JP2008112913A - ギャップ付き変圧器及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率を極力高めたギャップ付き変圧器及び非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】ギャップ付き変圧器１１は、一次巻線１６ｐが巻装された一次鉄心１２と、ギャップ１４を有して一次鉄心１２に対向して配置され二次巻線１６ｓが巻装された二次鉄心１３とを備え、これら鉄心１２，１３の夫々の対向面１７，１８は、当該鉄心１２，１３のギャップ１４を挟んだ部分における磁束の方向に垂直な断面Ｓより大きくなるように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ギャップを有して対向配置された第１の鉄心と第２の鉄心とを備えてなるギャップ付き変圧器及び非接触電力伝送装置に関する。

上記ギャップ付き変圧器は、第１の鉄心に巻装された第１の巻線と、第２の鉄心に巻装された第２の巻線とを備えて構成されており、１次側たる第１の巻線から入力される電力が２次側たる第２の巻線から出力されるようになっている。このギャップ付き変圧器は、ギャップが無い通常の鉄心を備えた変圧器に比し電力の伝送効率が低くなる問題がある。ギャップは第１及び第２の鉄心に比べて磁気抵抗が大きいので、第１の巻線に流れる電流によって生じた磁束が両鉄心内を通る際に、その磁束の一部が鉄心外に漏れて周回（ショートカット）し、第２の巻線と鎖交する磁束が少なくなるからである。

そこで、この種の変圧器においては、ギャップによって生じる漏れ磁束を少なくするため、第１及び第２の鉄心の夫々に磁束の方向に沿って導体層を設けるなどの工夫がされている（例えば特許文献１参照）。このギャップ付き変圧器の第１及び第２の鉄心はE型あるいは中空状をなし、前記導体層は銅板から構成されている。この銅板は、両鉄心の内側（及び外側）に沿って張られていて、第１及び第２の巻線と鎖交する鉄心内の主磁束の方向に対して平行に配置されている。
特開２００１−３３８８２０号公報

上記構成によれば、鉄心外に漏れようとする磁束が銅板を横切る際に、銅板にその磁束を打ち消すような渦電流が発生するので、漏れ磁束を減少させることができる。しかし、その反面、渦電流によってジュール損失が生じるため、依然として電力伝送効率の低下の問題を孕んでいる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力伝送効率を極力高めたギャップ付き変圧器及び非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、第１の鉄心と、この第１の鉄心に巻装された第１の巻線と、ギャップを有して前記第１の鉄心に対向して配置された第２の鉄心と、この第２の鉄心に巻装された第２の巻線とを備えたギャップ付き変圧器であって、前記第１及び第２の鉄心の夫々の対向面は、当該第１及び第２の鉄心の前記ギャップを挟んだ部分における磁束の方向に垂直な断面より大きくなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記ギャップ付き変圧器を備え、当該ギャップ付き変圧器の前記第１の巻線に交流電源が接続されると共に、前記第２の巻線に負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする。

本発明のギャップ付き変圧器及び非接触電力伝送装置によれば、ギャップ部分の対向面の面積が増大するので、当該ギャップにおける磁気抵抗が減少して漏れ磁束が少なくなり、電力伝送効率が向上する。

＜第１の実施例＞
以下、本発明の第１の実施例について図１乃至図５を参照しながら説明する。
図１はギャップ付き変圧器全体の概略的な斜視図を示し、図２（ａ）はこの変圧器の周方向に対する断面を拡大して示している。図１に示すように、ギャップ付き変圧器（以下、変圧器と略す）１１は、全体として円環状をなし、同心状の一次鉄心１２（第１の鉄心）と二次鉄心１３（第２の鉄心）とを備えている。これら鉄心１２，１３は積層された電磁鋼板からなり、一次鉄心１２は固定され二次鉄心１３は軸線の回りに回転自在に配置されている。

変圧器１１は、二次鉄心１３の外周側にギャップ１４を有して一次鉄心１２が配置された所謂ラジアルギャップ構造を備えている。一次鉄心１２は、内周側（図２（ａ）中、左側）が開放された断面「コ」の字状に形成されており、その溝部１５には、周方向に沿って一次巻線１６ｐ（第１の巻線）が巻装されている。一次鉄心１２の内周側に形成された上下端面は、二次鉄心１３と対向する対向面１７，１７となっている。

他方、二次鉄心１３も、外周側が開放された断面「コ」の字状に形成されており、その溝部１９には、周方向に沿って二次巻線１６ｓ（第２の巻線）が巻装されている。二次鉄心１３の外周側に形成された上下端面は、一次鉄心１２と対向する対向面１８，１８となっている。尚、一次鉄心１２及び二次鉄心１３は、磁路の幅すなわち鉄心１２，１３の厚みＴが一定となるように形成されている。また、上下のギャップ１４，１４は、空隙（例えば空気層）に相当し、両ギャップ長は相等しく設定されている。

一次鉄心１２の外周側に形成された対向面１７と、二次鉄心１３の外周側に形成された対向面１８は、ギャップ１４を挟んで平行をなしており、夫々一次鉄心１２及び二次鉄心１３の当該ギャップ１４を挟んだ部分における磁束の方向（図２（ａ）に破線で示す）に垂直な断面Ｓに対して傾斜している。従って、これら傾斜面としての対向面１７，１８は、上記断面Ｓよりも面積が大きくなっている。

図３は、非接触電力伝送装置としての変圧器１１を用いた電力伝送形態の一例を示している。変圧器１１の一次巻線１６ｐには交流電源２０が接続され、二次巻線１６ｓには負荷２１が接続されている。交流電源２０は、変圧器１１に対し正弦波状の単相交流電圧（例えば１００Ｖ）を出力するようになっている。一次巻線１６ｐに電流が流れると、一次鉄心１２及び二次鉄心１３に図２（ａ）に破線で示すような磁束が発生し、変圧器１１を介して交流電源２０から負荷２１に電力が伝送される。

次に、上記構成を有する変圧器１１と図２（ｂ）に示す従来構成の変圧器１との電力伝送効率について説明する。図２（ｂ）に示す従来構成の変圧器１は、本実施形態の変圧器１１と比べ、ギャップ４を挟んで対向する一次鉄心２と二次鉄心３の各対向面７、８が磁束の方向に対し垂直に形成されている点が異なっている。その他の構成つまり鉄心２、３の磁路寸法、溝部５の形状、一次鉄心２と二次鉄心３の巻装状態などは全て変圧器１１と同じである。

空気は鉄に比べ透磁率が極端に低いため、一次鉄心と二次鉄心との間にギャップ（空隙）が存在すると、当該ギャップにおける磁気抵抗が高くなる。磁気抵抗が高くなると、図２（ｂ）に模式的に示すように、磁束の一部がギャップ部分から鉄心外に漏れ易くなり、二次巻線と鎖交する磁束が減少して電力伝送効率が低下する。

磁気抵抗は、ギャップ長つまり一次鉄心と二次鉄心との間の距離に比例し、鉄心の対向面の面積に反比例する。このため、ギャップ付き変圧器で一次側と二次側とを密に結合し電力伝送効率を高めるには、ギャップ長を極力短くすることが有効となる。しかし、一次鉄心と二次鉄心とが相対的に回転する構成を持つ上記変圧器では、相互の接触を防ぐために所定の最小ギャップ長を確保する必要があり、磁気抵抗の低減には限界がある。

変圧器１１では、そのギャップ１４を挟んだ対向面１７，１８が、従来構成の変圧器１の対向面７，８よりも大きくなるため、当該ギャップ部分における磁気抵抗を下げることができる。その結果、ギャップ部分における漏れ磁束が減少し、一次側と二次側とが密に結合し電力伝送効率を高めることができる。

続いて、図４、図５を参照しながら、好ましいギャップの形成位置について説明する。図４は、数値計算により得られた空気雰囲気中における磁束分布図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、全て縦横比が３対２に設定された同一の外形寸法を有し、ギャップ長が０．５ｍｍ、巻数比が１対１の変圧器であって、一次側の交流電源が１００Ｖの場合の磁束の分布を示している。このうち、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は対向面１７，１８が傾斜面とされた変圧器（モデルＡ、Ｂ、Ｃ）であり、図４（ｄ）は対向面１７，１８が垂直面とされた従来構成の変圧器（モデルＤ）である。磁束線の分布に着目すると、従来構成の変圧器（モデルＤ）は、対向面１７，１８が傾斜面とされた変圧器（モデルＡ〜Ｃ）に比べ、ギャップ付近からの漏れ磁束が多いことが分かる。

図５は、モデルＡ，Ｂ，Ｃの変圧器１１について、無負荷の状態から順次負荷を増大させたときの、一次側の電圧に対する二次側の電圧の比率（変圧比）を数値計算により求めたものである。モデルＢ，Ｃの変圧器１１は、モデルＡの変圧器１１に比べ高い変圧比（１に近い変圧比）を有し、電力伝送効率が向上している。

このような結果が得られたのは、以下のように考えられる。モデルＢ、Ｃの変圧器１１は、ギャップ１４が二次巻線１６ｓよりも一次巻線１６ｐに近い位置に配されている。このうちモデルＢの変圧器１１は、対向面１７が内周側に向かって拡開する「ハ」の字状に傾斜し、モデルＣの変圧器１１は、対向面１８が外周側に向かって拡開する「ハ」の字状に傾斜している。これに対し、モデルＡの変圧器１１は、ギャップ１４が一次巻線１６ｐよりも二次巻線１６ｓに近い位置に配されている。

即ち、モデルＢ，Ｃの二次鉄心１３は一次巻線１６ｐ側に延びるように形成されているため、一次巻線１６ｐに流れる電流によって発生する磁束が、ギャップ１４を隔てることなく直接二次鉄心１３に通り易くなり、二次巻線１６ｓと鎖交する磁束が増加して変圧比が上昇する。従って、電力伝送効率をより高めるには、対向面１７，１８を傾斜面とした上で、さらに二次巻線１６ｓよりも一次巻線１６ｐに近い位置にギャップ１４を配することが効果的となる。

以上のように本実施例によれば、一次鉄心１２及び二次鉄心１３の夫々の対向面を前記傾斜面から構成したので、その面積を可及的に大きくすることができ、ギャップ１４によって生じる漏れ磁束を少なくすることができる。また、ギャップ１４を二次巻線１６ｓよりも一次巻線１６ｐに近い位置に配することで、より二次巻線１６ｓと鎖交する磁束を増加させることができ、総じて変圧器１１の電力伝送効率を高めることができる。

前述した特許文献１に記載の変圧器は、漏れ磁束の低減を図るべく鉄心の側面に銅板を設けた構成であるが、当該銅板に渦電流が発生するため、そのジュール損失によって電力伝送効率が低下する問題を孕んでいた。これに対し本実施例の変圧器１１によれば、銅板を不要としながらも漏れ磁束を減少させることができると共に、簡単な構成で電力伝送効率を向上させることができる。

尚、上記ラジアルギャップ構造の変圧器１１においては、一次鉄心１２のみを回転可能に設けるようにしてもよい。このように、一次鉄心１２及び二次鉄心１３のうち一方の鉄心を他方の鉄心の外周側にギャップ１４を有して同心状に環状配置することで、回転体等に対し所定の空隙距離を確保しながら非接触で電力を供給することができる。

＜第２の実施例＞
図６は、本発明の第２の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。図６は、変圧器２２の周方向に対する断面を拡大して示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。
一次鉄心１２の各対向面１７，１７は、内周側に向かって拡開するように断面「く」の字状に形成された２つの傾斜面からなり、二次鉄心１３の各対向面１８，１８は、夫々一次鉄心１２の対向面１７，１７とギャップ１４を挟んで平行をなしている。

本実施例の変圧器２２によれば、対向面１７、１８の夫々の面積を上記断面Ｓよりも大きくすることができ、ギャップ１４における磁気抵抗を低減させることができる。また、二次鉄心１３の対向面１８を、一次巻線１６ｐ側に突出するように形成したので、一次巻線１６ｐに流れる電流によって発生する磁束が、直接二次鉄心１３に通り易くなり、対向面１７、１８の面積増加と相俟って変圧器２２の電力伝送効率をより高めることができる。

＜第３の実施例＞
図７及び図８は、本発明の三相変圧器に係る第３の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。図７は、組み付け時における変圧器２３の断面図を示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。

一次鉄心１２及び二次鉄心１３は、下方より上方がやや径大に設定されており、図７に示すように全体として円錐台形状に形成されている。一次鉄心１２の内周部には、全周に亘る３つの溝部１５ａ，１５ｂ，１５ｃが等間隔を有して形成されており、これら溝部１５ａ〜１５ｃに夫々周方向に沿って三相の一次巻線２５ｕ，２５ｖ，２５ｗが巻装されている。一次鉄心１２の内周側に形成された端面は、二次鉄心１３と対向する対向面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄとなっている。

他方、二次鉄心１３の外周部にも、全周に亘る３つの溝部１９ａ，１９ｂ，１９ｃが等間隔を有して形成されており、これら溝部１９ａ〜１９ｃに夫々周方向に沿って三相の二次巻線２６ｕ，２６ｖ，２６ｗが巻装されている。二次鉄心１３の内周側に形成された端面は、一次鉄心１２と対向する対向面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとなっている。

一次鉄心１２の各対向面１７ａ〜１７ｄは、夫々上記磁束の方向（図７に示すＸ方向）に垂直な断面Ｓに対して一定の向きに傾斜し、且つ当該磁束の方向に垂直な方向（Ｙ方向）から投影された当該対向面１７ａ〜１７ｄの投影が互いに重ならないように形成されている。二次鉄心１３の対向面１８ａ〜１８ｄも、同様に形成されており、対向面１７ａと１８ａ、１７ｂと１８ｂ、１７ｃと１８ｃ、１７ｄと１８ｄの各距離（ギャップ長）は等しく設定されている。

尚、上述の投影とは、３次元空間の物体を２次元の平面に映し出すこと（表示すること、また表示されたもの）をいう。具体的には、一次鉄心１２を、軸線の方向（Ｙ方向）から、これと直交するＸＺ平面（図１の矢印Ｘ、Ｚ参照）に投影した場合、その平面上には対向面１７ａ〜１７ｄが互いに重ならないように表示される。

図８は、非接触電力伝送装置としての変圧器２３を用いた電力伝送形態の一例を示している。変圧器２３の一次巻線２５ｕ〜２５ｗにはインバータ装置２７が接続され、二次巻線２６ｕ〜２６ｗには三相の負荷２８（２８ｕｖ、２８ｖｗ、２８ｗｕ）が接続されている。インバータ装置２７は、ブリッジ接続されたダイオード２９ａ〜２９ｄからなる整流回路２９、平滑用のコンデンサ３０、および三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ３１ｕｐ〜３１ｗｎからなるインバータ回路３１から構成されており、その入力端子はリアクトル３２を介して交流電源３３に接続されている。ＩＧＢＴ３１ｕｐ〜３１ｗｎの各ゲートには図示しない制御回路からＰＷＭ信号が与えられ、インバータ装置２７は、変圧器２３に対し正弦波状の三相交流電圧を出力するようになっている。

次に、本実施例の作用、効果について図７を参照しながら説明する。
上記構成の変圧器２３の組み立ての際、一次鉄心１２及び二次鉄心１３は、夫々一次巻線２５ｕ〜２５ｗ及び二次巻線２６ｕ〜２６ｗが巻装された状態で、二次鉄心１３が、一次鉄心１２の内周側に収容されることにより組み付けられる。この組み付けは、対向面１８ａ〜１８ｄと１７ａ〜１７ｄとが夫々対向するように二次鉄心１３を一次鉄心１２に対し上側（径大側）から収容することにより行われる。

即ち、ラジアルギャップ構造を有する変圧器において、二次鉄心を一次鉄心に収容する場合、対向面の傾斜如何によっては、互いの対向面の近傍部同士が干渉して組み付けが困難となる事態が考えられる。これに対し、本実施例の変圧器２３では、一次鉄心１２及び二次鉄心１３夫々についての各対向面１７ａ〜１７ｄ及び１８ａ〜１８ｄを、前記断面Ｓに対して一定の向きに傾斜させ、且つ上記投影が互いに重ならないように形成した。これにより、二次鉄心１３を一次鉄心１２に対し一方向（Ｙ方向）に移動させるだけで収容することができるので、組み付け作業性を大幅に向上させることができる。この他、電力伝送効率を高めることができる等、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

＜第４の実施例＞
図９は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。図９は、変圧器３４の断面を拡大して示しており、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。

断面「コ」の字状をなす一次鉄心１２は、断面「コ」の字状をなす二次鉄心に比し軸方向（Ｙ方向）が長尺に設定されており、内周側の両縁部１２ａ，１２ａが二次鉄心１３の上下の外壁面に沿って延びるように形成されている。一次鉄心１２の溝部１５における上下の内壁面は、二次鉄心１３と対向する対向面３５，３５となっている。一次巻線１６ｐ及び二次巻線１６ｓは、夫々溝部１５及び１９において幅狭に形成されており、一次巻線１６ｐは、その上下に二次鉄心１３が入り込む隙間を存した中央寄りに巻装されている。二次鉄心１３は、一次鉄心１２の溝部１５に収容されるように配置されており、外周側の両縁部１３ａ，１３ａが一次鉄心１２に沿って一次巻線１６ｐ側まで延びるように形成されている。二次鉄心１３の上下の外壁面は、一次鉄心１２と対向する対向面３６，３６となっている。

本実施例における一次鉄心１２及び二次鉄心１３は、夫々の開放面側同士を対向させた状態で、二次鉄心１３が一次鉄心１２に収容されるように配置されている。これにより、断面「コ」の字状をなす一次鉄心１２及び二次鉄心１３の内壁面及び外壁面を利用して、対向面３５及び３６の面積を一層大きくすることができ、電力伝送効率を高めることができる。二次鉄心１３の両縁部１３ａ，１３ａを、一次巻線１６ｐ側まで延びるように形成したので、一次巻線１６ｐに流れる電流によって発生する磁束が、直接二次鉄心１３に通り易くなり、対向面３５，３６の面積増加と相俟って変圧器３４の電力伝送効率をより高めることができる。

なお、本発明は上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明は、円環状の一次鉄心１２及び二次鉄心１３に限られず、断面形状がＣ型、Ｕ型、Ｅ型、ＥＩ型などの鉄心を備えた変圧器にも適用できるものである。また、静止型のギャップ付き変圧器全般にも適用できるものである。

前記電源電圧、巻数比、一次鉄心１２及び二次鉄心１３の寸法などは、一例を示すものであり適宜変更してもよい。第３の実施例における非接触電力伝送装置は、変圧器２３とインバータ装置２７等を一体化した構成にしてもよい。また、変圧器２３の一次巻線２５ｕ〜２５ｗ及び二次巻線２６ｕ〜２６ｗをともにデルタ結線（図８参照）としたが、これに限定するものではなく、両者をスター結線としてもよいし、何れか一方をデルタ結線、他方をスター結線とするなど、適宜変更してもよい。

一次鉄心１２及び二次鉄心１３を同心状に配置したが、これに限定するものではない。即ち、第３の実施例の変圧器２３において、各対向面１８ａ〜１８ｄの垂線上に、対応する対向面１７ａ〜１７ｄが位置するように（正面に位置するように）、二次鉄心１３を一次鉄心１２に対し若干上方にずらして配置してもよい。これにより、各対向面１７ａ〜１７ｄと１８ａ〜１８ｄとがより完全に向かい合うので、漏れ磁束をより低減させることができると考えられる。

第４の実施例では、二次鉄心１３を一次鉄心１２の溝部１５に収容するように配置したが、一次鉄心１２及び二次鉄心１３のうち一方の鉄心の少なくとも一部を他方の鉄心に収容するように配置してもよい。このように、一次鉄心１２及び二次鉄心１３の少なくとも一部を、互いに他方の鉄心に沿って延びるように配設することで、対向面３５及び３６の面積を増大させることができる。

このほか、本発明は、一次鉄心１２及び二次鉄心１３をフェライトコア等の磁性材により構成する等、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施し得る。

本発明の第１の実施例を示すものであり、変圧器の全体を示す概略的な斜視図 （ａ）本発明の変圧器の拡大断面図、（ｂ）は従来構成の変圧器の拡大断面図 電力伝送形態の一例を示す概略図 （ａ）は変圧器（モデルＡ）の磁束分布図、（ｂ）は変圧器（モデルＢ）の磁束分布図、（ｃ）は変圧器（モデルＣ）の磁束分布図、（ｄ）は変圧器（モデルＤ）の磁束分布図 負荷と変圧比との関係を示す図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 本発明の第３の実施例を示すものであり、組み付け時の変圧器を拡大して示す断面図 図３相当図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１１は変圧器（ギャップ付き変圧器）、１２は一次鉄心（第１の鉄心）、１３は二次鉄心（第２の鉄心）、１４はギャップ、１６ｐは一次巻線（第１の巻線）、１６ｓは二次巻線（第２の巻線）、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは対向面、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは対向面、２０は交流電源、２１は負荷、２２，２３は変圧器、２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは一次巻線（第１の巻線）、２６ｕ，２６ｖ，２６ｗは二次巻線（第２の巻線）、２８は負荷、３３は交流電源、３４は変圧器、３５，３６は対向面である。

Claims (7)

1. 第１の鉄心と、この第１の鉄心に巻装された第１の巻線と、ギャップを有して前記第１の鉄心に対向して配置された第２の鉄心と、この第２の鉄心に巻装された第２の巻線とを備えたギャップ付き変圧器であって、
   前記第１及び第２の鉄心の夫々の対向面は、当該第１及び第２の鉄心の前記ギャップを挟んだ部分における磁束の方向に垂直な断面より大きくなるように形成されていることを特徴とするギャップ付き変圧器。
2. 前記第１及び第２の鉄心の夫々の対向面は、前記磁束の方向に垂直な断面に対して傾斜した傾斜面であることを特徴とする請求項１記載のギャップ付き変圧器。
3. 前記第１及び第２の鉄心夫々についての各傾斜面は、前記磁束の方向に垂直な断面に対して一定の向きに傾斜し、且つ前記磁束の方向に対して垂直な方向から投影された当該各傾斜面の投影が互いに重ならないように形成されていることを特徴とする請求項２記載のギャップ付き変圧器。
4. 前記第１及び第２の鉄心の少なくとも一部が、互いに他方の鉄心に沿って延びるように配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のギャップ付き変圧器。
5. 前記第１及び第２の鉄心は、夫々断面「コ」の字状に形成されていると共に、夫々の開放面側同士を対向させた状態で一方の鉄心の少なくとも一部が他方の鉄心に収容されるように配置されていることを特徴とする請求項４記載のギャップ付き変圧器。
6. 前記ギャップは、前記第２の巻線よりも前記第１の巻線に近い位置に配されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のギャップ付き変圧器。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載のギャップ付き変圧器を備え、当該ギャップ付き変圧器の前記第１の巻線に交流電源が接続されると共に、前記第２の巻線に負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。

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