JP2004519853A - 一次及び二次巻線間の相互自己インダクタンスの容量性並列補償を備える電磁結合システム - Google Patents

Abstract

電磁結合システムの性能を改善するため、一次巻線４と二次巻線８との間の磁気結合は、組立体の一次ヨーク２及び／又は二次ヨーク６にこれらのヨーク間のエアギャップ付近で補助巻線２６，２８を設けることによって、増加される。キャパシタ３０，３２は、補助巻線２６，２８に接続され、補助巻線のインダクタンスと協働して、一次交流電圧Ｖｐの動作周波数で共振する。効果は、磁気組立体の体格を増大することなく、一次ヨーク４と二次ヨーク８との間の磁気結合が改善されることである。

Description

【０００１】
本発明は、一次交流電圧（Ｖｐ）に接続する一次巻線（４）を備える一次ヨーク（２）、及び、二次巻線（８）を備える二次ヨーク（６）を備える磁化可能なコアを含み、前記一次ヨーク（２）及び二次ヨーク（６）が、前記一次ヨーク（２）と二次ヨーク（６）の間の磁気エネルギ伝達のために対応する端面（１０，１４；１２，１６）を有する、電磁結合システムに関する。
【０００２】
かかる電磁結合システムは、変圧器として知られており、変圧器コアの一次及び二次ヨークが互いにリジットに配置され機械的に一体となっている、高周波で動作するＤＣ−ＤＣコンバータの一部を構成し若しくは構成しない。一例は、いわゆる“電源プラグ”であり、この場合、主電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータにより、主電圧とは直接電気的に接触しないより低い動作電圧へと変換される。
【０００３】
かかる電磁結合システムは、また、電動歯ブラシ、カミソリ及び移動電話のような充電可能な機器用の非接触電磁充電システムから知られている。この場合、一次及び二次ヨークは分離することができ、一次ヨークは、いわゆる“スタンド”内に収容され、二次ヨークは、充電可能な機器内に収容される。充電可能な機器は、使用後スタンド内に配置されて戻され、一次及び二次ヨークが、それらの巻線と協働して変圧器を形成するような関係に位置するようにされる。
【０００４】
上述の双方の場合において、ヨークの端面間の比較的大きなエアギャップが、結合システムの一次部と二次部との間の不完全な磁気的結合を招く。固定型の変圧器の場合、この大きなエアギャップの原因は、原価及び寸法上の公差でありうり、電磁充電システムの場合、主要な原因は、スタンド及び機器の設計の本質にある。大きなエアギャップの結果として、一次ヨークの端面から延在する磁場線の実質的な部位が、二次ヨークの対応する端面により検出されないことになる。これにより、一次巻線を通る主要な無効電流が引き起こされ、また、一次巻線及び一次巻線を駆動する電子部品における損失が引き起こされる。
【０００５】
ヨーク間の磁気結合を増加すべくヨークの寸法を増大する解決手段も考えられるが、これは、原価の上昇を招き、設計の自由度を制限する。
【０００６】
従って、本発明の目的は、結合システムの一次側と二次側との間の改善された磁気結合を実現する電磁結合システムを提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するため、冒頭で述べた電磁結合システムは、一次交流電圧の周波数での前記電磁結合システムの相互自己インダクタンスの容量性の並列補償手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
電磁結合システムの等価モデルにおいて、一次側と二次側との間の磁気結合は、相互自己インダクタンスにより表現される。乏しい磁気結合は、一次リーケージインダクタンスに比して低い値の相互自己インダクタンスとして現れる。容量性の並列補償は、相互自己インダクタンスに並列に接続されるキャパシタンスを提供し、キャパシタンスは、相互自己インダクタンスと協働して、一次交流電圧の周波数で共振する並列共振回路を形成する。並列共振の場合、並列回路のインピーダンスは高く、如何なる無効電流も並列共振回路から及び並列共振回路へと殆ど流れない。エアギャップの差し迫った影響は、このような態様で大幅に低減され、結果として、ヨークの寸法自体を変更することなく、略全ての磁気エネルギが電磁結合システムの一次側から二次側まで流れることになる。
【０００９】
容量性の並列補償は、好ましくは、上述の端面のうちの少なくとも一の端面付近に配置される補助巻線であって、一次交流電圧の周波数で補助巻線により共振するキャパシタが接続される補助巻線の形態で実現される。
【００１０】
Ｕ字形若しくはＥ字形であってよい電磁結合システムのヨークに一若しくはそれ以上の補助巻線を設置するために、従属項にクレームされる多種多様な効果的な構成が可能である。
【００１１】
これより、本発明は、添付図面を参照してより詳細に説明される。各図において、対応する要素には同一の符合が付与される。
【００１２】
図１は、従来の電磁結合システムの概略図である。このシステムは、一次交流電圧Ｖｐが接続できる一次巻線４を備える一次ヨーク２、及び、二次交流電圧Ｖｓを得る二次巻線８を備える二次ヨーク６を備える磁化可能なコアを含む。一次ヨーク２及び二次ヨークは、例えばＵ字形であり、一次巻線４及び二次巻線８は、双方共に、ヨークのそれぞれの中心位置に配設される。一次ヨーク２は、対応する端面１４，１６に対向する位置に２つの端面１０，１２を有し、エアギャップ１８が対応する端面間に形成される。
【００１３】
一次ヨーク２及び二次ヨーク６は、例えば電源プラグとも称される主電源アダプター用の変圧器内等に、相対的に移動不能に配置されてよい。ヨークは代替的に分離可能であってよいが、一次ヨークは、充電可能な機器の載置可能な充電装置若しくはスタンド内に収容される。二次ヨークは、充電可能な機器内に収容され、スタンド内に配置時、二次ヨークの端面は、一次ヨークの端面に対向する位置となる。充電可能な機器及びスタンドの双方は、ハウジングを有しており、強度及び安全性の理由により、スタンド内の一次ヨークの端面と充電可能な機器内の二次ヨークの端面との間の距離を最小化すべくハウジングに対して非常に小さい壁の厚さを採用することは不可能である。この結果、比較的大きなエアギャップ１８が生ずる。
【００１４】
比較的大きなエアギャップ１８は、一次ヨーク２内に生ずる磁場線２０の主要部が二次ヨーク６により検出できない故に、一次ヨーク２と二次ヨーク６との間に乏しい磁気結合をもたらす。これは、一次巻線４を通る無効電流を招き、この結果、一次巻線自身及び一次巻線の駆動電子部品において大きな抵抗損を生む。これは、全て、システムの効率及び原価に悪影響を及ぼす。効率は、ヨークの寸法及びそれによる端面の寸法を増大することによって増大されるが、これは、原価の上昇を招き、また、設計の自由度を低減することになる。
【００１５】
図２は、一次リーケージインダクタンスＬｓｐ，二次リーケージインダクタンスＬｓｓ、及び、リーケージインダクタンスの接続部と共通の接続点２４との間に相互自己インダクタンスＬｍを備える図１の電磁結合システムの電気等価回路図を示す。満足できる伝達は、一次リーケージインダクタンスＬｓｐ及び二次リーケージインダクタンスＬｓｓに比して、例えば相互自己インダクタンスＬｍの接続点２２，２４間に最大のインピーダンスを必要とする。
【００１６】
これは、最小サイズのエアギャップ及び／又は大きなヨーク寸法により実現できないので、結合点２２，２４間の高いインピーダンスは、図３に示すように、相互自己インダクタンスＬｍに並列に接続されるキャパシタンスＣｍにより達成される。結合点２２，２４間の非常に高いインピーダンスは、相互自己インダクタンスＬｍ及び相互キャパシタンスＣｍの並列共振が生ずる周波数でシステムが駆動される点において得ることができる。他言すると、相互自己インダクタンスの容量性の並列補償が生ずる。
【００１７】
図４は、相互自己インダクタンスの容量性の並列補償を備える電磁結合システムの第１実施例を示す。この目的のため、２つの補助巻線２６，２８が、エアギャップ１８付近で、一次ヨーク２の端面１０，１２付近に設けられる。キャパシタ３０，３２は、これらの２つの補助巻線２６，２８に接続され、補助巻線の自己インダクタンスと協働して、一次交流電圧Ｖｐの周波数で共振する。結果として、負のレラクタンスが、エアギャップの正のレラクタンスに直列に接続される。共振が発生するとき、２つのレラクタンスは同一であり、相互に打ち消しあうだろう。この効果は、唯一の補助巻線及び一のキャパシタが一次ヨーク２若しくは二次ヨーク６の何れかに配置される場合に既に得られることは理解されるだろう。
【００１８】
図５は、第２実施例を示し、この実施例では、二次ヨーク６にも、キャパシタ３８，４０が接続された補助巻線３４，３６が設けられる。これは、エアギャップの磁気インピーダンスの更なる低減をもたらす。
【００１９】
図６は、修正例を示し、本例では、一次巻線４及び二次巻線８が、一次ヨーク２及び二次ヨーク６の対向する脚部上に配置され、補助巻線２６、３６及びそれに関連するキャパシタ３０，４０が、ヨークの対向する他の脚部上に配置されている。
【００２０】
図４、図５及び図６のＵ字形のヨークが、Ｃ字形であってよく、若しくは、この目的に適したあらゆる２脚の形状を有してよいことは理解されるだろう。Ｃ字形の一次ヨーク及びＵ字形の二次ヨークの組み合わせ、若しくはその逆の組み合わせも可能である。ヨークの端面は、矩形、円形や他の如何なる形状であってよい。一次ヨークの端面及び二次ヨークの端面が異なる形状であることも可能である。
【００２１】
図７は、３脚型のＥ形のヨークを含む変形例である。一次巻線５０は、一次ヨーク５４の中央の脚部５２上に配設され、２つの外側の脚部５６，５８は、補助巻線６０，６２をそれぞれ保持し、それにキャパシタ６４，６６が接続されている。二次ヨーク７０の中央の脚部６８の端部には、キャパシタ７４が接続される補助巻線７２が配設される。二次巻線は、二次ヨーク７０の外側の脚部８０，８２に配設される２つの副巻線７６，７８へと分かれる。
【００２２】
図８は、充電可能な機器９０及びスタンド９２の組み合わせの簡略化した電気図である。図４に示すように、二次ヨーク６及び二次巻線８は、充電可能な機器９０内に存在し、一次ヨーク２及び一次巻線４は、補助巻線２６，２８及び関連するキャパシタ３０，３２と共に、スタンド９２内に存在する。しかしながら、図５、図６及び図７に示す変形例は、この目的のために同等に使用されてよい。スタンド９２は、更に、一次巻線４を駆動するためのとりわけ知られている駆動電子部品９４を含む。当該駆動電子部品９４は、主電源９６を直流電圧に変換し、当該直流電圧は、発振器回路により交流電圧に変換され、この交流電圧で一次巻線４が駆動される。充電可能な機器９０は、更に、二次巻線８に直列に接続される整流器９８及び充電可能なバッテリ１００を含む。充電可能なバッテリ１００は、充電可能な機器の種類に依存する種類の負荷１０２を供給する。充電可能な機器９０は、図９に示すように、充電可能なバッテリ１００を充電するためにスタンド９２の適切なスペース１０４に載置可能である例えば電気かみそりであってよい。スタンド９２内の一次ヨーク及び充電可能な機器９０内の二次ヨーク６は、スタンド９２及び機器９０のハウジング内に位置し、一次ヨーク２の端面及び二次ヨーク６の端面が、機器９０がスタンド９０のスペース１０４に載置されたときに互いに対面し、２つのヨーク間の磁気結合を可能とする。かかる場合、二次交流電圧が、二次巻線８の両端で利用可能となり、この電圧によりバッテリ１００が整流器９８を介して充電される。電気かみそりの場合、負荷１０２は、例えば、シェービングヘッド１０６用の駆動モータ（図示せず）、モータ用のオン／オフスイッチ（図示せず）を含む。スタンド９２及び充電可能な機器９２は、協働して、上述の電気かみそりに好適な非接触の電磁充電システムを形成する。なぜならば、上述の電気かみそりは、防水型であり、接点に接続する充電装置のように、ダストや腐食による影響を受けないからである。補助巻線及びキャパシタによって相互自己インダクタンスの容量性並列補償の使用により、ヨーク２，６の寸法を増大する必要なしに、充電可能なバッテリ１００に対するより高い充電電流が可能となる。この非接触充電システムは、電気かみそりに限定されるものでなく、電気ハブラシ、移動電話、電気ドリル等のような他の充電可能な機器に使用されてよいことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の電磁結合システムの概略図である。
【図２】
従来の電磁結合システムの電気等価回路図である。
【図３】
本発明による電磁結合システムの電気等価回路図である。
【図４】
本発明による電磁結合システムの第１実施例の概略図である。
【図５】
本発明による電磁結合システムの第２実施例の概略図である。
【図６】
本発明による電磁結合システムの第３実施例の概略図である。
【図７】
本発明による電磁結合システムの第４実施例の概略図である。
【図８】
本発明による電磁結合システムを備える充電可能な機器及びスタンドの組み合わせの簡略化した電気図である。
【図９】
図８の組み合わせの斜視図である。

Claims (9)

1. 一次交流電圧に接続する一次巻線を備える一次ヨーク、及び、二次巻線を備える二次ヨークを備える磁化可能なコアを含み、前記一次ヨーク及び二次ヨークが、前記一次ヨークと二次ヨークの間での磁気エネルギ伝達のために対応する端面を有する、電磁結合システムであって、
   前記電磁結合システムが、一次交流電圧の周波数での前記電磁結合システムの相互自己インダクタンスの容量性の並列補償手段を含むことを特徴とする、電磁結合システム。
2. 前記容量性の並列補償手段は、前記端面のうちの少なくとも一の端面付近に配置される補助巻線を含み、該補助巻線には、一次交流電圧の周波数で補助巻線により共振するキャパシタが接続される、請求項１記載の電磁結合システム。
3. 前記一次ヨーク及び二次ヨークは、２脚型であり、前記一次巻線は、前記一次ヨークの中央部に配置され、前記補助巻線及びキャパシタは、前記一次ヨークの２つの端面のそれぞれの近傍に配置される、請求項２記載の電磁結合システム。
4. 前記二次巻線は、前記二次ヨークの中央部に配置され、更に、補助巻線及びキャパシタが、前記二次ヨークの２つの端面のそれぞれの近傍に配置される、請求項３記載の電磁結合システム。
5. 前記一次ヨーク及び二次ヨークは、２脚型であり、前記一次巻線は、前記一次ヨークの一の脚部に配置され、前記補助巻線及びキャパシタは、前記一次ヨークの他の脚部の端面付近に配置される、請求項２記載の電磁結合システム。
6. 前記二次巻線は、前記二次ヨークの一の脚部に配置され、更に、補助巻線及びキャパシタが、前記二次ヨークの他の脚部の端面付近に配置される、請求項５記載の電磁結合システム。
7. 前記一次ヨーク及び二次ヨークは、中央の脚部と２つの外側の脚部を有するＥ字形であり、前記一次巻線は、前記一次ヨークの中央の脚部に配置され、前記補助巻線及びキャパシタは、前記一次ヨークの２つの外側の脚部の２つの端面付近に配置される、請求項２記載の電磁結合システム。
8. 前記二次巻線は、前記二次ヨークの２つの外側の脚部に部分に分かれて配置され、更に、補助巻線及びキャパシタが、前記二次ヨークの中央の脚部の端面付近に配置される、請求項７記載の電磁結合システム。
9. 充電可能な機器と、充電可能な機器内の充電可能なバッテリを充電する目的で充電可能な機器を受け入れるスタンドとの組み合わせであって、
   前記組み合わせは、請求項１乃至８の何れか１項の電磁結合システムを備え、前記一次ヨーク及び一次巻線は、前記スタンド内に収容され、前記二次ヨーク及び二次巻線が前記充電可能な機器内に収容されていることを特徴とする、組み合わせ。