KR20140030678A

KR20140030678A - 고전압용 트랜스포머 구조체

Info

Publication number: KR20140030678A
Application number: KR1020120097142A
Authority: KR
Inventors: 이병모
Original assignee: 이병모
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-12
Also published as: KR101392045B1

Abstract

본 발명은 두 개 이상의 나노 비 정질 토로이달 코어, 이 토로이달 코어에 어느 하나에 소정 수로 권선 한 하나 이상의 평판형 나노 코일로 형성한 권선부로 이루어진 입력 전압이 인가되는 입력부와 또 다른 하나 이상의 토로이달 코어에 소정 수로 권선 한 평판형 나노 코일의 출력 측 권선부들로 이루어져 고전압출력을 안정적으로 발생시키는 고전압용 트랜스포머 구조체이다.

Description

고전압용 트랜스포머 구조체 {Transformer Structure For High Voltage}

본 발명은 나노 비 정질 토로이달 코어를 이용한 트랜스포머에 관한 것으로, 특히 적어도 2개 이상의 나노 비 정질 토로이달 코어와 이 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 권선 하여 하나 이상의 입력 및 출력 권선부를 형성하도록 한 두 개 이상의 트랜스포머의 배열로 되는 고전압용 트랜스포머 구조체를 제공하는 데 있다.

대표적인 종래 기술은 미국 특허 제7271696호가 있으며, 이 특허에서는 전기적 배전 및 전력 산업용 승압 또는 강압 전원의 변압을 위한 두 부분의 트랜스포머 코어를 개시하고 있다. 이 트랜스포머 코어는 나노 비 정질 코어를 이용하여 두 부분의 코어로 이루어져 있고, 일부분이 다른 부분 내에 동심원상으로 배열되고 이 두 코어들에는 권선이 권취 되어 있다. 그러므로 이 두 코어 사이에 자속 경로를 제공하도록 하고 이 공간에 적어도 2개 이상의 권선이 설치되어야 하는데 따라 코어의 표면적이 트랜스포머의 열적 평형을 유지시키도록 결정해야 한다.

한편, 트랜스포머에 관련하여 일반적으로 1차 권선에 인가된 전압은 전류를 흐르도록 하고 제1 맥스웰 방정식에 따라 1차 코일 내에서 자장을 발생시킨다. 이 자장이 코어 내에 유도 변환을 일으키게 되며, 제1 맥스웰 방정식은 제2 맥스웰 방정식에 따라 턴 수를 비례하여 변환된 전압을 유도한다. 이때, 사용되는 높은 무한 자기 전도도에 의하면 이상적인 코어 재질은 1차 권선에 의하여 발생되는 자속을 보유하게 되어서 2차 권선의 모든 권취 수와 연관된다. 전류와 전압 입력 값은 권선비에 대한 출력 값과 다르다.

그러나 실제 트랜스포머는 코어 재질과 권선으로 인한 손실과 기생 용량이 감안되어야 한다. 이러한 점에서 이 발명에서 사용되는 나노 비 정질 코어는 일반 페라이트 코어보다 약 10배 이상의 투자율을 갖는다. 이는 비교적 낮은 자기 전류에서 야기될 수 있는 비교적 높은 메인 인덕턴스를 의미한다.

이러한 사실에 비추어, 이 특허는 개선된 효율과 개선된 열 분산 효율을 가지나, 고압 트랜스포머에 적용되어서는 제한된 공간에서 충분한 면적의 확보가 어렵고 벽과 벽 사이의 절연 처리가 어렵다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위하여 본 출원인의 한국특허 제10-1086471호에는 고전압용 트랜스포머가 개시되어 있으며, 이 특허는 하나 또는 두 개의 케이스, 케이스의 중심으로 구획벽이 형성되고 이 구획벽을 중심으로 양측면에 하나 또는 2개 이상의 구획벽을 형성한 하나 이상의 1차 권선측과 2차 권선측을 형성한 동체; 1차 권선측에 중심에 적어도 하나의 구멍을 천공하고 이 구멍을 중심으로 형성한 링 형의 수납부와 이 수납부 내에 위치되는 하나 이상의 나노 비 정질 토로이달 코어와 입력 전압에 대하여 이 토로이달 코어에 소정 수로 코일을 권선한 하나 이상의 코일부들로 이루어진 입력 측 권선부와; 2차 권선측에 적어도 하나 이상의 구멍을 천공하고 이 구멍들을 중심으로 형성하는 링 형의 수납부, 이들 수납부에 각각 위치되는 하나 이상의 나노 비 정질 토로이달 코어와 소정의 출력 전압을 발생시키도록 각 토로이달 코어에 대하여 소정 수로 권선된 하나 이상의 코일부들로 이루어진 하나 이상의 출력 측 권선부들로 구성되어 있다. 이 특허는 나노 비 정질 코어를 이용한 트랜스포머를 축조하는데 있어 코어 면적의 제한을 없이하고 열 분산이 용이하고 다양한 출력을 얻을 수 있었다.

그러나, 이 특허는 고전압 과부하에 대하여 취약하여 장시간 사용시에는 정상온도보다 높아져 과열의 우려가 있고 현재 경박 단소화 되는 경향에 비추어 소형화에는 제한이 있다.

이러한 점에서 트랜스포머는 사용시 언제나 일정한 온도를 유지하고 전자응용기기의 소형화를 위한 설계를 가능하게 하고 안정적인 출력을 얻는다면 바람직하다.

따라서, 본 발명은 적어도 2개 이상의 트랜스포머로 구성되고, 트랜스포머들로 구성되는 나노 비 정질 토로이달 코어들을 병렬 구성하고 이 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 권선 하여 하나 이상의 입력부 및 출력부를 형성하므로 고전압 출력을 안정적으로 제공하는 고전압용 트랜스포머 구조체를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 2개 이상의 쌍을 이룬 트랜스포머로 구성되고 트랜스포머들로 구성되는 나노 비 정질 토로이달 코어, 이 토로이달 코어들에 하나거나 두 개의 평판형 나노 코일을 다수 회 권선 하여 하나 이상의 입력부 및 출력부를 형성하므로 열 분산이 용이하고 고전압 출력을 안정적으로 제공하는 것이 가능한 고전압용 트랜스포머 구조체를 제공 하는 데 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 고전압용 트랜스포머 구조체는 두 개 이상의 트랜스포머, 설치 하고자 하는 트랜스포머의 수에 대응하는 나노 비 정질 토로이달 코어, 일부의 비 정질 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 각각 다수 회 권선 하여 형성한 하나 이상의 권선부로 이루어진 입력부 및 다른 부분의 비 정질 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 권선 하여 형성한 하나이상의 권선부로 이루어진 출력부로 구성하여 일체로 조립된다.

권선부는 일정 두께와 폭을 가진 다수의 ㄷ 자형의 비 정질 나노 평판으로 구성되고, 각 평판의 일 측변을 절취하는데, 제1 평판이 우측, 제2 평판이 상부, 제3 평판이 좌측, 제4 평판이 하측, 제5 평판이 다시 우측 변이 절취되는 방식으로 배열되고, 각 평판 마다 절취 변의 상하변이 번갈아 결합 되게 하여 토로이달 코어에 감기는 코일로 구성된다.

본 발명은 독립적인 나노 비 정질 토로이달 코어들과 이 코어들에 평판형 비 정질 코일을 다수 권선하여 형성한 입력부와 출력부들이 열 분산이 용이하게 하여 안정적으로 고전압 출력을 발생시키는 우수한 성능을 갖게 한 고전압용 트랜스포머 구조체이다.

도 1은 트랜스포머의 일반적인 원리의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트랜스포머 구조체의 구성을 보인 개략적인 도면이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 트랜스포머 구조체의 구성을 보인 개략적인 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 트랜스포머 구조체의 각 코일의 구성을 보인 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 트랜스포머 구조체의 코일의 연결 구성을 보인 도면이다.

본 발명을 첨부 도면에 근거하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

본 발명은 나노 비 정질 금속 박판의 원형 롤러이거나 대략 사각형이 롤러 형태로 되는 절단 없이 스트립 형상으로 권취(Rolling) 되는 토로이달 코어를 다수 이용하는 기술에 관한 것이고 각 코어는 고 투자율과 고 포화 자기 속성을 가지며 높은 바이어스 전류 하에서도 상당한 노이즈 감소를 나타낸다.

본 발명의 원리에 따라 나노 비 정질 토로이달 코어를 트랜스포머에 적용하는 경우 온도 상승을 감안하여 인가 주파수에 따라 최적의 인덕턴스와 최적의 전류 밀도가 각 코어 재질과 코어 크기를 위하여 산출되어야 한다. 그러나 이는 이미 잘 알려진 기술이고 최대 출력 전원은 다음과 같이 산출된다.

여기서,

는 수백 KHz의 주파수이고,

는 자속 밀도이며,

는 투자율이다.

또한 본 발명에 따른 트랜스포머에서는 1차 권선에 인가되는 전압과 이 전압에 의하여 코어에서 자기 인덕션이 최적의 인덕션을 초과하지 않도록 1차 권선의 권선수가 결정된다. 하나 이상의 2차 권선의 권선수는 출력 전압을 1차 코어의 최적 인덕턴스로 나눈 값으로 결정된다.

이와 같은 기술적 개념에 근거하여 토로이달 코어를 이용한 본 발명에 따른 트랜스포머 구조체(1)는 도 1에 도시와 같이 입력측 권선부의 1차 코일과 출력측 권선부의 2차 코일의 구성비가 16: 4: 4거나 9: 4: 4로 이루어진다. 그러나 이 구성은 단일체의 코어구조로 되는 트랜스포머가 아닌 2개 이상의 쌍을 이룬 독립적인 토로이달 코어와 이 토로이달 코어에 결합되는 ㄷ 자형의 다수의 비 정질 나노 평판으로 코일을 형성하는 권선부들로 구성된다.

도 2에 도시와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머구조체(1)는 입력 전압을 인가하는 입력측에 설치한 제1 트랜스포머(10), 출력 측에 설치한 제2 및 제3 트랜스포머(20) 및 (30)와 이들 트랜스포머(10. 20, 30)들에 각각 설치되는 제1, 제2 및 제3의 토로이달 코어(11), (21), (31)와 입출력 권선부(12, 12', 22, 32)들로 구성되고 조립된다. 도면에서는 이해를 돕기위하여 제1 트랜스포머(10)와 제2 및 제3 트랜스포머(20), (30)들이 일직선으로 배열된 것으로 나타나나 서로 마주보게 축조될 수 있다.

즉, 제1 트랜스포머(10)는 비 정질 나노 코어로 구성되는 제1 토로이달 코어(11)와 제1 토로이달 코어(11)에 일차 코일을 형성하는 제1 및 제2입력부(12)(12')로 구성된다. 제1 입력부(12)는 제1 일차코일로써 이후 상세히 기술되는 평판형 비 정질 제1 입력 나노 코일이 제1 토로이달 코어(11)와 제2 트랜스포머(20)의 제2 토로이달 코어(21)에 권선 되어 형성되고, 제2 입력부(12')는 평판형 비 정질 나노 코일이 제2 일차코일로써 제2 입력 나노 코일이 제1 토로이달 코어(11)와 제3 트랜스포머(30)의 제3 토로이달 코어(31)에 권선 되어 형성된다. 제1 출력부(22)는 제1 이차 코일로써 제1 출력 나노 코일이 권선 되어 구성되고, 제2 출력부(32)는 제2 이차코일로써 제2 출력 나노 코일 권선 되어 형성된다. 여기서, 제1 출력부(22)는 제2 토로이달 코어(21)에 형성되고, 제2 출력부(32)가 제3 토로이달 코어(31)에 형성되어 출력단자(C) 및 (D)를 갖는 구성이다. 입력 전압은 제1 토로이달 코어(11)에 형성한 제1 및 제2 입력단자 (a)와 (b)에 인가되므로 단자(c) 및 (d)로 고전압 출력이 발생 된다. 이 구성은 필요에 따라 하나의 케이스에 축조된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 예에서는 도 3에 도시와 같이, 제1 및 제2 트랜스포머(10) 및 (20)들이 나란히 서로 마주보고 인접하여 있는 상태로 설치된다, 즉, 제1 및 제2 트랜스포머(10)(20)는 그들 각각에 설치되는 제1 및 제2 토로이달 코어(11) 및 (21)과 입출력 권선부(12, 12', 22, 22')들로 구성되고 조립된다.

제1 트랜스포머(10)는 비 정질 나노 코어로 구성되는 제1 토로이달 코어(11)와 제1 토로이달 코어(11)에 일차 코일을 형성하는 제1 및 제2입력부(12)(12')로 구성된다. 제1 입력부(12)는 제1 일차코일로써 평판형 비 정질 제1 입력 나노 코일이 제1 토로이달 코어(11)와 제2 토로이달 코어(21)에 권선 되어 형성되고, 제2 입력부(12') 또한 제2 일차코일로써 제2 입력 나노 코일이 제1 토로이달 코어(11)와 제2 토로이달 코어(21)에 권선 되어 형성된다. 제1 출력부(22)는 제1 이차 코일로써 제1 출력 나노 코일이 제1 토로이달 코어(11)와 제2 토로이달 코어(21)에 권선 되어 형성되고, 제2 출력부(22')는 제2 이차코일로써 제2 출력 나노 코일이제1 토로이달 코어(11)와 제2 토로이달 코어(21)에 권선 되어 형성된다. 그러므로 입력 전압은 제1 토로이달 코어(11)에 형성한 제1 및 제2 입력단자 (a)와 (b)에 인가되고, 단자(c) 및 (d)로 고전압 출력이 발생 된다. 이 구성은 필요에 따라 하나의 케이스에 축조된다.

권선부(12, 12', 22, 22', 32)는 ㄷ 자형의 평판으로 되는 다수의 비정질 나노 코일들로 구성되는 데 이 비정질 나노 코일은 16: 4: 4의 평판의 수 또는 9:4:4의 평판의 수 비율로 이루어진다.

이 비 정질 나노 코일은 도 4 및 도 5에 도시와 같이, 각 평판의 일 측변을 절취하는데, 제1 평판(41)이 우측, 제2 평판(42)이 상부, 제3 평판(44)이 좌측, 제4 평판(45)이 하측, 제5 평판(46)이 다시 우측 변이 절취되는 방식으로 배열되고, 평판마다 절취 변으로 되는 상하변이 번갈아 결합 되게 하여 토로이달 코어에 감기는 코일로 구성된다. 즉, 제1 평판(41)의 단부A가 제2 평판(42)의 담부C와 결합 되게 한다. 마찬가지로, 제2 평판(42)의 단부D가 제3 평판(43)의 담부E와 결합 되게 하고, 제3 평판(43)의 단부F가 제4 평판(44)의 담부G와 결합 되게 하며, 제4 평판(44)의 단부H가 제5 평판의 단부I와 결합 되게 하므로 소정의 수로 권선 되는 코일을 형성한다.

이들 제1, 2, 3, 4,... 평판(41, 42, 43, 44, ..)들은 개별적으로 트랜스포머의 토로이달 코어(21, 31, 41)들에 삽입되고 순서에 따라 단부와 단부가 연결되어 트랜스포머구조체의 조립을 완성한다.

따라서, 용접 장치는 일차 및 2차 코일이 권취 되는 2개 이상의 토로이달 코어가 열 분산이 효과적으로 하고 안정적으로 고전압을 발생한다.

10, 20, 30: 트랜스포머 11, 21, 31: 트로이달코어
12, 12', 22, 22': 입출력 권선부 41, 42, 43, 44: 평판

Claims

고전압용 트랜스포머 구조체에 있어서,
두 개 이상의 트랜스포머, 설치하고자 하는 트랜스포머의 수에 대응하는 나노 비 정질 토로이달 코어, 일부의 비 정질 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 각각 다수 회 권선 하여 형성한 하나 이상의 권선부로 이루어진 입력부 및 다른 부분의 비 정질 토로이달 코어들에 평판형 나노 코일을 권선 하여 형성한 하나이상의 권선부로 이루어진 출력부로 구성하여 일체로 조립 한 것을 특징으로 하는 고압용 트랜스포머 구조체.
제 1 항에 있어서,
권선부가 일정 두께와 폭을 가진 다수의 ㄷ 자형의 비 정질 나노 평판으로 구성되고, 각 평판의 일 측변을 절취하는데, 제1 평판이 우측, 제2 평판이 상부, 제3 평판이 좌측, 제4 평판이 하측, 제5 평판이 다시 우측 변이 절취되는 방식으로 배열되고, 각 평판 마다 절취 변의 상하변이 번갈아 결합 되게 하여 토로이달 코어에 감기는 코일로 구성한 것을 특징으로 하는 고전압용 트랜스포머 구조체.