BR112016006697B1

BR112016006697B1 - Estrutura de bobina de acoplamento e transformador

Info

Publication number: BR112016006697B1
Application number: BR112016006697-9A
Authority: BR
Inventors: Hiromu Shiota
Original assignee: Toshiba Industrial Products And Systems Corporation
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2022-04-26
Also published as: JP6148590B2; CN105593956B; EP3054464A1; CN105593956A; EP3054464B1; JP2015070149A; US10381151B2; WO2015045560A1; EP3054464A4; BR112016006697A2; US20160211070A1

Abstract

ESTRUTURA DE BOBINA DE ACOPLAMENTO E TRANSFORMADOR.Trata-se de uma estrutura de bobina de acoplamento, que é dotada de uma pluralidade de bobinas primárias formadas enrolando-se um fio condutor e uma pluralidade de bobinas secundárias fornecidas de modo a gerar indutância mútua com a pluralidade de bobinas primárias e em que, entre a pluralidade de bobinas primárias, uma bobina primária é derivada em uma porção intermediária da mesma por outra bobina primária em ângulos retos, é caracterizada pelo fato de que, entre a pluralidade de bobinas secundárias, uma bobina secundária em indutância mútua com uma bobina primária é constituída em uma bobina de acoplamento por um condutor que tem uma largura pelo menos do tamanho, na direção axial, da bobina primária.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] Uma modalidade da presente invenção refere-se a uma estrutura de bobina de acoplamento e a um transformador.

TÉCNICA ANTECEDENTE

[0002] Convencionalmente, em um transformador conectado do tipo Scott ou similar, por exemplo, uma bobina de acoplamento tem sido empregada pela seguinte razão: Ou seja, um transformador conectado do tipo Scott 10 mostrado, por exemplo, na Figura 5 inclui um núcleo de ferro 11, uma bobina primária de fase principal 12, uma bobina primária de equilíbrio 13, uma bobina secundária de fase principal 14, e uma bobina secundária de equilíbrio 15. Cada uma das bobinas 12, 13, 14 e 15 é configurada de modo que um fio condutor seja enrolado ao redor do núcleo de ferro 11. Uma extremidade da bobina primária de equilíbrio 13 cruza e é conectada à bobina primária de fase principal 12 em um ponto mediano N da mesma, que é uma porção intermediária da mesma. Uma fonte de alimentação trifásica que não é mostrada é conectada a um terminal V da bobina primária de equilíbrio 13 e terminais U e W da bobina primária de fase principal 12.

[0003] Uma primeira carga de fase única 91 é conectada aos terminais 1u e 1v da bobina secundária de fase principal 14, que é uma das bobinas secundárias 14 e 15. Uma segunda carga de fase única 92 é conectada aos terminais 2u e 2v da bobina secundária de equilíbrio 15. A tensão emitida a partir da bobina secundária de fase principal 14 e a tensão emitida da bobina secundária de equilíbrio 15 são deslocadas uma da outra por uma diferença de fase de 90°. Nesse caso, a indução mútua ocorre entre a bobina primária de fase principal 12 e a bobina secundária de fase principal 14 e entre a bobina primária de equilíbrio 13 e a bobina secundária de equilíbrio 15.

[0004] A Figura 6 mostra a corrente que flui através do transformador conectado do tipo Scott 10 na Figura 5 em um estado em que apenas a primeira carga de fase única 91 é conectada aos terminais 1u e 1v da bobina secundária de fase principal 14, mas a segunda carga de fase única 92 não é conectada aos terminais 2u e 2v da bobina secundária de equilíbrio 15. A corrente i1m que flui através da bobina primária de fase principal 12 e a corrente i2m que flui através da bobina secundária de fase principal 14 fluem de tal modo que os amperes-espiras das duas bobinas 12 e 14 cancelam uma à outra. Nesse caso, a impedância de curto-circuito na bobina primária de fase principal 12 e a bobina secundária de fase principal 14 é a impedância de vazamento entre as duas bobinas 12 e 14.

[0005] Em contraste, a Figura 7 mostra a corrente que flui através do transformador conectado do tipo Scott 10 na Figura 5 em um estado em que apenas a segunda carga de fase única 92 é conectada aos terminais 2u e 2v da bobina secundária de equilíbrio 15, mas a primeira carga de fase única 91 não é conectada aos terminais 1u e 1v da bobina secundária de fase principal 14. A corrente i1t que flui através da bobina primária de equilíbrio 13 flui de modo a cancelar os amperes-espiras da corrente i2t que flui através da bobina secundária de equilíbrio 15 e, então, divide no ponto mediano N em corrente i1t1 e corrente i1t2, que fluem através da bobina primária de fase principal 12.

[0006] Nesse caso, a impedância de curto-circuito no lado de equilíbrio é a soma da impedância de vazamento entre a bobina primária de equilíbrio 13 e a bobina secundária de equilíbrio 15 e a impedância de vazamento entre uma bobina primária de fase principal de lado U 121 e uma bobina primária de fase principal de lado W 122. Portanto, para reduzir a impedância de curto-circuito no lado de equilíbrio, é necessário reduzir a impedância de vazamento entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122.

[0007] Na configuração descrita acima, empregar a estrutura de uma bobina de acoplamento como a estrutura da bobina secundária de fase principal 14, conforme mostrado nas Figuras 8 e 9, permite redução na impedância de vazamento entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122. Uma bobina de acoplamento se refere a uma estrutura que tem uma função de aperfeiçoar acoplamento magnético entre uma pluralidade de enrolamentos estabelecidos separadamente um do outro.

[0008] A estrutura da bobina de acoplamento é configurada, por exemplo, conforme a seguir: Ou seja, a bobina secundária de fase principal 14 é dividida em uma porção mediana em duas bobinas, uma bobina secundária de fase principal de lado U 141 e uma bobina secundária de fase principal de lado W 142. A bobina secundária de fase principal de lado U 141 e a bobina secundária de fase principal de lado W 142 são conectadas em paralelo uma com a outra. A bobina secundária de fase principal de lado U 141 está voltada para a bobina primária de fase principal de lado U 121, e a bobina secundária de fase principal de lado W 142 está voltada para a bobina primária de fase principal de lado W 122.

[0009] Nessa configuração, a segunda carga de fase única 92 é conectada aos terminais 2u e 2v da bobina secundária de equilíbrio 15, e a corrente i1t que fluiu através da bobina primária de equilíbrio 13 se divide em corrente que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121 e corrente que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122, conforme mostrado na Figura 8. Como resultado, a indução mútua entre a bobina primária de fase principal 12 e a bobina secundária de fase principal 14 induz força eletromotriz na bobina secundária de fase principal 14. A corrente i2t1 flui, portanto, através da bobina secundária de fase principal de lado U 141 de modo a cancelar os amperes-espiras da corrente i1t1 que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121. De modo similar, a corrente i2t2 flui através da bobina secundária de fase principal de lado W 142 de modo a cancelar os amperes-espiras da corrente i1t2 que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122.

[0010] A corrente i2t1 e a corrente i2t2 circulam através da trajetória formada da bobina secundária de fase principal de lado U 141 e a bobina secundária de fase principal de lado W 142. A corrente em circulação i2t1 e a corrente i2t2 cancelam os amperes-espiras da corrente que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121 e a corrente que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122, na qual a corrente i1t que flui através da bobina primária de equilíbrio 13 se divide. Como resultado, o acoplamento magnético entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 é aperfeiçoado, assim, a impedância de vazamento entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 pode ser reduzida.

LISTA DE CITAÇÕES LITERATURA DE PATENTE

[0011] Literatura de Patente 1: Patente Japonesa Aberta à Inspeção Pública no 8-335520.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA DA TÉCNICA

[0012] Na estrutura da bobina de acoplamento da técnica relacionada mostrada nas Figuras 8 e 9, entretanto, o problema a seguir existe: Primeiramente, a bobina secundária de fase principal 14, que é originalmente formada a partir de um único núcleo, precisa ser dividida em uma pluralidade de bobinas, por exemplo, as duas bobinas 141 e 142, que, então, precisam ser conectadas em paralelo uma com a outra, resultando em aumentos em tempo e esforço para formação das duas bobinas 141 e 142 e, portanto, uma diminuição na produtividade. Segundo, visto que a bobina secundária de fase principal 14 é formada da bobina secundária de fase principal de lado U 141 e da bobina secundária de fase principal de lado W 142 divididas, o número de espiras de fios condutores aumenta quando comparado ao caso em que a bobina secundária de fase principal 14 é formada a partir de um único núcleo. O fator de espaço da bobina secundária de fase principal 14 em relação à área em corte transversal geral do transformador diminui, portanto, de modo que o tamanho da bobina secundária de fase principal 14 aumente, resultando em um aumento no tamanho geral e peso do transformador.

[0013] Um objetivo da presente invenção é fornecer uma estrutura de bobina de acoplamento que permite aperfeiçoamento na produtividade e redução em tamanho e peso e um transformador com o uso da estrutura de bobina de acoplamento.

SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA

[0014] Uma estrutura de bobina de acoplamento, de acordo com uma modalidade da presente invenção, inclui uma pluralidade de bobinas primárias formadas enrolando-se um fio condutor e uma pluralidade de bobinas secundárias fornecidas de modo que a indução mútua ocorra entre a pluralidade de bobinas primárias e a pluralidade de bobinas secundárias. Uma dentre a pluralidade de bobinas primárias cruza e é conectada à outra bobina primária em uma porção intermediária da uma bobina primária, e uma dentre a pluralidade de bobinas secundárias que permitem que a indução mútua ocorra entre a uma bobina primária e a uma bobina secundária forma uma bobina de acoplamento formada a partir de um único condutor que tem uma largura maior do que ou igual a uma dimensão axial da uma bobina primária.

[0015] Um transformador, de acordo com a presente modalidade, inclui a bobina secundária que forma a bobina de acoplamento descrita acima.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] A Figura 1 mostra a configuração de um transformador conectado do tipo Scott com o uso de uma estrutura de bobina de acoplamento de acordo com uma modalidade.

[0017] A Figura 2 mostra a configuração de uma bobina primária de fase principal e uma bobina secundária de fase principal na Figura 1 e ao redor da mesma.

[0018] A Figura 3 é uma vista em perspectiva que mostra a configuração da bobina secundária de fase principal na Figura 1.

[0019] A Figura 4 é um desenvolvimento da bobina secundária de fase principal na Figura 3.

[0020] A Figura 5 mostra a configuração de um transformador conectado do tipo Scott da técnica relacionada.

[0021] A Figura 6 mostra um estado em que uma primeira carga de fase única é conectada a uma bobina secundária de fase principal do transformador conectado do tipo Scott na Figura 5.

[0022] A Figura 7 mostra um estado em que uma segunda carga de fase única é conectada a uma bobina secundária de equilíbrio do transformador conectado do tipo Scott na Figura 5.

[0023] A Figura 8 mostra que uma estrutura de bobina de acoplamento de técnica relacionada é empregada no transformador conectado do tipo Scott.

[0024] A Figura 9 mostra a configuração da bobina primária de fase principal e da bobina secundária de fase principal na Figura 8 e ao redor da mesma.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[0025] Uma modalidade será descrita abaixo com referência aos desenhos.

[0026] A Figura 1 mostra o transformador conectado do tipo Scott 10 mostrado na Figura 5 ao qual uma estrutura de bobina de acoplamento, de acordo com a presente modalidade, é aplicada. Um transformador conectado do tipo Scott 20 mostrado nas Figuras 1 e 2 inclui o núcleo de ferro 11, a bobina primária de fase principal 12, a bobina primária de equilíbrio 13 e a bobina secundária de equilíbrio 15, conforme no transformador conectado do tipo Scott 10 mostrado na Figura 5. O transformador conectado do tipo Scott 20 mostrado na Figuras 1 e 2 inclui adicionalmente uma bobina secundária de fase principal 30 que é uma bobina de acoplamento no lugar da bobina secundária de fase principal 14 mostrada na Figura 5. O transformador conectado do tipo Scott 20 mostrado nas Figuras 1 e 2 é o mesmo do transformador conectado do tipo Scott 10 mostrado na Figura 5 em termos de configuração exceto a bobina secundária de fase principal 30.

[0027] Ou seja, a bobina primária de equilíbrio 13 e a bobina secundária de equilíbrio 15 são, cada uma, formadas enrolando-se um fio condutor ao redor do núcleo de ferro 11 e são configuradas concentricamente uma com a outra. O transformador conectado do tipo Scott 20 é configurado de modo que a bobina primária de fase principal 12, que é uma dentre a pluralidade de bobinas primárias 12 e 13, cruze a bobina primária de equilíbrio 13, que é a outra bobina primária, em um formato em T de tal modo que a bobina primária de equilíbrio 13 seja conectada à bobina primária de fase principal 12 em uma porção intermediária da bobina primária de fase principal 12, que é um ponto mediano N entre uma bobina primária de fase principal de lado U 121 e uma bobina primária de fase principal de lado W 122. Cada uma dentre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 é formada enrolando- se um fio condutor ao redor do núcleo de ferro 11. A bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 são dispostas lado a lado ao longo da direção axial das bobinas.

[0028] A bobina secundária de fase principal 30 é fornecida de modo a voltar-se para a bobina primária de fase principal 12. A indução mútua ocorre entre a bobina secundária de fase principal 30 e a bobina primária de fase principal 12. A bobina secundária de fase principal 30 disposta concentricamente com a bobina primária de fase principal 12, que é formada da bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122. A bobina secundária de fase principal 30 é formada enrolando-se um único condutor em formato de folha que tem condutividade, por exemplo, uma única placa fina 31 feita de um metal, tal como alumínio ou cobre, ao redor do núcleo de ferro 11, conforme também mostrado nas Figuras 3 e 4.

[0029] A dimensão axial H da bobina secundária de fase principal 30, ou seja, a largura da bobina secundária de fase principal 30 é definida para ser maior do que ou igual à dimensão axial L da bobina primária de fase principal 12, ou seja, a soma da dimensão axial L1 da bobina primária de fase principal de lado U 121 e a dimensão axial L2 da bobina primária de fase principal de lado W 122, conforme mostrado na Figura 2. Na presente modalidade, a largura H da bobina secundária de fase principal 30 é aproximadamente igual à dimensão axial L da bobina primária de fase principal 12. A bobina secundária de fase principal 30 tem fios de ligação 32 e 33 localizados nas extremidades opostas da mesma, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4. Cada um dos fios de ligação 32 e 33 é, por exemplo, uma haste feita de um metal, tal como alumínio ou cobre. Os fios de ligação 32 e 33 são soldados ou, de outra maneira, conectados à placa fina 31. As porções de extremidade dos fios de ligação 32 e 33 funcionam como os terminais 1u e 1v, aos quais a primeira carga de fase única 91 é conectada.

[0030] Será feita a seguir uma descrição da corrente que flui através do transformador conectado do tipo Scott 20 em um estado em que apenas a segunda carga de fase única 92 é conectada aos terminais 2u e 2v da bobina secundária de equilíbrio 15, mas a primeira carga de fase única 91 não é conectada aos terminais 1u e 1v da bobina secundária de fase principal 30, conforme mostrado na Figura 1. Nesse caso, a corrente i1t que fluiu através da bobina primária de equilíbrio 13 divide na corrente i1t1 que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121 e na corrente i1t2 que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122. Como resultado, a corrente i2t1, que flui de modo a cancelar os amperes- espiras da corrente i1t1 que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121, flui através de uma porção da bobina secundária de fase principal 30, ou seja, uma porção da mesma voltada para a bobina primária de fase principal de lado U 121, conforme mostrado na Figura 2. De modo similar, a corrente i2t2, que flui de modo a cancelar os amperes-espiras da corrente i1t2 que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122, flui através de uma porção da bobina secundária de fase principal 30, ou seja, uma porção da mesma voltada para a bobina primária de fase principal de lado W 122.

[0031] A corrente i2t1 e a corrente i2t2 que fluem através a bobina secundária de fase principal 30 circulam na bobina secundária de fase principal 30 para cancelar os amperes-espiras da corrente i1t1 que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121 e a corrente i1t2 que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122, conforme mostrado na Figura 4. Portanto, na bobina primária de fase principal 12, o acoplamento magnético entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 pode ser aperfeiçoado, assim, a impedância de vazamento entre as bobinas primárias de fase principal 121 e 122 pode ser reduzida.

[0032] De acordo com a configuração, a bobina secundária de fase principal 30 é formada enrolando-se a única placa fina 31 ao redor do núcleo de ferro 11. A bobina secundária de fase principal 30 não necessita, portanto, ser dividida em uma pluralidade de bobinas ou conectada em paralelo uma com a outra a fim de formar uma bobina de acoplamento, diferentemente das bobinas secundárias de fase principal 141 e 142 que tem a configuração da técnica relacionada. A bobina de acoplamento pode ser configurada, portanto, sem aumento no tempo ou esforço, assim, uma diminuição na produtividade é evitada.

[0033] Adicionalmente, visto que a bobina secundária de fase principal 30 é formada a partir de uma placa fina em formato de folha 31, é desnecessário enrolar um grande número de fios condutores. A bobina secundária de fase principal 30, de acordo com a presente modalidade, pode fornecer, portanto, uma proporção maior do condutor em relação ao corte transversal da bobina do que em um caso em que um grande número de fios condutores são enrolados. Ou seja, de acordo com a presente modalidade, uma diminuição no fator de espaço do condutor em relação à área em corte transversal geral da bobina secundária de fase principal 30 pode ser evitada até mesmo quando a estrutura de uma bobina de acoplamento é empregada, assim, um aumento no tamanho da bobina secundária de fase principal 30 pode ser evitado.

[0034] Adicionalmente, na presente modalidade, a largura H da bobina secundária de fase principal 30 é definida para ser aproximadamente igual à dimensão axial L da bobina primária de fase principal 12. Visto que a bobina secundária de fase principal 30 é, desse modo, permitida voltar-se para toda a bobina primária de fase principal 12, a corrente i2t1 e i2t2 que circula na bobina secundária de fase principal 30 pode cancelar os amperes-espiras da corrente i1t1 que flui através da bobina primária de fase principal de lado U 121 e a corrente i1t2 que flui através da bobina primária de fase principal de lado W 122. Como resultado, o acoplamento magnético entre a bobina primária de fase principal de lado U 121 e a bobina primária de fase principal de lado W 122 pode ser aperfeiçoado adicionalmente, assim, a impedância de vazamento entre as bobinas primárias de fase principal 121 e 122 pode ser reduzida de modo mais eficiente.

[0035] A bobina secundária de fase principal 30 tem os fios de ligação 32 e 33 localizados nas extremidades opostas da mesma, que servem como um início de enrolamento e um final de enrolamento da placa fina 31, que serve como um condutor. Os fios de ligação 32 e 33 permitem que os terminais 1u e 1v sejam prontamente fornecidos até mesmo quando a placa fina 31 é usada como o condutor da bobina secundária de fase principal 30.

[0036] A bobina secundária de fase principal 30 pode ser configurada de modo que um grande número de fios condutores seja tecido em um formato similar ao tecido para formar um único condutor como um todo.

[0037] A estrutura de bobina de acoplamento, de acordo com a modalidade descrita acima, não é necessariamente aplicada a um transformador conectado do tipo Scott e é geralmente aplicável a uma estrutura de enrolamento de acoplamento para aperfeiçoar o acoplamento magnético entre uma pluralidade de bobinas estabelecidas separadamente uma da outra e um transformador com o uso da estrutura de enrolamento de acoplamento.

[0038] Conforme descrito acima, a estrutura de bobina de acoplamento, de acordo com a modalidade, inclui uma pluralidade de bobinas primárias formadas enrolando-se um fio condutor e uma pluralidade de bobinas secundárias fornecidas de modo que a indução mútua ocorra entre a pluralidade de bobinas primárias e a pluralidade de bobinas secundárias, e uma dentre a pluralidade de bobinas primárias cruza e é conectada à outra bobina primária em uma porção intermediária da uma bobina primária, e uma dentre a pluralidade de bobinas secundárias que permite que a indução mútua ocorra entre a uma bobina primária e a uma bobina secundária forma uma bobina de acoplamento formada a partir de um único condutor que tem uma largura maior do que ou igual à dimensão axial da uma bobina primária.

[0039] Como resultado, a bobina secundária que corresponde a uma bobina primária forma uma bobina de acoplamento formada a partir do único condutor que tem uma largura maior do que ou igual à dimensão axial da uma bobina primária. A bobina secundária que corresponde a uma bobina primária não necessita, portanto, ser dividida em uma pluralidade de bobinas ou conectada em paralelo uma à outra a fim de formar uma bobina de acoplamento. A bobina de acoplamento pode ser, portanto, configurada sem aumento no tempo ou esforço, assim, uma diminuição na produtividade é evitada. Adicionalmente, visto que a bobina secundária configurada como uma bobina de acoplamento é formada a partir de um único condutor, é desnecessário enrolar um grande número de fios condutores para formar a bobina secundária, assim, o fator de espaço do condutor é reduzido e um aumento no tamanho da bobina secundária é, portanto, evitado.

[0040] Uma modalidade da presente invenção foi descrita. A modalidade é apresentada a título de exemplo e não é destinada a limitar o escopo da invenção. A modalidade inovadora pode ser implantada em uma variedade de outras formas, e uma variedade de tipos de omissão, substituição, e mudanças podem ser feitas na modalidade desde que as mudanças não se afastem da substância da invenção. A modalidade e as mudanças estão dentro não só do escopo e substância da invenção, mas também da invenção estabelecida nas concretizações e equivalentes das mesmas.

Claims

1. Estrutura de bobina de acoplamento compreendendo: uma pluralidade de bobinas primárias (12, 13) formadas ao enrolar um fio condutor; e uma pluralidade de bobinas secundárias (15, 30) fornecidas de modo que indução mútua ocorra entre a pluralidade de bobinas primárias e a pluralidade de bobinas secundárias, caracterizada pelo fato de que uma dentre a pluralidade de bobinas primárias (12) cruza e é conectada a outra bobina primária (13) em uma porção intermediária da uma bobina primária, e uma dentre a pluralidade de bobinas secundárias (30) que permite indução mútua a ocorrer entre a uma bobina primária e a uma bobina secundária forma uma bobina de acoplamento formada de um único condutor (31) tendo uma largura maior do que ou igual a uma dimensão axial da uma bobina primária, a uma bobina primária é configurada ao dispor uma pluralidade de bobinas em uma direção axial das bobinas, a uma bobina secundária é configurada ao enrolar uma placa fina de metal tendo uma largura maior do que ou igual a uma dimensão axial da uma bobina primária, e possui fios de ligação (32, 33) em extremidades opostas da mesma, que servem como um início de enrolamento e um final de enrolamento do condutor, e os fios de ligação são uma haste de metal soldada para ser conectada à placa fina.

2. Transformador caracterizado pelo fato de que compreende a estrutura de bobina de acoplamento como definida na reivindicação 1.