JP2003309033A

JP2003309033A - コイルの巻回方法とそのトランス類

Info

Publication number: JP2003309033A
Application number: JP2002111483A
Authority: JP
Inventors: Kunio Shimazu; 邦男島津
Original assignee: AIKO DENKI KK
Current assignee: AIKO DENKI KK
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】コイルからの漏洩磁束を減少させ、コアを介
した磁束結合を向上させることで、小型軽量でありなが
ら省エネ性と安定性に優れたコイルの巻回方法、並び
に、そのコイルを用いたトランスやバランサーを提供す
ること。【解決手段】電源に接続される１次巻線を形成する線
路１または数本と、負荷に接続される２次巻線を形成す
る線路１または数本とをペアにして、１体のペア線路を
形成し、そのペア線路を巻回することでコイルを形成
し、かつ、ペア線路を構成する各１次巻線線路及び２次
巻線線路における電流の向きを逆向きに設定する。コア
に対するペア線路の配置を、１次巻線を形成する線路の
層と、２次巻線を形成する線路の層とによって層状にし
てもよい。１次巻線と２次巻線との巻線比を１：１にし
て、バランサーとして機能させ、コアに対するペア線路
の配置を、１次巻線を形成する線路と２次巻線を形成す
る線路とを交互に並べてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コイルからの漏洩
磁束を減少させ、コアを介した磁束結合を向上させられ
るコイルの巻回方法、並びに、そのコイルを用いたトラ
ンスやバランサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトランスやバランサー（巻線比が
１：１の特殊トランスと見なせられる）は、コアの脚部
（磁性体）にそれぞれ、１次側コイル組立及び２次側コ
イル組立を個別に設ける形態が一般的である。１次側コ
イル組立と２次側コイル組立との配置関係において、１
次側コイル組立の外側に２次コイル組立をかぶせる形態
のものもある。しかし、それは単に配置上の便宜であ
り、１次巻線と２次巻線との電磁気的な関係を考慮した
ものではなかった。単巻コイルにおける磁束洩れは、そ
の配置や電流値により変化する特徴が強い。従来のコイ
ル組立では、巻上げ数（例えば、コイル組立における１
次巻線の積み重ね数や段数）が多ければ多いほど、磁束
結合の低下、漏洩磁束の増加が生じる。これは、従来の
トランス用コイルにとって避けられない本質的な問題で
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、コ
イルからの漏洩磁束を減少させ、コアを介した磁束結合
を向上させることで、小型軽量でありながら省エネ性と
安定性に優れたコイルの巻回方法、並びに、そのコイル
を用いたトランスやバランサーを提供することを課題と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明のコイルの巻回方法は、電源に接続される１
次巻線を形成する線路１または数本と、負荷に接続され
る２次巻線を形成する線路１または数本とをペアにし
て、１体のペア線路を形成し、そのペア線路を巻回する
ことでコイルを形成し、かつ、ペア線路を構成する各１
次巻線線路及び２次巻線線路における電流の向きを逆向
きに設定することを特徴とする。

【０００５】また、本発明のトランス類は、トランス類
のコアに巻回されるコイルにおいて、電源に接続される
１次巻線を形成する線路１または数本と、負荷に接続さ
れる２次巻線を形成する線路１または数本とをペアにし
て、１体のペア線路を形成し、そのペア線路をコアに単
層または複層巻回することでコイルを形成し、かつ、ペ
ア線路を構成する各１次巻線線路及び２次巻線線路にお
ける電流の向きを逆向きに配線することを特徴とする。

【０００６】ここで、コアに対するペア線路の配置を、
１次巻線を形成する線路の層と、２次巻線を形成する線
路の層とによって層状にして、構成の簡素さに寄与させ
てもよい。

【０００７】１次巻線と２次巻線との巻線比を１：１に
して、バランサーとして機能させ、コアに対するペア線
路の配置を、１次巻線を形成する線路と２次巻線を形成
する線路とを交互に並べて、構成の簡素さに寄与させて
もよい。

【０００８】コアの端部とコイルとの間の空隙に、洩れ
磁束吸収用のペースト状磁性体を設けて、外部領域に対
する影響の抑止にも寄与させてもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面の例に基
づいて説明する。ここでは、本発明の基本原理を詳しく
説明するために、その使用例として単相トランスを用い
る。しかし、本発明は、バランサーを含め、従来の各種
トランス類のコイル組立に適宜用いることができる。

【００１０】本発明者は、従来のトランスに用いるコイ
ル組立の構想を基本から再検討することで、漏洩磁束が
少なく、磁路中の磁束とコイルの相互作用においてその
結合率を向上させる構成を得た。その基本構成は、電源
に接続される１次巻線を形成する線路１または数本と、
負荷に接続される２次巻線を形成する線路１または数本
とをペアにして、１体のペア線路を形成し、そのペア線
路を巻回することでコイルを形成することである。この
コイルに対して、ペア線路を構成する各１次巻線線路及
び２次巻線線路における電流の向きが逆向きになるよう
に電流を流すと、コイルからの漏洩磁束が減少し、コア
を介した磁束結合が向上して、後述のように、従来のト
ランス類に比べて、極めて漏洩磁束の少なく、磁路中の
磁束変化に対して応答性、即ち結合性の良いトランス類
を製造することができた。これに伴い、電波ノイズの大
幅な減少、並びに、トランス用磁路の小型軽量化も達成
された。

【００１１】図１は、本発明の実施例を示す平面説明図
である。電源に接続された１次巻線で構成された電源側
ループ導体の内側に、負荷に接続された２次巻線で構成
された負荷側ループ導体を配して、ペア線路を形成して
いる。このペア線路において、電流の流れる向きは、図
示のように、１次巻線線路での向き（ＩＳ）と２次巻線
線路での向き（ＩＬ）は逆向きである。そのため、電源
側ループ導体に電流が流れると、これによる磁場を打ち
消すために負荷側ループ導体に起電力が発生し、負荷側
ループ導体に逆向きの電流が流れる。この１次巻線線路
と２次巻線線路との間の直接的な誘導作用は、広義のト
ランス作用と見なせる。これによって、電源側ループ導
体より発生する電波ノイズが打ち消される。

【００１２】図２及び３は、別実施例を示す正面説明図
及び平面断面説明図である。コアの脚部に、１次巻線を
形成する線路の層と、２次巻線を形成する線路の層とを
２層積層して、トランス作用に磁路（コア）中の磁束を
用いている。これによると、図１の実施例で説明した１
次巻線線路と２次巻線線路との間の直接的な誘導作用の
他に、１次巻線により生じたコア中の磁束による間接的
な誘導作用によっても、２次巻線に起電力が発生する。
そのため、漏洩磁束やノイズ発生が極めて少なくなり、
従来の単相トランスに比べて、高効率となり、コア中の
磁束値も小さくなる。これに伴い、より小さな断面積の
コアを用いることが可能となり、低コスト軽量化が図れ
る。なお、図２に示したように、ペア線路の組成を、１
次巻線と２次巻線との巻線比を１：２など適宜調節する
ことで変圧率を調整でき、また、そのペア線路を２層な
ど適宜積層してもよい。

【００１３】以下に、単相３線式配電線路の問題点を解
消するバランサーの働きについて説明する。配電線路と
して、単相３線式は、電線量（銅量経済）の点で、他の
方式よりも優れたものである。更に、単相２線式に比べ
て、平衡負荷の場合、電圧降下及び電力損失とも１／４
となる。また、外線間は２００Ｖとなり、配電電圧の上
昇にもなり、電力需要の増加に対処することもできる。
そのため、単相３線式用変圧器の使用により、単相３線
式は、低圧電灯負荷に対する標準的な配電方式となって
いる。しかし、次のような問題点もある。

【００１４】第１の問題点は、両側の負荷の端子電圧
が、非常な不均衡を生じ、時には致命的な損害を与える
場合が挙げられる。例えば、負荷の電灯や電気機器が全
て切れたり、故障してしまったのでは、大変な損失とな
る。図４において、ＡＮ間に１００Ｗの電灯が１０個、
ＢＨ間に１００Ｗの電灯が２個ついている時、中性線の
切断が生じたとする。ＡＮ間の負荷抵抗＝１００／１０
＝１０［Ω］、ＢＮ間の負荷抵抗＝１００／２＝５０
［Ω］なので、中性線が切れたことにより中性線電流Ｉ
_N＝０となって、電流は両側の不均衡な負荷を直列に流
れて、Ｉ_A＝Ｉ_B＝Ｉとなるため、Ｉ＝２１０／（１０＋
５０）＝３.５［Ａ］となる。従って、ＡＮ間の負荷電
圧＝３．５×１０＝３５［Ｖ］、ＢＮ間の負荷電圧＝
３．５×５０＝１７５［Ｖ］と極めて不均衡になる。

【００１５】この結果から明らかなように、負荷の少な
いほうの端子電圧が高く、両側の負荷の不平衡が大きい
ほど、電圧の配分には大きな差が生じて、危険度が増大
する。そのため、３線式の中性線には配線用遮断器と
か、ヒューズという類の、回路を開放する装置を一切い
れてはいけないことになっている。中性線の断線は極端
な事故例であるが、中性線の断線でなくても、両側の負
荷に不均衡があると、両側の電圧の配分に、相当の差が
現れるという欠点が単相３線式にはある。現実にはどん
な場合にも、時間的に負荷の不均衡が生じることがある
ので、これは避けられない問題である。

【００１６】次の問題点は、中性線と外線との短絡（シ
ョート）が起きた場合である。中性線とＢ外線との間に
ショートが生じた場合に、健全なＡ外線と中性線との間
に発生する電圧を、図２を用いて求める。変圧器の端子
から故障点までのＡ、Ｂ外線の抵抗をｒ_l、中性線の
Ｎ’Ｐ間の抵抗をｒ_nとする。Ａ外線の電圧Ｖ_Aは、Ｖ_A
＝Ｖ＋ｒ_nＩ_S、Ｂ外線の電圧Ｖ_Bは、故障点の抵抗をｒ_p
とすると、Ｖ_B＝Ｖ−ｒ_nＩ_S＝ｒ_pＩ_Sとなる。ｒ_pが０の
場合には、Ｉ_Sは前式より、Ｉ_S＝Ｖ／（ｒ_n＋ｒ_e）とな
る。よって、Ａ外線の電圧Ｖ_Aは、Ｖ_A＝Ｖ［１＋ｒ／
（ｒｎ＋ｒｅ）］となる。この結果、外線と中性線に同
じ太さの線を用いた場合（ｒ_n＝ｒ_e）、外線の電圧は、
変圧器端子電圧の１．５倍、中性線に外線の半分の断面
積の導線を用いた場合には、１．７倍となる。

【００１７】また、単相３線式配電線において、最も一
般的な問題点を、図６を用いて説明する。変圧器の１次
電圧３１５０Ｖ、２次電圧２１０Ｖ及び１０５Ｖ、低圧
側電線１線当りの抵抗０．０５Ωとする。電灯負荷と
し、ａ線に８０Ａ、ｎ線に２０Ａ、ｂ線に１００Ａの電
流が流れている時、負荷点ａｎ、ｎｂ及びａｂ間の電圧
を求める（ただし、１次電圧は不変とし、変圧器のイン
ピーダンス、低圧配電線のリアクタンスは無視する）。
両側の負荷の力率は同じであるから、所要のａｎ間の電
圧をＶａｎ，ｎｂ間の電圧をＶｎｂと表すと、上半分の
回路では、１０５＝（０．０５×８０）＋Ｖａｎ−
（０．０５×２０）よりＶａｎ＝１０２［Ｖ］、また、
下半分の回路では、１０５＝（０．０５×２０）＋Ｖｎ
ｂ＋（０．０５×１００）よりＶｎｂ＝９９［Ｖ］とな
る。従って、ａｂ間の電圧は、Ｖａｂ＝Ｖａｎ＋Ｖｎｂ
＝２０１［Ｖ］となる。このように、単相３線式配電路
では、負荷により負荷端の電圧が異なることが極めて一
般的に生じることがわかる。

【００１８】そこで、単相３線式のこれらの欠点を解消
するために考案されたものがバランサー（衡圧器）であ
る。これは、図７に示すように巻数比の特殊な変圧器に
相当するものであって、単相３線式の線路に特別なつな
ぎ方をして、図８のようになるべく配線の末端に設け
る。これによると、Ａ外線に流れる電流がＢ外線に流れ
る電流より小さい場合には、ａ，ｂ端子に補償電流ｉｏ
が流入し、Ａ外線に流れる電流がＢ外線に流れる電流よ
り大きい場合には、ａ，ｂ端子から補償電流ｉｏが流出
する。バランサーを設けると、両側の回路がいつも同じ
電圧になるように、バランサーを通して誘導的に結合さ
れるから、たとえ両側の負荷に不均衡があっても、また
中性線が切れても、いつも両側の電圧はバランスして、
負荷に働くように、作用する。それはバランサーが、単
相３線式の配電路の両側の電圧がバランスするように、
補償電流を流すからである。

【００１９】このバランサーの効果を示すために、上記
実施例においてバランサーを設置した場合、両側の電圧
にどんな効果が生じるか計算する。なお、簡単にするた
めに、バランサーによる電圧降下は無視する。バランサ
ーは変圧比が１：１の受圧器であって、図９に示すよう
に、回路に補償電池ｉｏを発生させ、循環させ、その結
果として、末端の電圧の平衡を保つように動作してゆ
く。Ａ外線の電流＝８０＋ｉｏ、中性線の電流＝２０−
２ｉｏ、Ｂ外線の電流＝１００−ｉｏとなるから、上半
分の回路では、１０５＝０．０５×（８０＋ｉｏ）＋Ｖ
１−０．０５×（２０−２ｉｏ）、下半分の回路では、
１０５＝０．０５×（２０−２ｉｏ）＋Ｖ２＋０．０５
×（１００−ｉｏ）となる。よって、Ｖ１、Ｖ２は、Ｖ
１＝１０２−０．１５ｉｏ、Ｖ２＝９９＋０．１５ｉｏ
となる。ここで、バランサーの変圧器としての性質よ
り、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖとなるから、このときの補償電流は
ｉｏ＝１０［Ａ］となる。このように、バランサーなし
の場合に電圧降下が大きい側の電流を減らし、電圧降下
の少ない側の電流を増して動作し、更に中性線における
電圧降下を０とするように働く。また、バランサーがな
い時の中性線の電流の半分が、バランサー電流となって
流れることがわかる。すなわち、この例の場合には、Ａ
外線の電流＝Ｂ外線の電流＝９０［Ａ］、Ｖ１＝Ｖ２＝
１００．５［Ｖ］、中性線電流＝０［Ａ］である。

【００２０】また、図４の回路で、中性線が断線した場
合の問題を、バランサーが設置された時には、どんな結
果になるかということを検討する。バランサーのない時
の中性線には、断線前には８．４［Ａ］の電流が流れて
いるのだから、バランサーが設置された時には、バラン
サーによる循環電流は８．４／２＝４．２［Ａ］とな
る。Ａ外線には、６．３［Ａ］、Ｂ外線にも６．３
［Ａ］、中性線には電流は流れないことになる。よっ
て、中性線が断線しても、両側の電圧には差が生じな
い。以上のように、単相３線配電路に、バランサーさえ
設ければ、３線式の両側の電圧は、たとえ中性線が断線
しても差は生じない。バランサーの設置により、単相３
線式にあった従来の欠点が解消されることになる。

【００２１】図１０は、別実施例を示す正面断面説明図
である。従来のバランサーの単巻コイルでは、磁束洩れ
は配置や電流値により変化する。ペア線路をバイファイ
ラー巻コイルで構成したので、２つの隣り合う巻線間同
士で常に磁束を打ち消すことになる。そのため、基本的
に電流値に影響されることが極めて少なくなり、漏洩磁
束の絶対量が単巻コイルに比べ極めて小さくなる。更
に、コアの端部とコイルとの間の空隙に、洩れ磁束吸収
用のペースト状磁性体を設けたので、外部領域に対する
影響も殆ど無視できる程度に抑止できる。また、図示の
ように、コアの端部の径を巻回されたコイルの厚みに相
当する位置まで大きくして、洩れ磁束吸収用に寄与させ
てよい。これによって、従来のバランサーの効率を低下
させていた磁気的結合の不完全性や、漏洩磁束絶対量の
変化によるバランサー能力の変動を、負荷電流の変化に
かかわらず安定化することがでえき、省エネ性と共にシ
ステムの安定性が得られる。なお、図１１ないし１３
は、このようなバランサーの応用例を示す回路図であ
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明のコイルの巻回方法とそのトラン
ス類は、上述の構成を備えることによって次の効果を奏
する。すなわち、請求項１に記載のコイルの巻回方法、
または、それを用いた請求項２に記載のトランス類によ
ると、１次巻線線路と２次巻線線路とによってペア線路
が形成され、その１次巻線線路と２次巻線線路における
電流の向きが逆向きなので、誘導作用により、コイルか
らの漏洩磁束が減少し、コアを介した磁束結合が向上
し、小型軽量でありながら省エネ性と安定性に優れたコ
イルが得られる。

【００２３】請求項３に記載のトランス類によると、ペ
ア線路の配置が、１次巻線を形成する線路の層と、２次
巻線を形成する線路の層とによって層状になっている簡
素な構成なので、簡易に製造することができる。

【００２４】請求項４に記載のトランス類によると、１
次巻線と２次巻線との巻線比が１：１であり、ペア線路
の配置が、１次巻線を形成する線路と２次巻線を形成す
る線路とが交互に並べられる簡素な構成なので、簡易に
バランサーを製造することができる。

【００２５】請求項５に記載のトランス類によると、コ
アの端部とコイルとの間の空隙に、洩れ磁束吸収用のペ
ースト状磁性体が設けられるので、外部領域に対する影
響が十分抑止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の平面説明図

【図２】別実施例の正面説明図

【図３】同、平面断面説明図

【図４】断線の生じた単相３線式回路図

【図５】短絡の生じた単相３線式回路図

【図６】配電状態を示す単相３線式回路図

【図７】バランサーの回路図

【図８】バランサーの配置を示す単相３線式回路図

【図９】配電状態を示すバランサー付き単相３線式回路
図

【図１０】バランサーの断線の生じた単相３線式回路図

【図１１】バランサーの応用例を示す回路図

【図１２】同、別実施例

【図１３】同、別実施例

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源に接続される１次巻線を形成する線路
１または数本と、負荷に接続される２次巻線を形成する
線路１または数本とをペアにして、１体のペア線路を形
成し、そのペア線路を巻回することでコイルを形成し、かつ、ペア線路を構成する各１次巻線線路及び２次巻線
線路における電流の向きを逆向きに設定することを特徴
とするコイルの巻回方法。
【請求項２】トランス類のコアに巻回されるコイルにお
いて、電源に接続される１次巻線を形成する線路１または数本
と、負荷に接続される２次巻線を形成する線路１または
数本とをペアにして、１体のペア線路を形成し、そのペア線路をコアに単層または複層巻回することでコ
イルを形成し、かつ、ペア線路を構成する各１次巻線線路及び２次巻線
線路における電流の向きを逆向きに配線することを特徴
とするトランス類。
【請求項３】コアに対するペア線路の配置が、１次巻線
を形成する線路の層と、２次巻線を形成する線路の層と
によって層状になっている請求項２に記載のトランス
類。
【請求項４】１次巻線と２次巻線との巻線比が１：１で
あり、バランサーとして機能し、コアに対するペア線路の配置が、１次巻線を形成する線
路と２次巻線を形成する線路とが交互に並んでいる請求
項２に記載のトランス類。
【請求項５】コアの端部とコイルとの間の空隙に、洩れ磁束吸収用のペースト状磁性体を備えた請求項２な
いし４に記載のトランス類。