JP2014175398A - High frequency transformer - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、誘導加熱等に使用する高周波トランスに関する。 The present invention relates to a high-frequency transformer used for induction heating or the like.
一般に高周波誘導加熱用の高周波トランスにおいては、周波数が高くなるほど表皮効果等によりコイル導体の発熱が大きくなる。このようなコイルの発熱を冷却するため、特許文献1および2に示すように、少なくとも1次コイルと2次コイルの何れか一方のコイルを銅パイプ等の導体内部に通水路有する導体で構成し、この通水路に冷却水を通してコイルを冷却するようにした水冷式の高周波トランスが知られている。
In general, in a high-frequency transformer for high-frequency induction heating, the higher the frequency, the greater the heat generated by the coil conductor due to the skin effect or the like. In order to cool the heat generated by such a coil, as shown in
しかし、このような水冷式の高周波トランスにおいては、1次コイルまたは2次コイルのコイル導体内に冷却水を通して冷却するので、冷却水の水質が悪いと、コイルの通水路が閉塞したり、冷却水の絶縁性能が低下したりするなどして、コイルが焼損したり、地絡事故を誘発したりする問題がある。また、冷却水に高水質の水を用いても、使用中にコイル導体の銅材等が通電によりイオン化して冷却水中に溶け込むことにより、イオン交換装置等の水質保持手段を備えないと、使用中に冷却水が水質低下を来し、コイルの焼損を招くことがある。このため、冷却水の水質の維持管理が重要であり、このために高周波トランスの冷却装置の構成が複雑かつ大形となるだけでなく、冷却装置の保守点検に手間を要する問題がある。 However, in such a water-cooled high-frequency transformer, the cooling water is cooled through the coil conductor of the primary coil or the secondary coil. Therefore, if the quality of the cooling water is poor, the water passage of the coil is blocked or the cooling water is cooled. There is a problem that the coil is burned out or a ground fault is caused due to a decrease in water insulation performance. Also, even if high-quality water is used for the cooling water, the copper material of the coil conductor is ionized by energization and melts in the cooling water during use. Cooling water may cause deterioration of water quality and cause coil burnout. For this reason, it is important to maintain and manage the quality of the cooling water. For this reason, not only does the configuration of the cooling device of the high-frequency transformer become complicated and large, but also there is a problem that requires maintenance and inspection of the cooling device.
さらに、コイル導体にパイプ状導体を使用した場合、フェライトコアで構成した鉄心が小さくなり、巻回すときの曲率が小さくなると、パイプ導体の冷却水の通水路となる中空路が狭窄されないようにするために特別な製造技術が必要となり、製造コストが高くなるという問題もある。 Furthermore, when a pipe-shaped conductor is used as the coil conductor, if the iron core composed of the ferrite core is small and the curvature when winding is small, the hollow path serving as the cooling water flow path of the pipe conductor is prevented from being constricted. Therefore, a special manufacturing technique is required, and there is a problem that the manufacturing cost increases.
この発明は、このような問題を解決するため、空気冷却により1次コイルおよび2次コイルの発熱を冷却することを可能として、かつ製造コストが安価で、保守点検の手間のかからない高周波トランスを提供することを課題とするものである。 In order to solve such a problem, the present invention provides a high-frequency transformer that can cool the heat generation of the primary coil and the secondary coil by air cooling, is low in manufacturing cost, and does not require maintenance and inspection. It is an object to do.
前記の課題を解決するため、この発明は、鉄心と、この鉄心の鉄心脚に絶縁シートを卷回して形成した第1の絶縁層と、この第1の絶縁層の外側にリッツ線を所要巻き数巻回して形成した1次コイルと、この1次コイルの外周に熱伝導性の高い絶縁シートを巻回して形成した第2の絶縁層と、平板状導体をこの第2の絶縁層の外側から前記1次コイルに接近して取り囲むように巻回して形成した2次コイルとによりトランス本体を構成し、このトランス本体を、非磁性の平板で形成した全閉の遮蔽容器に収めて遮蔽するとともに、この遮蔽容器の下方および上方に各別に通気口を設け、この遮蔽容器の一方の通気口から外気を冷却空気としてこの遮蔽容器内へ吸込んで、この遮蔽容器の他方の通気口か排出することによりこの遮蔽容器内に冷却空気を強制貫流させて前記トランス本体を通風冷却する通風冷却装置を設けたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an iron core, a first insulating layer formed by winding an insulating sheet around the core leg of the iron core, and a litz wire wound around the outer side of the first insulating layer. A primary coil formed by winding several times, a second insulating layer formed by winding an insulating sheet having a high thermal conductivity around the outer periphery of the primary coil, and a flat conductor on the outer side of the second insulating layer The transformer body is constituted by a secondary coil formed by winding so as to approach and surround the primary coil, and this transformer body is housed and shielded in a fully closed shielding container formed of a nonmagnetic flat plate. In addition, a separate vent is provided below and above the shielding container, and outside air is sucked into the shielding container as cooling air from one vent of the shielding container and discharged from the other vent of the shielding container. In this shielding container. In which characterized in that a ventilation cooling system for ventilating cooling the transformer body to compulsorily flow air.
この発明においては、前記2次コイルを形成する平板状導体の一部を前記第2絶縁層に接触させて前記1次コイルに前記2次コイルにより接近させることができる。 In the present invention, a part of the flat conductor forming the secondary coil can be brought into contact with the second insulating layer so that the primary coil can be brought closer to the secondary coil.
また、前記1次コイルは、これを形成するリッツ線をこのリッツ線に被着した絶縁性融着樹脂により相互に融着して一体に形成するのがよい。 The primary coil may be integrally formed by fusing the litz wire forming the primary coil to each other with an insulating fusion resin adhered to the litz wire.
前記1次コイルを形成するリッツ線は、素線径が0.3mm以下の素線を複数本撚り合わせたものを使用すると、表皮効果による発熱をより抑制することができる。 If the litz wire forming the primary coil is made by twisting a plurality of strands having a strand diameter of 0.3 mm or less, heat generation due to the skin effect can be further suppressed.
さらに、前記遮蔽容器内に収容されたトランス本体は、前記鉄心の4隅の角部を耐熱性絶縁材で構成した絶縁支持ブロックにより支持して、トランス本体と前記遮蔽容器の内壁との間に通風路を形成すると、より冷却効果を高めることができる。 Further, the transformer main body accommodated in the shielding container is supported between the transformer main body and the inner wall of the shielding container by supporting the four corners of the iron core with an insulating support block made of a heat-resistant insulating material. When the ventilation path is formed, the cooling effect can be further enhanced.
この発明によれば、鉄心と鉄心に巻回された1次コイルおよび2次コイルにより構成されたトランス本体の1次コイルを形成するコイル導体をリッツ線で構成することにより1次コイルの表皮効果による発熱を抑制することができるので、トランス本体の発熱を抑えることができ、この発熱の抑えられたトランス本体を通気孔の設けられた遮蔽容器により遮蔽して通風冷却装置により遮蔽容器内に強制通風を行うことにしたので、トランス本体を水冷によらないで空冷により十分に冷却を行うことができる。このため、取り扱いが容易で保守点検の手間のかからない高周波トランスとすることができる。 According to the present invention, the skin effect of the primary coil is obtained by configuring the coil conductor forming the primary coil of the transformer main body constituted by the iron core and the primary coil wound around the iron core with the litz wire. The heat generated by the transformer can be suppressed, so that the heat generated by the transformer body can be suppressed. The transformer body with reduced heat generation is shielded by a shielding container with a vent hole and forced into the shielding container by the ventilation cooling device. Since ventilation is performed, the transformer body can be sufficiently cooled by air cooling without using water cooling. For this reason, it can be set as the high frequency transformer which is easy to handle and does not require maintenance and inspection.
この発明の実施の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described based on examples shown in the drawings.
図1〜図4にこの発明の実施例を示す。 1 to 4 show an embodiment of the present invention.
この発明の高周波トランス10は、図1に示すような外観を呈している。
The
遮蔽容器20は、例えばアルミニウム板のような非磁性の平板により形成した直方体状の全閉された箱体で構成されている。遮蔽容器20の正面壁からトランスの2次コイル14の接続端子14c,14dが絶縁ブッシュ25(図4参照)を介して引き出され、この正面壁と対向する背面壁から1次コイル13の接続端子13c、13dが絶縁ブッシュ24(図2参照)を介して引き出されている。遮蔽容器20の背面壁の下部には、ここには図示されない通気口から外気を冷却空気として遮蔽容器20内に送って容器内部を冷却する通風冷却装置としての通風冷却ファン30が設けられている。そして、遮蔽容器20の上面壁には、容器内を貫流して冷却空気を排出するためのグリル状の通気口22が設けられている。遮蔽容器20の下端には、取付固定用の取付脚23が設けられている。
The
このように構成された遮蔽容器20は、この中に高周波トランスの本体11を収容して遮蔽するものである。トランス本体11の収容する遮蔽容器20の下部の通風冷却ファン30によりこの中に送られた冷却空気として送り、この中を下方から上方へ貫流させることにより、この中のトランス本体11を冷却空気より冷却することができる。
The
次に、遮蔽容器20に収容される高周波トランスの本体11の構成の詳細を図2〜図4を参照して説明する。
Next, the detail of the structure of the
トランス本体11は、例えばフェライトコアにより構成した3個の鉄心脚を有する鉄心12を備える。鉄心12は、2個の矩形状の環状鉄心を接合することにより3個の鉄心脚12a、12b、12cを形成している。この鉄心12の中央の鉄心脚12bに絶縁シートを巻き付けて第1の絶縁層15を形成する。この絶縁層15の外側にリッツ線で構成してコイル導体13aを所要回数、ここでは6回巻きして筒状の1次コイル13を形成する。
The transformer
1次コイル13のコイル導体13aとして使用するリッツ線は、細い導線の表面を絶縁エナメルで被覆して構成した絶縁細線を素線とし、この素線を複数本撚り合わせて所要の電流容量を得るようにしたものである。リッツ線は、細い素線を撚り合わせて構成するため、表皮効果が抑えられることにより高周波電流を流しても発熱を抑制することができる。リッツ線は、素線の線径を0.3mm以下にすると表皮効果の抑制効果がより高くなるため、線径が0.3mm以下の素線で構成したリッツ線を使用すると1次コイルの発熱抑制効果が高くなる。
The litz wire used as the
なお、リッツ線は撚線であるため成形がやややりにくいところがあり、ただ単に巻回しただけでは巻が戻り、成形したコイルが形崩れを生じることがある。成形した1次コイルが形崩れを起しそうな場合は、リッツ線に予め融着性のある絶縁樹脂を被着した融着性リッツ線を使用する。この融着性リッツ線をコイル導体として巻回して筒状に成形した1次コイルを加熱処理することにより、融着性を有する絶縁被覆により1次コイルのコイル導体を融着し、これを一体に固めるようにすることができる。 In addition, since the litz wire is a stranded wire, there are places where the forming is somewhat difficult, and if it is simply wound, the winding is returned, and the formed coil may be deformed. If the molded primary coil is likely to be deformed, a fusible litz wire in which an insulating resin having a fusible property is previously applied to the litz wire is used. The primary coil that is formed into a cylindrical shape by winding this fusible litz wire as a coil conductor is heat-treated, so that the coil conductor of the primary coil is fused with an insulating coating having a fusibility, and this is integrated. Can be hardened.
さらに、1次コイル13の外周に熱伝導性の高いに絶縁シートを巻回して第2の絶縁層6を形成する。この第2の絶縁層16の外側に、銅平板等で構成した平板状のコイル導体により1回巻きした2次コイル14を配置する。この2次コイル14は、平板状の導体を断面が略C字形に2分割構成されたコイル導体14a、14bを備え、この2個の分割コイル導体を互いにC字の開口部が向かい合うように対向配置し、その一端側を互いに結合ねじ14eにより締付け結合して電気的に接続し、他方端は開放して接続端子14c、14dとすることにより、1回巻のコイルとしている。
Further, an insulating sheet having high thermal conductivity is wound around the outer periphery of the
2次コイル14は、図4に示すように、1次コイル13との電磁結合度を高めるために、1次コイル3に接近するように1次コイル13の外周の第2の絶縁層16と接触する部分14xと、冷却効果を高めるために通風路となるように離間した部分14yが形成されるように配設する。
As shown in FIG. 4, the
このように鉄心12の中央鉄心脚12bに絶縁層を介して1次コイル13および2次コイル14を重ね巻してトランス本体11が構成される。このように構成されたトランス本体11を遮蔽容器10内に収めた際、鉄心12の四隅の角部と遮蔽用容器20の内壁との間に断面がL字形に形成された絶縁支持ブロック19を嵌装することにより遮蔽容器20の内壁から離間してトランス本体11を支持するようにする。これにより、トランス本体11と遮蔽容器20の内壁との間に冷却通風路となる空間が形成される。
Thus, the transformer
このようにしてトランス本体11を通風冷却ファン30を備えた遮蔽容器20内に収容することにより、トランス本体11を遮蔽容器20によりで遮蔽した高周波トランス10が完成する。このように構成されたこの発明の高周波トランスは、空冷式の冷却構造であるため、構造が簡単であり、コイル導体にパイプ状導体でなくリッツ線を使用するのでコイルの成形が容易となり製造コストを安価とすることができる。
Thus, the transformer
この発明の高周波トランス10は、運転中は通風冷却ファン30を駆動して外気を冷却空気として遮蔽容器20の通気口21からこの中に送り込む。容器20内送り込まれた冷却空気は、図2〜図4に矢印で示すように、容器20内を下方から上方へ貫流して上壁の排気口24から排出される。この間に冷却空気がトランス本体11の鉄心12と容器内壁との間の空間や、2次コイル14と1次コイル13との間の空間14yおよびや鉄心12と2次コイル14との間の空間を通風路としてここを流れ、鉄心12および2次コイル14を直接的に冷却する。また、1次コイル13の熱は第1の絶縁層15および第2の絶縁層16を介して鉄心12および2次コイル14に伝達されるので鉄心12および2次コイル14に接触して流れる冷却空気により冷却することができる。そして、図4における2次コイル14と1次コイル13との間の空間14y部分にも冷却空気が流れるので、1次コイル13の一部が熱伝導度の高い絶縁シートで構成された第2の絶縁層16を介してこの冷却空気によって冷却される。このため、通電中の1次コイル13および2次コイル14を良好に冷却することができる。
During operation, the high-
さらに、トランス本体11の全体を遮蔽する遮蔽容器20を高熱伝導性の非磁性材料であるアルミニウム板で構成すると、この容器自体が放熱体となりトランス本体の通風冷却効果を高めることができる。
Furthermore, when the shielding
続いてこの発明の高周波トランスの電気的特性を変換比(1次コイルと2次コイルの巻数比)を6:1とした例について説明する。 Next, an example in which the electrical characteristics of the high-frequency transformer of the present invention are set to a conversion ratio (turn ratio of primary coil to secondary coil) of 6: 1 will be described.
図5は、この発明の高周波トランス10を用いた誘導加熱装置の回路構成を示すものである。
FIG. 5 shows a circuit configuration of an induction heating apparatus using the high-
例えば高周波インバータで構成された高周波電源40から高周波トランス10を介して誘導加熱装置50に高周波電流I1を供給すると、高周波トランス10の1次コイル13で形成された磁束のほとんどが、鉄心12の中央鉄心脚12bに誘起され、漏れた磁束は、鉄心脚12a、12cで吸収され、外部への漏れを抑制することができる。中央鉄心脚12bに誘起された磁束により平板状導体により構成された2次コイル14に誘起された起電力により、誘導加熱装置5の加熱コイル51に高周波電流I2が供給される。ここでは、1次コイル13が6回巻き、2次コイル14が1回巻きという構成になっているから、加熱コイル51に供給される高周波電流I2はI1の6倍の高周波電流となる。これは、図4に示すように鉄心12と1次コイル13と2次コイル14とを接近して配置して、高周波トランス10の漏れインダクタンスを小さくさしているからである。6倍となった高周波電流I2が整合コンデンサ52を通り、加熱コイル51に供給されることで被加熱物53を誘導加熱することができる。
For example, when a high-frequency current I 1 is supplied from a high-
ここに誘導加熱装置50の例として示すものは、加熱コイル51が、内径70mmの3回巻きのコイルで構成され、被加熱物53がSGP40Aとして示される鋼管であり、この鋼管を加熱コイル51に挿入して加熱するものである。
What is shown here as an example of the
この誘導加熱装置50から高周波トランス10を外した状態で誘導加熱装置50の各種の電気回路常数をLCRメータで測定した結果を図6のA欄に示すが、抵抗値Rは14.1Ωと低い値となる。この負荷条件で誘導加熱装置50を高周波電源40に接続して運転すると、誘導加熱装置50の抵抗値が低いため、大電流を供給できる高周波電源が必要となり、高周波電源40の価格が高くなる。
The results of measuring various electric circuit constants of the
高周波電源40から高周波トランス10を介して誘導加熱装置50に給電するようにすると、この高周波トランス10の入力端Aからみた回路抵抗R10は、高周波トランス10の1次コイルを巻数N1、2次コイルを巻数N2とすると、
R10=R×(N1÷N2)2 (1)
となる。ここでRは、誘導加熱装置50の抵抗である。
When power is fed from the high
R10 = R × (N1 ÷ N2) 2 (1)
It becomes. Here, R is the resistance of the
この結果、図5に示す回路において、高周波トランス10の入力端Aからみた回路抵抗R10は、図6のB欄に示すように502Ωと大きくなる。これにより、高周波電源40から供給する電流を、高周波トランス10のない場合の3%以下に大幅に低減できることになる。このため、高周波トランス10を介することにより、高周波電源40の電流容量が大幅に低減され、価格を低減できる。
As a result, in the circuit shown in FIG. 5, the circuit resistance R10 viewed from the input terminal A of the high-
なお、SGPで構成された鋼管より抵抗値の小さいSUS304等のステンレス鋼で構成された管を被加熱物53とした場合は、誘導加熱装置50の回路抵抗Rが小さくなる。この場合は、高周波トランス10を介して高周波電流を供給しても、高周波電源40の電流容量が大きくなるため、価格が上昇する。この場合は、図8に示すように、高周波トランス10の1次コイル13を2層構成にして巻き数を増やすことで、高周波電源40から見た回路抵抗を大きくして、高周波電源からの電流を低減することができる。例えば、1次コイル13の巻数を12回巻にして、2次コイルの巻数を1回巻にすると、高周波電源40から見た回路抵抗R10は、誘導加熱装置の回路抵抗Rの140倍以上に大きくすることができるので、高周波電源40の電流を大幅に低減することができる。
In addition, when the pipe | tube comprised from stainless steels, such as SUS304 whose resistance value is smaller than the steel pipe comprised from SGP, is made into the to-
次に、この発明の高周波トランス10について温度評価試験を実施した結果を図7に示す。
Next, FIG. 7 shows the result of a temperature evaluation test performed on the high-
この試験は、図5の回路における高周波電源40から高周波トランス10へ、周波数が25kHzで、大きさが144Aの高周波電流I1を供給し、被加熱物53へおよそ15kWの電力を加えた状態で、高周波トランス10の図2〜図4にA〜Hで示す8か所の温度を測定するものである。
In this test, a high-frequency current I 1 having a frequency of 25 kHz and a size of 144 A is supplied from the high-
温度測定点A〜Cは、1次コイル13の3巻目のコイル導体13aの正面側、背面側、および右側面側の表面、測定点D、Eは、鉄心12の中央鉄心脚12bの上部の背面側および正面側の表面である。また、測定点F、Gは、鉄心12の右側鉄心脚12cの中央部の正面側表面および左側鉄心脚12aの中央部の正面側表面であり、測定点Hは、冷却ファン30の入口付近の外気温度測定点である。
The temperature measurement points A to C are the front side, back side, and right side surface of the
図7に示すこれらの各測定点の温度は、誘導加熱装置の運転を開始してから時間の経過とともに上昇するが、所定の時間経過するとこの温度上昇が止まる、いわゆる飽和した時の温度である。 The temperature at each of these measurement points shown in FIG. 7 rises as time elapses after the operation of the induction heating apparatus is started, but this temperature rise stops when a predetermined time elapses. .
この温度試験の結果、図7から明らかなように、外気温度(H点の温度)は26.6℃であるが、高周波トランス10内の1次コイル13の背面側のB点で、95.5℃の最高温度が示された。これは、外気温度に対して68.5℃の温度上昇である。
As a result of this temperature test, as is clear from FIG. 7, the outside air temperature (the temperature at the point H) is 26.6 ° C., but at the point B on the back side of the
この温度は、1次コイル導体13aに使用するリッツ線に、H種絶縁の施されたものを使用すると、このリッツ線の許容最大温度は180℃であるので、十分にこの温度範囲に収まる温度であり問題はない。
If the Litz wire used for the
また、鉄心12の測定点F、Gの温度も、それぞれ64.7℃、59.7℃。までしか上昇しない。この鉄心の温度も、フェライトコアで構成した鉄心12の使用許容温度とされている120℃より50℃以上も低いので、全く問題ない温度である。
Moreover, the temperature of the measurement points F and G of the
このような温度評価試験から理解できるように、発明の高周波トランスは、空気冷却により1次コイルや、鉄心の温度を使用可能な範囲に維持することができるので、十分実用に供することができる。 As can be understood from such a temperature evaluation test, the high-frequency transformer of the invention can be sufficiently put into practical use because the temperature of the primary coil and the iron core can be maintained in a usable range by air cooling.
1:高周波トランス
11:トランス本体
12:鉄心
13:1次コイル
14:2次コイル
15:第1絶縁層
16:第2絶縁層
19:絶縁支持ブロック
20:遮蔽容器
21、22:通気口
30:通風冷却装置
1: High frequency transformer 11: Transformer main body 12: Iron core 13: Primary coil 14: Secondary coil 15: First insulating layer 16: Second insulating layer 19: Insulating support block 20: Shielding
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