はじめに

　近年、地球温暖化の影響と言われ頻発する水害や、地震などの自然災害によって系統電源喪失や電力需給の逼迫（ひっぱく）機会が増加している。各家庭においても脱炭素化社会や電力の供給安定性および経済性、環境適合性を求めて、太陽光発電システム（以下、PVシステム）や燃料電池機器の普及、および各種電動車もそのシェアを伸ばしており、平常時は各家電機器や、エアコン、エコキュートなどのヒートポンプ機器で省電力消費を、余剰電力は系統電源に売電し、災害時には家庭や自動車内で電源を確保できるようEVやPHEVなどの大型電池を搭載する電動車が拡大しつつある。またこれに伴い比較的価格がこなれてきた蓄電器を備えるPVシステム用「蓄電型パワーコンディショナー」も普及しつつある。

　このパワーコンディショナー（以下、パワコン）の蓄電システムは、PVで発電した日照時4k～7kW程度の電力を系統電源に売電する機能に加えて、双方向のDC／DCコンバーターを介して蓄電池と充放電を行う。また電力の一部をDC／ACインバーターで商用交流電源として利用する回路においては、一般的な小型、軽量で高効率を謳う「スイッチング式電源方式」に限らず、簡素で安全、かつ長寿命で故障しない、また保全性に富む、歴史と技術改良を積み重ねてきた「電源トランス方式」が用いられている。

ねらい

　PVシステム用蓄電型パワコン用電源トランスに求められる要件は、安全性や長寿命に加えて、省エネ化への低損失化と待機電力を抑えた低無負荷損失特性を持ち、セットの設置場所が屋内で生活動線に負担の少ない高所や狭所設置型が多いことから、小型薄型で軽量化と、かつ低騒音性が要求される。

　開発のねらいは、コイルとコア共に高密度化構造を追求して空間部をなくし、必要最小限の絶縁構造物構成で材料を削減しながら熱伝導性を向上させ高放熱性とし、効率よく小型薄型化を図ること。

　今回特に低騒音性については蓄電池と充放電するコンバータの原理から、制御の精度範囲内における0～0．3V程度の微弱なオフセット電圧により、不平衡な交流磁束となり電源トランスに加わるので、コア材の電磁鋼板の磁歪によるうなり振動音がより増大する、蓄電回路特有の課題に対処する必要がある。

GMKトランスの技術

　これら厳しい要件を満足する小型、薄型で軽量かつ、低損失であり、必須である圧倒的にうなり振動音を低減した、「GMKトランス」【写真1】を開発したので、以下に紹介する。

　これら課題を解決する手段として、既存の電源トランスにおいては小型薄型で軽量、低損失化へと素性がよく、簡素なコア構造のギャップレスコア磁気回路構成で、原理的にうなり振動音が少ない構造の電源トランスとして、外鉄型電源トランスに類する「WBトランス」や「NCWトランス」（以下、NCWトランス【写真2】）がある。

　欠点として樹脂ボビンを使うコイル構造が熱絶縁と空間部を存し、高密度、高占積率化の点で小型軽量化への課題を残すが、今回開発したGMKトランスの技術はうなり振動音を低減抑制する点において、この基礎技術に従う。

　NCWトランスの構成は、磁気特性が優れた方向性電磁鋼板（以下、GO材）を用いた巻き鉄心【写真3】2セットの最終形状コアを焼鈍済みで用意し、コイル用ボビンはPBTやPET樹脂などで概長方形環状とし、断面形状は概船底型で、外形状は疑似半円形状とし、内形状は整列巻きが容易な直線基調の任意断面形状にしてある。

　これに1次と2次コイルおよび絶縁を施し、コイルの対向軸にそれぞれ前述の焼鈍済みコア2セットを、個々に専用巻き取り機設備【写真4】を用いて、コアを概真円を保ったまま大輪径状とし、コア内先端部をボビン孔溝に掛止固定した後、応力を抑制しつつ小径へ戻ろうとする復元力を利用しコイル小径へと巻き取り、コア終端部を溶接固定して電源トランスが構成できるとされている。

　【図1】に断面図（垂直カット）を示す。

　原理的にうなり振動音を低減抑制するのは、コアが簡素なギャップレスコア構造で、かつ2セットで広い断面積と短い磁路長をもたらすので軽減された磁束密度が効果を発揮している。

　NCWトランスの欠点は、コイル形成と絶縁に専用形状樹脂ボビンを用いるので、寸法精度から完全整列巻きに向かず高密度高占積率コイル製作が困難で熱伝導性も悪い。またボビンによりコアの巻き径が共に増すことも薄型小型化を阻害し大径化して重量も増加してしまう。また、容量ごとに選択する標準サイズボビンは、多品種少量で専用設計の機会が多い電源トランスは少なからず大型化方向に制約を受けるし、整列巻き線を困難にする。

　対して小型、整列化へ向けた専用設計ボビンを用意するには成形用金型の製作費用がかさみ、コア材使用量増加と合わせトランスの好適価格化は望めなくなる。

　GMKトランスはこれらを解消して、小型薄型で軽量化を図り、任意設計性を高めつつ好適な価格化へと大幅な改良を図った。まず、樹脂断面厚が大きい成形ボビンのコイル径に従うGO材コアの大型化を回避し、高密度化する成形ボビンレスコイル構造へ、独自の専用巻き線治具を用いて巻き崩れしない、概正6角形断面コイルで完全整列巻き線コイルを実現。次にその巻き線に直接絶縁シート始端部を固定し、隙間なく安全絶縁厚を確保しつつ張力を加え複数回巻き回し、これにシート終端部に直接、コアの始端一部を掛止し、応力を抑制しつつ同一方向の締め付け張力をもって隙間なく巻き取り、終端を溶接固定して高密度のコアを形成する。これらにより成形ボビンを用いずコイルが小径で仕上がり、これに従うコア外形の小径化により、薄型化と同時に比重の大きいコア使用量が2セット分削減できるので、高密度化と同時に大幅な軽量化が図れる。また成形ボビンを用いないボビンレス構造なので、割れや欠けなどの絶縁品質に不安をもたらすボビンへのコア挿入篏合工程がなく、また標準サイズのボビンの制約もなく任意の専用設計ができ、高額なボビン成形金型が不要となる。好適価格化へはコイルやコアの小径化に関わる銅線やコア材料の削減、およびボビンレス化で成形樹脂材が絶縁シート化すること、などが有効であることは言うまでもない。

まとめ

　今回開発したGMKトランスは独自技術のボビンレスで高密度整列巻き線し、直接絶縁シートを巻き回しコアを形成する高熱伝導化構造により、小型薄型で軽量、成形金型を用いない任意設計を可能とすることで、比較的好適な価格で提供でき、同時にギャップレスコアを用いて低漏れ磁束であり、GO材の高性能磁気特性と相まって0～0.3V程度の微弱なオフセット電圧下であっても、屋内設置型パワコンでも気にならない低うなり振動音と、省エネ化への低損失化と待機電力を抑えた低無負荷損失特性を有しているなど【表1】に電源トランス比較例を具体的な定量値で示すように、電源トランスとして他に類を見ない卓越した商品である。今後はさらなる高密度化への理想に向けた具体活動を推進中である。

　当社では、要素技術を磨き上げ、桁違い精度や重量・体積半減など、世界に通用する比類なき価値を備えた独自製品に“SHT”の社名ロゴ表示と区分し、技術横断型ブランド“GEO　MACK（ジオマック）”として“GEO　MACK”を冠し表示している。

　〈参考〉
　今回のPVシステム用蓄電型パワコンの要件を満たさない、一般的な従来の電源トランスを形態別に3種類、その特徴と課題を共に示す。

　（1）一般な「外鉄型電源トランス」【写真5】は、磁心材料として無方向性電磁鋼板（NO材）を積層して「EI型鉄心」【写真6】として、JIS規格標準鉄心サイズと標準コイルボビンで構成され、入手しやすく安価に構成できるので、小規模手工業にて製作が可能であるから、商用電源の変換に家電機器やACアダプターなどとして広く普及している。

　しかし、漏れ磁束【図2】が多く、周辺部品への配慮が必要となる。また磁歪現象によるうなり振動音が大きく、室内設置型のパワコンには致命的欠点となる。

　（2）欠点を改良した「内鉄型電源トランス」（図示しない）がある。

　磁気特性が優れたGO材を用いてコアを構成し、所望位置に切断を施したUU型カットコア鉄心を組み合わせて内鉄型磁気回路を構成、漏れ磁束は比較的少なく小型薄型化を実現できる。

　欠点はコアに突合せ面があり、磁歪振動音がばらつく原因となり、今回のオフセット電圧が発生すると振動音は顕著に表れる。

　またカットコア鉄心製作には巻き取り機、焼鈍炉、切断機などの多くの設備と、2セットのコイルを用いてより高価格となり、多くは計測器や医療機器、高周波用途他に用いられる。

　（3）さらに改良を進めた「Rコア内鉄型電源トランス」がある（図示しない）。

　GOコアをカットせず概長方形環状とし、断面が概円形形状となるようスリット全長に沿って幅調整を行う特殊製造工法のGO材を巻き取ることで、断面円形のRコアとし2セットのコイルで構成する。

　ギャップレスコア構造から、前記内鉄型電源トランスに比べ漏れ磁束が減少し、磁歪振動音も抑制さればらつきも少ない。

　欠点は価格で、つば部にボビン回転用機構を設けた篏合分割ボビンのコイルで2セットを用いて、その複雑な構造から高価格化は避けられず、現状の用途は高級オーディオ装置や医療機器などが中心で、極めて特殊市場に限られている。
　〈（株）SHT　研究開発部　今西恒次〉