JP4838842B2 - 積層型巻線構造を有するトランスフォーマー - Google Patents

Description

本発明は、トランスフォーマー（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）に関し、より詳しくは、トランスフォーマーの巻線構造を積層型で構成して、高周波で特に問題となるコア損失及び導通損失を減らして、高効率を有する積層型トランスフォーマーに関する。

一般に、トランスフォーマーは、１つの回路から交流電力を供給されて電子誘導作用により他の回路に電力を供給する装置であって、変圧器または変成器とも呼ばれる。トランスフォーマーにおいて、電圧は１次コイル及び２次コイルに巻かれる巻線（Ｗｉｎｄｉｎｇ）比に比例し、電流は巻線比に反比例する（Ｖ１：Ｖ２＝Ｎ１：Ｎ２＝１／Ｉ１：１／Ｉ２）。理想的なトランスフォーマーの場合には、入力電力と出力電力が同一な１００％のエネルギー変換効率が可能であるが、実際的には変圧器から多様な損失が発生して変換効率の低下が発生する。

トランスフォーマーから発生する損失は、コア損失（Ｃｏｒｅ Ｌｏｓｓ）と導通損失（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ）とに大別される。トランスフォーマーの巻線数は印加される電圧に比例し、使用するコアの断面積に反比例する。コアに適した巻線数を巻いてもコア内の磁束密度の変化量と周波数の指数関数に比例するコア損失が発生する。一般に、コア損失は、使用するコアの種類及びサイズなどを適切に選定し、コア損失と導通損失が適切に均衡をなすように設計する方法により減らすことができる。

一方、トランスフォーマーに使われる巻線は、大容量のトランスフォーマーの場合、重量のためにアルミニウムを使用する一部の場合を除いては、銅（Ｃｏｐｐｅｒ）が主流をなす。したがって、トランスフォーマーに電圧が印加されて銅に沿って電流が流れながらＩ^２Ｒに該当する量の電力損失である導通損失または銅損が発生することになる。

また、高周波の場合、トランスフォーマーの巻線では表皮効果（Ｓｋｉｎ Ｅｆｆｅｃｔ）と近接効果（Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔ）により巻線の抵抗値が幾何級数的に増加して導通損失が格段に増加して、トランスフォーマーの変換効率が格段に落ちる短所がある。ここで、表皮効果とは、導体に高周波電流が流れる場合、導体の表面に電流が偏向される現象である。また、近接効果とは、２つの平衡に位置した導体に高周波電流が流れる場合、高周波電流が他の導体と近い部分に、より集中的に流れる現象である。したがって、高周波において、表皮効果により導体の表面に集中した電流は近接効果により導体の一側表面のみに偏重される。

図１ａ及び図１ｂは、従来の単層型１ターントランスフォーマー及び単層型複数ターントランスフォーマーの平面図及び断面図である。

図１ａ及び図１ｂにおいて、左側の図面が平面図であり、右側の図面が切断線１４０を基準にして切断した場合の断面図である。図１ａ及び図１ｂに図示された単層型トランスフォーマーは、便宜のため、電圧の入力及び出力端子を省略した１次巻線１１０、１１０’及び２次巻線１２０、１２０’がコア１３０、１３０’を一回巻く（１ターン）形態及び複数回巻く（１０ターン）形態のトランスフォーマーである。図１ｂの複数ターントランスフォーマーは、図１ａの１ターントランスフォーマーと巻線のターン数が相異するだけであり、機能は殆ど類似している。

図１ａ及び図１ｂの断面図から分かるように、十分に太い導体を巻線として利用する場合にも、前述した表皮効果及び近接効果により１次巻線１１０’及び２次巻線１２０’を流れる電流は互いに対向する面のみに電流が流れることになって、トランスフォーマーの変換効率が落ちるが、このような問題は高周波でより深刻に作用する。

例えば、厚み１０ｍｍの銅板で巻線をしたとしても、周波数２０ＫＨｚで銅板の表皮厚み（Ｓｋｉｎ Ｄｅｐｔｈ）は常温でほぼ０．５ｍｍ位にしかならない。したがって、トランスフォーマーの１次巻線または２次巻線において、電流が実際に流れる銅板の断面積は全体断面積の５％にしかならず、残りの９５％に該当する銅板は導体としての機能を喪失したままに、付随的な効果として冷却の以外には殆ど機能しない。ここで、表皮厚みとは、全ての電流が同一な損失を持って流れなければならない導体（導線）において、等価の電流貫通深さ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ｄｅｐｔｈ）をいう。表皮厚みは、ただ周波数及び導線の特性と関数関係を有するが、周波数の平方根に反比例する特徴を有する。

図１ａ及び図１ｂで説明した単層型トランスフォーマーにおける低い変換効率を改善するために提案された構造が積層型トランスフォーマーである。

図２は、従来の積層型トランスフォーマーの断面図である。

図２に図示されている積層型トランスフォーマーは、図１ｂで説明した複数ターン単層型トランスフォーマーの断面図を反時計回りの方向に９０゜回転させて、多層で構成した積層型トランスフォーマーの断面図である。即ち、積層型トランスフォーマーは、単層型トランスフォーマーを多層で積み上げたものである。図２の積層型トランスフォーマーも便宜のため、各巻線２１０、２２０の入力及び出力端子を省略した。図２の積層型トランスフォーマーのように、１次巻線２１０と２次巻線２２０を順次に積層すると、１次巻線２１０と２次巻線２２０が対向する銅板の面積が図１ａ及び図１ｂで説明した単層型トランスフォーマーに比べて２倍になるので、電流が実際に流れる銅板の面積も２倍になる。即ち、図２の積層型トランスフォーマーは、図１で説明した単層型トランスフォーマーに比べて２倍の変換効率が可能になる。図２の積層型トランスフォーマーに使われる巻線方法をサンドイッチ（Ｓａｎｄｗｉｃｈ）巻線方式という。このようなサンドイッチ巻線方式は多くのトランスフォーマー製作会社が採択して広く用いられている巻線方式である。

しかしながら、現在、広く用いられているサンドイッチ巻線方式も高周波トランスフォーマーの場合には変圧器から発生する損失が大きいという短所がある。高周波大容量トランスフォーマーの場合に大型コアを使用するので、１０ターン未満のターン数でも数千ボルトの電圧印加が可能になる。したがって、ターン数に比例するトランスフォーマーの変換効率を考慮すると、高周波大容量トランスフォーマーの場合、相変わらず変換効率が落ちる問題点を有することになる。

例えば、１，０００Ｖ、１，０００Ａ入力の１，０００ＫＷトランスフォーマーの場合、２０ＫＨｚの周波数で１０ターンに設計されたとすれば、１つの銅パイプの両面に１，０００Ａを供給しなければならないが、この場合、トランスフォーマーの適切な変換効率のための銅パイプの幅は非常に大きくなって、銅パイプの製作が殆ど不可能な水準になる。特に、表皮の厚みが周波数の平方根に反比例するため、周波数が高まるほど変換効率が低くなり、適切な変換効率を維持するためには、銅パイプの幅が非常に大きくなることになる等の重大な問題点が発生することになる。

前述した問題点を解決するために、本発明はトランスフォーマーの巻線構造を積層型で構成して、高周波で特に問題となるコア損失及び導通損失を減らして、高効率を有する積層型トランスフォーマーを提供することをその目的とする。

本発明は、交流電力を供給されて電子誘導作用により他の回路に電力を供給するトランスフォーマーにおいて、中空部を有するコア部と、上記コア部に相互電気的に絶縁された１次巻線及び２次巻線が巻かれ、かつ上記１次巻線及び上記２次巻線は各々金属板が間隙をなしながら積層され、一側端が結合された積層金属板であり、上記１次巻線及び上記２次巻線の他側端が互いに挿入されて結合し、かつ上記１次巻線の金属板が上記２次巻線の上記間隙の間に交互に挿入される形態で結合されることを特徴とする積層型巻線構造を有するトランスフォーマーを提供する。

前述したように、従来の積層型トランスフォーマーは、周波数が高周波である場合や大容量になる場合には、導通損失などが非常に大きくなって、変圧効率が格段に低下する等の問題点があったが、本発明によると、巻線構造自体を積層型で設計することで、導通損失を格段に減らして変圧効率を上げることができるという長所がある。

また、従来の大容量トランスフォーマーの場合、巻線に使われる銅パイプの幅が非常に大きくなって、実際の製作が不可能な場合も発生するが、本発明による積層型巻線構造トランスフォーマーは、同一な変圧効率下で、従来の大容量トランスフォーマーに比べて巻線のターン数が減少するので、巻線の放熱量が格段に低減する効果が発生する。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、各図面の構成要素への参照符号の付加において、同一な構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されてもできる限り同一な符号が与えられていることに留意しなければならない。また、本発明の説明において、関連した公知構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすることができると判断される場合にはその詳細な説明は省略する。

図３は、本発明の好ましい実施形態に従う積層型巻線構造を有するトランスフォーマーの組み立て前の状態のコアの平面図及び巻線の側面図である。

図３において、上段の図面がコアの平面図であり、下段の図面が巻線の側面図である。図３において、１次側コア３１０と２次側コア３３０は、各々矩形の中空部３１１、３３１を有し、かつ一側が開口されている矩形であって、各々同一な大きさと形状を有する。そして、１次巻線３２０は第１レイヤ（Ｌａｙｅｒ）３２１、第２レイヤ３２２、第３レイヤ３２３、及び第４レイヤ３２４の計４個のレイヤを有する積層型構造を有する。各々のレイヤ３２１〜３２４は、同一な厚みを有する平らな板形状で、各々一定の間隔で離隔している。各々のレイヤ３２１〜３２４は、入力端子部から分岐する形態を有する。

２次巻線３４０も１次巻線３２０と類似する形状を有し、かつ１次巻線３２０と互いに挟まれることができる構造であって、１次巻線３２０の上面と下面を返して置いた構造を有する。２次巻線３４０の第１レイヤ３４１〜第４レイヤ３４４の間の間隔は、１次巻線３２０での各レイヤ３２１〜３２４の間の間隔と同一である。また、２次巻線３４０の各レイヤ３４１〜３４４は、出力端子部３４５から分岐する形態を有する。

一方、図３に図示されている矢印は、１次側コア３１０と２次側コア３３０の結合方向及び各々のコア３１０、３３０に巻かれる１次巻線３２０及び２次巻線３４０の結合方向を表す。図３において、１次側コア３１０と２次側コア３３０は、１次側の内周面３１２と２次側の内周面３３２が対向する状態で結合される。

一方、本発明の実施形態に従う１次巻線３２０及び２次巻線３４０の材質としては、銅、アルミニウムなどを用いることが可能である。

図４は、本発明の好ましい実施形態に従う積層型巻線構造を有するトランスフォーマーの組み立て状態でのコアの平面図及び巻線の側面図である。

図４において、上段の図面が組み立て状態でのコアの平面図であり、下段の図面が組み立て状態での巻線の側面図である。図４の組み立て状態図は、図３で説明した１次側コア３１０及び２次側コア３３０の各々の中空部３１１、３３１が重畳される程度まで１次側コア３１０及び２次側コア３３０が対向する直線方向に移動した場合である。

各々のコイル３１０、３３０に巻かれる１次巻線３２０及び２次巻線３４０も各々のレイヤが互いに対向するように結合される。したがって、図３の組み立て前の状態で、２次巻線３４０は１次側コイル３１０に巻かれている１次巻線３２０と挟まれることができる地点で２次側コイル３３０に巻かれなければならない。また、１次巻線３２０と２次巻線３４０が結合する場合、１次巻線３２０の各々のレイヤ３２１〜３２４と２次巻線３４０の各々のレイヤ３４１〜３４４の間の間隙が交互に挿入される形態で結合される。

図４に図示された巻線の側面図のように、巻線が積層型構造を有することになれば、巻線から電流が実際的に流れる断面積が層数に比例して増加するので、トランスフォーマーの変換効率も増加することになる。

より詳細に説明すると、図２で説明した積層型トランスフォーマーの場合には一回のターン毎に各巻線の２面のみで電流が流れる。勿論、一回のターンは１次巻線２１０及び２次巻線２２０全てに該当するので、２つの巻線２１０、２２０を合すると、一回のターン毎に巻線の４面で電流が流れることになる。

一方、図４に図示された積層型巻線構造では、一回のターン毎に１次巻線３２０及び２次巻線３４０が４層で構成されているので、各レイヤ当たり、２つの面に電流が流れる点を考慮すれば、１次巻線３２０及び２次巻線３４０の各々毎に８面で電流が流れることになる。したがって、２つの巻線３２０、３４０を合すると、一回のターン毎に巻線の１６面で電流が流れることになる。したがって、図２で前述した単層型トランスフォーマーを順次に積み上げた積層型トランスフォーマーにおいて、４面に電流が流れることに比べて一回のターンだけでも、４倍の変圧効率が向上する効果を有することになる。これは、言い換えると、図２で前述した４層形トランスフォーマーと本発明の実施形態に従う４層巻線構造トランスフォーマーが同一な高さを有する場合、導通損失が１／４に減ることと同様の効果を有するものである。

一方、図４では、巻線１ターン当たり、４層を有するトランスフォーマーに対して、例として説明しているが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。即ち、本発明の技術思想に従う積層型巻線構造において、巻線１ターン当たり、層数は２層または３層になることもでき、４層以上になることもできる。

本発明の実施形態にかかる積層型巻線構造トランスフォーマーにおいて、巻線１ターン当たりの積層数の決定は、利用する交流周波数の帯域幅に従う表皮厚みと目標変圧効率に従ってなされることができる。例えば、トランスフォーマーで利用する交流周波数が高周波であるほど、即ち、表皮厚みが薄くなるほど、目標変圧効率が高いほど、巻線１ターン当たりの積層数も増加することが好ましい。

一方、図４には図示してはいないが、１次巻線３２０及び２次巻線３４０が結合された状態で、各巻線の対向する各々のレイヤ間の間隙は、所定の絶縁性物質により絶縁される。また、１次巻線３２０及び２次巻線３４０の各レイヤの厚みは、結合される２次巻線３４０及び１次巻線３２０の間隙の厚みより小さい。

図５は、本発明の好ましい実施形態にかかる４ターン積層型巻線構造トランスフォーマーである。

図５に図示された４ターン積層型巻線構造トランスフォーマーは、４層型巻線をコア５１０に４回巻いたトランスフォーマーである。各々の巻線５２１〜５２４は、一定の間隔で離隔してコイル５１０に巻かれる。本発明の実施形態にかかる積層型巻線構造トランスフォーマーにおいて、巻線のターン数は目標とする変圧効率及びコア５１０の高さに従って適切に設定される。即ち、目標変圧効率を高くするには、巻線のターン数を増加させなければならないが、巻線のターン数の増加はコア５１０の高さが考慮される範囲でなされるべきである。

一方、図５のような多数ターン積層型巻線構造トランスフォーマーにおいて、各巻線５２１〜５２４の連結は、巻線の外部でなされることができる。各巻線５２１〜５２４の連結方法には、１次側及び２次側毎に全ての巻線を直列または並列に連結することができる。例えば、図５に図示したように、１次側巻線を全て直列に連結し、２次側巻線を全て並列に連結すれば、変圧器の理論上、４：１の巻線比を有する高効率のトランスフォーマーとなる。

一方、大容量トランスフォーマーの場合には、巻線から発生する熱が格段に増加することになるので、熱を放出する放熱問題が重要である。したがって、本発明の実施形態のように、積層型巻線構造トランスフォーマーを利用することになれば、従来の積層型トランスフォーマーに比べて、同一な変圧効率下でも巻かれる巻線のターン数が減ることになるので、巻線の発熱量自体が構造的に減る効果が発生する。

勿論、より精巧な放熱作業を必要とする場合には、各巻線５２１〜５２４の開始地点と終了地点を繋ぐ冷却水路を各巻線５２１〜５２４のレイヤの表面に沿って形成させて冷却水を流すと、放熱効果を高めることができるはずである。

一方、本発明の実施形態において、各巻線５２１〜５２４を連結する工程及び各巻線５２１〜５２４に冷却水路を形成する工程は、従来のトランスフォーマーや水冷式トランスフォーマーで広く使われる工程であって、通常の当業者に公知された内容であるので、詳細な説明は省略する。

以上の説明は、本発明を例示的に説明したことに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で多様な変形が可能である。したがって、本明細書に開示された実施形態は本発明を限定するためのものでなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の思想と範囲が限るのではない。本発明の範囲は下記の請求範囲により解されなければならなくて、それと同等な範囲内にある全ての技術は本発明の権利範囲に含まれることと解されているべきである。

従来の単層型１ターントランスフォーマー及び単層型複数ターントランスフォーマーの平面図及び断面図である。 従来の単層型１ターントランスフォーマー及び単層型複数ターントランスフォーマーの平面図及び断面図である。 従来の積層型トランスフォーマーの断面図である。 本発明の好ましい実施形態に従う積層型巻線構造を有するトランスフォーマーの組み立て前の状態のコアの平面図及び巻線の側面図である。 本発明の好ましい実施形態に従う積層型巻線構造を有するトランスフォーマーの組み立て状態におけるコアの平面図及び巻線の側面図である。 本発明の好ましい実施形態に従う４ターン積層型巻線構造トランスフォーマーである。

Claims (12)

1. 交流電力を供給されて電子誘導作用により他の回路に電力を供給するトランスフォーマー（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であって、
   中空部を有するコア（Ｃｏｒｅ）部と、
   前記コア部に相互に電気的に絶縁されて巻かれる１次巻線及び２次巻線と、
   を備え、
   前記１次巻線及び前記２次巻線は、各々金属板が間隙をなしながら３層以上積層され、一側端が結合されて一体化された積層金属板であり、前記１次巻線及び前記２次巻線の他側端が互いに挿入されて結合し、かつ前記１次巻線の金属板が前記２次巻線の前記間隙の間に交互に挿入される形態で結合されることを特徴とする積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
2. 各々の前記金属板は、一定の厚みと高さを有する平らな直方体形状であることを特徴とする請求項１記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
3. 前記１次巻線及び前記２次巻線は、同一な数の前記金属板を有し、前記１次巻線及び前記２次巻線の形状は、鏡対称（Ｍｉｒｒｏｒ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）であることを特徴とする請求項１記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
4. 前記金属板の数は２つ以上で、かつ前記トランスフォーマーに用いられる周波数帯域幅（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｅｐｔｈ）及び／又は目標変圧効率に従って、前記金属板の数が決まることを特徴とする請求項３記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
5. 前記金属板の数は、前記周波数帯域幅が高い高周波であるほど、また前記目標変圧効率が高いほど、増加することを特徴とする請求項４記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
6. 前記コア部には前記１次巻線及び前記２次巻線のターン回数が１回以上であることを特徴とする請求項１記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
7. 前記１次巻線及び前記２次巻線が互いに挟まれてなされる巻線の各ターンの間は、一定間隔で離隔していることを特徴とする請求項６記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
8. 前記ターン回数は、目標変圧効率及び前記コア部の高さによって決まることを特徴とする請求項６記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
9. 前記ターン回数が２回以上の場合、１つ以上の前記１次巻線は前記入力端子部を連結する電線により直列に連結され、１つ以上の前記２次巻線は前記出力端子部を連結する電線により並列に連結されることを特徴とする請求項１または６記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
10. 各々の前記１次巻線及び各々の前記２次巻線には発生する熱を放出するための冷却水が流れる冷却水路が各々の前記１次巻線及び各々の前記２次巻線の各金属板に形成されていることを特徴とする請求項９記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
11. 前記間隙の厚みは前記金属板の厚みより厚いことを特徴とする請求項１記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。
12. 前記１次巻線の前記金属板と前記２次巻線の前記金属板は、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１記載の積層型巻線構造を有するトランスフォーマー。

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