JP6171384B2

JP6171384B2 - トランス

Info

Publication number: JP6171384B2
Application number: JP2013027657A
Authority: JP
Inventors: 瀧口　敬; 敬瀧口; 彦太田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: JP2014157916A

Description

本発明は、電子電気機器類に用いられるトランスに係り、特に車載用充電器等の大電力電源装置に用いて好適なトランスに関するものである。

一般に、高周波・大電流で使用されるトランスにおいては、渦電流によってコイルを形成する線材に発熱（銅損）を生じ、これによりフェライトコアの熱暴走や周辺材料の耐熱性に懸念を生じることにより、当該トランスの熱的成立を困難にするおそれが生じる。このため、例えばトランス自体を直接ファン等で強制冷却する構造や、トランスに放熱構造を設けたうえで水冷する構造等が採用されているが、トランスに加えてファンや放熱構造等を要するために、電源装置全体としてのコスト高や大型化を招くという欠点があった。

これを解決するために、複数のトランスを用いて１つの電源を構成することにより、１つ当たりのトランスの発熱量を抑える構造も用いられているものの、電源装置全体の大型化を招いて、実装面積が増加してしまうとともに、トランス間の品質のバラツキを考慮して、各トランスについて余裕を見込んだ設計を行う必要があるために、過度に製造コストが嵩んでしまうという問題点があった。

一方、１つのトランスによって銅損を低減する対策として、例えば上記線材として線径が太いものを用いることにより、直流抵抗を小さくして発熱を低減化する方法が考えられるが、高周波においては、渦電流により線材の表皮近傍にしか電流が流れなくなり、線材の実効的な断面積が小さくなってしまう。このため、所望の効果が得られないばかりか、逆に渦電流が発生する体積が大きくなって発熱量が増加するおそれがある。

そこで、線径が小さい複数本の線材を並列に接続して、渦電流の発生による銅損の低減を図ろうとすると、特に３０〜６０Ａといった大電流仕様に対応する場合には、並列させる上記線材の本数が極端に多くなり、巻き線工数が極めて大きくなって現実的ではない。また、上記線材としてリッツ線を用いれば、渦電流低減効果は大きくなるものの、同様に３０〜６０Ａの電流が流れた際には、上記線材に錯交する磁束も大きくなり、充分な銅損低減効果が得られなくなる。

このため、従来、高周波の大電流仕様に用いられるトランスとしては、ボビンの外周に、１次コイルと２次コイルとを径方向に交互に配置したサンドイッチ構造のものが用いられている。例えば、図１１に示す従来のトランスは、ボビン１の外周に、リッツ線と絶縁テープ２とを交互に巻回することにより、１次コイル３と２次コイル４とを径方向に交互に各々４層配置したものである。なお、図中符号５は、１次コイル３および２次コイル４間の沿面距離を確保するためのスペーサである。

上記従来のトランスによれば、１次コイル３および２次コイル４の線材としてリッツ線を用いるとともに、これら１次コイル３および２次コイル４を交互に配置することにより、大きな銅損低減効果を得ることができ、よって３０〜６０Ａの電流を流した場合においても、現実的な発熱量に抑えることができる。

しかしながら、上記トランスにおいても、リッツ線および絶縁テープ２を交互に巻回して積層する作業に、多くの手間を要するとともに、積層数が多いために、リッツ線の外径が太いことと相まってボビンの外径が大きくなり、この結果コイル径も大きくなってコイル抵抗が増大するという問題点があった。

そこで、図１２に示すように、ボビン１の外周に、２本のリッツ線を同時に巻回して、２層の１次コイル３および２次コイル４を形成することにより積層数を減じたトランスも用いられているが、ボビン１から線径が太い２本のリッツ線を外周側に引き出すための構造が複雑化するという問題点があった。
なお、下記特許文献１にも、１次コイルと２次コイルとをボビンの径方向に積層配置したトランスが開示されている。

特開２０００−３５７６１７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、放熱構造等を付与することなく銅損を低減することができ、よって１つのトランスによって大電流仕様にも熱的に成立させることができるトランスを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、１次コイルと２次コイルとが巻回された外観筒状のボビンの外周に、閉磁路を形成するコアが配設されてなるトランスにおいて、上記ボビンの外周には、その軸線方向に２条の溝部が並列して２条螺旋状に形成され、一方の上記溝部の内部に上記１次コイルの線材が巻回されるとともに、他方の溝部の内部に上記２次コイルの線材が巻回されることにより、上記一次コイルおよび２次コイルが上記軸線方向に上記溝部の壁部を間に介して交互に配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記１次コイルおよび２次コイルの一方を収納する溝部は、他方を収納する溝部よりも１周多く形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、１次コイルと２次コイルとが巻回された外観筒状のボビンの外周に、閉磁路を形成するコアが配設されてなるトランスにおいて、上記ボビンの外周には、その軸線方向の一端部と中央部との間に第１の溝部と第２の溝部とが並列して２条螺旋状に形成され、他端部と上記中央部との間に第３の溝部と上記第２の溝部とが並列して２条螺旋状に形成されるとともに、上記中央部において上記第１の溝部と上記第３の溝部とに端部が形成され、かつ上記第２の溝部が連続して形成され、上記１次コイルおよび２次コイルの一方の線材が上記第２の溝部の内部に巻回されるとともに、他方の線材が上記第１の溝部に巻回され、上記端部から上記第２の溝部を跨いで上記第３の溝部の内部に巻回されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記線材は、リッツ線であるとともに、各々の上記溝部内には、上記ボビンの径方向に向けて複数本の上記線材が並列的に収納されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、１次コイルおよび２次コイルが、ボビンの外周に軸線方向に向けて形成された２条螺旋状の溝部に並列的に収納されている結果、上記溝部の壁部を間に介して上述したサンドイッチ構造と同様の配置になっているために、銅損を低減することができる。

また、ボビンに形成した螺旋状の溝部に線材を巻回するのみで、１次コイルおよび２次コイルを多層構造に形成することができるために、製造コストの低減化も図ることができる。加えて、小さな外径寸法のボビンによって構成することができるために、装置全体の一層の小型化を図ることも可能になる。

特に、請求項４に記載の発明によれば、１次コイルおよび２次コイルの線材としてリッツ線を用いることにより渦電流低減効果を高めることができるとともに、各々の溝部内にボビンの径方向に向けて複数本のリッツ線を並列的に収納することにより、容易に大電流に対応することができる。しかも、並列的に配した複数本のリッツ線が、ボビンの溝部内に螺旋状に巻回されているために、引出線も容易にボビンから取り出すことができる。

本発明に係るトランスの第１の実施形態を示す斜視図である。図１の１次コイルおよび２次コイルの配置を示す縦断面図である。図１のボビンの形状を示す斜視図である。上記第１の実施形態の変形例を示す斜視図である。図４の１次コイルおよび２次コイルの配置を示す縦断面図である。（ａ）は、本発明に係るトランスの第２の実施形態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のボビンを軸線廻りに９０°回転させた位置からの形状を示す斜視図である。上記第２の実施形態における１次コイルおよび２次コイルの配置を示す縦断面図である。図６および図７の１次コイルおよび２次コイルの配置を示す縦断面図である。本発明に係るトランスの第３の実施形態を示す分解斜視図である。図９の縦断面図である。従来のトランスを示す要部の縦断面図である。他の従来のトランスを示す要部の縦断面図である。

（第１の実施形態）
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態を示すものであり、図４および図５は、その変形例を示すものである。
このトランスは、１次コイル１１と２次コイル１２とが巻回された外観円筒状のボビン１０の外周に、閉磁路を形成するコア（図示を略す。）が配設されることによって概略構成されたものである。

そして、このトランスにおいては、図３に示すように、ボビンの外周に、その軸線方向に２条の溝部１３、１４が並列して２条螺旋状に形成されており、一方の溝部１３の内部に、１次コイル１１を形成するリッツ線（線材）１１ａが巻回されるとともに、隣接した他方の溝部１４の内部に、２次コイル１２を形成するリッツ線（線材）１２ａが巻回されている。

ここで、溝部１３、１４は、それぞれの半径方向の深さ寸法がリッツ線１１ａ、１２ａの外径の約４倍に形成されている。そして、各々１次コイル１１および２次コイルを形成する４本のリッツ線１１ａ、１２ａが、それぞれ溝部１３、１４内に並列的に４ターン巻回されている。

また、溝部１３の両端部は、１次コイル１１のリッツ線１１ａの両端部が、ボビン１０の中心角９０°の範囲内に引き出される位置に形成されている。これに対して、溝部１４の両端部は、２次コイル１２のリッツ線１２ａの両端部が、リッツ線１１ａの引き出し範囲（９０°）を、さらに図中反時計回り方向に９０°回転した中心角９０°の範囲内に引き出される位置に形成されている。

これにより、図２に示すように、縦断面視において、ボビン１０の軸線方向に１次コイル１１および２次コイル１２が交互に４層ずつ形成されている。

なお、使用条件等によって、例えば、２次コイル１２を１次コイル１１の間に挟んだ配置とするために、１次コイル１１を２次コイル１２よりも１層多く、すなわちリッツ線１１ａをリッツ線１２ａよりも１ターン余分にボビン１０に巻回する場合には、図４および図５に示す変形例のように、予めボビン１０の外周に、１次コイル１１を収納する溝部１３を、２次コイルを収納する溝部１４よりも１周多く形成しておけばよい。

（第２の実施形態）
図６〜図８は、本発明の第２の実施形態を示すもので、図１〜図７に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
本実施形態のトランスが上記第１の実施形態に示したものと相違するは、ボビン２０に形成された溝形状にある。

すなわち、このトランスのボビン２０の外周には、ボビン２０の外周であって軸線方向の一端部２０ａと中央部との間に、第１の溝部２１と第２の溝部２２とが並列して２条螺旋状に形成されている。他方、ボビン２０の軸線方向の他端部２０ｂと中央部との間には、第３の溝部２３と上記第２の溝部２２とが並列して２条螺旋状に形成されている。

そして、ボビン２０の中央部において、一端部２０ａから延びる第２の溝部２２と他端部２０ｂから延びる第２の溝部２２とが連続するとともに、この第２の溝部２２を間に挟んだ対向位置に、それぞれ第１の溝部２１および第３の溝部２３の端部２１ａ、２３ａが形成されている。

そして、１次コイル１１を形成する複数本（図では２本を示す。）のリッツ線１１ａが、第２の溝部２２の内部に並列して巻回されている。他方、２次コイル１２を形成する複数本（図では２本を示す。）のリッツ線１２ａは、第１の溝部２１に巻回され、その端部２１ａから第２の溝部２２を跨いで第３の溝部２３の内部に巻回されている。これにより、図８に示すように、ボビン２０には、１次コイル１１および２次コイル１２が、２次コイル１２を１次コイル１１の間に挟み、かつ１次コイル１１が２次コイル１２よりも２層多くなるように形成されている。

（第３の実施形態）
図９および図１０は、本発明の第３の実施形態を示すものである。
このトランスは、数ｋｗ〜１０ｋｗ充電器用のトランスを想定して構成されたもので、図９中符号３０が対向配置された一対のＥ型コアである（図１０においては略す。）。このコア３０は、高い入力電圧に対応して大きなコア断面積を確保する必要があることから、外足３０ａが帯板状に形成され、中足３０ｂが上記外足３０ａよりも僅かに短く、かつ長手方向の両端部がＲ状の長丸状に形成されている。

そして、ボビン３１は、中心部にコア３０の中足３０ｂが緩く挿入可能な長丸状の貫通孔３１ａが形成された筒状に形成されるとともに、外周には、その軸線方向に２条の溝部３２、３３が並列して２条螺旋状に形成されている。ここで、溝部３２は、ボビン３１の外周を３周にわたって形成され、溝部３３は、ボビン３１の外周を２周にわたって形成されている。そして、溝部３２の内部に、１次コイル１１を形成する４本のリッツ線１１ａが並列的に巻回されるとともに、隣接した他方の溝部３３の内部に、２次コイル１２を形成する４本のリッツ線１２ａが並列的に巻回されている。

これにより、１次コイル１１の巻数は３ターン、２次コイル１２の巻数は２ターンであり、１次コイル１１が２次コイル１２を間に挟むよう積層状態で配置されている。
このようにして、１次コイル１１および２次コイル１２が巻回されたボビン３１の外周には、絶縁ケース３４が設けられている。

この絶縁カバー３４は、ボビン３１の貫通孔３１ａを除いた外周を覆うようにして配設されており、１次コイル１１および２次コイル１２が巻回されたボビン３１の溝部３２、３３と対向する内面には、それぞれスペーサ部３５が一体に形成されている。これらスペーサ部３５は、各々溝部３２、３３内の最外部リッツ線１１ａ、１２ａに当接するように挿入されている。

そして、このトランスは、一つのＥ型コア３０の中足３０ｂが、ボビン３１の貫通孔３１ａ内に挿入された状態で、絶縁カバー３４を間に挟んで対向配置されることにより構成されている。

上記構成からなる第１〜第３の実施形態のトランスによれば、１次コイル１１および２次コイル１２が、ボビン１０、２０、３１の外周に軸線方向に向けて形成された２条螺旋状の溝部１３、１４、３２、３３あるいは第１〜第３の溝部２１〜２３内に並列的に収納されることにより、上記溝部の壁部を間に介してサンドイッチ構造と同じ配置になっていることに加えて、１次コイル１１および２次コイルを形成する線材としてリッツ線１１ａ、１２ａを用いているために、渦電流低減効果を高めて銅損を大幅に低減することができる。

また、ボビン１０、２０、３１に形成した螺旋状の溝部１３、１４、３２、３３あるいは第１〜第３の溝部２１〜２３にリッツ線１１ａ、１２ａを巻回するのみで、１次コイル１１および２次コイル１２を多層に配置することができるために、製造コストの低減化も図ることができる。

加えて、並列的に配した複数本のリッツ線１１ａ、１２ａが、ボビン１０、２０、３１の溝部１３、１４、３２、３３あるいは第１〜第３の溝部２１〜２３内に螺旋状に巻回されているために、引出線も容易にボビン１０、２０、３１から取り出すことができる。

さらに、第３の実施形態においては、ボビン３１の外周に絶縁ケース３４を設け、この絶縁カバー３４の内面に、各々溝部３２、３３内に挿入されて最外部リッツ線１１ａ、１２ａに当接するスペーサ部３５を一体成形しているために、１次コイル１１と２次コイルとの間の沿面距離を容易に確保することができるという効果も得られる。

なお、上記第１の実施形態の変形例並びに第２および第３の実施形態においては、いずれも２次コイル１２のターン数に対して、１次コイル１１のターン数を１または２多くした場合についてのみ説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、逆に２次コイル１２のターン数を、１次コイルのターン数よりも１または２多くした場合の含むものである。

１０、２０、３１ボビン
１１１次コイル
１２２次コイル
１１ａ、１２ａリッツ線（線材）
１３、１４、３２、３３溝部
２０ａボビンの一端部
２０ｂボビンの他端部
２１第１の溝部
２２第２の溝部
２３第３の溝部
２１ａ、２３ａ端部
３０コア

Claims

１次コイルと２次コイルとが巻回された外観筒状のボビンの外周に、閉磁路を形成するコアが配設されてなるトランスにおいて、
上記ボビンの外周には、その軸線方向に２条の溝部が並列して２条螺旋状に形成され、一方の上記溝部の内部に上記１次コイルの線材が巻回されるとともに、他方の溝部の内部に上記２次コイルの線材が巻回されることにより、上記一次コイルおよび２次コイルが上記軸線方向に上記溝部の壁部を間に介して交互に配置されていることを特徴とするトランス。
上記１次コイルおよび２次コイルの一方を収納する溝部は、他方を収納する溝部よりも１周多く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
１次コイルと２次コイルとが巻回された外観筒状のボビンの外周に、閉磁路を形成するコアが配設されてなるトランスにおいて、
上記ボビンの外周には、その軸線方向の一端部と中央部との間に第１の溝部と第２の溝部とが並列して２条螺旋状に形成され、他端部と上記中央部との間に第３の溝部と上記第２の溝部とが並列して２条螺旋状に形成されるとともに、上記中央部において上記第１の溝部と上記第３の溝部とに端部が形成され、かつ上記第２の溝部が連続して形成され、
上記１次コイルおよび２次コイルの一方の線材が上記第２の溝部の内部に巻回されるとともに、他方の線材が上記第１の溝部に巻回され、上記端部から上記第２の溝部を跨いで上記第３の溝部の内部に巻回されていることを特徴とするトランス。
上記線材は、リッツ線であるとともに、各々の上記溝部内には、上記ボビンの径方向に向けて複数本の上記線材が並列的に収納されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のトランス。