JP2010034276A - トランス - Google Patents

Abstract

【課題】一次巻線における損失を低減することができるトランスを提供すること。
【解決手段】本発明のトランス１は、導体線１１０を巻回してなる一次巻線１１と、一次巻線１１への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線１２０を巻回してなる二次巻線１２とを有する。一次巻線１１を構成する導体線である一次導体線１１０の外周は、電気的絶縁性を有する絶縁層１３を介して二次巻線１２を構成する導体線である二次導体線１２０によって覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧を変圧するスイッチング電源のトランスに関する。

例えば直流電圧を直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ等には、入力電圧を変圧するためのトランスが備え付けられている。
図１１、図１２に示すように、従来のトランス９は、例えば銅からなる導体線を渦巻状に巻回してなる一次巻線９１１と、該一次巻線９１１への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されている二次巻線９１２と、一次巻線９１１及び二次巻線９１２によってその一部を取り巻かれてなる中央磁脚９２４を有するコア９２とからなる。そして、一次巻線９１１は、二次巻線９１２を挟み込むようにして配設されている（非特許文献１参照）。

Jean-Pierre Vandelac、Phoivos D. Ziogas、「ア ノーベル アプローチ フォア ミニマイジング ハイフリークエンシー トランスフォーマー カッパー ロスィズ（A Novel Approach for Minimizing High-Frequency Transformer Copper Losses）」、アイイーイーイー トランスアクション オン パワー エレクトロニクス（IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS）、１９９８年、第３巻、第３号、ｐ．２６６〜ｐ．２７７

ところが、かかる従来のトランス９においては、以下のような問題が生じる。すなわち、電流は、一次巻線９１１を構成する導体線である一次導体線９１０内において二次巻線９１２側に集中して流れる（図１２における符号８１参照）。このように、従来のトランス９においては、一次導体線９１０内で局所的に電流が流れ、該一次導体線９１０内における電流密度が不均一となる。そのため、一次巻線９１１において損失が発生してしまうおそれがある。

また、隣り合う一次導体線９１０同士が近接する部分においては、いわゆる近接効果により一次巻線９１１への通電によって流れる電流の向きと逆向きの不要な電流が流れる（図１２における符号８２参照）。そのため、一次巻線９１１における損失が増大するという問題がある。
また、一次巻線９１１における損失が増大することにより、トランス９自体が加熱され、さらに周辺部品にも熱が加わってしまうおそれがある。また、これにより、トランス９の電力変換効率が低下するおそれもある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、一次巻線における損失を低減することができるトランスを提供しようとするものである。

第一の発明は、導体線を巻回してなる一次巻線と、該一次巻線への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線を巻回してなる二次巻線とを有するトランスであって、
上記一次巻線を構成する導体線である一次導体線の外周は、電気的絶縁性を有する絶縁層を介して上記二次巻線を構成する導体線である二次導体線によって覆われていることを特徴とするトランスにある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。
上記一次導体線の外周は、上記絶縁層を介して上記二次導体線によって覆われている。これにより、一次巻線における損失を十分に低減することができるトランスを提供することができる。
すなわち、一次導体線はその外周を二次導体線に覆われているため、隣り合う一次導体線同士の間に二次導体線が配設されることとなる。このため、隣り合う一次導体線同士が接触することがなく、隣り合う一次導体線同士で発生する近接効果を抑制することができる。

また、電流は一次導体線内においては、表皮効果により外周側すなわち二次巻線側に集中して流れようとする。
一方、一次導体線内を流れる電流と二次導体線内を流れる電流とは逆向きに流れる。このため、アンペールの法則により、一次巻線を流れる電流と二次巻線を流れる電流とは、互いに遠ざかる方向に力を受ける。すなわち、一次導体線内においては、電流が中心側に向かおうとする力をも受けることとなる。

このように、一次導体線内においては、電流を外周側に流そうとする力と、電流を一次導体線の中心側に流そうとする力とが作用する。そして、電流を外周側に流そうとする力と電流を一次導体線の中心側に流そうとする力とが互いに打ち消しあい、一次導体線内において電流が均一に流れる。
その結果、一次巻線における損失を低減することができる。
また、一次導体線と二次導体線との間には絶縁層が配設されているため、一次巻線と二次巻線とを確実に絶縁することができる。

以上のとおり、本発明によれば、一次巻線における損失を低減することができるトランスを提供しようとするものである。

第二の発明は、導体線を巻回してなる一次巻線と、該一次巻線への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線を巻回してなる二次巻線とを有するトランスであって、
上記二次巻線を構成する導体線である二次導体線の外周は、電気的絶縁性を有する絶縁層を介して上記一次巻線を構成する導体線である一次導体線によって覆われていることを特徴とするトランスにある（請求項３）。

上記二次導体線の外周は、上記絶縁層を介して上記一次導体線によって覆われている。これにより、上記第一の発明（請求項１）と同様、本発明の場合にも、二次導体線内においては、電流を外周側に流そうとする力と、電流を導体線の中心側に流そうとする力とが作用する。その結果、二次導体線内において電流が均一に流れることとなるため、二次巻線における損失を低減することができる。
また、絶縁層により一次巻線と二次巻線とを確実に絶縁することができる。

以上のとおり、本発明によれば、二次巻線における損失を低減することができるトランスを提供しようとするものである。

第一及び第二の発明（請求項１、請求項３）におけるトランスは、例えば、直流電圧を直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ等に備え付けられ、入力電圧の変圧を行う。
一次巻線及び二次巻線はそれぞれ、例えば、銅からなる一次導体線及び二次導体線を用いて形成することができる。

また、上記二次巻線は、上記トランスの外部に配された放熱部材と接続されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、一次巻線は二次巻線に覆われているため、一次巻線の熱を二次巻線に容易に伝達することができる。そしてさらに、二次巻線は、トランスの外部に配された放熱部材と接続されているため、一次巻線の熱及び二次巻線の熱を容易に放出することができる。これにより、放熱性に優れたトランスを得ることができる。

また、上記一次巻線は、上記トランスの外部に配された放熱部材と接続されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、請求項２の発明と同様、放熱性に優れたトランスを得ることができる。

（実施例１）
本発明のトランスに係る実施例について、図１〜図８と共に説明する。
本例のトランス１は、図１、図２に示すように、導体線１１０を巻回してなる一次巻線１１と、一次巻線１１への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線１２０を巻回してなる二次巻線１２とを有する。

一次巻線１１を構成する導体線である一次導体線１１０の外周は、絶縁層１３を介して二次巻線１２を構成する導体線である二次導体線１２０によって覆われている。
また、二次巻線１２は、図１に示すように、トランス１の外部に配された放熱部材３と接続されている。

本例のトランス１について、以下に詳細に説明する。
本例のトランス１は、例えば直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ等において入力電圧を変圧するために備え付けられる。

一次巻線１１は、例えば銅からなる一次導体線１１０によって形成されている。
また、一次巻線１１は、図１、図２に示すように、一次導体線１１０を複数回にわたって渦巻状に形成してある。具体的には、本例においては、同一の中心軸Ｍを中心として二本の一次導体線１１０を渦巻状に巻回してなる二つの一次巻線１１が、図３に示すように、中心軸Ｍに沿って並べて二つ配設してある。同図には、一次導体線１１０及び二次導体線１２０の共通の軸芯を実線及び点線で示してある。
なお、一次巻線１１は、二本の一次導体線１１０により形成した二つの一次巻線１１を中心軸Ｍに沿って並べて配設しても良いし、一本の一次導体線１１により形成した一次巻線１１を中心軸Ｍに沿って二つに分けて配設することもできる。

一次導体線１１０と二次導体線１２０との間においては、例えば、樹脂や絶縁紙等からなる絶縁層１３を配設することにより、両者の絶縁が図られている。
なお、上記のように一次導体線１１０と絶縁層１３とを別体として形成するのではなく、一次導体線１１０として、例えばあらかじめ絶縁層１３としての絶縁皮膜により被覆してある導体線を用いることもできる。

二次巻線１２は、例えば銅からなる二次導体線１２０によって形成されている。
また、二次巻線１２も、一次巻線１１と同様、図３に示すように、二つの二次巻線１２が中心軸Ｍに沿って二つに分けて並べて配設してある。
さらにまた、二次巻線１２は、二本の二次導体線１２０により形成した二つの二次巻線１２を中心軸Ｍに沿って並べて配設しても良いし、一本の二次導体線１２０で形成した二次巻線１２を中心軸Ｍに沿って二つに分けて配設することもできる。

この二次巻線１２には、前述したとおり、絶縁層１３を介して一次導体線１１０が内包されている。すなわち、二次巻線１２は、一次導体線１１０を内包した状態で二次導体線１２０を渦巻状に巻回してなる。つまり、一次巻線１１と二次巻線１２とは、一体的に形成してある。そして、中心軸Ｍを中心として巻回されている一次巻線１１の外側を覆うように絶縁層１３が配設されており、さらにその絶縁層１３の外側を覆うように中心軸Ｍを中心として巻回されている二次巻線１２が配設されている。換言すれば、本例のトランス１は、一次導体線１１０と絶縁層１３と二次導体線１２０との同軸三重構造の巻線を有する。

また、一次巻線１２は、トランス１の外部に接続された放熱部材３と接続されている。
なお、本例のように隣り合う二次導体線１２０同士を接触させることで、一次巻線１１に対する二次巻線１２の巻数比を低減することができる。

また、トランス１は、図１、図２に示すように一部に一次巻線１１や二次巻線１２が巻回されたボビン１４を有している。
かかるボビン１４は、例えば、樹脂や絶縁紙等からなり、その中央には、後述する中央磁脚２３を挿通するための貫通孔１４０が形成されている。

また、トランス１は、前述の一次巻線１１や二次巻線１２のほか、一次巻線１１及び二次巻線１２によって一部が取り巻かれたコア２を有する。
該コア２は、一次巻線の軸方向の断面が略Ｅ字形状の、一対のコア部材２０を組み合わせてなる。なお、本発明においてコア２は必須の構成要件ではなく、また、図１に示すような、略Ｅ字形状のコア部材２０を組み合わせてなるものに限られるものでもない。

該コア部材２０は、平板状の底面部２１と、該底面部２１の端部から垂直に立ち上がる側面部２２と、他方のコア部材２０に向かって底面部２１の略中央から一次巻線１１の軸方向に突出してなる中央磁脚２３とからなる。
そして、前述したとおり、中央磁脚２３は、ボビン１４の貫通孔１４０に挿通してある。

中央磁脚２３の先端部は、互いに対向して配置されており、先端部同士の間には、若干の隙間からなるエアギャップ２３０が形成されている。なお、本発明は、エアギャップ２３０がなくても成り立ち得るものである。
そして、一次巻線１１及び二次巻線１２は、ボビン１４を介して、上記エアギャップ２３０の周囲及び中央磁脚２３の外周を取り囲むようにして配設される。

次に、トランス１の動作について説明する。
一次巻線１１は図示しない外部電源と電気的につながっており、該外部電源より一次巻線１１に電流を供給することにより、図１に示すように、一次巻線１１の周囲に磁束φが発生する。
かかる磁束φは、コア２内を通過して、該コア２の形状に沿って形成される。

そしてさらに、その磁束φの電磁誘導によって発生する誘導起電力により二次巻線１２に電流が流れ、二次巻線１２の一対の電極に外部電源電圧とは異なる電圧を発生させる。そして、二次巻線１２の巻数等を変更することにより、一次巻線１１に付与された電圧を所望の電圧に変圧することができる。

ここで、前述したように隣り合う二次巻線１２同士を接触させることで、一次巻線１１に対する二次巻線１２の巻数比を低減することができる。すなわち、図１の状態においては、すべての二次導体線１２０がつながっているため、二次巻線１２は一巻きとみなすことができる。そしてこの場合には、一次巻線１１に負荷される電圧、例えば８０Ｖの電圧を、二次巻線１２において１０Ｖ以下の電圧に変圧することができる。

なお、本例においては、一次導体線１１０及び二次導体線１２０を複数回にわたって渦巻状に形成してなるものを用いたが、図６に示すように、一次導体線１１０の外側を覆った状態で二次導体線１２０を複数回にわたって螺旋状に巻くことにより、一体的に形成された一次巻線１１及び二次巻線１２を形成することもできる。すなわち、同図に示すトランス１においては、図７に示すように中心軸Ｍを中心として径の異なる二つの螺旋を描くように一次導体線１１０及び二次導体線１２０を巻回することにより、それぞれ一次コイル１１及び二次コイル１２が形成されている。

さらにまた、本例のトランス１は、一次巻線１１の外周が二次巻線１２により覆われているが、図８に示すように、二次巻線１２の外周が一次巻線１１により覆われるよう構成することもできる。この場合には、二次巻線１２における損失を低減することができるトランス１を提供することができる。
なお、上記のように一次巻線１１により二次巻線１２を覆う場合には、隣り合う一次導体線１１０同士は、図８に示すように互いの短絡を防ぐために接触させないように配設することが必要である。

以下に、本例の作用効果について説明する。
一次導体線１１０の外周は、絶縁層１３を介して二次導体線１２０によって覆われている。これにより、一次巻線１１における損失を十分に低減することができるトランス１を提供することができる。
すなわち、一次巻線１１はその外周を二次巻線１２に覆われているため、隣り合う一次導体線１１０同士の間に二次巻線１２が配設されることとなる。このため、隣り合う一次導体線１１０同士が接触することがなく、隣り合う一次導体線１１０同士で発生する近接効果を抑制することができる。

また、電流８は一次導体線１１０内においては、表皮効果により外周側すなわち二次巻線１２側に集中して流れようとする（図４における符号Ｆ１参照）。
一方、一次導体線１１０内を流れる電流と二次導体線１２０内を流れる電流とは逆向きに流れる。このため、アンペールの法則により、一次巻線１１を流れる電流と二次巻線１２を流れる電流とは、互いに遠ざかる方向に力を受ける（図５における符号Ｆ２参照）。すなわち、一次導体線１１０内においては、電流８が中心側に向かおうとする力Ｆ２をも受けることとなる。

このように、一次導体線１１０内においては、電流８を外周側に流そうとする力Ｆ１と、電流８を導体線１１０の中心側に流そうとする力Ｆ２とが作用する。そして、力Ｆ１と力Ｆ２とが互いに打ち消しあい、一次導体線１１０内において電流が均一に流れる。
その結果、一次巻線１１における損失を低減することができる。
また、一次巻線１１と二次巻線１２との間には絶縁層１３が配設されているため、一次巻線１１と二次巻線１２とを確実に絶縁することができる。

また、二次巻線１２は、トランス１の外部に配された放熱部材３と接続されている。そして、一次巻線１１は二次巻線１２に覆われているため、一次巻線１１の熱を二次巻線１２に容易に伝達することができる。そしてさらに、二次巻線１２はトランス１の外部に配された放熱部材３と接続されているため、一次巻線１１の熱と二次巻線１２の熱を容易に放出することができる。これにより、放熱性に優れたトランス１を得ることができる。

以上のとおり、一次巻線における損失を低減することができるトランスを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図９に示すように、一次巻線１１の軸方向に沿って二つに分けて配設してある一次巻線１１及び二次巻線１２を有するトランス１の別形態の例である。
すなわち、本例においては、その一部に一次導体線１１０及び二次導体線１２０を渦巻状に巻回してある二つのボビン１４を上記軸方向に沿って二つに分けて配設してある。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

なお、本例においては、一次巻線を二次巻線によって覆っているが、二次巻線を一次巻線によって覆うように構成することもできる。

（実施例３）
本例は、図１０に示すように、一次巻線１１及び二次巻線１２を螺旋状に巻回したものを、一次巻線１１の径方向に沿って二つ並べて配設してなるトランス１の例である。
そして、径方向の内側に配設してある一次巻線１１及び二次巻線１２、及び径方向の外側に配設してある一次巻線１１及び二次巻線１２は、ともにその全体がボビン１４によって囲われている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

なお、本例においては、一次巻線を二次巻線によって覆っているが、二次巻線を一次巻線によって覆うように構成することもできる。

実施例１における、トランスの縦断面図。 図１におけるＡ−Ａ線断面図。 実施例１における、コイルの配置方法を示す斜視図。 実施例１における、一次導体線の内側に流れる電流の状態を示す説明図。 実施例１における、一次導体線内において二次巻線側に流れる電流の状態を示す説明図。 実施例１における、別形態のトランスの断面図。 図６に示すトランスにおけるコイルの配置方法を示す斜視図。 実施例１における、別形態のトランスの断面図。 実施例２における、トランスの断面図。 実施例３における、トランスの断面図。 従来例における、トランスの断面図。 従来例における、一次巻線と二次巻線との断面図。

符号の説明

１ トランス
１１ 一次巻線
１１０ 二次導体線
１２ 二次巻線
１２０ 二次導体線
１３ 絶縁層

Claims (4)

1. 導体線を巻回してなる一次巻線と、該一次巻線への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線を巻回してなる二次巻線とを有するトランスであって、
   上記一次巻線を構成する導体線である一次導体線の外周は、電気的絶縁性を有する絶縁層を介して上記二次巻線を構成する導体線である二次導体線によって覆われていることを特徴とするトランス。
2. 請求項１において、上記二次巻線は、上記トランスの外部に配された放熱部材と接続されていることを特徴とするトランス。
3. 導体線を巻回してなる一次巻線と、該一次巻線への通電により発生する磁束による電磁誘導によって誘導起電力が生ずるよう構成されていると共に導体線を巻回してなる二次巻線とを有するトランスであって、
   上記二次巻線を構成する導体線である二次導体線の外周は、電気的絶縁性を有する絶縁層を介して上記一次巻線を構成する導体線である一次導体線によって覆われていることを特徴とするトランス。
4. 請求項３において、上記一次巻線は、上記トランスの外部に配された放熱部材と接続されていることを特徴とするトランス。

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