[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。[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。transducer.【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。used.【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。[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。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。rare.【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。12.【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。[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。with.【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。member.【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。kHz,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。material.【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。wheel,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。connection.【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。convey.【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。[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。U-shape.【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。2~5kHz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。40.【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。section,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。provided.【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。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。stator.【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。rotor.【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。図2において、H1=K(定数)を選択する。assumed.【0027】G1=G2=G3=G4=G5を選択する。G5.【0028】体積の制約に基づいてH5を選択する。N1=10=Cu磁気ワイヤのコイル巻数とする。of.【0029】ワイヤサイズ=20AWGとする。20AWG.【0030】一次コイルパラメータを指定する。コイルパラメータを指定する。parameters.【0035】N2=4N1=コイル巻数とする。turns.【0036】ワイヤサイズ=20AWGとする。MTL、R2を計算する。図2、3および4を参照しながら、磁気抵抗を決定する。RL2=1/PL2=二次コイルの場合の漏洩磁気抵抗。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。alternately,K1およびK2を決定することができる。1.【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.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。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。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。I2.【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。#20AWG銅の巻数N2を10から100まで増分した。(3.5VRMS)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。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。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。N2が28〜40の範囲にある場合に最大になる。28-40.【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。100〜8に代入した。frequency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。of.【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。N2.【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。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。40以上で最適な結果が達成される。9の曲線群としてグラフ表示されている。curves.【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。10,二次コイルの巻数を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。cm、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。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。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。coil.【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。1.【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。taken.【0071】これらの値も第1表に示されている。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。box.【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。diamonds.【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。transformer.【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。1.【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。calculations.【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。1.【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。15.【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。15.【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。15.【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。ボルトRMSの場合である。RMS.【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。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)。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。saturation.【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。transformer.【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。output.【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。[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。DRAWINGS【図1】本発明のトランスフォーマの断面斜視図である。invention.【図2】図1のトランスフォーマの拡大断面図である。1.【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。1.【図4】図3の回路のテブナンの定理に基づいた図である。3.【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。FIG.【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。coil.【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。coil.【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。coil.【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。coil.【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。watts.【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。frequency.【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。density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。density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。watts.【図15】従来型トランスフォーマの断面図である。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。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。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。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。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。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。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。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。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。(116),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。coil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。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。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。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。coil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。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。ことを特徴とするトランスフォーマ。