JP6239478B2 - トランス構造 - Google Patents

Description

本発明は、トランス構造に関し、特に電気自動車やプラグインハイブリッド車に用いられるＤＣＤＣコンバータに用いられるトランス構造に関する。

２次側巻線電流が大きいトランスの場合の構成方法として、特許文献１（特開２００２-２３７４１６号公報）のように大電流容量の平板状巻線を用いることが知られている。その場合、巻線の引出し易さや、トランスとしての物理的寸法制約から、平板状の巻線の主面は、巻軸に対して略垂直方向を向くように配置される場合がほとんどである。この方法では、トランスの使用温度範囲を拡大する為にトランスの発熱を抑える場合や、電流容量を更に増す場合には、導体抵抗を減らすため、板状巻線の断面積を増やすことが必要となる。しかし、巻線体積を増やすことが必然となるため、トランス外形に少なからず影響を与え、導体厚を増せば高さが大きくならざるを得ず、また導体幅を増せば幅が大きくならざるを得ない。

また、巻線を流れる電流は交流電流であり、表皮効果の影響を受ける。平板状巻線は、内周側径と外周側径が異なる為、巻線内径側の距離と巻線外径側の距離が異なる。これに起因し、導体表面層を流れる交流電流の巻線内の電流分布は、巻線内径側と巻線外径側で、必ずしも一様にはならず、距離の短い内周側において交流抵抗が低く、電流が多く流れ、距離の長い外周側において交流抵抗が高く電流が少ない傾向となる。

この電流分布を加味し、かつ断面積を増やす場合、効果的なのは内周側の表面積を増やすことであり、即ち導体厚を増す方向の対応が必要になるが、この場合はトランスの高さが増してしまう。

特開２００２-２３７４１６号公報

本発明の課題は、トランスの大型化を抑制しながら、交流抵抗の低減を図ることである。

上記課題を解決するために本発明に係るトランス構造は、コアと、巻線枠と、前記コアを巻き回す１次側巻線と、前記コアを巻き回す２次側巻線を構成する板状巻線と、 を備え、前記板状巻線は、主面の垂直方向が前記２次側巻線の巻軸と平行な第１導体部と、当該第１導体部と繋がり前記板状巻線の内周側に設けられる第２導体部と、を有し、前記第２導体部は、前記２次側巻線の巻軸方向において、前記第１導体部よりも厚みが大きい。

これにより、交流抵抗が低い内周側の表面積を拡大することが可能となり、交流抵抗を効果的に低減することができる。第２導体部の追加により、板状巻線交流抵抗を効果的に低減しつつ、板状巻線の断面積を拡大することが可能となるので、トランス外形を同一とした場合は、２次巻線の導体損失を低減でき、発熱を抑制できる。或いは、第２導体部の追加により、板状巻線の断面積において、内周部に設けた第二導体部で増加する分を、外周部方向から差し引くことができ、即ち板状巻線の断面積を保ったまま、第１導体部主面の幅を縮小することが可能となるので、トランス外形の縮小が可能となる。

本発明より、トランスの大型化を抑制しながら、交流抵抗の低減することができる。

本実施形態に係るトランスの展開斜視図である。 上側がトランス１００の上面図であり、下側が断面ＡＡの矢印方向から見た断面図である。 図２の部分Ｂの拡大断面図である。 ２次巻線に平銅板を用いた場合の交流電流分布図である。 本実施形態に係る２次巻線２０１を用いた場合の交流電流分布図である。 他の実施形態に係るトランス１０１であって、上側がトランス１０１の上面図であり、下側が断面ＡＡの矢印方向から見た断面図である。 図６の部分Ｂの拡大断面図である。 他の実施形態に係るトランス１０２であって、第２導体部２５８近傍の断面図を示す。 他の実施形態に係るトランス１０３の展開斜視図である。 第２導体部２５６及び第２導体部３５６の近傍の拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面によって説明する。

図１は、本実施形態に係るトランス１００の展開斜視図である。図２は、上側がトランス１００の上面図であり、下側が断面ＡＡの矢印方向から見た断面図である。図３は、図２の部分Ｂの拡大断面図である。

コアは、上部コア２００Ａと下部コア２００Ｂにより構成される。上部コア２００Ａ及び下部コア２００Ｂは、中央に円筒磁脚２５０Ａ及び円筒磁脚２５０Ｂがそれぞれ配置され、その両側に２本の磁脚２５１Ａと磁脚２５２Ａ及び磁脚２５１Ｂと磁脚２５２Ｂがある、いわゆるＰＱタイプコアである。

２次巻線２０１は、平板状の導体で構成されており、本実施形態では１ターンで構成される。なお、２次巻線２０１の両端は回路接続の為に、円環状の巻線部２５５の一端２５３及び円環状の巻線部２５５の他端２５４が、トランス１００中心から外側に向かって延長・屈曲して、巻線部２５５と同一部材で引き出されている。
２次巻線２０１は、トランス１００の高さを抑えるため、巻線部２５５の主面の垂直方向Ｐが巻軸方向Ｗと平行となるように配置されている。

巻線部２５５は、第１導体部として定義される。この第１導体部（巻線部２５５）の内周部に、巻軸方向Ｗと略平行な方向に屈曲した第２導体部２５６が設けられる。第２導体部２５６は、巻軸方向Ｗと略平行な方向に延びる円筒形状を為す。これにより巻軸方向Ｗにおいて、第２導体部２５６は、第１導体部（巻線部２５５）よりも大きく形成される。言い換えると、２次巻線２０１の内周部で厚みが大きく形成されている。

１次巻線２０２は、２次巻線２０１と同一巻軸であって、ボビン２０３に巻回されている。ボビン２０３は、上部コア２００Ａ及び下部コア２００Ｂと１次巻線２０２及び２次巻線２０１の絶縁確保のため、さらに１次巻線２０２と２次巻線２０１の絶縁確保のために設けられる。またボビン２０３は、２次巻線２０１を固定するための凹凸部が設けられている。

本実施形態の背景、さらに本実施形態に係る第１導体部（巻線部２５５）と第２導体部２５６による作用について以下に説示する。

トランス１００にはその構成上、避け得ない損失として、磁気的損失であるコア損失（鉄損）と、巻線導体の導通損失（銅損）が存在し、両者はそのほとんどが熱に変換される。本実施形態は後者の銅損を低減する効果を主眼としたもので、特に２次巻線２０１の導体損失を低減することによって、発熱を抑制するとともに小型化を図り、体積あたりの電力密度を上げることを目的とする。

２次巻線２０１として、効果的に銅損を低減する手段として、板状の巻線を用いる手法が採用される。具体的には平らな銅板等であり、これは省スペースで、巻線電流に応じた必要断面積が容易に確保しやすく、また巻線作業が容易であり、またプレス加工で加工性が容易といった複数の利点があるためである。

しかし、動作時において交流電流が２次巻線２０１に通過する場合には、表皮効果により導体表面に交流電流が集中するため、平銅板一本で構成した場合は導体損失が増加しやすい。また、平銅板では必然的に巻線内周側と外周側でその伝導距離に差が発生せざるを得ず、結果、交流抵抗が内周側で低く、外周側で高くなる。

図４は、２次巻線に平銅板を用いた場合の交流電流分布図である。図４に示されるように、交流電流は内周側で大きく、外周側で小さいことが明確である。２次巻線として、効果的に銅損を低減するには、内周側における断面積を大きくし、表面積を拡大するのが効果的といえる。

これを実現する手段としてもっとも簡単な方法は、平銅板全体の厚みを増して、断面積を増しつつ、内周側においても表面積を増すことであるが、平銅板全体の厚みを増すことは、交流抵抗の大きな外周側も厚くなり効率的ではなく、トランス全体の高さを増すことにつながるとともに、コストの増加や加工性低下といった問題を誘発する。

そこで本実施形態においては、２次巻線２０１である板状巻線は第１導体部（巻線部２５５）と第２導体部２５６を有し、第１導体部はその主面の垂直方向が２次巻線２０１の巻軸方向Ｗと平行になるように配置する。さらに、第２導体部２５６は、板状である第１導体部の交流電流分布の大きい内周側において、第１導体部と繋がるように構成する。第２導体部２５６は巻軸方向に、第１導体部より厚みが大きくなるように構成する。

このように構成することで、交流抵抗の大きい外周側は厚みを変えることなく、交流抵抗の小さい内周側においてのみ、効果的に表面積を拡大することが可能となり、即ち、交流抵抗を効果的に低減することができるので、２次巻線２０１の導通損失（銅損）低減が可能となる。

この作用により、以下の効果を期待できる。
効果の一つは、トランス１００の発熱抑制できる効果である。図５は、本実施形態に係る２次巻線２０１を用いた場合の交流電流分布図である。円環外周径を変えずに、巻線内周側の厚みを増した例では、円環状巻線部の内周側表面積の拡大と断面積増加が同時に達成できる。このため、図４の場合より更に導体損失の低減が可能となる。
なお、第２導体部２５６が巻軸方向Ｗに平行な方向に延伸させかつトランス１００の中央に近い側に形成されることにより、トランス１００の高さに影響を与えず実現できる。即ち、円環状の巻線部２５５の円環外周径を変えない場合には、トランス１００の外形形状を保ったまま、導体損失を低減できるので、トランス１００の発熱を低減することが可能となる。

他の効果としては、トランス１００を小型化できる効果である。図５に示すごとく、巻線部２５５の断面積が同一でも、交流抵抗減少分が直流抵抗減少分を上回り、効果的に減少する特性を持つ為、円環外周径を小さくでき、板状巻線の主面の幅が小さくできる。即ち、円環巻線部の外周径（即ち２次巻線２０１外形）を小さくしても、導体抵抗を低減できるため、図１に示す如くトランス外形形状を小さくすることが可能となる。

なお、第２導体部２５６の加工は、本実施形態のような筒状形状であれば、巻線内周側の打抜き部分を余分に確保しておき、プレス加工および絞り加工で形成すればよいので、打ち抜き部分が減るのみで材料・工法的コスト負担は少なくて済む。当然、異なる加工法であっても、同様形状を実現できるのであればかまわない。
図６は、他の実施形態に係るトランス１０１であって、上側がトランス１０１の上面図であり、下側が断面ＡＡの矢印方向から見た断面図である。図７は、図６の部分Ｂの拡大断面図である。

本実施形態は、巻線部２５５の内周側部分の延伸方向を、トランス１０１外形側に向かって延伸する場合を示したものである。つまり第２導体部２５７は、延伸方向を、トランス１０１外形側に向かって延伸した場合であり、この場合も導体損失の低減効果は得られ、発熱は抑制できる。

図８は、他の実施形態に係るトランス１０２であって、第２導体部２５８近傍の断面図を示す。本実施形態においては、第２導体部２５８は、巻線部２５５の上面よりも上方に突出する突出部２５８Aと、巻線部２５５の下面よりも下方に突出する突出部２５８Bと、を設ける。これにより、板状巻線の内周部で厚みが大きい構成とし、導体損失が低減し、発熱が抑制できる。

図９は、他の実施形態に係るトランス１０２の展開斜視図である。図１０は、第２導体部２５６及び第２導体部３５６の近傍の拡大断面図である。

これまでの実施形態と異なるところは、巻線３５５が設けられている点である。巻線３５５は、１次巻線２０２を挟んで巻線２５５と対向して配置される。また巻線部３５５はその主面の垂直方向が巻線３５５の巻軸方向Ｗと平行になるように配置する。さらに、第２導体部３５６は、板状である巻線３５５の交流電流分布の大きい内周側において、巻線３５５と繋がるように構成する。第２導体部３５６は巻軸方向に、巻線３５５より厚みが大きくなるように構成する。第２導体部３５６の厚みが大きくなる方向は、巻軸方向Ｗにおいて第２導体部２５６とは反対方向である。

本実施形態の構成により、トランス１０２の高さを増すことなく、２次側の巻線２５５及び巻線３５５の銅損低減手段である、断面積の拡大と、内周側の導体表面積の拡大が可能となり、且つその量は両巻線で略等しく得ることができる。即ち、両巻線で略同量の導体抵抗を低減でき、導体損失の低減が可能となる。
また、第２導体部３５６である筒状部分の延伸を、トランス外形側に向かって延伸する場合は、トランス１０２高さが増加する可能性があり、その延伸長は、トランス１０２外形から制約をうけて自由度は減じるが、導体損失低減作用は確保できるため、トランス１０２発熱抑制の効果は得られる。

なお、第２導体部３５６である筒状部分の加工は、実施例での方法であれば、巻線内周側の打抜き部分を余分に確保しておき、プレス加工および絞り加工で形成すればよいので、打ち抜き部分が減るのみで材料・工法的コスト負担は少なくて済む。異なる加工法であっても、同様形状を実現できるのであれば当然かまわない。

１００…トランス、１０１…トランス、１０２…トランス、２００Ａ…上部コア、２００Ｂ…下部コア、２０１…２次巻線、２０２…１次巻線、２０３…ボビン、２５０Ａ…円筒磁脚、２５０Ｂ…円筒磁脚、２５１Ａ…磁脚、２５１Ｂ…磁脚、２５２Ａ…磁脚、２５２Ｂ…磁脚、２５３…一端、２５４…他端、２５５…巻線部、２５６…第２導体部、２５７…第２導体部、２５８A…突出部、２５８B…突出部、３５５…巻線部

Claims (2)

1. コアと、
   ボビンと、
   前記コアを巻き回す１次側巻線と、
   前記コアを巻き回す２次側巻線を構成する板状巻線と、を備え、
   前記板状巻線は、主面の垂直方向が前記２次側巻線の巻軸と平行な第１導体部と、当該第１導体部と繋がり前記板状巻線の内周側に設けられる第２導体部と、を有し、
   前記第２導体部は、前記２次側巻線の巻軸方向において、前記第１導体部よりも厚みが大きく、かつ前記第１導体部の下面及び前記１次巻線の上面より、下方に突出する突出部を有し、
   前記ボビンは、前記突出部に対応した凹部を有するトランス構造。
2. 請求項１に記載のトランス構造であって、
   前記板状巻線は、前記１次側巻線を挟むように前記第１導体部を２つ設け、
   前記第１導体部のそれぞれは、前記第２導体部と接続されるトランス構造。