JP2009520348A - インタリーブされる平面変圧器の一次及び二次巻線 - Google Patents

Abstract

本発明は、互いに平行に配される第１及び第２の平面部を有する変圧器用の巻線を開示している。第１及び第２の電流路は前記第１及び第２の平面部上に配される。前記第１及び第２の電流路は相互接続部を介して互いに接続される。前記第１及び第２の電流路は、前記第１及び第２の平面部がそれに沿って延在する方向に対し夫々曲げられている。

Description

本発明は、変圧器及び変圧器の巻線、特に巻線がＸ線管及びＣＴ装置に使用されるような、高電圧変圧器用の巻線の分野に関する。特に、本発明は変圧器用の巻線及びＣＴ装置に関する。

高電圧変圧器は、（ピーク電圧が１００ｋＷよりも高い）高電力を（ピーク値が１００ｋＶよりも高い）高電圧で医療診察用のＸ線管に印加する高電圧発生器のキーモジュール(key module)である。撮像品質を改善するために、さらに高電力レベルに向かう傾向がある。特にＣＴ装置の分野における高電圧変圧器及び発生器の大きさ及び重量を減少させることは、これが改善される撮像品質にもなるガントリの回転速度の増大を可能にするので、常に望まれている。

高電圧変圧器の電力密度を増大させる必要性がある。

本発明の例示的な実施例によれば、第１の平面部及び第２の平面部を有する変圧器用の巻線、特に高電圧変圧器用の巻線が供給される。この第１の平面部は、第２の平面部と平行である。これら第１及び第２の平面部は、この例示的な実施例の変形例によれば円周方向である第１の方向に沿って延在する。さらに、第１の電流路、第２の電流路及び第１の相互接続部が設けられる。この第１の相互接続部は第１の電流路を第２の電流路に接続する。第１の電流路は前記第１の平面部上において第２の方向に延在し、前記第２の電流路は前記第２の平面部上において第３の方向に延在する。これら第２及び第３の方向は夫々第１の方向に曲げられ、前記第２の方向は少なくとも部分的に前記第３の方向に対向している。

例えば、円筒形の変圧器が設けられる場合、電流路は互いに平行に配され、平行な円筒形のターン(turn)を用いて、巻線の配置の（隣接する）層又は平面部上にインタリーブされる。例えば前記層の円周上に定期的にある幾つかの位置において、各電流路は、その現在のターンから夫々の隣接する層にある隣接するターンに移動する。ある態様によれば、ある層にある全ての電流路は同じ方向に移動する。この方向は２つの隣接する層又は平面部とは逆向きである。ある層の端部に到達した電流路は他の層に移動する、すなわち夫々の層にある電流路間に接続があり、これは相互接続部により行われる。このようなターンは異なる幅で供給される。例えば、内側の円筒形のターンは夫々の外側のターンよりも薄いか又は小さい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかであると共に、これら実施例を参照して説明される。

本発明の例示的な実施例は、以下の図面を参照して以下に説明される。

以下の説明において、同じ参照番号は、図１から図８において同一又は対応する要素を示すために使用される。

図１における参照番号１は、平面高電圧変圧器２を有するＣＴ装置を示す。この平面高電圧変圧器２の一次巻線２０、２２、２４及び２６は、平面巻線にとって一般的であるアスペクト比を示す。つまり、横寸法が縦寸法に比べ大きい。結果として、上記一次巻線に発生する熱は、その上面又は下面を介して除去される。しかしながら、高電圧二次巻線３０及び３２は通常、多くのターンを必要としている。これにより、縦寸法は横寸法に匹敵する。結果として、熱は、二次巻線のスタック、例えば３０及び３２で示されるような二次巻線のスタックの中心から除去されるべきである。前記変圧器、特に前記二次巻線は、例えば変圧器油のような冷却媒体５に埋設されてもよい。

図１に示される前記平面変圧器の断面図は、一次巻線２０、２２、２４及び２６並びに二次巻線３０及び３２がコア１０の中心脚部１２の周りに巻かれていることが示される。さらに、外側脚部１４及び１６が設けられている。

図２は、前記二次巻線のスタック３０及び３２の一方の巻線のスタック（巻線のスタック３０）を通る水平断面図を示す。図２に示される二次巻線のスタックを通る断面図は、前記コアの中心脚部１２並びに外側脚部１４及び１６を示す。以後の図面３、４、５及び６において、夫々の巻線は、良好な表現を考慮して円筒形状の代わりに矩形形状で示される。しかしながら、この円筒形状の開口は、図２に示される線分４２に対応している水平境界となる。

図３は、各々が上記巻線のスタックに使用されるような、４つのターンの二次巻線からなる２つの層４０及び５０を示す。実際に、既に上述されたようなこれらターンは、図３に示される矩形形状というより、図２に示される巻線のスタック３０と同じ円筒形状を持つ。しかしながら、矩形形状は前記巻線の構成をより簡潔な方法で示すのに使用される。

電流は端部４５を介し層４０に入り、次いでターン４１、４２、４３及び４４を通過し、スルー接続部(through connect)４６／５６において層４０から層５０へ移動し、次いでターン５１、５２、５３及び５４を通過し、最後に端部５５において層５０から出てくる。

これら層が図１の垂直方向に関して巻線のスタック３０の中心の近くに置かれる場合、内側のターン４２、４３、５２、５３から熱を除去することは難しい。この熱は、垂直方向にある幾つかの絶縁層又は半径方向にある幾つかの絶縁体からなる円筒状リングのどちらか一方を通過しなければならない。高電圧の二次巻線において、図３に示される１つの層当り４つのターンよりもかなり多くあるので、この問題は重要である。

通常、絶縁材料は熱伝導率が悪く、これにより絶縁材料の領域が熱の除去を妨げる。これら熱の経路に加え、熱は、全て相互接続される円筒形の銅のターンに沿って運ばれてもよい。しかしながら、これは小さな断面を持つ長い経路となり、これにより良好な銅の熱伝導率にもかかわらず、半径方向への熱の伝導を大幅に増やさない。

図４は、図１及び図２に示される変圧器に使用されるような、本発明の例示的な実施例による二次巻線の２つの層を示す。参照番号６０は第１の層を示し、参照番号７０は第２の層を示す。これら層は二次巻線３０の隣接する層であり、上下に配される。図４から分かるように、電流は端部６１において層６０に入る。次いで、電流はスルー接続部６０１／７０１へ流れ、層７０に変更する。次いで、電流は、他のスルー接続部６０２／７０２へ流れ、その後層６０へ戻るように流れる。前記電流のこのインタリービング伝導(interleaving conductance)は、電流がスルー接続部６１４／７１４に到達し、次いで端部６２を介し層６０を出てくるまで続けられる。

図４から分かるように、電流路を辿る場合、後続するスルー接続部の間、例えば７０１／７０２及び６０２／６０３の間の距離は、例えば図３における外部接続部４５から前記スルー接続部４６への電流路に比べかなり短い。その上、これらスルー接続部は前記二次巻線のブロックの表面に局部的に近く、図１に示されるように二次巻線のブロックの周囲にある冷却媒体５、例えば変圧器油と良好な熱接触である。言い換えると、前記スルー接続部は、前記巻線のブロックの内側／外側表面にあり、これにより前記巻線のブロックを埋設している冷却媒体５に対し良好な熱接触となる。特に、前記スルー接続部は前記二次巻線のブロックの表面とかなり距離にわたり平行であるため、二次巻線のブロックと周囲の冷却媒体との間に良好な熱接触が存在する。これにより、熱は、前記巻線の如何なる部分から二次巻線のブロックの外側表面へ運ばれ、そこから前記周囲の冷却媒体へ図３に示されるような巻線の配置と比較して改善された割合で運ばれる。

既に上述されたように、電流路（例えば７０５から７０６への経路）は、銅の層により達成される。

図４から分かるように、これら層は本質的に互いに平行に延在し、図４の表現において基本的に水平方向に延在している。層７０上の電流路の主方向は、参照符号Ａを用いて示される。参照符号Ａにより示されるように、この電流路の主方向は、左上から右下である。言い換えると、電流路の主方向は、前記層７０がそれに沿って延在している主方向に曲げられ、図４においてその主方向は水平方向である。さらに、参照番号Ｂを用いて示されるように、層６０上の電流路の主方向は、左下から右上である。層７０上の全電流路は基本的に同じ方向を持つ。さらに、層６０上の全電流路も本質的に同じ方向を持つ。層７０上において、電流路の主方向は、前記層６０がそれに沿って延在している主方向に曲げられる（図４において水平方向に曲げられる）。参照番号Ａ１及びＢ１を用いて示されるように、前記主方向Ａ及びＢは、対向するように水平方向に曲げられる。好ましくは、図４の表現において、主方向Ａの水平方向に対する角度は、主方向Ｂと水平方向との間にある角度に等しい。しかしながら、これら角度は、逆の算術符号又は逆の向きを持つ。

若しくは、他の言葉で言うと、水平方向に平行ではない主方向Ａ及びＢのベクトル成分は互いに逆である。

さらに、図４から特に分かるように、電流路は幾つかのステップにおよんでいる、すなわちこれら経路に沿った均一な方向を必ずしも必要としないが、水平方向に延在する部分と、主方向として前記水平方向にさらに曲げられて延在する部分とを含む。

端部６１及び６２を介する電流源は通常夫々の円筒状巻線の外側にある。従って、図４における夫々の上側は、円筒形状の二次巻線の夫々の内側部分である。この例示的な実施例の変形例において、夫々の電流路の幅は、夫々の内側、すなわち図４の表現では上側に向かって減少している。

図４において、層６０における電流路の部分６１／６０１及び６１２／６１３、並びに層７０における電流路の部分７０１／７０２及び７１３／７１４は、互いに最も高い電圧差を有する。これら電流路間における電圧のブレイクスルー(breakthrough)を避けるために、これら２つの電流路間の距離は他の電流路と比較して増大している。

図５は、図１及び図２に示される変圧器に使用されるような、二次巻線の２つの層の他の例示的な実施例を示す。図５から分かるように、これら電流路の銅の層の間にある距離は、電流路の部分６１２／６１３及び７１３／７１４を除去することにより増大する。電流路の部分７１１／７１２の端点は、スルー接続部７１２からスルー接続部７１４へ移動される。これにより、最も高い電位差を示す電流路間の絶縁が増加し、これにより、これら電流路に対する改善されるブレイクスルーの防止が供給される。

図６は、図１及び図２に示される変圧器に使用及び適用されるような、本発明の他の例示的な実施例による二次巻線の２つの層を示す。図６から分かるように、図４及び図５と比較して、ある電流入力端部６１が層６０上に配され、他の出力端部７２は層７０上に配される。これにより、夫々の端部の間の距離は、前記端部６１と７１との間における増大する絶縁を考慮して、増大する。

上記図４から図６において、前記巻線上の電流路は、夫々の方向及びそれらの寸法の段階的な変化を示す。さらに、寸法を変える代わりに、夫々の電流路の幅が変化してもよい。さらに、夫々の電流路の厚さが夫々の負荷に適応してもよい。

図４から図６に示される二次巻線の例示的な実施例は、改善された冷却を考慮し、これにより、例えばＸ線管用の高電圧発生器のための高電圧変換器の改善された又は高い電力密度を考慮する。これは、ＣＴのガントリ上の高電圧発生器に必要とされるボリューム及び高さを減少させることが利点である。

図７は、図１に示される平面高電圧変圧器の一次巻線２０、２２、２４及び２６のうち１つの巻線２０を通る水平断面図を示す。一次巻線は、大量の電流を運ばなければならない。従って、ある単一のターンは、前記巻線の全部の幅を殆ど使用する一次巻線の各層に作成される。電流路が円筒形状であるため、前記巻線の内部周辺部分において大きな電流密度及び損失となる前記ターンの内側半径の近くで主に電流が流れる。このような単一のターンは、間隙により離間される複数の平行なターンに分割される。しかしながら、これは電流の大部分が前記層の内側半径に最も近いターンに流れるので、状態を大幅に改善しなくてもよい。

図８は、図１に示される変圧器に使用されるような、一次巻線の例示的な実施例による２つの層を示す。図４から図６にあるように、層７０及び８０上の夫々の電流路の配置を示すために平行且つ非円筒状の表現が使用される。二次巻線の上記例示的な実施例にあるように、前記２つの層７０及び８０は、電流路９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７及び９８をインタリーブするのに使用される。電流は、端部７１において入力され、前記層７０の幅に沿って分配される。端部７１に流れ込む電流は、スルー接続部７２／８２において２つの層７０及び８０の間に分割される。電流は前記スルー接続部８２から層８０の幅に沿って分配される。層７０及び８０において、電流は直ちに夫々の平行な電流路９１から９８に分割され、これら経路は図４から図６における経路のように、図８において層７０及び８０がそれに沿って延長している水平方向に夫々曲げられる主方向Ａ及びＢに本質的に延在する。しかしながら、これら角度は夫々逆の算術符号又は方向を持つ。さらに、二次巻線の上記実施例を参照して既に示されるように、Ａ及びＢのベクトル成分は、水平、すなわちＡ１及びＢ１が互いに対向している方向には平行ではない。

前記変圧器の中心脚１２の周りに殆ど完全に移動した後、平行な電流路９１から９８は、層７０及び８０の横方向において再び互いに接続される。これら接続点に他のスルー接続部７４／８４を設け、この接続部により電流は層７０に戻され、端部７３において電流が層７０から離れる。

電流路がある層のターンから夫々の他の層の後続するターンへ変化するのに通過するスルー接続部７５が設けられる。この電流路は、前記層の周縁の周りに周期的に分配されるこれらスルー接続部の位置において、あるターンから隣接するターンへ移動する。この配置のために、各電流路は、２つの層の各ターンの同じ断片を本質的に覆っている。これは、電流路をこれら経路の電磁作用に関して同等にさせ、これら経路間において電流全てが本質的に均一であるように分配される。このために、個々の電流路にある電流は減少すると思われる。さらに、これは均一な電流分布を考慮していると思われる。

本発明の例示的な実施例による一次巻線構造は、Ｘ線管用の高電圧発生器のための高電圧変圧器の低損失及び電力密度の増大を考慮すると思われる。特に、ＣＴのガントリ上の高電圧発生器に必要とされるボリューム及び重量を減少するのに有用である。

上述したように、例示的な実施例による変圧器は、図２から図６を参照して説明される二次巻線の配置又は図７から図８を参照して説明される一次巻線の配置を有する。特に、このような変圧器及び／又はこのような巻線の配置は、例えば医療診断におけるＸ線管用の高電圧発生器のための高電圧変換器に対し高電力密度が必要とされる応用に利用される。しかしながら、このような巻線の配置が全ての種類の電源変圧器に利用されてもよいことに注意すべきである。

有するという言葉が他の要素又はステップを排除しないこと、単数での記載がそれが複数あることを排除しないことを注意すべきである。さらに参照符号が請求の範囲を制限するのに使用されない。

本発明の例示的な実施例による変圧器用の巻線を有する、本発明の例示的な実施例による平面高電圧変圧器を備えるＣＴ装置を示す。 本発明の例示的な実施例による、図１の変圧器の二次巻線のスタックを通る水平断面図を示す。 二次巻線の２つの層を示す。 本発明の例示的な実施例による二次巻線の２つの層を示す。 本発明の他の例示的な実施例による二次巻線の２つの層を示す。 本発明の他の例示的な実施例による二次巻線の２つの層を示す。 図１の変圧器の一次巻線を通る水平断面図を示す。 図１の変圧器に使用されるような、本発明の例示的な実施例の一次巻線の２つの層を示す。

Claims (7)

1. 第１の平面部及び第２の平面部、
   第１の電流路及び第２の電流路、並びに
   第１の相互接続部
   を有する変圧器用の巻線において、
   前記第１の平面部は、前記第２の平面部と平行であり、
   前記第１及び第２の平面部は、第１の方向に沿って延在し、
   前記第１の相互接続は、前記第１の電流路を前記第２の電流路に接続し、
   前記第１の電流路は、前記第１の平面部上において第２の方向に延在し、
   前記第２の電流路は、前記第２の平面部上において第３の方向に延在し、
   前記第２及び第３の方向は、夫々前記第１の方向に曲げられ、並びに
   前記第２の方向は、少なくとも部分的に前記第３の方向に対向している
   変圧器用の巻線。
2. 前記第１及び第２の平面部は、前記第１の方向が円周方向であるように少なくとも部分的に円筒形状であり、
   前記第１及び第２の平面部は、前記円筒形状の内側に内側周辺領域及び前記円筒形状の外側に外側周辺領域を各々有し、
   前記第１の電流路は、前記第１の平面部上において前記内側周辺領域から前記外側周辺領域へ延在し、
   前記第２の電流路は、前記第２の平面部上において前記外側周辺領域から前記内側周辺領域へ延在する
   請求項１に記載の巻線。
3. 前記第１の平面部上において前記第１の電流路に本質的に平行に延在している第３の電流路、
   前記第２の平面部上において前記第２の電流路に本質的に平行に延在している第４の電流路
   をさらに有する請求項１及び２の何れか一項に記載の巻線において、
   前記第１の相互接続部は、前記第１の電流路の第１の端部を前記第２の電流路の第１の端部に接続し、
   第２の相互接続部は、前記第２の電流路の第２の端部を前記第３の電流路の第１の端部接続し、
   第３の相互接続部は、前記第３の電流路の第２の端部と、前記第４の電流路の第１の端部との間に設けられる
   巻線。
4. 前記相互接続部は、前記第１及び第２の平面部の一方にある電流路が前記内側及び外側周辺領域の一方に到達したとき、前記電流路が前記第１及び第２の平面部の夫々の他方において夫々の相互接続部を介して継続されるように、前記第１及び第２の平面部の前記内側及び外側周辺領域に配される請求項２又は３に記載の巻線。
5. 前記第１の電流路は第１の幅を持ち、前記第２の電流路は第２の幅を持ち、
   前記第１の電流路は、前記第２の電流路よりも前記内側周辺領域の近くに置かれ、及び
   前記第１の幅は前記第２の幅よりも小さい
   請求項２、３又は４に記載の巻線。
6. 前記巻線は、高電圧変換器の一次巻線及び二次巻線の少なくとも一方である
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の巻線。
7. 第１の平面部及び第２の平面部
   第１の電流路及び第２の電流路、並びに
   第１の相互接続部
   を持つ巻線を有するＣＴ装置において、
   前記第１の平面部は、前記第２の平面部と平行であり、
   前記第１及び第２の平面部は、第１の方向に沿って延在し、
   前記第１の相互接続部は、前記第１の電流路を前記第２の電流路に接続し、
   前記第１の電流路は、前記第１の平面部上において第２の方向に延在し、
   前記第２の電流路は、前記第２の平面部上において第３の方向に延在し、
   前記第２及び第３の方向は、夫々前記第１の方向に曲げられ、並びに
   前記第２の方向は、少なくとも部分的に前記第３の方向と対向している
   ＣＴ装置。

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