JP2023180953A - voltage conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久磁石と電磁石とのとの結合に基づく電圧変換回路を対象としている。 The present invention is directed to a voltage conversion circuit based on a combination of a permanent magnet and an electromagnet.
鉄等の強磁性体に一次コイル及び二次コイルを巻着し、かつ一次コイル側に正弦波による交流電圧を印加しているトランスにおいては、通常、強磁性体と永久磁石との結合構成は採用されていない。 In a transformer in which a primary coil and a secondary coil are wound around a ferromagnetic material such as iron, and a sinusoidal AC voltage is applied to the primary coil side, the coupling configuration between the ferromagnetic material and the permanent magnet is usually Not adopted.
換言するならば、通常のトランスにおいては、特に永久磁石は介在していない。 In other words, in a normal transformer, no permanent magnet is involved.
但し、永久磁石と電磁石との結合構成に関する公知技術は、これまで色々な技術分野において提唱されている。 However, publicly known techniques regarding the coupling configuration of permanent magnets and electromagnets have been proposed in various technical fields.
例えば、特許文献1においては、2つの電磁石の磁心端部で磁力の強い永久磁石のNS極両面をはさみ、その下に磁力の強い永久磁石を反発しあうように1個あるいは複数個配置し、少ない電力で強い駆動力を発生する磁力増幅駆動装置が提唱されている(図1及び要約書の解決手段の項)。
For example, in
しかしながら特許文献1は、メカニカルな駆動装置を提唱しているに過ぎず、永久磁石と電磁石との結合による電圧変換の構成を提唱している訳ではない。
However,
特許文献2は、永久磁石を備えている磁石ブロック3とコイルブロック4とを相互に変位可能とする振動発電装置EHと整流回路71とを備えているエネルギー変換装置1の構成を提唱している(要約書の解決手段及び図1)。
前記構成は、永久磁石と電磁石との結合による電圧変換回路を形成している。 The above configuration forms a voltage conversion circuit by combining a permanent magnet and an electromagnet.
しかしながら、特許文献2によるエネルギー変換装置の構成は、極めて複雑である一方、磁石ブロック3とコイルブロック4との相対的な変位を必要不可欠としており、操作が相当煩雑である。
However, the configuration of the energy conversion device according to
このように、従来技術においては、永久磁石と電磁石とのシンプルな結合によって、効率的な電圧の変換を実現するような構成は提唱されていない。 As described above, in the prior art, no structure has been proposed that achieves efficient voltage conversion through a simple combination of a permanent magnet and an electromagnet.
本発明は、永久磁石と電磁石とのシンプルな結合構成によって、効率的な電圧変換を実現するような構成を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a configuration that realizes efficient voltage conversion using a simple coupling configuration of a permanent magnet and an electromagnet.
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
(1)両サイドが対称であって閉形状を呈している強磁性体の当該対称状態を形成している2か所の中心位置に、1個の永久磁石を架設するか若しくは極性が同一方向である2個の永久磁石を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設するか、又は当該2か所の中心位置から等距離にある両側の各位置に、1個の永久磁石を架設することによって結合するか若しくは極性が同一方向である2個の永久磁石を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設することによって結合すると共に、当該1個若しくは2個の永久磁石の両サイドに、巻線方向が相互に反対であり、かつ同一の巻線数であって相互に接続されている一次コイルを巻着し、当該両側の一次コイルの更なる両サイドに同一の巻線数による二次コイルを巻着し、かつ両サイドに巻着された一次コイルの両端に対し、矩形パルスによる直流電圧を、永久磁石によって形成される磁界と同一方向の磁界を発生する方向にて印加している電圧変換回路、
(2)両サイドが対称であって閉形状を呈している強磁性体の当該対称状態を形成している2か所の中心位置に、1個の永久磁石を架設するか若しくは極性が同一方向である2個の永久磁石を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設するか、又は当該2か所の中心位置から等距離にある両側の各位置に、1個の永久磁石を架設することによって結合するか若しくは極性が同一方向である2個の永久磁石を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設することによって結合すると共に、当該1個若しくは2個の永久磁石の両サイドに、巻線方向が相互に反対であり、かつ同一の巻線数であって相互に接続されている一次コイルを巻着し、当該両側の一次コイルの更なる両サイドに同一の巻線数による二次コイルを巻着し、かつ両サイドに巻着された一次コイルの両端に対し、振幅及び角周波数が特定している基本正弦波を印加するか、又は当該基本正弦波に対し、振幅が選択自在であって、かつ角周波数がn倍である(但し、n≧2)倍増正弦波電圧を順次加重している加重正弦波電圧を印加している電圧変換回路、
からなる。
In order to solve the above problems, the basic configuration of the present invention is as follows:
(1) One permanent magnet is installed at the center position of two places forming the symmetrical state of a ferromagnetic material that is symmetrical on both sides and has a closed shape, or the polarity is in the same direction. Either two permanent magnets are placed facing each other and protrude in the same direction, or one permanent magnet is placed at each position on both sides equidistant from the center position of the two locations. or by protruding two permanent magnets with polarity in the same direction facing each other in the same direction, and a winding on both sides of the one or two permanent magnets. A primary coil with the same number of turns and opposite wire directions and connected to each other is wound, and a secondary coil with the same number of turns is wound on both sides of the primary coil on both sides. A DC voltage with rectangular pulses is applied to both ends of the primary coil, which is wrapped around a coil and wound on both sides, in a direction that generates a magnetic field in the same direction as the magnetic field formed by the permanent magnet. voltage conversion circuit,
(2) One permanent magnet is installed at the center position of two places forming the symmetrical state of a ferromagnetic material that is symmetrical on both sides and has a closed shape, or the polarity is in the same direction. Either two permanent magnets are placed facing each other and protrude in the same direction, or one permanent magnet is placed at each position on both sides equidistant from the center position of the two locations. or by protruding two permanent magnets with polarity in the same direction facing each other in the same direction, and a winding on both sides of the one or two permanent magnets. A primary coil with the same number of turns and opposite wire directions and connected to each other is wound, and a secondary coil with the same number of turns is wound on both sides of the primary coil on both sides. A fundamental sine wave with a specified amplitude and angular frequency is applied to both ends of the primary coil wrapped around the coil, or the amplitude can be freely selected for the fundamental sine wave. A voltage conversion circuit that applies a weighted sine wave voltage that sequentially weights a doubled sine wave voltage whose angular frequency is n times (however, n≧2),
Consisting of
基本構成(1)及び(2)の場合には、一次コイルにおいて形成される磁界に加えて、永久磁石による磁界が重畳されている。 In the case of basic configurations (1) and (2), a magnetic field generated by a permanent magnet is superimposed on the magnetic field formed in the primary coil.
その結果、基本構成(1)及び(2)においては、一次コイルの平均電圧を、永久磁石を採用しない場合に比し、増加させると共に、二次コイルにおいて発生する電圧及び実現する電力もまた、永久磁石を採用しない場合に比し、増加させることができる。
尚、上記増加については、実施形態の項において具体的計算に即して明らかにする通りである。
As a result, in basic configurations (1) and (2), the average voltage of the primary coil is increased compared to the case where no permanent magnet is used, and the voltage generated in the secondary coil and the power realized are also increased. This can be increased compared to the case where permanent magnets are not used.
Note that the above increase will be clarified in accordance with specific calculations in the embodiment section.
基本構成(1)及び(2)は、両サイドが対称であって閉形状を呈している強磁性体1において、図1(a)に示すように、当該対称状態を形成している2か所の中心位置に、1個の永久磁石2を架設するか若しくは図1(b)に示すように、当該対称状態を形成している2か所の中心位置に、極性が同一方向である2個の永久磁石2を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設するか、又は図1(c)に示すように、当該対称状態を形成している2か所の中心位置から等距離にある両側の各位置に、1個の永久磁石2を架設することによって結合するか若しくは図1(d)に示すように、当該対称状態を形成している2か所の中心位置から等距離にある両側の各位置に、極性が同一方向である2個の永久磁石2を相互に向かい合う状態にて同一方向に突設することによって結合すると共に、当該1個若しくは2個の永久磁石2の両サイドに、巻線方向が相互に反対であり、かつ同一の巻線数であって相互に接続されている一次コイル31を巻着し、当該両側の一次コイル31の更なる両サイドに同一の巻線数による二次コイル32を巻着している。
Basic configurations (1) and (2) consist of a
永久磁石2を結合することによって、鉄等の強磁性体1によって閉形状を形成している芯においては図2の等価回路図に示すように、点線矢印に示すような磁界が発生し、その結果、一次コイル31には電圧V1が印加され、二次コイル32において電圧V2が印加された状態が実現している。
By combining the
このような場合、永久磁石2によって強磁性芯中に形成されている平均磁束をBとし、一次コイル31の両側における各巻線数をN1とし、磁界Hに対応する磁束Bを発生させるために必要な電圧をV1とし、かつ二次コイル32の両側における各巻線数をN2とし、磁界Hに対応する磁束Bを発生させるために必要な電圧をV2とし、しかも一次コイル31の抵抗値をR1とし、二次コイル32の抵抗値をR2(但し、通常二次コイル32自体の抵抗だけでなく、負荷の抵抗をも含む。)とし、透磁率をμとし、強磁性体1の断面が円形であって当該円形の直径をAとした場合には、マクスウェルの方程式に基づき、
したがって、強磁性体1の断面が円形でない場合であっても、平均直径をAとした場合には、
基本構成(1)の技術的意義について、以下の通り説明する。 The technical significance of basic configuration (1) will be explained as follows.
一次コイル31における自己インダクタンスをLとし、一次コイル31の抵抗をR1とし、図3(a)に示すように、永久磁石2との結合に基づく定常電圧V1に加えて、パルス幅をT1とし、周期をT1+T2とする矩形波電圧ΔV1を印加した場合の一次コイル31の誘起電流I1については、
V1に対応する定常電流I1については、
ΔV1に対応する各周期毎の誘起電流ΔI1については、
0≦t≦T1の段階では、
T1≦t≦T1+T2の段階では、
0≦t≦T At stage 1 ,
At the stage of T 1 ≦t≦T 1 +T 2 ,
かくして、図3(b)に示すように、
を得ることができる。
Thus, as shown in Figure 3(b),
can be obtained.
上側の誘起電流と左右両側の相互に対応する各一次コイル31と各左右両側の二次コイル32との相互インダクタンスをMとし、当該二次コイル32の各自己インダクタンスをL´とし、二次コイル32側の抵抗値をR2とし、二次コイル32を導通する電流をI2とした場合には、永久磁石2との結合に基づく直流電圧V2及び前記I1に対応して、二次コイル32側を導通する誘起電流I2については、以下のような一般式が成立する。
一次コイル31と二次コイル32との間に強磁性体1が介在していることから、前記相互インダクタンスMは、強磁性体1が介在していない場合よりも大きな値を呈している。
Since the
前記誘起電流I2のうち、前記直流電圧V2に対応する定常電流I2は、
MdI1/dtに対応する誘起電流ΔI2については、
0≦t≦T1の段階では、
T1≦t≦T1+T2の段階では、
尚、[数11]におけるt=0の値と、[数12]におけるt=T1の値が同一値であり、かつ符号が逆転しているが、当該逆転の原因は、[数9]におけるMdI1/dtがt=T1の前後において符号が-から+に変化していることにある。
Regarding the induced current ΔI2 corresponding to MdI1/dt,
0≦t≦T At stage 1 ,
At the stage of T 1 ≦t≦T 1 +T 2 ,
Note that the value of t=0 in [Equation 11] and the value of t=T 1 in [Equation 12] are the same value and have reversed signs, but the cause of the reversal is [Equation 9] The reason is that the sign of MdI 1 /dt changes from - to + before and after t=T 1 .
かくして、二次コイル32の誘起電流I2については、図3(c)に示すように、
が成立する。
尚、図3においては、T1>T2を示すが、T1とT2の大小関係は、T1<T2、更には後述する実施例のようにT1=T2の場合の何れをも選択することができる。
Thus, the induced current I2 of the
holds true.
Although T 1 > T 2 is shown in FIG. 3, the magnitude relationship between T 1 and T 2 is different from T 1 <T 2 or even when T 1 = T 2 as in the example described later. can also be selected.
したがって、両側の各二次コイル32において形成されている二次コイル32側における発生電圧Vについては、
が成立する。
Therefore, regarding the voltage V generated on the
holds true.
仮に図1(a)、図1(b)、図1(c)、図1(d)において、永久磁石2を結合していないのであれば、前記Vにおいて、V2=0である。
If the
したがって、永久磁石2との結合によって、図2の等価回路図における電圧V2の分だけ増加していることが判明する。
Therefore, it is found that due to the coupling with the
二次コイル32側における電力の対比は、以下の通りである。
The comparison of power on the
前記Vの一般式によれば、電力V2/Rについては、
0≦t≦T1の段階では、
T1≦t≦T1+T2の段階では、
0≦t≦T At stage 1 ,
At the stage of T 1 ≦t≦T 1 +T 2 ,
前記各単位時間当たりの消費電力に着目した場合、仮に図1(a)、図1(b)、図1(c)、図1(d)において永久磁石2が結合していないのであれば、前記各単位時間当たりの消費電力において、V2=0であって、V2の分だけ、単位時間当たりの消費電力が増加していることが判明する。
When focusing on the power consumption per unit time, if the
基本構成(2)の技術的意義について、以下の通り説明する。 The technical significance of basic configuration (2) will be explained as follows.
基本構成(1)の場合と同様に、図2に示す等価回路によって、永久磁石2の結合によって、一次コイル31に直流電圧V1が印加され、二次コイル32に直流電圧V2が印加された状態を設定することができる。 As in the case of basic configuration ( 1 ), the equivalent circuit shown in FIG . The state can be set.
一次コイル31ΔV1である単一の基本正弦波が印加された場合の一次コイル31側における誘起電流I1については、
前記一般式において、過渡現象に基づく電流成分を度外視し、定常電流I1を設定した場合において、V1に対応する定常電流は、
前記定常電流I1のうち、ΔVsinωtに対応する定常電流ΔI1については、
(但し、
(however,
二次コイル32において発生する誘起電流I2については、二次コイル32の自己インダクタンスにつき、基本構成(1)の場合と同様にL´とした場合には、
但し、過渡現象による寄与分を度外視し、定常電流I2を設定した場合には、V2に対応する定常電流は、
However, if the contribution due to transient phenomena is ignored and the steady current I2 is set, the steady current corresponding to V2 is
これに対し、MdI1/dtに対応する定常電流ΔI2については、
(但し、
(however,
かくして、二次コイル32の発生電圧Vについては、
(但し、
(however,
したがって、二次コイル32側の発生電圧Vの実効値については、
仮に、図1(a)、図1(b)、図1(c)、図1(d)において、永久磁石2が結合しないのであれば、前記実効値|V|において、V2=0である。
If the
したがって、永久磁石2との結合によって、図2の等価回路図における電圧V2の分だけ電圧の実効値|V|が増加することが判明する。
Therefore, it is found that the effective value |V| of the voltage increases by the voltage V 2 in the equivalent circuit diagram of FIG. 2 due to the coupling with the
二次コイル32側の電力の実効値、即ち平均電力の値は、
前記電力の一般式からも明らかなように、基本構成(2)のうち、基本正弦波の場合において、永久磁石2との結合に基づく電力V2
2/R2だけ電力の増加が実現することが判明する。
As is clear from the general formula for power, in the basic configuration (2), in the case of the fundamental sine wave, the power increases by the power V 2 2 /R 2 based on the coupling with the
基本正弦波に対し、角周波数がn倍(但し、n≧2)である倍増正弦波を順次加重している加重正弦波の場合には、定常電流ΔI1については、
更には、Mdi/dtに対応する定常電流ΔI2については、
かくして、二次コイル32の発生電圧Vについては、
したがって、二次コイル32の発生電圧Vの実効値については、
更には、二次コイル32側の電力の実効値、即ち平均電力の値は、
したがって、基本構成(2)のうち、加重正弦波電圧においても永久磁石2との結合に基づくV2
2/R2だけ電力の増加が実現することが判明する。
Therefore, it is found that in the basic configuration (2), even in the case of the weighted sinusoidal voltage, an increase in power by V 2 2 /R 2 based on the coupling with the
基本構成(1)及び(2)においては、図1(a)、図1(b)、図1(c)、図1(d)の各回路図に示すように、両サイドに巻着されている一次コイル31における相互の接続領域がアースに接続されていることを特徴とする実施形態を採用している。
In the basic configurations (1) and (2), as shown in the circuit diagrams of Fig. 1(a), Fig. 1(b), Fig. 1(c), and Fig. 1(d), the An embodiment is adopted in which mutual connection areas in the
上記実施形態においては、一次コイル31における両側の電流I1を安定した状態とすることができ、ひいては、二次コイル32側の電流I2及び電圧Vをも安定した状態とすることができる。
In the above embodiment, the current I 1 on both sides of the
図1(a)、図1(c)、及び図2においては、強磁性体1の閉形状として矩形を選択している。
In FIGS. 1(a), 1(c), and 2, a rectangular shape is selected as the closed shape of the
しかしながら、閉形状は矩形に限定される訳ではなく、例えば図1(b)に示すような円形、又は図1(d)に示すような楕円形をも採用することができる。 However, the closed shape is not limited to a rectangle; for example, a circular shape as shown in FIG. 1(b) or an elliptical shape as shown in FIG. 1(d) can also be adopted.
以下、実施例に即して説明する。 Hereinafter, description will be made based on examples.
実施例1は、基本構成(1)において、矩形パルスのONの時間とOFFの時間とが等しいこと、即ち、図3において、T1=T2であることを特徴としている。 The first embodiment is characterized in that the ON time and the OFF time of the rectangular pulse are equal in the basic configuration (1), that is, T 1 =T 2 in FIG. 3 .
T1=T2の場合には、基本構成(1)におけるT1≦t≦T1+T2の二次コイル32における一般解ΔI2につき、
したがって、実施例1においては、一次コイル31側の矩形波に対応して、極めて正確に同一形状である二次コイル32側の電流I2を実現することができる。
Therefore, in the first embodiment, it is possible to realize the current I 2 on the
実施例2は、基本構成(2)の基本正弦波電圧及び加重正弦波電圧の何れの場合においても、永久磁石2による強磁性体1内における磁界によって一次コイル31に発生する電圧と、一次コイル31に印加した電圧との総和による入力電圧の最低値が0より大きいことを特徴としている。
In the second embodiment, in both the basic sine wave voltage and the weighted sine wave voltage of basic configuration (2), the voltage generated in the
具体的に説明するに、基本構成(2)において、一次コイル31に印加される正弦波の振幅ΔV1を、一次コイル31において永久磁石2によって形成される磁界を形成するために必要な一次コイル31における印加電圧V1については、図4(a)及び図5(a)に示すように、V1>ΔV1の場合、、図4(b)及び図5(b)に示すように、V1=ΔV1の場合、図4(c)及び図5(c)に示すように、V1<ΔV1の場合が存在する。
To explain specifically, in basic configuration (2), the amplitude ΔV 1 of the sine wave applied to the
V1>ΔV1の場合には、一次コイル31には直流を形成する基本正弦波電圧及び加重正弦波電圧が印加されており、V1=ΔV1の場合には、下限値が0である基本正弦波電圧及び加重正弦波電圧が印加されており、V1<ΔV1の場合には、交流による基本正弦波電圧及び加重正弦波電圧が一次コイル31に印加されることに帰する。
When V 1 > ΔV 1 , a fundamental sine wave voltage and a weighted sine wave voltage forming a direct current are applied to the
実施例2は、V1>ΔV1の場合に該当する。 Example 2 corresponds to the case where V 1 >ΔV 1 .
前記数1の一般式、前記数2の近似式からも明らかなように、図2の等価回路において、V1が大きいほどV2が大きいという関係にある。 As is clear from the general equation (1) and the approximate equation (2), in the equivalent circuit of FIG. 2, the larger V 1 is, the larger V 2 is.
前記関係を考慮した場合、実施例2の場合には、より大きな値のV2を実現することによって、永久磁石2との結合による電圧の増加、及び二次コイル32側の電力の増加を効率的に実現することができる。
Considering the above relationship, in the case of the second embodiment, by realizing a larger value of V2 , the increase in voltage due to the coupling with the
このように、基本構成(1)、(2)に立脚している本発明においては、永久磁石と電磁石との結合によって、効率的な電圧の増幅、更には二次コイル側の電力の増加を実現することができ、その利用範囲は絶大である。 In this way, the present invention, which is based on basic configurations (1) and (2), efficiently amplifies the voltage and further increases the power on the secondary coil side by coupling the permanent magnet and the electromagnet. It can be realized, and its range of applications is enormous.
1 強磁性体
2 永久磁石
31 一次コイル
32 二次コイル
1
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