JP7211152B2

JP7211152B2 - トランス装置

Info

Publication number: JP7211152B2
Application number: JP2019031359A
Authority: JP
Inventors: 睦仁坂口; 亨伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: JP2020136593A

Description

本発明は電子機器に使用されるトランス装置に関する。

近年、走行用モータとバッテリ等の装置を搭載し、外部の給電装置からバッテリに蓄積した電力にて走行用モータを駆動することで走行する電気自動車（ＥＶ：ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＶｅｈｉｃｌｅ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）等（以下、電動車両ともいう）が普及し始めている。外部の給電装置（ＥＶＳＥ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＳｅｒｖｉｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔ）から電動車両に搭載されたバッテリへの充電は給電装置と電動車両との間に接続した充電ケーブルを介して行われる。電動車両側と給電装置側との間の情報の送受信も電力線通信（ＰＬＣ：ＰｏｗｅｒＬｉｎｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）により充電ケーブルを利用して行なわれ、充電ケーブル（電力線）に信号を重畳させたり、電力線に重畳された信号を取り出したりするのにトランス装置が使用される。

図１２に特許文献１に記載されたトランス装置の斜視図を、図１３にその断面図を示す。このトランス装置５００は、高電圧側コイル３０１と低電圧側コイル３０２とを同心状に巻回するボビン３５０と、前記ボビン３５０に組み込まれる磁性コア４００とでなるトランス（以下、コイル部品と呼ぶ）と、前記コイル部品を収納する樹脂ケース６００により構成されている。前記樹脂ケース６００は金属端子６５０を埋設する底面部と、前記底面部から立設した３つの側面部と、帯状の開口部６０５を有する上面部とで構成されている。前記樹脂ケース６００は、低電圧側コイル３０２の端部が接続される金属端子６５０の側の側面が開口し、高電圧側コイル３０１の端部が接続される金属端子６５０の側の側面は、他の側面の側面部よりも厚みが厚く構成されている。コイル部品は樹脂ケース６００の前記開口側から樹脂ケース６００の中に納められる。コイル部品の高電圧側コイル３０１の端部はケース上面の帯状の開口部６０５を通って、側面部に沿って引き出されて高電圧側の金属端子６５０と接続する。低電圧側コイル３０２の端部は側面の開口を通って低電圧側の金属端子６５０に接続する。

一般的に各コイル間の絶縁距離は各コイルの巻線の導体露出部の間の最短距離とされる。前述のトランス装置５００では、高電圧側コイル３０１や低電圧側コイル３０２の端部が接続される金属端子６５０間の距離とともに、磁性コア４００を低電圧側コイル３０２と同電位体の導体と見做し、磁性コア４００と高圧側コイル３０１の導体露出部との間の最短距離を絶縁距離として、樹脂ケース６００の側面部の垂直距離と、ケース上面の帯状の開口部６０５までの水平距離と、前記開口部６０５と磁性コア４００との間の空間距離によって確保している。

特開２００８－２５８２５０号公報

近年の電子機器の小型化に伴って、それに使用されるトランス装置もまた、絶縁距離の確保しつつ、一層の小型化が要求されている。図示した従来のトランス装置５００のコイル部品は、Ｅ型形状の磁性コア４００に、同心状に低電圧側コイルと高電圧側コイルが重ねられて巻回されたボビン３５０を配置する構造で小型化に限界がある。そのため樹脂ケース６００内の空間をコイル部品の外形に合わせて拡げなければならず、トランス装置５００の小型化の阻害要因となっていた。また、トランス装置５００を小型化するように、トランス収納のための空間余裕を少なくしても良いが組み立て作業を困難とする要因にもなっていた。

そこで本発明は、上述した課題を解決するため、充分な絶縁距離を確保しつつ、低背型で小型のトランス装置を提供することを目的とする。

本発明は、磁心に一次巻線と二次巻線が形成されたコイル部品と、前記コイル部品を収容する樹脂ケースとを備えたトランス装置であって、前記コイル部品は、ＮｉＺｎ系フェライトからなる環状磁心に、直接３本の導線がトリファイラ巻でスパイラル状に巻き付けられ、前記３本の導線のうちの１本を一次巻線、残りの２本を二次巻線とし、前記樹脂ケースは６面体構造であって、前方の１面が開口面で、他の５面が、下方の基部と、前記基部の三方の縁部から立設する右方、左方、後方の３つの壁部と、前記壁部の上方の端にあって前記基部に対面する天板部とでなる一体の樹脂構造部で構成され、前記基部の前方と後方の側面に複数の金属端子を備え、更に前記天板部は前記後方の壁部側の稜部にスリット状の開口部を有し、前記コイル部品は前記基部に横置き状態で接着固定されて樹脂ケース内に収容され、一次巻線用の１本の導線は前記開口面側から引き出されて前方側の金属端子と接続され、二次巻線用の２本の導線は、前記スリット状の開口部を通されて前記後方の壁部の上端を越え、後方側の金属端子に向かって前記後方の壁部の外側に沿って張りわたされて前記金属端子と接続され、前記二次巻線用の２本の導線は前記後方の壁部の上端側で接着固定されたトランス装置である。

本発明においては、前記右方の壁部と前記左方の壁部は前記天板部側の一部が前記後方の壁部から張り出した突出部を有し、前記二次巻線用の２本導線の接着固定箇所が右方の壁部の突出部と左方の壁部の突出部との間とするのが好ましい。

また本発明においては、前記ＮｉＺｎ系フェライトは抵抗率ρが１０^５Ω・ｍ以上であるのが好ましい。

また本発明においては、一次巻線と二次巻線を構成する導線のうち、少なくとも二次巻線用の導線が三層絶縁電線であるのが好ましい。

本発明によれば、充分な絶縁距離を確保しつつ、低背型で小型のトランス装置を提供することが出来る。

本発明の一実施形態に係るトランス装置の正面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置の上平面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置の下平面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置の右側面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置の背面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置の等価回路図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いるコイル部品の平面図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる環状磁心へ導線を巻回する状態を説明する為の斜視図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる樹脂ケースを上方から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる樹脂ケースを下方から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる樹脂ケースのＡ－Ａ断面図である。従来のトランス装置の斜視図である。従来のトランス装置の断面図である。

本発明のトランス装置の実施形態について説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。図１は本発明の一実施形態に係るトランス装置の正面図である。また図２はその上平面図であり、図３はその下平面図であり、図４はその右側面図であり、図５はその背面図である。また図６は一実施形態に係るトランス装置の等価回路図である。また、図７は本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いるコイル部品の平面図である。図８は本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる環状磁心へ導線を巻回する状態を説明する為の斜視図である。図９は本発明の一実施形態に係るトランス装置に用いる樹脂ケースを上方から見た斜視図であり、図１０はその樹脂ケースを下方から見た斜視図であり、図１１は樹脂ケースのＡ－Ａ断面図である。これらの図を適宜参照して本発明の実施形態のトランス装置を説明する。

本発明の実施形態のトランス装置１は、基部２１０と、３つの壁部２２０、２３０、２３１と、天板部２４０と、開口面とで囲まれた樹脂ケース２００の内空間に、コイル部品１０が横置き状態で収容されて接着剤（図示せず）で固定されている。接着剤はシリコーン系を用いることができ、シリコーン系の接着剤は硬度が柔らかく使用温度範囲も広い点で好ましい。図７に示すように、コイル部品１０は、環状磁心１５に直接巻回された第１導線２０、第２導線２１、第３導線２２で構成された３つの巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を有している。図８に示すように、ボビンを使用せずに３本の導線２０、２１、２２がトリファイラ巻で環状磁心１５にスパイラル状に巻き付けられ、第１導線２０が一次巻線Ｍ１を構成し、第２導線２１と第３導線２２とが二次巻線Ｍ２、Ｍ３を構成する。

図示した例では第１導線２０、第２導線２１、第３導線２２の区別が容易なように予め端部の色調をそれぞれ異ならせてマーキングしている。なお図７において、Ｓは導線の巻始めの端部側を、Ｅは巻終りの端部側であることを示し、図６の等価回路において第１導線から第３導線のそれぞれに付与された黒丸は巻線の巻始め側を示している。油性ペンなどのマーカーを使用すれば容易に導線を彩色することが出来る。着色する位置や長さ、あるいはパターンを異ならせて巻始めＳ側と巻終りＥ側の端部の区別を容易とするのも好ましい。また導線のそれぞれで絶縁被覆の色調を異ならせても良い。誤配線を防ぐように、各導線の最端部のマーキングを残して端部側の一部の絶縁被覆を剥離し、前記マーキングを参考に樹脂ケースの対応する金属端子に絡げてはんだ固定するのが好ましい。

コイル部品１０では導線をトリファイラ巻とするので、第１導線２０に並んで、その両隣に第２導線２１と第３導線２２が並んで位置するため、一次巻線と二次巻線との間に発生する寄生容量の導線間の偏りが少なく、一次巻線となる第１導線の巻線Ｍ１と二次巻線となる第２導線の巻線Ｍ２との結合と、第１導線の巻線Ｍ１と二次巻線となる第３導線の巻線Ｍ３との結合との差を少なくすることが出来る。また第２導線２１と第３導線２２との間に第１導線２０をおいて間隔を設けることが出来るので、第２導線２１と第３導線２２との二次巻線間の寄生容量を低下させることが出来て、高周波数帯での挿入損失の増加を抑制することが出来る。

第１導線２０、第２導線２１、第３導線２２は、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体に絶縁被覆を備える被覆線が用いられる。一般的には銅線にポリアミドイミドで絶縁被覆したエナメル線が用いられるが、一次巻線と二次巻線との絶縁を考慮すれば、絶縁被膜を複数層形成して絶縁性を向上させた強化絶縁電線である二層絶縁電線あるいは三層絶縁電線を用いるのが好ましい。

環状磁心１５には、抵抗率ρが１０^５Ω・ｍを超えるＮｉＺｎ系フェライトの磁性材料を使用する。ＮｉＺｎ系フェライトであれは、環状磁心１５に磁気ギャップを設けなくても高周波帯域（典型的には１ＭＨｚ～数十ＭＨｚの周波数）で利用出来、またＭｎＺｎ系フェライトに比べ１０^５から１０^７倍も電気抵抗が高く、絶縁性に優れており、ボビンを使用せずとも環状磁心１５と導線２０、２１、２２との間の絶縁対策が容易で、また一次巻線と二次巻線をトリファイラ巻で構成することでコイル部品の小型化を容易に行うことが出来て、同時に低コストが可能となるという利点もある。図示した環状磁心１５の例では、上面１８及び、それと対面する下面（図示せず）と、それらを繋ぐ外周面１６と内周面１７とを備えた円筒状であるが、外形を矩形環状としても良い。

図９から図１１に示した樹脂ケース２００は、絶縁樹脂からなる矩形の基部２１０と前記基部２１０に設けられた金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ８）を備えていて、更に基部２１０の三方の縁部から立設する壁部２２０、２３０、２３１と、前記基部２１０と対面し壁部２２０、２３０、２３１の上端側を覆う天板部２４０と、前記基部２１０の対面する側面側に設けられた金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ８）を備える。この樹脂ケース２００は、金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ４）が形成されたｙ方向の一方側に開口面を備える箱状の形態で、金属端子１１０の端部はｚ方向にて基部２１０の下面２１１ｂと略同じか、僅かに低く（下面２１１ｂよりも突出する）形成されている。

少なくとも壁部２３０、２３１の高さはｚ方向に見て前述のコイル部品の高さよりも高く形成され、基部２１０と、壁部２２０、２３０、２３１と、天板部２４０で囲まれた内空間に前述のコイル部品が収容可能となっていて、コイル部品に直接外力が作用するのを防ぐことが出来る。また、樹脂ケース２００からコイル部品が脱落するのを防ぎ、導線の巻状態の乱れによる電気的特性に変化が生じるのを抑制することが出来る。また天板部２４０は、少なくともコイル部品の導線を導出可能な幅で、対向する壁部２３０、２３１の間にわたって開口したスリット状の開口部２４５を壁部２２０側に備えている。また壁部２３０、２３１のそれぞれは一部が壁部２２０側に突き出ていて、天板部２４０から壁部２２０の高さ方向の途中まで形成された突起状部２３５を備えている。なお、コイル部品は樹脂ケースの開口面から樹脂ケースの内空間に収容可能となっている。

樹脂ケース２００は下方から見ると、基部２１０の下面２１１ｂはコイル部品が配置される上面２１１ａと対向し略全体が平坦となっている。なおＺ軸方向における上下の関係は図９をもとに説明するが、理解が容易なように図１０をもとにして上下関係を併記する場合がある。金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ４）側では、段差部２７０を介して下面２１１ｂと離れた位置の４箇所に突起部２６０が形成されている。各突起部２６０には金属端子１１０が設けられていて、各突起部２６０の下端（図１０では上端）は基部２１０の下面２１１ｂと略同じか、僅かに低く（下面２１１ｂより落ち込む）形成され、各突起部２６０の段差部２７０から突き出た部分の形状は半円状となっている。また各突起部２６０の間には基部２１０の端部からｙ方向に向かって溝部２５０が形成されている。溝部２５０は基部２１０の上面２１１ａから下面２１１ｂにわたって形成され、ｙ方向に突起部２６０を超えて段差部２７０に至る間の位置まで形成される。図示した例では金属端子１１０（Ｔ１）と壁部２３１との間、金属端子１１０（Ｔ４）と壁部２３０との間にも溝部２５０が形成されている。

対面する２側面に埋め込まれた金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ８）はそれぞれ先端部が突出している。金属端子１１０（Ｔ１～Ｔ８）によって回路基板に直接実装可能となる。なお図示した例ではコイル部品１０の導線と接続しない金属端子１１０を備えている。これにより、実装基板との接続強度を増すことができ、安定した実装が可能となる。実装基板との接続強度が満足され、端子位置の変更等の対応が必要とされない場合は、導線と接続しない金属端子を設けなくても良い。金属端子１１０はＳＰＣＣや、ニッケル、コバルトおよび鉄の合金であるコバール、あるいは４２アロイ等を用いるのが好ましい。

またコイル部品１０が載置される基部２１０の上面２１１ａは平坦面となっているが、窪みを設けてコイル部品１０の位置決めとしたり、固定用の接着剤溜りとしたりしても良い。

また樹脂ケース２００を構成する絶縁樹脂は、絶縁性、機械強度、耐薬品性、耐熱性、耐湿性及び成形性を有する樹脂であれば良く、ＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンサルファイド）樹脂、液晶ポリマー、ＰＥＴ（ＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＢＴ（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ポリブチレンテレフタレート）樹脂、ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｂｕｔａｄｉｅｎｅｓｔｙｒｅｎｅ：アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂等が好ましく、それらを射出成形法等の公知の方法で成形したものを用いることができる。

図１から図５に示すように、コイル部品１０は、樹脂ケース２００の基部２１０の上面２１１ａと環状磁心１５の下面側とが対面するように横置きに配置されて接着固定される。

コイル部品１０の一次巻線となる第１導線２０の端部のそれぞれが溝部２５０を通って引き出される。一つの突起部を例にすれば、第１導線２０の端部２０Ｅは樹脂ケース２００の溝部２５０ａを通って基部２１０の下面２１１ｂ側へ引き出され、段差部２７０を通って突起部２６０を巻くように曲面にそって他方の溝部２５０ｂへ向かい、溝部２５０ｂの一部を通って金属端子１１０に向かって導出され絡げ固定される。第１導線２０の端部２０Ｓも同様な手順にて他の金属端子１１０に導出され絡げ固定される。絡げ固定部の導線の端部の絡げ状態にばらつきがあってもトランス装置の面実装性を阻害することがないように、金属端子１１０のそれぞれは、絡げ固定部が基部２１０の下面２１１ｂよりもｚ方向に高い位置に形成される。また第１導線２０は、溝部２５０や段差部２７０によって樹脂ケース２００の下面２１１ｂから外側にはみ出すのを防いでいる。このため、トランス装置は樹脂ケース２００の外形より大きくならず、また実装基板と向かい合う実装面側の平坦性が確保され面実装性を阻害することが無い。また突起部２６０によって導線を端子へ接続しやすくなり好ましい。

第２導線２１の端部２１Ｓ、２１Ｅと第３導線２２の端部２２Ｓ、２２Ｅとは、樹脂ケース２００の上側のスリット状の開口部２４５を通されて、樹脂ケース２００の天板部２４０から壁部２２０の高さ方向の途中まで形成された突起状部２３５の間で壁部２２０にそって金属端子１１０（Ｔ５からＴ８）へ向けて導出されて絡げ固定される。突起状部２３５は第２導線２１と第３導線２２が外側にはみ出ない程度にｙ方向に突き出るように形成されていて、導線に外力が作用することで断線するといった問題を抑制することができる。また、第２導線２１と第３導線２２は第１導線２０よりも金属端子１１０までの長さが長いため、トランス装置の製造後に第２導線２１と第３導線２２が振動によって樹脂ケース２００の壁部２２０と干渉し擦れて絶縁皮膜が損傷しないように、壁部２２０のｚ方向の上端部側で導線が動かないように接着固定する。

コイル部品１０の導線２０、２１、２２の端部は適宜引き出されて、樹脂ケース２００の金属端子１１０と接続される。樹脂ケース２００の第１側面側の金属端子Ｔ２、Ｔ３にコイル部品１０の第１導線２０の端部が接続し、第２側面側の金属端子Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８に第２導線２１と第３導線２２の端部が接続する。第１側面側で第１導線２０の巻始め端部２０Ｓが金属端子Ｔ２と接続し、巻終り端部２０Ｅが金属端子Ｔ３と接続する。第２側面側では、第２導線２１の巻始め端部２１Ｓが金属端子Ｔ８と接続し、巻終り端部２１Ｅが金属端子Ｔ６と接続し、第３導線２２の巻始め端部２２Ｓが金属端子Ｔ７と接続し、巻終り端部２２Ｅが金属端子Ｔ５と接続する。結果、第２導線２１の巻始め端部２１Ｓと第３導線２２の巻始め端部２２Ｓが接続する金属端子Ｔ８、Ｔ７が隣り合い、第２導線２１の巻終り端部２１Ｅと第３導線２２の巻終り端部２２Ｅが接続する金属端子Ｔ６、Ｔ５が隣り合い、第２導線２１の巻終り端部２１Ｅと第３導線２２の巻始め端部２２Ｓが接続する金属端子Ｔ６、Ｔ７が隣り合ったトランス装置１となる。このような構成によれば、トランス装置の等価回路図のように二次巻線を構成する第２導線２１と第３導線２２とは結線されていない個別の巻線Ｍ２、Ｍ３の状態となっている。そのためトランス装置１が実装される回路基板側との接続関係を変更することで、必要に応じて巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３間の極性の関係を変更することが可能である。

以上説明したように、二次巻線の端部が接続される高圧側の金属端子１１０（Ｔ５～Ｔ８）とコイル部品１０の環状磁心との間に樹脂ケース２００の壁部２２０が介在し、樹脂ケース２００の内空間にコイル部品１０が横置きに配置されるため、樹脂ケース２００の天板部２４０側と環状磁心１５との間隔を大きくすることが出来、それによって高圧側の金属端子１１０（Ｔ５～Ｔ８）と環状磁心１５との間の絶縁距離を長くすることが出来て、絶縁性能を向上させることができる。また、環状磁心１５に抵抗率が大きいＮｉＺｎ系フェライトの磁性材料を使用することで必要な絶縁距離を短く出来てトランス装置１の低背化が可能である。つまり本発明によって、充分な絶縁距離を確保し、かつ、低背型で実装面積が小さいトランス装置を提供することができる。

またコイル部品１０をボビン不使用の構成とすることでもトランス装置１を小型に構成することが出来る。得られたトランス装置１では、面実装が容易であるとともに、コイル部品１０に直接外力が作用するのを防ぐことが出来、また導線の端部を樹脂ケース２００により保護することが出来て、外力によって導線が断線するなどの問題を回避することができる。

１トランス装置
１０コイル部品
１５環状磁心
２０第１導線
２１第２導線
２２第３導線
１１０金属端子
２００樹脂ケース

Claims

磁心に一次巻線と二次巻線が形成されたコイル部品と、前記コイル部品を収容する樹脂ケースとを備えたトランス装置であって、
前記コイル部品は、ＮｉＺｎ系フェライトからなる環状磁心に、直接３本の導線がトリファイラ巻でスパイラル状に巻き付けられ、前記３本の導線のうちの１本を一次巻線、残りの２本を二次巻線とし、
前記樹脂ケースは６面体構造であって、前方の１面が開口面で、他の５面が、下方の基部と、前記基部の三方の縁部から立設する右方、左方、後方の３つの壁部と、前記壁部の上方の端にあって前記基部に対面する天板部とでなる一体の樹脂構造部で構成され、前記基部の前方と後方の側面に複数の金属端子を備え、更に前記天板部は前記後方の壁部側の稜部にスリット状の開口部を有し、
前記コイル部品は前記基部に横置き状態で接着固定されて前記樹脂ケース内に収容され、一次巻線用の１本の導線は前記開口面側から引き出されて前方側の金属端子と接続され、二次巻線用の２本の導線は、前記スリット状の開口部を通されて前記後方の壁部の上端を越え、後方側の金属端子に向かって前記後方の壁部の外側に沿って張りわたされて前記金属端子と接続され、
前記二次巻線用の２本の導線は前記後方の壁部の上端側で接着固定されたトランス装置。
請求項１に記載のトランス装置であって、
前記右方の壁部と前記左方の壁部は前記天板部側の一部が前記後方の壁部から張り出した突出部を有し、前記二次巻線用の２本導線の接着固定箇所が右方の壁部の突出部と左方の壁部の突出部との間であるトランス装置。
請求項１または２に記載のトランス装置であって、
前記ＮｉＺｎ系フェライトは抵抗率ρが１０^５Ω・ｍ以上であるトランス装置。
請求項１から３のいずれかに記載のトランス装置であって、
一次巻線と二次巻線を構成する導線のうち、少なくとも二次巻線用の導線が三層絶縁電線であるトランス装置。