(57)【要約】      （修正有）【課題】高電圧コイル付近のボビン表面から接地コアへのアークを防ぐ。【解決手段】内腔を備えるシェルと、少なくとも部分的に前記内腔から径方向に伸長し、一部導電性領域を備える少なくとも１つのフランジとを備えるボビン２０１であり、前記少なくとも１つのフランジは、少なくとも部分的に、低電圧部品と前記シェルに巻き付けられた電気コイルとの電圧差によって生成される電界の等電位線２０６を実質的に辿るような形状である。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内腔を備えるシェルと、
少なくとも部分的に前記内腔から径方向に伸長し、一部導電性領域を備える少なくとも１つのフランジと
を備えるボビン。
【請求項２】
前記シェルは、中空シェルまたは円筒形シェルを備える、請求項１に記載のボビン。
【請求項３】
前記少なくとも１つのフランジは、少なくとも部分的に、低電圧部品と前記シェルに巻き付けられた電気コイルとの電圧差によって生成される電界の等電位線を実質的に辿るような形状である、請求項１または２に記載のボビン。
【請求項４】
前記一部導電性領域は、前記少なくとも１つのフランジと低電圧部品との間の空間に位置する絶縁体の破壊電圧を超える電界強度に対応する、請求項１から３のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項５】
前記低電圧部品は、接地部品、または少なくとも１つの磁気コアの脚である、請求項４に記載のボビン。
【請求項６】
前記一部導電性領域の一部導電性と同等の体積抵抗率値を有する材料を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項７】
少なくとも１つの磁気コアを更に備え、前記内腔は、前記少なくとも１つの磁気コアの脚を概ね包囲する、請求項１から６のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項８】
前記シェルは、概ね円形、楕円形、正方形、長方形、角が丸みを帯びた多角形、または多角形状である外側表面を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項９】
前記一部導電性領域は、０．１オーム／スクエア〜１メガオーム／スクエアの範囲内の面積抵抗率を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項１０】
前記一部導電性領域は、低電位または電気接地に電気的に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項１１】
前記一部導電性領域は、前記領域の第１の端部から前記領域の第２の端部へ伸長する絶縁ギャップを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項１２】
前記領域を横断する電気的隔離ギャップを更に備え、前記電気的隔離ギャップは、前記領域が前記磁気コアを取り囲む閉電気接続を形成することを防ぐ、請求項１から１１のいずれか一項に記載のボビン。
【請求項１３】
前記電気的隔離ギャップは、前記ボビンを備える変圧器の磁界軸の方向に沿って配置される、請求項１２に記載のボビン。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のボビンを備える電気変圧器または誘導器。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のボビン、誘導器、または変圧器を備える高電圧電源および／またはインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体に関して参照によって本願に組み込まれる、２０１８年３月１６日に出願された、米国仮特許出願第６２／６７２，１１６号に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
本開示は、電子部品および電子部品を含むデバイスの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
変圧器のボビンは、変圧、隔離などのために磁気コアに巻き付けられるコイルを先験的に準備することを可能にする電気変圧器部品である。一般に、変圧器は、少なくとも１次巻線および２次巻線を有してよい。１次巻線は、入力電圧エレクトロニクスに電気的に接続され、２次巻線は、出力電圧エレクトロニクスに電気的に接続され得る。入力および出力電圧エレクトロニクスは、単純な電気導体、複雑なスイッチング／整流エレクトロニクスなどであってよい。
【０００４】
高電圧変圧器において、１次および／または２次巻線は、たとえば１キロボルト（ＫＶ）〜１００ＫＶなど、接地に対して非常に高い電圧を有してよく、たとえば直流および／または周期性電圧／電流成分など、交流（ＡＣ）および／または直流（ＤＣ）であってよい。高電圧巻線は、たとえばエポキシ、シリコン、ポリウレタンなどの絶縁樹脂（たとえばマトリックスなど）を用いて低電圧電子部品から絶縁され得る。高電圧、低電圧、および／または接地部品の間の電圧差は、たとえばボビン材料などを通して、絶縁体を越えて拡大する電界をもたらし、それによってボビン表面に電位を生成し得る。
【０００５】
一般に、高電圧変圧器は、高電圧電子部品と低電圧電子部品との間のエアギャップを制限するために、任意選択的に脱気を伴い、電気絶縁材料によって成形される。絶縁材料の誘電率は空気よりも大幅に高いため、ブレークダウン電圧が大幅に低下し、アーチングはほとんどまたは全く発生しない。
【発明の概要】
【０００６】
以下に示す概要は、単に説明を目的とした本発明の概念の一部の短い概要であり、広範な概観ではなく、重要または不可欠な要素を識別すること、あるいは本発明および発明を実施するための形態に示す例を限定または制限することが意図されるものではない。当業者は、発明を実施するための形態から、他の新規の組み合わせおよび特徴を認識する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書における本開示の態様によると、たとえばボビンなどのコイル支持構造の領域は、一部導電性材料、一部導電性表面などを備える。本明細書で用いられる場合、「ボビン」という用語は、たとえば変圧器、誘導器、中継器、電磁石、電源、インバータなどの一部のような任意のコイル支持構造を意味する。ボビンは、たとえば０．００１オームメータ〜１０キロオームメータの体積抵抗率を有する材料など、特定の所望の抵抗率を有する材料で作られてよく、（たとえば電源などの）より大きなデバイスの一部でもある部品（たとえば変圧器）の一部であってよい。ボビンは、たとえば０．０１オーム／スクエア〜１０メガオーム／スクエアなど、特定の所望の面積抵抗率を有する表面コーティングを備えてよい。ボビンの一部導電性領域および／またはジオメトリは、ボビン構造の外側の電界を低減させてよく、またそれにより、たとえば高電圧変圧器／電源の接地部品など、大幅に異なる電圧を有する構造および部品の間の放電の危険性が低減され得る。
【０００８】
本明細書における本開示の態様によると、ボビンの一部導電性領域は、一部導電性領域がコイル軸を完全に取り囲むことを妨げることによって一部導電性領域内の渦電流を制限し得る（たとえばスロット、ギャップ、充填材など）電気的に隔離された領域を一部導電性領域の長さに沿って備えてよい。一部導電性領域の長さは、フランジのみを被覆する領域を有する小型変圧器ボビンの場合の０．２５ミリメートルから、一部導電性材料で作られたより大きな変圧器ボビンの場合の４０センチメートルまでであってよい。
【０００９】
上述したように、この概要は、本明細書で説明される特徴の一部の概要にすぎない。この概要は包括的なものではなく、特許請求の範囲における限定となるものではない。
【００１０】
本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下に示す発明を実施するための形態、特許請求の範囲、および図面に関してより深く理解される。本開示は、例示的に説明されるものであり、添付図面によって限定されるものではない。図面において、類似の参照番号は類似の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】３キロボルト線とともに示される、一部導電性領域を有さないボビン例を模式的に示す。ボビンはたとえば、電気変圧器またはたとえば部品、デバイス、または他のシステムなど他の装置の一部であってよい。
【図１Ｂ】電界線とともに示される、一部導電性領域を有さないボビン例を模式的に示す。ボビンはたとえば、電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。
【図２Ａ】３キロボルト線とともに示される、一部導電性領域を有するボビン例を模式的に示す。ボビンはたとえば、電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。
【図２Ｂ】電界線とともに示される、一部導電性領域を有するボビン例を模式的に示す。ボビンはたとえば、電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。
【図３】１または複数の一部導電性表面を有するボビン例を模式的に示す。ボビンはたとえば、電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。
【図４】少なくとも一部導電性のボビンを有する電気変圧器アセンブリの例を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書の一部を成す添付図面は、本開示の例を示すものである。理解すべき点として、図面に示され、および／または本明細書で説明される例は非限定的なものであり、本開示がどのように実施され得るかに関する他の例が存在する。
【００１３】
本明細書で開示されるものは、たとえば変圧器ボビンなどのコイル支持構造と、変圧器の磁気コアなどの接地電子部品との間のアーク形成を妨げる（たとえば防止する）ために用いられ得るデバイス、方法、およびシステムに関する特徴の態様例である。ボビン（など）に包囲された高電圧コイルと接地部品との間の電界は、ボビンの少なくとも一部を被覆する、たとえば導電性ポリマ／合成材料などの一部導電性表面を用いるボビン表面において低減され得る。ボビンおよび／またはボビンジオメトリに対する抵抗変化は、ボビンの外側の電界を低減させ得る。したがって、ボビンの表面における電位は、たとえばエアブレークダウン電圧など、放電を生じるために必要な電圧よりも低くなり得る。
【００１４】
一部導電性材料／表面は、ボビン表面における電荷蓄積および／または電圧増加を制限できる程度に低いが、変圧器の動作による損失が過剰ではない程度に高い抵抗率を有するものが選択され得る。たとえば、変圧器の動作の過剰な損失は、より多くの熱を生成することにより、適切に冷却された電源への変圧器の応用を制限し得る。ボビンの幾何学的設計は、アーチング、渦電流などの感受性を低減するように更に修正され得る。本明細書に開示される特徴の態様は、表面アーチング、表面フラッシュオーバなどの可能性も低減させ得る。本明細書に開示される特徴の態様によって、変圧器の外側の電界が低減されてもよく、これは、たとえばボビンの外側の電界が非常に高い他の状況において、またはＥＭＩを低減するためなど、他の目的にも役立ち得る。
【００１５】
ボビンの一部導電性領域は、その領域に蓄積された電荷が接地へ流れることを可能にすることによってボビン表面における電界を低減するために、接地され得る。たとえば、表面コーティングまたは一部導電性ボビンは、接地磁気コアとの接触によって接地され得る。たとえば、ボビンの（たとえば磁気コアから遠位にある）内側表面は、たとえば電気導体などの外部電気接続に接地され得る。
【００１６】
たとえば２つ以上のボビン、２つ以上のボビン部品など複数のボビンが変圧器のために用いられてよく、たとえば１つのボビンは低電圧コイル用であり、他のボビンは中／高電圧コイル用である。各ボビンが、ボビンの少なくとも一部を被覆する一部導電性材料および／または一部導電性表面（複数も可）を備えてよい。変圧器における２つ以上のボビンのうち１つのボビンが、一部導電性材料および／または一部導電性表面（複数も可）を備えてよい。他の例において、複数のボビン、または全てのボビンが、一部導電性材料および／または一部導電性表面（複数も可）を備えてよい。
【００１７】
ボビンは、たとえば１次コイルおよび２次コイルなどの１次巻線および／または２次巻線を部分的または完全に包囲するように一端または両端にフランジを有する、たとえば中空円筒形シェルなどのシェルであってよい。ボビンは、たとえば樹脂などのポリマ、プラスティックなどの材料に埋め込まれ得る。ボビンは、コイルがシェルの端部のより近くにある方に１つのフランジを有してよい。シェルは、磁気コアの形状に概ね従う内腔を有してよく、円形、正方形、角が丸みを帯びた正方形、楕円形、多角形、角が丸みを帯びた多角形などの形状を有する外側断面を有してよい。
【００１８】
高電圧変圧器において、電界は、たとえばボビン表面など絶縁部品の表面に発生し、たとえば接地などの他の電位に対する電圧差を表面に発生させ得る。電圧差は、たとえば数万ボルト（Ｖ）などの高いものであり得る。高電位表面とたとえば接地コアなど他の電位との間の、たとえばアーチング、アーク、部分放電、コロナ、スパークなどといった放電を防ぐために、ボビン材料の特性およびジオメトリが調整され得る。ボビン材料は、たとえば添加導電性材料と混合されたポリマなどの一部導電性材料であってよい。たとえば、０．３〜１０オームメータの体積抵抗率のボビン材料は、３０キロボルト（ＫＶ）電圧またはその付近で動作する変圧器に用いられ得る。たとえば、０．１〜１００オームメータの体積抵抗率のボビン材料は、１０〜５０ＫＶ電圧の範囲内で動作する変圧器に用いられ得る。たとえば、０．０１〜１，０００オームメータの体積抵抗率のボビン材料は、１〜５００ＫＶ電圧の範囲内で動作する変圧器に用いられ得る。
【００１９】
ボビン材料の特定の抵抗率値は、コイルの作動電圧範囲、巻線ジオメトリ、ボビンジオメトリ／材料、絶縁体ジオメトリ／材料、コアジオメトリ、コア材料、線周波数、変圧器コイル間の周波数差などに基づいて決定され得る。所望の抵抗率を実現するために、コーティング、塗料、膜、メッキ、織物、シート、鋳造粒子などがボビンの内側および／または外側表面に用いられ得る。たとえば、厚さ１ミリメートル（ｍｍ）のボビン材料の２オームメートルの体積抵抗率は、たとえば塗料などの導電性コーティングの２キロオーム／スクエア（Ｋ‐ｏｈｍ／ｓｑ）の面積抵抗率に等しくてよい。たとえば、０．３キロオーム／スクエア〜１０キロオーム／スクエアの面積抵抗率のボビン材料は、約３０ＫＶ電圧またはその付近で動作する変圧器に用いられ得る。たとえば、１オーム／スクエア〜１００キロオーム／スクエアの面積抵抗率のボビン材料は、１０〜５０ＫＶ電圧の範囲内で動作する変圧器に用いられ得る。たとえば、０．１オーム／スクエア〜１メガオーム／スクエアの面積抵抗率のボビン材料は、１〜５００ＫＶ電圧の範囲内で動作する変圧器に用いられ得る。
【００２０】
電界グレーディング材料は、ボビンと接地との間の放電を防止するために用いられ得る。たとえば、ボビン材料の少なくとも一部にバリスタ微粒子が組み込まれてよく、バリスタ微粒子は、たとえばコイルの過電圧条件が存在する場合などに、ボビンの表面に発生する電位を低減させ得る。
【００２１】
導電性ボビンが、たとえば導電性コーティングなどにおける渦電流を発生させることを防ぐ（またはそのような渦電流を少なくとも低減する）ために、ボビンおよび／または導電性表面の機械設計は、磁気コアを取り巻く（たとえば取り囲む）一部導電性領域の閉ループを遮断する（たとえばボビン円筒軸に概ね平行なスロットまたはギャップなどの）遮断部を組み込んでよい。中断部は、空（たとえば空間）であるか、たとえば注型用樹脂など１または複数の材料で部分的または完全に充填されるか、絶縁シートである、または絶縁シートを含むか、その他であってよい。中断部は、内部（および／または表面）に中断部が備わっている材料と比べて相対的に非導電性であり、または高い抵抗率であってよい。中断部は、所望に応じて任意の形状およびサイズであってよい。
【００２２】
ボビン表面における電位は、たとえば磁気コア、接地電気部品などといった他の電位にある部品に対し極めて接近して存在し得る。表面誘起電圧および部品ジオメトリが空気の貫通電位を上回る電圧差をもたらす場合、ボビン、絶縁コアなどを劣化させ得るアークが形成され得る。本明細書で用いられる場合、「アーク」という用語は、放電の持続時間に関わらず、高電位と低電位との間の放電を指すように用いられる。本明細書においてアークという用語は、準用的に、表面アーチング現象を指してよい。
【００２３】
たとえば、高電圧（Ｈｖ）コイルは、１０ＫＶ〜１ＫＶの表面電位をボビン表面に含み、１０ＫＶの電位は、たとえばＨｖコイル付近のボビン表面など、Ｈｖコイルの近くにあり、１ＫＶは、たとえば接地コア付近のボビン表面に沿ってなど、Ｈｖコイルから最も遠くにある。ボビンの表面電位が任意の点で破壊電圧を超える場合、その点またはたとえば不純物の場合などには付近の点から接地コアへのアークが形成され得る。
【００２４】
アークの形成を防ぎ、または妨げるために、本明細書で説明される実施形態の態様は、たとえばＨｖコイル付近のボビン表面などの表面に高い電位が発生することが防がれるように、たとえば導電性複合層などを用いて、空気境界面に到達する電界強度を修正してよい。たとえば、ボビン材料および／または表面の抵抗率は、少なくとも一部導電性であることによって、たとえば接地部品に対して表面電位を増加させる電荷などの電荷が表面に蓄積することを制限するように修正される。
【００２５】
ボビン表面の位置および／または形状は、ボビンの表面に発生する電位差が低減されるように変更され得る。たとえば、ボビン表面が（たとえば等電位線などの）均一な電界線に従う場合、表面フラッシュオーバの可能性は低減され得る。たとえば、ボビンの表面における電界は、ロゴスキープロファイルに従うことによって、ボビンの表面に沿った全ての点で空気の絶縁破壊電界を下回り、電気アーク形成の可能性を低減するように構成され得る。
【００２６】
上記説明は、以下のように図面のいずれかを参照して説明される実施形態例のいずれかを含む、任意の実施形態に適用される。
【００２７】
ここで、３ＫＶ線とともに示される、一部導電性領域を有さないボビン例１０１の断面図を模式的に示す図１Ａが参照されるが、他の任意の電圧線が用いられてもよい。ボビン１０１は、たとえば電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。この図は、ボビン１０１、高電圧（Ｈｖ）コイル１０４および低電圧（Ｌｖ）コイル１０５、および接地され得る磁気コア１０３を示す。実線は、Ｈｖコイルからの３ＫＶの電位１０６線（等電位線）を表し、破線は、接地コアから１ｍｍにおける３ＫＶのエアブレークダウン電圧１０７を表す。Ｈｖコイル１０４と低電圧電気部品との間の一時的または継続的な電圧差が、ボビン表面における（この例では３ＫＶの）電位１０６と（この例では３ＫＶの）エアブレークダウン電圧１０７との重なりをもたらす場合、ボビンの外側表面には、電位がエアブレークダウン電圧を上回り得る場所が存在し、アークが形成され得る。たとえば、変圧器に接続された電気導体の一部に雷が落ちると、表面における一時的な電圧差は３ＫＶを超え、アークが形成され得る。
【００２８】
次に、電界線１０８とともに示される、一部導電性領域を有さないボビン１０１（図１）の他の例の断面図を模式的に示す図１Ｂを参照する。この例において、ボビン１０１の表面において電界が３ｘ１０６Ｖ／ｍを超え、ボビン１０１が空気に取り囲まれる場合、エアブレークダウン電圧が超過され、表面放電が生じ得る。
【００２９】
次に、３ＫＶ線とともに示される、一部導電性領域を有するボビン例２０１の断面図を模式的に示す図２Ａが参照されるが、他の任意の電圧線が用いられてもよい。ボビン２０１は、たとえば電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。一部導電性領域は、電気導体２０２を用いて、たとえば接地磁気コアなどの低電位部品に電気的に接続され得る。この図において、ボビン材料は一部導電性材料から製造され、図１に示すように、実線は３ＫＶの等電位線２０６を表し、破線は３ＫＶのエアブレークダウン電圧２０７を表す。３ＫＶの等電位線２０６および３ＫＶのエアブレークダウン電圧２０７は、ボビンおよび／または（たとえば充填材などの）成形材料の内側で交差し、それによってアーチングの可能性が低減され得る。
【００３０】
次に、電界線２０８とともに示される、一部導電性領域を有する（図２の）ボビン２０１の他の例の断面図を模式的に示す図２Ｂを参照する。この例において、ボビン２０１の一部導電性領域は、ボビンの外側の電界を低減または防止してよく、それによって電界は、ボビン２０１の表面において３ｘ１０６Ｖ／ｍを超えず、表面放電が防がれ、または少なくとも表面放電の可能性が低減され得る。
【００３１】
次に、１または複数の一部導電性表面３０１および３０２を有するボビン例の一部の断面図を模式的に示す図３を参照する。図３のボビンは、たとえば電気変圧器または他の部品またはデバイスの一部であってよい。一部導電性表面３０１および３０２は、ボビンの（たとえばボビン断面の左側における表面３０１などの）外側表面および／または（たとえばボビン断面の右側における表面３０２などの）内側表面にあってよい。各一部導電性表面（３０１および３０２）は、各表面３０１、３０２をそれぞれ異なる（たとえば、より低い）電位表面に電気的に接続する電気導体（それぞれ３０３および３０４）を有してよい。電気導体３０３および／または３０４は、たとえば直列抵抗体などを用いて、より低い電圧に対し一部導電性であってよい。たとえば、電気導体３０３の直列抵抗体は、電気導体３０４の直列抵抗体と異なってよい。電気導体３０３および／または３０４は、たとえば内側および外側一部導電性表面３０１および／または３０２へ異なる時定数を提供するために、直列および／または並列に接続された１または複数のコンデンサも有してよい。
【００３２】
図２Ｂに示すように、たとえば、図３における（実線で示される）電界３０８の強度は、１または複数の一部導電性表面３０１および３０２によって低減されてよく、それによってボビンの表面における電界の少なくとも一部が低減され、アーチング、表面放電などの可能性が低減され得る。表面３０１／３０２および／または導体３０３／３０４を含む図３の構成は、たとえば図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、および図２Ｂに関して説明される実施形態など、本明細書で説明される他の実施形態のいずれかにおいても用いられ得る。
【００３３】
次に、少なくとも一部導電性のボビン４０１を有する電気変圧器アセンブリ例の分解図を模式的に示す図４を参照する。ボビン４０１は、たとえば、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、および図３に関して本明細書で説明されるボビンのいずれかとして構成され得る。ボビン４０１は、フランジ４０２および４０３を備えてよく、これらは等電位線に概ね従う形状であってよく、それによって表面放電の可能性を低減する。一部導電性領域における電気隔離ギャップまたは他の遮断部４０４は、一部導電性領域がコイル（複数も可）によって生成される磁界を完全に取り巻く（たとえばループ状の）閉電路を形成しないことにより、領域内に渦電流が形成されることを制限または防止し得る。上述したように、遮断部は空であってよく、部分的または完全に材料で充填されてよく、絶縁シートとして具体化されてよく、その他であってよい。遮断部（たとえばギャップ４０４など）は、たとえば図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、および図３に関して説明される実施形態など、本明細書で説明される実施形態のいずれかに組み込まれてよい。電気隔離ギャップまたは他の遮断部４０４は、たとえば図４の変圧器などの変圧器の磁界軸の方向に沿って配置され得る。
【００３４】
たとえばエポキシなどの絶縁材料内で（たとえば図４の変圧器などの）変圧器全体を鋳造することにより、変圧器は熱的に絶縁され得るので、動作温度が上昇し、変圧器の効率が低下する。変圧器の動作中に生成される熱を放散するための解決策は、熱を排出するためのボビンを通る熱導管を組み込むことを含む。たとえば、全電力を変換するために動かされる高電圧変圧器は全電力の０．２％パーセントを熱（たとえば１００ｋＷの変圧器の場合、２００ワットの熱など）として磁気コアから生成し得る。これらの解決策は、複雑かつ高費用の熱伝導サブシステムを必要とするとともに、変圧器自体の製造コストを増加させ得る。変圧器内で形成されるアーク、スパークなどは、絶縁体の劣化をもたらし、アーク形成、磁気コアの亀裂、磁気コア材料の酸化を更に増長させ、効率を低下させ得る。絶縁鋳造変圧器の更なる問題は、高費用の熱除去システムによる費用の増加、絶縁体硬化／冷却による機械応力に起因する生産量の低下、変圧器の重量の増加などを含み得る。アーク、スパークなどの形成を制限する材料および幾何学的設計を有する（図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図４に関して本明細書で説明されるボビンのいずれかを含む、本明細書で説明されるボビンの実施形態例のいずれかなどの）ボビンの部分成形は、変圧器の熱的保護および電気的保護の両方に対する解決策を提供し得る。
【００３５】
以下に示す本説明の残りの部分は、必ずしも具体的に図面を参照するものではないが、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図４に関して本明細書で説明されるボビン、部品、およびデバイスを含むがこれに限定されない、本明細書で説明されるようなボビン（およびボビンを含む部品またはデバイス）の実施形態の全てに適用される。したがって、たとえばボビンまたは変圧器に言及する場合、以下の本開示は、本開示を通して、また全ての図に関して説明されたボビンまたは変圧器実施形態のいずれかに言及することが意図される。
【００３６】
ボビン表面における電位の低下は、ボビン材料の一部または全部が一部導電性であることによってもたらされ得る。たとえば一部導電性材料が、ボビンを製造するために用いられ得る。たとえば、ボビン材料はポリマであってよく、電界を低下させるために十分な程度であり、表面電位が（たとえば空気境界面などにおける）ボビンの表面においてエアブレークダウン電圧に到達することを防ぎながらも許容不可能な損失をもたらさない範囲内の抵抗率をもたらすように導電性添加物が添加され得る。たとえばボビンは、上述した範囲と概ね等しい抵抗率を有する一部導電性表面で被覆され得る。ボビンの所望の特性に依存して、様々な一部導電性材料、添加物、コーティング、織物、膜などが、一部導電性／抵抗性を提供するために用いられ得る。ボビンはたとえば、部品材料の少なくとも１つが一部導電性である複合材料を備えてよい。他の例として、ボビンは、固有的および／または付帯的な一部導電性、一部抵抗性、または一部表面抵抗性を有する均質材料を備えてよい。他の例として、ボビンは、少なくとも１つの層が固有的および／または付帯的な一部導電性、一部抵抗性、または一部表面抵抗性などを有する積層材量構造を備えてよい。
【００３７】
たとえばボビンは、たとえばポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ナイロン）、シリコン、エポキシ、アクリル、これらの任意の組み合わせなどの、ポリマ、コポリマ、熱硬化性材料、熱可塑性材料などから成るマトリックスであってよい。ボビンマトリックスの一部導電性は、固有的および／または一部導電性粒子の添加による付帯的なものであってよい。
【００３８】
たとえば、有機ポリマの固有導電率は、適当な成分および／または材料でドープすることによって調整され得る。たとえば、固有的に導電性のポリマ（ＩＣＰ）は、電気を通す有機ポリマ、多環芳香族化合物などであってよく、導電性ポリマの導電率は、高度な分散技術などによる有機合成方法を用いて微調整され得る。ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリフェニレンスルフィド、ポリインドール、ポリ（パラ‐フェニレンビニレン）、ポリ（３‐アルキルチオフェン）など。以下は、導電性ポリマの更なる例を挙げる表である。以下の表１を含む、本開示における導電性ポリマのリストは、用いられ得る導電性ポリマの排他的または限定的なリストとして意図されるものではない。
【表１】
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【００３９】
ボビンの試験は、本明細書で説明されるような特徴の１または複数がボビンに含まれていることを決定するものである。たとえば、（たとえばスロット、ギャップ、特定の壁厚さ、特定のフランジ形状などの存在といった）ボビンジオメトリの目視検査は、いくつかの特徴が変圧器および／またはボビンに含まれているかを決定するために用いられ得る。たとえば、４点試験、ＡＳＴＭ  Ｄ  ２５７、ＡＳＴＭ  Ｂ１９３−１６、ＡＳＴＭ  Ｆ１５２９−９７、ＡＳＴＭ  Ｆ３９０−１１などといったボビン材料の抵抗率試験は、本明細書で説明されるような様々な特徴が存在することを明らかにし得る。たとえばマトリックス内の導電性または一部導電性添加物を検出するためのＸ線回折、質量分析などを行うことなどによる追加の試験は、特定の特徴の存在を更に示し得る。
【００４０】
ボビン材料の体積抵抗率（または同等の面積抵抗率）は、たとえばカーボンブラック粒子／粉末、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、カーボン粒子、金属粒子、半金属粒子、被覆粒子、Ｃｕ被覆アルミナ粒子などの導電性添加物を用いて、たとえば０．３オームメータ（ｏｈｍ・ｍ）〜１０ｏｈｍ・ｍの範囲内の値に調整され得る。他の例として、体積抵抗率（または同等の面積抵抗率）は、ボビンジオメトリに依存して、たとえば０．１ｏｈｍ・ｍ〜１００ｏｈｍ・ｍの範囲まで増加または低減されるように調整され得る。高分子材料の性能および抵抗率を高めるために２つ以上の添加物が用いられ得る。添加物混合複合物は、たとえば重量（ｗｔ．％）、体積（ｖｏｌ．％）、原子分率、分子分率などに従う特定のパーセンテージで、充填材（たとえば添加物など）をホストマトリックスポリマ内で均質におよび／または徐々に分散させることによって生成され得る。ボビン材料抵抗率の公差は、抵抗率値の±５０〜１００％の範囲内であってよい。たとえば、５０〜６０Ｈｚの線周波数は準静的と考えられ得るので、電荷の移動度は、中位の導電率に関連し得る。一方、低い抵抗率は、たとえば熱生成、渦電流などによる変圧器損失の増加をもたらし得るので、高い抵抗率値が変圧器の効率を高め得る。ベースポリママトリックスは、たとえば機械特性、高温耐久性、ＵＶ耐久性、衝撃抵抗、熱特性、難燃性などボビンの他の特性を修正するために他の充填材および／または添加物を添加することによって修正され得る。
【００４１】
ボビン表面（たとえば表面３０３および／または３０４など）の少なくとも一部におけるコーティングの面積抵抗率は、コーティング、一部導電性膜、金属化または金属メッキ膜、金属積層高分子膜、塗料層、織物、表面処理などを用いて０．１ｏｈｍ／ｓｑ〜１００Ｋ‐ｏｈｍ／ｓｑの範囲を有してよい。コーティングは、たとえば浸漬、噴霧、蒸着、押出加工、電気化学的方法、メッキ、堆積など、様々な技術を用いて塗布され得る。
【００４２】
たとえば、３Ｋ‐ｏｈｍ／ｓｑの表面抵抗率および１０マイクロメートルの厚さをもたらす一部導電性充填材による変性フェノール樹脂のコーティングは、ボビン表面と磁気コアとの間のアーチングを防ぐために用いられ得る。他の例として、焼き嵌め菅材料および／または膜は、ボビンに面積抵抗を付与するために用いられ得る。他の例として、一部導電性材料の膜が外側絶縁層とともに構成されてよく、この膜は、ボビンの１または複数のフランジを被覆するように形成される。たとえば、膜が（たとえばフランジ４０２および／または４０３などの）ボビンフランジに巻かれた場合、一部導電性表面が完全に包括されるようにボビンフランジの周囲に付加された時の膜の重なりが存在し得るが、ボビンの周囲で一部導電性材料の閉ループが生じることが防がれ、渦電流が防がれる。たとえば、膜の絶縁層の幅は一部導電性材料の幅よりも大きくてよく、それによって膜が巻かれた時、導電層が重なり合う。
【００４３】
電界グレーディング材料は、電気応力を低減するために用いられ、高い電位がボビン表面に発生することを防ぎ得る。たとえば、ＺｎＯマイクロバリスタなどの粒子をボビン材料に添加することによって、電界強度の非線形関数として、ボビン表面における電気応力（たとえば電位）が低減され得る。したがって、粒子は、ボビンの表面に高い電位が到達することを防ぎ、またはその可能性を低減するが、低い電界は、高い抵抗を「経験」し、損失を低減させ得る。たとえばボビン材料に含まれるバリスタ粒子は、たとえば電圧スパイクなど、入力導体における瞬間的な過電圧によるアーチングを防ぐことができる。
【００４４】
更なる例において、安定した状態および一時的アーク保護の両方を提供するために、導電性微粒子およびバリスタ微粒子の組み合わせがボビン材料において用いられ得る。
【００４５】
たとえば一部導電性または導電性メッシュ、シートなどの金型インサートは、金型内での形成中にボビンに組み込まれ得る。たとえば、一部導電性インサートは、ボビン表面に電荷が形成される場所に続く少なくとも１つのフランジに限定されてよく、これらの場所における電界強度を選択的に制限する。たとえば少なくとも１つのフランジは、接地電気接続のための突出ワイヤを有する一部導電性材料の金型インサートを備えてよい。
【００４６】
一部導電性材料の面積抵抗率は、たとえば０．１〜１００ｏｈｍ・ｍまたは０．１〜１００Ｋ‐ｏｈｍ／ｓｑの範囲内であってよい。他の要因の中でもとりわけ、抵抗率は、電界が変化する速さに伴って電荷が再配向できる程度に自由に動くことができるように、電界の周波数または時間変化率に依存し得る。電荷移動は、外部電界のキャンセルを少なくとも部分的に可能にし得る。一方、材料の導電性が高いほど、変圧器の損失は高くなり、効率は低くなり得る。ボビン材料の導電性に起因する効率損失は、たとえば線形関係規則、力関係規則、指数関係規則、ｎ次多項式関係規則など、本明細書で説明される値範囲内で規則に従って抵抗率の関数として変化し得る。
【００４７】
１次および２次コイルは、接地に関連するＤＣ電圧およびスイッチング周波数からのＡＣ電圧の両方を備えてよい。ライン入力および出力コイルは隔離され得るので、接地またはより低電圧の電気部品に対して高電圧を有し得る。たとえばＨｖコイルは、たとえば変圧器付近に落雷する時、磁気コアの電圧に対し５０ＫＶの電圧を有し得る。たとえばＨｖコイルは、磁気コアの電圧に対して５０ＫＶの電圧を有し、ボビン、変圧器、電源などの固体空気境界面に３ｘ１０６Ｖ／ｍより大きい電界を生成し、表面放電が生じ得る。
【００４８】
ボビンは、ボビン、絶縁層、第２のボビン、高電圧コイルなどに巻き付けられた低電圧コイルを備えてよい。ボビン、変圧器、コイル巻き方向、コイル巻き形状などのジオメトリは、空気／表面境界面、境界面と低電圧電気部品との間などに生成される電界強度に影響を及ぼし得る。たとえば、正方形磁気コアを取り巻くＨｖコイルの円形巻き構成は、正方形の角部と最も近いコイルループとの間の境界面に高い電界を生成し得る。
【００４９】
ボビンの表面がアーク放電中にアノードとして作用する場合、接地電気部品（または低電圧電気部品）からボビン表面および／またはコイルジオメトリが遠いほど、アークが形成され得る機会は少なくなる。
【００５０】
ボビンの１または複数のフランジ（たとえばフランジ４０２および／または４０３）は、Ｈｖコイルと接地面との間の電界の等電位線の形状に概ね従ってよい。たとえばフランジは、ロゴスキープロファイル、ボルダプロファイル、ブルースプロファイル、チェンプロファイル、エルンストプロファイルなどに概ね従ってよい。等電位線に概ね従うことによって、Ｈｖコイルとフランジとの間の電界はより均一になり得る。
【００５１】
隔離材料およびボビン材料は、同様の比誘電率値を有することによって材料境界面における電界効果の可能性が低減されるように選択され得る。たとえばボビンは、３．５９の比誘電率を有するポリエステル樹脂から製造され、隔離用充填材は、３．６の比誘電率を有するエポキシ樹脂であってよい。材料の比誘電率の選択によって、Ｈｖコイルと、たとえば磁気コアなどの低電位電気部品との間の空気固体境界面における電界の更なる修正が可能であり得る。
【００５２】
変圧器のコアは、たとえば鉄、積層珪素鋼板、合金、アモルファス金属、粉末金属、カルボニル鉄、水素‐還元鉄、モリパーマロイ、セラミックなどの強磁性材料から形成され得る。いくつかの応用例において、コアは空気コアであってよい。
【００５３】
コアは、様々な構造を用いて構成され得る。コアは、たとえば単一部品として構成され、または様々なコア部品（たとえば「Ｃ」、「Ｕ」、「Ｅ」、または「Ｉ」形コア素子）を合わせる（たとえば積み重ねる）ことによって形成され得る。
【００５４】
１次または２次電源エレクトロニクスの切換えは、低電圧電気部品に対して高電圧コイルに発生する電位に影響を及ぼし得る。
【００５５】
たとえばより高い線周波数などの線周波数は、一部導電性領域の材料抵抗率値の選択に影響を及ぼし、より高い電荷移動度およびそれに伴うより低い抵抗率を必要とし得る。たとえば６０Ｈｚの線周波数は、５０Ｈｚの線周波数と比べて高い電荷移動度および低い抵抗率を必要とし得る。
【００５６】
ボビンの一部導電性領域の抵抗率は、周囲の絶縁体のブレークダウン電圧に到達することによって、電界が、たとえば電圧スパイクなどの一時的な過電圧を生じることを防ぐように調整され得る。たとえば一部導電性材料の抵抗率は、ボビンおよび絶縁体の容量特性および抵抗特性の時定数が０．１ナノ秒〜０．１秒であるように調整され得る。
【００５７】
電源の１次ステージおよび２次ステージのスイッチング周波数間の周波数差は、一部導電性領域の抵抗率値に影響を及ぼし得る。
【００５８】
以下に示す表２は、一部導電性材料例の表である。以下の表２を含む、本開示における一部導電性材料のリストは、用いられ得る一部導電性材料の排他的または限定的なリストとして意図されるものではない。
【表２】
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【００５９】
ここで、本明細書および特許請求の範囲のどこかに示すように、より大きな範囲を形成するために範囲が組み合わせられ得る。
【００６０】
本明細書に開示される特定の寸法、特定の材料、特定の範囲、特定の抵抗率、特定の電圧、特定の形状、および／または他の特定の特性および値は、事実上例であり、本開示の範囲を限定するものではない。本明細書における所与のパラメータに関する特定の値および特定の値範囲の開示は、本明細書に開示される例の１または複数において有用であり得る他の値および値範囲を除外するものではない。また、本明細書に記載される特定のパラメータに関する任意の２つの特定の値は、所与のパラメータに適し得る値範囲の終了点を定め得ることが想定される（たとえば、所与のパラメータに関する第１の値および第２の値の開示は、所与のパラメータに関して第１の値と第２の値との間の任意の値が用いられてもよいことを開示するものとして解釈され得る）。たとえば、本明細書においてパラメータＸが値Ａを有することが例示され、値Ｚを有することも例示される場合、パラメータＸは約Ａ〜約Ｚの値範囲を有し得ることが想定される。同様に、パラメータに関する２つ以上の値範囲の開示は（そのような範囲が入れ子状であるか、重なり合うか、全く別であるかに関わらず）、開示される範囲の終了点を用いて特許請求の範囲に記載され得る値に関する範囲の可能な組み合わせの全てを包摂することが想定される。たとえば、本明細書においてパラメータＸが１〜１０、または２〜９、または３〜８の範囲内の値を有することが例示される場合、パラメータＸは、１〜９、１〜８、１〜３、１〜２、２〜１０、２〜８、２〜３、３〜１０、および３〜９を含む他の値範囲を有し得ることも想定される。
【００６１】
様々な例示的特徴の説明において、本明細書の一部を成し、本開示の態様が実施され得る様々な特徴が例示として示される添付図面が参照される。本開示の範囲から逸脱することなく、他の特徴が用いられ、構造的および機能的な修正がなされてよいことを理解すべきである。
【００６２】
本開示で用いられるたとえば「複数の」などの用語は、いくつかの部品、要素、または部材を有し、または含む特性を示す。
【００６３】
本明細書において要素間の様々な接続が説明されることが留意され得る。これらの接続は、一般に、特に記載されない限り、直接的または間接的であってよく、本明細書は、この点に関して限定することが意図されておらず、直接接続および間接接続の両方が想定される。また、実施形態のいずれかにおける１つの特徴の要素は、任意の組み合わせまたは部分的組み合わせで、実施形態のいずれかにおける他の特徴に基づく要素と組み合わせられ得る。
【００６４】
説明される特徴および説明される特徴の修正は全て、本明細書において教示される発明の全ての態様において利用可能である。また、本明細書で説明される実施形態の全てにおける全ての特徴および全ての特徴の修正は、組み合わせ可能であり、互いに置換え可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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