JP2978201B2 - 変圧器兼用電動機または発電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、変圧器兼用電動機または発電機に関するも
のである。

［従来の技術］ 最近、ロボットを使用した装置が多くなり、また装置
もコンパクト化の要求が強い。FAやOAなどの機器は、殆
ど供給される電力を使用する電圧に変換して使用するた
め、変圧器が必ず使用され、また機械運動をするため、
電動機などのアクチュエータが多く使用されている。ま
た、電動機は駆動装置としてだけでなく、直流機のよう
に、制動効果をもたせるため発電装置として動作して使
用されているものもある。省エネのために、発電機を搭
載している場合もある。

ロボットは、複数個の自由度を持ったものが多く、ロ
ボットで動かされる対象は、動かそうとする物だけでな
く、電動機などのアクチュエータも含まれる。従って、
電動機などの軽量化や小型化が重要となっている。

動かそうとする対象は、物だけでなく、溶接装置など
のように電力を必要とする装置である場合も多い。従っ
て、ロボットで動かそうとするものへ電力を送る必要が
あり、可動部にケーブルで送電しなければならない。

大電力の場合には、可動部に送電するとしても送電ケ
ーブルの直径が大きく、ロボットの動きの妨げになるだ
けでなく、ケーブルの断線にもつながる。そこで、一般
に電力送電を、高電圧、低電流に変換し、送電ケーブル
の直径を小さくして行い、その後、変圧器で使用電圧に
変換して使用している。この場合の変圧器は、高周波送
電を使用することで、小型軽量化を行い、対処してい
る。

以上のように、電動機などと変圧器は、共通の場所で
使われ、重量や大きさなどで、ロボット等に使用する場
合や装置空間が限られている場合には、問題となること
が多い。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、電動機や発電機と変圧器が共通の場所で、
使用されている場合、それらの重量や大きさを軽減する
ため、電動機や発電機に使用される環状コアバック部を
変圧器の磁心として共有させる装置を提供し、全体の重
量や大きさを小さくすることを目的としてなされた。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨とするところは、 1.ステータ鉄心が、環状のコアバック部と内径方向に突
出する複数のティース部とからなり、前記コアバック部
の少なくとも１箇所に、前記ステータ鉄心内のみで閉じ
る磁路を有する変圧器の１次巻線および２次巻線が巻か
れており、前記変圧器の１次巻線および２次巻線が複数
箇所に巻かれている場合には、それぞれの巻線の励磁方
向が同一方向になるように配設されており、更に前記コ
アバック部と前記ティース部のいずれか一方あるいは双
方に電機子巻線が巻かれていることを特徴とする変圧器
兼用電動機または発電機。

2.ステータ鉄心が、環状のコアバック部と内径方向に突
出する複数のティース部とからなり、前記コアバック部
の少なくとも１箇所に、前記ステータ鉄心内のみで閉じ
る磁路を有する変圧器の１次巻線および２次巻線が巻か
れており、前記変圧器の１次巻線および２次巻線が複数
箇所に巻かれている場合には、それぞれの巻線の励磁方
向が同一方向になるように配設されており、前記変圧器
の１次または２次巻線を電機子巻線として兼用する構造
を特徴とする変圧器兼用電動機または発電機。

3.前記コアバック部を構成する材料が、厚さが0.2mm以
下の板状磁性材料、または直径0.2mm以下の線状磁性材
料である請求項１または請求項２記載の変圧器兼用電動
機または発電機。

4.前記コアバック部を構成する材料が、電気抵抗が50μ
Ωcm以上の磁性材料である請求項１または請求項２記載
の変圧器兼用電動機または発電機。

5.前記コアバック部を構成する材料が、磁区細分化処理
された磁性材料である請求項１または請求項２記載の変
圧器兼用電動機または発電機。

6.変圧器として作用する周波数が、電動機または発電機
の最大周波数以上である請求項１または請求項２記載の
変圧器兼用電動機または発電機。

7.変圧器として作用する磁束変化と、電動機または発電
機として作用する磁束変化を合わせたものが、前記コア
バック部の飽和磁化の90％以下である請求項１または請
求項２記載の変圧器兼用電動機または発電機。

にある。

以下に、本発明を詳細に説明する。

先ず、電動機や発電機（以後、電動機等と記す）は、
界磁と電機子で構成され、電機子巻線に流す電流と界磁
より生じる磁束との間で行われる電気機械エネルギー変
換機で、電気エネルギーを機械エネルギーまたは機械エ
ネルギーを電気エネルギーに変換するもので、同期機、
誘導機、直流機器などである。磁石を使用したもので
も、磁石を使用しないものでも構わない。

本発明での変圧器は、１次巻線と２次巻線より構成さ
れ、電圧や電流の変換に使用されるもので、通常は単相
であるが、電動機などの構造によっては、３相等の多相
のものも可能である。

そこで、電動機等に使用される環状コアバック部を変
圧器の磁心として共有させ、電動機等として駆動させな
がら、その電動機などの環状コアバック部を変圧器の磁
心として変圧器を動作させる。ここで、電動機等は、変
圧器が動作中、常に駆動していなくても構わない。また
逆に、変圧器は、電動機等が動作中、常に動作してなく
ても構わない。

共有する鉄心は、一般には、電動機などに電力を入出
力する側の、ステータである固定側であることが好まし
い。

共有する磁心に使用される材料は、どの様な軟磁性材
料でもよく、一般に使用される電磁鋼板をはじめ、鉄を
主成分とする磁性材料、ニッケルやコバルトなどやそれ
らの合金、ソフトフェライト、アモルファス磁性材料等
の磁性材料であり、製造法や形状は問わない。好ましく
は、下記のうち何れか一つ以上の高透磁率、低鉄損磁性
材料であると、電動機等の効率や高周波性能が良くなる
ので好ましい。

50μΩcm以上の電気抵抗率の磁性材料は、ソフトフェ
ライトや４％以上のSiを含む珪素鋼板等である。

ａ）厚さが0.2mm以下の板状磁性材料 ｂ）直径が0.2mm以下の線状磁性材料 ｃ）電気抵抗が50μΩcm以上の磁性材料 ｄ）磁区細分化処理された磁性材料 厚さ0.2mm以上の板状磁性材料、直径が0.2mm以上の線
状磁性材料、或は電気抵抗率が50μΩcm以下である磁性
材料や磁区細分化処理されてない磁性材料では、高周波
で駆動すると材料内に渦電流が生じ、電力損失である鉄
損が増すだけでなく、制御性にも悪い影響を与える。

共有する磁心は、どのような加工や製作方法で作って
もよく、形状も問わない。さらに、耐錆性等のために、
表面処理されたり、他の目的のために加工等が加えられ
たものでもよい、この共有する磁心は、電動機や発電機
のステータ側で、電動機などの、一般に言われているコ
アバック部であり、電動機などのロータ等の可動側とス
テータ等の固定側の間のギャップを含まない磁路を変圧
器の磁心とする。従って、これらの部分を磁心として、
変圧器の１次巻線を巻く。ここで、コアバックは、実施
例の第１図の１に示される部分を示す。

電動機や発電機の巻線の一部または全部を、変圧器の
１次巻線と２次巻線と同じ部分にするために、コアバッ
ク部に設けても良い。そこで、可能ならば、変圧器の１
次巻線を、電動機等の巻線の一部を共有しても良く、ま
た変圧器の２次巻線を、電動機等の巻線の一部を共有し
ても良い。例えば、電動機などは多相の電源で使用され
る場合が多く、その同相巻線だけを共有しても、全ての
相を共有しても構わない。

共有する巻線が、変圧器の１次巻線と電動機の巻線の
場合は、変圧器の励磁電圧信号と電動機の駆動信号を回
路の加算器で加算し、その信号を電力増幅器で増幅し
て、共有する巻線に入力すれば良い。

共有する巻線が、変圧器の２次巻線と電動機の巻線の
場合は、発電機の多相出力と変圧器出力を、周波数で分
離出来る場合は周波数フィルタで分離し、相数の違いで
分離するにはその回路を通して分離して、共有巻線から
取り出せる。

共有する巻線が、変圧器の２次巻線と電動機の巻線の
場合は、変圧器の動作周波数と電動機の駆動周波数が異
なる場合に可能であり、電動機の入力を、電動機の駆動
周波数を通過し、変圧器の周波数は通過しないフィルタ
を通して、共有巻線を励磁して、電動機を駆動し、一
方、変圧器の２次出力は、共有する巻線より、電動機の
駆動周波数を遮断し、変圧器の周波数は通過するフイル
タを通して、２次出力を取り出せる。

共有する巻線が、変圧器の１次巻線と発電機の巻線の
場合は、変圧器の動作周波数と発電機の発電周波数が異
なる場合に可能であり、変圧器の１次入力を、発電機の
駆動周波数を遮断し、変圧器の周波数は通過するフィル
タを通して、共有巻線を励磁し、一方発電機の出力は、
共有する巻線より変圧器の動作周波数を遮断し、発電機
の発電周波数は通過するフィルタを通して、発電出力を
取り出せる。

変圧器動作と電動機などの動作を分離するためには、
変圧器として作用する周波数を、電動機等に使用する最
大周波数以上とするとよい。電動機等は、低周波数での
動作も重要であるが、変圧器は一般に一定周波数の場合
が多く、小型化のためには高周波数で動作するので、変
圧器の周波数を電動機などで使用される周波数以上にす
ることは可能である。この場合、性能や電力効率を考え
ると、共有する磁心に使われる磁性材料の選択が重要に
なることは既に述べた。

変圧器が動作する周波数が変動する場合でも、電動機
等の動作に影響しないか、殆ど影響しなければ、電動機
などに使用される環状コアバック部を変圧器の磁心とし
て共有することも可能である。

変圧器として使用する磁束変化と、電動機や発電機と
して作用する磁束変化を合わせたものが、環状コアバッ
ク部材料の飽和磁化の90％以下にすることが好ましい。
変圧器として作用する磁束変化と、電動機や発電機とし
て作用する磁束変化を合わせたものが、飽和磁化の90％
以上になると、磁心に使用される磁性材料の透磁率が著
しく低下し、また変圧器と電動機などの動作が影響し合
うようになり、好ましくない。

［発明の効果］ 本発明の変圧器兼用電動機または発電機は、電動機や
発電機に使用される環状コアバック部を変圧器の磁心と
して共有するので、電動機や発電機と変圧器を合わせた
重量や大きさが小さくなり、小型軽量化が可能であり、
電力を必要とする装置をロボットで動かさなければなら
ない場合に、装置全体の小型化、駆動電力低減が可能と
なり、より高精度の制御が可能となる。

電動機や発電機に使用される環状コアバック部を変圧
器の磁心として共有しても、変圧器として作用する周波
数を、電動機や発電機に使用する最大周波数以上とする
と、電動機等と変圧器の動作は殆ど影響しない。電動機
などと変圧器を分離設置した場合、変圧器の磁心が、電
動機などの変圧器と共有できる磁心の量より大きい場合
には、使用磁性材料が同じ種類であれば、電動機などと
変圧器を共有した方が、変圧器としての動作磁束密度を
下げることが可能で、一般に鉄心での変圧器動作による
鉄損が低くでき、さらに、電動機等の動作への影響も少
なくできる。

共有する磁心に使用される材料を、高透磁率で、低鉄
損の磁性材料を使用すると、電動機などと変圧器の動作
での電力効率が上がるだけでなく、電動機などの性能も
良くなることは言うまでもない。

電動機や発電機のステータのコアバック部に変圧器の
巻線を設けると、電動機などの可動側と固定側の間のギ
ャップを含まず、変圧器の磁路として使用できるので、
変圧器の性能を落とさなく、電動機との共有が可能とな
る。

電動機や発電機の巻線の一部または全部をコアバック
部に設けると、変圧器の巻線と共用が可能となり、小型
軽量化の効果が大きくできる。

変圧器の１次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部を
共有すると、変圧器の周波数が高周波であれば、変圧器
のみで使用される場合の１次巻線の銅の量や巻線数よ
り、共有した方が大きくでき、変圧器設計上、効率面で
有利となる。この場合も、変圧器の使用磁束密度を低く
でき、電動機などへの影響が小さくできる。

変圧器の２次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部を
共有することが、設計上可能ならば、小型軽量化に効果
があることは言うまでもない。

電動機などと変圧器と共有する本発明の変圧器兼用電
動機または発電機は、変圧器として作用する磁束変化
と、電動機や発電機として作用する磁束変化に合わせた
ものが、飽和磁化の90％以下にしなければ、各々の動作
が十分に働かないだけでなく、各々が影響し合うように
なり、変圧器として作用する磁束変化と、電動機や発電
機として作用する磁束変化を合わせたものが、環状コア
バック部の飽和磁化の90％以下にしなければならない。

［実施例］ 第１図は、本発明の変圧器兼用電動機または発電機の
実施例で、電動機として、４極のブラシレスモータのコ
アバック部１を単層変圧器の磁心として共有したもので
ある。第２図は第１図のａ−ａ′断面図を示す。変圧器
としては、巻線をステータのコアバック部１に巻いて構
成し、電動機としては、電機子巻線をステータのティー
ス部２に巻き、回転子３を４極に着磁された永久磁石で
構成している。

変圧器の１次巻線４と２次巻線５は、第１図のよう
に、ステータのコアバック部１の６箇所に、それぞれ１
個ずつの巻線が同じ箇所に巻かれている。１次巻線４
は、それぞれ６個の巻線が直列に接続して、コアバック
部の円周方向に沿い、同じ方向に磁束は発生するように
なっている。２次巻線も同様で、それぞれ６個の巻線が
直列に接続して、コアバック部の円周方向に沿い、同じ
方向に誘起電圧が発生するようになっている。一方、電
動機の電機子巻線は、３相で駆動するので、位相が120
度ずれた巻線6,7,8がそれぞれ２個ずつ配置されてい
る。変圧器としての磁路はコアバック部のリング状の１
周であり、ロータ側には変圧器としての磁束は流れな
い。電動機としての磁路は、ステータとロータ間のギャ
ップ、ロータ、コアバックの一部で構成され、変圧器巻
線への影響は、位相のずれた３相がすべて加わるので打
ち消される。従って、変圧器としても、電動機として
も、互いに殆ど影響せず、動作できる。

これは、電動機として説明したが、発電機としても働
くことは言うまでもない。

ステータの材質は、厚さ0.2mmの約３％Siの無方向性
電磁鋼板を使用した。

第３図に、第１図の実施例と同じ構造であるが、電動
機としての電機子巻線もステータのコアバック部に巻か
れている例である。第４図は第３図のｂ−ｂ′断面図を
示す。変圧器としては、動作は第１図の実施例と同じで
ある。変圧器の１次巻線４、２次巻線５、電動機として
の巻線9,10,11は、第４図のように、ステータのコアバ
ック部１の６箇所に、それぞれ１個ずつの巻線が同じ箇
所に巻かれている。巻線9,10,11は３相の位相の違う巻
線を表し、実施例が示すように、変圧器巻線の上に巻か
れている。これも、電動機として説明したが、発電機と
しても働く。ステータの材質は、厚さ0.5mmの約6.5％Si
の無方向性電磁鋼板を使用した。

第５図に、第３図の実施例と同じ構造であるが、電動
機としての電機子巻線と変圧器の１次巻線を共有した例
であり、第６図は第５図のｃ−ｃ′断面図を示す。

第７図は、電動機としての電機子巻線と変圧器の１次
巻線を共有した巻線12,13,14を励磁する駆動回路例であ
る。巻線12,13,14は第７図の駆動回路より、変圧器信号
15と電動機駆動信号16が加算器兼電力増幅器である17で
加算、増幅される。この駆動回路は、３相の各相に対応
して、３回路あり、巻線12,13,14をそれぞれ励磁する。
コアバック部の円周方向１周の磁気回路を考えると、各
相の電動機信号は打ち消され、変圧器としての信号によ
る磁束のみが発生し、２次巻線５に２次電圧が発生し、
出力が得られる。一方、電動機としては、ステータとロ
ータ間のギャップ、ロータ、コアバックの一部で通る磁
路には、変圧器信号による磁束は殆ど流れないので、変
圧器信号に影響されず、電動機として駆動できる。

これは、電動機として説明したが、発電機としても働
くことは言うまでもない。

ステータの材質は、厚さ30μの鉄系アルモファス磁性
材料を使用した。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第５図は、本発明の変圧器兼用電動機
または発電機の実施例で、電動機として、４極のブラシ
レスモータのコアバック部を単相変圧器の磁心として共
有したものを示す。第２図、第４図、第６図は、それぞ
れ、第１図のａ−ａ′、第３図のｂ−ｂ′、第５図のｃ
−ｃ′の断面図を示す。第７図は、電動機としての電機
子巻線と変圧器の１次巻線を共有した巻線12,13,14を励
磁する駆動回路の実施例である。 １はステータのコアバック部、２はステータのティース
部、３はロータで４極に着磁された永久磁石である。４
は変圧器の１次巻線、５は２次巻線、6,7,8は電機子巻
線で、３相の位相の異なるもので、ステータのティース
部に巻かれたものを示す。9,10,11は電機子巻線で、そ
れぞれ３相の位相の異なるに対応し、ステータのコアバ
ック部に巻かれたものを示す。12,13,14は電機子巻線と
変圧器の１次巻線を共有したもので、それぞれ３相の位
相の異なるに対応し、ステータのコアバック部に巻かれ
たものを示す。15,16は、それぞれ、電機子巻線と変圧
器の１次巻線を共有した巻線に与えられる変圧器信号と
電動機駆動信号であり、17は、信号15と16を加算し、増
幅回路を示し、３相の各相に対しそれぞれ必要となる。
18は回路17より出される信号で、巻線12,13,14を励磁す
るものである。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータ鉄心が、環状のコアバック部と内
   径方向に突出する複数のティース部とからなり、前記コ
   アバック部の少なくとも１箇所に、前記ステータ鉄心内
   のみで閉じる磁路を有する変圧器の１次巻線および２次
   巻線が巻かれており、前記変圧器の１次巻線および２次
   巻線が複数箇所に巻かれている場合には、それぞれの巻
   線の励磁方向が同一方向になるように配設されており、
   更に前記コアバック部と前記ティース部のいずれか一方
   あるいは双方に電機子巻線が巻かれていることを特徴と
   する変圧器兼用電動機または発電機。
2. 【請求項２】ステータ鉄心が、環状のコアバック部と内
   径方向に突出する複数のティース部とからなり、前記コ
   アバック部の少なくとも１箇所に、前記ステータ鉄心内
   のみで閉じる磁路を有する変圧器の１次巻線および２次
   巻線が巻かれており、前記変圧器の１次巻線および２次
   巻線が複数箇所に巻かれている場合には、それぞれの巻
   線の励磁方向が同一方向になるように配設されており、
   前記変圧器の１次または２次巻線を電機子巻線として兼
   用する構造を特徴とする変圧器兼用電動機または発電
   機。
3. 【請求項３】前記コアバック部を構成する材料が、厚さ
   が0.2mm以下の板状磁性材料、または直径0.2mm以下の線
   状磁性材料である請求項１または請求項２記載の変圧器
   兼用電動機または発電機。
4. 【請求項４】前記コアバック部を構成する材料が、電気
   抵抗が50μΩcm以上の磁性材料である請求項１または請
   求項２記載の変圧器兼用電動機または発電機。
5. 【請求項５】前記コアバック部を構成する材料が、磁区
   細分化処理された磁性材料である請求項１または請求項
   ２記載の変圧器兼用電動機または発電機。
6. 【請求項６】変圧器として作用する周波数が、電動機ま
   たは発電機の最大周波数以上である請求項１または請求
   項２記載の変圧器兼用電動機または発電機。
7. 【請求項７】変圧器として作用する磁束変化と、電動機
   または発電機として作用する磁束変化を合わせたもの
   が、前記コアバック部の飽和磁化の90％以下である請求
   項１または請求項２記載の変圧器兼用電動機または発電
   機。