JP2019536409A - 低減された不所望な共振を伴う絶縁トランス、絶縁トランスを有するエネルギー変換器、絶縁トランスを有する無線エネルギー伝送のためのエネルギー変換器 - Google Patents

Abstract

特にエネルギー変換器への使用に適しており、不所望な共振を低減する絶縁トランスが提供される。絶縁トランスは、入力巻線、出力巻線及び第３巻線、並びに、容量素子及び抵抗素子を有する。第３巻線は、入力巻線と出力巻線とに磁気的に結合しており、容量素子及び抵抗素子と共に不所望な共振を低減するための減衰回路を形成する。

Description

本発明は、不所望な共振が抑制された絶縁トランスに関する。さらに本発明は、例えば、かかる絶縁トランスを有する、無線エネルギー伝送のためのエネルギー変換器に関する。

エネルギー変換器による無線エネルギー伝送のためのシステムでは、電気エネルギーが、例えば磁気結合によって、送信コイルを介して放出され、受信コイルで受信される。このようにして、モバイル通信機器及び自動車は非接触で充電されることができる。かかるエネルギー変換器は、エネルギー源と送信コイルとの間にガルバニック絶縁（eine galvanische Isolation）を提供する絶縁トランスを有する。

特に高電力での、無線エネルギー伝送のためのシステムにおける問題は、上述した両コイル間の低い磁気結合によるエネルギー損失である。かかる伝送システムはキロヘルツ範囲の周波数を有する交流信号で動作する。エネルギーがたどる経路内の寄生誘導要素及び寄生容量要素は漏れ電流につながる。特に整合素子（Anpasselementen）の共振は、かかる寄生リアクタンス要素によって形成されエネルギー効率の低下につながり得る。不所望な共振は、この場合、エネルギー伝送システムの動作周波数において又は高次高調波において発生し得る。同様に、エネルギー伝送システムの周辺環境の電磁汚染は不利である。なぜなら、放出されても受信コイルによって吸収されない電力は、通常、不所望な方法で環境に結合するからである。

エネルギー損失につながり得る障害モード（Stoerende Moden）は、コモンモード障害又はコモンモード・ノイズ（Gleichtaktstoerungen）、及び、ディファレンシャル障害又はディファレンシャル・ノイズ（Gegentaktstoerungen）を有する。コモンモード障害を低減するための方法は、電力経路においてコモンモード障害チョーク（Gleichtaktentstoerdrossel）を使用することである。コモンモード障害チョークによって、原則的には付加的なエネルギー損失チャネルが生じる。ちなみに、コモンモード障害チョークは、障害ディファレンシャルモード共振（stoerende Gegentaktresonanzen）に対してに限って作用する。

従って、課題は、エネルギー伝送のための、特に無線エネルギー伝送のためのシステムを提供することである。かかるエネルギー変換器は、独立請求項１による絶縁トランスを有する。

従属請求項は有利な実施形態を示す。

絶縁トランスは、入力巻線、出力巻線、第３巻線を有する。さらに、絶縁トランスは、容量素子及び抵抗素子を有する。容量素子及び抵抗素子並びに第３巻線は直列に接続されている。入力巻線、出力巻線及び第３巻線は、磁気的に結合している。

このようにして、絶縁トランスは低減された不所望な共振を示す。不所望な共振を低減することによって、付属のエネルギー伝送システムの結合ファクターが向上する。寄生容量要素及び／又は寄生誘導要素の影響が低減される。特に、動作周波数における又は動作周波数の高次高調波における共振の形成が低減される。全体として、このようにして、エネルギー変換器のより高い効率が達成され、伝送システムの周辺環境の障害（Stoerungen der Umgebung）が低減する。

絶縁トランスがトランス・コアを有することが可能である。入力巻線、出力巻線及び第３巻線はトランス・コアに巻かれる。

トランス・コアは一般的なフェライト又は鉄であり得る。トランス・コアはフェライト磁気ヨークを有することができ、従って、トランス・コアは磁束に関して閉鎖路を示す。トランス・コアはあるいは棒状に形成されることもできる。入力巻線、出力巻線及び第３巻線は隣り合ってトランス・コアに巻かれることができる。特に入力巻線及び出力巻線は、巻線のガルバニック分離又は電気的分離（eine galvanische Trennung）を確実にするために、トランス・コア上で互いに分かれて配置されることができる。

入力巻線及び第３巻線が非常に接近して相互に配置されることが可能である。特に、入力巻線及び第３巻線がトランス・コア上に２本巻き（bifilar）されていることが可能である。

入力巻線及び／又は第３巻線が、第１及び／又は第２巻線を覆っていることが可能である。特に、第３巻線は第１又は第２巻線を覆うことができる。

従って、入力巻線の巻き付けられたワイヤの直接上に、第３巻線が巻き付けられることが可能である。

第３巻線が、出力巻線よりも入力巻線の近くに配置されることにより、入力巻線又は出力巻線への第３巻線の結合は異なる強さで設定され得る。従って第３巻線の入力巻線への結合は、出力巻線への結合より顕著であり（ausgepraegt）得る。

容量素子、抵抗素子及び第３巻線が不所望な共振に対する減衰回路を形成することが可能である。第３巻線はインダクタンスを有し、容量素子は容量を有し、抵抗素子は電気抵抗を有する。第３巻線のインダクタンス及び容量素子の容量は、共振回路を形成することができ、その共振周波数は例えば絶縁トランスの動作周波数又はその高調波に同調されている。抵抗素子の電気抵抗によって寄生電力（Parasitaere Leistung）を所期のように分散させることができる。減衰回路が無いと、不所望な共振がエネルギー伝送システムから不可逆的に放出される虞がある。

抵抗素子が、１オーム以上２０オーム以下の電気抵抗Ｒを有することが可能である。容量素子は≧０．５ｎＦ及び≦１０ｎＦの容量Ｃを有し得る。第３巻線は、≧５及び≦４０の巻数Ｎ_３を有し得る。

一般的には、この場合、減衰回路の、電気抵抗Ｒ、容量Ｃ、巻数Ｎ_３は、絶縁トランスの一次巻線の（der primaeren Windungen）臨界周波数、例えば共振周波数に調整されて（abgestimmt）いることができる。

絶縁トランスは、５０Ｈｚと１００ｋＨｚとの間の動作周波数を有し得る。有利な動作周波数は例えば８５ｋＨｚである。従って、減衰回路の回路素子インピーダンス値は、８５ｋＨｚ又は８５ｋＨｚの倍数、例えば、８５ｋＨｚの２倍、３倍又は４倍に調整されることができる。

入力巻線及び出力巻線が同じ巻数を有することが可能である。

かかる絶縁トランスは、電圧値又は電流値を実質的に変化させることなく、実質的に入力側と出力側との間のガルバニック分離を生じさせる。いずれにせよ、巻数比は１から偏差することも可能である。さらに、絶縁トランスは、ガルバニック分地に加えて、電圧及び‐その逆に（invers dazu）‐電流を変換することもできる。この場合、巻数比は０．３と３の間にある。

入力巻線は、１ｍＨ以上、１０ｍＨ以下のインダクタンスＬ_Ｉを有する、ことが可能である。

トランス・インダクタンス又はトランスの入力インダクタンスＬ_Ｉは、例えば３．７６ｍＨであり得る。

入力巻線がＮ_１巻を有し、出力巻線がＮ_２巻を有することが可能である。巻数Ｎ_１及びＮ_２は、この場合それぞれ２９であり得る。抵抗素子の電気抵抗Ｒは１０オームであり得る。容量素子の容量Ｃは２．２ｎＦであり得る。第３巻線の巻数Ｎ_３は２２であり得る。

巻線比Ｎ_３：Ｎ_１≧０．５かつ≦１．０であることが可能である。特に、巻線比Ｎ_３：Ｎ_１は、実質的に０．７６（２９：２２約）であり得る。０．５と１．０の間の範囲にある、この又は類似の巻線比は、入力巻線又は出力巻線の上述した巻数以外によっても得ることができる。

周辺環境への放出負荷がより少ない（die Umgebung weniger mit Emissionen belastet wird）エネルギー変換器は、上述した絶縁トランスを有する。さらに、かかるエネルギー変換器は、絶縁トランスと直列に接続されたインバータを有する。

さらに、エネルギー変換器は、絶縁トランスと直列に接続されたコモンモード・チョークを有する。

エネルギー変換器がインバータ及びコモンモード・チョークを有すると、コモンモード・チョークはインバータと絶縁トランスとの間に接続される。

絶縁トランスは、無線エネルギー伝送のためのエネルギー変換器（einem Energieuebertrager zur drahtlosen Energieuebertragung）にも使用され得る。相応のエネルギー変換器は、絶縁トランスと、直列に接続されたインバータと、場合によってはコモンモード・チョークの他に、送信巻線も有し、絶縁トランスは送信巻線とインバータとの間に接続されている。エネルギー伝送のためのシステムは、追加の受信巻線を有することによって完成する。送信巻線は、受信巻線と絶縁トランスとの間に接続されている。送信巻線と受信巻線との間のエネルギー伝送は、これらの巻線間の物理的接触なしに起こる。好ましくは送信巻線及び受信巻線は、結合が最大になるように互いに整列されている。

無線エネルギー伝送のためのエネルギー変換器は、受信巻線の下流に接続される付加的な整流器を有する。例えばモバイル通信機器、自動車、又はさらなる電気的に作動する機器の、例えば電気バッテリー等の例えばエネルギー蓄積部を充填する（fuellen）ために、整流器は例えば周波数８５ｋＨｚを有する電気信号を直流信号に変換する。

絶縁トランス及び／又はエネルギー変換器の主な基本原理は図面を参照して示される。

減衰回路を有する絶縁トランスの等価回路を示す図である。 コモンモード・チョークに結合された絶縁チョークの等価回路を示す図である。 絶縁トランスの、インバータとの接続を示す図である。 絶縁トランスの、コモンモード・チョーク及びインバータとの接続を示す図である。 送信巻線及び受信巻線を有する無線エネルギー変換器の等価回路を示す図である。 整流器の付加的使用を示す図である。 エネルギー源の充電のための整流器の使用を示す図である。 試験システムの基本構造を示す図である。 コモンモード信号とディファレンシャル信号に分割された、絶縁トランスの挿入損失（マトリックス要素Ｓ１２）を示す図である。 測定されたさらなる電圧値及び関連する許容限界値を示す図である。

図１は、入力巻線ＷＥ及び出力巻線ＷＡを有する改良された絶縁トランスＴＴの等価回路図を示す。入力巻線ＷＥ及び出力巻線ＷＡは、トランス・コアを介して磁気的に結合されている。さらに、絶縁トランスＴＴは、減衰回路ＤＫ、第３巻線Ｗ３、容量素子ＫＥ及び抵抗素子ＲＥを有する。トランス・コアＫを介して第３巻線Ｗ３も、入力巻線ＷＥ及び出力巻線ＷＡに磁気的に結合している。トランス・コアＫの図示は模式的である。トランス・コアＫは、棒状に形成されてもよい、又は、例えばヨークを有するＵ字形コアのような磁気的な閉回路を形成してもよい。

絶縁トランスＴＴの減衰回路ＤＫは、臨界周波数（kritische Frequenzen）を減衰させ、従って、不所望な共振につながる臨界共振（kritische Resonanzen）はそもそも全く（gar nicht erst）生じることができない。

図２は、絶縁トランスＴＴの、コモンモード・チョークＧＤとの任意の接続を示す。コモンモード・チョークＧＤは、チョーク・コアＫと、２つの巻線Ｗと、を有する。コアＫ及びこれらの巻線Ｗの寸法は、コモンモード障害が最大限抑制されるように選択される。

従って、例えばディファレンシャル信号によって、コモンモード障害及び臨界共振が著しく低減されるエネルギー変換器ＥＵが得られる。

図３は、エネルギー変換器ＥＵの、インバータとの接続を示す。インバータは、直流の形態の電気エネルギーを受信し、絶縁トランスに交流信号を出力する。インバータＷＲは、その際、スイッチ・アレンジメント（eine Schalteranordnung）ＮＨ構成（Ｈブリッジ）を有することができる。スイッチは半導体スイッチであり得る。中断された（aufgegebene）交流信号は、例えば、急峻な電圧エッジを有する方形波であり得る。インバータの下流の絶縁トランスの動作周波数は、例えば８５ｋＨｚであり得る。

図４は、コモンモード・チョークＧＤが絶縁トランスＴＴとインバータＷＲとの間に接続されたエネルギー変換器の形態を示す。図５は、無線エネルギー伝送のためのシステムを示す。無線エネルギー変換器ＤＥＵは、インバータＷＲ、コモンモード・チョークＧＤ及び絶縁トランスＴＴに加えて、送信巻線ＷＴを有する。送信巻線ＷＴを介して磁気的又は電気的出力信号が出力され得る。受信巻線ＷＲＥＣを介して、この磁気的又は電気的出力が受信され、回路環境に出力される。送信巻線ＷＴと受信巻線ＷＲＥＣとの間の空間的距離は３ｃｍと２０ｃｍとの間であり得る。

図６は、整流器ＧＲが受信巻線ＷＲＥＣに接続されている無線エネルギー変換器（einen drahtlosen Energieuebertrager）を示す。キロヘルツ範囲の交流信号は、さらなる回路での使用のために整流器ＧＲを介して直流信号に再び変換される。

整流器は、この場合、４つのダイオードと、場合によっては平滑化のためのコンデンサーと、を有する交差整流器であり得る。

図７は、例えば車両又はモバイル通信システムの蓄電池等の、電気的エネルギー蓄積部に電気的出力を入力結合する（Einkopplung der elektrischen Leistung）ための無線エネルギー変換器の使用を示す。

図８は、送信巻線ＷＴ及び受信巻線ＷＲＥＣが相互に相対向して配置されているが、空間的には互いに分離している試験セットアップのコンポーネントの空間的な配置を示す。絶縁トランスＴＴは送信巻線ＷＴのハウジング内に配置され、増幅器ＡＭＰを介して給電されている。送信巻線の下方には、１０ｃｍの厚さを有し得る電気絶縁体が配置されている。絶縁体ＩＮＳの下に、接地電位ＧＮＤの銅板が配置されている。受信巻線ＷＲＥＣは、送信巻線ＷＴの上方に配置されている。その上には、長さ１ｍ及び幅１ｍのアルミニウム製の電磁シールドＳが配置されている。シールドＳは、接地電位ＧＮＤにある銅板と接続されている。受信巻線ＷＲＥＣは、整流器ＧＲと接続されており、整流器ＧＲと銅板との間には５ｃｍ厚さの絶縁層ＩＮＳが配置されている。シールドＳと、そこに接続され、接地電位ＧＮＤにある銅板（damit verbundenen Kupferblechs）の下側部分と、の間の垂直方向のオフセット（Der vertikale Versatz）は２０ｃｍ以上である。送信巻線ＷＴの下にある銅板と、整流器ＧＲの下にある銅板との間の水平方向の切れ目（Der horizontale Abschnitt）は、同一の高さ上で０．４ｍより大きい。

図９は、コモンモード信号（実線、下）についてとディファレンシャル信号（破線、上）についての、周波数に依存する絶縁トランスの挿入損失を示す。８５ｋＨｚ周辺の周波数領域において、絶縁トランスはディファレンシャル信号を実際に（praktisch）透過させるが、コモンモード信号は著しく減衰される。

図１０は、ピークＰを有する典型的な電圧スペクトルを示す。上の曲線は、ピーク値検出器によって測定されたピーク値を示す。下の曲線は、平均値検出器によって測定された平均値を示す。この場合、インバータの入力において測定された。特に１ＭＨｚでの共振抑制がよく認識できる。さらに、８５ｋＨｚの第２高調波ＱＷ２が著しく抑制されている。約１０５．７Ｈｚから１０６．３Ｈｚまでの周波数範囲ＧＡＢは動作範囲として好適である。

絶縁トランス及びエネルギー変換器は図示された形態に限定されない。付加的な回路素子を有するエネルギー変換器及び絶縁トランスは、同様に本発明の範囲に属する。

ＡＭＰ 増幅器（Verstaerker）
ＢＡＴ 電気エネルギー蓄積部（elektrischer Energiespeicher）
ＤＥＵ 無線エネルギー変換器（drahtloser Energieuebertrager）
ＤＫ 減衰回路（Daempfkreis）
ＥＵ エネルギー変換器（Energieuebertrager）
ＧＡＢ 良好動作範囲（guter Arbeitsbereich）
ＧＤ コモンモード・チョーク（Gleichtaktdrosssel）
ＧＮＤ 接地電位（Massepotenzial）
ＧＲ 整流器（Gleichrichter）
ＩＮＳ 電気絶縁体（elektrischer Isolator）
Ｋ トランス・コア又はコモンモード・チョーク（Transformatorkern bzw. Kern der Gleichtaktdrossel）
ＫＥ 容量素子（kapazitives Element）
ＯＷ２ 第２高調波（zweite Oberwelle）
Ｐ ピーク（Peak）
ＲＥ 抵抗素子（resistives Element）
Ｓ シールド（Abschirmung）
Ｓ１２ マトリックス要素、挿入損失（Matrixelement, Einfuegedaempfung）
ＴＴ 絶縁トランス（Trenntransformator）
Ｗ 巻線（Wicklung）
Ｗ３ 第３巻線（dritte Wicklung）
ＷＡ 出力巻線（Ausgangswicklung）
ＷＥ 入力巻線（Eingangswicklung）
ＷＲ インバータ（Wechselrichter）
ＷＲＥＣ 受信巻線（Empfangswicklung）
ＷＴ 送信巻線（Sendewicklung）

Claims (12)

1. 不所望な共振が低減された絶縁トランス（ＴＴ）であって、
   入力巻線（ＷＥ）、出力巻線（ＷＡ）及び第３巻線（Ｗ３）と、
   容量素子（ＫＥ）と、
   抵抗素子（ＲＥ）と、を有し、
   前記容量素子（ＫＥ）、前記抵抗素子（ＲＥ）及び前記第３巻線（ＷＥ）は、直列に接続されており、
   前記入力巻線、前記出力巻線（ＷＡ）及び前記第３巻線（Ｗ３）は、磁気的に結合している、
   絶縁トランス。
2. トランス・コア（Ｋ）を有し、
   前記入力巻線（ＷＥ）は、前記トランス・コア（Ｋ）に巻き付けられており、
   前記出力巻線（ＷＡ）は、前記トランス・コア（Ｋ）に巻き付けられており、
   前記第３巻線（Ｗ３）は、前記トランス・コア（Ｋ）に巻き付けられている、
   請求項１記載の絶縁トランス。
3. 前記入力巻線（ＷＥ）及び／又は前記第３巻線（Ｗ３）は、前記出力巻線を覆っている、
   請求項１又は２記載の絶縁トランス。
4. 前記容量素子（ＫＥ）、前記抵抗素子（ＲＥ）及び前記第３巻線（Ｗ３）は、不所望な共振に対する減衰回路（ＤＫ）を形成する、
   請求項１乃至３いずれか１項記載の絶縁トランス。
5. 前記抵抗素子（ＲＥ）は、１Ω≦Ｒ≦２０Ωの電気抵抗Ｒを有し、
   前記容量素子（ＫＥ）は、０．５ｎＦ≦Ｃ≦１０ｎＦの容量Ｃを有し、
   第３巻線（Ｗ３）は、５≦Ｎ_３≦４０巻数Ｎ_３を有する、
   請求項１乃至４いずれか１項記載の絶縁トランス。
6. 前記第３巻線及び前記出力巻線（ＷＡ）は同じ巻数を有する、
   請求項１乃至５いずれか１項記載の絶縁トランス。
7. 前記入力巻線（ＷＥ）は、１ｍＨ≦Ｌ_Ｉ≦１０ｍＨのインダクタンスＬ_Ｉを有する、
   請求項１乃至６いずれか１項記載の絶縁トランス。
8. 前記入力巻線（ＷＥ）は、Ｌ_Ｉ＝３．６７ｍＨのインダクタンスＬ_Ｉを有する、
   請求項１乃至７いずれか１項記載の絶縁トランス。
9. 前記入力巻線（ＷＥ）及び前記出力巻線（ＷＡ）は、Ｎ_１＝Ｎ_２＝２９の巻線を有し、Ｒ＝１０Ω、Ｃ＝２．２ｎＦ及びＮ＝２３である、
   請求項１乃至８いずれか１項記載の絶縁トランス。
10. ０．５≦Ｎ_３／Ｎ_１≦１．０であり、
    Ｎ_１は前記入力巻線の巻数であり、Ｎ_３は前記第３巻線の巻数である、
    請求項１乃至９いずれか１項記載の絶縁トランス。
11. エネルギー変換器（ＥＵ）であって、
    請求項１乃至１０いずれか１項記載の絶縁トランス（ＴＴ）と、
    前記絶縁トランスと直列に接続されたインバータ（ＷＲ）と、
    前記インバータ（ＷＲ）と前記絶縁トランス（ＴＴ）との間に直列に接続されたコモンモード・チョーク（ＧＤ）とを有する、
    エネルギー変換器。
12. 無線エネルギー伝送のためのエネルギー変換器であって、
    請求項１１記載のエネルギー変換器（ＥＵ）と、
    前記絶縁トランスと並列に接続された整流器（ＧＲ）と、
    前記整流器と前記絶縁トランス（ＴＴ）との間に並列に接続された受信巻線（ＷＲＥＣ）と、
    前記受信巻線（ＷＲＥＣ）と前記絶縁トランス（ＴＴ）との間に並列に接続された送信巻線（ＷＴ）と、を有する、
    エネルギー変換器。

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