JP2008270347A - トランス - Google Patents

Abstract

【課題】限られたスペース内で巻線の占有率をさらに増加させ、冷却性能を高めると共に、一次巻線と二次巻線間の漏れインダクタンスを低減できるトランスを提供する。
【解決手段】一次巻線31，41にボビンが存在しない分、トランス１としての巻線の占有率が増加するので、限られたスペースを有効に活用できる。また、トランス１を電源装置などに組み込んだときに、空気の流れを妨げるボビンが無くなったことで、積層した一次巻線31，41と二次巻線32，42に冷風が満遍なく通過する。しかも、金属板状の二次巻線32，42を多層構造化することにより、そこからトランス１としての熱分散を図ることができ、前述した冷風が満遍なく通過することと相俟って、冷却性能を向上できると共に、一次巻線31，41と二次巻線32，42との間の漏れインダクタンスも低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば１００Ａを超える電流容量が要求されるスイッチング電源用のトランスに関する。

安定化電源装置において、１００Ａを超える大電流出力を得ようとする場合、スイッチング方式の電源で小型軽量化を図るのが一般的である。こうしたスイッチング方式の電源では、スイッチング素子のスイッチングにより得られた方形波電圧を、二次側に絶縁して電力伝送するトランスが不可欠である。

こうした大電流用のトランスは、大型のフェライトコアに太い銅線，銅箔，或いは細い銅線を束ねた導体を巻回した構造が採用されていたが、近年は一次巻線や二次巻線を積層したトランス構造により、小型化が図られている。

こうしたトランス構造は、例えば特許文献１などに開示されている。ここで、その具体的な構成を図６に基づき説明すると、101は電源装置の入力側から出力側への電力伝送を行なうトランスで、これは磁性部材からなるコア102と、このコア102に電磁気的に結合する複数の一次巻線103および二次巻線104を備えて構成される。コア102は、断面がＥ形に形成された第１コア部材105と、断面がＩ形に形成された第２コア部材106とにより構成される。また、107はコア102を収容保持する合成樹脂製のコアホルダで、その底部にはプリント基板108の孔109に嵌合する弾性片110が一体的に設けられる。コア102は、中心部の円筒形状をなす主脚111と、この主脚111の両側にある一対の側脚112とを有し、これらの主脚111や側脚112の上面を形成する第１コア部材105のつき合わせ面113に、平板状の第２コア部材106をつき合わせることで、閉ざされた磁気回路が形成される。一方、一次巻線103は、合成樹脂からなる円板状のボビン体114と、このボビン体114に巻回される線材115とにより構成され、線材115は一対のフランジ116間に放射方向に拡径しながら渦巻き状に巻装される。また二次巻線104は、導電部材118をフィルム状の絶縁層119で覆うことで構成される。

そして製造に際しては、予めボビン体114に線材115を巻装した一次巻線103を用意し、この一次巻線103の線材115の両端をプリント基板108の所定位置に半田付けして双方の電気的接続を図る。また、このプリント基板108の孔109にコアホルダ107の弾性片110を嵌合させ、プリント基板108上にコアホルダ107を取付け固定する。次いで、一次巻線103およびコアホルダ107付きのプリント基板108を、プリント基板108と対向して配置される金属製の板状部材121にスペース（図示せず）を介在させた状態でねじ止めする。これらの各作業により、板状部材121に対するプリント基板108とトランス101のコアホルダ107との位置決め固定がそれぞれなされる。

次に、実質的なトランス101の製造工程に移行する。先ず、つき合わせ面113を上に向けた状態で、第１コア部材105をコアホルダ107に収容し、機構的に各々独立した一次巻線103と二次巻線104をコア102の主脚111に順次装着する。そして、第１コア部材105のつき合わせ面113を第２コア部材106につき合わせて、弾性ストッパー122の両端部をコアホルダ107の両側上部に係止することで、トランス101の全ての構成部品（コア102，一次巻線103および二次巻線104）がコアホルダ107に収容保持される。

また、トランス101の二次側の電流容量を増やすために、二次巻線104を銅などの金属板材で構成するものも、例えば特許文献２などで知られている。
トロイダル状コアに導体として太い銅線を巻いたり、あるいは細い銅線を束ねて巻いたりする構造が従来から採用されてきた。しかし、銅線が巻太って無駄なスペースが生じたり、太い銅線のために他の被接合体との端末処理が複雑となったり、コアの中心部で銅線が密になり、放熱が困難になったりする問題を有していた。
特開２００３−６８５３２号公報 特開昭６４−３０４６３号公報

上述したような、一次巻線103と二次巻線104を積層したトランス101では、製造時に巻線機などの大掛かりな機械を必要としない利点がある。しかし、こうしたトランス構造においても、積層した一次巻線103と二次巻線104間の冷却が不十分であり、また特に大電流が流れるトランス101では、一次巻線103または二次巻線104の端部に設けた接続部で、外部回路との接続損失も大きく、熱集中が避けられないという問題があった。また併せて、限られたスペース内で巻線の占有率をさらに増加させると共に、一次巻線103と二次巻線104間の漏れインダクタンスを低減できるトランス構造も求められていた。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、限られたスペース内で巻線の占有率をさらに増加させ、冷却性能を高めると共に、一次巻線と二次巻線間の漏れインダクタンスを低減できるトランスを提供することをその目的とする。

また本発明の別な目的は、外部回路との接続部における損失の低減を図ったトランスを提供することにある。

本発明の請求項１におけるトランスは、磁性材料からなるコアに、一次巻線と二次巻線とを積層して装着したトランスにおいて、前記一次巻線は、線材を複数回巻回したボビンレス構造のコイル部だけで構成され、前記二次巻線は、前記コアを周回するように形成した金属板材からなり、前記一次巻線と互い違いに複数個装着されることを特徴とする。

また、本発明の請求項２におけるトランスは、前記二次巻線の端部に接続部を設け、外部回路および／または別な二次巻線との接続を可能にするために、固定具が挿通する４つ以上の孔を前記接続部に形成している。

本発明の請求項１では、共通するコアに一次巻線と二次巻線がそれぞれ積層状態で装着されるが、一次巻線にボビンが存在しない分、トランスとしての巻線の占有率が増加するので、限られたスペースを有効に活用できる。また、トランスを電源装置などに組み込んだときに、空気の流れを妨げるボビンが無くなったことで、積層した一次巻線と二次巻線に冷風が満遍なく通過する。しかも、金属板状の二次巻線を多層構造化することにより、トランスとしての熱分散を図ることができ、前述した冷風が満遍なく通過することと相俟って、冷却性能を向上できると共に、一次巻線と二次巻線との間の漏れインダクタンスも低減できる。

本発明の請求項２では、４個以上の固定具を用いて、外部回路や他の二次巻線を接続部に強固に固定することができるため、接続部における損失の低減を図ることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるトランスの好ましい実施例を説明する。

図１は、本実施例におけるトランス１の分解斜視図であり、図２はトランス１の組立後における外形図である。ここでのトランス１は、スイッチング方式の電源装置に組み込まれ、図示しないスイッチング素子のスイッチングにより一次側で得られた方形波電圧を、二次側に絶縁して電力伝送するものである。また、当該電源装置がブリッジ型コンバータにより構成される関係で、本実施例におけるトランス１も、共通するコア２に２つの巻線部３，４が電磁気的に結合した構造を有している。勿論、この巻線部３，４が単独若しくは３つ以上あっても構わない。

コア２は、鉄またはフェライトなどの磁性部材で構成され、何れも断面がＥ形に形成された第１コア部材11と第２コア部材12とにより構成される。それぞれのコア部材11，12は、中心部の円筒形状をなす主脚13と、この主脚13の両側にある一対の側脚14と、主脚13および各側脚14の基端部を繋ぎ合わせる平板状の連結部15とを有し、コア部材11，12の主脚13および各側脚14の上面どうしをつき合わせることで、閉ざされた磁気回路が形成される。なお、ここでのコア２は、いわゆるＥＥ型のコア部材11，12により構成されるが、従来例で示したＥＩ型や、それ以外の型によるコア部材11，12により構成してもよい。また、主脚13は円以外の筒形状であっても構わない。

巻線部３は、何れも複数の一次巻線31と二次巻線32とを互い違いに積層して構成され、また同様に巻線部４も、何れも複数の一次巻線41と二次巻線42とを互い違いに積層して構成される。ここで、巻線部３の一次巻線31と巻線部４の一次巻線41は同一形状であるが、巻線部３の二次巻線32と巻線部４の二次巻線42は、外部回路の接続部となる端部の形状が異なる。一次巻線31，41は並列接続され、この並列回路に前記方形波電圧が印加される。一方、二次巻線32，42は、それぞれの巻線部３，４で直列に接続され、巻線部３の二次巻線32の他端と、巻線部４の二次巻線42の一端がねじ止めにより電気的に接続される。

ここで、図３や図４を参照しながら、巻線部３，４の構成をさらに詳しく説明する。一次巻線31，41は、いわゆるボビンレス構造で、絶縁被覆された線材である電線21を巻回したコイル部22だけで構成される。ここでのコイル部22は、電線21を積み重ねながら、放射方向に拡径しつつ順に複数回巻回して形成される。したがって、一次巻線31，41の巻始めとなる電線21の一端21ａが、コイル部22の内周側に位置し、一次巻線31，41の巻き終りとなる電線21の他端21ｂが、コイル部22の外周側に位置する。そのため、電線21の一端21ａは、最終的にコイル部22の内周側から外周側を乗り越えるように、当該コイル部22を跨いで外部へ送出される膨出部21ｃが形成される一方で、電線21の他端21ｂは、コイル部22の外周側からそのまま外部へ送出される。

巻線部３の二次巻線32は、例えば銅板などの扁平板状の金属板材から形成され、前記コア２の脚部13を取り囲むように形成される周回部24と、この周回部24の一端と他端にそれぞれ形成される接続部25，26と、接続部25，26の反対側にあって、周回部24の中間に形成される誘導手段としての凹部27とを備える。凹部27は、周回部24の内周縁を「コ」字状に切り抜いて形成される。この凹部27は、周回部24の内周縁から半径方向に延び、奥行きが巻き幅である一次巻線31の軸直角方向長さより大きく形成され、幅が一次巻線31を構成する電線21の直径よりも大きく形成される。

同様に、巻線部４の二次巻線42は、例えば銅板などの扁平板状の金属板材から形成され、前記コア２の脚部13を取り囲むように形成される周回部24と、この周回部24の一端と他端にそれぞれ形成される接続部28，29と、接続部28，29の反対側にあって、周回部24の中間に形成される誘導手段としての凹部27とを備える。二次巻線42は、その両端部に位置する接続部28，29の形状だけが二次巻線32と異なる。凹部27の奥行きは巻き幅である一次巻線41の軸直角方向長さより長く形成され、幅が電線21の直径より長く形成される。

51は、コア部材11，12をつき合わせた状態で、コイル２の脚部13外周を覆うシート状の絶縁材である。この絶縁材51は、一次巻線31，41や二次巻線32，42とコイル２とを電気的に絶縁するためのものである。同様の目的で、各コア部材11，12の連結部15と巻線部３，４との間にも、それぞれシート状の絶縁材52が介在される。さらに、巻線部３，４間にも、別なシート状の絶縁材53が介在される。これらの絶縁材52，53は、一次巻線31，41や二次巻線32，42と共に積層される。

前記二次巻線32の接続部25，26には、４個の孔54がそれぞれ形成される。また、別な二次巻線42の接続部28，29にも、前記孔54と同形状の４個の孔55がそれぞれ形成される。コア２に複数の一次巻線31，41および二次巻線32，42を積層した状態では、各二次巻線32の接続部25に形成した孔54にねじ56がそれぞれ挿通され、このねじ56の先端側にナット57を螺着することで、各二次巻線32の接続部25が電気的に接続される。同様に、各二次巻線42の接続部29に形成した孔55にねじ58がそれぞれ挿通され、このねじ58の先端側にナット59を螺着することで、各二次巻線42の接続部29が電気的に接続される。さらに、各二次巻線32の接続部26に形成した孔54と、二次巻線42の接続部28に形成した孔55に、別なねじ60がそれぞれ挿通され、このねじ60の先端側にナット61を螺着することで、各二次巻線32，42の接続部26，28が電気的に接続される。なお、一次巻線31，41および二次巻線32，42を積層したときに向かい合う各接続部25，26，28，29間は、図示しない外部回路の端子部や、導電性のスペーサが介在して、共にねじ締めされる。これにより向かい合う各接続部25，26，28，29間の電気的な導通を確実にすると共に、ねじ締め時における接続部25，26，28，29の変形を防止している。

製造に際しては、予め電線21をボビンレスの状態で巻回することで、複数の一次巻線31，41をサブユニットとして組立てておく。そして、図３に示すように、第２コア部材12の主脚13および各側脚14の先端面を上に向けた状態で、絶縁材51を主脚13の外周に装着し、絶縁材52，巻線部４，絶縁材53，巻線部３，絶縁材52の順で、機構的に各々独立した一次巻線31，41や二次巻線32，42を含む各部品を装着する。このとき巻線部３は、一次巻線31と二次巻線32が互い違いに積層して装着され、別な巻線部４も一次巻線41と二次巻線42が互い違いに積層して装着されるが、一次巻線31，41にボビンが存在しない関係で、その分トランス１としての巻線の占有率が増える。また、トランス１を電源装置などに組み込んだときに、ファン（図示せず）からの空気の流れを妨げるボビンが無くなったことで、一次巻線31，41と二次巻線32，42に冷風が満遍なく通過する。しかも、金属板状の二次巻線32，42を多層構造化することにより、トランス１としての熱分散を図って、結果的に冷却性能を向上できると共に、一次巻線31，41と二次巻線32，42との間の漏れインダクタンスも低減する。

また、上記したように一次巻線31，41は、電線21の一端21ａがコイル部22の内周側から外周側へかけてコイル部22を跨いで送出され、そこに部分的な膨出部21ｃが形成されるので、一次巻線31，41全体の軸方向長さは、コイル部22の高さに電線21の直径分を加えた長さとなる。従って、金属板材からなる通常の二次巻線32，42で一次巻線31，41をそれぞれ挟み込むと、膨出部21ｃの部分で二次巻線32，42の表面とコイル部22との間にデッドスペースが生じる。

ところが、本発明のような凹部27を備えた二次巻線32，42であれば、図３に示すように、凹部27に電線21の膨出部21ｃを配置することにより、前記二次巻線32，42の表面を，それに対向する一次巻線31，41のコイル部22表面に当接させたまま、コイル部22を跨いでいる電線21の一端21ａを，凹部27によってコイル部７の内周側から外周側へ誘導することができる。従って、トランス１は、電線21の膨出部21ｃの直径分だけ軸方向の長さを短くすることができるので、スペースを有効に利用して小型化を実現することが可能になる。

なお、別な変形例として、図５に示すように、凹部27に替えて有底の溝部71を設けることとしてもよい。溝部71は、周回部24の内周縁から半径方向に延びるように形成され、高さ（軸）方向の長さが少なくとも電線21の直径より大きく、奥行きが一次巻線31，41の軸直角方向の長さより大きく、電線21の一端21ａが外部へ導出できるように、円周方向の外端部が一次巻線31，41の外端部より外方に位置するように形成される。このように誘導手段として有底の溝部71を設けることとしたことにより、誘導手段の設置に伴う二次巻線32，42の断面積の減少を抑制することができる。すなわち、誘導手段を溝部71とすることにより、上記凹部12を設ける場合に比べ、二次巻線32，42の断面積を増やすことができる。

そして最後に、第２コア部材12に向かい合わせた状態で、第１コア部材11をつき合わせ、必要に応じてコア２の外周をテープ（図示せず）で固定することで、トランス１単体としての製造が完了する。

以上のように、本実施例では、磁性材料からなるコア２に、一次巻線31，41と二次巻線32，42とを積層して装着したトランス１において、一次巻線31，41は、線材である電線21を複数回巻回したボビンレス構造のコイル部22だけで構成され、二次巻線32，42は、コア２を周回するように形成した金属板材からなり、一次巻線31，41と互い違いに複数個装着されている。

こうすると、共通するコア２に一次巻線31，41と二次巻線32，42がそれぞれ積層状態で装着されるが、一次巻線31，41にボビンが存在しない分、トランス１としての巻線の占有率が増加するので、限られたスペースを有効に活用できる。また、トランス１を電源装置などに組み込んだときに、空気の流れを妨げるボビンが無くなったことで、積層した一次巻線31，41と二次巻線32，42に冷風が満遍なく通過する。しかも、金属板状の二次巻線32，42を多層構造化することにより、そこからトランス１としての熱分散を図ることができ、前述した冷風が満遍なく通過することと相俟って、冷却性能を向上できると共に、一次巻線31，41と二次巻線32，42との間の漏れインダクタンスも低減できる。

さらに本実施例では、二次巻線32，42の一端部および他端部にそれぞれ接続部25，26，28，29を設け、外部回路および／または別な二次巻線32，42との接続を可能にするために、固定具であるねじ56，58，60が挿通する４つ以上の孔を前記接続部25，26，28，29に形成している。

こうすると、４個以上のねじ56，58，60を用いて、外部回路や他の二次巻線32，42を接続部25，26，28，29に強固に固定することができるため、接続部25，26，28，29における損失の低減を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明は、コア２，一次巻線31，41，二次巻線32，42の各形状は、実施例中に提示したものに限ることなく、適宜変更が可能である。また、２ターン以上の二次巻線32，42であっても構わない。さらに、ねじ56，58，60の先端部がねじ込まれる二次巻線32，42の一つを、タップ無しの孔54，55からタップ付きの孔に変更して、ナット57，59，61を不要にしてもよい。

本発明の好ましい一実施例におけるトランスの各構成部品を示す分解斜視図である。 同上、トランスの組立後における斜視図である。 同上、巻線部の積層時における斜視図である。 同上、要部の部分断面図である。 同上、別な変形例を示す要部の部分断面図である。 従来のトランス構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

２ コア
21 電線（線材）
22 コイル部
25，26，28，29 接続部
31，41 一次巻線
32，42 二次巻線
56，58，60 ねじ（固定具）

Claims (2)

1. 磁性材料からなるコアに、一次巻線と二次巻線とを積層して装着したトランスにおいて、
   前記一次巻線は、線材を複数回巻回したボビンレス構造のコイル部だけで構成され、
   前記二次巻線は、前記コアを周回するように形成した金属板材からなり、前記一次巻線と互い違いに複数個装着されることを特徴とするトランス。
2. 前記二次巻線の端部に接続部を設け、外部回路および／または別な二次巻線との接続を可能にするために、固定具が挿通する４つ以上の孔を前記接続部に形成したことを特徴とする請求項１記載のトランス。