特開 2022-61926 トランスの高効率化方法。

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022061926

(43)【公開日】2022-04-19

(54)【発明の名称】トランスの高効率化方法。

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20220412BHJP

   H01F 27/24 20060101ALI20220412BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20220412BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 M

H01F30/10 R

H01F30/10 A

H01F27/24 Z

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2020177649

(22)【出願日】2020-10-07

(71)【出願人】

【識別番号】516091857

【氏名又は名称】井出 治

(72)【発明者】

【氏名】井出 治

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA21

5H770QA25

(57)【要約】      （修正有）

【課題】トランスの磁気コアを複数に分割分離し、各磁気コアの機能を独立させ、有効に配置することでインバーターの効率を上昇させたトランス構成の提供する。
【解決手段】大きな効率のインバーターを製作することを可能としたトランスの構成方式であって、分割されたトランスの磁気コアの一部は、共振入力コイル、他の一部の磁気コアは、出力コイルと、コイルとコンデンサーによる共振回路によって構成されている。駆動回路からの正弦波電流によって、トランスの共振入力コイル内に発生した振動電磁場は、その周辺に配置された共振出力コイルとコンデンサーを有する共振出力磁気コア内に、電磁誘導により振動電磁場を誘導する。この時、共振出力磁気コア内に発生する振動電磁場は、二つの磁気コアの配置方法によっては、共振入力磁気コア内の電磁場よりも大きくなる現象が発生する。この振動電磁場を出力コイルから有効に取り出す。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁束が外部に出る構造である、共振入力用一次コイルが巻かれた共振入力磁気コアと、前記共振入力磁気コアの周辺に、磁束が外部に出る構造である、共振コイル及び出力コイルが巻かれた共振出力磁気コアを、一個以上配設したことを特徴とするトランス効率アップ方法。

【請求項2】

前記構成によるトランスを、正弦波入力によって駆動することを特徴とする請求項１記載のトランス効率アップ方法。

【請求項3】

前記共振入力磁気コア及び共振出力磁気コアの一部又は全部が、円柱型、角柱型、Ｉ型、又は断面がＩ型のレール状、コの字型、半円型及び半楕円型構造であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のトランス効率アップ方法。

【請求項4】

前記共振入力磁気コアと前記共振出力磁気コアの相対位置を、前記トランスの入出力磁気コアの効率（出力パワー／入力パワー）が最大になるように、空間座標ｘｙｚにおいて、あらゆる方向に調整し、その中の最高出力、又は高効率となる一点を使用することを特徴とする請求項１から請求項３記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。

【請求項5】

共振入力磁気コアが一個と、共振出力磁気コアが一個によって構成された、請求項１から請求項４記載のいずれか一項のトランスの効率アップ方法。

【請求項6】

共振入力磁気コアが一個と、共振出力磁気コアが二個によって構成された、請求項１から請求項４記載のいずれか一項のトランスの効率アップ方法。

【請求項7】

前記トランスがインバーター用又はスイッチング電源用、或は交流電源用であることを特徴とする請求項１から請求項６記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。

【請求項8】

請求項１から請求項７の、いずれか一項の発明を用いた、電力が供給される輸送機。

【請求項9】

請求項１から請求項７の、いずれか一項の発明を用いた、電力が供給される構造物。

【請求項10】

請求項１から請求項７の、いずれか一項の発明を用いた、電力が供給される発電設備。

【請求項11】

請求項１から請求項７の、いずれか一項の発明を用いた、燃料が供給される燃料供給設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高効率のインバーターのトランスに関する。

【背景技術】

【0002】

図１及び図２は、従来の方式による、磁性体コアがループ形状の閉じた磁気回路を有するトランスによって構成された、インバーターの構成図を示す。直流電源ＰＳ１及びＰＳ２の電圧を用途に応じて変換することを目的とする。直流電源ＰＳ１及びＰＳ２からの出力電流は、駆動回路Ｄ１及びＤ２によって適当な周波数でオンオフされて、トランスＴＲ１及びＴＲ２の一次コイルＰＲ１及びＰＲ２に入力される。トランスＴＲ１及びＴＲ２によって、用途に応じて電圧変換され２次コイルＳＣ１及びＳＣ２から出力され、該両２次コイルに接続された負荷Ｒ１及びＲ２によって消費される。

【0003】

ここにおいて、電圧変換用のトランスとして、通常は図１に示されるようなＥＩ型の磁気コアの組み合わせによる、２つの磁気ループを持った磁気コアＭ１を使用したものか、或は図２のような、一つのループ形状の磁気コアを有する、磁気コアＭ２を使用したもののうち、いずれかである場合が多い。

【0004】

閉じた磁気コアを利用する理由は、磁場をトランスの磁気コア内に閉じ込め、漏洩磁束を少なくすることにより、変換効率を上げることを目的としている。

【0005】

ところが、従来のインバーターは、上記のような閉じた磁気コアを有するトランスを利用する方式により、磁気コアに発生する熱によって逆に効率上昇の限界に達しており、現状では８５～９０％程度の効率が限度となって、それ以上の効率上昇は、望み難いという問題があった。

【0006】

これに対し、図３は、特開２０１９－１２９３０３は、図１、図２の実施例の欠点を改良したトランスの構造を示す。以下、特開２０１９－１２９３０３を特開Ａと呼ぶ。

【0007】

特開Ａは、図１、図２のような閉じた磁気回路によるトランスの欠点を改良し、高効率なインバーター用トランスを提供できるが、二つの問題が存在する。その一つは、駆動用の入力波に方形波状のパルス波を利用することである。入力される駆動波がオフになった直後から、トランス内の共振コイルによって発生し、ある期間継続する残留振動を、出力の一部として取り出すことにより、高効率を得る方式である。従って、特開Ａの方式によれば、駆動パルスがオフになった後の残留波を生かすためには、駆動パルス間の時間間隔を大きくする必要がある。従って、高出力が得られにくいという問題があった。

【0008】

またもう一つの問題は、残留振動は減衰波であり、初期の出力波の電圧が最大値となり、その後の出力波の電圧は徐々に減衰する。従って、交流の出力波を整流して、コンデンサーにチャージし、ＤＣ化する場合、駆動パルスがオフになった直後に発生する最大電圧の波形部分しかチャージされないという欠点がある。従って、交流出力を特にＤＣ化して使用する場合、高効率化は困難であるという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特願２００６－２７７５１１

【特許文献2】特開２０１９－１２９３０３

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】戸川治朗著 「スイッチング電源のコイル／トランス設計」ＣＱ出版社 ２０１２年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

閉じた磁気コアを有するトランスよりも、また、従来の分割した磁気コアを有するトランスよりも、高い効率を有するトランスを提供する。

【問題を解決するため手段】

【0012】

トランスの構成において、磁束が外部に出る構造であり、共振コンデンサーが接続された共振入力一次コイルを有する共振入力磁気コア、及び該共振入力磁気コアから独立しており、出力二次コイルが巻かれ、更に磁束が外部に出る構造であり、共振コイルを有する共振出力磁気コアを有し、該共振出力磁気コアを一個以上配設する。

【0013】

前記共振入力磁気コアの一部又は全部が、円柱型、角柱型、Ｉ型、断面がＩ型のレール状、コの字型、半円型及び半楕円型構造とする。前記共振出力磁気コアの一部又は全部が、円柱型、角柱型、Ｉ型、コの字型、半円型及び半楕円型構造とする。

【0014】

前記共振入力磁気コアに巻かれた共振コイルには、コンデンサーが並列、又は直列に接続された共振回路とする。前記共振出力磁気コアに巻かれた共振コイルには、コンデンサーが並列に接続され、外部からの電源が接続されない独立した共振回路とする。

【0015】

前記共振入力磁気コアと前記共振出力磁気コアの相対位置を、前記トランスの効率（出力パワー／入力パワー）が最大になるように調整する。

【0016】

前記トランスを、一個の共振入力磁気コアと一個の共振出力磁気コアによって構成する。

【0017】

前記トランスを、一個の共振入力磁気コア、二個の共振出力磁気コアによって構成する。

【0018】

前記トランスを、正弦波で駆動し、インバーター用又はスイッチング電源用、或は交流電源用として使用する。

【0019】

従来のトランスの磁気コアは、ループ状である磁束の流れを一体化して、漏えい磁束を少なくするため、コイル間を密接に磁気結合し、ループ形状の磁気コアを使用している。
ところが、磁性材料による熱の発生により、変換効率の上昇が限界に達している。

【0020】

本発明は、磁気コアを分割し、磁束を漏洩させ、分割した複数の磁気コアを独立して配置することにより、磁気コアの放熱性を良くした。又、各々の磁気コアを電磁気共振によって磁束を結合することにより、該複数の磁気コアの動作を一体化し、一個のトランスとして機能させる。これによって、インバーター及びスイッチング電源の変換効率を大幅に上昇させることが出来る。

【0021】

本発明は、インバーター用のトランスの構成方法であり、図１或は図２に示すような、閉じた磁気構造の磁気コアを有するトランスを使用することなく、磁気コアが外部に開いた、例えば、Ｉ型のような磁気コアを複数個利用する方式による。

【0022】

このような独立した複数の磁気コアを、有効に配置させることによって、全体として１個のトランスの機能を持たせるような構成をする。

【0023】

これらの共振入出力磁気コイルを持った磁気コア、及び、共振回路を持った磁気コアの個数及び配置は、用途、使用環境に応じて決定する。すべての磁気コアは、必ずしも互いに平行に設置するとは限らない。

【0024】

以上のような、複数の磁気コアによって構成されたトランスの共振入力１次コイルに、駆動回路からの正弦波を入力させれば、共振入力磁気コア内に生じる振動電磁場により、電磁誘導によって、周辺に設置された共振出力磁気コア内に、振動電磁場が誘導される。

【0025】

この時、共振入力磁気コア内の振動電磁場と、周辺の共振出力磁気コアに生じた振動電磁場との間に、共振が生じ、其々の磁気コアの配置条件によっては、入力よりも大きな振幅を伴った振動出力電圧波形が、共振コイルに発生することを実験によって確認した。これが本発明の基本原理である。

【0026】

上記のごとく、複数の独立した磁気コアによって構成されたトランスでは、それぞれの磁気コア内に生じた振動電磁場を相互に共振させることにより、増幅された正弦波出力電磁場を、共振出力コイルから取り出すことが出来る。

【0027】

本発明によるトランスの出力は正弦波であり、特開Ａの方式で得られる減衰波ではないので、整流して直流電源化しやすい。

【発明の効果】

【0028】

結果、本方式によって構成されたトランスを利用することにより、従来の閉じた磁気コアを有するトランス、また、特開Ａの方式によるトランスを利用したインバーターよりも、更に高い効率のインバーターを提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】直流電源からの電流を、駆動回路による方形波出力によってオンオフしてトランスに入力し、電圧変換することを目的としたインバーターに於いて、従来の方式による二つの閉じた磁気回路を有する磁気コアをトランスに利用した方式の実施例を示す。

【図2】上記同様のインバーター駆動方式において、従来の方式による、一つの閉じた磁気回路を有するトランスを利用した実施例を示す。

【図3】独立した磁気回路を持った２個の磁気コアを有するトランスを利用した、特開Ａによる、インバーターの一実施例を示す。

【図4】本発明の方式による、２個の独立した磁気回路を持った磁気コアを有するトランスを利用したインバーターの一実施例を示す。

【図5】本発明の方式による、３個の独立した磁気回路を持った磁気コアを有するトランスの、他の実施例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明に使用する磁気コアの材料は、磁気損失の少ない軟磁性体を利用する。例えば、電源トランスに使用されるシリコン鋼からパーマロイ、アモルファス、フェライトなどの高周波スイッチング電源に使用される素材を利用する。本発明に使用する磁気コアは、該磁気コアに流れる電流によって形成された磁束が外部に出る構造である。具体的には、該磁気コアの形状は、基本的には円柱型、角柱型、Ｉ型、即ち棒状であるが、それに準じた形状であるコの字型、或は半円型又は半楕円型のようなものでも使用可能である。
共振入力磁気コアは、上記磁気コアにコンデンサーが接続された共振入力一次コイルが巻かれている。

【0031】

共振入力一次コイルは、直列共振及び並列共振による両方の回路構成が可能である。

【0032】

図４（ａ）は、本発明の基本構造を示す。２個の独立した円筒状の磁気コアＭ４１、Ｍ４２によって構成されたトランスＴＲ４ａを利用した、最も簡単なインバーターの実施形態である。

【0033】

スイッチＳＷ４１及びＳＷ４２は連動しており、トランスＴＲ４への入力の方法を、並列共振か直列共振に、条件に応じて切り換えることを目的とする。両スイッチが上部の接点、即ちスイッチＳＷ４１が接点ａ、スイッチＳＷ４２が接点ｂにある場合は、並列共振による入力となる。また両スイッチが下部の接点、即ちスイッチＳＷ４１がｂ、スイッチＳＷ４２がｄにある場合は、直列共振による入力回路となる。

【0034】

直流電源ＰＳ４からの電流は、駆動回路Ｄ４によって、共振入力磁気コアの共振周波数の正弦波に変換され、トランスＴＲ４ａの共振入力磁気コアＭ４１の一次コイルＲ４１の端子に入力される。共振入力磁気コアＭ４１の近傍に設置された共振出力磁気コアＭ４２の共振コイルＲ４２には、共振コンデンサーＣ４２が並列に接続されている。

【0035】

結果、共振入力磁気コアＭ４１に入力される正弦波振動電流による電磁場により、共振出力磁気コアＭ４２の共振コイルＲ４２には、電磁誘導により正弦波の振動電流が発生し、該振動電流は出力二次コイルＳＣ４の端子から出力され、負荷抵抗Ｒ４によって消費される。

【0036】

図４（ｂ）は、図４（ａ）のトランスの共振入力磁気コアＭ４１と共振出力磁気コアＭ４２の配置において、共振出力磁気コアＭ４２を傾け、両磁気コアを非平行状態に設置した一実施例である。両磁気コアを非平行に設置する際は、その傾斜方向は、図４（ａ）の共振磁気コアＭ４２の上部に示す如く、実施例の状況に応じて、空間座標ｘｙｚに於ける、あらゆる方向に対し最適出力条件の可能性が存在する。その中の、ある一方向を最適出力条件として使用する。

【0037】

図５は、本発明による方式のトランスを利用したインバーターの、他の実施例を示す。

【0038】

図５のトランスＴＲ５は、図４のトランスＴＲ４ａの共振入力磁気コアＭ４１の左側に、更に一個の共振出力磁気コアＭ５２を付加したものである。又更に、共振入力磁気コアＭ５１にも出力コイルＳＣ５１が付加されている。従って、出力コイルはＳＣ５１、ＳＣ５２、ＳＣ５３と計三個存在する。それぞれの出力端子からの出力電力は、抵抗負荷Ｒ５１、Ｒ５２、Ｒ５３によって消費される。

【0039】

また本実施例に於いても、左右二つの共振出力磁気コアＭ５２、Ｍ５３の設置方法は、傾斜させる場合、図４（ｂ）の実施例と同様に空間座標ｘｙｚに対し、最適出力駆動条件として、あらゆる方向に傾斜させる可能性がある。その中の一方向を最適出力条件として使用する。

【0040】

これにより、全磁気コアに出力コイルを設けることによって、図４の実施例よりも、トランスの磁気コアの大きさに対し、大出力が得られることを実験で確認した。

【0041】

上記方法により、従来の閉じた磁気コアによるトランスを利用した場合と比較し、更に変換効率の高いインバーターを製作することが可能となった。

【0042】

又、上記図４（ａ）、図４（ｂ）の方法と同様に、本トランスＴＲ５の出力は、入力と同じ正弦波になるので、整流した場合、特開Ａによる実施例と比較すると、より高効率の安定化した直流電圧が得られることが可能になった。

【実施例0043】

以下、図５による本発明の実施例について解説する。
直流電源ＰＳ５によって、駆動回路Ｄ５は、トランスＴＲ５に入力する正弦波を発生する。該駆動回路Ｄ５からは、周波数１０７３Ｈｚ、実効電圧１３．１５Ｖの正弦波交流が出力され、該正弦波交流はトランスＴＲ５に入力される。仮に、スイッチＳＷ５１の接点はａ、又スイッチＳＷ５２の接点は、ｃに接続する。つまり、共振コンデンサーＣ５１と共振入力コイルＲＣ５１は、共に並列に駆動回路Ｄ５の出力端子に接続された並列共振入力状態とする。

【0044】

共振コンデンサーＣ５１の容量は、４．１２μＦ、共振入力磁気コアＭ５１に巻かれた共振入力コイルＲＣ５１のインダクタンスは、６．４４ｍＨ、又二つの共振入力磁気コアＭ５２、Ｍ５３に巻かれた共振コイルＲＣ５２、ＲＣ５３のインダクタンスは、互いに共振関係を形成させるため、共振コイルＲＣ５１とほぼ同一のインダクタンスとする。同様の理由から、該二つの磁気コアの共振コンデンサーＣ５２とＣ５３の容量も共振入力コンデンサーＣ５１とほぼ同一の容量とする。又、出力コイルＳＣ５２及びＳＣ５３のインダクタンスは、其々６．５５ｍＨ及び６．４６ｍＨであり、出力コイルＳＣ５１のインダクタンスは４．１１ｍＨとした。

【0045】

上記条件で、図５の本発明によるトランスＴＲ５を駆動した。結果、負荷Ｒ５１（４９．７Ω）、負荷Ｒ５２（６０．３Ω）、負荷Ｒ５３（６０．４Ω）の実行出力電圧は、其々、９．３２Ｖ、８．８９Ｖ、８．５２Ｖであった。上記結果より、トランスＴＲ５の総出力Ｐ_２を計算すると、
Ｐ_２＝１．７４８Ｗ＋１．３１１Ｗ＋１．２０６Ｗ＝４．２６５Ｗとなる。
この時、直流電源ＰＳ５の出力電圧は３３．９９Ｖ、出力電流は１２６．７ｍＡであった。従って、トランスＴＲ５への入力電力Ｐ_１は、Ｐ_１＝３３．９９Ｖ×０．１２６７Ａ＝４．３０７Ｗである。故に全システムの効率μは、μ＝Ｐ_２／Ｐ_１×１００＝９９％である。

【0046】

従って、本発明によるトランスによって構成されたインバーターは、通常の閉じた磁気コアを有する小型トランスによるもの（効率＝８０～９０％）と比較すれば、はるかに高効率のインバーターの製作が可能となる。

【0047】

なお、本実施例の測定のために使用した計測器は下記の通りである。
デジタルオッシロスコープ：ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＶＰ５７４０Ａ
デジタルマルチメーター：ＳＡＮＷＡ ＰＭ３、Ｉｗａｔｓｕ ＳＣ－７４０３
電流プローブ：ＨＩＯＫＩ ９２７４
電流プローブアンプ：ＨＩＯＫＩ ３２７０

【産業上の利用可能性】

【0048】

以上説明した本発明は、直流電源から電圧変換された交流電流を得るためのインバーターのみならず、スイッチング電源用、或は交流電源から電圧変換するための電源装置用のトランスに対しても適用可能であり、共に従来のトランスでは得られない高変換効率を提供出来る方式である。

【0049】

本発明を用いて、輸送機の動力源とすることが出来る。産業用に利用した場合、輸送機として、電車、自動車、自動二輪車（バイク）、船舶、潜水艦、航空機、ドローン、宇宙船が例示出来る。
本発明を用いて、構造物の電力を供給することが出来る。
構造物として、住宅、ビル等の建造物、工場、軍事施設が例示出来る。
本発明を発電設備として用いることが出来る。発電設備として、発電所、可搬型発電機、バッテリー充電器が例示出来る。
本発明を燃料供給設備として用いることが出来る。燃料供給設備として、水の電気分解による水素ガス生成装置が例示出来る。

【符号の説明】

【0050】

ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＰＳ５…‥‥直流電源
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５……駆動回路
ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４ａ，ＴＲ４ｂ，ＴＲ５……トランス
ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３，……………………………１次コイル
ＲＣ３，Ｒ４１，Ｒ４２，ＲＣ５１，ＲＣ５２，ＲＣ５３………‥‥共振コイル
ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４，ＳＣ５１，ＳＣ５２，ＳＣ５３…‥２次コイル
Ｃ３，Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３…………‥共振コンデンサー
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ４１，Ｍ４２，Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ５３……入出力磁気コア
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５１，Ｒ５２，Ｒ５３……抵抗負荷
ＳＷ４１，ＳＷ４２，ＳＷ５１，ＳＷ５２……………‥スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】