JP6939410B2

JP6939410B2 - トランス

Info

Publication number: JP6939410B2
Application number: JP2017207291A
Authority: JP
Inventors: 啓臣王; 藤田　悟; 悟藤田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: JP2019079992A; CN109712787A; CN109712787B; US10825605B2; US20190131062A1

Description

本発明は、トランスに関する。

従来より、コアと、前記コアに巻装した巻線体からなる一次巻線と、一回巻構造の金属板材からなる二次巻線とを備え、前記金属板材には、前記コアを挿通して保持する貫通孔が設けられると共に、前記貫通孔を隔てて一対の端子部が形成され、前記コアに対して前記巻線体と前記金属板材とを交互に配置したことを特徴とするトランスがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−０１３０９４号公報

ところで、従来のトランスでは、すべての二次巻線の巻数は互いに等しく、すべて１巻である。複数の一次巻線と複数の二次巻線とを交互に重ねて配列した場合に、配列方向の中央部と端部とでは、一次巻線と二次巻線との間における漏れインダクタンスが異なる。

このような漏れインダクタンスの分布（アンバランス）があると、複数の一次巻線に流れる電流に分布が生じる。この結果、銅損が大きくなり、熱の分布が生じ、部分的にトランスの温度上限を超えるおそれがある。

そこで、漏れインダクタンスの分布を抑制したトランスを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態のトランスは、巻回軸を有するコアと、前記巻回軸に並べて巻回されるＮ（Ｎは３以上の整数）個の一次巻線と、前記Ｎ個の一次巻線の各々を挟むように、前記Ｎ個の一次巻線と交互に前記巻回軸に並べて巻回されるＮ＋１個の二次巻線とを含み、前記Ｎ＋１個の二次巻線のうち、前記巻回軸の第１端側の端に位置する第１の二次巻線の第１巻数は、前記巻回軸の第１端側の端から２番目に位置する第２の二次巻線の第２巻数よりも少なく、前記Ｎ＋１個の二次巻線のうち、前記巻回軸の第２端側の端に位置する第３の二次巻線の第３巻数は、前記巻回軸の第２端側の端から２番目に位置する第４の二次巻線の第４巻数よりも少なく、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とは直列接続されるとともに、前記第３の二次巻線と前記第４の二次巻線とは直列接続されており、前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線と、前記第３の二次巻線及び前記第４の二次巻線とは並列接続されており、前記第１巻数と前記第２巻数の合計巻数は、前記第３巻数と前記第４巻数の合計巻数に等しい。

漏れインダクタンスの分布を抑制したトランスを提供することができる。

実施の形態のトランス１００を示す図である。実施の形態のトランス１００を示す図である。実施の形態のトランス１００を示す図である。実施の形態のトランス１００を示す図である。一次巻線１１０と二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの接続関係を示す回路図である。３個の一次巻線１１０に流れる電流の波形を示す図である。実施の形態の変形例のトランス１００Ｍを示す図である。トランス１００Ｍにおける一次巻線１１０と、５個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃとの接続関係を示す回路図である。

以下、本発明のトランスを適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１乃至図４は、実施の形態のトランス１００を示す図である。図１は斜視図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３及び図４は側面図である。なお、以下ではＸＹＺ座標系を用いて説明する。

トランス１００は、コア５０、一次巻線１１０、及び二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂを含む。図３及び図４には、トランス１００を設置する基板１０を示す。基板１０は、例えばＦＲ−４(Flame Retardant type 4)規格の配線基板であり、複数の配線層(導電層)を有する。

コア５０は、例えばフェライト等の磁性体で構成されており、本体部５１及び巻回軸５２を有する。コア５０は、一次巻線１１０及び二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂを保持する。

本体部５１は、直方体状の外形を有し、Ｚ軸正方向側とＺ軸負方向側に切り欠き部５１Ａ、５１Ｂを有する。切り欠き部５１Ａ、５１Ｂからは、一次巻線１１０及び二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの一部が露出(表出)している。

巻回軸５２は、本体部５１のＸＺ平面の中心部において、Ｙ軸方向に延在している円柱状の部材である。巻回軸５２は、本体部５１と一体化されている。

以上のようなコア５０は、Ｙ軸正方向側とＹ軸負方向側に２分割された２個の部材で構成されているため、筐体５１及び巻回軸５２は、Ｙ軸正方向側とＹ軸負方向側に２分割されている。２個の部材は合わせ目５０Ａに沿って係合している。

一次巻線１１０は、端部１１１、１１２を有し、導線を巻回した構成を有する。導線は例えば銅製である。一次巻線１１０は、円環状のボビン１１３に巻回されている。図１乃至図４には一例として、トランス１００が３個の一次巻線１１０を含む構成を示す。一次巻線１１０には、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂよりも高電圧で低電流の電力が外部回路から供給される。

二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂは、それぞれ、端子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂを有し、金属板を螺旋状に巻回した構成を有する。金属板は例えば銅製である。図１乃至図４には一例として、トランス１００が二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂを２個ずつ含む構成を示す。すなわち、トランス１００は、合計で４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂを含む。

４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂは、Ｙ軸方向において、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａの順に配列され、巻回軸５２に巻回されている。二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａは、３個の一次巻線１１０と交互に配列された状態で巻回軸５２に巻回されている。

すなわち、Ｙ軸負方向側の一次巻線１１０の両側には二次巻線１２０Ａと１２０Ｂが配置され、Ｙ軸方向における中央の一次巻線１１０の両側には二次巻線１２０Ｂと１２０Ｂが配置され、Ｙ軸正方向側の一次巻線１１０の両側には二次巻線１２０Ｂと１２０Ａが配置されている。

二次巻線１２０Ａの巻数は１巻であり、二次巻線１２０Ｂの巻数は２巻である。このように、３個の一次巻線１１０と交互に４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａを配置し、巻数の多い二次巻線１２０Ｂを中央側に２個並べ、巻数の少ない２個の二次巻線１２０Ａを両端に配置することにより、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)を抑制する。この詳しい理由については後述する。

図５は、一次巻線１１０と二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの接続関係を示す回路図である。図５において、破線で囲んで示す部分がトランス１００である。ここで、図５において、最も上側に位置する二次巻線１２０Ａは、第１の二次巻線の一例であり、最も上側から２番目に位置する二次巻線１２０Ｂは、第２の二次巻線の一例である。また、最も下側に位置する二次巻線１２０Ａは、第３の二次巻線の一例であり、最も下側から２番目に位置する二次巻線１２０Ｂは、第４の二次巻線の一例である。

３個の一次巻線１１０は、同一極性で並列に接続されている。並列接続された３個の一次巻線１１０の両端には、端子１１Ａ、１１Ｂが接続される。端子１１Ａ、１１Ｂは、基板１０(図３、４参照)に設けられている。

４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂは、二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂを１つずつ同一極性で直列に接続し、直列接続した２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂを並列に接続している。このように接続することにより、２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂの出力電圧を合わせている。２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂの両端には、端子１２Ａ、１２Ｂが接続される。端子１２Ａ、１２Ｂは、基板１０(図３、４参照)に設けられている。

また、このような４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの接続は、端子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂを基板１０の導電層に接続することによって実現されている。

図６は、３個の一次巻線１１０に流れる電流の波形を示す図である。ここでは、図５において、上側に示す一次巻線１１０の電流をＩ_Ｐ１、中央の一次巻線１１０の電流をＩ_Ｐ２、下側に示す一次巻線１１０の電流をＩ_Ｐ３とする。

図６（Ａ）には、３個の一次巻線１１０と４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂとの間における漏れインダクタンスの分布（アンバランス）が抑制された状態における電流Ｉ_Ｐ１、Ｉ_Ｐ２、Ｉ_Ｐ３を示す。

図６（Ｂ）には、比較用のトランスの３個の一次巻線１１０の電流Ｉ_Ｐ１、Ｉ_Ｐ２、Ｉ_Ｐ３を示す。比較用のトランスは、３個の一次巻線１１０と、巻数が等しい２個の二次巻線を交互に巻回軸５２に巻回した構成を有する。二次巻線の巻数は、一例として３巻である。

比較用のトランスは、漏れインダクタンスの分布（アンバランス）が抑制されていないものであり、３個の一次巻線１１０のうち、両側の２個の一次巻線１１０における漏れインダクタンスが、中央の１個の一次巻線１１０における漏れインダクタンスよりも大きい。

図６（Ａ）に示すように、トランス１００では、漏れインダクタンスの分布（アンバランス）が抑制されて均等化されているので、電流Ｉ_Ｐ１、Ｉ_Ｐ２、Ｉ_Ｐ３の電流値は略等しくなる。

これに対して、図６（Ｂ）に示すように、比較用のトランスでは、漏れインダクタンスの分布（アンバランス）が抑制されていないので、漏れインダクタンスが比較的大きい外側の２個の一次巻線１１０に流れる電流Ｉ_Ｐ１、Ｉ_Ｐ３の電流値が、中央の１個の一次巻線１１０に流れる電流Ｉ_Ｐ２の電流値よりも小さくなる。

このように、比較用のトランスでは、一次側の電流Ｉ_Ｐ１、Ｉ_Ｐ２、Ｉ_Ｐ３がアンバランスになり、銅損の増大を招き、熱の分布や部分的な温度上昇を生じさせる。

実施の形態のトランス１００は、このような漏れインダクタンスの分布（アンバランス）を抑制するために、３個の一次巻線１１０と交互に４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａを配置し、巻数の多い二次巻線１２０Ｂを中央側に２個並べ、巻数の少ない２個の二次巻線１２０Ａを両端に配置している。このような配置を採用するのは、次のような理由によるものである。

比較用のトランスのように、３個の一次巻線１１０と、巻数が等しい２個の二次巻線を交互に巻回軸５２に巻回すると、トランス１００の一次側から二次側を見たときに、３個の一次巻線１１０のうちの中央の一次巻線１１０の両側には二次巻線が存在する。このため、中央の一次巻線１１０と二次巻線との間では磁気結合が密になり、漏れインダクタンスが比較的小さい。

これに対して、両端の一次巻線１１０は、片側のみに二次巻線が存在するため、中央の一次巻線１１０と二次巻線との間に比べると、二次巻線との間における磁気結合が疎になり漏れインダクタンスが比較的大きい。

このような漏れインダクタンスの分布(アンバランス)は、図６（Ｂ）に示すような電流のアンバランスを引き起こし、一次側における銅損の増大を招き、熱の分布や部分的な温度上昇を生じさせる。

そこで、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)を抑制し、銅損の増大、熱の分布、及び部分的な温度上昇の発生を抑制するために、上述のように３個の一次巻線１１０と交互に４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａを配置している。

３個の一次巻線１１０を配列すると、中央の一次巻線１１０の両側に一次巻線１１０が存在するため、中央の一次巻線１１０を挟む２個の二次巻線１２０Ｂの巻数を両端側の２個の二次巻線１２０Ａの巻数よりも多くしている。

そして、両側の一次巻線１１０については、中央側に２巻の二次巻線１２０Ｂを配置し、外側に１巻の二次巻線１２０Ａを配置する。これにより、各一次巻線と二次巻線との間の磁気結合が略等しくなるようにして、漏れインダクタンスの均等化を図っている。

このように、一次巻線１１０の数（３個）よりも１個多い二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａを設け、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｂ、１２０Ａの巻数の分布を１巻、２巻、２巻、１巻というように中央側で多く、両外側で少なくすることにより、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)を抑制している。

また、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの数を偶数にすると、奇数個の一次巻線１１０のうちの中央の一次巻線１１０から見て、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの配置が対称になるため、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)をより効果的に抑制することができる。

なお、二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂを１つずつ直列にし、直列接続した２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂを並列にすることにより、比較用のトランスの二次側と同一の出力電圧が得られるようにしてある。

以上、実施の形態によれば、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)を抑制したトランス１００を提供することができる。

また、電流量の多い二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの端子１２１Ａ、１２２Ａ、１２１Ｂ、１２２Ｂを基板１０の導電層を介して接続しているので、基板１０の導電層を介して放熱することができる。

なお、以上では、４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの端子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂを基板１０の導電層に接続する形態について説明したが、端子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂは、基板１０ではなく、電力ケーブルによって接続されていてもよい。

また、以上では、トランス１００が３個の一次巻線１１０と４個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂとを含む形態について説明したが、一次巻線１１０と二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの数は、このような数に限られず、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの数が一次巻線１１０よりも１個多ければよい。

また、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの個数が偶数である場合には、上述のように、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)をより効果的に抑制することができると説明したが、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂの個数は奇数であってもよい。

図７は、実施の形態の変形例のトランス１００Ｍを示す図である。トランス１００Ｍは、４個の一次巻線１１０と、５個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｂ、１２０Ａとを含む。その他の構成は、図１乃至５に示すトランス１００と同様である。

トランス１００Ｍでは、４個の一次巻線１１０と、５個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｂ、１２０Ａ交互に配列された状態で巻回軸５２に巻回されている。二次側の中央に配置される二次巻線１２０Ｃは、巻数が３巻である。

図８は、トランス１００Ｍにおける一次巻線１１０と、５個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃとの接続関係を示す回路図である。図８において、破線で囲んで示す部分がトランス１００Ｍである。

一次側は、４個の一次巻線１１０の端部１１１、１１２を同一極性で接続した構成であり、４個の一次巻線１１０の両端には、端子１１ＡＭ、１１ＢＭが接続されている。端子１１ＡＭ、１１ＢＭは、基板１０(図３、４参照)に設けられている。

二次側は、直列接続した２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂと、二次巻線１２０Ｃとを並列に接続した構成であり、２組の二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂと、二次巻線１２０Ｃとの両端には、端子１２ＡＭ、１２ＢＭが接続される。端子１２ＡＭ、１２ＢＭは、基板１０(図３、４参照)に設けられている。

このような構成のトランス１００Ｍにおいても、実施の形態のトランス１００と同様に、漏れインダクタンスの分布(アンバランス)を抑制することができる。

なお、図７及び図８を用いて、４個の一次巻線１１０と５個の二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃとを含むトランス１００Ｍについて説明したが、一次巻線１１０と二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃの数は、このような数に限られず、二次巻線１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃの数が奇数であって、偶数個の一次巻線１１０よりも１個多ければよい。

さらに数を増やす場合には、一次側は並列接続される一次巻線１１０の数を増やせばよく、二次側は、中央側に設けられる二次巻線１２０Ｃの数を増やせばよい。すなわち、両端側に直列接続した二次巻線１２０Ａ及び１２０Ｂが配置されていればよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のトランスについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００、１００Ｍトランス
５０コア
５２巻回軸
１１０一次巻線
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ二次巻線

Claims

巻回軸を有するコアと、
前記巻回軸に並べて巻回されるＮ（Ｎは３以上の整数）個の一次巻線と、
前記Ｎ個の一次巻線の各々を挟むように、前記Ｎ個の一次巻線と交互に前記巻回軸に並べて巻回されるＮ＋１個の二次巻線と
を含み、
前記Ｎ＋１個の二次巻線のうち、前記巻回軸の第１端側の端に位置する第１の二次巻線の第１巻数は、前記巻回軸の第１端側の端から２番目に位置する第２の二次巻線の第２巻数よりも少なく、
前記Ｎ＋１個の二次巻線のうち、前記巻回軸の第２端側の端に位置する第３の二次巻線の第３巻数は、前記巻回軸の第２端側の端から２番目に位置する第４の二次巻線の第４巻数よりも少なく、
前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とは直列接続されるとともに、前記第３の二次巻線と前記第４の二次巻線とは直列接続されており、
前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線と、前記第３の二次巻線及び前記第４の二次巻線とは並列接続されており、
前記第１巻数と前記第２巻数の合計巻数は、前記第３巻数と前記第４巻数の合計巻数に等しい、トランス。
前記第１巻数と前記第３巻数は等しく、前記第２巻数と前記第４巻数は等しい、請求項１記載のトランス。
前記Ｎ＋１個の二次巻線は、２Ｍ（ＭはＮとは異なり、２以上の整数）個あり、
前記Ｎ個の一次巻線は、２Ｍ−１個ある、請求項１又は２記載のトランス。