JP4622475B2 - トランス - Google Patents

Description

本発明は、トランスに関し、特に、冷却効率が高く、温度上昇の少ないトランスの構造に関する。

放電ランプの点灯装置として、高周波トランスを内蔵したスイッチング電源を使用することが知られている。
図７に、そのようなランプ点灯装置の一例を示す。図７に示すランプ点灯装置は、ＡＣ電源（交流電源）Ｅに接続された一次の整流平滑回路３０、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｚ１〜Ｚ４から構成されるインバータ回路４０、トランス５０、トランス５０の２次側に接続された整流回路６０および平滑回路７０、直流ランプ８０から構成される。

ＡＣ電源Ｅの出力を整流する１次の整流平滑回路３０の出力側にコンデンサＣ１，スイッチング素子Ｚ１，Ｚ２の直列回路、スイッチング素子Ｚ３，Ｚ４の直列回路が並列接続され、また、トランス５０の一次側巻線の一方端Ｔ２は、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ２の接続点に接続され、トランス５０の一次側巻線の他方端Ｔ１は、スイッチング素子Ｚ３，Ｚ４の接続点に接続されている。
また、トランス５０の２次側の一方端Ｔ３は、整流用のダイオードＤ１とＤ２との接続点に接続され、トランスの２次側の他方端Ｔ４は、整流用のダイオードＤ３とＤ４との接続点に接続されている。ダイオードＤ２，Ｄ４のカソード側は共通接続され、平滑用のコイルＬ１を介して＋側出力端子Ｏ１に接続される。また、ダイオードＤ１，Ｄ３のアノード側は共通接続され、−側出力端子Ｏ２に接続され、＋側出力端子と−側出力端子間に平滑用のコンデンサＣ３が接続される。出力端子Ｏ１，Ｏ２には直流ランプ８０が接続される。さらに、必要に応じてスイッチング素子Ｚ１〜Ｚ４等には並列にスナバ用のダイオードＤ５等が接続される。

図７に示すランプ点灯装置においては、スイッチング素子Ｚ１およびＺ４と、スイッチング素子Ｚ２およびＺ３とは、制御部９０から与えられるゲート信号により交互にＯＮとなる。これにより、トランス５０に電圧が印加される。なお、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ２が同時にＯＮになると短絡状態となるので、通常、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ２がＯＮになる期間の間には、両方のスイッチング素子Ｚ１，Ｚ２がＯＦＦとなるデッドタイム期間が設けられている。
商用のＡＣ電源Ｅから供給される電圧は、１次の整流平滑回路３０で整流平滑され、インバータ回路４０のスイッチング素子Ｚ１〜Ｚ４によりＰＷＭ（パルス幅変調）されて、トランス５０の１次側巻線に供給される。
トランス５０の１次側巻線に上記電圧が印加されると、トランス５０の２次側に交流電圧が発生し、この交流電圧はダイオードＤ１〜Ｄ４、リアクトルＬ１、コンデンサＣ３で整流平滑され、出力端子から直流電圧が直流ランプ８０に印加される。

このようなランプ点灯装置（スイッチング電源）に使用されるトランス５０は、変換効率が良いこととともに、ランプ点灯装置全体を小型化するために小型であることが望まれている。
図７に示すランプ点灯装置において点灯される放電ランプとして、例えば半導体装置や液晶パネルにパターンを露光する露光装置の光源用のランプがある。近年、露光装置においては、特に液晶パネルの大型化により、大出力のランプが求められるようになって来た。例えば、従来は入力が１ｋＷ〜２ｋＷであったが、最近は２０ｋＷ以上のランプが要求されるようになってきた。
したがって、ランプ点灯装置に使われるトランスも、従来に比べて大きな電力に対応できるものでなければならない。
従来から、トランスの冷却効率の向上や変換効率を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、巻線下部の冷却媒体を巻線下部の発熱を受けることなく、巻線上部に導く変圧器巻線構造について記載されている。また、下記の特許文献２には、一次巻線と２次巻線の磁気結合を向上させるとともに、一次巻線と２次巻線の発熱による冷却効果を上げたアーク溶接機用変圧器について記載されている。
さらに、下記の特許文献３には、電源装置内部の熱を外部に逃がすようにして、出力容量を高める電源トランスおよびその製造方法について記載されている。
特開２０００−２１６０２７号公報 特開２００１−１４３９４５号公報 特開２００２−２３７４１６号公報

一般に、トランスの構成は、コアの周りに１次巻線と２次巻線が、変成比に応じて巻かれて構成される。
トランスの変換効率（「結合」と呼ばれる）を上げるために、従来から、巻線の巻き方には多くの工夫がなされ続けている。結合は、１次巻線と２次巻線を、互いにできるだけ密着させるほうが高まる。
その代表例として、バイファイラ巻きと呼ばれる巻き方がある。バイファイラ巻きは、トランスのコアに１次巻線と２次巻線を交互に密着させて巻きつけるのが特徴である。

図８に、バイファイラ巻きを行ったトランスの概略構成を示す。図８（ａ）はトランスを上から見た図である。１０はコア、１１は絶縁紙、１２は１次巻線、１３は２次巻線である。この例では、１次巻線１２と２次巻線１３は、ともに丸巻線である。
図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、○は１次巻線１２の断面を、●は２次巻線１３の断面を、それぞれ示している。なお、同図においては、わかりやすいように、１次巻線１２と２次巻線１３の巻数が同じ、即ち変成比が１：１の場合を示している。 図８に示すように、１次巻線１２と２次巻線１３は、交互に密着してコア１０の周りを巻かれている。巻線と巻線または巻線とコア１０は、絶縁のために、例えば図８に示す絶縁紙１１の他、マイラを挟んだり、絶縁塗料を塗ったりするが、できるだけこれらを薄くして互いを密着させ、結合を高める。

ところが、このような巻き方をしたトランスを、従来に比べて大きな電力において使用する場合、次のような問題が生じる。
電力が大きくなると、その分、電流が流れることによる巻線からの発熱や、磁束を振るために生じるコアからの発熱が大きくなる。
しかし、上記のように、巻線どうしおよび巻線とコアは密着して巻かれているので、発生した熱が逃げにくく、トランスの温度が上昇する。冷却風を当てても巻線が隙間なく巻かれているので、巻線の間やコアにまで冷却風が届かない。
トランスの温度が上昇すると、絶縁劣化が生じトランスの寿命が短くなる。絶縁劣化とは、上記の絶縁のために設けている、紙やマイラまたは塗料が劣化することである。例えば、絶縁紙の耐熱温度は一般に１００°Ｃ〜１８０°Ｃ程度であり、これ以上の温度になることは避けなければならないが、それ以下の温度であっても、温度が高くなるにつれ、劣化が早くなる。
トランスの発熱を防ぐためには、巻線の表面積を大きく（巻線を太く）し、電流密度を減らすとともに放熱面積を広げることが考えられる。しかし、巻線の表面積を大きくすると、その分トランスは大型化し、小型化の要望を妨げることになる。

従来の別のトランスとして、図９に示すように巻線の代わりに薄い銅板を層状に重ねて巻いたトランスが知られている。図９（ａ）はトランスを上から見た図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、同図は一次側と二次側の巻数比が１：１の場合を示している。
図９に示すトランスは、１次側銅板２２と絶縁紙２１、および２次側銅板２３と絶縁紙２１を重ねてコア２０の回りに巻いたものであり、巻線として銅板を用いているため、巻線の電流密度を減らすことができ、発熱を抑えることができる。
しかし、図９に示す従来のトランスも、電力が大きくなると、銅板からの発熱や、コアからの発熱が大きくなるという問題が生ずる。発熱を少なくするためには、さらに電流密度を減らさなければならず、そのためには巻線の銅板の断面積を大きくする、即ち、巻線の並列接続の数を増やさなければならないため、トランスが大型化する。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、従来よりも大きな電力で使用しても、温度上昇が少なく、大型化しないトランスを実現することを目的とする。

本発明においては、次のようにして上記課題を解決する。
（１）巻線を平角巻線にして表面積を広げるとともに、巻線と巻線の間、および巻線とコアの間に空隙を設け、冷却風が流れやすくする。
（２）この空隙を保つために、巻き線とコアの一部にしか接触しない櫛状のスペーサを複数設ける。櫛の凹部に平角巻線の断面長手方向の一方の端部を挿入し、凸部により巻線どうしの隙間を確保する。また、スペーサの櫛の背の部分（上記凹凸部が設けられた面に対向する面）をコアにあて、コアと巻線の絶縁と隙間を保つ。
すなわち、本発明は、コアの周りに平角巻線が巻かれたトランスであって、一方の側面が上記コアの角に合うように接し、他方の側面に凹部と凸部が交互に形成された櫛状の絶縁性スペーサを複数備え、上記凹部に上記平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入され、上記平角巻線間に空隙が形成され、かつ、コアと巻き線の間に空間が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）一方の側面が上記コアの角に合うように接し、他方の側面に凹部と凸部が交互に形成された櫛状の複数のスペーサにより、巻線と巻線の間隔、および巻線とコアの間隔を、常に一定に、かつ空隙（空間）を持って保つことができる。
（２）巻線と巻線の間および巻線とコアの間に冷却風が流れ、冷却効率が上がる。したがって、トランスの温度上昇が小さくなる。これにより、従来よりも大きな電力においても、巻線の表面積を大きくする必要がなくトランスの大型化を防ぐことができる。

以下に、図１乃至図６を用いて、本発明の実施例のトランスについて説明する。
図１は、本発明の実施例に係るトランスを示す図である。図１（ａ）は、トランスを上から見た図である。１はコア、２はスペーサ、３は１次巻線、４は２次巻線である。 図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態においては、１次巻線３と２次巻線４をともに平角巻線とする。
図２に、平角巻線のイメージを示す。平角巻線は、銅等の導電性のよい材料で形成された断面が略長方形状の導体を巻線としたものであり、本実施例では同図に示すように予めコイル状（螺旋状）に形成したものを使用する。
図３は、巻線と巻線および巻線とコアを一定の空隙で保つためのスペーサの形状を示す図である。
スペーサ２の材質は、例えば、ナイロンやフッ素樹脂などの絶縁性部材で形成され、図３に示すように、スペーサ２の本体は細長い櫛状をしており、コア１に接する側面と、巻線を保持する側面とを有する。コア１に接する側は、コア１の角に合うように切り欠き２ａが設けられている。巻線を保持する側面には、巻線の巻回数分の凹凸を有し、凹部２ｂに平角巻線が挿入され、凸部２ｃにより、隣り合う巻線との隙間を確保する。

本発明の実施の形態に係るトランスは、以下のようにして形成される。
図１（ａ）に示すように、スペーサ２をコア１の四隅に取り付け、コイル状に形成された１次巻線３と２次巻線４の平角巻線を、その断面長手方向の一方端がスペーサ２の凹部に嵌合するように、スペーサ２の一方端側からねじ込んでいく。
これにより、図１（ｂ）に示すように、スペーサ２の各凹部に平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入された状態で、平角巻線がコア１の周りに巻かれる。
１次巻線３と２次巻線４の各線間は、スペーサ２の凸部により、所定の間隔に保持される。凸部は、平角巻線が自重によるたわみで、隣の巻線に接触しないように大きさを調整する。
また、スペーサ２は、巻線の巻かれる力によりコア１に押し付けられる。このとき、巻線３，４とコア１とは、スペーサ２の本体部分により絶縁され間隔が保持される。
なお、スペーサ２の凹部の深さを、平角巻線の幅（平角巻線の断面長手方向の長さ）より浅くしておけば、平角巻線の冷却風に触れる面積がより大きくなるので、効果的な冷却が可能となる。

変成比が１：１の場合は、例えば、図１（ｂ）に示すように、１次巻線３をスペーサ２の凹部に１つ飛びに嵌合させた後、２次巻線をスペーサ２の残りの凹部に嵌合させて、トランスを形成する。これにより、１次巻線３と２次巻線４が交互にコア１の周りを巻かれ、前記したバイファイラ巻きと同様に、一次側と２次側の結合を高めることができる。 なお、１次巻線３と２次巻線４の巻数が異なり、変成比が例えば１：Ｎ（２＞Ｎ≧１）の場合には、図４に示すように、１次巻線３の巻回数が２次巻線４の巻回数より少なくなるように各巻線をスペーサ２を介してコア１上に巻きつける。
また、変成比が１：Ｎ（Ｎ≧２）の場合には、例えば、１次巻線用の平角巻線を一個と、２次巻線用の平角巻線を２個を用意し、１次巻線３と、２個の２次巻線４ａ，４ｂを図５（ａ）に示すようにスペーサ２を介してコア１に巻きつける。そして、図５（ｂ）に示すように、２個の２次巻線の端部を接続し、２個の２次巻線が直列接続する。
上記のようにして形成されたトランスにおいては、スペーサ２が、巻線やコア１の一部としか接しないので、巻線と巻線の間にも、巻線とコア１の間にも空間ができる。従って、冷却風が進入しやすくなり、巻線やコア１に生じる熱が逃げやすくなる。

図６に、図９に示す従来のトランスと図１に示す本発明のトランスの、電流密度に対する上昇温度の測定結果を示す。本測定は、軸流ファン１２５角×３８ｍｍ（３ｍ³ ／ｍｉｎ）を使用し、風速１．５ｍ／ｓ程度の風をトランスに対して吹き付けて行った。
図６において縦軸は室温からの上昇温度を示し、室温を約２０°Ｃとすると、上昇温度１０°Ｃの場合、トランスの温度は約３０°Ｃ、上昇温度５０°Ｃの場合、トランスの温度は約７０°Ｃということを示す。なお、同図の点線は、実測値を外挿して求めた温度上昇の推定値である。
従来のトランスにおいては、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ² の付近において、１１°Ｃ〜１４°Ｃ上昇し、また、電流密度の変化に対する上昇温度の傾きも急である。
この関係を外挿すると、電流密度が１．５Ａ／ｃｍ² 近辺においては、約４０°Ｃ上昇し、この場合、トランスの温度は約６０°Ｃになる。従来は、ほぼこの関係に沿った、トランスの温度上昇が約４０°Ｃとなるように、電流密度がおよそ１．５Ａ／ｃｍ² になるようにトランスを設計していた。
なぜなら、これ以上電流密度を上げると、トランスの温度上昇は５０°Ｃを超え、即ちトランスの温度は７０°Ｃ以上になり、絶縁劣化や、トランスをスイッチング電源内に配置したとき、その近傍に取り付けられる他の部品への悪影響が考えられるからである。
即ち、従来よりも大きな電力になったとしても、１．５Ａ／ｃｍ² 近辺の電流密度を保たねばならないので、巻線の表面積を大きくしなければならない。

一方、本発明のトランスの場合、電流密度が１．５Ａ／ｃｍ² 付近で、温度上昇は１０°Ｃ〜１２°Ｃであり、電流密度の変化に対する上昇温度の傾きも緩やかである。
この関係を外挿すると、電流密度を従来の倍に近い値、例えば２．５Ａ／ｃｍ² 〜３Ａ／ｃｍ² に上げても、上昇温度は２０°Ｃ〜２５°Ｃ（トランスの温度は、４０°Ｃ〜４５°Ｃ）であり、熱的には余裕があり、さらに電流密度を上げられる可能性もある。
電流密度を上げられるということは、巻線の断面積を小さくする（細くする）ことができるということである。したがって、従来に比べて電力が大きくなっても、巻線の表面積を大きくする必要はなく、トランスの大型化を防ぐことができる。
なお、上記実施例では、平角巻線を予めコイル状に形成して、コアの周りに取り付ける場合について説明したが、直線状の平角巻線を曲げながら、コアの周りに巻きつけてもよい。

本発明の実施の形態に係るトランスを示す図である。 平角巻線のイメージを示す図である。 巻線と巻線および巻線とコアを一定の空隙で保つためのスペーサの形状を示す図である。 変成比がＮ：１（２＞Ｎ≧１）の場合のトランスの構成例を示す図である。 変成比がＮ：１（２≧Ｎ）の場合のトランスの構成例を示す図である。 従来のトランスと本発明のトランスの、電流密度に対する上昇温度の測定結果を示す図である。 ランプ点灯装置の一例を示す図である。 バイファイラ巻きを行ったトランスの概略構成を示す図である。 従来の別のトランスの構成例を示す図である。

符号の説明

１、１０、２０ コア
２ スペーサ
３、１２、２２ １次巻線
４、１３、２３ ２次巻線
１１、２１ 絶縁紙
３０ 一次の平滑整流回路
４０ インバータ回路
５０ トランス
６０ ２次の整流回路
７０ ２次の平滑回路
８０ 直流ランプ

Claims (1)

1. コアの周りに平角巻線が巻かれたトランスであって、
   一方の側面が上記コアの角に合うように接し、他方の側面に凹部と凸部が交互に形成された櫛状の絶縁性スペーサを複数備え、
   上記スペーサの凹部に上記平角巻線の断面長手方向の一方端が挿入され、上記平角巻線間に空隙が形成され、かつ、コアと巻き線の間に空間が形成されていることを特徴とするトランス。

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