JP4935716B2

JP4935716B2 - トランス

Info

Publication number: JP4935716B2
Application number: JP2008055128A
Authority: JP
Inventors: 茂雄平島; 啓一安藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: JP2009212370A

Description

本発明は、直流電圧を変圧するスイッチング電源のトランスに関する。

例えばＤＣ−ＤＣコンバータには、入力電圧を変圧するためのトランスが備え付けられている（例えば、特許文献１、２参照）。
図１２に示すように、従来のトランス９は、互いに対向させた一対のコア部材９２０を組み合わせてなるコア９２と、一方のコア部材９２０から他方のコア部材９２０へと向かって突出してなる中央磁脚９２３の外周を取り巻くように導体線９１０を渦巻状に巻いてなる一次コイル９１１と、該一次コイル９１１への通電により発生する磁束の誘導起電力によって電流が流れるよう構成されている二次コイル９１２とを有する。
また、トランス９は、互いに対向する中央磁脚９２３の先端部同士の間に、インダクタンスを調整したりコア９２の磁気飽和を防いだりするためのギャップ９３０を有している。

特開平１１−２７３９７４号公報特開平７−３０２７２０号公報

ところが、上記従来のトランス９においては、以下のような問題がある。すなわち、一次コイル９１１への通電により、図１２に示すように、磁束φがコア部材９２０の形状に沿って形成される。この磁束φはギャップ９３０を通過する際に該ギャップ９３０の周囲に漏れ出て（図１３における符号Δφ参照）、一次コイル９１１を横切る。これにより、図１３に示すように、漏れ磁束Δφを打ち消そうと一次コイル９１１内に渦電流７が流れる。その結果、一次コイル９１１における発熱量が大きくなり、一次コイル１１において損失が増大してしまうおそれがある（以下、この損失を渦電流損という）。

そこで、ギャップ９３０の周辺にダミーコイルを配設して、ギャップ９３０からの漏れ磁束Δφを吸収するトランスが提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、かかる構成では、上記ダミーコイルを設置する分、部品点数が増加してしまう。また、上記ダミーコイルが漏れ磁束Δφの影響を受けるため、ダミーコイルにおいて渦電流損が生じてしまう。
また、ギャップ９３０の周辺に一次コイル９１１を巻きつけてなるボビンを配置することにより、ギャップ９３０から一次コイル９１１を遠ざけて漏れ磁束Δφを低減する構成が提案されている（特許文献２参照）。ところが、かかる構成を従来のトランス９に適用した場合には、以下に説明する近接効果によって一次コイル９１１内における損失が増大してしまうおそれがある。

近接効果について、図１４を用いて説明する。なお、ここでは、二次コイル９１２の影響は考慮しないものとする。
仮に、近接効果が生じないとすると、図１４（ａ）に示すように、一次コイル９１１のすべての導体線９１０内において中央磁脚９２３側に通電電流８１が集中して流れる。
ところが、実際には近接効果が生じることにより、図１４（ｂ）に示すように、一次コイル９１１における隣り合う導体線９１０同士の間において以下のような電流が流れることとなる。

すなわち、ある導体線９１０ａの径方向内側に配されこれと隣り合う導体線９１０ｂ内における、導体線９１０ａと隣接する部分においては、導体線９１０ａを流れる通電電流８１ａにより生じる磁束を打ち消すように、該通電電流８１ａと逆向きの電流である対向電流８２ｂが流れる。さらに、導体線９１０ｂ内においては、この対向電流８２ｂにより生じる磁束を打ち消すように、通電電流８１ｂと同じ向きの電流である相殺電流８３ｂが重畳して流れる。そしてさらに、導体線９１０ｂの径方向内側に配されこれと隣り合う導体線９１０ｃ内における、導体線９１０ｂと隣接する部分においては、導体線９１０ｂに流れる通電電流８１ｂと相殺電流８３ｂとにより生じる磁束を打ち消す方向に対向電流８２ｃが流れる。
このように、近接効果が生じることにより、一次コイル９１１の径方向内側に向かうにつれて累積的に大きくなる不要な電流（対向電流８２及び相殺電流８３）が流れることとなる。これにより、一次コイル９１１における損失が増大する。

これに対して、一次コイル９１１を二次コイル９１２に近づけることにより、一次コイル９１１の導体線９１０内に流れる電流を二次コイル９１２側に集中させて近接効果を抑制することが考えられる。しかしながら、この場合には、一次コイル９１１がギャップ９３０に近づくこととなり、結果的に渦電流損が生じてしまうおそれがある。
すなわち、渦電流損の抑制と近接効果の抑制とを両立させることは困難であり、渦電流損を抑制しつつ近接効果を抑制することができるトランスが求められていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、渦電流損の抑制と近接効果の抑制との両立を図ることができるトランスを提供しようとするものである。

本発明は、ギャップを有するコアと、該コアの一部の周囲を取り巻くように導体線を巻いてなる一次コイルと、上記コアの一部の周囲を取り巻くように導体線を巻いてなるとともに上記一次コイルへの通電により発生する磁束の誘導起電力によって電流が流れるよう構成されている二次コイルとを有するトランスであって、
上記コアにおける、上記一次コイルに取り巻かれてなる上記コアの一部と上記二次コイルに取り巻かれてなる上記コアの一部との間に、上記ギャップが形成されており、
上記一次コイルと上記二次コイルとは、互いの距離が上記一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて小さくなるよう配設されている部位を有することを特徴とするトランスにある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。
上記一次コイルと上記二次コイルとは、互いの距離が上記一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて小さくなるよう配設されている部位を有する。すなわち、少なくとも一次コイルにおいて径方向の内側に配される導体線は、ギャップから充分に離隔配置されている。そのため、ギャップの周囲における漏れ磁束が一次コイルを通過することを抑制することができる。それゆえ、一次コイルの導体線に渦電流が流れることを抑制することができる。
その結果、新たな部材を付加することなく、一次コイルにおいて渦電流損が発生することを抑制することができる。

また、上述したように、一次コイルは、該一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて二次コイルに近づくように配設されている部位を有するため、一次コイルの導体線内における電流の分布は、径方向の外側に向かうにつれて二次コイル側へと変遷していく。
すなわち、一次コイルの隣り合う導体線同士における互いに隣接する部分に電流が流れることを抑制することができる。その結果、一次コイルにおいて近接効果が発生することを抑制することができる。

このように、本発明によれば、渦電流損の抑制と近接効果の抑制との両立を図ることができるトランスを提供することができる。

本発明（請求項１）における上記トランスは、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータに備え付けられ、入力電圧の変圧を行う。
上記コアとして、例えば、フェライトからなるものを用いることができる。
上記一次コイル及び上記二次コイルは、例えば、銅からなる導体線を用いて形成することができる。

また、上記一次コイルと上記二次コイルとには、同時に電流が流れるよう構成してもよく、同時に電流が流れないよう構成してもよい。
なお、上記二次コイルは、上記一次コイルの巻回軸方向に直交する平面に平行となるように配設されていることが好ましいが、二次コイルが上記一次コイルの巻回軸方向に直交する平面に対して若干傾斜して配置されていても本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

また、上記ギャップは、上記二次コイルによって取り巻かれていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、空間の有効利用を図ることができるとともに、渦電流損の発生を充分に抑制することができる。すなわち、トランスの小型化を図りつつ、本発明の作用効果を効果的に発揮することができる。
なお、ギャップが二次コイルに取り巻かれているとは、二次コイルにおけるその巻回軸方向においての位置にギャップが存在するように、コアの周囲に二次コイルを配置することをいう。

また、上記一次コイルは、上記二次コイルの巻回軸方向の両側から上記二次コイルを挟み込むように配設されていることが好ましい（請求項３）。
この場合にも、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

また、上記一次コイルは、該一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて、上記二次コイルに漸次的あるいは段階的に近づくよう配設されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、本発明の作用効果を一層効果的に発揮することができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係るトランスについて、図１、図２を用いて説明する。
本例のトランス１は、図１に示すように、互いに対向させた一対のＥ字形状のコア部材２０を組み合わせてなるコア２と、一方のコア部材２０から他方のコア部材２０へと向かって突出してなる中央磁脚２３の外周を取り巻くように導体線１１０を渦巻状に巻いてなる一次コイル１１と、該一次コイル１１への通電により発生する磁束φの誘導起電力によって電流が流れるよう構成されている二次コイル１２とを有する。

一対のコア部材２０は、図１、図２に示すように、互いの中央磁脚２３の先端部同士の間にギャップ２３０を有している。
二次コイル１２は、ギャップ２３０を取り囲むように配設されている。
また、一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向（図１、図２における矢印Ｒ参照）の外側に向かうにつれて、二次コイル１２に漸次的に近づくよう配設されている。

本例のトランス１について、以下に詳細に説明する。
本例のトランス１は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、入力電圧を変圧するために備え付けられる。

コア２は、図１に示したように、互いに対向させた断面略Ｅ字形状の一対のコア部材２０を組み合わせてなる。そして、一対のコア部材２０はそれぞれ、平板状の底面部２１と、該底面部２１の端縁から垂直に立ち上がる側面部２２と、底面部２１の略中央に形成された中央磁脚２３とを有する。
コア２を形成するに当たっては、一対のコア部材２０における互いの側面部２２の先端部同士を当接させるとともに、互いの中央磁脚２３の先端部同士を対向させる。この中央磁脚２３の先端部同士の間にギャップ２３０が形成される。

一次コイル１１は、上述したように、該一次コイル１１の導体線１１０が中央磁脚２３の外周を取り巻いてなる。
また、本例においては、一次コイル１１は中央磁脚２３の軸方向に二つ形成されている。そして、この一対の一次コイル１１は、二次コイル１２とは離隔された状態で、二次コイル１２の巻回軸方向（図１、図２における矢印Ｃ参照）の両側から二次コイル１２を挟みこむように配設されている。
また、本例においては、一次コイル１１は、二次コイル１２に対して、例えば５°よりも大きな角度で傾斜させて配設されている。
また、一次コイル１１の導体線１１０は、巻き方向に直交する方向の断面形状が略円形状である。

また、二次コイル１２は、ギャップ２３０の周囲を取り巻くように平板状の導体線１２０を円環状に一回巻いてなる。
すなわち、二次コイル１２は、図１、図２に示すように、その巻回軸方向Ｃの位置がギャップ２３０における二次コイル１２の巻回軸方向Ｃの位置と同位置となるように配設されている。
なお、二次コイル１２は、一次コイル１１と同様、導体線を複数回にわたって渦巻状に巻くことにより形成することもできる。さらに、本例において、二次コイル１２は、一次コイル１１の巻回軸方向Ｃに直交する平面に平行となるよう配設したが、上記一次コイル１１の巻回軸方向Ｃに直交する平面に対して若干傾斜している場合であっても、本発明の作用効果を充分に発揮し得る。

次に、本例のトランス１の動作について説明する。
一次コイル１１は図示しない外部電源と電気的につながっており、該外部電源より一次コイル１１に電流を供給することにより、図１に示すように、一次コイル１１の周囲に磁束φが発生する。かかる磁束φは、コア２内を通過して、該コア２の形状に沿って形成される。

そしてさらに、その磁束φの電磁誘導によって発生する誘導起電力により二次コイル１２に電流が流れ、二次コイル１２の一対の電極に外部電源電圧とは異なる電圧を発生させる。そして、二次コイル１２の巻き数等を変更することにより、一次コイル１１に付与された電圧を所望の電圧に変圧することができる。

次に、本例の作用効果について説明する。
一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくよう配設されている。すなわち、一次コイル１１において径方向Ｒの内側に配される導体線１１０は、ギャップ２３０から充分に離隔配置されている。そのため、ギャップ２３０の周囲における漏れ磁束が一次コイル１１を通過することを抑制することができる。それゆえ、一次コイル１１の導体線１１０に渦電流が流れることを抑制することができる。
その結果、新たな部材を付加することなく、一次コイル１１において渦電流損が発生することを抑制することができる。

また、上述したように、一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて二次コイル１２に近づくように配設されているため、一次コイル１１の導体線１１０内における電流の分布は、径方向Ｒの外側に向かうにつれて二次コイル１２側へと変遷していく。
すなわち、一次コイル１１の隣り合う導体線１１０同士における互いに隣接する部分に電流が流れることを抑制することができる。その結果、一次コイル１１において近接効果が発生することを抑制することができる。

ギャップ２３０は、二次コイル１２によって取り巻かれているため、空間の有効利用を図ることができるとともに、渦電流損の発生を充分に抑制することができる。すなわち、トランス１の小型化を図りつつ、本発明の作用効果を効果的に発揮することができる。

また、一次コイル１１は、二次コイル１２の巻回軸方向Ｃの両側から二次コイル１２を挟み込むように一対配設されているため、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
また、一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に漸次的に近づくよう配設されているため、本発明の作用効果を一層効果的に発揮することができる。

このように、本例によれば、渦電流損の抑制と近接効果の抑制との両立を図ることができるトランスを提供することができる。

なお、本例のトランス１には、二次コイル１２の巻回軸方向Ｃの両側から二次コイル１２を挟みこむように配設された一対の一次コイル１１を用いたが、コア２における、一次コイル１１に取り巻かれてなるコア２の一部と二次コイル１２に取り巻かれてなるコア２の一部との間に、ギャップ２３０が形成されるようトランス１が構成されていれば、二次コイル１２の巻回軸方向Ｃの一方のみに一次コイル１１を配設するよう構成しても、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すように、一次コイル１１の導体線１１０が、巻き方向に直交する方向の断面において、ギャップ２３０側に凸となるような曲線上に配置されているトランス１の例である。
また、本例においても、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、一次コイル１１の径方向Ｒの内側の導体線１１０をギャップ２３０から充分に遠ざけることができるとともに、一次コイル１１の径方向Ｒの外側の導体線１１０を二次コイル１２に充分に近づけることができる。その結果、渦電流損の抑制と近接効果の抑制との双方を一層効果的に図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、上記実施例２の変形例として、巻き方向に直交する方向の断面において、ギャップ側に凸となるように組み合わせた複数の直線上に、一次コイルの導体線が配置されるよう構成することもできる。この場合であっても、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

（実施例３）
本例は、図４に示すように、隣り合う導体線１１０同士を、二次コイル１２と平行な方向に並べて複数組み合わせてなる複数の単位導線１１１を、互いに段状となるように配置してなる一次コイル１１を有するトランス１の例である。本例において、上記単位導線１１１は、巻き数が２又は３となる導体線１１０を組み合わせて形成したものである。
また、本例においては、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、段階的に二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図５に示すように、導体線１１０を中央磁脚２３０の軸方向に少なくとも二列以上巻いてなる一次コイル１１を有するトランス１の例である。
また、本例においても、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図６に示すように、一次コイル１１の導体線１１０が、巻き方向に直交する方向の断面形状が略四角形状となるよう構成されているトランス１の例である。
また、本例においても、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図７に示すように、二次コイル１２の導体線１２０が、巻き方向に直交する方向の断面形状が略円形状となるよう構成されているトランス１の例である。そして、二次コイル１２は、ギャップ２３０の周囲において、上記導体線１２０を複数回にわたって巻いてなる。
また、本例においても、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図８に示すように、中央磁脚２３が、コア部材２０の底面部２１において二つ形成されているトランス１の例である。
一対の一次コイル１１は、二つの中央磁脚２３の外周を取り囲むように配設されるとともに、中央磁脚２３の軸方向の両側から二次コイル１２を挟みこむようにして互いに離隔された状態で配設されている。

また、本例においても、一対の一次コイル１１は、該一次コイル１１の径方向Ｒの外側に向かうにつれて、二次コイル１２に近づくように配設されている。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例８）
本例は、図９に示すように、一次コイル１１と二次コイル１２とが、互いに接触した状態で配設されているトランス１の例である。すなわち、一次コイル１１における径方向Ｒの最も外側に配される導体線１１０が、二次コイル１２と接触している。
そして、上記一次コイル１１における径方向Ｒの最も外側に配される導体線１１０と二次コイル１２とは、互いに絶縁されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、渦電流損の抑制と近接効果の抑制との両立を充分に図ることができる。
また、一次コイル１１が二次コイル１２と接触していることにより、コア２の体格、ひいてはトランス１の体格を小さくすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例９）
本例は、図１０に示すように、ギャップ２３０における二次コイル１２の巻回軸方向Ｃにおいての位置と、二次コイル１２におけるその巻回軸方向Ｃにおいての位置とが異なるトランス１の例である。
すなわち、図１０における紙面下側の一次コイル１１の径方向Ｒの最も内側の導体線１１０に取り巻かれているコア２の一部と、二次コイル１２に取り巻かれているコア２の一部との間にギャップ２３０が形成されている。一方、図１０における紙面上側の一次コイル１１の径方向Ｒの最も内側の導体線１１０に取り巻かれてなるコア２の一部と、二次コイル１２に取り巻かれているコア２の一部との間には、ギャップ２３０は形成されていない。

（実施例１０）
本例は、図１１に示すように、一つのコア部材からなるコア２を有するトランス１の例である。具体的には、本例のトランス１におけるコア２は、巻回軸方向Ｃに沿った断面が略四角形状の一つのコア部材の一辺にギャップ２３０を有している。該ギャップ２３０は、二次コイル１２によって取り巻かれている。

実施例１における、トランスの縦断面図。実施例１における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例２における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例３における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例４における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例５における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例６における、一次コイルと二次コイルとの斜視図。実施例７における、一次コイル、二次コイル、及びコアの斜視図。実施例８における、トランスの縦断面図。実施例９における、トランスの縦断面図。実施例１０における、トランスの縦断面図。従来例における、トランスの縦断面図。従来例における、渦電流損を示す斜視説明図。従来例における、（ａ）近接効果が生じていない状態において流れる電流を示す斜視説明図、（ｂ）近接効果が生じている状態において流れる電流を示す斜視説明図。

符号の説明

１トランス
１１一次コイル
１１０導体線
１２二次コイル
１２０導体線
２コア
Ｒ径方向

Claims

ギャップを有するコアと、該コアの一部の周囲を取り巻くように導体線を巻いてなる一次コイルと、上記コアの一部の周囲を取り巻くように導体線を巻いてなるとともに上記一次コイルへの通電により発生する磁束の誘導起電力によって電流が流れるよう構成されている二次コイルとを有するトランスであって、
上記コアにおける、上記一次コイルに取り巻かれてなる上記コアの一部と上記二次コイルに取り巻かれてなる上記コアの一部との間に、上記ギャップが形成されており、
上記一次コイルと上記二次コイルとは、互いの距離が上記一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて小さくなるよう配設されている部位を有することを特徴とするトランス。
請求項１において、上記ギャップは、上記二次コイルによって取り巻かれていることを特徴とするトランス。
請求項１又は２において、上記一次コイルは、上記二次コイルの巻回軸方向の両側から上記二次コイルを挟み込むように配設されていることを特徴とするトランス。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記一次コイルは、該一次コイルの径方向の外側に向かうにつれて、上記二次コイルに漸次的あるいは段階的に近づくよう配設されていることを特徴とするトランス。