特許 7757219 非接触電力伝送装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-10-10

(45)【発行日】2025-10-21

(54)【発明の名称】非接触電力伝送装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/14 20060101AFI20251014BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20251014BHJP

【ＦＩ】

H01F38/14

H02J50/10

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022044113

(22)【出願日】2022-03-18

(65)【公開番号】P2023137756

(43)【公開日】2023-09-29

【審査請求日】2024-10-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】内野 雄樹

(72)【発明者】

【氏名】粟津 稔

(72)【発明者】

【氏名】遠井 敬大

(72)【発明者】

【氏名】藤井 秀紀

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 忠

(72)【発明者】

【氏名】安保 豊和

(72)【発明者】

【氏名】山下 遼

【審査官】古河 雅輝

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１０－５１７３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３１６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１６３８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３３８８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２３－１２０８５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ６／００－ ６／１４

Ｈ０１Ｆ ２７／００－２７／０６

Ｈ０１Ｆ ２７／３３－２７／４２

Ｈ０１Ｆ ３８／１４

Ｈ０１Ｆ ３８／１８

Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒形状の一次鉄心と、
この一次鉄心の内部に巻装され、電力が供給される一次巻線と、
前記一次鉄心を収容する金属製の一次側ケースと、
前記一次鉄心と前記一次巻線とを、前記一次側ケース内に封止する樹脂製の一次側キャップと、を有する一次側構成部と、
この一次側構成部の各構成要素に対応する、二次鉄心、二次巻線、二次側ケース及び二次側キャップを有する二次側構成部と、を備え、
前記一次側構成部と前記二次側構成部とが、空隙を隔てて対向配置される非接触電力伝送装置において、
前記一次側ケース及び前記二次側ケースの前記円筒の軸方向端面の長さが、それぞれ前記一次鉄心及び前記二次鉄心の同軸方向端面の長さよりも短く設定されている非接触電力伝送装置。

【請求項2】

前記一次鉄心と前記一次側ケースとの前記軸方向端面の長さの差、及び前記二次鉄心と前記二次側ケースとの前記軸方向端面の長さの差が、７．５ｍｍ以上に設定されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。

【請求項3】

前記一次鉄心と前記一次巻線との間、及び前記二次鉄心と前記二次巻線との間に、それぞれ樹脂製の一次側ボビン及び二次側ボビンを備える請求項１又は２記載の非接触電力伝送装置。

【請求項4】

前記一次側キャップ及び前記二次側キャップの端部形状は、それぞれ前記一次鉄心及び前記二次鉄心の前記同軸方向端面が外部に露出する部分を覆うように形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の非接触電力伝送装置。

【請求項5】

前記二次側構成部は、前記円筒形状の二次鉄心の中心軸を軸に回転する構成である請求項１から４の何れか一項に記載の非接触電力伝送装置。

【請求項6】

前記一次巻線は、前記一次鉄心の内部で当該鉄心により複数に分割された状態で電力が供給され、
前記二次巻線も同様に前記二次鉄心によって複数に分割され、分割された数の出力を有する請求項１から５の何れか一項に記載の非接触電力伝送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、一次側から二次側に、非接触状態で電力を伝送する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

回転部に対して接触式で電力を供給する構成では、摩耗により部品の寿命が短くなり、定期的なメンテナンスや部品交換の必要がある。そこで、例えば特許文献１のように、トランスを回転型に構成することで、一次側から二次側に非接触状態で電力を伝送する装置も考案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－５０６４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような装置の構成例について、図１９から図２４を参照して説明する。図１９は、回転型トランス１の斜視図である。回転型トランス１は、アキシャルギャップ型であり、一次側構成部１０と二次側構成部３０とで構成される。一次側構成部１０が固定側であり、二次側構成部３０が回転側である。図２０は、一次側構成部１０の斜視図であり、図２１は、一次側構成部１０の分解斜視図である。

【0005】

一次側構成部１０は、ケース１１、一次鉄心であるコア１２、ボビン１３、コイル１４及びキャップ１５を備えている。ケース１１は、中空円盤状の金属、例えばアルミニウム製であり、円盤の内周側と外周側とには、それぞれ内側壁１６、外側壁１７が立設されている。コア１２は、中空円盤状又は短円筒状のフェライト製である。コア１２の内周側と外周側との間には、隔壁１８が立設されており、隔壁１８の内周側が内周コイル収容部１９、外周側が外周コイル収容部２０となっている。

【0006】

ボビン１３は樹脂製であり、ボビン１３にコイル１４が巻装された状態で、コア１２に配置される。コイル１４は、内周コイル２１及び外周コイル２２を備えており、内周コイル２１がコア１２の内周コイル収容部１９に収容され、外周コイル２２が外周コイル収容部１９に収容される。キャップ１５は、中空円盤状の樹脂製であり、コイル１４と共にコア１２を収容したケース１１を、図中の上方から封止する。

【0007】

図２２は、回転型トランス１の縦断側面を示す斜視図である。二次側構成部３０は、一次側構成部１０と略対称な構成であり、一次側構成部１０に対応する各構成要素には、３０～４０番台の符号を付している。尚、一次側の内周コイル２１の導線は、外周コイル２２の導線よりも径大であるが、二次側の内周コイル４１の導線は、外周コイル４２の導線よりも径小である。

【0008】

図２３は、回転型トランス１の回路図である。一次側構成部１０の内周コイル２１及び外周コイル２２は、交流電源Ｐに並列に接続されている。二次側構成部３０の内周コイル４１及び外周コイル４２には、それぞれ負荷抵抗４３及び４４が接続されている。尚、内周コイル２１及び外周コイル２２は、交流電源Ｐに直列に接続しても良い。

【0009】

以上のように構成される回転型トランス１において、一次側構成部１０に交流電流を通電して二次側に電力を伝送し、二次側構成部３０より電力を供給する際に、渦電流損失密度の解析を行った。図２４は、解析対象とした回転型トランス１の寸法を示す。一次側構成部１０に通電する電流の周波数１０ｋＨｚ，電流値は低電流側が２０Ａ，高電流側が１００Ａである。すると、図２５に示すように、一次側ケース１１及び二次側ケース３１の外側壁１７及び３７において、一次側構成部１０と二次側構成部３０とが対向しているギャップ付近に磁束が集中する結果として、渦電流損失が集中して発生していることが判明した。
そこで、金属製のケースに発生する渦電流損失を低減できる非接触電力伝送装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

実施形態の非接触電力伝送装置は円筒形状の一次鉄心と、
この一次鉄心の内部に巻装され、電力が供給される一次巻線と、
前記一次鉄心を収容する金属製の一次側ケースと、
前記一次鉄心と前記一次巻線とを、前記一次側ケース内に封止する樹脂製の一次側キャップと、を有する一次側構成部と、
この一次側構成部の各構成要素に対応する、二次鉄心、二次巻線、二次側ケース及び二次側キャップを有する二次側構成部と、を備え、
前記一次側構成部と前記二次側構成部とが、空隙を隔てて対向配置される非接触電力伝送装置において、
前記一次側ケース及び前記二次側ケースの前記円筒の軸方向端面の長さが、それぞれ前記一次鉄心及び前記二次鉄心の同軸方向端面の長さよりも短く設定されている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態であり、回転型トランスの縦断側面を示す斜視図

【図2】従来構成の回転型トランスの縦断側面を示す斜視図

【図3】第１実施形態の回転型トランスについて、渦電流損失の発生状態を示す図

【図4】従来構成の回転型トランスについて、渦電流損失の発生状態を示す図

【図5】回転型トランスの縦断側面について、磁束の流れを示す図

【図6】一次側ケースの外側壁の軸方向長さを、コアの外側壁の軸方向長さよりも短くした差の寸法を変化させて示す図

【図7】上記差の寸法を変化させた場合の渦電流損失の発生状態を示す図

【図8】図７に示す結果をグラフ化して示す図

【図9】各差寸法に応じて、外気温が２５℃の場合に測定した各部の温度を示す図

【図10】コアの径方向幅を、標準からその１／２倍、３／２倍に変化させた状態を示す図

【図11】図１０に示す各状態について、上記差の寸法を変化させた場合の渦電流損失の発生状態を示す図

【図12】図１１に示す結果をグラフ化して示す図

【図13】ケースの径方向幅を、標準からその１／２倍、３／２倍に変化させた状態を示す図

【図14】図１３に示す各状態について、上記差の寸法を変化させた場合の渦電流損失の発生状態を示す図

【図15】図１４に示す結果をグラフ化して示す図

【図16】ケースの軸方向幅を、標準からその１／２倍、３／２倍に変化させた状態を示す図

【図17】図１６に示す各状態について、上記差の寸法を変化させた場合の渦電流損失の発生状態を示す図

【図18】図１７に示す結果をグラフ化して示す図

【図19】従来の回転型トランスの斜視図

【図20】一次側構成部の斜視図

【図21】一次側構成部の分解斜視図

【図22】回転型トランスの縦断側面を示す斜視図

【図23】回転型トランスの回路構成を示す図

【図24】解析対象とした回転型トランスの寸法を示す図

【図25】渦電流損失の発生状態を示す図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、一実施形態について図１から図１８を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の非接触電力伝送装置である回転型トランス１Ａは、従来構成の回転型トランス１とは、一次側ケース及び二次側ケース、並びに一次側キャップ及び二次側キャップの形状が相違している。図２に拡大して示すように、回転型トランス１では、一次側ケース１１の外側壁１７の軸方向長さは、コア１２の外側壁の軸方向長さに一致している。二次側ケース３１についても同様である。尚、軸方向とは、各円盤の中心軸に沿う方向であり、図中の上下方向である。

【0013】

これに対して、回転型トランス１Ａでは、一次側ケース１１Ａの外側壁１７Ａの軸方向長さを、コア１２の外側壁の軸方向長さよりも短く、図１に示す例では５ｍｍ短くしている。内壁部１６も同様に、コア１２の内側壁の軸方向長さよりも５ｍｍ短くしている。二次側ケース３７Ａについても同様である。両者の渦電流損失を比較すると、回転型トランス１では、図４に示すように、ケース１１及び３１の合計が１８３．１Ｗであるのに対し、回転型トランス１Ａでは、図３に示すように、ケース１１Ａ及び３１Ａの合計が５５．０Ｗになり、損失が７０％低減された。尚、図１～図４では、キャップの図示を省略している。

【0014】

図５及び図６に示すように、一次側ケース１１Ａの外側壁１７Ａの軸方向長さを、コア１２の外側壁の軸方向長さよりも短くした差の寸法を、２．５ｍｍ，５．０ｍｍ，２０．０ｍｍとした場合について、解析を行った。すると、図７及び図８に示すように、差寸法を２．５ｍｍ，５．０ｍｍとした場合に、渦電流損失が急激に低減している。また、図９は、各差寸法に応じて、外気温が２５℃の場合に測定した各部の温度を示している。

【0015】

尚、説明を容易にするため、図６では二次側キャップ３５Ａのみを示している。二次側ケース３１Ａの外側壁３７Ａの軸方向長さが短くなるのに応じて、コア３２の端部が露出することを回避するため、二次側キャップ３５Ａの端部が軸方向に屈曲した形状となっている。これは、一次側キャップ１５Ａについても同様である。

【0016】

以下の図１０～図１２、図１３～図１５、図１６～図１８は、それぞれコア１２及び３２の径方向幅、ケース１１Ａ及び３１Ａの径方向幅、ケース１１Ａ及び３１Ａの軸方向長さを変化させた場合の渦電流損失を解析した結果である。図１１、図１４及び図１７中の「距離」は、上記の差寸法に相当する。

【0017】

図１０～図１２に示すように、コアの径方向幅を標準から、その１／２倍、３／２倍に変化させた何れの場合も、差寸法が７．５ｍｍ程度になると損失の低下率が小さくなっている。図１３～図１５に示すように、ケースの径方向幅を標準から、その１／２倍、３／２倍に変化させた場合、図１６～図１８に示すように、ケースの軸方向幅を標準の４０ｍｍから、その１／２倍の２０ｍｍ、３／２倍の６０ｍｍに変化させた場合も、上記の傾向は同様である。

【0018】

これらの結果より、ケース１１Ａ及び３１Ａの軸方向長さに関わらず、差寸法を７．５ｍｍ以上にすることで、渦電流損失を８割程度低減できることが分かる。但し、差寸法を大きくするほど、径方向への漏洩磁界は大きくなる。したがって、回転型トランス１Ａが使用される環境に応じて、周囲にある電子機器等に動作に影響を及ぼさない範囲で、差寸法を適宜設定すれば良い。

【0019】

以上のように本実施形態によれば、回転型トランス１Ａは、一次側のコア１２と、コア１２の内部に巻装され、電力が供給される巻線１４と、コア１２を収容する金属製の一次側ケース１１Ａと、コア１２及び巻線１４とを、一次側ケース１１Ａ内に封止する樹脂製の一次側キャップ１５Ａと、を有する一次側構成部１０Ａと、一次側構成部１０Ａの各構成要素に対応する、二次側のコア３２、巻線３４、二次側ケース３１Ａ及び二次側キャップ３５Ａを有する二次側構成部３０Ａとを備える。

【0020】

一次側構成部１０Ａと二次側構成部３０Ａとが、空隙を隔てて対向配置されることで回転型トランス１Ａが構成されている。そして、一次側ケース１１Ａ及び二次側ケース３０Ａの軸方向端面の長さを、それぞれコア１２及び３２の同軸方向端面の長さよりも短く設定する。これにより、磁束が集中して流れることを回避して渦電流損失を低減できる。そして、軸方向端面の長さの差を７．５ｍｍ以上に設定することで、渦電流損失をより大きく低減できる。

【0021】

また、コア１２と巻線１４との間、コア３２と巻線３４との間に、それぞれボビン１３、３３を配置するので、巻線１４及び３４の絶縁性をより向上させることができる。また、一次側キャップ１５Ａ及び二次側キャップ３５Ａの端部形状を、それぞれコア１２及び３２の端面が外部に露出する部分を覆うように形成するので、空隙部分に異物等が侵入することを防止できる。

【0022】

更に、二次側構成部３０Ａを、円筒形状のコア１２の中心軸を軸に、固定側の一次側構成部１０Ａに対して回転する構成とすることで、回転側の二次側構成部３０Ａに非接触状態で電力を伝送できる。

【0023】

加えて、一次巻線１４は、コア１２の内部で当該コア１２により２分割された内周コイル２１及び外周コイル２２に電力が供給され、二次巻線３４も同様に、コア３２により２分割された内周コイル４１及び外周コイル４２を備えることで、同時に２つ負荷に出力を供給できる。

【0024】

（その他の実施形態）
差寸法は、必ずしも７．５ｍｍ以上に設定する必要はない。
一次巻線に通電する交流電流の周波数や電流値は、適宜変更して良い。
ボビンは、必要に応じて配置すれば良い。
一次側及び二次側のコイルを、３組以上備えても良い。
二次側構成分は、必ずしも回転側である必要はない。
非接触電力供給装置の適用対象は、回転型レーダに限らない。

【0025】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0026】

図面中、１Ａは回転型トランス、１０Ａは一次側構成部、１１Ａは一次側ケース、１２は一次コア、１５Ａは一次側キャップ、１７Ａは外側壁、３０Ａは二次側構成部、３１Ａは二次側ケース、３２は２次コア、３５Ａは二次側キャップを示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】