JP7114103B2

JP7114103B2 - 高圧トランス

Info

Publication number: JP7114103B2
Application number: JP2020161064A
Authority: JP
Inventors: 守内山; 貢草間; スハルナンシバスンタラン
Original assignee: 株式会社スーリヤ
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-08-08
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN114255978B; JP2022054076A; CN114255978A

Description

本発明は１次巻線に比較的低電圧を入力し、２次巻線に高電圧を出力する高圧トランスに関する。

数１０Ｖ程度の低電圧を数ｋＶ程度の高電圧に昇圧する高圧トランスは高電圧を必要とする様々な電気／電子機器に用いられている。たとえば液晶モニタのバックライト、自動車のヘッドランプ、複写機の光源に用いられる放電灯の点灯装置に高圧トランスが必要である。ところが近年、電子機器の小型化に伴い高圧トランス自体の小型化も要求されている。特に数ｋＶの高電圧を出力する高圧トランスにとって小型化と絶縁性の確保とは両立困難な課題であり、これまでに多くの解決策が提案されてきた。

たとえば、特許文献１に開示された高圧トランスは、高圧側の２次巻線を複数の分割巻線部により構成し、さらに分割巻線部の配置を工夫することで小型化と絶縁性の確保との両立を図っている。

また特許文献２に開示された高圧トランスのボビンは、１次巻線と２次巻線の巻回部を長手方向に２つの領域に分け、２次巻線を複数の仕切り鍔により複数の巻回領域に分割し、各巻回領域での電位差を３００Ｖ以内に設定している。２次巻線を仕切り鍔で分割することにより２次巻線間の絶縁性の向上を図り、コアの外周面に絶縁コーティング処理を施すことによりボビンを肉厚にすることなく巻線高圧側とコアとの短絡を防止している。

さらに特許文献３には、１次巻線の上にクラフト紙等の絶縁膜を巻回し、その絶縁膜の外周に高圧側の２次巻線を巻回して２次側第１層を形成し、以下同様に絶縁膜と２次巻線からなる２次側第２層、第３層・・・を順次形成することで沿面放電発生の防止、すなわち絶縁性の向上を図っている。

特開平１０－１２４５３号公報特開２００９－２９０１６３号公報実開平５－７３９２１号公報

上述した特許文献１および２によれば、棒状コアの周りに１次巻線領域と２次巻線領域とに分けてコイルを巻回し、２次側を複数の仕切り鍔で分割した構成は開示されているものの、分割された２次巻線領域内での巻線間絶縁が考慮されていない。

また特許文献３によれば、コアの周りに１次巻線を巻回し、更にその上に絶縁膜を挟みながら２次巻線を層状に巻回する高圧トランスが開示されているが、２次巻線を鍔部で分割巻回する構造の欠点、すなわち大型化および作業の煩雑化を解消するための考案であり、そもそも分割巻線を前提としていない。

そこで、本発明の目的は、２次側の分割巻線での絶縁性を向上させ、小型で信頼性の高い高圧トランスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による高圧トランスは筒状のコイルボビンの外周が複数の仕切り板により長手方向に１次巻線領域と２次巻線領域とに、さらに２次巻線領域が複数の分割巻線に分割され、隣り合う仕切り板に挟まれた領域に巻回された各分割巻線が所定巻回数ごとに絶縁塗料層を介して巻回される。
本発明の一態様によれば、棒状の軟磁性体コアが貫通した筒状のコイルボビンを有する高圧トランスは、前記コイルボビンの筒部の外周が複数の仕切り板により長手方向に１次巻線領域と２次巻線領域とに分割され、さらに前記２次巻線領域が複数の分割巻線の領域に分割されており、前記複数の分割巻線の各々が所定巻回数ごとに絶縁塗料からなる塗布層を介して巻回され、前記複数の分割巻線により２次巻線が構成されている、ことを特徴とする。これにより、高電圧出力であっても絶縁破壊を防止でき、小型で信頼性の高い高圧トランスを実現できる。
前記コイルボビンの筒部および前記複数の仕切り板は一定の厚さの絶縁性樹脂により形成され得る。これにより絶縁性と製造工程の簡略化が可能となる。
前記塗布層は所定巻回数だけ巻回される毎に巻線の上に高周波ワニスをコーティングすることで形成され得る。ワニスの塗布により形成されるので絶縁紙を用いるよりも製造が容易になり、更に小型化を促進できる。
前記１次巻線領域に１次巻線を２４～４８ターン、前記２次巻線領域に各分割巻線を３５０～５００ターン合計５０００～１００００ターン巻回し、各分割巻線において１００ターン毎に前記塗布層が形成されることができる。また、前記１次巻線の両端に２４～４８Ｖのパルス電圧を入力することで前記２次巻線の両端に４０００～５０００Ｖを出力することができる。このように分割巻線を巻回することで４０００～５０００Ｖの高電圧出力を絶縁破壊なく実現することが可能となる。

本発明によれば２次側の分割巻線での絶縁性を向上させ小型で信頼性の高い高圧トランスを実現できる。

本発明の一実施形態による高圧トランスのコイルボビンのＩ－Ｉ線断面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。本実施形態による高圧トランスにおける２次側分割巻線の巻回層構造の一例を示す拡大断面図である。図２における１つの巻回層の拡大図である。本実施形態による高圧トランスの一例を示す側面図である。本実施形態による高圧トランスを用いた高圧電源回路の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。

１．構成
本発明の一実施形態による高圧トランスは、筒形状のコイルボビンとコイルボビンの筒内に挿入される棒状の軟磁性体コア（フェライトコア）とからなる。以下、コイルボビンに巻回される絶縁銅線（エナメル線）の積層構造について詳細に説明する。

図１に例示するように、本実施形態におけるコイルボビン１００は絶縁樹脂で形成され、長さＬ、厚さｄの筒部１０１と、筒部１０１の外周に高さＨ、厚さｄの複数の仕切り板Ｄ_０～Ｄ_ｎ＋１を有する。筒部１０１の貫通孔１０２は一辺がＨｄの正方形状を有し、そのなかに棒状のコアが配置される。図１では貫通孔１０２の断面が矩形状であるが、これに限定されるものではなく円形の断面であってもよい。

複数の仕切り板Ｄ_０～Ｄ_ｎ＋１のうち間隔ｗｐで隣り合う仕切り板Ｄ_ｎとＤ_ｎ＋１の間が１次巻線領域１０３であり、仕切り板Ｄ_０からＤ_ｎの間が２次巻線領域１０４である。１次巻線領域１０３には１次巻線Ｐが巻回数ｔｐで巻回されている。なお、仕切り板Ｄ_０～Ｄ_ｎ＋１も矩形状でなく円形状であってもよい。

２次巻線領域１０４は仕切り板Ｄ_１～Ｄ_ｎ－１により更に分割され、間隔ｗｓで隣り合う仕切り板Ｄ_ｉ－１とＤ_ｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）の間に分割巻線Ｓ_ｉが巻回されている。分割巻線Ｓ_ｉは、前段の分割巻線Ｓ_ｉ－１から仕切り板Ｄ_ｉ－１の渡り溝を通してエナメル線を引き継いで巻回され、以下同様にして続く分割巻線Ｓ_ｉ＋１から分割巻線Ｓ_ｎまで順次巻回される。分割巻線Ｓ_ｉの巻回数をｔｄターンとすれば、２次巻線領域１０４の合計巻回数ｔｓは（ｔｄ×ｎ）ターンとなる。

たとえば、コイルボビン１００の長さＬは１００～１５０ｍｍ程度、間隔ｗｐは５ｍｍ程度、１次側巻回数ｔｐは２４～４８ターン程度、２次側巻回数ｔｓは５０００～１００００ターン程度、分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄは３５０～６００ターン程度である。次に任意の分割巻線Ｓ_ｉの積層巻回構造について図２および図３を参照しながら詳細に説明する。

２．積層巻回構造
図２に例示するように、巻回数ｔｄの分割巻線Ｓｉは仕切り板Ｄｉ－１とＤｉの間に筒部１０１上の底面から所定巻回数ｔｄｄ毎に絶縁塗料層Ｖを介して順次巻回されるが、エナメル線は前段の分割巻線Ｓｉ－１から仕切り板Ｄｉ－１の渡り溝１０５を通して引き継がれ、側面の絶縁層１０６により絶縁保護された状態で低面まで導かれる。絶縁層１０６は前段から引き継いだエナメル線と分割巻線Ｓｉとの間の電位差による絶縁破壊を防止するために設けられる。絶縁１０６には絶縁テープを用いることができる。

図３に例示するように、巻回数ｔｄの分割巻線Ｓ_ｉは所定巻回数ｔｄｄ毎に絶縁塗料層Ｖを介して巻回される。絶縁塗料層Ｖは液状の絶縁樹脂を塗布することで形成され、一例として高周波ワニスを用いる。以下、隣り合う仕切り板Ｄ_ｉ－１とＤ_ｉの間隔ｗｓ＝５ｍｍ、仕切り板Ｄの高さＨを６．７５ｍｍ、巻線に使用するエナメル線の直径φｃを０．１６ｍｍ、各層の所定巻回数ｔｄｄを略１００ターン、分割巻線Ｓ_ｉの合計巻回数ｔｄを略５００ターンとして、具体的な巻回手順について説明する。

まず最下層の巻線をｔｄｄ＝略１００ターンだけ巻回すると、その表面に高周波ワニスを塗布し、それを乾燥させて高周波ワニス塗布層Ｖ１を形成する。続いて、高周波ワニス塗布層Ｖ１の上に巻線を同じくｔｄｄ＝略１００ターンだけ巻回し、その表面に高周波ワニスを塗布し、それを乾燥させて高周波ワニス塗布層Ｖ２を形成する。以下同様に略１００ターンの巻線ごとに高周波ワニス塗布層Ｖを形成しながら、所定の合計巻回数ｔｄになるまで積層巻回工程を繰り返す。同様の積層巻回工程が２次側の全ての分割巻線Ｓ_ｉで繰り返されることで２次巻線が形成される。各分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄ＝５００ターンとすれば１００ターンごとに４層の高周波ワニス塗布層Ｖ１～Ｖ４が形成される。仕切り板の間隔ｗｓ＝５ｍｍの間に直径０．１６ｍｍの巻線を５００ターン巻回するので、１００ターンごとに高周波ワニス塗布層Ｖを形成することにより絶縁性が向上し巻線が安定化するという利点がある。

一例として、２次側分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄ＝５００ターンとすれば、１次巻線Ｐの巻回数ｔｐ＝２４ターン、２次側分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄ＝５００ターン、２次側の分割数ｎ＝１０とすれば、２次巻線の合計巻回数ｔｓ＝ｔｄ×ｎ＝５０００ターンとなる。したがって、このコイルボビン１００を用いた高圧トランスの１次側に２４Ｖのパルス電圧を印加すると、２次側に２４×（５０００／２４）＝５０００Ｖの高電圧を得ることができる。

本実施形態によれば、高圧側の２次巻線が仕切り板Ｄ_０～Ｄ_ｎにより複数の分割巻線Ｓ_１～Ｓ_ｎに分割され、さらに各分割巻線Ｓ_ｉが所定巻回数ｔｄｄ毎に絶縁塗料層Ｖを介して巻回されることで、上述したような高電圧であっても絶縁破壊が生じ難く安定した高電圧出力を得ることができ、かつ小型の電源を構成することができる。なお、分割巻線Ｓ_１～Ｓ_ｎの分割数ｎ、仕切り板の間隔ｗｓ、各分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄおよび絶縁塗料層Ｖを形成する巻回数ｔｄｄは、２次側の出力電圧および各分割巻線Ｓ_ｉでの昇圧電圧等を考慮して設定することができる。

３．実施例
図４に例示するように、本発明の一実施例による高圧トランス２００は１次巻線Ｐのリード線に接続した１次側端子２０１と、２次巻線のリード線に接続した２次側端子２０２と、上述したコイルボビン１００の貫通孔１０２内に配置したフェライトコア２０３と、からなる。ここではコイルボビン１００の長さＬ＝１４０ｍｍとし、ほぼ同じ長さのフェライトコア２０３を用意する。ただし、短いフェライトコアを貫通孔１０２内で４～５段直列につなげてフェライトコア２０３を構成しても良い。この場合、短いフェライトコア間のギャップを調整して高圧トランス２００の性能を最適化することも可能である。

コイルボビン１００の１次巻線Ｐは２４～４８ターン、２次巻線は２０分割して各分割巻線（Ｓ_１～Ｓ_２０）を５００ターンとして合計１００００ターンとする。その際、各分割巻線Ｓ_ｉは所定巻回数１００ターン毎に高周波ワニスでコーティングして高周波ワニス塗布層Ｖを形成する。最後にリード線を取り付け、端子２０１および２０２を接続する。

なお、フェライトコア２０３が４～５段の短いフェライトコアで形成されている場合、１次側端子２０１に通電して２次側端子２０２に所定の電圧が得られるようにフェライトコアのギャップを調整しても良い。

最後に、高圧トランス２００をモールドケースに入れ、モールド材を流し込んで固化させ完成する。

４．高圧電源回路
以下、本実施形態による高圧トランス２００を適用した高圧電源回路の一例について説明する。ここでは１次巻線Ｐの巻回数ｔｐ＝２４ターン、２次巻線の分割数ｎ＝１８、分割巻線Ｓ_ｉの巻回数ｔｄ＝３５０ターン、絶縁塗布層Ｖの形成巻回数ｔｄｄ＝１００ターンとし、１次側端子２０１に２４Ｖを印加することで、２次側端子２０２に４２００Ｖの高電圧を生成させるものとする。

図５に例示するように、発振周波数１ｋＨｚの発振器３０１はパルス信号をＡＮＤゲート３０２を介してパルス増幅器３０３へ出力する。なお発振器３０１の発振周波数は１ｋ～１０ｋＨｚの範囲内の所定の周波数に設定してもよい。パルス増幅器３０３はパルス信号に従って２４Ｖのパルス電圧を高圧トランス２００の一次側端子２０１に印加する。ＡＮＤゲート３０２は制御部３０４からの制御信号（ＯＮ／ＯＦＦ）に従ってパルス信号を導通あるいは遮断する。すなわち制御部３０４からの制御信号がＯＮであれば、発振器３０１からのパルス信号がパルス増幅器３０３へ出力され、パルス増幅器３０３から２４Ｖのパルス電圧が高圧トランス２００へ出力される。制御部３０４からの制御信号がＯＦＦであれば、発振器３０１からのパルス信号はパルス増幅器３０３へ出力されず、したがってパルス増幅器３０３は高圧トランス２００へパルス電圧を出力しない。

制御部３０４は、アラームラッチ制御部３０５からアラーム信号ＡＬＡＲＭを入力すると制御信号をＯＦＦに設定し、アラーム信号ＡＬＡＲＭを入力しないときは制御信号をＯＮに設定する。

高圧トランス２００の２次側端子２０２には電流検出部３０６および電圧検出部３０７が設けられる。上限電流検出部３０８は高圧トランス２００の出力電流が上限を超えたか否かを検出し、上限を超えた時にＡＬＡＲＭをアラームラッチ制御部３０５へ出力する。上限電圧検出部３０９は出力電圧が上限電圧を超えたか否かを検出し、上限を超えた時にＡＬＡＲＭをアラームラッチ制御部３０５へ出力する。下限電圧検出部３１０は出力電圧が下限電圧を下回ったか否かを検出し、下限を下回った時にＡＬＡＲＭをアラームラッチ制御部３０５へ出力する。

アラームラッチ制御部３０５は、上限電流検出部３０８、上限電圧検出部３０９および下限電圧検出部３１０の少なくとも１つからＡＬＡＲＭを入力すると、ＡＬＡＲＭをラッチし、手動あるいは所定の回復処理によりアラームが解除されるまでアラーム信号ＡＬＲＡＭを制御部３０４へ出力する。したがって、高電圧の出力側で何らかの原因により過剰電流が流れたり、あるいは出力電圧が異常に上昇あるいは降下したりした場合には、高圧トランス２００の１次側入力が遮断され、正常に復帰するまで高電圧出力が停止する。

本発明の一実施形態による高圧トランス２００を用いることで高電圧であっても絶縁破壊を生じることなく、安定した高電圧出力を得ることができ、さらに、異常（ＡＬＡＲＭ）が検知されると即座に出力を停止することで安全性を更に高めることができる。

本実施形態による高圧トランス２００は、電場中に食品等を保存することにより鮮度を長期間維持することができる冷蔵保存庫における電場形成用の高圧電源に使用することができ、高圧電源の小型化を促進できる。

本発明は数ｋＶ程度の高電圧を必要とする電源回路の高圧トランスに適用可能である。

１００コイルボビン
１０１筒部
１０２貫通孔
１０３１次巻線領域
１０４２次巻線領域
１０５渡り溝
１０６絶縁層
２００高圧トランス
２０１１次側端子
２０２２次側端子
２０３フェライトコア
Ｄ_０～Ｄ_ｎ＋１仕切り板
Ｐ１次巻線
Ｓ_１～Ｓ_ｎ分割巻線
Ｖ、Ｖ１～Ｖ３絶縁塗料層（高周波ワニス塗布層）

Claims

棒状の軟磁性体コアが貫通した筒状のコイルボビンを有する高圧トランスであって、
前記コイルボビンの筒部の外周が複数の仕切り板により長手方向に、１次巻線が巻回された１次巻線領域と２次巻線が巻回された２次巻線領域とに分割され、さらに前記２次巻線領域が複数の分割巻線の領域に分割されており、
前記複数の分割巻線の各々が所定巻回数ごとに絶縁塗料からなる塗布層を介して巻回され、前記複数の分割巻線が１本の前記２次巻線の複数の部分を構成している、
ことを特徴とする高圧トランス。
前記コイルボビンの筒部および前記複数の仕切り板が一定の厚さの絶縁性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の高圧トランス。
前記塗布層は所定巻回数だけ巻回される毎に巻線の上に高周波ワニスをコーティングすることで形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の高圧トランス。
前記１次巻線領域に前記１次巻線を２４～４８ターン、前記２次巻線領域に各分割巻線を３５０～５００ターン合計５０００～１００００ターン巻回し、各分割巻線において１００ターン毎に前記塗布層が形成されることを特徴とする請求項１－請求項３のいずれか１項に記載の高圧トランス。
前記１次巻線の両端に２４～４８Ｖのパルス電圧を入力することで前記２次巻線の両端に４０００～５０００Ｖを出力することを特徴とする請求項１－請求項４のいずれか１項に記載の高圧トランス。