JP6793877B1

JP6793877B1 - 電力変換装置用磁性部品

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Publication number: JP6793877B1
Application number: JP2020512054A
Authority: JP
Inventors: 大斗水谷; 貴昭 ▲高▼原; 森　修; 修森; 英治平木; 和弘梅谷; 知秀白川; 涼村田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: WO2021074996A1; JPWO2021074996A1

Abstract

磁性コア（１）に巻線（２１、２２）が複数層巻回され、巻線層の間に配置されている磁性材料（３１）は、巻線層から、少なくとも巻線（２１、２２）の幅だけ突出して配置されており、巻線（２１、２２）が巻回されている磁性コア（１）から生じる磁束の巻線（２１、２２）への影響を抑制できる。

Description

本願は、電力変換装置用磁性部品に関するものである。

交流電力を直流電力に変換する電力変換回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）、および直流電力を絶縁しつつ所望の直流電力に変換する電力変換回路（絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータ）には、リアクトルまたはトランス等の磁性部品を構成要素として含んでいる。
近年、絶縁形コンバータを例にとると、磁性部品である、共振用リアクトルと絶縁トランスとの役割を１つの磁性コアに統合する検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１９３９７７号公報

特許文献１に記載の磁性部品である集積装置は、磁性コアに巻回された、表面に銅層を有する第一のフレキシブル基板と、第一のフレキシブル基板の最外周面を囲むように磁性コアに巻回された、表面に銅層を有する第二のフレキシブル基板と、第一のフレキシブル基板と第二のフレキシブル基板との間に介在させた磁性材料の層と、を有するように構成されている。

しかし、特許文献１のように、磁性材料の層とフレキシブル基板とを重ねて巻回すると、フレキシブル基板の端部と磁性コアとの距離が短くなる。このとき、磁性コアから生じる磁束がフレキシブル基板端部の銅層に接触することで、渦電流による近接効果が発生する。これにより、巻線損失（銅損）が増加し、電力変換効率の低下、または磁性部品の熱暴走を招くという問題があった。

本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、磁性コアから生じる磁束による近接効果の発生を防止する電力変換装置用磁性部品を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置用磁性部品は、磁性コア、前記磁性コアに巻線が層状に巻回されてなる複数の巻線層、複数の巻線層のそれぞれの層の間に配置された磁性材料、を備え、磁性材料は、巻線層から、少なくとも巻線の幅だけ突出して配置されており、磁性材料の厚みを、巻線が巻回されている磁性コアからの距離に応じて調節することを特徴とする。

本願に開示される電力変換装置用磁性部品によれば、磁性コアから生じる磁束による巻線への影響を抑制できる。

実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態１に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の簡易等価回路図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の別の簡易等価回路図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の別の簡易等価回路図である。実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の別の断面図である。

以下本願に係る電力変換装置用磁性部品について、図面を参照して説明する。なお、図面および以下の説明において、同一または同様の構成要素を示す場合には、同一の符号を付すものとする。また、１次巻線２１、２次巻線２２、磁性材料３１、把持具４等の図中の符号は、一部にしか付していないが、該当する全てを示しているものとする。

実施の形態１．
[必要構成の説明]
本願の電力変換装置用磁性部品を、絶縁トランスを例に説明する。図１は、絶縁トランスの斜視図であり、磁性コア１、磁性コア１に巻回する１次巻線２１、磁性コア１に巻回する２次巻線２２から構成される。

絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、低損失なスイッチング手法であるソフトスイッチングを用いて動作させる際、通常、絶縁トランスとは別に共振用のリアクトル（共振リアクトル）が必要となる。しかし、共振リアクトルを追加することなく、１つの絶縁トランスのみで構成するにあたって、磁性コア１のギャップを増加する他、巻線を巻回することに加えて、磁性材料を巻回することが考えられる。

図２は、図１の切断面１０を矢印方向からみた際に得られる絶縁トランスの断面図である。磁性コア１に層状に巻回した１次巻線２１、２次巻線２２の間に、磁性材料３１を設けている。また、磁性材料３１の幅を、磁性コア１に巻回する１次巻線２１の範囲、および磁性コア１に巻回する２次巻線２２の範囲のいずれからも突出するように配置される。これにより、磁性コア１に対する１次巻線２１と２次巻線２２の距離が大きくなり、磁性コア１から生じる磁束が巻線に接触して発生する近接効果の影響を低減できる。この結果、近接効果による巻線損失（銅損）の上昇を抑制することができ、インダクタンスの増大を低損失に行うことができる。これにより、電力変換装置の効率低下または磁性部品の熱暴走を招くことなく、共振リアクトルの代替となる所望のインダクタンス値を得ることが可能となる。

図２の構成は、１次巻線２１と２次巻線２２が磁性コア１に生じさせる磁束のうち、１次巻線２１と２次巻線２２が巻回する磁性コア１に発生する磁束の方向に対して、同一方向に磁性材料３１の磁束を生成することを可能にしている。これにより、磁性材料３１に鎖交する磁束を増加させることができ、インダクタンスの増大が可能となる。

なお、磁性材料３１が、１次巻線２１と２次巻線２２が巻回する範囲のいずれかを突出する範囲ｔ１、ｔ２は、１次巻線２１および２次巻線２２を構成する巻線１つ分以上の幅を磁性材料３１の両側に設けることが望ましい。磁性材料３１の突出する範囲が大きければ大きいほど、１次巻線２１、２次巻線２２に及ぼし得る近接効果の影響は少なくなる。突出する範囲ｔ１、ｔ２は同じ幅でなくてもよく、巻線が巻回された磁性コア１からの距離により幅を変えても良い。

磁性コア１の材料には、珪素鋼鈑、圧粉磁心（ダスト系）、フェライト、ナノ結晶などの材料、または任意の透磁率を有する材料を用いてもよく、特定の磁性コア材料に限らないことは言うまでもない。また、１次巻線２１および２次巻線２２には、リッツ線または丸銅線を用いても良く、特定の線材に限らないことは明らかである。また、磁性材料３１の材料には、磁性コア１と同様に、特定の磁性材料に限らないことは言うまでもない。さらに、磁性材料３１は、実施の形態１ではシート状材料で説明するが、磁性コア１に巻回できるものであれば、形状に限定されない。

[把持具の説明]
図３は、磁性材料３１の突出部を覆わないようにするため、巻線を把持する把持具４を有した電力変換装置用磁性部品の断面図である。把持具４は、振動などの外乱により１次巻線２１と２次巻線２２の位置が磁性コア１の近傍までずれ、図２で示した突出する範囲ｔ１、ｔ２を維持できないことを抑制するために配置される。これにより、外乱の有無にかかわらず、近接効果の影響による銅損悪化を防ぐことが可能となり、磁性部品の低損失特性の確度を向上できる。

把持具４は、図４に示すように、磁性材料３１と一体にして形成してもよく、磁性材料３１の一部として形成してもよい。これらの形成を行うことで、前述の通り巻線の位置のずれを抑制できることに加えて、より大きなインダクタンス値を確保することができる。また、別途把持具４を配置する必要が無いため、電力変換装置用磁性部品を構成するための部品数を低減することができる。

また、１次巻線２１と２次巻線２２が磁性コア１に巻回する範囲が、図３または図４に示すように１次巻線２１と２次巻線２２がそれぞれ層状に巻回されるとき、把持具４は、それぞれの巻線層の端部に接触して挿入されるか、端部と一体化して構成して設けてもよい。ここで、巻線層の端部と一体化して構成する手法として、巻線層を形成するときに、液状の樹脂など巻線層の端部まで流入させた後に固形化させるといった手法が想定され得る。

また、図３に示すように、把持具４の長さＤｉを含めた１次巻線２１と２次巻線２２のそれぞれの巻線層の幅（複数の巻線の合計の幅）Ｄｗが、磁性材料３１の幅Ｄｓと略同一になるように形成される。つまり、式１の条件を満たせばよい。

[磁性材料のケース分け]
次に、磁性材料３１を挿入するパターンについて述べる。１次巻線２１と２次巻線２２が、図２および図３のように磁性コア１の中央脚に巻回する際、磁性コア１の中央脚に対して磁性材料３１の位置が近いほど磁束もしくは電流が密に集中し、磁性コア１の中央脚に対して磁性材料３１の位置が遠いほど磁束もしくは電流は疎となる。このため、磁性材料３１の厚みもしくは磁性材料３１を構成する複数の磁性シートの枚数が固定である場合、各磁性材料３１に流入する磁束もしくは電流が均等に分配されずにばらつきが生じ、磁性コア１の中央脚に対して近い磁性材料３１ほど損失が集中することが考えられる。

そこで、図５に示すように、磁性コア１の中央脚に対して近い磁性材料３１の厚みを大きくする、または磁性材料３１を構成する磁性シートの枚数を増やす。そして、磁性コア１の中央脚に対して遠い磁性材料３１の厚みを小さくする、または磁性材料３１を構成する磁性シートの枚数を減らす。このように磁性コア１の巻線が巻回されている中央脚からの距離に比例して磁性材料３１の厚みもしくは磁性シートの枚数を調整する構成により、挿入される各磁性材料３１に流入する磁束もしくは電流を均等に分配することが可能となる。これにより、特定の磁性材料３１に磁束集中もしくは電流集中を発生させることなく、低損失にインダクタンスを生成することができる。なお、磁性材料３１の厚みのみ、もしくは磁性材料３１を構成する磁性シートの枚数のみを調整しても良いし、厚みと枚数を両方調整しても良い。

また、磁性材料３１の厚みもしくは枚数を変えずに、図６に示すように、磁性材料３１の透磁率を異ならせて構成しても良い。ここで、磁性材料の透磁率が高いほど鎖交する磁束が増加し、大きなインダクタンスを得ることができる。このため、磁性コア１の巻線が巻回されている中央脚に対して近い部分に透磁率の高い第１の磁性材料３１ａを挿入し、中央脚に対して遠い部分に第２の磁性材料３１ｂを挿入することで、各磁性材料に磁束集中もしくは電流集中を発生させることなく、低損失にインダクタンスを生成することができる。ここで、透磁率の異なる磁性材料は、上述の２種類だけに限らず、それ以上の種類の磁性材料を用いて構成しても良い。さらに、１つの磁性材料に複数の透磁率を有したものを用いても良い。この場合、磁性コア１の巻線が巻回される中央脚に対して近いほど透磁率を低く、中央脚に対して遠くなることに従い透磁率が高くなるように磁性材料３１を形成すればよい。

なお、上述したものを組み合わせて、磁性材料３１の厚みと透磁率、もしくは磁性材料３１を構成する磁性シートの枚数と透磁率、もしくは磁性材料３１の厚みと磁性材料３１を構成する磁性シートの枚数と透磁率のすべてを調整しても良いことは言うまでもない。

[巻き方の説明]
１次巻線２１と２次巻線２２は、図２から図６に示すように、１次巻線２１と２次巻線２２が磁性コア１をそれぞれ巻回して形成される磁気経路の同一部分を、交互に巻回して互いに重なり合うように配置された巻線層によって構成される。この巻き方は、一般的にサンドイッチ巻き、またはインターリーブ巻きと称されるものである。このように１次巻線２１と２次巻線２２を磁性コア１に対して巻くことにより、結合度を高めることができ、漏洩インダクタンスを低減できる。これにより、電力変換装置のスイッチング素子が高周波で駆動する際に、高次成分に当たる巻線抵抗の高周波成分を抑制することができるため、銅損低減が可能となる。

また、１次巻線２１から構成される１次巻線層と２次巻線２２から構成される２次巻線層の少なくとも１つは、巻線の巻始めに巻線を引き出す必要があるため、１重の巻線か、もしくは図７に示すようにアルファ巻きにより巻回される２重の巻線により形成される。１重の巻線にすることで、巻線長さを低減し、銅損を抑制することができる。また、アルファ巻きを適用することで、各巻線の引出線の距離が短くなり、配線の引き回しを容易にすることが可能となる。さらに、アルファ巻きの場合、巻線の幅が半減し、巻線層の間の磁界強度がおよそ２倍となり、インダクタンス値を増加させることができる。

磁性材料３１は、１次巻線２１から構成される１次巻線層と、２次巻線２２から構成される２次巻線層の少なくとも一方と接する表面において、絶縁性を有するものであっても良い。これにより、各巻線層と磁性材料３１との電気的接触を抑制することができる。なお、磁性材料３１に絶縁材５を混在させたものを用いても良いし、図８のように、別体で絶縁テープまたは絶縁シートなどの絶縁材５を挿入しても良い。また、各巻線層の両端および磁性材料３１の両端に絶縁性を設けるために、ボビンを設けても良い。

[その他応用の説明]
実施の形態１では、１次巻線と２次巻線を有する絶縁トランスを用いて説明したが、３次巻線または４次巻線を有する多巻線絶縁トランスであっても良い。また、絶縁トランスはフルブリッジ方式トランスまたはセンタータップ方式トランスのような極性非反転型のものであっても良いし、フライバック方式トランスのような極性反転型のものであっても良い。

また、リアクトルであっても良い。例えば、磁性コア１の窓面積に対して巻線の占積率が過多な場合、隙間に磁性材料３１を挿入して磁気経路を追加することで、より大きなインダクタンス値を得ることが可能となる。なお、リアクトルの場合、巻線は１次巻線、２次巻線などの区別はないが、磁性材料３１の挿入方法、および巻線の巻き方については、上述した絶縁トランスの場合と同様の手法を取ることができる。

実施の形態２．
本願の実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品について、図面を参照して説明する。なお、実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品の構成は、実施の形態１で述べたものと概ね同様であるため、構成の詳細な説明は繰り返さない。なお、実施の形態２においても、絶縁トランスを例に説明する。

実施の形態２に係る電力変換装置用磁性部品は、１次巻線２１と２次巻線２２の巻き方に応じて磁性材料３１の厚みと枚数を調整し、各巻線に流入する電流もしくは磁束のばらつきを抑制する手法について説明する。

各巻線の巻き方のパターンとして、１次巻線２１を並列に接続し、かつ２次巻線２２を並列に接続する第１のパターンと、１次巻線２１を直列に接続し、かつ２次巻線２２を並列に接続する第２のパターンと、１次巻線２１を並列に接続し、かつ２次巻線２２を直列に接続する第３のパターンが存在する。なお、１次巻線２１を直列に接続し、かつ２次巻線２２を直列に接続するパターンでは、１次側と２次側のいずれの巻線も直列の関係であるため、電流分配性に非平衡が生じない。

[第１のパターン（１次巻線並列、２次巻線並列）の説明]
１次巻線２１を並列に接続し、かつ２次巻線２２を並列に接続した場合について説明する。具体的には、図９に示すように、１次巻線２１を３並列、２次巻線２２を２並列にした場合を想定して説明する。なお、各巻線の並列数がこれに限らないことは言うまでもない。なお、このときの断面図は、図１０に示す通りであり、磁性コア１の中央脚に対して最も近い１次巻線層を第１の１次巻線層２１１、次に近い１次巻線層を２１２、最も遠い１次巻線層を２１３とし、磁性コア１の中央脚に対して近い側の２次巻線層を第１の２次巻線層２２１、遠い側の２次巻線層を第２の２次巻線層２２２とする。

ここで、公知文献１（T.Shirakawa, G.Yamazaki, K.Umetani, E.Hiraki, “Extremum co-energy principle for analyzing AC current distribution in parallel-connected wires of high frequency power inductors,” Proc. International Conf. on Electrical Machines and Systems (ICEMS2016), pp.1-6, Nov.2016.）の中で述べられている通り、磁気随伴エネルギ極値の原理（Extremum Co-Energy Principle）を用いることで、以下の式２に挙げる磁気随伴エネルギが極値となるとき、各巻線層に通流する電流が均等に分配されることがわかっている。

式２中のμ０は磁性材料３１の比透磁率と真空透磁率を乗算したものであり、ｈは式３に示すようにアンペールの法則から得られる各巻線層間の磁界強度であり、Ｖは各巻線層の体積であり、巻線層間の距離ｄと比例の関係にある。また、式３中のＮは巻き数、Ｉは電流、ｗは磁性コア１の窓面の幅、もしくは把持具４の幅と巻線層の幅との和からなる長さである。なお、絶縁トランスの１次巻線の巻数をＮ_１、２次巻線の巻数をＮ_２と定義する。また、各巻線層間の体積を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４とそれぞれ定義し、各巻線層間の距離を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４とそれぞれ定義する。

なお、各巻線層間には、磁性材料３１と絶縁材５を含み、磁性材料３１の表面に絶縁性を有している場合は、磁性材料３１の厚みを変更することで巻線層間の距離を調整することが可能となる。前提条件として、磁気随伴エネルギは巻線層間にのみ発生するものと近似し、各巻線層を形成する巻線長の差異は考慮しないものとする。

図９に示すように、絶縁トランスの１次側電流をＩ_ｐ、２次側電流をＩ_ｓと定義する。また、第１の１次巻線層２１１、第２の１次巻線層２１２、第３の１次巻線層２１３に通流する電流をそれぞれｉ_ｐ１、ｉ_ｐ２、ｉ_ｐ３と定義し、第１の２次巻線層２２１、第２の２次巻線層２２２に通流する電流をそれぞれｉ_ｓ１、ｉ_ｓ２と定義する。このとき、式４と式５が成立する。

さらに、式４と式５を用いて、起磁力の関係性から、式６と式７が成立する。

これらの式から、第１のパターンにおける磁気随伴エネルギは、式８のように表すことができる。

上述の磁気随伴エネルギ極値の原理から、各巻線層への電流分配率が均等になる各巻線層間の距離を導出するために、ラグランジュの未定乗数法を適用すると、式９のように表すことができる。式９中のλ_１とλ_２はラグランジュ乗数であり、Ｅ’はラグランジュの未定乗数法を用いることで表される磁気随伴エネルギである。

式９について、式１０のようにｉ_ｐ１、ｉ_ｐ２、ｉ_ｐ３、ｉ_ｓ１、ｉ_ｓ２、λ_１、およびλ_２で偏微分した時の値がゼロとなるとき、磁気随伴エネルギ極値の原理から、各巻線層への電流分配率が均等となる。

式１０が成立するときの各電流は、式１１〜式１５に示すようにそれぞれ表される。

式１１〜式１５より、ｉ_ｐ１＝ｉ_ｐ２＝ｉ_ｐ３、かつｉ_ｓ１＝ｉ_ｓ２となるときの各巻線層間の体積Ｖ_１〜Ｖ_４は、Ｖ_１＝１とすると、Ｖ_２＝Ｖ_３＝２、Ｖ_４＝１となる。各巻線層間の距離は、上述したように各巻線層間の体積と比例関係にあるため、ｄ１をａとすると、ｄ２＝ｄ３＝２ａ、ｄ４＝ａとなる。

これらのことから、図１０に示すように、各巻線層間の距離は、磁性コア１の中央脚に対して近い側から、ａ、２ａ、２ａ、ａとなる。このため、これらの関係になるように磁性材料３１のみの厚み、もしくは磁性材料３１と絶縁材５それぞれの厚みを調整することで、各巻線層に通流する電流を均等に分配することが可能となる。

[第２のパターン（１次巻線直列、２次巻線並列）の説明]
次に、１次巻線２１を直列に接続し、かつ２次巻線２２を並列に接続した場合について説明する。具体的には、図１１に示すように、１次巻線２１を５直列、２次巻線２２を４並列にした場合を想定して説明する。なお、各巻線の直列数と並列数がこれに限らないことは言うまでもない。なお、このときの断面図は、図１２に示す通りであり、磁性コア１の中央脚に対して最も近い１次巻線層から、第１の１次巻線層２１１、第２の１次巻線層２１２、第３の１次巻線層２１３、第４の１次巻線層２１４、第５の１次巻線層２１５とし、磁性コア１の中央脚に対して近い側の２次巻線層から、第１の２次巻線層２２１、第２の２次巻線層２２２、第３の２次巻線層２２３、第４の２次巻線層２２４とする。

また、各巻線層間の体積を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_５、Ｖ_６、Ｖ_７とそれぞれ定義し、各巻線層間の距離を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６、ｄ７とそれぞれ定義する。第１のパターンと同様に、前提条件として、磁気随伴エネルギは巻線層間にのみ発生するものと近似し、各巻線層を形成する巻線長の差異は考慮しないものとする。

図１１と図１２に示すように、絶縁トランスの１次側電流をＩ_ｐ、２次側電流をＩ_ｓと定義する。また、第１の１次巻線層２１１から第５の１次巻線層２１５に通流する電流ｉ_ｐと定義し、第１の２次巻線層２２１、第２の２次巻線層２２２、第３の２次巻線層２２３、第４の２次巻線層２２４に通流する電流をそれぞれｉ_ｓ１、ｉ_ｓ２、ｉ_ｓ３、ｉ_ｓ４とそれぞれ定義する。このとき、式１６と式１７が成立する。

これらの式から、第１のパターンと同様に、第２のパターンにおける磁気随伴エネルギは、式１８のように表すことができる。

第１のパターンと同様に、ラグランジュの未定乗数法を適用すると、式１９のように表すことができる。

式１９について、式２０のようにｉ_ｐ、ｉ_ｓ１、ｉ_ｓ２、ｉ_ｓ３、ｉ_ｓ４、λ_１、およびλ_２で偏微分した時の値がゼロとなるとき、磁気随伴エネルギ極値の原理から、各巻線層への電流分配率が均等となる。

式２０が成立するときの各電流は、式２１〜式２５に示すようにそれぞれ表される。

式２１〜式２５より、ｉ_ｓ１＝ｉ_ｓ２＝ｉ_ｓ３＝ｉ_ｓ４となるときの各巻線層間の体積Ｖ_１〜Ｖ_８は、Ｖ_１＝ｏ、Ｖ_３＝ｐ、Ｖ_４＝ｑ、Ｖ_６＝ｒ、Ｖ_８＝ｓとすると、Ｖ_２＝３ｐ、Ｖ_５＝ｑ、Ｖ_７＝３ｒとなる。各巻線層間の距離は、上述したように各巻線層間の体積と比例関係にあるため、ｄ１＝ａ、ｄ３＝ｂ、ｄ４＝ｃ、ｄ６＝ｄ、ｄ８＝ｅとすると、ｄ２＝３ｂ、ｄ５＝ｃ、ｄ７＝３ｄとなる。

これらのことから、図１２に示すように、各巻線層間の距離は、磁性コア１の中央脚に対して近い側から、ａ、３ｂ、ｂ、ｃ、ｃ、ｄ、３ｄ、ｅとなる。このため、これらの関係になるように磁性材料３１のみの厚み、もしくは磁性材料３１と絶縁材５それぞれの厚みを調整することで、各巻線層に通流する電流を均等に分配することが可能となる。

[第３のパターン（１次巻線並列、２次巻線直列）の説明]
次に、１次巻線２１を並列に接続し、かつ２次巻線２２を直列に接続した場合について説明する。具体的には、図１３に示すように、１次巻線２１を４並列、２次巻線２２を３直列にした場合を想定して説明する。なお、各巻線の直列数と並列数がこれに限らないことは言うまでもない。なお、このときの断面図は、図１４に示す通りであり、磁性コア１の中央脚に対して最も近い１次巻線層から、第１の１次巻線層２１１、第２の１次巻線層２１２、第３の１次巻線層２１３、第４の１次巻線層２１４とし、磁性コア１の中央脚に対して近い側の２次巻線層から、第１の２次巻線層２２１、第２の２次巻線層２２２、第３の２次巻線層２２３と定義する。

また、各巻線層間の体積を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_５、Ｖ_６とそれぞれ定義し、各巻線層間の距離を、磁性コア１の中央脚に対して近い側からｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６とそれぞれ定義する。第１のパターンと同様に、前提条件として、磁気随伴エネルギは巻線層間にのみ発生するものと近似し、各巻線層を形成する巻線長の差異は考慮しないものとする。

図１３と図１４に示すように、絶縁トランスの１次側電流をＩ_ｐ、２次側電流をＩ_ｓと定義する。また、第１の１次巻線層２１１から第４の１次巻線層２１４に通流する電流ｉ_ｐ１、ｉ_ｐ２、ｉ_ｐ３、ｉ_ｐ４と定義し、第１の２次巻線層２２１から第３の２次巻線層２２３に通流する電流をｉ_ｓと定義する。このとき、式２６と式２７が成立する。

これらの式から、第１のパターンと第２のパターンと同様に、第３のパターンにおける磁気随伴エネルギは、式２８のように表すことができる。

第１のパターン、および第２のパターンと同様に、ラグランジュの未定乗数法を適用すると、式２９のように表すことができる。

式２９について、式３０のようにｉ_ｐ１、ｉ_ｐ２、ｉ_ｐ３、ｉ_ｐ４、ｉ_ｓ、λ_１、およびλ_２で偏微分した時の値がゼロとなるとき、磁気随伴エネルギ極値の原理から、各巻線層への電流分配率が均等となる。

式３０が成立するときの各電流は、式３１〜式３５に示すようにそれぞれ表される。

式３１〜式３５より、ｉ_ｐ１＝ｉ_ｐ２＝ｉ_ｐ３＝ｉ_ｐ４となるときの各巻線層間の体積Ｖ_１〜Ｖ_６は、Ｖ_１＝ｏ、Ｖ_３＝ｐ、Ｖ_６＝ｑとすると、Ｖ_２＝３ｏ、Ｖ_４＝ｐ、Ｖ_５＝３ｑとなる。各巻線層間の距離は、上述したように各巻線層間の体積と比例関係にあるため、ｄ１＝ａ、ｄ３＝ｂ、ｄ６＝ｃとすると、ｄ２＝３ａ、ｄ４＝ｂ、ｄ５＝３ｃとなる。

これらのことから、図１４に示すように、各巻線層間の距離は、磁性コア１の中央脚に対して近い側から、ａ、３ａ、ｂ、ｂ、３ｃ、ｃとなる。このため、これらの関係になるように磁性材料３１のみの厚み、もしくは磁性材料３１と絶縁材５それぞれの厚みを調整することで、各巻線層に通流する電流を均等に分配することが可能となる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：磁性コア、４：把持具、５：絶縁材、２１：１次巻線、２２：２次巻線、３１：磁性材料、２１１：第１の１次巻線層、２１２：第２の１次巻線層、２１３：第３の１次巻線層、２１４：第４の１次巻線層、２１５：第５の１次巻線層、２２１：第１の２次巻線層、２２２：第２の２次巻線層、２２３：第３の２次巻線層、２２４：第４の２次巻線層

Claims

磁性コア、
前記磁性コアに巻線が層状に巻回されてなる複数の巻線層、
前記複数の巻線層のそれぞれの層の間に配置された磁性材料、
を備え、
前記磁性材料は、前記巻線層から、少なくとも前記巻線の幅だけ突出して配置されており、
前記磁性材料の厚みを、前記巻線が巻回されている磁性コアからの距離に応じて調節することを特徴とする電力変換装置用磁性部品。
前記磁性材料は１または複数のシートで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用磁性部品。
磁性コア、
前記磁性コアに巻線が層状に巻回されてなる複数の巻線層、
前記複数の巻線層のそれぞれの層の間に配置された磁性材料、
を備え、
前記磁性材料は、前記巻線層から、少なくとも前記巻線の幅だけ突出して配置されており、
前記巻線層は１次巻線による第１の巻線層および２次巻線による第２の巻線層を含み、
前記１次巻線および前記２次巻線の巻き方に応じて巻線に流入する電流もしくは磁束のばらつきを抑制するように前記磁性材料の厚みを調整することを特徴とする電力変換装置用磁性部品。
磁性コア、
前記磁性コアに巻線が層状に巻回されてなる複数の巻線層、
前記複数の巻線層のそれぞれの層の間に配置された磁性材料、
を備え、
前記磁性材料は、前記巻線層から、少なくとも前記巻線の幅だけ突出して配置されており、
前記磁性材料の透磁率を、前記巻線が巻回されている磁性コアからの距離に応じて調整することを特徴とする電力変換装置用磁性部品。
前記磁性材料が突出している部分を前記巻線が覆わないように把持する把持具を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。
磁性コア、
前記磁性コアに巻線が層状に巻回されてなる複数の巻線層、
前記複数の巻線層のそれぞれの層の間に配置された磁性材料、
を備え、
前記磁性材料は、前記巻線層から、少なくとも前記巻線の幅だけ突出して配置されており、
前記磁性材料が突出している部分を前記巻線が覆わないように把持する把持具を有し、
前記把持具は、前記磁性材料と一体として形成されていることを特徴とする電力変換装置用磁性部品。
前記把持具は、前記磁性材料の一部であることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記巻線層の端部に接触するように前記把持具が配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記巻線層の端部と一体化して前記把持具が構成されていることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記巻線層と前記把持具の長さの和が前記磁性材料の幅と同一であることを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記巻線が巻回されている磁性コアに発生する磁束の方向に対して、同一方向に前記磁性材料の磁束を生成することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記磁性材料は、前記巻線層と接する両方の表面において絶縁性を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。
前記複数の巻線層は、１次巻線による複数の第１の巻線層および２次巻線による複数の第２の巻線層を含み、前記第１の巻線層と前記第２の巻線層の少なくとも１つは、１重の巻線、もしくはアルファ巻により巻回される２重の巻線により形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置用磁性部品。