JP3563455B2 - Generator coil device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電コイル装置に関する。さらに詳しくは、一次コイルと二次コイルが変圧器鉄芯に巻回された変圧器および変圧器鉄芯の一部に当接して配設された外部磁石を有し、入出力の変換効率を改善し得る発電コイル装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電圧変換用の変圧器により昇圧する場合、通常は、一次コイルの巻数N1よりも二次コイルの巻数N2を大きくしなければならず、変圧器全体が大型化する。したがって、変圧器全体が大きくなれば重量も大きくなるので、その取扱い・運搬等が困難になり、また、コストも高くなるという問題があった。
このような問題を解決すべく、本願発明者は、新規な静止型の発電コイル装置を特願平5−117681号により提案した。
上記提案にかかる静止型の発電コイル装置は、変圧器鉄芯の別々の脚部鉄芯に一次コイルと二次コイルとが巻回された変圧器と、上記一次コイル側脚部鉄芯の両端部(あるいはその近傍)にそれぞれN極およびS極が当接して配置された外部磁石とを備え、上記一次コイルに流す入力電流の向きを、一次コイル側脚部鉄芯内に発生する磁束の方向が上記外部磁石のN極からS極に直線的に向かう磁束の方向とは逆方向となるように設定することを特徴とするものである。
【0003】
この発電コイル装置の動作原理は、一次コイルに断続的に入力電圧を供給するものとすると、入力電圧の非供給期間には外部磁石のN極からS極に向かう磁束は、ほぼ全てが一次コイル側脚部鉄芯内を通り、二次コイル側脚部鉄芯内を迂回する磁束は殆んど生じない。
これに対して、入力電圧の供給期間には、一次コイルによって発生する磁束が一次コイル側脚部鉄芯内から変圧器鉄芯内を経て二次コイル側脚部鉄芯内を循環するように通過する。この場合、一次コイル側脚部鉄芯はほぼ磁気飽和状態になり、外部磁石からみて一次コイル側脚部鉄芯内の磁気抵抗が高くなるので、外部磁石のN極からS極に向かう磁束は、ほぼ全てが二次コイル側脚部鉄芯内を迂回する。
したがって、一次コイルに断続的に入力電流が流れることに伴って二次コイルと交差する磁束の変化量は外部磁石の磁束分だけ実質的に増大し、この磁束変化に応じた起電力が二次コイルに誘導される。
なお、一次コイル側脚部鉄芯内を通過する磁束は、一次コイルに通電した場合に飽和状態となることが望ましい。すなわち、一次コイルの通電によって一次コイル側脚部鉄芯の磁束が飽和状態となると、外部磁石によって発生する磁束はすべて二次コイル側脚部鉄芯内を通過することになり、外部磁石による磁束を有効に利用することができるからである。このためには、鉄芯が同一材質からなるものとすれば、一次コイル側脚部鉄芯の断面積がその他の部分の断面積よりも小さくなるように形成しておくことが望ましい。
【0004】
このように、上記一次コイルが、二次コイルに起電力を誘導するための役割および外部磁石によって発生する磁束の方向を切り替えるスイッチの役割とを持つことにより、外部磁石による磁束を有効に利用して電気エネルギーの形で取り出す静止型の発電コイル装置を実現することが可能になる。
したがって、巻数比N2/N1を大きくすることなく昇圧することが可能になる。勿論、巻数比を大きくすれば、一層の昇圧が可能である。
ところで、上記したような発電コイル装置において、一次コイル側脚部鉄芯内および二次コイル側脚部鉄芯内を断続的に通過する磁束の方向は一方向であり、鉄芯のヒステリシス現象による残留磁気の影響を受ける。これにより、励磁電流波形に歪みが生じ、鉄損電流による鉄損が生じ、入出力の変換効率の向上が阻害されることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したように現在提案されている発電コイル装置は残留磁気の影響を受けるという問題点を解決すべくなされたもので、入出力の変換効率を大幅に改善し得る静止型の発電コイル装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電コイル装置は、平面ほぼ日の字形の環状の磁路を有する変圧器鉄芯と、上記変圧器鉄芯の内側脚部に沿って対向する一対の第1の外側脚部および第2の外側脚部にそれぞれ対応して巻回された第1の一次コイルおよび第2の一次コイルと、前記内側脚部に巻回された二次コイルと、前記変圧器鉄芯の外部に配設され、前記第1の外側脚部の長さ方向の両端部あるいはその近傍に当接する一対のN極およびS極を有する第1の外部磁石と、同じく前記変圧器鉄芯の外部に配設され、前記第2の外側脚部の長さ方向の両端部あるいはその近傍に当接する一対のN極およびS極を有し、その極性の向きが上記第1のN極およびS極の極性の向きとは逆方向になるように設定されている第2の外部磁石とを具備することを特徴とする。
【0007】
【作用】
本発明の発電コイル装置の使用に際しては、第1の一次コイルおよび第2の一次コイルは、交互に入力電流が供給され、第1の一次コイルは、第1の外部磁石のN極からS極に最短磁路を経由して向かう磁束の方向とは逆方向の磁束を外側脚部内に発生する向きに入力電流が供給され、第2の一次コイルは、第2の外部磁石のN極からS極に最短磁路を経由して向かう磁束の方向とは逆方向の磁束を外側脚部内に発生する向きに入力電流が供給されるものとする。
第1の一次コイルにのみ入力電流を流した時には、第1の一次コイルにより発生する第1の磁束が第1の外側脚部内から内側脚部内を循環するように通過する。この場合、第1の外側脚部はほぼ磁気飽和状態になり、第1の外部磁石からみて第1の外側脚部内の磁気抵抗が高くなるので、第1の外部磁石のN極からS極に向かう磁束は、ほぼ全てが内側脚部内を迂回する。この時、第2の一次コイルは磁束を発生しないので、第2の外部磁石からみて第2の外側脚部内の磁気抵抗が低くなるので、第2の外部磁石のN極からS極に向かう磁束はほぼ全てが第2の外側脚部内を通ってN極からS極に最短磁路を経由して向かう。
これに対して、第2の一次コイルにのみ入力電流を流した時には、第2の一次コイルにより発生する第2の磁束が第2の外側脚部内から内側脚部内を循環するように通過する。この場合、第2の外側脚部はほぼ磁気飽和状態になり、第2の外部磁石からみて第2の外側脚部内の磁気抵抗が高くなるので、第1の外部磁石のN極からS極に向かう磁束は、ほぼ全てが内側脚部内を迂回する。この時、第1の一次コイルは磁束を発生しないので、第1の外部磁石からみて第1の外側脚部内の磁気抵抗が低くなるので、第1の外部磁石のN極からS極に向かう磁束はほぼ全てが第1の外側脚部内を通ってN極からS極に最短磁路を経由して向かう。
【0008】
したがって、第1の一次コイルに入力電流が流れることに伴って二次コイルと交差する第1の磁束の向きと第2の一次コイルに入力電流が流れることに伴って二次コイルと交差する第2の磁束の向きとは逆向きになり、しかも、二次コイルと交差する磁束は第1の外部磁石の磁束分あるいは第2の外部磁石の磁束分だけ実質的に増大し、これらの磁束変化に応じた起電力が二次コイルに誘導され、交流出力が得られる。これにより、二次コイルと交差する磁束の変化量は、1つの一次コイルに断続的に入力電流が流れる場合に二次コイルと交差する磁束の変化量の2倍程度に大きくなるので、巻数比N2/N1を大きくすることなく昇圧することが可能になる。
【0009】
また、上記したように第1の一次コイルおよび第2の一次コイルが交互に駆動されることに伴って、内側脚部内を通過する第1の磁束と第2の磁束とは逆向きになる。また、第1の一次コイルの駆動時に第1の外側脚部内を通過する第1の磁束と第2の一次コイルの駆動時に第1の外部磁石のN極からS極に最短磁路を経由して向かって第1の外側脚部内を通過する磁束とは逆向きになる。同様に、第2の一次コイルの駆動時に第2の外側脚部内を通過する第2の磁束と第1の一次コイルの駆動時に第2の外部磁石のN極からS極に最短磁路を経由して向かって第2の外側脚部内を通過する磁束とは逆向きになる。
これにより、変圧器鉄芯のヒステリシス現象による残留磁気の影響を殆んど受けなくなり、励磁電流波形の歪みを低減し、鉄損電流による鉄損を抑制し、入出力の変換効率を改善することが可能になる。すなわち、現在提案されている本願発明者の発明にかかる静止型の発電コイル装置の動作原理を利用し、入出力の変換効率を大幅に改善することが可能になる。
【0010】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例に係る発電コイル装置の構成を示しており、変圧器部分を取り出して図2に示している。
この発電コイル装置は、変圧器10と第1の外部磁石1と第2の外部磁石2とから構成されている。
【0011】
上記変圧器10は、平面ほぼ日の字形の環状の磁路を有する変圧器鉄芯11と、上記変圧器鉄芯11の内側脚部110 に沿って対向する一対の第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 にそれぞれ対応して巻回された第1の一次コイル21および第2の一次コイル22と、前記内側脚部110 に巻回された二次コイル23とからなる。
【0012】
上記変圧器鉄芯11は、内側脚部110 、第1の外側脚部111 、第2の外側脚部112 を別々の部材で形成して組み合わせることが望ましい。また、第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 がその他の部分と同一材質からなるものとすると、第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 の断面積を、上記第1の外側脚部111 から前記内側脚部110 に連なる脚部、上記第2の外側脚部112 から上記内側脚部110 に連なる脚部および上記内側脚部110 の断面積よりも小さく形成しておくことが望ましい。
【0013】
前記第1の外部磁石1は、上記変圧器鉄芯11の外部に配設され、前記第1の外側脚部111 の長さ方向の両端部(あるいはその近傍)に当接する一対のN極およびS極を有する。
前記第2の外部磁石2は、同じく上記変圧器鉄芯11の外部に配設され、前記第2の外側脚部112 の長さ方向の両端部(あるいはその近傍)に当接する一対のN極およびS極を有し、その極性の向きが上記第1の外部磁石1のN極およびS極の極性の向きとは逆方向になるように設定されている。
【0014】
本例では、上記各外部磁石1、2は、取扱い容易の観点からとしてそれぞれたとえばほぼ馬蹄形の永久磁石を使用している。この場合、第1の永久磁石1のN極とS極の対向間隔および第2の永久磁石2のN極とS極の対向間隔はそれぞれ前記変圧器鉄芯11の第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 の長さLと等しい。
前記変圧器鉄芯11は、たとえば薄いケイ素鋼板を積み重ねた構造を有し、組み立ての容易性、構造上の強度などを考慮して適切な形状の複数枚のケイ素鋼板を組み合わせて積み重ねた成層構造が採用される。
【0015】
本例では、図3(a)、(b)に示すように、それぞれ平面コ字形の一対のケイ素鋼板31、32で平面I形の1個のケイ素鋼板33を同一面上で挟んだ層と、それぞれ平面コ字形の一対のケイ素鋼板34、35で平面H形の1個のケイ素鋼板36を同一面上で挟んだ層とを、図3(c)に示すように交互に積み重ねた成層構造を採用している。
【0016】
図4(a)、(b)は、図1中の変圧器鉄芯11の組立て構造の他の例を示している。この変圧器鉄芯は、それぞれ平面コ字形の一対のケイ素鋼板41、42で平面コ字形の1個のケイ素鋼板43の開口面側と背面側とを同一面上で挟んだ層と、それぞれ平面コ字形の一対のケイ素鋼板44、45で平面コ字形の1個のケイ素鋼板46を上記とは逆向きに同一面上で挟んだ層とを、図4(c)に示すように交互に積み重ねた成層構造を採用している。
【0017】
つぎに、上記実施例の発電コイル装置の動作原理について、上記発電コイル装置をたとえばDC/ACインバータとして使用する場合を例にとり図5および図6を参照しながら説明する。
【0018】
上記実施例の発電コイル装置は、第1の一次コイル21の巻き方および励磁電流を流す方向によって第1の外側脚部内111 に発生する第1の磁束φ1の方向を自在に設定可能であり、同様に、第2の一次コイル22の巻き方および励磁電流を流す方向によって第2の外側脚部内112 に発生する第2の磁束φ2の方向を自在に設定可能であるが、その使用に際しては、たとえばパルス電圧または半波整流電圧を第1の一次コイル21および第2の一次コイル22に交互に供給するものとする。本例では、図1中に示したように、乾電池4の出力電極を第1の一次コイル21および第2の一次コイル22に交互に接続するように切り換えスイッチ回路5によりたとえば1/120秒毎に切り換えることにより、第1の一次コイル21および第2の一次コイル22に交互にパルス電圧を印加する。
【0019】
この場合、第1の一次コイル21に入力電圧を供給する第1のサイクルでは、第1の一次コイル21によって第1の外側脚部111 内に発生する第1の磁束φ1が、第1の外部磁石1のN極からS極に最短磁路を経由して(本例では直線的に)向かう磁束Φ1の方向とは逆方向となるように第1の一次コイル21の入力電流の向きを設定する。
また、第2の一次コイル22に入力電圧を供給する第2のサイクルでは、第2の一次コイル22によって第2の外側脚部112 内に発生する第2の磁束φ2が、第2の外部磁石2のN極からS極に最短磁路を経由して(本例では直線的に)向かう磁束Φ2の方向とは逆方向となるように第2の一次コイル22の入力電流の向きを設定する。
【0020】
すなわち、図5に示すように、例えば第1の一次コイル21にのみパルス電圧を印加して入力電流を流した時には、第1の一次コイル21により発生する第1の磁束φ1のほぼ全てが第1の外側脚部111 内から内側脚部110 内を循環するように通過する(なお、漏れ磁束は無視するものとする)。
この場合、第1の外側脚部111 はほぼ磁気飽和状態になり、第1の外部磁石1からみて第1の外側脚部111 内の磁気抵抗が高くなるので、第1の外部磁石1のN極からS極に向かう磁束Φ1は、ほぼ全てが内側脚部110 内を迂回する。
【0021】
ここで、上記磁束φ1およびΦ1が合成された量の大きな磁束が通る脚部は、この磁束(φ1+Φ1)よりも小さい範囲で飽和することのないように、その断面積が第1の外側脚部111 の断面積よりも大きく形成しておくことが望ましい。
【0022】
また、この時、第2の一次コイル22は磁束を発生しないので、第2の外部磁石2からみて第2の外側脚部112 内の磁気抵抗が低くなるので、第2の外部磁石2のN極からS極に向かう磁束Φ2は、ほぼ全てが第2の外側脚部112 内を通って直線的に向かう。
【0023】
これに対して、図6に示すように、第2の一次コイル22にのみパルス電圧を印加して入力電流を流した時には、第2の一次コイル22により発生する第2の磁束φ2のほぼ全てが第2の外側脚部112 内から内側脚部110 内を循環するように通過する(なお、漏れ磁束は無視するものとする)。
この場合、第2の外側脚部112 はほぼ磁気飽和状態になり、第2の外部磁石2からみて第2の外側脚部112 内の磁気抵抗が高くなるので、第2の外部磁石2のN極からS極に向かう磁束Φ2は、ほぼ全てが内側脚部110 内を迂回する。
【0024】
ここで、上記磁束φ2およびΦ2が合成された量の大きな磁束が通る脚部は、この磁束(φ2+Φ2)よりも小さい範囲で飽和することのないように、その断面積が第2の外側脚部112 の断面積よりも大きく形成しておくことが望ましい。
【0025】
また、この時、第1の一次コイル21は磁束を発生しないので、第1の外部磁石1からみて第1の外側脚部111 内の磁気抵抗が低くなるので、第1の外部磁石1のN極からS極に向かう磁束Φ1は、ほぼ全てが第1の外側脚部111 内を通って直線的に向かう。
【0026】
したがって、第1の一次コイル21に入力電流が流れることに伴って二次コイル23と交差する第1の磁束φ1の向きと第2の一次コイル22に入力電流が流れることに伴って二次コイル23と交差する第2の磁束φ2の向きとは逆向きになり、しかも、二次コイル20と交差する磁束は第1の外部磁石1の磁束Φ1分あるいは第2の外部磁石2の磁束Φ2分だけ実質的に増大し、これらの磁束変化に応じた起電力が二次コイル23に誘導され、交流出力が得られる。
この場合、二次コイル23と交差する磁束の変化量は、1つの一次コイル21あるいは22に断続的に入力電流が流れる場合に二次コイル23と交差する磁束φ1あるいはφ2の変化量の2倍程度に大きくなる。
【0027】
また、上記したように第1の一次コイル21および第2の一次コイル22が交互に駆動されることに伴って、内側脚部110 内を通過する第1の磁束φ1と第2の磁束φ2とは逆向きになる。また、第1の一次コイル21の駆動時に第1の外側脚部111 内を通過する第1の磁束φ1と第2の一次コイル22の駆動時に第1の外部磁石1のN極からS極に直線的に向かって第1の外側脚部内111 を通過する磁束Φ1とは逆向きになる。同様に、第2の一次コイル22の駆動時に第2の外側脚部112 内を通過する第2の磁束φ2と第1の一次コイル21の駆動時に第2の外部磁石2のN極からS極に直線的に向かって第2の外側脚部112 内を通過する磁束Φ2とは逆向きになる。
【0028】
これにより、現在提案されている本願発明者の発明にかかる静止型の発電コイル装置の動作原理を利用しつつ、変圧器鉄芯11のヒステリシス現象による残留磁気の影響を殆んど受けなくなり、励磁電流波形の歪みを低減し、鉄損電流による鉄損を抑制し、入出力の変換効率を改善することが可能になる。
【0029】
なお、上記動作に際して、内側脚部110 、第1の外側脚部111 、第2の外側脚部112 を別々の部材で形成しておき、一次コイル側の鉄芯と二次コイル側の鉄芯とを材質的に縁を切っておくことにより、第1の外部磁石1の磁束Φ1が第2の外側脚部112 に向かう量は少なくなり、第2の外部磁石2の磁束Φ2が第1の外側脚部111 に向かう量は少なくなる。これにより、磁束Φ1、Φ2を有効に活用でき、変換効率の向上に寄与することができる。
【0030】
つぎに、上記実施例の発電コイル装置の入出力の変換効率の改善度を具体的に説明する。
図7は、上記入出力の変換効率を測定した時の測定系統の一例を示している。この測定系統において、二次コイル23に負荷抵抗71を接続した状態で、商用交流電源であるたとえば60Hz、100Vを交流アダプタ72および2個の整流器73、74を利用して半波整流して得た電圧を第1の一次コイル21および第2の一次コイル22に交互に印加した。
この測定に際して、負荷抵抗71の値を数点変化させた場合に、それぞれたとえば第1の一次コイル21の入力電流および入力電圧を電流計75および電圧計76で測定した結果、二次コイル23の出力電流および出力電圧を電流計77および電圧計78で測定した結果、入力電力、出力電力、入出力の変換効率についての計算結果を一覧にして図8に示した。
【0031】
なお、比較のために外部磁石(第1の外部磁石1および第2の外部磁石2)を除去した場合についても測定結果および計算結果を示した。
図9は、図8中の負荷抵抗対入力電流の測定結果を示す特性図である。
図10は、図8中の負荷抵抗対出力電圧の測定結果を示す特性図である。
図11は、図8中の負荷抵抗対出力電流の測定結果を示す特性図である。
図12は、図8中の入力電力対出力電力の計算結果を示す特性図である。
図13(a)、(b)は、上記測定に際して、入力波形、出力波形を確認するためにオシロスコープで観測した結果の一例を示した。
【0032】
上記結果から、本実施例の発電コイル装置によれば、外部磁石を使用しない場合と比べて、入出力の変換効率がほぼ250%以上も大幅に改善されていることが分かる。
また、上記実施例の発電コイル装置の構造によれば、平行な3本の脚部(鉄芯)111 、110 、112 に別々にコイル21、22、23が巻回され、外側の2本の脚部にそれぞれ向かってほぼ馬蹄形の永久磁石1、2が対向するように当接しているので、全体としてコンパクトである。
【0033】
なお、上記実施例における外部磁石1、2は、永久磁石以外に超伝導電磁石などの各種の磁石を使用することも可能である。
また、上記実施例における変圧器鉄芯11の形状は、平面が厳密に日の字形でなくてもよく、日の字形の一部が湾曲している場合とか、日の字形の一部に突出部を有する場合も含むものであり、本発明における変圧器鉄芯の形状は、2つの環状磁路の各一部が連なっていればよい。
【0034】
また、上記実施例では、第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 のそれぞれほぼ全領域にそれぞれ第1の一次コイル21および第2の一次コイル22を巻回した例を示したが、これに限らず、図14に示すように、第1の外側脚部111 および第2の外側脚部112 のそれぞれ一部の領域に、それぞれ交互に入力電流が供給された時に対応する第1の外部磁石1および第2の外部磁石2の磁束を遮断するのに必要な量だけ巻回するように変更してもよい。
【0035】
また、上記各実施例では、変圧器鉄芯の第1の外側脚部および第2の外側脚部として内側脚部に沿う一対の対向辺を使用した例を示したが、これに限らず、変圧器鉄芯の内側脚部の両側における各外側脚部の一部を第1の外側脚部および第2の外側脚部として使用する場合にも、第1の外側脚部における第1の一次コイルの両端部近傍に第1の外部磁石の一対のN極およびS極を当接させ、第2の外側脚部における第2の一次コイルの両端部近傍に第2の外部磁石の一対のN極およびS極を当接させるようにすれば、上記実施例と同様の動作原理により、上記実施例とほぼ同様の効果が得られる。但し、この場合、第1の一次コイルに入力電流を供給した時に第1の外部磁石のN極からS極に最短経路を経由して向かう磁束の方向とは逆方向の磁束を第1の外側脚部内に発生し、第2の一次コイルに入力電流を供給した時に第2の外部磁石のN極からS極に最短磁路を経由して向かう磁束の方向とは逆方向の磁束を第2の外側脚部内に発生し、かつ、第1の一次コイルによって発生した磁束が内側脚部を通る方向と第2の一次コイルによって発生した磁束が内側脚部を通る方向とが逆になるように第1の一次コイルと第2の一次コイルとを配置する必要がある。
【0036】
【発明の効果】
上述したように本発明の発電コイル装置によれば、入出力の変換効率を大幅に改善できるので、家庭用、産業用等あらゆる分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例にかかわる発電コイル装置を示す構成説明図。
【図2】図1中の変圧器部分を取り出して示す斜視図。
【図3】図1中の変圧器鉄芯の組立て構造の一例を示す平面図および側面図。
【図4】図1中の変圧器鉄芯の組立て構造の他の例を示す平面図および側面図。
【図5】図1の発電コイル装置の動作状態における第1のサイクルでの磁束の流れを説明するために示す図。
【図6】図1の発電コイル装置の動作状態における第2のサイクルでの磁束の流れを説明するために示す図。
【図7】図1の発電コイル装置の入出力の変換効率を測定した時の測定系統の一例を示す回路図。
【図8】図7の測定系統により得られた測定結果および計算結果の一例を一覧にして示す図。
【図9】図8中の負荷抵抗対入力電流の測定結果を示す特性図。
【図10】図8中の負荷抵抗対入力電圧の測定結果を示す特性図。
【図11】図8中の負荷抵抗対出力電流の測定結果を示す特性図。
【図12】図8中の入力電力対出力電力の計算結果を示す特性図。
【図13】図7の測定系統による測定に際して観測した入力波形および出力波形の一例を示す波形図。
【図14】図1の発電コイル装置の変形例を示す平面図。
【符号の説明】
1 第1の外部磁石 2 第2の外部磁石
10 変圧器 11 変圧器鉄芯
110 内側脚部 111 第1の外側脚部
112 第2の外側脚部 21 第1の一次コイル
22 第2の一次コイル 23 二次コイル[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a power generation coil device. More specifically, it has a transformer in which a primary coil and a secondary coil are wound around a transformer core, and an external magnet disposed in contact with a part of the transformer core to reduce input / output conversion efficiency. The present invention relates to a power generation coil device that can be improved.
[0002]
[Prior art]
When the voltage is stepped up by a transformer for voltage conversion, usually, the number of turns N2 of the secondary coil must be larger than the number of turns N1 of the primary coil, and the entire transformer becomes large. Therefore, if the entire transformer becomes large, the weight becomes large, so that it is difficult to handle and transport the transformer, and there is a problem that the cost is also increased.
In order to solve such a problem, the inventor of the present application has proposed a new stationary type power generating coil device in Japanese Patent Application No. 5-117681.
A static power generating coil device according to the above proposal includes a transformer in which a primary coil and a secondary coil are wound around separate leg iron cores of a transformer iron core, and both ends of the primary coil side leg iron core. External magnets disposed at (or near) the N-pole and the S-pole in contact with each other, and the direction of the input current flowing through the primary coil is determined by the direction of the magnetic flux generated in the iron core on the primary coil side leg. The direction is set so as to be opposite to the direction of the magnetic flux that goes straight from the N pole to the S pole of the external magnet.
[0003]
Assuming that the operation principle of this power generation coil device is that the input voltage is intermittently supplied to the primary coil, almost all of the magnetic flux from the N pole to the S pole of the external magnet during the non-supply period of the input voltage is the primary coil. Few magnetic fluxes pass through the side leg core and bypass the secondary coil side leg core.
On the other hand, during the input voltage supply period, the magnetic flux generated by the primary coil circulates from inside the primary coil side leg core, through the transformer iron core, and through the secondary coil side leg core. pass. In this case, the iron core of the primary coil side leg is almost magnetically saturated, and the magnetic resistance in the iron core of the primary coil side leg increases from the viewpoint of the external magnet. Therefore, the magnetic flux from the N pole to the S pole of the external magnet is , Almost all bypass the inside of the iron core on the secondary coil side.
Therefore, as the input current flows intermittently through the primary coil, the amount of change in the magnetic flux that intersects the secondary coil substantially increases by the amount of the magnetic flux of the external magnet. Induced by the coil.
It is desirable that the magnetic flux passing through the iron core on the primary coil side leg be saturated when the primary coil is energized. In other words, when the magnetic flux of the primary coil side leg core becomes saturated due to the energization of the primary coil, all the magnetic flux generated by the external magnet passes through the secondary coil side leg core, and the magnetic flux generated by the external magnet This can be used effectively. To this end, if the iron cores are made of the same material, it is desirable that the cross-sectional area of the iron core on the primary coil side be formed to be smaller than the cross-sectional areas of the other portions.
[0004]
In this way, the primary coil has a role of inducing an electromotive force in the secondary coil and a role of a switch for switching the direction of the magnetic flux generated by the external magnet, thereby effectively utilizing the magnetic flux generated by the external magnet. Thus, it is possible to realize a stationary type power generating coil device that takes out in the form of electric energy.
Therefore, it is possible to increase the voltage without increasing the turns ratio N2 / N1. Of course, if the turns ratio is increased, further boosting is possible.
By the way, in the above-described power generation coil device, the direction of the magnetic flux intermittently passing through the inside of the primary coil side leg core and the inside of the secondary coil side leg core is one direction, and is caused by the hysteresis phenomenon of the iron core. Affected by remanence. As a result, the excitation current waveform is distorted, iron loss is caused by the iron loss current, and improvement in input / output conversion efficiency is impeded.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the problem that the currently proposed power generation coil device is affected by residual magnetism as described above, and a stationary power generation device capable of greatly improving input / output conversion efficiency. It is an object to provide a coil device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A power generating coil device according to the present invention includes a transformer iron core having an annular magnetic path having a substantially C-shape in a plane, a pair of first outer leg portions and a pair of first outer leg portions facing each other along inner leg portions of the transformer iron core. A first primary coil and a second primary coil respectively wound around the outer legs of the first and second outer legs, a secondary coil wound around the inner legs, and an outer portion of the transformer core. A first external magnet having a pair of north and south poles abutting on or near both ends in the longitudinal direction of the first outer leg, and also disposed outside the transformer core. And a pair of N-poles and S-poles abutting on or near both ends in the length direction of the second outer leg, and the polarity of the pair is the same as the polarity of the first N-pole and S-pole. A second external magnet set to be in a direction opposite to the direction.
[0007]
[Action]
In using the power generation coil device of the present invention, the first primary coil and the second primary coil are alternately supplied with an input current, and the first primary coil is connected to the N pole to the S pole of the first external magnet. The input current is supplied in a direction that generates a magnetic flux in the outer leg portion in a direction opposite to the direction of the magnetic flux flowing through the shortest magnetic path, and the second primary coil is connected to the N pole of the second external magnet from the N pole of the second external magnet. It is assumed that the input current is supplied in a direction that generates a magnetic flux in the outer leg portion in a direction opposite to the direction of the magnetic flux directed to the pole via the shortest magnetic path.
When an input current is applied only to the first primary coil, the first magnetic flux generated by the first primary coil passes from the inside of the first outer leg to the inside of the inner leg. In this case, the first outer leg becomes substantially magnetically saturated, and the magnetic resistance in the first outer leg increases when viewed from the first external magnet. Almost all of the oncoming magnetic flux bypasses the inner leg. At this time, since the second primary coil does not generate a magnetic flux, the magnetic resistance in the second outer leg becomes low as viewed from the second external magnet, so that the magnetic flux from the N pole to the S pole of the second external magnet is reduced. Almost all pass through the second outer leg from the north pole to the south pole via the shortest magnetic path.
On the other hand, when the input current is applied only to the second primary coil, the second magnetic flux generated by the second primary coil passes from the second outer leg to the inner leg so as to circulate. In this case, the second outer leg is substantially magnetically saturated, and the magnetic resistance in the second outer leg is high when viewed from the second external magnet. Almost all of the oncoming magnetic flux bypasses the inner leg. At this time, since the first primary coil does not generate a magnetic flux, the magnetic resistance in the first outer leg portion becomes low when viewed from the first external magnet, so that the magnetic flux of the first external magnet from the north pole to the south pole is reduced. Almost all pass through the first outer leg from the north pole to the south pole via the shortest magnetic path.
[0008]
Therefore, the direction of the first magnetic flux that intersects with the secondary coil as the input current flows through the first primary coil, and the direction of the first magnetic flux that intersects with the secondary coil as the input current flows through the second primary coil. 2, and the magnetic flux intersecting the secondary coil is substantially increased by the magnetic flux of the first external magnet or the magnetic flux of the second external magnet. Is induced in the secondary coil, and an AC output is obtained. As a result, the amount of change in the magnetic flux that intersects with the secondary coil becomes approximately twice as large as the amount of change in the magnetic flux that intersects with the secondary coil when the input current flows intermittently through one primary coil. It is possible to boost the voltage without increasing N2 / N1.
[0009]
In addition, as described above, the first and second primary coils are alternately driven, so that the first magnetic flux and the second magnetic flux passing through the inner leg portion are in opposite directions. Also, the first magnetic flux passing through the inside of the first outer leg when the first primary coil is driven and the shortest magnetic path from the N pole to the S pole of the first external magnet through the shortest magnetic path when the second primary coil is driven. In the direction opposite to the magnetic flux passing through the first outer leg. Similarly, the second magnetic flux passing through the inside of the second outer leg when the second primary coil is driven and the shortest magnetic path from the N pole to the S pole of the second external magnet when driving the first primary coil. In the direction opposite to the magnetic flux passing through the second outer leg.
As a result, the effect of residual magnetism due to the hysteresis phenomenon of the transformer iron core is almost eliminated, the distortion of the exciting current waveform is reduced, the iron loss due to the iron loss current is suppressed, and the input / output conversion efficiency is improved. Becomes possible. That is, it is possible to greatly improve the input / output conversion efficiency by utilizing the operation principle of the currently proposed stationary power generation coil device according to the present inventors' invention.
[0010]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a power generating coil device according to one embodiment of the present invention, and a transformer portion is taken out and shown in FIG.
This power generating coil device includes a
[0011]
The
[0012]
It is desirable that the
[0013]
The first
The second
[0014]
In this example, each of the
The
[0015]
In this example, as shown in FIGS. 3A and 3B, a layer in which a single plane I-shaped
[0016]
4A and 4B show another example of an assembly structure of the
[0017]
Next, the operating principle of the power generation coil device of the above embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6 by taking the case where the power generation coil device is used as, for example, a DC / AC inverter.
[0018]
In the power generation coil device of the above embodiment, the direction of the first magnetic flux φ1 generated in the first
[0019]
In this case, in the first cycle in which the input voltage is supplied to the first
In the second cycle of supplying the input voltage to the second
[0020]
That is, as shown in FIG. 5, for example, when a pulse voltage is applied only to the first
In this case, the first
[0021]
Here, the leg through which a large amount of magnetic flux composed of the magnetic fluxes φ1 and φ1 passes has a cross-sectional area of the first outer leg portion so as not to be saturated in a range smaller than the magnetic flux (φ1 + φ1). It is desirable that the cross-sectional area be larger than 111.
[0022]
Also, at this time, since the second
[0023]
On the other hand, as shown in FIG. 6, when a pulse voltage is applied only to the second
In this case, the second
[0024]
Here, the leg through which a large amount of magnetic flux composed of the magnetic fluxes φ2 and φ2 passes has a cross-sectional area of the second outer leg to prevent saturation in a range smaller than the magnetic flux (φ2 + φ2). It is desirable that the cross-sectional area be larger than 112.
[0025]
At this time, since the first
[0026]
Therefore, the direction of the first magnetic flux φ1 crossing the
In this case, the amount of change in the magnetic flux that intersects with the
[0027]
Further, as described above, the first
[0028]
Thus, while utilizing the operating principle of the stationary type power generating coil device according to the present invention of the present inventor, which is currently proposed, the effect of the residual magnetism due to the hysteresis phenomenon of the
[0029]
In the above operation, the
[0030]
Next, the degree of improvement of the input / output conversion efficiency of the power generation coil device of the above embodiment will be specifically described.
FIG. 7 shows an example of a measurement system when the input / output conversion efficiency is measured. In this measurement system, a commercial AC power supply of, for example, 60 Hz, 100 V is obtained by half-wave rectification using an
In this measurement, when the value of the load resistor 71 is changed by several points, for example, the input current and the input voltage of the first
[0031]
For comparison, the measurement results and the calculation results are also shown for the case where the external magnets (the first
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the measurement results of the load resistance versus the input current in FIG.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a measurement result of load resistance versus output voltage in FIG.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing measurement results of load resistance versus output current in FIG.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a calculation result of input power versus output power in FIG.
FIGS. 13 (a) and 13 (b) show an example of the result of observation with an oscilloscope in order to confirm the input waveform and the output waveform at the time of the above measurement.
[0032]
From the above results, it can be seen that, according to the power generation coil device of the present embodiment, the input / output conversion efficiency is greatly improved by about 250% or more compared to the case where no external magnet is used.
Further, according to the structure of the power generation coil device of the above embodiment, the
[0033]
In addition, as the
Further, the shape of the
[0034]
Further, in the above-described embodiment, an example is shown in which the first
[0035]
Further, in each of the above embodiments, an example is shown in which a pair of opposing sides along the inner leg is used as the first outer leg and the second outer leg of the transformer core. However, the present invention is not limited to this. When a part of each outer leg on both sides of the inner leg of the transformer core is used as the first outer leg and the second outer leg, the first primary in the first outer leg is also used. A pair of N and S poles of the first external magnet are brought into contact near both ends of the coil, and a pair of N poles of the second external magnet are placed near both ends of the second primary coil in the second outer leg. When the pole and the S pole are brought into contact with each other, substantially the same effects as in the above embodiment can be obtained by the same operation principle as in the above embodiment. However, in this case, when an input current is supplied to the first primary coil, a magnetic flux in a direction opposite to the direction of the magnetic flux directed from the N pole to the S pole of the first external magnet via the shortest path is transmitted to the first outer magnet. A second magnetic flux is generated in the leg portion, and when the input current is supplied to the second primary coil, the magnetic flux in the direction opposite to the direction of the magnetic flux flowing from the N pole to the S pole of the second external magnet via the shortest magnetic path is converted to the second magnetic flux. And the direction in which the magnetic flux generated by the first primary coil passes through the inner leg and the direction in which the magnetic flux generated by the second primary coil passes through the inner leg is reversed. It is necessary to arrange the first primary coil and the second primary coil.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the power generation coil device of the present invention, the conversion efficiency of input / output can be greatly improved, so that it can be used in all fields such as home use and industrial use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a power generating coil device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a transformer portion in FIG.
FIG. 3 is a plan view and a side view showing an example of an assembly structure of the transformer iron core in FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view and a side view showing another example of an assembling structure of the transformer iron core in FIG. 1;
FIG. 5 is a view for explaining a flow of magnetic flux in a first cycle in an operation state of the power generation coil device of FIG. 1;
FIG. 6 is a view for explaining a flow of magnetic flux in a second cycle in an operation state of the power generation coil device of FIG. 1;
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a measurement system when measuring the input / output conversion efficiency of the power generation coil device of FIG. 1;
8 is a diagram showing an example of a list of measurement results and calculation results obtained by the measurement system of FIG. 7;
FIG. 9 is a characteristic diagram showing measurement results of load resistance versus input current in FIG.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing measurement results of load resistance versus input voltage in FIG.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing measurement results of load resistance versus output current in FIG.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a calculation result of input power versus output power in FIG.
FIG. 13 is a waveform chart showing an example of an input waveform and an output waveform observed during measurement by the measurement system of FIG. 7;
FIG. 14 is a plan view showing a modification of the power generation coil device of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記変圧器鉄芯の内側脚部に沿って対向する一対の第1の外側脚部および第2の外側脚部にそれぞれ対応して巻回された第1の一次コイルおよび第2の一次コイルと、
前記内側脚部に巻回された二次コイルと、
前記変圧器鉄芯の外部に配設され、前記第1の外側脚部の長さ方向の両端部あるいはその近傍に当接する一対のN極およびS極を有する第1の外部磁石と、
同じく前記変圧器鉄芯の外部に配設され、前記第2の外側脚部の長さ方向の両端部あるいはその近傍に当接する一対のN極およびS極を有し、その極性の向きが上記第1の外部磁石のN極およびS極の極性の向きとは逆方向になるように設定されている第2の外部磁石
とを具備することを特徴とする発電コイル装置。A transformer iron core having a planar substantially sun-shaped annular magnetic path,
A first primary coil and a second primary coil wound corresponding to a pair of the first outer leg and the second outer leg facing the inner leg of the transformer core, respectively; ,
A secondary coil wound around the inner leg,
A first external magnet disposed outside the transformer core and having a pair of north and south poles abutting on or near both longitudinal ends of the first outer leg;
The second outer leg has a pair of N-poles and S-poles which are disposed outside the iron core of the transformer and abut at or near both ends in the longitudinal direction of the second outer leg. A power generating coil device comprising: a second external magnet set so as to have a direction opposite to the polarities of the N pole and the S pole of the first external magnet.
ことを特徴とする請求項1記載の発電コイル装置。The first primary coil and the second primary coil are alternately supplied with an input current, and the first primary coil goes from the north pole to the south pole of the first external magnet via a shortest path. An input current is supplied in a direction to generate a magnetic flux in a direction opposite to the direction of the magnetic flux in the first outer leg, and the second primary coil is connected to the second external magnet from the north pole to the shortest pole to the south pole. The power generation coil device according to claim 1, wherein the input current is supplied in a direction in which a magnetic flux in a direction opposite to a direction of the magnetic flux flowing through the magnetic path is generated in the second outer leg.
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