DE112022000924T5

DE112022000924T5 - Spulengerät und Leistungskonvertierungsgerät

Info

Publication number: DE112022000924T5
Application number: DE112022000924.1T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kumagai; Kazuaki Fukui; Yoshiaki Yamamoto; Kazufumi Tanaka; Kenji Asai; Kazuya Ohashi; Koji Ishihara
Original assignee: Nunome Electric Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nunome Electric Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2022-02-02
Publication date: 2023-11-23
Also published as: JPWO2022168857A1; US20240055171A1; CN116941000A; WO2022168857A1

Abstract

Ein Transformator (100) umfasst eine Kerngruppe (101, 102) und eine Wicklungsgruppe (103). Jede von mehreren Wicklungsschichten (103a bis 103c) durchsetzt mehrere geschlossene Magnetkreise, welche durch mehrere Kerne (101a bis 101g, 102a bis 102g) gebildet sind. Aus Sicht von oben sind die Kerne (101a bis 101g, 102a bis 102g) mit Abstand entlang von Leitungsdrähten angeordnet, durch welche ein Strom der Wicklungsschichten (103a bis 103c) fließt, und sind die Wicklungsschichten (103a bis 103c) nebeneinander von der Innenseite zu der Außenseite mit Abstand entlang einer Richtung angeordnet, welche die Richtung des Strom schneidet. Mit dieser Konfiguration kann ein Spulengerät mit guter Wärmedissipationsfähigkeit, kompakter Größe, hoher Effizienz und niedrigen Kosten bereitgestellt werden.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Spulengerät und ein Leistungskonvertierungsgerät.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird in Spulengeräten, wie beispielsweise Transformatoren und Drosseln zur Verwendung bei der Leistungskonvertierung eine Wärmedissipation durch Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung durchgeführt.
Das japanische Patent mit Veröffentlichungsnummer 2010-50272 (PTL 1) offenbart ein Spulengerät mit einer Struktur, bei welcher mehrere Kerne so angeordnet sind, dass zwei E-förmige Kerne einander mit einer Lücke zwischen den Kernen zugewandt sind, um die Wärmedissipation zu vereinfachen.
Solche Spulengeräte werden hauptsächlich für industrielle Hochfrequenzwechselrichter und Leistungskonvertierungsgeräte verwendet. Es wird gewünscht, die Spulengeräte zusammen mit einer natürlichen Luftkühlung, welche das einfachste Kühlverfahren ist, oder künstlicher Luftkühlung zu verwenden.
Zitierungsliste
Patentliteratur
PTL 1: japanisches Patent, Veröffentlichungsnummer 2010-50272
Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
In dem Kernanordnungsverfahren des Spulengerätes, welches in dem japanischen Patent mit Veröffentlichungsnummer 2010-50272 offenbart ist, wird ein Spulenträger zwischen der Wicklung und dem Kern verwendet. Ein Teil der Oberfläche der Spule ist daher ein Abschnitt, der in den Spulenträger eingepasst ist. Weil keine Lücke an dem vorhanden ist, wo der Kern und der Spulenträger eingepasst sind, ist die Wärmedissipationsfläche begrenzt, in welcher der Kern Wärme an die Luft abgibt. Außerdem ist die Mitte des Kerns von dem Spulenträger und der Wicklung umgeben und die Temperatur des Kerns tendiert dazu, durch Wärme von der Wicklung zuzunehmen. Basierend auf dem Obigen besteht bei diesem Spulengerät Raum zur Verbesserung hinsichtlich der Kühlfähigkeit des Kerns.
Außerdem ist aufgrund von Schwankungen der relativen Permeabilität der Kerne, einer Temperaturänderung und einer zeitlichen Änderung ein Magnetfluss auf einige der Kerne konzentriert, weil jeder der parallel angeordneten Kerne keine Lücke für einen Magnetkreis aufweist.
Außerdem ist in einem Zustand, in welchem die Kerne eingepasst sind, die Wicklung in dem Inneren des Magnetkreises angeordnet, und der überwiegende Teil der Oberfläche der Wicklung trägt nicht zu einer Wärmedissipation an die Luft bei. Dieses Spulengerät ist daher hinsichtlich einer Kühlfähigkeit der Wicklung schlechter.
Außerdem weist dieses Spulengerät keine solche Struktur auf, welche ermöglicht, dass bei Zuführung von Luft ein Luftstrom effektiv durch die Kerne strömt. Daher sind zum Kühlen mit Kühlluft mehrere Kühlventilatoren oder Röhren mit einer komplizierten Struktur separat erforderlich. Dies erhöht die Gesamtgröße des Spulengerätes.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Spulengerät mit einer einfachen Struktur und mit einer guten Wärmedissipationsfähigkeit, kompakter Größe, hoher Effizienz und niedrigen Kosten bereitzustellen.
Lösung des Problems
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Spulengerät. Das Spulengerät umfasst eine Kerngruppe, welche mehrere Kerne umfasst, welche mehrere geschlossene Magnetkreise bilden, und eine Wicklungsgruppe, welche mehrere Wicklungsschichten umfasst. Jede der Wicklungsschichten durchsetzt die geschlossenen Magnetkreise. Die Kerne sind aus Sicht einer ersten Richtung nebeneinander mit Abständen entlang von Leitungsdrähten angeordnet, durch welche ein Strom der Wicklungsschichten fließt. Die Wicklungsschichten sind aus Sicht der ersten Richtung nebeneinander von innen nach außen mit Abständen entlang einer Richtung angeordnet, welche die Richtung des Stroms schneidet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
In dem Spulengerät gemäß der vorliegenden Offenbarung kann das Spulengerät mit einer guten Wärmedissipationsfähigkeit, hoher Effizienz und geringen Kosten in einer einfachen Struktur implementiert werden und verkleinert sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines Spulengerätes in einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines einzelnen Kerns zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Kern aus 2, aufgeteilt in Kernteile, zeigt.
4 ist eine Draufsicht, welche eine Konfiguration eines Transformators 100 zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht entlang V-V in 4.
6 ist eine Querschnittsansicht entlang VI-VI in 4.
7 ist ein Diagramm von Luftwegabschnitten, welche mit einer Kerngruppe 101 und einer Wicklungsgruppe 103 gebildet sind.
8 ist eine perspektivische Ansicht der Gesamtstruktur des Transformators 100 in einem zusammengesetzten Zustand.
9 ist eine perspektivische Explosionsansicht zur Vereinfachung des Verständnisses, welche Hauptstrukturelemente des Transformators 100 zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, welche Kernhalterungsteile zeigt.
11 ist eine Draufsicht eines unteren Kernhalterungsteils 203a.
12 ist eine Frontansicht des unteren Kernhalterungsteils 203a.
13 ist eine Seitenansicht des unteren Kernhalterungsteils 203a.
14 ist eine Querschnittsansicht entlang XIV-XIV des in 11 gezeigten Kernhalterungsteils 203a.
15 ist eine Draufsicht, welche eine Anordnung der Kernhalterungsteile 203a zeigt.
16 ist eine Draufsicht auf den Transformator mit einer Röhrenkühleinrichtung.
17 ist eine Frontansicht des Transformators mit der Röhrenkühleinrichtung.
18 ist eine Seitenansicht des Transformators mit der Röhrenkühleinrichtung.
19 ist ein Schaltungsdiagramm eines Leistungskonvertierungsgerätes gemäß der ersten Ausführungsform.
20 ist ein Betriebszeitverlaufsdiagramm eines Schaltungsverbindungsbeispiels in 19.
21 ist eine Draufsicht, welche eine Konfiguration eines Transformators 1100 zeigt, welcher ein Beispiel eines Spulengerätes gemäß einer zweiten Ausführungsform ist.
22 ist eine Querschnittsansicht entlang XXII-XXII des in 21 gezeigten Transformators.
23 ist eine Querschnittsansicht einer Kerngruppe 101 oder 102.
24 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Zunahmerate der Kernoberfläche und der Anzahl von Kernen, die die Kerngruppe bilden, zeigt.
25 ist eine Querschnittsansicht der Kerngruppe, welche einen Unterschied zwischen Kerngruppen zeigt, welche mit Kernen mit unterschiedlichen Magnetkreisquerschnittsformen gebildet sind.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen werden unten im Detail mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Dieselben oder entsprechende Teile in den Zeichnungen sind durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird im Wesentlichen nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines Spulengerätes gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. 1 zeigt eine Konfiguration eines Hochfrequenztransformators 100 zur Verwendung bei der Leistungskonvertierung oder dergleichen als ein Beispiel des Spulengeräts.
Als Erstes wird in der ersten Ausführungsform eine grundlegende Konfiguration beschrieben, welche auf einer elektromagnetischen Schaltung basiert. Der Transformator 100 umfasst Kerngruppen 101, 102 und eine Wicklungsgruppe 103.
Die Kerngruppe 101 ist eine Kernzusammensetzung, bei welcher mehrere Kerne 101a bis 101g, welche jeweils einen unabhängigen ringförmigen geschlossenen Magnetkreis aufweisen, so angeordnet sind, dass die Magnetkreise parallel sind. In der ersten Ausführungsform werden für die Kerne 101 a bis 101g Ferritkerne verwendet. Die Kerngruppe 102 und die Kerne 102a bis 102g sind der Kerngruppe 101 und den Kernen 101a bis 101g gleich. Die Details der Konfiguration jedes Kerns werden später beschrieben.
Die Wicklungsgruppe 103 umfasst eine erste Wicklungsschicht 103a, eine zweite Wicklungsschicht 103b und eine dritte Wicklungsschicht 103c, welche durch Wickeln von Leitungsdrähten in eine Röhrenform gebildet sind. Die Wicklungsgruppe 103 ist eine Wicklungszusammensetzung, welche drei Wicklungsschichten umfasst.
Die erste Wicklungsschicht 103a, die zweite Wicklungsschicht 103b und die dritte Wicklungsschicht 103c werden durch mehrere stabförmige Strukturelemente (nicht gezeigt) gehalten und fixiert, welche zwischen den Wicklungsschichten angeordnet sind. Die Fixierungsstruktur für diese Wicklungsschichten ist eine übliche Fixierungsstruktur für Transformatorwicklungen und wird vorliegend nicht näher ausgeführt. Das Halten und Fixieren des Abstands zwischen der ersten Wicklungsschicht 103a und den Kerngruppen 101, 102 sowie das Halten und Fixieren des Abstands zwischen der dritten Wicklungsschicht 103c und den Kerngruppen 101, 102 ist dem zwischen den Wicklungsschichten gleich.
Die erste Wicklungsschicht 103a und die dritte Wicklungsschicht 103c sind elektrisch parallel oder in Reihe verbunden, um hierdurch eine Primärwicklung des Transformators 100 zu bilden. Die zweite Wicklungsschicht 103b bildet eine Sekundärwicklung des Transformators 100. Wie in 1 gezeigt ist, hat die Wicklungsgruppe 103 eine dreischichtige Konfiguration.
Das heißt, dass die erste Wicklungsschicht 103a, welche die Primärwicklung bildet, mit Abstand an der Außenrandseite der zweiten Wicklungsschicht 103b, welche die Sekundärwicklung bildet, angeordnet ist, und die dritte Wicklungsschicht 103c, welche die Primärwicklung bildet, mit Abstand an der Innenrandseite der zweiten Wicklungsschicht 103b angeordnet ist. Die Wicklungsgruppe 103 hat eine Sandwich-Struktur, bei welcher die zweite Wicklungsschicht 103b zwischen der ersten Wicklungsschicht 103a und der dritten Wicklungsschicht 103c angeordnet ist.
Der Abstand zwischen den Wicklungsschichten 103a, 103b, 103c kann eine Isolierung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gewährleisten. Das heißt, dass erwartet werden kann, dass die Sandwich-Struktur aufgrund der verbesserten Isolierungsfähigkeit zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu einer höheren Spannungsfestigkeit führt. Weil die Wicklungsgruppe 103 eine Sandwich-Struktur hat, bei welcher die Sekundärwicklung zwischen den Primärwicklungen angeordnet ist, kann außerdem ein Streufluss der Primärwicklung und der Sekundärwicklung reduziert werden und eine durch den Abstand verursachte Verschlechterung der magnetischen Kopplung unterbunden werden.
Es kann erwartet werden, dass die Sandwich-Struktur aufgrund des Erhaltens der elektromagnetischen Kopplung zu einer höheren Effizienz führt, aufgrund einer Reduktion der Streukapazität zwischen den Wicklungsschichten zu höheren Frequenzen und einer höheren Effizienz führt und aufgrund einer verbesserten Kühlfähigkeit der Wicklungsschichten zu einer Verkleinerung führt.
Weil die Wicklungsgruppe aus mehreren Wicklungsschichten gebildet ist, welche voneinander beabstandet sind, ist die Wicklung außerdem in mehrere Wicklungsschichten aufgeteilt, und daher ist die Dicke einer einzelnen Wicklungsschicht reduziert, wodurch durch den Skin-Effekt bedingte Kupferverluste reduziert und eine höhere Effizienz erreicht werden.
Obwohl in der ersten Ausführungsform ein Beispiel der Wicklungsanordnung gezeigt ist, bei welcher die Sekundärwicklung zwischen den Primärwicklungen angeordnet ist, sind Ausführungsformen nicht auf diese Anordnung begrenzt. Beispielsweise kann die Wicklungsgruppe so konfiguriert sein, dass die Primärwicklung zwischen den Sekundärwicklungen angeordnet ist, oder kann so konfiguriert sein, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils aus mehreren Wicklungsschichten gebildet sind, welche abwechselnd mit Abstand angeordnet sind.
Ein Primäreingabeanschluss 104 ist mit einem Leiterende der ersten Wicklungsschicht 103a und einem Leiterende der dritten Wicklungsschicht 103c verbunden. Ein Sekundärausgabeanschluss 105 ist mit einem Leiterende der zweiten Wicklungsschicht 103b verbunden. Die Verbindung zwischen diesen Anschlüssen und den Leiterenden wird üblicherweise durch ein übliches Verfahren, wie beispielsweise Hartlöten, Schweißen oder eine Schraubbefestigung, hergestellt, und deren Beschreibung wird vorliegend weggelassen.
Wie in 1 gezeigt ist, sind sieben Kerne 101a bis 101g, welche jeweils einen unabhängigen ringförmigen geschlossenen Magnetkreis aufweisen und welche die Kerngruppe 101 bilden, mit Abstand in einer Richtung, welche einen Magnetkreis schneidet, bevorzugt die Vertikalrichtung, ausgerichtet. Weil der Transformator 100 durch Luftkühlung gekühlt wird, wird in der ersten Ausführungsform bei Luftkühlung durch natürliche Konvektion bevorzugt, dass die Distanz zwischen benachbarten Kernen unabhängig von der Größe des Kerns mindestens 10 mm ist. Dies kann den Einfluss der Viskosität der Luft reduzieren und eine Luftkonvektion zwischen den Kernen erzeugen. Bei künstlicher Luftkühlung kann die Distanz zwischen den Kernen kleiner als 10 mm sein.
Die Kerngruppe 102 ist auch aus sieben Kernen 102a bis 102g gebildet, welche auf dieselbe Weise wie die Kerngruppe 101 ausgerichtet sind.
Die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 sind in zwei Reihen mit Abstand voneinander angeordnet. Daher sind die Kerne, welche insgesamt 14 Magnetkreise bilden, in einer Matrix angeordnet. Jeder der 14 Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g ist aus mehreren Kernteilen gebildet.
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines einzelnen Kerns zeigt. 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Kern in 2 in Kernteile aufgeteilt zeigt. 2 zeigt repräsentativ jeden einzelnen Kern der Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g als einen Kern 101x.
Der Kern 101x umfasst zwei U-förmige Kernteile 101xa und sechs I-förmige Kernteile 101xb. In Hochfrequenztransformatoren verwendete Ferritkerne werden durch Brennen produziert, und es ist bekannt, dass kleine Ferritkerne eine kürzere Brenndauer benötigen und stabile Eigenschaften mit verringerten Verlusten haben. Jeder der Kerne 101a bis 101g ist aus mehreren Kernteilen 101xa und 101xb mit einer langen Seite von höchstens etwa 150 mm gebildet. Die lange Seite von 150 mm ist die maximale Größe eines Ferritstückes, welches durch Brennen erzeugt werden kann. Bei dem Transformator 100 gemäß der ersten Ausführungsform sind die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 in zwei Reihen angeordnet, und jeder Kern umfasst mehrere Kernteile, um hierdurch einen Magnetkreis zu bilden. Daher ist die Beschaffung einfacher als bei Verwendung von großen Ferritkernen, und ein Magnetkreis mit geringen Verlusten kann mit geringen Kosten gebildet werden, wodurch eine höhere Effizienz von Hochfrequenztransformatoren erreicht wird.
In einen Zustand, in welchem ein Magnetkreis final gebildet wird, werden mehrere Kernlücken 101xc in den Magnetkreis eingefügt. Die Kernlücke 101xc ist ein nicht-magnetischer Bereich, welcher den Magnetkreis aufteilt. Wenn die Dicke der Kernlücke 101xc in der Magnetflussrichtung groß ist, nimmt der Streufluss zu und die Eigenschaften des Transformators werden schlechter. Eine grobe Größe der Kernlücke 101xc in der Magnetflussrichtung ist bevorzugt höchstens 5 % der langen Seite der vier Seiten des Magnetkreisquerschnitts des Kerns.
Die Kernlücke, welche als Kernlücke 101xc verwendet wird, kann Luft sein, wird jedoch üblicherweise unter Berücksichtigung der strukturellen Fixierung durch ein zwischenliegendes Kernlückenelement gebildet. Weil es von Magnetfluss durchströmt wird, ist das Kernlückenelement bevorzugt nicht-magnetisch mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, und ein Nichtmetall wird verwendet.
Der Kern 101x ist aus acht Kernteilen 101xb gebildet, und daher können Kernlücken in acht Abschnitten bereitgestellt werden. In der ersten Ausführungsform werden von den acht Abschnitten Kernlücken an vier Abschnitten bereitgestellt, welche vollständig von der Wicklungsgruppe an dem Kernmittelabschnitt umgeben sind, sodass durch Streufluss verursachte Verluste reduziert werden.
Als das Material für die Kerne wird Ferrit mit geringen Verlusten bei hohen Frequenzen verwendet. Jedoch ist die relative Permeabilität von Ferrit üblicherweise etwa 2000 bis 6000, wobei die relative Permeabilität während des Herstellungsprozesses stark variiert und sich die relative Permeabilität während der Verwendung in Abhängigkeit der Temperatur stark ändert. Wenn der Magnetkreis der Kerngruppe 101 und der Magnetkreis der Kerngruppe 102 wie in der ersten Ausführungsform parallel verwendet werden, variiert die Flussdichte jedes Kerns in Abhängigkeit der relativen Permeabilität des Kerns, was eine Zunahme der Verluste und eine Magnetflusssättigung verursachen kann. Wie in 2 gezeigt ist, werden die Magnetlücken in alle Kerne eingefügt, wodurch eine Schwankung der relativen Permeabilität zwischen parallel angeordneten Kernen auf höchstens 10 % begrenzt werden kann.
Wenn die Kernlücken eingefügt sind, nimmt der magnetische Widerstand des Transformatormagnetkreises zu und die Scheinpermeabilität nimmt ab. Es besteht ein Spannungsfeld zwischen der Schwankung der magnetischen Induktivität und den Verlusten des Transformators, und die magnetische Induktivität des Transformators, welcher mit geeigneten Kernlücken designt ist, ist im Vergleich zu dem Fall ohne Kernlücke etwa ein Zehntel bis ein Dreißigstel. Auf natürliche Weise nimmt der Magnetisierungsstrom mit Abnahme der magnetischen Induktivität zu, die Abnahme der magnetischen Induktivität oder die Verluste des Transformators stellen im Betrieb jedoch kein Problem dar, weil die relative Permeabilität von Ferritkernen signifikant groß ist, wie beispielsweise 2000 bis 6000.
Eine Kühlstruktur für den Transformator 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird nun beschrieben. 4 ist eine Draufsicht, welche eine Konfiguration des Transformators 100 zeigt. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang V-V in 4. 6 ist eine Querschnittsansicht entlang VI-VI in 4.
Die Kerne 101a bis 101g bilden die Kerngruppe 101, und die Kerne 102a bis 102g bilden die Kerngruppe 102.
Ein Kernluftweg 106 ist in der Lücke zwischen einem Kern und einem Kern gebildet. Weil der Kernluftweg 106 mit den Oberflächen der Kerne, die einander zugewandt sind, gebildet ist, sind mit sieben Kernen sechs Kernluftwege gebildet und sind mit 14 Kernen zwölf Kernluftwege gebildet.
Ein Wicklungsluftweg 107 ist in einer Lücke zwischen einer Wicklungsschicht und einer Wicklungsschicht gebildet. Weil der Wicklungsluftweg 107 mit den Oberflächen der Wicklungsschichten, die einander zugewandt sind, gebildet ist, sind mit drei Wicklungsschichten zwei Wicklungsluftwege gebildet.
Lasse eine erste Richtung die Längsrichtung der Wicklung der Wicklungsgruppe 103 sein, welche den Transformator 100 bildet, d. h. die Richtung des innerhalb der Wicklungsgruppe 103 gebildeten Magnetflusses, dann sind aus Sicht der ersten Richtung die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g und die erste Wicklungsschicht 103a bis zu der dritten Wicklungsschritt 103c in einem Raster angeordnet und sind mehrere Kern-Wicklung-Luftwege 108 gebildet. Wenn Luft wie durch gestrichelte Linien in 6 angegeben strömt, strömt die Luft durch den unteren Kernluftweg 106, den Wicklungsluftweg 107 und den oberen Kernluftweg 106 in dieser Reihenfolge. Weil die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 mit Abstand angeordnet sind, ist außerdem ein Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen gebildet.
7 ist ein Diagramm von Luftwegabschnitten, welche mit der Kerngruppe 101 und der Wicklungsgruppe 103 gebildet sind. Bezugnehmend auf 7 wird eine Übersicht des Kühlens der Kerne und der Wicklungen des Transformators 100 beschrieben.
Die durch durchgezogene und gestrichelte Linien gezeigten Pfeile geben Kühlluft 110 an, und die Kühlluft wird von der unteren Oberfläche des Transformators 100 zugeführt, wie in 7 gezeigt ist.
Die Kühlluft 110, welche von der unteren Oberfläche her strömt, strömt zuerst durch die unteren Kernluftwege 106, welche in den Lücken der Kerne 101a bis 101g gebildet sind. Dieser Abschnitt wird als Kernkühlabschnitt 109b bezeichnet. Der Kernluftweg 106 ist aus Sicht der Richtung, in welcher die Luft strömt, im Querschnitt wie ein Schlitz geformt, und gleichzeitig ist die Luftweglänge so kurz wie die Breite des Magnetkreisquerschnitts des Kerns. Der Druckverlust des Kernkühlabschnitts 109b ist daher relativ klein.
Die Kühlluft 110 wird dann zu dem Wicklungsluftweg 107 geführt. Der Wicklungsluftweg 107 ist aus Sicht der Richtung, in welcher die Luft strömt, im Querschnitt ebenfalls wie ein Schlitz geformt, und die Kühlluft 110 strömt durch die Oberflächen der ersten Wicklungsschicht 103a bis der dritten Wicklungsschicht 103c. Dieser Abschnitt wird als Wicklungskühlabschnitt 109c bezeichnet.
Schließlich strömt die Kühlluft 110 durch die oberen Kernluftwege 106. Dieser Abschnitt wird als Kernkühlabschnitt 109d bezeichnet.
Wie oben beschrieben ist, strömt die Kühlluft 110 in der Reihenfolge Kernkühlabschnitt 109b, Wicklungskühlabschnitt 109c und Kernkühlabschnitt 109d durch einen Kern-Wicklung-Kühlabschnitt 109. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ändert sich die Richtung des Schlitzes nach jedem Durchströmen der Kühlluft 110 durch den jeweiligen Kühlabschnitt um 90 Grad. Die Kühlluft 110 verläuft gerade, ohne sich stark auszuweiten, und kühlt die Kerne und die Wicklungen effektiv.
Der Strom der Kühlluft wird nun wieder mit Bezug zu 5 und 6 detaillierter beschrieben.
Die mit gestrichelten Linien in 5 und 6 dargestellten Pfeile zeigen die Richtung der Kühlluft 110. Wenn die Kühlluft 110 von der unteren Oberfläche des Transformators 100 zugeführt wird, strömt die Kühlluft zuerst durch zwölf Kernluftwege 106, welche zwischen den Kernen gebildet sind. Die Kühlluft 110 umfasst eine Kühlluft 1 10a, welche von dem Kernluftweg zu dem Außenrand des Transformators strömt, und eine Kühlluft 110b, welche zu dem Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen strömt.
Die Kühlluft 110a, welche von dem Kernluftweg zu dem Außenrand des Transformators strömt, wird abgeführt, da sie an der Außenseite des Transformators 100 ist, wohingegen die Kühlluft 110b, welche zu dem Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen strömt, zu dem Kühlen der Kerngruppen in benachbarten Reihen beiträgt. Wie oben beschrieben ist, strömt ein Teil der Kühlluft weg, weil der Durchstromabschnitt der Kernluftwege 106 kurz ist.
Die Luft an dem Mittelabschnitt der Kühlluft 110, welche durch die Kernluftwege 106 strömt, strömt durch die Wicklungsluftwege 107. In dem Abschnitt der Wicklungsluftwege 107 verteilt sich die Kühlluft als Kühlluft 1 10c, welche in der Wicklungsrichtung der in 5 gezeigten Wicklungsschicht strömt, und die Kühlluft 110c, welche in der Wicklungsrichtung der Wicklungsschicht strömt, dringt auch von den Wicklungsluftwegen 107 an beiden Seiten ein. Daher ist die Menge an Kühlluft 110c begrenzt, welche zu der Außenseite des Transformators 100 als Kühlluft 110c strömt. Das Eindringen des Kühlluft in der Wicklungsrichtung der Wicklungsschicht, wenn die Kühlluft das Innere des Wicklungsluftwegs 107 durchströmt, kann durch ein strukturelles Element (nicht gezeigt), welches die Wicklungsschichten hält, einfach gesteuert werden.
Es ist wohlbekannt, dass bei einer Wärmedissipation von einem Heizelement durch Wärmeübertragung oder Wärmeleitung der Wärmeübertragungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit proportional zu der Fläche des Heizelements sind und die Kühlfähigkeit mit zunehmender Fläche des Heizelements zunimmt. In der ersten Ausführungsform ist der überwiegende Teil der Oberfläche der Kerngruppen 101, 102 und der Wicklungsgruppe 103 als Heizelemente der Luft zugewandt und kann mit der Kühlluft in Kontakt sein.
Wie oben beschrieben ist, strömt die Kühlluft, welche von der unteren Oberfläche des Transformators 100 her strömt, durch röhrenähnliche Luftwege, welche zwischen den Kernen und zwischen den Wicklungsschichten gebildet sind. Die röhrenähnlichen Luftwege sind insbesondere die Kernluftwege 106, die Wicklungsluftwege 107, die Kern-Wicklung-Luftwege 108, welche mit diesen Luftwegen gebildet sind, und der Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen. Weil die Kühlluft dem überwiegenden Teil der Oberflächen der Kerngruppen 101, 102 und der Wicklungsgruppe 103 zugeführt wird, welche diese Luftwege haben, können die Kerngruppen und die Wicklungsgruppe effektiv gekühlt werden.
Weil der Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen vorhanden ist, sind alle Kerne, welche Magnetkreise bilden, den Luftwegen zugewandt, was eine gleichmäßige Kühlung der Kerne ermöglicht. Weil Ferritkerne eine schlechte Wärmeleitfähigkeit von 4 bis 5 [W/m·K] haben, trägt die Kühlfähigkeit an der Kernoberfläche signifikant zur Verkleinerung des Transformators bei.
Außerdem ändern sich die Verluste von Ferritkernen in Abhängigkeit der Temperatur. Es ist üblich, dass der Ferritkernverlust pro Volumeneinheit bei 80 bis 100 °C am kleinsten ist. Mit anderen Worten müssen Ferritkerne verglichen mit den Leitungsdrähten der Wicklungen und Isolierungsmaterialien, die für die Wicklungen verwendet werden, bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Die Verbesserung der Kühlfähigkeit von Ferritkernen trägt daher zu einer höheren Effizienz des Transformators bei.
Die Kühlluft kann Luft sein, welche durch einen Gebläseventilator zugeführt wird. In der Konfiguration mit dem Belüftungsweg 109 ist eine effektive Kühlung jedoch selbst durch den Strom von Luft möglich, welcher durch natürliche Konvektion erzeugt wird.
Mit der Luftkühlung durch natürliche Konvektion ist es aufgrund der Viskosität von Luft und Druckverlust weniger wahrscheinlich, dass die Luft in den Luftwegen zwischen den Kernen und zwischen den Wicklungsschichten strömt. Der Luftweg benötigt daher eine bestimmte Breite, und es ist bevorzugt, dass eine Breite von etwa 10 mm erhalten bleibt. In der ersten Ausführungsform haben sowohl der Kernluftweg 106 als auch der Wicklungsluftweg 107 eine Schlitzform, und im Vergleich zu einer in vier Richtungen umgebenen rechteckigen Röhre kann der Druckverlust des Luftstroms gering gehalten werden, ist die Stromrate hoch und ist die Kühlfähigkeit hoch.
Obwohl in der ersten Ausführungsform ein Beispiel des Kühlverfahrens durch einen Luftstrom gezeigt ist, können gleiche Wirkungen durch ein anderes Gas oder durch Immersion des in einem Container enthaltenen Transformators in einer Isolierungsflüssigkeit und Konvektion des Gases oder der Flüssigkeit erreicht werden.
Die Konfiguration der ersten Ausführungsform macht das Beste aus der Oberfläche der Kerne und der Wicklungen, welche sich erwärmende Komponenten sind, und daher kann selbst in dem Fall, in welchem der Transformator vollständig in einem Container untergebracht ist und ein wärmeleitendes Material, wie beispielsweise Harz und Metall, angeordnet oder eingefüllt ist, der thermische Widerstand zwischen dem Kern und dem Container oder zwischen der Wicklung und dem Container reduziert werden. Die Kühlfähigkeit wird daher selbst durch Kühlen über einen Wärmetransport an den Container über Wärmeleitung verbessert.
In der ersten Ausführungsform sind die Kerne, welche U-förmige Kerne aufweisen, die einander zugewandt sind, in zwei Reihen angeordnet, um einen Schalen-artigen Transformator zu bilden. Ein gleicher Magnetkreis kann jedoch durch Anordnen von E-förmigen Kernen in einer Reihe gebildet werden. In diesem Fall wird der Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen nicht gebildet, und die Kerne, welche eine Kerngruppe bilden, sind lang und groß, die Anzahl der bildenden Kerne nimmt jedoch ab und die Fixierung von Kernen kann vereinfacht werden, wodurch die Einfachheit des Zusammenfügens verbessert wird.
Nun wird eine bestimmte Zusammensetzungsstruktur des Transformators 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 8 ist eine perspektivische Ansicht der Gesamtstruktur des Transformators 100 in einem zusammengesetzten Zustand. 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht zur Vereinfachung des Verständnisses, welche Hauptstrukturelemente des Transformators 100 zeigt.
Die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 werden durch eine obere Kernhalterung 202 und eine untere Kernhalterung 203 so gehalten, dass sie von oben und unten umgeben sind. In diesem Zustand wird der Abstand zwischen den Kernen durch die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhaltung 203 gehalten.
In Hochfrequenztransformatoren werden oft Ferritkerne verwendet. Weil Ferritkerne gebrannte Keramik sind und fragil sind, wird für das Material der oberen Kernhalterung 202 und der unteren Kernhalterung 203 ein Harzgussprodukt verwendet, welches ausreichend stark und elastischer als Metall ist, beispielsweise ein Gussprodukt aus Nylon oder Polyphenylensulfid (PPS).
Große Harzgussprodukte benötigen auch eine große Gussform, haben Schwierigkeiten, eine Genauigkeit zu gewährleisten, und verursachen hohe Kosten. In der ersten Ausführungsform sind die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhalterung 203 daher beispielsweise durch eine Anordnung aus mehreren Kernhalterungsteilen 203a konfiguriert.
Die Details der oberen Kernhalterung 202 und der unteren Kernhaltung 203 werden beschrieben. 10 ist eine perspektivische Ansicht, welche Kernhalterungsteile zeigt. 11 ist eine Draufsicht auf ein unteres Kernhalterungsteil 203a. 12 ist eine Frontansicht des unteren Kernhalterungsteils 203a. 13 ist eine Seitenansicht des unteren Kernhalterungsteils 203a.
Die in 10 gezeigten Kernhalterungsteile 202a und 203b werden zum Fixieren eines Kerns verwendet. Die Innenoberfläche eines trägerähnlichen Bodenabschnitts des Kernhalterungsteils 203a, 203b hat eine Krümmung, welche mit der Form des Ferritkerns übereinstimmt. Der trägerähnliche Bodenabschnitt des Kernhalterungsteils 203a , 203b ist mit Rippen in derselben Gussform verstärkt und dabei von dem unteren Ende des Kernhalterungsteils 203a, 203b beabstandet. In einer solchen Struktur kann auf den Ferritkern ausgeübte Spannung gemildert werden und der Vibrationswiderstand des Transformators kann verbessert werden.
Das Kernhalterungsteil 203a hat im Allgemeinen eine trägerähnliche Form und hat an den unteren Abschnitten an beiden Enden einer langen Seite eine Halterungsbasis 203d und eine Halterungsbasis 203e zum Fixieren. Die Halterungsbasis 203e hat ein Loch zum Aufnehmen einer Schraube, und die Halterungsbasis 203d hat eine halbkreisförmige Nut. Sowohl die Halterungsbasis 203e als auch die Halterungsbasis 203d sind in planarer Ansicht aus der ersten Richtung in konvexer Form gebildet.
14 ist eine Querschnittsansicht entlang XIV-XIV des Kernhalterungsteils 203a, das in 11 gezeigt ist. Wie in 14 gezeigt ist, ist die Innenoberfläche des trägerähnlichen Bodenabschnitts des Kernhalterungsteils 203a in eine Form gebildet, welche eine Krümmung hat, die mit der Form des U-förmigen Ferritkerns übereinstimmt und den angebrachten Ferritkern mit geringerer Lücke stabil hält.
Der trägerähnliche Bodenabschnitt des Kernhalterungsteils 203a ist mit Rippen in derselben Gussform verstärkt und dabei von dem unteren Ende des Kernhalterungsteils 203a beabstandet, sodass auf den Ferritkern ausgeübte Spannung abgemildert wird.
Der obere Kernhalterungsteil 202a und der untere Kernhaltungsteil 203a können durch Umdrehen jener derselben Form gleichermaßen verwendet werden. Eine Beschreibung des oberen Kernhalterungsteils 202a wird daher nicht wiederholt.
Mehrere Kernhalterungsteile 202a sind so angeordnet, dass sie die obere Kernhalterung 202 bilden. Mehrere Kernhalterungsteile 203a sind so angeordnet, dass sie die untere Kernhalterung 203 bilden.
15 ist eine Draufsicht, welche eine Anordnung der Kernhaltungsteile 203a zeigt. Mehrere Kernhalterungsbelüftungswege 203c sind in den Kernhalterungsteilen gebildet. Die Halterungsbasis 203d und die Halterungsbasis 203e des Kernhalterungsteils 203a sind in einer konvexen Form gebildet, wodurch beim Anordnen der Kernhalterungsteile 203a als der unteren Kernhalterung 203 Belüftungslöcher gebildet werden, welche ermöglichen, dass die Luft zwischen den Kernen und zwischen den Wicklungsschichten strömt.
Mehrere Kernhalterungsbelüftungswege 203c sind vorhanden, selbst wenn die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhalterung 203 jeweils als eine einzelne Einheit gebildet sind, welche nicht mehrere Kernhalterungsteile 202a, 203b verwendet.
Wie in 9 und 15 gezeigt ist, werden mehrere Kernhalterungsteile 202a, 203a dazu verwendet, die Kerne so anzuordnen und zu fixieren, dass die Anzahl der Kerne 101a bis 101g, der Kerne 102a bis 102g gleichsam frei geändert werden kann. Selbst wenn Hochfrequenztransformatoren mit unterschiedlichen Ausgabefähigkeiten hergestellt werden, besteht daher keine Notwendigkeit, neue Gießformen für Harzgussprodukte mit unterschiedlichen Formen zu erzeugen. Daher kann ein optimaler Magnetkreis in Abhängigkeit von Spezifikationen durch freies Ändern der Anzahl von gleichen Teilen gebildet werden, wodurch geringe Kosten, kurze Lieferung und Verkleinerung erreicht werden.
Die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhalterung 203, welche, so wie sie sind, mechanisch nicht verbunden sind, werden angeordnet und gleichzeitig durch eine obere Halteplatte 201 bzw. eine untere Halteplatte 204 gehalten und fixiert, wie in 9 gezeigt ist. Die obere Halteplatte 201 und die untere Halteplatte 204 haben Belüftungslöcher, welche ermöglichen, dass die Luft zwischen den Kernen und zwischen den Wicklungsschichten strömt.
Für die obere Halteplatte 201 und die untere Halteplatte 202 kann sogar ein nicht-metallisches Material verwendet werden, wie beispielsweise eine verarbeitete Allzweckharzplatte, solange das Material eine mechanische Stärke hat.
Wie in 8 gezeigt ist, werden die obere Halteplatte 201 und die untere Halteplatte 204 durch Bolzen 206 befestigt und fixiert, um die Gesamtstruktur des Transformators 100 zu bilden.
Weil an dem unteren Abschnitt des Transformators 100 ein Belüftungsraum notwendig ist, ist der untere Abschnitt des Transformators 100 von der Installationsoberfläche durch eine untere Basis 205 beabstandet, um einen Lufteinlasskanal zu gewährleisten.
In der ersten Ausführungsform werden die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhalterung 203 unter Verwendung mehrerer Kernhalterungsteile 202a bzw. 203b gebildet. Wenn die obere Kernhalterung 202 und die untere Kernhalterung 203 jeweils als eine einzelne Einheit gebildet sind, wird das Zusammenfügen der Kernhalterungsteile 202a und 203b jedoch unnötig und die obere Halteplatte 201 und die untere Halteplatte 204 können weggelassen werden, wodurch die Einfachheit des Zusammenfügens verbessert wird.
Mit einer Konfiguration, wie sie oben beschrieben ist, ist die Oberfläche der Wicklungen und der Kerne signifikant vergrößert, die Kühlfähigkeit ist signifikant verbessert und eine Verkleinerung kann erreicht werden, verglichen mit einem herkömmlichen Beispiel, bei welchem nur ein Teil der integrierten Wicklung und des Kerns gekühlt wird.
Wie in 4 bis 6 gezeigt ist, ist der Kernluftweg 106 in einer Lücke zwischen den Kernen gebildet, und der Wicklungsluftweg 107 ist in einer Lücke zwischen den Wicklungsschichten gebildet. Mehrere Kern-Wicklung-Luftwege 108 sind in einem Raster gebildet, in welchem die Luft abwechselnd durch die Kernluftwege 106 und die Wicklungsluftwege 107 entlang der Richtung strömt, in welcher die Luft strömt. Daher sind die Kühloberfläche der Kerne und die Kühloberflächeninhalt der Wicklungen vergrößert, und Röhren aus Kühlluftwegen sind gebildet, ohne separate Elemente zu benötigen. Eine solche Konfiguration verbessert die Kernkühlfähigkeit und die Wicklungskühlfähigkeit und erreicht gleichzeitig eine aufgrund einer Reduktion von Elementen verbesserte Zuverlässigkeit, eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz.
Durch Anordnen mehrerer Kerne mit Kernlücken parallel zueinander mit Abständen kann das Folgende erreicht werden. Verlustschwankungen zwischen mehreren Kernen können unterbunden werden. Die Kernkühlfläche kann vergrößert werden und dabei können Luftwege zur Luftkühlung gebildet werden, was die Kühlfähigkeit verbessert, und daher kann der Transformator verkleinert werden. Weil die angeordneten Kerne miteinander nicht in Kontakt kommen, kann außerdem die Möglichkeit verhindert werden, dass die Kerne gegeneinander reiben und durch Vibrationen brechen, und der Vibrationswiderstand wird verbessert.
Weil die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 mit einem Abstand dazwischen angeordnet sind, ist außerdem der Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen gebildet. Die Luftwege zum Kühlen des Transformators 100 umfassen die Kernluftwege 106, die Wicklungsluftwege 107 und die Kern-Wicklung-Luftwege 108, welche durch diese Wege gebildet werden, und den Belüftungsweg 109 zwischen den Kerngruppen. Weil alle Kerne, welche Magnetkreise bilden, den Luftwegen zugewandt sind, können in einer solchen Konfiguration des Transformators 100 die Kerne gleichmäßig gekühlt werden und eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz erreicht werden.
Für mehrere Wicklungsschichten in den Wicklungen wird Kühlluft durch die Lücken in der Kerngruppe 101 und der Kerngruppe 102 zugeführt. Die durch die Röhren gleichgerichtete Kühlluft wird daher den Oberflächen aller Wicklungen und aller Kerne zugeführt, und eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz können erreicht werden.
Modifikationen
In der ersten Ausführungsform wurde nur die Kühleinrichtung in dem Transformator beschrieben. Jedoch kann eine noch effektivere Kühlung erreicht werden durch Hinzufügen einer Röhrenkühleinrichtung, welche die Kühlung unterstützt.
16 ist eine Draufsicht auf den Transformator mit einer Röhrenkühleinrichtung. 17 ist eine Frontansicht des Transformators mit der Röhrenkühleinrichtung. 18 ist eine Seitenansicht des Transformators mit der Röhrenkühleinrichtung.
Die Röhrenkühleinrichtung umfasst eine Außenrandröhre 301, welche um den Transformator bereitgestellt ist, und einen Gebläseventilator 302. Ein Belüftungsweg ist zwischen der Außenrandröhre 301 und einer Außenrandhülle 304 des Transformators gebildet. Ein Belüftungsweg 303a an dem Kernaußenrand ist zwischen der Kerngruppe 101, 102 und der Außenrandröhre 301 gebildet. Ein Belüftungsweg 303b an dem Wicklungsaußenrand ist zwischen der Wicklungsgruppe 103 und der Außenrandröhre 301 gebildet.
Wenn die Außenrandröhre nicht bereitgestellt ist, kühlt die Kühlstruktur für den Transformator 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Transformatorstruktur von innen, wie aus der Kühlluft 110, 110a bis 110c in der Seitenansicht in 6 zu verstehen ist, und die Kühlfähigkeit auf der Außenseite, angegeben durch die Außenrandhülle 304, ist kleiner als im Inneren.
In einer in 16 bis 18 gezeigten Modifikation ist durch die Außenrandröhre 301 ein Belüftungsweg 303a an dem Kernaußenrand gebildet. Daher strömt Kühlluft 110a durch die Außenseite der Kerngruppe 101 und der Kerngruppe 102 mit einer ungleichen Form und einer großen Oberfläche, sodass die Kühlfähigkeit im Vergleich zu der Konfiguration in 6 weiter verbessert ist und eine Verkleinerung und höhere Effizienz erreicht werden kann.
Gleiche Wirkungen können auch in dem Belüftungsweg 303b an dem Wicklungsaußenrand erreicht werden, welcher durch die Wicklungsgruppe 103 und die Außenrandröhre 301 gebildet ist.
Die Außenrandröhre 301 mit einer Funktion des Isolierens des Transformators kann unter Verwendung eines Isolierungsmaterials, wie beispielsweise einem Harz, als sein Material gebildet sein. Die Außenrandröhre 301 mit einer Funktion des Schirmens des Transformators gegenüber Strahlungsrauschen kann unter Verwendung eines metallischen Materials als sein Material gebildet sein.
Wie aus 16 verstanden werden kann, ist es ausreichend, dass die Außenrandröhre 301 nur zwei Flächen abdeckt, welche der Kerngruppe 101 und der Kerngruppe 102 zugewandt sind, statt vier Flächen abzudecken, weil der Belüftungsweg 303a an dem Kernaußenrand eine größere Wirkung als der Belüftungsweg 303b an dem Wicklungsaußenrand hat.
In allen Fällen kann die Außenrandröhre 301 als ein separates Element bereitgestellt sein, jedoch kann eine Röhre unter Verwendung eines Teils eines Gerätegehäuses gebildet sein, in welchem der Transformator untergebracht ist.
Weil durch den Belüftungsweg 303a an dem Kernaußenrand und den Belüftungsweg 303b an dem Wicklungsaußenrand der Kamineffekt hervorgerufen wird, ist außerdem die Kühlfähigkeit bei natürliche Konvektion selbst bei einer Konfiguration ohne den Gebläseventilator 302 verbessert.
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei welchem die Wicklungsgruppe 103 aus einer ersten Wicklungsschicht 103a bis einer dritten Wicklungsschicht 103c gebildet ist und jede Wicklungsschicht eine röhrenförmige einzelne Wicklungsschicht ist. Die Wicklungsschicht kann jedoch in der Vertikalrichtung in mehrere Teile aufgeteilt sein, zum Beispiel in 17 und 18. Weil die Wicklungsgruppe 103 einen Schlitz-ähnlichen Raum aufweist, kann bei dieser Konfiguration die Kühlung durch einen Luftstrom in der Richtung durchgeführt werden, welcher zu der Richtung eines Hauptmagnetkreises senkrecht ist, d. h. in der Querrichtung in 17 und 18.
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei welchem die Kerngruppe 101 und die Kerngruppe 102 jeweils aus sieben Kernen gebildet sind, die Kerngruppen in zwei Reihen mit Abstand voneinander ausgerichtet sind und insgesamt 14 Kerne so angeordnet sind, dass Magnetkreise parallel sind. Jedoch muss die Anzahl und die Anzahl von Reihen der Kerne in der Kerngruppe 101 und der Kerngruppe 102 nicht notwendigerweise die in dem Beispiel beschriebene Anzahl sein und gleiche Wirkungen können erreicht werden, solange mehrere Kerne mit Abstand angeordnet sind, um hierdurch eine Kerngruppe zu bilden.
In einer Kerngruppe, bei welcher mehrere Kerne mit Abstand angeordnet sind, hat die Anzahl der Kerne, welche eine Kerngruppe bildet, einen optimalen Wert. Der optimale Wert der Anzahl der Kerne variiert in Abhängigkeit einer Kernmagnetkreisquerschnittsform. Der Zusammenhang zwischen dem optimalen Wert der Anzahl der Kerne und der Kernmagnetkreisquerschnittsform wird unten beschrieben.
23 ist eine Kerngruppenquerschnittsansicht, bei welcher die Kerngruppe aus der ersten Richtung betrachtet wird. Hier ist c1 eine Kernbreite, c2 ist eine Kerndicke und c3 ist der Abstand zwischen den Kernen. Weil der Magnetkreisquerschnitt des Kerns ein Rechteck ist, ist der Magnetkreisquerschnitt des Kerns durch das Produkt aus der Kernbreite c1 und der Kerndicke c2 repräsentiert, und der Kernoberfläche der kernseitigen Oberfläche ist proportional zu der Summe aus der Kernbreite c1 und der Kerndicke c2. In der Kerngruppe, bei welcher mehrere Kerne mit Abstand angeordnet sind, nimmt die Kernoberfläche entsprechend der Kernbreite c1 zu, verglichen mit einer Kerngruppe ohne Abstand c3 zwischen den Kernen, d. h. einer Kerngruppe, welche nicht aus mehreren Kernen gebildet ist.
24 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Zunahmerate der Kernoberfläche und der Anzahl von Kernen, welche die Kerngruppe bilden, zeigt. 25 ist eine Kerngruppenquerschnittsansicht, welche einen Unterschied zwischen Kerngruppen zeigt, welche mit Kernen unterschiedlicher Magnetkreisquerschnitte gebildet sind.
Wenn ein Kernmagnetkreisquerschnitt (c1 × c2) konstant ist, gilt: je größer das Kernquerschnittsverhältnis (c1/c2), welches das Verhältnis der Breite zu der Dicke der Magnetkreisquerschnittsform des Kerns ist, umso größer ist die Kernoberfläche-Zunahmerate. Außerdem setzt sich die Zunahme der Kernoberfläche-Zunahmerate zu einem Bereich einer großen Anzahl von Kernen fort. Die Kernoberfläche-Zunahmerate hat einen maximalen Wert von (c1+c2)/c2. Die Anzahl von Kernen, welche 0,9 des maximalen Wertes der Kernoberfläche-Zunahmerate erreicht, ist (c1/c2)×9 und der Zunahmegrad der Kernoberfläche-Zunahmerate nimmt in einem Bereich der Anzahl von Kernen, welche darüber hinausgeht, ab. Mit anderen Worten ist die Zunahme der Kernoberfläche-Zunahmerate in dem Bereich links der strichpunktierten Linie groß, die in dem Graph in 24 gezeigt ist. Andererseits wird in der vorliegenden Erfindung, wie zuvor genannt, eine effektive Kühlung durch Bilden von Räumen in einem Raster als die Anordnung erreicht, in welcher die Wicklungsschichten und die Kerne zueinander orthogonal sind. Wenn die Anzahl von Kernen zwei ist, sind die Räume in dem Raster jedoch nur in einer Reihe. Es ist daher bevorzugt, dass die Anzahl von Kernen mindestens drei oder mehr ist, d. h., dass die Räume in einem Raster in mindestens zwei Reihen vorhanden sind.
Auf Grundlage des Obigen kann man Folgendes sagen. Wenn die Anzahl von Kernen mindestens drei und höchstens (c1/c2)× 10 ist, wird eine signifikante Zunahme der Kernoberfläche erreicht. Je größer (c1/c2), umso breiter ist der Auswahlbereich der Anzahl von Kernen, welcher die Kernoberfläche effektiv vergrößern kann.
Der Magnetfluss, welcher den Kern durchströmt, ist auf einen Magnetpfad mit einem geringen magnetischen Widerstand konzentriert, d. h. bei einem ringförmigen Magnetkreis die Innenseite des Magnetkreises, was eine Inhomogenität in der Magnetflussdichte bewirkt. Bei zunehmendem (c1/c2) des Kerns nimmt die Inhomogenität in der Flussdichte in dem Kernmagnetkreisquerschnitt zu und die Querschnittsnutzungsrate des Kerns nimmt ab.
Auf Grundlage einer Beurteilung der Kurve in 24 ist es daher sinnvoll, das Kernquerschnittsverhältnis (c1/c2) auf 0,5 bis 2 einzustellen.
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, in welchem Ferritkerne als die Kerne verwendet wurden. Gleiche Wirkungen können jedoch unter Verwendung von anderen Arten von Kernen erreicht werden, beispielsweise mit Kernen, die von Ferritkernen verschieden sind, wie beispielsweise Siliziumstahlplatten, amorphen Kernen, Nanokristallkernen und Pulverkernen. Im Falle von Pulverkernen sind die in der ersten Ausführungsform beschriebenen Kernlücken nicht notwendig, weil die Struktur, in welche ein isolierendes magnetisches Pulver gesintert ist, Verteilungslücken hat.
Die erste Ausführungsform wurde oben für den Hochfrequenztransformator beschrieben. Ein solcher Transformator ist typischerweise in einem Leistungskonvertierungsgerät enthalten, wobei die Primärwicklung durch eine Wechselspannung betrieben wird, welche durch einen Hochfrequenzwechselrichter ausgegeben wird, um eine Leistung zu der Sekundärseite zu übertragen, und wird zur Isolierung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite verwendet.
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel eines Hochfrequenztransformators beschrieben. Gleiche Wirkungen können jedoch bei Anwendung der grundlegenden Konfiguration dieser Struktur auf eine Hochfrequenzdrossel erreicht werden. In dem Transformator 100 mit einer Sandwich-Struktur, bei welcher die Primärwicklungen mit Abstand auf beiden Seiten einer Sekundärwicklung angeordnet sind, wird die Isolierung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gewährleistet, und während eine Streukapazität zwischen Wicklungsschichten reduziert ist, wird eine gute elektromagnetische Kopplung erhalten. Andererseits ist im Falle einer Hochfrequenzdrossel ein Abstand zwischen Wicklungsschichten vorhanden, wodurch Kupferverluste aufgrund des Naheffekts reduziert werden können und eine höhere Effizienz erreicht werden kann, zusätzlich zur Gewährleistung der Isolierung und der Reduzierung der Streukapazität.
Nun wird ein Beispiel des Schaltungsbetriebs eines Leistungskonvertierungsgeräts unter Verwendung des Transformators 100 gemäß der ersten Ausführungsform geschrieben.
19 ist ein Schaltungsdiagramm eines Leistungskonvertierungsgeräts gemäß der ersten Ausführungsform. 19 zeigt ein Schaltungsbeispiel einer DC-DC-Konvertierungsschaltung zur Verwendung in einem Hilfsleistungsquellengerät für Züge als ein typisches Beispiel.
Ein Leistungskonvertierungsgerät 500 umfasst einen Eingabeanschluss 501, einen Glättungskondensator 502, einen Hochfrequenzwechselrichter 503, einen Transformator 100, eine Steuerschaltung 504, eine sekundärseitige Gleichrichterschaltung 505, eine Glättungsdrossel 506, einen sekundärseitigen Glättungskondensator 507, einen Fotokoppler 508, eine sekundäre Spannung-Strom-Detektionsschaltung 509 und einen Ausgabeanschluss 510.
Zwischen dem +Vi-Anschluss und dem -Vi-Anschluss des Eingabeanschlusses 501 wird eine Gleichspannung Vi als eine Eingabespannung angelegt. Die eingegebene Gleichspannung Vi wird, so wie sie ist, auf den primärseitigen Glättungskondensator 501 geladen, wodurch eine primäre glatte Spannung Vc erzeugt wird, welche geglättet und stabilisiert ist.
Die primärseitige glatte Spannung Vc wird dem Wechselrichter 503 zugeführt. Der Wechselrichter 503 ist aus primären MOSFETs (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren) 503a bis 503d gebildet, welche als Vollbrücke verbunden sind.
20 ist ein Betriebszeitverlaufsdiagramm des Schaltungsverbindungsbeispiels in 19. Die Steuerschaltung 504 erzeugt AN-Steuersignale Sa bis Sd für die primären MOSFETs 503a bis 503d an Zeiten, die in 20 gezeigt sind.
Die primären MOSFETs 503a bis 503d werden in Reaktion auf die AN-Steuersignale Sa bis Sd in der Reihenfolge an Zeiten t1 bis t6 in 20 geschaltet. Daher wird die primäre glatte Spannung Vc als eine Primärspannung VT an den Transformator 100 angelegt.
Hierdurch ist die primäre Spannung VT des Transformators 100 ein Wechselstrom mit einer rechteckigen Wellenform, wie in 20 gezeigt ist. Die primäre Spannung VT des Transformators 100 ist aufgrund einer rückgerichteten elektromotorischen Kraft durch Magnetisierungsenergie nicht vollständig in Phase mit den AN-Steuersignalen Sa bis Sd.
Die Sekundärspannung des Transformators 100 wird durch die Gleichrichterschaltung 505 vollwellengleichgerichtet. Die Gleichrichterschaltung 505 ist aus sekundären Gleichrichterdioden 505a bis 505d gebildet. Die Ausgabespannung der Gleichrichterschaltung 505 hat eine sekundäre vollwellengleichgerichtete Wellenform V2R. Die sekundäre vollwellengleichgerichtete Wellenform V2R wird durch die Glättungsdrossel 506 und den sekundärseitigen Glättungskondensator 507 geglättet und damit wird eine Ausgabespannung Vo an den Ausgabeanschluss 510 ausgegeben.
Die sekundäre Spannung-Strom-Detektionsschaltung 509 detektiert die Ausgabespannung Vo und den Ausgabestrom Io und überträgt ein Regelsignal an die Steuerschaltung 504 über den Fotokoppler 508.
Die Steuerschaltung 504 steuert die Pulsweite der AN-Steuersignale Sa bis Sd basierend auf einem Regelsignal, welches von der sekundären Spannung-Strom-Detektionsschaltung 509 übertragen wird, und passt die Ausgabespannung Vo und den Ausgabestrom Io auf geeignete Werte an.
Weil der Verlust in dem Wechselrichter 503, dem Transformator 100 und der Glättungsdrossel 506 in einem solchen Leistungskonvertierungsgerät 500, welches bei hohen Frequenzen arbeitet, üblicherweise groß ist und 80 bis 90 % des Gesamtverlustes ausmacht, haben diese Komponenten einen großen Einfluss auf die Effizienz des Leistungskonvertierungsgeräts.
Unter den Komponenten des Leistungskonvertierungsgerätes haben der Transformator 100 und die Glättungsdrossel 506 eine große Form und sind schwer und spielen daher bei der Größenzunahme und der Kostenzunahme des Leistungskonvertierungsgeräts 500 eine große Rolle. Wenn der Transformator gemäß der ersten Ausführungsform oder die Glättungsdrossel mit einer darauf basierenden Kühlstruktur durch einen Hochfrequenzwechselrichter betrieben werden, ist die Form pro Ferritkern, welcher den Kern bildet, kompakt. Daher ist die Sensibilität der Eigenschaftenänderung beim Brennen beim Herstellen der Ferritkerne unterdrückt und können Eisenverluste bei hohen Frequenzen reduziert werden.
Weil die Kernkühlfähigkeit gut ist und eine Temperaturzunahme unterdrückt werden kann, können außerdem Eisenverluste reduziert werden.
Weil die Wicklungsschicht den Abstand zwischen Wicklungen aufrecht erhält, sind außerdem der Naheffekt zwischen Wicklungen und der Skin-Effekt der Wicklungen reduziert, und außerdem kann die Streukapazität zwischen Wicklungsschichten reduziert werden und der Kupferverlust bei hohen Frequenzen kann reduziert werden.
Im Ergebnis können eine höhere Effizienz, eine Verkleinerung, eine Gewichtsreduktion und eine Kostenreduktion des Leistungskonvertierungsgeräts durch Verwenden des Spulengeräts gemäß der ersten Ausführungsform erreicht werden.
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel des Isolierung-Vollbrückenwechselrichters unter Pulsweitenmodulation (PWM)-Steuerung beschrieben. Das Steuerungsschema ist jedoch nicht auf eine PWM-Steuerung begrenzt und kann andere Schemen sein, wie beispielsweise eine Phasensteuerung. Auch das Schaltungsschema kann andere Schaltungsschemen sein, und die angelegte Spannung ist nicht auf eine rechteckige Wellenform begrenzt und kann eine Sinuswellenform sein, um gleiche Wirkungen zu erzielen.
Es wurde ein Beispiel beschrieben, in welchem die in dem Wechselrichter 503 verwendeten Schaltelemente MOSFETs sind, jedoch können andere Arten von Leistungshalbleitern verwendet werden, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTS).
In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei welchem das Leistungskonvertierungsgerät ein DC-DC-Konvertierungsgerät ist, das Leistungskonvertierungsgerät kann jedoch ein DC/AC-Konvertierungsgerät sein, welches eine hochfrequente Wechselspannung ausgibt, wenn die Gleichrichterschaltung 505, die Glättungsdrossel 506, der Glättungskondensator 507 und dergleichen aus der Konfiguration in 19 entfernt sind.
Die Ausgabeleistung des Leistungskonvertierungsgeräts gemäß der ersten Ausführungsform beträgt hauptsächlich 10 kW bis 1000 kW. Die Anwendungen des DC-DC-Konvertierungsgerätes umfassen Ladegeräte für Elektroautos, Hilfsleistungsquellengeräte für Züge und Leistungskonvertierungsgeräte zur Gleichstromübertragung. Die Anwendungen des DC/AC-Konvertierungsgerätes, welches eine hochfrequente Wechselspannung ausgibt, umfassen Induktionsheizgeräte, drahtlose Ladesysteme und Leistungsquellen für Laserverarbeitungsmaschinen. Daher sind das Spulengerät und das Leistungskonvertierungsgerät, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, vielseitig anwendbar.
Bei natürlicher Luftkühlung kann eine hohe Kühlwirkung bei 10 kW oder mehr erreicht werden, wohingegen bei anderen Kühlverfahren, wie beispielsweise künstlicher Luftkühlung, der Vorteil der Eigenschaften des Spulengeräts gemäß der ersten Ausführungsform selbst bei Anwendungen mit weniger als 10 kW genutzt werden kann.
Zweite Ausführungsform
21 ist eine Draufsicht, welche eine Konfiguration eines Transformators 1100 zeigt, welcher ein Beispiel eines Spulengerätes gemäß einer zweiten Ausführungsform ist. In der zweiten Ausführungsform ist das Spulengerät ein Hochfrequenztransformator wie in der ersten Ausführungsform. Die Konfiguration des Transformators 1100 gemäß der zweiten Ausführungsform und des Transformators 100 gemäß der ersten Ausführungsform haben gleiche Teile, und es werden Unterschiede zu der in 4 und 6 gezeigten Konfiguration beschrieben und eine Beschreibung der Details wird nicht wiederholt.
Der Transformator 1100 umfasst eine Kerngruppe 1101 und eine Wicklungsgruppe 1103. Die Wicklungsgruppe 1103 umfasst eine erste Wicklungsschicht 1103a, eine zweite Wicklungsschicht 1103b und eine dritte Wicklungsschritt 1103c. Der Transformator 1100 hat eine grundsätzliche Konfiguration, die der des Transformators 100 gleich ist, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass die Anzahl und die Anordnung der Kerne und die Form der Wicklungsschichten unterschiedlich sind.
Die Kerngruppe 1101 umfasst zwölf Kerne 1101A bis 1101L, welche jeweils einen geschlossenen Magnetkreis haben. Wenn die Längenrichtung der Wicklung der Wicklungsgruppe 1103, d. h. die Richtung des innerhalb der Wicklungsgruppe 1103 erzeugten Magnetflusses die erste Richtung ist, sind die Kerne 1101A bis 1101L aus Sicht der ersten Richtung radial voneinander beabstandet.
Jeder der Kerne 1101A bis 1101L hat auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform mehrere in 3 gezeigte Kernlücken 101xc.
Ein Kernluftweg 1106 ist in einer Lücke zwischen einem Kern und einem Kern auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet. Weil der Kernluftweg 1106 mit den Oberflächen der benachbarten Kerne, die einander zugewandt sind, gebildet ist, sind zwölf Kernluftwege mit zwölf Kernen gebildet.
Ein Wicklungsluftweg 1107 ist in einer Lücke zwischen einer Wicklungsschicht und einer Wicklungsschicht gebildet. Weil der Wicklungsluftweg 1107 mit den Oberflächen der Wicklungsschichten, die einander zugewandt sind, gebildet ist, sind mit drei Wicklungsschichten 1103a bis 1103c zwei Wicklungsluftwege gebildet.
Mit anderen Worten sind mehrere Kern-Wicklung-Luftwege 1108 in einem Abschnittsraster gebildet, in welchem Luft abwechselnd durch die Kernluftwege 1106 und die Wicklungsluftwege 1107 strömt, auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform.
Weil die Kerngruppe 1101 radial angeordnet ist und die Wicklungsgruppen 1103 kreisförmig angeordnet sind, ist die Form des Transformators im Allgemeinen kreisförmig und ein Belüftungsweg 1109 zwischen Kerngruppen ist in der Mitte gebildet, was ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist.
22 ist eine Querschnittsansicht entlang XXII-XXII des in 21 gezeigten Transformators.
Kühlluft 1110, welche durch mit gestrichelten Linien dargestellte Pfeile angegeben ist, kühlt den gesamten Transformator effektiv auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform ist die Fläche des Belüftungswegs 1109 zwischen den Kerngruppen eine Fläche, welche größer als ein bestimmter Wert ist, weil die Kerne durch die Anordnung der Kerne nicht frei zueinander näher gebracht werden können.
Ein Gebläseventilator 1201 ist an dem unteren Teil des Transformators angeordnet, um die Kühlluft 1110 zuzuführen. Der Gebläseventilator 1201 ist ein üblicher Propellerventilator, welcher ein Ventilatorblatt 1201a und einen Ventilatormotor 1201b zum Rotieren des Ventilatorblattes 1201a umfasst.
Weil die Kerngruppe 1101 radial angeordnet ist und die Wicklungsgruppen 1103 kreisförmig angeordnet und gewickelt sind, benötigt die Wicklung die minimale Länge, wie oben beschrieben ist. Dies kann Kupferverlust reduzieren und eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Transformators erreichen.
Weil die Wicklungsgruppe 1103 der Außenseite der Kerngruppe 1101 fast nicht ausgesetzt ist, wird Strahlungsrauschen der Wicklungen unterdrückt, ein separates Schirmungselement ist unnötig und geringes Rauschen und eine Verkleinerung des Transformators kann erreicht werden.
Die Form des Transformators ist im Allgemeinen kreisförmig, die Temperaturverteilung in dem Transformator ist gleichmäßig, und eine höhere Effizienz des Transformators kann erreicht werden.
Ein typischer Propellerventilator zeichnet sich dadurch aus, dass Luft nicht von einem Ventilatormotor 1201b geblasen wird und Luft von dem Ventilatorblatt 1201a geblasen wird, weil der Ventilatormotor in der Mitte angeordnet ist.
Weil die Kerne durch die Anordnung der Kerne zueinander nicht näher gebracht werden können, ist andererseits die Fläche des Belüftungswegs 1109 zwischen den Kerngruppen eine Fläche, welche größer als ein bestimmter Wert ist, und der Druckverlust beim Blasen der Luft ist klein, wohingegen die Lücke des Wicklungsluftwegs 1107 klein ist und einen großen Druckverlust hat. Dies passt zu den Eigenschaften des oben beschriebenen Gebläseventilators 1102, was ein extrem effizientes Kühlen ermöglicht und zur Verkleinerung des Transformators führt.
Weil die Form des Transformators 1100 im Allgemeinen kreisförmig ist, ist es lediglich notwendig, einen einzigen Propellerventilator in der Mitte anzuordnen, um eine gleichmäßige Kühlung bereitzustellen, was zur Verkleinerung des Transformators führt.
Wie in 22 gezeigt ist, kann das Gleichrichterelement 1202 in dem Belüftungsweg 1109 zwischen den Kerngruppen angeordnet sein, falls dies nötig ist, um die Strömungswege der Kühlluft 1110 zu steuern und eine geeignetere Kühlung durchzuführen. Das Gleichrichterelement 1202 ist in der zweiten Ausführungsform besonders effektiv, in welcher der Querschnitt des Belüftungswegs 1109 zwischen den Kerngruppen groß ist, es ist jedoch auch selbst in der ersten Ausführungsform effektiv, wenn der Querschnitt des Belüftungswegs 109 zwischen den Kerngruppen groß ist.
In der zweiten Ausführungsform können die Verbesserung der Kühlfähigkeit unter Verwendung der Außenrandröhre und des Kühlverfahrens, welches von der Kühlluft verschieden ist, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, verwendet werden.
Resümee
Die obige erste und zweite Ausführungsform werden mit Bezug zu den Zeichnungen zusammengefasst.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Spulengerät. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Transformator 100, welcher eine Ausführungsform des Spulengerätes ist, Kerngruppen 101, 102, welche mehrere Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g umfassen, welche mehrere geschlossene Magnetkreise bilden, und eine Wicklungsgruppe 103, welche mehrere Wicklungsschichten 103a bis 103c umfasst, welche durch Wickeln von Leiterdrähten in eine Röhrenform gebildet sind. Jede der Wicklungsschichten 103a bis 103c durchsetzt die geschlossenen Magnetkreise, welche durch die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g gebildet sind. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) nebeneinander mit Abständen entlang der Leiterdrähte angeordnet, durch welche ein Strom der Wicklungsschichten 103a bis 103c fließt. Die Wicklungsschichten 103a bis 103c sind aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) nebeneinander mit Abständen entlang einer Richtung angeordnet, welche die Richtung des Stroms schneidet. Bevorzugt umfassen die Wicklungsschichten 103a bis 103c und die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g Abschnitte, welche aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) in einem Raster angeordnet sind.
Mit einer wie oben beschriebenen Konfiguration kann, weil Magnetkreise durch mehrere Kerne gebildet sind, der Verlust unterdrückt werden und eine höhere Effizienz erreicht werden. Außerdem ist die Oberfläche der Kerne durch paralleles Anordnen mehrerer Kerne mit Abstand vergrößert. Daher kann die Oberfläche der Kerne zum Kühlen voll verwendet werden. Die Kühlfähigkeit beim Luftkühlen ist daher verbessert, und eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Spulengeräts kann erreicht werden.
Weil mehrere Wicklungsschichten mit Abstand angeordnet sind, sind außerdem die Isolierungseigenschaften verbessert. Weil mehrere Wicklungsschichten mit Abstand angeordnet sind, ist die Streukapazität reduziert und die Effizienz ist verbessert.
Die Oberfläche der Wicklungsschichten ist durch Anordnen der Wicklungsschichten mit Abstand voneinander vergrößert. Die Oberfläche der Wicklungsschichten kann als Wärmedissipationsoberfläche zum Kühlen voll verwendet werden. Daher ist die Kühlfähigkeit beim Luftkühlen verbessert, und eine Verkleinerung kann erreicht werden. Außerdem wird eine Temperaturzunahme abgemildert und die Verluste können reduziert werden.
Außerdem sind Räume in einem Raster gebildet als die Anordnung, in welcher die Wicklungsschichten und die Kerne zueinander orthogonal sind, und die Wicklungsschichten und die Kerne bilden Belüftungswege und Röhren. Auf diese Weise sind Luftwege, welche einen Strom von Kühlluft ermöglichen, gebildet, wenn eine künstliche Luftkühlung oder eine natürliche Luftkühlung durchgeführt wird. Weil die Bestandteile der Luftwege die Kerne und die Wicklungsschichten sind, können die Kerne und die Wicklungsschichten dabei effektiv gekühlt werden, ohne separate Elemente zu verwenden, was zu einer Verkleinerung des Spulengerätes führt.
Ein Raum zwischen den Wicklungsschichten und ein Raum zwischen der Wicklungsschicht und dem Kern ist vorhanden durch Bilden von Räumen in einem Raster als die Anordnung, in welcher die Wicklungsschichten und die Kerne zueinander orthogonal sind. Daher sind die Isolierungseigenschaften des Spulengeräts verbessert. Im Ergebnis wird ein Herstellungsschritt, wie beispielsweise Verfüllen unnötig, die Wärmedissipationsfähigkeit wird verbessert und die Zuverlässigkeit wird verbessert.
Weil ein Herstellungsschritt, wie beispielsweise das Verfüllen, eliminiert ist, ist ein Isolierungselement mit einer hohen Permittivität nicht dazwischen angeordnet, wodurch eine Streukapazität reduziert und die Effizienz des Spulengeräts verbessert wird.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst jeder der Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g bevorzugt mehrere Kernteile 101xa, 101xb, welche einen entsprechenden geschlossenen Magnetkreis bilden. Jeder der Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g weist die Lücke 101xc an mindestens einem Abschnitt zwischen den entlang der Magnetflussrichtung angeordneten Kernteilen auf.
Weil mehrere Kerne aus mehreren Kernteilen gebildet sind, können in einer solchen Konfiguration Verluste unterdrückt werden und eine höhere Effizienz des Spulengeräts kann erreicht werden.
Weil jeder von mehreren Kernen eine magnetische Lücke für einen Magnetkreis umfasst, kann eine Inhomogenität des Magnetflusses entlang der Kerne unterdrückt werden, wenn die Magnetkreise der Kerne parallel verwendet werden. Dies eliminiert die Notwendigkeit zum Erhöhen der zulässigen Schwankung der Verluste und der magnetischen Sättigung und führt zur Verkleinerung des Spulengerätes.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst die Kerngruppe bevorzugt eine erste Kerngruppe 101 und eine zweite Kerngruppe 102, welche jeweils aus mehreren Kernen gebildet sind. Aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) sind die erste Kerngruppe 101 und die zweite Kerngruppe 102 parallel mit Abstand voneinander angeordnet. Die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g umfassen Abschnitte, welche aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) an einer geraden Linie mit Abständen ausgerichtet sind. In 4 sind die Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g in einer Matrix mit sieben Reihen und zwei Spalten angeordnet.
In einer solchen Konfiguration sind die Reihen der Kerngruppen mit Abstand dazwischen so angeordnet, dass eine Luftröhre zwischen den Reihen der Kerngruppen gebildet ist, wodurch gleichzeitig Elemente für Kühlröhren reduziert werden und die Kühlfähigkeit verbessert wird.
Wie in 21 gezeigt ist, sind mehrere Kerne 1101A bis 1101L bevorzugt aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) voneinander radial beabstandet. Aus Sicht der ersten Richtung ist die Außenrandhülle der Kerne 1101A bis 1101L kreisförmig. Aus Sicht der ersten Richtung ist ein Belüftungsweg 1109 zwischen den Kerngruppen in der Mitte der Kerne 1101A bis 1101L vorhanden. Aus Sicht der ersten Richtung (Draufsicht) sind mehrere Wicklungsschichten 1103a bis 1103c jeweils ringförmig und mit Abstand von der Mitte zu der Außenrandhülle angeordnet.
Weil fast keine Wicklungen der Außenseite der Kerngruppe ausgesetzt sind, wird bei einer in 21 gezeigten Konfiguration Strahlungsrauschen aus den Wicklungen unterdrückt, ein separates Schirmungselement ist nicht nötig und geringes Rauschen und eine Verkleinerung können erreicht werden.
Außerdem ist die Form im Allgemeinen kreisförmig, die Temperaturverteilung des Spulengerätes wird gleichmäßig, und eine höhere Effizienz des Spulengeräts kann erreicht werden.
Weil mehrere Kerne und mehrere Wicklungsschichten radial und konzentrisch mit Abstand angeordnet sind, um aus Sicht der ersten Richtung ein Abschnittsraster zu bilden, bilden die Kerngruppe und die Wicklungsgruppen außerdem Kühlröhren, wodurch gleichzeitig Elemente für Kühlröhren reduziert werden und die Kühlfähigkeit verbessert wird.
Weil die Außenrandform für die Belüftungswege kreisförmig ist, kann außerdem Kühlluft mit geringeren Schwankungen durch einen einzelnen Propellerventilator zugeführt werden, wodurch die Kühlfähigkeit verbessert wird.
Wie in 16 gezeigt ist, umfasst der Transformator 100 bevorzugt ferner eine Außenrandröhre 301, welche die Außenseite der Außenrandhülle 304 der Kerne 101a bis 101g, 102a bis 102g ganz oder teilweise umgibt. Belüftungswege 303a, 303b sind zwischen der Außenrandhülle und der Röhre vorhanden.
Auf diese Weise werden die Belüftungswege 303a, 303b an dem Kernaußenrand durch die Außenrandröhre 301 an dem Außenrand gebildet, wodurch die Kühlluft im Wesentlichen durch die Außenseite der Kerngruppen 101, 102 mit einer ungleichmäßigen Form und einer großen Oberfläche strömt, wodurch eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Spulengeräts erreicht werden.
Außerdem ist der Belüftungsweg 303b an dem Wicklungsaußenrand zwischen der Wicklungsgruppe 103 und der Außenrandröhre 301 gebildet, wodurch die Kühlluft entlang des Wicklungsschichtaußenrandes strömt, wodurch die Kühlfähigkeit verbessert wird und eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Spulengeräts erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Leistungskonvertierungsgerät. Wie in 19 gezeigt ist, umfasst ein Leistungskonvertierungsgerät 500 einen Wechselrichter 503 zum Konvertieren einer Gleichspannung (Vi) in eine hochfrequente Wechselspannung (VT), einen Transformator 520 zum Empfangen der hochfrequenten Wechselspannung (VT) an der primärseitigen Eingabe von dem Wechselrichter 503 und eine Steuerschaltung 504 zum Durchführen einer Pulsweitensteuerung des Wechselrichters 503. Der Transformator 520 umfasst einen der obigen Transformatoren 100 (oder 1100).
Auf diese Weise wird ein Transformator 520 mit exzellenter Kühlfähigkeit, geringeren Eisenverlusten, geringeren Kupferverlusten, einer kompakten Größe und hoher Effizienz durch den Wechselrichter 503 betrieben, wodurch eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Leistungskonvertierungsgeräts 500 erreicht werden kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Leistungskonvertierungsgerät 500 einen Wechselrichter 503 zum Konvertieren einer Gleichspannung (Vi) in eine hochfrequente Wechselspannung (VT), einen Transformator 520 zum Empfangen der hochfrequenten Wechselspannung (VT) an der primärseitigen Eingabe von dem Wechselrichter 503, eine Steuerschaltung 504 zum Durchführen einer Pulsweitensteuerung des Wechselrichters 503, eine Gleichrichterschaltung 505 zum Gleichrichten einer Spannung an der sekundärseitigen Ausgabe des Transformators 520 und eine Glättungsdrossel 506 und einen Glättungskondensator 507 zum Glätten einer Ausgabespannung der Gleichrichterschaltung 505. Der Transformator 520 und die Glättungsdrossel 506 umfassen jeweils einen der obigen Transformatoren 100 (oder 1100).
Auf diese Weise wird der Transformator mit einer exzellenten Kühlfähigkeit, geringeren Eisenverlusten, geringeren Kupferverlusten, einer kompakten Größe und einer höheren Effizienz durch einen Hochfrequenzwechselrichter betrieben, und die Glättungsdrossel mit einer exzellenten Kühlfähigkeit, geringeren Eisenverlusten, geringeren Kupferverlusten, einer kompakten Größe und einer höheren Effizienz wird zum Glätten einer Hochfrequenzspannung verwendet, wodurch eine Verkleinerung und eine höhere Effizienz des Leistungskonvertierungsgerätes erreicht werden können.
Es ist ursprünglich vorgesehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen in Kombination ohne Bewirkung eines Widerspruchs ausgeführt werden können. Hier offenbarte Ausführungsformen sollten so verstanden werden, dass sie hinsichtlich sämtlicher Aspekte eher beispielhaft denn begrenzend sind. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist in der vorangegangenen Beschreibung von Ausführungsformen nicht angegeben, sondern in den Ansprüchen, und es ist vorgesehen, dass alle Modifikationen, welche innerhalb der Bedeutung und dem Umfang von Äquivalenten zu den Ansprüchen liegen, vorliegend umfasst sind.
Bezugszeichenliste

100, 520, 1100: Transformator,
101, 102, 1101: Kerngruppe,
101a bis 101g, 101x, 102a bis 102g, 1101A bis 1101L: Kern,
101xa, 101xb: Kernteil,
101xc: Kernlücke,
103, 1103: Wicklungsgruppe,
103a bis 103c, 1103a bis 1103c: Wicklungsschicht,
104: Primäreingabeanschluss,
105: Sekundärausgabeanschluss,
106, 1106: Kernluftweg,
107, 1107: Wicklungsluftweg,
108, 1108: Kern-Wicklung-Luftweg,
109, 303a, 303b, 1109: Belüftungsweg,
109a, 109c: Wicklungskühlabschnitt,
109b, 109d: Kernkühlabschnitt,
110, 110a, 110b, 110c, 1110: Kühlluft,
201: obere Halteplatte,
202: obere Kernhalterung,
202a, 203a, 203b: Kernhalterungsteil,
203: untere Kernhalterung,
203c: Kernhalterungsbelüftungsweg,
203d, 203e: Halterungsbasis,
204: untere Halteplatte,
205: untere Basis,
206: Bolzen,
301: Außenrandröhre,
302, 1201: Gebläseventilator,
304: Außenrandhülle,
500: Leistungskonvertierungsgerät,
501: Eingabeanschluss,
502, 507: Glättungskondensator,
503: Wechselrichter,
503a bis 503d: MOSFET,
504: Steuerschaltung,
505: Gleichrichterschaltung,
505a bis 505d: Gleichrichterdiode,
506: Glättungsdrossel,
508: Fotokoppler,
509: sekundäre Spannung-Strom-Detektionsschaltung,
510: Ausgabeanschluss,
1201a: Ventilatorblatt,
1201b: Ventilatormotor,
1202: Gleichrichterelement.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201050272 [0003, 0005, 0006]

Claims

Spulengerät, umfassend: eine Kerngruppe, welche mehrere Kerne umfasst, welche mehrere geschlossene Magnetkreise bilden; und eine Wicklungsgruppe, welche mehrere Wicklungsschichten umfasst, welche durch Wickeln von Leiterdrähten in eine Röhrenform gebildet sind, wobei jede der Wicklungsschichten die geschlossenen Magnetkreise durchsetzt, die Kerne aus Sicht einer ersten Richtung nebeneinander mit Abständen entlang der Leiterdrähte, durch welche ein Strom fließt, angeordnet sind, und die Wicklungsschichten aus Sicht der ersten Richtung nebeneinander mit Abständen entlang einer Richtung, die eine Richtung des Stroms schneidet, angeordnet sind.
Spulengerät gemäß Anspruch 1, wobei die Wicklungsschichten und die Kerne Abschnitte umfassen, welche so angeordnet sind, dass sie aus Sicht der ersten Richtung ein Raster bilden.
Spulengerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Kerne mehrere Kernteile umfasst, welche ringförmig angeordnet sind, um hierdurch einen entsprechenden geschlossenen Magnetkreis zu bilden, und jeder der Kerne eine Lücke an mindestens einem Abschnitt zwischen den entlang einer Magnetflussrichtung angeordneten Kernteilen aufweist.
Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kerngruppe eine erste Kerngruppe und eine zweite Kerngruppe umfasst, welche jeweils aus den Kernen gebildet sind, und die erste Kerngruppe und die zweite Kerngruppe aus Sicht der ersten Richtung parallel mit Abstand voneinander angeordnet sind.
Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der Kerne zumindest an beiden Enden in der ersten Richtung durch eine Halterung gehalten wird und die Halterung aus Sicht der ersten Richtung einen Durchgangsabschnitt aufweist.
Spulengerät gemäß Anspruch 5, wobei die Halterung durch Anordnen mehrerer Halterungseinheiten gebildet ist.
Spulengerät gemäß Anspruch 4, wobei, wenn eine Magnetkreiskernquerschnittsform der Kerne, welche die erste Kerngruppe oder die zweite Kerngruppe bilden, ein Viereck ist, bei welchem von zwei Seiten, die einen Magnetkreiskernquerschnitt bilden, eine Länge einer Seite in einer zu der Wicklungsschicht senkrechten Richtung eine Kernbreite ist, eine Länge einer zu der Wicklungsschicht parallelen Seite eine Kerndicke ist und Kernbreite/ Kerndicke ein Kernquerschnittsverhältnis ist, die Anzahl von Kernen, welche die erste Kerngruppe oder die zweite Kerngruppe bilden, mindestens drei und höchstens das Zehnfache des Kernquerschnittsverhältnisses ist.
Spulengerät gemäß Anspruch 7, wobei das Kernquerschnittsverhältnis 0,5 bis 2 ist.
Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kerne aus Sicht der ersten Richtung voneinander radial beabstandet sind, aus Sicht der ersten Richtung ein Raum in einer Mitte der Kerne gebildet ist, und die Wicklungsschichten aus Sicht der ersten Richtung jeweils ringförmig sind und mit Abstand von der Mitte nach außen angeordnet sind.
Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend eine Röhre, welche eine Außenseite einer Außenrandhülle der Kerne und der Wicklungsschichten teilweise oder ganz umgibt, wobei ein Belüftungsweg zwischen den Kernen und der Röhre und zwischen den Wicklungsschichten und der Röhre vorhanden ist.
Leistungskonvertierungsgerät, umfassend: einen Wechselrichter, welche eine Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung konvertiert; einen Transformator, welcher von dem Wechselrichter die hochfrequente Wechselspannung an einer primärseitigen Eingabe empfängt; und eine Steuerschaltung, welche eine Pulsweitensteuerung des Wechselrichters durchführt, wobei der Transformator das Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
Leistungskonvertierungsgerät, umfassend: einen Wechselrichter, welche eine Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung konvertiert; einen Transformator, welcher von dem Wechselrichter die hochfrequente Wechselspannung an einer primärseitigen Eingabe empfängt; eine Steuerschaltung, welche eine Pulsweitensteuerung des Wechselrichters durchführt; eine Gleichrichterschaltung, welche eine Spannung einer sekundärseitigen Ausgabe des Transformators gleichrichtet; und eine Glättungsdrossel und einen sekundärseitigen Glättungskondensator, welche eine Ausgabespannung der Gleichrichterschaltung glätten, wobei der Transformator und die Glättungsdrossel jeweils das Spulengerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassen.