JP2019519102A - 液冷式磁気素子 - Google Patents

Abstract

トロイダル磁気素子。複数のコイルがトロイダル構成に配置される。各コイルは、平角線をロール状に巻回することによって形成される中空円筒であってもよい。コイルは、スペーサと交互に配置される。スペーサのそれぞれは楔部であってもよい。コイルは、巻線方向が交互になっていてもよく、各コイルの内側端部は、接続ピンを介して、隣接するコイルの内側端部に接続されてもよい。例えば、各楔部がその２つの面に、コイルが当接する複数の隆起リブを有する結果として、コイルと楔部との間に小さな間隙が形成される。冷却流体が間隙を通って流れてコイルを冷却する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「液冷式トロイダル磁気」（LIQUID‐COOLED TOROIDAL MAGNETICS）と題する、２０１６年５月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／３３６，４６６号に対して優先権を主張し、その利益を主張する。本出願は、「液冷式トロイダル磁気の開示」（DISCLOSURE OF LIQUID‐COOLED TOROIDAL MAGNETICS）と題する、２０１６年９月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，１３９号に対して優先権を主張し、その利益を主張する。この両仮特許出願の全体の内容は参照することによって本明細書に組み込まれる。

本発明による実施形態の１つ又は複数の態様は、磁気素子に関し、さらに詳細には、液冷式トロイダル磁気素子に関する。

変圧器及びインダクタのような磁気素子は、さまざまな電力処理システムにて重要な機能を果たす。磁気素子のサイズ及びコストを最小限に抑えるために、電流密度及び電気周波数を可能な限り高くすることができる。そのようなシステムでは、巻線とコアとの両方からの熱伝達を効率的なものとし、さらに巻線内とコア内の両方にて低渦損失とすることが有利であり得る。トロイダル形状を有する磁気素子には、さまざまな利点があり得るが、その製造には特殊な巻線装置を使用することがあり、高電流巻線の製造が困難である可能性がある。

このため、磁気素子のための改良された設計が必要とされている。

本開示の実施形態の態様は、トロイダル磁気素子に向けられている。複数のコイルがトロイダル構成に配置されている。各コイルは、平角線をロール状に巻くことによって形成された中空円筒であってもよい。コイルはスペーサと交互に配置され、スペーサの各々は楔状のものであってもよい。コイルは巻線方向を交互にしてもよく、各コイルの内側端部は、接続ピンを介して隣接するコイルの内側端部に接続されてもよい。例えば、各楔部の両面に、コイルが当接する複数の隆起リブを有する結果として、コイルと楔部との間に小さな間隙が形成される。冷却流体がその間隙を通って流れ、コイルを冷却する。

本発明の一実施形態によれば、第１の環状面と第２の環状面とを有する第１の導電性コイルと、第１の平面と第２の平面とを有する第１の電気絶縁スペーサであって、第１の平面は第１の間隙によって前記第１の環状面から分離される、第１の電気絶縁スペーサと、流体入口と、流体出口と、を備える磁気素子が提供される。流体経路が第１の間隙を介して流体入口から流体出口へ延びる。

一実施形態では、第１のコイルは中空円筒コイルであって、第１の電気絶縁スペーサは第１の楔部である。

一実施形態では、磁気素子は第２の中空円筒コイルを備える。第２のコイルは、第１の楔部の第２の平面と共に第２の間隙を形成する第１の環状面を有する。

一実施形態では、第１のコイルは外側端部と内側端部とを有し、第２のコイルは外側端部と、第１のコイルの内側端部に接続される内側端部とを有し、両コイルを順次流れる電流からの第１のコイルの中心の磁界への寄与が、第２のコイルを通って流れる電流からの磁界への寄与と同一方向である。

一実施形態では、磁気素子は第１のコイルと第２のコイルとを含むコイルの複数の対を備える。各コイルは内側端部と外側端部とを有し、各対の内側端部は互いに接続され、コイルはトーラスを形成するように配置される。

一実施形態では、磁気素子は、第１の楔部を含む複数の能動楔部と、複数の受動楔部とを備える。能動楔部のそれぞれは、２つの平面を有し、コイルのそれぞれの対の２つのコイルの間にあり、コイルの対の一方のコイルは一方の平面にあり、コイルの対の他方のコイルは他方の平面にあり、受動楔部のそれぞれは、コイルの対のうちの１つと、コイルの別の対のうちの１つとの間にある。

一実施形態では、各能動楔部は、能動楔部を通って延びる導電性ピンを備え、能動楔部の一方の平面上のコイルの内側端部はピンの一方の端部に接続され固定され、能動楔部の他方の平面上のコイルの内側端部はピンの他方の端部に接続され固定される。

一実施形態では、複数の能動楔部及び複数の受動楔部のダクト付き楔部（ducted wedge）が、トーラスの外側からトーラスの内部体積に延びる流体通路を有する。

一実施形態では、磁気素子は、トーラスの内部体積にて複数のコアセグメントを備える。

一実施形態では、複数のコアセグメントのうちの１つが強磁性体である。

一実施形態では、流体経路は第３の間隙を通ってさらに延び、第３の間隙はコアセグメントと第１のコイル及び／又は第１の楔部との間の半径方向間隙である。

一実施形態では、コアセグメントのそれぞれは、コアセグメントを通ってトロイダル方向に延びる穴を有し、流体経路は、穴の１つを通り、複数のコアセグメントの２つの隣接するコアセグメントの間のトロイダル間隙を通ってさらに延びる。

本発明の一実施形態によれば、トーラスを形成するように配置される複数の導電性コイルと、
複数の電気絶縁スペーサであって、スペーサのそれぞれは複数のコイルの２つの隣接するコイルの間にある、電気絶縁スペーサと、を備えるトロイダル磁気素子が提供される。複数のコイルのそれぞれは、フェース巻き（face-wound）の導電体を備え、第１の内側端部と第１の外側端部とを有する。

一実施形態では、コイルのそれぞれの巻線方向は、トーラスの少なくとも一部周りに交互に変わり、複数のコイルのそれぞれの第１の内側端部は複数のコイルのそれぞれの隣接するコイルの第１の内側端部に接続される。

一実施形態では、トロイダル磁気素子は、ｎ個の共巻きの導体を備え、第１の内側端部を含むｎ個の内側端部と、第１の外側端部を含むｎ個の外側端部とを有する。複数のコイルの１つのｊ番目の内側端部が、複数のコイルのそれぞれの隣接するコイルの（ｎ−ｊ+１）番目の内側端部に接続される。

一実施形態では、コイルのそれぞれは、２つの平行な環状面を有する中空円筒である。

一実施形態では、スペーサのそれぞれは、２つの平面を有する楔部である。

一実施形態では、コイルのそれぞれの各環状面は、間隙によって隣接する楔部の隣接する面から分離される。

一実施形態では、トロイダル磁気素子は、トーラスを含むハウジングであって、ハウジングは流体入口と流体出口とを備えるハウジングと、流体入口から流体出口に至る流体経路であって、その一部が間隙のうちの１つの内部にある流体経路とを備える。

一実施形態では、２つのコイルであって、そのそれぞれの内側端部にて互いに接続される２つのコイルそれぞれは、それぞれの内側端部の間の接続を形成する導電性接続ピンを有するスペーサによって分離される。

一実施形態では、複数のコイルの第１のコイルの外側端部が第１のバスバーによって複数のコイルの第２のコイルの外側端部に接続される。

一実施形態では、トロイダル磁気素子は、第１の端子と、第２の端子と、第３の端子とを備え、第１の端子に接続される第１の端部と、第２の端子に接続される第２の端部とを有し、複数のコイルの第１のコイル及び複数のコイルの第２のコイルであって、第１のコイル及び第２のコイルは直列に接続されるコイルを備える第１の巻線と、第３の端子に接続される第１の端部と、第２の端部とを有し、複数のコイルの第３のコイル及び複数のコイルの第４のコイルであって、第３のコイル及び第４のコイルは直列に接続されるコイルを備える第２の巻線と、を備える。

本発明の一実施形態によれば、トーラスを形成するように配置された複数の導電性コイルと、複数の電気絶縁スペーサと、流体入口と、流体出口と、を具備する、液冷式トロイダル磁気素子が提供される。スペーサのそれぞれは、複数のコイルの２つの隣接するコイルの間にあり、コイルのそれぞれはフェース巻きの導電体を備え、コイルのそれぞれは２つの環状面を有し、コイルのそれぞれの各環状面は、間隙によって隣接するスペーサの隣接する面から分離され、それぞれの流体経路が間隙のそれぞれを通って流体入口から流体出口に延びる。

一実施形態では、間隙のそれぞれは、０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）を上回り０．０２インチ（０．５０８ｍｍ）を下回る幅を有する。

本発明のこれまでに挙げた特徴及び利点をはじめとする特徴及び利点は、明細書、特許請求の範囲及び添付の図面を参照して評価され理解されるであろう。
本発明の一実施形態による、トロイダルアセンブリの部分切り欠き斜視図。 本発明の一実施形態による、トロイダルアセンブリの部分切り欠き斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの一部の断面図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの楔部の斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの楔部の斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリのコアセグメントの斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの一部の斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの一部の斜視図。 本発明の一実施形態によるトロイダルアセンブリの一部の分解斜視図。 本発明の一実施形態による液冷式磁気素子の分解斜視図。

添付図面に関連して以下に記載する詳細な説明は、本発明に従って提供される液冷式磁気素子の例示的な実施形態を説明することを意図しており、本発明を構成するか利用することができる唯一の形態を表すことを意図するものではない。説明は、図示の実施形態に関連して本発明の特徴を説明する。しかし、本発明の精神及び範囲内に包含されることも意図した異なる実施形態によって、同一又は同等の機能及び構造が達成され得ることを理解されたい。本明細書の他の部分に示すように、類似する要素番号は類似する要素又は特徴を示すことを意図している。

いくつかの実施形態では、液冷式トロイダル磁気素子が、１つの実施形態による液冷式磁気素子のハウジング（図８、明瞭化のために図１では省略されている）内に、図１に示すトロイダルアセンブリ１０１を備える。いくつかの実施形態では、トロイダルアセンブリ１０１は、略トロイダル形状を有する構成のコイル１０２と楔部１０４、１０５の組を交互に備える。楔部１０４、１０５は、コイルを互いに絶縁し、コイル１０２をトロイダル形状に位置決めし整列させるための絶縁スペーサとして作用することができる。コイル１０２への接続はトロイダル磁気素子の上部にある端子１０６を用いて実施され、端子の各々はそれぞれのバスバー１０８、１０９を介して１つまたは複数のコイル１０２に接続され得る。

電気絶縁材料からなるオーバーモールド１１０が、端子１０６を共に固定する。バスバー１０８、１０９の各々は、オーバーモールド１１０がバスバー１０８、１０９に機械的に係止され、バスバー１０８、１０９がオーバーモールド１１０を補強するように、オーバーモールド１１０が嵌着される１つ以上のバスバー穴１１２を備える。端子１０６、バスバー１０８、１０９及びオーバーモールド１１０からなるサブアセンブリは、例えば、端子１０６及びバスバー１０８、１０９を適切な成形型に固定し、端子１０６及びバスバー１０８、１０９周りに、バスバー１０８、１０９にて穴１１２を貫通するように、オーバーモールド１１０を成形することによって、別途組み立てられてもよい。オーバーモールドの成形は、例えば、成形型内で硬化される熱硬化性樹脂を用いて射出成形又は鋳造によって実施することができる。オーバーモールド１１０は、例えば、コイル１０２の外側端部１３２（図２）がバスバー１０８、１０９にはんだ付けされるときに暴露する温度に耐えるような絶縁材料で構成してもよい。例えば、オーバーモールド１１０は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で構成してもよい。図１は、１２個の端子１０６と、３６個のコイル１０２と、３６個の楔部１０４、１０５とを有する実施形態を示す。他の実施形態では、このような構成要素のいくつか又は全部が、多くなっても少なくなってもよい。

図２は、図１に示すトロイダルアセンブリ１０１の一部を示す。このほか、構造内の位置及び方向を識別するために本明細書で使用されるトロイダル座標系を定義する矢印が示される。第１の矢印１１３はトロイダル方向を指し、第２の矢印１１４はポロイダル方向を指し、第３の矢印１１５は半径方向を指す。動作中、電流は各コイル１０２にて実質的にポロイダル方向に流れ、コイル１０２の内部にて実質的にトロイダル方向に磁場を形成する。以下でさらに詳細に説明するように、コイル１０２は、２つの異なるコイル巻線方向、第１の巻線方向と第２の巻線方向との間で交互になるように配置される。第１の巻線方向を有するコイル１０２では、電流が、（図２のコイル１０２ａの場合のように）正のポロイダル方向に流れるときに径方向外側に進行する螺旋経路に沿って流れ、第２の巻線方向を有するコイル１０２では、電流が、（図２のコイル１０２ｂの場合のように）正のポロイダル方向に流れるときに径方向内側に進行する螺旋経路に沿って流れる。コイル１０２は、各コイル１０２の内側端部が隣接するコイルの内側端部に接続された状態で、二つを一組にして直列に接続される。コイル１０２の巻線方向を交互にする結果として、そのような組のいずれでも一方のコイル１０２からの寄与は、電流がその組の２つのコイル１０２を通って直列に流れるときに、その組の他方のコイル１０２からの寄与と２つのコイル１０２の軸に沿って同一の方向となる。

コアセグメント１１８は、コイルの内側に略トロイダル形状の複合コアを形成するように配置される。本明細書で使用される「コイル」は、導体（例えば、平角線）の１つ以上の巻回を有し、導体の内側端部から外側端部まで（例えば、螺旋状に）延在する導体素子である。本明細書で使用される「巻線」は、１つ以上のコイルを含み、２つのそれぞれの端子に接続された２つの端部を有する導体素子である。例えば、以下でさらに詳細に説明するように、巻線が、それぞれの内側端部が互いに接続された２つのコイルから構成されてもよい。それぞれの外側端部は巻線の２つの端部であり、２つのそれぞれの端子に接続される。本明細書で使用される「複合巻線」は、１つ以上の巻線の直列及び／又は並列の組み合わせである２端子素子である。本明細書で使用される「複合コイル」は、それぞれの導体のそれぞれの内側端部からそれぞれの外側端部まで（例えば、螺旋状に）それぞれ延びる２つ以上の共巻き導体を含む導電素子である。

以下でさらに詳細に考察するように、図１及び図２の端末１０６のそれぞれは、並列に接続された３つの巻線からなる複合巻線に接続することができ、各巻線は直列に接続された２つのコイルからなる。このように、トロイダルアセンブリ１０１は、６つの複合巻線からなり、このような複合巻線は、端子に適切に接続することによって、変圧器又はインダクタとなるように構成することができる。例えば、複合巻線の適切な並列又は直列の組み合わせがインダクタとして作用してもよい。複合巻線の第１のサブセットを第１の並列又は直列の組み合わせで接続し、複合巻線の第２のサブセット（例えば、複合巻線の残りの部分）を第２の並列又は直列の組み合わせで接続することにより、変圧器を形成してもよい。変圧器のコアは、他の点では類似するインダクタのコアとは異なる場合がある。変圧器では、セグメント間の間隙を最小にして磁化電流を最小限に抑えながら、コアの透磁率を高くしてもよい。インダクタでは、コア飽和が防止されるように、コア材料のいずれかが低透磁率であるか、有限の間隙が確立されてもよい（あるいはその両方）。場合によっては、「フライバック変圧器」の場合のように、インダクタンスと変圧器の両方の動作が存在する。そのような場合はいずれも、本発明の実施形態では、巻線を所望に応じて接続し、相互接続することを可能にする。変圧器の漏れインダクタンスは、例えば、（漏れインダクタンスを減少させるために）第１のサブセットで使用する交互の複合巻線を選択することによって、あるいは（漏れインダクタンスを増大させるために）第１のサブセットで使用する連続する複合巻線を選択することによって調整されてもよい。

熱を取り出すために、冷却流体（又は「冷却剤」又は「冷却液」）をコイルとコアとの間及び周囲に流してもよい。いくつかの実施形態では、冷却剤は、液体、例えば、オイル又はトランスミッション液である。他の実施形態では、ガス、例えば空気である。本明細書で使用される場合、「流体」は、特に明記しない限り、液体又は気体のいずれかを指す。各コイル１０２は、内側端部１３０及び外側端部１３２を有する、フェース巻きの平角線（すなわち、テープをロール状に巻いたもの）から形成される。平角線は、約０．１６インチ（約４．０６ｍｍ）の幅（例えば、０．１６３インチ（４．１４ｍｍ）の幅）及び約０．０２０インチ（約０．５０８ｍｍ）の厚さ（例えば、０．０２３インチ（０．５８４ｍｍ）の厚さ）を有してもよい。内側端部１３０は、接続ピン１２８に巻き付けられてもよく、その結果、接続ピン１２８に固定され、電気的に接続される。内側端部１３０は、接続ピン１２８にはんだ付けされてもよい。各コイル１０２の外側端部１３２は、平角線が９０度方向を変えるように、４５度の折り目１３３（又は小さな半径の曲がり部）を有してもよく、歪み緩衝体１３４（図４Ａ）、例えば楔部１０４、１０５の１つの長孔を通り、バスバー１０８、１０９の１つに（例えば、バスバー長孔１５２にはんだ付けすることによって）接続されてもよい。

各コイル１０２は、別々に製造してもよい。平角線は、コイル状に巻かれる前に、平角線上に直接に被覆するか、平角線上の絶縁層上に自己接着性の絶縁被覆を施して被覆してもよい。平角線上の絶縁材の全厚さは、例えば、０．００２インチ（０．０５１ｍｍ）であってもよい。コイルは、適切なマンドレル周りに平角線を巻いて、平角線を通して電流を（例えば、３０秒間）流して、平角線及び自己接着性の絶縁材を加熱して、その結果、隣接する巻回が互いに結合され、コイルが、内側端部１３０及び外側端部１３２を除いて、硬質中空円筒形ユニットになるようにすることによって形成されてもよい。

図３は、４つのコアセグメント１１８と、２つのコイル１０２と、３つの楔部１０４、１０５とを備える液冷式磁気素子の一部の拡大上面図を示す。冷却剤は、矢印で示される方向に流れ、３つの楔部の中央楔部１０５内の入口通路１２２を通って、（冷却剤入口１７４からハウジング（図８）の入口穴１７５を通って）構造体内に流入する。第１の半径方向間隙１２４内ではトロイダル方向かつポロイダル方向に流れ、複数のトロイダル間隙１２６を通って半径方向外側に流れる。トロイダル間隙１２６の各々は、図３に示すように、幅ｇ（例えば、０．００４インチ（０．１０２ｍｍ））を有してもよい。流体は、（流体がトロイダルアセンブリ１０１の中心１２７付近のポロイダル座標でトロイダル間隙１２６から流出する場合）トロイダル間隙１２６のいずれか１つから、トロイダルアセンブリ１０１の中心１２７に直接流入してもよく、あるいは複数の第２の半径方向間隙１２９（各々はコイル１０２の外面とハウジング（図８）の内面との間の間隙の１つ）を通ってポロイダル方向に流れ、トロイダルアセンブリ１０１の中心１２７に流入する。第１及び第２の半径方向間隙はそれぞれ、約０．０５インチ（約１．２７ｍｍ）の半径方向寸法を有してもよく、この寸法はｇよりもかなり大きくてもよい。このように、第１の半径方向間隙１２４は入口マニホールドとして作用し、トロイダルアセンブリ１０１の第２の半径方向間隙及び中心１２７は、複数のトロイダル間隙１２６を通る流体流れのために出口マニホールドとして作用し、トロイダル間隙１２６のそれぞれのポロイダル方向の範囲を横切り、さらにポロイダル方向の範囲に沿って実質的に等しい圧力降下を生じる。

第１の半径方向間隙１２４内の流体流れは、コアセグメント１１８を冷却してもよい。さらに、コアセグメント１１８間の間隙内の圧力勾配（概してトロイダルアセンブリ１０１の中心に近いほど圧力が低い）があると、このような間隙を通って流体が流れることがあり、コアセグメント１１８をさらに冷却する。いくつかの実施形態では、コアは、それぞれがトロイダル貫通孔を有するコアセグメントから構成され、その結果、コアは中空であり、コアセグメントの１つは、（適切な変更された形状を有し得る）入口通路１２２と一直線に並んだ入口穴を有し、その結果、冷却剤は先ず、コアの中空内部に流入し、この中空内部内をトロイダル方向に流れ、次に、コアセグメント１１８間のトロイダル間隙を通って第１の半径方向間隙１２４に流入する。結果として、コアは、コアの中空中心を通る冷却剤の流れと、コアセグメント１１８間のトロイダル間隙を通る冷却剤の流れの両方によって冷却され得る。いくつかの実施形態では、入口通路１２２を含む楔部１０４、１０５は、突起部又は類似する機構を有して（あるいは、くさびと入口穴を有するコアセグメントとの間にシーラントが適用されて）ダムを形成し、冷却剤が入口通路から第１の半径方向間隙１２４に直接的に逃げないようにする。

コイル１０２と冷却剤との間の熱伝達を、主にトロイダル間隙１２６内で発生させてもよい。このような間隙の寸法及び冷却剤流量は、以下のように進行し得る熱伝達解析を使用して選択してもよい。平行面（各面は領域Ａを有し、両面は距離ｄだけ離れている）の間の間隙での流体（例えば、油）の流れが層流である場合（すなわち、粘性、流量及び間隙の幅が層流をもたらす場合）、熱伝達は、この場合は２つの項の和である熱抵抗（θ）によって特徴づけられてもよい。第１項（θ₁）は液体の熱質量及び流量と相関があり、１／（Ｃ_pρＦ）に等しい。ここでＣ_pは比熱であり、ρは質量密度であり、Ｆは容積流量である。第２項（θ₂）は液体の熱伝導率と相関がある。

２つの表面の一方からＰ_dの割合で熱が流出し、他方の表面から熱が流出しない場合、冷却剤内の平均熱流距離（流体内の温度勾配を無視する）はｄ／２であり、このためθ₂の値はｄ／（２ＫＡ）であり、ここでＫは冷却剤の熱伝導率である。２つの面のそれぞれからＰ_d／２の割合で熱が流出する場合、平均熱流距離はｄ／４であり、この場合のθ₂の値はｄ／（８ＫＡ）である。いずれの場合も、ｄが減少し、Ａが増加すると、θ₂が減少し、熱伝達が改善される。しかし、ｄが減少すると、冷却剤揚程損失が増加する。このため、冷却剤循環ポンプによって提供される流量対圧力特性に基づいて、熱伝達率が最大となるｄの値が存在する。

上記関係は、巻線からの熱伝達の場合に利用されてもよい。例えば、図３に示す実施形態では、トロイダル間隙１２６の各々に流れる流体が層流を呈し、熱がコイル１０２のそれぞれの各端部の実質的に平坦な環状端面からそれぞれのトロイダル間隙１２６を通って流れる流体に流入してもよい。トロイダル間隙１２６のそれぞれの他の表面は、熱が流出しない楔部の表面であってもよい。熱がコイル１０２から冷却剤に流れる総表面積は、コイル１０２の数に比例し、大きくてもよい。トロイダル間隙１２６の幅は、θ₁とθ₂の和が所与のポンプ流量特性に対して最小になるように選択してもよい。巻線の数が増えると、実効巻線充填率が低下し、（固定出力密度の）放熱が増大する可能性がある。このため、達成可能な出力密度が最大である多数のコイルが存在し得る。

図１に示されているような磁気素子を、例えば、インダクタ又は変圧器として使用してもよい。変圧器では、低磁化電流を維持するために高透磁率コアを使用してもよい。パワーインダクタでは、電流を磁化することが目的であり、変圧器の作用が存在しない場合がある。このため、インダクタの有用なコア構成は、間隙のある高透磁率積層構造と、間隙のあるフェライト構造と、間隙のない低透磁率粉末コアと、空芯構造とを備えることができる。粉末は、粉末コアを形成するために、焼結プロセスに類似するプロセスで結合させて、硬質固体とすることができる。

間隙のある積層コアの場合、間隙の大きさはアンペアターンの数に比例し、アンペアターンの数は線形寸法の二乗に電流密度を掛けたものに比例する。達成可能な電流密度は、熱伝達が改善されるにつれて増大し、良好な熱伝達を有する大きなインダクタでは、間隙サイズが不当に大きくなる可能性がある。そのような場合には、粉体コア又は空芯のいずれかを使用することができる。トロイダルコア構造には、変圧器及びインダクタの両方に対して利点があり得る。１つには、特に空芯磁気素子では、対称性により漏れ磁場が小さいことが挙げられる。この特性は、高電流が関与し、放射界に感度がある場合に重要である。トロイダル形状にはこのほか、質量対動力比と質量対体積比の点で利点があり得る。最後に、トロイダル構造の対称性により、循環電流を発生させることなく多数の巻線を相互接続することができる。磁気コア（すなわち、空芯ではないコア）を有する磁気素子の場合、コア内の（例えば、渦電流による）電力損失が顕著であることがあり、例えば、上記のようにコアを冷却するようにしてもよい。

電力がいくつかの機構によって巻線内で消散することがある。ＤＣ抵抗損失に加えて、電流及び／又は周波数が増大すると、表皮損失及び近接損失がますます重要になる可能性がある。表皮損失は、導体の中心に向かって電流密度が低下する現象であり、Ｂ磁場が導体に入る速度が導体の電気伝導率によって制限されることによるものである。導電率が低いほど、Ｂ磁場が速く入ることができ、効果はあまり顕著ではない。このため、最良の導体（銅など）が最も顕著な表皮効果を有する。並列接続された多数の導体を使用することにより、表皮効果の影響を低減することができる。このような多導体構成では、内部導体と外部導体とが転置され、誘導電圧が平均化され、循環電流が消滅し、結果として電流がほぼ均一となる。複数の導体は、誘導電圧が正確に一致するように対称的に配置され、個々の導体間の循環電流が生じることがないようにしてもよい。近接効果は、外部導体によって生成された磁場が所与の導体に入ったときに循環電流及び損失を生じさせる現象であり、循環電流を誘導し、次に循環電流が所与の導体内の損失をもたらす。円形導体の場合、このような損失の大きさは、磁界の二乗に導体の直径の四乗を掛けたものに比例する。このように、インダクタなどの大きな構造体の場合、表皮損失成分のようなこの損失成分は、並列に接続された多数の導体又は多数の巻線を使用することによって低減され得る。

楔部１０４、１０５の各々は、能動楔部１０４（図４Ａ）又は受動楔部１０５（図４Ｂ）のいずれかであってもよい。図４Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、各能動楔部は、導電性電気接続ピン１２８を備える。この接続ピンは、能動楔部１０４の一方の面に設置されたコイル１０２の内側端部を、能動楔部１０４の他方の面に設置されたコイル１０２の内側端部に接続し得る。２つの長孔が歪み緩衝長孔１３４として作動する。接続ピン１２８を除いて、各楔部は絶縁材料、例えばＰＥＥＫで構成されてもよい。他の実施形態では、冷却流体に耐えることができる異なる材料、例えば作動中に高温であり得る変圧器油が採用される。候補物質の例には、ナイロン、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）及びポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）が挙げられる。

図４Ｂを参照すると、液冷式磁気素子の残りの楔部は、電気接続ピン１２８を欠いた受動楔部１０５であってもよい。トロイダルアセンブリ１０１では、受動楔部１０５が能動楔部１０４と交互になってもよい。各能動楔部１０４は、能動楔部１０４の接続ピン１２８によってそれぞれの内側端部にて互いに接続された一対のコイル１０２の間に挟まれてもよい。各受動楔部１０５には、接続ピン１２８用の穴がなくてもよく、歪み緩衝長孔１３４がなくもよい。いくつかの実施形態では、製造を容易にするために、全楔部が同じ形状を有し、いくつかの楔部のいくつかの特徴は使用されない。例えば、楔部（能動楔部）の半分のみが接続ピン１２８を備え、歪み緩衝長孔１３４の半分が使用されないことがある。いくつかの実施形態では、能動楔部１０４の対応する歪み緩衝長孔の代わりに、受動楔部１０５の歪み緩衝長孔１３４の一方又は両方（歪み緩衝長孔１３４が受動楔部１０５に存在する場合）を使用することがある。

２つの楔面１３６の各々には、複数のリブ１３５が存在する。各リブ１３５は、それが配置されている面の上方に距離ｈだけ突出していてもよく、ここでｈは、コイル１０２の環状面と楔面１３６（図３）との間のトロイダル間隙１２６の幅ｇに等しい。その結果、コイル１０２が、その環状面の１つがリブ１３５に当接するように、設置されるときに、トロイダル間隙１２６は（リブ１３５を除いて）幅ｇを有する。冷却剤は、このトロイダル間隙１２６を通って流れ、平角線絶縁体と直接接触するようにしてもよく、コイルの導体と冷却剤との間の熱抵抗は比較的小さいものになり得る。各コイルの各巻回の導体と冷却剤との間の熱経路の長さは、導体（ただし、良好な熱導体であり得る）内の比較的長い距離及び平角線絶縁を通る部分を含み得る。平角線絶縁体は、熱伝導率が比較的低い導体であってもよいが、絶縁体を通る熱経路の長さは、絶縁体の厚さと同じ、即ち、きわめて短くてもよい。リブ１３５の各々は、間隙１２６の幅ｇが０．００４インチ（０．１０２ｍｍ）になるように、例えば０．００４インチ（０．１０２ｍｍ）だけ楔面の上に突出してもよい。いくつかの実施形態では、楔部上のリブ１３５の代わりに、あるいはそれに加えて、コイルの環状表面上にリブが形成される。リブは、例えば、テープ（例えば、接着テープ）の帯状体又は別の適切なシム材料の帯状体を使用してコイル上に形成されてもよい。楔部１０４、１０５の各々は、各コイル１０２のボアの内側に嵌合し、（接続ピン１２８に固定されるコイルの内側端部１３０と共に）コイル１０２をコア及び他のコイルと一直線上に維持する複数のコイルセンタリング爪１３８を有してもよい。いくつかの実施形態では、爪は主に組み立てのために使用され、組み立て後、コイルは、圧縮力（例えば圧縮バンド１４８（図８）によって生成された力、以下でさらに詳細に説明する）によって定位置に保持される。他の実施形態では、組み立て中に位置合わせを維持するために別の方法が使用され、例えば（冷却剤を汚染しない）接着剤を使用してもよい。２つのコイル支持突起１４０は、各楔部１０４、１０５の開口部内に延在し、（接続ピン１２８用の穴を備える）接続ピンタブ１４２と共に、コアセグメント１１８を開口内に支持してもよい。各コイル支持突起１４０及び接続ピンタブ１４２上のボスは、隣接するコアセグメント１１８間の適切なトロイダル分離を維持するコアセパレータ１４４として作動する。楔部１０４、１０５の各々は、圧縮バンド１４８（図８）のための１つ以上のレジスタ１４６を備えてもよい。この圧縮バンドは、トロイダルアセンブリの外周周りに延在し、各楔部１０４、１０５に内向きの力を加えて、コイル１０２及び楔部１０４、１０５のすべてに対する圧縮力を維持する。図４Ｃを参照すると、各コアセクション１１８は、接続ピンタブ１４２のためのクリアランスを提供するための凹部１５０を有する円筒の楔形セクションであってもよい。「ダクト付き楔部」（ducted wedge）と呼ばれることがある楔部１０４、１０５の１つは、第１の半径方向間隙１２４に流体経路を提供する入口穴１２２を備える。図４Ｂは、受動楔部１０５の入口穴１２２を示す。他の実施形態では、この入口穴は、代わりに能動楔部１０４にあり、あるいはいくつかの楔部（例えば、全楔部）が、その一部（又はそのうちの１つを除くすべて）が使用されていない入口穴１２２を備えてもよい。

図５を参照すると、いくつかの実施形態では、端子１０６のそれぞれは、内側バスバー１０８又は外側バスバー１０９のいずれかに接続される。バスバー１０８、１０９のそれぞれは、コイル１０２のそれぞれの外側端部１３２をバスバー１０８、１０９に（はんだ付け又は溶接によって）固定するのに使用される１つ又は複数のバスバー長孔１５２を有する。図５の実施形態では、バスバー１０８、１０９の各対は３つの巻線を並列に接続する。各巻線は、直列に接続された２つのコイル１０２を含む。各巻線の２つのコイルの内側端部１３０は、２つのコイルの間にある能動楔部１０４の接続ピン１２８によって互いに接続される。

当業者には明らかであるように、記載された実施形態に関する多数の変形が可能である。例えば、図６を参照すると、いくつかの実施形態では、単純コイル１０２の代わりに複合コイル１５４ａ、１５４ｂが使用される。複合コイル１５４ａ、１５４ｂの各々は、図示のように２つの共巻きされたフェース巻きの平角線を含み、その結果、複合コイルは２つの内側端部１５６及び２つの外側端部１５８を備える。この実施形態の能動楔部１６０は、第１の複合コイル１５４ａの２つの内側端部の一方を第２の複合コイル１５４ｂの２つの内側端部のうちの対応する一方にそれぞれ接続する２つの接続ピン１２８を備える。例えば、図２及び図５に示す実施形態の場合のように、２つの複合コイル１５４ａ、１５４ｂは、楔部１６０の２つのそれぞれの面上に異なる巻線方向に設置されているため、例えば、電流が（図６に見られるように）第１の複合コイル１５４ａの外側端部から内側端部に時計回りに流れ、次に２つの接続ピン１２８を介して第２の複合コイル１５４ｂの２つの内側端部に、次に再び時計回りに第２の複合コイル１５４ｂの内側端部から外側端部に流れる。この構成では、２つの複合コイル１５４ａ、１５４ｂによって生成される磁界寄与は、２つの複合コイル１５４ａ、１５４ｂの中心軸に沿って同じ方向（即ち、反対方向ではない）にある。他の実施形態では、（例えば、３つ、４つ、５つ又はそれ以上の共巻き導体を使用して）２つ以上の共巻き導体をそれぞれ含む複合コイルを使用してもよい。そのような取り組みによって、近接効果による損失及び表皮効果による損失の両方を低減することができる。例えば、図６の実施形態では、第１の複合コイル１５４ａの内側にある導体は、第２の複合コイル１５４ｂの外側にある導体に、接続ピン１２８の１つによって接続される。さらに一般的には、各複合コイル内にｎ個（ｎは正の整数）の共巻き導体を有する実施形態では、能動楔部１０４の一方の側の複合コイルから（例えば、最も内側の導体から外側に数えて）ｊ番目の導体は、能動楔部１０４の他方の側の複合コイルの（同様に、例えば最も内側の導体から外側に数えて）（ｎ−ｊ+１）番目の導体に接続されてもよい。この接続は、例えば、約４の約数（又は、ｎ個の共巻き導体が使用される場合、ほぼｎ²の約数）によって近接損失の減少をもたらす可能性のある転置を提供する。

別の例として、図７を参照すると、いくつかの実施形態では、楔形コイル１６２は円板形スペーサ１６３と交互に配置されてトロイダルアセンブリを形成する。このようなコイルの端面は、環状の形状から僅かに逸脱することがあるが、（端面がかなりの程度までは楕円にならないように）楔角度が小さく、（内側半径及び外側半径が１巻回を通して大きく変化しないように）平角線の厚さが小さい場合には、ほぼ環状になる可能性がある。コイル１６２を形成するために使用される平角線の幅は、その長さに沿って変化し、コイル１６２の製造に大きな課題をもたらす可能性がある。しかし、トロイダルアセンブリの曲線因子は、トロイダルアセンブリの平角線で構成される部分が大きくなり、円板形スペーサ１６３の絶縁材料から構成される部分が小さくなるほど、例えば、対応する部品の比率が図２に示す実施形態のものである場合よりも大きくなることがある。

図８は、一実施形態による液冷式磁気素子の分解図を示す。トロイダルアセンブリ１０１は、下側半体１６４と上側半体１６６とを含むハウジング内に封入され、ハウジングＯリング１６８と共に封止されている。シールを、それぞれの端子Ｏリング１７０によって各端子周りに形成することができる。下側半体１６４及び上側半体１６６は、複数のハウジング耳部１７２にて、ネジ留め具１７３によって、互いに固定されてもよい。下側半体１６４及び上側半体１６６は、絶縁体（例えば、ポリマー）又は金属から構成されてもよい。金属が使用される場合には、端子１０６周りに絶縁性の軸受筒を用いて、端子を上側半体１６６から絶縁してもよい。取り付けブラケット１７７を、液冷式磁気素子を適切な取り付け面に固定するために使用してもよい。流体は、（下側半体１６４の内面の入口穴１７５を介して、さらに楔１０４、１０５のうちの１つの入口穴を介して第１の半径方向間隙１２４に接続された）流体入口１７４を介して、液冷式磁気素子に流入してもよい。さらに、トロイダルアセンブリ１０１の中心１２７から（トロイダル間隙１２６を通って流れてコイル１０２を冷却した後）、下側半体１６４の内面の出口穴１７６を介して、さらに流体出口１７８を介して流出してもよい。上側半体１６６は、隣接する端子１０６間の沿面距離を増大させるための絶縁体セパレータ１８０を備えてもよい。

いくつかの実施形態では、下側半体１６４の内周面は円筒形ではないが、（製造中に下側半体１６４を成形型から取り外すことを容易にする抜き勾配としても機能し得る）僅かなテーパを有する。圧縮バンド１４８は、レジスタ１４６にバンド装着され、トロイダルアセンブリ１０１の構成要素を圧縮するように締め付けられる代わりに、楔部１０４、１０５と下側半体１６４との間のテーパ状間隙に押し込まれてほぼ同じ効果を得ることができる円周シムであってもよい。他の実施形態では、この動作は、下側半体１６４の代わりに上側半体１６６を使用して実施される。図８に示すバンド１４８は、（レジスタ１４６内で整列されることなく）楔部１０４、１０５周りに堅固に固定されている圧縮バンドであるか、円周シムであってもよい。２つの実施形態は外観が類似していてもよい。本明細書に記載された流体経路は、一方向、例えばトロイダル間隙１２６を通る半径方向外側の流体流れを含むが、他の実施形態では、流体が流体入口１７４の代わりに流体出口１７８に圧送される場合、ハウジングはさらに大きな静水圧力にさらされる可能性があるが、流体はほぼ同じ効果を得るために反対方向に流れてもよい。

液冷式磁気素子の例示的な実施形態を本明細書に具体的に記載し説明したが、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。このため、本発明の原理に従って構成された液冷式磁気素子が、本明細書に具体的に記載されたもの以外のものとして具体化され得ることが理解されるべきである。本発明はこのほか、添付の特許請求の範囲及びその等価物にて定義される。

Claims (24)

1. 第１の環状面と第２の環状面とを有する第１の導電性コイルと、
   第１の平面と第２の平面とを有する第１の電気絶縁スペーサであって、前記第１の平面は第１の間隙によって前記第１の環状面から分離される、第１の電気絶縁スペーサと、
   流体入口と、
   流体出口と、を具備する磁気素子であって、
   流体経路が前記第１の間隙を介して前記流体入口から前記流体出口へ延びる、磁気素子。
2. 前記第１のコイルは中空円筒コイルであって、前記第１の電気絶縁スペーサは第１の楔部である、請求項１に記載の磁気素子。
3. 第２の中空円筒コイルをさらに具備する、請求項２に記載の磁気素子であって、前記第２のコイルは、前記第１の楔部の前記第２の平面と共に第２の間隙を形成する第１の環状面を有する、磁気素子。
4. 前記第１のコイルは外側端部と内側端部とを有し、前記第２のコイルは外側端部と、前記第１のコイルの前記内側端部に接続される内側端部とを有し、両コイルを順次流れる電流からの前記第１のコイルの中心の磁界への寄与が、前記第２のコイルを通って流れる電流からの磁界への寄与と同一方向である、請求項３に記載の磁気素子。
5. 前記第１のコイルと前記第２のコイルとを含むコイルの複数の対であって、各コイルは内側端部と外側端部とを有し、各対の前記内側端部は互いに接続され、前記コイルはトーラスを形成するように配置される、コイルの複数の対を具備する、請求項４に記載の磁気素子。
6. 前記第１の楔部を含む複数の能動楔部と、
   複数の受動楔部とを具備する、請求項５に記載の磁気素子であって、
   前記能動楔部のそれぞれは、２つの平面を有し、コイルのそれぞれの対の２つのコイルの間にあり、コイルの前記対の一方のコイルは前記平面の一方にあり、コイルの前記対の他方のコイルは前記平面の他方にあり、
   前記受動楔部のそれぞれは、コイルの対のコイルと、コイルの別の対のコイルとの間にある、磁気素子。
7. 各能動楔部は、前記能動楔部を通って延びる導電性ピンを備え、前記能動楔部の一方の平面上の前記コイルの前記内側端部は前記ピンの一方の端部に接続され固定され、前記能動楔部の他方の平面上の前記コイルの前記内側端部は前記ピンの他方の端部に接続され固定される、請求項６に記載の磁気素子。
8. 前記複数の能動楔部及び前記複数の受動楔部のダクト付き楔部が、前記トーラスの外側から前記トーラスの内部体積に延びる流体通路を有する、請求項７に記載の磁気素子。
9. 前記トーラスの内部体積にて複数のコアセグメントをさらに具備する、請求項７に記載の磁気素子。
10. 前記複数のコアセグメントのうちの１つのコアセグメントが強磁性体である、請求項９に記載の磁気素子。
11. 前記流体経路は第３の間隙を通ってさらに延び、前記第３の間隙は前記コアセグメントと前記第１のコイル及び／又は前記第１の楔部との間の半径方向間隙である、請求項１０に記載の磁気素子。
12. 前記コアセグメントのそれぞれは、前記コアセグメントを通ってトロイダル方向に延びる穴を有し、前記流体経路は、前記穴の１つを通り、前記複数のコアセグメントの２つの隣接するコアセグメントの間のトロイダル間隙を通ってさらに延びる、請求項９に記載の磁気素子。
13. トーラスを形成するように配置される複数の導電性コイルと、
    複数の電気絶縁スペーサであって、該スペーサのそれぞれは前記複数のコイルの２つの隣接するコイルの間にある、電気絶縁スペーサと、を具備するトロイダル磁気素子であって、
    前記複数のコイルのそれぞれは、フェース巻きの導電体を備え、第１の内側端部と第１の外側端部とを有する、トロイダル磁気素子。
14. 前記コイルのそれぞれの巻線方向は、前記トーラスの少なくとも一部周りに交互に変わり、
    前記複数のコイルのそれぞれの前記第１の内側端部は前記複数のコイルのそれぞれの隣接するコイルの前記第１の内側端部に接続される、請求項１３に記載のトロイダル磁気素子。
15. 前記複数のコイルのそれぞれは、ｎ個の共巻きの導体を備え、前記第１の内側端部を含むｎ個の内側端部と、前記第１の外側端部を含むｎ個の外側端部とを有する複合コイルであり、
    前記複数のコイルのうちの１つのコイルのｊ番目の内側端部が、前記複数のコイルのそれぞれの隣接するコイルの（ｎ−ｊ+１）番目の内側端部に接続される、請求項１４に記載のトロイダル磁気素子。
16. 前記コイルのそれぞれは、２つの平行な環状面を有する中空円筒である、請求項１４に記載のトロイダル磁気素子。
17. 前記スペーサのそれぞれは、２つの平面を有する楔部である、請求項１６に記載のトロイダル磁気素子。
18. 前記コイルのそれぞれの各環状面は、間隙によって隣接する楔部の隣接する面から分離される、請求項１７に記載のトロイダル磁気素子。
19. 前記トーラスを含むハウジングであって、前記ハウジングは流体入口と流体出口とを備えるハウジングと、前記流体入口から前記流体出口に至る流体経路であって、その一部が前記間隙のうちの１つの内部にある流体経路とをさらに具備する、請求項１８に記載のトロイダル磁気素子。
20. ２つのコイルであって、そのそれぞれの内側端部にて互いに接続される２つのコイルはそれぞれ、前記それぞれの内側端部の間の接続を形成する導電性接続ピンを有するスペーサによって分離される、請求項１４に記載のトロイダル磁気素子。
21. 前記複数のコイルの第１のコイルの外側端部が、第１のバスバーによって、前記複数のコイルの第２のコイルの外側端部に接続される、請求項１４に記載のトロイダル磁気素子。
22. 第１の端子と、
    第２の端子と、
    第３の端子とをさらに具備し、
    前記第１の端子に接続される第１の端部と、前記第２の端子に接続される第２の端部とを有し、前記複数のコイルの第１のコイル及び前記複数のコイルの第２のコイルであって、前記第１のコイル及び前記第２のコイルは直列に接続される、前記第１のコイル及び前記第２のコイルを備える、第１の巻線と、
    前記第３の端子に接続される第１の端部と、第２の端部とを有し、前記複数のコイルの第３のコイル及び前記複数のコイルの第４のコイルであって、前記第３のコイル及び前記第４のコイルは直列に接続される、前記第３のコイル及び前記第４のコイルを備える、第２の巻線と、を具備する、請求項１３に記載のトロイダル磁気素子。
23. トーラスを形成するように配置された複数の導電性コイルと、
    複数の電気絶縁スペーサと、
    流体入口と、
    流体出口と、を具備する、液冷式トロイダル磁気素子であって、
    前記スペーサのそれぞれは、前記複数のコイルの２つの隣接するコイルの間にあり、
    前記コイルのそれぞれはフェース巻きの導電体を備え、
    前記コイルのそれぞれは２つの環状面を有し、
    前記コイルのそれぞれの各環状面は、間隙によって隣接するスペーサの隣接する面から分離され、
    それぞれの流体経路が前記間隙のそれぞれを通って前記流体入口から前記流体出口に延びる、液冷式トロイダル磁気素子。
24. 前記間隙のそれぞれは、０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）を上回り０．０２インチ（０．５０８ｍｍ）を下回る幅を有する、請求項２３に記載の液冷式トロイダル磁気素子。

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