JP2008141112A - 回転型変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率を極力高める。
【解決手段】円環状の鉄心１２を、その全周に亘ってギャップ１５を挟んで一次鉄心１３と二次鉄心１４とに分割し、一次鉄心１３、二次鉄心１４にそれぞれ一次巻線１７、二次巻線１８が一体となるように設ける。一次巻線１７を複数の巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃに分割して円筒形状の成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃを形成し、二次巻線１８を複数の巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃに分割して円筒形状の成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成し、これら一次側と二次側の成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃを同心円状に且つ径方向に交互に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側と二次側とが相対的に回転した状態で電力伝送を可能とする回転型変圧器に関する。

固定部と回転部とからなる装置において、固定部に設けられた交流電源から回転部に設けられた負荷に対し電力を供給するには、スリップリングとブラシを用いる手段が考えられる。しかし、この手段は磨耗などに対する保守に手間がかかる。そこで、ギャップ付きの変圧器による電力供給が検討されている。

図９は、全体として環状をなす変圧器の周方向に対する断面を示している。回転軸Ａｘと変圧器１０１との距離は、作図の都合上適当に短縮して示している。変圧器１０１は、ギャップ１０４を有して対向配置された一次鉄心１０２と二次鉄心１０３とを備えている。一次鉄心１０２は固定されており、二次鉄心１０３は回転軸Ａｘを中心として回転可能に配置されている。一次鉄心１０２および二次鉄心１０３には、それぞれ一次巻線１０５および二次巻線１０６が巻装されている。

この変圧器１０１は、ギャップ１０４がない通常の鉄心を備えた変圧器に比べ、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１０５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の外に漏れて周回（ショートカット）し、二次巻線１０６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、一次鉄心および二次鉄心のそれぞれ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および二次鉄心はＥ型あるいは中空状をなし、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（および外側）に沿って張られており、一次巻線およ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、電力伝送効率を十分に高めることが難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電力伝送効率を極力高めた回転型変圧器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の回転型変圧器は、全体として環状をなし、その全周に亘ってギャップを挟んで一次側と二次側とに分割された磁性体と、前記一次側と二次側の磁性体により包囲された環状の空間において、前記一次側および二次側の各磁性体に対しそれぞれ一体となるように設けられた一次巻線および二次巻線とを備え、前記一次巻線と二次巻線は、それぞれ樹脂により環状に成形されているとともに、少なくとも一方の巻線は複数に分けて成形されており、これら一次巻線と二次巻線の各成形体は、同心円状に且つ交互に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、磁路を構成する磁性体が一次側と二次側とにギャップを有して分割されており、各磁性体にそれぞれ巻線が一体となるように設けられているので、一次側または二次側が回転した状態で電力伝送が可能となる。一次巻線と二次巻線の樹脂成形体は、同心円状に且つ交互に配置されているので、一次巻線に流れる電流により生じた磁束は、当該一次巻線の間に巻装された二次巻線に有効に鎖交するようになる。

本発明の回転型変圧器によれば、一次側と二次側の結合が密になるのでギャップを有していながら高い電力伝送効率を得ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図５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であり、図１は、この変圧器の周方向に対する断面を示している。図１において、回転軸Ａｘと変圧器１１との距離は、作図の都合上適当に短縮して示している。

回転型変圧器１１（以下、単に変圧器１１と称す）は、全体として回転軸Ａｘを中心とする円環形状をなしている。磁路を構成する鉄心１２（磁性体に相当）は、積層された電磁鋼板からなり、全周に亘って回転軸Ａｘの方向に形成されたギャップ１５を挟んで一次鉄心１３と二次鉄心１４とに分割されている（アキシャルギャップ構造）。一次鉄心１３は固定されており、二次鉄心１４は回転軸Ａｘを中心として回転自在に配置されている。

図１に示すように、一次鉄心１３と二次鉄心１４の周方向断面は、ともに矩形断面の長尺側の１辺中央部分から内部に向かって、当該矩形断面よりも面積の小さい矩形断面を切り欠いた形状、換言すれば短尺の平行な２辺とそれら２辺の各端部間に連なる長尺の１辺とからなる「コ」字形状に形成されている。一次鉄心１３と二次鉄心１４は、その全周に亘って、上記切欠部（凹部）に相当する開放部分同士が回転軸Ａｘの方向に対向するとともに、上記短辺の端部（全体として環状をなす端面）同士がギャップ１５を挟んで対向するように配置されている。内周側に形成されるギャップ１５と外周側に形成されるギャップ１５とは、同じ空隙長を有している。

一次鉄心１３と二次鉄心１４により包囲された空間部１６には、回転軸Ａｘを中心軸として樹脂により円筒形に成形された一次巻線１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）と二次巻線１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）が同心円状に且つ径方向に等間隔で交互に配置されている。一次巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃをそれぞれ樹脂成形してなる成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃは一次鉄心１３に固定されており、二次巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃをそれぞれ樹脂成形してなる成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃは二次鉄心１４に固定されている。一次巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよび二次巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、それぞれ並列に接続されている。

図３は、変圧器１１を用いた電力伝送形態の一例を示している。変圧器１１の一次巻線１７には交流電源２１が接続され、二次巻線１８には負荷２２が接続されている。交流電源２１は、変圧器１１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。この変圧器１１を用いると、回転部分を持つ回転型装置における非接触電力伝送装置を実現できる。

次に、本実施形態の作用について図４および図５も参照しながら説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は本実施形態と同様の構成を有する変圧器１１（図１と成形体の数および寸法は異なる）、図４（ｃ）は従来と同様の構成を有する変圧器１０１（図９と寸法は異なる）について、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を示している。これら３つの変圧器は同一の外形寸法を有し、径方向（図４では上下方向）と軸方向（図４では左右方向）の寸法比は３対２に設定されている。ギャップ長は０．５ｍｍ、巻数比は１対１であり、一次側の交流電源の電圧が１００Ｖの場合の磁束分布を示している。

図４（ａ）に示すものは、一次巻線１７が５つの一次巻線１７ａ〜１７ｅに分けられており、二次巻線１８が４つの二次巻線１８ａ〜１８ｄに分けられている。これらの巻線１７ａ〜１７ｅ、１８ａ〜１８ｄは、交互配置における中央層（巻線１７ｃ）に対し内径側と外形側とで対称配置、つまり空間部１６に径方向に沿って等間隔に配置されている。また、図４（ｂ）に示すものは、一次巻線１７が２つの一次巻線１７ａ、１７ｂに分けられており、これら一次巻線１７ａ、１７ｂの間に中央層となる二次巻線１８が配置されている。

図５は、図４（ａ）に示した変圧器１１と図４（ｃ）に示した従来構成の変圧器１０１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Ｖ１に対する二次側の電圧Ｖ２の比率（変圧比）を数値計算により求めたものである。変圧器１１は、従来構成の変圧器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とが分かる。負荷が大きくなるほど変圧比の差は顕著になる。

高い電力伝送効率を得るためには、鉄心１２を通過する磁束を増やし、二次巻線１８への鎖交磁束を増やす必要がある。そのためには、一次巻線１７と鉄心１２との距離が短くなるように一次巻線１７を配設し、漏れ磁束を低減する必要がある。図１に示す一次巻線１７ａと１７ｂとに挟まれた空間では、一次巻線１７ａによる磁束と一次巻線１７ｂによる磁束とが逆向きとなって打ち消し合うため、これら２つの一次巻線１７ａ、１７ｂにより生じる磁束は、一次巻線１７ａ、１７ｂの外側を通過するようになる。同様に、一次巻線１７ｂ、１７ｃにより生じる磁束も、一次巻線１７ｂ、１７ｃの外側を通過するようになる。

その結果、等価的に一次巻線１７を鉄心１２に接近させて配置した状態となり、二次巻線１８への鎖交磁束ひいては電力伝送効率（変圧比）が増大する。図１に示した変圧器１１では、一次巻線１７と二次巻線１８をそれぞれ３分割しているが、図４（ａ）に示すようにさらに多分割するとともに分割された巻線相互の距離を短くすると一層効果的である。

以上説明したように、本実施形態の変圧器１１によれば、鉄心１２がその全周に亘ってギャップ１５を挟んで一次鉄心１３と二次鉄心１４とに分割されており、一次鉄心１３、二次鉄心１４にそれぞれ一次巻線１７、二次巻線１８が一体となるように設けられているので、一次側または二次側が回転した状態で電力伝送が可能となる。

一次巻線１７を複数の巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃに分割して円筒形状の成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃを形成し、二次巻線１８を複数の巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃに分割して円筒形状の成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成し、これら一次側と二次側の成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃを、同心円状に且つ径方向に交互に配置したので、漏れ磁束が低減して電力伝送効率が向上する。

一次鉄心１３と二次鉄心１４とをギャップ１５を介して回転軸Ａｘの方向に対向させるとともに、これらに固定される円筒形状の成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃを回転軸Ａｘの方向に（周方向断面が櫛歯状となるように）配設した。これにより、一次鉄心１３に成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃを固定し、二次鉄心１４に成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃを固定し、これら一次側組立体と二次側組立体とを回転軸Ａｘ方向から組み合わせることにより、変圧器１１を容易に組み立てることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図６および図７を参照しながら説明する。
図６は、変圧器の周方向に対する断面を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。本実施形態の変圧器２３も、一次鉄心１３と二次鉄心１４により包囲された空間部１６に、回転軸Ａｘを中心軸として樹脂により円筒形に成形された一次巻線１７ａ、１７ｂの成形体１９ａ、１９ｂと二次巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃの成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃが同心円状に且つ径方向に等間隔で交互に配置されている。この場合、成形体１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、中央層（成形体２０ｂ）に対し内径側と外形側とで対称配置となっている。

一次巻線１７ａ、１７ｂおよび二次巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、それぞれ樹脂からなる端子板２４を介して互いに並列に接続されている。図７は、成形体２０ｃと端子板２４に関する分解斜視図である。円筒形の成形体２０ｃの一端部には鍔部２５が形成されており、成形体２０ｃは、当該鍔部２５に複数形成された孔２６を通して二次鉄心１４にねじ止めされるようになっている。

端子板２４は、鍔部２５と同じ厚さを持つ直方体片であり、その一方の面には凹状の３組の端子部（２７、２８）が形成されている。端子部２７同士および端子部２８同士は、それぞれ端子板２４の内部において電気的に接続されている。鍔部２５の一部は切り欠かかれており、その切欠部２５ｃの幅は端子板２４の幅に等しくなっている。切欠部２５ｃには、二次巻線１８ｃに接続された凸状の端子部（２９、３０）が形成されており、この端子部（２９、３０）は端子板２４の端子部（２７、２８）と嵌合されるようになっている。

端子板２４は、二次鉄心１４の内壁部に固着されており、成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各端子部（２９、３０）を端子板２４の端子部（２７、２８）に嵌め込むとともに、成形体２０ａ、２０ｂ、２０ｃを二次鉄心１４にねじ止めすることにより二次側組立体が製造される。一次側組立体も同様にして製造される。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用、効果を奏するとともに組立性が一層向上する。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図８を参照しながら説明する。
本実施形態の変圧器３１も、図２に示す変圧器１１と同様に全体として円環形状をなしている。図８は、変圧器３１の周方向に対する断面を示しており、図１または図６と同一部分には同一符号を付している。鉄心３２は、全周に亘って径方向に形成されたギャップ３５を挟んで一次鉄心３３と二次鉄心３４とに分割されている（ラジアルギャップ構造）。一次鉄心３３は固定されており、二次鉄心３４は回転軸Ａｘの回りに回転自在に配置されている。

一次鉄心３３の周方向断面は、軸方向に平行に延びる長尺の２辺とそれらの各端部間に連なる短尺の１辺とからなる「コ」字形状に形成されている。二次鉄心３４は、周方向断面が矩形形状であって、全周に亘って一次鉄心３３の開放側端部間にギャップ３５を介して配されている。

一次鉄心３３と二次鉄心３４により包囲された空間部３６には、回転軸Ａｘを中心軸として樹脂により円筒形に成形された一次巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃの成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃと二次巻線１８ａ、１８ｂの成形体２０ａ、２０ｂが同心円状に且つ径方向に等間隔で交互に配置されている。成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂの固定および接続手段には、第２の実施形態と同様に端子板２４を用いている。

本実施形態によっても、一次鉄心３３と二次鉄心３４とにより包囲された空間部３６において、成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂが、その周方向断面が櫛歯状となるように配設されるので、漏れ磁束が低減して電力伝送効率が向上する。また、第２の実施形態と同様にして一次鉄心３３に成形体１９ａ、１９ｂ、１９ｃを固定し、二次鉄心３４に成形体２０ａ、２０ｂを固定し、これら一次側組立体に対し二次側組立体を回転軸Ａｘ方向から組み合わせることにより、変圧器３１を容易に組み立てることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
磁性体として電磁鋼板に限らずフェライトコアなどを用いてもよい。
複数に分割された一次巻線１７および二次巻線１８は、それぞれ端子板２４等を用いて直列に接続してもよい。

一次鉄心と二次鉄心との分割は、図１（図６）および図８に示したものに限られない。例えば、周方向断面が「コ」字形状を有する一次鉄心と二次鉄心を、その開放部分同士が径方向に対向するように配置してもよい。
一次巻線と二次巻線を樹脂により中空円板状に成形し、その成形体を軸方向に交互に配置することにより、周方向断面が櫛歯状となるように構成してもよい。
単相の一次巻線および二次巻線に限られず、三相の一次巻線および二次巻線を備えた変圧器にも適用できるものである。
一次側を回転可能に設けるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す変圧器の断面図 変圧器の全体構成を示す概略的な斜視図 変圧器を用いた電力伝送形態の一例を示す図 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を示す図 数値計算により得られた負荷に対する変圧比を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 成形体と端子板に関する分解斜視図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１１、２３、３１は回転型変圧器、１２、３２は鉄心（磁性体）、１５、３５はギャップ、１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅは一次巻線、１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは二次巻線、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃは成形体、２４は端子板、２７、２８、２９、３０は端子部である。

Claims (5)

1. 全体として環状をなし、その全周に亘ってギャップを挟んで一次側と二次側とに分割された磁性体と、
   前記一次側と二次側の磁性体により包囲された環状の空間において、前記一次側および二次側の各磁性体に対しそれぞれ一体となるように設けられた一次巻線および二次巻線とを備え、
   前記一次巻線と二次巻線は、それぞれ樹脂により環状に成形されているとともに、少なくとも一方の巻線は複数に分けて成形されており、これら一次巻線と二次巻線の各成形体は、同心円状に且つ交互に配置されていることを特徴とする回転型変圧器。
2. 前記一次巻線の成形体の数と前記二次巻線の成形体の数とが異なることを特徴とする請求項１記載の回転型変圧器。
3. 前記一次巻線と二次巻線の各成形体は、前記交互配置したときに中央位置に配される成形体に対し対称配置されていることを特徴とする請求項２記載の回転型変圧器。
4. 端子部が形成された端子板を備え、
   前記一次巻線と二次巻線のそれぞれについて、前記成形体の軸方向端部に当該巻線の端子部が形成されており、この端子部が前記端子板に形成された端子部に嵌合されることにより、前記複数の成形体の巻線同士が直列または並列に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の回転型変圧器。
5. 前記一次巻線と二次巻線は、それぞれ円筒状に樹脂成形されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の回転型変圧器。

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