JP5100802B2 - 電力変換トランス - Google Patents

Description

本発明は、比較的大電流を扱う電力変換トランスに関し、特に太陽光発電システムや小型燃料電池発電システム向け直流交流変換インバータに用いられる電力変換用トランスに関する。

従来から住宅用の小型の太陽電池発電システムや小型の燃料電池発電システムにおいて、例えば、定格が１〜５ｋＷ程度のインバータ装置が用いられている。図１２は、このようなインバータ装置の概略回路構成例を示す。この回路は、これらの発電システムで発電された電力を、例えば、直流４０Ｖの入力電圧Ｖｉｎとして入力し、電力変換トランスＴＦにより昇圧して、例えば、周波数が５０／６０Ｈｚ、出力電圧Ｖｏｕｔが２００Ｖの交流電力に電力変換する。入力段の種類や構成仕様がこのような電池のように比較的低電圧の入力電圧を発生するものの場合、一般に、電力変換のためにトランス（電力変換トランス）が用いられる。

このようなトランスにおける低電圧の大電流が流れる１次コイルは、コイル製作作業の容易性、材料入手の容易性、コイル特性面の要求などから、帯状の薄銅板をコアやボビン（巻枠）に巻回して製造されることが多い。図１３（ａ）は、このような従来の電力変換トランスＴＦを示す。この電力変換トランスＴＦは、片面又は両面が絶縁された帯状に長い、例えば薄銅板からなる導電体薄板をロール状に巻回して形成した第１のコイル１と、第１のコイルに電磁結合する第２のコイル２と、これらのコイルに共通のコア４と、を備えている。電力変換トランスＴＦは、これらのコイル間で電力の伝達を行う。第２のコイル２は、ボビン３に線材を巻回して形成され、第１のコイル１は、絶縁した板材（導電体薄板）を第２のコイル２の上に多数回巻いて形成されている。各コイル１，２にはコイルの引出部１１，２１が形成されている。これらのコイル、特にコイル１において、占積率（コイル導体の空間密度）の高いコイルを形成することがコイルの性能上重要である。

上述の第１のコイル１のように帯状の導体を巻いて形成したコイルとして、例えば、厚さが５０μｍ程度以下の銅箔と層間の絶縁フィルムとを用いて、自動巻回装置によりコイルを形成した、いわゆる箔巻コイルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開平５−６２０１７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような箔巻コイルは、厚さが薄く幅も狭くて電流容量が小さい銅箔を用いるものであり、大電流を流すため厚みや幅が一桁以上も大きくなるような導電体薄板を用いる場合にそのまま適用できるものではない。つまり、大電流用の導電体薄板は、銅箔よりも遙かに分厚く、曲げ加工に対して多大の応力が発生し、導電体薄板を巻枠上に巻き付ける工程は、線材や銅箔を巻回しするような機械化が難しく、手作業に頼る部分が多いため、コストと手間のかかる工程となっている。

また、図１３（ｂ）に示すように、導電体薄板１０を巻芯３０（下層のコイルやボビン）に巻回しする際、巻き始め及び巻き終わりの固定を確実に行わないと、導電体薄板１０のもつ内部応力により巻き緩みが発生する。巻き緩みの発生によって層間に隙間Ｓが発生し、導電体薄板の振動によるうなり音の発生という問題が生ずる。このような隙間Ｓの発生は、コイルにとって重要なコイル導体の占積率を低くしてしまい、漏れインダクタンスの増大や、導体長の増加による直流抵抗の増加などを引き起こす。これらの問題を解消するために、従来は巻き始め及び巻き終わりの固定を粘着性のテープなどで行っていた。ところが、厚みが分厚くて巻戻り力の強い導電体薄板１０に対しては、固定のためのテープ類を何重にも巻く必要があり、限られたボビン内において、そのスペースを確保する必要から巻線の占積率が下がってしまうという問題がある。

また、図１３（ｃ）に示すように、導電体薄板１０を絶縁シート５を用いて層間の絶縁を行いながらコイルを形成する際に、導電体薄板１０の長手方向に直交する幅方向の端面位置がボビン３の鍔部３２に対して変動することがある。このような位置変動が発生すると、端面の絶縁のために設けた絶縁シート５の端部が変形又は移動し、積層された導電体薄板１０の端部１０ｂが互いに直接接触して短絡してしまうという問題がある。絶縁シート５は、導電体薄板１０より少し大きめとされているが、コイル導体の占積率向上のために比較的薄い材料で構成されているので、導電体薄板１０の巻回時に摩擦力などを受けて端部が変形し易くなっている。

本発明は、上記課題を解消するものであって、導電体薄板を用いたコイルの巻回し時の不具合を低減することができる電力変換トランスを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明の電力変換トランスは、帯状に長い導電体薄板をその片面又は両面が絶縁された状態で巻枠に巻回して成る第１のコイルと、第１のコイルに電磁結合する第２のコイルと、これらのコイルに共通のコアと、を備えてコイル間で電力の伝達を行わせる電力変換トランスにおいて、導電体薄板は、その巻き始め部分及び巻き終わり部分の長さ方向に直交する幅方向の端面に幅方向に突出した係止用凸部を有し、巻枠は、これらの係止用凸部に嵌合して導電体薄板を係止する係止部を有し、第１のコイルは、これらの係止用凸部と係止部により巻き緩みなく形成され、その状態を保持して導電体薄板の巻き始め部分及び巻き終わり部分が固定されているものである。

この電力変換トランスにおいて、巻枠は、巻き終わり部分が固定される係止部を有した部分とその他の部分とに分離され、その分離接触部分に導電体薄板の巻回を締め上げる方向にのみ可動するラチェット機構を備えることができる。

本発明の電力変換トランスによれば、導電体薄板を巻回したコイルを巻き緩みなく形成でき、従って、コイル材の占積率を低下させることがなく、漏れインダクタンスの増大やコイル材の長さの増長による直流抵抗の増加を抑制できる。また、固定用テープなどが不要となる。

本発明の前提となる第１形態に係る電力変換トランスの斜視図。 （ａ）（ｂ）は同上電力変換トランスにおける導電体薄板を用いたコイルを形成するための導電体薄板の平面図。 図２に示した導電体薄板を用いてコイルを形成する手順を説明する斜視図。 （ａ）（ｂ）は図３に示したコイル形成手順に引き続いて行うコイル形成手順を説明する模式的断面図。 （ａ）は本発明の前提となる第２形態に係る電力変換トランスに用いられるコイルを形成する導電体薄板と絶縁シートの平面図、（ｂ）は同導電体薄板を用いてコイルを形成するためのボビンの側面図、（ｃ）は同ボビンに同導電体薄板を巻回しする様子を示す断面図。 図５（ａ）に示した導電体薄板と絶縁シートを用いて形成したコイルの幅方向端面における部分断面斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換トランスの斜視図。 （ａ）は同上電力変換トランスに用いられるコイルを形成する導電体薄板と絶縁シートの平面図、（ｂ）は同導電体薄板を用いてコイルを形成するためのボビンの側面図、（ｃ）は同ボビンの軸方向正面図。 図８（ａ）に示した導電体薄板を図８（ｂ）（ｃ）に示したボビンに巻回した様子を模式的に示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換トランスに用いられるコイルの断面図。 図１０に示したコイルの軸方向正面図。 従来及び本発明の電力変換トランスが適用されるインバータ装置の概略回路構成図。 （ａ）は従来の電力変換トランスの分解斜視図、（ｂ）は導電体薄板を用いた従来のコイルの問題点を示す断面図、（ｃ）は導電体薄板を用いた従来のコイルの問題点を示す導電体薄板の幅方向端部における部分断面図。

以下、本発明の電力変換トランスについて、図面を参照して説明する。

（発明の前提となる第１形態）
図１は本発明の前提となる第１形態に係る電力変換トランスＴＦを示し、図２（ａ）（ｂ）、図３、図４（ａ）（ｂ）は導電体薄板を用いたコイルの形成手順を示す。電力変換トランスＴＦは、片面又は両面が絶縁された帯状に長い、例えば薄銅板からなる導電体薄板をロール状に巻回して形成した第１のコイル１と、第１のコイルに電磁結合する第２のコイル２と、これらのコイルに共通のコア４と、を備えている。第２のコイル２は、ボビン３（巻枠）に線材を巻回して形成され、第１のコイル１は、絶縁した板材（導電体薄板）を第２のコイル２の上に多数回巻いて形成されている。各コイル１，２にはコイルの引出部１１，２１が形成されている。電力変換トランスＴＦは、これらのコイル１，２間で電力の伝達を行う。

第１のコイル１の形成では、まず、図２（ａ）に示すように、導電体薄板からなる、例えば３枚の薄板片１２，１３，１４を、図２（ｂ）に示すように重ね合わせた状態とし、図３に示すように、重ねた状態で巻芯３０（下層のコイルやボビン）に巻き付ける。この巻き付けと共に、重ね合わせた異なる薄板片同士を、図４（ａ）（ｂ）に示すように、互いに電気的に接続して巻き始めと巻き終わりを一つずつ有する単一のコイルとして形成されている。この形成手順を順に説明する。

各薄板片１２〜１４は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、本体部１２ａ〜１４ａと、各本体部１２ａ〜１４ａの長さ方向端部に形成された巻芯３０の幅（従って本体部の幅）より狭い幅の接続部１２ｂ，１３ｂ，１３ｃ，１４ｂと、を備えている。本体部１２ａから１４ａは、巻芯３０の幅に略同一の幅と巻芯３０を略一周する長さとを有する。また、最外層の薄板片１２，１４は、それぞれ電流の入出力のための引出部１１を備えている。

これらの薄板片１２〜１４は、図３に示すように、図示しない巻付用治具による外力Ｆによって巻芯３０に押し付けられると共に、巻芯３０に倣うように屈曲される。このとき、各接続部１２ｂ，１３ｂ，１３ｃ，１４ｂは、例えば、有向曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄで示す順番で電流路を形成するため、図４（ａ）（ｂ）に示すように重ねられる。互いに重ねられた接続部１２ｂ〜１４ｂの部分は、外力Ｆによって巻締めされた状態で、例えばハンダによって電気接続される。なお、各薄板片１２〜１４は、引出部１１と接続部１２ｂ〜１４ｂ以外の部分を、絶縁樹脂の塗布層や絶縁用のシートやフィルムによって絶縁されている。

図４（ｂ）に示すように、接続部１２ｂ，１３ｂが互いに電気接続されて電気接続部１ａとなり、接続部１３ｃ，１４ｂが互いに電気接続されて電気接続部１ｂとなる。これらの電気接続部１ａ，１ｂは、図１に示すように、コイル１の外部からハンダ付け等の電気接続処理が可能な位置に形成されている。

上述のコイル１は、導電体薄板を３回巻きしたコイルとなっている。この巻数（ターン数）、従って薄板片の枚数を２枚、４枚と変えて、２回巻き、４回巻きのコイル１とすることもできる。また、コイル１のターン数を増やす場合、上述の３層コイル形成の手順を２回行って、形成した２つの３層コイルを引出部１１により直列接続して６層のコイルとすることもできる。この直列接続する方法によると、薄板片の枚数増加による接続部断面積減少とこれに伴う電流容量減少を避けることができる。

上述のコイル１の製造方法によれば、例えば、３回巻コイルを略一周長の薄板片の３枚で構成するので、各薄板片の巻締めの際に、周回毎のずれを接続部における重なり具合で吸収することができる。第１のコイル１を構成する大電流用の導電体薄板は、銅箔よりも遙かに分厚く、曲げ加工に対して多大の応力が発生する。分厚い導電体薄板を巻き緩みなく、高い占積率で巻回しするには、このような製造方法が有効であり、３周長の導電体薄板によるコイルを巻締める場合よりも効率的に巻締めができ、積層した導電体薄板間の隙間を減らして占積率の高いコイル１が得られる。従って、電力変換効率の優れた電力変換トランスＴＦが得られる。

（発明の前提となる第２形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の前提となる第２形態に係る電力変換トランスＴＦに用いられる第１のコイル１の形成方法を示し、図６はそのコイルの幅方向端面構造を示す。この形態の電力変換トランスＴＦは、図１に示した第１形態の電力変換トランスＴＦとは、第１のコイル１の構造が異なるのみであり、他の構成は同様である。そこで、第１のコイル１の説明のみを行い、他は省略する。

第１のコイル１は、図５（ａ）に示す導電体薄板１０と絶縁シート５とを重ねて、図５（ｂ）に示すボビン３に巻回して形成される。導電体薄板１０は、図５（ａ）に示すように、長手方向の端部に設けられた引出部１１と、その長手方向に直交する幅方向の両端面に幅方向に突出した複数の突起１０ａと、を備えている。突起１０ａは、導電体薄板１０をボビン３に巻回しする際に、上層又は下層の導電体薄板１０の突起１０ａと互いに重ならない位置に長手方向に沿って配列されている。また、ボビン３は、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、導電体薄板１０をロール状に巻き付ける軸芯３１と、軸芯３１の両端に設けられた鍔部３２と、を備えている。

導電体薄板１０は、導電体薄板１０をボビン３に巻回しする際に、突起１０ａがボビン３の鍔部３２に接触することによって、ボビン３の軸方向位置に対して位置決めされる。このとき、図６に示すように、上層又は下層の突起１０ａが積層方向において互いに重ならないので、突起１０ａ同士が接触することがない。また、突起１０ａ以外の端部直線部は広めの絶縁シート５によって互いに絶縁されている。従って、導電体薄板１０を巻回しするときに導電体薄板１０と絶縁シート５の位置が、突起１０ａの突出長さ以内の位置ずれを生じたとしても、上下の導電体薄板１０間における電気的短絡は確実に防止される。なお、突起１０ａの先端形状は、尖っていてもよく、また平坦であっていてもよい。

（第１の実施形態）
図７は本発明の第１の実施形態に係る電力変換トランスＴＦを示し、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は電力変換トランスＴＦに用いられる第１のコイル１の形成方法を示し、図９はコイル１の断面を模式的に示す。この実施形態の電力変換トランスＴＦは、上述の第１形態の電力変換トランスＴＦとは、第１のコイル１の構造が異なるのみであり、他の構成は同様である。そこで、第１のコイル１の説明のみを行い、他は省略する。

第１のコイル１は、図８（ａ）に示す導電体薄板１０と絶縁シート５とを重ねて、図８（ｂ）（ｃ）に示すボビン３に巻回して形成される。導電体薄板１０は、図８（ａ）に示すように、その巻き始め部分及び巻き終わり部分（長さ方向の端部分）であって、長さ方向に直交する幅方向の端面に、両幅方向に突出した係止用凸部１５，１６を有している。なお、係止用凸部１５，１６のそれぞれの片方には係止用凸部１５，１６の延長部からなる電流の入出力のための引出部１１が形成されている。

ボビン３は、図８（ｂ）（ｃ）に示すように、鍔部３２に切り欠いた状態に形成した係止部３５，３６を有している。係止部３５，３６は、係止用凸部１５，１６に嵌合して導電体薄板１０を係止するために用いられる。すなわち、導電体薄板１０は、図９に示すように、これをボビン３に巻回しする際に、係止用凸部１５をボビン３の係止部３５に係止して巻き始め部分が固定され、巻回終了時に、係止用凸部１６をボビン３の係止部３６に係止して巻き終わり部分が固定される。

このような第１のコイル１の形成方法によれば、導電体薄板１０を巻回したコイル１を巻き緩みなく形成すると共にその状態を保持できる。従って、コイル１は、コイル材の占積率を低下させることなく、漏れインダクタンスの増大やコイル材の長さの増長による直流抵抗の増加を抑制したものとなる。また、緩み防止のための固定用テープなどが不要となる。

（第２の実施形態）
図１０、図１１は本発明の第２の実施形態に係る電力変換トランスＴＦに用いられる第１のコイルを示す。この実施形態の電力変換トランスＴＦは、上述の図７に示した第１の実施形態の電力変換トランスＴＦとは、第１のコイル１の構造、特にそのボビン３の構造が異なるのみであり、他の構成は同様である。そこで、第１のコイル１のボビン３の説明のみを行い、他は省略する。

この実施形態のボビン３は、第１の実施形態におけるボビン３と同様に係止部３５，３６を有している。ボビン３は、さらに図１０、図１１に示すように、巻き終わり部分が固定される係止部３６を有した部分３２ａと、その他の部分３２ｂとに、ボビン３の軸と同心であって略円形状の分離接触部分によって分離されている。ボビン３は、その分離接触部分に導電体薄板１０の巻回を締め上げる方向にのみ可動するラチェット機構を備えている。ラチェット機構は、部分３２ａの内周に連続的に一周して突設した逆止爪７と、部分３２ｂの外周に設けた複数個、例えば４個の外方向に付勢されたラチェット爪６とにより構成されている。ラチェット爪６が逆止爪７に押し付けられることにより、部分３２ｂに対する部分３２ａの相対的な回転は、矢印Ｒで示す回転方向への一方向のみが可能となる。

このコイル１は、第１の実施形態で示した方法で導電体薄板１０をボビン３に巻回し、その後、部分３２ａ，３２ｂを互いに逆向きに回転して導電体薄板１０の巻回を締め上げて形成される。このようにして形成したコイル１は、その巻締めを、ラチェット機構により容易、かつ確実に行い、さらに、巻締め状態を保持でき、積層した導電体薄板１０の密着度を向上させ、隙間のない、うなりや漏れインダクタンスの発生のないコイルを容易に形成できる。

以上により、各実施形態の説明は終わるが、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、各第１、第２の実施形態および第１、第２形態における第１のコイル１の各構造は、互いに組み合わせて用いることができる。これらの構造を組み合わせることにより、導電体薄板１０を用いた第１のコイル１を巻き緩みや幅方向端部における短絡のない電磁特性に優れたものにでき、効率良く電力変換できる電力変換トランスを提供できる。例えば、第２形態により示した突起１０ａによる幅方向端面における短絡防止は、第１、第２の実施形態におけるコイル１の形成に組み合わせて適用できる。

なお、電力変換トランスＴＦにおけるコイル１，２の積層順序は、電力変換トランスＴＦの仕様に基づいて、何れを上層にしてもよい。また、導電体薄板１０を用いた上述のコイル１は、電力変換トランスＴＦに限らずに、フィルタ用リアクトルやチョークコイル等として用いることができる。

１ 第１のコイル
２ 第２のコイル
３ ボビン（巻枠）
４ コア
１０ 導電体薄板
１２，１３，１４ 薄板片
１５，１６ 係止用凸部
３５，３６ 係止部
１０ａ 突起
１２ａ，１３ａ，１４ａ 本体部
１２ｂ，１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ 接続部
３２ａ，３２ｂ 部分
ＴＦ 電力変換トランス

Claims (2)

1. 帯状に長い導電体薄板をその片面又は両面が絶縁された状態で巻枠に巻回して成る第１のコイルと、前記第１のコイルに電磁結合する第２のコイルと、これらのコイルに共通のコアと、を備えて前記コイル間で電力の伝達を行わせる電力変換トランスにおいて、
   前記導電体薄板は、その巻き始め部分及び巻き終わり部分の長さ方向に直交する幅方向の端面に幅方向に突出した係止用凸部を有し、前記巻枠は、これらの係止用凸部に嵌合して前記導電体薄板を係止する係止部を有し、前記第１のコイルは、これらの係止用凸部と係止部により巻き緩みなく形成され、その状態を保持して前記導電体薄板の巻き始め部分及び巻き終わり部分が固定されていることを特徴とする電力変換トランス。
2. 前記巻枠は、前記巻き終わり部分が固定される係止部を有した部分とその他の部分とに分離され、その分離接触部分に前記導電体薄板の巻回を締め上げる方向にのみ可動するラチェット機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換トランス。
   

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