JP2021507534A - 変圧器鉄心および変圧器 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの追加的な脚部を備えた変圧器鉄心。この追加的な脚部は、漏れ経路の形成に役立つ。設置スペースの最適化および変圧器コイルのより容易な接続のため、変圧器脚部と追加的な漏れ経路脚部とは、共通の線に沿っては配置されていない。

Description

本発明は、変圧器鉄心およびこのような変圧器鉄心を備えた変圧器に関する。

パワーエレクトロニクスのＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の出力電圧への適合またはガルバニック絶縁の保証が必要な場合に変圧器を利用し得る。その際、選択されたトポロジー次第では、変圧器と直列の高い直列インダクタンスが望ましいことがある。この直列インダクタンスは、例えば外部インダクタンスとして実現でき、または変圧器内に漏れインダクタンスとして組み込むこともできる。漏れインダクタンスの組込みによる変圧器のサイズアップを制限するために、追加的な漏れ磁束は、変圧器内の高透磁率材料中で導かれ得る。

刊行物ＥＰ０３５５２９８Ａ２は、エアギャップを有する変圧器を備えた回路網部品を開示している。とりわけ、エアギャップ内にフェライト小板を挿入することでエアギャップを複数の部分エアギャップに分割でき、これにより漏れ磁場の体積が小さくなる。

本発明は、特許請求項１の特徴を有する変圧器鉄心および特許請求項１０の特徴を有する変圧器を開示する。
これに応じて提供されるのは：
第１の変圧器脚部と、第２の変圧器脚部と、漏れ経路脚部とを備えた変圧器鉄心である。第１の変圧器脚部は第１の長手軸を有する。第２の変圧器脚部は第２の長手軸を有する。漏れ経路脚部はさらなる長手軸を有する。さらに、第１の長手軸および第２の長手軸を通って走る第１の平面が設定される。これに関し漏れ経路脚部は、漏れ経路脚部の長手軸が、第１の長手軸と第２の長手軸とによって張られた第１の平面の外にあるように配置されている。

さらに提供されるのは：
本発明による変圧器鉄心と、第１の変圧器脚部に配置された第１のコイルおよび第２の変圧器脚部に配置された第２のコイルとを備えた変圧器である。

本発明の利点
本発明の基礎となる知見は、変圧器鉄心で追加的な漏れ経路脚部を使用することにより、変圧器の直列または漏れインダクタンスを上昇させ得るということである。変圧器の直列または漏れインダクタンスのこのような上昇は、このような変圧器が用いられる回路トポロジー次第では望ましい可能性がある。ただしこの場合、変圧器鉄心の追加的な漏れ経路脚部が設置スペースを大きくする。とりわけ、追加的な漏れ経路脚部が、このような変圧器における一次コイルおよび二次コイルの接続を困難にする。

それゆえ本発明の基礎となるアイデアは、この知見を顧慮し、かつ追加的な漏れ経路脚部を備えた変圧器鉄心のための効率的な幾何形状を提供することであり、この幾何形状がさらに、このような変圧器鉄心の可能な限り効率的な取付けを可能にする。それだけでなく本発明の目標は、追加的な漏れ経路脚部を備えた変圧器鉄心のための、変圧器の一次コイルおよび二次コイルの可能な限り快適な接続を可能にする幾何形状を提供することである。

このために本発明は、一次コイルおよび二次コイルを受けている変圧器脚部と、追加的な漏れ経路脚部とを直線構造内には配置しない。そうではなく追加的な漏れ経路脚部は、一次コイルおよび二次コイルのための変圧器脚部によって形作られる線から離して配置される。変圧器脚部に対する漏れ経路脚部のこのような「ずらし」により、一方ではこのような変圧器の可能な限り効率的な取付けを可能にし、それだけでなく変圧器の一次コイルおよび二次コイルの接続も、この接続が漏れ経路脚部によって遮られるまたは損なわれることなく可能な限り良好にアクセス可能になる変圧器鉄心幾何形状が提供され得る。

概念「変圧器脚部」とは、変圧器鉄心のうち、変圧器のコイル、例えば一次コイルまたは二次コイルに取り囲まれた部分のことである。一般的に、個々の変圧器脚部、とりわけ一次コイルおよび二次コイルの脚部は、互いに対して少なくともほぼ平行に走っている。漏れ経路脚部は、変圧器鉄心のさらなる部分であり、このさらなる部分も、一般的には変圧器脚部に対して少なくともほぼ平行に走っている。ただしこの漏れ経路脚部には、変圧器脚部とは違って通常はコイルが配置されていない。そうではなく漏れ経路脚部は第一に、変圧器の漏れインダクタンスを上昇させる働きをする。

変圧器鉄心の脚部、つまり変圧器脚部および漏れ経路脚部はそれぞれ適切な変圧器ヨーク部を介して相互に結合され得る。これについては以下でさらに詳しく解説するように、基本的に任意の適切な幾何形状が可能である。とりわけ、複数の変圧器脚部と、場合によっては漏れ経路脚部と、変圧器ヨーク部の少なくとも一部とが一緒に１つの材料または複合材料から成形されていてもよい。その代わりに、個々の変圧器脚部、漏れ経路脚部、およびヨーク部をそれぞれ個々のコンポーネントとして実施して、適切なさらなる固定可能性により相互に結合または固定してもよい。

したがって、変圧器鉄心の本発明による構造により、回路内での変圧器のより良好でスペース最適化された組込みが達成される。その際、変圧器の接続点、とりわけ一次コイルおよび二次コイルの接続点は良好にアクセス可能であり、したがって長い接続経路およびそれに伴う利用されない面は必要ない。これは、必要な設置スペースと、それだけでなく発生する電気抵抗をも小さくする。

一実施形態によれば、変圧器鉄心は、第１の変圧器ヨーク部および第２の変圧器ヨーク部を含む。この場合、第１の変圧器脚部、第２の変圧器脚部、および漏れ経路脚部は、第１の変圧器ヨーク部と第２の変圧器ヨーク部の間に配置されている。こうして、それだけで閉じた変圧器鉄心構造が生じる。ただしこの場合、この概念「閉じた」は、変圧器内のインダクタンスを調整するために必要となる場合もあるエアギャップも明確に含んでいる。既に上で述べたように、変圧器脚部とは、変圧器のうち、巻き線、とりわけ一次コイルおよび二次コイルが配置された部分のことである。漏れ経路脚部はさらなるコンポーネントに相当し、このさらなるコンポーネントは変圧器脚部と同じように配置されており、ただし追加的な巻き線が漏れ経路脚部に配置されることはない。変圧器鉄心の個々の脚部、つまり変圧器脚部および漏れ経路脚部は、第１および第２の変圧器ヨーク部を介して相互に結合されている。これに関してはとりわけ、脚部がそれぞれ端面を有することができ、両方のヨーク部はそれぞれ脚部の端面に配置されている。この場合、変圧器脚部、漏れ経路脚部、およびヨーク部の結合および固定は、任意の適切な装置、固定具などによって行われ得る。

一実施形態によれば、第１の変圧器ヨーク部と、第１の変圧器脚部と、第２の変圧器脚部と、漏れ経路脚部とが切れ目なく形成されている。ただし形態に応じて、変圧器鉄心の必要なコンポーネントの任意の組合せをそれぞれ切れ目なく形成することもできる。例えば、漏れ経路脚部が一方のヨーク部と切れ目なく形成されていてもよく、これに対して第１および第２の変圧器脚部はそれぞれもう一方のヨーク部と切れ目なく形成されている。

一実施形態によれば、少なくとも第１およびまたは第２の変圧器ヨーク部と漏れ経路脚部との間にエアギャップが配置されている。こうすることで、ヨーク部および漏れ経路脚部を通る磁路内の漏れインダクタンスを上昇させ得る。場合によってはエアギャップ内に、エアギャップを完全にまたは部分的に塞ぐ適切な詰め材料が導入され得る。

一実施形態によれば、漏れ経路脚部が強磁性粉末粒子を含んでいる。強磁性粉末粒子の使用によってもインダクタンスを上昇させ得る。強磁性粉末粒子によるこのような構成は、分散したエアギャップの概念でも公知である。

一実施形態によれば、第２の変圧器脚部および漏れ経路脚部の長手軸により、第２の平面が定義され得る。とりわけ、漏れ経路脚部は、第２の平面が、この場合は第１および第２の変圧器脚部の長手軸によって張られた第１の平面に垂直に走るように配置され得る。

一実施形態によれば、変圧器鉄心が複数の漏れ経路脚部を含み、各漏れ経路脚部がそれぞれ個別の長手軸を有する。とりわけ、これら複数の漏れ経路脚部は、漏れ経路脚部のすべての長手軸が、第１の変圧器脚部および第２の変圧器脚部の第１の長手軸と第２の長手軸とによって形作られた第１の平面の外にあるように配置され得る。こうすることで、必要な漏れインダクタンスが、複数の漏れ経路脚部によって形作られ得る。これにより個々の漏れ経路脚部を非常に小さくかつ効率的に形成でき、したがって場合によっては、必要な設置スペースがさらに小さくなり得る。

一実施形態によれば、少なくとも２つの漏れ経路脚部の長手軸により、第１の変圧器脚部および第２の変圧器脚部の第１および第２の長手軸によって張られた第１の平面に平行に走る平面が張られ得る。こうすることで、第１の変圧器脚部および第２の変圧器脚部は、２つの漏れ経路脚部によって形作られる線に平行に走る線内に配置され得る。これは、漏れ経路脚部を備えた変圧器鉄心の特にコンパクトかつ効率的な構築を可能にする。

一実施形態によれば、少なくとも２つの漏れ経路脚部は、２つの漏れ経路脚部の長手軸が、第１の変圧器脚部の第１の長手軸と第２の変圧器脚部の第２の長手軸とによって定義される第１の平面に垂直に走る平面を定義するように配置され得る。この構成は、第１の変圧器脚部と第２の変圧器脚部とによって形作られる線の両側での漏れ経路脚部の配置を可能にする。

上記の形態および変形形態は、有意義であれば、任意に相互に組み合わされ得る。本発明のさらなる形態、変形形態、および実装は、上でまたは以下で例示的実施形態に関連して述べられている本発明の特徴の、明確には挙げられていない組合せも含む。これに関してはとりわけ、当業者は本発明のそれぞれの基本形に対する改善または追加としての個々の態様も付け加えるであろう。

以下に、本発明のさらなる特徴および利点を図に基づいて解説する。

一実施形態に基づく変圧器鉄心の透視図である。 本発明の実施形態に基づく変圧器鉄心の断面の概略図である。 本発明の実施形態に基づく変圧器鉄心の断面の概略図である。 本発明の実施形態に基づく変圧器鉄心の断面の概略図である。 本発明の実施形態に基づく変圧器鉄心の断面の概略図である。 本発明の実施形態に基づく変圧器鉄心の断面の概略図である。

図１は、一実施形態に基づく変圧器鉄心１の概略透視図を示している。この変圧器鉄心は、第１の変圧器脚部１０と、第２の変圧器脚部２０と、漏れ経路脚部３０と、第１のヨーク部４１および第２のヨーク部４２とを含んでいる。認識できるように、第１の変圧器脚部１０、第２の変圧器脚部２０、および漏れ経路脚部３０は、第１の変圧器ヨーク部４１と第２の変圧器ヨーク部４２の間に配置されている。とりわけ、第１の変圧器脚部１０、第２の変圧器脚部２０、および漏れ経路脚部３０の上側の端面は、上側の第２の変圧器ヨーク部４２の方に向いている。第１の変圧器脚部１０、第２の変圧器脚部２０、および漏れ経路脚部３０の下側の端面は、下側の第１の変圧器ヨーク部４１の方に向いている。

この場合、第１の変圧器脚部１０は長手軸１１を有する。この長手軸１１については、例えば、第１の変圧器脚部１０の上側の端面から下側の端面まで走っている対称軸であり得る。しかしながら基本的には任意のそのほかの長手軸、とりわけ第１の変圧器脚部１０の上側と下側の端面の間の長手軸が可能である。同様に第２の変圧器脚部２０は、第２の変圧器脚部２０の上側と下側の端面の間を走っている第２の長手軸２１を有する。同様に漏れ経路脚部３０は、漏れ経路脚部３０の上側と下側の端面の間を走っているさらなる長手軸３１を有する。

ここで示されている図１に基づく実施形態では、第１の変圧器脚部１０および第２の変圧器脚部２０ならびに漏れ経路脚部３０がそれぞれ、それぞれの長手軸に垂直に、少なくともほぼ正方形の断面を有する。ただし本発明はこのような正方形の断面には限定されていない。そうではなく、変圧器脚部１０、２０および漏れ経路脚部３０の断面には、任意の形状が可能である。例えば長方形の、円形の、オーバル形の、または別種の断面も可能である。

ここで第１の変圧器脚部１０の長手軸１１と、第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１と、漏れ経路脚部３０のさらなる長手軸３１とは、共通の直線上には並んでいない。言い換えれば、第１の変圧器脚部１０の第１の長手軸１１および第２の変圧器脚部２２の第２の長手軸２１は１つの仮想平面内にあり、かつ漏れ経路脚部３０の長手軸３１は、第１および第２の変圧器脚部１０、２０の長手軸１１、２１によって張られたこの仮想平面の外にある。このようにして、変圧器鉄心１の構造により、屈曲した構造、ここでは例えばＬ字形の構造が形作られる。

ここで示されている変圧器鉄心構造１を有する変圧器を形成するには、例えば、第１の変圧器脚部１０に第１のコイル６１、例えば一次コイルが、および第２の変圧器脚部２０に第２のコイル６２、例えば二次コイルが配置され得る。こうすることで、第１の変圧器脚部１０におけるコイルと第２の変圧器脚部２０におけるコイルとの間で誘導性エネルギー伝達が可能である。変圧器鉄心１のここで示されている構造を有する変圧器の漏れインダクタンスを適合および調整するために、とりわけ、漏れ経路脚部３０にギャップ、例えばエアギャップ５０が設けられ得る。例えば、このエアギャップ５０は、漏れ経路脚部３０と上側の第２の変圧器ヨーク部４２との間に存在し得る。しかしながらそれだけでなく、基本的には、漏れ経路脚部３０の領域内のエアギャップ５０のための任意のそのほかの位置も可能である。とりわけ、エアギャップ５０の寸法の変更および適合により、変圧器の漏れインダクタンスが適合および変更され得る。

図２は、一実施形態に基づく変圧器鉄心１を備えた変圧器の断面の概略図を示している。図１からの第１および第２の変圧器ヨーク部４１、４２は、ここでは破線で示されている。第１の変圧器脚部１０の第１の長手軸１１と第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１とにより、図２に基づく断面ではＡ−Ａ’によって示されている平面が定義される。その際、漏れ経路脚部３０の長手軸３１は、この平面Ａ−Ａ’から離れて存在している。例えば、第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１と漏れ経路脚部３０の長手軸３１とにより、図２に基づく断面ではＢ−Ｂ’によって示されているさらなる平面が張られ得る。とりわけ、Ａ−Ａ’に基づく平面とＢ−Ｂ’に基づく平面とは、直角に、または少なくともほぼ直角に交差し得る。

第１の変圧器脚部１０には、例えば変圧器の第１のコイル、とりわけ一次コイルを設けることができ、かつ第２の変圧器脚部２０には、例えば変圧器のさらなるコイル、とりわけ二次コイルを設けることができる。この場合、変圧器鉄心１のための構造の屈曲した幾何形状に基づき、一次コイルおよび二次コイルの接続は、特に良好にアクセス可能である。

図３は、さらなる一実施形態に基づく変圧器鉄心１の断面の概略図を示している。この実施形態は、前述の図２に基づく実施形態とは、変圧器鉄心１がこの場合には２つの漏れ経路脚部３０を有する点で異なっている。両方の漏れ経路脚部３０はそれぞれ１つの長手軸３１を有し、この長手軸３１は、第１の変圧器脚部１０の第１の長手軸１１と第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１とによって張られた平面Ａ−Ａ’の外にある。ここで示されている実施形態では、漏れ経路脚部３０の両方の長手軸３１および第２の変圧器脚部２０の長手軸２１が共通の平面Ｂ−Ｂ’内にある。しかしながらこれは例示的な実施形態としてのみ理解されるべきである。変圧器鉄心１はこれだけでなく、漏れ経路脚部３０の長手軸３１が、第１の変圧器脚部１０の第１の長手軸１１と第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１とによって張られた平面Ａ−Ａ’の外にある任意の別の構成も有し得る。

図４は、変圧器鉄心１のさらなる一実施形態の概略図を示している。この実施形態では、変圧器鉄心１は、それぞれ１つの長手軸３１を有する４つの漏れ経路脚部３０を含んでいる。この場合、４つの漏れ経路脚部３１は、例えば長方形または正方形に沿って、変圧器鉄心１によって形作られた構造の外角に配置されている。

図５は、変圧器鉄心１に関するさらなる一実施形態の概略図を示している。この場合、変圧器鉄心１は、細長い漏れ経路脚部３０を有し、この漏れ経路脚部３０は、第１の変圧器脚部１０の長手軸１１と第２の変圧器脚部２０の第２の長手軸２１とによって張られた平面Ａ−Ａ’に平行に、第１の変圧器脚部１０と第２の変圧器脚部２０の間の寸法にわたって延びている。例えば、平面Ａ−Ａ’の各々の側に、相応の漏れ経路脚部３０が設けられ得る。しかしながらそれだけでなく、第１の変圧器脚部３０と第２の変圧器脚部２０の間の全長にわたって延びている１つだけの漏れ経路脚部３０を片側に設けることもできる。

最後に図６は、１つの漏れ経路脚部３０を備えた変圧器鉄心１のさらなる一実施形態を示している。ここで示されているように変圧器鉄心１は必ずしも正方形の、直角の、または１つの直角をもつＬ字形の構造を有さなくてよい。本発明による変圧器鉄心１に関しては基本的に、少なくとも１つの漏れ経路脚部３０を設けることができ、その長手軸３１が、両方の変圧器脚部１０、２０の長手軸１１、２１によって張られた面から離れて存在している。

変圧器脚部１０、２０、変圧器ヨーク部４１、４２、および１つまたは複数の漏れ経路脚部３０のための材料としては、変圧器鉄心の製造に基本的に適した任意の材料が可能である。とりわけ、個々の脚部およびヨーク部は、板金または積層板金からも実現され得る。その際、変圧器脚部１０、２０、漏れ経路脚部３０、および変圧器ヨーク部４１、４２のコンポーネントの複数が１つの共通の部材を形作ってもよい。例えば、第１の上側の変圧器ヨーク部４２を除くすべてのコンポーネントが共通の部材として実施され得る。それだけでなく、例えば１つまたは複数の漏れ経路ヨーク部３０と第１の変圧器ヨーク部４１とを共通の部材として実施し、かつ第１および第２の変圧器脚部１０、２０と第２の変圧器ヨーク部４２とを同様に共通の部材として実施することもできる。もちろんそれだけでなく、前述の変圧器鉄心１のコンポーネントの任意のそのほかの組合せも、共通の構成要素として可能である。

上で既に述べたように、漏れ経路脚部３０と、第１の変圧器ヨーク部４１および／または第２の変圧器ヨーク部４２との間にギャップ５０、とりわけエアギャップが設けられ得る。このエアギャップ内に、場合によっては任意の適切な詰め材料を埋め込むこともできる。

さらに、１つまたは複数の漏れ経路脚部３０を、分散したエアギャップを有する漏れ経路脚部として実施すること、つまり強磁性粉末粒子を有する材料から成る漏れ経路脚部を実施することもできる。

まとめると、本発明は少なくとも１つの追加的な脚部を備えた変圧器鉄心に関する。この追加的な脚部は、漏れ経路の形成に役立つ。設置スペースの最適化および変圧器コイルのより容易な接続のため、変圧器脚部と追加的な漏れ経路脚部とは、共通の線に沿っては配置されていない。

Claims (10)

1. 第１の長手軸（１１）を有する第１の変圧器脚部（１０）と、
   第２の長手軸（２１）を有する第２の変圧器脚部（２０）と、
   さらなる長手軸（３１）を有する漏れ経路脚部（３０）とを備え、
   前記漏れ経路脚部（３０）の前記長手軸（３１）が、前記第１の長手軸（１１）と前記第２の長手軸（２１）とによって張られた第１の平面（Ａ−Ａ’）の外にある変圧器鉄心（１）。
2. 第１の変圧器ヨーク部（４１）と、
   第２の変圧器ヨーク部（４２）とを備え、
   前記第１の変圧器脚部（１０）、前記第２の変圧器脚部（２０）、および前記漏れ経路脚部（３０）が、前記第１の変圧器ヨーク部（４１）と前記第２の変圧器ヨーク部（４２）の間に配置されている、請求項１に記載の変圧器鉄心（１）。
3. 前記第１の変圧器ヨーク部（４１）と、前記第１の変圧器脚部（１０）と、前記第２の変圧器脚部（２０）と、前記漏れ経路脚部（３０）とが切れ目なく形成されている、請求項２に記載の変圧器鉄心（１）。
4. 前記第２の変圧器ヨーク部（４２）と前記漏れ経路脚部（３０）との間にエアギャップ（５０）が配置されている、請求項２または３に記載の変圧器鉄心（１）。
5. 前記漏れ経路脚部（３０）が強磁性粉末粒子を含んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載の変圧器鉄心（１）。
6. 前記第２の変圧器脚部（２０）および前記漏れ経路脚部（３０）によって張られた第２の平面が、前記第１および前記第２の長手軸（１１、２１）によって張られた前記第１の平面（Ａ−Ａ’）に垂直である、請求項１から５のいずれか一項に記載の変圧器鉄心（１）。
7. それぞれ１つの長手軸（３１）を有する複数の漏れ経路脚部（３０）を備え、
   前記漏れ経路脚部（３０）の前記長手軸（３１）が、前記第１の長手軸（１１）と前記第２の長手軸（２１）とによって張られた前記第１の平面（Ａ−Ａ’）の外にある、請求項１から６のいずれか一項に記載の変圧器鉄心（１）。
8. 少なくとも２つの漏れ経路脚部（３０）の前記長手軸（３１）が、前記第１および前記第２の長手軸（１１、１２）によって張られた前記第１の平面（Ａ−Ａ’）に平行に走る平面を張っている、請求項７に記載の変圧器鉄心（１）。
9. 少なくとも２つの漏れ経路脚部（３０）の前記長手軸（３１）が、前記第１および前記第２の長手軸（１１、２１）によって張られた前記第１の平面（Ａ−Ａ’）に垂直な平面（Ｂ−Ｂ’）を張っている、請求項７または８に記載の変圧器鉄心（１）。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の変圧器鉄心（１）と、
    前記第１の変圧器脚部（１０）に配置された第１のコイル（６１）と、
    前記第２の変圧器脚部（２０）に配置された第２のコイル（６２）とを備えた変圧器。

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