JP2015213191A - セグメント化されたコアを有するトランス - Google Patents

Abstract

【課題】従来のトランス、コア及び点火システムを代替するトランス、トランス用コア及び点火システムを提供する。【解決手段】トランス１０は、コア１２、１次巻線１４及び２次巻線１６を備える。コア１２は、主軸１５を有す細長いリム１３、磁性材料の複数のセグメント１２．１〜１２．ｎ及び主軸１５に沿ったセグメント間の間隙１８．１〜１８．ｎ−１を備える。主軸１５はリム１３の磁場方向に平行である。各間隙は主軸１５に平行な空間ｇだけ離れた直線状のセグメントを有す。ｎの値は３より大きく、間隙は絶縁媒体２０で充満される。【選択図】図１

Description

本発明は、トランス、トランスのコア、およびトランス搭載車両用の点火システムに関する。

従来の車両点火システム用トランスは、例えばペンシル状コアのような、磁性材料から成る単一の固体状または積層状のコアを備えている。トランスの１次巻線および２次巻線がコアの周りに巻きつけられる。トランスは多くの要求に応じなければならない。固体状のコアは、エネルギーが１つのパルス周期において１次巻線から２次巻線に移動し得るように、１次巻線と２次巻線との間における良い電磁結合を提供しなければならない。十分なエネルギーが磁性コアにて蓄積され得るように、最大１次電流があまり大きくならないように、および、安定した点火のために点火持続時間が十分に長くなるように、１次インダクタンスおよび２次インダクタンスは十分に大きくなければならない。大きな２次インダクタンスには多くの巻が必要である。この結果、２次巻線は数キロオームの抵抗を有することになる。この抵抗により、結果的に巻線が発熱してしまい、この発熱は除去されなければならない。それ故、トランスは、巻線から巻線の外側への十分な熱交換を提供しなければならない。磁気的デザインは、高電圧生成期間中のコアの飽和を回避するように成されなければならない。更に、磁場において十分なエネルギーを蓄積するために、十分な磁性材料が必要である。２次巻線と磁性コアとが電気的に非常に良く絶縁されていることが必要である。最大２次電圧は、通常、３０ｋＶよりも大きく、磁性コアは、通常、導電性である。コアと巻線との間の絶縁物は、最大電圧に耐久可能なものでなければならない。巻線間が十分に絶縁されていることもまた必要である。これらの要求を満足する多くの磁性材料は、導電性であるか、または、小さい絶縁耐力を有するので、コアと２次巻線との間に比較的厚い絶縁層が必要であるが、これは望ましいことではない。自動車エンジンにおける使用に適したトランスは、−４０度から＋１４０度の間の温度にて動作可能でなければならない。コアと絶縁材料との熱拡散係数が異なることに起因して、機械的応力が生じる。多くの熱循環の後、磁性材料と絶縁材料との間における間隙または亀裂が生じる可能性があり、これは重大な問題になり得る。

トランスの大きさを減少させつつ、これらの要求を実現させることは、非常に困難になりつつある。多くの巻を小さい容積に入れなければならないので、（インターターンキャパシタンスを含んでいる）巻線のキャパシタンスは大きくなり、結果的には、より多くのエネルギーが所定の高電圧を生成するために必要になる。

それ故に、本発明の目的は、用いることにより上述の不利益が少なくとも軽減されると出願人が信じている代替のトランス、トランス用コア、および点火システム、または、従来のトランス、コア、および点火システムに有益な代替物を提供し得る交流のトランス、トランス用コア、および点火システムを提供することである。

本発明によれば、コアと、１次巻線と、２次巻線とを備えており、上記コアは、主軸を有している細長いリムと、磁性材料から成る複数（ｎ個）のセグメントと、上記主軸に沿って代わる代わる配置されているセグメント間の間隙とを備えており、各間隙は上記主軸に平行な空間だけ離れている直線状のセグメントを有しており、ｎは３よりも大きく、上記間隙は絶縁材料によって充満されている、ことを特徴とするトランスが提供されている。

各セグメントは、主軸を有しており、対向する第１の終端壁と第２の終端壁との間に延伸する側壁を備えている円筒形状の本体を備えていてもよい。隣接している第１のセグメントと第２のセグメントとの間の間隙は、第１のセグメントの第２の終端壁と第２のセグメントの第１の終端壁との間にて延伸してもよい。上記セグメントの上記主軸は、上記リムの上記主軸と並んで配置されていてもよい。セグメントの第１および第２の終端壁の少なくともそれぞれの中央部分が、互いに平行に延伸してもよい。上記終端壁と上記側壁との間のエッジは、円形状であってもよい。上記本体は、横方向断面において円形状であってもよく、一般に矩形状であってもよい。後者の場合、上記側壁の角の領域もまた円形状であってもよい。

ｎの値が４、５、６、７、８、９、および１０の何れか１つより大きくてもよい。

上記セグメントは、固体状または積層状であってもよく、直線状に配置されていてもよい。

上記セグメントは、上記間隙の幅が同一であるように、同一の長さを有していてもよく、等間隔であってもよい。他の実施形態において、上記セグメントの少なくとも幾つかが、異なる長さを有していてもよく、上記間隙の少なくとも幾つかが異なる幅を有していてもよい。

上記１次巻線および上記２次巻線は、上記コアの周りを同心円状に巻回されていてもよい。上記２次巻線は、上記１次巻線よりも上記コアにより近接して同心円状に配置されていてもよい。

上記１次巻線および上記２次巻線は、上記コアの周りを上記コアの一端から他端まで同心円状に巻回されていてもよい。これらの巻線の何れも、直線状に配置されているセグメントの一部の周りを同心円状に巻回されていてもよい。各巻線が直線状に配置された隣接する巻きを備えるように、上記巻線はセグメントの直線状の配置に沿って直線状に巻回されていてもよい。上記１次巻線および上記２次巻線は、互いに重なり合ってもよく、重なり合わなくてもよい。

上記トランスは、上記コア、上記１次巻線、および上記２次巻線を収容している、磁性材料から成る外部カバーを備えていてもよい。

上記外部カバーは、１つの細長い中空の円筒形状である本体を備えていてもよい。

また、上記外部カバーは、複数のカバーのセグメントを備えていてもよい。カバーのセグメントの各々は、中空の円筒形状である構造をしていてもよく、上記カバーのセグメントは、直線状に配置されていてもよい。

上記絶縁媒体は、液体および固体の少なくとも１つを備えていてもよい。

（巻線間の、セグメント間の、巻線とセグメントとの間の、および、巻線と外部カバーとの間の）全ての空隙は、上記絶縁媒体によって充満されていてもよい。

本発明はまた、その範疇において、主軸を有している細長いリムと、磁性材料から成る複数（ｎ個）のセグメントと、上記主軸に沿って代わる代わる配置されているセグメント間の間隙とを備えているコアを含んでおり、各間隙は上記主軸に平行な空間だけ離れている直線状のセグメントを有しており、ｎは３よりも大きく、上記間隙は絶縁材料によって充満されている、ことを特徴としている。

更に、本発明の範疇において、本発明書にて規定されている、および／または、記述されているトランスを備えており、上記２次巻線の一端は少なくとも１つの点火プラグに接続されており、上記トランスは上記１次巻線に接続されている発振回路によって共鳴的に駆動される、車両用の点火システムが含まれている。

上記発振回路の発振周波数は、１００ｋＨｚと３ＭＨｚとの間にあってもよい。

本発明は、添付の図面を参照しながら、例示のみによって、これより記述されている。
本発明に従ったトランスを通した長手方向の断面図である。 上記トランスを備えている点火システムに関連する部分のブロック図である。

本発明に従ったトランスが、図にて符号１０によって一般に示されている。

当該トランスは、車両点火システムにおける具体的な適用例に用いられてもよい。

トランス１０は、コア１２、１次巻線１４、および、２次巻線１６を備えている。コアは、主軸１５を有している細長いリム１３、磁性材料の複数（ｎ個）のセグメント（１２．１から１２．ｎ）、および、主軸１５に沿って代わる代わる配置されているセグメント間の間隙（１８．１から１８．ｎ−１）を備えている。主軸１５は、リム中の磁場の方向に平行である。各間隙は、主軸に平行な空間ｇだけ離れている直線状のセグメントを有している。ｎの値は３よりも大きく、間隙は絶縁媒体２０で充満されている。

絶縁媒体は、−４０度から＋１４０度の温度範囲に亘り、好ましくは９ｋＶ／ｍｍよりも大きい、より好ましくは２０ｋＶ／ｍｍよりも大きい高絶縁耐力を有する必要がある。この要求を満足可能な多くのプラスチック材料が存在する。絶縁材料は、典型的に４よりも小さい、好ましくは３よりも小さい低比誘電率ε_rもまた好ましくは有さなければならない。

磁性材料は、−４０度から＋１４０度の温度範囲および直流から１ＭＨｚの周波数範囲に亘り、高透磁性、高飽和磁束密度、および、低ロスを有する必要がある。このような材料の例として、１ＭＨｚまでの周波数および−３０度から＋２００度までの温度において、３０００ガウス未満の磁束密度に対して３０００よりも高い比誘電率を有するソフトフェライトＴＳＣ−５０ＡＬＬが挙げられる。このフェライトコアのロスは、５００ｋＨｚの周波数、１００ガウスの磁束密度、および、７０度の温度において、１０ｍＷ／ｃｍ³未満である。

好適な実施形態において、セグメント１２．１から１２．ｎは直線状に配置され、隣接するセグメントは間隙１８．１から１８．ｎ−１だけ離れている。１次巻線１４および２次巻線１６は、コアの周りに同心円状に巻回される。各巻線は、複数の巻を備えている。より具体的には、２次巻線１６は、巻１６．１から１６．ｍまでの巻を備えている。磁性材料から成る同心の外部カバー２２は、帰還磁路を提供している。カバーは、１つの中空の円筒形状本体を備えていてもよく、または、２つ以上の中空の円筒形状セグメントを備えていてもよい。セグメントは、直線状に配置されてもよい。コアのセグメントの磁性材料およびカバーの磁性材料は、同一の材料であってもよく、または異なる材料であってもよい。

コアは長さｌを有しており、各セグメントは長さｌｓを有しており、隣接するセグメントは、ある間隙だけ離れており、主軸１５に対して、典型的には垂直に延伸している。各間隙は、主軸１５に平行な、空間または大きさｇだけ離れている直線状のセグメントを有している。コアの直径はｄである。コア１２および２次巻線１６は、距離ｈの空間だけ離れている。この空間もまた絶縁材料２０によって充満されている。

誘電材料２０が比誘電率ε_r＝４を伴う９ｋＶ／ｍｍの誘電強度を有しており、２次巻線１６の最初の巻き１６．１と最後の巻き１６．ｍとの間に４０ｋＶが印加されており、巻線の厚さｔが０．５ｍｍであると仮定する。長さｌ＝５５ｍｍおよび直径ｄ＝９ｍｍである従来の固体状のコアを備えているトランスが、本明細書において、図に示されている、本発明に従ったトランス１０と比較されている。

２次巻線の最初の巻きと最後の巻きとの間に４０ｋＶの電位差が生じている際にコアの電圧が２０ｋＶであると仮定した場合、コアと２次巻線との間の距離がｈである従来の固体状のコアのトランス（図示なし）にとって、ｈ＝２．２ｍｍである最少絶縁厚さが必要である。絶縁環帯は、４．３ｃｍ³の体積を有している。２次巻線とコアとの間のキャパシタンスは、０．５６ｐＦ／ｍｍ、または、全長ｌにおいて３１ｐＦである。巻きの最初の５ｍｍと巻きの最後の５ｍｍとの間のキャパシタンスは、コアと巻きの最後の５ｍｍと間のキャパシタンスと、巻きの最初の５ｍｍとコアとの間のキャパシタンスとが直列であるとして算出され、１．４ｐＦである。ＴＳＣ−５０ＡＬＬのフェライトを用いた際のインダクタンスは、巻数の２乗当たり約６４ｎＨと測定された。ワイヤの長さは１巻きにつき約４０ｍｍであり、インダクタンスはワイヤ１ｍｍ²当たり３６ｐＨと算出される。

Ｉｓが５ｍｍ長であるセグメントを１０個有している、本発明に従ったセグメント化されたコア１０に対して、２次巻線の最初の巻きと最後の巻きとの間に４０ｋＶの電圧が印加されている際、セグメントを巻回する最初の巻きと最後の巻きとの間には４ｋＶの電圧が印加されている。これにより、絶縁材料２０によって充満されているセグメントから巻線までの距離ｈは、少なくとも０．４４ｍｍ必要である。ｈが０．５ｍｍであると仮定すると、この場合の絶縁環帯の体積は０．８ｃｍ³である。９つの間隙１８．１から１８．９は、４０ｋＶ（各間隙につき４．４ｋＶである）に耐久しなければならず、間隙間において間隙の幅ｇは０．５ｍｍを必要とする。これは、隣接するセグメント間における０．３ｃｍ³の体積に対応している。セグメント間のキャパシタンスは４．５ｐＦであり、巻線１６とセグメントとの間のキャパシタンスは、２ｐＦ／ｍｍである。巻き１６．１からの巻きの最初の５ｍｍと巻き１６．ｍへの巻きの最後の５ｍｍとの間のキャパシタンスは０．４５ｐＦである。インダクタンスは、巻数の２乗につき約２７ｎＨと測定された。巻き１６．１から巻き１６．ｍまでの１巻き毎のワイヤの長さは３１ｍｍであり、所定の長さのワイヤ１ｍｍ²当たり２８ｐＨであるインダクタンスを提供している。

インダクタンスは、与えられた巻数に対するものよりも小さい（６４ｎＨ／ｍｍ対２７ｎＨ／ｍｍ）が、より多くのエネルギーが間隙の数に起因して磁性材料中に蓄積され得ると、現在信じられている。同量のエネルギーを要求するには、セグメント化されたコア１０は、それ故に、対応する固体状のコアを有するトランスの巻線よりも低巻線抵抗を有する、より短い長さの巻線ワイヤが必要である。

また、セグメント化されたコアは、固体状のコアに対する４．３ｃｍ³の絶縁材料に比べ１．１ｃｍ³のみ必要である。これは、３．５ｃｍ³であるコアの体積と比較する際に重要である。それ故に、コアのセグメント１２が、コア１２の全長ｌに亘って必要な絶縁材料の総計を減少させると信じられている。１６．１から１６．ｍまでの巻数がコア１２により近接に巻回されてもよい。結果的により小さくなった巻きの半径によって、巻線ワイヤの長さおよび抵抗が減少される。より小さいセグメント１２．１から１２．ｎまでによって、より小さな熱機械的応力が生じてもよく、セグメント間に分布されている間隙によって、より高い飽和エネルギーが提供されてもよい。巻線の最初の５ｍｍと最後の５ｍｍとの間の２次巻線のキャパシタンスが、１．４ｐＦから０．４５ｐＦに著しく減少される。

トランスは、車両（図示なし）用の（図２に示されている）点火システム３０における具体的な適用例に用いられてもよい。トランスは、テスラコイルと同様に、発振回路３２によって約１００ｋＨｚから３ＭＨｚである発振周波数にて共鳴的に駆動されてもよく、ここで、エネルギーは、数サイクルの内の各サイクルにおいて、１次巻線１４から２次巻線１６に移動される。１次巻線１４と２次巻線１６との間における良い結合の必要性は、従来の単一のコアを備えている従来のトランスを用いる場合ほど厳密でないことが期待されている。

巻き１６．１は、通常、点火プラグ３４に接続されており、巻き１６．ｍは接地されているか、または、エネルギー（電圧または電流）源に接続されていてもよい。磁性コア１２は、エネルギーが高速エネルギー移動のために２次巻線１６を通して直接移動される際に、飽和するようにデザインされてもよい。

Claims (16)

1. コアと、
   １次巻線と、
   ２次巻線と、
   を備えており、
   上記コアは、
   主軸を有している細長いリムと、
   磁性材料から成る複数（ｎ個）のセグメントと、
   上記主軸に沿って代わる代わる配置されているセグメント間の間隙と、
   を備えており、
   各間隙は、上記主軸に平行な空間だけ離れている直線状のセグメントを有しており、
   ｎは、３よりも大きく、
   セグメント間の上記間隙、および、コアと２次巻線との間の間隙は、９ｋＶ／ｍｍよりも大きい絶縁耐力を有する絶縁媒体によって充満されている、
   ことを特徴とするトランス。
2. 上記２次巻線は、上記コアの一端から上記コアの他端まで巻回されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. 上記絶縁媒体は、２０ｋＶ／ｍｍよりも大きい絶縁耐力を有している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のトランス。
4. ｎが４、５、６、７、８、９、および１０の何れか１つより大きい、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のトランス。
5. 上記セグメントは、固体状であり、
   上記主軸は、直線状であり、
   上記１次巻線および上記２次巻線は、上記コアの周りに同心円状に巻回されている、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のトランス。
6. 上記セグメントの少なくとも幾つかは積層状であり、
   上記主軸は、直線状であり、
   上記１次巻線および上記２次巻線は、上記コアの周りに同心円状に巻回されている、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のトランス。
7. 各巻線が直線状に配置された隣接する複数の巻きを備えるように、上記１次巻線および上記２次巻線の各々が上記コアの周りに直線状に巻回されている、
   ことを特徴とする請求項５または６に記載のトランス。
8. 上記２次巻線は、上記１次巻線よりも上記コアにより近接して同心円状に配置されている、
   ことを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載のトランス。
9. 上記コアと、
   上記１次巻線と、
   上記２次巻線と、
   を収容している、磁性材料から成る外部カバーを備えており、
   帰還磁路を提供している、
   ことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のトランス。
10. 上記外部カバーは、１つの細長い中空の円筒形状である本体を備えている、
    ことを特徴とする請求項９に記載のトランス。
11. 上記外部カバーは、複数のカバーのセグメントを備えている、
    ことを特徴とする請求項９に記載のトランス。
12. カバーのセグメントの各々は、中空の円筒形状である構造をしており、上記カバーのセグメントは、直線状に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のトランス。
13. 上記絶縁媒体は、液体および固体の少なくとも１つを備えている、
    ことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載のトランス。
14. 上記外部カバーの内部の空隙は、液体および固体の少なくとも１つを備えている上記絶縁媒体によって充満されている、
    ことを特徴とする請求項９から１２の何れか１項に記載のトランス。
15. 車両用の点火システムであって、
    請求項１から１４の何れか１項に記載のトランスを備えており、
    上記２次巻線の一端は、少なくとも１つの点火プラグに接続されており、
    上記トランスは、上記１次巻線に接続されている発振回路によって共鳴的に駆動される、
    ことを特徴とする点火システム。
16. 上記発振回路の発振周波数は、１００ｋＨｚと３ＭＨｚとの間にある、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の点火システム。

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