特開 2024-67279 静止電磁機器及び静止電磁機器を用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ

(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】P2024067279

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】静止電磁機器及び静止電磁機器を用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20240510BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 C

H01F30/10 R

H01F27/28 123

H01F27/28 147

H01F27/28 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022177230

(22)【出願日】2022-11-04

(71)【出願人】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】栗田 直幸

(72)【発明者】

【氏名】舘村 誠

【テーマコード（参考）】

5E043

【Ｆターム（参考）】

5E043AA06

5E043AB05

5E043BA01

(57)【要約】

【課題】特殊な構造や工法を適用することなく、広い範囲の漏れインダクタンスを設定可能な巻線構造を持つ静止電磁機器を提供する。
【解決手段】磁性材料を環状に成形してなる単相鉄心２の第１の磁脚部２ａに、第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１をスペーサ７を隔てて一定の間隔を保持しつつ重ねるように配置し、第２の磁脚部に第２の一次巻線１２と第２の二次巻線を２２を中心軸線Ｂ１方向にスペーサ８を隔てて一定の間隔を保持しつつ並ぶように配置した。第１及び第２の一次巻線１１、１２は接続手段１１ａで直列に接続され、第１及び第２の二次巻線２１、２２は接続手段２１ａで直列に接続される。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性材料を環状に成形してなる単相鉄心の第１の磁脚部と第２の磁脚部に、第１および第２の一次巻線と、第１および第２の二次巻線をそれぞれ巻き、前記第１の一次巻線と前記第２の一次巻線を直列接続し、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線を直列接続した静止電磁機器において、
前記第１の磁脚部には、前記第１の一次巻線と前記第１の二次巻線を、一定の間隔を保持しつつ重ねて巻回し、
前記第２の磁脚部には、前記第２の一次巻線と前記第２の二次巻線を、前記第２の磁脚部の中心軸線方向に一定の間隔を保持しつつ並べて巻回したことを特徴とする静止電磁機器。

【請求項2】

前記第１の一次巻線と前記第２の一次巻線は同一又は異なる巻き数とし、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線は同一又は異なる巻き数としたことを特徴とする請求項１に記載の静止電磁機器。

【請求項3】

前記第１の磁脚部において、
前記第１の一次巻線は複数回巻かれた素線を含み、前記素線が絶縁材にて円筒状に封止され、
前記第１の二次巻線は複数回巻かれた素線を含み、絶縁材にて円筒状に封止され、
２つの前記絶縁材の間の間隙部に第１のスペーサを介在させることによって一定の間隔を保持しつつ、前記一次巻線と前記二次巻線を前記第１の磁脚部の中心線に対して同軸に整列させたことを特徴とする請求項２に記載の静止電磁機器。

【請求項4】

前記第２の磁脚部において、
前記一次巻線の前記第１の一次巻線は複数回巻かれた素線を含み、絶縁材にて封止され、
前記二次巻線の前記第１の一次巻線は複数回巻かれた素線を含み、絶縁材にて封止され、
２つの前記絶縁材の間の間隙部に第２のスペーサを介在させることによって一定の間隔を保持し、前記一次巻線と前記二次巻線を前記第２の磁脚部の中心軸線方向に並べて配置したことを特徴とする請求項３に記載の静止電磁機器。

【請求項5】

前記第１の磁脚部において、
前記第１の一次巻線と前記第１の二次巻線を構成する素線は、前記第１の磁脚部の中心線方向に対して一定の角度を持たせて整列するように前記絶縁材で封止され、
封止された前記第１の一次巻線の内周面は、前記第１の磁脚部の中心線方向に対して角度θとなるように形成され、
封止された前記第１の二次巻線の外周面は、前記内周面と平行になるように前記第１の磁脚部の中心線方向に対して角度θになるように形成され、
前記第１の一次巻線の内周面と前記第１の二次巻線の外周面の間に前記第１のスペーサを介在させることによって前記第１の一次巻線と前記第１の二次巻線を一定の間隔で保持することを特徴とする請求項４に記載の静止電磁機器。

【請求項6】

前記単相鉄心は、薄板状磁性材料を積層して構成するものであって、前記第１の磁脚部の中心線方向と直交する面、及び、前記第２の磁脚部の中心線方向と直交する面において分割された形状にて構成されることを特徴とする請求項４に記載の静止電磁機器。

【請求項7】

磁性材料を環状に成形してなり２つの磁脚部を有する単相鉄心を有し、
前記２つの磁脚部の双方に渡るように一次巻線が第１及び第２に分割して巻回され、
前記２つの磁脚部の双方に渡るように二次巻線が第１及び第２に分割して巻回され、
２つの前記磁脚部の一方側においては、前記一次巻線と二次巻線が径方向に一定の間隔を保持する状態にて重ね巻され、
２つの前記磁脚部の他方側においては、前記一次巻線と二次巻線が一定の間隔を隔てて磁脚部の中心線方向に一定の間隔をあけて並ぶように並び巻されることを特徴とする静止電磁機器。

【請求項8】

重ね巻される前記一方の磁脚部において、高圧側の前記一次巻線が外周側に配置され、低圧側の前記二次巻線が内周側に配置され、
前記一次巻線のうち前記第１の一次巻線は複数回巻かれた素線を含み、第一の絶縁材にて円筒状に封止され、
前記二次巻線のうち前記第１の二次巻線は複数回巻かれた素線を含み、第二の絶縁材にて円筒状に封止され、
前記第一及び第二の絶縁材の間にスペーサを介在させることによって前記第１の一次巻線と前記第２の二次巻線を一定の間隔にて保持することを特徴とする請求項７に記載の静止電磁機器。

【請求項9】

重ね巻される前記一方の磁脚部において、高圧側となる前記一次巻線が外周側に配置され、低圧側の一次巻線が内周側に配置されることを特徴とする請求項７に記載の静止電磁機器。

【請求項10】

前記他方の磁脚部において、並び巻される前記二次巻線の外周側に、前記一次巻線の一部を径方向に一定の間隔を保持する状態にて重ね巻きしたことを特徴とする請求項９に記載の静止電磁機器。

【請求項11】

２本の前記磁脚部のうち、一方の磁脚部に前記第１の一次巻線と前記第１の二次巻線が一定の間隔を保持しつつ重ね巻され、他方の磁脚部に前記第２の一次巻線と前記第２の二次巻線が一定の間隔を保持しつつ並び巻され、
他方の磁脚部において、前記第２の二次巻線の外周側に、第３の一次巻線を重ね巻し、
前記第１から第３の一次巻線を直列接続し、前記第１および第２の二次巻線を直列接続したことを特徴とする請求項１０に記載の静止電磁機器。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の前記静止電磁機器と、
前記一次巻線に接続され、複数のスイッチング素子と一つ以上のコンデンサを有する第一のインバータ回路と、
前記二次巻線に接続され、複数のスイッチング素子と一つ以上のコンデンサを有する第二のインバータ回路と、を有し、
前記第一のインバータ回路が入力される直流から交流に変換をする際には、前記静止電磁機器によって電圧変換された交流を前記第二のインバータ回路によって直流に変換をするように制御することによって一次側から二次側へのＤＣ－ＤＣ変換を行い、
第二のインバータ回路が入力される直流から交流に変換をする際には、前記静止電磁機器によって電圧変換された交流を前記第一のインバータ回路によって交流から直流変換をするように制御することによって二次側から一次側への逆方向のＤＣ－ＤＣ変換を行うことを特徴とする静止電磁機器を用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項13】

請求項１から請求項１１のいずれ一項に記載の前記静止電磁機器を構成する巻線は、表面に絶縁材を塗布した銅、アルミニウム等の複数の細線を撚って構成されるリッツ線、または銅、アルミニウムによる薄板材を鉄心に巻回して構成したこと、を特徴とする静止電磁機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は静止電磁機器に関し、スイッチング電源、電力変換器等に用いられる高周波変圧器において、その巻線構造により漏れインダクタンスを調整するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、太陽光発電システムや停電時の非常用蓄電池の充放電システム、さらに電気自動車への充電システムなど、直流電力を扱う送配電機器が増加しており、入力された直流電圧をインバータ回路によって交流電圧に変換し、高周波変圧器によりこれを変圧し、整流回路によりこれを直流電圧に変換して出力する、直流変換器（ＤＣ－ＤＣコンバータ）の需要が増加している。ＤＣ－ＤＣコンバータの用途によっては、インバータ、および整流回路を構成するスイッチング素子の動作タイミングを制御し、直流電力を双方向に送る機能が要求される。さらに、スイッチング素子で発生するスイッチング損失は、ＤＣ－ＤＣコンバータの変換効率を低下させる原因のひとつのため、回路中のインダクタ成分Ｌとキャパシタ成分Ｃの共振現象を利用して、ゼロ電圧スイッチング、またはゼロ電流スイッチング動作を実現し、スイッチング損失を抑制することが求められる。

【0003】

ＤＣ－ＤＣコンバータの性能向上に必要となる上記の直流電力の双方向制御機能、およびゼロ電圧スイッチング、またはゼロ電流スイッチング機能を持たせるには、高周波変圧器と直列に、適切な値のインダクタ成分Ｌを備える必要がある（例えば、特許文献１参照）。インダクタ成分Ｌは、高周波変圧器とは別にリアクトル装置等を備える方法のほか、高周波変圧器の巻線構造の工夫により、漏れインダクタンスＬｓを、高周波変圧器に内蔵させる方法が一般的である。前者の方法に比べて、後者の方法は部品点数が削減され、コストも低減できる。

【0004】

これに関連して、所望の漏れインダクタンスＬsを備えた高周波変圧器の巻線構造に関する技術が開示されている。例えば特許文献２には、単相鉄心部の一方の磁脚部に配置される一次巻線部と、一次巻線部が配置された磁脚と同一の磁脚上であって、一次巻線部と磁気的に密となる少なくとも一つの第１の二次巻線部と、一次巻線部と磁気的に疎となる鉄心の他方の磁脚部に配置される少なくとも一つの第２の二次巻線部とを備えるトランス（静止電磁機器）の構成が開示されている。また、特許文献３には、鉄心に一次巻線と二次巻線を所要の間隔を隔てて配置するとともに、両巻線間に透磁率の低いフェライト粉モールド板をパスコアとして介装し、適切な値の漏れインダクタンスＬｓを得る高周波磁気漏洩変圧器の構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１０３２５７号公報

【特許文献2】特開２０１３－９８１８９号公報

【特許文献3】特開２００４－３９８４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２で開示されている静止電磁機器は、第１の二次巻線を一次巻線と同一の磁脚に、第２の二次巻線を異なる磁脚に備え、磁気的に密となる部分と疎となる部分に分けることで、静止電磁機器の漏れインダクタンスの値Ｌｓを制御する技術であるが、一次巻線はひとつの磁脚のみに備えた構成なので、Ｌｓの取り得る値の範囲は、従来の構成と同等であって狭い。また、特許文献３で開示されている高周波磁気漏洩変圧器は、従来の構成に比べてＬｓの取り得る値の範囲が広がるが、透磁率の低い磁性材料を鉄心部に組み合わせるため、従来より余分な部材コストが必要になる。

【0007】

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、広い範囲の漏れインダクタンスＬsを設定可能とした静止電磁機器を提供することにある。
本発明の他の目的は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに用いるのに好適な静止電磁機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願において開示される発明のうち代表的な特徴を説明すれば次のとおりである。
本発明の一つの特徴によれば、磁性材料を環状に成形してなる単相鉄心の２本の磁脚部に第１および第２の一次巻線と第１および第２の二次巻線を巻いて、一次巻線同士および二次巻線同士を直列接続するようにした静止電磁機器において、第１の磁脚部には第１の一次巻線と第１の二次巻線を一定の間隔を保持しつつ重ねて巻回し、第２の磁脚部には第２の一次巻線と第２の二次巻線を一定の間隔を保持しつつ縦方向に並べて巻回するようにした。重ね巻される第１の磁脚部では、高圧側となる第１の一次巻線が外周側に配置され、低圧側となる第１の二次巻線が内周側に配置される。一次巻線、二次巻線はそれぞれ複数回巻かれた素線を含んで構成され、これら素線は第一の絶縁材、第二の絶縁材にて円筒状に封止される。

【0009】

本発明の他の特徴によれば、磁脚部に巻回される一次巻線、および二次巻線を構成する素線は磁脚の軸方向と平行に整列され、樹脂等の絶縁材で封止する構造とし、構造同士の間隙部に不導体で構成されるスペーサを介在させて、一定の間隔を維持するように構成した。なお、第１の磁脚部に重ねて巻回される第１の一次巻線と第１の二次巻線を構成する素線を磁脚の軸方向に対して一定の角度を持たせるように整列させ、それらを封止する樹脂等の絶縁材をテーパ状の構造とし、これらの間隙部にスペーサを介在させて、一定の間隔を保持するように構成してもよい。

【0010】

本発明の他の特徴によれば、上述の静止電磁機器と、静止電磁機器の一次巻線に接続される第一のインバータ回路と、二次巻線に接続されるインバータ回路を有し、第一のインバータ回路が入力される直流から交流に変換をする際には、静止電磁機器によって電圧変換された交流を第二のインバータ回路によって直流に変換するように制御し、第二のインバータ回路が入力される直流から交流に変換をする際には、静止電磁機器によって電圧変換された交流を第一のインバータ回路によって交流から直流変換をするように制御することによって二次側から一次側への逆方向へのＤＣ－ＤＣ変換を行う。

【発明の効果】

【0011】

本発明の構成によれば、様々な用途に使われるＤＣ－ＤＣコンバータ内の静止電磁機器（高周波変圧器）について、特殊な構造や工法を適用することなく、広い範囲の漏れインダクタンスＬｓを高周波変圧器に内蔵させることができる。また、従来の構造に比べて高周波変圧器の体積が抑制されるため、小形、低コスト化の効果が得られる。さらに、直流電力の双方向制御機能に好適な高周波変圧器を有する静止電磁機器が実現できるので、全体的な変換効率に優れ、電力ロスを抑制して省エネルギー化を進めた静止電磁機器及びそれを用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施例に係る静止電磁機器１の縦断面図である。

【図2】本発明の第１の実施例に係る静止電磁機器１の上面図である。

【図3】本発明の第１の実施例に係る静止電磁機器１の巻線内部の構造を示す縦断面図である。

【図4】本発明の第１の実施例と従来例における、静止電磁機器１の体積と、漏れインダクタンスとの相関関係を示すグラフである。

【図5】本発明の第２の実施例に係る静止電磁機器１Ａの巻線内部の構造を示す縦断面図である。

【図6】図５の巻線の構造を変更した変形例を示す静止電磁機器１Ｂの縦断面図である。

【図7】本発明の第２の実施例に係る静止電磁機器１Ａの組立方法を示す模式図である。

【図8】図７に示した組立方法の変形例となる静止電磁機器１Ｃの組立方法を示す模式図である。

【図9】本発明の第３の実施例に係る静止電磁機器１Ｄの縦断面図である。

【図10】本発明の第４の実施例に係る静止電磁機器１Ｅの縦断面図である。

【図11】本発明の第５の実施例を示す静止電磁機器１Ｆの適用例を示す図であり、インバータ回路６０、７０を組み合わせたＤＣ－ＤＣコンバータの回路図である。

【図12】従来例１における静止電磁機器１０１Ａの縦断面図である。

【図13】従来例２における静止電磁機器１０１Ｂの縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

【実施例0014】

本発明の第１の実施例の構成と効果について、図１から図４を用いて説明する。ここで第１の実施例の説明の前に、図１２および図１３を用いて従来の静止電磁機器１０１Ａ、１０１Ｂの構成を説明する。図１２は、従来の静止電磁機器の鉛直面における縦断面図である。鉛直面は２つの第１の磁脚部２ａと第２の磁脚部２ｂの中心軸を通る面である。図１２において静止電磁機器１０１Ａは環状に成形した単相鉄心２を有し、単相鉄心２に形成される２本の磁脚部２ａおよび２ｂの周囲に、一次巻線１１と１２、および二次巻線２１と２２がそれぞれ重ねて巻回される。本明細書では、磁脚部２ａのように、磁脚部に対して近い側（内側）と遠い側（外側）に一次巻線と二次巻線を巻くことによって、磁脚部の中心軸線から径方向に見て一次巻線と二次巻線の全体が、又は一部分が重なるように巻く方法を「重ね巻」と称する。この「重ね巻」では、通常、高圧電流が流れる一次巻線１１、１２を磁脚部２ａ、２ｂから離れた外側に巻き、低圧電流が流れる二次巻線２１、２２が磁脚部２ａ、２ｂに近い内側に巻かれることが一般的である。一次巻線１１と１２の間は接続手段１１ａで接続され、一次巻線の端部は、電極１４ａ、１４ｂに接続される。同様に、二次巻線２１と２２の間は接続手段２１ａで接続され、二次巻線の端部は、電極２４ａ、２４ｂに接続される。一次巻線１１と二次巻線２１の間、及び、一次巻線１２と二次巻線２２の間には、径方向に一定のギャップ長ｄが備えられる。ギャップ長ｄは、磁脚部２ａ、２ｂの中心軸線Ａ１、Ｂ１方向において一定になるように設定される。このように従来では、ギャップ長ｄの大きさにより所望の漏れインダクタンスＬｓを一次巻線及び二次巻線間に持たせるようにしていた。

【0015】

図１３は別の従来例の静止電磁機器１０１Ｂを示す。この静止電磁機器１０１Ｂは環状に成形した単相鉄心２を有し、単相鉄心２に形成される２本の磁脚部２ａおよび２ｂのうち、磁脚部２ａの周囲に一次巻線１１と二次巻線２１が上下方向に隙間（ギャップｄ）を有するように並べて巻回され、磁脚部２ｂの周囲に一次巻線１２と二次巻線２２が上下方向に隙間（ギャップｄ）を有するように並べて巻回される。このように一つの磁脚部に対して中心軸線方向に見て一方側（ここでは下側）と他方側（ここでは上側）に一次巻線と二次巻線を並べて巻くことによって、磁脚部の中心軸線方向に見て一次巻線と二次巻線が非接触状態で隣接するように巻線を形成する方法を本明細書では「並び巻」と称する。２本の磁脚部２ａ、２ｂに巻回された一次巻線１１、１２は接続手段１１ａにより直列に接続され、二次巻線２１、２２は接続手段２１ａにより直列に接続される。第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１は磁脚部２ａの中心軸線方向に一定のギャップ長ｄを有するように配置され、第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２は中心軸線Ｂ１方向に一定のギャップ長ｄを有するように配置される。ギャップ長さｄは、周方向のどの位置においても一定になるように設定される。一次巻線１１、１２の端部には電極１４ａ、１４ｂが備えられ、二次巻線２１、２２の端部には電極２４ａ、２４ｂが備えられる。

【0016】

次に、図１を用いて本実施例の静止電磁機器１を説明する。図１は第１の実施例に係る静止電磁機器１の鉛直面における縦断面図である。この断面（鉛直面）は第１の磁脚部２ａの中心軸線Ａ１と第２の磁脚部２ｂの中心軸線Ｂ１を通る面である。静止電磁機器１は、環状に成形した単相鉄心２を有する。単相鉄心２は、薄いアモルファス、ナノ結晶材料等の薄板状磁性材料を多数積層して製造される。積層鉄心を用いることで渦電流損を小さくできる。尚、図１では単相鉄心２の分割面の図示を省略しているが、図１のような環状の部分に分割面が存在しない一体式の鉄心として構成しても良いし、後述の図７、図８にて説明するように単相鉄心２を分割形式で構成しても良い。さらには、単相鉄心２としてフェライト等の絶縁性磁性材料を粉末原料として混合・焼結・成型して製造される焼結型（セラミックス）フェライトにて構成しても良い。

【0017】

単相鉄心２に形成される第１の磁脚部２ａの周囲には、第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１が重ねて巻回され（重ね巻）、第２の磁脚部２ｂの周囲には、第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２が中心軸線Ｂ１方向に隣接するように巻回される（並び巻）。２つの磁脚部２ａ、２ｂに渡って巻回された一次巻線１１、１２は接続手段１１ａにより直列に接続され、各巻線の他端には、電極１４ａ、１４ｂが設けられる。同様に、２つの磁脚部２ａ、２ｂに渡って巻回された二次巻線２１、２２は接続手段２１ａにより直列に接続され、二次巻線２１、２２のそれぞれの他端側（接続手段２１ａとは離れた側の端部）には、電極２４ａ、２４ｂが設けられる。図１の模式図では接続手段１１ａと接続手段２１ａが鉄心２の内部に配線されているかのように見えるが、実際には鉄心２の外側に配線される。本実施例では、第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２は同一の巻き数又は異なる巻き数とすることができる。また、第１の二次巻線２１と第２の二次巻線２２は、同一の巻き数又は異なる巻き数とすることができる。接続手段１１ａと接続手段２１ａは、一次巻線と二次巻線の端部を引き出して分断せずに接続する、もしくは、分断後に再接続するようにしても良いし、接続用の配線を準備しても良いし、その他の方法で電気的に接続するようにしても良い。

【0018】

第１の磁脚部２ａ側において、第１の一次巻線１１と第２の二次巻線２１は、中心軸線Ａ１に対して径方向に一定のギャップｄを有するように配置される。第１の二次巻線２１の内周面と磁脚部２ａの外周面の間にも一定のギャップが形成される。また、第１の二次巻線２１の内周面と第１の磁脚部２ａの外周面との間も所定のギャップを有するような位置関係とされる。第２の磁脚部２ｂ側においては、一次巻線１２と二次巻線２２は、中心軸線Ｂ１に対して軸方向に一定のギャップを有するように離れて配置される（重ね巻）。つまり、本実施例でいう「重ね巻」状態では、第２の磁脚部２ｂの中心軸Ｂ１方向において、一次巻線１２と二次巻線２２の位置する領域が重ならないような位置関係にある。第２の磁脚部２ｂ側において、第２の二次巻線２２と第２の一次巻線１２は、中心軸線Ｂ１方向に一定のギャップｄを有するように配置される。ギャップ長ｄは、一次巻線１２の上面と二次巻線２２の下面のいずれの位置においても一定になるように設定される。また、第２の二次巻線２２の内周面と磁脚部２ａの外周面の間、及び、第２の一次巻線１２の内周面と磁脚部２ａの外周面の間にも一定のギャップが形成される。

【0019】

通常、ＡＣ電源用の変圧器においては、漏れインダクタンスＬｓをできるだけ小さくするように構成されるので、一次巻線１１と二次巻線２１の間のギャップｄ、二次巻線２１と第１の磁脚部２ａの間のギャップｄはできるだけ小さい方が好ましかった。ＡＣ用の変圧器では、本実施例の静止電磁機器１では、一次側巻線から二次側巻線への電磁誘導作用により変換された電圧にて二次側巻線から交流電力が出力されるという、一方向の電圧変換が行われていたためである。一方、本実施例による静止電磁機器１は、一次巻線１１、１２から二次巻線２１、２２側への交流電圧変換に加えて、二次巻線２１、２２側から一次巻線１１、１２側への逆方向の交流電圧変換を行う必要がある。そのため、漏れインダクタンスＬｓをできるだけ小さくするというよりも、双方向の電圧変換効率がトータルで最良になるように、一次巻線１１、１２と二次巻線２１、２２の間のギャップｄを調整して、漏れインダクタンスＬｓが所望の大きさ（範囲内）に収まるように構成している。

【0020】

図１に示す実施例では、第１の磁脚部２ａ側の重ね巻によるギャップｄと、第２の磁脚部２ｂ側の並び巻によるギャップｄの長さを等しくなるように設定した。しかしながら、第１の磁脚部２ａ側のギャップ長をｄ_１とし、第２の磁脚部２ｂ側のギャップ長をｄ_２として、ｄ_１とｄ_２を異なる値に設定して、磁脚部２ａ、２ｂ毎に所望の漏れインダクタンスＬｓを巻線間に持たせるように設定しても良い。静止電磁機器１は、幅Ｗ、奥行Ｄ（符号は後述の図２参照）、高さＨとなるように構成される。Ｗ、Ｈ、Ｄの大きさは任意であるが、例えば６．６ＫＶの交流電圧を例えば７つの静止電磁機器１を用いて、静止電磁機器１あたり３８０Ｖの２次側直流電圧に変換するような場合は、静止電磁機器１の大きさ（Ｗ、Ｄ、Ｈ）は、２０～３０ｃｍ程度の大きさとなる。尚、本実施例の静止電磁機器１は、その大きさや重さには制限はなく、（Ｗ、Ｄ、Ｈ）がそれぞれ２０ｃｍ未満の小型のものであっても良いし、３０ｃｍ以上、例えば（Ｗ、Ｄ、Ｈ）がそれぞれ１ｍ程度の大型のものであっても良く、本発明は様々な大きさの担当鉄心２を有する静止電磁機器１に適用できる。

【0021】

図２は図１で示す静止電磁機器１の上面図である。第２の磁脚部２ｂ側の一次巻線１２と二次巻線２２は、それらの内形と外形が同一であるので、図２の例では上面視で二次巻線２２だけが見える状態にある。ここでは単相鉄心（コア）２の磁脚部２ａ、２ｂの周囲にコイルを巻く、いわゆる「外鉄形」の形状である。単相鉄心２は同一形式の薄板状磁性材料を多数積層して形成される。よって、第１の磁脚部２ａと、第２の磁脚部２ｂ部分の外形は上面視にて略長方形の断面形状とされる。第１の磁脚部２ａに対して同軸に巻かれる一次巻線１１、二次巻線２１は円筒状であるが、単相鉄心２の外形に沿って完全な円形断面でなく、一次巻線１１、二次巻線２１の外周面の断面形状、及び、内周面の断面形状は長方形に近い形（略長方形）になる。同様に、第２の磁脚部２ｂに同軸に巻かれる一次巻線１２と二次巻線２２も円筒状であり、それらの外周面及び内周面の断面形状は、それぞれ略長方形になる。

【0022】

図３は、本実施例における巻線部の構造の一例を示した縦断面図である。図３（Ａ）は、第１の磁脚部２ａに重ねて巻回された第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１の断面を示し、図３（Ｂ）は、第２の磁脚部２ｂに並べて巻回された第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２を示す。第１の一次巻線１１は細めの素線１５が中心軸線Ａ１（図１参照）と平行に整列するように巻かれ、第１の二次巻線２１は太めの素線２５が中心軸線Ａ１と平行に整列するように巻かれる。図３では、素線１５を２重巻きの状態、素線２５を１回巻いた状態を図示してるが、第１の磁脚部２ａに対して素線１５、２５を何重に巻くかは設計事項であって、適宜設定すれば良い。素線１５および２５は、表面に絶縁材を塗布した銅、アルミニウム等の複数の細線を撚って構成されるリッツ線、または銅、アルミニウム等の薄板材を鉄心に巻回するようにして形成され、巻回されたのちに樹脂等の絶縁材１６、２６にてそれぞれ封止される。

【0023】

静止電磁機器１の製造時には、封止された巻線１１、２１の間隙部にスペーサ７を介在させるようにして組み立てられる。同様にして、第２の磁脚部２ｂ側では、素線１５が巻回された第２の一次巻線１２と、素線２５が巻回された第２の二次巻線２２がスペーサ８を介在させるようにして組み立てられる。スペーサ７、８は、電気を通さない絶縁材料によって製造され、例えば合成樹脂をリング状に一体成型することで製造できる。このようにスペーサ７、８の間の寸法を精密に制御することにより、所望の漏れインダクタンスＬｓを巻線間に持たせることができる。本明細書では、ギャップｄとして第一の絶縁材１６と第二の絶縁材２６の間隔、及び、第一の絶縁材１７と第二の絶縁材２７の間隔として説明している。しかしながら電気的に見た場合は、ギャップｄは絶縁材部分でみるのではなく素線１５の端面と素線２５の端面との間隔であるので、素線の位置と絶縁材の外面位置を考慮の上で、ギャップｄの値を決定することになる。

【0024】

次に図４を用いて、本実施例の静止電磁機器の体積と漏れインダクタンスＬｓの相関を説明する。図４は、同一の仕様の静止電磁機器について、一次巻線と二次巻線間のギャップ長ｄを変化させた際の、体積と漏れインダクタンスＬｓの相対変化の状態を示したグラフである。破線４５は図１２に示した第１の従来例の静止電磁機器１０１Ａにおける漏れインダクタンスＬｓの変化状態を示す線であり、破線４６は図１３に示した第２の従来例の静止電磁機器１０１Ｂにおける漏れインダクタンスＬｓの変化状態を示す線である。実線４０が本実施例の静止電磁機器１の体積（＝Ｗ×Ｄ×Ｈ）と漏れインダクタンスＬｓの関係を示す直線である。

【0025】

各線４０、４５、４６上にｄと記した点は、一次巻線と二次巻線のギャップ長が、絶縁耐圧を保持するために必要な最小値における点であり、２ｄと記した点は、ギャップ長を最小値ｄの２倍とした際の点である。なお、静止電磁機器の体積は、図１および図２に示したように、静止電磁機器１の幅Ｗ、高さＨ、および奥行きＤの積により求めた値である。また、静止電磁機器１の漏れインダクタンスＬｓは、静止電磁機器１の二次巻線を短絡し、一次巻線に周波数ｆ、実効値Ｉの正弦波電流を流した際に、一次巻線の電極１４ａと１４ｂ間に発生する電圧の実効値Ｖを３次元電磁界解析により求め、
Ｌｓ＝Ｖ／（２πｆＩ） … （式１）
で求めた結果である。

【0026】

第１の従来例の静止電磁機器１０１Ａ（図１２参照）を構成する一次巻線と二次巻線は重ねて巻回されているので、磁気的な結合が密であり、漏れインダクタンスＬｓは、破線４５で示したように最も小さくなる。この巻線構造で、ギャップ長ｄを増やすことで磁気的な結合は減少するのでＬｓが増加するが、同時に静止電磁機器の幅Ｗを増加するので、その体積が増加する。これに対して、第２の従来例の静止電磁機器１０１Ｂ（図１３参照）を構成する一次巻線と二次巻線は並べて巻回されているので、磁気的な結合が疎であり、漏れインダクタンスＬｓは、破線４６で示したように最も大きくなる。この巻線構造で、ギャップ長ｄを増やすことで磁気的な結合はさらに減少するのでＬｓが増加する。一方、ギャップ長ｄは、一次巻線と二次巻線間の絶縁耐圧を保持するために、これ以上減らすことができず、Ｌｓをこれより減少させることができない。破線４５の特性を有する静止電磁機器１０１Ａと破線４６の特性を有する静止電磁機器１０１Ｂを見るとわかるように、静止電磁機器１０１Ａ又は１０１Ｂのいずれの構造を採用するかで漏れインダクタンスＬｓが大きく異なる上に、ギャップ長ｄの変更によるそれぞれの調整範囲は限定的である。

【0027】

本実施例では、静止電磁機器の第１の磁脚部２ａに、図１２で示した一次巻線１１と二次巻線２１を重ねて巻回する構造と、第２の磁脚部２ｂに、図１２に示した一次巻線１２と二次巻線２２を並べて巻回する構造を混在させるようにした。この構造における漏れインダクタンスＬｓの値は、実線４０で示したように２つの従来例の中間付近の特性を有するようになる。本実施例はさらに、２つの構造を持つ第１と第２の一次巻線１１、１２の巻き数の比率、第１と第２の二次巻線２１、２２の巻き数の比率をそれぞれ変えることにより、漏れインダクタンスＬｓの値を調整することができる。実線４０は両者の巻き数を同数とした場合であるが、図４中に示した実線４０ａは、一次巻線と二次巻線を重ねて巻回した磁脚部２ａと、並べて巻回した磁脚部２ｂの巻き数の比率を１：２とした場合の体積とＬｓの相関であり、実線４０ｂは、巻き数の比率を２：１とした場合の相関である。磁気的な結合の強さが異なる２つの巻線構造の巻き数比を変えることにより、漏れインダクタンスＬｓの調整可能範囲が広がり、図４中のハッチングにて示した領域４１内の任意の体積範囲と漏れインダクタンスＬｓを持つ静止電磁機器１を設計することができる。よって本実施例による静止電磁機器１は、２つの従来例の特性４５と４６では設計不可能な領域を含む、広い範囲の漏れインダクタンスＬｓを、静止電磁機器１の体積を必要以上に大きくすることなく実現できる。

【実施例0028】

次に本発明の第２の実施例について、図５および図６を用いて説明する。図５は本発明の第２の実施例に係る静止電磁機器１Ａの巻線内部の構造を示す縦断面図である。図５（Ａ）は、第１の磁脚部２ａに重ねて巻回された第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１を示す。第１の磁脚部２ａ側で重ねて巻回される第１の一次巻線１１と第１の二次巻線２１を構成する素線１５および２５は、第１の磁脚部２ａの軸方向に対して一定の角度θを持たせつつ整列させ、それらを樹脂等のスペーサ７ａにより封止した。角度θは、例えば０°～２０°程度である。この際、一次巻線１１のスペーサ７ａの内周面は、上側で内径が小さく、下側に行くにつれて内径が大きくなるようなテーパ状の構造とする。一方、第２の磁脚部２ｂ側では、重ねて巻回された第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２を構成する素線１５および２５は、第２の磁脚部２ｂの中心軸線Ｂ１方向と平行に整列され、一次巻線１２と第２の二次巻線２２が図３で示した実施例１と同様に磁脚部２ｂに並べて配置される。

【0029】

二次巻線２１の絶縁材２６ａの外周面は、上側で外径が小さく、下側に行くにつれて外径が大きくなるような円錐面状の外形とする。そして、一次巻線１１の絶縁材１６ａの内周面と、二次巻線２１の絶縁材２６ａの外周面の間の間隙部にスペーサ７ａを介在させた。ここでは３つのリング状のスペーサ７ａを用いており、一次巻線１１と二次巻線２１間のギャップ長が所定の値となるようにスペーサ７ａの寸法やギャップｄを調整することにより、所望の漏れインダクタンスＬｓを巻線間に持たせるようにした。

【0030】

図５（Ｂ）は、第２の磁脚部２ｂに並べて巻回された第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２を示す。並べ巻をする第２の磁脚部２ｂ部分の構造は、図３（Ｂ）で示した構造と同一であり、異なる径の２つのリング状のスペーサ８によって第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２が中心軸線Ｂ１方向に隙間を隔てて並ぶように配置される。

【0031】

図６は、図５の静止電磁機器１Ｂの巻線の構造を変更した変形例に係る静止電磁機器１Ｂを示す縦断面図である。図５の静止電磁機器１Ｂでは素線１５および２５がそれぞれ第１の磁脚部２ａの中心軸線Ａ１に対してわずかな角度θを隔てるように上下方向に整列させていた。これに対して、図６に示す静止電磁機器１Ｂでは、素線１５および２５はそれぞれ第１の磁脚部２ａの中心軸線Ａ１（図１参照）と平行方向に整列させた状態にある。一次巻線１１の絶縁材１６ｂの内周面の形状、及び、二次巻線２１の絶縁材２６ｂの外周面の形状は、部分的な径方向の厚みを変えることにより図５（ａ）と同様に円錐面状とされ、それらの間に径の異なる３つのスペーサ７ａを介在させることによって所定のギャップｄが形成される。一方、並べ巻される第２の磁脚部２ｂ部分の構造は、図３（Ｂ）及び図５（ｂ）で示した一次巻線１２及び二次巻線２２の構造と同一であり、異なる径の２つのリング状のスペーサ８によって第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２が中心軸線Ｂ１方向に隙間を隔てて並ぶように配置される。

【0032】

図７は第２の実施例における静止電磁機器１Ａの組み立て方法を示す模式図である。この例では、単相鉄心２が上下の中央位置にて分割されている。この形状は、単相鉄心２の上側部品と下側部品が対称形状であるため、同一部品を上側と下側に配置することで単相鉄心２を形成できるという利点がある。最初に、下側の単相鉄心２を作業台等に載置し、単相鉄心２の第１の磁脚部２ａに第１の二次巻線２１を挿入する。二次巻線２１はその下面の一部が、単相鉄心２の第１の磁脚部２ａの下端と第２の磁脚部２ｂの下端を接続する下側接続部２ｄの上面と所定の間隔を隔てるように図示していない治具等で保持される。次に、３つの大きさの異なるスぺーサ７を二次巻線２１の外側に載置する。スぺーサ７のうち大径のものは、下側付近の二次巻線２１に外周面にて保持され、中径のものは中央付近に、小径のものは上側端部の二次巻線２１に外周面にて保持される。このように３つのスペーサ７を位置決めした後に、第１の一次巻線１１を上から下方向に挿入する。この際、一次巻線１１の内側のテーパ形状により、３つのスペーサ７により下方向の移動が制限される状態となる。この状態が図６に示す、一次巻線１１、スペーサ７、二次巻線２１の位置関係になる。以上、第１の一次巻線１１及び第１の二次巻線２１側では、第１の一次巻線１１の内周面と第１の二次巻線２１の外交面による対向部に、一定の角度θが設けられるように構成することで、その仕上がり寸法にばらつきがあっても、第１の一次巻線１１を上部から挿入する際、その自重によって介在させる絶縁材７によりギャップ長ｄを一定に保持した状態にできる。よって静止電磁機器１Ａの漏れインダクタンスＬｓの調整に要する時間を縮減することができる。

【0033】

次に、単相鉄心２の第２の磁脚部２ｂに第２の一次巻線１２を挿入する。一次巻線１２はその下面の一部が、単相鉄心２の第１の磁脚部２ａの下端と第２の磁脚部２ｂの下端を接続する下側接続部２ｄの上面と所定の間隔を隔てるように治具等で保持される。次に、一次巻線１２の上に２つの径の異なるリング状のスペーサ８を載置する。次に、これらスペーサ８の上に第２の二次巻線２２を載置する。この後に、上側の単相鉄心２を上から下方向に図のように挿入させることによって、上側の単相鉄心２と下側の単相鉄心２の磁脚部２ａ、２ｂを接合させる。このようにして、第２の実施例における静止電動機器１Ａが組み立てられる。尚、図１に示した静止電磁機器１と図８に示した静止電磁機器１Ｂも同様の手順で組み立てることができる。

【0034】

図８は図７に示した組立方法の変形例である静止電磁機器１Ｃの組立方法を示す模式図である。図７の方法では、上側の単相鉄心２と下側の単相鉄心２の分割面は、並び巻される第２の一次巻線１２と第２の二次巻線２２の間に位置していた。上側の単相鉄心２を上から下方向に移動させて下側の単相鉄心２に接合させる際には、第２の一次巻線１２の上にスペーサ８を介して載置された第２の二次巻線２２の間を通すようにしなければならない。この際、何らかの手段（例えば、製造時に使用する治具）によって第２の二次巻線２２に対し横方向（中心軸線Ｂ１に垂直な水平方向）にずれないように保持しないと、第２の二次巻線２２が水平方向にずれてしまう虞があり、上側の単相鉄心２を第１の二次巻線２１と第２の二次巻線２２の間に挿入できないことが生じ、組み立て性を悪化させる要因になっていた。そこで、図８の静止電磁機器１Ｃでは上側の鉄心３と下側の鉄心４を非対称形状として、分割面を第２の二次巻線２２の上面よりも少なくとも上側に位置するようにした。

【0035】

図８の例では、分割面が組み立て後の第１の二次巻線２１と第２の二次巻線２２のいずれの上面よりも上側に位置するような位置に分割面を設定することで、一次巻線１１、１２と二次巻線２１、２２の組立性、特に二次巻線２１、２２側の組立性を向上させることができる。また、直列接続させる一次巻線（１１と１２）同士の配線の取り出し鉄心３、４の周囲での引き回しが容易になり、直列接続させる二次巻線（２１と２２）同士の配線の取り出し鉄心３、４の周囲での引き回しが容易になり、鉄心３、４への巻線１１、１２、２１、２２の装着作業を容易にできる。尚、単相鉄心２の分割の仕方は図７、図８の例だけに限られず、例えば図８の下側の鉄心４はＵ字状であるが、これをＪ字状して、上側の鉄心３を倒立したＪ字状に形成するようにしても良い。その場合、第１の磁脚部側の分割面を図６の第一の磁脚部側と同じとし、第２の磁脚部側の分割面を図８の第２の磁脚部側の分割面と同一とすれば、第２の磁脚部側の組み立て性を阻害しない。また、上側の鉄心３、４を共通部品とすることができる。