JPH06151213A - ツイスト薄型電圧変換装置および使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数の高い応用分野で鉄損の少ない小型な
電圧変換装置を提供し、外部操作により比較的容易で柔
軟に巻線比を変更可能なものとする。また周波数の余り
高くない高周波領域用の漏洩磁束軽減型の鉄損の比較的
少ない小型な電圧変換装置を提供する。 【構成】 周波数の高い応用分野用には非磁性体材料の
みを使い、同一平面を形成するようにツイスト電線をう
ず巻状に巻回し、少なくとも１本を１次巻線、残りを２
次巻線として用いる。電線端部を使って直並列接続また
は独立２次巻線として使えば、整数比の所望の巻線比が
得られる。周波数の余り高くない高周波領域用には前記
巻線の同一平面内に内側または／および外側リング状磁
性体を配する。 【効果】 鉄損の少ない小型な電圧変換装置が得られ
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１次と２次の絶縁を目的
とした電圧変換装置に係り、特に例えばＯＡ機器の電源
変圧器など高周波装置用の電圧変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の導体を相互に絶縁して撚り合せて
構成されたツイスト電線を巻回して成るツイスト型電圧
変換装置は、従来は実開昭６３−８０８３０号公報にて
公開されているように、磁性体の鉄芯にツイスト電線を
巻回しているために装置寸法が大きくなり、特に厚みが
厚くなる傾向を有していた。また磁性体鉄心を使用して
いたため、特に高周波の電圧変換において過大の鉄損を
生ずるのを避けることができなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記の如く、磁性体鉄
芯にツイスト電線を巻回する技術では１次と２次の絶縁
を目的とした電圧変換装置の寸法の小型化は困難であ
り、さらに特に周波数が高い場合には鉄損による温度上
昇回避のための特別な配慮を必要とし、装置大型化の傾
向を避けることが困難であった。

【０００４】本発明の第１の目的は、特に周波数が高い
応用分野において鉄損の少ない小型な電圧変換装置を提
供することにある。

【０００５】本発明の第２の目的は、第１の目的に加え
外部操作により比較的容易で柔軟に巻線比の変更が可能
な電圧変換装置を提供することにある。

【０００６】本発明の第３の目的は、それ程周波数の高
くない高周波領域用の漏洩磁束を軽減した鉄損の比較的
少ない小型な電圧変換装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るためには、非磁性体材料のみを使用し、同一平面を形
成するようにツイスト電線をうず巻状に巻回し、その電
線の中の少なくとも１本を１次巻線として用い、残りの
電線を２次巻線として用いるようにすればよい。

【０００８】第２の目的を達成するためには、１次巻線
および２次巻線用にそれぞれ電線１本または複数本を選
定し、複数本の場合には電線の端部を用いて１次巻線は
直列または並列接続を行い、２次巻線はそれぞれ独立し
た２次巻線または直列に接続した２次巻線あるいは並列
に接続した２次巻線とするようにすればよい。この場
合、隣接する１次巻線同志および２次巻線同志の電流の
方向はできるだけ同一方向になるように接続することが
肝要である。

【０００９】第３の目的を達成するために、同一平面を
形成するようにツイスト電線をうず巻状に巻回し、その
同一平面内で内側または／および外側にリング状磁性体
を配置する。そして、その電線の中の少なくとも１本を
１次巻線として用い、残りの電線を２次巻線として用い
るようにするが、隣接する１次巻線同志および２次巻線
同志の電流方向はできるだけ同一方向になるように接続
されることが肝要である。

【００１０】

【作用】複数の電線を撚り合せて構成されたツイスト電
線を使用することによって１次巻線の導体と２次巻線の
導体とが近接密着して電磁的結合度が高くなる。それを
同一平面を形成する形でうず巻状に巻回して１次巻線同
志および２次巻線同志の電流の方向ができるだけ同一方
向になるように接続すれば、導体間の漏れ磁束が中央部
に集束しておのおのの導体に有効に作用し、電磁的結合
度を更に高めることになると同時に薄型構造を可能にす
る。磁性体鉄芯を使用しないときは鉄損を最小限に抑え
ることが可能である。

【００１１】ツイスト電線の中の１本または複数本を１
次巻線に選び、残り（０本であってはならない）を２次
巻線とすることにより、効果的に１次と２次を絶縁した
電圧変換装置を構成することができ、電線端を用いて外
部で接続替えを行うことにより容易に整数比の巻線比を
選定することが可能になる。直列接続は巻線比を選定す
る目的で採用され、並列接続は通電容量を大きくさせる
目的で選定される。また複数の２次巻線をそれぞれ独立
した２次巻線として用いるのは、２次巻線間の電気的隔
離を目的としてである。

【００１２】同一平面を形成するようにツイスト電線を
うず巻状に巻回し、その同一平面内で内側または／およ
び外側にリング状磁性体を配置するのは、磁性体材料を
使用しないと導体間の電磁的結合が比較的小さくなる周
波数の低い高周波領域で必要特性を維持するためで、こ
の周波数領域では鉄損も相対的に小さくなる。

【００１３】

【実施例】本発明によるツイスト薄型電圧変換装置の第
１の実施例を図１により説明する。非磁性体材料のみを
用いて同一平面を形成するようにツイスト電線をうず巻
状に巻回した巻線１は、２本の電線から構成されてい
て、おのおのを１次巻線２と２次巻線３とに選定してあ
る。１次巻線２と２次巻線３とは、その延長した長さを
可能な限り等しくし、同一線サイズの絶縁電線を用いて
ある。１次巻線の端子４と５の間に電流ｉを流すと２次
巻線の端子６と７の間に電圧が誘起される。本実施例の
場合の巻線比（電圧比）は１：１である。

【００１４】図２は図１に示すツイスト電線の断面を示
す図で、これにより１次巻線２と２次巻線３との間の電
磁結合の様子を説明する。絶縁体８による絶縁電線を用
いた１次巻線２に電流を流すとき、電流の周波数が低い
場合には１次巻線の導体全体に電流が流れ、磁束φ１は
２次巻線の導体全体を包むが、磁束φ２，φ３は２次巻
線の導体全体を包む訳ではない。そのため電流の周波数
が低いときには１次巻線の導体部の電流で作られる磁束
全体が２次巻線の導体に捕促（鎖交）されることはな
い。しかし、周波数が高くなると表皮効果が現れて１次
巻線の導体中心部１０に電流が流れなくなり、１次巻線
の導体外殻部１１にのみ電流が流れるようになる。２次
巻線３に誘導される電流も周波数は１次巻線２の電流の
周波数と同一であり、２次巻線の導体中心部１２には電
流は流れず２次巻線の導体外殻部１３にのみ電流が流れ
ることになる。このため、電流の周波数が高いときには
１次巻線の導体部の電流で作られる磁束φ１〜φ３は２
次巻線の導体外殻部１３を包むので、実質的に２次巻線
の導体全体を包むことと等価になり、１次巻線の導体部
の電流で作られる磁束全体が２次巻線の導体に捕促され
易くなる。図１に示すように、うず巻状にすると、うず
巻の最内周と最外周以外は１次巻線２の導体と２次巻線
３の導体とが両サイドにも配置されて図２による前記の
説明の効果が両サイドでも得られ、導体間の漏れ磁束が
中央部、すなわち、うず巻の内周に集束する。うず巻の
内周を通る磁束は全ての２次巻線の導体と鎖交しておの
おのの２次巻線の導体に有効に作用し、電磁的結合度を
更に高めることになる。実験例では、ツイスト電線の結
合係数が８５％であったのに対し、うず巻状にした場合
のそれは９５％の値を示した。

【００１５】図３に本発明による第１の実施例を用いて
測定した１次巻線２と２次巻線３との間の結合係数の周
波数特性を示す。周波数が１０ｋＨｚ以上で結合係数、
すなわち、電圧変換効率が急に良くなり、１００ｋＨｚ
以上ではほぼ９５％の値で飽和している。この飽和領域
では１次巻線の電流が作る磁束全体と２次巻線の導体と
が殆んど鎖交していることが明らかである。

【００１６】以上のように、本発明に従い、非磁性体材
料のみを用いて、同一平面を形成する形でツイスト電線
をうず巻状に巻回して１次と２次を絶縁した電圧変換装
置を製作すると、鉄損が極めて少なく、厚み方向に対し
て隙間なく配置できるので薄型で構造の簡単な電磁的結
合度の高い高効率変換装置を得ることができる。しかも
絶縁電線を用いているので、両電線の導体間静電容量を
最小にすることができて高周波運転でも安定した動作が
行われる。また前記の実施例は巻線を円形状に巻回した
もので示してあるが、薄型で角型形状に配置しても同じ
効果が得られ、しかも本変換装置を適用する装置に組み
込む場合デッドスペースを省くことが可能になって配置
が容易になる効果も生まれて来る。さらにツイスト電線
の長さを揃え、電線サイズを同一にすることは電線間の
起電力の差を極力小さくし、循環電流の弊害を避けると
同時に１次巻線同志および２次巻線同志の電流の方向を
できるだけ揃えるための支援作用をなしている。

【００１７】本発明による第１の実施例での結線方式は
図４に示すものだけが存在する。

【００１８】図５は本発明によるツイスト薄型電圧変換
装置の第２の実施例を示す巻線の配置図である。非磁性
体材料のみを用いて同一平面を形成するようにツイスト
電線をうず巻状に巻回した巻線１は、３本の電線１４，
１５，１６から構成されていて、それぞれの延長長さは
可能な限り等しくし、同一線サイズの絶縁電線を用いて
ある。電線１４の両端には端子１７，１８が、電線１５
の両端には端子１９，２０が、電線１６の両端には端子
２１，２２が設けられている。これら３本の電線の結線
方式には図６〜図１０に示すものがある。ここに左側に
配した巻線が１次巻線で、各電線に１次電流ｉが流れる
ものとして表示してあるが１次巻線同志および２次巻線
同志の電流方向ができるだけ同一方向になるように端子
間の接続を選んである。３本の電線の均等な撚り合せの
場合には、３本の電線の１次巻線、２次巻線の選び方は
図示のものからどのように交換しても一向に差支えな
い。しかし、例えば電線１５を中心に撚り合せた場合に
は、電線１５を１次巻線に選定し、電線１４，１６を２
次巻線に選定すると電線１５が常に両側で電線１４，１
６に近接しているので、巻回しなくても結合係数を高く
することができる。

【００１９】図６は電線１５が１次巻線で電線１４，１
６がそれぞれ独立した２次巻線として多出力を実現した
場合の結線で、巻線比は１：１である。図７は電線１
４，１６が直列に接続された１次巻線で、電線１５が２
次巻線であり、巻線比は２：１（すなわち２次電圧は１
次電圧の約１／２）である。図８は電線１４，１６が並
列に接続された１次巻線で、電線１５が２次巻線であ
り、巻線比は１：１である。図９は電線１５が１次巻線
で、電線１４，１６が直列に接続された２次巻線であ
り、巻線比は１：２（すなわち２次電圧は１次電圧の約
２倍）である。図１０は電線１５が１次巻線で、電線１
４，１６が並列に接続された２次巻線であり、巻線比は
１：１である。

【００２０】本発明による第３の実施例としては、４本
の電線２３，２４，２５，２６を撚り合せたものを用
い、電線２３の両端に端子２７，２８を、電線２４の両
端に端子２９，３０を、電線２５の両端に端子３１，３
２を、電線２６の両端に端子３３，３４を配したものを
挙げることができる。物理的配置は図１および図５に準
ずるので、図示を省略してあるが、この場合の結線方式
の主だったものを図１１〜図１５に示す。図１１は電線
２３が１次巻線で、他の電線２４，２５，２６が多出力
（３出力）２次巻線であり、巻線比は１：１である。図
１２は電線２３，２５が直列接続の１次巻線で、電線２
４，２６が多出力（２出力）２次巻線であり、巻線比は
２：１（すなわち、２次電圧は１次電圧の約１／２）で
ある。図１３は電線２３，２５が並列接続の１次巻線
で、電線２４，２６が多出力（２出力）２次巻線であ
り、巻線比は１：１である。図１４は電線２３，２５が
直列接続の１次巻線で、電線２４，２６が並列接続の２
次巻線であり、巻線比は２：１（すなわち、２次電圧は
１次電圧の約１／２）である。図１５は電線２３，２５
が並列接続の１次巻線で、電線２４，２６が直列接続の
２次巻線であり、巻線比は１：２（すなわち、２次電圧
は１次電圧の約２倍）である。

【００２１】このように、電線本数を適宜選択し、それ
らを適切に１次巻線用と２次巻線用に分け、直並列接続
あるいは２次側独立巻線を適切に選定すれば、整数比の
所望の巻線比を得ることができる。勿論図１４と図１５
に見られるように、１次側と２次側の接続方法を逆にす
ると逆の巻線比を得ることができる。なお以上に示した
結線方式のおのおのを比較検討すれば容易に判かるよう
に、同一線サイズの電線を撚り合せたツイスト電線を使
用する場合には偶数本の電線のものを選択する方が電流
容量バランスの上から好都合である。また電線本数をさ
らに増しても所期の目的を達成できるツイスト薄型電圧
変換装置が得られることは説明するまでもないであろ
う。なお各電線の各端子を外部に引き出して外部接続の
変更により柔軟に巻線比（電圧比）を変える必要がない
場合には、予め１次および２次の引出端子以外の電線端
子を内部接続して静電容量等特性改善を行うことも可能
である。この場合にはまた並列２次接続の場合や２以上
の多出力２次巻線の場合に対し、電流容量を考慮してツ
イスト電線の構成導体サイズの異なる組合せを採用する
ことも可能である。

【００２２】図１６は本発明によるツイスト薄型電圧変
換装置の第４の実施例を示す。これは同一平面を形成す
るようにツイスト電線をうず巻状に巻回した巻線１と同
一平面内で内側および外側にリング状磁性体３５，３６
を配置したものである。巻線１そのものは、前記第１〜
第３の実施例で説明したのと全く同一の構造・機能のも
のを使用することができる。リング状磁性体を配するこ
とによってその分だけ径方向寸法は大きくなるが、厚さ
寸法は非磁性体材料のみを使用した場合と同一である。
このリング状磁性体を配することにより磁束を通り易く
して電圧変換装置からの磁気漏洩を減少させることがで
き、これにより１次巻線と２次巻線の電磁的結合度、し
たがって電圧変換効率を著しく改善することができる。
磁性体を使用するので、当然鉄損は増大するが従来の技
術による完全に磁性体で覆ったツイスト型電圧変換装置
に比べれば十分に小さく、それ程周波数の高くない高周
波領域での使用に適したものを提供することが可能であ
る。なお、電圧変換装置からの磁気漏洩を減少させるこ
とは、周囲環境に対する磁気ノイズの軽減を意味し、し
たがって鉄損特性上可能な限りリング状磁性体を適用す
るのが望ましい。

【００２３】

【発明の効果】非磁性体材料のみを用いて同一平面を形
成するようにツイスト電線をうず巻状に巻回し、その複
数の電線の中の少なくとも１本を１次巻線として用い、
残りの電線を２次巻線として用いることにより、特に周
波数の高い応用分野において鉄損の極めて少ない小型な
電圧変換装置を得ることができる。

【００２４】複数の電線の本数を適宜選択し、それらを
適切に１次巻線用と２次巻線用に分け、直並列接続ある
いは２次側独立巻線を適切に選定すれば、外部接続替え
によって比較的容易で柔軟に整数比の所望の巻線比を得
ることが可能である。

【００２５】同一平面を形成するようにツイスト電線を
うず巻状に巻回し、その同一平面内で内側または／およ
び外側にリング状磁性体を配することにより、それ程周
波数の高くない高周波領域用の漏洩磁束を軽減した鉄損
の比較的少ない小型な電圧変換装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるツイスト薄型電圧変換装置の第１
の実施例を示す巻線（２線ツイスト）の配置図である。

【図２】図１に示すツイスト電線の断面図である。

【図３】図１に示すツイスト薄型電圧変換装置を用いて
測定した１次巻線と２次巻線の間の結合係数の周波数特
性図である。

【図４】図１の巻線の結線方式を示す結線図である。

【図５】本発明によるツイスト薄型電圧変換装置の第２
の実施例を示す巻線（３線ツイスト）の配置図である。

【図６】図５の巻線の結線方式の１つ（２出力２次巻
線）を示す結線図である。

【図７】図５の巻線の結線方式の１つ（直列１次巻線）
を示す結線図である。

【図８】図５の巻線の結線方式の１つ（並列１次巻線）
を示す結線図である。

【図９】図５の巻線の結線方式の１つ（直列２次巻線）
を示す結線図である。

【図１０】図５の巻線の結線方式の１つ（並列２次巻
線）を示す結線図である。

【図１１】４線ツイスト電線による巻線の結線方式の１
つ（３出力２次巻線）を示す結線図である。

【図１２】４線ツイスト電線による巻線の結線方式の１
つ（直列１次巻線、２出力２次巻線）を示す結線図であ
る。

【図１３】４線ツイスト電線による巻線の結線方式の１
つ（並列１次巻線、２出力２次巻線）を示す結線図であ
る。

【図１４】４線ツイスト電線による巻線の結線方式の１
つ（直列１次巻線、並列２次巻線）を示す結線図であ
る。

【図１５】４線ツイスト電線による巻線の結線方式の１
つ（並列１次巻線、直列２次巻線）を示す結線図であ
る。

【図１６】リング状磁性体を施した本発明によるツイス
ト薄型電圧変換装置、すなわち、第４の実施例の構造図
である。

【符号の説明】

１ 巻線 ２ １次巻線 ３ ２次巻線 ４ １次巻線の端子（外側） ５ １次巻線の端子（内側） ６ ２次巻線の端子（外側） ７ ２次巻線の端子（内側） ８ １次巻線の絶縁体 ９ ２次巻線の絶縁体 １４ 電線 １５ 電線 １６ 電線 ３５ 内側リング状磁性体 １８ 外側リング状磁性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 叶田 玲彦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 堀江 秀明 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 萩原 修哉 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 兆古 東京都西多摩郡五日市町山田778−12

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の導体を相互に絶縁して撚り合せて
   成るツイスト電線をうず巻状に巻回し、複数の電線の中
   の少なくとも１本を１次巻線として用い、残りの電線を
   ２次巻線として用いることを特徴とするツイスト薄型電
   圧変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１のツイスト薄型電圧変換装置
   を、巻回したツイスト電線の隣接する１次巻線同志およ
   び２次巻線同志の電流の方向がほぼ等しくなるように接
   続することを特徴とするツイスト薄型電圧変換装置の使
   用方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、所望の整数比の巻線
   比を得るべく、１次巻線および２次巻線に対してそれぞ
   れ単独のまま、直列接続、並列接続のいずれかを選ぶツ
   イスト薄型電圧変換装置の使用方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記選定した１本の
   １次巻線は単独のまま、複数本の１次巻線は直列に接続
   し、前記選定した残りの２次巻線はそれぞれ独立した２
   次巻線として用いることを特徴とするツイスト薄型電圧
   変換装置の使用方法。
5. 【請求項５】 請求項３において、前記選定した複数本
   の１次巻線は並列に接続し、前記選定した残りの２次巻
   線はそれぞれ独立した２次巻線として用いることを特徴
   とするツイスト薄型電圧変換装置の使用方法。
6. 【請求項６】 請求項３において、前記選定した１本の
   １次巻線は単独のまま、複数本の１次巻線は直列に接続
   し、前記選定した残りの複数の２次巻線は直列に接続す
   ることを特徴とするツイスト薄型電圧変換装置の使用方
   法。
7. 【請求項７】 請求項３において、前記選定した複数本
   の１次巻線は並列に接続し、前記選定した残りの複数の
   ２次巻線は直列に接続することを特徴とするツイスト薄
   型電圧変換装置の使用方法。
8. 【請求項８】 請求項３において、前記選定した１本の
   １次巻線は単独のまま、複数本の１次巻線は直列に接続
   し、前記選定した残りの複数の２次巻線は並列に接続す
   ることを特徴とするツイスト薄型電圧変換装置の使用方
   法。
9. 【請求項９】 複数の導体を相互に絶縁して撚り合せて
   成るツイスト電線をうず巻状に巻回し、該巻線の内側と
   外側の少なくとも一方にリング状磁性体を配置し、複数
   の電線の中の少なくとも１本を１次巻線として用い、残
   りの電線を２次巻線として用いることを特徴とするツイ
   スト薄型電圧変換装置。
10. 【請求項１０】 請求項９のツイスト薄型電圧変換装置
    を、巻回したツイスト電線の隣接する１次巻線同志ある
    いは２次巻線同志の電流の方向がほぼ等しくなるように
    接続することを特徴とするツイスト薄型電圧変換装置の
    使用方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、所望の整数比の
    巻線比を得るべく、１次巻線および２次巻線に対してそ
    れぞれ単独のまま、直列接続、並列接続のいずれかを選
    ぶツイスト薄型電圧変換装置の使用方法。