JP2004319669A

JP2004319669A - パワートランス

Info

Publication number: JP2004319669A
Application number: JP2003110031A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Fujii; 淳藤井; Sadami Kubota; 定見窪田; Shigeru Hasumura; 茂蓮村; Kenji Koyanagi; 研次小柳; Shinichi Takase; 真一高瀬; Fumiaki Ikuta; 文昭生田
Original assignee: Neturen Co Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】本発明は、大電流用のパワートランスにおいても巻線の形成が容易であり、またカットコアに見られる磁気特性低下の問題も生じない、巻線構造の簡素化が可能で、漏れ磁束の小さいノーカット環状コアを用いたパワートランスを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、ノーカット環状コアと該ノーカット環状コアに巻回された１次巻線と、１ターンで構成される２次巻線とを具備するパワートランスであって、前記２次巻線は、ノーカット環状コアの内側を貫通する導体と、２つの有底の筒状導体を具備し、該筒状導体は前記ノーカット環状コアを軸方向から挟みこむ如く収納し、且つ前記ノーカット環状コアの内側を貫通する導体の両端で各々電気的に接続され、軸方向と平行なノーカット環状コアの外周面上では互いに電気的に絶縁されているパワートランスである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源等に用いられるパワートランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワートランスは環状コア、１次巻線、２次巻線から構成されるが、環状コア（ノーカット環状コア）に巻き回される１次巻線及び２次巻線は、漏れ磁束を極力小さくして結合を高めるために、図７に一例を示す２次巻線を１次巻線で挟みこんで巻き回す構造の、所謂サンドイッチ構造にするなど、巻線構造に特別の検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。
サンドイッチ構造は巻線構造が複雑であり、巻線に用いる導線の径が小さいパワートランスには適用できるものの巻き回しに多くの工数を必要とする。また、導線の径が大きく、または多数本の導線を巻き回すことを要する大電流用のパワートランスには適用が困難である。
そこで、現在は上述の環状コア（ノーカット環状コア）を２以上の部材に分割したカットコアを用い、導線を予め巻線形状に加工した後、カットコアと組み合わせてパワートランスとすることが広く行われている。
【０００３】
ところで、パワートランスに適用されるコアの代表例として、Ｍｎ−Ｚｎフェライトコアや、溶融合金を急冷凝固して製造されるアモルファス磁性材料、及びナノ結晶磁性材料からなる金属磁性薄帯を巻回したコアがある。ナノ結晶磁性材料とは組織の少なくとも５０％以上が結晶粒径５０μｍ以下のナノ結晶組織からなる軟磁性材料であり、ナノ結晶組織を発現可能な組成の非晶質磁性材料を、結晶化温度以上で熱処理することにより製造される材料である（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
これらのうち特にアモルファス磁性材料等の金属磁性薄帯を巻回した環状コアは、大電流、大容量を扱うパワートランス用のコアとして広く使用されている。
大電流、大容量を扱うパワートランス用の環状コアは寸法の大きなものが必要となるが、Ｍｎ−Ｚｎフェライトにおいてはコアを整形するためのプレス機の制約等、技術面で問題を抱えており、環状コアの大型化の要求に対しては限界がある。これに対し、アモルファス磁性材料、及びナノ結晶磁性材料からなる環状コアは、金属磁性薄帯を巻き回してなるため、形状的自由度が高く、環状コアの大型化に容易に対応できるからである。さらに、アモルファス磁性材料、及びナノ結晶磁性材料は、小型化に必要な高飽和磁束密度（Ｍｎ−Ｚｎフェライトの２倍以上）と低ロスを兼ね備えており、特性面においてもパワートランス用コアとして好適な材料である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１１８７３３号公報
【特許文献２】
特開平１−７９３４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにアモルファス磁性材料等の金属磁性薄帯は、パワートランス用の材料として適するものの、金属磁性薄帯の厚さは数十ミクロンであり、単にこれを巻き回すだけではＭｎ−Ｚｎフェライトのようなバルク材と比べて強度が低く、また、切断して上述ノーカット環状コアに加工することは出来ない。
【０００７】
そのため金属磁性薄帯を巻き回してなるカットコアは、環状コアを切断するために予め作製したノーカット環状コアを樹脂含浸後、乾燥、固化する必要があるが、このとき、金属磁性薄帯の各層間に入り込んだ樹脂の乾燥時の残留応力により、コア損失が増加するという別の問題を生じる。また、切断後、一対をなす磁心の接合部が精度良く合わさるように切断面を研磨する必要があり、その面で隣接する薄帯間に絶縁破壊が生じることにより渦電流が増大し、コア損失が増加する問題があった。さらに、コア接合部より発生した漏れ磁束により巻線の銅損が増加し、パワートランスの損失を増加させる問題もあった。
さらに、カットコアとすることによりコア損失増だけでなく、製作工数の増大に伴うコストの増大も招く問題があった。
【０００８】
本発明は、大電流用のパワートランスにおいても巻線の形成が容易であり、またカットコアに見られる磁気特性低下の問題も生じない、巻線構造の簡素化が可能で、漏れ磁束の小さいノーカット環状コアを用いたパワートランスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、２次巻線に、トランス全体を包み込むべく２つの筒状導体、または１つの筒状導体と１つの蓋状導体からなる構造を適用することで、上述の問題を解消できることを見いだし本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明は、ノーカット環状コアと該ノーカット環状コアに巻回された１次巻線と、１ターンで構成される２次巻線とを具備するパワートランスであって、前記２次巻線は、ノーカット環状コアの内側を貫通する導体と、２つの有底の筒状導体を具備し、該筒状導体は前記ノーカット環状コアを軸方向から挟みこむ如く収納し、且つ前記ノーカット環状コアの内側を貫通する導体の両端で各々電気的に接続され、軸方向と平行なノーカット環状コアの外周面上では互いに電気的に絶縁されているパワートランスである。
【００１１】
またもう１つの本発明は、ノーカット環状コアと該ノーカット環状コアに巻回された１次巻線と、１ターンで構成される２次巻線とを具備するパワートランスであって、前記２次巻線は、ノーカット環状コアの内側を貫通する導体と、１つの有底の筒状導体と１つの蓋を具備し、該筒状導体と蓋状導体は前記ノーカット環状コアを軸方向から挟みこむ如く収納し、且つ前記ノーカット環状コアの内側を貫通する導体の両端で各々電気的に接続され、それ以外では互いに電気的に絶縁されているパワートランスである。
【００１２】
上記の本発明において、前記２つの筒状導体、または１つの筒状導体と１つの蓋状導体は互いに径が異なり、ノーカット環状コアの外周面上で重複することが好ましい。
また、前記ノーカット環状コアはアモルファス磁性材料、ナノ結晶磁性材料の何れかからなることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１は本発明のパワートランスの一例を示したものである。図１に示すように、本発明のパワートランスはノーカット環状コア１と、ノーカット環状コア１に巻回した１次巻線２と、貫通用導体３及び筒状導体４ａ，４ｂで構成される２次巻線からなる。
【００１４】
図２に図１で使用した、１次巻線を巻回したノーカット環状コアの模式図を示す。また、図３に２次巻線の分解図を示す。
【００１５】
本発明のパワートランスでは、図３に示すように、２次巻線はノーカット環状コアの内径部を貫通して１ターンを構成する貫通用導体３と、図２に示されるノーカット環状コア及び１次巻線を包み込むべく２つの有底の筒状導体４ａ及び４ｂで構成される。貫通用導体３と、筒状導体４ａ及び４ｂは貫通用導体の両端でビス等を用いて固定し、前記２つの筒状導体は環状コア外周側で互いに電気的に絶縁されることにより１ターンを構成している。
【００１６】
このように、本発明では１次巻線のみが単独で巻回された環状コアを筒状導体により両面から挟みこむ形で構成されるため、特許文献１で提案されるような複雑な巻線構造と比べて極めて簡素である。同時に、本発明では貫通用導体と筒状導体により形成される２次巻線は１次巻線及びノーカット環状コアをほぼ完全に包み込んでいる為、シールド体としての作用が高く、２次巻線外部への磁束の漏れが少ない低漏洩磁束構造が可能となる。
【００１７】
また、本発明では環状コアに巻き回して形成するのは１次巻線のみであるので、径の大きい導線を用いる場合でも環状コアに直接巻き回すことが可能である。従って、２次巻線側の定格電流が１００Ａ以上となる大電流用のパワートランスのように径の大きい導線を用いる場合でも、ノーカット環状コアの適用が可能となり、コアのカットコアへの加工は不要となり工数を低減することができる。
【００１８】
本発明では既に述べたように２次巻線外部への磁束の漏れが少ない低漏洩磁束構造が可能であるが、同時に外部からの磁束に対しても影響を受け難いという利点も有する。
例えば、図４に示されるように２次巻線を構成する筒状導体に引き出し線５ａ、５ｂを取り付け、負荷接続用端子６に図６に示されるインダクタンス負荷を接続して大電流を流した場合には、引き出し線５ａ、５ｂから漏れ磁束が発生することになる。そして、この漏れ磁界が直接コアに作用した場合には、コアに面内渦電流損失を発生する。これに対して本発明は、コアが２次巻線によって外部からシールドされる構造であり、漏れ磁束はコアの外周面と直交しないように２次巻線を構成する筒状導体等により遮断されるため、コアに面内渦電流損失が発生する心配が少なく、発熱も最小限に抑えることが出来る。
【００１９】
特に、２次巻線を構成する２つの筒状導体において、図１の様に２つの筒状導体の径が互いに異なり、軸方向と平行なノーカット環状コアの外周面上で重複するように構成した場合には、よりシールド体としての効果と、引き出し線から発生する漏れ磁束遮断効果がより高まり、好ましい。
【００２０】
以上のように、本発明のトランスは、簡易な構造で低漏洩磁束構造が可能なため、コスト低減にも有効である。
【００２１】
さらに、本発明のパワートランスは、以下の利点も有す。
（１）薄型構造が容易に実現でき、これにより放熱性の向上が可能である。
（２）１次巻線及びコアの熱を放熱シート等を１次巻線と筒状導体の間に挿入することにより容易に放熱することが可能である。
（３）コアを冷却する冷却機構を設ける場合には小型のコアの使用が可能となるが、２次巻線は水冷パイプ等の冷却パイプを取り付けるのみで冷却機構としても兼用できるので、パワートランスの小型化が可能である。
【００２２】
以上に述べた効果は、２次巻線を図５に一例を示すように、貫通用導体３と１つの有底の筒状導体４ａと、１つの蓋状導体７から構成した場合にも、１次巻線及びノーカット環状コアをほぼ完全に包み込める為、シールド体としての作用が高く、２次巻線の外部への磁束の漏れが少ない低漏洩磁束構造となり、且つ、２次巻線の引き出し線から発生する漏れ磁束が、コアの外周面および内周面と直交することを防いでくれるため、この漏れ磁束により前記コアに面内渦電流損失が発生する心配が少なく、同様に達成することができる。
【００２３】
本発明のパワートランスは、アモルファス磁性材料、ナノ結晶磁性材料の金属磁性薄帯を巻回した環状コアを用いる場合には、特に有効である。
上記の金属磁性薄帯はＭｎ−Ｚｎフェライト等と比べて電気抵抗が小さく、漏れ磁束による渦電流損失の増大を招きやすい。これに対して本発明のパワートランスの構造は、漏れ磁束に対するシールド性が高いので極めて有効となる。また、前記材料は飽和磁束密度がＭｎ−Ｚｎフェライトの２倍以上と高く、コアロスが小さいためトランスの小型化に貢献できるものである。
加えて、アモルファス合金薄帯等の金属磁性薄帯からなる環状コアをカットコアとして用いる場合には、初めに述べたように多数の問題を生じていたが、ノーカット環状コアとして用いることができる本発明であれば、金属磁性薄帯の優れた磁気特性を損なうことなく大電流用のパワートランスに適用することができる。
【００２４】
本発明のパワートランスを電源装置に使用した場合には、電源装置の小型化が可能であり、しかも漏れ磁束を抑制することができるため、輻射ノイズ対策にも有効で、効率の優れたものとなる。さらに、本発明のパワートランスを使用することで低コストの電源装置の製作が可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軟磁性合金薄帯の優れた磁気特性を最大限に発揮させることのできるノーカット環状コアを用い、小型、低損失、低漏洩磁束構造、低輻射ノイズのパワートランスが得られ、これを用いた小型、高効率、低ノイズで信頼性の高い電源装置等を製作できる。さらに、比較的簡単な構造で高性能のパワートランスを構成できるため、工数が少なく、低コストで実用性のあるパワートランスを構成でき、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を示すパワートランスの模式図。
【図２】本発明の一例を示すパワートランスに使用した、１次巻線巻き回し後の環状コアの模式図。
【図３】本発明の一例を示すパワートランスに使用した２次巻線の分解図。
【図４】本発明の一例を示すパワートランスに引き出し線を取り付けたパワートランスの模式図。
【図５】本発明の一例を示すパワートランスに使用した２次巻線の分解図。
【図６】本発明のパワートランスに接続するインダクタンス負荷の模式図。
【図７】従来のパワートランスの一例を示す模式図。
【符号の説明】
１．ノーカット環状コア、２．１次巻線、３．貫通用導体、４ａ，４ｂ．筒状導体、５ａ，５ｂ．引き出し線、６．負荷接続用端子、７．蓋状導体、８．２次巻線

Claims

ノーカット環状コアと該ノーカット環状コアに巻回された１次巻線と、１ターンで構成される２次巻線とを具備するパワートランスであって、前記２次巻線は、ノーカット環状コアの内側を貫通する導体と、２つの有底の筒状導体を具備し、該筒状導体は前記ノーカット環状コアを軸方向から挟みこむ如く収納し、且つ前記ノーカット環状コアの内側を貫通する導体の両端で各々電気的に接続され、軸方向と平行なノーカット環状コアの外周面上では互いに電気的に絶縁されていることを特徴とするパワートランス。
ノーカット環状コアと該ノーカット環状コアに巻回された１次巻線と、１ターンで構成される２次巻線とを具備するパワートランスであって、前記２次巻線は、ノーカット環状コアの内側を貫通する導体と、１つの有底の筒状導体と１つの蓋状導体を具備し、該筒状導体と蓋状導体は前記ノーカット環状コアを軸方向から挟みこむ如く収納し、且つ前記ノーカット環状コアの内側を貫通する導体の両端で各々電気的に接続され、それ以外では互いに電気的に絶縁されていることを特徴とするパワートランス。
前記２つの筒状導体、または１つの筒状導体と１つの蓋状導体は互いに径が異なり、ノーカット環状コアの外周面上で重複することを特徴とする請求項１又は２に記載のパワートランス。
前記ノーカット環状コアはアモルファス磁性材料、ナノ結晶磁性材料の何れかからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のパワートランス。