JP2019154216A

JP2019154216A - 無接触スリップリング装置

Info

Publication number: JP2019154216A
Application number: JP2018048576A
Authority: JP
Inventors: 忠高野; Tadashi Takano; 光弘塩野; Mitsuhiro Shiono
Original assignee: Shiono Mitsuhiro
Current assignee: Shiono Mitsuhiro
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-12

Abstract

【課題】従来二つの動くサブシステム間で電力を伝送する回路（スリップリング）では、一方のサブシステムから摺動子を出し他方のサブシステム表面の電極に機械的に接触して、電流を流すことにより伝送していた。この場合、接触する２導体の表面が削れるため、屑が表面に蓄積してしまう。そのため保守作業が必要であり、適用によっては保守が難しいという弊害が有った。【解決手段】回転軸方向に長い２サブシステムに対し、中子の外表面と外子の内表面上に各々電極を形成することによって、２容量を長手方向に並べて形成し、該容量により２サブシステムを電気的に結合する。かつ電源や負荷と結ぶ接続線に対応してインダクタンスを付加することによって、該容量を共振させ、電力伝送への阻害を無くす。その結果サブシステム間で、無接触で効率よく電力を伝送する装置を得る。【選択図】図４

Description

本発明は、機械的に切り離されて互いに回転する２サブシステム間において、電力を伝送する装置に関する。

従来、二つの動くサブシステム間で電力を伝送する回路（スリップリング）では、一方のサブシステムから摺動子を出し他方のサブシステム表面の電極に機械的に接触して、電流を流すことにより伝送していた。

摺動子を使わないように、サブシステム間を電磁気的に結合して、電力を伝送する提案もされている。以下の先行技術文献は、その例である。

特開２０１７−７３８９９「電界結合式非接触給電システム」

小丸尭、他、"電界結合を用いた無線電力伝送における結合係数の位置特性評価"、信学技報、ＷＰＴ−２０１３−１５．原川、他、"電界結合・共振型ワイヤレス電力伝送技術〜並列共振型電力伝送回路"，信学技報，ＷＰＴ−２０１１−１２

従来の機械的接触によるスリップリングでは、接触する２導体の表面が削れるため、屑が表面に蓄積してしまう。そのため保守作業が必要であり、適用によっては保守が難しいという弊害が有った。

図１は、互いに回転している物体間に設置されるロータリージョイントを示す。固定部１と可動部２で成っており、互いに回転できる。
この図では、固定部が中子、可動部が外子になっているが、逆の場合もある。

図１には、従来の接触型スリップリングも示している。ここでは、摺動子４が回転部に、電極３が固定部に設けられている。電極から電力５が注入され、摺動子から電力４が取り出される。ただし、摺動子／電極と回転部／固定部の関係は逆でも良い。また電力の入力と出力も、逆でも良い。

上記特許文献１では、自動車の車輪への電力伝送を行うため、車軸が１か所支持で精密に保持されず十分な伝送効率を得られない。

非特許文献１と非特許文献２では、結合部分が円形平板なので結合容量を２つ作れないので、ホット回路とリターン回路を同軸状に作ることが極めて難しい。

以上述べた先行技術の問題点を除くため、二つの動くサブシステム間を電界によって結合し、電力を伝送する。２か所で精密に位置を制御した軸上に、結合容量２つを直列に形成し、配線のインダクタンスを考慮してインダクタンスを付加して、容量を共振させる。

これにより、二つの動くサブシステム間で電力を伝送するに当たり、電気的接触部分を省き、かつ高い伝送効率を得ることができる。

二つの回転するサブシステムをつなぐロータリージョイントと、従来の機械的スリップリングの構成例である。実施例１のシステム構成であり、回転軸上に電極が形成され、スリップリングとなっている。本発明の動作原理を示す。本発明スリップリングの詳細構成と配線を示す。本発明による電界結合部２個と電源、負荷、インバータ、コンバータ、および配線のインダクタンス４個を、等価回路で示す。実施例２であり、配線のインダクタンスの他に、インダクタンス４個を付加して、結合部容量を共振状態にする例である。実施例３であり、配線のインダクタンスの他に、インダクタンス３個を付加して、結合部容量を共振状態にする例である。実施例４であり、配線のインダクタンスの他に、インダクタンス２個を付加して、結合部容量を共振状態にする例である。実施例５であり、配線のインダクタンスの他に、インダクタンス１個を付加して、結合部容量を共振状態にする例である。応用実施例１であり、人工衛星と太陽電池パドルの間に適用している。応用実施例２であり、宇宙太陽発電衛星において、巨大な太陽電池パドルと送電アンテナの間に適用している。

本発明では、従来の機械的摺動子と電極に代わり、結合容量により電力を伝送する。以下図面を使いつつ、発明を実施する形態を説明する。

図２において、２サブシステム９，１０の各回転軸は一致するように、各サブシステムと回転軸はその接合部分とボールベアリング１１により、精密に保持されている。２サブシステムの回転軸は長いので、２つのスリップリング１２と１３は、ロータリージョイントの軸上に直列に設けている。各容量において、サブシステム９の電極は中子の外表面に、サブシステム１０の電極は外子の内表面に、各々形成される。

図３は、本発明による単一スリップリングの動作原理を示す。軸対象な構造である。スリップリングの外子１５と中子１４の各表面に、コンデンサ電極を作る。スリップリングの外子と中子の各導体が、電界で結合する。電源１９から接続線２１により該スリップリングを通して、負荷２０に電力を供給できる。

電界８は、結合間隙で周方向に一様に分布する。誘電率をε、中子の半径をａ、外子と中子の電極間隔をｇ、各電極の軸方向長さをｂとすると、容量Ｃは、次式で表される。

スリップリング全体は、図４で示される。２つのスリップリング１２と１３は、２サブシステムの回転軸が長いので、軸上に直列に形成できる。回転軸の長さが２ａより大きければ、ひとつの電極長さｂは電極半径ａより大きくでき、電極の強度と容量値を大きくできる。

電源１９から結合容量に至る２線のうち、１線２２は近い容量の中子に接続され、他線２４は中子の中を通ってもう一つの容量の中子に接続される。負荷２０から結合容量に至る２線のうち、１線２５は近い容量の外子に接続され、他線２３は外子の外を通ってもう一つの容量の外子に接続されることになる。これらの接続線のインダクタンスは、伝送特性に悪い影響を与える。

図５はスリップリングの等価回路を、ホット回路側結合容量３６とリターン回路側結合容量３７および接続線のインダクタンス３２〜３５で表している。ホット（Ｈ）とリターン（Ｒ）の２回路に対応して、２つの結合容量３６と３７が要る。結合容量３６と結合容量３７は、各々スリップリング１２と１３に対応する。

直流電源３８の電力をインバータ３９で望む周波数に変換し、スリップリングに入力し伝送した後、コンバータ４０により再変換して負荷４１に供給する。負荷４１の所用周波数は、使用目的によるので、直流、交流あるいは高周波数となる。

周波数ωにおいてインバータは出力抵抗Ｒ_ｓを、コンバータは入力抵抗Ｒ_Ｌを各々有する。従って電源電圧Ｖ_ｓと電流Ｉ_ｓは、次式で表される。
この時負荷に供給される電力は、次式で表される。
数２のままではリアクタンス分が大きいため、Ｖ_ｓに対し｜Ｉ_ｓ｜が小さくなる。数３に数２を入れると、大きな電力を得られないことが分かる。

そのためリアクタンス分に新たなリアクタンスを付加して、共振させる。すると、数２のリアクタンス分が無くなり、数４となる。．
従って電源電圧Ｖ_ｓに対し、大きいな電流Ｉ_ｓを得られる。

図６は、付加インダクタンス４２〜４５を、２容量の両側の４線に挿入した例を示す。ただし、図５におけるインバータの出力側とコンバータの入力側で等価表現しており、各々電源電圧１９と出力抵抗（Ｒ_ｓ）４６および入力抵抗（Ｒ_Ｌ）２０で表している。容量のインピーダンスに比べて接続線のインピーダンスは小さいので、共振条件を満たす付加インピーダンスは誘導性（インダクタンス）である。付加インダクタンスが４つあるので、接続線の長さ変更などに柔軟に対応して設計できる特長がある。ここでは付加インダクタンスを接続線の外側に置いているが、接続線と容量の間に置いても良い。

図７は付加インダクタンス４７〜４９を、２容量の両側の３線のみに挿入した例である。この場合付加インダクタンス挿入を省略する容量の端子はいずれでも良い。

図８は付加インダクタンス５０〜５１を、２容量の両側の２線のみに挿入した例である。この場合付加インダクタンス挿入を接続する容量の端子はいずれでも良い。

図９は付加インダクタンス５２を、２容量の両側の１線のみに挿入した例である。接続線の長さが正確に分かっていれば、付加インダクタンスが１つで済むことができる特長がある。この場合付加インダクタンス挿入を接続する容量の端子はいずれでも良い。

応用実施例１

図１０で太陽電池５４は太陽を指向し、衛星本体５３は側面を地球に向けている。そのため、ロータリージョイントの固定部１と可動部２を介して、互いに回転している。太陽電池で発電した電力を、衛星本体に伝送するため、本発明の無接触スリップリングを使っている。

応用実施例２

図１１は、太陽発電衛星への適用例を示す。太陽電池５４は太陽を指向し、送電アンテナ５５は地球上の受電アンテナを正確に指向する。そのためロータリージョイントを用いて、両サブシステムは互いに１日で３６０度回転する。太陽電池で発電した電力を、送電アンテナが装着されている衛星本体に送るのに、本発明の無接触スリップリングを使っている。

本発明は応用実施例で述べたように、回転する２サブシステム間で電力を、保守の負担なく伝送するのに利用できる。例えば電気自動車で、制御性能を上げるため車輪側にモータを付ける場合、車軸に沿って電力供給することができる。工作機械においても、回転軸の先端に小型モータを付ける場合、そのエネルギー供給を非接触で行える。

１・・・ロータリージョイント／固定部２・・・ロータリージョイント／可動部３・・・スリップリング／電極４・・・スリップリング／摺動子５・・・入電力６・・・出電力７・・・回転方向９・・・サブシステム＃１１０・・・サブシステム＃２１１・・・ボールベリング１２・・・スリップリング−Ｈ１３・・・スリップリング−Ｒ１４・・・中子１５・・・外子１６・・・中子電極１７・・・外子電極１８・・・電界１９・・・電源２０・・・負荷インピーダンス２１・・・接続線２２・・・接続線ホット回路＃１２３・・・接続線ホット回路＃２２４・・・接続線リターン回路＃１２５・・・接続線リターン回路＃２２６・・・スリップリングＨの中子への接続点２７・・・スリップリング−Ｈの外子への接続点２８・・・スリップリング−Ｒの中子への接続点２９・・・スリップリング−Ｒの外子への接続点３０・・・半径ａ３１・・・長さｂ３２・・・接続線２２のインダクタンス３３・・・接続線２３のインダクタンス３４・・・接続線２４のインダクタンス３５・・・接続線２５のインダクタンス３６・・・ホット回路結合容量３７・・・リターン回路結合容量３８・・・直流電源３９・・・インバータ４０・・・コンバータ４１・・・負荷４２・・・付加インダクタンス（４個付加の場合）４３・・・付加インダクタンス（４個付加の場合）４４・・・付加インダクタンス（４個付加の場合）４５・・・付加インダクタンス（４個付加の場合）４６・・・電源インピーダンスＲ_ｓ４７・・・付加インダクタンス（３個付加の場合）４８・・・付加インダクタンス（３個付加の場合）４９・・・付加インダクタンス（３個付加の場合）５０・・・付加インダクタンス（２個付加の場合）５１・・・付加インダクタンス（２個付加の場合）５２・・・付加インダクタンス（１個付加の場合）５３・・・衛星本体５４・・・太陽電池５５・・・送電アンテナ

Claims

回転軸を２か所で支持し、回転軸方向に長い（概ね、回転軸長さが半径の２倍以上）回転構造物において、中子の外表面と外子の内表面上に各々電極を有する容量を軸方向に２つ形成し、その容量により結合することを特徴とする無接触スリップリング装置。
請求項１において、電源とその離れた側の容量を結ぶ接続線と、負荷とその離れた側の容量を結ぶ接続線に対し、一方の接続線は中子と機械的回転軸との間隙に配置し、他方の接続線は外子の外側に沿わせることを特徴とする無接触スリップリング装置。
ホットとリターンの回路に対応して２結合容量を軸方向に配置し、接続線のインダクタンスと付加インダクタンスにより、該容量を共振させることを特徴とする無接触スリップリング装置。
請求項３において、各結合容量のホットとリターンの４路に対応して、４インダクタンスを付加することを特徴とする無接触スリップリング装置。
請求項３において、各結合容量に直列に、３インダクタンスを付加することを特徴とする無接触スリップリング装置。
請求項３において、各結合容量に直列に、２インダクタンスを付加することを特徴とする無接触スリップリング装置。
請求項３において、２結合容量に対応して１インダクタンスを付加することを特徴とする無接触スリップリング装置。