JP2008112914A - 回転型変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率を低下させることなく、極力軽量化した回転型変圧器を提供する。
【解決手段】回転型変圧器１は、全体として環状に形成された１つの鉄心２と、この鉄心２に配された一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓとを備え、鉄心２には、その全周にわたって開放部３を有する中空部４が形成されていると共に、中空部４に、周方向に沿って一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓが同心円状に収容配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側または二次側が他方に対し相対的に回転（移動）する回転型変圧器に関する。

上記変圧器は、一次側と二次側との間に隙間（ギャップ）が設けられている。図１１は略環状をなす変圧器１０１の周方向に対する断面を拡大して示しており、一次鉄心１０２（一次側）と二次鉄心１０３（二次側）とが、ギャップ１０４を有して対向配置されている。一次鉄心１０２及び二次鉄心１０３には、夫々一次巻線１０５ｐ及び二次巻線１０５ｓが巻装されていて、一次鉄心１０２は固定され二次鉄心１０３は軸線の回りに回転自在に配置されている。

この変圧器１０１は、ギャップ１０４が無い通常の鉄心を備えた変圧器に比し電力の伝送効率が低くなる問題がある。ギャップ１０４は鉄心１０２，１０３に比べて磁気抵抗が大きいので、一次巻線１０５ｐに流れる電流によって生じた磁束が両鉄心１０２，１０３内を通る際に、その磁束の一部が鉄心１０２，１０３外に漏れて周回（ショートカット）し、二次巻線１０５ｓと鎖交する磁束が少なくなるからである。

そこで、この種の変圧器においては、ギャップによって生じる漏れ磁束を少なくするため、一次鉄心及び二次鉄心の夫々に磁束の方向に沿って導体層を設けるなどの工夫がされている（例えば特許文献１参照）。当該変圧器の一次鉄心及び二次鉄心はE型あるいは中空状をなし、前記導体層は銅板から構成されている。この銅板は、両鉄心の内側（及び外側）に沿って張られていて、一次巻線及び二次巻線と鎖交する鉄心内の主磁束の方向に対して平行に配置されている。
特開２００１−３３８８２０号公報

上記構成によれば、鉄心外に漏れようとする磁束が銅板を横切る際に、銅板にその磁束を打ち消すような渦電流が発生するので、漏れ磁束を減少させることができる。しかし、その反面、渦電流によってジュール損失が生じるため、依然として電力伝送効率の低下の問題を孕んでいる。
更に、この変圧器や前記変圧器１０１にあっては、鉄心は比較的重量物とされる（積層した電磁鋼板などから構成される）ため、回転体としての二次側の重量化が不可避となり、二次鉄心が取り付けられる回転本体部の重量化を招く問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力伝送効率を低下させることなく、極力軽量化した回転型変圧器を提供することにある。

上記の目的を達成するために請求項１記載の発明は、全体として環状に形成された１つの鉄心と、この鉄心に配された一次巻線及び二次巻線とを備え、前記一次巻線に交流電源が接続されると共に前記二次巻線に負荷が接続される回転型変圧器であって、前記鉄心には、その全周にわたって開放部を有する中空部が形成されており、前記中空部に、周方向に沿って前記一次巻線及び前記二次巻線が同心円状に収容配置されていることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、全体として環状に形成された１つの鉄心と、この鉄心に配された一次巻線及び二次巻線とを備え、前記一次巻線に交流電源が接続されると共に前記二次巻線に負荷が接続される回転型変圧器であって、前記鉄心に前記一次巻線が巻装されて固定部とされ、前記鉄心に連なるように配置された磁性樹脂に前記二次巻線が一体的に設けられて回転部とされており、前記回転部は、軸線の回りに回転自在に配設されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、回転型変圧器の鉄心を、前述した一次鉄心と二次鉄心とに隔てることなく単体の鉄心で構成し、且つ一次巻線と二次巻線とが一続きの鉄心で囲まれるように前記中空部に配置したので、二次巻線と鎖交する磁束を増加させ電力伝送効率を向上させることができる。そして、二次側を回転体とした場合、その回転体を鉄心が省かれた二次巻線のみの構成とすることができ軽量化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記回転部における磁路を磁性樹脂により構成することができるので、電力伝送効率を低下させることなく、回転体としての二次側を軽くすることができる。

＜第１の実施例＞
以下、本発明の第１の実施例について図１乃至図６を参照しながら説明する。
図２は回転型変圧器全体の概略的な斜視図を示し、図１はこの変圧器の周方向に対する断面を拡大して示している。回転型変圧器（以下、変圧器と略す）１は、積層された電磁鋼板から全体として円環状に形成された鉄心２を備えている。鉄心２には、その全周にわたって内周側（図１中、左側）に開放部３を有する中空部４が形成されている。中空部４の下面４ａには、図示しない絶縁材を介して、一次巻線５ｐが周方向に沿って巻装されている。これら一次側としての鉄心２及び一次巻線５ｐは、本発明の固定部６を構成する。尚、鉄心２は、磁路の幅すなわち鉄心２の厚みＴが一定となるように形成されている。

また、中空部４には、周方向に沿って巻回された二次巻線５ｓが収容配置されており、二次巻線５ｓの引出し線７は、前記開放部３から鉄心２の外部に引き出されている。二次側としての二次巻線５ｓ及び引出し線７は、非磁性体の樹脂８で覆われて回転部９とされている。非磁性樹脂８は、合成樹脂材料からなり、二次巻線５ｓ全体の表面を被覆する巻線被覆部８ａと引出し線７を被覆する保持部８ｂとを一体に備えて構成されている。

詳しい図示は省略するが、保持部８ｂは、巻線被覆部８ａの内周側に軸線を中心として９０度間隔で突設されると共に図示しない回転本体部に連結されることにより、回転部９が軸線の回りに回転自在に配設されている。

前記巻線被覆部８ａの表面のうち、中空部４の上面４ｂおよび一次巻線５ｐの上面に臨む上下の対向面８ｃ，８ｄには、夫々「Ｖ」の字状の溝（以下、へリングボーン溝と称す）１０が形成されている。図３は、巻線被覆部８ａの概略的な上面図（つまり対向面８ｃ）を、へリングボーン溝１０と共に示している。空気雰囲気において、回転部９が図３中、矢印Ｄ方向に回転する場合、へリングボーン溝１０の動圧効果（ポンプ作用）により発生する圧力で流体としての空気が永続的な空気層を形成する。これにより、回転部９は、中空部４の上面４ｂおよび一次巻線５ｐの上面と接触することなく回転するようになっている。

図４は、非接触電力伝送装置としての変圧器１を用いた電力伝送形態の一例を示している。変圧器１の一次巻線５ｐにはインバータ装置１１が接続され、二次巻線５ｓには負荷１２が接続されている。インバータ装置１１は、ブリッジ接続されたダイオード１３ａ〜１３ｄからなる整流回路１３、平滑用のコンデンサ１４、およびブリッジ接続されたＩＧＢＴ１５ａ〜１５ｄからなるインバータ回路１５から構成されており、その入力端子はリアクトル１６を介して交流電源１７に接続されている。ＩＧＢＴ１５ａ〜１５ｄの各ゲートには図示しない制御回路からＰＷＭ信号が与えられ、インバータ装置１１は、変圧器１に対し正弦波状の単相交流電圧（例えば１００Ｖ）を出力するようになっている。一次巻線５ｐに電流が流れると、鉄心２には図１に破線で示すような磁束が発生し、変圧器１を介して交流電源１７から負荷１２に電力が伝送される。

次に、図５、図６を参照しながら、上記構成を有する変圧器１及び従来構成の変圧器１０１の電力伝送効率について説明する。
図５は、数値計算により得られた空気雰囲気中における磁束分布図である。図５（ａ）及び（ｂ）は、ともに縦横比が２対３に設定された同一の外形寸法を有し、磁路の幅や、巻装状態が同じように設定された巻数比１対１の変圧器であって、一次側の交流電源が１００Ｖの場合の磁束の分布を示している。このうち、図５（ａ）は開放部３の間隙が１．５ｍｍに設定された変圧器（モデルＡ）であり、図５（ｂ）はギャップ１０４（ギャップ長）が０．５ｍｍに設定された従来構成の変圧器（モデルＢ）である。

図６は、モデルＡ、Ｂの変圧器について、無負荷の状態から順次負荷を増大させたときの、一次側の電圧に対する二次側の電圧の比率（変圧比）を数値計算により求めたものである。モデルＡの変圧器１は、モデルＢの変圧器１０１に比べ高い変圧比（１に近い変圧比）を有し、電力伝送効率が向上している。

このような結果が得られたのは、以下のように考えられる。
空気は鉄に比べ透磁率が極端に低いため、磁路を構成する鉄心の間にギャップ（空隙）が存在すると、当該ギャップにおける磁気抵抗が高くなる。磁気抵抗が高くなると、磁束の一部がギャップ部分から鉄心外に漏れ易くなり、二次巻線と鎖交する磁束が減少して変圧比が低下する。

磁気抵抗は、ギャップ長に比例するため、回転型変圧器で電力伝送効率を高めるには、ギャップ長を極力短くすることが有効となる。しかし、一次鉄心１０２と二次鉄心１０３とが相対的に回転する構成を持つ従来構成の変圧器１０１では、相互の接触を防ぐために所定の最小ギャップ長を確保する必要があり、磁気抵抗の低減には限界がある。

変圧器１の鉄心は単体の鉄心２で構成されており、一次巻線５ｐと二次巻線５ｓとが一続きの鉄心２で囲まれるように前記中空部４に収容されているため、一次巻線５ｐに流れる電流によって発生する磁束が、一続きの鉄心２を通って二次巻線５ｓと鎖交する。その結果、二次巻線５ｓに鎖交する磁束が増加して、変圧比が向上する。

以上のように本実施例によれば、回転型変圧器の鉄心を一つの鉄心２から構成し、中空部４に、周方向に沿って一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを同心円状に収容配置したので、上述のように二次巻線５ｓと鎖交する磁束を増加させ電力伝送効率を高めることができる。

前記特許文献１に記載の変圧器や前記変圧器１０１においては、２つの鉄心（一次鉄心，二次鉄心）を対向させることにより周回する磁路（例えば断面「ロ」の字状の磁路）を形成するため、２つ以上のギャップ（図１１中、ギャップ１０４，１０４参照）が必要的に形成される。これに対し、本実施例の変圧器１の鉄心は、単体の鉄心２から構成されているためギャップとしての開放部３を１箇所に形成すれば足り、従来の変圧器に比し、ギャップ長（の総和）を短くして開放部３における漏れ磁束を減少させることが可能となり、変圧器１の電力伝送効率をより高めることができる。

また、特許文献１に記載の変圧器は、漏れ磁束の低減を図るべく鉄心の側面に銅板を設けた構成であるが、当該銅板に渦電流が発生するため、そのジュール損失によって電力伝送効率が低下する問題を孕んでいた。これに対し本実施例の変圧器１によれば、銅板を不要としながらも漏れ磁束を減少させることができると共に、簡単な構成で電力伝送効率を向上させることができる。

巻線被覆部８ａの表面のうち固定部６との対向面８ｃ，８ｄに、へリングボーン溝１０を形成したので、高速回転時においても動圧効果により回転部９を固定部６に接触させることなく安定的に回転させることができる。従って、回転型変圧器１を安定して動作させることができると共に、回転部９と固定部６の接触を防ぐための最小ギャップ長（開放部３における間隙）を短縮することが可能となる。

前記回転部９を、二次巻線５ｓ及び引出し線７と、これらを覆う非磁性樹脂８により構成したので、従来構成における二次鉄心を不要とすることができ、回転体としての二次側を大幅に軽くすることができる。また、前記回転本体部に連結する保持部８ｂを、比較的比重の小さい合成樹脂から構成したので、回転部９を含めた回転本体部の総重量を軽くすることができる。つまり、回転本体部が重いと、その回転に必要なエネルギーが増大すると共に定格回転数に到達するまでの所要時間が長くなるが、回転部９とその連結手段に相当する保持部８ｂを大幅に軽くすることができるため、前記エネルギーの消費を極力抑えることができると共に前記所要時間を極力短縮することができる。

＜第２の実施例＞
図７は、本発明の第２の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。図７は、変圧器１８の周方向に対する断面を拡大して示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。
変圧器１８の鉄心２と回転部９の外周との間には、回転部９を保持する軸受１９が設けられている。この軸受１９は、深溝玉軸受からなり、主として回転部９のラジアル加重を支持するように構成されている。

本実施例の変圧器１８によれば、軸受１９によって回転部９の回転により生じる遠心力を支持し、その遠心力に伴う回転部９の変形を防止することができると共に、回転部９の固定部６に対する相対的な位置関係を一定に保つことができる。
また、回転部９を、保持部８ｂ及び軸受１９の両者で保持することで、保持部８ｂの肉厚を薄く済ませて開放部３をより狭めることができ、開放部３における磁気抵抗を一層低減させることが可能となる。

＜第３の実施例＞
図８及び図９は、本発明の第３の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。図８は、変圧器２０の断面図を示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。

変圧器２０は全体として環状をなし、同心状に配置された環状をなす鉄心２１と磁性樹脂２２とを備えて構成されている。鉄心２１は、内周側が開放された断面「コ」の字状に形成されており、その内壁２１ａ中央に絶縁材（図示せず）を介し一次巻線５ｐが巻装されて固定部６とされている。

磁性樹脂２２は、磁性粉を含有した合成樹脂材料からなり、図８に示すように、鉄心２１の開放（内周）側に掛け渡されるように配置されている。磁性樹脂２２は、軸線からの内径寸法が鉄心２１の内径寸法と一致するように設定されていると共に、その外周壁２２ａに二次巻線５ｓが巻装されて回転部９とされている。図示は省略するが、磁性樹脂２２の表面のうち、鉄心２１に臨む上下の対向面２２ｂ、２２ｃには、夫々へリングボーン溝１０（図３参照）が形成されている。

上記構成により、一次巻線５ｐに流れる電流によって発生する磁束が、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを囲む鉄心２１と磁性樹脂２２とを通るようになっている。図９は、外形寸法や巻数比など前述の数値計算と同様に設定された変圧器２０の磁束の分布を示す図５相当図である。

このように、回転部９を鉄心２１に連なるように配置することにより、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを、磁性樹脂２２と鉄心２１とで囲む磁路が形成される。また、磁性樹脂２２は、通常の鉄心の材料より比重が小さい磁性体であるので、その分、回転部９の重量が軽くなる。従って、電力伝送効率の低下を最小限に止めながら、回転部９ひいては変圧器２０の軽量化を図ることができる。

磁性樹脂２２にヘリングボーン溝１０を形成したので、回転部９を固定部６に接触させることなく安定的に回転させることができる。磁性樹脂２２は、磁性粉を含有した合成樹脂材料から構成されているので、樹脂成形等によって任意の形状に容易に形成することができる。また、この樹脂成形によって、磁性樹脂２２を周方向に複数に分割可能な形状に形成することで、鉄心２１に対する磁性樹脂２２の組み付け時の作業性を向上させることができる。尚、鉄心を、上側あるいは下側が開放された断面「コ」の字状に形成すると共に、その開放側に磁性樹脂を掛け渡すように配置してもよい。この場合の鉄心に対する組み付けは、回転部を開放側から一方向（軸方向）に移動させて収容すれば足りるので、この構成においても組み付け作業性を向上させることができる。

＜第４の実施例＞
図１０は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第３の実施例と異なるところを説明する。図１０は、変圧器２３の断面を拡大して示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。

前記一次巻線５ｐは、鉄心２１の内壁２１ａに上部と下部の２つに分けて巻装されている。これら一次巻線５ｐ，５ｐは、その間に二次巻線５ｓが入り込むよう軸方向の寸法が狭められ、径方向の幅寸法が磁性樹脂２２側まで拡大されるように形成されている。磁性樹脂２２の外周中央部に配設された二次巻線５ｓは、外径寸法が鉄心２１の内壁２１ａの手前まで拡大されるように巻装されており、その上下面において一次巻線５ｐ，５ｐと対向するようなっている。これら分割された一次巻線５ｐ，５ｐは、互いに直列に接続してもよいし並列に接続してもよい。
このように、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを交互に入り組むように配置することで、一次側と二次側とを密に結合することができ、電力伝送効率をより高めることができる。

なお、本発明は上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明は、単相の一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓに限られず、三相の一次巻線及び二次巻線を備えた変圧器にも適用できるものである。
前記鉄心２の開放部３は、その形成位置を内周側に限定するものではなく、環状をなす鉄心２に全周にわたって形成されたものであればよい。具体的には、開放部３を鉄心２の上部に（軸方向に）全周にわたって形成する等、適宜変更が可能である。

また、前記電源電圧、巻数比、鉄心の寸法などは、一例を示すものであり適宜変更してもよい。前記非接触電力伝送装置は、変圧器１とインバータ装置１１等を一体化した構成にしてもよい。へリングボーン溝１０は、樹脂８，２２の表面のうち固定部６との対向面の一部または全部に形成されていればよい。

第４の実施例において、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓの配設位置などは、これに限定するものではなく、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓが磁性材に囲まれるように配置され、且つこれら巻線５ｐ及び５ｓが相互に入り組む構成であればよい。より具体的には、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓのうち何れか一方の巻線を奇数（例えば３つ）に分けると共に、他方の巻線を偶数（例えば２つ）に分けて、これら一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを互い違いとなるよう巻装することで、磁路を構成する磁性材に偏りの無い対称な磁束を発生させるようにしてもよい。また、一次巻線５ｐ及び二次巻線５ｓを同数に分けて配設するようにしてもよい。

上記実施例において、一次側と二次側の関係を入れ替えたうえで、一次側を回転可能に設けるように
してもよい。このほか、本発明は、軸受１９を、ころ軸受や滑り軸受等、他の種類の軸受により構成してもよいし、鉄心２をフェライトコア等の磁性材により構成する等、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施し得る。

本発明の第１の実施例を示すものであり、本発明の要部を拡大して示す変圧器の断面図 変圧器の全体を示す概略的な斜視図 へリングボーン溝と共に示す巻線被覆部の概略的な上面図 電力伝送形態の一例を示す概略図 （ａ）は変圧器（モデルＡ）の磁束分布図、（ｂ）は変圧器（モデルＢ）の磁束分布図 負荷と変圧比との関係を示す図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 変圧器の磁束分布図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図 従来構成の変圧器の図１相当図

符号の説明

図面中、１，１８，２０，２３は変圧器（回転型変圧器）、２，２１は鉄心、３は開放部、４は中空部、５ｐは一次巻線、５ｓは二次巻線、６は固定部、７は引出し線、８は非磁性樹脂、８ｃ，８ｄは対向面、９は回転部、１０はヘリングボーン溝、１２は負荷、１７は交流電源、１９は軸受、２２は磁性樹脂、２２ｂ，２２ｃは対向面である。

Claims (7)

1. 全体として環状に形成された１つの鉄心と、この鉄心に配された一次巻線及び二次巻線とを備え、前記一次巻線に交流電源が接続されると共に前記二次巻線に負荷が接続される回転型変圧器であって、
   前記鉄心には、その全周にわたって開放部を有する中空部が形成されており、
   前記中空部に、周方向に沿って前記一次巻線及び前記二次巻線が同心円状に収容配置されていることを特徴とする回転型変圧器。
2. 前記鉄心に前記一次巻線が巻装されて固定部とされ、
   前記二次巻線および前記開放部から外部に引き出された前記二次巻線の引出し線は、非磁性樹脂で覆われて回転部とされており、
   前記回転部は、軸線の回りに回転自在に配設されていることを特徴とする請求項１記載の回転型変圧器。
3. 全体として環状に形成された１つの鉄心と、この鉄心に配された一次巻線及び二次巻線とを備え、前記一次巻線に交流電源が接続されると共に前記二次巻線に負荷が接続される回転型変圧器であって、
   前記鉄心に前記一次巻線が巻装されて固定部とされ、
   前記鉄心に連なるように配置された磁性樹脂に前記二次巻線が一体的に設けられて回転部とされており、
   前記回転部は、軸線の回りに回転自在に配設されていることを特徴とする回転型変圧器。
4. 前記鉄心は断面「コ」の字状に形成され、その開放側に前記回転部の磁性樹脂が掛け渡されるように配置されていると共に、前記一次巻線及び前記二次巻線が、当該鉄心と当該磁性樹脂とに囲まれるように配設されていることを特徴とする請求項３記載の回転型変圧器。
5. 前記樹脂の表面のうち前記固定部との対向面の一部または全部に、へリングボーン溝が形成されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の回転型変圧器。
6. 前記鉄心と前記回転部の外周との間に、当該回転部を支持する軸受が設けられていることを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の回転型変圧器。
7. 前記一次巻線は前記鉄心に２つに分けて巻装されていると共に、これら一次巻線の間に前記二次巻線が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の回転型変圧器。

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