JP5500352B2

JP5500352B2 - トランス

Info

Publication number: JP5500352B2
Application number: JP2010034939A
Authority: JP
Inventors: 亨伊藤; 美成細川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP2011171577A

Description

本発明は、電力線通信用のパルストランスに関するものである。

新規配線が不要な通信方式として電力線通信（ＰｏｗｅｒＬｉｎｅＣｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＰＬＣ）が注目されている。特に欧州では１００ｋＨｚ以下の比較的低周波を利用して、広域での各家庭の電力使用量を計測し、データを収集するシステムが稼動しつつある。
電力線通信は、電力線にデータ信号（パルス信号）を重畳させることによって行われる。電力線とトランスを介してデータの送受がなされるため、前記トランスには、電力線側とデータ信号側との間の絶縁、更には磁心と電力側コイルとの絶縁を十分確保する必要がある。また、信頼性高くデータを送受できる特性として、高調波歪が低いことが求められている。
更には、前記計測は、電力使用量以外に、ガス使用量等、他の計測にも利用できるような共通したシステムに展開されようとしている。このため、計測装置自体の小型化が進みつつあり、それに応じた構成部品の小型化が要求されている。

特許文献１には、高電圧側（電力線側）コイルと低電圧側（データ信号側）コイル間の絶縁、更には磁心と高電圧側（電力線側）コイル間との絶縁を確保するために、高電圧側（電力線側）コイルに三層絶縁電線を使用したトランスが提案されている。
図４、図５に特許文献１に記載されている実施例を示す。低電圧側（データ信号側）コイル７と高電圧側（電力線側）コイル６間の絶縁には三層絶縁電線１４を使用することで確保し、高電圧側（電力線側）コイル６の端子８と磁心２間の絶縁は、前記三層絶縁電線１４の使用及び、端子８と磁心２間の沿面距離と空間距離により確保されている。

特開２００８−２５８２５０号公報

しかし、前記高電圧側（電力線側）コイルに三層絶縁電線を使用した場合、電線の絶縁層が３層と厚くなるため、ボビンにコイルを巻回した際、中心の導線が細いと断線する恐れがある。そのため、導線の強度を確保するため、導線径としての一定以上の線径が必要となる。つまり、コイルに流れると想定される電流値に対して、必要以上の線径（断面積）を採用せざるを得ず、小型化に限界があった。
また、高電圧側（電力線側）コイルの所望のインダクタンスを得るためのターン数が必要であるが、絶縁層が厚いため、巻回のピッチが大きくなり、小型化に限界があった。

更に、コイルの末端は端子に接続されるが、三層絶縁電線のコイル末端で導線を露出させる場合、絶縁被覆が厚いため、導線に傷などの欠陥を発生しないように絶縁被覆を除去するためには専用の工具が必要であり、大きな工数を発生していた。更に、前記絶縁被覆の除去作業のばらつきによって端子への接続不良が発生していた。

そこで、発明者は、前記問題点を鑑み、電力線通信用のパルストランスにおいて、小型化が可能で、コイル末端の端子への接続信頼性が高いトランスを提供することを目的とする。

発明者は、トランスの高電圧側コイル及び低電圧側コイルの絶縁電線の組み合わせを検討することにより、コイル間及びコイルと磁心間の絶縁特性に優れ、小型化が容易で、かつコイル末端の導線露出処理が容易なトランスを見出したものである。

つまり、本発明は、底面を有する樹脂製カップ状開口ケース内側に、磁心にボビンを介して、同心に巻回された高電圧回路に接続される高電圧側コイルと、低電圧回路に接続される低電圧側コイルとを有し、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に前記高電圧側コイル端部と低電圧コイル端部がそれぞれ接続される端子が設けられているトランスであって、高電圧側コイルが付加絶縁機能を有する二層絶縁電線で構成され、低電圧側コイルが基礎絶縁機能を有する一層絶縁電線で構成され、前記ボビンに巻回された高電圧側コイルは、低電圧側コイルに挟まれて位置することを特徴とするトランスである。

また、前記磁心中央部にギャップを有することを特徴とするトランスである。また、前記高電圧側コイルと前記低電圧側コイルとは、前記ボビンと前記樹脂製カップ状開口ケースとの間を通って、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に引き出され、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース開口部までの距離に比べて、ケース底面までの距離が小さくなるように配置されていることを特徴とするトランスである。また、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース底板の側面部に配置されていることを特徴とするトランスである。また、前記樹脂製カップ状開口ケースの側面肉厚が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とするトランスである。

ここで、一層絶縁とは、基礎絶縁（ＢａｓｉｃＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ）と同義であり、二層絶縁とは、付加絶縁（ＳｕｐｌｉｍｅｎｔａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ）と同義であり、三層絶縁とは、強化絶縁（ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ）と同義である。

また、（低圧側コイル：一層絶縁電線、高圧側コイル：二層絶縁電線）の組み合わせでは、低圧側コイルと高圧側コイル間の絶縁において、基礎絶縁（一層絶縁）と付加絶縁（二層絶縁）の両方を合わせた絶縁となり、二重絶縁に相当する。更に、前記二重絶縁は強化絶縁（三層絶縁）と同程度の絶縁に相当する。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
高電圧側コイルを二層絶縁電線にすることで、導線径と絶縁層厚さを合計した線径を細くすることができる。その結果、峡ピッチでコイルを巻回できることから、所望のインダクタンスを得るための、高電圧側コイルと低電圧側コイルをあわせたコイル全体の断面積及び長さをより小さくすることができるようになる。
また、前記コイル全体の断面積が小さくできることで、磁心の断面積を大きくするが可能となり、より少ないコイルの巻回数で所望のインダクタンスを得ることができる。

更に、二層絶縁電線及び一層絶縁電線では、末端の電線露出処理において、端子部分に接続するための半田付け時の熱により絶縁被覆は熱分解または気化により容易に除去することができる。このため、信頼性の高い半田付け接続が可能となる。

また、磁心中央部にギャップを容易に形成することができ、直流重畳特性が改善され、高調波歪が改善される。特に、２倍高調波の抑制効果が大きい。

また、カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース開口部までの距離に比べて、ケース底面までの距離が小さくなるように配置されていることで、高電圧側コイル端子と磁心間、および低電圧側コイル端子と磁心間の沿面距離を大きくすることができ、絶縁耐圧を向上できる。

本発明では、ケース材料やボビン材料は、絶縁材料であれば適宜種々の材料から選定できるものである。耐電圧を超える電圧が印加され、ショートなどが起こっても燃えないようにするため、難燃材仕様にするのが好ましい。
また、高電圧側のコイルは、低電圧側コイルを分割し、分割された低電圧側コイルに挟まれるように配置することで、前記２つのコイルの結合が強くなって好ましい。
コイルから端子まで絶縁電線を引き出す部分では、引き出し部分とコイル部分との絶縁をより確実にするために、引き出し部分とコイル部分との間にポリイミドフィルム、硫化ポリフェニレンサルファイドフィルム、ＰＥＴフィルムなどを挟むのが好ましい。
また、高圧側コイルと低圧側コイル間の絶縁をより確実にするため、高圧側コイルと低圧側コイルが隣接する境界に前述のフィルムを設けるのが好ましい。
磁心として、Ｍｎ系、またはＮｉ系フェライトはプレス成形後焼成によって作製されるため、形状の自由度が高く、安価であり好ましい。
磁心のギャップ間隔は、所望のインダクタンスと直流重畳特性によって適宜設定することができるが、作製時に再現性良くギャップ形成するには、０．０１ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは０．０３ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下である。０．１ｍｍを超えるとインダクタンスの減少が著しく好ましくない。
樹脂製ケースの側面肉厚は機械的強度と絶縁耐圧を確保するために０．４ｍｍ以上が好ましい。また、小型化のためは１．０ｍｍ以下が好ましい。
樹脂製カップ状開口ケースは、必要に応じて、開口部の形状、底面の形状、側面部の形状、端子形成部分の形状、等決定されるものである。

本発明は、底面を有する樹脂製カップ状開口ケース内側に、磁心にボビンを介して、巻回された高電圧回路に接続される高電圧側コイルと、低電圧回路に接続される低電圧側コイルとを有し、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に前記高電圧側コイル端部と低電圧コイル端部がそれぞれ接続される端子が設けられているトランスであって、高電圧側コイルが二層絶縁電線で構成され、低電圧側コイルが一層絶縁電線で構成されていることを特徴とするトランスである。
また、前記磁心中央部にギャップを有することを特徴とするトランスである。
また、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース開口部までの距離に比べて、ケース底面までの距離が小さくなるように配置されていることを特徴とするトランスである。
また、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース底板の側面部に配置されていることを特徴とするトランスである。
また、前記樹脂製カップ状開口ケースの側面肉厚が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とするトランスである。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に述べる。以下に記載のＭｎＺｎフェライトコア材料は、日立金属株式会社製のＭＴ３０Ｄ（初透磁率μｉ＝３，０００）を使用した。
（実施例１）
磁心にギャップは形成せずに、直流重畳電流値Ｉｄｃ＝１００ｍＡ時の高圧側及び低圧側コイルのインダクタンスＬを８００μＨになるようにトランスを設計、作製した。
高圧側コイルと低圧側コイルの巻線比は１：１であるため、両者のインダクタンスは同じとなる。
図１に斜視図を、図２に断面概略図を示す。実施例１では図２における磁心２の中央部ギャップ１０は形成していない。
トランスの外形寸法は、１４．０ｍｍ×１４．０ｍｍ、高さ７．０ｍｍ（端子部分は含まず）であり、ケースの内側の寸法は、１３．０ｍｍ×１３．０ｍｍ、高さ５．５ｍｍである。底面１２の厚さは１．５ｍｍであり、側面１１の厚さは０．５ｍｍである。
ケース及びボビンはジアリルフタレート樹脂製である。一層絶縁電線及び二層絶縁電線は、いずれも古河電線株式会社製で導線外径は０．１ｍｍである。その周りに、一層絶縁電線では厚さ０．０７ｍｍの絶縁被覆がされており、外径は０．１７ｍｍとなっている。二層絶縁電線では厚さ０．１３ｍｍの二層絶縁被覆がされており、外径は０．２３ｍｍとなっている。
一層絶縁電線及び二層絶縁電線からなるコイルの２末端を端子に接続する際、半田付け時の加熱により絶縁被覆は除去されることから、特に絶縁被覆を除去する作業を行うことなく、端子に半田付けした。
図３の実施例１に直流重畳特性を示す。実施例１では磁心にギャップを形成していないため、直流重畳電流Ｉｄｃが増加するとインダクタンスＬが低下しているが、Ｉｄｃ＝０のインダクタンスＬ値は、後述する比較例（ギャップ無し）と比べると、部品形状が、横が２ｍｍ、高さが５．５ｍｍ小さいにも関わらず、インダクタンスＬ値は、３，０００μＨと大きい値が得られている。
実施例１のトランスを１，０００ヶ作製し、一層絶縁電線からなるコイルの２端に接続された２端子間、及び二層絶縁電線からなるコイルの２端に接続された２端子間、の直流抵抗をそれぞれ測定して、端子にコイルが確実に接続されているかを確かめた結果、異常値のものは無かった。
次に作製した１，０００ヶの内任意の１０ヶについて、１分間交流電圧印加での絶縁破壊が起こらない絶縁耐圧を調べた。その結果、高圧側コイル端子と磁心、高圧側コイル端子と低圧側コイル端子間の絶縁耐圧が、いずれも６．０ｋＶであることを確認した。

（実施例２）
実施例１と同様に、直流重畳電流値Ｉｄｃ＝１００ｍＡ時の高圧側及び低圧側のコイルのインダクタンスＬを８００μＨになるようにトランスを設計、作製した。
図１に斜視図を、図２に断面概略図を示す。実施例２では、図２において磁心２の中央部に０．０３ｍｍのギャップ１０（空隙）が形成されている。
トランスの外形寸法は、１４．０ｍｍ×１４．０ｍｍ、高さ７ｍｍ（端子部分は含まず）であり、ケースの内側の寸法は、１３．０ｍｍ×１３．０ｍｍ、高さ５．５ｍｍである。底面１２の厚さは１．５ｍｍであり、側面１１の厚さは０．５ｍｍである。
ケースとボビンは実施例１と同一の材質である。一層絶縁導線及び二層絶縁導線は実施例と同一仕様のものである。
図３の実施例２に直流重畳特性を示す。実施例２では磁心にギャップを形成しているため、直流重畳電流Ｉｄｃ値、０〜１８０ｍＡの範囲で、インダクタンスＬはほぼ一定の値（７００〜８００μＨ）が得られ、優れた直流重畳特性であることがわかる。
実施例２のトランスを１，０００ヶ作製し、一層絶縁電線からなるコイルの２端に接続された２端子間、及び二層絶縁電線からなるコイルの２端に接続された２端子間、の直流抵抗をそれぞれ測定して、端子にコイルが確実に接続されているかを確かめた結果、異常値のものは無かった。
次に作製した１，０００ヶの内任意の１０ヶについて、１分間交流電圧印加での絶縁破壊が起こらない絶縁耐圧を調べた。その結果、高圧側コイル端子と磁心、高圧側コイル端子と低圧側コイル端子間の絶縁耐圧が、いずれも６．０ｋＶであることを確認した。

（比較例）
特許文献１を参考にして、実施例１、２と同様に直流重畳電流値Ｉｄｃ＝１００ｍＡ時の高圧側及び低圧側のコイルのインダクタンスＬが８００μＨになるようにトランスを設計、作製した。コイルにはＵＥＷ線及び三層絶縁電線を用いてトランスを作製した。
トランスの外形寸法は、１４．０ｍｍ×１２．０ｍｍ、高さ１２．５ｍｍ（端子部分は含まず）であり、実施例１、２に比べて大きい。ケースの内側の寸法は、１３．２ｍｍ×１１．２ｍｍ、高さ１０．５ｍｍである。底面１４の厚さは２．０ｍｍであり、側面１２，１３の厚さは０．４ｍｍである。
ケースとボビンは実施例１と同一の材質である。三層絶縁電線は、古河電線株式会社製で導線外径は０．２ｍｍであり、絶縁被覆を含めた外径は０．４ｍｍである。
三層絶縁電線からなるコイルの末端は専用工具で絶縁被覆を除去した。前記除去作業は１末端当たり５秒を要した。その後、端子に半田付けにより接続した。ＵＥＷ線からなるコイルの末端は、半田付け時の加熱により絶縁被覆は除去されることから、絶縁被覆を除去することなく、端子に半田付けした。
図３の比較例に直流重畳特性を示す。比較例では磁心にギャップを形成していないため、直流重畳電流Ｉｄｃが増加するとインダクタンスＬが低下している。Ｉｄｃ＝０ｍＡのインダクタンスＬ値は、１２００μＨであるが、Ｉｄｃ＝１８０ｍＡでは、Ｌ＝３００μＨに低下している。
比較例のトランスを１，０００ヶ作製し、ＵＥＷからなるコイルの２端に接続された２端子間、及び三層絶縁電線からなるコイルの２端に接続された２端子間、の直流抵抗をそれぞれ測定して、端子にコイルが確実に接続されているかを確かめた結果、ＵＥＷからなるコイルの２端子間では異常値は認められなったが、三層絶縁電線からなるコイルの２端子間では、４ヶにおいて直流抵抗が、それぞれ３倍、５倍、６倍、１０倍と高いもの、３ヶにおいて直流抵抗が不安定なものがあった。これらについて、端子でのコイル接続状態を調べたところ、三層絶縁電線の被覆が一部残存していて、端子と導線の半田付けが確実になされていないことが分かった。このことは、専用の工具で三層絶縁電線からなるコイルの末端の絶縁被覆を除去しても、確実に除去すべき絶縁被覆を完全に除去することは非常に困難であることを示している。
次に作製した１，０００ヶの内任意の１０ヶについて、１分間交流電圧印加での絶縁破壊が起こらない絶縁耐圧を調べた。その結果、高圧側コイル端子と磁心、高圧側コイル端子と低圧側コイル端子間の絶縁耐圧が、いずれも６．０ｋＶであることを確認した。

以上、実施例１、２及び比較例の外形寸法と絶縁耐圧の比較表を表１に示す。
外形寸法に関して、実施例１、２では、比較例に比べて、縦×横×高さが、横は２．０ｍｍ増加しているが、高さが５．５ｍｍ小さくなっている。よって、体積では、比較例が２，１００ｍｍ^３であるのに対して、実施例１、２では１，３７２ｍｍ^３となり、約３５％小型化できていることが分かる。
絶縁耐圧に関して、実施例１、２及び比較例において、同等であることが分かる。このことは、（低圧側コイル：ＵＥＷ線、高圧側コイル：三層絶縁電線）（比較例）の組み合わせと、（低圧側コイル：一層絶縁電線、高圧側コイル：二層絶縁電線）（実施例１、２）の組み合わせで同等の絶縁耐圧が確保されているといえる。

本発明実施例１、２のトランスの斜視図本発明実施例１、２のトランスの概略断面図トランスの直流重畳特性を示す図従来のトランスの斜視図従来のトランスの概略断面図

１樹脂製カップ状開口ケース
２磁心
３ボビン
４二層絶縁電線
５一層絶縁電線
６高電圧側コイル
７低電圧側コイル
８高電圧コイル端子
９低電圧コイル端子
１０ギャップ
１１ケース外側面
１２ケース底面
１３トランス

Claims

底面を有する樹脂製カップ状開口ケース内側に、磁心にボビンを介して、同心に巻回された高電圧回路に接続される高電圧側コイルと、低電圧回路に接続される低電圧側コイルとを有し、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に前記高電圧側コイル端部と低電圧コイル端部がそれぞれ接続される端子が設けられているトランスであって、
高電圧側コイルが付加絶縁機能を有する二層絶縁電線で構成され、低電圧側コイルが基礎絶縁機能を有する一層絶縁電線で構成され、
前記ボビンに巻回された高電圧側コイルは、低電圧側コイルに挟まれて位置することを特徴とするトランス。
前記磁心中央部にギャップを有することを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記高電圧側コイルと前記低電圧側コイルとは、前記ボビンと前記樹脂製カップ状開口ケースとの間を通って、前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に引き出され、
前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース開口部までの距離に比べて、ケース底面までの距離が小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトランス。
前記樹脂製カップ状開口ケースの外側面に設けられた高電圧側コイルと低電圧コイルの端部がそれぞれ接続される端子は、ケース底板の側面部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のトランス。
前記樹脂製カップ状開口ケースの側面肉厚が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のトランス。