JP5945002B2 - 変圧器および変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電圧を変換する変圧器に関する。

近年、地球環境保全への意識の高まりから、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の各種変換器（電力変換器）の高効率化が求められている。そのため、変換回路のトポロジーやその制御技術が進歩している。変換回路に用いられる各種回路素子においても、新材料の適用や構造の改良等により、その損失を小さくする施策がなされている。例えば、変換回路の主な損失源となっているスイッチング素子においては、シリコンカーバイドの実用化により、大幅な損失低減が見込まれている。今後、変換器の損失をより一層低減するためには、コンデンサや磁気デバイス等の受動部品の損失を低減する必要がある。

磁気デバイスの代表例として変圧器がある。一般に、変換器に用いられる変圧器は、入力側の回路に接続される一次巻線と、出力側の回路に接続される二次巻線と、これら一次巻線および二次巻線に巻き回されるコアとを有する。変圧器が駆動状態にあるとき、コアにおいて鉄損と呼ばれる損失が発生する。鉄損は磁束密度や周波数等に依存し、磁束密度が高いほど鉄損は大きくなる。従来の変圧器においては、磁路の短いコアの内周側ほど磁気抵抗が低く、磁束が集中する。そのため、内周側ほど鉄損が増大していた。

そこで、コア内の磁束密度分布の不均衡を抑制する方法が知られている（特許文献１及び２）。これらの方法は、磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に、外周側より劣る磁気特性を有する電磁鋼板を配置し、磁路長が長く磁気抵抗が大きい外周側に、内周側より優れた磁気特性を有する電磁鋼板を配置することで、コアの断面内における磁束密度分布の均一化を図っている。

特開２００５−１３６０５９号公報 特開２００７−４３０４０号公報

しかしながら、このように磁束密度分布の不均衡を抑制する方法は、磁気特性の異なるコアを用意する必要がある。また、外周側に配置されるコアは、磁路長が長いことから、優れた磁気特性を必要とするために高価になり、コストが増加する。

本発明の一態様である変圧器は、第１のコアと、第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、第２のコアの外側で第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、第２のコアの外側で第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、第１のコアの磁脚と第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、第１のコアの磁脚と第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、を備える。

本発明の一態様によれば、複数のコア内の磁束密度分布を均一化することができる。

図１は、本発明の実施例１の変圧器１の構成を示す垂直断面図である。 図２は、比較例の変圧器５０における磁束密度分布を示す。 図３は、変圧器１における磁束密度分布を示す。 図４は、変圧器２の構成を示す垂直断面図である。 図５は、変圧器３の構成を示す垂直断面図である。 図６は、変圧器４の構成を示す垂直断面図である。 図７は、変圧器５の構成を示す垂直断面図である。 図８は、透磁率が異方性を有しないコアを用いた場合の変圧器１における磁束経路の一例を示す。 図９は、実施例２の変圧器６の構成を示す垂直断面図である。 図１０は、実施例３の変圧器７の構成を示す垂直断面図である。 図１１は、変圧器７の構成を示す水平断面図である。 図１２は、実施例４の変圧器８の構成を示す垂直断面図である。 図１３は、変圧器８の構成を示す側面図である。 図１４は、実施例５の発電システム２００の構成を示すブロック図である。 図１５は、実施例５の変形例の発電システム２０２の構成を示すブロック図である。 図１６は、比較例の電気自動車の電源システム３００の構成を示すブロック図である。 図１７は、実施例６の電源システム３０２の構成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ながら説明する。

図１は、本発明の実施例１の変圧器１の構成を示す垂直断面図である。変圧器１は、貫通孔が形成されたコア１０１と、貫通孔が形成されたコア１０２とを有する。コア１０２は、コア１０１の貫通孔内に設けられる。コア１０２の平均磁路長は、コア１０１の平均磁路長より短い。変圧器１は更に、コア１０１の貫通孔内を通り、コア１０２の外側でコア１０１の磁脚に巻き回された一次巻線１０３と、コア１０１の貫通孔内を通り、コア１０２の外側でコア１０１の磁脚に巻き回された二次巻線１０４と、コア１０１、１０２の貫通孔内を通り、コア１０１の磁脚とコア１０２の磁脚との束に巻き回された一次巻線１０５と、コア１０１、１０２の貫通孔内を通り、コア１０１の磁脚とコア１０２の磁脚との束に巻き回された二次巻線１０６とを有する。

一次巻線１０３、１０５は、電気的に直列に接続されている。一次巻線１０３、１０５は、コア１０１、１０２の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。本実施例における一次巻線１０３、１０５は、同じ巻方向である。二次巻線１０４、１０６は、電気的に直列に接続されている。二次巻線１０４、１０６は、同じ巻方向に巻き回され、両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。本実施例における二次巻線１０４、１０６は、同じ巻方向である。本実施例におけるコア１０１、１０２は、巻鉄心であり、同一の磁気特性を有する材料から製造される。本実施例におけるコア１０１、１０２の断面積は、磁束経路に亘って一定である。

以下、変圧器１における磁束密度分布の均一化について説明する。

まず、変圧器１の比較例の磁束密度分布について説明する。

図２は、比較例の変圧器５０における磁束密度分布を示す。この図は、変圧器５０の構成と、変圧器５０内のＡ−Ａ線上の磁束密度分布とを示す。変圧器５０は、コア１７１と、コア１７１の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線１７２及び二次巻線１７３とを有する。コア１７１は、同一の磁気特性を有する材料から製造される。

真空の透磁率をμ０とする。或るコアの断面積をＳ、そのコアの比透磁率をμｒ、そのコアの磁路長をＬ、そのコアの磁気抵抗をＲとすると、Ｒは次式で表される。

Ｒ＝Ｌ／（μ０・μｒ・Ｓ） …（１）

即ち、磁路長が長くなるほど、磁気抵抗が高くなる。従って、コア１７１の内部では、内周側へ向かうにつれて、磁路が短くなり、磁気抵抗が小さくなるため、磁束密度が高くなる。コア１７１の最内周において磁束密度は最大になる。コア１７１の内部における磁束密度の最大値が高くなると、変圧器の鉄損は大きくなる。

次に、変圧器１の磁束密度分布について説明する。

図３は、変圧器１における磁束密度分布を示す。この図は、変圧器１の構成と、変圧器１内のＣ−Ｃ線上の磁束密度分布とを示す。磁束密度分布は、一次巻線１０５により発生する磁束密度分布１６１と、一次巻線１０３により発生する磁束密度分布１６２と、一次巻線１０５、１０３により発生する磁束密度分布１６３とを示す。

まず、一次巻線１０５により発生する磁束密度分布１６１について説明する。コア１０２の内部において、一次巻線１０５により発生する磁束は、磁気抵抗が最も低いコア１０２の最内周で最も集中し、コア１０２の外周側へ向かうにつれて疎になっていく。コア１０２の最外周の磁路長と、コア１０１の最内周の磁路長とは不連続であるため、コア１０２とコア１０１の境界面Ｂにおいて磁束密度分布は不連続となる。コア１０１の内部において、一次巻線１０５により発生する磁束は、コア１０１の外周側へ向かうにつれて疎になっていく。次に、一次巻線１０３により発生する磁束密度分布１６２について説明する。一次巻線１０３はコア１０１にのみ巻き回されているため、一次巻線１０３により発生する磁束は、コア１０１の内部にのみ分布する。次に、一次巻線１０５、１０３により発生する磁束密度分布１６３について説明する。一次巻線１０３、１０５は、コア１０１、１０２の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さないため、コア１０１の内部に分布する磁束は、一次巻線１０３により発生する磁束と、一次巻線１０５により発生する磁束との重ね合わせとなる。

理想的には、コア１０１、１０２の夫々について、巻き回される一次巻線の総巻数が磁気抵抗に比例するように設定すれば、コア１０１、１０２の夫々の内部の磁束密度分布は等しくなる。すなわち、変圧器１においては、コア１０２に巻き回される一次巻線１０３、１０５の総巻数と、コア１０１に巻き回される一次巻線１０５の巻数との比が、コア１０２の磁気抵抗とコア１０１の磁気抵抗との比と等しくなるとき、コア１０１、１０２の夫々の内部の磁束密度分布は等しくなる。このとき、変圧器１の鉄損が最小になる。

以上に説明したように、変圧器１の磁束密度分布は、比較例の変圧器の磁束密度分布に比べて均一化される。これにより、変圧器１の鉄損は、比較例の変圧器の鉄損より低くなり、変圧器１の電力変換効率は、比較例の変圧器の電力変換効率より高くなる。また、比較例の変圧器と同等の電力変換効率を実現する場合、変圧器１は比較例の変圧器より小型にすることができる。また、変圧器１は、磁束密度分布の均一化のために、複数のコアに夫々磁気特性の異なる複数の材料を用いる必要がない。

以下、変圧器１の変形例である変圧器２について説明する。

図４は、変圧器２の構成を示す垂直断面図である。この変圧器２において、変圧器１の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器２は、変圧器１における一次巻線１０５の代わりに、一次巻線４０５、４０６を有し、二次巻線１０６の代わりに二次巻線４０７、４０８を有する。一次巻線１０３、４０５、４０６は、電気的に直列に接続されており、コア１０１、１０２の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線１０４、４０７、４０８は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。

コア１０１、１０２の両側に、一次巻線４０５、４０６が夫々配置され、二次巻線４０７、４０８が夫々配置される。このような左右対称型の構成とすることで、変圧器１に比べて設置性を高められる。また、一次巻線１０５を一次巻線４０５、４０６に分割し、二次巻線１０６を二次巻線４０７、４０８に分割することにより、巻線の形成や装填の際に、巻線の重量による負担を軽減することができる。

以下、変圧器１の変形例である変圧器３について説明する。

図５は、変圧器３の構成を示す垂直断面図である。変圧器３は、貫通孔が形成されているコア５０１と、コア５０１の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア５０１の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア５０２と、コア５０１の外周面のうち側方の平面に接し、貫通孔が形成されているコア５０３と、コア５０３の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア５０３の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア５０４とを有する。変圧器３は更に、コア５０１、コア５０３の貫通孔内を通り、コア５０２、５０４の外側でコア５０１、５０３の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線５０５及び二次巻線５０６と、コア５０１、５０２、５０３、５０４の貫通孔内を通り、コア５０１、５０２、５０３、５０４の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線５０７及び二次巻線５０８とを有する。一次巻線５０５、５０７は、電気的に直列に接続されており、コア５０１、５０２、５０３、５０４の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線５０６、５０８は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。

変圧器３のような構成とすることで、コア一個当たりの重量を軽減することができる。これにより、変圧器３の製作の際の重量負担を軽減することができるほか、特に大容量の変圧器３においては、分割輸送にも適している。

以下、変圧器１の変形例である変圧器４について説明する。

図６は、変圧器４の構成を示す垂直断面図である。この変圧器４において、変圧器３の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器４は、変圧器３の要素に加え、コア５０２の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア５０２の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア６０１と、コア５０４の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア５０４の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア６０２とを有する。変圧器４は更に、コア５０１、５０２、５０３、５０４、６０１、６０２の貫通孔内を通り、コア５０１、５０２、５０３、５０４、６０１、６０２の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線６０３及び二次巻線６０４を有する。一次巻線５０５、５０７、６０３は、電気的に直列に接続されており、コア５０１、５０２、５０３、５０４、６０１、６０２の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線５０６、５０８、６０４は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。

変圧器４のような構成とすることで、変圧器３と比べ、コアの一個当たりの重量をさらに軽減することができる。また、コアの内部の磁束密度分布を均一化した大容量の変圧器４を提供することができる。

以下、変圧器１の変形例である変圧器５について説明する。

図７は、変圧器５の構成を示す垂直断面図である。この変圧器５において、変圧器３の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器５は、変圧器３の要素に加え、コア５０１、５０３の外側に配置にされ、コア５０１、５０３の外側の平面に接し、貫通孔が形成されているコア７０１と、コア７０１の側方の一方に配置され、コア７０１の外周面の一部の平面に接し、貫通孔が形成されているコア７０２と、コア７０２の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア７０２の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア７０３と、コア７０１の側方の他方に配置され、コア７０１の外周面の一部の平面に接し、貫通孔が形成されているコア７０４と、コア７０４の貫通孔内に配置され、貫通孔が形成され、コア７０４の平均磁路長より短い平均磁路長を有するコア７０５とを有する。即ち、コア５０１、５０３は、コア７０１の貫通孔内に配置されている。

変圧器５は更に、コア５０１、７０２の貫通孔内を通り、コア５０２、７０３の外側でコア５０１、７０１、７０２の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線７０６及び二次巻線７０７と、コア５０３、７０４の貫通孔内を通り、コア５０４、７０５の外側でコア５０３、７０１、７０４の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線７０８及び二次巻線７０９と、コア５０２、７０３の貫通孔内を通り、コア５０１、５０２、７０１、７０２、７０３の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線７１０及び二次巻線７１１と、コア５０４、７０５の貫通孔内を通り、コア５０３、５０４、７０１、７０４、７０５の磁脚の周囲に巻き回される一次巻線７１２及び二次巻線７１３とを有する。

一次巻線５０５、５０７は、電気的に直列に接続されており、コア５０１、５０２、５０３、５０４の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線５０６、５０８は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。一次巻線７０６、７１０は、電気的に直列に接続されており、コア５０１、５０２、７０１、７０２、７０３の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線７０７、７１１は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。一次巻線７０８、７１２は、電気的に直列に接続されており、コア５０３、５０４、７０１、７０４、７０５の内部に発生させる磁束を互いに打ち消さない方向に巻き回される。二次巻線７０９、７１３は、電気的に直列に接続されており、それらの巻線両端に発生する誘起電圧を互いに打ち消さない方向に巻き回される。

このように変圧器５は、一次巻線５０５、５０７及び二次巻線５０６、５０８の組と、一次巻線７０６、７１０及び二次巻線７０７、７１１の組と、一次巻線７０８、７１２及び二次巻線７０９、７１３の組とを有する。これらの三組により、三相電圧を扱うことができる。また、変圧器５は、従来の三相変圧器と比べて、コアの内部の磁束密度分布を均一化することができる。

本発明は、変圧器１〜５の構成に限定されない。すなわち本発明は、変圧器１を基本構成として、一次巻線、二次巻線、及びコアの分割や追加を行うことや、一次巻線、二次巻線、及びコアの位置関係を変更することで得られる全ての構成を含む。

以下、二つのコアの間に空隙を設ける実施例について説明する。

まず、透磁率が異方性を有しないコアを用いた場合の変圧器１について説明する。

図８は、透磁率が異方性を有しないコアを用いた場合の変圧器１における磁束経路の一例を示す。例えば、通常のフェライトコアやダストコアの透磁率は、異方性を有しない（等方性を有する）。透磁率が異方性を有しない場合、コア１０１の内部を還流する磁束経路９０１と、コア１０２の内部を還流する磁束経路９０２とに加え、コア１０１の一部とコア１０２の一部を経る磁束経路９０３が存在する。磁束経路９０３は、前述の磁束密度分布の均一化に寄与しない。

次に、本実施例の変圧器６について説明する。

図９は、実施例２の変圧器６の構成を示す垂直断面図である。この変圧器６において、変圧器１の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器６は、変圧器１におけるコア１０１と１０２の間に空隙８０１を有する。

変圧器３のようにコア１０１とコア１０２の間に空隙８０１を設けることにより、コア１０１とコア１０２間の磁気抵抗をコア１０１とコア１０２の内部の磁気抵抗より大幅に高め、磁束経路９０３を経る磁束を少なくすることができる。これにより、磁束密度分布の均一化の効果を高めることができる。

アモルファス金属やナノ結晶軟磁性材を用いた十〜数十マイクロメートル程度の厚さの薄帯を巻き回し積層することでコアを形成する場合、このようなコアは、その構造上、透磁率が異方性を有するので、空隙８０１を設けなくても磁束密度分布は均一化されやすい。しかし、透磁率が異方性を有する場合であっても、磁束方向の透磁率と、垂直方向の透磁率との比率が小さいときには、空隙８０１を設けることにより、磁束密度分布の均一化の効果を高めることができる。

変圧器６は、一次巻線１０５、および二次巻線１０６が巻き回されていない磁脚側のコア間に空隙８０１を設ける例を示しているが、空隙の位置はこの例に限定されるものではない。例えば、変圧器２のように、左右の磁脚に巻線を巻き回している場合、両磁脚のコア間に空隙を設けることにより、左右の対称性を損なうことなく、磁束密度分布の均一化の効果を高めることができる。

以下、内側のコアの断面積を外側のコアの断面積より小さくする実施例について説明する。

図１０は、実施例３の変圧器７の構成を示す垂直断面図である。図１１は、変圧器７の構成を示す水平断面図である。この水平断面図は、変圧器７の垂直断面図におけるＤ−Ｄ線矢視断面を示す。この変圧器７において、変圧器３の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。但し、コア５０２の断面積は、コア５０１の断面積より小さく、コア５０４の断面積は、コア５０３の断面積より小さい。

変圧器７のような構成とすることで、変圧器３に比べ、一次巻線５０７及び二次巻線５０８の長さを短くすることができる。これにより、変圧器の小型化及び軽量化を果たすと同時に、銅損を低減することができる。

以下、コアに生じる応力を分散させる実施例について説明する。

図１２は、実施例４の変圧器８の構成を示す垂直断面図である。図１３は、変圧器８の構成を示す側面図である。この変圧器８において、変圧器１の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器８は、変圧器１の要素に加え、コア１０２の底面を支持する支持部１１３と、一次巻線１０３及び二次巻線１０４の底面を支持する支持部１１１と、一次巻線１０５及び二次巻線１０６の底面を支持する支持部１１２とを有する。コア支持部は例えば、支持部１１３に対応する。巻線支持部は例えば、支持部１１１、１１２に対応する。

コアの材料には、応力によって磁気特性が悪化する材料がある。そのような材料の一例がアモルファスコアである。変圧器が大容量である場合、コアの自重によるコアへの応力が大きいため、その応力によって磁気特性が悪化する。また、コアに別のコアや巻線等が載せられる場合も、コアに応力が生じる。そこで、本実施例では、変圧器８のように、コアや巻線を載せる支持部１１１、１１２、１１３を設けることにより、応力を分散させ、応力による磁気特性の悪化を低減する。支持部１１１、１１２、１１３の何れかは、省かれても良い。なお、このような支持部１１１、１１２、１１３は、変圧器８の構成に限定されない。例えば、支持部１１１〜１１３を、コアや巻線を天井から吊り下げる機構に置き換えても、支持部１１１〜１１３と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の変圧器を適用した変換器及び発電システムの実施例について説明する。

図１４は、実施例５の発電システム２００の構成を示すブロック図である。この発電システム２００は、ｍ個の発電装置２０１を有する。ｍは、１以上の整数である。複数の発電装置２０１の夫々は、直流出力端子を有し、直流電力を出力する。複数の発電装置２０１は、電気的に直列に接続され、その直列接続の両端に直流出力端子を有する。この直流出力端子が直流送電手段１３７に電気的に接続されることにより、発電システム２００は、直流送電手段１３７に直流電力を供給する。

複数の発電装置２０１の夫々は、交流電力を発生させる交流発電機１３１と、その交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１３４と、その直流電力の電圧を変換する変換器１０とを有する。変換器１０は、直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣコンバータ１３５と、その交流電力の電圧を変換する変圧器９と、変換された交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１３６とを有する。変圧器９は、前述の変圧器１〜８の何れかが適用されたものである。

交流発電機１３１は、タービン発電機、風力発電機、水力発電機等、回転運動を利用して交流電力を発生させる発電機を含んでいる。交流発電機１３１の交流出力端子は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３４の交流入力端子に電気的に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３４の直流出力端子は、ＤＣ−ＡＣコンバータ１３５の直流入力端子に電気的に接続される。ＤＣ−ＡＣコンバータ１３５の交流出力端子は、変圧器９の一次巻線に電気的に接続される。変圧器９の二次巻線は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３６の交流入力端子に電気的に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３６の直流出力端子は、発電装置２０１の直流出力端子である。

以下、実施例５の変形例の発電システムについて説明する。

図１５は、実施例５の変形例の発電システム２０２の構成を示すブロック図である。この発電システム２０２において、発電システム２００の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。発電システム２０２は、複数の発電装置２０１に代えて、複数の発電装置２０３を有する。複数の発電装置２０３の夫々は、直流出力端子を有し、直流電力を出力する。複数の発電装置２０３は、電気的に直列に接続され、その直列接続の両端に直流出力端子を有する。この直流出力端子が直流送電手段１３７に電気的に接続されることにより、発電システム２０２は、直流送電手段１３７に直流電力を供給する。

複数の発電装置２０３の夫々は、直流電力を発生させる直流発電機１３２と、その直流電力の電圧を変換する変換器１０とを有する。

直流発電機１３２は、太陽光発電等、直流電力を発生させる発電機を含んでいる。直流発電機１３２の直流出力端子は、ＤＣ−ＡＣコンバータ１３５の直流入力端子に電気的に接続される。ＤＣ−ＡＣコンバータ１３５の交流出力端子は、変圧器９の一次巻線に電気的に接続される。変圧器９の二次巻線は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３６の交流入力端子に電気的に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３６の直流出力端子は、発電装置２０３の直流出力端子である。

本実施例によれば、変圧器９を用いることにより、発電装置２０１、２０３や発電システム２００、２０２の体積や設置面積を低減することが可能となる。

以下、本発明の変圧器を適用した電気自動車の電源システムの実施例について説明する。

まず、本実施例の電源システムの比較例について説明する。

図１６は、比較例の電気自動車の電源システム３００の構成を示すブロック図である。この電源システム３００において、発電システム２００の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。電源システム３００は、交流電源１４１からの交流電力を直流電力に変換して制御する充電器３０１と、充電器３０１からの直流電力の充電及び放電を行うバッテリ１４８と、バッテリ１４８からの直流電力の電圧を変換する変換器２２と、バッテリ１４８の電圧より低い電圧を有し、変換器２２からの直流電力の充電及び放電を行うバッテリ１４９と、バッテリ１４９又は変換器２２からの直流電力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１４６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４６からの直流電力により駆動される負荷１４７とを有する。変換器２２は、バッテリ１４８からの直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣコンバータ１３５と、ＤＣ−ＡＣコンバータ１３５からの交流電力の電圧を変換する変圧器２１と、変圧器２１からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１３６とを有する。

充電器３０１は、交流電源１４１からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１４２と、ＡＣ−ＤＣコンバータ１４２からの直流電力をバッテリ１４８の充電に必要な電圧に変圧してバッテリ１４８に直流電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１４３と、ＡＣ−ＤＣコンバータ１４２からの直流電力をバッテリ１４９の充電に必要な電圧に変圧してバッテリ１４９に直流電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１４４とを有する。

負荷１４７へ大きな電力を供給する必要がある場合、変換器２２は、バッテリ１４８からの直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１４６へ供給する。しかし、充電器３０１がバッテリ１４８を充電している場合など、バッテリ１４８から負荷１４７への電力を確保できない場合、変換器２２の電力変換効率が低下する。この場合、充電器３０１のＤＣ−ＤＣコンバータ１４４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１４２からの直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１４６とバッテリ１４９へ供給する。変換器２２と比較すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４４の電流の許容量は小さいが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４４の電力変換効率は高い。

次に、本実施例の電源システムについて説明する。

図１７は、実施例６の電源システム３０２の構成を示すブロック図である。この電源システム３０２において、電源システム３００の要素の同一物又は相当物である要素には同一符号を付し、その説明を省略する。電源システム３００と比較すると、電源システム３０２は、充電器３０１に代えて充電器３０３を有し、変換器２２に代えて変換器１０を有する。変換器２２と比較すると、変換器１０は、変圧器２１に代えて変圧器９を有する。変圧器９は、前述の変圧器１〜８の何れかが適用されたものである。充電器３０１と比較すると、充電器３０３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４４を必要としない。

変圧器２１より電力変換効率が高い変圧器９を用いることにより、バッテリ１４８から負荷１４７へ必要な電力供給量を確保できない場合の電力変換効率を向上させ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４４を省くことができる。これにより、電源システム３０２の部品点数が削減され、コストを削減することができる。

以上の実施例で説明された技術は、次のように表現することができる。
（表現１）
第１のコアと、
前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
を備える変圧器。
（表現２）
前記第１のコアには、第１の貫通孔が形成され、
前記第２のコアには、第２の貫通孔が形成され、
前記第２のコアは、前記第１の貫通孔内に配置される、
表現１に記載の変圧器。
（表現３）
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第３の一次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第３の二次巻線と、
を更に備える、
表現２に記載の変圧器。
（表現４）
前記第１のコアの外側に設けられ、第３の貫通孔が形成された第３のコアと、
前記第３の貫通孔内に設けられ、第４の貫通孔が形成され、前記第３のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第４のコアと、
を更に備え、
前記第１の一次巻線及び前記第１の二次巻線の夫々は、前記第２のコア及び前記第４のコアの外側で、前記第１のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚との束に巻き回され、
前記第２の一次巻線及び前記第２の二次巻線の夫々は、前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚との束に巻き回される、
表現２に記載の変圧器。
（表現５）
前記第２の貫通孔内に設けられ、第５の貫通孔が形成され、前記第２のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第５のコアと、
前記第４の貫通孔内に設けられ、第６の貫通孔が形成され、前記第４のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第６のコアと、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第５のコアの磁脚と前記第６のコアの磁脚との束に巻き回された第４の一次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第５のコアの磁脚と前記第６のコアの磁脚との束に巻き回された第４の二次巻線と、
を更に備える、
表現４に記載の変圧器。
（表現６）
第７の貫通孔が形成され、前記第７の貫通孔内に前記第１のコア及び前記第３のコアを収容する第７のコアと、
前記第７のコアの外側の一方に設けられ、第８の貫通孔が形成された第８のコアと、
前記第８の貫通孔内に設けられ、第９の貫通孔が形成され、前記第８のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第９のコアと、
前記第７のコアの外側の他方に設けられ、第１０の貫通孔が形成された第１０のコアと、
前記第１０の貫通孔内に設けられ、第１１の貫通孔が形成され、前記第１０のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第１１のコアと、
前記第２のコア及び前記第９のコアの外側で前記第１のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚との束に巻き回された第５の一次巻線と、
前記第２のコア及び前記第９のコアの外側で前記第１のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚との束に巻き回された第５の二次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚と前記第９のコアの磁脚との束に巻き回された第６の一次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚と前記第９のコアの磁脚との束に巻き回された第６の二次巻線と、
前記第４のコア及び前記第１１のコアの外側で前記第３のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚との束に巻き回された第７の一次巻線と、
前記第４のコア及び前記第１１のコアの外側で前記第３のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚との束に巻き回された第７の二次巻線と、
前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚と前記第１１のコアの磁脚との束に巻き回された第８の一次巻線と、
前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚と前記第１１のコアの磁脚との束に巻き回された第８の二次巻線と、
を更に備える、
表現４に記載の変圧器。
（表現７）
前記第１の一次巻線及び前記第２の一次巻線は、電気的に直列に接続され、前記第１の一次巻線が前記第１のコアに発生させる磁束と、前記第２の一次巻線が前記第１のコア及び前記第２のコアに発生させる磁束とが互いに打ち消し合わない方向に巻き回され、
前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線は、電気的に直列に接続され、前記第１の二次巻線の両端に発生する誘起電圧と、前記第２の二次巻線の両端に発生する誘起電圧とが互いに打ち消し合わない方向に巻き回される、
表現１乃至６の何れか一項に記載の変圧器。
（表現８）
前記第２のコアの材料は、前記第１のコアの材料と同一である、
表現１乃至７の何れか一項に記載の変圧器。
（表現９）
前記第１のコアと前記第２のコアとの間に空隙が形成されている、
表現１乃至８の何れか一項に記載の変圧器。
（表現１０）
前記第１のコアの断面積は一定であり、
前記第２のコアの断面積は一定である、
表現１乃至８の何れか一項に記載の変圧器。
（表現１１）
前記第２のコアの断面積は、前記第１のコアの断面積より小さい、
表現１０に記載の変圧器。
（表現１２）
前記第２のコアを支持するコア支持部を有する、
表現１乃至１１の何れか一項に記載の変圧器。
（表現１３）
前記第１の一次巻線と第１の二次巻線と前記第２の一次巻線と第２の二次巻線との何れかを支持する巻線支持部を有する、
表現１２に記載の変圧器。
（表現１４）
前記第１の一次巻線の巻数及び第２の一次巻線の巻数の和と、前記第１の一次巻線の巻数との比は、前記第１のコアの磁気抵抗と前記第２のコアの磁気抵抗の比に等しい、
表現１乃至１３の何れか一項に記載の変圧器。
（表現１５）
入力される電力の性質を変換する入力電力変換回路と、
前記入力電力変換回路から出力される電力の電圧を変換する変圧器と、
前記変圧器から出力される電力の性質を変換する出力電力変換回路と、
を備え、
前記変圧器は、
第１の貫通孔が形成された第１のコアと、
前記第１の貫通孔内に設けられ、第２の貫通孔が形成され、前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
前記第１の貫通孔を貫通し、前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
を有する、変換器。

これらの表現における用語について説明する。第１のコアは例えば、コア１０１、５０１に対応する。第２のコアは例えば、コア１０２、５０２に対応する。第１の一次巻線は例えば、一次巻線１０３、５０５に対応する。第１の二次巻線は例えば、二次巻線１０４、５０６に対応する。第２の一次巻線は例えば、一次巻線１０５、４０５、５０７に対応する。第２の二次巻線は例えば、二次巻線１０６、４０７、５０８に対応する。第３の一次巻線は例えば、一次巻線４０６に対応する。第３の二次巻線は例えば、二次巻線４０８に対応する。第３のコアは例えば、コア５０３に対応する。第４のコアは例えば、コア５０４に対応する。第５のコアは例えば、コア６０１に対応する。第６のコアは例えば、コア６０２に対応する。第４の一次巻線は例えば、一次巻線６０３に対応する。第４の二次巻線は例えば、二次巻線６０４に対応する。第７のコアは例えば、コア７０１に対応する。第８のコアは例えば、コア７０２に対応する。第９のコアは例えば、コア７０３に対応する。第１０のコアは例えば、コア７０４に対応する。第１１のコアは例えば、コア７０５に対応する。第５の一次巻線は例えば、一次巻線７０６に対応する。第５の二次巻線は例えば、二次巻線７０７に対応する。第６の一次巻線は例えば、一次巻線７１０に対応する。第６の二次巻線は例えば、二次巻線７１１に対応する。第７の一次巻線は例えば、一次巻線７０８に対応する。第７の二次巻線は例えば、二次巻線７０９に対応する。第８の一次巻線は例えば、一次巻線７１２に対応する。第８の二次巻線は例えば、二次巻線７１３に対応する。

入力電力変換回路は、直流電力を所定周波数の交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣコンバータや、交流電力の周波数をより高い周波数に変換するＡＣ−ＡＣコンバータ等である。出力電力変換回路は、所定周波数の交流電力を直流電力へ変換するＡＣ−ＤＣコンバータや、交流電力の周波数をより低い周波数に変換するＡＣ−ＡＣコンバータ等である。

１０１、１０２、５０１、５０２、５０３、５０４、６０１、６０２、７０１、７０２、７０３、７０４、７０５：コア、 １０３、１０５、４０５、５０５、５０７、６０３、７０６、７０８、７１０、７１２：一次巻線、 １０４、１０６、４０７、５０６、５０８、６０４、７０７、７０９、７１１、７１３：二次巻線、 １１１、１１２、１１３：支持部、 ８０１：空隙

Claims (14)

1. 第１のコアと、
   前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
   前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
   前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
   を備え、
   前記第１のコアには、第１の貫通孔が形成され、
   前記第２のコアには、第２の貫通孔が形成され、
   前記第２のコアは、前記第１の貫通孔内に配置される、
   変圧器。
2. 前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第３の一次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第３の二次巻線と、
   を更に備える、
   請求項１に記載の変圧器。
3. 前記第１のコアの外側に設けられ、第３の貫通孔が形成された第３のコアと、
   前記第３の貫通孔内に設けられ、第４の貫通孔が形成され、前記第３のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第４のコアと、
   を更に備え、
   前記第１の一次巻線及び前記第１の二次巻線の夫々は、前記第２のコア及び前記第４のコアの外側で、前記第１のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚との束に巻き回され、
   前記第２の一次巻線及び前記第２の二次巻線の夫々は、前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚との束に巻き回される、
   請求項１に記載の変圧器。
4. 前記第２の貫通孔内に設けられ、第５の貫通孔が形成され、前記第２のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第５のコアと、
   前記第４の貫通孔内に設けられ、第６の貫通孔が形成され、前記第４のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第６のコアと、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第５のコアの磁脚と前記第６のコアの磁脚との束に巻き回された第４の一次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第５のコアの磁脚と前記第６のコアの磁脚との束に巻き回された第４の二次巻線と、
   を更に備える、
   請求項３に記載の変圧器。
5. 第７の貫通孔が形成され、前記第７の貫通孔内に前記第１のコア及び前記第３のコアを収容する第７のコアと、
   前記第７のコアの外側の一方に設けられ、第８の貫通孔が形成された第８のコアと、
   前記第８の貫通孔内に設けられ、第９の貫通孔が形成され、前記第８のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第９のコアと、
   前記第７のコアの外側の他方に設けられ、第１０の貫通孔が形成された第１０のコアと、
   前記第１０の貫通孔内に設けられ、第１１の貫通孔が形成され、前記第１０のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第１１のコアと、
   前記第２のコア及び前記第９のコアの外側で前記第１のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚との束に巻き回された第５の一次巻線と、
   前記第２のコア及び前記第９のコアの外側で前記第１のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚との束に巻き回された第５の二次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚と前記第９のコアの磁脚との束に巻き回された第６の一次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第８のコアの磁脚と前記第９のコアの磁脚との束に巻き回された第６の二次巻線と、
   前記第４のコア及び前記第１１のコアの外側で前記第３のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚との束に巻き回された第７の一次巻線と、
   前記第４のコア及び前記第１１のコアの外側で前記第３のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚との束に巻き回された第７の二次巻線と、
   前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚と前記第１１のコアの磁脚との束に巻き回された第８の一次巻線と、
   前記第３のコアの磁脚と前記第４のコアの磁脚と前記第７のコアの磁脚と前記第１０のコアの磁脚と前記第１１のコアの磁脚との束に巻き回された第８の二次巻線と、
   を更に備える、
   請求項３に記載の変圧器。
6. 第１のコアと、
   前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
   前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
   前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
   前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
   を備え、
   前記第１の一次巻線及び前記第２の一次巻線は、電気的に直列に接続され、前記第１の一次巻線が前記第１のコアに発生させる磁束と、前記第２の一次巻線が前記第１のコア及び前記第２のコアに発生させる磁束とが互いに打ち消し合わない方向に巻き回され、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線は、電気的に直列に接続され、前記第１の二次巻線の両端に発生する誘起電圧と、前記第２の二次巻線の両端に発生する誘起電圧とが互いに打ち消し合わない方向に巻き回される、
   変圧器。
7. 前記第２のコアの材料は、前記第１のコアの材料と同一である、
   請求項１又は６に記載の変圧器。
8. 前記第１のコアと前記第２のコアとの間に空隙が形成されている、
   請求項１又は６に記載の変圧器。
9. 前記第１のコアにおいて、磁束経路に垂直な断面の面積である第１断面積は、磁束経路に亘って一定であり、
   前記第２のコアにおいて、磁束経路に垂直な断面の面積である第２断面積は、磁束経路に亘って一定である、
   請求項１又は６に記載の変圧器。
10. 前記第２断面積は、前記第１断面積より小さい、
    請求項９に記載の変圧器。
11. 前記第２のコアを支持するコア支持部を有する、
    請求項１又は６に記載の変圧器。
12. 前記第１の一次巻線と第１の二次巻線と前記第２の一次巻線と第２の二次巻線との何れかを支持する巻線支持部を有する、
    請求項１１に記載の変圧器。
13. 第１のコアと、
    前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
    前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
    前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
    前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
    前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
    を備え、
    前記第１の一次巻線の巻数及び第２の一次巻線の巻数の和と、前記第１の一次巻線の巻数との比は、前記第１のコアの磁気抵抗と前記第２のコアの磁気抵抗の比に等しい、
    変圧器。
14. 入力される電力の性質を変換する入力電力変換回路と、
    前記入力電力変換回路から出力される電力の電圧を変換する変圧器と、
    前記変圧器から出力される電力の性質を変換する出力電力変換回路と、
    を備え、
    前記変圧器は、
    第１の貫通孔が形成された第１のコアと、
    前記第１の貫通孔内に設けられ、第２の貫通孔が形成され、前記第１のコアの平均磁路長より短い平均磁路長を有する第２のコアと、
    前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の一次巻線と、
    前記第１の貫通孔を貫通し、前記第２のコアの外側で前記第１のコアの磁脚に巻き回された第１の二次巻線と、
    前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の一次巻線と、
    前記第１のコアの磁脚と前記第２のコアの磁脚との束に巻き回された第２の二次巻線と、
    を有する、変換器。

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