JP2018085467A - パルス電源用巻線機器 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス電源用巻線機器における絶縁破壊を抑制する。
【解決手段】トロイダル形状のコア２と、コア２に巻回される巻線３と、コア２の中心部に挿通されるリセット巻線４と、コア２の内周側に設けられるリング状の絶縁部材５と、コア２の外周側に設けられるリング状の絶縁部材６と、を備える可飽和リアクトル１である。絶縁部材５の内周部に、絶縁部材５の中心部方向（すなわち、コア２の中心部方向）に延在する絶縁板７を備え、絶縁板７の端部にリセット巻線４が挿通される挿通孔７ａを形成する。絶縁部材５の軸方向（すなわち、コア２の軸方向）に突出した突出部５ａを、絶縁部材５の絶縁板７の接続部に隣接して備える。絶縁部材６の絶縁部材５の突出部５ａと隣接する部分に、絶縁部材６の軸方向に突出した突出部６ａを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスや可飽和リアクトル等の巻線機器の巻線構造に関する。特に、磁気圧縮回路を用いたパルスパワー電源における、トランスや可飽和リアクトルの巻線構造に関する。

図４に磁気圧縮回路を用いた回路構成例を示す。パルス電源装置では、高周波領域での動作に対応するため、トランスＴＣ１、可飽和リアクトルＳＲ１、ＳＲ２には、ファインメット（登録商標）等の材料からなるトロイダル形状のコアが使用される。

図４に示すように、トランスＴＣ１は、１次巻線、２次巻線、リセット巻線で構成される。また、可飽和リアクトルＳＲ１、ＳＲ２は一次巻線とリセット巻線で構成される。外形仕様に余裕がある電源に対しては、内外径ともに大型のコアが適用でき、装置要求の絶縁性能を有した径の大きい電線を使用して、トランスＴＣ１や可飽和リアクトルＳＲ１、ＳＲ２が構成される。しかしながら、外形仕様で余裕の無い電源については、小型のコアを使用し、かつターン数を多くし、電圧・時間積（Ｖｔ積）を確保する設計が行われる。その結果、コア内径が小さい上にターン数が多く設定されるため、径が小さく、巻線（電線）単体で必要絶縁性能を満たせなくおそれがある。よって、要所の絶縁設計は、巻線単体の絶縁性能に頼ることができず、巻線間の距離や巻線間に挿入される絶縁物・絶縁材料等によって決まることとなる。

図５に、代表的な可飽和リアクトル１６の構造を示す。可飽和リアクトル１６は、コア２と巻線３間にリング状の絶縁部材１７、１８が挿入されており、その上から巻線３が巻き付けられる。絶縁部材１７は、例えば、ガラスエポキシ（ガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませた絶縁材料）等の絶縁材料で形成され、コア２の両端部であってコア２の内周に沿って設けられる。また、絶縁部材１８は、例えば、ガラスエポキシ等の絶縁材料で形成され、コア２の両端部であってコア２の外周に沿って設けられる。

可飽和リアクトル１６は、回路動作上、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）に、その前段に設けられたコンデンサに充電された電圧の全電圧が印加される。例えば、図４に示した磁気圧縮回路において可飽和リアクトルＳＲ１の巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）には、コンデンサＣ１に充電されたピーク電圧が印加される。通常は、数十ｋＶの電圧が印加される。また、リセット巻線４がほぼアース電位であるため、巻線３とリセット巻線４間（ｌ₂）には、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）にかかる電圧と同等の電圧が印加されることとなる。

図６に、代表的なトランス１９の構造を示す。トランス１９は、コア９と２次巻線１１間にリング状の絶縁部材１７、１８が挿入されており、その上から２次巻線１１が巻き付けられる。２次側トランスについても巻始めと巻終り間（ｌ₃）に全電圧が印加される。図４の回路構成より、トランス１９の２次巻線１１の片方の電極（図示せず）はアース電位に近く、２次巻線１１のアース電位に近い側に１次巻線１０が巻かれる。また、リセット巻線１２もアース電位に近いため、理想的には「Ｘ」の中心部分にリセット巻線１２が通されるが、困難な場合は、１次巻線１０や２次巻線１１のアース電位に近い位置（例えば、「Ｙ」の部分）にリセット巻線１２が巻かれる。この場合も、図５に示した可飽和リアクトル１６と同様に、２次巻線１１の高電圧側とリセット巻線１２間（ｌ₄）に高電圧が印加される。

特開２００８−１２４４３３号公報 特開２０１０−１６５７９５号公報

しかしながら、可飽和リアクトル、トランスともに巻線の巻始めと巻終り間（ｌ_1、3）や巻線とリセット巻線間（ｌ_2、4）といった巻線間の距離は、製造時のバラつき等で前後する可能性が高い。また、コアの小型化に伴い電位の異なる巻線間における十分な絶縁距離を稼ぐことができない場合は、パルス電源主回路動作中に電位の異なる巻線間で絶縁破壊するおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、パルス電源用巻線機器における絶縁破壊を抑制する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の一態様は、円環状のコアと、前記コアに巻き付けられる巻線と、前記コアの両端部であって、前記コアの内周に沿って設けられる一対のリング状の第１絶縁部材と、前記コアの両端部であって、前記コアの外周に沿って設けられる一対のリング状の第２絶縁部材と、前記コアの中央部に挿通されるリセット巻線と、を具備し、前記第１絶縁部材は、当該第１絶縁部材の中心部方向に延在する第１絶縁板を備え、前記第１絶縁板の端部には、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成されたことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の他の態様は、円環状のコアと、前記コアに巻き付けられる１次巻線と、前記コアに巻き付けられる２次巻線と、前記コアの両端部であって、前記コアの内周に沿って設けられる一対のリング状の第１絶縁部材と、前記コアの両端部であって、前記コアの外周に沿って設けられる一対のリング状の第２絶縁部材と、前記コアの中央部に挿通されるリセット巻線と、を具備し、前記第１絶縁部材は、当該第１絶縁部材の中心部方向に延在する第１絶縁板を備え、前記第１絶縁板の端部には、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成されたことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の他の態様は、上記パルス電源用巻線機器において、前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材を覆うように、前記コアの両端面に設けられる第２絶縁板をさらに備え、前記第２絶縁板の中央部に、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成されたことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の他の態様は、上記パルス電源用巻線機器において、前記第２絶縁板の、前記第１絶縁部材の内側であって、前記コアの内周に沿って、前記１次巻線が挿通される孔を複数形成し、この孔を挿通して、前記１次巻線が前記コアに巻回されることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の他の態様は、上記パルス電源用巻線機器において、前記第１絶縁部材の前記第１絶縁板の接続部に隣接して、前記第１絶縁部材に前記コアの軸方向に突出する突出部を備えたことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のパルス電源用巻線機器の他の態様は、上記パルス電源用巻線機器において、前記第１絶縁部材の突出部と隣接するように、前記第２絶縁部材に前記コアの軸方向に突出する突出部を備えたことを特徴としている。

以上の発明によれば、パルス電源用巻線機器における絶縁破壊が抑制される。

（ａ）本発明の第１実施形態に係る可飽和リアクトルの巻線構造を示す平面図、（ｂ）図１（ａ）の可飽和リアクトルのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係るトランスの巻線構造を示す平面図、（ｂ）図２（ａ）のトランスのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第３実施形態に係るトランスの巻線構造を示す平面図である。 磁気圧縮回路の一例（２段圧縮回路）を示す回路図である。 （ａ）従来技術に係る可飽和リアクトルの巻線構造を示す平面図、（ｂ）図５（ａ）の可飽和リアクトルのＣ−Ｃ断面図である。 従来技術に係るトランスの巻線構造を示す平面図である。

本発明の実施形態に係るパルス電源用巻線機器について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、各実施形態に係る巻線機器は、例えば、図４に示すような磁気圧縮回路に適用することができるが、本発明の実施形態に係る巻線機器は、この磁気圧縮回路に適用するものに限定されるものではなく、様々なパルス電源用の巻線機器として適用される。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る可飽和リアクトル１は、トロイダル形状のコア２と、コア２に巻回される巻線３と、コア２の中心部に挿通されるリセット巻線４と、コア２の内周側に設けられるリング状の絶縁部材５と、コア２の外周側に設けられるリング状の絶縁部材６と、を備える。

可飽和リアクトル１は、コア２と巻線３間にリング状の絶縁部材５、６を挿入し、その上から主巻線である巻線３の巻き付けを行うことは、従来の可飽和リアクトル１６（図５参照）と同様であり、絶縁部材５と絶縁部材６の形状が可飽和リアクトル１６と異なっている。

絶縁部材５は、例えば、ガラスエポキシ等の絶縁材料で形成された部材であり、コア２の両端部であって、コア２の内周に沿って設けられる。絶縁部材５の内周部には、絶縁部材５の中心部方向（すなわち、コア２の中心部方向）に延在する絶縁板７が備えられる。絶縁板７の端部は円板状に形成されており、この端部に挿通孔７ａが形成される。この挿通孔７ａにリセット巻線４が挿通される。また、絶縁部材５の絶縁板７の接続部近傍（例えば、接続部に隣接した絶縁部材５の端面部）には、絶縁部材５の軸方向（すなわち、コア２の軸方向）に突出した突出部５ａが備えられる。この突出部５ａの幅（絶縁部材５の周方向の幅）は、必要とされる巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）の距離よりも広く形成され、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）の距離が所定の長さ以上となるようになっている。

絶縁部材６は、例えば、ガラスエポキシ等の絶縁材料で形成された部材であり、コア２の両端部であって、コア２の外周に沿って設けられる。絶縁部材５と同様に、絶縁部材６の絶縁部材５の突出部５ａと隣接する部分には、絶縁部材６の軸方向（すなわち、コア２の軸方向）に突出した突出部６ａが備えられており、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）の距離が所定の長さ以上となるようになっている。この突出部６ａは、絶縁部材６の径方向にも突出している。

可飽和リアクトル１は、コア２と巻線３間にリング状の絶縁部材５、６を挿入し、その上から主巻線である巻線３の巻き付けを行うことで構成される。巻線３を巻き付けた後、絶縁板７の挿通孔７ａにリセット巻線４を通してリセット巻線４が配線される。

可飽和リアクトル１は回路動作上、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）に、その前段に設けられたコンデンサに充電された電圧の全電圧が印加される。可飽和リアクトル１に絶縁板７及び突出部５ａ、６ａを備えることで、巻線３の巻始めと巻終りの間（ｌ₁）の最短距離部分は必ず絶縁物（例えば、ガラスエポキシ）を介する構造となり、従来の可飽和リアクトル１６（図５参照）よりも沿面距離が長くなり、巻線３間で絶縁破壊しにくい構造となる。また、絶縁板７及び突出部５ａ、６ａを備えることで、製造時のバラつき等により巻線３がずれこんだとしても、巻線３の巻始めと巻終り部分が接触して巻線３間で絶縁破壊するような事象もなくなる。

また、リセット巻線４がほぼアース電位に近いため、主巻線である巻線３とリセット巻線４間（ｌ₂）にも巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）に印加される電圧と同程度の電圧が印加される。第１実施形態に係る可飽和リアクトル１は、リセット巻線４を絶縁板７の挿通孔７ａに通すため、リセット巻線４がコア２の中心部に固定され、巻線３とリセット巻線４間（ｌ₂）の距離が安定する。よって、製造時の偏り等によって、どこかの巻線３とリセット巻線４が接触し、絶縁破壊するような事例はなくなる。

次に、本発明の第２実施形態に係るトランスについて、図２に基づいて詳細に説明する。図２に示すように、本発明の第２実施形態に係るトランス８は、トロイダル形状のコア９と、コア９に巻回される１次巻線１０、２次巻線１１と、コア９の中心部に挿通されるリセット巻線１２と、コア９の内周側に設けられるリング状の絶縁部材５と、コア９の外周側に設けられるリング状の絶縁部材６と、コア９の両端面に設けられる絶縁板１３を備える。

トランス８は、コア９と２次巻線１１間にリング状の絶縁部材５、６を挿入し、その上から２次巻線１１の巻き付けを行う構成は、従来のトランス１９（図６参照）と同様であり、絶縁部材５と絶縁部材６の形状及び絶縁板１３を備えることが従来のトランス１９と異なっている。なお、絶縁部材５、６及び絶縁板７の形状は、第１実施形態に係る可飽和リアクトル１と同様であるので、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

絶縁板１３は、例えば、ガラスエポキシ等の絶縁材料で形成された部材であり、コア９の両端面であって、絶縁部材５及び絶縁部材６を覆うように設けられる。絶縁板１３には、リセット巻線１２が挿通される挿通孔１３ａ、充填剤を充填するための孔１３ｂ、１次巻線１０を巻回するための孔１３ｃが形成される。挿通孔１３ａは、絶縁板１３の中心部に形成され、リセット巻線１２が挿通される。孔１３ｂは、絶縁板１３のコア９と対向する部分であって、コア９の周に沿って複数形成される。孔１３ｃは、絶縁板１３のコア９の内周部より内側であって、２次巻線１１の低電圧側の巻線近傍に形成される。また、絶縁板１３の絶縁部材５の突出部５ａ及び絶縁部材６の突出部６ａと対向する部分には、突出部５ａ及び突出部６ａが嵌め込まれる溝１３ｄが形成されている。

トランス８は、コア９と２次巻線１１間にリング状の絶縁部材５、６を挿入し、その上から２次巻線の巻き付けが行われる。さらに、２次巻線の巻き付けが完了した後、絶縁板１３を重ね、その上から１次巻線１０が巻き付けられる。最後に、リセット巻線１２が絶縁板１３の挿通孔１３ａ及び絶縁板７の挿通孔７ａに通され、リセット巻線１２が配線される。

トランス８は、回路動作上、２次巻線１１の巻始めと巻終り間（ｌ₃）に、昇圧後のコンデンサに充電された電圧の全電圧が印加される。第２実施形態に係るトランス８には絶縁板７及び突出部５ａ、６ａが備えられているので、２次巻線１１の巻始めと巻終り間（ｌ₃）の最短距離部分には必ず絶縁物を介する構造となり、従来のトランス１９（図６参照）よりも沿面距離が長くなり、絶縁破壊しにくい構造となる。また、リセット巻線１２がほぼアース電位に近いため、２次巻線１１とリセット巻線１２間（ｌ₄）にも２次巻線１１の巻始めと巻終り間（ｌ₃）に印加される電圧と同定度の電圧が印加される。第２実施形態に係るトランス８は、リセット巻線１２を絶縁板７の挿通孔７ａ及び絶縁板１３の挿通孔１３ａに通すため、リセット巻線１２がコア９の中心部で固定され、２次巻線１１とリセット巻線１２間（ｌ₄）の距離が安定する。よって、製造時の偏り等によって、どこかの２次巻線１１とリセット巻線１２が接触して、２次巻線１１とリセット巻線１２間で絶縁破壊するような事例はなくなる。

本発明の第３実施形態に係るトランスは、第２実施形態のトランス８の絶縁板１３に１次巻線１０をコア９全体に巻回するための孔をさらに形成したものである。よって、第３実施形態の説明において、第２実施形態に係るトランス８と同様の構成については同じ符号を付し、異なる構成について詳細に説明する。

図３に示すように、本発明の第３実施形態に係るトランス１４は、トロイダル形状のコア９と、コア９に巻回される１次巻線１０、２次巻線１１と、コア９の中心部に挿通されるリセット巻線１２と、コア９の内周側に設けられるリング状の絶縁部材５と、コア９の外周側に設けられるリング状の絶縁部材６と、コア９の両端面に設けられる絶縁板１５を備える。

絶縁板１５は、第２実施形態に係るトランス８の絶縁板１３と同様であり、リセット巻線１２が挿通される挿通孔１５ａ、充填剤等を充填するための孔１５ｂが形成される。さらに、絶縁板１５には、１次巻線１０用の孔１５ｃが、絶縁部材５の内側であってコア９の内周に沿って複数形成される。例えば、この孔１５ｃをコア９の内周に沿って均等に形成し、この孔１５ｃを通して１次巻線１０がコア９（絶縁部材５、６及び絶縁板１５を含む）に巻き付けることで、１次巻線１０がコア９全体に均等に巻き付けられる。なお、図示省略しているが、絶縁板１３と同様に、絶縁板１５の絶縁部材５、６と対向する面には、絶縁部材５、６の突出部５ａ、６ａが嵌め込まれる溝が形成されている。

トランス１４の絶縁に関する作用は、第２実施形態に係るトランス８と同様である。すなわち、トランス１４は、２次巻線１１の巻始めと巻終り間（ｌ₃）の最短距離部分には必ず絶縁物を介する構造となり、従来のトランス１９（図６参照）よりも沿面距離が長くなり、絶縁破壊しにくい構造となる。また、リセット巻線１２がコア９の中心部で固定され、２次巻線１１とリセット巻線１２間（ｌ₄）の距離が安定する。その結果、従来のトランス１９と比較して２次巻線１１とリセット巻線１２間の絶縁破壊が抑制される。さらに、第３実施形態に係るトランス１４は、１次巻線１０がコア９全体に巻き付けられているので、１次−２次間のトランスカップリングが良くなり、トランス１次からトランス２次へのエネルギ転送効率が良くなる。

以上のような本発明の実施形態に係る可飽和リアクトル１によれば、巻線３の巻始めと巻終り間（ｌ₁）の距離及び巻線３とリセット巻線４間（ｌ₂）の距離を確保でき、巻線３同士や巻線３とリセット巻線４が接触して絶縁破壊する等の事例はなくなる。

また、本発明の実施形態に係るトランス８、１４によれば、トランス８、１４の２次巻線１１の巻始めと巻終り間（ｌ₃）の距離及び、２次巻線１１とリセット巻線１２間（ｌ₄）の距離を確保できる。また、本発明の実施形態に係るトランス１４によれば、絶縁板１５に１次巻線１０を巻回するための孔１５ｃをコア９の内周に沿って複数設けることで、トランス１次―２次間のカップリングが良くなり、トランス１次からトランス２次へのエネルギ転送効率が改善される。

外形仕様で小型化が特に要求されているパルス電源において、磁気圧縮回路を構成する場合、小型のコアを使用し、Ｖｔ積確保のため、ターン数を多くしなければならならない。場合によっては、電線の外形に制限がかかってしまい、絶縁被覆の薄い電線を選択せざるを得ない状況となることもある。このような場合、巻線（電線）単体で必要絶縁性能を満たせなくなるため、対象間の距離や対象間に挿入される絶縁物・絶縁材料等によって、磁気圧縮回路を構成するトランスや可飽和リアクトルの絶縁性能は決まることとなる。本発明の実施形態に係る可飽和リアクトル１やトランス８、１４といった巻線機器によれば、巻線機器の絶縁性能が向上するため、巻線機器を小型化したときの絶縁破壊を抑制することができる。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の巻線機器について説明したが、本発明の巻線機器は、実施形態に限定されるものではなく、発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も、本発明の技術的範囲に属する。

例えば、絶縁部材５、絶縁板７及び突出部５ａを一体の部材として形成する態様とすることができる。同様に、絶縁部材６と突出部６ａを一体の部材として形成する態様とすることもできる。

また、本発明の実施形態に係る巻線機器の特徴（例えば、絶縁板７や突出部５ａ、６ａ等）を一部有する形態の巻線機器を用いることで、本発明の実施形態に係る巻線機器の効果の一部を奏することができる。

１…可飽和リアクトル（巻線機器）
２、９…コア
３…巻線
４、１２…リセット巻線
５…絶縁部材（第１絶縁部材）
５ａ、６ａ…突出部
６…絶縁部材（第２絶縁部材）
７…絶縁板（第１絶縁板）
７ａ…挿通孔
８、１４…トランス（巻線機器）
１０…１次巻線
１１…２次巻線
１３、１５…絶縁板（第２絶縁板）
１３ａ、１５ａ…挿通孔、１３ｂ、１５ｂ…孔、１３ｃ、１５ｃ…孔、１３ｄ…溝

Claims (6)

1. 円環状のコアと、
   前記コアに巻き付けられる巻線と、
   前記コアの両端部であって、前記コアの内周に沿って設けられる一対のリング状の第１絶縁部材と、
   前記コアの両端部であって、前記コアの外周に沿って設けられる一対のリング状の第２絶縁部材と、
   前記コアの中央部に挿通されるリセット巻線と、を具備し、
   前記第１絶縁部材は、当該第１絶縁部材の中心部方向に延在する第１絶縁板を備え、
   前記第１絶縁板の端部には、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成された
   ことを特徴とするパルス電源用巻線機器。
2. 円環状のコアと、
   前記コアに巻き付けられる１次巻線と、
   前記コアに巻き付けられる２次巻線と、
   前記コアの両端部であって、前記コアの内周に沿って設けられる一対のリング状の第１絶縁部材と、
   前記コアの両端部であって、前記コアの外周に沿って設けられる一対のリング状の第２絶縁部材と、
   前記コアの中央部に挿通されるリセット巻線と、を具備し、
   前記第１絶縁部材は、当該第１絶縁部材の中心部方向に延在する第１絶縁板を備え、
   前記第１絶縁板の端部には、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成された
   ことを特徴とするパルス電源用巻線機器。
3. 前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材を覆うように、前記コアの両端面に設けられる第２絶縁板をさらに備え、
   前記第２絶縁板の中央部に、前記リセット巻線が挿通される挿通孔が形成された
   ことを特徴とする請求項２に記載のパルス電源用巻線機器。
4. 前記第２絶縁板の、前記第１絶縁部材の内側であって、前記コアの内周に沿って、前記１次巻線が挿通される孔を複数形成し、
   この孔を挿通して、前記１次巻線が前記コアに巻回される
   ことを特徴とする請求項３に記載のパルス電源用巻線機器。
5. 前記第１絶縁部材の前記第１絶縁板の接続部に隣接して、前記第１絶縁部材に前記コアの軸方向に突出する突出部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパルス電源用巻線機器。
6. 前記第１絶縁部材の突出部と隣接するように、前記第２絶縁部材に前記コアの軸方向に突出する突出部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパルス電源用巻線機器。

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