大幅增加额外物料成本的条件下，通过引入超材料作为磁柱材料，改变支路上磁通的相位，从而实现单相输入、三相输出的目的。利用超材料替代传统铁氧体作为变压器磁柱，通过超材料改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位，从而在没有外部控制电路、算法及器件的情况下实现单相输入转三相
输出。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1是本发明单相转三相的超材料变压器实施例一的结构示意图；
[0024]
图2是本发明单相转三相的超材料变压器实施例一的磁导率随频率变化曲线图；
[0025]
图3是本发明单相转三相的超材料变压器实施例一的超材料变压器的输入&输出电压变化图；
[0026]
图4是本发明单相转三相的超材料变压器实施例二的磁柱结构图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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。
[0028]
本发明提供一种单相转三相的超材料变压器，能够在没有外部控制电路、算法及器件的情况下实现单相输入转三相输出。
[0029]
实施例之一
[0030]
请参见图1，图1是本发明本发明单相转三相的超材料变压器一实施例的结构示意图。，包括：变压器以及超材料制成的磁柱；
[0031]
所述磁柱设置于所述变压器输出测的支路磁路；所述磁柱用于改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位；
[0032]
所述超材料为铜制，且由异形线圈与补偿电容构成的左手材料。超材料为一种铜制、由异形线圈与补偿电容构成的左手材料，在不同的运行频率下会呈现不同的电磁特性，其在特定频率范围内超材料会呈现负磁导率与负磁阻的特性。根据超材料的电磁特性，其磁导率/磁阻曲线可视为一条关于其谐振频率近似对称的奇函数。该对称特性即为本发明的理论基础。超材料的磁阻由实部与虚部组成，两者的合成矢量不仅具有大小，且具有相位。因此，超材料可以用来调节磁路中磁通的大小与相位。本发明提出的超材料变压器，不依赖任何外部电力电子器件及控制方式，极大地降低了物料成本。该超材料变压器仅仅通过引入两个铜制超材料线圈，通过改变支路磁路磁通的方式改变该支路感应电动势的相位，从而实现单项输入三相输出的目的。铜线与补偿谐振电容的物料成本远远低于功率器件与大功率母线支撑电容的成本。
[0033]
本发明利用超材料替代传统铁氧体作为变压器磁柱，通过超材料改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位，从而在没有外部控制电路、算法及器件的情况下实现单相输入转三相输出。该变压器的结构如图1所示。
[0034]
如图1所示，所述变压器包括a相磁路、b相磁路以及c相磁路，其中a相与c相磁路的
磁柱由超材料制成，其中a相磁路的磁柱使得该支路磁通相位超前120
°
；c相磁路的磁柱使得该支路磁通滞后120
°
；b相则与输入电压相位保持一致。变压器的磁柱由一条主磁路与三条支路磁阻组成。每一条支路对应输出的每一相。其中a相与c相磁路的磁柱由超材料组成，其中a相的超材料使得该支路磁通相位超前120
°
；c相的超材料使得该支路磁通滞后120
°
；b相则与输入电压相位保持一致。磁导率随频率变化曲线如图2所示。当a相磁导率与c相磁导率互为相反数时，其改变磁通相位的能力也互为相反数，即一方超前的相位与另一方滞后的相位相同。而由于a相与c相相位互补，因而其总磁通不会对b相产生影响，从而保证了a、b、c三相磁通的相位差稳定在120
°
在引入超材料之后，变压器的输入输出电压如图3所示。由图3所示，当输入电压为50hz时，输出可以很好地实现对称三相正弦电压。因此，可以在许多仅有单相输入的工作场合，实现对称、稳定的三相输出。利用超材料作为变压器磁柱的一部分，通过超材料改变该磁路磁阻的阻值及相对于初级线圈磁通的相位，使得不同磁柱之间磁通产生120
°
的相位差，从而实现超材料变压器单相转三相的目的。
[0035]
在引入超材料之后，变压器的输入输出电压如图3所示。由图3所示，当输入电压为50hz时，输出可以很好地实现对称三相正弦电压。因此，可以在许多仅有单相输入的工作场合，实现对称、稳定的三相输出。
[0036]
在本实施例中，所述电磁超材料作为一种铜制、由异形线圈与补偿电容构成的左手材料，在不同的运行频率下会呈现不同的电磁特性，其在特定频率范围内超材料会呈现负磁导率与负磁阻的特性。根据超材料的电磁特性，其磁导率/磁阻曲线可视为一条关于其谐振频率近似对称的奇函数。该对称特性即为本发明的理论基础。超材料的磁阻由实部与虚部组成，两者的合成矢量不仅具有大小，且具有相位。因此，超材料可以用来调节磁路中磁通的大小与相位。超材料的磁导率与磁阻符合如下公式。
[0037][0038]
其中，μr为相对磁导率、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、sk与n为超材料的表面积与匝数，r为线圈的等效阻抗。此外，超材料的磁阻rm可根据(1)式改写为(2)
[0039][0040]
其中，μr为相对磁导率、μ0为真空磁导率、a为超材料的截面积、l为超材料的长度、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、sk与n为超材料的表面积与匝数，r为超材料的等效阻抗。
[0041]
根据式(1)，超材料的磁导率随频率变化的曲线如图1所示。从图1可以看出，若系统频率与超材料谐振频率(图1中蓝色曲线过零点处)差值的绝对值相同时，超材料的磁导率可近似为相反数。
[0042]
以图1为例，当系统的运行频率与超材料谐振频率的差值相同时，其磁导率实部的
绝对值相同，虚部的值相同。因此，在该情况下，若把磁导率视为一个矢量，则此时在两个频率下的磁导率矢量模长相对但方向不同。该矢量的合成方向可改变磁路中磁通的相位，因此，通过改变该频率，则理论上可使得磁路钟磁通的相位与电压源的相位之差取得任意值。
[0043]
基于该设计思路，本专利提出了一种以超材料替代变压器磁柱的超材料变压器，其核心是可以通过改变支路磁路的磁导率，来调节该磁路磁通的相位，进而改变该支路感应电动势的相位。其中磁通φ与感应电动势e的关系如式(3)所示。
[0044][0045]
以超材料替代变压器磁柱的超材料变压器，其核心是可以通过改变支路磁路的磁导率，来调节该磁路磁通的相位，进而改变该支路感应电动势的相位。其中磁通φ与感应电动势e的关系如式(3)所示。利用超材料作为变压器磁柱的一部分，通过超材料改变该磁路磁阻的阻值及相对于初级线圈磁通的相位，使得不同磁柱之间磁通产生120
°
的相位差，从而实现超材料变压器单相转三相的目的。
[0046]
实施例之二
[0047]
请参阅图4，一种磁柱，所述磁柱用于变压器，所述磁柱由异形线圈(如图4所示)与补偿电容构成的铜制左手材料制成。在不大幅增加额外物料成本的条件下，通过引入超材料作为磁柱材料，改变支路上磁通的相位，从而实现单相输入、三相输出的目的。利用超材料替代传统铁氧体作为变压器磁柱，通过超材料改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位，从而在没有外部控制电路、算法及器件的情况下实现单相输入转三相输出。
[0048]
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种单相转三相的超材料变压器，其特征在于，包括：变压器以及超材料制成的磁柱；所述磁柱设置于所述变压器输出测的支路磁路；所述磁柱用于改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位；所述超材料为铜制，且由异形线圈与补偿电容构成的左手材料。2.如权利要求1所述的一种单相转三相的超材料变压器，其特征在于，所述变压器包括a相磁路、b相磁路以及c相磁路，其中a相与c相磁路的磁柱由超材料制成，其中a相磁路的磁柱使得该支路磁通相位超前120
°
；c相磁路的磁柱使得该支路磁通滞后120
°
；b相则与输入电压相位保持一致。3.如权利要求1所述的一种单相转三相的超材料变压器，其特征在于，所述超材料的磁阻由实部与虚部组成，其磁导率符合如下公式：其中，μ
r
为相对磁导率、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、s
k
与n为超材料的表面积与匝数，r为线圈的等效阻抗。4.如权利要求3所述的一种单相转三相的超材料变压器，其特征在于，所述超材料磁柱的磁阻由实部与虚部组成，其磁阻符合如下公式：其中，μ
r
为相对磁导率、μ0为真空磁导率、a为超材料的截面积、l为超材料的长度、l为包含超材料在内闭合磁路的等效长度、v为超材料的体积、ω与ω0为系统的运行频率与超材料的谐振频率、s
k
与n为超材料的表面积与匝数，r为超材料的等效阻抗。5.如权利要求1所述的一种单相转三相的超材料变压器，其特征在于，所述超材料变压器磁通φ与感应电动势e的关系如下式：6.一种磁柱，所述磁柱用于变压器，其特征在于，所述磁柱由异形线圈与补偿电容构成的铜制左手材料制成。

技术总结
本发明公开了一种单相转三相的超材料变压器，包括：变压器以及超材料制成的磁柱；所述磁柱设置于所述变压器输出测的支路磁路；所述磁柱用于改变变压器不同支路磁路中磁通的相位，从而调节输出电压的相位；所述超材料为铜制，且由异形线圈与补偿电容构成的左手材料。本发明提出的超材料变压器，不依赖任何外部电力电子器件及控制方式，极大地降低了物料成本。该超材料变压器仅仅通过引入两个铜制超材料线圈与补偿电容，通过改变支路磁路磁通的方式改变该支路感应电动势的相位，从而实现单项输入三相输出的目的。而且铜线与补偿谐振电容的物料成本远远低于传统包含多个功率器件与大功率母线支撑电容的电力电子变压器多个的成本。成本。成本。


技术研发人员：陈元熹 傅为农 陈一逢
受保护的技术使用者：厦门市爱维达电子有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/6