(57)【要約】【課題】電動機としても回転駆動可能な構造を備えた回転型変圧器を提供する。【解決手段】回転型変圧器１を、環状を成す二次鉄心２の円周方向に二次巻線３を巻回し、二次鉄心２の外周面を覆うように銅板４を貼り付け、二次鉄心３の外周側に、複数の一次鉄心５を所定の空隙を有して円周状に分割配置し、それらの一次鉄心５に対して一次巻線６を円周方向に巻回する。そして、一次鉄心２を固定配置し、二次鉄心２は回転可能に配置して、一次側をモータの固定子７，二次側を回転子８として駆動可能な構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状を成す二次側磁性体と、
この二次側磁性体に対して、円周方向に巻回される二次巻線と、
前記二次側磁性体の外周に配置される環状の導体と、
前記二次側磁性体の外周側に、所定の空隙を有して円周状に分割配置される複数の一次側磁性体と、
これら複数の一次側磁性体に対して、夫々円周方向に巻回される複数の一次巻線とを備え、
前記一次側磁性体は固定配置されると共に、前記二次側磁性体は回転可能に配置されることで、前記一次側を電動機の固定子，前記二次側を電動機の回転子として駆動可能な構造を備えたことを特徴とする回転型変圧器。
【請求項２】
前記導体には、全体に亘って複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転型変圧器。
【請求項３】
前記二次側磁性体は、断面形状がコ字型を成すように構成され、
前記コ字型の凹部に前記二次巻線が巻回されると共に、前記コ字型の凸部となる２箇所に、前記導体が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転型変圧器。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器と、インバータ回路とを備えてなる電力供給システムにおいて、
前記インバータ回路による前記回転型変圧器の一次巻線への通電状態を切替える通電切替え手段を備え、
前記通電切替え手段は、前記回転型変圧器を変圧器として動作させる第１通電状態と、前記回転型変圧器を電動機として動作させる第２通電状態とに切替えるように構成されていることを特徴とする電力供給システム。
【請求項５】
前記通電切替え手段は、前記第１通電状態として、前記インバータ回路の出力端子の何れか一相を、前記複数の一次巻線の夫々に、個別に通電可能とすることを特徴とする請求項４記載の電力供給システム。
【請求項６】
前記回転型変圧器の一次巻線は、各相群の一端が共通に接続され、
前記インバータ回路の各相出力端子は、前記一次巻線の各相群の他端側に接続されており、
前記通電切替え手段は、前記一次巻線の共通接続点とグランドとの間を断続する手段を備え、前記共通接続点をグランドに接続することで前記第１通電状態を形成し、前記共通接続点をグランドより切り離して前記第２通電状態を形成するように構成されることを特徴とする請求項４記載の電力供給システム。
【請求項７】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に、交流電流を通電する方法において、
前記複数の一次巻線に対して、交流電流を夫々独立に通電することを特徴とする回転型変圧器の通電方法。
【請求項８】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に、交流電流を通電する方法において、
前記複数の一次巻線の全てに対して、交流電流を同時に通電することを特徴とする回転型変圧器の通電方法。
【請求項９】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に、交流電流を通電する方法において、
前記複数の一次巻線の各相群に対して、交流電流の位相を夫々変化させて通電することを特徴とする回転型変圧器の通電方法。
【請求項１０】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に、交流電流を通電する方法において、
前記複数の一次巻線の全てに対して交流電流を同時に通電する場合と、前記複数の一次巻線の各相群に対して交流電流の位相を夫々変化させて通電する場合とを切替えることを特徴とする回転型変圧器の通電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次側と二次側とが相対的に回転した状態で電力伝送を可能とする回転型変圧器，及びその回転型変圧器を備えて構成される電力供給システム，並びに前記回転型変圧器の通電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定部と回転部とからなる装置において、固定部に設けられた交流電源から回転部に設けられた負荷に対し電力を供給するには、スリップリングとブラシを用いる手段が考えられる。しかし、この手段は磨耗などに対する保守に手間がかかる。そこで、ギャップ付きの変圧器による電力供給が検討されている。
【０００３】
図９は、全体として環状をなす変圧器の周方向に対する断面を示している。回転軸Ａｘと変圧器１０１との距離は、作図の都合上適当に短縮して示している。変圧器１０１は、ギャップ１０４を有して対向配置された一次鉄心１０２と二次鉄心１０３とを備えている。一次鉄心１０２は固定されており、二次鉄心１０３は回転軸Ａｘを中心として回転可能に配置されている。一次鉄心１０２および二次鉄心１０３には、それぞれ一次巻線１０５および二次巻線１０６が巻装されている。
【０００４】
この変圧器１０１は、ギャップ１０４がない通常の鉄心を備えた変圧器に比べ、電力の伝送効率が低くなる問題がある。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、一次鉄心および二次鉄心のそれぞれに磁束の方向に沿って導体層を設けるなど、構造上の工夫がされている（例えば特許文献１参照）。当該変圧器の一次鉄心および二次鉄心はＥ型あるいは中空状をなし、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（および外側）に沿って張られており、一次巻線および二次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。
【０００５】
また、その他、同種の回転型変圧器は、特許文献２，３などにも開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３８８２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６９３３０号公報
【特許文献３】特開平８−２２６５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような回転型変圧器を介して、装置の回転部側に電力を供給しつつ当該回転部を回転駆動する場合、電動機を別途用意する必要があった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、電動機としても回転駆動可能な構造を備えた回転型変圧器，及びその回転型変圧器を備えて構成される電力供給システム，並びに前記回転型変圧器の通電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の回転型変圧器は、環状を成す二次側磁性体と、この二次側磁性体に対して、円周方向に巻回される二次巻線と、前記二次側磁性体の外周に配置される環状の導体と、前記二次側磁性体の外周側に、所定の空隙を有して円周状に分割配置される複数の一次側磁性体と、これら複数の一次側磁性体に対して、夫々円周方向に巻回される複数の一次巻線とを備え、
前記一次側磁性体は固定配置されると共に、前記二次側磁性体は回転可能に配置されることで、前記一次側を電動機の固定子，前記二次側を電動機の回転子として駆動可能な構造を備えたことを特徴とする。
【０００８】
斯様に構成すれば、複数の一次巻線に交流電流を通電すると、二次側磁性体の外周に配置される環状の導体に渦電流が発生する。従って、複数の一次巻線に所定の位相差を付与して交流電流を通電することで、誘導電動機と同様に所謂「アラゴの円板」の原理により二次側が電動機の回転子として駆動されるようになる。
【０００９】
請求項４記載の電力供給システムは、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器と、インバータ回路とを備えてなるものにおいて、
前記インバータ回路による前記回転型変圧器の一次巻線への通電状態を切替える通電切替え手段を備え、前記通電切替え手段は、前記回転型変圧器を変圧器として動作させる第１通電状態と、前記回転型変圧器を電動機として動作させる第２通電状態とに切替えるように構成されていることを特徴とする。
即ち、請求項１〜３の回転型変圧器は、一次巻線に対する通電方式が選択可能に構成されているので、通電切替え手段によって第１，第２通電状態を切替えれば、用途に応じて回転型変圧器を変圧器として動作させたり、電動機として動作させる切替えが可能となる。
【００１０】
請求項７記載の回転型変圧器の通電方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に交流電流を通電する際に、前記複数の一次巻線に対して、交流電流を夫々独立に通電することを特徴とする。即ち、上述したように、請求項１〜３の回転型変圧器は、一次巻線に対する通電方式が選択可能であるから、複数の一次巻線に交流電流を独立に通電すれば、変圧器や電動機としての出力を調整することができる。
【００１１】
請求項８記載の回転型変圧器の通電方法によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に交流電流を通電する際に、前記複数の一次巻線の全てに対して、交流電流を同時に通電することを特徴とする。斯様に通電すれば、回転型変圧器は、変圧器として動作する。
【００１２】
請求項９記載の回転型変圧器の通電方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に交流電流を通電する際に、前記複数の一次巻線の各相群に対して、交流電流の位相を夫々変化させて通電することを特徴とする。斯様に通電すれば、回転型変圧器は、電動機として動作する。
【００１３】
請求項１０記載の回転型変圧器の通電方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線に交流電流を通電する際に、前記複数の一次巻線の全てに対して交流電流を同時に通電する場合と、前記複数の一次巻線の各相群に対して交流電流の位相を夫々変化させて通電する場合とを切替える。斯様に通電形態を切替えれば、回転型変圧器は、変圧器としては勿論、電動機としても動作する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の回転型変圧器によれば、二次側磁性体を電動機の回転子として駆動することが可能となるので、回転型変圧器を変圧器として使用したり、電動機として使用したりすることが切替え可能となる。
【００１５】
請求項４記載の電力供給システムによれば、請求項１〜３の回転型変圧器を、用途に応じて変圧器として動作させたり、電動機として動作させることができる。
請求項７記載の回転型変圧器の通電方法によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の複数の一次巻線に交流電流を夫々独立に通電することで、変圧器や電動機としての出力を調整することができる。
【００１６】
請求項８記載の回転型変圧器の通電方法によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の複数の一次巻線の全てに交流電流を同時に通電するので、回転型変圧器を変圧器として動作させることができる。
【００１７】
請求項９記載の回転型変圧器の通電方法によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の一次巻線の各相群に対して、交流電流の位相を夫々変化させて通電するので、回転型変圧器を電動機として動作させることができる。
【００１８】
請求項１０記載の回転型変圧器の通電方法によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の回転型変圧器の複数の一次巻線の全てに交流電流を同時に通電する場合と、複数の一次巻線の各相群に対して交流電流の位相を夫々変化させて通電する場合とを切替えるので、回転型変圧器を変圧器として動作させたり、電動機として動作させることが切り替え可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図７を参照して説明する。図１（ａ）は回転型変圧器の全体構成を示す斜視図、図１（ｂ）は回転型変圧器の縦断面を示す斜視図である。回転型変圧器１は、断面形状が外方に凹部を向けたコ字状であり、且つ全体が円環状を成している二次鉄心（磁性体）２を備えている。二次鉄心２の凹部には、二次巻線３が周方向に巻回されており、また、前記凹部の両先端部に沿って、円環状の銅板４，４が外周面を覆うように貼り付けられている。
【００２０】
一次鉄心５は、円環を複数個（例えば、１２個)に分割した形状を成しており、二次鉄心２との間に所定の空隙を有して、その外周側を取り囲むように配置されている。一次鉄心５の断面形状は、凹部を内方に向けたコ字状であり、その凹部に係るようにして一次巻線６が夫々巻回されている。
【００２１】
本実施例の回転型変圧器１は、上記の構成を採用することで、回転型変圧器として動作すると共に、一次側を固定子７，二次側を回転子８とすることで誘導電動機として回転駆動させることも可能な構造となっている。以下、その動作原理について説明する。図２は、回転型変圧器１の正面図である。回転型変圧器１は、１２個の一次鉄心５と、それらの一次鉄心５毎に、独立して巻回された１２組の一次巻線６を備えている。従って、図２に示すように、１２組の一次巻線６に対して全て同相（例えば、Ｕ，Ｖ，Ｗの何れか１相）で交流電流を印加すれば、回転型変圧器１を変圧器として動作させることができる。
【００２２】
一方、図３に示すように、１２組の一次巻線６を４個ずつ、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相に分けて、各相毎に巻線６を直列に接続し、各相の巻線６に所定の位相差を付与して交流電流を印加すれば、回転子８側を回転させることができる。これは、図４に示すように、一次巻線６に交流を通電すると、二次鉄心２の外周面に配置されている銅板４に渦電流が発生することから、各相の巻線６に付与される位相差によって、銅板４に渦電流が発生する箇所が移動するため、所謂「アラゴの円板」の原理、即ち、誘導電動機の回転と同様の原理によって二次鉄心２を中心とする回転子８側が回転することになる。
【００２３】
図５は、回転型変圧器１の一次巻線６に対する通電方式を切替えて、変圧器，電動機として使い分けるための電力供給システムの構成を概略的に示すものである。電力供給システム１１は、商用交流電源１２を整流して直流化するコンバータ回路１３と、コンバータ回路１３により直流化された電源を、再び交流化して回転型変圧器１に供給するインバータ回路１４とを備えている。
【００２４】
コンバータ回路１３は、交流電源線の一方に挿入されるリアクトル１５，ダイオードブリッジで構成される整流回路１６，その整流回路１６の出力端子である直流電源線間に接続される平滑コンデンサ１７で構成されている。
インバータ回路１４は、６個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）を三相ブリッジ接続して構成されている。そして、回転型変圧器１の一次巻線６は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相群に分けられており、インバータ回路１４の各相出力端子は、一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗの一端側に接続されている。一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗはスター結線されており、他端側の共通接続点（中性点）は、ＩＧＢＴ１８（通電切替え手段：Ｎ相）を介してグランドに接続されている。
【００２５】
また、回転型変圧器１の回転子側には、回転位置センサ１９が配置されており、位置検出信号が制御回路２０に出力されている。制御回路２０は、上記位置検出信号に基づき、回転型変圧器１が回転駆動される場合の回転速度を参照して駆動制御を行うもので、インバータ回路１４を構成する各ＩＧＢＴ１４Ｕ〜１４Ｗ（＋，−）にゲート信号を出力すると共に、ＩＧＢＴ１８にもゲート信号を出力するようになっている。
【００２６】
上述のように、回転型変圧器１は、モータ（誘導電動機）としても動作可能な構造を有しており、ＩＧＢＴ１８をＯＦＦにして、一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに対して各相間の位相差が例えば１２０度となるようにインバータ回路１４が通電を行えば（第２通電状態）、回転型変圧器１の二次側が回転子８として回転する。一方、ＩＧＢＴ１８をＯＮにして、インバータ回路１４が一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに同相で断続的に通電すれば（第１通電状態）、回転型変圧器１は変圧器として動作し、二次側に電力を伝送する。尚、図６には、回転型変圧器１が変圧器として動作する場合の一次側，二次巻線の状態を示す。
【００２７】
次に、本実施例の作用について図７も参照して説明する。図７は、インバータ回路１４により、回転型変圧器１に通電して動作させる場合のタイミングチャートの一例であり、回転型変圧器１の動作モードを、モータ／変圧器（電力伝送）に交互に切替える場合の制御パターンを示す。尚、前提として、回転型変圧器１の回転子８側は慣性モーメントが比較的大きい構造となっており、一定の間インバータ回路１４による通電を行い回転駆動させると、その慣性によってフライホイールのように暫く回転状態が持続可能であるものを想定している。
【００２８】
図７（ａ）〜(ｃ)に示すように、動作モードがモータの場合、ＩＧＢＴ１８をＯＦＦにして、インバータ回路１４は一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに１２０度通電を行なう。すると、回転型変圧器１の二次側：回転子８は回転する。但し、図７は、回転型変圧器１をモータとして起動した後の途中の状態を示しており、実際にモータを起動させる場合には、より長い通電期間が必要である。また、図７（ｂ），（ｃ）では、上アーム，下アーム側のＩＧＢＴのＯＮ期間を逆の極性で示しており、Ｎ相のＩＧＢＴ１８についても、ＯＮ期間を負側で示している。
【００２９】
次に、動作モードが電力伝送の場合、ＩＧＢＴ１８をＯＮにして、インバータ回路１４が一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに同相で断続的に通電する。すると、二次巻線３には、通電期間に正極性の電圧が、非通電期間に負極性の電圧が発生し、回転している状態で二次側に電力を伝送することができる。そして、二次側に発生した交流電圧を、図示しないコンバータ回路により整流（ｅ）及び平滑して（ｆ）、負荷に直流電源を供給する（ｇ）。
【００３０】
動作モードが電力伝送の期間に回転子の回転数は漸減するので、動作モードを再びモータとしてトルクを発生させて駆動する。また、電力伝送モードの場合、固定子側と回転子側との間に磁気吸引力が作用するため、回転速度が変動することも想定される。従って、制御回路２０は、回転位置センサ１９のセンサ信号により回転数を監視して、例えば予め規定した下限値を下回らないようにモード切替のタイミングを決定すれば良い。また、動作モードがモータの場合、負荷に供給される直流電源電圧は漸減するので、動作モードを再び電力伝送に切替える。尚、図７（ｇ）中に示す一点鎖線は、負荷に供給される平均電圧を示している。以上の動作モード切替を交互に行なうことで、回転型変圧器１の二次側をモータとして回転させながら、２次側に配置されている負荷に電力を伝送することが可能となる。
【００３１】
上記のように回転型変圧器１の動作モードを切り替えるのに適切なアプリケーション（回転側に配置された負荷に対して電力を伝送するもの）としては、例えば、パラボラアンテナなどの通信アンテナ（受信センサ機能），監視カメラ（撮影機能），ロボットやＸ線ＣＴ（Ｘ線放射機能）、観覧車やメリーゴーランド（電飾機能）といったアミューズメント装置などが考えられる。
【００３２】
以上のように本実施例によれば、回転型変圧器１を、環状を成す二次鉄心２の円周方向に二次巻線３を巻回し、二次鉄心２の外周面を覆うように銅板４を貼り付け、二次鉄心３の外周側に、複数の一次鉄心５を、所定の空隙を有して円周状に分割配置し、それらの一次鉄心５に対して、一次巻線６を円周方向に巻回した。そして、一次鉄心２を固定配置し、二次鉄心２は回転可能に配置することで、一次側をモータの固定子７，二次側を回転子８として駆動可能な構造にした。従って、用途に応じて回転型変圧器１を変圧器として動作させたり、モータとして動作させることが切替え可能となる。
また、二次鉄心２の断面形状をコ字型として、その凹部に二次巻線３を巻回し、コ字型の凸部となる２箇所に、銅板４，４を配置したので、二次側の構造をコンパクトにしつつ銅板４の配置面積を大きくして、モータの出力トルクをより大きく発生させることができる。
【００３３】
そして、回転型変圧器１の一次巻線６をＵ，Ｖ，Ｗの各相群に分けて、それらをスター結線し、インバータ回路１４の各相出力端子を、一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに夫々の接続して各相群の他端側に接続し、ＩＧＢＴ１８が、一次巻線６の中性点とグランドとの間を断続することで、回転型変圧器１を変圧器として動作させる第１通電状態と、モータとして動作させる第２通電状態とに切替えるように電力伝送システム１１を構成した。
従って、中性点をグランドに接続して一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに同相で通電を行い、二次側に電力を伝送し、中性点をグランドより切り離した状態で、一次巻線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに１２０度通電を行い、二次側をモータとして回転させることができる。
【００３４】
（第２実施例）
図８は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例の回転型変圧器２１は、第１実施例の銅板４，４を、全体に亘って矩形状の孔２２ａが形成された銅板２２，２２に置き換えたものである。斯様に構成すれば、回転型変圧器２１を変圧器として動作させる場合の渦電流損を低減することができる。
【００３５】
本発明は、上記実施例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できる。
通電切替え手段を、第１通電状態として、インバータ回路１４の出力端子の何れか一相を、複数の一次巻線６の夫々に、個別に通電可能とするように構成しても良い。斯様に構成すれば、例えば、一次巻線６の幾つに通電を行なうかによって、変圧器として動作させる場合の出力を調整することができる。また、電動機として回転駆動させる場合でも、各相群を構成する一次巻線６の幾つに通電するかを選択すれば、出力を調整することができる。
鉄心の断面形状はコ字状とするものに限らず、Ｈ字状や矩形であっても良い。
一次鉄心の数は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
導体は、銅板４に限らず鉄板などでも良い。
スイッチング素子はＩＧＢＴに限ることなく、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタであっても良い。通電切替え手段についても同様である。
また、通電切替え手段は、アナログスイッチやリレーなどで構成しても良い。
商用交流電源は、三相２００Ｖであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施例であり、（ａ）は回転型変圧器の全体構成を示す斜視図、（ｂ）は同縦断面を示す斜視図
【図２】一次巻線の全てに対して同相で交流電流を印加する状態を説明する図
【図３】一次巻線をＵ，Ｖ，Ｗの相群に分けて、各相毎に所定の位相差を付与して交流電流を印加する状態を説明する図
【図４】図１（ｂ）の一部を拡大し、一次鉄心を透過させた状態で示す図
【図５】電力供給システムの構成を概略的に示す図
【図６】変圧器として動作する場合の一次側，二次巻線の状態を示す図
【図７】インバータ回路により回転型変圧器に通電して動作させる場合のタイミングチャート
【図８】本発明の第２実施例示す図１（ａ）相当図
【図９】従来技術を示す図
【符号の説明】
【００３７】
図面中、１は回転型変圧器、２は二次鉄心（二次側磁性体）、３は二次巻線、４は銅板（導体）、５は一次鉄心（一次側磁性体）、６は一次巻線、７は固定子，８は回転子、１４はインバータ回路、１１は電力供給システム、１８はＩＧＢＴ（通電切替え手段）、２１は回転型変圧器、２２は銅板（導体）、２２ａは孔である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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