KR20120029410A - 세그먼트화된 코어 트랜스포머 - Google Patents

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Abstract

트랜스포머(10)는 코어(12), 1차 와인딩(14) 및 2차 와인딩(16)을 포함한다. 코어는 메인축(15)을 갖는 가늘고 긴 림(13)을 포함하고, 복수 개의 자성재료의 세그먼트들(12.1 내지 12.n) 및 메인축(15)을 따라 교대로 배열된 세그먼트들 사이의 갭들(18.1 내지 18.n-1)을 포함한다. 메인축(15)은 림(13)에서 자기장의 방향에 평행하다. 각각의 갭은 메인축(15)에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위(g)를 갖는다. n의 값은 3보다 크고, 갭들은 절연 매체(20)로 충진된다.

Description

세그먼트화된 코어 트랜스포머{SEGMENTED CORE TRANSFORMER}
본 발명은 트랜스포머(transformer), 트랜스포머용 코어 및 트랜스포머를 포함하는 차량용 점화 시스템에 관한 것이다.
공지된 차량 점화 시스템 트랜스포머(transformer)는 자성재료의 단일 고체 또는 라미네이팅된(laminated) 코어, 예를 들어 펜슬 코어(pencil core)를 포함한다. 트랜스포머의 1차 와인딩(winding) 및 2차 와인딩은 코어 주위에 감긴다. 트랜스포머는 많은 요구조건들을 준수해야 한다. 고체 코어는 1차 와인딩과 2차 와인딩 사이의 양호한 자성 결합을 제공해야 하여, 에너지는 단일 펄스 동안에 1차 와인딩으로부터 2차 와인딩으로 전달될 수 있다. 1차 인덕턴스(inductance) 및 2차 인덕턴스는 충분한 에너지가 자성 코어에 저장될 수 있기에 충분히 커야 해서, 최대 1차 전류는 너무 높지 않고 점화 기간은 안정적인 점화를 위하여 충분히 길다. 큰 2차 인덕턴스는 큰 권선수(number of turn)를 요구한다. 이는 수 킬로옴의 저항을 갖는 2차 와인딩을 초래한다. 저항은 와인딩들의 가열을 초래하고, 이는 제거되어야 한다. 따라서, 트랜스포머는 와인딩들로부터 트랜스포머의 외부로 충분한 열 전달을 제공해야 한다. 자성 설계는 고전압 발생 동안에 코어 포화(core saturation)를 방지하는 것과 같은 것이어야 한다. 더욱이, 충분한 자성재료는 자기장에서 충분한 에너지를 저장하는 데에 요구된다. 꽤 양호한 전기적 절연은 자성 코어와 2차 와인딩 사이에서 요구된다. 최대 2차 전압은 일반적으로 30㎸보다 크고 자성 코어는 일반적으로 전도성이다. 와인딩들과 코어 사이의 절연은 최대 전압을 견딜 수 있어야 한다. 와인딩들 사이의 충분한 절연이 또한 요구된다. 이런 요구조건들을 만족시키는 대부분의 자성재료는 전도성이거나 낮은 절연 내력(dielectric strength)을 갖기 때문에, 상대적으로 두꺼운 절연 레이어가 2차 와인딩과 코어 사이에 요구되고, 이는 바람직하지 않다. 자동차 엔진에서의 사용에 적합한 트랜스포머는 약 -40℃ 내지 +140℃ 사이의 온도에서 작동가능하여야 한다. 절연재료와 코어 사이의 상이한 열팽창 계수로 인해, 기계적 응력이 성장한다. 많은 열 사이클들 이후에, 절연재료와 자성재료 사이의 크랙들 또는 갭들이 성장할 수 있고, 이는 치명적일 수 있다.
또한 트랜스포머의 부피를 감소시키면서 이런 요구조건들을 달성하는 것이 꽤 어렵다. 작은 부피에서 큰 권선수 때문에, (권선 사이의 캐패시턴스(inter-turn capacitance)를 포함하는) 와인딩의 캐패시턴스가 커지고, 이는 특정 고전압을 발생시키는 데에 요구되는 더 많은 에너지를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 출원인이 앞서 언급한 단점들이 적어도 완화될 수 있다는 것을 믿거나, 공지된 트랜스포머들, 코어들 및 점화 시스템들에 대한 유용한 대안들을 제공할 수 있는 대안적인 트랜스포머, 이를 위한 코어 및 점화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 코어, 1차 와인딩 및 2차 와인딩을 포함하되, 코어는 메인축을 갖는 가늘고 긴 림(limb), 복수 개(n)의 자성재료의 세그먼트들 및 메인축을 따라 교대로 배열된 세그먼트들 사이의 갭들을 포함하며, 각각의 갭은 메인축에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위를 갖고, n은 3보다 크며, 갭은 절연 매체로 충진되는 트랜스포머가 제공된다.
각각의 세그먼트는 반대하는 제 1 종단벽 및 제 2 종단벽 사이에서 연장되는 측벽을 포함하고 메인축을 갖는 실린더형 몸체를 포함할 수 있다. 인접한 제 1 세그먼트와 제 2 인접 세그먼트 사이의 갭은 제 1 세그먼트의 제 2 종단벽과 제 2 세그먼트의 제 1 종단벽 사이에서 연장될 수 있다. 세그먼트들의 메인축들은 림의 메인축을 따라 정렬될 수 있다. 적어도 세그먼트의 제 1 종단벽 및 제 2 종단벽의 중심 영역들 각각은 상호 간에 평행하게 연장될 수 있다. 측벽과 종단벽들 사이의 엣지들은 라운딩될(rounded) 수 있다. 몸체는 횡단면으로 원형 또는 일반적으로 직사각형일 수 있다. 후자의 경우에 측벽의 코너 영역들이 또한 라운딩될 수 있다.
n의 값은 4, 5, 6, 7, 8, 9 및 10 중 어떤 하나보다 클 수 있다.
세그먼트들은 고체일 수 있거나 라미네이팅될(laminated) 수 있으며 선형으로 배열된다.
세그먼트들은 동일한 길이를 가질 수 있고 동일하게 이격될 수 있어, 갭들의 폭은 동일하다. 다른 구체예들에서, 적어도 몇 개의 세그먼트들은 상이한 길이를 가질 수 있고, 적어도 몇 개의 갭들은 상이한 폭을 가질 수 있다.
1차 와인딩 및 2차 와인딩은 코어 주위에 동심으로 감길 수 있다. 2차 와인딩은 1차 와인딩보다 코어에 근접하게 동심으로 위치될 수 있다.
1차 와인딩 및 2차 와인딩은 코어의 일종단부터 타종단까지 코어 주위에 동심으로 감길 수 있다. 이런 와인딩들 모두는 선형으로 배열된 세그먼트들의 부분 주위에 동심으로 감길 수 있다. 와인딩들은 세그먼트들의 선형 배열을 따라 선형으로 감길 수 있어, 각각의 와인딩은 복수 개의 선형으로 배열되고 인접한 권선(turn)들을 포함한다. 1차 와인딩 및 2차 와인딩은 상호 간에 겹쳐질 수 있거나 겹쳐지지 않을 수 있다.
트랜스포머는 코어, 1차 와인딩 및 2차 와인딩을 수용하는 자성재료의 외부 재킷(outer jacket)을 포함할 수 있다.
외부 재킷은 단일의 가늘고 긴 중공 실린더형 몸체를 포함할 수 있다.
대안적으로, 외부 재킷은 복수 개의 재킷 세그먼트들을 포함할 수 있다. 각각의 재킷 세그먼트는 구성에 있어 중공 실린더형일 수 있고, 재킷 세그먼트들은 선형으로 배열될 수 있다.
절연 매체는 액체 및 고체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
(와인딩들 사이, 세그먼트들 사이, 와인딩들과 세그먼트들 사이 및 와인딩들과 다른 재킷들 사이의) 모든 보이드(void)들은 절연 매체로 충진될 수 있다.
본 발명은 또한 발명의 범위 내에서 메인축을 갖는 가늘고 긴 림, 복수 개(n)의 자성재료의 세그먼트들 및 메인축을 따라 교대로 배열된 세그먼트들 사이의 갭들을 포함하는 코어를 포함하고, 각각의 갭은 메인축에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위를 갖고, n은 3보다 크며, 갭들은 절연 매체로 충진된다.
또한 본 발명의 범위 내에 더 포함되는 것은 여기서 한정되고 그리고/또는 설명된 바와 같은 트랜스포머를 포함하는 차량용 점화 시스템이고, 2차 와인딩의 일종단은 적어도 하나의 점화 플러그에 연결되고, 트랜스포머는 1차 와인딩에 연결된 발진 회로에 의해 동조하며(resonantly) 구동된다.
발진 회로의 발진 주파수는 100㎑ 내지 3㎒일 수 있다.
본 발명은 이제 첨부한 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방법으로, 더 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 트랜스포머를 통한 길이 단면이다.
도 2는 트랜스포머를 포함하는 점화 시스템의 관련된 부분의 볼록 다이어그램이다.
본 발명에 따른 트랜스포머(transformer)는 일반적으로 도면들에서 참조번호(10)에 의해 지시된다.
트랜스포머는 차량 점화 시스템에서 특정 적용을 발견할 수 있다.
트랜스포머(10)는 코어(12), 1차 와인딩(14) 및 2차 와인딩(16)을 포함한다. 코어는 메인축(15; main axis)을 갖는 가늘고 긴 림(13; limb), 복수 개(n)의 자성재료의 세그먼트들(12.1 내지 12.n; segment) 및 메인축(15)을 따라 교대로 배열된 세그먼트들 사이의 갭들(18.1 내지 18.n-1)을 포함한다. 메인축(15)은 림(13)에서 자기장의 방향에 평행하다. 각각의 갭은 메인축(15)에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위(g)를 갖는다. n의 값은 3보다 크고, 갭들은 절연 매체(20)로 충진된다.
절연 매체는 -40℃ 내지 +140℃의 온도 범위에 걸쳐 바람직하게는 9㎸/㎜보다 높고, 더 바람직하게는 20㎸/㎜보다 높은, 큰 절연 내력(dielectric strength)을 갖는 것으로 요구된다. 이런 요구조건을 만족시키면서 이용가능한 많은 플라스틱 재료가 존재한다. 또한 절연 재료는 바람직하게는 일반적으로 4보다 낮고 더 바람직하게는 3보다 낮은 비유전율(εr ; relative permittivity)을 가져야만 한다.
자성재료는 직류(DC) 내지 1㎒ 주파수 범위 및 -40℃ 내지 +140℃ 온도 범위에 걸쳐 낮은 손실, 높은 포화 선속 밀도(saturation flux density) 및 높은 투자율(permeability)을 갖는 것으로 요구된다. 이러한 재료의 예시는 -30℃ 내지 +200℃의 온도 및 1㎒까지의 주파수에 대하여, 3000 가우스보다 낮은 선속 밀도에 대한 3000보다 높은 비투자율(relative permeability)을 갖는 부드러운 페라이트 TSC-50ALL이다. 이런 페라이트의 코어 손실은 500㎑의 주파수, 100가우스의 선속 밀도 및 70℃의 온도에서 10 mW/㎤보다 작다.
바람직한 구체예에서, 세그먼트들(12.1 내지 12.n)은 선형으로 배열되고, 인접한 세그먼트들은 갭들(18.1 내지 18.n-1)에 의해 분리된다. 1차 와인딩(14) 및 2차 와인딩(16)은 코어 주위에 동심으로 감긴다. 각각의 와인딩은 복수 개의 권선(turn)들을 포함한다. 특히 2차 와인딩(16)은 권선들(16.1 내지 16.m)을 포함한다. 자성재료의 동심 외부 재킷(22)은 자성 리턴 경로(magnetic return path)를 제공한다. 재킷은 단일의 중공 실린더형 몸체를 포함할 수 있거나 두 개 이상의 중공 실런더형 세그먼트들을 포함할 수 있다. 세그먼트들은 선형으로 배열될 수 있다. 재킷 및 코어 세그먼트들의 자성 재료는 동일한 재료일 수 있거나 상이한 재료일 수 있다.
코어는 길이(l)를 갖고, 각각의 세그먼트는 길이(ls)를 가지며, 인접한 세그먼트들은 일반적으로 메인축(15)에 대하여 직교하는, 횡으로 연장되는 갭에 의해 분리된다. 각각의 갭은 메인축(15)에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위 또는 크기(g)를 갖는다. 코어의 직경은 d이다. 코어(12) 및 2차 와인딩(16)은 거리(h)로 이격된다. 또한 이런 공간은 절연 매체(20)로 충진된다.
유전 재료(20)는 2차 와인딩(16)의 첫번째 권선(16.1)과 마지막 권선(16.m) 사이에서 40㎸, 4의 비유전율(εr)을 갖는 9㎸/㎜의 절연 내력을 갖고, 와인딩의 두께(t)는 0.5㎜인 것으로 가정된다. 도면들에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 9㎜의 직경(d)과 55㎜의 길이(l)의 종래의 고체 코어를 포함하는 트랜스포머는 이하에서 비교할만한 트랜스포머(10)에 비교된다.
2차 와인딩의 첫번째 권선과 마지막 권선 사이에서 40㎸ 차이가 존재할 때 코어가 20㎸의 전압에서 존재한다고 가정하면, 2차 와인딩과 코어 사이의 거리(h)를 갖는 종래의 고체 코어 트랜스포머(미도시됨)에 대하여, 2.2㎜의 최소의 절연 두께(h)가 요구된다. 절연 고리는 4.3㎤의 부피를 갖는다. 코어와 2차 와인딩 사이의 캐패시턴스(capacitance)는 0.56㎊/㎜이거나 전체 길이(l)에 대해서는 31㎊이다. 권선들의 첫번째 5㎜와 권선들의 마지막 5㎜ 사이의 캐패시턴스는 권선들의 마지막 5㎜와 코어 사이의 캐패시턴스와 연속하는 코어 및 권선들의 첫번째 5㎜의 캐패시턴스에 의해 부여되고, 이는 1.4㎊이다. 인덕턴스(inductance)는 TSC-50ALL 페라이트를 사용할 때 권선 제곱 당 약 64nH으로 측정되었다. 와이어의 36pH/㎜ 제곱의 인덕턴스를 부여하면서, 권선 당 와이어의 길이는 약 40㎜이다.
5㎜ 길이(l s )의 10개의 세그먼트들을 갖는 본 발명에 따른 세그먼트화된 코어(10; segmented core)에 대하여, 2차 와인딩의 첫번째 권선과 마지막 권선 사이에서 40㎸의 전압이 존재할 때, 세그먼트 주위의 첫번째 권선과 마지막 권선 사이에서 4㎸가 존재한다. 이는 적어도 0.44㎜의 절연 재료(20)에 의해 충진된 와인딩 거리(h)에 대한 세그먼트를 요구한다. h = 0.5㎜이라 가정하면, 이어서 이런 경우에는 절연 고리의 부피가 0.8㎤이다. 세그먼트들 사이에 0.5㎜의 갭 폭(g)을 요구하면서, 9개의 갭들(18.1 내지 18.9)은 40㎸를 견뎌야만 하고, 이는 갭 당 4.4㎸이다. 이는 인접한 세그먼트들 사이에서 0.3㎤의 부피에 상응한다. 세그먼트들 사이의 캐패시턴스는 4.5㎊이고, 세그먼트와 와인딩(16) 사이의 캐패시턴스는 2㎊/㎜이다. 권선(16.1)으로부터 권선들의 첫번째 5㎜와 권선(16.m)으로 권선들의 마지막 5㎜사이의 캐패시턴스는 0.45㎊이다. 인덕턴스는 권선 제곱 당 약 27nH인 것으로 측정되었다. 와이어의 특정 길이에 대한 28pH/㎜ 제곱의 인덕턴스를 부여하는, 권선(16.1 내지 16.m) 당 와이어의 길이는 31㎜이다.
인덕턴스가 부여된 권선수(27nH/㎜에 비교된 64nH/㎜)에 대하여 적더라도, 갭들의 수로 인해 더 많은 에너지가 자성재료에 저장될 수 있다는 것이 현재 믿어진다. 따라서, 동일한 에너지 요구조건에 대하여, 세그먼트화된 코어(10)는 와인딩 와이어의 더 짧은 길이를 요구할 것이고, 이는 고체 코어 트랜스포머의 상응하는 와인딩보다 낮은 와인딩 저항을 가질 것이다.
또한, 세그먼트화된 코어는 고체 코어에 대한 4.3㎤ 절연 재료에 비교되는 1.1㎤를 필요로 한다. 3.5㎤의 코어 부피에 비교될 때, 이는 중요하다. 따라서, 코어(12)의 세그먼트화(segmentation)가 코어(12)의 전체 길이(l)에 걸쳐 총 절연 요구조건을 감소시킬 것이다는 것이 믿어진다. 권선들(16.1 내지 16.m)은 코어(12)에 더 근접하게 감길 수 있다. 결과적인 권선들의 더 작은 반경은 와인딩 와이어 길이 및 저항을 감소시킨다. 더 짧은 세그먼트들(12.1 내지 12.n)은 더 낮은 열 기계적 응력을 발생시킬 수 있고, 세그먼트들 사이의 분산된 갭들은 더 높은 포화 에너지를 제공할 수 있다. 권선들의 첫번째 5㎜와 마지막 5㎜사이의 2차 와인딩의 캐피시턴스는 1.4㎊로부터 0.45㎊로 현저하게 감소된다.
트랜스포머는 차량(미도시 됨)을 위한 (도 2에 도시된) 점화 시스템(30)에서 특정 적용을 발견할 수 있다. 트랜스포머는 약 100㎑ 내지 3㎒의 발진 주파수(fo)에서 발진 회로(32)에 의해, 테슬라 코일과 유사하게, 동조하며(resonantly) 구동될 수 있고, 여기서 에너지는 몇몇 사이클들 중 각각의 사이클 동안에 1차 와인딩(14)으로부터 2차 와인딩(16)으로 전달된다. 1차 와인딩(14)과 2차 와인딩(16) 사이의 양호한 결합을 위한 요구조건들이 종래의 단일 코어를 포함하는 종래의 트랜스포머를 갖는 것과 같이 엄격하지 않을 것이다는 것이 기대된다.
권선(16.1)은 일반적으로 점화 플러그(34)에 연결되고 권선(16.m)은 에너지(전압 또는 전류)원에 연결될 수 있거나 접지될 수 있다. 에너지가 빠른 에너지 전달을 위하여 2차 와인딩을 통해 직접 전달될 때 자성 코어(12)는 설계되어 포화될 수 있다.

Claims (16)

  1. 코어, 1차 와인딩 및 2차 와인딩을 포함하되,
    코어는 메인축을 갖는 가늘고 긴 림, 복수 개(n)의 자성재료의 세그먼트들 및 메인축을 따라 교대로 배열된 세그먼트들 사이의 갭들을 포함하며,
    각각의 갭은 메인축에 평행한 선형 세그먼트 분리 범위를 갖고, n은 3보다 크며, 갭은 절연 매체로 충진되며, 2차 와인딩과 코어 사이의 캡 및 세그먼트들 사이의 갭들은 9㎸/㎜보다 큰 절연 내력을 갖는 절연 매체로 충진되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2차 와인딩은 코어의 일종단으로부터 코어의 타종단까지 감기는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    절연 매체는 20㎸/㎜보다 큰 절연 내력을 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    n은 4, 5, 6, 7, 8, 9 및 10 중 어떤 하나보다 큰 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세그먼트들은 고체이고, 메인축은 선형이며, 1차 와인딩 및 2차 와인딩은 코어 주위에 동심으로 감기는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 몇 개의 세그먼트들은 라미네이팅되고, 메인축은 선형이며, 1차 와인딩 및 2차 와인딩은 코어 주위에 동심으로 감기는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    1차 와인딩 및 2차 와인딩의 각각은 코어 주위에 선형으로 감겨서, 각각의 와인딩이 복수 개의 선형으로 배열되고 인접한 권선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차 와인딩은 1차 와인딩보다 코어에 더 근접하게 동심으로 위치되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 트랜스포머는,
    자성 리턴 경로를 제공하고 코어, 1차 와인딩 및 2차 와인딩을 수용하는 자성재료의 외부 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  10. 제 9 항에 있어서,
    외부 재킷은 단일의 가늘고 긴 중공 실린더형 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  11. 제 9 항에 있어서,
    외부 재킷은 복수 개의 재킷 세그먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각각의 재킷 세그먼트는 구성에 있어 중공 실린더형이고, 재킷 세그먼트들은 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연 매체는 액체 및 고체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 재킷 내의 보이드들은 액체 및 고체 중 적어도 하나를 포함하는 절연 매체에 의해 충진되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 트랜스포머를 포함하는 차량용 점화 시스템에 있어서,
    2차 와인딩의 일종단은 적어도 하나의 점화 플러그에 연결되고, 트랜스포머는 1차 와인딩에 연결된 발진 회로에 의해 동조하며 구동되는 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    발진 회로의 발진 주파수는 100㎑ 내지 3㎒인 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
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