(57)【要約】【課題】電気化学的効果を回避し、中空アルミニウム設計と比較して優れたパッキングファクターを提供し、かつより高い効率を有するマルチＭＷレベル乾式出力変圧器を提供すること。【解決手段】変圧器やインダクタなどの磁気構成要素（６０）は、１つまたは複数のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）、（７０）と、１つまたは複数の金属製冷却チューブ巻付け（６４）、（６６）と、を含む。間接冷却式磁気構成要素（６０）を提供するように各ｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）、（７０）は対応する単一の金属製冷却チューブ巻付け（６４）、（６６）と一緒に共通ボビン上に巻かれている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）と、
１つまたは複数の第１の金属製冷却チューブ巻付け（６４）と、を備えた磁気構成要素（６０）であって、
各第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）は、対応する第１の金属製冷却チューブ巻付け（６４）と一緒に共通ボビン上に巻き付けられて間接冷却式磁気構成要素スピンドルアセンブリを提供している磁気構成要素（６０）。
【請求項２】
各スピンドルアセンブリは樹脂またはエポキシ内に埋め込まれている、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項３】
さらに、各冷却チューブの内部に配置されかつ対応するｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）からの熱を抜き取るように構成された熱冷却剤を備える請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項４】
磁気コア（２２）、（２４）、（２６）と、
１つまたは複数の第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け（７０）と、
１つまたは複数の第２の金属製冷却チューブ巻付け（６６）と、をさらに備えており、各第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）は、対応する第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け（７０）、対応する第１の冷却チューブ巻付け（６４）及び第２の金属製冷却チューブ巻付け（６６）と一緒に共通ボビン上に巻かれて間接冷却式変圧器スピンドルアセンブリを提供しており、第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）と第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け（７０）とは電気絶縁材料層（７４）を介して互いから電気的に絶縁されている、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項５】
さらに、磁気コア（２２）、（２４）、（２６）の所定の表面に取り付けられた複数の低温プレート（４０）を備える請求項４に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項６】
各低温プレート（４０）は、該低温プレート内に配置されると共に、磁気コア（２２）、（２４）、（２６）からの熱をその内部を通過する熱流体によって転送するように構成された少なくとも１つの冷却チューブを備える、請求項５に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項７】
各低温プレート（４０）は熱伝導性エポキシを介して磁気コア（２２）、（２４）、（２６）の表面に結合されている、請求項５に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項８】
前記磁気コア（２２）、（２４）、（２６）は、その各々が磁化インダクタンスを制御するように構成されたエアギャップを備えた複数のレグ（２２）、（２４）、（２６）を備える、請求項４に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項９】
各第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け（７０）とその対応する第２の冷却チューブ巻付け（６６）とは巻付け周回数が同一である、請求項４に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１０】
各冷却チューブ（６４）は電気絶縁材料内に包まれている、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１１】
各第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け（６８）とその対応する第１の冷却チューブ巻付け（６４）とは巻付け周回数が同一である、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１２】
各ｌｉｔｚワイヤ（６８）は、周回間に誘導される対応する電圧に耐えるのに十分な電気絶縁テープ内に包まれている、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１３】
インダクタを含む請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１４】
変圧器を含む請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【請求項１５】
前記ボビンはＮｏｍｅｘから選択された電気絶縁材料を含む、請求項１に記載の磁気構成要素（６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には磁気構成要素（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）に関し、またさらに詳細には、出力変換器においてｋＶレンジの電圧レベルで動作すると共に約数百Ｈｚから約１ｋＨｚまでの範囲の基本周波数で動作可能なマルチメガワット（ＭＷ）レベルの乾式出力変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の大多数の解決法は目下のところ、気体冷却とするか、巻き線に対する直接冷却（その内に冷却用流体と電流の両方を通す中空の金属製チューブなど）を実現するかのいずれかとした乾式変圧器を実現している。この出力レベル及び周波数での気体冷却式変圧器はそのサイズが望ましくないほど大きくなるに至る。直接液体冷却式チューブは不十分なパッキングファクターを示すと共に、巻付け（複数のこともある）用のウィンドウが大きくなる。さらに直接冷却式巻付けは、ｌｉｔｚワイヤのように転置式（ｔｒａｎｓｐｏｓｅｄ）や撚り線とすることが不可能であるため大きな損失を呈する。
【０００３】
変圧器の液体冷却システムは、出力変換器の冷却回路と冷却液体を共有することが好ましい。最新のパワーエレクトロニクスにおける冷却用流体（複数のこともある）はシステムの幾つかの部分と直に接触しているのが典型的である。脱イオン（ＤＩ）水は、半導体の冷却に使用される変換器のアルミニウム製ヒートシンクと相互作用することが知られている。こうしたシステムにおいて変圧器の冷却用チューブに銅を使用することは、アルミニウム製ヒートシンクの腐食に繋がる電気化学的な相互作用を排除するために熱経路では回避することが望ましく、変圧器では中空の銅チューブを介した直接冷却式の解決法はすべて不可能となる。間接冷却を用いた直接冷却式変圧器の解決法ではｌｉｔｚワイヤの使用が可能であり、これによりコイル損失がさらに小さくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のことに鑑みて、出力変換器において約数百Ｈｚから約１ｋＨｚまでの基本周波数での動作が可能なマルチＭＷレベル乾式出力変圧器が必要とされている。この出力変圧器は、上述の電気化学的効果を回避すること、中空アルミニウム設計と比較して優れたパッキングファクターを提供すること、並びに周知の解決法と比べて実質的により高い効率を有することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一実施形態は、
複数の巻付けレグを備えた磁気コアと、
磁気コアの所定の表面と密着して配置された複数の金属製低温プレートと、
その各々が単一の巻付けレグと複数の対応する金属製低温プレートの両方を収容するように構成されている複数のボビンと、
その中から選択された各冷却チューブが対応するボビン上に巻き付けられている第１の複数の中空の金属製冷却チューブであって、各ボビンが冷却チューブの複数の周回内部に配置されて対応する第１の冷却チューブ層を形成するようにしている第１の複数の中空の金属製冷却チューブと、
その中から選択された各ｌｉｔｚワイヤが対応する冷却チューブ層上に巻き付けられている第１の複数のｌｉｔｚワイヤであって、各冷却チューブ層が対応する第１の巻付けを形成するように構成されたｌｉｔｚワイヤの複数の周回の内部に配置されている第１の複数のｌｉｔｚワイヤと、
その中から選択された各ｌｉｔｚワイヤが対応する第１の巻付け上に巻き付けられている第２の複数のｌｉｔｚワイヤであって、各第１の巻付けが対応する第２の巻付けを形成するように構成されたｌｉｔｚワイヤの複数の周回の内部に配置されている第２の複数のｌｉｔｚワイヤと、
その中から選択された各冷却チューブが対応する第２の巻付け上に巻き付けられている第２の複数の中空の金属製冷却チューブであって、各第２の巻付けが冷却チューブの複数の周回の内部に配置されて対応する第２の冷却チューブ層を形成するようにしている第２の複数の中空の金属製冷却チューブと、
を備える変圧器を目的としている。
【０００６】
本開示の別の実施形態は、
磁気コアと、
１つまたは複数の第１のｌｉｔｚワイヤ巻付けと、
１つまたは複数の第２のｌｉｔｚワイヤ巻付けと、
１つまたは複数の第１の金属製冷却チューブ巻付けと、
１つまたは複数の第２の金属製冷却チューブ巻付けと、を備えた変圧器であって、各第１のｌｉｔｚワイヤ巻付けは共通巻き型上に単一の第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け、単一の第１の冷却チューブ巻付け及び単一の第２の冷却チューブ巻付けと一緒に巻き付けられて間接冷却式変圧器スピンドルアセンブリを提供しており、第１のｌｉｔｚワイヤ巻付けと第２のｌｉｔｚワイヤ巻付けとは電気絶縁材料層によって互いから電気的に絶縁されている変圧器を目的としている。
【０００７】
さらに別の実施形態による磁気構成要素は、１つまたは複数の第１のｌｉｔｚワイヤ巻付けと、１つまたは複数の第１の金属製冷却チューブ巻付けと、を備えており、各第１のｌｉｔｚワイヤ巻付けは対応する第１の金属製冷却チューブ巻付けと一緒に共通ボビン上に巻き付けられて間接冷却式磁気構成要素スピンドルアセンブリを提供している。
【０００８】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による変圧器巻付け構成を表した図である。
【図２】一実施形態による図１に示した構成を実現するのに適した磁気変圧器コアを表した図である。
【図３】一実施形態による図２に示した変圧器コア向けの冷却プレートの配置を表した図である。
【図４】図３に示した冷却プレートの一実施形態をより詳細に表した図である。
【図５】一実施形態による図１に示した変圧器巻付け構成を実現するための使用に適した巻付け幾何学配置を表した図である。
【図６】図１に示した変圧器巻付け構成を実現するのに適した巻付け／冷却構造の一実施形態を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上で規定した図面は代替的な実施形態を列挙しているが、検討において指摘しているように本発明の別の実施形態も企図される。すべてのケースについて本開示における本発明の例示の実施形態の提示は、説明のためであって限定ではない。当業者であれば本発明の原理の趣旨及び精神の域内にあるような別の多くの修正形態や実施形態を考案することが可能である。
【００１１】
図１は、本明細書に記載した原理に従って構築したときに約数百Ｈｚの基本周波数で動作させるのに適したＭＷレベルのデルタ−開放星形の変圧器巻付け構成１０を表している。一実施形態では変圧器１０は、本明細書でさらに詳細に説明している脱イオン（ＤＩ）水間接冷却を利用する。
【００１２】
本明細書でさらに詳細に説明しているＭＷレベル変圧器巻付け構成１０の具体的な実施形態は、磁気コア及びｌｉｔｚワイヤ巻付けによって構築される。変圧器巻付け１０の各位相は、第１の巻付け及び第２の巻付けを備える。これらの巻付けは、その巻付けと同じ巻き型上に巻き付けられた中空の金属製冷却チューブによって冷却している。具体的な実施形態ではその第１の巻付けは、第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け１２及び対応する金属製冷却チューブ１３を備える。第２の巻付けは、第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け１４及び対応する金属製冷却チューブ１５を備える。金属製冷却チューブ及び巻付けは、本開示の一態様では巻付けと金属製チューブの間の熱伝導率を最大化するために樹脂またはエポキシ内に埋め込まれている。金属製チューブは、ＤＩ水あるいは巻付けから熱を抜き取るように作用する適当な別の流体などの流体を伝達する。一実施形態ではその流体は、巻付けから再排出された熱を受け容れる熱交換器を備えた閉ループ熱系を通過するように維持させている。
【００１３】
本明細書でさらに詳細に説明している変圧器コアは、磁気コアの表面に取り付けられ低温プレートを通じて冷却される。この低温プレートは、同じく本明細書でさらに詳細に説明している巻付け冷却ループと同様に、コアからの熱を中央の熱交換器に除去する流体フローを維持している。
【００１４】
ここで図２〜６を参照しながら、高い基本周波数（例えば、約１００Ｈｚ〜約１ｋＨｚ）で動作するマルチメガワット出力用途に対応するように構成された変圧器巻付け１０のさらなる詳細について説明することにする。先ず図２を見ると、一実施形態に従ったマルチメガワットの高基本周波数変圧器設計を実現するのに適した磁気変圧器コア２０を表している。変圧器コア２０は３つの巻付けレグ２２、２４、２６を備える。本明細書においてコアタイプの変圧器を記載しているが、本明細書に記載した原理は、シェルタイプの５レグ変圧器構造にも同等に十分に当てはまるものである。一態様では変圧器コア２０は、適当な磁性材料の層板を積み重ねることによって実現することが可能である。これらの層板は、従来のケイ素−鋼コア内などにおける組み上げによる、あるいはテープ巻き付けコア内などにおいて図示した幾何学配置を達成するように薄い磁性材料のリボンが巻き付けられる巻き付け過程を通じて積み重ねることが可能である。レグ２２、２４及び２６内には磁気コア２０の磁化インダクタンスを制御するためのエアギャップ２８が配置される。一態様ではそのコア２０は、上側Ｅ部分３０と下側Ｅ部分３２とを備えており、これらは３相変圧器コア２０を形成するように互いにインタフェースし合っている。
【００１５】
一態様では変圧器コア２０は、コア２０の表面に取り付けられた金属製低温プレート４０、４２を介して冷却されている。図３は、一実施形態による変圧器コア２０向けの垂直配置の低温プレート４０と水平配置の低温プレート４２の配置を表している。
【００１６】
図４は、図３に示した低温プレート４０、４２の一実施形態をより詳細に表している。低温プレート４０、４２は、熱流体フローを維持するために低温プレート４０、４２の体部内に埋め込まれるか該体部内に少なくとも部分的に埋め込まれた金属製チューブ４４の複数のパスを備える。低温プレート４０、４２の平坦な表面は、一実施形態では熱伝導性エポキシを介した結合によって変圧器コア２０の垂直及び水平区画に取り付けられている。コア２０からの熱はコア２０及び対応するエポキシを通り低温プレート４０、４２内に流入すると共に、一実施形態では計算された流量で流れる熱流体によって中央の熱交換器まで転送される。一態様では各低温プレート４０、４２は力学的安定を保証するために、例えば従来のＣクランプ様の機構４８によって適所にクランプ止めされている。
【００１７】
図５は、一実施形態に従った図１に示したマルチＭＷの高基本周波数変圧器巻付け構成１０の実現のための使用に適した巻付け幾何学配置５０を表している。第１の巻付け５２及び第２の巻付け５４は磁気コアレグ２２、２４及び２６の周りに配置させている。
【００１８】
一実施形態では、磁気コアレグ２２、２４、２６のうちの１つの周りにはめ込み可能となるようにして図６に示したレーストラック形状のボビン６２が構築される。ボビン６２は、各レグについて同様に構築される。したがって、３相変圧器では３つのボビンを有することになる。各ボビン６２は、磁気コア２０に取り付けられた図３に示した対応する低温プレート４０、４２に対してクリアランスを提供するように構成されている。
【００１９】
図６は、図１に示したマルチＭＷの高基本周波数変圧器巻付け構成１０を実現するのに適した巻付け／冷却構造６０の一実施形態を表している。各レグ２２、２４、２６は、ボビン６２、冷却チューブ６４、６６、ｌｉｔｚワイヤ巻付け６８、７０、熱伝導性エポキシまたは樹脂７２、並びに電気絶縁材料７４を備えたスピンドルアセンブリ６０を利用する。
【００２０】
引き続き図６を参照すると、各ボビン６２は電気絶縁材料（例えば、Ｎｏｍｅｘ）を備えることがある。ボビン６２の上には、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料を含む中空の冷却チューブ６４が巻き付けられている。一態様では冷却チューブ６４は第１の電気巻き線６８と同じ周回数を備える。冷却チューブ６４は巻く前に、一態様では冷却チューブ６４の各周回間に存在することがある周回間電圧に対する耐性のためにＮｏｍｅｘなど十分な電気絶縁テープで包んでいる。
【００２１】
冷却チューブ６４が巻かれた上に１層のｌｉｔｚワイヤを巻き付けて各レグごとの第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け６８が設けられる。ｌｉｔｚワイヤは、複数本（例えば、数百本や数千本）の細型ワイヤ撚り線をバンドルに収容して備えている。この撚り線は、動作周波数において表皮深さ（ｓｋｉｎ−ｄｅｐｔｈ）」よりかなり小さい直径を示すように設計される。このことは、表皮効果及び近接効果に由来する撚り線内の循環電流を減少させるために実施される。一態様では各ｌｉｔｚワイヤバンドルは巻かれる前に、巻付け内に誘導される周回間電圧に対する耐性のために電気絶縁テープで包んでいる。冷却チューブ６４をｌｉｔｚワイヤ巻付け６８と一緒に巻くことによって変圧器１０用の第１の巻付けが形成される。
【００２２】
第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け６８上には１層の絶縁材料７４が巻き付けられている。絶縁材料７４の厚さは、本明細書でさらに詳細に検討する第２の巻付けと第１の巻付けとの間に十分な絶縁を提供するように構成される。
【００２３】
絶縁材料７４の上に１層のｌｉｔｚワイヤが所定の周回数で巻き付けられ、各レグごとに第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け７０が設けられる。第２の巻付けの構築は第１の巻付けの構築と同様である。
【００２４】
第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け７０の上には、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料を含む中空の冷却チューブ６６が巻き付けられている。一態様では冷却チューブ６６は、第２の電気巻き線７０と同じ周回数を備える。冷却チューブ６６は巻かれる前に、一実施形態では冷却チューブ６６の各周回間に存在することがある周回間電圧に対する耐性のためにＮｏｍｅｘなどの十分な電気絶縁テープで包んでいる。
【００２５】
一実施形態では、ボビン６２、冷却チューブ６４、６６、第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け６８、第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け７０及び第２巻付け−第１巻付け間絶縁層７４を含む各スピンドルアセンブリは、磁気コアレグ２２、２４、２６のうちのレグの据え付け前に樹脂やエポキシなどの絶縁媒体内に埋め込まれている。具体的な実施形態に従った埋め込み過程には、ボビンアセンブリが樹脂またはエポキシ内に浸漬されかつ硬化のために熱処理を受ける標準的なエポキシケース（ｅｐｏｘｙ−ｃａｓｅ）処理法や真空圧含浸処理法を含む。
【００２６】
第２及び第１の巻付け向けのｌｉｔｚワイヤバンドル６８、７０の断面積、中空の冷却チューブ６４、６６の寸法、並びにエポキシや樹脂の選択は、熱を効果的に除去するために処理済みのスピンドルアセンブリの熱伝導率が最大となるようにこれらが一体的に最適化されるという点で相互関連を有する。ｌｉｔｚワイヤバンドル６８、７０は具体的な実施形態に従って、矩形、正方形、円形あるいは楕円形とすることがある。冷却チューブ６４、６６もまた具体的な実施形態に従って、断面が矩形のことも円形のこともある。一態様ではその冷却チューブ６４、６６は、電圧の検知手段を提供するという追加的な目的を担っている。第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け６８に隣接した金属製チューブ６４は本質的に、第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け６８と同じ電圧を維持した３次巻付けを備える。この電圧は、例えば磁気コア２０内のフラックスの推定値を得るために積算することが可能である。冷却回路６４及び６６はそれぞれ、一態様ではゴム製チューブなど電気絶縁接続を介して熱交換器を含む外部の冷却システムに接続されている。
【００２７】
具体的な実施形態ではその第２の巻付け及び第１の巻付けは、星形またはデルタ様式で構成することが可能である。一実施形態では図１に示したように、第２の巻付けが開放星形接続で構成されかつ第１の巻付けがデルタ接続で構成されている。
【００２８】
本明細書に記載した実施形態は、高効率かつ高出力密度の変圧器を得るように巻付け及び磁気コアに対する間接冷却を備えた大出力（マルチメガワットレベル）の高基本周波数（例えば、約１ｋＨｚまでの）乾式変圧器（ただし、これに限らない）を提供できるので有利である。本明細書に記載した原理を用いて得られる利点には、１）巻付け及び磁気コアの高性能な冷却、２）使用する磁気コアの小型化による軽量構造、３）同じ用途に関するオイル冷却の解決法の約１ｋＶＡ／ｋｇと比べて高い出力密度（例えば、約２．５ｋＶＡ／ｋｇ）、並びに４）サイズの小型化による約９８％と約９９％の間の競争力のある効率、が含まれる。
【００２９】
本明細書に記載した実施形態はさらに、１）冷却剤経路に銅がなく、またこのためにアルミニウムから製作したヒートシンクを通って流れることがある共有の冷却用ＤＩ水の汚染が回避される軽量の出力変換システム、２）軽量の変圧器の運搬の容易さ、並びに３）競合設計の約５０００ｋｇと比較してわずか約２５００ｋｇという重量（ただし、これらに限らない）を含む産業上の利点を提供することができる。
【００３０】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正及び変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  変圧器巻付け
１２  第１のｌｉｔｚワイヤ巻付け
１３  金属製冷却チューブ
１４  第２のｌｉｔｚワイヤ巻付け
１５  金属製冷却チューブ
２０  変圧器コア
２２  巻付けレグ
２４  巻付けレグ
２６  巻付けレグ
２８  エアギャップ
３０  上側Ｅ部分
３２  下側Ｅ部分
４０  金属製低温プレート
４２  金属製低温プレート
４４  金属製チューブ
４８  Ｃクランプ様機構
５０  巻付け幾何学配置
５２  第１の巻付け
５４  第２の巻付け
６２  ボビン
６４  冷却チューブ
６６  冷却チューブ
６８  ｌｉｔｚワイヤ巻付け
７０  ｌｉｔｚワイヤ巻付け
７２  熱伝導性エポキシまたは樹脂
７４  電気絶縁材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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