JP2531897B2

JP2531897B2 - 平面変圧器

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Publication number: JP2531897B2
Application number: JP4099326A
Authority: JP
Inventors: ジェームズ・カールトン・ゴードン; ハーマン・ポール・マイヤー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPH0689818A; EP0514136A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、一般に大電流平面変
圧器に関し、より詳細には、電力密度を増大させるフォ
ーク形二次巻線を有する平面変圧器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】大型データ処理システム用のスイッチン
グ電源が、しばしば数キロワットの範囲の大負荷を供給
するために必要である。これは通常、大電流（たとえば
６００Ａ）、低電圧（たとえば５Ｖ）である。これらの
変圧器の従来の設計では、寸法、重量、洩れインダクタ
ンスなどが大きくなり、さらに、温度上昇に伴う冷却の
問題を含むため、重くて、かさばった構造となる。

【０００３】変圧器の寸法を小さくし、電力密度を高め
るための１つの手段として、スイッチング周波数を高く
することが行われている。しかし、周波数を高くする
と、表皮効果および近接効果という厄介な問題が生じ
る。周波数がキロヘルツの範囲になり、電流が数百アン
ペアになると、電流を通す導体の実効交流抵抗を決定す
る際に表皮効果および近接効果が重要な役割を演ずるよ
うになる。

【０００４】表皮効果および近接効果は、いずれも渦電
流効果であり、導体中を流れる電流が導体の断面積のう
ちのわずかな部分しか使用できなくなる。このため交流
抵抗が増大し、したがって電力損が大きくなり、それに
伴って変圧器の温度が上昇する。

【０００５】電力損失および温度の上昇を克服する従来
の方法は、磁心の寸法を増大し、導線を太くすることで
あった。しかし、変圧器の寸法を大きくすることは、ス
イッチング周波数を高くする主な理由（すなわち寸法の
縮小）と矛盾する。さらに、幾何寸法が大きくなると、
漂遊インダクタンスが増大する。周波数を高くすると、
インダクタンスの増大により、変圧器を介してスイッチ
される電流の値が制限される傾向がある。

【０００６】平面型の変圧器では、変圧器の熱の通路の
熱伝導性を改善することにより、電力密度を増大させて
きた。米国特許第４７５４３９０号明細書は、熱伝導／
熱伝達を改善し、しかも洩れインダクタンスを減少させ
た変圧器の例を開示している。

【０００７】電力密度を高くするための理想的な解決方
法は、表皮効果および近接効果を減少させて利用可能な
伝導面積の利用効率を高めることである。これにより、
電力密度の増大または磁気装置の寸法の縮小あるいはそ
の両方が可能になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、表
皮効果および近接効果を減少させて変圧器の電力定格を
増大させることにある。

【０００９】この発明の他の目的は、所与の電力定格に
対する変圧器の寸法を減少させることにある。

【００１０】この発明の他の目的は、利用可能な銅の伝
導面積の使用効率を高めることにより、変圧器のコスト
を減少させることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の平面変圧器は、
フォーク状に分割された単巻の複数の二次巻線プレート
と、これらの二次巻線プレートの間に間挿され、所望の
変圧比に対応する巻数だけ、渦巻状に巻回された多巻一
次巻線コイルとの組合せにより、減少した表皮効果およ
び近接効果を達成できる。

【００１２】「Ｅ字形」鉄心は、中央鉄心脚の周囲に第
１および第２の窓を有する。一次および二次巻線が、第
１および第２の窓を通って中央鉄心脚を包囲する。二次
巻線は、第１の電気通路を形成する第１の導電性プレー
トと、第２の電気通路を形成する第２の導電性プレート
を有する。第１および第２の導電性プレートは、実質的
に平行に配置される。

【００１３】第１の横方向導体部分が、第１の電気通路
の第１の端部が第２の電気通路の第１の端部に接続され
るように、第１および第２の導電性プレートを接続す
る。第２の横方向の導体部分が、第１の電気通路の第２
の端部が第２の電気通路の第２の端部に接続されるよう
に、第１および第２の導電性プレートを接続し、これに
より第１および第２の導電性プレート間に平行な電気接
続を形成する。

【００１４】一次巻線は、幅広くて薄いテープ状電線
を、所望の変圧比に対応する巻数だけ、上記中央鉄心脚
を中心にしてテープ縁を揃えて多層状（すなわち渦巻
状）に、巻回した多巻コイルから構成されている。フォ
ーク状の分割した複数の単巻２次巻線プレートの使用に
より、電力損失を減少させながら、一次巻線を単巻から
多巻に変更することが可能になり、平面変圧器を小型化
できる。次に、この発明を良好な実施例について説明す
る。

【００１５】

【実施例】上記のように、表皮効果および近接効果はい
ずれも渦電流効果であり、導体中を流れる電流が導体の
断面積のうちのわずかな部分しか使用できなくなる。以
下に表皮効果および近接効果について簡単に説明する。

【００１６】表皮効果は、電流自体の磁場のため電流が
導体中に集中することによって生じる。電流密度は導体
の表面付近で最大になり、導体の中心に向かって指数関
数的に減少する。表皮効果は下記のように計算すること
ができる。

【００１７】導体中の任意の点における伝導電流密度は
次の数式で与えられる。

【数１】Ｊ＝σ・Ｅ・ｅ^K・Ｃｏｓ（ｗｔ＋ｋ）ただし、ｋ＝−ｚ（π・ｆ・μ・σ）^1/2

【００１８】ここで、Ｊ＝電流密度Ｅ＝電場の強さｚ＝導体表面からの垂直距離（導体中でｚ＞０）ｆ＝交流周波数（Ｈｚ） μ＝透磁率＝１．２６ｘ１０^-6（Ｈ／ｍ） σ＝導電率（Ω^-1／ｍ）

【００１９】この式から、導体の内部に入るにつれて、
伝導電流密度と電場の強さが指数関数的に減少すること
が分かる。距離ｚ＝１／（π・ｆ・μ・σ）^1/2のと
き、指数項（ｅ^-1）＝０．３６８となり、電流密度Ｊ＝
（０．３６８）・σ・Ｅが得られる。これは「表皮厚
さ」（δ）と呼ばれるｚの特別な値である。表皮厚さ
は、下記の式で与えられる。

【数２】

【００２０】１表皮厚さ（ｚ＝δ）では、電流の６３
％、すなわち（１−０．３６８）が深さδまでの導体の
断面に集中する。

【００２１】銅（σ＝５．８ｘ１０⁷Ω^-1／ｍ）の場
合、この式は、 δ＝０．０６６／（ｆ）^1/2 となる。この式から、たとえば動作周波数が１００ｋＨ
ｚのとき、銅の導体の表皮厚さは０．２１ｍｍ程度であ
ることがわかる。

【００２２】近接効果は、電流を通す導体が外部磁場に
露出されることにより生じる。導体自体の磁場が表皮効
果の原因になるのと同様に、外部磁場により、導体中の
電流密度が、ある領域で他の領域より大幅に高くなる。
したがって、近接効果により、表皮効果による既存の問
題が一層悪化する。

【００２３】変圧器では、近接効果は、巻線当たりの巻
数、巻線技術、変圧器の全体の幾何形状を含む、多数の
様々な変数の関数である。その結果、近接効果を正確に
数学的に特徴づけることができない。しかし、近接効果
は当技術分野で周知のものであり、導体の交流抵抗に対
する表皮効果および近接効果の合成値を予想するのに使
用できるデータが得られる。

【００２４】この説明では、近接効果が表皮効果を増強
させて、電流を変圧器の一次／二次境界の近くの導体部
分に集中させると仮定すれば十分である。

【００２５】既知の平面変圧器１００の展開図を図１に
示す。変圧器１００は、鉄心１０２と巻線片１０４を有
する。鉄心１０２は、「Ｅ字形」部片１０６とキャップ
部片１０８からなる「Ｅ字形」鉄心である。「Ｅ字形」
部片１０６とキャップ部片１０８が破線１３２および１
３４で示すように接触すると、鉄心１０２は窓１２８お
よび１３０を形成する。「Ｅ字形」部片１０６は、窓１
２８と１３０を分離する中心柱１１０を有する。

【００２６】巻線片１０４は、二次プレート１１２、絶
縁プレート１１４、および一次コイル１１６を有する。
一次コイル１１６は、縁に沿って巻いた、比較的幅の広
い、薄い、平坦な導体である「リボン」または「テー
プ」導体に巻かれている。この一次コイルの構成は、洩
れインダクタンスおよび渦電流損を減少させることが当
技術分野で知られている。

【００２７】一次コイル１１６は、電気的接続が行える
ようになった第１の端部１１８と第２の端部１２０を有
する。絶縁プレート１１４が、電気的絶縁を維持し、一
次コイル１１６と二次コイル１１２の間で熱を伝達させ
る。

【００２８】１対の端子１２２および１２４により、二
次プレート１１２への電気的接続が行われる。二次プレ
ート１１２、絶縁プレート１１４、および一次コイル１
１６は、それぞれの中心を貫通する開口１３６、１３８
および１４０を有する。中央の開口１３６、１３８およ
び１４０は、中心軸１２６の周囲に同心円状に位置合わ
せされ、巻線片１０４を貫通する中央窓を形成する。こ
の中央窓は、鉄心１０２の中心柱１１０を受ける。これ
により、一次巻線１１６および二次プレート１１２がい
ずれも鉄心窓１２８および１３０を貫通する。このよう
にして、鉄心１０２により一次巻線１１６と二次プレー
ト１１２の間に磁気結合が行われる。

【００２９】図２は、既知の変圧器１００の一次巻線１
１６および二次プレート１１２の断面図を示す。エレメ
ント２０２は、一次コイル１１６を形成する導体リボン
の個々の断面を示す。斜線部２０４、および二次プレー
ト１１２上の斜線部２０６は、一次電流のほぼ全部（６
３％）を通す導体の部分（１表皮厚さまで）を示す。

【００３０】厚さ０．４６ｍｍ、高さ９．５ｍｍ、伝導
電流１００ｋＨｚの導体リボンでは、図示した全断面積
は、可能な４．３８ｘ１０^-6ｍ²のうち９．６６ｘ１０
^-8ｍ²である。したがって、全電流の６３％が利用可能
な導体の２％に集中する。これにより、交流抵抗が高く
なり、電力損が高く、それに伴って温度上昇が大きくな
る。

【００３１】次に、この発明の好ましい実施例につい
て、図３ないし図９を参照して説明する。図３によれ
ば、平面変圧器３００は上に説明したように「Ｅ字形」
鉄心１０２および巻線片３０４を有する。巻線片３０４
は、上記のように鉄心１０２に結合されている。

【００３２】巻線片３０４は、二次巻線３１２、一次コ
イル３１４、絶縁プレート３１６および３１８を含む。
二次巻線３１２は、第１の二次プレート３２０および第
２の二次プレート３２２を有する。プレート３２０およ
び３２２は、第１の横方向部分３２４と第２の横方向部
分３２６を有するフォーク状の構成で配置され、両者の
間で接続を行う。横方向部分３２４および３２６は、展
開図に対応するように分解して示してある。端子３２８
および３３０がそれぞれ横方向部分３２４および３２６
中に形成され、二次巻線３１２への電気的接続を可能に
する。

【００３３】一次コイル３１４は、二次巻線３１２のプ
レート３２０と３２２の間に配置され、「リボン」また
は「テープ」導体に巻かれている。絶縁プレート３１６
および３１８は、二次プレート３２０、３２２と一次巻
線３１４の間の一次／二次境界面に配置されている。絶
縁プレート３１６および３１８は、電気絶縁性で熱伝導
性の材料で製作する。巻線片３０４の構成要素はすべ
て、中央軸３３２の周囲に同心円状に位置合わせされ、
巻線片３０４を貫通する中央窓を形成する。

【００３４】巻線片３０４の横断面図を図４に示す。図
５はその上面図を示す。

【００３５】図６は二次プレート３２０と３２２との間
に配置した一次コイル３１４を有する二次巻線３１２を
示す。エレメント６０２は、一次コイル３１４を形成す
る導体リボンの個々の断面を示す。一次コイル３１４お
よび二次巻線３１２が、上記のように１００ｋＨｚの電
流を通すとして、斜線部６０４および二次巻線３１２の
斜線部６０６は、一次電流のほぼ全部（６３％）を通す
導体の部分（１表皮厚さまで）を示す。図２と比較すれ
ば理解できるように、エレメント６０２はこの場合、エ
レメント３０４の断面積の２倍を超える電流を通す。こ
のように、この新規の構成は、交流電流が流れる断面積
が２倍になる。

【００３６】この時、電流は一次コイル３１４の両側を
通っている。すなわち、上記のような寸法の（たとえば
１００ｋＨｚの電流を通す）導体リボンでは、全電流の
６３％が、可能な４．３８ｘ１０^-6ｍ²のうち１．９３
ｘ１０^-7ｍ²の断面積を通る。このとき全電流の６３％
が利用できる導体の４％に集中し、伝導面積は１００％
増大する。

【００３７】電流が流れる断面積を２倍にすると、伝導
面積の抵抗が１／２に減少する。これに対応して、一次
コイルの電力損が５０％減少し、変圧器の温度上昇がそ
れに対応して減少する。どの変圧器の最大出力定格も、
最終的には最大許容温度上昇に基づいているため、電力
損の減少により、出力定格のかなり高い設計が可能にな
る。（また、この発明の変圧器を、高い周波数で使用
し、あるいは変圧器の寸法を減少させることもでき
る。）

【００３８】この発明の他の実施例の展開断面図を図７
に示す。巻線片７０２は、二次巻線７０４、一次コイル
７０６、７０８、および絶縁プレート７１０、７１２、
７１４、７１６を有する。二次巻線７０４は、第１の二
次プレート７１８、第２の二次プレート７２０、および
第３の二次プレート７２２を有する。プレート７１８、
７２０、７２２は、横方向部分７２３および７２４を有
するフォーク形構成で配置され、両者の間で接続を行
う。端子７２８および７３０がそれぞれ横方向部分７２
３および７２４から外側に延び、二次巻線７０４への電
気的接続を可能にする。横方向部分７２３および７２４
は、展開図に対応するように分解して示してある。

【００３９】第１の一次コイル７０６は、二次巻線７０
４のプレート７１８と７２０の間に配置されている。第
２の一次コイル７０８は、二次巻線７０４のプレート７
２０と７２２の間に配置されている。一次コイル７０６
および７０８は、上記のように「リボン」または「テー
プ」導体に巻かれている。絶縁プレート７１０、７１
２、７１４、７１６は、二次プレート７１８、７２０、
７２２と一次巻線７０６、７０８の間に形成される一次
／二次境界面に配置される。絶縁プレート７１０、７１
２、７１４、７１６は、電気絶縁性で熱伝導性の材料で
製作する。

【００４０】巻線片７０２の構成要素はすべて、中心軸
７２６の周囲に同心円状に位置合わせされ、巻線片７０
２を貫通する中央窓を形成する。この中央窓は、上記の
ように鉄心片を受ける。

【００４１】巻線片７０２の新規の二次巻線７０４の横
断面図を図８に示す。二次巻線７０４の上面図は、二次
巻線３１２を示す図５のものと類似である。

【００４２】図９は、それぞれ二次プレート７１８と７
２０の間および７２０と７２２の間に配置された一次コ
イル７０６および７０８を有する二次巻線７０４を示
す。エレメント９０２は、一次コイル７０６および７０
８を形成する導体リボンの個々の断面を示す。斜線部９
０４、および二次巻線７０４の斜線部９０６は、１００
ｋＨｚの一次電流のほぼ全部（６３％）を通す導体の部
分（１表皮厚さまで）を示す。図２と比較すると分かる
ように、エレメント９０２はエレメント３０４の断面積
の２倍を超える電流を通す。さらに、一次コイル７０６
および７０８を並列に接続すると、電流は２つの一次コ
イル７０６および７０８に分割され、一次損失がさらに
減少する。その結果、一次抵抗は、一次コイル１１６の
１／４となる。

【００４３】この発明を好ましい実施例に関して説明し
たが、当業者には、この発明の原理および範囲から逸脱
することなく形態および詳細に各種の変更を実施できる
ことが理解されるであろう。

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
表皮効果および近接効果を減少させて、出力定格を高め
た変圧器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】周知の平面変圧器の展開斜視図である。

【図２】一次巻線１１６と二次プレート１１２の動作上
の関係を示す部分断面図である。

【図３】この発明の平面変圧器の展開斜視図である。

【図４】巻線片３０４の断面図である。

【図５】二次巻線３１２の上面図である。

【図６】一次巻線３１４と二次巻線３１２の動作上の関
係を示す断面図である。

【図７】この発明の平面変圧器の展開斜視図である。

【図８】二次巻線７０４の断面図である。

【図９】一次巻線７０６、７０８と二次巻線７０４の動
作上の関係を示す断面図である。

【符号の説明】

１０２鉄心１０６「Ｅ字形」部片１１０中心柱３００平面変圧器３０４巻線片３１４一次コイル３１６絶縁プレート３１８絶縁プレート３２０二次プレート３２２二次プレート

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−5808（ＪＰ，Ａ) 特開平４−73911（ＪＰ，Ａ) 特開平３−66108（ＪＰ，Ａ) 特開平３−283511（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中央鉄心脚の周囲に第１および第２の窓を
有するＥ字形鉄心と、上記の第１および第２の窓を通って上記中央鉄心脚を包
囲し、上記中央鉄心脚の周囲に第１の電気通路を画定す
る第１の低圧用二次側単巻の導電性プレートと、上記第１導電性プレートと実質的に平行に配置され、上
記第１および第２の窓を通って上記中央鉄心脚を包囲
し、上記中央鉄心脚の周囲に第２の電気通路を画定する
第２の低圧用二次側単巻の導電性プレートと、上記第１の電気通路の第１の端部を上記第２の電気通路
の第１の端部に接続することにより、上記第１および第
２の二次側単巻導電性プレートを並列接続する第１の横
方向導体部分と、上記第１の電気通路の第２の端部を上記第２の電気通路
の第２の端部に接続することにより、上記第１および第
２の二次側単巻導電性プレートを並列接続する第２の横
方向導体部分と、上記第１および第２の導電性プレートの間に配置され、
上記第１および第２の窓を通って上記中央鉄心脚を包囲
する高圧用一次側導体と、を備える平面変圧器であって、上記一次側導体は、幅広くて薄いテープ状電線を、所望
の変圧比に対応する巻数だけ、上記中央鉄心脚を中心に
してテープ縁を揃えて多層状に巻回した多巻コイルから
構成されており、表皮効果および近接効果の減少した一次側および二次側
の各巻線を有する平面変圧器。
【請求項２】中央鉄心脚の周囲に第１および第２の窓を
有するＥ字形鉄心と、上記第１および第２の窓を通って上記中央鉄心脚を包囲
し、上記中央鉄心脚の周囲に第１の電気通路を画定する
第１の低圧用二次側単巻の導電性プレートと、上記第１および第２の窓を通って上記中央鉄心脚を包囲
し、上記中央鉄心脚の周囲に第２の電気通路を画定する
第２の低圧用二次側単巻の導電性プレートと、上記第１および第２の二次側単巻導電性プレートと実質
的に平行な関係にあり、上記第１および第２の窓を通っ
て上記中央鉄心脚を包囲し、上記中央鉄心脚の周囲に第
３の電気通路を画定する第３の低圧用二次側単巻の導電
性プレートと、上記第１の電気通路の第１の端部、上記第２の電気通路
の第１の端部、および上記第３の電気通路の第１の端部
を電気的に接続することにより、上記第１、第２および
第３の各二次側単巻導電性プレートを並列接続する第１
の横方向導体部分と、上記第１の電気通路の第２の端部、上記第２の電気通路
の第２の端部、および上記第３の電気通路の第２の端部
を電気的に接続することにより、上記第１、第２および
第３の各二次側単巻導電性プレートを並列接続する第１
の横方向導体部分と、上記第１および第２の各二次側単巻導電性プレートの間
に配置され、上記第１および第２の窓を通って上記中央
鉄心脚を包囲する第１の高圧用一次側導体と、上記第２および第３の各二次側単巻導電性プレートの間
に配置され、上記第１および第２の窓を通って上記中央
鉄心脚を包囲する第２の高圧用一次側導体と、を備える平面変圧器であって、上記第１および第２の各一次側導体は、幅広くて薄いテ
ープ状電線を、所望の変圧比に対応する巻数だけ、上記
中央鉄心脚を中心にしてテープ縁を揃えて多層状に巻回
した多巻コイルから構成されていると同時に、供給電源
に並列接続されており、表皮効果および近接効果の減少した一次側および二次側
の各巻線を有する平面変圧器。