JP2021019206A - 変圧器 - Google Patents
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Abstract
【課題】異なる電圧レベルの巻線間の電界を低減し、効果的な冷却をする変圧器のシステム、装置および方法を提供する。【解決手段】変圧器100は、ケース120の外側の空間を指す領域Aと、半導性シールド間ではない、ケース120内の領域である領域Bと、半導性シールド間(シールド脚311とシールド脚312との間、シールド蓋211aとシールド蓋212aとの間又はシールド蓋211bとシールド蓋212bとの間)の領域である領域Cとを含む。領域Aでは電界は弱く、領域Bでも電解は弱い。2つのシールドの間にある領域Cでは電界は強く、内部シールド(シールド蓋211a、211b並びにシールド脚311a、311bにより形成される)から外部シールド(シールド蓋212a、212b並びにシールド脚312a、312bによって形成される)へと流れる。【選択図】図4
Description
変圧器は、一次巻線と二次巻線の組としても知られる少なくとも2組の巻線を含む電子装置である。変圧器には、第1巻線セットと第2巻線セットとの間にガルバニック絶縁が提供される。第1巻線セットの巻数が第2巻線セットの巻数と異なると、変圧器は電圧変換を提供する。巻線を絶縁する絶縁媒体にかかる電気的ストレスを低減するために、2組の巻線間に存在する電界を低減することが望ましい。また、変圧器の効果的な冷却を促すために使用する封入材の量を減らすことが望ましい。
以下の概要は、特定の機能の簡単な概要を示している。この概要は、概要を詳細に示すものではなく、重要な要素や必須の要素を特定することを意図するものでもない。
少なくとも2つの巻線のセットと、2つの半導性シールドの間に第1電界を、第1半導性シールドと第1巻線セットとの間に第2電界を、第1半導体シールドと第1巻線セットとの間に第2電界を、および第2半導性シールドと第2巻線セットとの間に第3電界を発生させるように構成かつ配置された少なくとも2つの半導性シールドとを含む変圧器のシステム、装置、および方法が記載される。本明細書の開示の特徴によれば、第2電界および第3電界は、第1電界よりも小さくてもよい。第2電界および第3電界に対して第1電界を強化することで、絶縁を低減した巻線のセットを配置することが可能となり、変圧器素子の冷却効率を向上できる可能性がある。
これらの特徴や利点について、以下に詳説する。
いくつかの特徴が添付の図面に例示されているが、限定するものではない。図面中、類似する参照符号は類似する要素を参照する。
いくつかの特徴が添付の図面に例示されているが、限定するものではない。図面中、類似する参照符号は類似する要素を参照する。
本明細書の一部を構成する添付図面は、本開示の例を示している。図面に示された例、および/または本明細書で議論された例が唯一の方法ではなく、開示内容を実施し得る他の方法例があることを理解されたい。
次に、図1を参照する。図1は、以下に記載する通りに変圧器100を示している。変圧器100は、芯110を含み、ケース120によって覆われている。ケース120は、例えば樹脂製であってもよく、変圧器100の内部構成要素を(例えば、埃・湿度等から)保護するために設けられてもよく、図1に示すように、以下に示され詳しく議論される、追加の内部構成要素の外部からの視界を遮るために設けられてもよい。芯110は、強磁性材料または強磁性化合物で作られてもよく、変圧器100の巻線(図1に不図示)により誘起された磁束が主に芯110を流れるように設計されてもよい。
変圧器100は、安全性を高め、変圧器100からの電界漏れを低減するために、接地導電ケースもしくは筐体(例えば、箱、不図示)、または接地導電フレーム内に配置されてもよい。
次に、図2を参照する。図2は、図1に描かれているように、ケース120によって覆われている変圧器100の追加要素を示している。変圧器100は、芯110の他に、第1巻線210aおよび210b、第1内部シールド蓋211a、第2内部シールド蓋211b、第1外部シールド蓋212a、第2外部シールド蓋212b、第1ボビン213a、ならびに第2ボビン213bを備える。変圧器100は、図2で第1の巻線210aおよび210bによって隠されている追加の構成要素を含むことができ、以下で説明する。
図2に示す設計の例では、芯110は、長方形の形状をしており、2つの脚と、平行脚を接続する2つの短尺部材とを有し、完全な磁路を形成している。いくつかの特徴によれば、芯110は、エアギャップを含んでもよい。第1巻線210aおよび210bは、それぞれ一方の平行脚に巻かれている。
巻線210a、210bはそれぞれ、導電性材料の単一の巻線を有しており、該導電性材料が、第1外部シールド蓋212aと第2外部シールド蓋212bとの間の空間全体を実質的に充填していることが示されている。本明細書の開示の特徴によれば、巻線210aおよび210bはそれぞれ、1本以上の巻線(例えば、数本、数十本、数十万本の巻線)を含んでよく、第1外部シールド蓋212aと第2外部シールド蓋212bとの間の空間の全体または一部を満たし得る。巻線210aおよび210bは、単線ワイヤを用いて形成してもよいし、多線ワイヤ(例えば、リッツ線)を用いて形成してもよい。巻線210aは、芯110の第1脚に巻かれてもよく(本明細書に記載されているように、巻線210aと芯110の第1脚との間に中間要素が配置された状態で)、巻線210bは、芯110の第2脚に巻かれてもよい(本明細書に記載されているように、巻線210bと芯110の第2脚との間に、中間要素が配置された状態で)。
第1巻線210aおよび210bはそれぞれ、変圧器の外部にある電圧端子に接続するための端子またはタップ(明示せず)を2つ以上備えてもよい。例えば、第1巻線210aおよび第1巻線210bは、それぞれが2つの電圧端子を有してもよく、各電圧端子が、数ボルト、数十ボルト、数百ボルト、または数千ボルトの振幅を有する変動電圧[例えば、交流(AC)]電圧に接続されてもよい。第1巻線210aおよび210bは、芯110を介して互いに磁気的に結合されてもよく、また、第2巻線(本明細書では図3に図示)に磁気的に結合されてもよい。
第1内部シールド蓋211aおよび第2内部シールド蓋211bは、例えば、半導性プラスチック、半導性コーティングを施した絶縁プラスチックなどの、半導性材料を用いて形成されてもよい。第1内部シールド蓋211aと第2内部シールド蓋211bは、第1および第2内部シールド脚(図2に図示せず)によって互いに接続され、芯110の第1脚および第2脚を覆う2つの半導性シールド脚を有する内部半導性シールドを形成してもよい。同様に、第1外部シールド蓋212aと第2外部シールド蓋212bは、第1および第2外部シールド脚(図2に図示せず)によって互いに接続され、芯110の第1脚および第2脚を覆う2つの半導性シールド脚を有する外部半導性シールドを形成してもよい。内部半導性シールドは、単一の構成要素(例えば、第1内部シールド蓋211a、第2内部シールド蓋211b、ならびに第1および第2内部シールド脚の形状を形成する単一の金型を使用して内部半導性シールドが製造されてよい)として製造(例えば、鋳造)されてよい。あるいは内部半導性シールドは、別個に製造された要素を組み合わせて形成されてもよい[例えば、第1内部シールド蓋211aおよび第2内部シールド蓋211bは、別個に製造(例えば、鋳造)されてもよく、変圧器100の構成中に、第1内部シールド脚および第2内部シールド脚に接続されてもよい]。同様に、外部半導性シールドは、単一の構成要素として製造(例えば、鋳造)されてよいし、別個に製造された要素を組み合わせて形成されてもよい。内部シールドおよび外部シールドは、内部シールドと外部シールドとの間の電界の均一性を高め、シールド端部の電界増強を抑制するように設計されたロゴフスキープロファイルや、その他のプロファイルを成すような形状であってよい。
図2は、第1内部ボビン213aと第2内部ボビン213bの表面も示している。第1内部ボビン213aおよび第2内部ボビン213bは、それぞれ、芯110の第1脚および第2脚を覆ってよく、巻線210aおよび210bに磁気的に結合(かつ直流的に絶縁)された巻線(図2に図示せず)の実装を支持するために提供されてもよい。本明細書の開示の特徴によれば、第1内部ボビン213aおよび第2内部ボビン213bを使用せず、芯110の第1脚および第2脚のまわりに直接、追加の巻線を配置してもよい。
次に、図3を参照する。図3は、変圧器100の様々な要素の「分解」図を示している。簡単かつ簡潔にするために、芯110の第2脚L2を覆う要素が示されている。任意にて、図2に従い類似あるいは同一の要素が、芯110の第1脚L1を覆ってよいことが理解される。矢印が終端にある点線は、構成の順序を示す:第1要素を指す矢印と、矢印から第2要素に伸びる点線は、第2要素が第1要素のまわりに配置されてもよい(例えば、部分的または完全に覆われてよい)ことを示す。
内部ボビン213bは、第2脚L2を覆ってよい。内部ボビン213bの第1表面s1は、第1内部シールド蓋211aの第1対応スロットであるスロット1(図2に図示するように)のまわりに取り付けてよく、内部ボビン213bの第2表面s2は、第2内部シールド蓋211bの対応するスロット(図3に図示せず)を通って取り付けてもよい。
巻線310は、内部ボビン213bのまわりに巻かれてよい。本開示の変圧器100の別の実施形態によれば、内部ボビン213bを使用せず、その代わりに巻線310が第2脚L2のまわりに直接巻かれてもよい。巻線310は、巻線210aおよび210bと同様に構成されていてもよいが、巻線210aおよび210bと比較して巻数が異なることを特徴としてもよい。巻線310は、電源回路(例えば、フルブリッジのトランジスタまたはダイオード、または異なる種類の電力電子回路)の電圧端子に接続される2つ以上の電圧タップ(例えば、電圧端子)を備えてもよい。シールド脚311は、巻線310のまわりに配置されてよい(例えば、覆ってもよい)。シールド脚311は、巻線310のまわりに(例えば、覆って)配置された内部シールドを形成し、巻線310を強い電界から「遮蔽」するために、第1シールド蓋211aおよび第2内部シールド蓋211bに取り付けられてよい(例えば、一緒に製造されてもよいし、後に接続されてもよい)。内部シールド(例えば、第1内部シールド蓋211aおよび第2内部シールド蓋211bのいずれか、および/またはシールド脚311)は、巻線310の第1電圧タップに接続されてもよく、巻線310の第1電圧タップと同じ電位を参照してもよい。
シールド脚312は、シールド脚311のまわりに配置されてよい(例えば、覆ってもよい)。シールド脚312は、シールド脚311のまわりに(例えば、覆って)配置された外部シールドを形成するために、第1外部シールド蓋212aおよび第2外部シールド蓋212bに取り付けられてよい(例えば、一緒に製造されてもよいし、後に接続されてもよい)。シールド脚311とシールド脚312との間、内部シールド蓋211aと外部シールド蓋212aとの間、および内部シールド蓋211bと外部シールド蓋212bとの間に、絶縁材(明示せず)が注入されてよい。シールド脚312、ならびに外部シールド蓋212aおよび212bは、シールド蓋311、ならびに内部シールド蓋211aおよび211bと同一、または類似の半導性材料から作られてよい。
巻線210bは、シールド脚312のまわりに巻かれてよい。巻線210bは、2つ以上の電圧タップ(例えば、電圧端子)を備えてよい。その際、第1電圧タップが外部シールド(例えば、第1外部シールド蓋212a、第2外部シールド蓋212b、および/またはシールド脚312のうちの1つ)に電気的に接続され、外部シールドの電位と、巻線210bの第1電圧タップとが同じ電位であってよい。
巻線210bは、(例えば、直接電気接続により)第1電位を参照してよく、巻線310は、第1電位とは異なる第2電位を参照してもよい。例えば、巻線310は、接地を参照してよく、巻線210bは、100V、1000V、10kV、20kV、50kV、100kV、またはそれ以上の電位を参照してもよい(例えば、電気的に接続してもよい)。巻線310は、変化する潜在的な基準点を参照してよい。例えば、巻線310は、例えば−1kVと+1kVとの間、−10kVと+10kVとの間、−20kVと+20kVとの間、−100kVと+100kVとの間で変動する電圧参照点、または100kV、さらには1MVの振幅を超える変動(例えば、正弦波状に)電位を参照してもよい。
巻線210bと巻線310とが異なる電位レベルを参照する結果、巻線210bと巻線310との間に電圧降下が存在し得る。上記の数値例によれば、電圧降下は大きい可能性がある。例えば、数十キロボルト、数百キロボルト、数千キロボルトであり得る。巻線210bを外部シールドに電気的に接続し、巻線310を内部シールドに電気的に接続することで、内部シールドと外部シールドとの間に電圧降下が存在し得る。内部シールドを内側の巻線のまわりに(例えば、覆って)配置するように設計し、外部シールドを内部シールドのまわりに(例えば、覆って)配置するように設計することにより、巻線210bと巻線310とを、シールドによって「遮蔽」し、互いに分離することができる。これにより、巻線に使用されるワイヤのまわりの絶縁を、巻線210bと巻線310との間の電位差よりもはるかに小さい定格にまで低減することが可能となる場合がある。例えば、巻線210bは、巻線210b上の2つのタップ間に1000Vまでの電圧降下を有してよい。同様に、巻線310は、巻線310上の2つのタップ間に1000Vまでの電圧降下を有してよい。巻線210bは、20kVを参照してよく、巻線310は、接地を参照してよい(0V)。シールドがなければ、巻線310および巻線210bに使用されるワイヤの絶縁は、20kVを超える電圧に耐えられるように定格化される。本明細書に開示されているように、内部シールドと外部シールドを使用することにより、ワイヤの絶縁を100Vに低減でき、内部シールドと外部シールドとの間に20kVに耐える定格の絶縁材を配置すると、コストの節約および/または、変圧器要素を大量の絶縁材で覆わないため、芯110、巻線210b、および巻線310b等の変圧器要素をより効率的に冷却できる可能性がある。
内部シールドと外部シールドとの間の絶縁材は、ケース120の製造に使用される材料と同じであってよく、容器120の形成中に注入されてよい。例えば、図2に示すように、ケース120の形状を有する金型を変圧器100の要素のまわりに配置し、絶縁材料(例えば、樹脂エポキシ、シリコン、ポリウレタン)を金型内に注入し、ケース120を形成するとともに、内側と外部シールドとの間の隙間を埋めるようにしてもよい。注入方法は、例えば、真空ポッティング法、自動加圧ゲル化法、またはその他の好適な注入方法であってよい。
ボビン213b、巻線310、シールド脚311、シールド脚312、および巻線310bを、芯110の脚L2との関係から説明した。類似または同一の要素(例えば、巻線210bに対応する図2の巻線210a、またはボビン213bに対応する図2のボビン213a)を、芯110の脚L1のまわりに配置し、芯110の効率的な使用を高めるようにしてもよい。簡潔にするためにこれらの要素は図3に明示されていないが、本明細書の開示の範囲に含まれる。
ここで、本明細書の開示に従って、図1のX−Y−Z軸による、変圧器100のX−Y断面を示す図4を参照する。分かりやすくするために、一部の参照番号を複数回表示することにより、断面図であるがために連続していないように見える単一の要素を異なった箇所から示している。電気シミュレーションで得られた電界の方向および大きさを示す矢印も表示されている。濃い矢印は弱い電界を示し、薄い色の矢印は強い電界を示します。巻線310bは、図3の巻線310に相当し、芯110の脚L2上に配置される。巻線310aは、巻線310bに類似し、芯110の脚L1上に配置される。シールド脚311bは、図3のシールド脚311に相当し、芯110の脚L2上に配置され、シールド脚311aは、図3のシールド脚311に類似する別のシールド脚に相当し、芯110の脚L1上に配置される。シールド脚312bは、図3のシールド脚312に相当し、芯110の脚L2上に配置され、シールド脚312aは、図3のシールド脚312に類似する別のシールド脚に相当し、芯110の脚L1上に配置される。
シミュレーションでは、700Vから+700Vの間で変化する矩形波を生成する第1方形波電圧発生器を巻線210aの2つの端子に接続し(本シミュレーションでは、追加の電圧タップは存在せず)、第1方形波電圧発生器と実質的に同位相であって、−700Vから+700Vの間で変化する矩形波を生成する第2方形波電圧発生器を巻線210bの2つの端子に接続した。巻線310は、巻線210aおよび210bよりも20%多い巻数を有しており、その結果、巻線310a中および巻線310b中において−840Vから+840Vの間で変化する矩形波となる。巻線210aおよび210b(本実施例では、約0Vの電位に直接接続される)、ならびに巻線310aおよび310bが、約10kVの電圧に参照される。本シミュレーションでは、接地された導電性の変圧器100を、変圧器100の外縁から約60mmの間隔を有する導電性の側面を有するケース(例えば、箱)に配置した。
図4に示す領域Aは、変圧器100の外側(すなわち、ケース120の外側)の空間を指す。領域Bは、半導性シールド間ではない、容器120内の領域である。領域Cは、半導性シールド間(例えば、シールド脚311とシールド脚312との間、シールド蓋211aとシールド蓋212aとの間、またはシールド蓋211bとシールド蓋212bとの間)の領域である。電界矢印で示すように、領域Aでは、電界は弱く、変圧器ケース120から本シミュレーションで使用した導電性の筐体に向かって外側に流れている。領域Bでも、電界は弱く、シールド蓋212aからシールド蓋211aへ、およびシールド蓋212bからシールド蓋211bへ、やや「湾曲」した方向(荷電板の縁に存在する「エッジ効果」により)に流れている。2つのシールドの間にある領域Cでは、電界は強く(薄色の矢印で示されているように)、内部シールド(シールド蓋211aおよび211b、ならびにシールド脚311aおよび311bにより形成される)から外部シールド(シールド蓋212aおよび212b、ならびにシールド脚312aおよび312bによって形成される)へと「流れ」ている。
実施例を上述したが、それら実施例の特徴および/または手順は、任意かつ所望の方法で結合、分割、省略、再配置、修正、および/または増強できる。当業者であれば、様々な変更、修正、および改良を容易に想到できる。例えば、芯110の脚L1およびL2は、矩形の断面でなく、円形または楕円形の断面を有してもよく、シールド脚311および312は、楕円形の断面でなく、円形または矩形の断面を有してもよい。別の実施例として、芯110は、第3脚を含んでもよく、各脚が2組以上の巻線および/または2つ以上のシールドを備えてもよい。そのような変更、修正、および改良は、本明細書に明示的に記載されていないが、本明細書の一部であることが意図されており、本開示の趣旨および範囲に含まれることが意図される。したがって、前述の説明は例示に過ぎず、限定するものではない。
Claims (21)
- 少なくとも第1芯脚を備える芯と、
前記第1芯脚のまわりに配置される第1巻線と、
前記第1巻線のまわりに配置される第1半導性シールドと、
前記第1半導性シールドのまわりに配置される第2半導性シールドと、
前記第2半導性シールドのまわりに配置される第2巻線と、
を備える変圧器を備える装置。 - 前記第1芯脚のまわりに配置される第1ボビンをさらに備え、前記第1巻線が前記第1ボビンのまわりに巻かれている、請求項1に記載の装置。
- 前記第1巻線が少なくとも2つの電圧タップを備え、前記第1巻線の第1電圧タップが、前記第1半導性シールドに電気的に接続される、請求項1に記載の装置。
- 前記第2巻線が少なくとも2つの電圧タップを備え、前記第2巻線の第1電圧タップが、前記第2半導性シールドに電気的に接続される、請求項1に記載の装置。
- 前記第1巻線が少なくとも2つの電圧タップを備え、前記第1巻線の第1電圧タップが、前記第1半導性シールドに電気的に接続され、
前記第2巻線が少なくとも2つの電圧タップを備え、前記第2巻線の第1電圧タップが、前記第2半導性シールドに電気的に接続され、
前記第1巻線の前記第1電圧タップが、第1基準電位に接続されており、前記第2巻線の前記第1電圧タップが、第2基準電位に接続されている、請求項1に記載の装置。 - 前記第1基準電位と前記第2基準電位との間の電圧差が100Vを超える、請求項5に記載の装置。
- 前記第1基準電位と前記第2基準電位との間の電圧差が正弦波状に変動する、請求項5に記載の装置。
前記第1基準電位と前記第2基準電位との間の電圧差が、10kV以上の振幅を有する正弦波に従って変動する、請求項7に記載の装置。 - 前記第1基準電位が電気的接地である、請求項5に記載の装置。
- 前記第2基準電位が電気的接地である、請求項15に記載の装置。
- 前記芯が第2芯脚を備え、
前記変圧器が、
前記第2芯脚のまわりに配置される第3巻線と、
前記第3巻線のまわりに配置される第3半導性シールドと、
前記第3半導性シールドのまわりに配置される第4半導性シールドと、
前記第4半導性シールドのまわりに配置される第4巻線と、
をさらに含む、請求項1に記載の装置。 - 前記第1巻線および前記第3巻線が、第1電位に接続され、前記第2巻線および前記第4巻線が、第2電位に接続される、請求項10に記載の装置。
- 導電性ケースをさらに備え、前記変圧器が前記導電性ケース内に配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記導電性ケースが接地されている、請求項12に記載の装置。
- 前記第1半伝導性シールドと前記第2半伝導性シールドとの間に配置される絶縁材をさらに含む、請求項11の方法。
- 磁芯の第1脚に第1巻線を巻きつけることと、
前記第1巻線のまわりに第1円筒状シールドを配置することと、
前記第1シールドのまわりに第2円筒状シールドを配置することと、
前記第2シールドのまわり第2巻線を配置することと、
前記第1巻線を前記第1シールドに電気的に接続することと、
前記第2巻線を前記第2シールドに電気的に接続することと、
を含む方法。 - 前記第1シールドと前記第2シールドとの間に絶縁材を注入することをさらに含む、請求項15の方法。
- 前記磁芯と、前記第1および第2巻線と、前記第1および第2シールドとを、ケース内に入れることをさらに含む、請求項15の方法。
- 前記ケースが樹脂エポキシ容器である、請求項15に記載の方法。
- 前記第1巻線の電圧端子を電圧源に接続することをさらに含む、請求項15の方法。
- 前記第2巻線の電圧端子を電圧源に接続することをさらに含む、請求項15の方法。
- 前記第1巻線を第1電位に接続することと、前記第2巻線を前記第1電位とは異なる形態の第2電位に接続することとをさらに含む、請求項15の方法。
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