JP2012243880A

JP2012243880A - トランス、非接触給電システム、高周波用トランスの製造方法

Info

Publication number: JP2012243880A
Application number: JP2011110890A
Authority: JP
Inventors: Homare Komoto; 誉幸本
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】高周波電圧を変圧するトランスの発熱を抑制する。
【解決手段】リッツ線である一次巻線１０１とリッツ線である二次巻線１０２とがコア１０３に巻き付けられてなる高周波用トランス１００であって、一次巻線１０１と二次巻線１０２とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態でコア１０３に巻回される。
【選択図】図１

Description

本願発明はトランス、特に高周波電力の変圧に用いられるトランス、および、高周波用トランスの製造方法に関する。

従来、摩擦による塵埃の発生などを防止するため、走行車への電力の供給システムとして非接触給電システムが用いられている。

このような非接触給電システムは、インバータによって商用電源を非接触給電に適した高い周波数に変換し、搬送車の軌道に沿って敷設した給電線に高い周波数の電流を流すことによって非接触給電を行っている。

また、走行車へ効率よく電力を供給するためには、ある程度高い電圧を給電線に印加する必要があるため、インバータの出力電圧をトランスを用いて昇圧している。

以上のような場合、トランスには高周波の電流が流れるため、トランス自体が発熱する。

そこで、トランスにリッツ線を用いることで、トランスの発熱を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

実開昭６３−２０１３１６号公報

ところが、非接触給電システムなどの場合、トランスには高周波、かつ、高電圧、大電流の電力が印加されるため、リッツ線を用いたとしてもなお発熱を完全に抑制することは困難である。

そこで、本願発明者は、リッツ線を用いたトランスの構造に着目して実験と研究とを重ねた結果、リッツ線の一次巻線と二次巻線とを巻回軸を中心とした放射方向に層状に巻き付ける従来のトランスでは結合係数を高めることが困難であることを見出すに至った。そして、リッツ線をコアに巻き付ける態様を工夫することによりトランスの発熱をより抑制できることを見出した。

本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、結合係数を高め、発熱量を抑制することができるリッツ線を用いたトランスの提供を目的としている。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるトランスは、リッツ線である一次巻線とリッツ線である二次巻線とがコアに巻き付けられてなる高周波用トランスであって、前記一次巻線と前記二次巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回されることを特徴とする。

これにより、トランスの結合係数をより高めることができ、発熱をより低減することのできる高周波用のトランスとすることが可能となる。

前記コアに対する前記一次巻線の巻き数と前記コアに対する前記二次巻線の巻き数とが同じであり、前記一次巻線、および、前記二次巻線の何れか一方は、並列接続される同じ長さの第一巻線と第二巻線とを備えてもよい。

以上のように、巻回軸に沿って交互に巻き付けられる一次巻線と二次巻線の巻き数を一致させることで、非常に高い結合係数を得ることができ、トランスからの発熱を効果的に低減することが可能となる。また、一次巻線か二次巻線かの何れかを第一巻線と第二巻線とに２等分し、これらを並列接続することで、昇圧、または、降圧トランスとすることが可能となる。

前記一次巻線、および、前記二次巻線の他方は、直列接続される同じ長さの第三巻線と第四巻線とを備え、前記第一巻線と前記第三巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回され、前記第二巻線と前記第四巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回されるものでもよい。

これによれば、２本のリッツ線を巻回軸に沿って交互に並ぶようにコアやボビンなどに同じ巻き数だけ巻き付けた巻き付けユニットを二つ準備し、各ユニットに巻き付けられているリッツ線の一方を並列接続し他方を直列接続するだけで、要求される仕様を満たすことができる。

本願発明によれば、高周波大電流を昇圧、または、降圧するトランスであって、発熱を可及的に低減することのできるトランスを提供することが可能となる。

図１は、トランスを巻回軸（Ｘ軸）を含む面で一部切断して示す側面図である。図２は、トランスを模式的（回路的）に示す図である。図３は、非接触給電システムを示す回路図である。

次に、本願発明に係るトランスとその製造方法、および、当該トランスを用いた非接触給電システムの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本願発明に係るトランスとその製造方法、および、当該トランスを用いた非接触給電システムの一例を示したものに過ぎない。従って本願発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。

図１は、トランスを巻回軸（Ｘ軸）を含む面で一部切断して示す側面図である。

同図に示すように、トランス１００は、リッツ線である一次巻線１０１とリッツ線である二次巻線１０２とがコア１０３に巻き付けられて構成される高周波用トランスである。また、本実施形態の場合、トランス１００は、ボビン１０４と、枠体１０５とを備えている。なお、トランス１００は、２０ｋｗ程度、９ｋＨｚ程度の電力を供給する非接触給電システムに適用されることが想定されるトランスである。

一次巻線１０１、および、二次巻線１０２は、リッツ線である。ここでリッツ線とは、所定の電流を流すために細い導体線を複数本撚り合せることによって形成される導線であり、この構成により高周波電流を通す際に発生する表皮効果を抑制することができるものである。本実施形態の場合、一次巻線１０１、および、二次巻線１０２は、細いエナメル線を複数本より合わせ、全体を樹脂で被覆したリッツ線が採用されている。

一次巻線１０１、および、二次巻線１０２は、それぞれが巻回軸方向（同図中Ｘ軸方向）に交互に並ぶ状態でコア１０３に巻回された状態で配置されている。つまり、トランス１００を巻回軸を含む面で切断した場合、一次巻線１０１と二次巻線１０２とが１本ずつ交互に巻回軸方向に並んだ状態で配置されており、巻回軸方向において、同じ種類の巻線が隣同士とならない状態となっている。なお、同図中一次巻線１０１を黒色で塗りつぶした状態で示し二次巻線を白色で塗りつぶした状態で示しているが、これは交互に巻き付けられた状態を示すための便宜上のものである。

さらに、本実施形態の場合、コア１０３に対する一次巻線１０１の巻き数とコア１０３に対する二次巻線１０２の巻き数とが同じである。

図２は、トランスを模式的（回路的）に示す図である。

これらの図に示すように、一次巻線１０１は、第一巻線１１１と第二巻線１１２とにより形成されている。第一巻線１１１、および、第二巻線１１２は、同じ種類のリッツ線であり、同じ長さに揃えられ、コア１０３に対し同じ巻き数で巻き付けられている。また、第一巻線１１１と第二巻線１１２とは並列接続されている。

二次巻線１０２は、第三巻線１２３と第四巻線１２４とにより形成されている。第三巻線１２３、および、第四巻線１２４は、同じ種類のリッツ線であり、同じ長さに揃えられ、コア１０３に対し同じ巻き数で巻き付けられている。また、第三巻線１２３と第四巻線１２４とは直列接続されている。

さらに本実施の形態では、第一巻線１１１、第二巻線１１２、第三巻線１２３、第四巻線１２４は、全て同じ種類のリッツ線で形成され、全て同じ長さに揃えられ、コア１０３に対し全て同じ巻き数、かつ、同じ方向に巻き付けられている。

また、第一巻線１１１と第三巻線１２３とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で一方のボビン１０４に巻回された状態でコア１０３に巻回され、第二巻線１１２と第四巻線１２４とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で他方のボビン１０４に巻回された状態でコア１０３に巻回されている。

以上のように、一次巻線１０１の巻回状態と二次巻線１０２の巻回状態とを一致させることで、トランス１００の結合係数を向上させることが可能となる。また、第一巻線１１１と第三巻線１２３との巻回状態、および、第二巻線１１２と第四巻線１２４との巻回状態を一致させることで、さらに結合係数を向上させることが可能となる。

本実施形態の場合、コア１０３は、断面（図１中ＺＸ平面における）形状がＵ字状のフェライトコアを４個組み合わせて構成されており、断面が８の字となるように組み合わされて構成されている。

ボビン１０４は、トランス１００に必須の構成要素ではないが、トランス１００の製造において有用である。つまり、筒状のボビン１０４の外周面に一次巻線１０１や二次巻線１０２を巻き付けることにより、容易にコイルを形成することが可能となる。

本実施形態の場合、トランス１００は、二つのボビン１０４を備えており、一方のボビン１０４には第一巻線１１１と第三巻線１２３とが巻き付けられ、他方のボビン１０４には第二巻線１１２と第四巻線１２４とが巻き付けられている。

枠体１０５は、４分割されているコア１０３を一体に固定する部材であり、コア１０３を外方から締め付けることで四つのコア１０３を一体に固定している。

以上のように、コア１０３に対する一次巻線１０１の巻き付け状態と二次巻線１０２の巻き付け状態とを一致させることで、高い結合係数のトランスを得ることが可能となる。また、一次巻線１０１を同じ長さの第一巻線１１１と第二巻線１１２とで形成し、これらを並列接続にすることで、トランス１００を昇圧トランスとすることが可能となる。さらに、二次巻線１０２を同じ長さの第三巻線１２３と第四巻線１２４とで形成することにより、トランス１００を容易に製造することが可能となる。なお、二次巻線１０２は１本のリッツ線で構成してもかまわない。

次に、トランスの製造方法を説明する。

リッツ線からなる一次巻線１０１と二次巻線１０２とを巻回軸方向（Ｘ軸方向）に並べた状態で保持し、コア１０３、または、ボビン１０４に巻き付ける。本実施の形態の場合、ボビン１０４に巻き付ける（巻き付け工程）。

以上のように巻き付けることで、一次巻線１０１と二次巻線１０２とを巻回軸方向（Ｘ軸方向）に交互に巻き付けることができる。

以上の巻き付け作業を必要な巻き数となるまで行う。なお、ボビン１０４の巻回軸方向の長さが短い場合、必要な巻き数を巻き付けるために、巻回軸を中心とする放射方向において複数の層を形成するように巻き付ける。なお、いずれの層も、一次巻線１０１と二次巻線１０２とが巻回軸方向に交互に並ぶものとする。

以上のようにして一次巻線１０１と二次巻線１０２とが巻き付けられた同条件のボビン１０４を二つ準備する。なお、ボビン１０４に一次巻線１０１と二次巻線１０２とを巻き付けるのは、他の部材に干渉されることなく容易に巻き付け作業が行えるためである。

次に、断面Ｕ字状のコア１０３を二つ組み合わせてＷ字状とし、組み合わされたコア１０３の中央の突出部分にボビン１０４を差し入れる。同様に他方のボビン１０４も他方のコア１０３の中央突出部分に差し入れる。

次に、上記Ｗ字状の部材の開口部を突き合わせ状態とし、枠体１０５を用いて当該状態を維持するように締め付ける。

最後に、一次巻線１０１を並列となるように接続し、二次巻線１０２を直列となるように接続する。

以上によりトランス１００が製造される。

図３は、非接触給電システムを示す回路図である。

同図に示すように、非接触給電システム２００は、所定の軌道を走行する走行車（図示せず）に電力を非接触状態で供給するシステムであって、商用電源２１５の周波数を高周波に変換して出力するインバータ２１０と、インバータ２１０の出力電圧を昇圧するトランス１００であって、一次巻線１０１がインバータ２１０と接続されるトランス１００と、トランス１００の二次巻線１０２に接続される共振回路２２０と、走行車の軌道に沿って敷設される給電線２３０とを備えている。

以上のように前述のトランス１００を備えた非接触給電システム２００は、インバータ２１０の出力である高周波の電圧を高い結合係数の下で高効率に昇圧し、走行車に高効率で電力を供給することが可能となる。しかも、トランス１００は、発熱が抑制されているため、冷却設備をあまり必要とせず、高いエネルギー効率で電力を走行車に供給することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

例えば、一次巻線１０１や二次巻線１０２を分割することなく、一次巻線１０１と二次巻線１０２とを巻回軸方向に交互に並ぶように巻き付け、一次巻線１０１、または、二次巻線１０２だけさらにコア１０３に巻き付けるものでもかまわない。この場合、１：２ばかりでなく、任意の変圧比を備えたトランス１００とすることが可能となる。

また、「同じ巻き数」などの文言は本願発明の趣旨を逸脱しない程度の誤差（ひろがり）を許容する意味で使用している。

本願発明は、高周波大電流で走行車などに電力を供給する非接触給電システムなどに利用可能である。

１００トランス
１０１一次巻線
１０２二次巻線
１０３コア
１０４ボビン
１０５枠体
１１１第一巻線
１１２第二巻線
１２３第三巻線
１２４第四巻線
２００非接触給電システム
２１０インバータ
２１５商用電源
２２０共振回路
２３０給電線

Claims

リッツ線である一次巻線とリッツ線である二次巻線とがコアに巻き付けられてなる高周波用トランスであって、
前記一次巻線と前記二次巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回される
トランス。
前記コアに対する前記一次巻線の巻き数と前記コアに対する前記二次巻線の巻き数とが同じであり、
前記一次巻線、および、前記二次巻線の何れか一方は、並列接続される同じ長さの第一巻線と第二巻線とを備える
請求項１に記載のトランス。
前記一次巻線、および、前記二次巻線の他方は、直列接続される同じ長さの第三巻線と第四巻線とを備え、
前記第一巻線と前記第三巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回され、前記第二巻線と前記第四巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態で前記コアに巻回される
請求項２に記載のトランス。
所定の軌道を走行する走行車に電力を非接触状態で供給する非接触給電システムであって、
電源の周波数を高周波に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力電圧を昇圧するトランスであって、リッツ線からなる一次巻線とリッツ線からなる二次巻線とが巻回軸方向に交互に並ぶ状態でコアに巻回されるトランスと、
前記二次巻線に接続される共振回路と、
走行車の軌道に沿って敷設される給電線と
を備える非接触給電システム。
リッツ線からなる一次巻線とリッツ線からなる二次巻線とを巻回軸方向に並べた状態で保持し、コア、または、コアが挿通されるボビンに巻き付ける
高周波用トランスの製造方法。