JP2006147927A - トランス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コア1に接する側にコア1の角に合うように切り欠きが設けられているスペーサ2をコア1の四隅に取り付け、コイル状に巻いた1次巻線3と2次巻線4の平角巻線を、スペーサ2の、巻線を保持する側面に設けられた櫛状凹部に断面長手方向の一方端が挿入されるように挟み込んでトランスを形成する。1次巻線3と2次巻線4は、スペーサ2の凸部により、所定の間隔に保持される。また、巻線とコア1とは、スペーサ2の本体部分により絶縁され、間隔が保持される。巻線と巻線の間および巻線とコア1の間に冷却風を流すことによりトランスの温度上昇を少なくする。
【選択図】 図1
Description
図7に、そのようなランプ点灯装置の一例を示す。図7に示すランプ点灯装置は、AC電源(交流電源)Eに接続された一次の整流平滑回路30、コンデンサC1、スイッチング素子Z1〜Z4から構成されるインバータ回路40、トランス50、トランス50の2次側に接続された整流回路60および平滑回路70、直流ランプ80から構成される。
また、トランス50の2次側の一方端T3は、整流用のダイオードD1とD2との接続点に接続され、トランスの2次側の他方端T4は、整流用のダイオードD3とD4との接続点に接続されている。ダイオードD2,D4のカソード側は共通接続され、平滑用のコイルL1を介して+側出力端子O1に接続される。また、ダイオードD1,D3のアノード側は共通接続され、−側出力端子O2に接続され、+側出力端子と−側出力端子間に平滑用のコンデンサC3が接続される。出力端子O1,O2には直流ランプ80が接続される。さらに、必要に応じてスイッチング素子Z1〜Z4等には並列にスナバ用のダイオードD5等が接続される。
商用のAC電源Eから供給される電圧は、1次の整流平滑回路30で整流平滑され、インバータ回路40のスイッチング素子Z1〜Z4によりPWM(パルス幅変調)されて、トランス50の1次側巻線に供給される。
トランス50の1次側巻線に上記電圧が印加されると、トランス50の2次側に交流電圧が発生し、この交流電圧はダイオードD1〜D4、リアクトルL1、コンデンサC3で整流平滑され、出力端子から直流電圧が直流ランプ80に印加される。
図7に示すランプ点灯装置において点灯される放電ランプとして、例えば半導体装置や液晶パネルにパターンを露光する露光装置の光源用のランプがある。近年、露光装置においては、特に液晶パネルの大型化により、大出力のランプが求められるようになって来た。例えば、従来は入力が1kW〜2kWであったが、最近は20kW以上のランプが要求されるようになってきた。
したがって、ランプ点灯装置に使われるトランスも、従来に比べて大きな電力に対応できるものでなければならない。
従来から、トランスの冷却効率の向上や変換効率を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、巻線下部の冷却媒体を巻線下部の発熱を受けることなく、巻線上部に導く変圧器巻線構造について記載されている。また、下記の特許文献2には、一次巻線と2次巻線の磁気結合を向上させるとともに、一次巻線と2次巻線の発熱による冷却効果を上げたアーク溶接機用変圧器について記載されている。
さらに、下記の特許文献3には、電源装置内部の熱を外部に逃がすようにして、出力容量を高める電源トランスおよびその製造方法について記載されている。
トランスの変換効率(「結合」と呼ばれる)を上げるために、従来から、巻線の巻き方には多くの工夫がなされ続けている。結合は、1次巻線と2次巻線を、互いにできるだけ密着させるほうが高まる。
その代表例として、バイファイラ巻きと呼ばれる巻き方がある。バイファイラ巻きは、トランスのコアに1次巻線と2次巻線を交互に密着させて巻きつけるのが特徴である。
図8(b)は、図8(a)のA−A断面図であり、○は1次巻線12の断面を、●は2次巻線13の断面を、それぞれ示している。なお、同図においては、わかりやすいように、1次巻線12と2次巻線13の巻数が同じ、即ち変成比が1:1の場合を示している。 図8に示すように、1次巻線12と2次巻線13は、交互に密着してコア10の周りを巻かれている。巻線と巻線または巻線とコア10は、絶縁のために、例えば図8に示す絶縁紙11の他、マイラを挟んだり、絶縁塗料を塗ったりするが、できるだけこれらを薄くして互いを密着させ、結合を高める。
電力が大きくなると、その分、電流が流れることによる巻線からの発熱や、磁束を振るために生じるコアからの発熱が大きくなる。
しかし、上記のように、巻線どうしおよび巻線とコアは密着して巻かれているので、発生した熱が逃げにくく、トランスの温度が上昇する。冷却風を当てても巻線が隙間なく巻かれているので、巻線の間やコアにまで冷却風が届かない。
トランスの温度が上昇すると、絶縁劣化が生じトランスの寿命が短くなる。絶縁劣化とは、上記の絶縁のために設けている、紙やマイラまたは塗料が劣化することである。例えば、絶縁紙の耐熱温度は一般に100°C〜180°C程度であり、これ以上の温度になることは避けなければならないが、それ以下の温度であっても、温度が高くなるにつれ、劣化が早くなる。
トランスの発熱を防ぐためには、巻線の表面積を大きく(巻線を太く)し、電流密度を減らすとともに放熱面積を広げることが考えられる。しかし、巻線の表面積を大きくすると、その分トランスは大型化し、小型化の要望を妨げることになる。
図9に示すトランスは、1次側銅板22と絶縁紙21、および2次側銅板23と絶縁紙21を重ねてコア20の回りに巻いたものであり、巻線として銅板を用いているため、巻線の電流密度を減らすことができ、発熱を抑えることができる。
しかし、図9に示す従来のトランスも、電力が大きくなると、銅板からの発熱や、コアからの発熱が大きくなるという問題が生ずる。発熱を少なくするためには、さらに電流密度を減らさなければならず、そのためには巻線の銅板の断面積を大きくする、即ち、巻線の並列接続の数を増やさなければならないため、トランスが大型化する。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、従来よりも大きな電力で使用しても、温度上昇が少なく、大型化しないトランスを実現することを目的とする。
(1)巻線を平角巻線にして表面積を広げるとともに、巻線と巻線の間、および巻線とコアの間に空隙を設け、冷却風が流れやすくする。
(2)この空隙を保つために、巻き線とコアの一部にしか接触しない櫛状のスペーサを設ける。櫛の凹部に平角巻線の断面長手方向の一方の端部を挿入し、凸部により巻線どうしの隙間を確保する。また、スペーサの櫛の背の部分(上記凹凸部が設けられた面に対向する面)をコアにあて、コアと巻線の絶縁と隙間を保つ。
すなわち、本発明は、コアの周りに平角巻線が巻かれたトランスであって、一方の側面が上記コアと接し、他方の側面に凹部と凸部が交互に形成された櫛状の絶縁性スペーサを備え、上記凹部に上記平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入され、上記平角巻線間に空隙が形成され、かつ、コアと巻き線の間に空間が形成されていることを特徴とする。
(1)櫛状のスペーサにより、巻線と巻線の間隔、および巻線とコアの間隔を、常に一定に、かつ空隙(空間)を持って保つことができる。
(2)巻線と巻線の間および巻線とコアの間に冷却風が流れ、冷却効率が上がる。したがって、トランスの温度上昇が小さくなる。これにより、従来よりも大きな電力においても、巻線の表面積を大きくする必要がなくトランスの大型化を防ぐことができる。
図1は、本発明の実施例に係るトランスを示す図である。図1(a)は、トランスを上から見た図である。1はコア、2はスペーサ、3は1次巻線、4は2次巻線である。 図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。図1(b)に示すように、本発明の実施の形態においては、1次巻線3と2次巻線4をともに平角巻線とする。
図2に、平角巻線のイメージを示す。平角巻線は、銅等の導電性のよい材料で形成された断面が略長方形状の導体を巻線としたものであり、本実施例では同図に示すように予めコイル状(螺旋状)に形成したものを使用する。
図3は、巻線と巻線および巻線とコアを一定の空隙で保つためのスペーサの形状を示す図である。
スペーサ2の材質は、例えば、ナイロンやフッ素樹脂などの絶縁性部材で形成され、図3に示すように、スペーサ2の本体は細長い櫛状をしており、コア1に接する側面と、巻線を保持する側面とを有する。コア1に接する側は、コア1の角に合うように切り欠き2aが設けられている。巻線を保持する側面には、巻線の巻回数分の凹凸を有し、凹部2bに平角巻線が挿入され、凸部2cにより、隣り合う巻線との隙間を確保する。
図1(a)に示すように、スペーサ2をコア1の四隅に取り付け、コイル状に形成された1次巻線3と2次巻線4の平角巻線を、その断面長手方向の一方端がスペーサ2の凹部に嵌合するように、スペーサ2の一方端側からねじ込んでいく。
これにより、図1(b)に示すように、スペーサ2の各凹部に平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入された状態で、平角巻線がコア1の周りに巻かれる。
1次巻線3と2次巻線4の各線間は、スペーサ2の凸部により、所定の間隔に保持される。凸部は、平角巻線が自重によるたわみで、隣の巻線に接触しないように大きさを調整する。
また、スペーサ2は、巻線の巻かれる力によりコア1に押し付けられる。このとき、巻線3,4とコア1とは、スペーサ2の本体部分により絶縁され間隔が保持される。
なお、スペーサ2の凹部の深さを、平角巻線の幅(平角巻線の断面長手方向の長さ)より浅くしておけば、平角巻線の冷却風に触れる面積がより大きくなるので、効果的な冷却が可能となる。
また、変成比が1:N(N≧2)の場合には、例えば、1次巻線用の平角巻線を一個と、2次巻線用の平角巻線を2個を用意し、1次巻線3と、2個の2次巻線4a,4bを図5(a)に示すようにスペーサ2を介してコア1に巻きつける。そして、図5(b)に示すように、2個の2次巻線の端部を接続し、2個の2次巻線が直列接続する。
上記のようにして形成されたトランスにおいては、スペーサ2が、巻線やコア1の一部としか接しないので、巻線と巻線の間にも、巻線とコア1の間にも空間ができる。従って、冷却風が進入しやすくなり、巻線やコア1に生じる熱が逃げやすくなる。
図6において縦軸は室温からの上昇温度を示し、室温を約20°Cとすると、上昇温度10°Cの場合、トランスの温度は約30°C、上昇温度50°Cの場合、トランスの温度は約70°Cということを示す。なお、同図の点線は、実測値を外挿して求めた温度上昇の推定値である。
従来のトランスにおいては、電流密度が0.5A/cm2 の付近において、11°C〜14°C上昇し、また、電流密度の変化に対する上昇温度の傾きも急である。
この関係を外挿すると、電流密度が1.5A/cm2 近辺においては、約40°C上昇し、この場合、トランスの温度は約60°Cになる。従来は、ほぼこの関係に沿った、トランスの温度上昇が約40°Cとなるように、電流密度がおよそ1.5A/cm2 になるようにトランスを設計していた。
なぜなら、これ以上電流密度を上げると、トランスの温度上昇は50°Cを超え、即ちトランスの温度は70°C以上になり、絶縁劣化や、トランスをスイッチング電源内に配置したとき、その近傍に取り付けられる他の部品への悪影響が考えられるからである。
即ち、従来よりも大きな電力になったとしても、1.5A/cm2 近辺の電流密度を保たねばならないので、巻線の表面積を大きくしなければならない。
この関係を外挿すると、電流密度を従来の倍に近い値、例えば2.5A/cm2 〜3A/cm2 に上げても、上昇温度は20°C〜25°C(トランスの温度は、40°C〜45°C)であり、熱的には余裕があり、さらに電流密度を上げられる可能性もある。
電流密度を上げられるということは、巻線の断面積を小さくする(細くする)ことができるということである。したがって、従来に比べて電力が大きくなっても、巻線の表面積を大きくする必要はなく、トランスの大型化を防ぐことができる。
なお、上記実施例では、平角巻線を予めコイル状に形成して、コアの周りに取り付ける場合について説明したが、直線状の平角巻線を曲げながら、コアの周りに巻きつけてもよい。
2 スペーサ
3、12、22 1次巻線
4、13、23 2次巻線
11、21 絶縁紙
30 一次の平滑整流回路
40 インバータ回路
50 トランス
60 2次の整流回路
70 2次の平滑回路
80 直流ランプ
Claims (1)
- コアの周りに平角巻線が巻かれたトランスであって、
一方の側面が上記コアと接し、他方の側面に凹部と凸部が交互に形成された櫛状の絶縁性スペーサを備え、
上記スペーサの凹部に上記平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入され、上記平角巻線間に空隙が形成され、かつ、コアと巻き線の間に空間が形成されている
ことを特徴とするトランス。
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