JPH0851040A - 高周波数高電力変成器のための空気／液体冷却式金属巻回 - Google Patents
高周波数高電力変成器のための空気／液体冷却式金属巻回Info
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- Y10S336/00—Inductor devices
- Y10S336/02—Separable
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、バッテリに結合された充電ポート
11に挿入可能な充電カプラ20を備え、この充電カプラ20
がハウジング内に収容された１次磁気コアおよび１次巻
線を備えているバッテリ充電用の誘導型充電装置装置
で、充電ポートの変成器の２次巻線15の空気および液体
冷却金属巻回を改良して高電力の誘導型バッテリ充電装
置を提供することを目的とする。 【構成】 充電ポート11が、ハウジングに設けられた充
電カプラの挿入される開口部と、ハウジング中に配置さ
れた間隔を設けられた２次コアと、それぞれ内部巻回15
a, 15bと、熱交換器を構成する外部巻回30とを有してい
る２次コアの周りに配置された間隔を設けられた２次巻
線15とを備えていることを特徴とする。
11に挿入可能な充電カプラ20を備え、この充電カプラ20
がハウジング内に収容された１次磁気コアおよび１次巻
線を備えているバッテリ充電用の誘導型充電装置装置
で、充電ポートの変成器の２次巻線15の空気および液体
冷却金属巻回を改良して高電力の誘導型バッテリ充電装
置を提供することを目的とする。 【構成】 充電ポート11が、ハウジングに設けられた充
電カプラの挿入される開口部と、ハウジング中に配置さ
れた間隔を設けられた２次コアと、それぞれ内部巻回15
a, 15bと、熱交換器を構成する外部巻回30とを有してい
る２次コアの周りに配置された間隔を設けられた２次巻
線15とを備えていることを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バッテリの充電器、特
に、高電力の誘導型バッテリ充電装置の変成器の２次巻
線において使用される空気または液体冷却式金属巻回を
具備している誘導型充電ポートに関する。
に、高電力の誘導型バッテリ充電装置の変成器の２次巻
線において使用される空気または液体冷却式金属巻回を
具備している誘導型充電ポートに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明の出願人は、電気自動車等の電気
バッテリの充電に使用される誘導型充電システムを設計
し、開発し、製造している。充電システムは、電気自動
車に取付けられた変成器の２次回路を形成する２次巻線
およびコアを具備している充電ポート、および自動車バ
ッテリを充電するために電源に結合され、充電ポートに
挿入される変成器の１次回路を形成する１次巻線および
コアを具備している充電カプラまたはプローブを使用す
る。バッテリの充電は、高周波数で高い充電速度で行わ
れている。その結果、充電プローブに多量の熱が生成さ
れる。プローブは、充電が完了されると使用者によって
充電ポートから除去されなければならず、プローブの温
度が関係する。
バッテリの充電に使用される誘導型充電システムを設計
し、開発し、製造している。充電システムは、電気自動
車に取付けられた変成器の２次回路を形成する２次巻線
およびコアを具備している充電ポート、および自動車バ
ッテリを充電するために電源に結合され、充電ポートに
挿入される変成器の１次回路を形成する１次巻線および
コアを具備している充電カプラまたはプローブを使用す
る。バッテリの充電は、高周波数で高い充電速度で行わ
れている。その結果、充電プローブに多量の熱が生成さ
れる。プローブは、充電が完了されると使用者によって
充電ポートから除去されなければならず、プローブの温
度が関係する。
【０００３】４つの異なる方法が誘導型充電カプラポー
ト温度の熱制御のために使用されることができる。第１
の方法は、空隙インターフェイスを横切る１次巻線およ
びコアから充電ポートファンによって循環される冷却空
気を有するオンボード熱交換器への熱の伝導に依存する
方法である。この方法は、約６乃至１０ｋｗの充電速度
で動作するシステムのために動作する。第２の方法は、
カプラを通ってオフボード冷却装置からの冷却された空
気を導くことである。この方法は、約２０乃至２５ｋｗ
の充電速度で動作するシステムのために動作する。
ト温度の熱制御のために使用されることができる。第１
の方法は、空隙インターフェイスを横切る１次巻線およ
びコアから充電ポートファンによって循環される冷却空
気を有するオンボード熱交換器への熱の伝導に依存する
方法である。この方法は、約６乃至１０ｋｗの充電速度
で動作するシステムのために動作する。第２の方法は、
カプラを通ってオフボード冷却装置からの冷却された空
気を導くことである。この方法は、約２０乃至２５ｋｗ
の充電速度で動作するシステムのために動作する。
【０００４】第３の方法は、充電システムによって生成
された磁界と相互作用しないプラスチック熱交換器を使
用することである。しかしながら、この方法は不十分な
熱伝達特性を有する。第４の方法は、巻線における位置
に依存して磁界と相互作用し、ある程度の近接損失を生
じる金属熱交換器を使用することである。
された磁界と相互作用しないプラスチック熱交換器を使
用することである。しかしながら、この方法は不十分な
熱伝達特性を有する。第４の方法は、巻線における位置
に依存して磁界と相互作用し、ある程度の近接損失を生
じる金属熱交換器を使用することである。
【０００５】金属熱交換器の論議は、液体供給プラスチ
ックブラダ(bladder) を有する誘導型プローブの巻線を
冷却する方法、および磁界と相互作用しないような誘導
型プローブの巻線における液体供給金属熱交換器をイン
ターフェイスする方法を記載する本発明の出願人による
米国特許出願明細書「Liquid Cooled Metallic Inducti
ve Probe for High Power Charging」に記載されてい
る。本発明の出願人によって出願された米国特許出願明
細書「High Frequency Transformer Winding Having an
Internally Liquid Cooled Winding 」は、誘導型プロ
ーブの巻線における液体供給金属熱交換器をインターフ
ェイスし、磁界と熱交換器が相互作用しないような変成
器巻線の巻回としてこれを統合する方法を記載してい
る。また本発明の出願人によって出願された米国特許出
願明細書「Method of Cooling of Inductive Charge Ma
gnetics Using Internal Heat Pipes 」は、熱パイプを
有する充電ポートの巻線を冷却する方法を記載してい
る。本発明の出願人によって1993年11月２日に出願され
た米国特許出願第08/146,690号明細書「Ducted Air-Coo
led Secondary of Automotive Battery Charging Trans
former」には、ダクトを有する空気冷却熱交換器により
充電ポートの巻線を冷却する方法が記載されている。
ックブラダ(bladder) を有する誘導型プローブの巻線を
冷却する方法、および磁界と相互作用しないような誘導
型プローブの巻線における液体供給金属熱交換器をイン
ターフェイスする方法を記載する本発明の出願人による
米国特許出願明細書「Liquid Cooled Metallic Inducti
ve Probe for High Power Charging」に記載されてい
る。本発明の出願人によって出願された米国特許出願明
細書「High Frequency Transformer Winding Having an
Internally Liquid Cooled Winding 」は、誘導型プロ
ーブの巻線における液体供給金属熱交換器をインターフ
ェイスし、磁界と熱交換器が相互作用しないような変成
器巻線の巻回としてこれを統合する方法を記載してい
る。また本発明の出願人によって出願された米国特許出
願明細書「Method of Cooling of Inductive Charge Ma
gnetics Using Internal Heat Pipes 」は、熱パイプを
有する充電ポートの巻線を冷却する方法を記載してい
る。本発明の出願人によって1993年11月２日に出願され
た米国特許出願第08/146,690号明細書「Ducted Air-Coo
led Secondary of Automotive Battery Charging Trans
former」には、ダクトを有する空気冷却熱交換器により
充電ポートの巻線を冷却する方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この方法の欠点は、空
気冷却された熱交換器が統合した巻回体ではなく、すな
わち熱交換器としてのみ作用することである。従って、
本発明の目的は、装置の充電ポートにおける変成器の２
次巻線の空気および液体冷却式金属巻回を使用する改良
された高電力の誘導型バッテリ充電装置を提供すること
である。
気冷却された熱交換器が統合した巻回体ではなく、すな
わち熱交換器としてのみ作用することである。従って、
本発明の目的は、装置の充電ポートにおける変成器の２
次巻線の空気および液体冷却式金属巻回を使用する改良
された高電力の誘導型バッテリ充電装置を提供すること
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、２つの目的に
役立つ熱交換器、すなわち、熱交換器および変成器の巻
線の巻回を使用する。本発明において、交互に重ねられ
た螺旋状に巻かれた変成器の外側巻回が熱交換器として
使用される。外側巻回は任意の形状および厚さを有して
おり、空気または液体冷却式であり、または、蒸気交換
器（ヒートパイプ）であってもよい。２次巻線の別の巻
回は、近接損失のために過剰にエネルギを放散させると
いう理由で、この様な方法では使用できない。
役立つ熱交換器、すなわち、熱交換器および変成器の巻
線の巻回を使用する。本発明において、交互に重ねられ
た螺旋状に巻かれた変成器の外側巻回が熱交換器として
使用される。外側巻回は任意の形状および厚さを有して
おり、空気または液体冷却式であり、または、蒸気交換
器（ヒートパイプ）であってもよい。２次巻線の別の巻
回は、近接損失のために過剰にエネルギを放散させると
いう理由で、この様な方法では使用できない。
【０００８】液体冷却巻回を使用して、本発明は、ポン
プ、小型の熱交換器、およびファンを含む冷却システム
から外側巻回を通して液体冷却剤を流すことを含む。変
成器の２次巻線からの熱の放散は、内部の冷却剤用の流
路、もしくは熱交換器を構成している外部巻線の中心に
おいて形成されたまたは集積された通路を設けることに
よって効果的に行うことができる。内部通路は幾つかの
方法で形成される。ある試みにおいては、銅等の金属か
ら薄く平坦で内蔵式のフレキシブルな冷却剤ブラダ（bl
adder ）が作られる。冷却剤は、ポリアルファオレフィ
ンまたはフロウレート等の高誘電率の材料で構成されて
いる。高誘電率の材料は高い抵抗を示すので、電流が冷
却剤中において磁界から誘導されることはなく、また、
導電性のフィールドと直接的に接触することもない。空
冷巻回を使用するとき、本発明は、フィンを有する熱交
換器を通ってファンから空気を送る。２次巻線の内側の
巻回は、フィンを有する熱交換器の巻回に直接的に接着
され、良好な熱的接触および大きい熱伝達面積を提供す
る。
プ、小型の熱交換器、およびファンを含む冷却システム
から外側巻回を通して液体冷却剤を流すことを含む。変
成器の２次巻線からの熱の放散は、内部の冷却剤用の流
路、もしくは熱交換器を構成している外部巻線の中心に
おいて形成されたまたは集積された通路を設けることに
よって効果的に行うことができる。内部通路は幾つかの
方法で形成される。ある試みにおいては、銅等の金属か
ら薄く平坦で内蔵式のフレキシブルな冷却剤ブラダ（bl
adder ）が作られる。冷却剤は、ポリアルファオレフィ
ンまたはフロウレート等の高誘電率の材料で構成されて
いる。高誘電率の材料は高い抵抗を示すので、電流が冷
却剤中において磁界から誘導されることはなく、また、
導電性のフィールドと直接的に接触することもない。空
冷巻回を使用するとき、本発明は、フィンを有する熱交
換器を通ってファンから空気を送る。２次巻線の内側の
巻回は、フィンを有する熱交換器の巻回に直接的に接着
され、良好な熱的接触および大きい熱伝達面積を提供す
る。
【０００９】本発明によって、液体もしくは空気冷却式
熱交換器と、１０ｋＨｚ以上で動作する変成器の磁気巻
線との二重の機能を行う変成器の巻線が提供される。本
発明は、電気自動車と共に使用されるバッテリ充電装置
の誘導型充電ポートに特に有効であり、充電ポートにお
ける２次巻線の設置に特有のものである。本発明を使用
することによって電気自動車を迅速に高い効率で充電す
ることができる。しかしながら、本発明の着想はいずれ
の変成器にも適用されることができる。
熱交換器と、１０ｋＨｚ以上で動作する変成器の磁気巻
線との二重の機能を行う変成器の巻線が提供される。本
発明は、電気自動車と共に使用されるバッテリ充電装置
の誘導型充電ポートに特に有効であり、充電ポートにお
ける２次巻線の設置に特有のものである。本発明を使用
することによって電気自動車を迅速に高い効率で充電す
ることができる。しかしながら、本発明の着想はいずれ
の変成器にも適用されることができる。
【００１０】
【実施例】本発明の様々な特徴および利点は、添付され
た図面に関連した前述の詳細な説明に関して容易に理解
され、図面において、同じ参照番号は同じ構造上の素子
を示している。
た図面に関連した前述の詳細な説明に関して容易に理解
され、図面において、同じ参照番号は同じ構造上の素子
を示している。
【００１１】最初に、本発明の変成器は、電力密度が非
常に高く、高電力で高周波数用に設計されている。過去
において、高電力で電力密度が高い変成器は、変成器の
内部の銅の巻線の冷却に関する問題のために制限されて
いた。金属製の熱交換器は、（内部の磁界から）もたら
される損失、および熱を適切に取除く適切な表面面積を
有していない通常の設計に使用されるワイヤの構造のた
めに、巻線の間に挿入されることができなかった。
常に高く、高電力で高周波数用に設計されている。過去
において、高電力で電力密度が高い変成器は、変成器の
内部の銅の巻線の冷却に関する問題のために制限されて
いた。金属製の熱交換器は、（内部の磁界から）もたら
される損失、および熱を適切に取除く適切な表面面積を
有していない通常の設計に使用されるワイヤの構造のた
めに、巻線の間に挿入されることができなかった。
【００１２】冷却は、巻線を中空の管巻線にし、その巻
線を通して冷却液（オイル、水等）をポンプで送ること
によって低周波（６０乃至４００Ｈｚ）で容易に行われ
る。しかしながら、これは必要とされる管の過剰な厚み
によってもたらされる過剰な渦電流損失のために高周波
数（１０ｋＨｚ以上）で行われることはできない。別の
方法は、巻線の周りに内部熱交換器を位置させるもので
ある。金属熱交換器を１次巻線と２次巻線との間に交互
に重ねて位置させる別の方法は、内部の磁界によっても
たらされた熱交換器における損失のために不可能である
と考えられていた。これらの損失のために、不適当な熱
伝達特性を有する非金属材料で作られなければならなか
った。本発明は、部分的にこの問題を克服する。
線を通して冷却液（オイル、水等）をポンプで送ること
によって低周波（６０乃至４００Ｈｚ）で容易に行われ
る。しかしながら、これは必要とされる管の過剰な厚み
によってもたらされる過剰な渦電流損失のために高周波
数（１０ｋＨｚ以上）で行われることはできない。別の
方法は、巻線の周りに内部熱交換器を位置させるもので
ある。金属熱交換器を１次巻線と２次巻線との間に交互
に重ねて位置させる別の方法は、内部の磁界によっても
たらされた熱交換器における損失のために不可能である
と考えられていた。これらの損失のために、不適当な熱
伝達特性を有する非金属材料で作られなければならなか
った。本発明は、部分的にこの問題を克服する。
【００１３】図面に関して、図１は、本発明の原理に従
って、充電ポート11に挿入された充電プローブ20を使用
する誘導型バッテリ充電装置10の部分的に切開かれた側
断面図を示している。充電ポート11は、例えば電気自動
車17等に配置される。
って、充電ポート11に挿入された充電プローブ20を使用
する誘導型バッテリ充電装置10の部分的に切開かれた側
断面図を示している。充電ポート11は、例えば電気自動
車17等に配置される。
【００１４】誘導型充電カプラ20は、ハンドル23を形成
するような形状の１組の結合されている２つの半分の部
分22a,22b を有するプラスティックのカプラハウジング
22で構成されている。誘導型充電カプラ20は、例えばフ
ェライトで構成された中央の磁気コア24すなわち“パッ
ク”24を具備している。１次巻線25は、中央の磁気コア
24の周りに配置されている。誘導型充電カプラ20の結合
される２つの半分の部分22a,22b は、１次巻線25および
中央の磁気コア24を囲む。１次巻線25は、例えば４つの
巻回で構成されており、それは、エネルギを充電カプラ
20に結合するためにパワーケーブル26によって外部の電
源27へ結合されている。
するような形状の１組の結合されている２つの半分の部
分22a,22b を有するプラスティックのカプラハウジング
22で構成されている。誘導型充電カプラ20は、例えばフ
ェライトで構成された中央の磁気コア24すなわち“パッ
ク”24を具備している。１次巻線25は、中央の磁気コア
24の周りに配置されている。誘導型充電カプラ20の結合
される２つの半分の部分22a,22b は、１次巻線25および
中央の磁気コア24を囲む。１次巻線25は、例えば４つの
巻回で構成されており、それは、エネルギを充電カプラ
20に結合するためにパワーケーブル26によって外部の電
源27へ結合されている。
【００１５】ハウジング22は、実質的に平坦な対向する
表面を有する中空のディスク形の部分およびそのディス
ク部分から延在する先細のハンドルを有している。開口
部34は中空のディスク形の部分の平坦な対向する各表面
を通って配置されている。中央の磁気コア24は開口部34
に配置され、ハウジング22の実質的に平坦な対向表面と
実質的に同一平面である平坦な対向する表面を有してい
る。
表面を有する中空のディスク形の部分およびそのディス
ク部分から延在する先細のハンドルを有している。開口
部34は中空のディスク形の部分の平坦な対向する各表面
を通って配置されている。中央の磁気コア24は開口部34
に配置され、ハウジング22の実質的に平坦な対向表面と
実質的に同一平面である平坦な対向する表面を有してい
る。
【００１６】充電ポート11は、誘導型充電カプラ20が挿
入される開口部13を有するハウジング12を含む。充電ポ
ート11は、２つの２次コアの半分14と、コアの半分14を
取囲んでいる２次巻線15の２つの組とを具備している。
２次巻線15の組は、電気自動車17に収容されているバッ
テリ16に結合されている。充電カプラ20は、外部電源27
からバッテリ15へ電流を結合させるために充電ポート11
の開口部13に挿入されるように設計されている。
入される開口部13を有するハウジング12を含む。充電ポ
ート11は、２つの２次コアの半分14と、コアの半分14を
取囲んでいる２次巻線15の２つの組とを具備している。
２次巻線15の組は、電気自動車17に収容されているバッ
テリ16に結合されている。充電カプラ20は、外部電源27
からバッテリ15へ電流を結合させるために充電ポート11
の開口部13に挿入されるように設計されている。
【００１７】本発明の１実施例に従って、冷却剤伝導性
熱交換器30もしくはブラダ30は、外側の２次巻線または
２つの組の２次巻線15のそれぞれの巻回として設けられ
る。冷却剤伝導性熱交換器30は、例えば導電性の接着剤
31またはエポキシ等を使用して、１次巻線25の組のそれ
ぞれの内部の巻回15a に接着される。２次巻線15および
冷却剤伝導性熱交換器30の詳細は、以下に図２乃至４に
関して説明される。
熱交換器30もしくはブラダ30は、外側の２次巻線または
２つの組の２次巻線15のそれぞれの巻回として設けられ
る。冷却剤伝導性熱交換器30は、例えば導電性の接着剤
31またはエポキシ等を使用して、１次巻線25の組のそれ
ぞれの内部の巻回15a に接着される。２次巻線15および
冷却剤伝導性熱交換器30の詳細は、以下に図２乃至４に
関して説明される。
【００１８】熱交換器30は、自動車17に内蔵されて配置
され、冷却剤ポンプ32、冷却剤熱交換器33および冷却フ
ァン34を具備している冷却システム31に結合されてい
る。これらの素子の結合体は、フィンを有する熱交換器
30上に空気を送るようにファン34を使用するなどして冷
却の必要があるときに使用される。本発明は、入口およ
び出口冷却剤ライン36に導くことによって、自動車17に
内蔵された冷却システム31から熱交換器30へ液体冷却剤
を循環させる。熱交換器30は、例えば水冷される。冷却
剤は、例えばポリアルファオレフィンまたはフロウレー
ト等の高誘電率材料で構成されている。高誘電率材料は
抵抗が高いので、冷却剤中に磁界から電流が誘導された
り、導電フィールドと直接に接触したりすることはな
い。
され、冷却剤ポンプ32、冷却剤熱交換器33および冷却フ
ァン34を具備している冷却システム31に結合されてい
る。これらの素子の結合体は、フィンを有する熱交換器
30上に空気を送るようにファン34を使用するなどして冷
却の必要があるときに使用される。本発明は、入口およ
び出口冷却剤ライン36に導くことによって、自動車17に
内蔵された冷却システム31から熱交換器30へ液体冷却剤
を循環させる。熱交換器30は、例えば水冷される。冷却
剤は、例えばポリアルファオレフィンまたはフロウレー
ト等の高誘電率材料で構成されている。高誘電率材料は
抵抗が高いので、冷却剤中に磁界から電流が誘導された
り、導電フィールドと直接に接触したりすることはな
い。
【００１９】本発明の別の実施例において、フィンを有
する熱交換器30が使用される。２次巻回15a のそれぞれ
は、良好な熱的接触および大きい熱伝達面積を供給する
ために、フィンを有する熱交換器30に直接的に接着され
る。ファン34は、フィンを有する熱交換器30にそれぞれ
空気を送るために使用される。
する熱交換器30が使用される。２次巻回15a のそれぞれ
は、良好な熱的接触および大きい熱伝達面積を供給する
ために、フィンを有する熱交換器30に直接的に接着され
る。ファン34は、フィンを有する熱交換器30にそれぞれ
空気を送るために使用される。
【００２０】本発明のさらに別の実施例において、熱パ
イプが熱交換器30として使用される。第２の巻回15a
は、良好な熱的接触を行うためにそれぞれ熱パイプに直
接接着されている。
イプが熱交換器30として使用される。第２の巻回15a
は、良好な熱的接触を行うためにそれぞれ熱パイプに直
接接着されている。
【００２１】本発明の着想は、２次巻線15のセットの外
部の２次巻回に適用される。誘導型充電ポート11の場
合、１次巻線25およびコア24は、２次巻線15のセットと
２次コア14との間で挟まれて重ねられ、従って、２つの
外側巻回と、１つの通常の導電性巻回と、外側巻回とし
ての熱交換器30がある。図２に示されているｍｍｆダイ
アグラムを見ると、外側巻線は表皮効果高周波損失成分
のみを有していることがわかる。外側巻回において近接
効果はない。損失を最小にするために、近接損失成分に
よって巻線の厚さおよび予め定められた最適な厚さは制
限される。しかしながら、損失成分が表皮効果の損失だ
けからであるならば、巻回（熱交換器30）の厚さは無限
大となり、余剰な電力損失はない。厚さを増加させても
電力の損失を減少せず、そこにおいてペナルティはない
という最適条件がある。
部の２次巻回に適用される。誘導型充電ポート11の場
合、１次巻線25およびコア24は、２次巻線15のセットと
２次コア14との間で挟まれて重ねられ、従って、２つの
外側巻回と、１つの通常の導電性巻回と、外側巻回とし
ての熱交換器30がある。図２に示されているｍｍｆダイ
アグラムを見ると、外側巻線は表皮効果高周波損失成分
のみを有していることがわかる。外側巻回において近接
効果はない。損失を最小にするために、近接損失成分に
よって巻線の厚さおよび予め定められた最適な厚さは制
限される。しかしながら、損失成分が表皮効果の損失だ
けからであるならば、巻回（熱交換器30）の厚さは無限
大となり、余剰な電力損失はない。厚さを増加させても
電力の損失を減少せず、そこにおいてペナルティはない
という最適条件がある。
【００２２】上において、カプラ20の構造について一般
的な説明がなされたが、本発明の特定の改良に関する説
明は以下に行われる。本発明の原理は、１次巻線25が２
次巻線15のセットと交互に重ねられたときに適用され
る。金属材料は、２次巻線15のセットの外側巻回として
位置され、磁界が存在しない場合には誘導された損失は
最小である。図２に示されているようなｍｍｆダイアグ
ラムを見ると、ある巻線の配置において、ある巻回から
巻回への間隔はゼロ磁場に近いことがわかる。金属の熱
交換器30は、ゼロ磁場の点において挿入され、電力の損
失は最小である。例えば、４巻回を有する１次巻線25が
４巻回の２次巻線15の間で（２巻回の２次巻線−４巻回
の１次巻線−２巻回の２次巻線のように）交互に重ねら
れた場合、そこにおいて２巻回の２次巻線15のセットは
直列に接続され、その際には４巻回の２次巻線15の外側
の巻回においてほとんど磁場がないことがｍｍｆダイア
グラムによって明確に示され、従って、熱交換器30はこ
れらの位置に位置される。見てわかるように、これによ
って２次巻回は偶数になる。２次巻線15のセットに平坦
な螺旋巻回または平坦な渦巻き形の巻回を使用すること
によって本発明はさらに有効になる。これによって、熱
の伝達に役立つ最大の表面面積が提供される。２次巻線
15のセットの巻回は、熱伝導性接着剤31を使用して熱交
換器30に良熱伝導状態で接着される。
的な説明がなされたが、本発明の特定の改良に関する説
明は以下に行われる。本発明の原理は、１次巻線25が２
次巻線15のセットと交互に重ねられたときに適用され
る。金属材料は、２次巻線15のセットの外側巻回として
位置され、磁界が存在しない場合には誘導された損失は
最小である。図２に示されているようなｍｍｆダイアグ
ラムを見ると、ある巻線の配置において、ある巻回から
巻回への間隔はゼロ磁場に近いことがわかる。金属の熱
交換器30は、ゼロ磁場の点において挿入され、電力の損
失は最小である。例えば、４巻回を有する１次巻線25が
４巻回の２次巻線15の間で（２巻回の２次巻線−４巻回
の１次巻線−２巻回の２次巻線のように）交互に重ねら
れた場合、そこにおいて２巻回の２次巻線15のセットは
直列に接続され、その際には４巻回の２次巻線15の外側
の巻回においてほとんど磁場がないことがｍｍｆダイア
グラムによって明確に示され、従って、熱交換器30はこ
れらの位置に位置される。見てわかるように、これによ
って２次巻回は偶数になる。２次巻線15のセットに平坦
な螺旋巻回または平坦な渦巻き形の巻回を使用すること
によって本発明はさらに有効になる。これによって、熱
の伝達に役立つ最大の表面面積が提供される。２次巻線
15のセットの巻回は、熱伝導性接着剤31を使用して熱交
換器30に良熱伝導状態で接着される。
【００２３】この技術は、いずれの変成器の設計にも使
用することができ、特に、電気自動車17のための誘導結
合された変成器の充電ポート11の設計に適用することが
できる。電気自動車17において使用される誘導結合され
た変成器（そこにおいて変成器の１次巻線25およびコア
24は、２次巻線15のセットとコア14との間に物理的に挿
入されるように設計されている）の熱に関する制限は、
熱的接触が制限されているため、厳しいものである。
用することができ、特に、電気自動車17のための誘導結
合された変成器の充電ポート11の設計に適用することが
できる。電気自動車17において使用される誘導結合され
た変成器（そこにおいて変成器の１次巻線25およびコア
24は、２次巻線15のセットとコア14との間に物理的に挿
入されるように設計されている）の熱に関する制限は、
熱的接触が制限されているため、厳しいものである。
【００２４】本発明をより理解するために、以下に理論
的な説明が与えられる。変成器の設計において、磁気コ
アの寸法を減少するために高周波数の動作が所望され
る。これは以下の基本的な磁気方程式に基づいている。
的な説明が与えられる。変成器の設計において、磁気コ
アの寸法を減少するために高周波数の動作が所望され
る。これは以下の基本的な磁気方程式に基づいている。
【００２５】Ｅ＝Ｎ＊ｄφ／ｄｔ，ここでｄφ＝ＮｄＢ
である。
である。
【００２６】この式は以下のように書換えられる。
【００２７】Ａｃ＝Ｅ／（４ｆＮＢ・１０8 ） ここで、Ａｃはコアの断面積であり、ｆは動作周波数で
あり、Ｎは１次巻線の巻回数であり、Ｂはガウスで表し
た磁束密度である。
あり、Ｎは１次巻線の巻回数であり、Ｂはガウスで表し
た磁束密度である。
【００２８】従って、磁気コアは、高周波数を使用して
コアを励起させる場合には小さくてもよい。しかしなが
ら、これは渦電流の結果として増加する銅巻線とは相反
する。渦電流の損失とは周波数の関数（表皮効果）とし
ての導体中の交流電流の再分布と、交流電流を伝送する
１つの回路が回路に近接する導電材料中にオーム接触せ
ずに循環電流を誘起することができる現象（近接効果）
の総称である。従って、変成器のコアの寸法の程度によ
って銅損失に基づく基本的な制限がある。
コアを励起させる場合には小さくてもよい。しかしなが
ら、これは渦電流の結果として増加する銅巻線とは相反
する。渦電流の損失とは周波数の関数（表皮効果）とし
ての導体中の交流電流の再分布と、交流電流を伝送する
１つの回路が回路に近接する導電材料中にオーム接触せ
ずに循環電流を誘起することができる現象（近接効果）
の総称である。従って、変成器のコアの寸法の程度によ
って銅損失に基づく基本的な制限がある。
【００２９】表皮効果の損失は、巻線導体のみによって
伝送される高周波数電流によって実効的に抵抗を増加さ
せる。これは、周波数が上昇し、電流密度が導体の表面
において増加し、導体巻線の中央においてゼロへ減少す
るために生じる。電流は、導体内で指数的にしだいに小
さくなってゆく。実際に電流を伝送する導体の割合が減
少され、その結果、高周波における抵抗（結果的な損
失）は、低周波における抵抗よりも多数倍大きい。表皮
の深さ（ｓｄ）は、表面から電流密度が表面の電流密度
の１／ｅ倍（ｅは自然対数ベース）である深さの点まで
の距離として定義される。
伝送される高周波数電流によって実効的に抵抗を増加さ
せる。これは、周波数が上昇し、電流密度が導体の表面
において増加し、導体巻線の中央においてゼロへ減少す
るために生じる。電流は、導体内で指数的にしだいに小
さくなってゆく。実際に電流を伝送する導体の割合が減
少され、その結果、高周波における抵抗（結果的な損
失）は、低周波における抵抗よりも多数倍大きい。表皮
の深さ（ｓｄ）は、表面から電流密度が表面の電流密度
の１／ｅ倍（ｅは自然対数ベース）である深さの点まで
の距離として定義される。
【００３０】ｓｄ＝［ρ／（π＊μ＊ｆ）］1/2 ここで、ρは銅の比抵抗であり、２０℃でρ＝０．６９
×１０-6オームであり、μ＝０．４π×１０-8で与えら
れる。
×１０-6オームであり、μ＝０．４π×１０-8で与えら
れる。
【００３１】任意の電流波形の高周波巻線損失を計算す
るための最も簡単な方程式は、次のように表される。
るための最も簡単な方程式は、次のように表される。
【００３２】Ｒａｃ／Ｒｄｃ（表皮効果）＝ｘ＊（ｅ2x
−ｅ-2x ＋２ｓｉｎ（２ｘ））／（ｅ2x＋ｅ（−２ｘ）
−２ｃｏｓ（２ｘ）） ここで、ｘは層の厚さ／表皮の深さである。
−ｅ-2x ＋２ｓｉｎ（２ｘ））／（ｅ2x＋ｅ（−２ｘ）
−２ｃｏｓ（２ｘ）） ここで、ｘは層の厚さ／表皮の深さである。
【００３３】電流密度は表面から指数的に低下するが、
高周波抵抗は電流密度が表面から侵入深さまで一定であ
る場合と同一であり、突然ゼロになる。これが意味して
いることは、箔の厚さは考慮に入れられておらず、最小
の抵抗（特定の周波数でのＡＣ抵抗）は、表皮の深さに
おけるＤＣ抵抗に制限されているということである。従
って、螺旋巻線の１層または巻回に対して、層の厚さは
表皮の深さを越える増加した損失がない所望の厚さであ
る。
高周波抵抗は電流密度が表面から侵入深さまで一定であ
る場合と同一であり、突然ゼロになる。これが意味して
いることは、箔の厚さは考慮に入れられておらず、最小
の抵抗（特定の周波数でのＡＣ抵抗）は、表皮の深さに
おけるＤＣ抵抗に制限されているということである。従
って、螺旋巻線の１層または巻回に対して、層の厚さは
表皮の深さを越える増加した損失がない所望の厚さであ
る。
【００３４】多層コイルにとって、近接効果はしばしば
重要な効果である。導体の抵抗における明らかな増加
は、巻線における別の導体から導体上に与えられた磁界
によって生じる導体中の渦電流によって生じる。しかし
ながら、これらの渦電流は、巻線が開回路である場合に
も存在することは注意しなければならない。損失は電流
がない無限大の抵抗でも存在する。これは、静電遮蔽さ
れ、液体冷却式の熱交換器が１次巻線と２次巻線との間
に挿入されている状況である。上述の方程式の最も簡単
な形式は次のように表される。
重要な効果である。導体の抵抗における明らかな増加
は、巻線における別の導体から導体上に与えられた磁界
によって生じる導体中の渦電流によって生じる。しかし
ながら、これらの渦電流は、巻線が開回路である場合に
も存在することは注意しなければならない。損失は電流
がない無限大の抵抗でも存在する。これは、静電遮蔽さ
れ、液体冷却式の熱交換器が１次巻線と２次巻線との間
に挿入されている状況である。上述の方程式の最も簡単
な形式は次のように表される。
【００３５】Ｒａｃ／Ｒｄｃ（近接効果）＝（２／３）
＊（ｍ2 −１）＊ｘ＊（ｅx −ｅ-x＋２ｓｉｎ（ｘ））
／（ｅx ＋ｅ（−ｘ）−２ｃｏｓ（ｘ））、 ここで、ｘは層の厚さ／表皮の深さであり、ｍは層の数
である。この方程式は、より多くの層（巻回）が変成器
巻線に使用されたときに近接効果による損失の急激な増
加と層の厚さが表皮の深さと等しい値またはそれ以下に
維持されなければならない理由を示している。
＊（ｍ2 −１）＊ｘ＊（ｅx −ｅ-x＋２ｓｉｎ（ｘ））
／（ｅx ＋ｅ（−ｘ）−２ｃｏｓ（ｘ））、 ここで、ｘは層の厚さ／表皮の深さであり、ｍは層の数
である。この方程式は、より多くの層（巻回）が変成器
巻線に使用されたときに近接効果による損失の急激な増
加と層の厚さが表皮の深さと等しい値またはそれ以下に
維持されなければならない理由を示している。
【００３６】完全なものにする目的で、図３には図１の
充電ポート11の部分側面図が示されており、ここにおい
て、特に、熱交換器30は２次巻線15のセットの内側巻回
15aに接着されている。図３からわかるように、熱交換
器30は、接着剤31によって２次巻線15のセットそれぞれ
の内側巻回15a に良熱伝導的に接着されている。
充電ポート11の部分側面図が示されており、ここにおい
て、特に、熱交換器30は２次巻線15のセットの内側巻回
15aに接着されている。図３からわかるように、熱交換
器30は、接着剤31によって２次巻線15のセットそれぞれ
の内側巻回15a に良熱伝導的に接着されている。
【００３７】熱交換器30によって設けられた内部冷却剤
流路は、幾つかの方法で形成される。ある試みとして、
銅等の金属で、薄く平坦でフレキシブルなブラダ30を形
成することができる。２次巻線15のセットの内側巻回15
a は、平坦な冷却剤式熱交換器30に直接接着され、それ
によって、良好な熱的接触、大きい熱伝達面積、および
非常に薄い外形を提供する。冷却剤の入口通路および出
口通路36は、巻線25の下の非常に薄い（公称０．０５
０”）長方形の断面の形から丸い断面の管の形（直径
０．２５インチ）に変化している。
流路は、幾つかの方法で形成される。ある試みとして、
銅等の金属で、薄く平坦でフレキシブルなブラダ30を形
成することができる。２次巻線15のセットの内側巻回15
a は、平坦な冷却剤式熱交換器30に直接接着され、それ
によって、良好な熱的接触、大きい熱伝達面積、および
非常に薄い外形を提供する。冷却剤の入口通路および出
口通路36は、巻線25の下の非常に薄い（公称０．０５
０”）長方形の断面の形から丸い断面の管の形（直径
０．２５インチ）に変化している。
【００３８】本発明の上述の実施例の巻線の構造は、巻
回が冷却剤搬送熱交換器30を構成しているため、１つの
層に１つの巻回を有する螺旋状の構造である。しかしな
がら、巻回の数は、必要なだけ多くすることができ、内
側巻回は単一の螺旋状の巻回である必要はない。渦巻き
状の多重巻回層を設けることもできる。いかなる場合に
おいても、本発明の交互に重ねられた螺旋状の変成器の
外側巻回はごく僅かな近接損失を有している。
回が冷却剤搬送熱交換器30を構成しているため、１つの
層に１つの巻回を有する螺旋状の構造である。しかしな
がら、巻回の数は、必要なだけ多くすることができ、内
側巻回は単一の螺旋状の巻回である必要はない。渦巻き
状の多重巻回層を設けることもできる。いかなる場合に
おいても、本発明の交互に重ねられた螺旋状の変成器の
外側巻回はごく僅かな近接損失を有している。
【００３９】例を用いて説明すると、図４は、図１の充
電ポートにおいて使用されることのできる巻線の螺旋／
部分的な渦巻き設計の分解図を示しており、図５は、図
１の充電ポートにおいて使用される巻線の螺旋／渦巻き
設計の分解図を示している。図４において、巻線はそれ
ぞれ３つの巻回を具備し、図５においては、巻線はそれ
ぞれ４つの巻回を具備している。空気／液体冷却式巻回
は、各設計の最外部の巻回である。
電ポートにおいて使用されることのできる巻線の螺旋／
部分的な渦巻き設計の分解図を示しており、図５は、図
１の充電ポートにおいて使用される巻線の螺旋／渦巻き
設計の分解図を示している。図４において、巻線はそれ
ぞれ３つの巻回を具備し、図５においては、巻線はそれ
ぞれ４つの巻回を具備している。空気／液体冷却式巻回
は、各設計の最外部の巻回である。
【００４０】本発明は、いずれの変成器の設計にも適用
されることができるが、特に、電気自動車17のための誘
導型結合された変成器の充電ポート11の設計に適用する
ことができる。本発明によって、電気自動車17の充電ポ
ート11と共に使用され、従前の変成器装置よりも損失が
少なく、小さい寸法の変成器装置を提供することができ
る。
されることができるが、特に、電気自動車17のための誘
導型結合された変成器の充電ポート11の設計に適用する
ことができる。本発明によって、電気自動車17の充電ポ
ート11と共に使用され、従前の変成器装置よりも損失が
少なく、小さい寸法の変成器装置を提供することができ
る。
【００４１】以上、高電力の誘電型バッテリ充電装置の
変成器の２次巻線において空気および液体冷却式金属巻
回を具備している新しく改良された誘電型充電ポートに
ついて説明してきた。上述の実施例は単に、本発明の原
理の適用を代表する多数の特定の実施例の１つであるこ
とが理解されるべきである。明らかに、多数の別の配置
が本発明の技術的範囲から逸脱することなしに当業者に
よって容易に発明されることができる。
変成器の２次巻線において空気および液体冷却式金属巻
回を具備している新しく改良された誘電型充電ポートに
ついて説明してきた。上述の実施例は単に、本発明の原
理の適用を代表する多数の特定の実施例の１つであるこ
とが理解されるべきである。明らかに、多数の別の配置
が本発明の技術的範囲から逸脱することなしに当業者に
よって容易に発明されることができる。
【図１】本発明の原理に従った充電ポートを使用するバ
ッテリ充電装置の部分的に切開かれた側断面図。
ッテリ充電装置の部分的に切開かれた側断面図。
【図２】充電ポートの巻回に関連する電流対周波数を示
すｍｍｆダイアグラム。
すｍｍｆダイアグラム。
【図３】図１の充電ポートの部分的側断面図。
【図４】図１の充電ポートで使用される巻線の螺旋／部
分的な渦巻き設計の分解図。
分的な渦巻き設計の分解図。
【図５】図１の充電ポートで使用される巻線の螺旋／部
分的な渦巻き設計の分解図。
分的な渦巻き設計の分解図。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｊ 17/00 Ｂ (72)発明者 ジョン・ティー・ホール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91364、ウッドランド・ヒルズ、アンバ ー・ドライブ 21831 (72)発明者 ハーバート・ジェイ・タンザー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 95630、フォルソム、ハードロック・コー ト 116 (72)発明者 ルディー・セバーンス アメリカ合衆国、オレゴン州 97424、コ テージ・グローブ、フォックス・レーン 32857
Claims (5)
- 【請求項１】 バッテリに結合された充電ポートに挿入
可能な充電カプラを具備し、充電カプラがハウジング
と、ハウジング内に収容された１次磁気コアおよび１次
巻線を具備しているバッテリ充電用の誘導型充電装置に
おいて、 前記充電ポートが、 ハウジングと、 ハウジングに設けられ、充電カプラが挿入される開口部
と、 ハウジング中に配置された間隔を設けられた２次コア
と、 それぞれ内部巻回と、熱交換器を構成する外部巻回とを
有している２次コアの周りに配置された間隔を設けられ
た２次巻線とを具備していることを特徴とする誘導型充
電装置。 - 【請求項２】 熱交換器は冷却剤伝導性熱交換器を具備
している請求項１記載の充電ポート。 - 【請求項３】 熱交換器は空冷熱交換器を具備している
請求項１記載の充電ポート。 - 【請求項４】 熱交換器はヒートパイプを具備している
請求項１記載の充電ポート。 - 【請求項５】 熱交換器は熱伝達性接着剤によって１次
巻線の１次巻回に熱的に接着されている請求項１記載の
充電ポート。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US237492 | 1994-04-29 | ||
| US08/237,492 US5545966A (en) | 1994-04-29 | 1994-04-29 | Air/liquid cooled metallic turn for high frequency high power charging transformers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0851040A true JPH0851040A (ja) | 1996-02-20 |
| JP2986369B2 JP2986369B2 (ja) | 1999-12-06 |
Family
ID=22893950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7107701A Expired - Fee Related JP2986369B2 (ja) | 1994-04-29 | 1995-05-01 | 高周波数高電力変成器の空気／液体冷却式金属巻線 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5545966A (ja) |
| EP (1) | EP0680059B1 (ja) |
| JP (1) | JP2986369B2 (ja) |
| KR (1) | KR0184330B1 (ja) |
| DE (1) | DE69508133T2 (ja) |
| ES (1) | ES2129698T3 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1094181A (ja) * | 1996-07-15 | 1998-04-10 | Delco Electron Corp | 印刷配線板に形成された一次巻線を有する誘導性カプラ組立体 |
Families Citing this family (46)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5594317A (en) * | 1994-12-02 | 1997-01-14 | Delco Electronics Corp. | Inductive charger field shaping using nonmagnetic metallic conductors |
| US5670860A (en) * | 1995-06-06 | 1997-09-23 | Hughes Electronics | High power, high frequency, liquid-cooled transmission cable and charging system |
| US5684380A (en) * | 1996-07-26 | 1997-11-04 | Delco Electronics Corp. | Oil cooled high power inductive coupler |
| EP0982832A3 (en) * | 1996-08-07 | 2000-08-09 | Sumitomo Wiring Systems, Ltd. | Charging system for electric vehicle |
| US6396241B1 (en) * | 2000-09-18 | 2002-05-28 | General Motors Corporation | Inductive charging system employing a fluid-cooled transformer coil and transmission cable |
| US20040255604A1 (en) * | 2003-01-27 | 2004-12-23 | Longardner Robert L. | Heat extraction system for cooling power transformer |
| KR20060027578A (ko) * | 2004-09-23 | 2006-03-28 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지 모듈 온도 제어 시스템 |
| US20100008112A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Feng Frank Z | Interphase transformer |
| WO2011146067A1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-11-24 | Schleifring Medical Systems Usa | Wire winding device for a high power level transformer |
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