RU2399980C2 - Чередующиеся первичная и вторичная обмотки плоского трансформатора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трансформаторах для рентгеновских трубок и устройств компьютерной томографии. Технический результат состоит в повышении удельной мощности. Обмотка для трансформатора содержит первую и вторую плоские секции, которые расположены параллельно друг другу. Первый и второй контуры тока расположены на первой и второй плоских секциях. Первый и второй контуры тока соединены друг с другом с помощью взаимного соединения. Первый и второй контуры тока, соответственно, расположены под углом относительно направления, вдоль которого проходят первая и вторая плоские секции. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к области трансформаторов и обмоток трансформатора, в частности к обмоткам для высоковольтных трансформаторов, таких, которые могут применяться для рентгеновских трубок и устройств компьютерной томографии. В частности, настоящее изобретение относится к обмотке для трансформатора и к устройству компьютерной томографии.

Высоковольтные трансформаторы представляют собой основные модули высоковольтных генераторов, подающих высокую мощность (пиковые напряжения выше 100 кВт), при высоких напряжениях (пиковые значения выше 100 кВ) в рентгеновские трубки для медицинской диагностики. Существует тенденция использования еще более высоких уровней мощности для улучшения качества изображения. Уменьшение размера и веса высоковольтных трансформаторов и генераторов, в частности, в области устройства компьютерной томографии всегда желательно, поскольку это позволяет увеличить скорость вращения рамки, что также позволяет получить улучшенное качество изображения.

Может потребоваться обеспечить повышенную плотность мощности высоковольтных трансформаторов.

В соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения предусмотрена обмотка для трансформатора, в частности для высоковольтного трансформатора, которая содержит первую плоскую секцию и вторую плоскую секцию. Первая плоская секция параллельна второй плоской секции. Первая и вторая плоские секции проходят вдоль первого направления, которое в соответствии с вариантом данного примерного варианта воплощения может быть круговым направлением. Кроме того, предусмотрен первый контур тока и второй контур тока, и первое взаимное соединение. Первое взаимное соединение соединяет первый контур тока со вторым контуром тока. Первый контур тока проходит на первой плоской секции во втором направлении, и второй контур тока проходит на второй плоской секции в третьем направлении. Второе и третье направления, соответственно, расположены под углами к первому направлению, и второе направление, по меньшей мере, частично противоположно третьему направлению.

Если, например, будет предусмотрен цилиндрический трансформатор, контуры тока могут быть расположены параллельно друг другу и могут быть выполнены с чередованием с использованием параллельных цилиндрических витков на (смежных) слоях или плоских секциях компоновки обмотки. В нескольких местах, например периодически на окружности слоев, каждый контур тока продвигается от его текущего витка к соседнему витку на соответствующем смежном слое. В соответствии с одним аспектом, все контуры тока в одном слое могут продвигаться в одном и том же направлении. Это направление является противоположным для двух смежных слоев или плоских секций. Контур тока, который достиг кромки одного слоя, продвигается к другому слою, то есть может быть соединение между контурами тока в соответствующих слоях, которое может быть выполнено с использованием взаимного соединения. Такие витки могут быть предусмотрены с разной шириной. Например, внутренний цилиндрический виток может быть тоньше или меньше, чем соответствующие внешние витки.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут понятны из и представлены со ссылкой на варианты воплощения, описанные ниже.

Примерные варианты воплощения настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на следующие чертежи.

На фиг.1 показано устройство компьютерной томографии с плоским высоковольтным трансформатором, в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения, содержащим обмотку для трансформатора в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.2 показан вид в горизонтальном разрезе через укладку вторичной обмотки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения трансформатора по фиг.1.

На фиг.3 показаны два слоя вторичной обмотки.

На фиг.4 показаны два слоя вторичной обмотки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.5 показаны два слоя вторичной обмотки в соответствии с другим примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.6 показаны два слоя вторичной обмотки в соответствии с другим примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.7 показан вид в горизонтальном разрезе через первичную обмотку трансформатора по фиг.1.

На фиг.8 показаны два слоя первичной обмотки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения, в том виде, как его можно использовать в трансформаторе по фиг.1.

В следующем описании одинаковые номера ссылочных позиций используются для обозначения одинаковых или соответствующих элементов на фиг.1-8.

Номером 1 ссылочной позиции на фиг.1 обозначено устройство компьютерной томографии, содержащее плоский высоковольтный трансформатор 2. Первичные обмотки 20, 22, 24 и 26 плоского высоковольтного трансформатора имеют соотношение размеров, которое является типичным для плоских обмоток - горизонтальный размер выполнен большим по сравнению с вертикальным размером. Вследствие этого тепло, вырабатываемое в такой первичной обмотке, может быть отведено через ее верхнюю и нижнюю поверхности. Однако для высоковольтных вторичных обмоток 30 и 32 обычно требуется большое количество витков. Поэтому вертикальные размеры будут сравнимы с горизонтальными размерами. Вследствие этого тепло следует отводить от центра укладки вторичной обмотки так, как показано на позициях 30 и 32. Трансформатор, в частности вторичные обмотки, могут быть встроены в среду 5 охлаждения, такую как трансформаторное масло.

Вид в поперечном сечении плоского трансформатора, изображенный на фиг.1, показывает, что первичные обмотки 20, 22, 24 и 26 и вторичные обмотки 30 и 32 намотаны вокруг центральной ножки 12 сердечника 10. Кроме того, предусмотрены внешние ножки 14 и 16.

На фиг.2 показан вид в горизонтальном разрезе через одну укладку обмотки (укладка 30 обмотки) укладок 30 и 32 вторичных обмоток. Вид в поперечном разрезе, изображенный на фиг.2, через укладку вторичной обмотки показывает центральную ножку 12 и внешние ножки 14 и 16 сердечника. На следующих фиг.3, 4, 5 и 6 соответствующие обмотки показаны в виде прямоугольной формы, вместо цилиндрической формы, что обеспечивает возможность лучшего представления. Однако из-за отверстия цилиндрической формы горизонтальные границы соответствуют линии 42, изображенной на фиг.2.

На фиг.3 показаны два слоя 40 и 50 вторичной обмотки с четырьмя витками, каждый в том виде, как он может использоваться при такой укладке обмотки. Фактически, эти витки, как уже упоминалось выше, имеют такую же цилиндрическую форму, что и укладка 30 обмотки, изображенная на фиг.2, а не прямоугольную форму, показанную на фиг.3. Однако прямоугольная форма используется для более краткого представления компоновки обмотки.

Ток поступает в слой 40 через вывод 45, протекает последовательно через витки 41, 42, 43 и 44, протекает от слоя 40 к слою 50 через сквозное соединение 46/56, затем протекает последовательно через витки 51, 52, 53 и 54 и, наконец, выходит из слоя 50 через вывод 55.

Может оказаться трудным отводить тепло от внутренних витков 42, 43, 52, 53, если эти слои расположены близко к центру укладки 30 обмотки в вертикальном направлении по фиг.1. Тепло должно проходить или через несколько изолирующих слоев в вертикальном направлении, или через несколько цилиндрических колец изоляции в радиальном направлении. В высоковольтной вторичной обмотке эта проблема может оказаться критической, поскольку здесь может быть значительно больше витков, чем четыре витка на слой, показанные на фиг.3.

Обычно изолирующий материал имеет плохую теплопроводность и, поэтому, эти области препятствуют отводу тепла. В дополнение к этим каналам отвода тепла, тепло также может быть отведено через цилиндрические медные витки, которые все взаимно соединены. Однако в результате получается длинный контур с малым поперечным сечением и, поэтому, он незначительно увеличивает теплопроводность в радиальном направлении, несмотря на хорошую теплопроводность меди.

На фиг.4 показаны два слоя вторичной обмотки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения, в том виде, как его можно использовать в трансформаторе, изображенном на фиг.1 и 2. Номером 60 ссылочной позиции обозначен первый слой, и номером 70 ссылочной позиции обозначен второй слой. Эти слои могут представлять собой соседние слои вторичной обмотки 30 и могут быть расположены один над другим. Как можно видеть на фиг.4, ток поступает в слой 60 через вывод 61. Затем он протекает через сквозное соединение 601/701 и меняет слой на слой 70. Затем он протекает через другое сквозное соединение 602/702 и затем снова протекает в слой 60. Такое чередование проводимости тока продолжается до тех пор, пока он не достигнет сквозного соединения 614/714 и затем выйдет из слоя 60 через вывод 62.

Как можно видеть на фиг.4, следуя по контуру тока, расстояние между последовательными сквозными соединениями, такими как 701/702 и 602/603, является относительно коротким по сравнению с, например, контуром тока от внешнего соединения 45 до сквозного соединения 46 по фиг.3. Кроме того, эти сквозные соединения локально расположены близко к поверхности блока вторичной обмотки и, таким образом, могут находиться в хорошем тепловом контакте со средой 5 охлаждения, например трансформаторным маслом, которая окружает блок вторичной обмотки, как изображено на фиг.1. Другими словами, сквозные соединения находятся на внутренней/внешней поверхности блока обмотки и, таким образом, находятся в хорошем тепловом контакте со средой 5 охлаждения, в которой установлен блок обмотки. В частности, может обеспечиваться хороший тепловой контакт между блоком вторичной обмотки и окружающей охлаждающей средой, поскольку сквозные соединения расположены параллельно поверхности блока вторичной обмотки на значительном расстоянии. Таким образом, тепло может транспортироваться от любой части обмотки к внешней поверхности блока вторичной обмотки и от него в окружающую среду охлаждения с улучшенной скоростью по сравнению с компоновкой обмотки, показанной на фиг.3.

Как упомянуто выше, контур тока (например, контур от позиции 705 до позиции 706) может быть реализован с использованием слоев меди.

Как также можно видеть на фиг.4, слои проходят, по существу, параллельно друг другу и в представлении, показанном на фиг.4, в основном, горизонтально. Основное направление контура тока в слое 70 обозначено ссылочной позицией A. Как обозначено ссылочной позицией A, основное направление контура тока происходит с левой верхней стороны к правой нижней стороне. Другими словами, основное направление контура тока распложено под углом к основному направлению, вдоль которого проходит слой 70, которое на фиг.4 представляет собой горизонтальное направление. К тому же, как обозначено ссылочной позицией B, основное направление контура тока в слое 60 идет от левой нижней стороны к верхней правой стороне. Все контуры тока в слое 70 имеют, в основном, одинаковое направление. К тому же, все контуры тока в слое 60 также имеют, по существу, одинаковое направление. Как в слоях 70, основное направление контуров тока расположено под углом к основному направлению, вдоль которого проходит слой 60 (на фиг.4 под углом к горизонтали). Как обозначено ссылочными позициями А1 и B1, основные направления A и B находятся под углом к горизонтальному направлению в противоположные стороны. Предпочтительно, в представлении, показанном на фиг.4, угол основного направления А к горизонтальному направлению равен углу между основным направлением B и горизонтальным направлением. Однако эти углы имеют противоположные алгебраические знаки или противоположные направления.

Или, другими словами, компоненты вектора основных направлений A и B, которые не являются параллельными горизонтальному направлению, являются противоположными друг другу.

К тому же, как можно, в частности, видеть на фиг.4, контуры тока могут проходить пошагово, то есть не обязательно находятся в однородном направлении вдоль своих контуров тока, но могут включать в себя участки, которые проходят горизонтально, и участки, которые проходят под большим углом к горизонтальному направлению, в качестве основного направления.

Подвод тока через вывод 61 и 62 обычно происходит снаружи соответствующей цилиндрической обмотки. Таким образом, соответствующие верхние стороны на фиг.4 представляют собой соответствующие внутренние секции вторичной обмотки с цилиндрической формой. В варианте этого примерного варианта воплощения ширина соответствующего контура тока может уменьшаться в направлении соответствующих внутренних сторон, то есть в направлении верхних сторон, в представлении по фиг.4.

На фиг.4 части 61/601 и 612/613 в слое 60 и 701/702 и 713/714 в слое 70 контура тока имеют наибольшую разность напряжений относительно друг друга. Для исключения пробоя напряжения между этими контурами тока расстояние между этими двумя контурами тока может быть увеличено по сравнению с другими контурами тока.

На фиг.5 представлен другой примерный вариант воплощения двух слоев вторичной обмотки, который можно использовать в трансформаторе, изображенном на фиг.1 и 2. Как можно видеть на фиг.5, расстояние между медными слоями контуров тока было увеличено путем удаления частей 612/613 и 713/714 контуров тока. Конечный участок части 711/712 контура тока был перемещен от сквозного соединения 712 к сквозному соединению 714. Благодаря этому изоляция между контурами тока, между которыми существует наибольшая разность напряжений, увеличивается, и благодаря этому обеспечивается улучшенная защита от пробоя для этих контуров тока.

На фиг.6 показаны два слоя вторичной обмотки в соответствии с другим примерным вариантом воплощения настоящего изобретения, в том виде, как его можно использовать и применять в трансформаторе, изображенном на фиг.1 и 2. Как можно видеть на фиг.6, по сравнению с фиг.4 и 5, один вывод 61 подачи тока расположен в слое 60, и другой выходной вывод 72 расположен в слое 70. Благодаря этому расстояние между соответствующими выводами увеличивается, что обеспечивает возможность увеличения изоляции между выводами 61 и 71.

На описанных выше фиг.4-6 контур тока в обмотках показывает ступенчатое изменение соответствующих направлений и их диаметра. Следует отметить, что это также может быть выполнено линейно. К тому же, вместо изменения диаметров может изменяться ширина соответствующего контура тока. К тому же, толщина соответствующего контура тока может быть адаптирована к соответствующей нагрузке.

Предполагается, что примерные варианты воплощения вторичных обмоток, изображенные на фиг.4-6, позволяют получить улучшенное охлаждение и, таким образом, обеспечивают возможность улучшенной или большей плотности мощности высоковольтных трансформаторов, например, для высоковольтных генераторов рентгеновских трубок. Это может быть предпочтительным для уменьшения объема и высоты, требуемой для генерирования высокого напряжения на рамке компьютерных томографов.

На фиг.7 представлен вид в горизонтальном разрезе через одну обмотку 20 первичных обмоток 20, 22, 24 и 26 плоского высоковольтного трансформатора, изображенного на фиг.1. Первичная обмотка предназначена для протекания большого тока. Поэтому один единственный виток может быть выполнен в каждом слое первичной обмотки, в котором используется практически полная ширина обмотки. Другими словами, первичные обмотки могут представлять собой одновитковые обмотки. Благодаря цилиндрической форме контура тока ток будет протекать, в основном, близко к внутреннему радиусу витка, в результате чего возникают высокая плотность тока и потери во внутренних периферийных областях обмотки. Такой одиночный виток может быть разделен на множество параллельных витков, которые разделены зазорами. Однако, это не может значительно улучшить ситуацию, поскольку большая часть тока будет протекать в витке, который расположен ближе всего к внутреннему радиусу слоя.

На фиг.8 показаны два слоя в соответствии с примерным вариантом воплощения первичной обмотки, в том виде, как его можно использовать в трансформаторе, изображенном на фиг.1. Как и на фиг.4-6, параллельное и нецилиндрическое представление используется для представления размещения соответствующего контура тока в слоях 70 и 80. Как и в описанных выше примерных вариантах воплощения вторичных обмоток, два слоя 70 и 80 используются для чередования контуров тока 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97 и 98. Ток поступает в вывод 71 и распределяется вдоль ширины слоя 70. Электрический ток, протекающий через вывод 71, разделяется между двумя слоями 70 и 80 в сквозном соединении 72/82. От сквозного соединения 82 он распределяется вдоль ширины слоя 80. В слоях 70 и 80, токи немедленно разделяются на соответствующие параллельные контуры 91-98 тока, которые, как и контур тока, показанный на фиг.4-6, по существу, проходят в основном направлении A и B, которое, соответственно, направлено наклонно к горизонтальному направлению, вдоль которого проходят слои 70 и 80 на фиг.8. Как и на фиг.4-6, A и B, соответственно, расположены под углом к горизонтали, в общем, под одинаковыми углами. Однако эти углы, соответственно, имеют противоположные математические знаки или направления. К тому же, как уже было упомянуто со ссылкой на упомянутые выше варианты воплощения вторичных обмоток, компоненты вектора A и B, которые непараллельны горизонтали, а именно А1 и B1, направлены противоположно друг другу.

После практически полного движения вокруг центральной ножки 12 трансформатора параллельные контуры 91-98 тока соединяются снова друг с другом в направлении ширины слоев 70 и 80. В этих точках соединения предусмотрено другое сквозное соединение 74/84, с помощью которого ток возвращается к слою 70, где он выходит из слоя 70 через вывод 73.

Предусмотрены сквозные соединения 75, через которые контуры тока могут переходить с витка одного слоя к последующему витку соответствующего другого слоя. Контур тока проходит от одного витка к соседнему витку в местоположении этих сквозных соединений, которые могут быть распределены периодически вокруг окружности слоя. Благодаря такой компоновке каждый контур тока охватывает, по существу, одинаковую долю каждого витка двух слоев. Это позволяет сделать контуры тока эквивалентными в отношении их электромагнитного поведения, и суммарный ток будет распределен, по существу, равномерно между ними. Благодаря этому считается, что токи в отдельных контурах тока могут быть уменьшены. Кроме того, считается, что это может обеспечить возможность однородного распределения тока.

Структура первичной обмотки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения, как считается, позволяет обеспечить меньшие потери и повысить плотность мощности высоковольтных трансформаторов для высоковольтных генераторов, предназначенных для рентгеновских трубок. В частности, может быть полезным уменьшить объем и вес, требуемые для генерирования высокого напряжения на рамке компьютерных томографов.

Как отмечено выше, трансформатор в соответствии с примерным вариантом воплощения может содержать компоновку вторичной обмотки, как описано со ссылкой на фиг.2-6, или компоновку первичной обмотки, как описано со ссылкой на фиг.7-8. В частности, такие трансформаторы и/или такие компоновки обмоток могут применяться в вариантах применения, в которых требуется обеспечить высокие плотности мощности, такие как в высоковольтных трансформаторах, предназначенных для высоковольтных генераторов для рентгеновских трубок применяемых в медицинской диагностике. Однако следует отметить, что такие компоновки обмоток также можно применять в силовых трансформаторах всех видов.

Следует отметить, что «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и что признаки, приведенные в единичном числе, предполагают их трактовку в формуле также и во множественном числе. Кроме того, ссылочные позиции не следует использовать для ограничения объема формулы изобретения.

Claims (13)

1. Обмотка для трансформатора, содержащая:
первую плоскую секцию и вторую плоскую секцию;
в которой первая плоская секция параллельна второй плоской секции;
в которой первая и вторая плоские секции проходят вдоль первого направления;
первый контур тока и второй контур тока;
первое взаимное соединение;
в котором первое взаимное соединение соединяет первый контур тока со вторым контуром тока;
в котором первый контур тока проходит на первой плоской секции во втором направлении;
в котором второй контур тока проходит на второй плоской секции в третьем направлении;
в котором второе и третье направления расположены, соответственно, под углом к первому направлению и
в котором второе направление, по меньшей мере, частично противоположно третьему направлению.

2. Обмотка по п.1, в которой первая и вторая плоские секции, по меньшей мере, частично выполнены с приданием им цилиндрической формы так, что первое направление представляет собой круговое направление;
в которой первая и вторая плоские секции каждая имеет внутреннюю периферийную область на внутренней стороне цилиндрической формы и внешнюю периферийную область на внешней стороне цилиндрической формы;
в которой первый контур тока проходит на первой плоской секции от внутренней области к внешней области и
в которой второй контур тока проходит на второй плоской секции от внешней области к внутренней области.

3. Обмотка по одному из пп.1 и 2, дополнительно содержащая:
третий контур тока, проходящий на первой плоской секции, по существу, параллельно первому контуру тока;
четвертый контур тока, проходящий на второй плоской секции, по существу, параллельно второму контуру тока;
в которой первое взаимное соединение соединяет первый конец первого контура тока с первым концом второго контура тока;
в которой второе взаимное соединение предназначено для соединения второго конца второго контура тока с первым концом третьего контура тока;
в которой третье взаимное соединение предусмотрено между вторым концом третьего контура тока и первым концом четвертого контура тока.

4. Обмотка по п.2, в которой, взаимные соединения расположены во внутренней и внешней периферийной областях первой и второй плоских секций таким образом, что, когда контур тока на одной из первой и второй плоских секций достигает одной из внутренней и внешней периферийной областей, он будет продолжен через соответствующее взаимное соединение на соответствующей другой из первой и второй плоских секций.

5. Обмотка по п.3, в которой взаимные соединения расположены во внутренней и внешней периферийной областях первой и второй плоских секций таким образом, что, когда контур тока на одной из первой и второй плоских секций достигает одной из внутренней и внешней периферийной областей, он будет продолжен через соответствующее взаимное соединение на соответствующей другой из первой и второй плоских секций.

6. Обмотка по п.2, в которой первый контур тока имеет первую ширину и второй контур тока имеет вторую ширину;
в которой первый контур тока расположен ближе к внутренней периферийной области, чем второй контур тока;
в которой первая ширина меньше, чем вторая ширина.

7. Обмотка по п.3, в которой первый контур тока имеет первую ширину и второй контур тока имеет вторую ширину;
в которой первый контур тока расположен ближе к внутренней периферийной области, чем второй контур тока;
в которой первая ширина меньше, чем вторая ширина.

8. Обмотка по п.4, в которой первый контур тока имеет первую ширину и второй контур тока имеет вторую ширину;
в которой первый контур тока расположен ближе к внутренней периферийной области, чем второй контур тока;
в которой первая ширина меньше, чем вторая ширина.

9. Обмотка по п.5, в которой первый контур тока имеет первую ширину и второй контур тока имеет вторую ширину;
в которой первый контур тока расположен ближе к внутренней периферийной области, чем второй контур тока;
в которой первая ширина меньше, чем вторая ширина.

10. Обмотка по одному из пп.1 и 2, в которой обмотка представляет собой, по меньшей мере, одну из первичной обмотки и вторичной обмотки высоковольтного трансформатора.

11. Обмотка по п.3, в которой обмотка представляет собой, по меньшей мере, одну из первичной обмотки и вторичной обмотки высоковольтного трансформатора.

12. Обмотка по одному из пп.4-9, в которой обмотка представляет собой, по меньшей мере, одну из первичной обмотки и вторичной обмотки высоковольтного трансформатора.

13. Устройство компьютерной томографии, содержащее обмотку, причем эта обмотка имеет:
первую плоскую секцию и вторую плоскую секцию;
в котором первая плоская секция параллельна второй плоской секции;
в котором первая и вторая плоские секции проходят вдоль первого направления;
первый контур тока и второй контур тока;
первое взаимное соединение;
в котором первое взаимное соединение соединяет первый контур тока со вторым контуром тока;
в котором первый контур тока проходит на первой плоской секции во втором направлении;
в котором второй контур тока проходит на второй плоской секции в третьем направлении;
в котором второе и третье направления расположены, соответственно, под углом к первому направлению и
в котором второе направление, по меньшей мере, частично противоположно третьему направлению.

Images