JPH0851041A - 回転トランスフォーマ - Google Patents
回転トランスフォーマInfo
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- JPH0851041A JPH0851041A JP7125803A JP12580395A JPH0851041A JP H0851041 A JPH0851041 A JP H0851041A JP 7125803 A JP7125803 A JP 7125803A JP 12580395 A JP12580395 A JP 12580395A JP H0851041 A JPH0851041 A JP H0851041A
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- JP
- Japan
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- transformer
- primary
- coil
- stator
- shaped
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
- H01F38/18—Rotary transformers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
- Steering Controls (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 信頼性を向上させると同時に、製造コストを
低減させる。 【構成】 ほぼＵ字形状断面の脚部106,112 を軸方向に
互いに組み合わせ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそれ
ぞれ一次および二次コイル114,116 を巻き付けた環状の
ステータおよびロータ102,104 を備えて、信号レベルお
よび大きい電力レベルの信号の両方を伝達可能にせしめ
る。
低減させる。 【構成】 ほぼＵ字形状断面の脚部106,112 を軸方向に
互いに組み合わせ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそれ
ぞれ一次および二次コイル114,116 を巻き付けた環状の
ステータおよびロータ102,104 を備えて、信号レベルお
よび大きい電力レベルの信号の両方を伝達可能にせしめ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一次および二次コイル
を相対回転可能に配置、例えば一方のコイルが固定構造
体に取り付けられ、他方のコイルがその固定コイルに対
して同軸状に回転可能に配置されたシャフトまたは管に
取り付けられた形式のトランスフォーマに関するもので
ある。
を相対回転可能に配置、例えば一方のコイルが固定構造
体に取り付けられ、他方のコイルがその固定コイルに対
して同軸状に回転可能に配置されたシャフトまたは管に
取り付けられた形式のトランスフォーマに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】これまでの回転トランスフォーマは、ト
ルクまたは回転変位トランスジューサ等の回転接続部で
の低レベル信号の伝達に用いられてきた。
ルクまたは回転変位トランスジューサ等の回転接続部で
の低レベル信号の伝達に用いられてきた。
【０００３】この種の装置は、一般的に測定用に低レベ
ルの位置あるいはひずみ表示信号を発生するか、または
制御信号を発生するために用いられ、これまでは無接点
構造の回転接続部等での大量の電力の伝達が望まれる
か、大量の電力の伝達が必要な場合には用いられていな
かった。
ルの位置あるいはひずみ表示信号を発生するか、または
制御信号を発生するために用いられ、これまでは無接点
構造の回転接続部等での大量の電力の伝達が望まれる
か、大量の電力の伝達が必要な場合には用いられていな
かった。
【０００４】例えば車両ステアリングホィール上のユー
ザ操作式制御スイッチ、および、ステアリングホィール
に取り付けられたエアバッグ膨張器を励起するための電
力を発生する等の一定の自動車用途では、これまでステ
アリングコラムとステアリングシャフトとの間の回転接
続部での電気接続を行うためにスリップリングまたは螺
旋巻きしたリボン導体を用いるのが一般的であった。
ザ操作式制御スイッチ、および、ステアリングホィール
に取り付けられたエアバッグ膨張器を励起するための電
力を発生する等の一定の自動車用途では、これまでステ
アリングコラムとステアリングシャフトとの間の回転接
続部での電気接続を行うためにスリップリングまたは螺
旋巻きしたリボン導体を用いるのが一般的であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】スリップリングの場
合、異物によって電気的接触表面が劣化する可能性があ
るという問題があり、螺旋巻きしたリボン導体には、高
価な導電材リンクが必要であり、またステアリングホィ
ールを車両に設置する時に複雑で困難な組み付け手順を
要するという問題点がある。
合、異物によって電気的接触表面が劣化する可能性があ
るという問題があり、螺旋巻きしたリボン導体には、高
価な導電材リンクが必要であり、またステアリングホィ
ールを車両に設置する時に複雑で困難な組み付け手順を
要するという問題点がある。
【０００６】このため、製造コストが低く、信頼性が高
くなるようにして信号レベルおよび大きい電力レベルの
信号の両方を伝達できる無接点回転電気接続部を提供す
る方法または手段を提供することが望まれている。
くなるようにして信号レベルおよび大きい電力レベルの
信号の両方を伝達できる無接点回転電気接続部を提供す
る方法または手段を提供することが望まれている。
【０００７】図１５は、従来型トランスフォーマ１０を
示しており、環状のステータ部材１４，１６内の中央に
回転シャフト１２が配置されている。プラスチックロー
タ１８が回転シャフト１２に取り付けられている。
示しており、環状のステータ部材１４，１６内の中央に
回転シャフト１２が配置されている。プラスチックロー
タ１８が回転シャフト１２に取り付けられている。
【０００８】ほぼＵ字形状のステータ部材２０には、そ
の外側の脚部の内側表面にコイル２８が巻き付けられて
おり、それに軸方向に隣接して第２ステータ部材２２が
配置されている。ロータ１８には回転コイル３０が、コ
イル２８に対して回転可能に取り付けられている。
の外側の脚部の内側表面にコイル２８が巻き付けられて
おり、それに軸方向に隣接して第２ステータ部材２２が
配置されている。ロータ１８には回転コイル３０が、コ
イル２８に対して回転可能に取り付けられている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、ほぼＵ字形状
断面で、そのＵ字形状の脚部を軸方向に互いに組み合わ
せ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそれぞれ一次および
二次コイルを巻き付けた環状のステータおよびロータ透
磁性部材を備えた回転トランスフォーマを提供するもの
である。
断面で、そのＵ字形状の脚部を軸方向に互いに組み合わ
せ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそれぞれ一次および
二次コイルを巻き付けた環状のステータおよびロータ透
磁性部材を備えた回転トランスフォーマを提供するもの
である。
【００１０】本発明のトランスフォーマは、Ｕ字形状ス
テータ部材の内側脚部の半径方向外周に一次コイルを取
り付けている。二次すなわち出力コイルは、Ｕ字形状ロ
ータ部材の半径方向外側脚部の内側表面に巻き付けられ
ている。
テータ部材の内側脚部の半径方向外周に一次コイルを取
り付けている。二次すなわち出力コイルは、Ｕ字形状ロ
ータ部材の半径方向外側脚部の内側表面に巻き付けられ
ている。
【００１１】トランスフォーマはとくに、ステータを固
定コラムに取り付け、それに挿通したステアリングシャ
フトにロータを取り付けた自動車用ステアリングコラム
に用いるのに適している。
定コラムに取り付け、それに挿通したステアリングシャ
フトにロータを取り付けた自動車用ステアリングコラム
に用いるのに適している。
【００１２】トランスフォーマは、２〜５ｋＨｚの周波
数範囲で比較的高い効率を与えることができるように、
鉄または強磁性素材の巻線比および量を最適化するため
に繰り返し設計される。
数範囲で比較的高い効率を与えることができるように、
鉄または強磁性素材の巻線比および量を最適化するため
に繰り返し設計される。
【００１３】本トランスフォーマは、上記周波数では単
位体積および単位質量当たりの電力伝達能力が非常に高
い。
位体積および単位質量当たりの電力伝達能力が非常に高
い。
【００１４】本発明のトランスフォーマは、ステアリン
グホィールに取り付けられたユーザ作動式制御ボタン、
例えばラジオ操作またはクルーズコントロール機能用の
ものからの信号を回転ステアリングコラム−シャフト接
続部で伝達するのにとくに適している。
グホィールに取り付けられたユーザ作動式制御ボタン、
例えばラジオ操作またはクルーズコントロール機能用の
ものからの信号を回転ステアリングコラム−シャフト接
続部で伝達するのにとくに適している。
【００１５】本発明のトランスフォーマは、また、車両
ステアリングホィールに取り付けられた車両乗員の身体
拘束用エアバッグを膨張させるために、点火用トリガ部
材を作動するための飽和状態に近いレベルの電力レベル
信号を伝達するのにも非常に適している。
ステアリングホィールに取り付けられた車両乗員の身体
拘束用エアバッグを膨張させるために、点火用トリガ部
材を作動するための飽和状態に近いレベルの電力レベル
信号を伝達するのにも非常に適している。
【００１６】環状のステータ（１０２）およびロータ
（１０４）が設けられ、その各々の断面がほぼＵ字形
で、互いに近接して軸方向に組み合わされている回転ト
ランスフォーマ。
（１０４）が設けられ、その各々の断面がほぼＵ字形
で、互いに近接して軸方向に組み合わされている回転ト
ランスフォーマ。
【００１７】
【作用】ステータには、そのＵ字形の内側脚部の半径方
向外側表面に一次コイル（１１４）が巻き付けられてい
る。
向外側表面に一次コイル（１１４）が巻き付けられてい
る。
【００１８】ロータには、そのＵ字形の半径方向外側脚
部の内側表面に二次コイル（１１６）が巻き付けられて
いる。一次コイルは巻数が１０で最適化され、２〜５ｋ
Ｈｚの周波数で二次電流出力を最大にするためには、二
次コイルの巻数を約４０にする。
部の内側表面に二次コイル（１１６）が巻き付けられて
いる。一次コイルは巻数が１０で最適化され、２〜５ｋ
Ｈｚの周波数で二次電流出力を最大にするためには、二
次コイルの巻数を約４０にする。
【００１９】トランスフォーマは、単位体積および単位
質量当たり最大の電力出力を与えることができるように
反復設計手順によって最適化される。
質量当たり最大の電力出力を与えることができるように
反復設計手順によって最適化される。
【００２０】
【実施例】図１を参照しながら説明すると、本発明のト
ランスフォーマ１００には、横断面がほぼＵ字形状で、
Ｕ字形状の半径方向外側の脚部が半径方向内側の脚部よ
り軸方向に幾分長い環状の強磁性ステータ部材１０２が
設けられている。
ランスフォーマ１００には、横断面がほぼＵ字形状で、
Ｕ字形状の半径方向外側の脚部が半径方向内側の脚部よ
り軸方向に幾分長い環状の強磁性ステータ部材１０２が
設けられている。
【００２１】環状の強磁性ロータ部材１０４が、ステー
タ１０２と同軸状に配置されており、ロータ１０４は横
断面がほぼＵ字形状で、その脚部が軸方向においてＵ字
形状ステータ１０２の脚部と組み合わされている。
タ１０２と同軸状に配置されており、ロータ１０４は横
断面がほぼＵ字形状で、その脚部が軸方向においてＵ字
形状ステータ１０２の脚部と組み合わされている。
【００２２】ロータのＵ字形状の外側脚部１０６が、Ｕ
字形状ステータの外側脚部１０８に近接する位置に配置
されており、ロータの内側脚部１１０がステータの内側
脚部１１２の内周に近接している。
字形状ステータの外側脚部１０８に近接する位置に配置
されており、ロータの内側脚部１１０がステータの内側
脚部１１２の内周に近接している。
【００２３】一次コイル１１４がステータの内側脚部の
周りに巻き付けられている一方、出力すなわち二次コイ
ル１１６がロータの外側脚部１０６の内周面の周りに巻
き付けられている。
周りに巻き付けられている一方、出力すなわち二次コイ
ル１１６がロータの外側脚部１０６の内周面の周りに巻
き付けられている。
【００２４】本発明のトランスフォーマの物理的パラメ
ータを決定する方法および技術を図面を参照しながら以
下に説明する。
ータを決定する方法および技術を図面を参照しながら以
下に説明する。
【００２５】設計手順 図２において、Ｈ１＝Ｋ（定数）を選択する。
【００２６】ステアリングシャフトの直径に基づいてＤ
２を想定する。
２を想定する。
【００２７】Ｇ１＝Ｇ２＝Ｇ３＝Ｇ４＝Ｇ５を選択す
る。
る。
【００２８】体積の制約に基づいてＨ５を選択する。 Ｉ． 一次コイルの場合 Ｎ１＝１０＝Ｃｕ磁気ワイヤのコイル巻数とする。
【００２９】ワイヤサイズ＝２０ＡＷＧとする。
【００３０】一次コイルパラメータを指定する。
【００３１】ｐ＝巻線の詰め込み因数 Ｄ＝Ｄ４＝コイル内径（メートル） Ｒ＝巻線の抵抗（オーム） ρ＝Ｃｕの抵抗率＝１．７２１４×｛１０のマイナス４
乗( オーム／メートル）｝ Ｈ＝コイルの軸方向長さ（メートル）＝Ｈ５−Ｇ５−２
（Ｈ１） ｄｉ＝絶縁体（ワニス単層）付きワイヤφ（ｍ） ｄｅ＝裸Ｃｕワイヤφ（ｍ） ａ＝巻線空間の断面積（平方ｍ) ＭＴＬ＝巻線の平均１巻き長さ 以下の計算を行う。
乗( オーム／メートル）｝ Ｈ＝コイルの軸方向長さ（メートル）＝Ｈ５−Ｇ５−２
（Ｈ１） ｄｉ＝絶縁体（ワニス単層）付きワイヤφ（ｍ） ｄｅ＝裸Ｃｕワイヤφ（ｍ） ａ＝巻線空間の断面積（平方ｍ) ＭＴＬ＝巻線の平均１巻き長さ 以下の計算を行う。
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】 外径＝Ｄ４＋２Ｗ＝一次コイルの外径（メートル） ＭＴＬ＝π（Ｄ＋Ｗ）
【００３４】
【数３】 ＩＩ． 二次コイルの場合 コイルパラメータを指定する。
【００３５】Ｎ２＝４Ｎ１＝コイル巻数とする。
【００３６】ワイヤサイズ＝２０ＡＷＧとする。
【００３７】ｐ＝巻線の詰め込み因数 ＡＷＧ＝アメリカンワイヤゲージ Ｄ＝外径＋２（Ｇ５）＝コイル内径（メートル）、但し
外径＝一次コイル外径
外径＝一次コイル外径
【００３８】
【数４】 Ｈ＝コイルの軸方向長さ（メートル）＝Ｈ５−Ｇ５−２
（Ｈ１） 一次コイルの場合と同様にしてｄｉ、ｄｃ、Ｗ、ＭＴ
Ｌ、Ｒ２を計算する。
（Ｈ１） 一次コイルの場合と同様にしてｄｉ、ｄｃ、Ｗ、ＭＴ
Ｌ、Ｒ２を計算する。
【００３９】Ｄ５＝Ｄ＋２Ｗ＝コイル外径（メートル） 図２、３および４を参照しながら、磁気抵抗を決定す
る。
る。
【００４０】部材Ａの磁気抵抗＝ＲＡ
【００４１】
【数５】 但し、μ＝フェライト材の透磁率で、
【００４２】
【数６】 の範囲にある。部材Ｅの磁気抵抗＝ＲＥ
【００４３】
【数７】 ギャップ１の磁気抵抗＝ＲＧ１
【００４４】
【数８】 但し、
【００４５】
【数９】
【数10】 ギャップ２の磁気抵抗＝ＲＧ２
【数11】 部材Ｄの磁気抵抗＝ＲＤ
【数12】 部材Ｂの磁気抵抗＝ＲＢ
【数13】 部材Ｃの磁気抵抗＝ＲＣ
【数14】 ギャップ４の磁気抵抗＝ＲＧ４
【数15】 部材Ｆの磁気抵抗＝ＲＦ
【数16】 図４において、
【数17】
【数18】 図５において、
【数19】
【数20】 ＲＬ２＝１／ＰＬ２＝二次コイルの場合の漏洩磁気抵
抗。但し、
抗。但し、
【数21】 図５において、 １． Ｖ１＝Ｎ１×（ｄΦ１/ ｄｔ）＋Ｉ１＋Ｒ１ ２． Ｖ２＝Ｎ２( ｄΦ３/ ｄｔ） ２（ａ） Ｚ２＝Ｒ２＋ＲＬ−ＸＬ 但し、抵抗負荷の
場合ＸL ＝０ ２（ｂ） ＫＲ＝（ＲＬ１＋ＲＬ２＋ＲＭ) ／ＲＬ２ ３．
場合ＸL ＝０ ２（ｂ） ＫＲ＝（ＲＬ１＋ＲＬ２＋ＲＭ) ／ＲＬ２ ３．
【数22】
【数23】 ５． Ｎ１×Ｉ１−（Φ１−Φ２) ×ＲＬ１＝０ ６． ＲＬ１×（Φ２−Φ１) ＋ＲＭ×Φ２＋ＲＬ２×
（Φ２−Φ３) ＝０ ７． ＲＬ２×（Φ３−Φ２) ＋Ｎ２×Ｉ２＝０
（Φ２−Φ３) ＝０ ７． ＲＬ２×（Φ３−Φ２) ＋Ｎ２×Ｉ２＝０
【数24】 ＢＢ＝Ｎ３×｛ＫＲ−（ＲＬ１/ ＲＬ２) ｝＋（ＫＲ−
１）×｛（Ｎ１×ＲＬ２) ／（Ｒ１×ＲＬ１) ＣＣ＝ＫＲ×ＲＬ２−ＲＬ１−ＲＬ２ ＤＤ＝（Ｎ２×Ｎ１×ＮＲ) ／（Ｚ１×Ｒ１×ＲＬ１;
ＥＥ＝（ＫＲ−１）×｛（Ｎ１×ＲＬ２) ／ＲＬ１×Ｒ
１) Ｖ１は正弦電圧であるから、φ１も，その形状であると
想定される。
１）×｛（Ｎ１×ＲＬ２) ／（Ｒ１×ＲＬ１) ＣＣ＝ＫＲ×ＲＬ２−ＲＬ１−ＲＬ２ ＤＤ＝（Ｎ２×Ｎ１×ＮＲ) ／（Ｚ１×Ｒ１×ＲＬ１;
ＥＥ＝（ＫＲ−１）×｛（Ｎ１×ＲＬ２) ／ＲＬ１×Ｒ
１) Ｖ１は正弦電圧であるから、φ１も，その形状であると
想定される。
【数25】 式９を微分すると、
【数26】 および
【数27】 が得られ、これを式８に代入することによって、交互に
ｓｉｎωｔ＝０およびｃｏｓωｔ＝０である条件から、
Ｋ１およびＫ２を決定することができる。
ｓｉｎωｔ＝０およびｃｏｓωｔ＝０である条件から、
Ｋ１およびＫ２を決定することができる。
【００４６】Ｋ１およびＫ２を得た後、式９を解いてφ
１を求める。
１を求める。
【００４７】φ１を決定してから、式１を解いてＩ１を
求める。Ｉ１を決定してから、式５を解いてφ２を求め
る。φ２の数式を式６に代入して解き、φ３を求める。
φ３を求めてから、２（ａ）をＺ２に代入することによ
って式４を解いて、二次すなわち出力電流Ｉ２を求め
る。
求める。Ｉ１を決定してから、式５を解いてφ２を求め
る。φ２の数式を式６に代入して解き、φ３を求める。
φ３を求めてから、２（ａ）をＺ２に代入することによ
って式４を解いて、二次すなわち出力電流Ｉ２を求め
る。
【００４８】また、式２から、微分してｄφ３/ ｄｔに
代入することによってトランスフォーマの二次すなわち
出力電圧Ｖ２を決定する。
代入することによってトランスフォーマの二次すなわち
出力電圧Ｖ２を決定する。
【００４９】上記手順を用いて、負荷インピーダンスお
よび図２のトランスフォーマ寸法の値を選択し、Ｎ１、
Ｎ２の値を選択することによって、Ｖ２およびＩ２の値
を計算することができる。
よび図２のトランスフォーマ寸法の値を選択し、Ｎ１、
Ｎ２の値を選択することによって、Ｖ２およびＩ２の値
を計算することができる。
【００５０】ここでは、二次コイル負荷が、被電気着火
部材で見られるような２．５Ω（オーム）の値の純抵抗
分を備えているものとした。
部材で見られるような２．５Ω（オーム）の値の純抵抗
分を備えているものとした。
【００５１】＃２０ＡＷＧ銅の巻数Ｎ１を１０から１０
０まで増分した。＃２０ＡＷＧ銅の巻数Ｎ２を１０から
１００まで増分した。
０まで増分した。＃２０ＡＷＧ銅の巻数Ｎ２を１０から
１００まで増分した。
【００５２】入力電圧Ｖ1 を５ボルトピーク（３．５Ｖ
ＲＭＳ）の正弦波形であると仮定し、Ｖ１の周波数ωを
１００Ｈｚから５０ｋＨｚまで増分した。
ＲＭＳ）の正弦波形であると仮定し、Ｖ１の周波数ωを
１００Ｈｚから５０ｋＨｚまで増分した。
【００５３】図６では、２．５オームの抵抗負荷で、周
波数を２ｋＨｚと仮定し、ギャップＧ１〜Ｇ５が同一値
０．０３０インチ（０．７６２ミリメートル）、Ｄ１が
１インチ（２５．４ミリメートル）、Ｈ５が０．７０イ
ンチ（１７．８ミリメートル）で作動する場合に上記式
を解いて二次電圧および電流を求め、二次コイル巻数Ｎ
2 の１０〜１００の範囲の様々な値に対する一次コイル
巻数Ｎ１の１０〜１００の範囲での各増分について負荷
の電力出力を計算した。
波数を２ｋＨｚと仮定し、ギャップＧ１〜Ｇ５が同一値
０．０３０インチ（０．７６２ミリメートル）、Ｄ１が
１インチ（２５．４ミリメートル）、Ｈ５が０．７０イ
ンチ（１７．８ミリメートル）で作動する場合に上記式
を解いて二次電圧および電流を求め、二次コイル巻数Ｎ
2 の１０〜１００の範囲の様々な値に対する一次コイル
巻数Ｎ１の１０〜１００の範囲での各増分について負荷
の電力出力を計算した。
【００５４】その結果が、二次コイル巻数Ｎ２：負荷へ
の電力出力（ワット）の値を、一次コイルの巻数を１０
ずつ増分した各場合について示す曲線群でグラフ表示さ
れている。
の電力出力（ワット）の値を、一次コイルの巻数を１０
ずつ増分した各場合について示す曲線群でグラフ表示さ
れている。
【００５５】図６からわかるように、図１および２のト
ランスフォーマにおいて、形状を替えた場合の予測電力
出力は、一次コイルの巻数が１０、二次コイルの巻数Ｎ
２が２８〜４０の範囲にある場合に最大になる。
ランスフォーマにおいて、形状を替えた場合の予測電力
出力は、一次コイルの巻数が１０、二次コイルの巻数Ｎ
２が２８〜４０の範囲にある場合に最大になる。
【００５６】図６のグラフから、巻数が１０の一次コイ
ルを用いて、一次コイル巻数に対する二次コイル巻数の
比を４にした場合に構造が最適になることが明らかにな
った。
ルを用いて、一次コイル巻数に対する二次コイル巻数の
比を４にした場合に構造が最適になることが明らかにな
った。
【００５７】図７では、一次コイルの巻数を１０にし、
二次コイルの巻数Ｎ２を１０から１００まで増分した場
合の物理的に同じトランスフォーマ構造を再び上記式１
〜８に代入した。
二次コイルの巻数Ｎ２を１０から１００まで増分した場
合の物理的に同じトランスフォーマ構造を再び上記式１
〜８に代入した。
【００５８】一次電圧周波数の１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚ
の範囲での各増分値について二次電圧および電流を計算
した。
の範囲での各増分値について二次電圧および電流を計算
した。
【００５９】これらの計算の結果が、図７に周波数の各
増分に対応した曲線群で示されており、２．５オームの
抵抗負荷への二次コイルの電力出力が二次コイルの増分
巻数Ｎ２の関数としてグラフ表示されている。
増分に対応した曲線群で示されており、２．５オームの
抵抗負荷への二次コイルの電力出力が二次コイルの増分
巻数Ｎ２の関数としてグラフ表示されている。
【００６０】図７からわかるように、１ｋＨｚより高い
周波数では、最適電力出力を得るためには二次コイルの
巻数が一次コイルの巻数の４〜５倍である必要がある。
周波数では、最適電力出力を得るためには二次コイルの
巻数が一次コイルの巻数の４〜５倍である必要がある。
【００６１】図８には、一次電流Ｉ1 が二次コイルの巻
数Ｎ２の関数として、周波数の１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚ
の範囲での様々な増分値に対応した曲線群でグラフ表示
されている。
数Ｎ２の関数として、周波数の１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚ
の範囲での様々な増分値に対応した曲線群でグラフ表示
されている。
【００６２】図８の様々なグラフからわかるように、２
ｋＨｚ以上の周波数の場合、二次コイルの巻数Ｎ２が４
０以上で最適な結果が達成される。
ｋＨｚ以上の周波数の場合、二次コイルの巻数Ｎ２が４
０以上で最適な結果が達成される。
【００６３】図９では、仮定トランスフォーマ構成に対
して２ｋＨｚの周波数を選択して、式１〜８を用いて、
一次コイル巻線Ｎ１の１０〜１００の範囲での様々な増
分値について一次電流Ｉ1 を計算した。その結果が図９
の曲線群としてグラフ表示されている。
して２ｋＨｚの周波数を選択して、式１〜８を用いて、
一次コイル巻線Ｎ１の１０〜１００の範囲での様々な増
分値について一次電流Ｉ1 を計算した。その結果が図９
の曲線群としてグラフ表示されている。
【００６４】一次コイル巻線Ｎ１が１０の場合、二次コ
イル巻数Ｎ２を４０にすれば、飽和状態まで十分なゆと
りを備えた最適に近い結果が得られることも図９からわ
かる。
イル巻数Ｎ２を４０にすれば、飽和状態まで十分なゆと
りを備えた最適に近い結果が得られることも図９からわ
かる。
【００６５】このように、一次コイルの巻数を１０に、
二次コイルの巻数を４０に選択することが、現時点で全
体的に最適な結果を達成するために好ましいと考えられ
る。 第１表
二次コイルの巻数を４０に選択することが、現時点で全
体的に最適な結果を達成するために好ましいと考えられ
る。 第１表
【００６６】
【表１】
【００６７】
【表２】 第１表を参照しながら説明すると、上記寸法のトランス
フォーマは、総重量が341 グラム、体積が83.4立方ｃ
ｍ、一次コイル巻数が１０、二次コイル巻数が40になる
ように形成され、決定された。
フォーマは、総重量が341 グラム、体積が83.4立方ｃ
ｍ、一次コイル巻数が１０、二次コイル巻数が40になる
ように形成され、決定された。
【００６８】トランスフォーマの二次コイルは、一次コ
イルの3.5VRMS 励起に接続され、2.5 オームの抵抗負荷
を二次コイルの両端に接続して、トランスフォーマを10
0 Ｈｚ〜５ｋＨｚの範囲で増分する様々な一次電圧周波
数で作動させ、負荷へ送られる電力出力を測定した。ト
ランスフォーマは、周波数100 Ｈｚの一次電圧でほぼ飽
和することがわかり、飽和磁束密度は、一次コイルへ加
えられる48ボルトアンペアＲＭＳで4800ガウスであるこ
とが決定された。
イルの3.5VRMS 励起に接続され、2.5 オームの抵抗負荷
を二次コイルの両端に接続して、トランスフォーマを10
0 Ｈｚ〜５ｋＨｚの範囲で増分する様々な一次電圧周波
数で作動させ、負荷へ送られる電力出力を測定した。ト
ランスフォーマは、周波数100 Ｈｚの一次電圧でほぼ飽
和することがわかり、飽和磁束密度は、一次コイルへ加
えられる48ボルトアンペアＲＭＳで4800ガウスであるこ
とが決定された。
【００６９】一次コイルに加えられるボルトアンペアお
よび出力電圧が測定され、その値が第１表に示されてい
る。効率比、すなわち１ボルトアンペア入力当たりのワ
ット出力が計算され、その値が第１表に示されている。
よび出力電圧が測定され、その値が第１表に示されてい
る。効率比、すなわち１ボルトアンペア入力当たりのワ
ット出力が計算され、その値が第１表に示されている。
【００７０】図15に示されている従来型トランスフォー
マについて同様なテストを行って、測定値を取った。
マについて同様なテストを行って、測定値を取った。
【００７１】これらの値も第１表に示されている。図10
では、本発明のトランスフォーマの効率比の値が励起電
圧の増分周波数に対応して、測定値を四角で表示した上
側のグラフでグラフ表示されている。
では、本発明のトランスフォーマの効率比の値が励起電
圧の増分周波数に対応して、測定値を四角で表示した上
側のグラフでグラフ表示されている。
【００７２】同様に、従来型トランスフォーマの場合の
入力電圧の増分励起周波数に対応した効率比の値が、測
定値をひし形で表示した下側のグラフでグラフ表示され
ている。
入力電圧の増分励起周波数に対応した効率比の値が、測
定値をひし形で表示した下側のグラフでグラフ表示され
ている。
【００７３】図10の上下のグラフを比較すればわかるよ
うに、本発明のトランスフォーマの１〜２ｋＨｚの周波
数での効率は、従来型トランスフォーマの効率の７倍程
度である。
うに、本発明のトランスフォーマの１〜２ｋＨｚの周波
数での効率は、従来型トランスフォーマの効率の７倍程
度である。
【００７４】第１表に示されたテストデータおよび物理
的測定データに基づいて、図１のトランスフォーマおよ
び図９に示されている従来型トランスフォーマの電力出
力を計算した。
的測定データに基づいて、図１のトランスフォーマおよ
び図９に示されている従来型トランスフォーマの電力出
力を計算した。
【００７５】これらの計算の結果が入力電力周波数の各
増分値で測定した電力出力に基づいてワット／グラム重
量およびワット／立方ｃｍとして第１表に示されてい
る。
増分値で測定した電力出力に基づいてワット／グラム重
量およびワット／立方ｃｍとして第１表に示されてい
る。
【００７６】その値が図11にグラフ表示されており、計
算値を四角で表示した上側のグラフは図１のトランスフ
ォーマの値を表している。
算値を四角で表示した上側のグラフは図１のトランスフ
ォーマの値を表している。
【００７７】計算値をひし形で表示した下側のグラフは
図15の従来型トランスフォーマの値を表している。
図15の従来型トランスフォーマの値を表している。
【００７８】本発明の場合にトランスフォーマの重量の
関数として二次コイルＮ２のワット出力で表された出力
密度が、図15のトランスフォーマより３桁大きいことが
わかる。
関数として二次コイルＮ２のワット出力で表された出力
密度が、図15のトランスフォーマより３桁大きいことが
わかる。
【００７９】図12には、図１および図15のトランスフォ
ーマの出力電力の計算結果がグラフ表示されており、計
算値を四角で表示した上側のグラフは図１のトランスフ
ォーマを表し、計算値をひし形で表示した下側のグラフ
は図15の従来型トランスフォーマを表している。
ーマの出力電力の計算結果がグラフ表示されており、計
算値を四角で表示した上側のグラフは図１のトランスフ
ォーマを表し、計算値をひし形で表示した下側のグラフ
は図15の従来型トランスフォーマを表している。
【００８０】図12から明らかなように、図１のトランス
フォーマの体積の関数としての出力電力が、図15の従来
型トランスフォーマの場合より３桁大きい。励起電圧は
最大値・５ボルトピークすなわち3.5 ボルトＲＭＳの場
合である。
フォーマの体積の関数としての出力電力が、図15の従来
型トランスフォーマの場合より３桁大きい。励起電圧は
最大値・５ボルトピークすなわち3.5 ボルトＲＭＳの場
合である。
【００８１】図13は、飽和磁束密度において図１のトラ
ンスフォーマの電力出力を周波数の各増分値に対して線
形シミュレーション分析によって計算し、周波数の関数
としてワット／立方ｃｍでグラフ表示しており、その計
算点が図13の上側のグラフに四角で表示されている。計
算点は、第１表で与えられたデータに基づいている（励
起電圧５ボルトピーク／3.5 ボルトＲＭＳ）。
ンスフォーマの電力出力を周波数の各増分値に対して線
形シミュレーション分析によって計算し、周波数の関数
としてワット／立方ｃｍでグラフ表示しており、その計
算点が図13の上側のグラフに四角で表示されている。計
算点は、第１表で与えられたデータに基づいている（励
起電圧５ボルトピーク／3.5 ボルトＲＭＳ）。
【００８２】図14には、本発明のトランスフォーマにつ
いて、飽和磁束密度での周波数の各増分値に対する電力
出力のデータを第１表から決定して、図14のグラフの四
角で表示されている周波数の様々な増分値に対してトラ
ンスフォーマ重量１グラム当たりのワット出力の関数と
してグラフ表示した（励起電圧５ボルトピーク／3.5ボ
ルトＲＭＳ）。
いて、飽和磁束密度での周波数の各増分値に対する電力
出力のデータを第１表から決定して、図14のグラフの四
角で表示されている周波数の様々な増分値に対してトラ
ンスフォーマ重量１グラム当たりのワット出力の関数と
してグラフ表示した（励起電圧５ボルトピーク／3.5ボ
ルトＲＭＳ）。
【００８３】図13を図12と、また図14を図11と比較すれ
ばわかるように、図１のトランスフォーマの性能は、ト
ランスフォーマを飽和状態にすることによって向上す
る。
ばわかるように、図１のトランスフォーマの性能は、ト
ランスフォーマを飽和状態にすることによって向上す
る。
【００８４】このように、本発明は、回転トランスフォ
ーマの単位体積および単位質量に対してこれまでは得ら
れなかった電力出力および効率を与えている。
ーマの単位体積および単位質量に対してこれまでは得ら
れなかった電力出力および効率を与えている。
【００８５】本発明のトランスフォーマは、独特の組み
合わされたステータおよびロータ鉄およびコイルを用
い、ステータおよびコイル鉄をＵ字形状断面にすること
によって、従来得られたものよりも広い周波数スペクト
ルで相当に高い出力を得ることができる。
合わされたステータおよびロータ鉄およびコイルを用
い、ステータおよびコイル鉄をＵ字形状断面にすること
によって、従来得られたものよりも広い周波数スペクト
ルで相当に高い出力を得ることができる。
【００８６】以上に本発明を図示の実施例について説明
してきたが、発明の精神の範囲内において様々な変更を
加えることができることは理解されるであろう。
してきたが、発明の精神の範囲内において様々な変更を
加えることができることは理解されるであろう。
【００８７】
【発明の効果】本発明の回転トランスフォーマは上記の
ように構成したので、ほぼＵ字形状断面の脚部を軸方向
に互いに組み合わせ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそ
れぞれ一次および二次コイルを巻き付けた環状のステー
タおよびロータ透磁性部材を備えて、信号レベルおよび
大きい電力レベルの信号の両方を伝達可能にせしめるた
め、信頼性を向上させると同時に、製造コストを低減さ
せる。
ように構成したので、ほぼＵ字形状断面の脚部を軸方向
に互いに組み合わせ、Ｕ字形状断面の隣接した脚部にそ
れぞれ一次および二次コイルを巻き付けた環状のステー
タおよびロータ透磁性部材を備えて、信号レベルおよび
大きい電力レベルの信号の両方を伝達可能にせしめるた
め、信頼性を向上させると同時に、製造コストを低減さ
せる。
【図１】本発明のトランスフォーマの断面斜視図であ
る。
る。
【図２】図１のトランスフォーマの拡大断面図である。
【図３】図１のトランスフォーマの磁気抵抗の概略図で
ある。
ある。
【図４】図３の回路のテブナンの定理に基づいた図であ
る。
る。
【図５】図４の回路のさらなるテブナンの定理に基づい
た図である。
た図である。
【図６】図１のトランスフォーマの一次コイルの様々な
巻数値について、二次コイルの巻数の関数として電力出
力をワットで表示したグラフである。
巻数値について、二次コイルの巻数の関数として電力出
力をワットで表示したグラフである。
【図７】図１のトランスフォーマの場合の周波数の様々
な値について、二次コイルの巻数の関数として電力出力
をワットで表示したグラフである。
な値について、二次コイルの巻数の関数として電力出力
をワットで表示したグラフである。
【図８】図１のトランスフォーマの場合の周波数の様々
な値について、二次コイルの巻数の関数として一次電流
をアンペアで表示したグラフである。
な値について、二次コイルの巻数の関数として一次電流
をアンペアで表示したグラフである。
【図９】図１のトランスフォーマの場合の一次コイルの
様々な巻数値について、二次コイルの巻数の関数として
一次電流をアンペアで表示したグラフである。
様々な巻数値について、二次コイルの巻数の関数として
一次電流をアンペアで表示したグラフである。
【図１０】図１および従来技術のトランスフォーマにつ
いて、周波数の関数として一次コイルのボルトアンペア
に対して正規化した電力出力をワットで表示したグラフ
である。
いて、周波数の関数として一次コイルのボルトアンペア
に対して正規化した電力出力をワットで表示したグラフ
である。
【図１１】上側のグラフで本発明のトランスフォーマに
ついて、下側のグラフで従来技術のトランスフォーマに
ついて、励起周波数の関数としてトランスフォーマ重量
１グラム当たりの電力出力をワットで表示したグラフで
ある。
ついて、下側のグラフで従来技術のトランスフォーマに
ついて、励起周波数の関数としてトランスフォーマ重量
１グラム当たりの電力出力をワットで表示したグラフで
ある。
【図１２】上側のグラフで本発明のトランスフォーマに
ついて、下側のグラフで従来技術のトランスフォーマに
ついて、励起周波数の関数としてトランスフォーマ体積
１立方ｃｍ当たりの電力出力をワットで表示したグラフ
である。
ついて、下側のグラフで従来技術のトランスフォーマに
ついて、励起周波数の関数としてトランスフォーマ体積
１立方ｃｍ当たりの電力出力をワットで表示したグラフ
である。
【図１３】上側のグラフで本発明を表し、下側のグラフ
で従来技術のトランスフォーマを表す、飽和磁束密度に
おいて励起周波数の関数としてトランスフォーマ体積１
立方ｃｍ当たりの電力出力をワットで表示したグラフで
ある。
で従来技術のトランスフォーマを表す、飽和磁束密度に
おいて励起周波数の関数としてトランスフォーマ体積１
立方ｃｍ当たりの電力出力をワットで表示したグラフで
ある。
【図１４】上側のグラフで本発明を表し、下側のグラフ
で従来技術のトランスフォーマを表す、飽和磁束密度に
おいて励起周波数の関数としてトランスフォーマ重量１
グラム当たりの電力出力をワットで表示したグラフであ
る。
で従来技術のトランスフォーマを表す、飽和磁束密度に
おいて励起周波数の関数としてトランスフォーマ重量１
グラム当たりの電力出力をワットで表示したグラフであ
る。
【図１５】従来型トランスフォーマの断面図である。
１００ 回転トランスフォーマ １０２ ステータ １０４ ロータ １０６ ロータＵ字形状脚部 １１２ ステータＵ字形状脚部 １１４ 一次コイル １１６ 二次コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール グレゴリー ロップス アメリカ合衆国，ウイスコンシン 53022, ジャーマンタウン，フリーステッド ロー ド エヌ120ダブリュ17470 (72)発明者 チャールス ジョセフ テニス アメリカ合衆国，ウイスコンシン 53188, ウォーケシャ，ムックルストーン カート 2904 (72)発明者 マーク アラン ジャズ アメリカ合衆国，ウイスコンシン 53146, ニューベルリン，ダブリュ．ウエストビュ ー レーン 17824
Claims (17)
- 【請求項１】 回転接続部で電力を伝達するためのトラ
ンスフォーマであって、 半径方向断面がほぼＵ字形状に形成された環状の強磁性
素材からなる一次ステータ（１０２）と、 半径方向断面が環状の強磁性素材からなるほぼＵ字形状
に形成された脚部と前記ステータの脚部とを軸方向に組
み合わせた二次ロータ（１０４）と、 巻線の軸線が前記環状ステータの軸線に一致し、前記ス
テータＵ字形状の脚部（１１２）の一方に受入れられて
いる一次コイル（１１４）と、 巻線の軸線が前記環状ロータの軸線に一致しており、前
記Ｕ字形状ロータの脚部（１０６）の一方に受入れら
れ、前記一次コイルと共通の軸方向位置に配置されてい
る二次コイル（１１６）とを有し、 前記ステータおよびロータのＵ字形状の半径方向内側お
よび外側の脚部が、それぞれステータおよびロータの間
に磁束を形成するために半径方向内側および外側のエア
ギャップを形成しており、前記ステータおよびロータは
互いに相対回転可能に配置されていることを特徴とする
トランスフォーマ。 - 【請求項２】 一次コイルはＵ字形状ステータの半径方
向内側の脚部の半径方向外周上に受入れられていること
を特徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項３】 二次コイルがＵ字形状ロータの半径方向
外側の脚部の半径方向内周上に支持されていることを特
徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項４】 二次コイル巻数が一次コイルの４倍であ
ることを特徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項５】 一次コイルはボビンに巻き付けられてい
ることを特徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項６】 二次コイルボビンに巻き付けられている
ことを特徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項７】 Ｕ字形状ロータおよびＵ字形状ステータ
は、互いに向き合ったＵ字形状の開放端部内に軸方向に
組み合わされていることを特徴とする請求項１のトラン
スフォーマ。 - 【請求項８】 一次コイルはボビンに巻き付けられてお
り、ボビンは軸方向において前記ステータ上にプレス嵌
めされていることを特徴とする請求項１のトランスフォ
ーマ。 - 【請求項９】 二次コイルはボビンに巻付けられてお
り、ボビンは軸方向において前記ロータ上にプレス嵌め
されていることを特徴とする請求項１のトランスフォー
マ。 - 【請求項１０】 回転カップリングで電力を伝達するた
めのトランスフォーマであって、 半径方向断面がほぼＵ字形状に形成された環状の一次強
磁性部材（１０２）と、 半径方向断面がほぼＵ字形状に形成された脚部と前記一
次部材の脚部とを軸方向に組み合わせた環状の二次強磁
性部材（１０４）と、 前記環状一次部材の前記Ｕ字形状の脚部の一方に受入れ
られているトランスフォーマ一次コイル（１１４）と、 前記環状二次部材の前記Ｕ字形状の脚部の一方に配置さ
れたトランスフォーマ二次コイル（１１６）とを有し、
前記一次および二次部材は互いに相対回転可能に配置さ
れており、前記Ｕ字形状の隣接脚部が磁束用の半径方向
エアギャップを形成していることを特徴とするトランス
フォーマ。 - 【請求項１１】 二次コイルは、巻数が一次コイルの４
倍であることを特徴とする請求項１０のトランスフォー
マ。 - 【請求項１２】 一次部材および二次部材は、飽和磁束
密度が０．２テスラで、空気と比較した相対的透磁性が
少なくとも１００である素材で形成されていることを特
徴とする請求項１のトランスフォーマ。 - 【請求項１３】 回転接続部で電力を伝達するためのト
ランスフォーマであって、 強磁性素材からなる環状の一次部材（１０２）と、 強磁性素材からなり、前記一次部材に対して相対回転可
能に配置されており、組み合わされてその間に半径方向
の磁束エアギャップを形成する部分を備えている強磁性
素材からなる環状の二次部材（１０４）と、 前記一次部材の周りに巻き付けられた一次コイル（１１
４）と、 前記二次部材の周りに巻き付けられており、巻数が前記
一次コイルの少なくとも３倍である二次コイル（１１
６）とを有しており、 前記一次および二次部材およびコイルは、２ｋＨｚ以下
の一次電流周波数で前記一次および二次部材の強磁性素
材１立方ｃｍ当たり少なくとも０．１８ワットの出力密
度を有することを特徴とするトランスフォーマ。 - 【請求項１４】 一次および二次部材の少なくとも一方
は、飽和磁束密度が０．２テスラで、空気と比較した相
対的透磁性が少なくとも１００である素材で形成されて
いることを特徴とする請求項１３のトランスフォーマ。 - 【請求項１５】 二次コイルは、巻数が一次コイルの４
倍であることを特徴とする請求項１３のトランスフォー
マ。 - 【請求項１６】 一次および二次部材は、断面がほぼＵ
字形状であることを特徴とする請求項１３のトランスフ
ォーマ。 - 【請求項１７】 一定電圧で回転接続部で電力を伝達す
るためのトランスフォーマであって、 強磁性素材からなる環状の一次部材（１０２）と、 一次部材に対して相対回転可能に配置されており、組み
合わされてその間に半径方向の磁束エアギャップを形成
する部分を前記一次部材と共に備えている、強磁性素材
からなる環状の二次部材（１０４）と、 前記一次部材および前記回転軸線の周りに巻き付けられ
た一次コイル（１１４）と、 前記二次部材および前記回転軸線の周りに巻き付けられ
ており、巻数が前記一次コイルの少なくとも３．５倍で
ある二次コイル（１１６）とを有しており、 前記一次および二次部材およびコイルは、２ｋＨｚ以下
の一次電流周波数に対して少なくとも０．２ワット二次
出力／ボルトアンペア一次入力を与えることを特徴とす
るトランスフォーマ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US23366594A | 1994-04-26 | 1994-04-26 | |
| US233,665 | 1994-04-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0851041A true JPH0851041A (ja) | 1996-02-20 |
Family
ID=22878191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7125803A Pending JPH0851041A (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-26 | 回転トランスフォーマ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0680060A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0851041A (ja) |
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-
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- 1995-04-11 EP EP95105433A patent/EP0680060A1/en not_active Withdrawn
- 1995-04-26 JP JP7125803A patent/JPH0851041A/ja active Pending
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