JP2014027865A - 非接触式変圧器システム - Google Patents

Abstract

【課題】高力率で高効率の非接触式変圧器システムを提供する。
【解決手段】非接触式変圧器の前段は、電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタ１０４と、電磁干渉フィルタ１０４に接続されたブリッジ整流器１０６を含んでいる。力率補正回路１１１が、ブリッジ整流器１０６に接続されており、これは、インダクタ１０９と、インダクタ１０９に直列に接続されたダイオード１１２と、コンデンサ１１４と、インダクタ１０９に接続された半導体スイッチ１１８を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器システムに関するものであり、特に非接触式変圧器システムに関係している。

電力システムの力率は、その回路内で負荷に対して流れる有効電力と見かけの電力の比率として定義されている。高力率の電力システムは、配電する際のエネルギーロスを節約することができる。

電力システムにおいて、同じ量の有効電力が伝達される場合、低力率の負荷は、高力率の負荷よりも多くの電流を引き出す。電流が高いと、配電システムにおいて損失するエネルギーが増大し、より大きな電線や他の装備が必要になる。大型の装備や浪費されるエネルギーのコストが理由で、電気事業は通常、低力率である産業や商業的消費者により高いコストを課すことになる。

コンデンサやインダクタの受動ネットワークを使用することで、低力率の線形負荷（例えば誘導モータ）を補正することができる。非線形負荷、例えば整流器などは、このシステムから引き出された電流を歪ませる。このような場合、能動的または受動的な力率補正を使用して歪みを相殺し、力率を上げることができる。力率を補正する装置は、中央変電所にある、配電システム全体に広がっている、または電力消費器具に築くことができる。

力率補正を備えた電力システムによって、エネルギー効率を改善させ、電気のコストを抑えることができる。力率補正は、電力汚染につながる高調波効果を抑える環境技術であり、社会に利益を与える。

現在のところ、非接触式変圧器システムには多くの用途があるが、力率補正の機能が欠けている。したがってこのような改善が必要とされている。さらに電気器具における力率の改善も必要である。

本発明は、上記に上げた問題を解決することを目指している。

本発明は、高力率で高効率の非接触式変圧器システムを提供しており、ここでは前段は、力率補正を備えたＡＣ−ＤＣ変換器であり、後段は、ハーフブリッジ共振器を備えたＤＣ／ＤＣ変換器である。非接触式変圧器システムによって、非接触式の変圧作業の効率を改善し、力率補正を行なうことができる。したがって本発明は、この目的を達成することでエネルギーを節約することができる。

本発明の一態様によって、非接触式変圧器システムが提供されており、このシステムは変圧器を備えており、この変圧器は、電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタと、電磁干渉フィルタに接続されたブリッジ整流器と、ブリッジ整流器に接続され、一次側インダクタと、二次側インダクタを備えることで第１電流を高力率で電圧が下げられた第２電流に変換する接触式変圧器と、二次側インダクタに直列に接続された二次側ダイオードと、単一体である二次側インダクタと二次側ダイオードに並列に接続された二次側コンデンサと、二次側コンデンサの高圧端部に接続されたフィードバック回路と、一次側インダクタに接続された前段半導体スイッチと、フィードバック回路と半導体スイッチに接続され、半導体スイッチを制御することで、フィードバック回路が返す信号に従って一次側インダクタをつけたり消したりするのに使用される制御装置を備えている。

本発明の別の態様は、非接触式変圧器システムを提供しており、このシステムはさらに、変圧器に接続されており、第２電流を第３電流に変換するハーフブリッジ共振器と、第３電流を電磁エネルギーに変換することで電磁エネルギーを無線により送信する送信インダクタと、一端が送信インダクタと接地コンデンサの間の接続点に接続され、他端がハーフブリッジ共振器に接続されたフィードバック回路を備える送信回路と、２つの受信インダクタを備えることで、電磁誘導によって電磁エネルギーを受信し、電磁エネルギーを第４電流に変換する受信回路と、受信回路に接続され、第４電流を出力する出力回路を備えており、ハーフブリッジ共振器が、２つの後段半導体スイッチに接続されることで、スイッチ制御回路を形成し、共振タンクが、スイッチ制御回路に接続された共振コンデンサと、共振コンデンサに接続された共振インダクタを備える。

本発明の別の態様は、非接触式変圧器システムを提供しており、この場合送信回路の送信インダクタは環状送信インダクタであり、送信回路はさらに、環状送信インダクタの中央に磁極を備えており、受信回路の２つの受信インダクタが、環状受信インダクタを形成しており、環状受信インダクタが、該磁極と係合し、環状送信インダクタと重なり合ったとき、環状受信インダクタが、環状送信インダクタから送信される電磁エネルギーを受信し、この場合磁極の長さは、環状送信インダクタと環状受信インダクタの両方を貫通するのに十分な長さである。

本発明は以下の利点を有する。すなわち（ａ）電力出力の高い製品に適用することが可能であること、（ｂ）磁気構成要素の磁場転換効率が向上すること、（ｃ）送信と受信の接触距離が伸びること、（ｄ）後段ハーフブリッジ回路の一次側と二次側の構成要素が、ゼロ電圧またはゼロ電流に切り換えられることで、回路全体の効率を高めること、（ｅ）照明器具で使用される際、電球と変圧器を接続する端子に関する要件がなくなることで、エネルギーを節約し環境を保護すること、（ｆ）接続端子に関する要件が（端子がさびついてしまうため）なくすことができることから、湿ったおよび湿度の高い環境に適用することができることである。

本発明はまた、鉄心の磁極を有する非接触式の磁気構成要素の構造も改善させ、この磁極の長さは、送信コイルと受信コイルの両方を貫通するのに十分な長さである。鉄心の磁極により、２つのコイルによって生成される磁場転換が改善され、受信コイルの誘導電圧を改善することで高磁束転換効率が実現する。

本発明の基本的な目的および利点は、以下の記載を読み、添付の図面を参照することで明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による変圧器の前段を示す図である。 本発明の一実施形態による非接触式変圧器システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、非接触式変圧器システムの前段を示す図である。 本発明の別の実施形態による、非接触式変圧器システムの前段を示す図である。 本発明の別の実施形態による、ハーフブリッジ共振回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示す図である。 本発明の別の実施形態による、ハーフブリッジ変圧回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示す図である。 本発明の別の実施形態による、フルブリッジ変圧回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示す図である。 本発明の一実施形態による送信回路を示す図である。 本発明の一実施形態による受信回路を示す図である。 本発明の一実施形態による受信回路と送信回路が結合した状態を示す図である。

本発明の好ましい実施形態および態様は、本発明の範囲、構造および手順を説明する目的で記載される。明細書の好ましい実施形態の他に、本発明は他の実施形態にも広く適用することができる。

本発明は、高力率で力率補正を備えた非接触式変圧器システムを提供することで、非接触式の変圧効率を改善させる。

図２は、本発明の一実施形態による非接触式変圧器システムを示しており、このシステムは、交流電源（２０２）と、変圧器（３００）と、送信回路（４１０）と、受信回路（４５０）と出力回路（４６０）を含んでいる。交流電源（２０２）は、配電幹線であってよく、出力回路（４６０）は、充電器、電球などを含めた電気負荷であってよい。また
送信回路（４１０）と受信回路（４５０）の間に電線を交換するための非接触式インターフェースが在る。

本発明が照明器具で使用される際、電球と変圧器を接続する端子に関する要件をなくすことができることで、エネルギーを節約し、環境を保護することができる。

その一方で照明器具は、接続端子に関する要件を（端子がさびつくため）なくすことができることから、湿ったおよび湿度の高い環境に適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態による変圧器の前段を示しており、この変圧器は、この変圧器は、電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタ（１０４）と、電磁干渉フィルタ（１０４）に接続されたブリッジ整流器（１０６）を含んでいる。力率補正回路（１１１）が、ブリッジ整流器（１０６）に接続されており、これは、インダクタ（１０９）と、インダクタ（１０９）に直列に接続されたダイオード（１１２）と、コンデンサ（１１４）と、インダクタ（１０９）に接続された半導体スイッチ（１１８）を含んでいる。

また力率が補正された電流は、前段出力端子（１１６）を通って後段の入力端子へと流れる。

図３ａは、本発明の別の実施形態による非接触式変圧器システムの前段を示している。図１の力率補正回路（１１１）は改変されており、本発明の非接触式変圧器システムの前段は、力率補正を備えた単段のＡＣ／ＤＣ変圧器に改変されており、この変圧器が、力率を上げシステム効率を改善させる。すなわち変圧器（３００）は、力率補正を備えた変圧器である。

図３ａを参照すると、非接触式変圧器（３００）は、電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタ（３０４）と、電磁干渉フィルタ（３０４）に接続されたブリッジ整流器（３０６）と、ブリッジ整流器（３０６）に接続され、一次側インダクタ（３０８）と二次側インダクタ（３１０）を含むことで第１電流（交流電流）を、電圧が下げられ高力率の第２電流（直流電流）に変換する接触式の変圧器を含んでいる。

さらに変圧器（３００）は、二次側インダクタ（３１０）に直列に接続された二次側ダイオード（３１２）と、単一体である二次側インダクタ（３１０）と二次側ダイオード（３１２）に並列に接続された二次側コンデンサ（３１４）と、二次側コンデンサ（３１４）の高圧端部に接続されたフィードバック回路（３２２）と、一次側インダクタ（３０８）に接続された前段半導体スイッチ（３１８）をさらに備えている。

制御装置（３２０）は、フィードバック回路（３２２）と半導体スイッチ（３１８）に接続されており、半導体スイッチ（３１８）を制御することで、フィードバック回路（３２２）から戻った信号に従って一次側インダクタ（３０８）をつけたり消したりする。

力率が補正された電流は、前段出力端子（３１６）へと流れる。

図３ｂは、本発明の別の実施形態による非接触式変圧器システムの前段を示している。

図３ｂを参照すると、非接触式変圧器システムの変圧器（３００’）は、電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタ（３０４’）と、電磁干渉フィルタ（３０４’）に接続されたブリッジ整流器（３０６’）と、ブリッジ整流器（３０６’）に接続され、一次側インダクタ（３０８’）と二次側インダクタ（３１０’）を含むことで第１電流（交流電流）を、電圧が下げられ高力率の第２電流（直流電流）に変換する接触式の変圧器を含んでいる。

さらに変圧器（３００’）は、二次側インダクタ（３１０’）に直列に接続された二次側ダイオード（３１２’）と、単一体である二次側インダクタ（３１０’）と二次側ダイオード（３１２’）に並列に接続された二次側コンデンサ（３１４’）と、一端が二次側コンデンサ（３１４’）の高圧端部に接続され、他端が光結合器（３２３）に接続されることで信号を伝送するフィードバック回路（３２２’）と、一次側インダクタ（３０８’）に接続された前段半導体スイッチ（３１８’）を含んでいる。

力率が補正された電流は、前段出力端子（３１６’）へと流れる。

制御装置（３２０’）は、フィードバック回路（３２２’）と半導体スイッチ（３１８’）に接続されており、半導体スイッチ（３１８’）を制御することで、フィードバック回路（３２２’）から戻った信号に従って一次側インダクタ（３０８’）をつけたり消したりする。

制御装置（３２０’）は、照明用の単段フライバック方式の境界モード力率補正制御装置であってよく、ＦＬ６９６１チップを含んでいる。図３ｂに示される要素１−８は、ＦＬ６９６１チップのポートの数である。

図４ａは、本発明の一実施形態によるハーフブリッジ共振回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示している。一次側が、前段によって出力された直流の出力の電圧を交流信号に変換する。非接触式磁気要素によるエネルギー変換後に、二次側が、ブリッジ整流器によって交流信号を直流に変換し、この直流を負荷に提供する。

前段出力端子（図３ａに示される要素３１６または図３ｂに示される要素３１６’）からの電流は、後段入力端子（図４ａに示される要素４０２、図４ｂに示される要素４０２’または図４ｃに示される要素４０２”）に流れる。

非接触式変圧器システムの後段は、変圧器（図３ａに示される要素３００または図３ｂに示される３００’）に接続され、第２電流（直流電流）を第３電流（交流電流）に変換するハーフブリッジ共振器（４１２）と、第３電流（交流電流）を電磁エネルギーに変換し無線により送信する送信インダクタ（４２３）を備える送信回路（４１０）を備えている。ハーフブリッジ共振器（４１２）は、２つの後段半導体スイッチ（４１４、４１６）に接続され、この２つの後段半導体スイッチ（４１４、４１６）の各々の２つの端部がそれぞれ、ダイオード（４１５または４１７）に接続されることで、スイッチ制御回路（４２４）を形成している。

非接触式変圧器の一次側の送信回路（４１０）は、フィードバック回路（４１３）を備えており、その一端は、送信インダクタ（４２３）と接地コンデンサ（４２１）の間の地点に接続され、他端は、ハーフブリッジ共振器（４１２）に接続されている。

送信回路（４１０）はさらに、共振タンク（４２６）を備えており、この共振タンクは、スイッチ制御回路（４２４）に接続された共振コンデンサ（４１８）と、共振コンデンサ（４１８）に接続された共振インダクタ（４２０）を含んでいる。

非接触式変圧器システムの後段はさらに、電磁誘導によって電磁エネルギーを受信し、第４電流（直流電流）に変換する２つの受信インダクタ（４５１ａ、４５１ｂ）を含む受信回路（４５０）を備えている。出力回路（４６０）が、受信回路（４５０）に接続され第４電流（直流電流）を出力する。２つの受信インダクタ（４５１ａ、４５１ｂ）は、２つの整流ダイオード（４５２、４５４）に接続されて、ブリッジ整流器回路（４３０）を形成する。

ブリッジ整流器回路（４３０）は、ローパスフィルタコンデンサ（４５６）を含むローパスフィルタ波回路（４３２）に接続される。スイッチ制御回路（４２４）は、共振および周波数変調によって制御され、ゼロ電流に切換えられる。

したがって後段は、非接触式駆動回路と、周波数変調を備えたハーフブリッジ共振回路であり、この共振回路は、共振セオリーによって一次側にある要素をゼロ電圧に切り換える。二次側の負荷が変動する際、一次側の共振カーブが変化し、作動周波数も変わる。よって作動周波数は、いずれの負荷および共振カーブにおいても最適である。一次側のスイッチは、ゼロ電圧に切り換えることができ、二次側整流要素は、ゼロ電流に切り換えることができる。したがって回路全体での切換え作業のロスを抑えることで、回路全体の効率を改善することができる。

図４ｂは、本発明の別の実施形態によるハーフブリッジ変換回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示している。送信回路（４１０’）を使用して図４ａに示される送信回路（４１０）を交換し、図３ａまたは３ｂに示される変圧器（３００または３００’）に接続する。送信回路（４１０’）は、第２電流（直流電流）を第３電流（交流電流）に変換するハーフブリッジ変圧回路と、第３電流（交流電流）を電磁エネルギーに変換して無線により送信する送信インダクタ（４２３’）を備える。ハーフブリッジ変圧回路は、２つの後段コンデンサ（Ｃ１’、Ｃ２’）と、２つの後段半導体スイッチ（Ｑ１’、Ｑ２’）を備えており、このスイッチがそれぞれ、ダイオード（Ｄ１’、Ｄ２’）に接続される２つの端部を有することでスイッチ制御回路を形成している。

図４ｃは、本発明の別の実施形態によるフルブリッジ変圧回路を備えた非接触式変圧器システムの後段を示している。送信回路（４１０”）を使用して図４ａに示される送信回路（４１０）を交換し、図３ａまたは３ｂに示される変圧器（３００または３００’）に接続する。送信回路（４１０”）は、第２電流（直流電流）を第３電流（交流電流）に変換するフルリッジ変換回路と、第３電流（交流電流）を電磁エネルギーに変換して無線により送信する送信インダクタ（４２３”）を備える。フルブリッジ変圧回路は、４つの後段半導体スイッチ（Ｑ１’、Ｑ２’、Ｑ３’、Ｑ４’）を備えており、そのそれぞれが、ダイオード（Ｄ１’、Ｄ２’、Ｄ３’、Ｄ４’）に接続された２つの端部を有することでスイッチ制御回路を形成している。

図５ａは、本発明の一実施形態による送信回路を示しており、図５ｂは、本発明の一実施形態による受信回路を示している。図６は、本発明の一実施形態による受信回路と送信回路が結合した状態を示している。

図５ａを参照すると、送信鉄心（５０２）が、図２および図４ａの送信回路（４１０）として機能している。送信インダクタは、環状送信インダクタ（５０４）であり、送信鉄心（５０２）は、環状送信インダクタ（５０４）の中心に位置する磁極（５０６）を備えている。

図５ｂを参照すると、受信鉄心（５１２）が、図２および図４ａの受信回路として機能しており、受信インダクタ、すなわち環状受信インダクタ（５１０）を有する。環状受信インダクタ（５１０）が磁極（５０６）と係合し、環状送信インダクタ（５０４）と重なり合い、環状受信インダクタ（５１０）が、環状送信インダクタ（５０４）によって送信される電磁エネルギーを受信する。

磁極（５０６）および鉄心の基部の形状は、円筒形、円錐、立方体または角錐であってよい。磁極（５０６）の長さは、環状受信インダクタ（５１０）と環状送信インダクタ（５０４）の両方のコイルが貫通するのに十分な長さである。２つのコイルが、送信鉄心（５０２）の磁極（５０６）の周りで磁場転換を行い、受信コイル、すなわち環状受信インダクタ（５１０）の誘導電圧が増大することで、高磁束転換効率が実現する。

受信コア（５１２）は、出力回路に接続することができ、この出力回路は、充電器、電球などを含めた負荷であってよい。

上記に記載した本発明の実施形態は、例示することのみを目的としている。恐らく多くの代替の実施形態が、以下の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく当業者によって考案されるであろう。

１０４ 電磁干渉フィルタ
１０６ ブリッジ整流器
１０９ インダクタ
１１１ 力率補正回路
１１２ ダイオード
１１４ コンデンサ
１１６ 前段出力端子
１１８ 半導体スイッチ
２０２ 交流電源
３００ 変圧器
３０４、３０４’ 電磁干渉フィルタ
３０６、３０６’ ブリッジ整流器
３０８、３０８’ 一次側インダクタ
３１０、３１０’ 二次側インダクタ
３１２ 二次側ダイオード
３１４、３１４’ 二次側コンデンサ
３１６、３１６’ 前段出力端子
３１８、３１８’ 前段半導体スイッチ
３２０、３２０’ 制御装置
３２２、３２２’ フィードバック回路
３２３ 光結合器
４０２、４０２’、４０２” 後段入力端子
４１０ 送信回路
４１２ ハーフブリッジ共振器
４１３ フィードバック回路
４１４、４１６ 半導体スイッチ
４１５、４１７ ダイオード
４１８、４１８’４１８” 共振コンデンサ
４２０ 共振インダクタ
４２１ 接地コンデンサ
４２３、４２３’、４２３” 送信インダクタ
４２４ スイッチ制御回路
４２６ 共振タンク
４３０ 整流ブリッジ
４３２ ローパスフィルタ回路
４５０ 出力回路
４５１ａ、４５１ｂ 受信インダクタ
４５２、４５４ 整流ダイオード
４５６ ローパスフィルタコンデンサ
４６０ 出力回路
５０２ 送信鉄心
５０４ 環状送信インダクタ
５０６ 磁極
５１０ 環状受信インダクタ
５１２ 受信鉄心

Claims (10)

1. 変圧器を備える非接触式変圧器システムであって、該変圧器が、
   電磁干渉を除去する電磁干渉フィルタと、
   該電磁干渉フィルタに接続されたブリッジ整流器と、
   該ブリッジ整流器に接続され、一次側インダクタと、二次側インダクタを備えることで第１電流を高力率で電圧が下げられた第２電流に変換する接触式変圧器と、
   前記二次側インダクタに直列に接続された二次側ダイオードと、
   単一体である前記二次側インダクタと前記二次側ダイオードに並列に接続された二次側コンデンサと、
   前記二次側コンデンサの高圧端部に接続されたフィードバック回路と、
   前記一次側インダクタに接続された前段半導体スイッチと、
   前記フィードバック回路と前記半導体スイッチに接続され、前記半導体スイッチを制御することで、前記フィードバック回路が返す信号に従って前記一次側インダクタをつけたり消したりするのに使用される制御装置を備えるシステム。
2. 前記変圧器に接続されており、
   前記第２電流を第３電流に変換するハーフブリッジ共振器と、
   該第３電流を電磁エネルギーに変換することで該電磁エネルギーを無線により送信する送信インダクタと、
   一端が前記送信インダクタと接地コンデンサの間の接続点に接続され、他端が前記ハーフブリッジ共振器に接続されたフィードバック回路を備える送信回路と、
   ２つの受信インダクタを備えることで、電磁誘導によって前記電磁エネルギーを受信し、前記電磁エネルギーを第４電流に変換する受信回路と、
   前記受信回路に接続され、前記第４電流を出力する出力回路をさらに備えており、
   前記ハーフブリッジ共振器が、２つの後段半導体スイッチに接続されることで、スイッチ制御回路を形成し、共振タンクが、
   該スイッチ制御回路に接続された共振コンデンサと、
   該共振コンデンサに接続された共振インダクタを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記変圧器に接続されており、
   前記第２電流を第３電流に変換するハーフブリッジ変圧回路と、
   該第３電流を電磁エネルギーに変換することで該電磁エネルギーを無線により送信する送信インダクタを備える送信回路と、
   ２つの受信インダクタを備えることで、電磁誘導によって前記電磁エネルギーを受信し、前記電磁エネルギーを第４電流に変換する受信回路と、
   前記受信回路に接続され、前記第４電流を出力する出力回路をさらに備え、
   前記ハーフブリッジ変圧回路が、２つの後段コンデンサと、２つの後段半導体スイッチを備えており、この２つの後段半導体スイッチのそれぞれの２つの端部が、ダイオードに接続されることでスイッチ制御回路を形成する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記変圧器に接続されており、
   前記第２電流を第３電流に変換するフルブリッジ変圧回路と、
   該第３電流を電磁エネルギーに変換することで、該電磁エネルギーを無線により送信する送信インダクタを備える送信回路と、
   ２つの受信インダクタを備えることで、電磁誘導によって前記電磁エネルギーを受信し、前記電磁エネルギーを第４電流に変換する受信回路と、
   前記受信回路に接続され、前記第４電流を出力する出力回路をさらに備え、
   前記フルブリッジ変圧回路が、４つの後段半導体スイッチを備えており、この２つの後段半導体スイッチのそれぞれの２つの端部が、ダイオードに接続されることでスイッチ制御回路を形成する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記２つの受信インダクタが、２つの整流ダイオードに接続されることでブリッジ整流器回路を形成する、請求項２に記載のシステム。
6. 前記スイッチ制御回路が、共振および周波数変調によって制御され、前記スイッチ制御回路をゼロ電圧に切り換え、前記ブリッジ整流器回路をゼロ電流に切り換える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１電流と第３電流が交流であり、前記第２電流と第４電流が直流である、請求項２に記載のシステム。
8. 前記送信回路の送信インダクタが環状送信インダクタであり、前記送信回路がさらに、前記環状送信インダクタの中央に磁極を備えており、
   前記受信回路の前記２つの受信インダクタが、前記環状受信インダクタを形成しており、
   前記環状受信インダクタが、該磁極と係合し、前記環状送信インダクタと重なり合ったとき、前記環状受信インダクタが、前記環状送信インダクタから送信される電磁エネルギーを受信し、前記磁極の長さが、前記環状送信インダクタと前記環状受信インダクタの両方を貫通するのに十分な長さである、請求項２に記載のシステム。
9. 前記変圧器が力率補正変圧器である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記制御装置が、単段フライバック方式の境界モード力率補正制御装置である、請求項１に記載のシステム。