JP2002198237A - 漏れ磁束型電力変換トランス - Google Patents

漏れ磁束型電力変換トランス

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JP2002198237A
JP2002198237A JP2000397835A JP2000397835A JP2002198237A JP 2002198237 A JP2002198237 A JP 2002198237A JP 2000397835 A JP2000397835 A JP 2000397835A JP 2000397835 A JP2000397835 A JP 2000397835A JP 2002198237 A JP2002198237 A JP 2002198237A
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Kazuhiro Nakayama
一博 中山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リッツ線等を巻線に使用すると各素線のイン
ダクタンス値にばらつきが生じ、トランスの変換効率が
低下する問題があった。 【解決手段】 漏れ磁束型電力変換トランスにおける一
次巻線および二次巻線の少なくとも一方を、複数のマグ
ネットワイヤ素線からなる集合線を、3組以上用いて編
み上げた編組線で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極管点灯装置の共
振型インバータ回路や、スイッチング電源、無接点充電
器等の共振型コンバータに用いられる漏れ磁束型の電力
変換トランスの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】各種の電気機器の小型化に伴い、それら
の電源装置に対しても小型化及び高周波化、電力変換効
率の向上、低ノイズ化などの強い改善要求がある。この
ため、高効率で低ノイズである特長を有するZVS(ゼ
ロボルトスイッチング)あるいはZCS(ゼロカレント
スイッチング)動作の技術による、いわゆる共振型回路
方式が一般的に用いられている。共振型回路方式におい
ては主に電力変換トランスの漏れインダクタンスが利用
されるので、一次巻線及び二次巻線の磁気回路間に大き
な空隙が設けられる(以下、このような磁気回路構造を
とる電力変換トランスを漏れ磁束型電力変換トランスと
呼ぶことにする)。
【0003】電磁誘導方式によって電力を伝送する無接
点充電装置の電力変換トランスにおいては、充電器側に
一次巻線、コードレス機器側に二次巻線が設けられる。
機能上、一次巻線と二次巻線は分離されるので、互いの
磁気回路間には大きな空隙が形成され、漏れ磁束型の電
力変換トランスとなる。このため、無接点充電装置にも
共振型回路方式が用いられる。電力変換トランスの漏れ
インダクタンス成分とコンデンサを組み合わせて共振型
コンバータ回路を構成し、高周波発振させて一次巻線か
ら二次巻線に電力が伝送される。
【0004】図3は、無接点充電装置用の電力変換トラ
ンスの一例を示すもので、10は送電側、20は受電側(コ
ードレス機器側)である。送電側10には二つのボビン12
が取付けてある。これらのボビン12は図4に断面で示す
ように筒形の巻軸12aを備えている。それぞれの巻軸12
aには一次巻線13が巻回してあり、そのリード線はボビ
ン12に取付けられた端子11に接続してある。二つの一次
巻線13は、端子11及び図示しないプリント基板の導体パ
ターンを介して直列に接続して用いられる。15は二つの
脚15aを有するU字形の磁性体からなるコアである。二
つのボビン12は、それぞれの巻軸12aの孔に脚15aを挿
入してコア15に固定してある。
【0005】受電側20も同様の構成である。端子21付き
の二つのボビン22の巻軸22aに二次巻線23をそれぞれ巻
回してある。これら二つの一次巻線23も、端子21及び図
示しないプリント基板の導体パターンを介して直列に接
続して用いられる。25は二つの脚25aを有するU字形の
磁性体からなるコアである。二つのボビン22は、それぞ
れの巻軸22aの孔に脚25aを挿入してコア25に固定して
ある。
【0006】このような電力変換トランスには高周波の
大電流が流れるので、トランスの変換効率にはコア15、
25の材料特性の他に高周波での巻線抵抗が問題となる。
低周波トランスの巻線線材には、絶縁被覆された単線の
マグネットワイヤ(以下、素線という)が一般に使用さ
れる。一方、高周波トランスでは、表皮効果や近接効果
(漏れ磁束による渦電流損失)の影響を低減するため
に、細い複数本の素線を束ねた束線や、数本の束線を撚
って形成したリッツ線が用いられる。束線やリッツ線を
巻線に使用すると、同じ断面積の単線の場合に比べて表
皮効果による損失が減少するうえ占積率が向上し、高周
波での実効抵抗を低減できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが大出力タイプ
の漏れ磁束型電力変換トランスになると、巻線抵抗を低
減するために素線の線径を太くするか、あるいは素線数
を増やした束線やリッツ線を使用することになる。素線
の線径を太くすると、単線の場合と同様に巻線の占積率
が低下してしまう問題がある。線径を細くして素線数を
増やした場合は、中心軸近くの素線は常に中心軸付近に
位置し、表面近くの素線は常に表面付近を通ることにな
り、各素線の位置関係に偏りが出る。このようなリッツ
線や束線を漏れ磁束型電力変換トランスの巻線に使用す
ると、各素線の鎖交磁束数や磁束分布が異なってくるの
で各々の素線のインダクタンス値にばらつきが生じる。
このために電力変換トランスの変換効率が低下する問題
があった。
【0008】特に漏れ磁束型電力変換トランスは空隙側
からの漏れ磁束が多く発生する構造となっているので、
コアの表面寄りに巻回された素線と空隙寄りに巻回され
た素線ではインダクタンスの値に差が生じる。複数本の
素線からなる束線やリッツ線の構成は、電気的には各素
線からなるコイルを並列接続したものとなる。各素線同
士は電磁結合しており素線間に相互インダクタンスがあ
るので、インダクタンスの値に差があるとインダクタン
スの差分以上の電流偏り現象が発生する。すなわち、イ
ンダクタンスの小さい素線に電流が集中して流れる現象
が起きる。その結果、巻線損失が増大し、等価的に巻線
抵抗が増加することになる。以下、この電流偏り現象に
ついて、並列接続した2本のコイルを例にとり説明す
る。
【0009】図5に示すように、巻線抵抗rが同じでイ
ンダクタンスがそれぞれL、Lである2個のコイル
1、2に周波数fの交流電圧Eを印加した場合を考え
る。コイル1、2間の相互インダクタンスをM、結合係
数をkとすると、次の関係式が成立する。 E=(r+jωL)・i+jωM・i ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1) E=(r+jωL)・i+jωM・i ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2)
【0010】(1)式と(2)式から、電流i、i
の比は i/i=(r+jω(L−M))/(r+jω(L−M))‥‥(3) となる。(3)式の分子と分母を1/ωLで割り、α
=(L/L1/2 、β=r/ωL、M/L=k
・αを代入すると、i/iの絶対値は
【数1】 となる。
【0011】周波数fが高いのでβが無視でき、小さい
巻線抵抗rも無視できるものとすると、(4)式は |i/i|=(α2 −k・α)/(1−k・α) ‥‥‥‥‥‥‥(5) (5)式を基に、コイル1、2のインダクタンスの比L
/L、すなわちα2と、コイル1、2間の電流の偏
りを示す|i/i|の関係をグラフで表すと図6の
ようになる。なお、図中の一点鎖線D、破線E、実線F
は、結合係数kをそれぞれ0.990、0.985、
0.980としたときの特性である。
【0012】図6から、インダクタンス比の僅かな差で
コイル1、2間には大きな電流偏りが発生することが分
かる。この傾向は結合係数kが高いほど顕著に現れる。
コイル1、2に発生するトータル巻線損失Wは、電流
、iをトータル電流Iの分流比率ρで表すと W=2rI2 ((ρ−0.5)2 +0.25) となる。すなわち、電流i、iが等しいρ=0.5
のときにトータル巻線損失Wは最小となり、トータル
電流Iが同じでも電流i、iに偏りが生じた場合は
トータル巻線損失Wが増加する。
【0013】以上述べたように、素線間のインダクタン
スがばらつきを生じ易い束線やリッツ線では巻線損失が
大きくなり、等価的に高周波での実効抵抗が増加するこ
とになる。そこで本発明は、高周波における実効抵抗が
小さく、変換効率のよい電力変換トランスを提供するこ
とを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、第1のコアの
脚に巻装された一次巻線と、第2のコアの脚に巻装され
この一次巻線に電磁結合する二次巻線とを備え、第1の
コアの脚と第2のコアの脚との間に空隙が形成された漏
れ磁束型電力変換トランスにおいて、一次巻線および二
次巻線の少なくとも一方を、複数のマグネットワイヤ素
線からなる集合線を、3組以上用いて編み上げた編組線
で構成したことを特徴とする。
【0015】
【作用】編組線を構成する各集合線及び素線は、コアの
中心軸から編組線内部において上下左右に位置を変えな
がら編まれているので、巻線経路が均一化され、コア及
び空隙からの距離に偏りがなくなる。その結果、巻線部
の片側に空隙が設けられる磁気構造においても各素線間
のインダクタンス値の差は小さく抑えられる。
【0016】
【実施例】図1は本発明の電力変換トランスにおける巻
線線材として使用する編組線50の一実施例を示してい
る。編組線50は5本の素線51aを横一列に並べた集合線
51を複数本用い、これを円筒形に編み上げてから押しつ
ぶして偏平な平編組線に成形してある。本発明は、この
ような編組線50を線材として使用した漏れ磁束型電力変
換トランスの構成を特徴とする。
【0017】本発明は、図3の電力変換トランスは勿
論、図7に示すような簡略な構造の無接点充電装置用の
電力変換トランスにも同様に適用できる。図3に対応す
る部分には図7においても同一符号を付してあり、10は
送電側、20は受電側である。送電側10のボビン12の巻軸
12aに一次巻線13を巻回し、受電側20ボビン22の巻軸22
aに二次巻線23を巻回してある。15、25は、それぞれ脚
15a、25aを有するコアである。
【0018】本発明は、またインバータやコンバータに
用いられる図8のような電力変換トランスにも適用でき
る。このトランスは一つのボビン60と二つのEE形コア
75、85を備えている。ボビン60の筒形の巻軸62には、3
枚の鍔61で区分された二つの巻溝が形成されている。一
方の巻溝に一次巻線73を巻回し、他方の巻溝に二次巻線
83を巻回してある。互いに逆方向から巻軸62の孔に挿入
されたコア75の中央脚75aとコア85の中央脚85aは空隙
90を介して対向している。そしてコア75、85の外脚75
b、85b同士が互いに突き合わされた構造である。
【0019】編組線及び束線、リッツ線で一次巻線及び
二次巻線を構成した図8の構造の電力変換トランスをそ
れぞれ試作した。そして周波数を変えながら一次巻線の
実効抵抗を測定した結果を図2に示す。一点鎖線Aは素
線を編まないでそのまま束ねただけの束線の特性、破線
Bは撚りピッチが10mmのリッツ線の特性、実線Cは
編みピッチが50mmの編組線の特性である。
【0020】なお、各線材には、同一の線径及び本数の
素線からなるものを用いた。素線の線径は0.08φ-2 UE
W、本数は96本である。編組線はこのような素線4本
からなる集合線を24組用意して組紐状に編み上げたも
のを使用した。図2から、束線(一点鎖線A)やリッツ
線(破線B)に比べ、編組線(実線C)における高周波
抵抗の増加がきわめて少ないことが分かる。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、各素線の鎖交磁束数や
磁束分布がほぼ均一でインダクタンス差が少なくなり、
実効抵抗が極めて小さく変換効率の極めてよい漏れ磁束
型電力変換トランスを得ることができる。特に、比較的
出力の大きい電力変換トランスに適用した場合に著しい
効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における編組線の一実施例を示す拡大
平面図
【図2】 一次巻線の抵抗値の周波数特性図
【図3】 電力変換トランスの一例を示す正面断面図
【図4】 図3の4−4線断面図
【図5】 並列接続した2本のコイルの等価回路図
【図6】 同、2本のコイルのインダクタンス比に対す
る電流比の特性図
【図7】 電力変換トランスの第2の例を示す正面断面
【図8】 電力変換トランスの第3の例を示す正面断面
【符号の説明】
13 一次巻線 15、25 コア 23 二次巻線 50 編組線 51 集合線 51a 素線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01F 31/06 501B

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のコアの脚に巻装された一次巻線
    と、第2のコアの脚に巻装され該一次巻線に電磁結合す
    る二次巻線とを備え、第1のコアの脚と第2のコアの脚
    との間に少なくとも一つの空隙が形成された漏れ磁束型
    電力変換トランスにおいて、一次巻線および二次巻線の
    少なくとも一方を、複数のマグネットワイヤ素線からな
    る集合線を3組以上用いて編み上げた編組線で構成した
    ことを特徴とする漏れ磁束型電力変換トランス。
  2. 【請求項2】 第1のコアの脚が挿入された筒形の巻軸
    を有する第1のボビンと、第2のコアの脚が挿入された
    筒形の巻軸を有する第2のボビンとを備え、第1のボビ
    ンの巻軸に一次巻線を巻回し、第2のボビンの巻軸に二
    次巻線を巻回した請求項1の漏れ磁束型電力変換トラン
    ス。
  3. 【請求項3】 二つの巻溝が設けられた筒形の巻軸を有
    するボビンを備え、一方の巻溝に一次巻線を巻回し、他
    方の巻溝に二次巻線を巻回するとともに、第1のコアの
    脚および第2のコアの脚をそれぞれ逆方向から該巻軸に
    挿入し、空隙を介して対向させた請求項1の漏れ磁束型
    電力変換トランス。
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Cited By (4)

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