(57)【要約】      （修正有）【課題】インバーターに使用されるトランスの構成方法として、該トランスの磁気コアを複数に分割分離し、それぞれの磁気コアの機能を独立させ、有効に配置することによってインバーターの効率を従来よりも上昇させたトランス構成の提供する。【解決手段】分割されたトランスＴＲ５の磁気コアＭ５０の一部は、入出力用のコイルＰＲ５、ＳＣ５を有する。また、他の一部の磁気コアＭ５１〜Ｍ５４は、コイルＲＣ５１〜ＲＣ５４とコンデンサーＣ５１〜Ｃ５４による共振回路を構成している。駆動回路からのパルス電流によって、入出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用コイルとコンデンサーを有する磁気コア内に、電磁誘導により振動電磁場を誘導する。この時、入出力用コイル内の電磁場と、共振コイルの電磁場の間に、振幅の差のある干渉電磁場が発生して、ある期間内持続する。この干渉電磁場から、出力を取りだす。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束が外部に出る構造である、一個以上の入力用一次コイル及び出力用二次コイルが巻かれた入出力磁気コアと、前記磁気コアの周囲に、磁束が外部に出る構造である共振用のコイルが巻かれた共振磁気コアを、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】
前記入出力磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、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記載のトランス効率アップ方法。
【請求項３】
前記共振磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、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２記載のトランス効率アップ方法。
【請求項４】
前記共振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であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトランス効率アップ方法。
【請求項５】
前記入出力磁気コアと前記共振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調整することを特徴とする請求項１から請求項４記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。
【請求項６】
入出力磁気コアが一個と、共振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５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】
入出力磁気コアが二個と、共振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５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８】
出力磁気コアが一個と、共振磁気コアが四個によって構成された、請求項１から請求項５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９】
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８記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９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１１】
請求項１から請求項９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１２】
請求項１から請求項９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１３】
請求項１から請求項９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、効率の良い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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願２００６−２７７５１１
【非特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】  閉じ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】
【０００９】トランスの構成において、磁束が外部に出る構造である、入力用一次コイル及び出力用二次コイルが巻かれた、一個以上の入出力磁気コアと、前記磁気コアの周囲に、磁束が外部に出る構造である共振用のコイルが巻かれた共振磁気コアを、一個以上配設する。
【００１０】前記入出力磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、コの字型、半円型及び半楕円型構造とする。
前記共振磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、コの字型、半円型及び半楕円型構造とする。
【００１１】前記共振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。
【００１２】前記入出力磁気コアと前記共振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調整する。
【００１３】前記トランスを、一個の入出力磁気コアと一個の共振磁気コアによって構成する。
【００１４】前記トランスを、二個の入出力磁気コア、一個の共振磁気コアによって構成する。
【００１５】前記トランスを、一個の入出力磁気コアと、四個の共振磁気コアによって構成する。
【００１６】前記トランスを、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。
【００１７】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。
【００１８】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し、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。
【００１９】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。
【００２０】複数個の磁気コアのうち、例えばその中の最低１個の磁気コアには、１次コイルと２次コイルを巻き、入出力用の磁気コアとする。入出力用のコイルが巻かれた磁気コアの使用個数に制限はない。
【００２１】また出力用コイルには、共振用のコンデンサーを並列に接続して用いてもよい。
【００２２】上記入出力磁気コア以外の複数個の磁気コアのうち、最低１個は、コイル巻線にコンデンサーを接続して、外部からの電流の入出力がない状態で独立した共振回路を構成する。同様に、このような共振回路を構成した磁気コアの使用個数に制限はない。
【００２３】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。
【００２４】これらの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。
【００２５】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１次コイルに、駆動回路によるオンオフを伴う駆動パルスを入力させれば、入出力用の磁気コア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用の磁気コア内に、振動電磁場が誘導される。
【００２６】この時、入出力磁気コア内の振動電磁場と、周辺の共振磁気コアに生じた振動電磁場との間に、干渉が生じ、時間によっては大きな振幅を伴った出力電圧波形が、入出力コイルと共振コイルに発生する。
【００２７】このような干渉波は、駆動回路からトランスに入力される電流がオフになった後に発生する過渡現象による残留振動が継続する期間中、持続する。
【００２８】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干渉させることにより、増幅された電磁場を、出力側から取り出すことが出来る。
【発明の効果】
【００２９】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】
【００３０】
【図１】直流電源からの電流を、駆動回路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】本発明による方式の、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、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を利用したインバーターの他の実施例を示す。
【図５】本発明の方式による、５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、もう一つの実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】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、高周波スイッチング電源に使用されるフェライト等である。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。
入出力磁気コアは、上記磁気コアに入力用一次コイルと、出力用二次コイルが巻かれている。
共振磁気コアは、共振コイルが巻かれた上記磁気コアであり、該共振コイルには、コンデンサーが並列に接続されて共振回路を形成する。該共振回路は、外部から電源が接続されていない独立した回路である。
【００３２】図３は、本発明の基本原理を示す、２個の独立した円筒状の磁気コアＭ３１，Ｍ３２によって構成されたトランスＴＲ３を利用した、最も簡単なインバーターの実施形態である。
直流電源ＰＳ３からの電流は、駆動回路Ｄ３によって、ある周波数でオンオフされて方形波となり、トランスＴＲ３の入出力磁気コアＭ３１の１次コイルＰＲ３の端子に入力される。入出力磁気コアＭ３１の近傍に設置された共振磁気コアＭ３２の共振コイルＲＣ３には、コンデンサーＣ３が並列に接続されている。
【００３３】結果、入出力磁気コアＭ３１に入力される振動電流による電磁場により、共振磁気コアＭ３２の共振コイルＲＣ３には電磁誘導により振動電圧が発生し、共振コイルＲＣ３とコンデンサーＣ３によって、振動電流ａが発生する。
【００３４】この時、入出力コイルＰＲ３に入力される電流が、オフになった直後から発生する過渡現象による振動電磁場が継続する期間内において、入出力磁気コアＭ３１内の振動電磁場と、共振コアＭ３２内の振動電磁場との間に、両電磁場が有効に作用するまで接近することにより、干渉が生じる。結果、この干渉によって双方の磁気コア内には、大きな振幅と小さな振幅を伴う電磁場が発生する。
【００３５】繰り返された実験により、この時にトランスＴＲ３内に発生する共振電磁場により、入出力磁気コアＭ３１の出力コイルＳＣ３から得られる出力は、共振磁気コアＭ３２が存在しない場合、即ち入出力磁気コア単独のトランス構成の場合よりも、遥かに大きくなることが判明した。例えば、単独磁気コアの場合は、７５〜８０％の効率であるのに対し、本方式によるトランスの構成においては、その効率は殆ど１００％に近い数値であった。
【００３６】図４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。
【００３７】図４のトランスＴＲ４は、コイルが巻かれ独立して配置された３個の円筒状の磁気コアＭ４１、Ｍ４２、Ｍ４３が一体化して構成される。これらの磁気コアのうち、２個の入出力磁気コアＭ４１、Ｍ４２は、それぞれ入力用の一次コイルＰＲ４１及びＰＲ４２、また出力用の二次コイルＳＣ４１及びＳＣ４２が巻かれている。それぞれの磁気コアの一次コイルＰＲ４１、ＰＲ４２は、それぞれ独立した駆動回路Ｄ４１及びＤ４２によって駆動される。駆動回路Ｄ４１，Ｄ４２は、それぞれ別の直流電源ＰＳ４１、ＰＳ４２によって駆動される。
【００３８】これらの直流電源ＰＳ４１、ＰＳ４２は、両方共通の１個の電源を使用しても問題はない。
【００３９】３個の磁気コアの中間には、共振コイルＲＣ４と共振コンデンサーＣ４が接続された共振磁気コアＭ４３が配置される。
【００４０】これらの３個のコイルが巻かれた磁気コアＭ４１，Ｍ４２，Ｍ４３によって構成されたトランスＴＲ４の出力は、入出力磁気コアＭ４１の二次コイルＳＣ４１及び磁気コアＭ４２の二次コイルＳＣ４２から出力され、それぞれ負荷Ｒ４１、及びＲ４２によって消費される。
【００４１】これらの出力は、整流して直流化して利用することも可能である。
【００４２】図５は、分離独立した５本の円筒状磁気コアＭ５０，Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ５３，Ｍ５４によって構成された、本方式によるトランスＴＲ５の別の実施例である。図５（ａ）は、本トランスを、中心の入出力磁気コアＭ５０が発生する磁場方向（上方）から見た図である。図５（ｂ）は、図４（ａ）の本トランスを斜め上より見た斜視図である。
【００４３】図５（ａ）は、中心に入出力コイルＰＲ５及びＳＣ５を有する入出力磁気コアＭ５０があり、その周辺に共振コイルＲＣ５１，ＲＣ５２，ＲＣ５３，ＲＣ５４を有する４本の共振磁気コアＭ５１，Ｍ５２，Ｍ５３，Ｍ５４が配置された構造である。これらの配置方法は、用途及び駆動条件によって異なる。
【００４４】中心にある入出力磁気コアＭ５０の１次コイルＰＲ５には、駆動回路からの入力電流が入力され、２次コイルＳＣ５から出力される。トランスＴＲ５の駆動方法については、図３に示された実施例による方法と同一である。
【００４５】駆動条件にもよるが、２次コイルＳＣ５には、適時並列に共振用コンデンサーが接続される場合もある。
【００４６】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。
【実施例】
【００４７】以下、図３による本発明の実施例について解説する。
直流電源ＰＳ３の電圧は、２４．５Ｖ。駆動回路Ｄ３の出力パルス幅は１００μｓ、繰り返し周波数を１ＫＨｚとする。
入力コイルＰＲ３のインダクタンスは、２．６７ｍＨ、出力コイルＳＣ３のインダクタンスは、５．３２ｍＨ、共振コイルＲＣ３のインダクタンスは、０．７２ｍＨ、共振コンデンサーＣ３の容量は、４．７７μＦ、負荷抵抗Ｒ３の抵抗値は、１００．２Ωである。【００４８】表１は、比較用のため、共振磁気コアＭ３２を取り除いた状態の入出力磁気コアＭ３１の単独の実測データ（Ｎｏ．２）と、本発明の方式による実施例である、共振磁気コア３２を付加した場合（Ｎｏ．１）の入出力磁気コアＭ３１の実測データである。
【表１】
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【００４９】表１は、トランスＴＲ３の実施例において、共振磁気コアＭ３２を付加した場合（Ｎｏ．１）、入出力磁気コアの効率は、共振コアＭ３２を取り除いた場合（Ｎｏ．２）と比較して、７５．５％から９８．９％迄上昇することを示す。【００５０】本実施例の場合は、入出力磁気コアの出力コイルＳＣ３に共振用コンデンサー１．０２μＦを並列接続した。また本測定には、ＹＯＫＯＧＡＷＡのパワーアナライザーＰＺ４０００を使用した。
【産業上の利用可能性】
【００５１】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。【００５２】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、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】
【００５３】ＰＳ１、ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４１，ＰＳ４２……直流電源
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４１，Ｄ４２……駆動回路
ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５……トランス
ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３，ＰＲ４１，ＰＲ４２，ＰＲ５……１次コイル
ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４１，ＳＣ４２，ＳＣ５……２次コイル
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３１，Ｍ４１，Ｍ４２，Ｍ５０……入出力磁気コア
Ｍ３２，Ｍ４３，Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ５３，Ｍ５４………共振磁気コア
ＲＣ３，ＲＣ４，ＲＣ５１，ＲＣ５２，ＲＣ５３，ＲＣ５４…………共振コイル
Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４……共振コンデンサー
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４１，Ｒ４２………抵抗負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束が外部に出る構造である、一個以上の入力用一次コイル及び出力用二次コイルが巻かれた入出力磁気コアと、前記磁気コアの周囲に、磁束が外部に出る構造である共振用のコイルが巻かれた共振磁気コアを、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】
前記入出力磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、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記載のトランス効率アップ方法。
【請求項３】
前記共振磁気コアの一部又は全部が、Ｉ型、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２記載のトランス効率アップ方法。
【請求項４】
前記共振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であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトランス効率アップ方法。
【請求項５】
前記入出力磁気コアと前記共振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調整することを特徴とする請求項１から請求項４記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。
【請求項６】
入出力磁気コアが一個と、共振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５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】
入出力磁気コアが二個と、共振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５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８】
出力磁気コアが一個と、共振磁気コアが四個によって構成された、請求項１から請求項５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９】
前記、入出力用磁気コアの二次コイルに、並列にコンデンサーを接続したことを特徴とする、請求項１から請求項８記載の、いずれか一項のトランス効率アップ方法。
【請求項１０】
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９記載のいずれか一項のトランス効率アップ方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０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１２】
請求項１から請求項１０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１３】
請求項１から請求項１０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１４】
請求項１から請求項１０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。