(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化の要求と、高い絶縁耐性とを両立することが可能なコアを提供する。【解決手段】トランス１においてコア１０は、軸部１１に巻き回される巻線に面する角部１２ｄを備える。角部１２ｄは、曲面状に面取りされる。また、コア１０と軸部１１の回りに巻き回される一次巻線が、樹脂封止されたボビンと、金属板が軸部１１の回りにエッジワイズ巻きにより巻き回される態様で構成される二次巻線３０と、を備える。ボビン及び二次巻線３０は、それぞれ、複数あり、軸部１１の軸方向にサンドイッチ構造により積層される。【選択図】図１
2019029454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランス用のコアであって、
軸部に巻き回される巻線に面する角部を備え、
前記角部は、曲面状に面取りされている、
コア。
【請求項２】
前記角部は、所定の試験モードにおいて、前記巻線のうちの相対的に電圧が高い一方と、当該コア及び前記巻線のうちの相対的に電圧が低い他方との間の部分放電が開始されるときの前記一方の電圧の許容値に基づき規定される、所定値以上の曲率半径で面取りされる、
請求項１に記載のコア。
【請求項３】
前記角部は、２ｍｍ以上の曲率半径で面取りされる、
請求項１又は２に記載のコア。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のコアと、
前記軸部の回りに巻き回される一次巻線が樹脂封止されたボビンと、
金属板が前記軸部の回りにエッジワイズ巻きにより巻き回される態様で構成される二次巻線と、を備え、
前記ボビン及び前記二次巻線は、それぞれ、複数あり、前記軸部の軸方向にサンドイッチ構造により積層される、
トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア等に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、データセンタ等の施設において、電気設備の簡素化のため、施設外の受電設備を省略し、直接、数ｋＶ以上の比較的高い系統交流電力を受電し、比較的低い所定電圧（例えば、１００Ｖ）の直流電力を出力する電源システムへのニーズがある。かかる電源システムでは、数ｋＶ以上の比較的高い電圧に対する高い絶縁耐圧を有するトランスが必要になる。
【０００３】
従来、このような高い絶縁耐圧に対する要求に対して、コア以外を合成樹脂のケースに収めた上で樹脂封止したり、一次巻線と二次巻線との間に隔離空間を設けたり等、巻線等の周囲の空間を利用した技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４０７２７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５８８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような施設内の電源システムは、比較的小型であることが要求されるため、プリント基板に実装可能なレベルの小型のトランスが必要になる。そのため、例えば、トランスの一次巻線と該一次巻線に面するコアの角部との間の距離を十分に確保することができず、コアの角部に発生し易い電界集中に起因する部分放電によって、要求される高い絶縁耐性を確保できない可能性がある。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑み、小型化の要求と、高い絶縁耐性とを両立することが可能なコア等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態では、
軸部に巻き回される巻線に面する角部を備え、
前記角部は、曲面状に面取りされる、
コアが提供される。
【０００８】
また、他の実施形態では、
前記コアと、
前記軸部の回りに巻き回される一次巻線が樹脂封止されたボビンと、
金属板が前記軸部の回りにエッジワイズ巻きにより巻き回される態様で構成される二次巻線と、を備え、
前記ボビン及び前記二次巻線は、それぞれ、複数あり、前記軸部の軸方向にサンドイッチ構造により積層される、
トランスが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本実施の形態によれば、小型化の要求と、高い絶縁耐性とを両立することが可能なコア等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係るトランスの構成の一例を示す上面図である。
【図２】本実施形態に係るトランスの構成の一例を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係るトランスの作用を説明する図である。
【図４】本実施形態に係るトランスを含む電力変換装置の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。
【００１２】
［トランスの構成］
まず、図１、図２を参照して、本実施形態に係るトランス１について説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係るトランス１の構成の一例を示す上面図である。図２は、本実施形態に係るトランス１の構成の一例を示す断面図である。具体的には、図２は、本実施形態に係るトランス１の図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１４】
本実施形態のトランス１は、例えば、数ｋＶ以上の比較的高い電圧を、例えば、１００Ｖの比較的低い出力電圧として出力する降圧用であり、例えば、データセンタ等の施設内で利用される、プリント基板に実装可能な比較的小さいサイズを有する。トランス１は、図１、図２に示すように、コア１０と、一次巻線２０と、二次巻線３０を含む。
【００１５】
コア１０は、比較的高い透磁率を有する材料、例えば、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで形成される。コア１０は、一次巻線２０及び二次巻線３０が巻き回される軸部１１と、軸部１１（具体的には、軸Ａｘ）を中心として略軸対称に設けられる、一次巻線２０及び二次巻線３０の外側に隣接する脚部１２と、軸部１１と脚部１２との間を連結する橋架部１３とを含む。
【００１６】
軸部１１は、軸Ａｘを中心とする略円筒形状を有する。
【００１７】
脚部１２は、一対の脚部１２の間で略平行な平面で構成される外側面１２ａと、一次巻線２０及び二次巻線３０の外縁に沿った曲面で構成される内側面１２ｂと、外側面１２ａに略直交し、外側面１２ａ及び内側面１２ｂを接続する平面で構成される接続側面１２ｃとにより平面視で見たときの断面形状が構成される。脚部１２は、平面視で、軸部１１及び一対の脚部１２の並び方向（以下、単に並び方向と称する）に直交する方向（以下、幅方向と称する）の寸法が、軸部１１の外径よりも大きくなっている。
【００１８】
また、内側面１２ｂと接続側面１２ｃとの連結部分である角部１２ｄは、一次巻線２０及び二次巻線３０に面しており、図２中の一点鎖線で示す略直角形状に対して、曲面状に面取りされている。当該面取りの作用については、後述する。
【００１９】
橋架部１３は、平面視で、軸部１１と、軸部１１の外径より幅方向の寸法が大きい脚部１２との間を接続する略扇形状を有する。
【００２０】
尚、コア１０は、軸部１１の軸方向の略中間付近で二つに分割可能な構成を有する。
【００２１】
一次巻線２０は、丸線が軸部１１の回りに巻き回される。一次巻線２０は、例えば、三層絶縁電線（強化絶縁電線）であってよい。これにより、トランス１に対して、数ｋＶ以上の比較的高い入力電圧が印加されうるところ、一次巻線２０とコア１０及び二次巻線３０との間の絶縁耐性を向上させることができる。
【００２２】
また、一次巻線２０は、樹脂封止され、略円筒形状の中心軸付近に軸部１１より若干大きい円筒状の貫通孔を有する略ドーナツ形状のボビン２５に内包（封止）される。ボビン２５は、高絶縁耐性、低誘電率、低吸湿性、高耐熱等の特性を有する樹脂材料、例えば、オレフィン系熱硬化性樹脂等により形成されてよい。これにより、トランス１には、数ｋＶ以上の比較的高い入力電圧が印加されうるところ、一次巻線２０の樹脂封止の作用により、絶縁耐性を更に向上させることができる。また、トランス１は、上述の如く、プリント基板に実装可能な程度の小型化が要求されるため、コア１０と一次巻線２０との間の空間距離が十分に確保されにくい。具体的には、数ｋＶ以上の入力電圧に対する絶縁耐性を空間距離で確保する場合、コア１０と一次巻線２０との間に４０ｍｍ程度が必要なところ、プリント基板に実装可能なサイズのトランス１では、一般に、コア１０と一次巻線２０との間の空間距離を数ｍｍ程度しか確保できない。これに対して、一次巻線２０の樹脂封止により、空間距離が不足する分の少なくとも一部を補うことができる。
【００２３】
二次巻線３０は、軸部１１の回りに金属板（平角線）がエッジワイズ巻により巻き回される態様で構成される。
【００２４】
また、一次巻線２０を内包するボビン２５及び二次巻線３０は、それぞれ、複数あり、ボビン２５及び二次巻線３０は、軸部１１の軸方向にサンドイッチ構造により交互に積層される。本実施形態では、一次巻線２０が３個、且つ、二次巻線３０が４個あり、二次巻線３０が軸部１１の軸方向の端部に配置される態様で、軸方向に交互に積層される。
【００２５】
［トランスの特徴的な作用］
次に、図３を参照して、本実施形態に係るトランス１の特徴的な作用について説明する。
【００２６】
図３は、本実施形態に係るトランス１の作用を説明する図である。具体的には、図３は、コア１０の角部１２ｄに施される面取りの曲率半径をパラメータとする、コア１０及び二次巻線３０と、一次巻線２０との間の部分放電試験の結果を示すグラフである。
【００２７】
図３の部分放電試験は、所定の試験モードの一例である、電気学会の電機規格調査会標準規格であるＪＥＣ−０４０１（部分放電測定）に基づき実施され、印加電圧の交流周波数を５０Ｈｚ、コア１０及び二次巻線３０を同電位としたときの一次巻線２０とコア１０及び二次巻線３０との間で部分放電が開始される電圧（部分放電開始電圧）が測定されている。また、図３の部分放電試験に供されたトランス１は、コア１０がフェライトで構成されると共に、絶縁耐性に関連する仕様として、一次巻線２０が三層絶縁電線で構成され、ボビン２５がオレフィン系橋架タイプ熱硬化性樹脂で構成されている。
【００２８】
尚、部分放電試験の結果は、コア１０、一次巻線２０、及びボビン２５の各種特性だけでなく、トランス１のサイズに起因する各部の寸法、例えば、コア１０（角部１２ｄ）と一次巻線２０との空間距離の大小等によって変動する。また、図３のプロットＰ１〜Ｐ４は、それぞれ、コア１０の角部１２ｄの曲率半径が０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍの場合に対応する。
【００２９】
図３に示すように、プロットＰ１〜Ｐ３について、コア１０の角部１２ｄの曲率半径の増加に応じて、略線形的に部分放電開始電圧が上昇している。具体的には、曲率半径が０．８ｍｍ、１．０ｍｍ（プロットＰ１，Ｐ２）の場合、それぞれ、部分放電開始電圧が約３．８ｋＶ、約４．１ｋＶであるのに対して、曲率半径が２．０ｍｍ（プロットＰ３）の場合、約５．０ｋＶに上昇している。つまり、コア１０の角部１２ｄの曲率半径を０．８ｍｍから２．０ｍｍに増加させることにより、入力電圧に対する絶縁耐性が約２０％向上している。角部１２ｄは、通常、先鋭化するほど、電界集中が生じ易く、コア１０の角部１２ｄと一次巻線２０との間での部分放電開始電圧が相対的に低くなり易いところ、角部１２ｄに曲面状の面取りが施され、曲率半径が相対的に大きくなることにより、電界集中が抑制されるからである。
【００３０】
一方、プロットＰ３，Ｐ４について、コア１０の角部１２ｄの曲率半径の増加に応じて、部分放電開始電圧が上昇している。具体的には、曲率半径３．０ｍｍ（プロットＰ４）の場合、約５．２ｋＶまで上昇しているが、プロットＰ３，Ｐ４に対応する曲率半径の範囲における放電開始電圧の上昇率は、プロットＰ１〜Ｐ３に対応する曲率半径の範囲より大きく鈍化している。つまり、図３の部分放電試験に供されたトランス１は、角部１２ｄの曲率半径が２．０ｍｍ以上の範囲で、部分放電特性開始電圧が飽和している。角部１２ｄの曲率半径がある程度大きくなると、電界集中が略解消され、それ以上大きくしても電界集中に起因する部分放電の抑制効果の余地がほどんどないと考えられるからである。
【００３１】
よって、例えば、コア１０の角部１２ｄの曲率半径は、部分放電開始電圧が飽和する範囲の値に設定されてよく、本例の場合、２ｍｍ以上に設定されてよい。部分放電開始電圧が飽和する範囲で設定されるコア１０の角部１２ｄの曲率半径は、コア１０の角部１２ｄの曲面状の面取りにより得られる絶縁特性に関する効果の上限レベルだからである。
【００３２】
また、コア１０の角部１２ｄの曲率半径は、トランス１に要求される絶縁耐性の限界値（耐電圧）から適宜設定されうる、部分放電開始電圧の許容値を満足するように、設定されてもよい。例えば、部分放電開始電圧の許容値が５ｋＶ以上である場合、コア１０の角部１２ｄは、２ｍｍ以上の曲率半径で面取りされるとよい。
【００３３】
部分放電開始電圧の許容値は、通常、耐電圧よりある程度低い値に設定される。例えば、部分放電開始電圧が５ｋＶ以上である場合のトランス１の耐電圧は、５ｋＶを超える値であり、通常、一桁のｋＶオーダーの略全域の入力電圧に対する絶縁耐性を十分に確保可能な値である。つまり、トランス１は、コア１０の角部１２ｄが２ｍｍ以上の曲率半径で面取りされることにより、数ｋＶ以上の入力電圧に対する絶縁耐性を確保することができる。
【００３４】
このように、本実施形態に係るトランス１のコア１０は、軸部１１に巻き回される、数ｋＶ以上の比較的高い電圧が印加される巻線（一次巻線２０）に面する角部１２ｄを備え、角部１２ｄは、曲面状に面取りされている。
【００３５】
これにより、コア１０の角部１２ｄにおける電界集中を抑制し、コア１０の角部１２ｄと一次巻線２０との間の部分放電を抑制することができる。そのため、プリント基板に実装可能なサイズのトランス１について、コア１０の角部１２ｄが曲面状に面取りされることにより、絶縁耐性を確保する上でのコア１０と一次巻線２０との間の空間距離が不足する分を補うことができる。つまり、小型化の要求と、高い絶縁耐性との両立を図ることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、コア１０の角部１２ｄは、所定の試験モード（例えば、ＪＥＣ−０４０１等）において、巻線のうちの相対的に電圧が高い一方（一次巻線２０）と、当該コア１０及び巻線のうちの相対的に電圧が低い他方（二次巻線３０）との間の部分放電開始電圧の許容値に基づき規定される、所定値以上の曲率半径で面取りされる。
【００３７】
これにより、トランス１の絶縁耐性を、具体的に、部分開始電圧の許容値に適合させることができる。
【００３８】
また、本実施形態に係るトランス１のコア１０は、２ｍｍ以上の曲率半径で面取りされる。
【００３９】
これにより、上述の如く、具体的に、数ｋＶ以上の比較的高い入力電圧に対する絶縁耐性を確保することができる。
【００４０】
また、本実施形態に係るトランス１は、コア１０と、コア１０の軸部１１の回りに巻き回される一次巻線２０が樹脂封止されたボビン２５と、金属板がコア１０の軸部１１の回りにエッジワイズ巻きにより巻き回される態様で構成される二次巻線３０と、を備える。そして、ボビン２５及び二次巻線３０は、それぞれ、複数あり、コア１０の軸部１１の軸方向にサンドイッチ構造により積層される。
【００４１】
これにより、具体的に、数ｋＶ以上の比較的高い入力電圧に対する絶縁耐性を確保可能な小型のトランス１を構成することができる。
【００４２】
［トランスを含む電力変換装置の構成］
次に、本実施形態に係るトランス１を含む電力変換装置１００について説明する。
【００４３】
図４は、本実施形態に係るトランス１を含む電力変換装置１００の一例を示す回路図である。
【００４４】
尚、図４の回路図中におけるトランス１は、簡略表記されており、ボビン２５（一次巻線２０）及び二次巻線３０が軸方向に積層されるサンドイッチ構造等の詳細は反映されていない。
【００４５】
電力変換装置１００は、所謂スイッチング電源であり、系統交流電源１３０から入力される、数ｋＶ以上の比較的高い電圧の交流電力を、比較的低い所定電圧（例えば、１００Ｖ）の直流電力として出力し、負荷１４０（例えば、データセンタ等のサーバコンピュータ等）に供給する。電力変換装置１００は、系統交流電源１３０の交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１１０と、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１０から出力される直流電力を、比較的低い所定電圧の直流電力に変換し、負荷１４０に供給する降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ１２０を含む。
【００４６】
ＡＣ−ＤＣコンバータ１１０は、コンバータ回路ＣＮ１と、平滑コンデンサＣ１を含む。
【００４７】
コンバータ回路ＣＮ１は、４つのダイオードを含むＨブリッジ回路で構成される単相全波整流器であり、系統交流電源１３０の交流電力を直流電力に変換する。
【００４８】
平滑コンデンサＣ１は、コンバータ回路ＣＮ１から出力される直流電力を平滑化する。
【００４９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０は、インバータ回路ＩＮ１と、トランス１と、コンバータ回路ＣＮ２と、リアクトルＬ１及びコンデンサＣ２により構成される平滑回路を含む。
【００５０】
インバータ回路ＩＮ１は、４組のスイッチング素子及び還流ダイオードの並列接続体を含むフルブリッジ回路で構成され、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１０から出力される直流電力を高周波の交流電力に変換する。
【００５１】
トランス１は、インバータ回路ＩＮ１から出力される高周波の交流電力を所定の交流電圧に降圧する。電力変換装置１００におけるトランス１の前段において、降圧動作はなされないため、トランス１、具体的には、一次巻線２０には、数ｋＶ以上の比較的高い電圧が印加される。
【００５２】
コンバータ回路ＣＮ２は、４組のスイッチング素子及び還流ダイオードの並列接続体を含むフルブリッジ回路で構成され、トランス１から出力される交流電力を所定電圧の直流電力に変換する。
【００５３】
インダクタＬ２及びコンデンサＣ２を含む平滑回路は、コンバータ回路ＣＮ２の出力電圧を平滑化し、負荷１４０に出力する。
【００５４】
このように、数ｋＶ以上の比較的高い絶縁耐性を有する小型のトランス１を利用することにより、データセンタ等の施設内において、直接、数ｋＶ以上の比較的高い電圧を受電し、比較的低い所定電圧の直流電力をサーバコンピュータ等の負荷に出力する電源システム（電力変換装置１００）を実現することができる。
【００５５】
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５６】
［変形例］
例えば、上述した実施形態では、ＰＱコア（図１、図２参照）を例示するが、他の形状のコア（例えば、ＥＩコア、ＥＥコア、ＥＰコア、ＲＭコア等）の一次巻線及び二次巻線に面する角部に同様の面取りを施してもよい。かかる場合も、同様の作用・効果を奏する。
【００５７】
また、例えば、上述した実施形態では、コア１０の角部１２ｄにおける曲面状の面取りの曲率半径は全域で一定であるが、段階的に、或いは、連続的に変化する態様であってもよい。
【００５８】
また、例えば、上述した実施形態では、数ｋＶ以上の比較的高い入力電圧を降圧する降圧トランスを例示したが、逆に、数ｋＶ以上の比較的高い出力電圧を出力する昇圧トランスであってもよい。かかる場合も、巻線（具体的には、相対的に電圧が高い二次巻線）に面するコアの角部に同様の面取りを施すことにより、比較的高い出力電圧に対して、巻線に面するコアの角部の電界集中、即ち、角部と二次巻線との間での部分放電を抑制し、高い絶縁耐性を確保することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  トランス
１０  コア
１１  軸部
１２  脚部
１２ａ  外側面
１２ｂ  内側面
１２ｃ  接続側面
１２ｄ  角部
１３  橋架部
２０  一次巻線
２５  ボビン
３０  二次巻線
１００  電力変換装置
１１０  ＡＣ−ＤＣコンバータ
１２０  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３０  系統交流電源
１４０  負荷
【図１】
2019029454.tif 000003
【図２】
2019029454.tif 000004
【図３】
2019029454.tif 000005
【図４】
2019029454.tif 000006