JP2010136508A - 直流電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の直流電圧変換装置では、直流を一旦交流に変換した後、交流変圧器を用いて電圧を変換後、得られた交流を整流して直流に変換していた。これでは、直流を交流に変換する電子機器と、交流変圧器、更に得られた交流を直流に変換する整流装置と、得られた脈流を平滑にする温度特性と耐久性に劣る蓄電器からなる電子機器が必要で、これが直流電圧変換を困難、複雑にし、作りにくく、特性を悪くし、高価にしていた。この欠点が直流より交流を優先して使う社会としてきた。
【解決手段】 従来の直流電圧変換機器の欠点を、本発明の固定子の導線配置と、回転子の単極永久磁石化により解決し、直流機器でありながら、整流子、スリップリングなどの動接触部分がなく、回転方向に対し磁場強度が一定な構造にすることにより、大きさの一定した直流が安定して得られ、特性、価額、耐久性の面で優れ、広い電力範囲でも、高温でも使用可能な、直流電圧変換装置が得られた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電圧変換装置の構造に関する。

従来の直流電圧変換装置は、直流を交流に変換した後、交流変圧器を用いて電圧を変換し、更にその交流出力を直流に変換する必要があった。このため、装置が複雑になり、故障、破壊、雑音の発生などのほか、大電力化、高温動作に問題があった。

また、必ず整流器を必要とするので、整流器の順方向電圧以下の直流を得ることは困難であった。

また、従来の直流回転機の場合には、回転子に必要な電流を導くための整流子やスリップリングが必要なため、機械的電気的接触抵抗の存在、またそれの変動、または整流子やスリップリングの磨耗破損などがあり、該機器のエネルギー損失は避けられず、また磨耗による機器寿命の低下という欠点があった。
「電気機械工学」 電気学会編、尾本義一、他著 （発行：電気学会、１９８７年１２月２５日出版）

従来の直流回転機器においては、電流の向きを変えるための整流子やスリップリングがあり、そのため、電流の脈流、脈流による渦電流損失、雑音、磨耗破壊などがあり、電気性能が不安定性でかつ機器が壊れやすかった。

本発明は、従来の問題点を解消するため、直流交流変換回路、交流直流変換回路と交流変圧器を使う代わりに、整流子もスリップリングも必要としない直流回転機を用いる。該回転機には、固定子の外周に近接する回転子があり、この回転子の内側の磁極をＮまたはＳの一極とする。また、固定子には導体線を用いて複数の巻き線を設ける。そのうちの第１の巻き線を１次側巻き線として、これに直流電圧を加えて回転子を回転させる。

回転子が回転することにより、固定子の第２の巻き線（２次側巻き線）が等価的に磁力線を切ることにより２次側巻き線に電圧が発生するので、１次側巻き線との巻き数比に応じて変換された直流電圧を２次側巻き線端子から取り出すことが出来る。また、固定子に巻かれた複数の独立した導線については、固定子表面近くでは回転子の回転軸方向に巻き線方向をそろえ、また巻き線の戻り（戻り線）は機器の軸の中心近くを通るようにする。また、それぞれの巻き線には独立して電流が流れるようにする。

この方法によれば、交流・直流変換を必要とせず、これに伴って発生する雑音、電圧変動、機械的電気的損失が少なく、電力や使用温度の制限が緩和された、静かな安定した直流電圧変換装置を実現できる。

本発明の直流電圧変換装置は、機械的電気的損失の少ない、低雑音で故障が少ない、優れた耐久性を示す。

図１は、本発明の第一の形態を示す直流電圧変換装置の回転軸を通る垂直面で切断した断面図を示す。ここで回転子１１０は、回転子の永久磁石部１１１と回転子固定用非または反磁性体部１１２および回転子の軸受け部１１３からなっている。回転子の永久磁石部１１１は、筒状になっており、磁場は円筒の内部と外部に一様な極を持つようになっている。回転子固定用非または反磁性体部１１２は回転子の永久磁石を支持する非または反磁性体（この例では反磁性体のＣｕ製）の構造体であり、回転子軸受け部１１３に接続して回転子を支えている。

１２０は固定子を、１２３は固定子の軸受け部を、１２４は固定子の軸部を、１３１は第１の巻き線を、１３２は第２の巻き線を、１７０は装置固定脚、１４１は第１の取り出し導線、１４２は第２の取り出し導線、１２５はハウジングを示す。また第１の巻き線、第２の巻き線のうち固定子の表面近傍から固定子端面を経由して固定子の中心軸近傍を通り再び表面近傍に至る際の「中心軸近傍に中心軸とほぼ平行配置された巻き線部分」をそれぞれ第１の戻り線１３３、第２の戻り線１３４として示した。

固定子の軸部分には磁気浮上用の磁石を設け、同様に、対応する回転子の部分にも磁石を設けて磁気浮上型軸受けを構成している。これにより、軸受け部分での摩擦によるエネルギー損失が解消する。さらには、ハウジング内部を減圧、又は真空排気して封止することにより、回転中の回転子の気体摩擦を著しく低減できるので変換効率がより一層向上する。なお、固定子の軸受け部分に設ける磁石を電磁石で構成しても良い。

図２に、図１に示した直流電圧変換装置の固定子の巻き線を模式的に示す。図は、図１のＰ-Ｐ断面図であり、固定子の軸方向から見た固定子の端面と軸断面を表している。図中の一重丸印は第１の巻き線１３１を、二重丸印は第２の巻き線１３２を表している。

また、丸印の中の×印は紙面背後に向かって流れる電流の向きを、丸印の中の点印は紙面背後から手前に向かって流れる電流の向きを表わす。本例では、第１の巻き線数と第２の巻き線の巻き数比は１：２になっている。

また、図２に示すように、固定子１２０表面近くの導線２４３は固定子の中心軸とほぼ平行になるように配置されている。さらに、巻き線は表面近くから固定子の端面を経由し、中心軸に近い部分を通って再び表面近くに戻っていく。この場合の「戻り線」(中心軸に近い部分を通る巻き線)は固定子中心軸とほぼ平行であり、かつ、出来る限り中心軸の近くを通ることが望ましい。固定子の軸部１２４内の破線丸は第１の外部取り出し導線１４１、実線二重丸は第２の外部取り出し導線１４２である。

なお、図２では第２の巻き線を２次側巻き線としたが、第２の巻き線を１次側巻き線として、第１の巻き線を２次側巻き線とすることも可能であり、この場合には変圧比は大略２：１となる。更には、第２の巻き線を数種類作ることにより、異なる変圧比を持った数種類の２次側出力を得ることも出来る。

図３は本発明の第二の形態を示す直流電圧変換装置の断面図であり、同一中心軸上に同軸に配置された二つの固定子３２０、３２１を持つ。固定子３２０と３２１は、各々独立した巻き線を持ち、それぞれ外部取り出し導線３４１、３４２を入出力端子としている。また、実施例１と同様に各固定子の巻き線は一種類に限定することなく、数種類の巻き線を設けることも可能である。図中のその他の３１０、３１２、３１３、３２３、３２４、３２５、３３１、３３２、３７０は、図１に示す対応部位のものと同様であり説明を省略する。

更に本例においては、回転子の動力伝達用窓３６０を介して外部動力（例えば交流モーターの回転）を回転子に設けられた動力伝達用歯車部３６１に接続することが出来る。これによれば、外部動力を用いて固定子の巻き線数に応じた直流電圧を得ることが出来る。

また、図４は本発明の第三の形態を持つ直流電圧変換装置の断面構造図である。固定子と回転子の軸受け部分に図1、図３に示したような磁気浮上式軸受け部分を持たない簡便な構造であり、左右にある固定子の軸４２４を外部構造体に固定して作動させる。ここでは、図１の円筒状の永久磁石代わりに棒状永久磁石を用いている。図中４１５は円筒形の磁性体からなる磁極、４１６は棒状永久磁石である棒磁石、４１４は回転子外周部を示す。４５１、４５２はそれぞれ第１、第２の外部取り出し端子を示す。４３１、４３２、４４１、４４２は図1に示す対応部位のものと同様である。

図５は図４に示す固定子の端面付近で軸に垂直なＱ-Ｑ面で切った外部回転子と固定子の部分断面図であり、各符号は図４で説明したとおりである。

図６は、図２で示した直流電圧変換装置の固定子の巻き線構造とは別の巻き線構造を示す模式図である。図２では裏側の端面にある巻き線の表示を破線で示したが、ここでは、省略している。固定子６２０表面近くに巻かれた導線６４３が固定子の内部で戻る「戻り線」を３箇所の貫通溝６５０に集めた。戻り線が通る貫通溝の空間部分は、戻り線部分の磁気抵抗を高くしてその部分を通過する磁力線の数を減らし、戻り線を切る磁束を少なくするような構造にしたものである。この場合の巻き線の戻り線は、貫通溝を通して固定子の端面から固定子の軸部６２４に達し、軸部の中を通って外部取り出し導線６４２として外部に取り出している。６３１、６３２は第１の巻き線、第２の巻き線を示す。この構造にすることにより、戻り線に発生する逆起電力を少なくすることができる。すなわち、該起電力による本機器の電圧損失を少なくすることができる。

図７は、図６とは異なる構造の貫通溝を持つ固定子に対する巻き線構造を示す模式図である。本図は、固定子の軸部７２４の根元付近で切断した固定子７２０の部分断面図であり、固定子の端面から見た巻き線状態を模式的に示している。細長い楔型の貫通溝７５０を固定子の軸中心から固定子外周方向に延びる放射線方向に配置して、この方向の磁気抵抗を高くする。貫通溝に戻り線を集めていっぱいになるように入れている。巻き線として例えば銅を使用した場合、この貫通溝部分の磁気抵抗が銅の反磁性も加わって極めて高くなり、この部分には放射状の磁束は通らなくなる。これにより、戻り巻き線での逆起電力をほとんどなくすることが出来る。なお、図中の７４３は固定子表面近くを通る導線を示し、黒丸表記は第１の巻き線７３１を、白丸表記は第２の巻き線７３２を表す。また、固定子の裏側の端面を通る巻き線や、固定子軸中を通る外部取り出し導線などの表示を本図では省略している。

図１に断面を示す構造の直流変換装置の回転子を環状のフェライト永久磁石１個用いて作った。１４１の外部取り出し導線に繋がる第１の固定子巻き線と１４２の外部取り出し導線に繋がる第２の固定子巻き線の巻き数比を１対１０とした固定子を用いて、１４１の外部取り出し導線に３ボルトの直流電源を接続したところ、１４２の外部取り出し導線に３０ボルトの直流を安定して得ることができた。

また、図３に示す構造の直流電圧変換装置の回転子を円筒状のフェライト永久磁石１個を用いて作った。３２０の固定子の巻き線数と３２１の固定子の巻き線数との比を１対５とした固定子を用いて、３４１の外部取り出し導線に３ボルトの直流電圧を与えたところ、３４２の外部取り出し導線に１５ボルトの安定した直流電圧を取り出すことができた。

また、図４に示す構造の直流電圧変換装置を棒状の永久磁石４個用いて作った。４４１の第１の外部取り出し導線に繋がる固定子巻き線と４４２の第２の外部取り出し導線に繋がる固定子巻き線の巻き数比を１対１０とした固定子を用いて、第１の外部取り出し導線４４１に３ボルトの直流電圧を与えたところ、３０ボルトの安定した雑音のない直流電圧を第２の外部取り出し導線４４２に取り出すことができた。

図６に示す構造の固定子を持つ直流電圧変換装置作製した。１次巻き線と２次巻き線の巻き数比を１対１０とした固定子を使用して第１の外部取り出し導線に３ボルトの直流電圧を与えたところ第２の外部取り出し導線に３０ボルトの安定した直流電圧を取り出す事ができた。

図７に示す構造の固定子を持つ直流電圧変換装置作製した。１次巻き線と２次巻き線の巻き数比を１対１０とした固定子を使用して第１の外部取り出し導線に３ボルトの直流電圧を与えたところ第２の外部取り出し導線に３０ボルトの安定した直流電圧を効率よく取り出す事ができた。

実施例１のものは、大型から小型まで、種々の直流電圧、種々の電力レベルの電圧変換装置として用いることが出来る。

実施例２，３、４、５のものは、大型から小型まで、種々の電圧、電力レベルの電圧変換装置として用いることが出来る。また、実施例２の方式によれば外部からの動力で回転子を回転させれば、交流電力、その他のエネルギーから直流電力への変換に有利に使うことが出来る。

電気機械、電気力応用機器、電気エネルギー変換機器などに広く利用可能である。

本発明の第一形態を持つ直流電圧変換装置の断面構造図 本発明の第一形態を持つ直流電圧変換装置の固定子の巻き線構造を示す模式図 本発明の第二形態を持つ直流電圧変換装置の断面構造図 本発明の第三形態を持つ直流電圧変換装置の断面構造図 本発明の第三形態を持つ直流電圧変換装置の部分断面図 本発明の第一形態を持つ直流電圧変換装置の固定子の別の巻き線構造を示す模式図 本発明の第一形態を持つ直流電圧変換装置の戻り線用の別の貫通溝を持つ固定子の巻き線構造を示す模式図

符号の説明

１１０、３１０ 回転子
１１１、３１１ 回転子の永久磁石部
１１２、３１２ 回転子固定用非または反磁性体部
１１３、３１３ 回転子軸受け部
１２０、３２０、３２１、４２０、６２０、７２０ 固定子
１２３、３２３ 固定子の軸受け部
１２４、３２４、４２４、６２４、７２４ 固定子の軸部
１２５、３２５ ハウジング
１３１、３３１、４３１、６３１、７３１ 第１の巻き線
１３２、３３２、４３２、６３２、７３２ 第２の巻き線
１３３ 第１の巻き線の戻り線
１３４ 第２の巻き線の戻り線
１４１、３４１、４４１ 第１の外部取り出し導線
１４２、３４２、４４２、６４２ 第２の外部取り出し導線
１７０、３７０ 装置固定脚
２４３、６４３、７４３ 固定子表面近くの導線
３６０ 動力伝達用窓
３６１ 動力伝達用歯車部
４１４ 回転子外周部
４１５ 円筒形の磁性体からなる磁極
４１６ 棒磁石
４５１ 第１の外部取り出し端子
４５２、５５２ 第２の外部取り出し端子
６５０、７５０ 貫通溝

Claims (5)

1. 固定子と、該固定子を取り囲むように固定子の外周部に近接して設置した回転子とで構成した直流電圧変換装置であって、
   永久磁石で磁極を構成した該回転子は、その内面がＮまたはＳ極のいずれか一極のみの磁極であって、回転子は固定子の外周部を回転可能な構造を有し、
   また該固定子の導体巻き線を、１次側（入力側）巻き線と２次側（出力側）巻き線とからなる二つ以上の複数の巻き線で構成したことを特徴とする直流電圧変換装置。
2. 固定子に巻かれた前記導体巻き線のうち、固定子の表面近傍に存在する巻き線の方向を前記回転子の回転軸方向とほぼ平行になるように揃え、
   また、「戻り線」を固定子の中心軸近傍に中心軸とほぼ平行になるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
   （注：「戻り線」とは、巻き線のうち固定子の表面近傍から固定子端面を経由して固定子の中心軸近傍を通り再び表面近傍に至る際の「中心軸近傍に中心軸とほぼ平行配置された巻き線部分」を指す。）
3. 前記固定子が同軸上に連結された複数個の固定子であり、各々の固定子が一つ以上の巻き線を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電圧変換装置。
4. 前記回転子を円筒形の永久磁石で構成し、該回転子を支える軸受けに磁気浮上軸を用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流電圧変換装置。
5. 前記固定子、前記回転子、及び前記磁気浮上形軸受けを密閉型ハウジング内部に収納し、該ハウジング内部を減圧または真空密閉封止したことを特徴とする請求項４に記載の直流電圧変換装置。