JP7365700B2 - 可変変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、高い精度で電圧を変化させることが可能な可変変圧器に関する。

従来よりダイヤル型の操作部を回転させることで電圧を調整する回転式スライダックが知られている。
また、鉄心に一次巻線及び二次巻線を巻き、鉄心の一部における磁路の断面積を機械的に可変する機能を持ち、磁気回路の磁気抵抗を調整することで電圧を変化させる可変変圧器も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－２７８２７３号公報

しかし、従来のような可変変圧器は、入力された電圧をある程度の精度で任意の大きさの電圧に変換することができるが、近年求められている高い精度で任意の大きさの電圧に変換することは困難であった。

そこで、本発明は、入力された電圧を高い精度で任意の大きさの電圧に変換することが可能な可変変圧器を提供することを目的とする。

本発明は、第一コア部と、前記第一コア部と対向する第二コア部及び第三コア部とを有する鉄心と、
前記第一コア部の周囲に巻かれ、電源に接続される一次コイルと、
前記第二コア部の周囲に巻かれ、前記一次コイルから誘導される電圧を可変に出力可能な二次コイルＡと、
前記第三コア部の周囲に巻かれ、前記一次コイルから誘導される電圧を可変に出力可能な二次コイルＢと、を有し、
前記第三コア部における前記鉄心の断面積は、前記第二コア部における前記鉄心の断面積よりも小さいことを特徴とする可変変圧器である。

本発明によれば、出力される電圧を高い精度で可変・調整することが可能な可変変圧器を提供することができる。

本発明の可変変圧器の構成の第一実施形態を示した模式図である。 本発明の可変変圧器の構成の第二実施形態を示した模式図である。 本発明の可変変圧器の構成の第三実施形態を示した模式図である。 第三実施形態に係る可変変圧器の鉄心のＺ－Ｚ’断面図である。

以下、本発明の可変変圧器の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第一実施形態］
まず、本発明の可変変圧器の第一実施形態について説明する。
図１は、本発明の可変変圧器の構成の第一実施形態を示した模式図である。本明細書において、図１中、上方向を上又は上側、下方向を下又は下側、右方向を右又は右側、左方向を左又は左側という。

可変変圧器１００は、入力された電圧（交流電圧）を任意の大きさの電圧（交流電圧）に変換可能な可変変圧器である。
可変変圧器１００は、図１に示すように、鉄心１と、一次コイル２と、二次コイルＡと、二次コイルＢとを有している。

鉄心１は、第一コア部１１と、第二コア部１２と、第三コア部１３とを有している。
第一コア部１１と第二コア部１２とは、互いに対向するように配置されている。
また、第一コア部１１と第三コア部１３とは、互いに対向するように配置されている。
第一コア部１１と第二コア部１２との間には空間１４が形成されており、また、第一コア部１１と第三コア部１３との間には空間１５が形成されている。
第一コア部１１と第二コア部１２とは、空間１４の上側及び下側において接続されている。また、第一コア部１１と第三コア部１３とは、空間１５の上側及び下側において接続されている。

本実施形態では、鉄心１の外形は、図１に示すように、四角形の枠が二つ組み合わさった形状を備えている。
鉄心１は、成層鉄心で構成されている。これにより、渦電流を抑制し、熱損失が生じるのを防止することができる。

第一コア部１１、第二コア部１２及び第三コア部１３の周囲には、それぞれ一次コイル２、二次コイルＡ及び二次コイルＢが設けられている。二次コイルＡ及び二次コイルＢは、一次コイル２から誘導される電圧を可変して出力可能となっている。
一次コイル２は、電源に接続される入力端子２１及び入力端子２２を有している。入力端子２１及び入力端子２２は、それぞれ、一次コイル２の両端部に設けられている。

また、二次コイルＡは、図１に示すように、出力端子Ａ１と出力端子Ａ２とを有している。
出力端子Ａ１は、二次コイルＡの一端に接続されている。
出力端子Ａ２は、二次コイルＡと接しており、第二コア部１２の長手方向（図１中の上下方向）にスライドするよう構成されている。

また、二次コイルＢは、図１に示すように、出力端子Ｂ１と出力端子Ｂ２とを有している。
出力端子Ｂ１は、二次コイルＢの一端に接続されている。
出力端子Ｂ２は、二次コイルＢと接しており、第三コア部１３の長手方向（図１中の上下方向）にスライドするよう構成されている。

可変変圧器１００では、第三コア部１３における鉄心１の断面積が、第二コア部１２における鉄心１の断面積よりも小さい構成となっている。
なお、第三コア部における前記鉄心の断面積をＸ［ｃｍ^２］、前記第二コア部における前記鉄心の断面積をＹ［ｃｍ^２］としたとき、Ｘ／Ｙ≦０．３の関係を満足することが好ましい。このような関係を満足することにより、出力される電圧を高い精度で可変・調整することができる。

このような構成を備えた可変変圧器１００において、一次コイル２に交流電圧を印加した際に、第一コア部１１内に発生する全磁束をΦ_０、第二コア部１２内に発生する全磁束をΦ_１、第三コア部１３内に発生する全磁束をΦ_２としたとき、Φ_０＝Φ_１＋Φ_２の関係を満足する。
なお、本実施形態では、磁気回路構成上、第一コア部１１における鉄心１の断面積は、第二コア部１２における鉄心の断面積と略同等又は第二コア部１２の断面積と第三コア部１３の断面積の略和となっている。略同等及び略和とは、断面積の差が±５％以下のことを指す。

図１に示す可変変圧器１００において、右側の回路（第一コア部１１と第二コア部１２とで構成される回路）と左側の回路（第一コア部１１と第三コア部１３とで構成される回路）の長さが等しいとした場合、Φ_１及びΦ_２の大きさは、第二コア部１２及び第三コア部１３の鉄心１の断面積に比例する。

第二コア部１２及び第三コア部１３の鉄心１の断面積をＡ１及びＡ２とすると、Φ_１＝Ａ１・Φ_０／（Ａ１＋Ａ２）、Φ_２＝Ａ２・Φ_０／（Ａ１＋Ａ２）となる。
二次コイルＡ及び二次コイルＢから出力される電圧は、それぞれの全磁束Φ_１及びΦ_２の大きさに比例する。

一次コイル２への入力電圧をＶ_ｉｎ、一次コイル２の巻き数をＮ_ｉｎ、出力端子Ａ２の位置における巻き数をｎ_Aとしたとき、二次コイルＡから出力される電圧Ｖ_１は、全磁束比と巻き数割合と入力電圧の積で求まり、
Ｖ_１＝（Φ_１／Φ_０）・（ｎ_A・／Ｎ_ｉｎ）・Ｖ_ｉｎ＝ｎ_A・Ａ１・Ｖ_ｉｎ／（Ｎ_ｉｎ・（Ａ１＋Ａ２）） … （１）
と表すことができる。

また、一次コイル２への入力電圧をＶ_ｉｎ、一次コイル２の巻き数をＮ_ｉｎ、出力端子Ｂ２の位置における巻き数をｎ_Ｂとしたとき、二次コイルＢから出力される電圧Ｖ_２は、
Ｖ_２＝（Φ_２／Φ_０）・（ｎ_Ｂ・／Ｎ_ｉｎ）・Ｖ_ｉｎ＝ｎ_Ｂ・Ａ２・Ｖ_ｉｎ／（Ｎ_ｉｎ・（Ａ１＋Ａ２）） … （２）
と表すことができる。

例えば、Ａ１とＡ２との比が９：１の場合、二次コイルＢからの出力電圧Ｖ_２は、式（２）から、Ｖ_２＝（１／１０）・ｎ（Ｂ）・Ｖ_ｉｎ／Ｎ_ｉｎとなり、二次コイルＡだけしか有していない変圧器に比べて、1／１０の出力が得られ、その分解能が１／１０となり設定精度が１０倍になる。
一方、二次コイルＡからの出力電圧Ｖ_１は、式（１）から、Ｖ_１＝（９／１０）・ｎ（Ａ）・Ｖ_ｉｎ／Ｎ_ｉｎとなり、二次コイルＡだけしか有していない変圧器と比べて１割程度減ずるが、大きな変化はない。

図１に示す可変変圧器１００では、入力端子２１及び２２に電源を接続した場合、可変変圧器１００のＡ２とＢ１を接続して、Ａ１とＢ２から出力される出力電圧Ｖ_ａｌｌは、Ｖ_ａｌｌ＝Ｖ_１＋Ｖ_２となる。例えば、上述したようにＡ１とＡ２の関係が９：１であるとすると、Ｖ_１とＶ_２のそれぞれの出力端子Ａ２及びＢ２の分解能つまり、コイル一巻き当たりの電圧は、それぞれ（９／１０）Ｖ_ｉｎ／Ｎ_ｉｎと（１／１０）・Ｖ_ｉｎ／Ｎ_ｉｎとなる。したがって、二次コイルの巻き数がそれぞれ一次コイルと等しいとすると、出力Ｖ_ａｌｌは入力電圧Ｎ_ｉｎと同じ電圧が出力することができ、二次コイルＡ単独に比べ、その分解能は１／１０となり、高精度の設定が可能になる。このため、図１に示す可変変圧器１００では、二次コイルＡ側で大まかな電圧を設定し、二次コイルＢ側で微小な電圧を正確に設定することができる。ここで、二次コイルＡ及びＢの巻き数は、一次コイルの巻き数と同じにする必要はなく、使用目的に合わせて巻き数を設定することにより、任意の出力電圧が得られる。

上記接続法以外にも、それぞれの二次コイルを独立に使用することもできる。

［第二実施形態］
次に、本発明の可変変圧器の第二実施形態について説明する。
図２は、本発明の可変変圧器の構成の第二実施形態を示した模式図である。
本実施形態の可変変圧器１００では、二次コイルＡに接続されている出力端子が、スライド形式ではなく、スイッチング形式になっている以外は、前述した実施形態と同様の構成を有している。

すなわち、二次コイルＡは、図２に示すように、出力端子Ａ１と、複数の出力端子Ａ３と、スイッチング端子Ａ４とを有している。
出力端子Ａ１は、第一実施形態と同様に二次コイルＡの一端に接続されている。
複数の出力端子Ａ３は、それぞれ二次コイルＡの任意の場所で二次コイルＡと接している。
スイッチング端子Ａ４は、複数の出力端子Ａ３のいずれかと接続されており、接続を切り替えることにより、出力電圧を変更することができるよう構成されている。
本実施形態の可変変圧器１００においても、出力端子Ａ４とＢ１を接続したとき、端子Ａ１と端子Ｂ２から出力されるＶ_ａｌｌは、二次コイルＡの各端子の出力電圧を二次コイルＢの最大電圧より小さく設定することにより、広範囲に連続した出力を、二次コイルＡ側で大まかな電圧を設定し、二次コイルＢ側で微小な電圧を正確に設定することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の可変変圧器の第三実施形態について説明する。
図３は、本発明の可変変圧器の構成の第三実施形態を示した模式図、図４は第三実施形態に係る可変変圧器の鉄心のＺ－Ｚ’断面図である。
以下、前述した第一実施形態との相違点について説明し、同様の構成の場合には、その説明を省略する。

本実施形態では、鉄心１の外形が、図３に示すように、円が二つ組み合わさった形状、すなわち、８の字形状を備えている。なお、左右の円の径は同じでなくてもよい。
前述した第一実施形態と同様に、第三コア部１３における鉄心１の断面積が、第二コア部１２における鉄心１の断面積よりも小さい構成となっている（図４参照）。

さらに、本実施形態では、二次コイルＡが、図３に示すように、出力端子Ａ１と、回転端子Ａ５と、出力端子Ａ６とを有している。
出力端子Ａ１は、二次コイルＡの一端に接続されている。
回転端子Ａ５は、二次コイルＡと接しており、回転させることによって、二次コイルＡとの接点が移動可能となっている。
さらに、回転端子Ａ５は、出力端子Ａ６と接続されている。

また、本実施形態では、二次コイルＢが、図３に示すように、出力端子Ｂ１と、回転端子Ｂ５と、出力端子Ｂ６とを有している。
出力端子Ｂ１は、二次コイルＢの一端に接続されている。
回転端子Ｂ５は、二次コイルＢと接しており、回転させることによって、二次コイルＢとの接点が移動可能となっている。
さらに、回転端子Ｂ５は、出力端子Ｂ６と接続されている。

本実施形態の可変変圧器１００においても、それぞれの二次コイルの出力を単独で使用するか、もしくは出力端子Ａ６と出力端子Ｂ１を接続し、出力端子Ａ１と出力端子Ｂ６による出力Ｖ_ａｌｌは、広範囲の出力電圧が連続的に、二次コイルＡ側で大まかな電圧を設定し、二次コイルＢ側で微小な電圧を正確に設定することができる。

以上、本発明の可変変圧器について、好適な実施形態を基に説明したが、本発明はこれに限定されない。
上述した説明では鉄心１の外形が，四角形が組み合わさった形状や８の字形状について説明したが、これに限定されない。
また、中心に一次コイル２が配され、その左右に各二次コイルが配された構成について説明したが、一次コイル２が第二コア部の位置に配され、二次コイルＡが第一コア部の位置に配された構成であってもよい。

１ 鉄心
１１ 第一コア部
１２ 第二コア部
１３ 第三コア部
１４、１５ 空間
２ 一次コイル
Ａ、Ｂ 二次コイル
２１、２２ 入力端子
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ６ 出力端子
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ６ 出力端子
Ａ４ スイッチング端子
Ｂ４ スイッチング端子
１００ 可変変圧器

Claims (5)

1. 第一コア部と、前記第一コア部と対向する第二コア部及び第三コア部とを有する鉄心と、
   前記第一コア部の周囲に巻かれ、電源に接続される一次コイルと、
   前記第二コア部の周囲に巻かれ、前記一次コイルから誘導される電圧を可変に出力可能な二次コイルＡと、
   前記第三コア部の周囲に巻かれ、前記一次コイルから誘導される電圧を可変に出力可能な二次コイルＢと、を有し、
   前記第三コア部における前記鉄心の断面積は、前記第二コア部における前記鉄心の断面積よりも小さいことを特徴とする可変変圧器。
2. 前記二次コイルＢは、出力端子Ｂ１と、出力端子Ｂ２とを有し、
   前記出力端子Ｂ１は、前記二次コイルＢの一端に接続され、
   前記出力端子Ｂ２は、前記二次コイルＢと接し、前記第三コア部の長手方向にスライドする請求項１に記載の可変変圧器。
3. 前記二次コイルＡは、出力端子Ａ１と、出力端子Ａ２とを有し、
   前記出力端子Ａ１は、前記二次コイルＡの一端に接続され、
   前記出力端子Ａ２は、前記二次コイルＡと接し、前記第二コア部の長手方向にスライドする請求項１または２に記載の可変変圧器。
4. 前記第一コア部における前記鉄心の断面積は、前記第二コア部における前記鉄心の断面積と略同等もしくは第二コア部と第三コア部の断面積の略和である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の可変変圧器。
5. 前記第三コア部における前記鉄心の断面積をＸ［ｃｍ^２］、前記第二コア部における前記鉄心の断面積をＹ［ｃｍ^２］としたとき、Ｘ／Ｙ≦０．３の関係を満足する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の可変変圧器。
   
   

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