专利名称：高压隔离变压器模件的制作方法
本申请是1995年6月2日提出的美国专利申请No.08/460,072的部分继续申请，因此按照35U.S.C§120要求该专利申请日的利益。
本发明一般涉及变压器，更具体地说，涉及一种用来隔离高压和低压元件的变压器模件。
当设计高压变压器时，重要的是在变压器中的高压元件与变压器中的低压元件之间保持适当的距离，以便防止短路。具有多个次级绕组的典型高压变压器的横截面表示在
图1中。最简单地，高压变压器20包括一个两件的铁磁心22a和22b、初级绕组24、多个次级绕组26a、26b、…26f、以及绝缘材料28。一根连续导线构成初级绕组，该连续导线绕铁心的两个立柱缠绕希望的匝数。类似地，以一根连续导线绕一根圆柱形非导电轴(未表示)缠绕希望的匝数，来建造多个次级绕组26a、26b、…26f的每一个。多个次级绕组围绕着初级绕组和铁心，但通过插入绝缘材料28使之离开初级绕组一段距离。如在先有技术中所众所周知的那样，通过变压器把跨着初级绕组施加的交流电压，以正比于每个次级绕组匝数相对于初级绕组匝数的比率升高。图1中的变压器还包含多个二极管30a、30b、…30f，这些二极管与该变压器形成整体并且跨过相应次级绕组26a、26b、…26f输出端以桥式结构连接。因此由每个次级绕组/整流器对产生升高和整流的电压。
尽管图1所示的变压器结构可以方便地适用于低压用途，但当该结构用于高压用途(在千伏的范围内)时，这种设计的几个缺点变得显而易见。传统设计的一个缺点是，变压器中的设计公差变得非常苛刻。当由变压器20产生千伏范围内的电压时，必须小心地控制在初级与次级绕组之间的一个第一距离32，以及在绕组与变压器外表面之间的一个第二距离34。如果绝缘材料28的量对于跨过绝缘材料施加的电压是不足的，则绝缘材料可能击穿，使初级绕组与次级绕组短路，并导致变压器故障。类似地，如果绝缘材料在次级绕组与变压器外表面之间的量不足，则从次级绕组到变压器外的一点可能发生短路。除了可能损坏变压器外，外部短路还可能使靠近变压器的人员和设备处于危险之中。
而且，在高压用途中，变压器中的绝缘材料具有由产生的输出电压的急剧波动造成性能下降的趋势。当电流流经绕组时，绝缘材料28包含的偶极子将使他们自己按照所产生的交变电场排列。因此跨过绕组施加的交流电压(ac)，会使偶极子按照输入信号的变化极性旋转。产生的输出电压越高，偶极子的旋转运动就越明显。在高压用途中，偶极子的旋转加热绝缘材料并使绝缘材料性能下降。随着绝缘材料性能的下降，绝缘材料的电阻降低并增大了短路发生的可能性。最终，变压器的性能被损坏，而必须更换变压器。
传统变压器设计的另一个缺点是，在高压用途中，变压器次级绕组一般必须有大量的匝数，以使建立希望幅值的电压。随着次级绕组的匝数增加，次级绕组的反射电容也增大。熟悉本专业的技术人员将会理解，为了高效地驱动大的电容性负载，希望设置一个与该负载串联的电感器。随着变压器次级绕组的反射电容增大，因此必须在包含变压器的系统中包括一个渐增的电感器。除了变得价格昂贵外，电感器还将增大包含变压器的系统的尺寸。
本发明旨在一种用于高压用途的变压器结构，该变压器结构克服或减轻了上述缺点。
本发明提供了一种带有高压元件的高压隔离变压器模件，这些高压元件与低压元件从物理上和电气上 隔离开。高压元件安装在一对内高压基片上，而低压元件安装在一对外低压基片上。多个变压器安装在单一高压变压器模件中的诸基片之间。每个变压器带有一对初级绕组、一个铁磁心、和一对次级绕组。每个变压器的铁心被分裂开，一半连接到低压基片的每一个上，每一半的两个立柱邻接另一半的两个对应立柱。一个圆柱形初级绕组绕铁心的每个立柱缠绕。低压基片通过使其边缘装配在壳体的槽中被隔开固定的距离。
以固定距离安装在低压基片之间的是一对高压基片。每一个变压器级的次级绕组对连接到高压基片对上。高压基片对还由多个孔形成，从而当安装在低压基片之间的壳体中时，每个变压器的铁心和初级绕组由每个变压器的次级绕组包围。当初级绕组和次级绕组具有不同的匝数时，跨过初级绕组施加的交流电压感应出跨过次级绕组升高或降低的电压。
根据本发明的一个方面，公开了一种保证高压与低压基片准确适当地隔开的结构。每一个基片安装在一组设置在底部壳体中的槽中。这些槽把基片锁在希望的位置，并限定相邻基片之间的适当间隔。然后用具有高击穿电压的绝缘材料填充每个基片之间形成的空腔。通过适当选择每个基片之间的距离，把高压元件同低压元件电气地隔离到足以防止短路的程度。
根据本发明的另一个方面，来自每个变压器的输出可以连接到一个整流器上。然后串联连接各整流器，从而使每个变压器/整流器对产生的电压与其他整流的输出相加，以产生一个用于高压变压器模件的总输出电压。几个优点是由一种结构产生的，在这种结构中，高压变压器模件中每一个变压器必须只产生一个较小的总输出电压分量。减小了变压器中绝缘材料上电压波动的有害影响，延长了变压器的寿命，并降低了变压器灾难性故障的可能性。也可以减小在每一级必须提供的电压放大量。在变压器次级绕组中要求较少的匝数，减小了每个变压器的反射电容，并使变压器较容易用较小的电感器驱动。驱动变压器必需的电感器的减小，减小了高压变压器模件的总尺寸。
根据本发明的又一个方面，每个高压变压器模件中的变压器数目可以改变，以适应具体的用途。可以添加变压器以产生更大的总输出电压，或者可以去除变压器以产生较小的总输出电压。设计的灵活性允许精密地修整输出电压范围，以产生用途所必需的希望电压。
当联系附图，通过参考如下详细描述，随着更好地理解本发明，其上述方面和许多附加的优点将变得更容易理解，其中图1是代表性先有技术的单级变压器的轴向剖面；
图2是根据本发明形成的、拆除了诸零件的一种高压变压器模件的立体图；图3是图2的高压变压器模件的原理图；图4是带有以分解关系表示元件部分的高压变压器模件的两级立体图；图5是高压变压器模件的单级局部立体图；图6是带有以分解关系表示元件部分的高压变压器模件的第二实施例的两级立体图；图7是高压变压器模件的第三实施例的立体图；及图8是在高压变压器模件中使用的绕组和轴结构的立体图。
如图2所示，根据本发明建造的一种高压变压器模件50包括一个具有左端壁54、右端壁56、底壁58、前壁60、和后壁61的底部壳体。一个盖板52安装到底部壳体的顶部。盖板52可以永久地封闭底部壳体，或者用坚固件连接以允许从顶部接近模件50的内部。形成底部壳体的诸壁是密闭的，从而装在模件中的流体不会漏出。类似地，可以密封盖板与壳体之间的接缝。如果期望在模件50内建立压力，在盖板中可以包括排气孔88，以在工作期间让气体排出。模件的盖板和壳体用具有高击穿电压的非导电材料制造。在本发明的一个最佳实施例中，模件壳体用酚醛树脂建造。
包含在内部并与模件50形成整体的是多个高压变压器。对于这种用途来说，术语“变压器”是指一种电气装置，该装置通过电磁感应，以相同的频率但通常以不同的电压和电流值，把电能从一个或多个电路转换到一个或多个其他的电路。在本发明的优选实施例中，变压器的每一个都连接到一个整流器上，并且把每个变压器/整流器对产生的输出电压相加，以产生一个用于该高压变压器模件的总输出电压。参照图3可以更好地理解变压器与整流器之间的电气连接。图3是模件的一个最佳实施例，该模件包括多个级90a、90b、…90n，每一级都包括一个变压器92a、92b、…92n和一个整流器102a、102b、…102n。尽管下面将讨论第一级90a的构造，但变压器模件中的其他级的每一个也以类似的方式建造。因此下面的讨论同样适用于级90b、90c、…90n。
在第一级90a中，变压器92a包括一个初级绕组94a、一个铁心96a、和一个次级绕组98a。变压器的初级绕组94a连接到一对输出端子84a上，允许跨过初级绕组施加电压。一个电压源可以是交流(AC)源99a，用虚线示意地表示。变压器92a的工作对于熟悉电源技术的专业人员是众所周知的。一个跨过输入端子84a施加的交流电压根据次级绕组匝数与初级绕组匝数的比率升高或降低。升高或降低的电压好象跨过次级绕组98a并经一对电线100a跨过一个整流器102a施加。在本发明的一个最佳实施例中，整流器102a是四个二极管建造的一个全波电桥。整流器整流由变压器92a升高的交流输出电压，并产生一个跨过该整流器输出端的整流的直流(DC)输出电压。
级90b、90c、…90n以与第一级90a相同的方式建造。串联每一级中来自桥式整流器102a、102b、…102n的输出，从而把在各级输出端产生的电压与所有其他级的相加，并把相加的输出电压提供在一对输出端子86上。因此来自高压变压器模件最佳实施例的输出电压等于跨过各级的电压之和。例如，如果每一级产生2,000伏特的输出电压，并且串联十级，则高压变压器模件产生的输出电压将是20,000伏特。可以理解，这里公开的高压变压器模件的构造最好包含在美国专利No.08/416,997所公开的电源中，该专利名称为“带有多个高压发生器的高压电源”，是共同受让的并特意在此引入作为参考。
返回图2，每一级90a、90b、…90n的元件包含在高压变压器模件50内。每个端壁54和56带有一对向内开口的下部槽或凹沟70和71、和一对向内开口的上部槽或凹沟72和73。所有这些槽都是平行的，并且每个槽开向相对的端壁且与相对端壁上的相应槽对齐。悬在每对相对槽之间的是两个基片。左端壁和右端壁上的下部槽70支撑着一个低压基片62，而左端壁和右端壁上的下部槽71支撑着一个高压基片64。通过把基片的相对端部边缘固定在下部槽内，使低压基片62在模件50的整个长度上与高压基片64平行。类似地，左端壁和右端壁上的上部槽72支撑着一个高压基片66，而上部槽73支撑着一个低压基片68。当把基片边缘定位在槽中时，高压基片66与低压基片68相平行。高压和低压基片各自由具有高击穿电压的非导电材料建造。在本发明的一个最佳实施例中，基片用酚醛树脂建造。
形成在端壁中的槽以彼此离开、以及离开模件壳体底部和顶部固定的距离保持高压和低压基片。结果，在模件50内形成多个空腔。一个内空腔74形成在高压基片64与66之间。高压基片之间的距离由槽71和72的位置固定，由此限定内空腔的大小。一个空腔还形成在每个高压与低压基片对之间。一个第一中间空腔76形成在高压基片64与低压基片62之间。一个第二中间空腔78形成在高压基片66与低压基片68之间。槽70与71之间的距离限定第一中间空腔76的竖直尺寸(厚度)，而槽72与73之间的距离限定第二中间空腔78的竖直尺寸(厚度)。附加的外空腔形成在每个低压基片与模件顶部或底部之间。一个第一外空腔80形成在低压基片62与模件50的底壁58之间。类似地，一个第二外空腔82形成在低压基片68与模件50的盖板52之间。第一外空腔的厚度由下部槽70与模件底部之间的距离固定，而第二外空腔的厚度由上部槽73与模件顶部之间的距离固定。
将会理解，诸槽准确地形成在侧壁中，从而使高压基片和低压基片在模件的整个长度上保持离开相等的距离。如有必要，另外的槽或其他的支撑可以包含在模件的前壁或后壁中，以保证适当的间距保持在高压与低压基片之间。还将会理解，一旦左端壁54和右端壁56固定到位，则基片锁在每个壁之间的位置中。模件可以旋转或移动，而不涉及高压与低压基片之间的距离由于模件的运动将产生变化。可以设想还彼此相对固定基片的其他支撑。例如，可以把支架或其他件连接到壳体的壁上和基片上。可选择的是，可以构造一种独立式支撑结构，把基片固定在壳体内但远离诸壁。任何支撑结构必须在基片之间、以及在基片与周围的元件或壳体之间保持希望的距离。
支撑在高压基片与低压基片之间的是高压变压器模件每一级的零件。表示在图2中的模件50包括级90a、90b、…90n。在下面讨论的一个最佳实施例中，在每个模件中包含十个级。然而，将会理解，级数可以依据具体用途所需的电压增减。也如图3所示，变压器的每个级带有对应对的输入端子84a、84b、…84n，其中跨过该变压器可以施加一个输入电压。在所示的代表性模件中，输入端子安装在模件的盖板上。然而，将会理解，输入端子可以位于模件50任何便于进出的壁上。模件50还包含一对位于模件盖板上的输出端子86。跨过高压变压器模件每一级施加的电压被升高，并与其他级相加，以产生一个跨过输出端子86的输出电压。尽管所示的输出端子86安装在模件50的盖板上，但是输出端子也可以类似地安装在模件50上便于进出的任何点处。
高压和低压基片上变压器元件的安装最好见图4和5。图4是高压变压器模件第一级90a和第二级90b的立体图，以分解的关系表示诸元件。图5是最后一级90n的局部视图，诸零件组装和安装在高压和低压基片上。下面的讨论集中在第一级90a的构造上，但可以理解，第一级的描述也同样适用于变压器模件中的其他级。
第一级90a中的变压器包括一个安装在低压基片62上的第一铁心142a和一个安装在低压基片68上的第二铁心142a。每个铁心基本上为“U”形，带有连接到基片上的一个底座或腹板146a和垂直地从基片向外伸出的两个立柱144a。尽管铁心的形状可以变化，但在变压器模件的一个最佳实施例中，每个立柱基本上为圆柱形。第一铁心140a和第二铁心142a的立柱具有近似相同的横截面，从而当放在一起时铁心的内端部相接触地邻接，如图5中所示。铁心由铁磁性材料制造，在一个实施例中，是由Philips制造的U64，3C80。
初级绕组148a和150a定位在整个铁心140a和142a上。如熟悉变压器构造的专业人员所理解的那样，初级绕组可以用多种不同技术的任何一种建造。在高压变压器模件的一个实施例中，初级绕组由绕管状非导电轴151a缠绕的多匝导线建造。非导电轴可以由电绝缘且为非磁性的材料，如尼龙或rynite形成。非导电轴依一定尺寸制造，以便紧贴着装配在铁心140a和142a的整个立柱上，并且从一个铁心的底座延伸到另一个的底座。缠绕非导电轴的导线匝数由希望每个变压器产生的电压增量确定。在本发明的一个最佳实施例中，初级绕组有90匝。
必须选择用来制造初级绕组的导线，从而使它足以传导期望流经初级绕组的电流。可以用来建造初级绕组的一根适当导线具有AWGNo.12的容量。绕成初级绕组148a和初级绕组150a的导线是连续的，从而使电流首先流经一个绕组然后再流经另一个。将会理解，用来建造初级绕组148a和150a的各种其他技术在变压器的先有技术中是众所周知的。
当完全组装好时，初级绕组148a和150a中的导线完全围绕着U形铁心140a和142a的立柱。而且，每一级初级绕组的铁心各自安装在低压基片62和68上，如下面另外描述的那样把低压元件同高压元件隔开。
在组装时，铁心和铁心上的初级绕组穿过连接到高压基片上的元件，即次级绕组160a和162a延伸。如熟悉变压器构造的专业人员所理解的那样，次级绕组可以用多种不同技术的任何一种制造。在高压变压器模件的一个最佳实施例中，次级绕组由绕一个管状非导电轴161a缠绕的多匝导线建造。形成次级绕组160a和次级绕组162a的导线是连续的，从而使流经次级绕组160a的电流接着流经次级绕组162a。非导电轴依一定尺寸制造，从而使初级绕组148a和150a装配在轴内，有足够的空间，以在初级绕组与次级轴之间产生一个环形空间。缠绕每个非导电轴、以制成次级绕组的导线匝数由希望每级产生的电压增量确定。在本发明的一个最佳实施例中，次级绕组有550匝。因此变压器以比率550∶90升高输入电压。如对于初级绕组那样，必须选择用来制造次级绕组的导线，从而使它足以传导将流经次级绕组的电流。可以用来建造次级绕组的适当导线具有AWG No.36的容量。
多个孔152a、154a、156a、和158a整体地形成在高压基片64和高压基片66中。每个孔都具有与用来建造次级绕组的非导电轴的内径近似相同的尺寸。每个次级绕组轴在相关的孔上对准，从而当组装高压基片上的元件时，一个圆柱形空间从高压基片64穿过各自次级绕组和穿过高压基片66延伸。当在模件底部壳体内组装时，该圆柱形空间允许初级绕组悬在次级绕组内。因此初级绕组148a将穿过孔152a、次级绕组160a、和孔154a延伸。类似地，初级绕组150a将穿过孔156a、次级绕组162a、和孔158a延伸。元件安装在高压和低压基片上，从而使初级和次级绕组的轴线对准，在每个初级与次级绕组之间形成一个均匀的环形空腔。下面进一步详细讨论所有元件的相对间隔。
连接到高压基片66上的是四个二极管164a、166a、168a、和170a，共同形成全波桥式整流器102a。二极管电气连接到次级绕组上，从而跨过桥式整流器的两个输入端子施加跨过次级绕组产生的电压。在变压器模件的一个最佳实施例中，桥式整流器102a串联地与其他级的每个桥式整流器102b、102c、…102n连接，从而把跨过整流器的每个输出端产生的电压相加。尽管在图4中最佳的二极管布置使二极管围绕着基片66上的孔154a和158a，但可以理解，二极管也可以设在高压基片66或高压基片64上的其他地方。
在组装时，高压基片64和66上每一级的高压元件同低压基片62和68上的低压元件隔离开。每个变压器的次级绕组和每一级的全波桥式整流器安装在高压基片上，而初级绕组和每个变压器的铁心安装在低压基片上。附加的元件可以添加到高压或低压基片上，这取决于其工作电压。因此模件50的结构和包括的变压器把诸元件从物理上和电气上分隔开。
在已经把元件组装、连接到高压和低压基片上，并装配在底部壳体内之后，模件50中的每个空腔用具有高击穿电压的绝缘材料填充。在本发明的一个最佳实施例中，每个空腔用液体填充，最好是矿物油或硅油。然而，将会理解，可以使用其他类型的材料填充空腔，包括浇注绝缘材料、气体、或压缩气体如SF6。足够的液体或其他材料添加到模件50中，从而使内空腔74、中间空腔76和78、及外空腔80和82填满。绝缘材料完全包围着每一级的元件，并把高压基片同低压基片隔离开。特别是，用绝缘材料填满初级绕组与次级绕组之间的环形空腔，以把高压元件同低压元件隔离开。选择材料以提供足够的绝缘，从而在每一级内和整个高压变压器模件中产生的期望电压不会在高压元件与低压元件之间短路。另外，高压或低压元件不应该与模件的壳体短路。
四个通道的长度在高压变压器模件的设计和结构中是至关重要的。参照图5，把一个第一通道180定义为每个变压器初级绕组与次级绕组之间的距离，或变压器次级绕组与铁心之间的距离。该距离由变压器中的级数、和要产生的最大输出电压确定。将会理解，在每一级处跨过整流器的电压增大，直到链中的最后一级。例如，如果20,000伏特要由串联连接的十级产生，则每级可以担负产生2,000伏特。然而，在最后一级与地之间的电位等于20,000伏特。因此第一通道180的长度由20,000伏特的极限确定，并且可以通过把期望最大电压除以填充环形空间的绝缘材料的击穿电压来确定。计算长度等同于通过把期望最大电压除以填充次级绕组与铁心之间间隔的绝缘材料的击穿电压所确定的长度。在该最佳实施例中，使用具有至少10千伏特/毫米击穿电压的矿物油，填充绕组之间的环形空腔和次级绕组与铁心之间的空腔。初级与次级绕组之间的距离最小必须为20千伏特/(10千伏特/毫米)＝2毫米。在实际中，绝缘材料必须是至少二至三倍的期望最大电压，因为在初级与次级绕组之间电场是不均匀的。在一个最佳实施例中，约5毫米长度的第一通道180足以防止具有串联连接诸级的20千伏特高压变压器模件中的击穿。
将会理解，在图2中图右侧的低压级逐渐增大到图左侧的高压级。理论上，在每一级中初级与次级绕组之间的第一通道长度可以因此是不相等的，低压级具有比高压级短的第一通道长度。然而，为了建造方便，把每一级中初级与次级绕组之间的第一通道长度均匀地设置为最后一级中绕组之间的距离。这就提供了足够的距离，以保证任何元件之间不发生短路。
参照图5，把一个第二通道182定义为低压基片与高压基片之间的距离。基片必须以离开足够的距离悬浮，从而跨过每个基片表面产生的电位不会与其他基片短路。通过计算要由高压变压器模件产生的最大电压、并除以插入绝缘材料的击穿电压，确定该距离。如以上所计算的那样，如果输出电压是20千伏特，并且基片由矿物油隔离，则基片应该最少隔开5毫米定位。
把一个第三通道184定义为低压基片与外部壳体之间的距离。因为低压基片将处于或接近于非常低的电位，所以低压基片与外壳之间的通道一般可以比其他通道短。在本发明的一个最佳实施例中，第三通道约2毫米。
最后，把一个第四通道186(表示为虚线)定义为，在一个跨过高压基片的表面、跨过底部壳体的壁面、及跨过低压基片的表面的通道中，从次级绕组到铁心的距离。因为跨过基片表面和壳体的击穿电压一般低于绝缘材料的击穿电压，所以第四通道186基本上必须比其他通道长。为了增加第四通道的长度，把附加的槽或凹沟188和190切入左端壁和右端壁中，以增大跨过壁面电压必须降低的距离。在该最佳实施例中，跨过形成基片的化合物表面的击穿电压在200-300伏特/毫米的量级上。因此，用于最佳十级高压变压器模件的的最后一级90n的第四通道长度应该最少是20千伏特/(200伏特/毫米)＝100毫米或约10厘米。将会理解，在最后一级90n的次级绕组与地之间的电位远大于第一级90a的次级绕组与地之间的电位。因此最后一级离开左端壁的距离必须比第一级离右端壁远。用于第一级90a的第四通道长度应该最少为2千伏特/(200伏特/毫米)＝10毫米。最后一级离各端壁必须比第一级远的一般规则适用于模件，而与模件中级数无关。如在图2的代表性模件中所示，最后一级90n与左端壁54之间的距离必须大于第一级90a与右端壁56之间的距离。
高压变压器模件50的一个第二实施例表示在图6中。将会理解，具有一对高压基片和一对低压基片的变压器模件的该最佳实施例建造起来比较简单。仅把变压器元件固定到适当的基片上，并把基片“层叠”在一起，就完成了各模件。在图6中表示模件的第二实施例中，仅使用一个单一低压基片200和一个单一高压基片202来安装每个变压器级。组装零件类似于变压器模件的最佳实施例，每个变压器包括一个两部分的铁心204a和206a、初级绕组208a和210a、及次级绕组212a和214a。初级绕组定位在整个铁心上并安装到低压基片上，而次级绕组安装到高压基片上。然而，在第二实施例中，铁心的两半必须彼此固定或固定到低压基片上。如图6中所示，低压铁心204a安装在低压基片上。下部铁心基本上为“U”形，带有一个连接到基片上的底座216a和两个垂直于基片向外伸出的立柱218a和220a。上部铁心基本是条形的，并桥接下部铁心各立柱之间的距离。在高压基片适当地定位在整个低压基片上方之后，必须把上部铁心206a连接到下部铁心204a上。因此第二实施例中所示的结构在建造高压变压器模件时增加了一些复杂程度。
高压变压器模件300的一个第三实施例表示在图7中。尽管结构类似于最佳实施例，但第三实施例包含许多简化高压变压器模件组装的精心改进。如在最佳实施例中那样，一对低压基片302和304围绕着一对高压基片306和308。把低压基片以离开高压基片的距离通过多个远离的组件310连接和固定到高压基片上。最好，每个远离的组件包括一根螺栓312、诸垫圈315、316、318、和一个螺母320。垫圈314、316和318是非导电管件。为了把变压器模件固定在一起，穿过高压基片302中的一个孔、穿过隔板314、穿过基片306中的一个孔、穿过隔板316、穿过基片308中的一个孔、穿过隔板318、及最后穿过基片304中的一个孔，插入螺栓312。然后通过把螺母320连接到螺栓上固定该组件。在基片之间的间距由基片之间的垫圈314、316、和318保持。选择隔板每一个的尺寸，以保证在所有基片之间保持适当的间距。最好，在模件的每个角部把远离的组件包含进高压变压器模件中。然而，根据高压变压器模件的尺寸，可以添加附加的远离组件，以保证在高压变压器模件整个区域上方的基片之间保持适当的间距。
固定在高压与低压基片之间的是多个变压器级。两个级的一部分表示在图7中。如在最佳实施例中那样，诸级的每一个都包括安装在低压基片302和304上的一个铁心330a、330b。初级绕组332a和332b定位在整个铁心330a和330b上。次级绕组334a和334b安装在高压基片306与308之间。次级绕组围绕着初级绕组和铁心，从而使流经初级绕组的电流在次级绕组中感应出升高的电压。将会理解，如以上详细讨论的那样，可以进一步改变每个变压器级的结构。
由于绕组的每个中必须包含的匝数，用来制造初级和次级绕组的非导电轴的大小是固定的。为了减小高压变压器模件的整个尺寸，因此成形高压基片和低压基片，以使可以包含在高压变压器模件所实施的形状因数内的元件数目最大化。最好，成形高压和低压基片，从而其横截面在外观上象一个方波。在图7中的低压基片302的边缘中可以看到基片的代表性横截面。低压基片的外部340和348建造在与基片的中心部分344相同的平面内。两个升起部分342和346位于外部与中心部分之间。由于以升起部分面对着远离高压基片安装低压基片302和304，所以增大了低压基片之间的距离。低压基片之间的较大距离容纳定位在两个升起部分之间的初级变压器绕组的大小。两个升起部分还建立了一个在两个升起部分之间在基片长度上的通道350。低压元件能以这样一种方式安装在通道350内，从而使他们不会在升起部分342和346上方凸出。阶梯形的基片结构通过提供足够的基片空间减小了高压变压器模件的整个尺寸，从而使低压元件不必安装在升起部分342和346上。一种类似的阶梯结构用于高压基片306和308，以建立用来安装高压元件的附加空间。
以两个平行列的变压器级建造高压变压器模件的第三实施例。使用两个平行列，而不是单列，进一步减小了高压变压器模件的整个尺寸。为了防止在变压器的平行列的每一个之间短路，变压器列由根据预期工作电压变化的足够距离隔开变压器列。尽管在第三实施例中表示了两列，但将会理解，能扩展变压器模件结构以容纳另外的变压器列。例如，可以以3×3网格布置的九个变压器级来建造高压变压器模件。
在某些环境中，必须在一个壳体中包含高压变压器模件300。例如，根据高压变压器模件的工作电压，空气可以在高压与低压基片之间起足够的绝缘作用。如果高压变压器模件用于真空中，则也不必用另外的绝缘材料填充高压与低压基片之间的空腔。在这些环境中，因此可以安装高压变压器模件300，而壳体不靠近具体用途的元件。
然而在上面提到的其他环境中，希望用非导电材料填充高压与低压基片之间的空腔。当用诸如矿物油那样的液体绝缘材料填充空腔时，最好高压与低压基片竖直安装在包含液体的壳体中。就是说，高压变压器模件300应该从图7所示的水平位置旋转90°。当竖直安装在包含液体绝缘材料的壳体中时，在高压变压器模件的工作期间将让液体在壳体内循环。在模件工作期间加热液体绝缘材料，使液体在低压与高压基片之间上升直到到达壳体顶部。在壳体顶部，液体冷却并在壳体内再循环。在这一过程中发生的自然流动冷却变压器元件，并防止高压变压器模件过热。附加的冷却槽359也可以形成在低压基片中，以允许循环的绝缘材料接触和冷却变压器铁心。将会理解，在某些用途中可能需要另外的冷却，如通过用泵抽吸经过高压变压器模件的液体绝缘材料或为液体绝缘材料提供外部冷却装置。然而，大多数用途将不需要这些另外的冷却方法。
如以上讨论的那样，公开的变压器模件结构的优点之一在于，用很少的劳动迅速组装模件的能力。通过在每个基片对之间附加导电桥，进一步简化了第三实施高压变压器模件300的组装。低压基片302和304由多个导电桥360电气连接。高压基片306和308类似地由多个导电桥362连接。使用导电桥，简化了在装在低压基片对和高压基片对上的元件之间进行的电气连接。最好导电桥是香蕉插头。插头件364固定在低压基片302上，而相应的插座366固定在低压基片304上。类似地，插头件368固定在高压基片306上，而相应的插座370固定在高压基片308上。在组装高压变压器模件之前，导电桥的诸部分都固定到各自的基片上。模件的组装需要用远离组件把四个基片固定在一起。随着基片被固定在一起，每个导电桥的插头自动地与相应插座机械和电气地接触。因此在基片之间的电气连接自动地进行，而不必焊接导线或使用其他的劳动密集连接方法。为了在低压基片之间提供连接，高压基片306和308的宽度小于低压基片302和304的宽度。减小的宽度允许导电桥跨过低压基片之间的距离，而不与高压基片相接触。
这里公开的高压变压器模件的结构，相对于在先有技术中已知的那些结构，提供了在组装时间方面的显著优点。基片以适当距离彼此自动定位、和基片之间的自动对准与电气连接的实现，大大地减少了模件组装时间。用图8所示的变压器轴结构进一步减少了组装时间。
图8是可以用来在变压器级中建造初级或次级绕组的轴380的立体图。如以上提到的那样，轴是非导电的，并且由电气绝缘且为非磁性的材料形成，如尼龙或迭尔林(聚甲醛树脂)。用在与轴端平行的平面中从轴端部凸出的一个第一接头382和一个第二接头384建造该轴。每个接头与轴整体地形成，并用与轴相同的材料建造。一个导电焊片386建造在每个接头上，方位面对着邻接轴端部的基片。导电接头连接到围绕着轴的一个绕组388上。最好，在绕该轴缠绕绕组之后，把绕组的每端焊接到导电接头上。因此在穿过绕组的轴上的两个导电接头之间建立了一个电气通路。
在高压变压器模件中的高压基片和低压基片用每个基片面对着轴侧上的类似导电焊片建造。在组装过程期间，在低压基片上适当地对准诸轴。对准可以通过目视标记、对准脊线、或在基片上正确定位轴的其他类似结构进行。当把上基片置于轴的顶部时，压住在两个基片之间的轴，使基片上的导电焊片与轴的导电焊片相接触。由此在基片与轴绕组之间实现电气连接。将会理解，然后可以经基片上的导电交点连接适当的电路，以连接多个变压器级，如以上讨论的那样。因此图8公开的轴结构通过允许制造者电气连接变压器绕组，而不必分别把变压器绕组的每一个接线到基片上，来减少组装时间。
这里公开的高压隔离变压器模件结构产生了几个优点。一个主要优点在于，可以包括在每个模件中的级数可以变化，以产生希望的电压。在本发明的一个最佳实施例中，可以把模件扩展到包含高达二十个变压器级。因此用户可以选择一种为用户的具体用途产生适当输出电压的模件设计。
这里公开模件的一个另外的优点在于，可以根据元件的工作电压，把在模件每一级中连接到变压器上的元件安装到适当的基片上。如果元件连接到每个变压器的初级绕组上，则可以安装在低压基片上，而如果连接到每个变压器的次级绕组上，则可以安装在高压基片上。与把高压和低压元件安装在同一基片上的先有技术设计不同，本设计保证高压元件将电气上及物理上与低压元件隔离。
这里公开的最佳结构的又一个优点在于，高压变压器模件产生的总输出电压被分成多个由每个级产生的较低电压。所降低的由每个变压器必须产生的电压通过减少绝缘材料偶极子的旋转，提高了变压器绝缘材料的寿命。每个变压器必须升高输入电压量的减小还降低了次级绕组的反射电容。因此一个较小的电感器可以与每个变压器级的次级绕组串联放置，减小了模件尺寸。
尽管已经说明和描述了本发明的最佳实施例，但将会理解，其中能进行各种变更而不脱离本发明的精神和范围。熟悉本专业的技术人员将会理解，尽管本发明的最佳实施例包括在来自变压器每个的输出端上的整流器，但可以拆除整流器并把其他电路添加到变压器的输入端和输出端上。例如，跨过每个变压器的输入端或输出端可以连接电压滤波器、乘法器和调节器。
还将会理解，在一个给定的模件内，可以串联连接任何数目的变压器。在一个极端，按照最佳实施例，串联连接每一个变压器/整流器对，以由模件产生最大的输出电压。在另一个极端，为每个变压器可以提供分离的输出端子，从而可以分别用于需要多个变压器的电路中，以升压或降压多个电压源。
熟悉本专业的技术人员将进一步认识到，尽管在本发明最佳实施例中的所有空腔用同类型的绝缘材料填充，但高压变压器模件也可以用不同类型的绝缘材料填充每个空腔来完成。因此，将会理解，在附属权利要求书的范围内，能实施本发明，而不象这里专门描述的那样。
权利要求
1.一种变压器模件，包括(a)一个带有多个孔的第一基片；(b)一个第二基片；(c)支撑第一和第二基片并离开第二基片一段距离处固定第一基片的远离装置；(d)多个安装在第一和第二基片上的变压器级，多个变压器级的每一级包括(i)一个安装在第二基片上的铁心，该铁心穿过第一基片中的多个孔延伸；(ii)一个围绕着铁心的初级绕组；及(iii)一个安装在第一基片上的次级绕组，该次级绕组以一段距离围绕着铁心，其中通过初级绕组的电流将通过次级绕组感应出电流，并跨过变压器级产生一个电压；及(e)用来把初级绕组和铁心同次级绕组绝缘开的绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的变压器模件，其中连接了多个变压器级的至少两个，从而把跨过连接的变压器级产生的电压相组合，以产生一个用于变压器模件的输出电压。
3.根据权利要求1所述的变压器模件，其中多个变压器级的每一级还包括一个跨过次级绕组连接的调节电路。
4.根据权利要求3所述的变压器模件，其中调节电路安装在第一基片上。
5.根据权利要求3所述的变压器模件，其中调节电路是一个全波桥式整流器。
6.根据权利要求5所述的变压器模件，其中组合来自每个全波桥式整流器的输出，从而使输出电压等于每个全波桥式整流器产生的输出电压之和。
7.根据权利要求1所述的变压器模件，还包括一个包围着第一基片、第二基片、远离装置、和多个变压器级的壳体。
8.根据权利要求1所述的变压器模件，其中由第一和第二基片限定的一个空腔填充有绝缘材料。
9.根据权利要求8所述的变压器模件，其中绝缘材料具有高击穿电压。
10.根据权利要求9所述的变压器模件，其中绝缘材料是矿物油。
11.根据权利要求7所述的变压器模件，其中远离装置是形成在壳体相对壁上的平行槽。
12.根据权利要求1所述的变压器模件，其中远离装置包括(a)多个隔板；和(b)在第一与第二基片之间固定多个隔板的装置，以在第一与第二基片之间保持距离。
13.一种变压器模件，包括(a)一对带有多个孔的高压基片；(b)一对低压基片；(c)支撑高压基片对和低压基片对的远离装置，高压基片对彼此相邻地定位，并由远离装置隔开一段距离保持，低压基片对围绕着高压基片对，并由远离装置保持离开高压基片对一段距离；(d)多个安装在高压基片对和低压基片对上的变压器级，多个变压器级的每一级包括(i)一个安装在低压基片对上的铁心，该铁心在低压基片对之间延伸，并穿过高压基片对每一对中的多个孔；(ii)一个围绕着铁心的初级绕组；及(iii)一个安装在高压基片对之间的次级绕组，该次级绕组以一段距离围绕着铁心，其中通过初级绕组的电流将感应出通过次级绕组的电流，并跨过变压器级产生一个电压；及(e)用来把初级绕组和铁心同次级绕组绝缘开的绝缘材料。
14.根据权利要求13所述的变压器模件，其中多个变压器级这样连接，从而把跨过多个变压器级每一级产生的电压相组合，以产生一个总输出电压。
15.根据权利要求13所述的变压器模件，其中多个变压器级的每一级还包括一个跨过次级绕组连接的调节电路。
16.根据权利要求15所述的变压器模件，其中调节电路安装在高压基片对的一个上。
17.根据权利要求15所述的变压器模件，其中连接来自每个调节电路的输出，从而使总输出电压等于每个调节电路产生的输出电压之和。
18.根据权利要求17所述的变压器模件，其中调节电路是一个全波桥式整流器。
19.根据权利要求13所述的变压器模件，还包括一个包围着高压基片对、低压基片对、远离装置、和多个变压器级的壳体。
20.根据权利要求13所述的变压器模件，其中由高压基片对限定的一个内空腔、和高压基片对和低压基片对限定的中间空腔填充有绝缘材料。
21.根据权利要求20所述的变压器模件，其中绝缘材料具有高击穿电压。
22.根据权利要求20所述的变压器模件，其中绝缘材料是矿物油。
23.根据权利要求19所述的变压器模件，其中远离装置是形成在壳体相对壁上的平行槽。
24.根据权利要求13所述的变压器模件，其中远离装置包括(a)多个隔板；和(b)在高压基片对之间、和在低压基片对与高压基片对之间固定多个隔板的装置，以便在低压与高压基片对之间保持距离。
25.根据权利要求13所述的变压器模件，还包括在低压基片对之间的导电桥。
26.根据权利要求13所述的变压器模件，还包括在高压基片对之间的导电桥。
全文摘要
一种高压变压器模件(50),带有其上分别安装有高压和低压元件的一对高压基片(64、66)和一对低压基片(62、68)。在一个最佳实施例中,多个变压器的每一个连接到一个全波桥式整流器(102a、102b、…102n)和所连接的整流器的输出端上,从而把每个变压器/整流器对产生的输出电压相加,以产生一个用于高压变压器模件的总输出电压。在该模件内,通过在壳体中固定安装的基片、和通过用具有高击穿电压的绝缘材料填充在基片之间形成的空腔,来防止电气短路。在高压基片上的元件既实际地又电气地与低压基片上的元件绝缘。
文档编号H01F27/28GK1190486SQ96195318
公开日1998年8月12日 申请日期1996年5月31日 优先权日1995年6月2日
发明者阿高·A·克里奇塔佛维奇, 阿里那·Z·西尼悉那 申请人:国际动力集团公司