JP2009266978A

JP2009266978A - 磁気相殺型変圧器

Info

Publication number: JP2009266978A
Application number: JP2008113326A
Authority: JP
Inventors: Masao Nagano; 正雄永野; Mitsuaki Hirakawa; 三昭平川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: JP5297076B2; US20090267718A1

Abstract

【課題】残留磁束を低減することができる磁気相殺型変圧器を提供する。
【解決手段】磁気相殺型変圧器１は、通電時に磁束を生じる複数の巻線Ｍが巻かれているものであって、前記複数の巻線（１次の巻線Ｍ１、２次の巻線Ｍ２）と、前記複数の巻線が巻き回しされる磁脚部Ｊｉ及びこの磁脚部Ｊｉを固定する基部Ｋｉを有するコアＣｏと、を備え、磁束の磁束方向がいずれの組み合せをとっても互いに打ち消し合うように、前記巻線Ｍが、前記磁脚部Ｊｉに交互に重なって巻き回しされていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻線に生じる磁束を相殺して変圧する磁気相殺型変圧器に関する。

従来、通電時に巻線に生じる磁束を相殺する磁気相殺型変圧器（例えば、特許文献１参照）では、１次巻線と２次巻線とが１つのコアにおいて、ほぼ一対一に磁気相殺するように、逆向きに巻かれている。つまり、磁気相殺型変圧器では、１次巻線によって生じる閉磁路を形成する磁束と、２次巻線によって閉磁路を形成する磁束とが互いに打ち消し合うように構成されている。

また、従来の磁気相殺型変圧器では、１次巻線と２次巻線とがコアの磁脚部において上下に積み重なるように巻かれている。さらに、コアは、通常、組み立てを容易にするために、少なくとも２つのブロックが接合面を介して接合することによって構成されている。

ここで、図９を参照して、従来の磁気相殺型変圧器について説明する。従来の磁気相殺型変圧器１０１は、１次巻線１０３ａと２次巻線１０３ｂとがそれぞれ一塊になっている分離巻線１０３を採用している。また、この従来の磁気相殺型変圧器１０１では、コア１０５が上部１０５ａと下部１０５ｂとで非対称形状に構成されている。

また、ここで、従来の分離巻線についてもふれておく。図１０に示したように、分離巻線は、１次巻線と２次巻線とをそれぞれ一塊にしたものを、上下に積み重ねるように巻き回ししたものである。そして、この分離巻線を採用した従来の磁気相殺型変圧器１０１は、図１０の「断面形状」に示したように、１次巻線１０３ａと２次巻線１０３ｂとが分離して巻かれている。

さらに、ここで、従来の非対称型コア（ＥＩコア）についてもふれておく。図１１に示したように、従来の非対称型コア１０５は、上部の板状のブロック（アルファベットのＩを横にした形）１０５ａと、下部のブロック（アルファベットのＥを横にした形）１０５ｂとが異なる形状に構成されており、コアが接合面を介して非対称形状となっている。そして、この図１１の「コア断面」に示したように、コアの断面が非対称形状になっているので、１次巻線１０３ａ、２次巻線１０３ｂで通電時にそれぞれ発生する磁束が不均等に打ち消し合うことになる。

そして、従来の磁気相殺型変圧器は、通電時に１次巻線に生じた磁束と２次巻線に生じた磁束とを相殺することで、コアにおける磁気飽和を防止することができ、変圧器本体を小型化することができる。
特開２００５−２２４０５８号公報

しかしながら、従来の磁気相殺型変圧器には、１次巻線と２次巻線とが各々一塊になって、コアの磁脚部において上下に積み重なるように巻かれており、コアの磁束密度分布が不均一となってしまうという問題がある。また、コアの接合面を通って閉磁路を形成する磁束と、コアの接合面を通らずに閉磁路を形成する磁束とが発生し、磁束が均一に相殺されずに相殺されて、残留磁束が生じてしまうという問題がある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、残留磁束を低減することができる磁気相殺型変圧器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の磁気相殺型変圧器は、通電時に磁束を生じる複数の巻線が巻かれている磁気相殺型変圧器であって、前記複数の巻線と、前記複数の巻線が巻き回しされる磁脚部及びこの磁脚部を固定する基部を有するコアと、を備え、前記磁束の磁束方向がいずれの組み合せをとっても互いに打ち消し合うように前記磁脚部に交互に重なって巻き回しされていることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気相殺型変圧器は、通電時に巻線に生じる磁束の磁束方向のいずれの組み合わせをとっても互いに打ち消し合うように、巻線が磁脚部に交互に重なって巻き回しされているので、磁束を均一に相殺することができる。

請求項２に記載の磁気相殺型変圧器は、請求項１に記載の磁気相殺型変圧器において、前記コアが２分割のブロックからなり、当該コアの２分割となる接合面を境に対称形状となる対称型コアであることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気相殺型変圧器は、接合面を境に対称形状となる対称型コアを用いたことで、コアの接合面を通って閉磁路を形成する磁束と、コアの接合面を通らずに閉磁路を形成する磁束とのバランスが取れ、磁束を均一に相殺することができる。

請求項３に記載の磁気相殺型変圧器は、請求項１又は２に記載の磁気相殺型変圧器において、前記コアが、一つの磁脚部を備え、前記複数の巻線は、第１の巻線と第２の巻線とからなり、前記第１の巻線及び前記第２の巻線が、磁束の方向が互いに打ち消しあうように、前記一つの磁脚部に交互に重なって巻き回しされていることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気相殺型変圧器は、一つの磁脚部において、第１の巻線と第２の巻線とに通電時に生じる磁束が互いに打ち消しあって、磁束を均一に相殺することができる。

本発明によれば、巻線によって生じる磁束を均一に相殺することができ、残留磁束を低減することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明する。
（磁気相殺型変圧器の構成）
図１は、磁気相殺型変圧器の概略図である。この図１に示したように、磁気相殺型変圧器１は、通電時に磁束を生じる第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが、２つのブロック（Ｃｏ１、Ｃｏ２）からなるコアＣｏに巻かれて構成されている。なお、磁気相殺型とは、並列に巻き回された巻線にて生じる磁束の磁束方向がいずれの組合せをとっても互いに逆向きになっており、磁束を相殺する（打ち消し合う）型式を指している。

第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２は、１周分ごと上下方向に交互に重なるように構成されており、通電時に生じる磁束方向が互いに逆向きになるように巻かれている。第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２は、通電時に電流の進行方向に対して、右回転に磁束を生じるものである。つまり、磁気相殺型変圧器１では、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とに通電する電流の方向（通電方向、図１の矢印）が逆向きになるようにしている。

また、これら第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２との巻き半径は、コアＣｏの磁脚部Ｊｉの半径とほぼ同じになるように構成されている（すなわち、巻線とコアＣｏの磁脚部Ｊｉとの間の空間が小さくなるように構成されている）。そして、通電時に、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２に生じる磁束は、均一にコアＣｏの接合面を通過する。これによって、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２に生じる磁束は、磁束方向が逆向きで、同様の閉磁路を形成することになり、均一に磁気を相殺することができる。

第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とは、巻き数ｎもほぼ同じに構成され、ほぼ同じ幅ｗ、厚さｔとを備え、ほぼ同じ巻線の上下間隔ｓとなるように、コアＣｏの磁脚部に巻き回しされている。そして、これら第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２との材質には、導電率の高い金属（例えば、銅、銀、アルミニウム等）を採用している。

そして、巻線の上下方向の間隔ｓが、巻線の厚さｔよりも若干大きくなるように構成されており、この第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とは、重なり合うように巻かれている。つまり、巻線の上下方向の間隔ｓが、巻線の厚さｔより若干大きくなるように構成されている。そして、第１の巻線Ｍ１の１周分の上下の巻線の間に、第２の巻線Ｍ２の１周分の巻線が挿入されるように形成されている。逆に、第２の巻線Ｍ２の１周分の上下の巻線の間に第１の巻線Ｍ１の１周分の巻線が挿入されているということもできる。この実施形態では、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とは、いわゆるバイファイラ巻線Ｍによって構成されている（詳細は後記する）。

なお、図１において、第１の巻線Ｍ１を拡大して示したように、第１の巻線Ｍ１の上下間隔（ハッチング部分）ｓに第２の巻線Ｍ２が介挿されることになる。このように、磁気相殺型変圧器１では、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが交互に重なるように構成されている。

すなわち、この図１における第１の巻線Ｍ１を拡大した箇所において、第１の巻線Ｍ１は、当該第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが螺旋状に巻き回しされている上側（一方側、螺旋の上部）に該当し、第２の巻線Ｍ２が下側（他方側、螺旋の下部）に該当している。

コアＣｏは、２つのブロック（Ｃｏ１、Ｃｏ２）が接合することで、ほぼ直方体の形状に形成されており、接合面を境に対称形状に構成されている。このコアＣｏは、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが巻かれる磁脚部Ｊｉと、それ以外の部分である基部Ｋｉとから構成されている。この実施形態では、コアＣｏは、対称型コア（ＥＥコア）によって構成されている（詳細は後記する）。

そして、コアＣｏの材質は、鉄等の金属（例えば、フェライト、珪素鋼、軟磁性材料等）で構成されている。また、コアＣｏの接合面は、２つのブロック（Ｃｏ１、Ｃｏ２）と同じ金属の金属粉を焼結することで、２つのブロック（Ｃｏ１、Ｃｏ２）を一体化するために形成された面である。なお、コアＣｏは珪素鋼板等を積層して形成することもできる。

磁脚部Ｊｉは、コアＣｏにおいて、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが巻き回されている箇所である。この実施形態では、２つブロック（Ｃｏ１、Ｃｏ２）のほぼ中央に円柱状に形成された部分である。

基部Ｋｉは、コアＣｏにおいて、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とが巻き回しされていない箇所である。

この磁気相殺型変圧器１は、第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２とを重ねるようにコアＣｏの磁脚部Ｊｉに巻き回しすることで、通電時に、これら第１の巻線Ｍ１と第２の巻線Ｍ２によって生じる磁束を均一に相殺することができ、残留磁束を低減することができる。

つまり、磁気相殺型変圧器１では、第１の巻線Ｍ１の上下方向の巻線の間に第２の巻線Ｍ２が挿入されており、逆に、第２の巻線Ｍ２の上下方向の巻線の間に第１の巻線Ｍ１が挿入されており、通電方向が逆向きであるので、隣接する巻線同士で通電時に生じる磁束を打ち消し合う。これによって、従来のように第１の巻線と第２の巻線とを一塊にして上下方向に積み重ねるよりも、隣接する巻線同士で確実に磁束を相殺することができ、残留磁束の低減が図れる。

（磁気相殺型変圧器を組み込んだ回路の例）
次に、図２を参照して、磁気相殺型変圧器１を電力変換器に組み込んだ場合について説明する。この図２に示した電力変換器２は、磁気相殺型変圧器１（カップルドインダクタ）を用いて、一方の端子に印加された電圧（入力電圧）を昇圧又は降圧して他方の端子に出力する磁気相殺型変圧器ＤＣ／ＤＣコンバータであり、インダクタＬ１と、２個のキャパシタＣ１、Ｃ２と、４個のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４と、を備えている。

この電力変換器２では、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をオンオフ制御することで、インダクタＬ１の放出電流をキャパシタＣ１又はＣ２に充電させた後、放電させることで、所望の電圧に、印加された電圧（入力電圧）を昇圧又は降圧している。そして、その場合に、磁気相殺型変圧器１において、直流残留磁束を低減しているので、電力変換器２では、大出力、高い昇圧率で昇圧することが可能となり、動作領域を拡大することができる。

例えば、この電力変換器２では、スイッチ素子ＳＷ２、ＳＷ４をオンオフ制御して、インダクタＬ１の放出電流を、キャパシタＣ２に充電させることで昇圧動作を行わせることができる。そして、この場合に、磁気相殺型変圧器１では、インダクタＬ１からの放出電流が通電する際に、第１の巻線Ｍ１（図１参照）と第２の巻線Ｍ２（図１参照）とにおいて発生する磁束の磁束方向が逆向きであり、互いに重なるように巻かれているので、磁束を確実に相殺することができる。

（バイファイラ巻線について）
次に、図３を参照して、バイファイラ巻線について説明する。
図３に示すように、バイファイラ巻線は、１次巻線と２次巻線とを互いの巻線が上下に重なるように巻き回したものである。そして、磁気相殺型変圧器１は、このように巻き回したバイファイラ巻線をコアＣｏに組み込むことで構成されており、図３の「断面形状」に示したように、１次巻線と２次巻線とが交互に巻かれている。

そして、これらバイファイラ巻線を採用した場合と分離巻線を採用した場合とについて、昇圧率を実測した結果を、図４に示す。
この図４に示すように、入力電圧を１００Ｖ〜３００Ｖとした場合、分離巻線とバイファイラ巻線とでは、昇圧率に差が生じ、特に、入力電圧が３００Ｖ付近の場合、分離巻線では１．５倍程度の昇圧率に留まってしまうが、バイファイラ巻線では２倍程度の昇圧率を維持することができる。

（対称型コアについて）
次に、図５を参照して、対称型コアについて説明する。
図５に示したように、磁気相殺型変圧器１では、コアＣｏに対称型コア（ＥＥコア）を採用している。つまり、ブロックＣｏ１とブロックＣｏ２とが同じ形状（両方ともアルファベットのＥを横にした形）に構成されており、コアＣｏが接合面を介して対称形状となっている。そして、この図５の「コア断面」に示したように、コアの断面が接合面を中心軸として対称形状になっているので、１次巻線Ｍ１、２次巻線Ｍ２で通電時にそれぞれ発生する磁束が均等に打ち消し合うことになる。

（残留磁束の発生メカニズムについて）
次に、図６〜図８を参照して、磁気相殺型変圧器における残留磁束（直流残留磁束）の発生メカニズムについて説明する。なお、ここでは、残留磁束の発生メカニズムについて、非対称型コア（ＥＩコア）にバイファイラ巻線を採用した場合、対称型コア（ＥＥコア
）にバイファイラ巻線を採用した場合（磁気相殺型変圧器１）、非対称型コアに分離巻線を採用した場合（磁気相殺型変圧器１０１）、非対称型コアにバイファイラ巻線を採用した場合の４つの場合について説明する。

図６（ａ）に示したように、非対称型コア（ＥＩコア）にバイファイラ巻線を採用した場合、１次巻線による磁束である１次磁束では、ギャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１と、ギャップを通る磁束Ｇ２とが生じる。これに対し、２次巻線による磁束である２次磁束では、ギャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１がほとんど生じず、ギャップを通る磁束Ｇ２が生じる。このため、１次磁束と２次磁束において、打ち消し合う磁束が不均一になる。この結果、残留磁束はバイファイラ巻線によって低減できるがコアが非対称であるため若干残る。

図６（ｂ）に示したように、対称型コア（ＥＥコア）にバイファイラ巻線を採用した場合（磁気相殺型変圧器１）、１次巻線による磁束である１次磁束と２次巻線による磁束である２次磁束とは、ギャャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１がほとんど生じず、ギャップを通る磁束Ｇ２が生じる。このため、１次磁束と２次磁束において、打ち消し合う磁束が均一になる。この結果、残留磁束は低減でき非常に少なくなる。

図７（ａ）に示したように、非対称型コア（ＥＩコア）に分離巻線を採用した場合（磁気相殺型変圧器１０１）、１次巻線による磁束である１次磁束では、ギャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１と、ギャップを通る磁束Ｇ２とが生じる。これに対し、２次巻線による磁束である２次磁束では、ギャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１がほとんど生じず、ギャップを通る磁束Ｇ２が生じる。このため、１次磁束と２次磁束において、打ち消し合う磁束が不均一になる。また、分離巻線が採用されているため、１次磁束と２次磁束とにおいて相互に打ち消しあう磁束が少ない。この結果、残留磁束は非常に多く残る。

図７（ｂ）に示したように、対称型コア（ＥＥコア）に分離巻線を採用した場合、１次巻線による磁束である１次磁束と２次巻線による磁束である２次磁束とは、ギャャップ（接合面）を通らない磁束Ｇ１がほとんど生じず、ギャップを通る磁束Ｇ２が生じる。このため、１次磁束と２次磁束において、打ち消し合う磁束が均一になる。しかし、分離巻線が採用されているため、１次磁束と２次磁束とにおいて相互に打ち消し合う磁束が少ない。この結果、残留磁束は多く残る。

図８を参照しながら、図６、図７で示した直流残留磁束の変化についてまとめて説明する。
図８に示したように、対称型コアとバイファイラ巻線とを採用した磁気相殺型変圧器１の残留磁束が非常に少なくなる。そして、非対称型コアとバイファイラ巻線とを採用した場合に、その次に残留磁束が少なくなる。また、対称型コアと分離巻線とを採用した場合には、残留磁束は多く残る。さらに、非対称型コアと分離巻線とを採用した場合、残留磁束は非常に多く残る。なお、解析した結果、分離巻線を採用した場合に比べ、バイファイラ巻線を採用した場合には、残留磁束を１／１０程度に低減することができるがが、非対称型コアを採用した場合に比べ、対称型コアを採用した場合、さらに残留磁束を数％程度低減することができる。

なお、この図８において、コアに施したハッチングは、残留磁束を示している。そして、この残留磁束の大きさは、対称型コア＋バイファイラ巻線の残留磁束＜非対称型コア＋バイファイラ巻線の残留磁束＜対称型コア＋分離巻線の残留磁束＜非対称型コア＋分離巻線の残留磁束となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、バイファイラ巻線Ｍが巻き回しされる磁脚部Ｊｉが１つの場合について説明したが、この磁脚部Ｊｉが複数あってもよい。ただし、この場合、コアＣｏにおいて、磁脚部Ｊｉ間の距離が等しくなるように配置する必要がある。

本発明の実施形態に係る磁気相殺型変圧器の概略図である。本発明の実施形態に係る磁気相殺型変圧器を組み込んだ回路の例を示した図である。バイファイラ巻線を示した図である。バイファイラ巻線を採用した場合の昇圧率と分離巻線を採用した場合の昇圧率とを示した図である。対称型コアを示した図である。バイファイラ巻線を採用した場合の残留磁束について示した図である。分離巻線を採用した場合の残留磁束について示した図である。残留磁束の変化を示した図である。従来の磁気相殺型変圧器の概略図である。従来の分離巻線を示した図である。従来の非対称型コアを示した図である。

符号の説明

１磁気相殺型変圧器
Ｍ巻線（バイファイラ巻線）
Ｍ１１次の巻線
Ｍ２２次巻線
Ｃｏコア（対称型コア）
Ｃｏ１、Ｃｏ２ブロック
Ｊｉ磁脚部
Ｋｉ基部

Claims

通電時に磁束を生じる複数の巻線が巻かれている磁気相殺型変圧器であって、
前記複数の巻線と、
前記複数の巻線が巻き回しされる磁脚部及びこの磁脚部を固定する基部を有するコアと、を備え、
前記磁束の磁束方向がいずれの組み合せをとっても互いに打ち消し合うように、前記巻線が、前記磁脚部に交互に重なって巻き回しされていることを特徴とする磁気相殺型変圧器。
前記コアが２分割のブロックからなり、当該コアの２分割となる接合面を境に対称形状となる対称型コアであることを特徴とする請求項１に記載の磁気相殺型変圧器。
前記コアは、一つの磁脚部を備え、
前記複数の巻線は、第１の巻線と第２の巻線とからなり、
前記第１の巻線及び前記第２の巻線が、磁束の方向が互いに打ち消しあうように、前記一つの磁脚部に交互に重なって巻き回しされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気相殺型変圧器。