JP2005203445A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】 珪素鋼板に代表される板状の磁性体を積層して磁芯とした変圧器において、負荷が容量性の場合も損失の少ない小型の変圧器を実現する。
【解決手段】 コイルを巻回したコイルボビンと、相対する方向からそのコイルボビンに挿入される複数の板状の磁性体を積層した磁芯を備えたトランスにおいて、同じ方向から挿入される磁性体を複数枚積み重ねた束構造２ａ，２ｂとし、その束構造２ａ，２ｂを交互にコイルボビンに挿入する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、珪素鋼板など板状の磁性体を積層したものを磁芯とした変圧器に関するものである。

変圧器（電圧変換用トランス）では、その磁芯に珪素鋼板など板状の磁性体を積層したものを用いている。このような磁芯の構造は、大きく２つに分類される。一つは複数の板状の磁性体を積層したものを相対する方向からコイルボビンに挿入し、その磁性体端面を突き合わせて対向させた構造で、例えば特許文献１の図３に示されている。この構造は複数の板状の磁性体を一度にコイルボビンに挿入できるため製造が容易である。しかしながら、突合せ部の平坦性を保つことが難しい。これは磁性体を打ち抜きするときに発生するバリや、積層された磁性体の位置ずれにより平坦性にばらつきが発生し易いためである。このような平坦性にばらつきが発生するとインダクタンスのばらつきとなり、このようなばらつきを抑えるためには、積層された磁性体の突合せ端部を研磨して平坦性を確保しなければならず、そのために製造コストが嵩むことになる。

他方は、コイルボビンに挿入される複数の板状の磁性体を相対する方向から１枚ずつ交互に積層させる構造であり、例えば特許文献２の図２に示されている。また、より磁性体の体積を増すために大きさの異なるＥ型磁性体を相対する方向から交互に積層させた構造（特許文献１の図４）や、Ｅ型磁性体とＩ型磁性体を相対する方向から交互に積層させた構造（特許文献３の図１）も採用されている。このようなコイルボビンを使用する構造は、板状の磁性体を一枚一枚コイルボビンに挿入する必要があるため製造工程は複雑になるが、磁性体同士は安定して密着するため、安定した高いインダクタンスを得られるという利点がある。
特開平１０−３０８３１６（３頁の図３、図４） 特開平９−２８３３４１（４頁の図２） 特開平８−２１３２５０（４頁の図１）

通常、トランスのインダクタンス値は大きい方が励磁電流が小さくなり効率が良い。従って、許容できる範囲で大きなインダクタンス値が得られるように磁性体の構造やコイルの巻き数（ターン数）が選択される。

ここでトランスの負荷が容量性である場合は、インダクタンス値は適正な値に調整する必要がある。即ち、負荷の容量とインダクタンス値とを共振する値にし、駆動源の電圧と電流の位相を合わせ駆動源の損失を低下させなければならない。例えば、図３のような回路の場合、トランスＴ１のインダクタンスと負荷であるコンデンサＣ１を並列共振させないと、トランジスタＱ１，Ｑ２の損失が増加してしまう。ここで負荷が予め決められている場合、その負荷に合わせてトランスのインダクタンスを適正な値に調整する必要がある。

通常、トランスのインダクタンス値の調整は、コイルのターン数を変更することによって行われる。トランスでは要求される変成比が決められている場合が多いため、変成比、即ち、ターン数の比を一定に保ったままターン数を変更する必要がある。但し、ターン数を減らしていくと磁性体の磁束密度が上昇し鉄損が増加する。この鉄損を減少させるためには磁性体の断面積を増加させる必要があるが、断面積の増大はトランスの大型化を招くことになる。

これ以外にインダクタンス値を減少させる他の手段として、例えば磁性体内にギャップを設ける方法もある。しかしながら、前述の特許文献２の図２や、特許文献１の図４、特許文献３の図１のような構造では、磁性体内にギャップを設けることは困難である。但し、特許文献１のような図３の構造であれば、磁性体内にギャップを設けることは可能であるが、微小なギャップを要求された場合には磁性体断面の平坦性が低いため、安定したインダクタンスを得ることは困難である。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、大幅な鉄損の増加を招くことなく、インダクタンス値を下げることができる磁芯の構造を有する変圧器を提供する。

本願発明の変圧器は以下のような構成を備える。即ち、
中空部分を有し、コイルを巻回したコイルボビンと、
それぞれが複数の板状の磁性体を積層した複数の磁性体束と、
前記複数の磁性体束のそれぞれの少なくとも一部が、前記コイルボビンの前記中空部分内に交互に挿入されて積層されて形成した磁芯とを有することを特徴とする。

本願発明の変圧器は以下のような構成を備える。即ち、
中空部分を有し、コイルを巻回したコイルボビンと、
板状の磁性体であって、当該磁性体の面部に突起を配設した複数の磁性体と、
前記複数の磁性体のそれぞれの少なくとも一部が、前記コイルボビンの前記中空部分内で交互に挿入されて積層されて形成した磁芯とを有することを特徴とする。

本発明によれば、磁性体間の結合を減少させてインダクタンス値を減少させることができる。

また、磁性体間の結合が磁性体端部ではなく面部であるため、磁性体端部の不均一さの影響を受けることなく、安定したインダクタンスが得られるという効果がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るトランス（変圧器）の構造を示す概観斜視図である。

図において、１はコイルボビンを示し、２は磁性体である珪素鋼板を示している。

図２は、図１の珪素鋼板２の形状を示す図で、図１のコイルボビン１から抜き出した状態を示している。尚、本実施の形態においては、コイルボビン１に対して、相対する方向から、それぞれ４枚ごとに積層させた束構造の珪素鋼板２ａ，２ｂを両側から交互に挿入することにより、このトランスの磁芯を構成している。

図１及び図２において、２ａはコイルボビン１の左側からコイルボビン１に挿入される束構造の珪素鋼板を示し、２ｂはコイルボビン１の右側からコイルボビン１に挿入される束構造の珪素鋼板を示している。

このような構成によれば、左右の珪素鋼板束２ａ，２ｂは、それぞれ４枚ごとに接触することになり、１枚ずつ交互にコイルボビン１に挿入する従来のトランスの構造に比べて、両側の珪素鋼板２同士の接触面積が小さくなる。そのため、コイルボビン１に巻き付けるコイルの巻線数を同じにしても低いインダクタンスが得られる。

以下、前述した図３の回路を用いて測定した結果について説明する。

図３の回路において、本実施の形態に係るトランス及び従来のトランスに１０Ｖp-pの正弦波の電圧を加えたときの電流値は以下のように測定されている。尚、負荷であるコンデンサＣ１の容量を２７０ｐＦ、珪素鋼板２の１枚の厚みを０．３５ｍｍとしている。

また、複数の板状の磁性体２を積層したものを相対する方向からコイルボビン１に挿入し、磁性体２の端面を突き合わせて対向させた構造をＥＥ、複数の板状の磁性体２をそれぞれ相対する方向から積層させた構造をＥＸと呼ぶこととする。

構造ＥＥが最も電流が小さく位相も一致しており損失が最も少なかった。これは、構造ＥＥでは、珪素鋼板２の整列性及び端部のバリの影響等により、対向している珪素鋼板２の結合が悪くなり、結果的にインダクタンス値が下がるためであると思われる。実際の製造過程でも、磁性体２の端面の平坦性が安定しないためインダクタンスのばらつきが大きく、構造ＥＥでは大量生産には不向きである。この構造ＥＥを除くと、本実施の形態に係るような構造、例えば６枚ごとに交互に２４枚の束構造の磁性体２ａ，２ｂを積層したものが最も電流が小さく位相差も小さくなった。この場合には、図３の回路図におけるトランジスタＱ１，Ｑ２の損失が最も小さくなった。

以上説明したように本実施の形態１によれば、同じ方向から挿入される磁性体を複数枚積み重ねた束構造として挿入することにより、相対する方向から挿入される各磁性体間の結合を減少させインダクタンス値を減少させることができる。

また、相対する方向から挿入される磁性体間の結合は磁性体端部ではなく面部であるため、磁性体端部の不均一さの影響を受けることなく、安定したインダクタンスが得られる。

また磁性体の磁束密度の不均一が若干発生して軽微な鉄損の増加は存在するが、コイルの巻き数を減少させた場合ほどの大幅な鉄損の増加は発生しない。また、同じ方向から挿入される各磁性体束における磁性体の枚数を変更することによりインダクタンス値の調整も行える。また製造工程においても、特に余分な工程が発生しないため新たな投資が発生しない。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る電圧変換用のトランスの磁芯部の構造を説明する図である。

また図５は、磁性体をコイルボビン１に挿入する前の状態を示す図である。

尚、図４及び図５において、磁性体である珪素鋼板２は、前述の実施の形態１と同様に４枚毎の束構造となっており、左右の各珪素鋼板束に挿入される方向が変わり、合計２４枚の珪素鋼板２で磁芯を構成している。２ａは左側から挿入される珪素鋼板束を示し、２ｂは右側から挿入される珪素鋼板束を示している。

尚、ここで挿入方向が入れ替わる珪素鋼板束２ａ，２ｂの間には、厚み５０μｍのシート状の非磁性体３ａ，３ｂが挿入されている。

このように、左右の珪素鋼板束２ａ，２ｂがシート状の非磁性体３ａ，３ｂを介して接合する構造とすることにより、前述の実施の形態１よりも更に左右の珪素鋼板束２ａ，２ｂの結合が低くなる。そのため、より低いインダクタンス値が要求されている場合に適している。

この実施の形態２に係る電圧変換用トランスの構造において、前述の実施の形態１と同様にして測定した結果について説明する。この実施の形態２では、前述の実施の形態１よりも更に電流値が減少して位相差も小さくなり、図３の回路図におけるトランジスタＱ１，Ｑ２の損失がより小さくなった。

以上説明したように本実施の形態２によれば、若干の部材の追加でインダクタンス値を減少させることができる。この実施の形態２で減少できるインダクタンス値の範囲は、前述の実施の形態１の場合よりも大きい。また実施の形態１の場合と同様に、相対する方向から挿入される磁性体間の結合は磁性体端部ではなく面部であるため、磁性体端部の不均一さの影響を受けることなく、安定したインダクタンスが得られる。

また磁性体内の磁束密度が増加しないため鉄損の増加がない。また、製造工程もほぼ同じであるため、新たな投資が発生しない。

［実施の形態３］
図８は、本発明の実施の形態３に係る電圧変換用トランスの磁芯部の構造を示す図である。

また図９は、実施の形態３に係るコイルボビン１に挿入する前の磁性体の状態を示す図である。

この実施の形態３に係る磁性体である珪素鋼板４は、図６に示すように６ヶ所に凸部６が設けられている。図６の点線部の断面形状を示すのが図７である。

これら珪素鋼板４を相対する方向から１枚ずつ積層させたものが図８に示す磁芯である。この図８からも明らかなように、各珪素鋼板４に設けられた凸部６により、左右からの各珪素鋼板４ａ，４ｂ間にスペースが空けられるため、左右の珪素鋼板４ａ，４ｂの結合を下げてインダクタンス値を下げることができる。

前述の実施の形態２では、シート状の非磁性体３ａ，３ｂが必要であったが、この実施の形態３によれば、各珪素鋼板４の加工工数が増加するものの、トランスの組み立て時の工数を同じにして組み立てることができる。

以上説明したように本実施の形態３によれば、磁性体に対して若干の加工を加えることでインダクタンス値を減少させることができる。この実施の形態３の構成で減少できるインダクタンス値の範囲は、前述の実施の形態１の場合よりも大きい。

またこの実施の形態３では、磁性体同士は物理的に凸部により接触しているが、この部分は磁気飽和するため、凸部のギャップを挟んで磁性体同士の面部が磁気結合することになる。よって、実施の形態３においても、前述の実施の形態１，２と同様に、相対する方向から挿入される磁性体間の結合は磁性体端部ではなく面部となる。

本発明の実施の形態１に係る変圧器（トランス）の概観斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るトランスの磁芯をコイルボビンから抜き出した状態を示す図である。 電圧変換用トランスの負荷が容量性負荷である場合の回路例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電圧変換用トランスの磁芯の形状を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るトランスの磁芯をコイルボビンから抜き出した状態を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るトランスの磁芯に用いられる珪素鋼板を示す図である。 図６の点線部分の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電圧変換用トランスの磁芯の形状を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るトランスの磁芯をコイルボビンから抜き出した状態を示す図である。

Claims (5)

1. 中空部分を有し、コイルを巻回したコイルボビンと、
   それぞれが複数の板状の磁性体を積層した複数の磁性体束と、
   前記複数の磁性体束のそれぞれの少なくとも一部が、前記コイルボビンの前記中空部分内に交互に挿入されて積層されて形成した磁芯と、
   を有することを特徴とする変圧器。
2. 更に、前記磁性体束間に板状の非磁性体を含むことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
3. 中空部分を有し、コイルを巻回したコイルボビンと、
   板状の磁性体であって、当該磁性体の面部に突起を配設した複数の磁性体と、
   前記複数の磁性体のそれぞれの少なくとも一部が、前記コイルボビンの前記中空部分内で交互に挿入されて積層されて形成した磁芯と、
   を有することを特徴とする変圧器。
4. 前記板状の磁性体は、その平面が櫛歯形状を有しており、前記コイルボビンに対して対称形状となるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変圧器。
5. 前記板状の非磁性体は、前記板状の磁性体と同じ形状であることを特徴とする請求項２に記載の変圧器。

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