JP3661360B2 - Power generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や産業用に使用されるモータやリニアモータ等の動力発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来使用している動力発生装置について、図5に基づいて説明する。第1の物体1は、永久磁石6・永久磁石7と磁気回路を構成する珪素鋼板を使用したヨーク8で構成した固定子と、直流電源3と、直流電源3に接続しているカーボン製のブラシ4・ブラシ5を有している。第1の物体1によって駆動される回転子として作用する第2の物体2は、3個の整流子9・10・11と、第1の物体1を構成するヨーク8と共に磁気回路を構成する鋼板上に巻き回しているコイル12・13・14と、動力を外部に取り出す軸15とを備えている。前記コイル12は整流子9と整流子10との間に、コイル13は整流子10と整流子11との間に、コイル14は整流子11と整流子9との間に接続している。
【0003】
以上の構成で、直流電源3の電圧をブラシ4・ブラシ5に印加するとコイル12〜14には電流が流れる。つまり、永久磁石6・7とヨーク8と、回転子に使用している鋼板によって構成している磁気回路中に電流が流れることによって、コイル12〜14は磁気回路が発生している磁界と鎖交するものである。この結果、コイル12〜14は磁気回路によってトルクを受け、第2の物体2は回転を開始する。第2の物体2が回転して、ブラシ5がは整流子11と接触すると、コイル13に流れる電流の方向は逆方向となる。この時点では、第1の物体1と第2の物体2との角度の関係が進んでいるため、コイル12〜14が発生するトルクの方向は、引き続き時計方向となっている。また、第2の物体2の回転が更に進むと、整流子11によってコイル13が短絡される。この短絡期間は、コイル12〜14はトルクを発生しないが、第2の物体2は慣性によって回転を継続する。
【0004】
以上の動作を繰り返すことによって、第2の物体2は回転を継続する。こうして使用者は、軸15から連続的に動力を取り出すことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成の動力発生装置は、ブラシが磨耗したり、ブラシと整流子との間で火花が発生するという課題を有している。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給するヨークとを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生するものであり、ブラシを使用しない構成として、長寿命で安全な動力発生装置としているものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給するヨークとを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生するものであり、第2の物体がブラシと整流子を使用しない構成で駆動される動力発生装置としている。
【0008】
請求項2に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給する永久磁石を備えたヨークと、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも 1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、前記第2のコイルは永久磁石と磁気的に結合し第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生するものであり、第2の物体が永久磁石と磁気的に結合する第2のコイルの電流によって駆動されるようにして、励磁のためのエネルギーを必要としない高効率の動力発生装置としている。
【0009】
請求項3に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給するヨークと、ヨーク上に巻き回した励磁コイルと、励磁コイルに電流を供給する電源とを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、前記第2のコイルは励磁コイルと磁気的に結合し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生するものであり、第2のコイルをヨーク上に巻き回した励磁コイルに結合させ、励磁コイルに供給する電流を加減して、広範囲の速度制御が可能な高性能の動力発生装置としている。
【0010】
請求項4に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給する強磁性体によって構成したヨークとを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生するものであり、第2の物体が強磁性体によって構成したヨークからリラクタンス力を受ける第2のコイルによって駆動されるようにして、構成が非常に簡単な動力発生装置としている。
【0011】
請求項5に記載した発明は、請求項1〜4に記載の動力発生装置において、インバータ回路は、直流電源と、スイッチング素子と、共振コンデンサを有し、第1のコイルとスイッチング素子とを直列に接続し、この直列体の両端を直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサはスイッチング素子と第1のコイルとの接続点と直流電源の一端子の間に接続したものであり、スイッチング素子のターンオフ時のスイッチング損失を低減し、またノイズの発生を低く抑えることができる動力発生装置としている。
【0012】
請求項6に記載した発明は、請求項1〜4に記載の動力発生装置において、インバータ回路は、直流電源と、第1のスイッチング素子と第1のスイッチング素子に直列に接続した第2のスイッチング素子と、共振コンデンサを有し、前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子の直列体の両端を直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサは第1のコイルと直列に接続し、この直列体を、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と直流電源の一端子の間に接続したものであり、効率の高い動力発生装置としている。
【0013】
【実施例】
(実施例1)
以下本発明の第1の実施例について説明する。図1は本実施例の構成を示す回路図である。本実施例の動力発生装置は回転運動により動力を負荷に供給する形のモータを示しており、ステータとして作用する第1の物体21と、ロータとして作用する第2の物体22から成っている。第1の物体21は、第2の物体22に磁界を供給するヨーク39と、ヨーク39の端面に設けている永久磁石38・39と、フェライトコア23上に巻き回した第1のコイル24と、第1のコイル24に高周波電流を供給するインバータ回路50とを有している。第2の物体22は、珪素鋼板等を積層して構成したコアに巻回した第2のコイル34・35・36と、第2のコイル34・35・36に電流を供給する結合コイル28・29・30とを有している。結合コイル28・29・30は、フェライトコア25・26・27の表面に巻き回した構成となっており、前記第1のコイル24と順次結合する。結合コイル28には、ダイオード51・52によって構成した整流回路32を接続しており、整流回路32の出力を前記第2のコイル35に供給するようになっている。同様に、結合コイル29には、ダイオード53・54によって構成した整流回路31を接続しており、整流回路31の出力を前記第2のコイル34に供給している。結合コイル30には、ダイオード55・56によって構成した整流回路33を接続しており、整流回路33の出力を第2のコイル36に供給している。本実施例においては整流回路31はダイオード51・52によって、整流回路32はダイオード53・54によって、整流回路33はダイオード55・56によって構成している。
【0014】
前記フェライトコア23・25・26・27は同一平面上に配置しており、第2のコイル34・35・36および永久磁石37・38は、前記平面から軸方向に50ミリメートル隔てた平面に設けている。
【0015】
インバータ回路50は、100ボルトの直流電圧を出力する直流電源40と、耐圧900ボルトのIGBT41とダイオード42を並列接続して構成したスイッチング素子43と、共振コンデンサ44を有している。本実施例においては、直流電源40は、電圧源48と、その出力に接続した平滑コンデンサ45と、チョークコイル46によって構成したフィルタ回路47を備えている。前記第1のコイル24はスイッチング素子43と直列に接続しており、この直列体の両端に、直流電源40が電源を供給している。また共振コンデンサ44は、スイッチング素子43と第1のコイル24との接続点と直流電源のプラス端子の間に接続している。またスイッチング素子43を駆動する駆動回路49は、IGBT41のゲート端子に接続している。
【0016】
以下本実施例の動作について説明する。図示していないスイッチをオンすると、インバータ回路50が動作を開始して、25キロヘルツの高周波電流を第1のコイル24に供給する。
【0017】
インバータ回路50は、図2に示しているように動作する。図2(ア)は直流電源40の出力電圧Vdcとスイッチング素子43のコレクタ・エミッタ間電圧Vceの関係を、(イ)はスイッチング素子43に流れる電流Icを、(ウ)は第1のコイル24の両端子間に発生する電圧VLと電流ILの関係を示している。なお、この波形は駆動回路49が25キロヘルツでオンオフ信号を発生している場合を示している。
【0018】
オン期間Tonにおいては、直流電源40が供給する電流は、第1のコイル24とスイッチング素子43を流れ、第1のコイル24の端子間にはほぼ直流の電圧が印加され、スイッチング素子43に流れる電流Icはほぼ直線的に増加していく。
【0019】
スイッチング素子43が駆動回路49によってオフされるToffの期間では、スイッチング素子43がオフされた瞬間に、第1のコイル24に流れていた電流は共振コンデンサ44に流れ始め、第1のコイル24との間で共振を開始する。このため、スイッチング素子43のコレクタ・エミッタ間の電圧Vceは(ア)に示しているような共振波形となるものである。
【0020】
この共振動作が約半周期続いた後に、VL=Vdc、すなわち第1のコイル24の電圧が再び直流電源40の電圧と等しくなる。この瞬間に、共振コンデンサ44の電流が0となって、代わってダイオード42が導通状態となる。つまり、スイッチング素子43の電圧Vceはほぼ0の状態となり、ダイオード42がオンとなるため、スイッチング素子43が導通状態となるものである。
【0021】
このとき、駆動回路49は、ダイオード42に電流が流れている状態において、IGBT41のゲート・エミッタ間電圧をハイに立ち上げている。このため、スイッチング素子43は、準E級と称されているスイッチング動作を行うものである。
【0022】
以上のような動作を繰り返すことにより、本実施例のインバータ回路50は25キロヘルツの高周波電流を第1のコイル24に供給しているものである。第1のコイル24に高周波電流が供給されると、例えば結合コイル28に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって結合コイル28に流れる高周波電流は、整流回路31によって整流され、その出力が第2のコイル34に供給される。本実施例では、整流回路31はダイオード50・51によって構成しており、これはフォワード形のスイッチング電源装置等の2次側整流回路と同様の回路構成となっているものである。このため、結合コイル28の端子電圧V2が正の場合にはダイオード50がオンし、端子電圧V2が負の場合にはダイオード51がオンして、第2のコイル34のインダクタンスが蓄えたエネルギーによって、連続して電流が流れるものとなる。このとき永久磁石38・39が発生する磁束は、第2の物体を構成するコアと永久磁石38・39を端面に備えているヨーク39とが構成する磁界中を流れている。従って、第2のコイル34に流れる電流は、永久磁石38・39が発生する磁束と鎖交するものである。このため、第2のコイル34はBILトルクを発生し、第2の物体22全体が時計方向に回転を開始する。
【0023】
第2の物体22の回転角度が約60度に達すると、第1のコイル24と結合コイル28との結合は離れ、結合コイル30が第1のコイル24と結合する。こうして結合コイル30を流れる電流が、同様に第2のコイル35を流れて、第2のコイル35がBILトルクを発生する。こうして、第2の物体22は更に60度回転し、次いで結合コイル29が第1のコイル24と結合する。このように、第1のコイル24が順次結合コイル28・29・30と結合することによって、第2の物体22が回転を継続する。
【0024】
本実施例では、第2の物体2は、最大で毎分3600回転(毎秒60回転)で回転するものであり、この回転は、軸56を利用して外部に取り出すことができる。
【0025】
以上のように、本実施例によれば、第1のコイル24と磁気的に結合する結合コイル28〜30の電流を整流回路31〜33を介して第2のコイル34〜36に供給して、第2のコイル34〜36が受けるトルクを利用して第2の物体22が整流子やブラシを必要としない、長寿命化した、また安全な動力発生装置を実現しているものである。
【0026】
またこのとき、本実施例では、第2の物体22が永久磁石37・38と磁気的に結合する第2のコイル34〜36の電流によって駆動されるようにして、励磁のためのエネルギーを必要としない高効率の動力発生装置を実現しているものである。
【0027】
また、本実施例においては、フェライトコア23・25・26・27を使用している。このため、インバータ回路50の効率を高めることができる。すなわち、フェライトコア23・25・26・27を使用しているため、高周波電流に対する鉄損が小さいものである。また、フェライトコア23・25・26・27の形状を工夫することによって、第2の物体22の回転が進行したときに、第2のコイル24と結合コイル34〜36の結合度合いを最適に加減することもできる。
【0028】
また本実施例で使用しているインバータ回路50は、直流電源40と、スイッチング素子43と、共振コンデンサ44を有し、第1のコイル24とスイッチング素子43とを直列に接続し、この直列体の両端を直流電源40の出力端子間に接続し、共振コンデンサ44はスイッチング素子43と第1のコイル24との接続点と直流電源40の一端子の間に接続した構成としているものである。このため、共振コンデンサ44がスイッチング素子43のターンオフ時に、急激な電圧の立ち上がりを防止しているため、ノイズの発生を防止し、スイッチング素子43のターンオフ損失を小さく抑えることができ、またIGBT41のラッチアップ耐量の必要量が低減できる。また、ダイオード42についても、急激なターンオフ時の逆電圧の印加が発生しないことから、逆回復時間がかかるものを使用することも可能となり、スイッチング素子43を低価格のもので済ませることができ、装置を低価格とすることも可能となる。
【0029】
なおまた、本実施例においては駆動回路49は、集積回路AN6715およびAN6728を用いており、少ない部品点数で、低コストの構成としている。ただし、駆動回路49として、トランジスタやダイオードや抵抗・コンデンサなどのディスクリート部品を使用することもできる。
【0030】
また本実施例で使用している第1のコイル24と、結合コイル27〜29とは、フェライトコア23とフェライトコア25〜27上に巻き回した構成としている。つまり、フェライトコア23とフェライトコア25・26・27との間の空隙の大きさの調整が簡単にできるものである。このため、第1のコイル24のインダクタンスの値を容易に適切なものに調整でき、Vceで示しているスイッチング素子43のスイッチング波形を図2(ア)に示しているように、0まで低下できるものである。このため、いわゆる短絡動作モードの発生が無く、IGBT41のターンオンの損失を小さくでき、また高周波のラインノイズや輻射ノイズを発生を抑えることができる。
【0031】
つまり、第1のコイル24のインダクタンスの値が小さい場合には、前記Vceの波形が図2(ア)に破線で示しているように0まで達しないものとなる。このため、IGBT41がターンオフしてから、第1のコイル24の両端の電圧が、再び直流電源40の出力電圧まで達することなく、第1のコイル24の両端に発生する共振電圧波形が減衰して、ダイオード42が導通しないままで共振が終了するものである。この結果IGBT41の両端の電圧Vceがある値を有している内にターンオンするため、IGBT41のターンオンの瞬間に、直流電源40を通じて共振コンデンサ44を短絡する、短絡動作モードが発生する。このため、IGBT41のターンオンの損失が増大し、また高周波のラインノイズや輻射ノイズを発生が大きくなるものである。
【0032】
ただし、オン時間をある程度以下に設定した場合などには、共振動作が不十分となり、ダイオード42に電流が流れないモードも存在し、この状態で運転することが許されないというものでない。この場合は、当然IGBT41のターンオン損失は大きくなる。しかし、例えば動力発生装置の起動時に突入電流を防止する目的で、起動時のオン期間を小に設定しておいて、起動後に徐々に拡大していく制御を行う場合などには有効である。
【0033】
また本実施例においては、インバータ25の動作周波数を25キロヘルツという高周波に設定している。このため、スイッチング素子43のスイッチング損失を抑えることができ、また耳障りな騒音の発生が無く、また第1のコイル24と結合コイル28〜30の間に発生するBILトルクを小さく抑えて、第2のコイル34〜36に発生するBILトルクを有効に利用できるものである。このインバータ回路50の動作周波数は、例えば100キロヘルツや1メガヘルツのようなさらに高周波の設定としても支障はない。この場合には、第1のコイル24、結合コイル28〜30・フェライトコア23・25・26・27の小形化を図ることができる。
【0034】
なお本実施例のインバータ回路50を構成する共振コンデンサ44は、一端を直流電源40のプラス側に接続し、第1のコイル24と並列になるようにしたが、マイナス端子側に接続してスイッチング素子43のコレクタ・エミッタ間に並列となるようにしても同様に動作するものである。また、スイッチング素子43と第1のコイル24についても、プラス側にスイッチング素子43を配置する構成を取ることも可能である。もちろん、スイッチング素子43に関しては、IGBTの他にバイポーラ形、MOSFET、GTO等を使用することもできる。
【0035】
また第2の物体22に設けている整流回路31〜33は、本実施例ではダイオードを2個使用したもので構成しているが、この構成についても全波整流ブリッジや、単に1石のダイオードを結合コイルに直列に接続した構成としてもよく、また極性についても、スイッチング素子43のオンオフに対して、フォワードでもフライバックであってもよい。
【0036】
また本実施例では、駆動回路49が発生するオン信号の期間を可変としている。このため、結合コイル28・29・30に発生する誘導起電力の大きさを加減することができ、これによって第2のコイル34・35・36に流れる電流の大きさを加減できるものである。つまり、速度制御・トルク制御・位置決め制御等が、直流モータのように簡単に実現できるものである。
【0037】
なおまた速度制御を精度良く実行するために、本実施例の構成に、例えばスイッチング素子43の両端に発生する電圧や、スイッチング素子に流れる電流、あるいは直流電源40が供給する電流等を検知する検知回路を付加することも、速度を検知する速度センサを付加することも可能である。つまり、第2の物体22回転に伴って結合コイル28〜30と第1のコイル24との結合の状態が周期的に異なるものであり、この変動周期から回転速度を検知できるものである。
【0038】
(実施例2)
続いて本発明の第2の実施例について説明する。図3は本実施例の構成を示す回路図である。本実施例では、第1の物体71の構成が前記実施例1と異なるものである。本実施例で使用しているインバータ回路72は、直流電源40と、第1のスイッチング素子64と、第2のスイッチング素子65と、共振コンデンサ63を有し、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65は直列に接続され、その両端は直流電源40の出力端子間に接続し、共振コンデンサ63と第1のコイル24の直列回路は、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65の接続点と直流電源40のマイナス端子の間に接続している。
【0039】
本実施例においては、スイッチング素子64は、IGBT66とダイオード67の並列回路によって構成しており、スイッチング素子65は、IGBT68とダイオード69の並列回路によって構成している。また駆動回路70は、スイッチング素子64とスイッチング素子65を交互にオンするものであり、共振コンデンサ63は、第1のコイル24と直列共振する。
【0040】
また第1の物体71は、ヨーク60上に巻き回している励磁コイル61と、励磁コイル61に電流を供給する電源62を有している。また第2の物体22を構成する第2のコイル34・35・36は、励磁コイル61が作る磁界と鎖交するものである。またこのときの磁気結合の程度は、第1の物体71と第2の物体22との相対位置、すなわち角度によって変化するものである。
【0041】
以下本実施例の動作について説明する。駆動回路70がスイッチング素子64をオンすると、直流電源40が、スイッチング素子64・第1のコイル24・共振コンデンサ63に電流を供給する。次に駆動回路70がスイッチング素子64をオフし、スイッチング素子65がターンオンすると、共振コンデンサ63が、第1のコイル24・第2のスイッチング素子65に電流を供給する。
【0042】
本実施例では、駆動回路70の動作周波数は、第1のコイル24と共振コンデンサ63の共振周波数にほぼ等しい25キロヘルツとしており、第1のスイッチング64と第2のスイッチング素子65は、40μ秒を周期としてオンオフしている。ただし、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65の切り替わり過程においては、ターンオフする際の遅れ時間が存在することから、上下の素子の同時オンの状態を避けるために、同時オフとする信号期間いわゆるデッドタイムを示す信号を駆動回路70から出力している。
【0043】
こうして、インバータ回路72が第1のコイル24に約25キロヘルツの高周波電流を供給する。このとき、第1のコイル24に近接している結合コイル28には、第1のコイルに流れる電流と同一の周波数の誘導起電力が発生する。こうして結合コイル28に流れる高周波電流は、整流回路31で整流されて第2のコイル34に供給される。
【0044】
このとき、励磁コイル61には電源62から直流電流が供給されている。このため、ヨーク60は直流磁界を発生しており、前記第2のコイル34はこの直流磁界と鎖交するものである。このため第2のコイル34は時計方向のトルクを発生し、第2の物体22全体は実施例1と同様に回転を開始する。以下実施例1と同様に、トルクを発生する第2のコイルが35・36と変わって、第2の物体22は回転を継続する。
【0045】
特に本実施例においては、電源62によって励磁電流Ifを加減できるものである。つまり、Ifを増加すると速度は低下し、Ifを減少すると速度は増加するものである。つまり本実施例においては、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65の損失を最小限に抑えながら、Ifの増減によって、実施例1に示した構成のものと比べて広範囲の速度制御・トルク制御を実行できるものである。
【0046】
このとき、インバータ回路72の動作を調整して、例えば共振周波数に対して駆動回路70の発振周波数を高くすれば、第1のコイル24に供給する電流が減少して、第2の物体22の速度もしくはトルクを減少できる。逆にインバータ回路72の動作周波数を共振周波数よりも低くした場合にも、第1のコイル24に供給する電流は減少することになり、よって第2の物体22の速度もしくはトルクは減少する。つまり、前記励磁電流Ifを加減することによる速度制御・トルク制御ほど広範囲の制御は実行できないが、ある程度の調整は実行はできるものである。
【0047】
また、前記インバータ回路の動作を調整する方法とした場合には、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65との切り換えのタイミングで、ダイオード67・69に逆回復電流が流れるため、高速リカバリのダイオードが必要とはなるが、ターンオフ損失の発生はほとんどないものである。
【0048】
また、第1のスイッチング素子64と第2のスイッチング素子65のオン期間の比率を変えて、第1のコイル24に流れる電流を調整することもできる。
【0049】
なお本実施例では、図3に示しているように、ヨーク60上に励磁コイル61を巻き回した磁気回路と、インバータ回路72とを組み合わせて使用するようにしているが、前記磁気回路と図1に示しているインバータ回路50とを組み合わせて使用することも、インバータ回路72と図1に示しているヨーク39とを組み合わせて使用することもできる。
【0050】
(実施例3)
続いて本発明の第3の実施例について説明する。図4は本実施例の構成を示す回路図である。本実施例では、ヨーク76として珪素鋼板等の強磁性体を使用しており、第2のコイル34・35・36はヨーク76と磁気的に結合する構成としている。
【0051】
以下本実施例の動作について説明する。実施例1・実施例2で説明したように第2のコイル34〜36に電流が流れると、強磁性体で構成したヨーク76が磁化され、ヨーク76から磁界が発生する。この磁界が第2のコイル34〜36と鎖交して、第2のコイル34〜36が回転トルクを発生する。こうして、第2の物体22は回転するものである。
【0052】
つまり、ヨーク76の磁気抵抗は、第1の物体75と第2の物体22との相対位置、すなわち角度によって変化するものである。従って、第2のコイル34〜36が受けるリラクタンストルクは、磁気抵抗の値が最小となる方向に受けるものである。第2の物体22がその方向に回転を開始すると、回転の角度に応じて、第1のコイル24と磁気結合する結合コイル28〜30が順次切り替わって、従ってリラクタンストルクを受ける第2のコイルも、34〜36と順次切り替わるものである。このため、第2の物体22は連続的に回転するものである。
【0053】
以上のように本実施例では、ヨーク76として強磁性体を使用しているため、温度の変化に対する性能の変化が永久磁石を使用したものに比べて小さいものである。従って高温の雰囲気中で使用することも可能である。また磁石を必要としていないため、部品点数が少なく、組立工数も少なくなり、構造的にも堅牢なものが実現できる。
【0054】
【発明の効果】
請求項1に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給するヨークとを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生する構成としたから、ブラシと整流子を使用しない、長寿命で安全な動力発生装置を実現することができる。
【0055】
請求項2に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給する永久磁石を備えたヨークと、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、前記第2のコイルは永久磁石と磁気的に結合し第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生する構成としたから、励磁のためのエネルギーを必要としない高効率の動力発生装置を実現することができる。
【0056】
請求項3に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給するヨークと、ヨーク上に巻き回した励磁コイルと、励磁コイルに電流を供給する電源とを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、前記第2のコイルは励磁コイルと磁気的に結合し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生する構成としたから、広範囲の速度制御が可能な高性能の動力発生装置を実現することができる。
【0057】
請求項4に記載した発明は、第1のコイルと第1のコイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、第2の物体に磁界を供給する強磁性体によって構成したヨークとを有する第1の物体と、第1の物体に対して相対的に可動に設けた第2の物体を有し、前記第2の物体は、前記第1のコイルとの磁気的結合が、前記第1の物体と前記第2の物体の相対位置に応じて変化する少なくとも1個の結合コイルと、第1のコイルの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力を受ける第2のコイルを有し、第2のコイルの電流によって第1の物体との間に機械力を発生する構成としたから、簡単な構成の動力発生装置を実現することができる。
【0058】
請求項5に記載した発明は、インバータ回路は、直流電源と、スイッチング素子と、共振コンデンサを有し、第1のコイルとスイッチング素子とを直列に接続し、この直列体の両端を直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサはスイッチング素子と第1のコイルとの接続点と直流電源の一端子の間に接続したから、スイッチング素子のターンオフ時のスイッチング損失を低減し、またノイズの発生を低く抑えることができる動力発生装置を実現することができる。
【0059】
請求項6に記載した発明は、インバータ回路を、直流電源と、第1のスイッチング素子と第1のスイッチング素子に直列に接続した第2のスイッチング素子と、共振コンデンサを有し、前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子の直列体の両端を直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサは第1のコイルと直列に接続し、この直列体を、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と直流電源の一端子の間に接続したから、効率の高い動力発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例である動力発生装置の構成を示す回路図
【図2】 同、インバータ回路の動作を示す波形図(ア)直流電源の出力電圧とスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間の電圧を示す波形図(イ)スイッチング素子に流れる電流を示す波形図(ウ)第1のコイルの両端子間に発生する電圧と第1のコイルに流れる電流を示す波形図
【図3】 本発明の第2の実施例である動力発生装置の構成を示す回路図
【図4】 本発明の第3の実施例である動力発生装置の構成を示す回路図
【図5】 従来の動力発生装置の構成を示す回路図
【符号の説明】
21 第1の物体
22 第2の物体
24 第1のコイル
28 結合コイル
29 結合コイル
30 結合コイル
31 整流回路
32 整流回路
33 整流回路
37 永久磁石
38 永久磁石
39 ヨーク
40 直流電源
43 スイッチング素子
44 共振コンデンサ
50 インバータ回路
60 ヨーク
61 励磁コイル
62 電源
63 共振コンデンサ
64 第1のスイッチング素子
65 第2のスイッチング素子
76 ヨーク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation device such as a motor or a linear motor used for home use or industrial use.
[0002]
[Prior art]
A conventionally used power generator will be described with reference to FIG. The
[0003]
With the above configuration, when the voltage of the
[0004]
By repeating the above operation, the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional power generation apparatus has a problem that the brush is worn or sparks are generated between the brush and the commutator.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventionA first object having a first coil and an inverter circuit for supplying a high-frequency current to the first coil; and a yoke for supplying a magnetic field to the second object; and being movable relative to the first object A second object provided, wherein the second object has at least one magnetic coupling with the first coil that varies according to a relative position between the first object and the second object. Each of the coupling coils, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, and mechanical force between the first coil and the first object by the current of the second coil Is generated,Long service life with no brushsoThis is a safe power generator.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in claim 1A first object having a first coil and an inverter circuit for supplying a high-frequency current to the first coil; and a yoke for supplying a magnetic field to the second object; and being movable relative to the first object A second object provided, wherein the second object has at least one magnetic coupling with the first coil that varies according to a relative position between the first object and the second object. Each of the coupling coils, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, and mechanical force between the first coil and the first object by the current of the second coil Is generated,The second object is a power generation device that is driven in a configuration that does not use a brush and a commutator.
[0008]
The invention described in claim 2An inverter circuit for supplying a high frequency current to the first coil and the first coil, a yoke having a permanent magnet for supplying a magnetic field to the second object, and a movable relative to the first object A second object, wherein the second object has a magnetic coupling with the first coil that varies according to a relative position of the first object and the second object. One coupling coil, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, the second coil being magnetically coupled to the permanent magnet and second A mechanical force is generated between the coil and the first object,The second object is driven by the current of the second coil that is magnetically coupled to the permanent magnet, so that a highly efficient power generation device that does not require energy for excitation is provided.
[0009]
The invention described in claim 3An inverter circuit for supplying a high-frequency current to the first coil and the first coil, a yoke for supplying a magnetic field to the second object, an excitation coil wound on the yoke, and a power source for supplying current to the excitation coil And a second object that is movable relative to the first object, wherein the second object is magnetically coupled to the first coil, and At least one coupling coil that changes according to a relative position between the first object and the second object; a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil; and a second coil that receives the output of the rectifier circuit. The second coil is magnetically coupled to the exciting coil and generates a mechanical force with the first object by the current of the second coil;The second coil is coupled to an exciting coil wound on a yoke, and the current supplied to the exciting coil is adjusted to provide a high-performance power generator capable of speed control over a wide range.
[0010]
The invention described in claim 4A first object having a first coil, an inverter circuit for supplying a high-frequency current to the first coil, a yoke made of a ferromagnetic material for supplying a magnetic field to the second object, and the first object The second object is relatively movable, and the second object has a magnetic coupling with the first coil at a relative position between the first object and the second object. And at least one coupling coil that changes in response, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit. And generate mechanical force betweenThe second object is driven by a second coil that receives a reluctance force from a yoke made of a ferromagnetic material, so that a power generator having a very simple structure is obtained.
[0011]
The invention described in claim 55. The power generation device according to
[0012]
The invention described in claim 65. The power generation device according to
[0013]
【Example】
Example 1
The first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. The power generation apparatus of the present embodiment is a motor that supplies power to a load by rotational movement, and includes a
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
The operation of this embodiment will be described below. When a switch (not shown) is turned on, the
[0017]
The
[0018]
In the on period Ton, the current supplied from the DC power supply 40 flows through the
[0019]
In the Toff period in which the
[0020]
After this resonance operation continues for about half a cycle, VL= Vdc, that is, the voltage of the
[0021]
At this time, the drive circuit 49 raises the gate-emitter voltage of the
[0022]
By repeating the above operation, the
[0023]
When the rotation angle of the
[0024]
In the present embodiment, the
[0025]
As described above, according to the present embodiment, the currents of the coupling coils 28 to 30 that are magnetically coupled to the
[0026]
At this time, in this embodiment, the
[0027]
In this embodiment,
[0028]
The
[0029]
In this embodiment, the drive circuit 49 uses the integrated circuits AN6715 and AN6728, and has a low cost configuration with a small number of parts. However, discrete components such as transistors, diodes, resistors and capacitors can be used as the drive circuit 49.
[0030]
In addition, the
[0031]
That is, when the inductance value of the
[0032]
However, when the on-time is set to a certain level or less, the resonance operation becomes insufficient, and there is a mode in which no current flows through the
[0033]
In this embodiment, the operating frequency of the
[0034]
In this exampleInverter circuitThe resonance capacitor 44 constituting 50 is connected at one end to the plus side of the DC power supply 40 and in parallel with the
[0035]
Further, the
[0036]
In this embodiment, the period of the ON signal generated by the drive circuit 49 is variable. For this reason, the magnitude of the induced electromotive force generated in the coupling coils 28, 29, and 30 can be adjusted, whereby the magnitude of the current flowing through the second coils 34, 35, and 36 can be adjusted. That is, speed control, torque control, positioning control, etc. can be easily realized like a DC motor.
[0037]
In addition, in order to execute speed control with high accuracy, the configuration of the present embodiment includes, for example, detection for detecting voltage generated at both ends of the switching
[0038]
(Example 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. In the present embodiment, the configuration of the
[0039]
In this embodiment, the switching
[0040]
The
[0041]
The operation of this embodiment will be described below. When the
[0042]
In the present embodiment, the operating frequency of the
[0043]
Thus, the
[0044]
At this time, a direct current is supplied from the
[0045]
In particular, in this embodiment, the excitation current If can be adjusted by the
[0046]
At this time, if the operation of the
[0047]
Further, when the method of adjusting the operation of the inverter circuit is employed, the reverse recovery current flows through the
[0048]
In addition, the current flowing through the
[0049]
In this embodiment, as shown in FIG. 3, a magnetic circuit in which an
[0050]
(Example 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. In the present embodiment, a ferromagnetic material such as a silicon steel plate is used as the
[0051]
The operation of this embodiment will be described below. As described in the first and second embodiments, when a current flows through the
[0052]
That is, the magnetic resistance of the
[0053]
As described above, in this embodiment, since a ferromagnetic material is used as the
[0054]
【The invention's effect】
According to a first aspect of the present invention, there is provided a first object having a first coil, an inverter circuit that supplies a high frequency current to the first coil, a yoke that supplies a magnetic field to the second object, A second object provided so as to be movable relative to the object, wherein the second object is:At least one magnetic coupling with the first coil varies depending on a relative position of the first object and the second object.A coupling coil, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, and generates mechanical force between the first object and the current of the second coil Configuration toSince the,Long life without using brush and commutatorsoRealizing a safe power generatorcan do.
[0055]
According to a second aspect of the present invention, a first coil, an inverter circuit that supplies a high-frequency current to the first coil, a yoke that includes a permanent magnet that supplies a magnetic field to the second object, and a first object A second object provided relatively movable with respect to the second object,At least one magnetic coupling with the first coil varies depending on a relative position of the first object and the second object.A coupling coil; a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil; and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, wherein the second coil is magnetically coupled to a permanent magnet and A configuration in which mechanical force is generated between the first object and an electric current;Since the,Realizing a highly efficient power generator that does not require energy for excitationcan do.
[0056]
The invention described in
[0057]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first coil including a first coil, an inverter circuit that supplies a high-frequency current to the first coil, and a yoke configured by a ferromagnetic material that supplies a magnetic field to the second object. An object and a second object that is movable relative to the first object, wherein the second object is:At least one magnetic coupling with the first coil varies depending on a relative position of the first object and the second object.A coupling coil, a rectifier circuit that rectifies the output of the first coil, and a second coil that receives the output of the rectifier circuit, and generates mechanical force between the first object and the current of the second coil Configuration toSince the,Realized a power generator with a simple configurationcan do.
[0058]
The invention described in claim 5The inverter circuit includes a direct current power source, a switching element, and a resonance capacitor. The first coil and the switching element are connected in series, and both ends of the series body are connected between output terminals of the direct current power source. Is connected between the connection point of the switching element and the first coil and one terminal of the DC power supply,Realize a power generation device that can reduce switching loss when switching elements are turned off and can suppress noise generation.be able to.
[0059]
The invention described in claim 6BThe inverter circuit includes a DC power source, a first switching element, a second switching element connected in series to the first switching element, and a resonance capacitor, and the first switching element and the second switching element Both ends of the series body are connected between the output terminals of the DC power supply, the resonance capacitor is connected in series with the first coil, and this series body is connected to the connection point between the first switching element and the second switching element and the DC. Connected between terminals of the power supplyFromRealized highly efficient power generatorcan do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a power generator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of the inverter circuit. (A) A waveform diagram showing the output voltage of the DC power supply and a voltage between the collector and the emitter of the switching element. (A) A waveform diagram showing the current flowing through the switching element. ) Waveform diagram showing the voltage generated between both terminals of the first coil and the current flowing through the first coil.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a power generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a power generating apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional power generation device.
[Explanation of symbols]
21 First object
22 Second object
24 First coil
28 Coupling coil
29 Coupling coil
30 Coupling coil
31 Rectifier circuit
32 Rectifier circuit
33 Rectifier circuit
37 Permanent magnet
38 Permanent magnet
39 York
40 DC power supply
43 Switching elements
44 Resonant capacitor
50 Inverter circuit
60 York
61 Excitation coil
62 Power supply
63 Resonant capacitor
64 First switching element
65 Second switching element
76 York
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