JP4284656B2 - トランス構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば大容量スイッチング電源装置に適するトランスに関し、とりわけ１次側巻線に電線を用い、２次側巻線に板状部材を用いたトランス構造に関する。

大容量スイッチング電源装置に使用されるトランスは、２次側に大電流が流れることから、特許文献１で開示されるように、２次巻線に金属板を用いている。通常、トランスの巻線には、１次巻線，２次巻線共に線状の電線が使用されるが、特許文献１では、大電流が流れる２次巻線の抵抗値を下げるため、断面積の大きな金属板巻線が使用されている。

このような従来のトランス構造を示したものが図７，図８である。プラスチック製のボビン１は、両端に鍔を有する円筒状の巻枠部２と、前記鍔下部に設けられ巻枠部２を支持する支持部３，３とからなる。コア５は、鉄心又はフェライトコアからなり、中央の主脚部６ａと両側に位置する一対の側脚部６ｂ，６ｂとを有する断面Ｅ形のＥ形コア６と、断面がＩ形のＩ形コア７とから構成される。巻枠部２には、３層絶縁電線からなる１次巻線10と銅箔からなる２次巻線11とが順次所謂サンドイッチ巻となるよう層状に巻き重ねられ、Ｅ形コア６の主脚部６ａが内部に挿通されている。図８は、巻枠部２の長手方向から見た縦断面図であるが、巻枠部２の外周に沿って、１次巻線10が層をなすように複数回（複数ターン）巻き回され、その上から絶縁シート12を介して２次巻線11が２ターン巻き回され、外側に巻回した２次巻線11の表面を絶縁シート12で覆い、さらに１次巻線10が層をなすように複数ターン巻き回され、最後に１次巻線10の最外層表面が絶縁シート12で覆われたサンドイッチ巻になっている。１次巻線10の端部10ａは、支持部３に設けられた複数の接続ピン４にからげられ、半田付け接続されており、一方、２次巻線11の端部には、２次側引き出し線12の一端が半田付け接続され、外部に引き出されている。なお、当該トランスを図示しないプリント基板若しくは出力板に実装する際には、接続ピン４をメッキスルーホールに挿入後、半田付け接続し、２次側引き出し線12の他端をネジ等で螺着することで接続することとなる。
特開２００３−１５１８３４号公報

しかし、上記従来のトランス構造では、１次巻線10と２次巻線11をプラスチック製のボビン１に巻装している為に、これらの巻線で発生した熱が蓄積され、トランス内部が高温になるという問題があった。ボビン１は、プラスチック製のため放熱性が悪く、トランス内部の熱を効率よく逃がすことができなかった。トランス内部が高温となると、ボビン１，１次巻線10の被膜，絶縁シート12等が変形したり、溶けたりする虞がある。従って、従来のトランスでは、これらの部材を高耐熱材料とすることで、対応されている。

また、漏れ磁束により形成された漏れインダクタンスが、変換効率の低下やスイッチングノイズを増加させるという問題があった。これは、１次巻線10及び２次巻線11とコア５の間に隙間が空いており（距離がある）、１次巻線10と２次巻線11との磁気的な結合が良くないことに起因するものである。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、１次巻線と２次巻線との磁気的な結合を改善したトランス構造を提供することを第１の目的とする。

また、内部の温度上昇を抑制することが可能なトランス構造を提供することを第２の目的とする。

本発明における請求項１のトランス構造では、中央の主脚部と両側に位置する一対の側脚部とを有するコアと、前記コアの前記主脚部に巻装した巻線体からなる１次巻線と、一回巻構造の金属板材からなる２次巻線とを備え、前記金属板材には、前記コアの前記主脚部を挿通して保持する貫通孔と前記コアの前記側脚部を保持する一対の保持部とが設けられると共に、前記貫通孔を隔てて一対の端子部が形成され、前記保持部は前記コアの外側に張り出し、前記コアに対して前記巻線体と前記金属板材とを交互に配置するよう構成している。

このようにすると、２次巻線はコアに巻き回さず、金属板材に設けた貫通孔にコアを挿通して保持するよう構成しているため、ボビンを必要としない簡単なトランス構造となり、製作が容易である。加えて、端子部を利用して、基板に直接接続することも可能になる。また、１次巻線を構成する巻線体と２次巻線を構成する金属板材とを、コアに直接巻装すると共に、コアに対して交互に配置することにより、１次巻線と２次巻線との磁気的な結合が改善し、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

本発明における請求項２のトランス構造では、前記コアの外側に張り出す放熱部を前記金属板材に一体に設けている。

本発明は、大電流出力用トランスに使用される２次巻線を構成する金属板材が放熱性に優れている点に着目してなされたものであり、コアの外側に張り出す放熱部を金属板材に一体に設けることにより、金属板材自体に放熱フィンの役割すなわち冷却効果を持たせることができるため、トランス内部の温度上昇を抑制することができる。また、１次巻線を構成する巻線体と２次巻線を構成する金属板材とを交互に配置することにより、２次巻線の冷却効果がトランス全体に分布されるため、トランス内部にホットスポットが出来にくい構造とすることができる。

本発明における請求項３のトランス構造では、放熱体を接続可能な接続部を前記金属板材に設けている。

このようにすると、２次巻線を構成する金属板材に接続した放熱体が、放熱フィンとして作用するため、トランス内部の温度上昇を抑制することができる。金属板材とは別個に放熱体を設けているため、トランスの仕様やユーザニーズに応じて放熱体の形状や材質を自由に選択することができる。また、１次巻線を構成する巻線体と２次巻線を構成する金属板材とを交互に配置することにより、２次巻線の冷却効果がトランス全体に分布されるため、トランス内部にホットスポットが出来にくい構造とすることができる。

本発明の請求項１によると、漏れインダクタンスが小さくなるので、変換効率が改善されると共に、スイッチングノイズを低減させることができる。また、部品点数を削減することができ、基板への実装が容易になる。

本発明の請求項２によると、請求項１の効果に加え、トランス内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

本発明の請求項３によると、請求項１の効果に加え、トランス内部の温度上昇を効果的に抑制することができると共に、当該冷却効果をトランスの仕様やユーザニーズに応じて最適化することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるトランス構造の好ましい実施例を製造方法と共に説明する。なお、これらの実施例において、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、本実施例におけるトランス構造を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ´線断面図である。コア５は、例えば鉄心又はフェライトコアなどの高透磁率部材からなり、中央の主脚部６ａと両側に位置する一対の側脚部６ｂ，６ｂとを有する断面Ｅ形のＥ形コア６と、断面がＩ形のＩ形コア７とから構成される。もちろん、コア５はＥＩコアに限らず、例えばＥＴコアやＥＥコアなどの種々の形状を利用することが可能である。１次巻線10は従来と同様の３層絶縁電線からなり、一方、２次巻線11は例えば銅板などの扁平板状の金属板から形成される。12は絶縁シートであり、１次巻線10と２次巻線11とを、又はトランス本体と図示しない被実装対象とを絶縁するために設けられている。

２次巻線11について図２を参照しながら詳述する。２次巻線11は、放熱部としての梁部22と、Ｅ形コア６の主脚部６ａ及び側脚部６ｂを所定の位置に保持する一対の保持部23，23と、梁部22と保持部23，23とをそれぞれ連結，支持する一対の柱部21，21と、柱部21，21下端部にそれぞれ形成され、２次巻線11から電流を取り出すための一対の端子部24，24とからなり、巻線の最小巻数である１ターンを構成する。一方の柱部21，保持部23，端子部24と他方の柱部21，保持部23，端子部24とは、２次巻線11中央に形成された貫通孔20を隔てて対称に設けられており、２次巻線11全体として貫通孔20を通る縦方向の中心軸に対して左右対称形状をなしている。２次巻線11の両側部中央には、切り欠き部25，25が形成され、梁部22と保持部23がＥ形コア６の外側に大きく張り出す形となっている。このように、２次巻線11の表面積を増加させることにより、１次巻線10や２次巻線11の銅損などにより発生したトランス内部の熱を効率よく放熱することができ、放熱フィンとしての冷却効果を高めることができる。従って、保持部23は、梁部22と同様に放熱部としても作用する。また、保持部23は、貫通孔20をくびれさせるように内側にも突出している。

２次巻線11の変形例として、図４，図５に示すものがある。図４の変形例では、放熱体として、放熱性に優れた放熱体としての矩形板状の放熱板31を、図２で示した２次巻線11と別個に形成している。２次巻線11の梁部22と放熱板31には、それぞれ接続部としてのネジタップ30，32が穿設され、放熱板31を２次巻線11にネジ33で螺着することにより、２次巻線11の冷却効果を高めている。なお、放熱板31を放熱性に優れた絶縁部材で形成すると、うず電流の発生がなく好ましい。一方、図５の変形例では、２つの２次巻線11の梁部22を互いに架橋部35で連結した２次連結巻線36を構成している。２次連結巻線36は、２つの２次巻線11の端部を架橋部35で連結しているため、断面がＵ字形状となっており、１次巻線10を２つの２次巻線11で挟み込むことで、磁気的な結合を向上させることができる。また、架橋部35が放熱体として作用するため、放熱性が向上し、２次巻線11の冷却効果を高めることができる。

図２，図４，及び図５で示したいずれの２次巻線11（又は２次連結巻線36）においても、２次巻線11と鎖交する磁束すなわち貫通孔20を通る磁束が変化することにより、電圧が誘起され、それに伴う電流が端子部24，24から取り出されることとなる。従って、貫通孔20には、Ｅ形コア６の主脚部６ａが挿通される。その際、Ｅ形コア６の側脚部６ｂ，６ｂは、切り欠き部25，25にそれぞれ挿通され、梁部22，柱部21，保持部23により囲まれた状態で主脚部６ａと共に当該所定の位置に保持される。すなわち、主脚部６ａは、保持部23が内側に突出することで形成された貫通孔20のくびれにより係止されるため、貫通孔20内で保持される一方、側脚部６ｂは、外側に突出した梁部22と保持部23とにより上下から係止されるため、切り欠き部25内で保持される。なお、貫通孔20と切り欠き部25は、トランスに生じる振動などでガタつかないよう固定するために、主脚部６ａ及び側脚部６ｂとそれぞれ嵌合する大きさとするのが好ましい。

端子部24は、図示しないプリント基板や出力板などに直接半田付け可能なように半田メッキするのが好ましく、その形状は、例えばメッキスルーホールに挿入可能なピン形状や、表面実装可能なように折り曲げ形成したＳＭＤ形状など実装態様に合わせて種々の形状とすればよい。その他、専用のソケットを製作して、該専用ソケットを介して基板に実装してもよい。

次に、本実施例におけるトランス構造を有するトランスの製造方法について、図１及び図６を参照しながら説明する。まず、一枚の矩形銅板から貫通孔20や切り欠き部25，25などを例えばプレス加工により打抜くことで、２次巻線11を形成する。Ｅ形コア６の主脚部６ａと２次巻線11の貫通孔20とを、側脚部６ｂと切り欠き部25とをそれぞれ位置合わせし、２次巻線11に主脚部６ａ及び側脚部６ｂを挿通することにより、２次巻線11を主脚部６ａに巻装する。絶縁シート12を主脚部６ａに装着した後、１次巻線10を主脚部６ａに巻装する。１次巻線10は、所望の巻数比となるよう予め冶具に複数ターン巻き回して、例えば接着剤などで当該巻回状態を保持したものである。同様にして、１次巻線10と２次巻線11とが交互に配置されるようＥ形コア６に巻装して行く。そして、全ての巻線を巻装し終わったところで、Ｉ形コア７をＥ形コア６に連結してコア５を構成する。当該トランス構造では、２次巻線11はコア５に巻き回さず、貫通孔20にコア５を挿通して保持するよう構成しているため、ボビン２を必要としない簡単なトランス構造となり、製作が容易である。従来のように（図７，図８参照）、ボビン２に１次巻線10と板状の金属板からなる２次巻線11とを積層して巻くサンドイッチ巻は、構造が複雑であり製作に手間が掛かるが、本実施例におけるトランス構造では、１次巻線10と２次巻線11とを交互にＥ形コア６の主脚部６ａに装着していくだけなので、製作が大幅に容易になる。

当該トランスの配線としては、各１次巻線10を直列接続し、各２次巻線11を並列接続する。このように配線すると、２次側の両端間電圧を抑えて大電流を取り出すことができる。また、各２次巻線11毎に出力手段（図示せず）を接続して、多チャンネル出力としてもよい。

以下、本実施例におけるトランス構造の作用について説明する。

１次巻線10に断続的に電流を流すと、透磁率が高いコア５内を通る磁束が発生，変化する。コア５内を通る磁束が２次巻線11と鎖交することにより、２次巻線11すなわち当該トランスの２次側に電圧が誘起される。２次巻線11と鎖交しない磁束すなわち漏れ磁束は、リーケージインダクタンス（漏れインダクタンス）を形成するが、本実施例におけるトランス構造では、１次巻線10と２次巻線11とが交互に配置され、かつコア５に直接巻装されているため、１次巻線10と２次巻線11との磁気的な結合が改善し、リーケージインダクタンスを抑制することができる。従って、変換効率が改善されると共に、リーケージインダクタンスに起因するスイッチングノイズを低減させることができる。１次巻線10及び２次巻線11に電流が流れると、銅損により熱が発生するが、トランスの外側まで張り出した２次巻線11が放熱フィンとして作用することにより、当該熱が効率よく放熱され、トランス内部の温度上昇を抑制することができる。とりわけ、本実施例では、１次巻線10と２次巻線11とを交互に配置することにより、２次巻線11の冷却効果がトランス全体に分布されるため、トランス内部にホットスポットが出来にくい構造となっている。

また、２次巻線11は、貫通孔20にコア５を挿通して保持することができるため、従来のようにボビンを必要とせず、端子部24を利用して、プリント基板に直接接続することも可能である。従って、部品点数を削減することができ、プリント基板への実装が容易になる。

以上のように本実施例では、コア５と、コア５に巻装した巻線体からなる１次巻線10と、一回巻構造の金属板材からなる２次巻線11とを備え、前記金属板材には、コア５を挿通して保持する貫通孔20が設けられると共に、貫通孔20を隔てて一対の端子部24，24が形成され、コア５に対して前記巻線体と前記金属板材とを交互に配置するよう構成している。

このようにすると、２次巻線11はコア５に巻き回さず、金属板材に設けた貫通孔20にコア５を挿通して保持するよう構成しているため、ボビン２を必要としない簡単なトランス構造となり、製作が容易である。加えて、端子部24を利用して、基板に直接接続することも可能になる。また、１次巻線10を構成する巻線体と２次巻線11を構成する金属板材とを、コア５に直接巻装すると共に、コア５に対して交互に配置することにより、１次巻線10と２次巻線11との磁気的な結合が改善し、漏れインダクタンスを小さくすることができる。以上より、漏れインダクタンスが小さくなるので、変換効率が改善されると共に、スイッチングノイズを低減させることができる。また、部品点数を削減することができ、基板への実装が容易になる。

また本実施例では、コア５の外側に張り出す放熱部としての梁部22及び保持部23を２次巻線11を構成する金属板材に一体に設けている。

本発明は、大電流出力用トランスに使用される２次巻線11を構成する金属板材が放熱性に優れている点に着目してなされたものであり、コア５の外側に張り出す梁部22及び保持部23を金属板材に一体に設けることにより、金属板材自体に放熱フィンの役割すなわち冷却効果を持たせることができるため、トランス内部の温度上昇を抑制することができる。また、１次巻線10を構成する巻線体と２次巻線11を構成する金属板材とを交互に配置することにより、２次巻線11の冷却効果がトランス全体に分布されるため、トランス内部にホットスポットが出来にくい構造とすることができる。従って、トランス内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

さらに本実施例では、放熱体としての放熱板31を接続可能な接続部としてのネジタップ30を２次巻線11を構成する金属板材に設けている。

このようにすると、２次巻線11を構成する金属板材に接続した放熱体が、放熱フィンとして作用するため、トランス内部の温度上昇を抑制することができる。金属板材とは別個に放熱板31を設けているため、トランスの仕様やユーザニーズに応じて放熱板31の形状や材質を自由に選択することができる。また、１次巻線10を構成する巻線体と２次巻線11を構成する金属板材とを交互に配置することにより、２次巻線11の冷却効果がトランス全体に分布されるため、トランス内部にホットスポットが出来にくい構造とすることができる。従って、トランス内部の温度上昇を効果的に抑制することができると共に、当該冷却効果をトランスの仕様やユーザニーズに応じて最適化することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。２次巻線11は、最小巻数である１ターンとするために、各２次巻線11をそれぞれ独立させて形成しているが、端子部24を直列に連結して複数ターンを構成するようにしてもよい。また、２次巻線11の構成部材は金属板に限らず、導電性，強度，放熱性が高い材料であればどのようなものでもよい。

本発明におけるトランス構造は、電源装置の主要部品であるトランスに利用可能な他、例えばカレントトランスなどの各種変成器に利用することも可能である。

本発明の第１実施例におけるトランス構造を有するトランスの斜視図である。 同上、トランスのＡ−Ａ´断面図である。 同上、トランスを構成する２次巻線の正面図である。 同上、トランスを構成する２次巻線の第１変形例を示す分解斜視図である。 同上、トランスを構成する２次巻線の第２変形例を示す斜視図である。 同上、トランスの要部分解斜視図である。 従来例におけるトランス構造を有するトランスの斜視図である。 同上、トランスの長手方向から見た縦断面図である。

符号の説明

５ コア
６ａ 主脚部
６ｂ 側脚部
10 １次巻線（巻線体）
11 ２次巻線（金属板材）
20 貫通孔
22 梁部（放熱部）
23 保持部（放熱部）
24 端子部
30 ネジタップ（接続部）
31 放熱板（放熱体）

Claims (3)

1. 中央の主脚部と両側に位置する一対の側脚部とを有するコアと、前記コアの前記主脚部に巻装した巻線体からなる１次巻線と、一回巻構造の金属板材からなる２次巻線とを備え、前記金属板材には、前記コアの前記主脚部を挿通して保持する貫通孔と前記コアの前記側脚部を保持する一対の保持部とが設けられると共に、前記貫通孔を隔てて一対の端子部が形成され、前記保持部は前記コアの外側に張り出し、前記コアに対して前記巻線体と前記金属板材とを交互に配置したことを特徴とするトランス構造。
2. 前記コアの外側に張り出す放熱部を前記金属板材に一体に設けたことを特徴とする請求項１記載のトランス構造。
3. 放熱体を接続可能な接続部を前記金属板材に設けたことを特徴とする請求項１記載のトランス構造。
   

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