JP4592479B2

JP4592479B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP4592479B2
Application number: JP2005112281A
Authority: JP
Inventors: 広塩田; 照彦前田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products Manufacturing Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP2006294803A

Description

本発明は、インバータ装置等のパワーエレクトロニクス機器から発生する電気的ノイズの伝播を抑制する変圧器に関する。

パワーエレクトロニクス機器例えばインバータ装置は、スイッチングサージやＰＷＭ制御するキャリア周波数及びその側帯波成分からなる高周波成分等の電気的ノイズを発生する。このような電気的ノイズが上記インバータ装置が接続された電源系統に流出すると、その電源系統に接続された音響機器或いは精密機器に対して音響歪み或いは誤動作の原因になる。

そこで、従来では、上記電気的ノイズによる障害を防止するために、インバータ装置に交流電源を供給する変圧器の鉄心に高周波領域での透磁率が小なる磁性材料を用い、且つ、一次コイルと二次コイルとを鉄心の別々の脚部に巻装して両者の危機的結合をできるだけ疎となるようにした構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−２４３６５７号公報

上記従来の構成によると、変圧器の一次コイル（商用電源側）と二次コイル（インバータ装置側）との磁気的結合は、商用周波領域では、鉄心の透磁率が充分に大であることから鉄心中の磁束を介した密結合となり、高周波領域では、鉄心の比透磁率が１に近づいて空心状態になるから疎となる。従って、二次コイルにインバータ装置からのスイッチングサージや高周波成分等の電気的ノイズが重畳しても、一次コイルには伝達されずに除去される。

しかしながら、従来の構成では、変圧器の鉄心として高周波領域で透磁率が小なる磁性材料を用いることから、逆に、商用周波領域における鉄損が大になり、変圧器の効率が低下する不具合がある。又、高周波領域での磁気的結合を小にすべく一次コイル及び二次コイルを鉄心の別々の脚部に巻装する構成では、変圧器の漏れインピーダンスが大きくなって、負荷変動に対する電圧変動が大きくなる不具合もある。

尚、電気的ノイズの伝播を抑制する方法としては、電気的ノイズの大きさや周波数に応じて各種のノイズフィルタを用いることが考えられるが、これは、コンデンサやリアクトルといった大形の電気部品を組合せて構成しなければならず、特性の整定や電気部品の選択が煩雑になり、又、ノイズフィルタの設置場所が必要となるともに、設置に費用がかかる問題がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率の低下を招くことなく電気的ノイズの伝播を抑制することができ、又、ノイズフィルタを用いる必要もなく、しかも、負荷変動に対する電圧変動を小にすることも可能な変圧器を提供することにある。

本発明の変圧器は、複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、少なくとも１つの導体を電流が流れるコイルとして一次コイル及び二次コイルの一方若しくは双方に用いるようにしたことを特徴とする。
このような構成によれば、コイルとして用いられる導体と他の導体との間に構成される静電容量により電気的ノイズが短絡されて減衰する。

本発明によれば、インバータ装置等のパワーエレクトロニクス機器に交流電源を供給する変圧器において、効率の低下を招くことなく電気的ノイズの伝播を抑制することができ、又、ノイズフィルタを用いる必要がなくて、特性の整定や電気部品の選択の繁雑さがなく、ノイズフィルタの設置場所の必要がなく、設置費用の問題もなく、しかも、一次コイル及び二次コイルの鉄心に対する配置構成を自由になし得て、負荷変動に対する電圧変動を小にすることも可能である、という効果を奏する。

（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例について、図１乃至図６を参照しながら説明する。
先ず、図１乃至図４を参照して基本的構成について述べる。
第１の導体１、第２の導体２及び第３の導体３は、銅或いはアルミニウム製の薄板から形成され、図１及び図２に示すように、相互間に絶縁シート（図示せず）を介して同心状に巻回されて、コイル体４が構成される。この場合、図１及び図２において、第１の導体１は、一点鎖線で示され、第２の導体２は、太線で示され、第３の導体３は、破線で示されている。そして、このように巻回された導体１、２、３の巻始め端１ａ、２ａ、３ａ及び巻終り端１ｂ、２ｂ、３ｂにおいて、導体１、２の巻始め端１ａ、２ａは、隣接する導体２、３の巻終り端２ｂ、３ｂに接続され、以て、導体１、２、３が直列に接続されるようになっている（図３参照）。このような構成のコイル体４において、導体１、２、３のうちの少なくとも１つの導体例えば第２の導体２が電流が流れるコイルとして用いられるようになっており、その第２の導体２の巻始め端２ａ及び巻終り端２ｂは、端子５及び６に夫々接続されている。

今、図２において、導体１、２、３の各巻回数をｎとし、１巻回当たりの電圧を１とすると、各導体１、２、３には、静電容量Ｃｋが生じ、巻回数に応じて図２図中記載した数値の電圧が誘起され、導体１、２、３相互間には、数値の差に相当する電位差Ｖｋが生じる。導体１、２、３間に蓄えることができる静電エネルギーＥｋは、

但し、ｋ＝1 、2 、3
ｋ＝1 のとき導体１、２間の電位差Ｖ1 ＝ｎ−０＝ｎ、静電容量Ｃ1
ｋ＝2 のとき導体２、３間の電位差Ｖ2 ＝２ｎ−ｎ＝ｎ、静電容量Ｃ2
ｋ＝3 のとき導体３、１間の電位差Ｖ3 ＝＝２ｎー（−１）＝２ｎ＋１、静電
容量Ｃ3
のように表される。

導体１、２、３全体（コイル体４）で蓄えることができる静電エネルギーＥ0 は、

のように、静電エネルギーＥｋの総和として表される。

このようなコイル体４の等価回路は図４のように示すようになり、等価的な静電容量Ｃ0 は、導体（コイル）２の端子間電圧をＶ0 とすると、

となる。この場合、端子間電圧をＶ0 は定数であるので、導体間電圧Ｖｋを大きくとると、静電容量Ｃ0 は、導体間電圧Ｖｋの２乗に比例して大きくなる。

而して、以上のように構成された導体（コイル）２（コイル体４）は、図６に示すように、単相の変圧器の７の一次コイル８及び二次コイル９のうちの例えば二次コイル９として用いられる。具体的には、一次コイル８は、コイル体４と同様に、銅或いはアルミニウム製の薄板が絶縁シートを介して同心状に巻回されて構成され、単相の二脚鉄心１０の１つの脚部１０ａに嵌込み挿入され、その外周にコイル体４が二次コイル９として嵌込み挿入される。即ち、一次コイル８及び二次コイル９は、鉄心１０の１つの脚部１０ａに同心状に配置されている。

そして、変圧器７は、図５に示すように用いられる。即ち、変圧器７の一次コイル８の両端子は、図示しない電源スイッチを介して端子１１、１２に接続され、この端子１１、１２は、商用電源１３に接続されている。変圧器７の二次巻線たる導体２の端子５、６は、パワーエレクトロニクス機器たるインバータ装置１４の入力端子に接続され、インバータ装置１４の出力端子は、負荷たるブラシレスモータ１５に接続されている。インバータ装置１４は、周知のように、交流を直流に変換する直流電源回路と、直流を交流に変換してブラシレスモータ１５に供給するインバータ主回路と、及び、ブラシレスモータ１５の各相に流れる電流を検出することによりインバータ主回路を介してブラシレスモータ１５をベクトル制御するマイクロコンピュータを主体とする制御回路とを備えて構成され、インバータ主回路は、例えば、６個のＩＧＢＴ三相ブリッジ接続されて構成されていて、上記制御回路によりＰＷＭ制御されるようになっている。

次に、本実施例の作用につき説明する。
変圧器７の一次コイル８に商用電源電圧が印加されると、二次コイル９（２）に交流電圧が誘起され、この交流電圧がインバータ装置１４に供給され、インバータ装置１４が動作してブラシレスモータ１５を制御する。そして、インバータ装置１４のインバータ主回路がＰＷＭ制御されることにより発生するスイッチングサージや高周波成分等の電気的ノイズ（図５に矢印で示す）は変圧器７の二次コイル９（２）側に伝播されるが、この電気的ノイズは、コイル体４（二次コイル９）の等価的な静電容量Ｃ0 により短絡されて減衰し、二次コイル９を介して一次コイル８に伝播されることが抑制される。尚、商用電源１３側からの電気的ノイズが一次コイル８を介して二次コイル９に伝播されても、その電気的ノイズは、等価的な静電容量Ｃ0 により短絡されて減衰し、インバータ装置１４側に伝播されることを抑制することが可能である。

このように本実施例によれば、導体１、２及び３を相互間に絶縁シート（図示せず）を介して同心状に巻回構成されたコイル体４の導体２を変圧器７の二次コイル９として用いるようにしたので、インバータ装置１４の動作にともない発生する電気的ノイズは、コイル体４（二次コイル９）の等価的な静電容量Ｃ0 により短絡されて減衰し、二次コイル９を介して一次コイル８に伝播されることが抑制される。

この場合、電気的ノイズの減衰は、従来とはことなり、変圧器７の鉄心１０の特性には依存しないので、鉄心１０として高周波領域でも透磁率の高いてい損失の磁性材料を用いることができ、変圧器７を項効率で損失の少ない省エネルギー形にすることができる。更に、電気的ノイズの減衰は、変圧器７の内部インピーダンスの大小にはそれほど関係しないので、一次コイル８及び二次コイル９の鉄心１０に対する配置構成を自由になし得て、例えば一次コイル８及び二次コイル９を、図６に示すように、鉄心１０の１つ脚部１０ａに同心状に配置させることが可能になり、従って、漏れインピーダンスを小さくすることができて、負荷変動に対する電圧変動も小さくすることが可能になる。

しかも、本実施例によれば、コンデンサやリアクトルという大形の電気部品を組合せてなるノイズフィルタを用いる必要がないので、特性の整定や屋電気部品の選択の繁雑さはなく、又、ノイズフィルタの設置場所の必要がなく、設置費用の問題もなくなる。

（第２の実施例）
図７は本発明の第２の実施例であり、図５と同一部分には同一符号を付して示し、以下異なる部分について説明する。
第１の実施例では、コイル体４の導体２を二次コイル９として用いるようにしたが、この第２の実施例では、コイル体４の導体２を一次コイル８として用いるように構成されている。

而して、他のインバータ装置からの電気的ノイズが商用電源１３に接続された配電線に重畳されたとしても、その電気的ノイズは、は変圧器７のコイル体４（一次コイル８）の等価的な静電容量Ｃ0 により短絡されて減衰し、一次コイル８を介して二次コイル９に伝播されることが抑制される。尚、インバータ装置１４からの電気的ノイズが二次コイル９を介して一次コイル８に伝播されても、その電気的ノイズは、等価的な静電容量Ｃ0 により短絡されて減衰し、商用電源１３側に伝播されることを抑制することが可能である。従って、この第２の実施例によっても、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

尚、本発明は上記しかつ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
第１の実施例では、コイル体４の導体２を変圧器７の二次コイル９として用い、又、第２の実施例では、コイル体４の導体２を変圧器７の一次コイル８として用いるようにしたが、巻回数が夫々設定された２つのコイル体の導体を変圧器の一次コイル及び二次コイルとして用いるようにしてもよい。

上記実施例では、３つの導体１、２、３を巻回してコイル体４を構成するようにしたが、４つ以上の導体を相互間に絶縁シートを介して銅信条に巻回してコイル体を構成し、これらの導体が直列につながるように相互の巻初め端と巻終り端とを接続し、そのうちの
２つ以上の導体を電流を流すコイルとして変圧器の一次コイル及び二次コイルの一方若しくは双方に用いるようにしてもよい。

本発明の第１の実施例を示すコイル体の上面図図１のＸ部の拡大図導体間の接続状態を示す図コイル体の等価回路図変圧器の使用状態を示す回路図変圧器の斜視図本発明の第２の実施例を示す図４相当図

符号の説明

図面中、１は第１の導体、１ａは巻始め端、１ｂは巻終り端、２は第２の導体、２ａは巻始め端、２ｂは巻終り端、３は第３の導体、３ａは巻始め端、３ｂは巻終り端、４はコイル体、７は変圧器、８は一次コイル、９は二次コイル、１０は鉄心、１０ａは脚部、１４はインバータ装置（パワーエレクトロニクス機器）、１５はブラシレスモータ（負荷）を示す。

Claims

複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、少なくとも１つの導体を電流が流れるコイルとして一次コイル及び二次コイルの一方若しくは双方に用いるようにしたことを特徴とする変圧器。