JP2009509330A - フォイル巻線パルストランス - Google Patents

Abstract

パルストランス装置（１００）は、アンカットパルストランスコア（１１０）、およびコアの周りに配置された多数の絶縁導体ストリップを含み、多数の独立した一次巻線を形成するフォイル巻線端子を末端とする少なくとも１つのフォイル巻線（１２０−Ａ、１２０−Ｂ）から構成される。この新規設計原理はいくつかの利点を有する。フォイルの巻線を作ることによって、コアへのフォイル巻線の挿入が容易になるためコアの分割が不要になる。複数の一次巻線の組立作業は大幅に削減される。このことは、コア分割のコストが不要になることに加え、ＤＣリセット電流の低減、電気的短絡の危険性の低減、および潜在する高周波ＡＣ抵抗問題に起因する過大な損失の回避というさらなる利点ももたらす。

Description

本発明は、パルストランスに関し、新規な巻線構成と、このような巻線構成を有するパルストランスを効率よく作る方法に関する。

電力システムは、ほとんどすべての産業分野に見られ、通常、電力またはエネルギーを対象とする負荷に制御可能に伝達するために何らかの形の回路を必要とする。一般に使用される電力システムの１つの具体例はパワーモジュレータで、これは電力の流れを制御する構成として知られる。パワーモジュレータを電気パルスの発生用として設計するとき、これはパルスモジュレータまたはパルス発生器とも呼ばれる。最も一般的な形のパワーモジュレータは、大電力パルスを特殊な負荷に供給するものである。一例として、大電力パルスは、医療用放射線およびレーダなどの用途の電子線加速器システムおよび／またはマイクロ波発生システムを駆動する際にマイクロ波増幅管への給電に利用される。

パワーモジュレータの主要な部品はパルストランスで、これは基本的にトランスコア、１つまたは複数の一次巻線、および１つまたは複数の二次巻線を備える。パルストランスは、パルスエネルギーを一次側から二次側に伝達するために使用され、通常、電圧と電流の変化を伴う。トランスコアは何らかの磁性材料で作られ、巻線は一般に銅線で作られる。動作中、トランスはパルストランスタンクに収納されることも多く、タンクの中ではオイルなどの適切な流体が部品を効率よく冷却するとともに電気絶縁を施すことができる。

数マイクロ秒の範囲の短いパルス用のトランスコアは、通常、ケイ素鉄のテープを巻き付けて作られる。このテープは、一般に厚さがわずか０．０５ｍｍである。このような厚さはコア内の損失を削減するために必要である。コイル／巻線の実用性を考えて、コアは一般に２分割される。分割された各半割れを再結合するときは残留ギャップを最小にせねばならないため、表面を一様に研磨してできる限りエッチングし、テープ層間の電気的短絡を無くす必要がある。このため、各半割れの間には薄い絶縁物もなければならない。

本発明は、従来技術による構成についての前記およびその他の障害を克服するものである。

改良されたパルストランスの設計を提供することが本発明の全般的な目的である。
また、パルストランス装置の新規な製造方法を提供することも本発明の目的である。

本発明では、パルストランス装置の新たな設計法を提案する。従来の方法は、トランスコアを２分割し、分割したコアに巻線を挿入し、各半割れのコア間のギャップを最小にしながら各半割れを再結合するものである。一方、本発明は、アンカットパルストランスコアと、このコアの周りに配置された複数の絶縁導体ストリップを含み、１組の多数の独立した一次巻線を形成するフォイル巻線端子を末端とするフォイル巻線とを備えるパルストランス装置を提供する。

この新たな設計原理にはいくつかの利点がある。フォイルの巻線を作ることによって、コアへのフォイル巻線の挿入が容易になるため、コアを分割する必要が無くなる。複数の一次巻線を組み立てる作業は大幅に削減される。このことによって、コア分割のコストが不要になることに加え、ＤＣリセット電流の低減、電気的短絡の危険性の低減、および潜在する高周波ＡＣ抵抗問題に起因する過大な損失の回避という利点がさらにもたらされる。

多数の一次巻線とそれらの終端を絶縁フォイルに被着された単一の導電性フォイルに形成することが好ましい。好都合なことに、マルチストリップフォイル巻線では、アンカットトランスコアの周りに１ターンを巻いて接続用端子付きの多数の独立した（すなわち、互いに絶縁された）一次巻線を形成するだけで済む。これらの接続は、例えば、標準の多ピンコネクタまたはその他の公知の接続構成を導体フォイルストリップの端部に接続するだけで行うことができる。

また、フォイルをコアの周りに巻く時、マルチストリップフォイル巻線のワイヤパターンを１ストリップだけずらし、出会った端を半田付けして単一の巻き始めと、単一の巻き終わりを持つ二次巻き線を形成すると、二次巻線を効率よく形成することが可能である。

本発明からは少なくとも以下の利点が得られる。
費用効果の高い設計。
製造コストの削減。
ＤＣリセット電流の低減。
電気的短絡の危険性の低減。
潜在する高周波ＡＣ抵抗問題に起因する過大な損失の回避。
インダクタンスの減少および火花の危険性の低減。
本発明が提供するその他の利点は、本発明の実施形態に関する以下の説明を読むことによって理解されよう。

本発明の新規であると考えられる特徴が、特許請求の範囲に記載されている。しかし、本発明は、本発明の他の特徴および利点と同様に、以下の具体的な実施形態の詳細説明を添付図面を参照しながら読むことによって十分に理解されよう。

本発明を十分に理解するためには、パルストランスの従来の設計方法をまず分析することが有用である。

コイル／巻線の実用性を考えて、コアはこれまで２分割されている。分割された各半割れを再結合するときは残留ギャップを最小にせねばならないため、表面を一様に研磨してできる限りエッチングし、テープ層間の短絡を無くす必要がある。また、このためには各半割れの間に薄い絶縁物がなければならない。

しかし、本発明者らは、この分割の導入がトランスの性能に何らかの影響を与えることを認識している。
一例として、分割部の残留ギャップがおよそ０．０５ｍｍであると仮定すると、ギャップに１Ｔの磁界を発生するためにかなりの起磁力（例えば、８０アンペアターン）が必要になる。これは、電流ゼロで残留磁界をゼロに近づくようにしてパルスに利用可能な約１〜１．５Ｔの磁界増加分を残しておくという点で好都合である。ギャップがなければ、残留磁界は約１Ｔとなり、パルス用には０〜０．５Ｔしか残らない可能性がある。しかし、コアを有効利用するために、ＤＣ電流を追加巻線に加えて、一次電流ゼロにおける磁界を約１〜１．５Ｔの負磁界にずらすことが多い。このようにすることによって、パルスには最大３Ｔの磁界振幅の余地が残される。ギャップは、この電流のほとんどを費やすため、より大きい電流供給部品を必要とするという負の影響を有する。分割がない場合、ＤＣリセット電流は通常１／４に減少する。コアの分割に必要な追加費用に加え、電気的短絡の危険性も増す。

例えば、国際公開第ＷＯ９８／２８８４５Ａ１号としても公開された国際ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＳＥ９７／０１２３９号でもある本発明者らの米国特許第５，９０５，６４６号、および国際公開第ＷＯ０３／０６１１２５Ａ１号としても公開された国際ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＳＥ０２／０２３９８号でもある本発明者らの米国特許第６，７４１，４８４号に記載された多数の一次電源を使用するパルストランスのタイプは、多数の一次巻線となっている。従来の技術では、これらすべての巻線の組立作業と接続作業に時間と費用がかかる。

このため、一般的に、パルストランスの設計を改善する必要性がある。
本発明の基本概念は、アンカットパルストランスコアと、多数の独立した一次巻線を形成するためにコアの周りに配置された多数の絶縁導体ストリップを有し、フォイル巻線端子を末端とする少なくとも１つのフォイル巻線とに基づくパルストランス装置を提供することである。

図１に図式的に描かれた例では、パルストランス装置１００は、基本的にアンカットコア１１０、２つのフォイル巻線１２０−Ａ、１２０−Ｂ、および２つの二次巻線１３０−Ａ、１３０−Ｂを備える。各フォイル巻線１２０は、コアの周りに配置された多数の絶縁導体ストリップを有し、多数の独立した一次巻線を「マルチワイヤ」パターンで形成している。また、各フォイル巻線は、マルチワイヤパターンの一次フォイル巻線と言われることがある。

本発明の好ましい典型的な実施形態では、多数の一次巻線とそれらの終端が絶縁フォイルに被着された単一の導電性フォイル上に形成されている。導電性フォイルは、例えば銅などのある適当な導電性材料で作られている。都合のよいことに、接続用の端子を有する１組の独立した（すなわち、互いに絶縁された）一次巻線を形成するためには、マルチストリップフォイル巻線１２０をアンカットトランスコアの周りに１ターンを巻くだけで済む。多数の導体ストリップは、通常、互いに絶縁され、コアの周りに広がっている。

「ワイヤ」（導体ストリップ）は、例えば標準的なプリント基板の製造技術を使って普通の光化学的方法で導電性フォイル上に形成されることが好ましい。
フォイル技術を用いた本発明の好ましい典型的な実施形態では、一次巻線とそれらの終端が単一の導電性フォイル（絶縁フォイル上に被着された）上に形成され、接続部は例えば標準の多ピンコネクタ（例えば、１５ピン）を接続するだけで作られる。これは、本発明によって提供されるもう１つの重要な利点である。多ピンコネクタ構成は製造の観点からは非常に効率がよいが、プリント基板やケーブルに半田付けされる従来の端子ブロックなど、他の市販の接続構成を使用することも実際には可能である。

フォイル巻線を用いるもう１つの利点はほぼ連続的な電流シートでコアの開口全長を容易に覆うことができることで、電界分布がなめらかになる。これはインダクタンスと火花の危険性とを少なくするものである。

フォイルの巻線を作ることによって、コアへのフォイル巻線の挿入が容易になるためコアの分割が不要になる。複数の一次巻線の組立作業は大幅に削減される。このことは、コア分割のコストが不要になることに加え、さらにＤＣリセット電流と電気的短絡の危険性が低減されるという利点をもたらす。新規な巻線方式の副次的効果は、潜在する高周波ＡＣ抵抗問題に起因する過大な損失が回避されることである。

二次巻線は、従来の巻線であってもよく、マルチターンの二次巻線であることが好ましい。

フォイル巻線そのものは従来技術（文献１〜４）から知られているが、本発明と比べて用途が異なり、設計原理も異なる。
文献１では、シングルストリップフォイル形状のフォイル巻線は、層間に適当な巻線間絶縁物を有する従来のコアの周りに多数の層が巻かれている。
文献２は、高電圧テレビジョンライントランス用の低電圧フォイル巻線に関する。フォイル巻線はコアの周りに配置され、巻線の各層は導電性フォイルと一緒に巻かれた絶縁テープによって互いに絶縁されている。導電性フォイルは、中心部における磁力線が巻線に平行に延びるように連続した導電性表面を形成している。
文献３は、電源トランスのフォイル巻線の導電性フォイルからなる電源導体に関する。電源導体は、フォイル巻線の一端で折り返された旗型末端部の導体積層として形成され、フォイルの幅広い部分から狭い積層形成端子を提供する単純な方法を表している。
文献４は、トランスおよびインダクタ用のセルフリードフォイル巻線に関する。 従来の多層フォイル巻線の端部は、折り返されて旗型部に分割されるか、さもなければ積層セルフリードとなるように形成される。旗型部は、トランスを手際よく取り付けるために、得られた積層セルフリードが取付板に届くような十分な長さに作られる。

図２は本発明の典型的な実施形態による巻線を示す。適当な導電性材料（例えば、銅）のフォイルが絶縁材料（例えば、プラスチック材料）のフォイル上に被着され、導電性フォイルのストリップが例えば公知のエッチング技術などによって適当なワイヤパターンに形成される。図２に示すフォイル巻線１２０は、多数の一次巻線に特に適している。分離された多数の導体ストリップまたはワイヤは、フォイル巻線に沿って全体に延びていることが好ましい。好ましくは、トランスコアの周りに１ターンの一次フォイル巻線を巻き、一端を約４５°で折り返し（図２に破線で示すように）、また多端は約９０°で１ターンとなるようにし、巻線の両端を最終的にまとめた時には、入力電流用の導体（入力端子）を出力電流用の導体（出力端子）の極めて近くに配置できるようにする。このようにすることによって漏れ磁界が減少する。フォイルから形成された一次巻線は互いに絶縁されているが、特別な動作用にはフォイル巻線の２つ以上の導体ストリップを平行に接続することができる。

図３は、本発明の典型的な実施形態によるパルストランス装置の製造方法の概略流れ図である。最初のステップ（Ｓ１）は、アンカットパルストランスコアを備えることである。次のステップ（Ｓ２）は、１組の密閉された多数の独立した一次巻線を形成するために、フォイル巻線端子を末端とする複数の絶縁導体ストリップを備えたパルストランスフォイル巻線を作ることである。 例えば、マルチストリップフォイル巻線は、絶縁材料のフォイル上に導電性材料のフォイルを被着し、導電性フォイルに複数の導体ストリップからなるワイヤパターンを形成して作られることが好ましい。続いて、複数の一次巻線を形成するマルチストリップフォイル巻線を、アンカットトランスコアの周りに巻く（Ｓ３）。端子、すなわち複数の導体ストリップの端部は、随意に、多数の一次巻線用の接続部を提供する多ピンコネクタまたは同様の接続構成に接続される。

図４は本発明の他の典型的な実施形態による巻線を示す。この巻線構造は、二次巻線の出発点として特に適している。フォイルをコアの周りに巻く時は（通常、全体の形をテーパー状に）、「ワイヤパターン」を１ストリップだけずらし対向端を破線で示すように一緒に半田付けして巻線を形成することが好ましい。ストリップ１本分だけずらすと、巻線の一つの巻き始め（入力）と一つの巻き終り（出力）が自然にでき上がる。
現在、厚さが０．０５ｍｍより大きいのフォイルは市場での入手が容易でない。このため、巻線の製作工程で複数層のフォイルを追加しなければ、トランスの平均電力が制限される。

図５は二次巻線のない一次フォイル巻線を備えたトランスを示す。図５のトランスは２つのコア脚部を備え、さらに脚部の１つの一次巻線は、見た目が良く実効的な４５°の折返しによって入力と出力の導体間が接近していることを描くためにコネクタがない状態で示されているが、他の脚部の一次巻線は多ピンコネクタに接続されていることに留意されたい。

図６Ａと図６Ｂは、新規なフォイルタイプの一次巻線を備えた完成トランスの別の図を示す。この例においては、二次巻線は従来のワイヤタイプの巻線である。当然ながら、二次巻線がフォイルタイプの巻線であってはならない理由はない。

本発明の好ましい実施形態によれば、一次および二次巻線の少なくとも一方は、ヨークの周りに巻かれた絶縁フォイル上に被着される、例えば、銅などのある適当な導電性材料のフォイルから作られる。

パルストランスが１つより多いトランスコアを備える場合は、各トランスコアに１つまたは複数のフォイル巻線を有する本発明を適用することが可能である。

これまでに説明した実施形態は例示に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではないことを理解されたい。本明細書に開示された根本原理を維持する前記以外の修正、変更、および改良も本発明の範囲に含まれる。
文献
文献１ 「Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｆｏｉｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ」、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ、ＥｌｅｃｔｒｏＣｕｂｅ、ｗｗｗ．ｅｌｅｃｔｒｏｃｕｂｅ．ｃｏｍ、２００６年８月）
文献２ 米国特許第４，０８６，５５２号
文献３ 米国特許第５，８０５，０４５号
文献４ 米国特許第６，９３０，５８２号

本発明の好ましい実施形態によるパルストランス装置の一例を示す略図である。 本発明の典型的な実施形態によるマルチストリップフォイル巻線を示す。 本発明の典型的な実施形態によるパルストランス装置の製造方法の概略流れ図である。 本発明の他の典型的な実施形態による巻線を示す。 本発明の典型的な実施形態による複数の一次フォイル巻線を備えたトランス構成を示す。 本発明の好ましい実施形態による新規なフォイルタイプの一次巻線を備えたトランスの一例の別の図を示す。 本発明の好ましい実施形態による新規なフォイルタイプの一次巻線を備えたトランスの一例の別の図を示す。

Claims (15)

1. アンカットパルストランスコアと、
   前記アンカットパルストランスコアの周りに配置された多数の絶縁された導体ストリップからなる、多数の独立した一次巻線を形成するためのフォイル巻線端子を末端とするフォイル巻線、この多数ストリップのフォイル巻線は、前記トランスコイルの周りに１ターンで巻かれており、そして前記多数の導体ストリップは互いに絶縁されてコアの周りに延びている、
   を含む、一次側から二次側へパルスエネルギーを伝達するパルストランス装置。
2. 前記多数の導体ストリップは絶縁材料のフォイル上に被着された導電性材料のフォイルにワイヤパターンとして形成される、請求項１に記載のパルストランス装置。
3. 前記複数の導体ストリップの端子はフォイル巻線接続部を提供する多ピンコネクタに接続される、請求項１に記載のパルストランス装置。
4. 前記マルチストリップフォイル巻線は、標準多ピンコネクタに適合されたフレキシブルプリント基板から作られる、請求項３に記載のパルストランス装置。
5. 前記フォイル巻線は電界分布をなだらかにするために前記トランスコアの開口の全長を覆っている、請求項１に記載のパルストランス装置。
6. 前記多数の導体ストリップの少なくとも一部分は使用中に並列接続される、請求項１に記載のパルストランス装置。
7. 前記フォイル巻線は前記トランスコアの周りに巻かれ、前記フォイル巻線の一端は約４５°で折り返され、また他端は約９０°で１ターンとされていて、これら両端がまとめられるときは、入力端子が出力端子の極めて近くに配置される、請求項１に記載のパルストランス装置。
8. コアの周りに巻かれた二次巻線をさらに備える、請求項１に記載のパルストランス装置。
9. 一次側から二次側へパルスエネルギーを伝達するためのパルストランス装置を製造する方法であって、
   アンカットパルストランスコアを備えるステップと、
   多数の独立した一次巻線を形成するためにフォイル巻線端子を末端とする多数の絶縁導体ストリップを備えたパルストランスフォイル巻線を作るステップと、
   前記アンカットパルストランスコアの周りに多数の一次巻線を形成する前記マルチストリップフォイル巻線を１ターンで巻くステップと
   を備える方法。
10. 前記複数の絶縁導体ストリップを備えたパルストランスフォイル巻線を作る前記ステップは、
    絶縁材料のフォイル上に導電性材料のフォイルを被着するステップと、
    前記導電性フォイル上にワイヤパターンからなる複数の導体ストリップを形成するステップと、
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記多数の導体ストリップの端子は前記多数の一次巻線用の接続部を提供する多ピンコネクタに接続される、請求項９に記載の方法。
12. 前記マルチストリップフォイル巻線は標準多ピンコネクタに適合されたフレキシブルプリント基板から作られる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記マルチストリップフォイル巻線は電界分布をなだらかにするために前記トランスコアの開口の全長にわたって配置される、請求項９に記載の方法。
14. 前記アンカットトランスコアの周りに前記マルチストリップフォイル巻線を巻いた後、前記フォイル巻線の両端をまとめるときは、前記フォイル巻線の一端は約４５°で、また入力端子が出力端子の極めて近くに配置され得るように他端は約９０°向きを変えて構成される、折り返すステップをさらに備える、請求項９に記載の方法。
15. 二次巻線が前記トランスコアの周りにさらに巻かれる、請求項１４の方法。

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