JP5462335B1 - 高周波高圧変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁束の少ないコアの形状に適応した、ハニカムコイルの構造を含む高周波高圧変圧器を提案する。
【解決手段】高周波高圧変圧器は、第１コア部４と、第１コア部の周りに巻装した低圧側の一次巻線１２と、一次巻線の外周に絶縁層を介して巻き重ねた高圧側の二次巻線２０を具備する。上記二次巻線は、それぞれ直列的に連続する複数のハニカムコイル２６Ａ、２６Ｂ…を含む２つの二次巻線部分２０ｎ、２０ｒからなる。これら二次巻線部分の相互に接する端部を、高電位用接続端部を兼ねる第１端部２２とし、２つの二次巻線部分の反対側の各端部を、低電位用接続端部を兼ねる第２端部２４として、上記２つの二次巻線部分の一方２０ｎを正巻きに、他方２０ｒを逆巻きにそれぞれ形成し、筒軸方向Ｏを第１端部側から第２端部側に向かうに従って各二次巻線部分のハニカムコイルの巻き数が増加するように形成した
【選択図】図５

Description

本発明は、高周波高圧変圧器、特に二次巻線がハニカムコイル（honeycomb coil）を含む高周波高圧変圧器に関する。

一般的な高周波高圧変圧器は、コアに巻装した低圧側の一次巻線の外周に絶縁層を介して高圧側の二次巻線を巻き重ねているが、この二次巻線は密接に巻回されていることから大きな分布容量を有していた（特許文献１）。

上述のハニカムコイルは、巻線を蜂の巣状に交差させるように巻くために分布容量が小さいという利点があるが、単に従来の筒状の二次巻線をハニカムコイルに代えても高周波変圧器としての使用には適しない。何故ならば、その巻き形式から幾何学的な寸法が大きくなるからである。

こうした観点から、コアに巻装した低圧側の一次巻線の外周に絶縁層を介して高圧側の二次巻線を巻き重ねた高周波高圧変圧器において、次の構成を有するものが提案されている（特許文献２）。
（イ）上記二次巻線を電気的直列方向に複数に分割するとともに、それらの分割巻線をそれぞれリング状乃至鍔状でかつ共通の形態を備えたハニカムコイルに形成する。
（ロ）各ハニカムコイルの外周部を隣接するハニカムコイルの内周部へ順次直列接続して、一連の巻線とし、当該巻線の一端側を接地することで、ハニカムコイルの内周部を低電位態勢とする(内周部と一次巻線との間の電位差を小さくし絶縁層を薄くするため）。

特開平５−１２９１４０ 特開２００９−１１７６２６ 特開２０００−１７３８４０ 特開２０００−１２４０３６

特許文献２の高周波高圧変圧器は、ハニカムコイルの長所を活かして分布容積を低減しているが、複数段のハニカムコイルを直列方向に配置することになるため、その直列方向の高圧側において、周囲の電子要素との間で放電を生ずる可能性がある。この放電を回避するためには、上記特許文献２では開示していないが、出願人は、本願図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すような変圧器を想定して、複数段のハニカムコイル２６の高圧側に大きくスペース（絶縁距離）Ｗをとることを考えた。

しかしながら、高圧側に大きくスペースをとる場合には、ハニカムコイルを均一に巻線すると、入力と出力との結合係数が小さくなり、リーケージインダクタンスが大きく、効率を下げることになった。

高周波高圧変圧器の分野においては、近年では電源の小型軽量化を指向する傾向があり、また周波数を５０/６０Ｈｚから２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚへと上げてきたため、その高周波化に対応した鉄心が開発されてきた。ＰＱコア（例えば特許文献３参照）やポットコア（特許文献４参照）は、コイルを包み込む如き形状をしているために、漏れ磁束が少なく高効率化に対応している。その反面、当該形状のコアとコイルとの間での絶縁対策が必要となり、先に述べた問題点が顕著になった。

本発明の第１の目的は、漏れ磁束の少ないコアの形状に適応した、ハニカムコイルの構造を含む高周波高圧変圧器を提案することである。
本発明の第２の目的は、二次巻線を、それぞれ複数のハニカムコイルを含む２つの二次巻線部分とし、２つの二次巻線部分の互いに接する端部に設けた高圧用端子から反対側の端部に設けた低圧側の端部に向かって、各ハニカムコイルの巻き数が大となるようにすることで二次巻線の両側に大きな絶縁スペースをとらなくても絶縁性が確保でき、リーケージインダクタンスを小さくできる高周波高圧変圧器を提供することである。

第１の手段は、
第１コア部と、
第１コア部の周りに巻装した低圧側の一次巻線と、
一次巻線の外周に絶縁層を介して巻き重ねた高圧側の二次巻線とを具備し、
この二次巻線を、直列的に接続される複数の分割巻線に分割するとともに、各分割巻線をハニカムコイルで形成してなる高周波高圧変圧器において、
上記二次巻線は、それぞれ直列的に連続する複数のハニカムコイルを含む２つの二次巻線部分で構成され、
これら二次巻線部分の相互に接する端部を、高電位用接続端部を兼ねる第１端部とし、また２つの二次巻線部分の反対側の各端部を、低電位用接続端部を兼ねる第２端部として、
上記２つの二次巻線部分は、一方の二次巻線部分を正巻きに、他方の二次巻線部分を逆巻きにそれぞれ形成するとともに、
筒軸方向を第１端部側から第２端部側に向かうに従って各二次巻線部分のハニカムコイルの巻き数が増加するように形成した。

本手段は、図５及び図６に示すように、二次巻線２０を、直列的に接続される複数のハニカムコイル２６Ａ…で形成するタイプの高周波高圧変圧器において、二次巻線を、それぞれ複数のハニカムコイルを含む正巻きの二次巻線部分２０ｎ及び逆巻きの二次巻線部分２０ｒで形成し、さらに筒軸方向Ｏを第１端部２２側から第２端部２４側へ向かうに従って巻き数が増大するように構成することを提案する。これにより最も外側のハニカムコイル２６Ａとコアとの垂直方向の絶縁距離Ｗを小さくすることができる。図示例では各ハニカムコイルの内周部を外周部と比べて低電位態勢となるようにハニカムコイルを結線している。

第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
上記第１コア部と第１コア部の外周面から一定の距離を存する第２コア部との対応する各端部を、連結ブリッジを介して連結してコア材を構成し、
第１コア部と第２コア部との間隙内に上記第一巻線及び第２巻線を収納するとともに、
上記第一巻線は、上記二次巻線を挟む内外２重の筒状のコイル部からなるサンドイッチ構造であって、内側コイル部と外側コイル部とを電気的に接続するとともに、内側コイル部と二次巻線との間、及び二次巻線と外側コイル部との間にそれぞれ絶縁層を介在させて、第二巻線を内包するように設け、
さらこの第一巻線を第二巻線とともに上記第１コア部及び第２コア部との間の間隙に収納した。

本手段では、コア材２として、例えば図１に示す一次巻線１２及び二次巻線２０を内外両側からはさみ込むタイプのもの（ＰＱコアやポットコア）を用いることを提案する。

第３の手段は、第２の手段を有し、かつ
一次巻線の内側コイル部から二次巻線までの距離、及び、一次巻線の外側コイル部から二次巻線までの距離が、筒軸方向を各第２端部側から第１端部側へ近づくに従って大となるように構成した。

本手段では、図６の如く、一次巻線の内側コイル部から二次巻線までの距離Ｖ_１ａ、Ｖ_１ｂ、Ｖ_１ｃ…及び、一次巻線の外側コイル部から二次巻線までの水平方向の絶縁距離Ｖ_２ａ、Ｖ_２ｂ、Ｖ_２ｃ…が、筒軸方向を各第２端部側から第１端部側へ近づくに従って大となるように構成した。

第１の手段及び第２の手段に係る発明によれば、二次巻線を、２つの二次巻線部分で構成し、２つの二次巻線部分の相互に接する端部に高電位用の第１端子を、二次巻線部分の反対側の端部に低電位用の２次端子をそれぞれ形成し、筒軸方向を第１端子側から第２端子へ向かうに従って、各二次巻線のハニカムコイルの巻き数が増加するから、ハニカムコイルと周囲の電子要素（第２の手段にあっては連結ブリッジ）との放電を防止できる。
第３の手段に係る発明によれば、筒軸方向を低電位用の第２端部から高電位用の第１端部へ向かうに従って、ハニカムコイルの巻き数が小さくなることに伴い、一次巻線の内側コイル部乃至外側コイル部から二次巻線までの距離が大となるようにしたから、両者の間の絶縁効果を高めることができる。

本発明の高周波高圧変圧器の底面図である。 図１の高周波平面図の一部を切り欠いた正面図である。 図２の状態から外部絶縁層を除去して示す高周波高圧変圧器の正面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ方向に示す高周波高圧変圧器の横断面図である。 図１のＶ−Ｖ方向に示す高周波高圧変圧器の縦断面図である。 図５の一部拡大断面図である。 図１のＶＩＩ−ＶＩＩ方向に示す高周波高圧変圧器の縦断面図である。 図１の高周波高圧変圧器の回路図である。 本発明の高周波高圧変圧器と対比するための参考例（従来公知のハニカムコイルに公知のコアを適用した場合を想定した例）を示しており、図９Ａは正面方向から見た参考例の縦断面図、図９Ｂは側方から見た参考例の縦断面図である。

図１から図８は、本発明の第１の実施形態に係る高周波高圧変圧器を示している。この高周波変圧器は、コア材２と、巻線機構１０とで構成されている。

コア材２は、図４に示す如く、垂直棒状の第１コア部４と、この第１コア部４の周面との間に一定の間隙Ｇを存して、当該周面の一部又は全部と向かい合う第２コア部６と、これら第１コア部４及び第２コア部６を連結する連結ブリッジ８とで構成されている。

図示のコア材２は、ＰＱコアタイプであり、一つの第１コア部４と、一対の第２コア部６を含み、第１コア部４の上下両端部を、図５に示す如く、第２コア部の対応する端部に連結ブリッジ８で連結している。従来公知のようにコア材を、分離可能な上下２つのパーツに形成することができる。また、コア材２をポットコアとして構成してもよい。

上記第２コア部６は、第１コア部４の両側に位置しており、かつ、第２コア部６の内周面は、図４に示すように、第１コア部４の表面と同心状の円弧面に形成している。

巻線機構１０は、一次巻線１２及び二次巻線２０を含む、全体として筒状の構造物であり、第１コア部４及び第２コア部６の間隙Ｇを通るように構成されている。好適な実施例として、一次巻線及び二次巻線をモールド樹脂Ｍで覆って一体化することができる。図１及び図４では、二次巻線の構造をよく示すために、モールド樹脂を透明に描いている。

上記一次巻線１２は、図７の如く、二次巻線２０をはさむ内側コイル部１２ａと外側コイル部１２ｂとで２重筒状に形成されており、さらに両コイル部を連結線１２ｃで電気的に連結してなる。内側コイル部１２ａの内周面及び外周面、並びに外側コイル部１２ｂの内周面及び外周面はそれぞれ絶縁層１６で覆われている。絶縁層１６は例えば絶縁紙で形成することができる。内側コイル部１２ａは第１コア部４の外周面に、また外側コイル部１２ｂは第２コア部６の内周面に、それぞれ絶縁層１６を介して近接している。

上記外側コイル部には、後述の二次リード線を挿通するための窓部１４を設ける。窓部１４は二次リード線の径より大径として絶縁距離を確保している。また二次リード線の挿通孔を除く部分は内外の絶縁層１６で覆っている。

上記二次巻線２０は、図５に一点鎖線で囲って示す、正巻きの二次巻線部分２０ｎと、逆巻きの二次巻線部分２０ｒとで構成する。図７に示す如く、２つの二次巻線部分の互いに接する端部は、第１端部２２として、上記窓部１４を介して挿入する１本の第１端部用二次リード線３０Ａに接続する。また２つの二次巻線部分の反対側の端部は第２端部２４として、２本の第２端部用二次リード線３０Ｂにそれぞれ接続する。

図８は、一次巻線１２及び二次巻線２０を含む本願高周波変圧器の回路図を示している。上述の第２端部用二次リード線３０Ｂはそれぞれ接地されており、正巻きの二次巻線部分２０ｎ及び逆巻きの二次巻線部分２０ｒのうち二次リード線３０Ｂと接続する第２端部２４は、第１端部２２に対して低電位となっている。

この構成によれば、二次巻線２０を、正巻きの二次巻線部分２０ｎと、逆巻きの二次巻線部分２０ｒとで構成したので、一次側への交流電圧の入力により、一次巻線１２及び二次巻線２０を貫く磁束が発生したときに、図７に白矢印又は黒矢印で示す如く、正巻きの二次巻線部分２０ｎと逆巻きの二次巻線部分２０ｒとに反対向きの起電力が作用する。

図示例において、二次巻線２０の上下両端の高さは一次巻線１２の上下両端の高さに対応しており、両者の巻線面積は同じであるから、後述の図９の参考例と比較して、１次入力側との結合面積は大である。

正巻きの二次巻線部分２０ｎ及び逆巻きの二次巻線部分２０ｒは、それぞれ複数のハニカムコイル２６Ａ、２６Ｂ，２６Ｃ…に分割されている。各ハニカムコイルは、図５の右半図に点線で示すように、略リング板状に形成されている。各二次巻線部分のハニカムコイル２６Ａ…の個数は同じであり、第１端部２２からの順位が同じであるハニカムコイル２６Ａ…の寸法、巻き数は同じとすることが好適である。これらハニカムコイル２６Ａ…は、図７の右半図に示すように、各ハニカムコイルの内周部と隣りのハニカムコイルの外周部とを電気的に順次連結して、直列接続する。

各二次巻線部分のハニカムコイルは、筒軸方向Ｏを第１端部２２側から第２端部２４側に向かうに従って巻き数が多く、かつ大径になるものとする。この構成によれば、第１端部２２に比べて第２端部２４を低電位圧態勢とすることにより（例えば図８に示すように第２端部２４を接地させることにより）、ハニカムコイル２６Ａ…の巻き数及び径は、高電位側から低電位側に向かうに従ってそれぞれ大となる。換言すれば、図６に示すように、各ハニカムコイル２６Ａ…と一次巻線１２の外側コイル部１２ｂとの間の水平方向の絶縁距離Ｖ_１ａ,Ｖ_１ｂ…、及び、各ハニカムコイル２６Ａ…と一次巻線１２の内側コイル部１２ａとの水平方向の絶縁距離Ｖ１ａ,Ｖ１ｂ…は、次式に示すように低圧側から高圧側へ向かうに従ってそれぞれ大となる。
［数式１］Ｖ_１ａ＜Ｖ_１ｂ＜Ｖ_１ｃ＜Ｖ_１ｄ＜Ｖ_１ｅ
［数式２］Ｖ_２ａ＜Ｖ_２ｂ＜Ｖ_２ｃ＜Ｖ_２ｄ＜Ｖ_２ｅ
これにより、幾何学的寸法の大きいハニカムコイルの特性を利用して、一次巻線１２と二次巻線２０との間の絶縁性能を十分に確保できる。図示例では、各ハニカムコイルについて外側コイル部１２ｂまでの距離と内側コイル部１２ａまでの距離とを等しくしている。

また二次巻線２０の筒軸方向反対側に位置する第２端部側で低電位態勢となるので、二次巻線２０と連結ブリッジ８との間に大きな絶縁距離をとらなくても所要の絶縁性能が確保できる。こうしたコイルの構造及び性能は、ＰＱコアやポットコアの如くコイルを内外両側から包み込む形状のコアに適しており、こうしたコアを採用することで、全体として、ハニカムコイルを利用して分配容量を低減し、ハニカムコイルの巻き数の変化により絶縁性能を確保し、かつＰＱコアなどを採用することでリーケージインダクンスを低減した高周波高圧変圧器を実現することができる。

図９（Ａ）（Ｂ）は、本発明の比較例として、ハニカムコイルを利用した巻線機構に、ＰＱコイルを適用した構造を想定して示している。Ａは一次巻線、Ｂは、ハニカムコイルを含む二次巻線、Ｃはコアである。二次巻線に接続した２次側リード線Ｌの一端ｅ_１側を接地するなどして、他端ｅ_２側を相対的に高電位とする。そうすると高電位側のハニカムコイルとコアとの間に大きな垂直方向の絶縁距離Ｗをとる必要がある。このように絶縁距離をとることで二次巻線Ｂの上端が一次巻線Ａのそれに比べて低くなる。二次巻線Ｂの上端よりも上方の一次巻線部分ａは、二次巻線と向かい合っていないので、その分だけ結合度が低下する。

これに比べて本発明の構成では、垂直方向外側のハニカムコイルを低電位とすることができるので、垂直方向に大きな絶縁距離をとる必要がない。従って図９の参考例の場合に比べて結合度が高い。

２…コア材 ４…第１コア部 ６…第２コア部 ８…連結ブリッジ
１０…巻線機構 １２…一次巻線 １２ａ…内側コイル部 １２ｂ…外側コイル部
１２ｃ…連結線 １４…窓部 １６…絶縁層 １８…第１リード線
２０…二次巻線 ２０ｎ…正巻きの二次巻線部分 ２０ｒ…逆巻きの二次巻線部分
２２…第１端部 ２４…第２端部
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ，２６Ｅ…ハニカムコイル
３０Ａ…第１端部用二次リード線 ３０Ｂ…第２端部用二次リード線
Ａ…一次巻線 ａ…一次巻線部分 Ｂ…二次巻線 Ｃ…コア Ｇ…間隙
Ｌ…２次側リード線
Ｍ…モールド樹脂 Ｏ…筒軸方向 Ｗ…垂直方向絶縁距離

Claims (3)

1. 第１コア部と、
   第１コア部の周りに巻装した低圧側の一次巻線と、
   一次巻線の外周に絶縁層を介して巻き重ねた高圧側の二次巻線とを具備し、
   この二次巻線を、直列的に接続される複数の分割巻線に分割するとともに、各分割巻線をハニカムコイルで形成してなる高周波高圧変圧器において、
   上記二次巻線は、それぞれ直列的に連続する複数のハニカムコイルを含む２つの二次巻線部分で構成され、
   これら二次巻線部分の相互に接する端部を、高電位用接続端部を兼ねる第１端部とし、また２つの二次巻線部分の反対側の各端部を、低電位用接続端部を兼ねる第２端部として、
   上記２つの二次巻線部分は、一方の二次巻線部分を正巻きに、他方の二次巻線部分を逆巻きにそれぞれ形成するとともに、
   筒軸方向を第１端部側から第２端部側に向かうに従って各二次巻線部分のハニカムコイルの巻き数が増加するように形成したことを特徴とする、高周波高圧変圧器。
2. 上記第１コア部と第１コア部の外周面から一定の距離を存する第２コア部との対応する各端部を、連結ブリッジを介して連結してコア材を構成し、
   第１コア部と第２コア部との間隙内に上記第一巻線及び第２巻線を収納するとともに、
   上記第一巻線は、上記二次巻線を挟む内外２重の筒状のコイル部からなるサンドイッチ構造であって、内側コイル部と外側コイル部とを電気的に接続するとともに、内側コイル部と二次巻線との間、及び二次巻線と外側コイル部との間にそれぞれ絶縁層を介在させて、第二巻線を内包するように設け、
   さらにこの第一巻線を第二巻線とともに上記第１コア部及び第２コア部との間の間隙に収納したことを特徴とする、請求項１記載の高周波高圧変圧器。
3. 一次巻線の内側コイル部から二次巻線までの距離、及び、一次巻線の外側コイル部から二次巻線までの距離が、筒軸方向を各第２端部側から第１端部側へ近づくに従って大となるように構成したことを特徴とする、請求項２記載の高周波高圧変圧器。