JP2007335805A - 電源トランス - Google Patents

Abstract

【課題】高調波成分を減衰させ、力率を改善し、更には突入電流を制限すること。
【解決手段】電源トランス１の構成として、第１コア２１の外周に１次巻線２２と２次巻線２３を互いに絶縁させて巻き付けてトランス本体２とし、１次巻線２２に直列接続した導線を第２コア３１の外周に巻き付けたコイル３２と、１次巻線２２に並列接続したコンデンサ３３とからなるＬＣフィルタ３を設け、トランス本体２とＬＣフィルタ３を一体化してケース６内に収納した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器を動作させる電源トランスの特性を改良したものである。

現在、例えばオーディオ機器をはじめとする各種電気機器を動作させるため、トロイダルトランスによる電源トランスが利用されている。

従来の電源トランスの断面構造を図１１に示し、その回路構成を図１２に示す。

従来の電源トランスは、トロイダルトランスからなるトランス本体が磁気シールドで包囲され、ケース内に収容された構造である。トランス本体はリング状の磁性コアの外周に互いに絶縁させて巻き付けた１次巻線及び２次巻線を有しており、１次巻線の端子は商用電源に接続され、２次巻線の端子は電気機器に接続される。そして、商用電源からの入力電圧を電源トランスで定格電圧に変換して出力し、それを電気機器に供給するようになっている。

ところが、従来の電源トランスにおいては、以下のような問題があった。

（１）高調波成分の通過
通常、商用電源には高調波成分（５０Ｈｚ／６０Ｈｚの基本周波数の整数倍の周波数成分）、いわゆるノイズが含まれており、この高調波成分が電源トランスを通して電気機器の内部に入り、種々の誤動作を引き起こすという問題がある。これを防止するために、従来は図１３に示すように電源トランスの入力側に高調波成分を減衰させるフィルタを取り付けるようにしていた。このため、電源装置として電源トランスの他に別途フィルタの取り付け作業が加わり、余計な作業が必要になるとともに、電源装置の大型化やコストアップを招いてしまう。

また、電気機器の内部には様々なデジタル回路が内蔵されており、このデジタル回路で発生する高周波成分が逆に電源トランスを通して入力側の電源ラインへと漏れるので、上記のような電源高調波成分を増加させてしまうこともある。

なお、下記の特許文献１には、トランス本体にノイズを遮断する機能を付与したノイズカットトランスとその製造方法に関する発明が開示されているが、このトランスは構造そのものが大型であり製造コストも高いという問題がある。

特開平１１−８１３９号公報

（２）力率の悪化
図１４に示すように、電源トランスの２次側にブリッジ形整流回路と平滑コンデンサを並列接続した整流平滑回路、いわゆるコンデンサ・インプット型整流回路が利用されている。電源装置にこのようなコンデンサ・インプット型整流回路があると、電気機器の消費電力が同じであっても、図示したように入力電圧が正弦波の波形であるのに対し入力電流は高調波成分を多く含んだパルス状の波形になり、入力電流の実効値が大きくなる。したがって、高調波成分が多く含まれていると実効電力値に対する皮相電力値が大きくなり、入力電流が多く流れるため、結果として力率（実効電力値／皮相電力値）が悪くなるという問題があった。また、力率が悪いと電流波形に低周波の雑音成分を含むので、電気機器に障害を与える原因にもなる。

そこで、高調波成分を少なくして整流平滑回路の直流電圧を安定化させるため、図１５に示すようなチョークコイルを整流回路に直列接続したチョーク・インプット型整流回路を使用する方法がある。ところが、この方法は電源トランスとチョークコイルの両方が必要になり、しかもインダクタンスが数十ｍＨ以上のチョークコイルが必要で、非常に大型で重量も嵩むため、現在ではあまり利用されていない。替わりに、整流回路の後段に安定化電源を挿入する構成も考えられるが、この場合にも電源装置が大型化し、更なるコストアップを招くという問題がある。

（３）突入電流の発生
電源トランスに使用しているトロイダルトランスは、電源を投入した瞬間に流れる突入電流（インラッシュ電流）が大きいことが欠点である。この突入電流は１００Ａ以上になることもあり、そうなるとブレーカが遮断したり、入力電源ラインの瞬間的な電圧降下を招いたりするという問題があった。

そこで、突入電流を低減する対策として、図１６に示すように電源トランスの１次側に抵抗とリレー回路を設ける方法が利用されている。この方法によれば電源投入時の電流は抵抗を流れ、入力電流が定常状態になる２〜３秒後にリレーをＯＮし、抵抗に流れていた電流をリレーに流れるようにして突入電流を制限する。しかし、この方法についてもリレー回路や抵抗が必要なので部品点数が多くなり、コストアップの要因になる。

本発明は以上のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は構造を大型化することなくかつ低コストで製造が可能な設計によって、高調波成分を減衰させ、力率を改善し、更には突入電流を制限できる電源トランスを提供することである。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１コアの外周に互いに絶縁させて巻き付けられた１次巻線及び２次巻線からなるトランス本体と、上記１次巻線に直列接続されて第２コアの外周に巻き付けられたコイルとが一体化されていることを特徴とする。この構造において、コイルは力率を改善するチョークコイルや、突入電流を制限する制限抵抗として機能する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源トランスにおいて、上記１次巻線に並列接続されたコンデンサを更に備え、上記コイルと上記コンデンサとによりフィルタ回路を構成していることを特徴とする。この構造によると、コイルはフィルタ回路におけるインダクタとして機能し、電源電流に含まれる高調波成分を減衰させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電源トランスにおいて、上記フィルタ回路が上記１次巻線に複数個連続して接続されていることを特徴とする。この構造によれば、入力電流の変動が大きい場合であっても、高調波成分を効率よく除去することが可能になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源トランスにおいて、上記第２コアがギャップ付きのカットコアであることを特徴とする。この構造では、入力電流のレベルが変動しても、コイルが磁気飽和しないので常に安定したインダクタとして機能する。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源トランスにおいて、上記トランス本体と上記コイルが磁気シールドで絶縁され、有底円筒形のケース内に積層して収納されていることを特徴とする。この構造によると、シンプルな外観で持ち運びにも便利な電源トランスを提供できる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電源トランスにおいて、上記トランス本体と上記コイルとの間に絶縁体又は空間部を介在させてあることを特徴とする。この構造によれば、ケース内でトランス本体とコイルとの磁気的な干渉がなくなり、安定した特性が得られる。

本発明の電源トランスによれば以下の効果が得られる。

（１）高調波成分の減衰
フィルタを使用していない電気機器を接続する場合であっても、この電源トランスを使用することにより電源の高調波成分が減衰して除去されるので、電気機器における種々の誤動作が防止される。また、電気機器の内部にフィルタ回路を有している場合には、この電源トランスを組み合わせて使用すれば高調波成分の減衰効果を一層大きくすることができるとともに、減衰の程度によっては電気機器の内部にフィルタ回路が不要になる。更には、電気機器内のデジタル回路で発生した高調波成分が電源トランスの入力側から電源ラインへと漏れるのを阻止し、電源高調波成分が増加するのを抑制することができる。

（２）力率の改善
特にコンデンサ・インプット型整流回路を有する電源装置において、内部にチョークコイルの機能を有する電源トランスを使用することによって、電源電流に含まれる高調波成分の発生を阻止できる。その結果、電気機器に障害を与える原因が少なくなり、力率が大幅に改善されるため、電源効率が良くなり節電に繋がるという効果がある。また、電源トランスの入力側にコンデンサを並列接続することによって、電源電流に含まれる高調波成分を減衰させる機能が付加される。

（３）突入電流の制限
電源トランスの入力側には１次巻線に直列接続されたコイルを有しており、このコイルが電源投入時に流れる入力電流に対する抵抗になるので、トロイダルトランスに特有な欠点である過大な突入電流を制限することができる。したがって、突入電流によるブレーカの遮断や入力電源ラインの瞬間的な電圧降下を未然に防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本発明によれば、トランス本体の入力側にコイルを一体化する構造を採用したことによって、高調波成分を減衰する機能（以下「第１の機能」という。）と、力率を改善する機能（以下「第２の機能」という。）と、突入電流を制限する機能（以下「第３の機能」という。）のいずれかの機能を持たせた電源トランスを提供することができる。

まずは、第１の機能について説明する。

図１は本発明の電源トランスの全体構造を示し、図２はその断面構造を示したものである。図において１は電源トランス、２はトランス本体、３はＬＣフィルタ、４は磁気シールド、５は絶縁板、６はケースである。なお、図１においてトランス本体２とＬＣフィルタ３の内部構造を理解し易くするため、磁気シールド４の一部を分解した状態を図示してある。

電源トランス１は、商用電源の電圧を所定の電圧に変換するトランス本体２と、商用電源に含まれる高調波成分を減衰させるＬＣフィルタ３とを備えて構成されている。

トランス本体２とＬＣフィルタ３は、ここでは同径の円筒形をしており、その周囲をすべて磁気シールド４で包囲されている。ＬＣフィルタ３は絶縁板５を介してトランス本体２の軸心方向に積層され、有底円筒形のケース６の内部に収納される。

絶縁板５はケース６内でのトランス本体２とＬＣフィルタ３との磁気的な干渉を防ぐためのものであるが、これに替えてトランス本体２とＬＣフィルタ３との間に隙間を設けて空間部を介在させてもよい。また、トランス本体２から生じる漏れ磁束（リーケージ・フラックス）を効果的に遮蔽するために、方向性磁性を有する帯状の磁性鋼板を用い、これを放射状に巻装した磁気遮蔽構造を利用することもできる（詳細は特公平７−４６６６４号公報を参照）。

図３はトランス本体の断面構造を示したものである。

トランス本体２はトロイダルトランスであり、第１コア２１と、１次巻線２２と、２次巻線２３とから構成されている。

第１コア２１は高透磁率を有する磁性材料、例えば珪素鋼板からなるリング状の磁性コアである。第１コア２１のリング部分にはその全周にわたって導線を巻き付けた２次巻線２３が設けられている。この２次巻線２３はトロイダルトランスにおける低圧用コイルとして機能する。第１コア２１と２次巻線２３との間には樹脂材等からなる絶縁体２４を介在させてある。

２次巻線２３の外側には同じく導線を巻き付けた１次巻線２２が設けられており、この１次巻線２２はトロイダルトランスにおける高圧用コイルとして機能する。１次巻線２２と２次巻線２３とは絶縁体２４を介して互いに絶縁されている。なお、絶縁体２４を介在させる替わりに、１次巻線２２と２次巻線２３をそれぞれ絶縁体で被覆した導線で構成してもよい。

図１に示したように、トランス本体２にはＬＣフィルタ３を経由して１次巻線２２へ入力電流を導入するための入力リード線２５と、２次巻線２３から出力電流を取り出すための出力リード線２６とが設けられている。これら入出力用のリード線はケース６の外部に引き出してある。

図４はＬＣフィルタの断面構造を示したものである。

ＬＣフィルタ３は第２コア３１と、コイル３２と、コンデンサ３３（図１参照）とから構成されている。

第２コア３１は珪素鋼板やフェライト等からなる略リング状の磁性コアである。第２コア３１の周囲は樹脂材等の絶縁体３４で被覆されている。第２コア３１のリング部分にはその全周にわたって導線が巻き付けられてコイル３２を構成しており、コイル３２の導線は１次巻線２２に直列接続される。１次巻線２２には更にコンデンサ３３が並列接続されている。

第２コア３１は磁路にギャップ３１ａを形成して２分割したカットコアにしてある。これは入力電流がピーク値に達した場合であっても、磁気飽和しないで安定したインダクタとして機能させるためである。なお、図示していないが、２分割された第２コア３１は支持体によって連結され、ギャップ３１ａの間隔が維持されている。

このように、本発明の電源トランス１は、従来の電源トランス（図１１参照）におけるケース６の深さを拡大し、新たに設けたＬＣフィルタ３をトランス本体２の上に重ねて収納するようにした。このため、従来のシンプルな外観形状を維持しつつ低コストで製造でき、コンパクトで持ち運びにも便利な電源トランス１を提供できる。例えば、従来からあるＥＩ型のトランスは構造が複雑でフィルタを新設しようとしてもコンパクト化は困難であるが、本発明のようにトランス本体２にトロイダルトランスを採用したことにより、このようなコンパクトな設計が可能になる。

以上が電源トランスの構造上の特徴であるが、以下にその作用を説明する。

図５は電源トランスの回路構成を示したものである。

電源トランス１において、入力リード線２５の端子は商用電源に接続され、出力リード線２６の端子は電気機器に接続される。商用電源からの入力電圧はトランス本体２において所定の定格電圧に変換されて電気機器へ供給される。

ＬＣフィルタ３は特定周波数以上の周波数成分を減衰させるフィルタ回路であり、電源電流に含まれる高調波成分を減衰させて除去するようになっている。

図６はＬＣフィルタの一例を示し、図７はＬＣフィルタの別例を示したものである。

図６に示すＬＣフィルタ３は、１次巻線２２に直列接続したコイル３２と、１次巻線２２に並列接続したコンデンサ３３とによってフィルタ回路を構成した例である。図７に示すＬＣフィルタ３は、同じくコイル３２とコンデンサ３３とから構成されたフィルタ回路を１次巻線２２に対して２個連続して接続した例である。

いずれのＬＣフィルタ３においても、コイル３２はインダクタとして機能し、交流電流に対し周波数が高くなるほどリアクタンスが大きくなり、入力電流を流れ難くする。このとき入力電流の位相は９０度遅れる。これとは逆に、コンデンサ３３は交流電流に対し周波数が高くなるほどリアクタンスが小さくなり、入力電流を流れ易くする。このとき入力電流の位相は９０度進む。

したがって、コイル３２とコンデンサ３３とでは入力電流の位相が１８０度ずれることで互いに打ち消し合うので、特定周波数で高いインピーダンスを示す。この特性を利用することにより、電源電流に含まれる特定の高調波成分のみを選択的に減衰させて除去することができる。

ここで、ＬＣの値については、目的とする除去すべき高調波成分の周波数に合わせて最適値に設定すればよく、本実施形態では５００Ｈｚ以下の周波数に対しては無視できる程度とした。また、入力電流の変動が大きい場合にはコイル３２のインダクタンス値を小さく設定し、フィルタ回路の個数を増やすことによって、高調波成分を効率よく除去することが可能になる。

図８は電源トランスにおける高調波成分の減衰特性を示したものである。

図において、（Ａ）は比較例、（Ｂ）は実施例１、（Ｃ）は実施例２についての周波数と出力電圧のノイズレベルとの関係をグラフ化したものである。比較例、実施例１及び２の仕様は次の通りである。

（Ａ）比較例：従来の電源トランスであり、２次巻線に抵抗（２Ω）を並列接続した。入力電圧は１００Ｖ、出力電圧は２４Ｖ、トランスの容量は３００ＶＡである。

（Ｂ）実施例１：本発明の電源トランスの一例であり、１次巻線にコイル（２ｍＨ）を直列接続し、コンデンサ（０．４７μＦ）を並列接続したフィルタ回路である。また、２次巻線に抵抗（２Ω）を並列接続した。入力電圧は１００Ｖ、出力電圧は２４Ｖ、トランスの容量は３００ＶＡである。

（Ｃ）実施例２：本発明の電源トランスの別例であり、１次巻線にコイル（２ｍＨ）及びコンデンサ（０．４７μＦ）からなるフィルタ回路と、コイル（１０ｍＨ）及びコンデンサ（０．４７μＦ）からなるフィルタ回路を連続して接続した。また、２次巻線に抵抗（２Ω）を並列接続した。入力電圧は１００Ｖ、出力電圧は２４Ｖ、トランスの容量は３００ＶＡである。

同図に示すように、比較例では１ｋＨｚ付近まで変化はなく、１ｋＨｚを超えてもほとんど目立った減衰効果が見られなかったのに対し、実施例１及び２では１０ｋＨｚを超えたところで急激な下降特性を示し、１００ｋＨｚ付近では比較例の約１０倍以上もの減衰効果が得られた。特に実施例１よりも実施例２の方がその効果は高く、フィルタ回路の個数を増やすことによって高調波成分を大幅に除去できることが判明した。

次に、第２の機能について説明する。

図９は電源トランスの他の実施形態の回路構成を示したものである。

この実施形態の電源回路は、コンデンサ・インプット型整流回路において力率を改善したものである。電源トランス１の出力側には整流平滑回路７が設けられており、整流平滑回路７は２次巻線２３に並列接続されたブリッジ形整流回路７１と平滑コンデンサ７２とから構成されている。電源トランス１の入力側にはチョークコイル３２Ａが接続されており、全体でいわゆるチョーク・インプット型整流回路が形成される。

チョークコイル３２Ａの抵抗値は、ＬＣフィルタ３のときよりも大きな値に設定すればよく、２Ω程度あれば充分である。チョークコイル３２Ａを構成する第２コア３１は透磁率の高い珪素鋼板にするのが好ましいが、ＬＣフィルタ３のように高調波成分を除去するだけの目的であれば第２コア３１はフェライトでもよい。

このようなチョーク・インプット型整流回路においては、チョークコイル３２Ａの働きにより、図示したようにコンデンサ・インプット型整流回路のときの電流波形のピーク値がＬのインピーダンスによって抑えられる。このため、電流波形の位相がずれ、電流の流れている時間である導通角が広くなる。

したがって、チョーク・インプット型整流回路では、電流波形がパルス状の波形から正弦波の波形に近づくため、入力電流の実効値が小さくなり、その結果、力率が大幅に改善される。コンデンサ・インプット型整流回路において０．６５〜０．７程度であった力率は、チョーク・インプット型整流回路では０．８〜０．９程度まで改善される。力率が改善されれば電源効率が上がるので、節電に繋がるという効果が得られる。また、本実施形態では、電源トランス１の入力側において１次巻線２２にコンデンサ３３を並列接続してあるので、電源電流に含まれる高調波成分を減衰させる効果もある。

最後に、第３の機能について説明する。

図１０は電源トランスの更に他の実施形態の回路構成を示したものである。

この実施形態の電源トランス１は突入電流制限用のトランスであり、１次巻線２２に直列コイル３２Ｂを接続したものである。ここではＬＣフィルタ３のときに使用したコンデンサ３３は不要である。

このように、電源トランス１の入力側に直列コイル３２Ｂが設けられていれば、電源投入時には直列コイル３２Ｂが入力電流に対する制限抵抗として機能し、トランス本体２に過大な突入電流が流れ込むのを阻止することができる。したがって、突入電流によるブレーカの遮断を防ぎ、入力電源ラインの瞬間的な電圧降下も未然に防止できる。

なお、トランス本体２において、磁性材からなる第１コア２１が磁気飽和した状態で電源が切断されるとインピーダンスがほぼ０になり、抵抗として機能しない。すると導線抵抗が小さく巻線抵抗（１Ω程度）のみになるので、回路に過大な電流が流れてしまう危険性がある。そこで、直列コイル３２Ｂについて、図４に示したように第２コア３１にギャップ３１ａを形成して磁気飽和しないようにしておけば、電源切断のタイミングにかかわらず直列コイル３２Ｂが制限抵抗として機能し、突入電流が確実に阻止される。

以上説明したように、本発明の電源トランス１は１次巻線２２にコイル３２を直列接続する構成を採用したものである。これにより、コイル３２がフィルタ回路におけるインダクタとして機能して高調波成分を減衰させる効果や、コイル３２がチョーク・インプット型整流回路におけるチョークコイルとして機能して力率を改善する効果や、あるいはコイル３２が制限抵抗として機能して突入電流を阻止する効果が得られる。

本発明の電源トランスの分解斜視図。 電源トランスの縦断面図。 トランス本体の横断面図。 ＬＣフィルタの横断面図。 電源トランスの回路図。 ＬＣフィルタの一例を示す回路図。 ＬＣフィルタの別例を示す回路図。 電源トランスにおける高調波成分の減衰特性を示すグラフ図。 電源トランスの他の実施形態の回路図。 電源トランスの更に他の実施形態の回路図。 従来の電源トランスの断面図。 従来の電源トランスの回路図。 従来の電源トランスにフィルタを接続した回路図。 従来の電源トランスに整流平滑回路を接続した回路図。 従来の電源トランスにチョーク・インプット型整流回路を接続した回路図。 従来の電源トランスにスイッチング回路を接続した回路図。

符号の説明

１ 電源トランス
２ トランス本体
２１ 第１コア
２２ １次巻線
２３ ２次巻線
２４ 絶縁体
２５ 入力リード線
２６ 出力リード線
３ ＬＣフィルタ
３１ 第２コア
３１ａ ギャップ
３２ コイル
３３ コンデンサ
３４ 絶縁体
４ 磁気シールド
５ 絶縁板
６ ケース
７ 整流平滑回路
７１ ブリッジ形整流回路
７２ 平滑コンデンサ

Claims (6)

1. 第１コアの外周に互いに絶縁させて巻き付けられた１次巻線及び２次巻線からなるトランス本体と、上記１次巻線に直列接続されて第２コアの外周に巻き付けられたコイルとが一体化されていることを特徴とする電源トランス。
2. 上記１次巻線に並列接続されたコンデンサを更に備え、上記コイルと上記コンデンサとによりフィルタ回路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の電源トランス。
3. 上記フィルタ回路が上記１次巻線に複数個連続して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電源トランス。
4. 上記第２コアがギャップ付きのカットコアであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源トランス。
5. 上記トランス本体と上記コイルが磁気シールドで絶縁され、有底円筒形のケース内に積層して収納されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源トランス。
6. 上記トランス本体と上記コイルとの間に絶縁体又は空間部を介在させてあることを特徴とする請求項５に記載の電源トランス。

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