JP3181263U

JP3181263U - 非接触トランス

Info

Publication number: JP3181263U
Application number: JP2012006937U
Authority: JP
Inventors: チェン，チュン−チェン; ユ，ポ−チン; チャン，ウェイ−チュン
Original assignee: Phihong Technology Co Ltd
Current assignee: Phihong Technology Co Ltd
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: US20140029317A1; TWM446403U

Abstract

【課題】非接触変換効率を高めるため、高い力率と力率補正機能とを有する非接触トランスアセンブリを提供する。
【解決手段】電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタ１０４と、電磁干渉フィルタ１０４に接続されるブリッジ整流器１０６とを含む本設計の実施形態によるトランスの前段を示す。力率補正回路１１１はブリッジ整流器１０６に接続され、インダクタ１０９；インダクタ１０９と直列に接続されるダイオード１１２；コンデンサ１１４；及び、インダクタ１０９に接続される半導体スイッチ１１８を含む。更に、力率が補正された電流が前段の出力端子１１６を通って後段の入力端子に流れる。
【選択図】図１

Description

本設計はトランスアセンブリに関し、特に非接触トランスアセンブリに関する。

従来の非接触トランスは電磁場を提供するために使用される。共振原理に基づいて、装置は誘導電力を受け、負荷に供給される電圧と電流とを調整する。

電力システムの力率は、負荷に流れる有効電力と回路内の皮相電力との比率として定義される。力率がより高い電力システムは配電でのエネルギ損失を防ぐことができる。電力システムでは、伝送される有用電力量が同じである場合は、力率が低い負荷は力率が高い負荷よりも多くの電流を引き込む。より高い電流は配電システムでの電力損失を増大させ、大型のワイヤやその他の装備を必要とする。大型の装備はコストが高くエネルギが無駄になるため、電力会社は通常は力率が低い産業用、又は商用のユーザーにより高いコストを費やす。

電気共振は、回路素子のインピーダンス又はアドミタンスの虚部が相殺し合う特定の共振周波数で電気回路に生じる。ある回路では、電気共振は回路の入力と出力間のインピーダンスがほぼゼロであり、伝達係数が１に近い場合に起こる。コンデンサとインダクタとを含む回路の共振は、インダクタの崩壊磁場がコンデンサを充電する巻線内に電流を生成し、次いで放電コンデンサが、インダクタ内に磁場を形成する電流を供給するため生ずる。このプロセスは継続的に反復される。機械振子の場合も同類である。

回路システムの共振はシステム内のキャパシタンスとインダクタンスによるものである。磁場内のインダクタンスは磁場を弱化させ、電流を生成し、この電流がコンデンサを充電するが、コンデンサの放電時間には、放電電流が磁場を生成し、この磁場がインダクタへの磁場となり、磁場のインダクタンスが増加し始める。このプロセスは反復される。回路によっては、回路のリアクタンスと容量性リアクタンスのインダクタとが同じである場合は共振を生じ、磁場内のインダクタ電圧とコンデンサ電圧のエネルギが変動する。

電力送信機は主としてホストと送信コイルとを含む。電力受信機の共振回路を通って電気が流れる際に安定した電圧と電流とを生成するために、電力受信機の受信コイルが含まれる。次いで、電圧と電流とが負荷に供給される直流電流に変換される。

しかし、従来の非接触トランスの効率を高める必要性がある。

本設計は上記の問題点を解決することを目的とする。

本設計は、送信コイルと受信コイルの両方を通過するのに十分な長さの鉄芯の磁極を有する非接触磁気部品の構造を改良する。鉄芯の磁極は、高い磁束転換効率を達成するため、２つのコイルにより生ずる磁場転換を向上させて、受信コイルの誘導電圧を向上させる。

本設計のある態様は、トランスに接続され、磁極を備える送信用鉄芯と、送信用鉄芯の上、及び磁極の周囲に位置し電磁エネルギを送信する環状送信インダクタと、出力回路に接続される受信用鉄芯とを備え、受信用鉄芯と出力回路とが送信用鉄芯に移動し、又はそこから離れる一体部品を形成し、環状受信インダクタが受信用鉄芯上に位置しており、一体部品が送信用鉄芯に移動し、環状受信インダクタが磁極に接触し、環状送信インダクタと重なると、環状受信インダクタが環状送信インダクタにより送信された電磁エネルギを受信し、磁極の長さが環状送信インダクタと環状受信インダクタの両方を通過するのに十分な長さである非接触トランスアセンブリを提供する。
本設計の別の態様は、トランスアセンブリを提供し、トランスは、電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタと、電磁干渉フィルタに接続されるブリッジ整流器と、ブリッジ整流器に接続され、第１の電流をより高い力率の第２の電流に変換し、電圧を低下させる一次側インダクタ及び二次側インダクタを備える接触トランスと、二次側インダクタに直列に接続される二次側ダイオードと、二次側インダクタと二次側ダイオードとの一体部品に並列に接続される二次側コンデンサと、二次側コンデンサの高電圧端部に接続されるフィードバック回路と、一次側インダクタに接続される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とに接続され、フィードバック回路によって戻される信号に従って一次側インダクタをターンオン又はターンオフするように半導体スイッチを制御するために使用されるコントローラと、を備えている。

本設計には下記の利点、すなわち（ａ）高電力出力の製品に利用できること、（ｂ）磁気部品の磁界転換効率の向上、（ｃ）送信と受信間の接触距離が長くなること、（ｄ）後段のハーフブリッジ回路の一次側と二次側をゼロ電圧又はゼロ電流で切り換えることができ、回路全体の効率が高まること、（ｅ）照明機器で使用する場合、ランプとトランスとの間の接続端子の必要性を軽減でき、エネルギの節減と環境保護がなされること、（ｆ）錆つくことがある接続端子の必要性を減らすことができるので、湿った環境でも利用できること、である。

本設計の主な目的及び利点は以下の説明を読み、添付図面を参照することによって明らかになる。

本設計の実施形態によるトランスの前段を示す図である。本設計の実施形態による非接触トランスアセンブリを示す図である。本設計の別の実施形態による非接触トランスアセンブリの前段を示す図である。本設計の別の実施形態による非接触トランスアセンブリの前段を示す図である。本設計の実施形態によるハーフブリッジ共振回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す図である。本設計の別の実施形態によるハーフブリッジ変換回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す図である。本設計の別の実施形態によるフルブリッジ変換回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す図である。本設計の実施形態による送信回路を示す図である。本設計の実施形態による受信回路を示す図である。本設計の実施形態による受信回路と送信回路との接触状態を示す図である。

本設計の範囲、構造及び手順を説明するため、本設計の好ましい実施形態及び態様を記載する。明細書の好ましい実施形態に加えて、本設計はその他の実施形態にも広く利用できる。

本設計は、非接触変換効率を高めるため、高い力率と力率補正機能とを有する非接触トランスアセンブリを提供する。

図２は、交流電源（２０２）と、トランス（３００）と、送信回路（４１０）と、受信回路（４５０）と、出力回路（４６０）とを含む本設計の実施形態による非接触トランスアセンブリを示す。交流電源（２０２）は主電源であってよく、出力回路（４６０）は充電器、ランプなどを含む電気的負荷であってよい。更に、送信回路（４１０）と受信回路（４５０）との間にはワイヤの代わりとして非接触インターフェースがある。

本設計が照明機器に使用される場合、ランプとトランスとの間の接続端子の必要がなくなり、エネルギを節減し、環境を保護することができる。

それと同時に、錆つくことがある接続端子が必要なくなるので、湿った環境でも照明機器を利用できる。

図１は、電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタ（１０４）と、電磁干渉フィルタ（１０４）に接続されるブリッジ整流器（１０６）とを含む本設計の実施形態によるトランスの前段を示す。力率補正回路（１１１）はブリッジ整流器（１０６）に接続され、インダクタ（１０９）；インダクタ（１０９）と直列に接続されるダイオード（１１２）；コンデンサ（１１４）；及び、インダクタ（１０）に接続される半導体スイッチ（１１８）を含む。

更に、力率が補正された電流が前段の出力端子（１１６）を通って後段の入力端子に流れる。

図３ａは、本設計の別の実施形態による非接触トランスアセンブリの前段を示す。図１の力率補正回路（１１１）は変更され、本設計の非接触トランスアセンブリの前段は、力率を高め、システムの効率を向上させる力率補正機能を有する単一段の非接触ＡＣ／ＤＣトランスに変更されている。

図３ａを参照すると、非接触トランス（３００）は、電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタ（３０４）；電磁干渉フィルタ（３０４）に接続されるブリッジ整流器（３０６）；及び、ブリッジ整流器（３０６）に接続され、第１の電流（交流）を電圧が低下し、力率が高い第２の電流（直流）に変換する一次側インダクタ（３０８）及び二次側インダクタ（３１０）を含む接触トランスと、を含む。

更に、トランス（３００）は、二次側インダクタ（３１０）に直列に接続される二次側ダイオード（３１２）；二次側インダクタ（３１０）と二次側ダイオード（３１２）との一体部品に並列に接続される二次側コンデンサ（３１４）；二次側コンデンサ（３１４）の高電圧端部に接続されるフィードバック回路（３２２）；及び、一次側インダクタ（３０８）接続される前段半導体スイッチ（３１８）と、を更に含む。
フィードバック回路（３２２）と半導体スイッチ（３１８）とに接続されるコントローラ（３２０）は、フィードバック回路（３２２）によって戻される信号に従って一次側インダクタ（３０８）をターンオン又はターンオフするように半導体スイッチ（３１８）を制御する。
力率が補正された電流は前段の出力端子（３１６）に流れる。

図３ｂは本設計の別の実施形態による非接触トランスアセンブリの前段を示す。
図３ｂを参照すると、非接触トランスアセンブリのトランス（３００’）は、電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタ（３０４’）；電磁干渉フィルタ（３０４’）に接続されるブリッジ整流器（３０６’）；ブリッジ整流器（３０６’）に接続され、第１の電流（交流）を電圧が低下し、力率が高い第２の電流（直流）に変換する一次側インダクタ（３０８’）及び二次側インダクタ（３１０’）を含む接触トランスと、を含む。

更に、トランス（３００’）は、二次側インダクタ（３１０’）に直列に接続される二次側ダイオード（３１２’）；二次側インダクタ（３１０’）と二次側ダイオード（３１２’）との一体部品に並列に接続される二次側コンデンサ（３１４’）；一端が二次側コンデンサ（３１４’）の高圧端部に接続され、他端が信号伝送用の光結合器（３２３）に接続されるフィードバック回路（３２２’）；及び、一次側インダクタ（３０８’）に接続される前段半導体スイッチ（３１８’）を更に含む。
力率が補正された電流は前段の出力端子（３１６’）に流れる。

フィードバック回路（３２２’）と半導体スイッチ（３１８’）とに接続されるコントローラ（３２０’）は、フィードバック回路（３２２’）によって戻される信号に従って一次側インダクタ（３０８’）をターンオン又はターンオフするように半導体スイッチ（３１８’）を制御する。
コントローラ（３２０’）は、ＦＬ６９６１チップを含む照明用の単一段の境界モード力率補正フライバックコントローラであってよい。図３ｂに示す素子１〜８はＦＬ６９６１チップのポート番号である。
図４ａは、本設計のある実施形態によるハーフブリッジ共振回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す。一次側は前段により出力される直流電流を交流信号に変換する。非接触磁気素子を介したエネルギ変換の後、二次側はブリッジ整流器によって交流信号を直流電流に変換し、直流電流を負荷に供給する。
前段出力端子（図３ａの素子３１６、又は図３ｂの素子３１６’）からの電流は後段の入力端子（図４ａに示す素子４０２、図４ｂに示す素子４０２’、図４ｃに示す素子４０２”）に流れる。
非接触トランスアセンブリの後段は、トランス（図３ａに示す素子３００、又は図３ｂに示す素子３００’）に接続され、第２の電流（直流）を第３の電流（交流）に変換するハーフブリッジ共振器（４１２）と、無線送信用に第３の電流（交流）を電磁エネルギに変換する送信インダクタ（４２３）とを備える送信回路（４１０）を備えている。ハーフブリッジ共振器（４１２）は、後段の２つの半導体スイッチ（４１４、４１６）に接続され、後段の２つの半導体スイッチ（４１４、４１６）の各々の２つの端部はダイオード（４１５又は４１７）にそれぞれ接続されて制御スイッチ回路（４２４）を形成する。
非接触トランスの一次側の送信回路（４１０）は、一端が送信インダクタ（４３２）と接地コンデンサ（４２１）との間に接続され、他端はハーフブリッジ共振器（４１２）に接続されるフィードバック回路（４１３）を更に備えている。
送信回路（４１０）は、制御スイッチ回路（４２４）に接続される共振コンデンサ（４１８）及び、共振コンデンサ（４１８）に接続されるインダクタ（４２０）を含む共振タンク（４２６）を更に備えている。
非接触トランスアセンブリの後段は、電磁誘導により電磁エネルギを受信し、第４の電流（直流）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）を更に備えている。出力回路（４６０）は、第４の電流（直流）を出力するために受信回路（４５０）に接続される。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、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、低域通過フィルタコンデンサ（４５６）を含む低域通過フィルタ回路（４３３）に接続される。制御スイッチ回路（４２４）は、共振及び周波数変調によってゼロ電流でスイッチされるように制御される。

このように、後段は、共振理論によって一次側の素子をゼロ電圧でスイッチングする周波数変調を伴う非接触駆動回路及びハーフブリッジ共振回路である。二次側の負荷が変化すると、一次側の共振曲線が変化し、動作周波数も変化する。したがって、動作周波数はどのような負荷及び共振曲線でも最適なものになる。一次側のスイッチはゼロ電圧でスイッチング可能であり、二次側の整流素子はゼロ電流でスイッチング可能である。したがって、回路全体のスイッチング損失を低減し、回路全体の効率を高めることができる。
図４ｂは、本設計の別の実施形態によるハーフブリッジ変換回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す。送信回路（４１０’）は、図３ａ又は３ｂに示すトランス（３００又は３００’）に接続される、図４ａに示す送信回路（４１０）の代替として使用される。送信回路（４１０’）は、第２の電流（直流）を第３の電流（交流）に変換するハーフブリッジ変換回路と、第３の電流（交流）を無線送信される電磁エネルギに変換する送信インダクタ（４２３’）とを備えている。ハーフブリッジ変換回路は、２つの後段コンデンサ（Ｃ１’、Ｃ２’）と、ダイオード（Ｄ１’、Ｄ２’）に接続され、制御スイッチ回路を形成する２つの端部を各々が有する２つの後段半導体スイッチ（Ｑ１’、Ｑ２’）とを備えている。
図４ｃは、本設計の別の実施形態によるフルブリッジ変換回路を有する非接触トランスアセンブリの後段を示す。送信回路（４１０”）は、図３ａ又は３ｂに示すトランス（３００又は３００’）に接続される、図４ａに示す送信回路（４１０）の代替として使用される。送信回路（４１０”）は、第２の電流（直流）を第３の電流（交流）に変換するフルブリッジ変換回路と、第３の電流（交流）を無線送信される電磁エネルギに変換する送信インダクタ（４２３”）とを備えている。フルブリッジ変換回路は、ダイオード（Ｄ１’、Ｄ２’、Ｄ３’、Ｄ４’）に接続され、制御スイッチ回路を形成する２つの端部を各々が有する４つの後段半導体スイッチ（Ｑ１’、Ｑ２’、Ｑ３’、Ｑ４’）を備えている。
図５ａは本設計のある実施形態による送信回路を示し、図５ｂは本設計のある実施形態による受信回路を示す。図６は本設計のある実施形態による受信回路と送信回路との接触状態を示す。
図５ａを参照すると、送信用鉄芯（５０２）は図２及び４ａの送信回路（４１０）として機能する。送信インダクタは環状送信インダクタ（５０４）であり、送信用鉄芯（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、受信用鉄芯（５１２）は図２及び４ａの受信回路（４５０）として機能し、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（５０４）が磁極（５０６）に接触し、環状送信インダクタ（５０４）と重なると、環状送信インダクタ（５１０）は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を受信する。
磁極（５０６）及び鉄芯の基部の形状は、円筒形、円錐形、立方体、又は角錐形でよい。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）の両方のコイルを通過するのに十分な長さである。２つのコイルは送信用鉄芯（５０２）磁極（５０６）の周囲の磁場転換を行い、受信コイル、すなわち環状受信インダクタ（５１０）の誘導電圧を上昇させて高い磁束転換効率を達成することができる。
受信用鉄芯（５１２）は、充電器、ランプなどを含む負荷でよい出力回路に接続できる。
本設計の上記の実施形態は、例示のみを意図したものである。当業者は下記の特許請求の範囲の範疇から逸脱することなく多くの代替実施形態を考案することができる。

Claims

非接触トランスアセンブリであって、
トランスに接続され、磁極を備える送信用鉄芯；
前記送信用鉄芯上且つ前記磁極の周囲に配置され、電磁エネルギを送信する環状送信インダクタ；
出力回路に接続される受信用鉄芯であって、前記送信用鉄芯に移動し、又はそこから離れる一体部品を前記出力回路と共に形成する受信用鉄芯；及び
前記受信用鉄芯上に配置される環状受信インダクタを備え、
前記一体部品が前記送信用鉄芯に移動し、前記環状受信インダクタが前記磁極に接触し、前記環状送信インダクタと重なると、前記環状受信インダクタが前記環状送信インダクタにより送信された前記電磁エネルギを受信すると共に、前記磁極の長さが前記環状送信インダクタ及び前記環状受信インダクタの両方を通過するのに十分な長さである非接触トランスアセンブリ。
前記トランスが、
電磁干渉をフィルタ処理する電磁干渉フィルタ；
前記電磁干渉フィルタに接続されるブリッジ整流器；
前記ブリッジ整流器に接続され、第１の電流をより高い力率の第２の電流に変換し、電圧を低下させる一次側インダクタ並びに二次側インダクタ及び二次側インダクタに直列に接続される二次側ダイオードを備える接触トランス；
前記二次側インダクタに直列に接続される二次側ダイオード；
前記二次側インダクタ及び前記二次側ダイオードの一体部品に並列に接続される二次側コンデンサ；
前記二次側コンデンサの高電圧端部に接続されるフィードバック回路；
前記一次側インダクタに接続される前段半導体スイッチ；及び
前記フィードバック回路と半導体スイッチとに接続され、前記フィードバック回路によって戻される信号に従って一次側インダクタをターンオン又はターンオフするように前記半導体スイッチを制御するために使用されるコントローラを備える請求項１に記載のトランスアセンブリ。
前記第１の電流が交流であり、
前記第２の電流が直流である請求項２に記載のトランスアセンブリ。
前記トランスが力率補正トランスである請求項２に記載のトランスアセンブリ。
前記コントローラが単一段の境界モード力率補正フライバックコントローラである請求項２に記載のトランスアセンブリ。
前記送信用鉄芯がハーフブリッジ共振器を更に備える請求項１に記載のトランスアセンブリ。
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、制御スイッチ回路を形成する請求項６に記載のトランスアセンブリ。
前記制御スイッチ回路に接続される共振コンデンサ；及び、前記共振コンデンサに接続される共振インダクタを含む共振タンクを更に備える請求項７に記載のトランスアセンブリ。
前記環状受信インダクタが２つの整流ダイオードに接続されてブリッジ整流器を形成し、前記制御スイッチ回路がゼロ電流でスイッチングされるように共振及び周波数変調によって制御される請求項７に記載のトランスアセンブリ。
前記磁極の形状が円筒形、円錐形、立方体、又は角錐形である請求項１に記載のトランスアセンブリ。