JP5142172B1 - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

１次側回路１１０に、直流電源１１１と直流モータ１１２とを設け、２次側回路１２０に発電機１２１及び整流回路１２２ａを設ける。直流モータ１１２と発電機１２１とを絶縁性材料製の回転軸１０１により連結し、直流モータ１１２の動力を発電機１２１に伝達する。２次側回路１２０には、発電機１２１により発生した電力を貯蔵する２次電池１２７を設ける。整流回路１２２ａから出力される直流と、２次電池から出力される直流とを、スイッチ１２４により選択的に２次側負荷抵抗１２５に供給する。２次電池の出力電圧をモニターし、これに基づいて直流モータをフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＡＣ−ＤＣコンバータ等の直流を出力する電力変換器に関し、特に、絶縁型電力変換器に関する。

従来、トランスを使用した絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが知られている（例えば、特許文献１）。図６は、従来の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図に示すように、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４００は、電力入力側である１次側と、電力出力側である２次側との間にトランス４０１を設け、これによって１次側と２次側とを絶縁している。このトランス４０１には、絶縁材料として、絶縁紙であるプレスボード若しくはアラミド紙、又はポリエステルフィルム等が使用され、絶縁処理が施される。また、ワニス等の液体絶縁材料に含浸することにより、絶縁処理が施されたトランスも存在する。

特開平６−２８４７１４号公報

しかしながら、上述したような従来の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにあっては、絶縁処理が施されたトランスの耐圧が高々１５ｋＶであり、数十ｋＶ以上の耐圧が必要な用途には使用することができなかった。

本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、従来に比して高耐圧とすることが可能な電力変換器を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の電力変換器は、電源と、前記電源から与えられた電力によって駆動されるモータとを具備する１次側回路と、前記モータによって発生された動力により電力を発生する発電機と、前記発電機からの出力電流を所定電圧の直流へ変換する電圧調整回路と、前記電圧調整回路から出力される直流により充電される充電部とを具備し、前記電圧調整回路から出力される直流と、前記充電部から出力される直流とを選択的に出力する２次側回路と、絶縁性材料によって構成されており、前記モータと前記発電機とを連結し、前記モータによって発生された動力を前記発電機に伝達するための動力伝達部と、前記充電部の電圧に基づいて、前記モータをオン／オフ制御するフィードバック制御部と、を備え、前記２次側回路は、前記モータが動作しているときには前記電圧調整回路から出力される直流を出力し、前記モータが停止しているときには前記充電部から出力される直流を出力するように構成されている。

この態様において、前記電圧調整回路は、整流回路を含んでいてもよい。

また、上記態様において、前記フィードバック制御部は、前記充電部から出力される直流電圧が第１基準値よりも高いときには、前記モータを停止させ、前記充電部から出力される直流電圧が前記第１基準値以下の第２基準値よりも低いときには、前記モータを駆動するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記２次側回路は、前記２次側回路により出力される直流に関する情報を示す光信号を出力する発光部をさらに具備し、前記１次側回路は、前記発光部から出力される光信号を受信し、受信された前記光信号に基づいて、前記２次側回路により出力される直流に関する情報を示す電気信号を出力する受信部をさらに具備し、前記フィードバック制御部は、前記受信部から出力される電気信号を受け付け、受け付けられた電気信号に基づいて、前記モータを制御するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記動力伝達部は、前記モータと前記発電機とを連結するフッ素樹脂製のシャフトを具備していてもよい。

本発明に係る電力変換器によれば、従来に比して耐圧性能を向上させることが可能となる。

実施の形態１に係る電力変換器の構成を示す回路図。 実施の形態１に係る直流モータと発電機との連結構造を模式的に示す正面図。 実施の形態２に係る直流モータと発電機との連結構造を模式的に示す部分断面正面図。 実施の形態３に係る電力変換器の構成を示す回路図。 制御回路による直流モータの制御処理の手順を示すフローチャート。 従来の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図。

以下、図及び表を用いて本発明の実施形態について説明する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る電力変換器の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る電力変換器の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る電力変換器１００は、２４Ｖの直流を４Ｖの直流に変換する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器１００は、１次側回路１１０と、２次側回路１２０とを有している。１次側回路１１０には、直流電源１１１と、直流モータ１１２と、スイッチ１１３とが設けられている。

直流電源１１１は、２４Ｖの直流を出力可能である。この直流電源１１１の出力端子は、直流モータ１１２の一方の端子に導線により接続されている。直流電源１１１のコモン端子は、１次側コモン電圧源に接続されている。

直流モータ１１２の他方の端子には、導線を介してスイッチ１１３が接続されている。スイッチ１１３はパワーＭＯＳＦＥＴによって構成されている。スイッチ１１３のドレイン端子が直流モータ１１２の前記他方の端子に接続されており、ソース端子が１次側コモン電圧源に接続されている。スイッチ１１３がオフのときには、直流モータ１１２が駆動されず、スイッチ１１３がオンのときには、直流モータ１１２が駆動される。

直流モータ１１２は、定格出力３０Ｗ、定格電圧２４Ｖ、定格電流１．５Ａのブラシ付き直流モータである。この直流モータ１１２の回転軸１０１は、２次側回路１２０の発電機１２１に接続されている。つまり、直流モータ１１２と発電機１２１とは同軸で直結されている。よって、直流モータ１１２によって発生した回転力は、回転軸１０１を介して発電機１２１に与えられる。かかる回転軸１０１は、非導電性物質であるフッ素樹脂製のシャフトである。

２次側回路１２０には、交流発電機である発電機１２１に接続された電圧調整回路１２２が設けられている。電圧調整回路１２２には、発電機１２１の正極端子及び陰極端子が接続されており、発電機１２１によって発生した交流電圧が与えられるようになっている。電圧調整回路１２２は、整流回路１２２ａを有しており、発電機１２１の交流を直流に変換するとともに、変換された直流の電圧値が４．２Ｖとなるよう調整する機能を有している。

電圧調整回路１２２のコモン端子は、２次側コモン電圧源に接続されている。また、電圧調整回路１２２の出力端子は、ダイオード１２３のアノードに接続されており、ダイオード１２３のカソードがスイッチ１２４に接続されている。スイッチ１２４はＣ接点であり、端子１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃを有している。ダイオード１２３のカソードに接続されているのはスイッチ１２４の端子１２４ｂである。

スイッチ１２４の端子１２４ｃには、本実施の形態に係る電力変換器１００によって発生される直流が出力される２次側負荷抵抗１２５の一端が接続されている。２次側負荷抵抗１２５の他端は２次側コモン電圧源に接続されている。これにより、スイッチ１２４の端子１２４ｂ及び１２４ｃが短絡されると、電圧調整回路１２２から出力された直流が２次側負荷抵抗１２５に供給されることとなる。

電圧調整回路１２２の出力端子とダイオード１２３のアノードとの間の中間節点には、充電回路１２６が接続されている。充電回路１２６は、２次電池１２７の一方の電極に接続されており、入力された直流によって当該２次電池１２７を充電する機能を有する。２次電池１２７の他方の電極は、２次側コモン電圧源に接続されている。また、充電回路１２６の出力端子と、２次電池１２７の一方の電極との間の中間節点には、スイッチ１２４の端子１２４ａが接続されている。したがって、スイッチ１２４の端子１２４ａ及び１２４ｃが短絡されると、２次電池１２７から出力された直流が２次側負荷抵抗１２５に供給されることとなる。

また、充電回路１２６の出力端子と、２次電池１２７の一方の電極との間の中間節点には、電圧比較器１２８の入力端子が接続されている。電圧比較器１２８は、第１基準電圧（４．０Ｖ）及び第２基準電圧（３．２Ｖ）の２つの基準電圧が設定されており、入力端子から与えられた電圧を第１基準電圧及び第２基準電圧と比較し、比較結果を出力するようになっている。電圧比較器１２８は２つの出力端子を備えており、一方の出力端子からは２次電池１２７の出力電圧ＶＢと第１基準電圧との比較結果を示す第１出力信号Ｓ１１が出力され、他方の出力端子からは２次電池１２７の出力電圧ＶＢと第２基準電圧との比較結果を示す第２出力信号Ｓ１２が出力される。第１出力信号Ｓ１１は２値信号であり、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが第１基準電圧以上のときには（つまり、ＶＢ≧４．０Ｖのときには）ハイレベル信号として、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが第１基準電圧未満のときには（つまり、ＶＢ＜４．０Ｖのときには）ローレベル信号として出力される。一方、第２出力信号Ｓ１２も２値信号であり、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが第２基準電圧より大きいときには（つまり、ＶＢ＞３．２Ｖのときには）ローレベル信号として、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが第２基準電圧以下のときには（つまり、ＶＢ≦３．２Ｖのときには）ハイレベル信号として出力される。

２次電池１２７の電極とスイッチ１２４の端子１２４ａとの間の中間節点には、ダイオード１３１のアノードに接続されている。このダイオード１３１のカソードは、ダイオード１２３のカソードとスイッチ１２４の端子１２４ｂとの間の中間節点に接続されている。

電圧比較器１２８の２つの出力端子のそれぞれは、フリップフロップ回路１２９に接続されている。フリップフロップ回路１２９は、ＲＳ型のフリップフロップ回路であり、Ｓ端子には電圧比較器１２８の第１出力信号側の出力端子が、Ｒ端子には電圧比較器１２８の第２出力信号側の出力端子が接続されている。また、フリップフロップ回路１２９は、１つの出力端子を有しており、この出力端子がスイッチ１２４に接続されている。なお、フリップフロップ回路１２９の反転出力端子は使用されない。

第１出力信号Ｓ１１がハイレベルであり、第２出力信号Ｓ１２がローレベルの場合には、フリップフロップ回路１２９はハイレベル信号を出力する。また、第１出力信号Ｓ１１がローレベルであり、第２出力信号Ｓ１２がハイレベルの場合には、フリップフロップ回路１２９はローレベル信号を出力する。第１出力信号Ｓ１１及び第２出力信号Ｓ１２の両方がローレベルの場合には、フリップフロップ回路１２９は、それまでと同じ出力信号を保持する（ローレベル信号を出力していた場合には、ローレベル信号を、ハイレベル信号を出力していた場合には、ハイレベル信号を出力する）。

かかるフリップフロップ回路１２９の出力信号は、スイッチ１２４に制御信号として与えられる。スイッチ１２４は、フリップフロップ回路１２９からハイレベル信号が与えられた場合には、端子１２４ａと端子１２４ｃとを短絡させ、フリップフロップ回路１２９からローレベル信号が与えられた場合には、端子１２４ｂと端子１２４ｃとを短絡させる。

２次側回路１２０には、２つの発光部１０２ａ，１０３ａが設けられている。発光部１０２ａ及び１０３ａのそれぞれは、ＬＥＤにより構成されている。フリップフロップ回路１２９の出力端子は、発光部１０２ａにも接続されている。これにより、フリップフロップ回路１２９の出力信号は、発光部１０２ａにも与えられる。フリップフロップ回路１２９からハイレベル信号が出力された場合には、発光部１０２ａは点灯状態となり、フリップフロップ回路１２９からローレベル信号が出力された場合には、発光部１０２ａは消灯状態となる。

また、２次側回路１２０には、電圧比較器１３０が設けられている。電圧比較器１３０は、１入力１出力のコンパレータであり、その入力端子はスイッチ１２４の端子１２４ｃと２次側負荷抵抗１２５との間の中間節点に接続されている。電圧比較器１３０は、１つの基準電圧（３．０Ｖ）が設定されており、入力端子から与えられた、電力変換器１００の出力する直流電圧（以下、「２次側出力電圧」という。）とを比較し、比較結果を出力するように構成されている。電圧比較器１３０は１つの出力端子を備えており、出力端子からは２次側出力電圧ＶＬと基準電圧との比較結果を示す出力信号Ｓ２１が出力される。出力信号Ｓ２１は２値信号であり、２次側出力電圧ＶＬが基準電圧より大きいときには（つまり、ＶＬ＞３．０Ｖのときには）ローレベル信号として、２次側出力電圧ＶＬが基準電圧以下のときには（つまり、ＶＬ≦３．０Ｖのときには）ハイレベル信号として出力される。

電圧比較器１３０の出力端子は、発光部１０３ａに接続されている。これにより、電圧比較器１３０の出力信号は、発光部１０３ａに与えられる。電圧比較器１３０からハイレベル信号が出力された場合には、発光部１０３ａは点灯状態となり、電圧比較器１３０からローレベル信号が出力された場合には、発光部１０３ａは消灯状態となる。

本実施の形態に係る電力変換器１００は、２つの光通信ユニット１０２，１０３を備えている。光通信ユニット１０２，１０３のそれぞれは、１次側回路１１０と２次側回路１２０とを接続し、２次側回路１２０から１次側回路１１０へ情報を伝達するために使用される。光通信ユニット１０２は、発光部１０２ａと、受光部１０２ｂと、光ファイバー１０２ｃとを具備している。同様に、光通信ユニット１０３は、発光部１０３ａと、受光部１０３ｂと、光ファイバー１０３ｃとを具備している。

受光部１０２ｂは、フォトダイオード又は光電子増倍管等の光電センサであり、１次側回路１１０に取り付けられている。発光部１０２ａと受光部１０２ｂとは、光ファイバー１０２ｃによって接続されており、発光部１０２ａによって発せられた光が、受光部１０２ｂによって受光され、受光部１０２ｂが受光に応じた電気信号を出力するようになっている。つまり、発光部１０２ａが点灯状態の場合には、受光部１０２ｂがこの受光量に応じてハイレベル信号を出力する。一方、発光部１０２ａが消灯状態の場合には、受光部１０２ｂがこの受光量に応じてローレベル信号を出力する。

受光部１０２ｂは、スイッチ１１３に接続されている。これにより、受光部１０２ｂからの出力信号が、スイッチ１１３に制御信号として与えられる。スイッチ１１３は、受光部１０２ｂからハイレベル信号が与えられた場合には、オフ状態となり、受光部１０２ｂからローレベル信号が与えられた場合には、オン状態となる。つまり、２次側回路１２０に設けられたフリップフロップ回路１２９の出力信号が、光通信ユニット１０２を介して１次側回路１１０に設けられたスイッチ１１３にフィードバックされ、この信号によりスイッチ１１３、即ち、直流モータ１１２がフィードバック制御される。

受光部１０３ｂは、フォトダイオード又は光電子増倍管等の光電センサであり、１次側回路１１０に取り付けられている。発光部１０３ａと受光部１０３ｂとは、光ファイバー１０３ｃによって接続されており、発光部１０３ａによって発せられた光が、受光部１０３ｂによって受光され、受光部１０３ｂが受光に応じた電気信号を出力するようになっている。つまり、発光部１０３ａが点灯状態の場合には、受光部１０３ｂがこの受光量に応じてハイレベル信号を出力する。一方、発光部１０３ａが消灯状態の場合には、受光部１０３ｂがこの受光量に応じてローレベル信号を出力する。この受光部１０３ｂから出力される信号は、電力変換器１００の故障の有無を示す情報として、電力変換器１００の外部へ出力される。

上記のように、１次側回路１１０と２次側回路１２０とは、フッ素樹脂性の回転軸１０１、光ファイバー１０２ｃ及び１０３ｃにより接続されている。このため、１次回路１１０と２次回路１２０とは絶縁されている。

次に、本実施の形態に係る電力変換器１００の動作について説明する。

初期状態では、２次電池１２７の充電量は０であり、スイッチ１１３はオン状態である。また、スイッチ１２４は端子１２４ｂと端子１２４ｃとが短絡されている。スイッチ１１３がオンとなっていることで、直流電源１１１から出力される直流によって直流モータ１１２が定格回転する。直流モータ１１２の定格回転時の効率は８３％である。

発電機１２１は、直流モータ１１２と同一構造を有する。つまり、発電機１２１は、直流電動機を発電機として利用したものである。したがって、発電機１２１の発電効率は、８３％である。

直流モータ１１２が回転しているとき、発電機１２１は直流モータ１１２と同一の回転数により駆動される。直流モータ１１２が定格回転しているときに、発電機１２１から出力される電圧値は、２４（Ｖ）×０．８３×０．８３≒１６．５（Ｖ）となる。このとき、発電機１２１の発電出力は、１６．５（Ｖ）×１．５（Ａ）≒２５（Ｗ）程度である。

発電機１２１から出力される交流は、電圧調整回路１２２によって４．２Ｖの直流に変換される。スイッチ１２４において端子１２４ｂと端子１２４ｃとが短絡されていることにより、電圧調整回路１２２から出力された直流は、２次側負荷抵抗１２５に供給される。

電圧調整回路１２２から出力された直流は、２次側負荷抵抗１２５に与えられると同時に、充電回路１２６に出力され、この充電回路１２６が２次電池１２７を充電する。２次電池１２７が充電されるにつれて、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが上昇する。

２次電池１２７の出力電圧ＶＢは、当初第２基準電圧である３．２Ｖよりも小さい。したがって、このときの電圧比較器１２８の第１出力信号Ｓ１１はローレベル信号であり、第２出力信号Ｓ１２はハイレベル信号である。かかる第１出力信号Ｓ１１及び第２出力信号Ｓ１２が与えられたフリップフロップ回路１２９は、ローレベル信号を出力する。これにより、スイッチ１２４の端子１２４ｂと端子１２４ｃとが短絡される。また、フリップフロップ回路１２９の出力信号は、光通信ユニット１０２を介してスイッチ１１３に与えられる。フリップフロップ回路１２９から出力されているのがロー信号であるので、スイッチ１１３はオン状態とされる。これにより、上記の状態が維持される。

２次電池１２７の出力電圧ＶＢが第１基準電圧である４．０Ｖ以上になると、電圧比較器１２８はローレベル信号の第１出力信号Ｓ１１と、ハイレベル信号の第２出力信号Ｓ１２とをそれぞれ出力する。かかる第１出力信号Ｓ１１及び第２出力信号Ｓ１２を受け付けたフリップフロップ回路１２９は、ハイレベル信号を出力する。これにより、スイッチ１２４の端子１２４ａと端子１２４ｃとが短絡され、電圧調整回路１２２からではなく、２次電池１２７から直流が２次側負荷抵抗１２５に供給される。また、フリップフロップ回路１２９から出力されたハイレベル信号は、光通信ユニット１０２を介してスイッチ１１３に与えられる。これにより、スイッチ１１３がオフに切り替えられ、直流モータ１１２が停止する。直流モータ１１２が停止することにより、発電機１２１による発電が行われなくなる。

２次電池１２７から２次負荷抵抗１２５に直流が供給され続けると、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが低下していく。出力電圧ＶＢが３．２Ｖ以下になると、電圧比較器１２８はハイレベル信号の第１出力信号Ｓ１１と、ローレベル信号の第２出力信号Ｓ１２とをそれぞれ出力する。かかる第１出力信号Ｓ１１及び第２出力信号Ｓ１２を受け付けたフリップフロップ回路１２９は、ローレベル信号を出力し、スイッチ１２４の端子１２４ｂと端子１２４ｃとが短絡される。また、フリップフロップ回路１２９から出力されたローレベル信号は、光通信ユニット１０２を介してスイッチ１１３に与えられる。これにより、スイッチ１１３がオンに切り替えられ、直流モータ１１２が再度駆動される。直流モータ１１２が動作することにより、発電機１２１による発電が再開される。発電機１２１の発電出力が十分に高まるまでは、ダイオード１３１を経由して、２次電池１２７から２次側負荷抵抗１２５へ電力供給が行われる。発電機１２１の発電出力が安定すると、電圧調整回路１２２から出力された直流が、２次側負荷抵抗１２５に供給される。また、充電回路１２６が２次電池の充電を再開する。

上記のような動作を繰り返すことにより、２次側負荷抵抗１２５に安定的に３．２Ｖ〜４．０Ｖの直流が供給される。

つまり、本実施の形態に係る電力変換器１００にあっては、２次電池１２７の出力電圧ＶＢが４．０Ｖ以上となってから、３．２Ｖ以下となるまでは、２次電池１２７から出力される直流が、２次側回路１２０の出力とされる。フリップフロップ回路１２９の出力信号は、この２次電池１２７の出力電圧ＶＢに対応しており、このようなフリップフロップ回路１２９の出力信号によって１次側回路１１０の直流モータ１１２がフィードバック制御される。このようにすることにより、２次側回路１２０の出力する直流を３．２Ｖ〜４．０Ｖの範囲で安定させることが可能となる。

図２は、本実施の形態に係る直流モータと発電機との連結構造を模式的に示す正面図である。本実施の形態に係る電力変換器１００においては、上述したように、直流モータ１１２と発電機１２１とが回転軸１０１により同軸的に直接接続されている。回転軸１０１は、絶縁性材料であるフッ素樹脂製である。また、回転軸１０１の長さは、４０ｃｍである。

１次側回路１１０と２次側回路１２０とは、かかる回転軸１０１及び光ファイバー１０２ｃ，１０３ｃにより連結されている。このように、１次側回路１１０と２次側回路１２０とは、導電体によっては接続されていない。これにより、１次側回路１１０と２次側回路１２０との絶縁が達成されている。

上記のように、回転軸１０１の長さは４０ｃｍであり、１次側回路１１０と２次側回路１２０とは約４０ｃｍ離して配置されている。ここで、空気の絶縁破壊電圧は約３ｋＶ／ｍｍである。したがって、本実施の形態に係る電力変換器１００は、１ＭＶ以上の耐圧性能を有している。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る直流モータと発電機との連結構造を模式的に示す部分断面正面図である。本実施の形態に係る電力変換器は、直流モータ１１２と発電機１２１とが、回転軸（ローター）２０１によって連結されている。回転軸２０１は、フッ素樹脂製であり、その長さは約１０ｃｍである。かかる回転軸２０１は、複数の突起２１１，２１１，２１１，…を有している。これらの突起２１１，２１１，２１１…は、菱形の短軸を回転中心とした回転体のような形状である。さらに詳しく説明すると、突起２１１，２１１，２１１…は、回転軸２０１と共通の中心軸を有する複円錐状をなしている。すなわち、各突起２１１，２１１，２１１，…のそれぞれの断面形状は、菱形である。

回転軸２０１の外周を覆うように、保持部材（ステーター）２０２が設けられている。保持部材２０２は、筒状をなしており、内部の空洞に回転軸２０１が収容される。さらに詳しくは、保持部材２０２の内側周面には、回転軸２０１の突起２１１，２１１，２１１，…と係合する凹部２１２，２１２，２１２，…が設けられている。凹部２１２，２１２，２１２，…は、突起２１１，２１１，２１１，…と対応する形状となっている。つまり、保持部材２０２の内側周面は、複数の複円錐状に窪んでいる。これにより、回転軸２０１と保持部材２０２とが係合し、回転軸２０１が保持部材２０２とは独立して回転可能である。また、各突起２１１，２１１，２１１，…と各凹部２１２，２１２，２１２，…とが係合しているため、回転軸２０１と保持部材２０２とが軸長方向に相対的に変位することがない。

保持部材２０２は、絶縁性材料であるフッ素樹脂製である。かかるフッ素樹脂の絶縁破壊電圧は１０ｋＶ／ｍｍ以上である。また、保持部材２０２は、その長さが１０ｃｍであり、その高さ及び幅（回転軸２０１の軸長方向に直交する方向の長さ）が、直流モータ１１２及び発電機１２１の高さ及び奥行き（回転軸２０１の軸長方向に直交する方向の長さ）より大きい。このように構成することにより、回転軸２０１の長さを１０ｃｍとしても、本実施の形態に係る電力変換器は、１ＭＶ以上の耐圧性能を有している。これにより、高耐圧の電力変換器をより一層小型化することができる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る電力変換器の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る電力変換器３００は、２４Ｖの直流を４Ｖの直流に変換する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器３００は、１次側回路３１０と、２次側回路３２０とを有している。１次側回路３１０には、直流電源３１１と、制御回路３１２と、直流モータ３１３とが設けられている。

直流電源３１１は、２４Ｖの直流を出力可能である。この直流電源３１１の出力端子は、直流モータ３１３の駆動回路である制御回路３１２に導線により接続されている。制御回路３１２は、直流電源３１１から出力された直流電圧の波形を成形し、直流モータ３１３に印加する。直流モータ３１３はブラシレス直流電動機であり、制御回路３１２によって回転速度の制御が可能である。直流電源３１１のコモン端子は、１次側コモン電圧源に接続されている。

直流モータ３１３の回転軸３０１は、２次側回路３２０の発電機３２１に接続されている。つまり、直流モータ３１３と発電機３２１とは同軸で直結されている。よって、直流モータ３１３によって発生した回転力は、回転軸３０１を介して発電機３２１に与えられる。かかる回転軸３０１は、非導電性物質であるフッ素樹脂製のシャフトである。回転軸３０１の構成は、実施の形態１において説明した回転軸１０１の構成と同様であるので、その説明を省略する。

２次側回路３２０には、交流発電機である発電機３２１に接続された電圧調整回路３２２が設けられている。電圧調整回路３２２には、発電機３２１の正極端子及び陰極端子が接続されており、発電機３２１によって発生した交流電圧が与えられるようになっている。電圧調整回路３２２は、整流回路３２２ａを有しており、発電機３２１が出力する交流を直流に変換するとともに、変換された直流の電圧値が４．２Ｖとなるよう調整する機能を有している。

なお、発電機３２１の構成は、実施の形態１で説明した発電機１２１と同じであり、ブラシ付き直流電動機を発電機として利用したものである。発電機３２１の定格出力、定格電圧等の仕様は、発電機１２１と同じである。

電圧調整回路３２２のコモン端子は、２次側コモン電圧源に接続されている。また、電圧調整回路３２２の出力端子には、本実施の形態に係る電力変換器３００によって発生される直流が出力される２次側負荷抵抗３２４の一端が接続されている。２次側負荷抵抗３２４の他端は２次側コモン電圧源に接続されている。これにより、電圧調整回路３２２から出力された直流が２次側負荷抵抗３２４に供給されることとなる。

また、電圧調整回路３２２の出力端子と、２次側負荷抵抗３２４の一端との間の中間節点には、電圧比較器３２３の入力端子が接続されている。電圧比較器３２３は、第１基準電圧（４．４Ｖ）及び第２基準電圧（４．０Ｖ）の２つの基準電圧が設定されており、入力端子から与えられた電圧を第１基準電圧及び第２基準電圧と比較し、比較結果を出力するようになっている。電圧比較器３２３は２つの出力端子を備えており、一方の出力端子からは２次側負荷抵抗３２４へ印加される直流電圧（２次側出力電圧）ＶＬと第１基準電圧との比較結果を示す第１出力信号Ｓ３１が出力され、他方の出力端子からは２次側出力電圧ＶＬと第２基準電圧との比較結果を示す第２出力信号Ｓ３２が出力される。第１出力信号Ｓ３１は２値信号であり、２次側出力電圧ＶＬが第１基準電圧以上のときには（つまり、ＶＬ≧４．４Ｖのときには）ハイレベル信号として、２次側出力電圧ＶＬが第１基準電圧未満のときには（つまり、ＶＬ＜４．４Ｖのときには）ローレベル信号として出力される。一方、第２出力信号Ｓ３２も２値信号であり、２次側出力電圧ＶＬが第２基準電圧より大きいときには（つまり、ＶＬ＞４．０Ｖのときには）ローレベル信号として、２次側出力電圧ＶＬが第２基準電圧以下のときには（つまり、ＶＢ≦４．０Ｖのときには）ハイレベル信号として出力される。

本実施の形態に係る電力変換器３００は、３つの光通信ユニット３０２，３０３，３０４を備えている。光通信ユニット３０２，３０３，３０４のそれぞれは、１次側回路３１０と２次側回路３２０とを接続し、２次側回路３２０から１次側回路３１０へ情報を伝達するために使用される。光通信ユニット３０２は、発光部３０２ａと、受光部３０２ｂと、光ファイバー３０２ｃとを具備している。光通信ユニット３０３は、発光部３０３ａと、受光部３０３ｂと、光ファイバー３０３ｃとを具備している。また、光通信ユニット３０４は、発光部３０４ａと、受光部３０４ｂと、光ファイバー３０４ｃとを具備している。

２次側回路３２０には、３つの発光部３０２ａ，３０３ａ，３０４ａが設けられている。発光部３０２ａ，３０３ａ，３０４ａのそれぞれは、ＬＥＤにより構成されている。電圧比較器３２３の一方の出力端子（第１出力信号Ｓ３１を出力する端子）は、発光部３０２ａに接続されており、他方の出力端子（第２出力信号Ｓ３２を出力する端子）は、発光部３０３ａに接続されている。これにより、第１出力信号Ｓ３１は発光部３０２ａに与えられ、第２出力信号Ｓ３２は発光部３０３ａに与えられる。第１出力信号Ｓ３１がハイレベル信号の場合には、発光部３０２ａは点灯状態となり、第１出力信号Ｓ３１がローレベル信号の場合には、発光部３０２ａは消灯状態となる。同様に、第２出力信号Ｓ３２がハイレベル信号の場合には、発光部３０３ａは点灯状態となり、第２出力信号Ｓ３２がローレベル信号の場合には、発光部３０３ａは消灯状態となる。

受光部３０２ｂ，３０３ｂ，３０４ｂのそれぞれは、フォトダイオード又は光電子増倍管等の光電センサであり、１次側回路１１０に取り付けられている。発光部３０２ａと受光部３０２ｂとは、光ファイバー３０２ｃによって接続されており、発光部３０２ａによって発せられた光が、受光部３０２ｂによって受光され、受光部３０２ｂが受光に応じた電気信号を出力するようになっている。つまり、発光部３０２ａが点灯状態の場合には、受光部３０２ｂがこの受光量に応じてハイレベル信号を出力する。一方、発光部３０２ａが消灯状態の場合には、受光部３０２ｂがこの受光量に応じてローレベル信号を出力する。同様に、発光部３０３ａと受光部３０３ｂとは、光ファイバー３０３ｃによって接続されており、発光部３０３ａによって発せられた光が、受光部３０３ｂによって受光され、受光部３０３ｂが受光に応じた電気信号を出力するようになっている。また、発光部３０４ａと受光部３０４ｂとは、光ファイバー３０４ｃによって接続されており、発光部３０４ａによって発せられた光が、受光部３０４ｂによって受光され、受光部３０４ｂが受光に応じた電気信号を出力するようになっている。

受光部３０２ｂ，３０３ｂは、制御回路３１２に接続されている。これにより、受光部３０２ｂ，３０３ｂからの出力信号が、制御回路３１２にフィードバック信号として与えられる。制御回路３１２は、フィードバック信号に応じて直流モータ３１３の回転速度を制御する。

また、２次側負荷抵抗３２４の一端には、上記の電圧比較器３２３とは別の電圧比較器３２５の入力端子が接続されている。電圧比較器３２５は、１入力１出力のコンパレータである。電圧比較器３２５は、１つの基準電圧（３．８Ｖ）が設定されており、入力端子から与えられた２次側出力電圧ＶＬとを比較し、比較結果を出力するように構成されている。電圧比較器３２５は１つの出力端子を備えており、出力端子からは２次側出力電圧ＶＬと基準電圧との比較結果を示す出力信号Ｓ４１が出力される。出力信号Ｓ４１は２値信号であり、２次側出力電圧ＶＬが基準電圧より大きいときには（つまり、ＶＬ＞３．８Ｖのときには）ローレベル信号として、２次側出力電圧ＶＬが基準電圧以下のときには（つまり、ＶＬ≦３．８Ｖのときには）ハイレベル信号として出力される。

電圧比較器３２５の出力端子は、発光部３０４ａに接続されている。これにより、電圧比較器３２５の出力信号は、発光部３０４ａに与えられる。電圧比較器３２５からハイレベル信号が出力された場合には、発光部３０４ａは点灯状態となり、電圧比較器３２５からローレベル信号が出力された場合には、発光部３０４ａは消灯状態となる。

発光部３０４ａが出力する光信号は、受光部３０４ｂによって受信され、電気信号に変換される。つまり、発光部３０４ａが点灯状態の場合には、受光部３０４ｂがこの受光量に応じてハイレベル信号を出力する。一方、発光部３０４ａが消灯状態の場合には、受光部３０４ｂがこの受光量に応じてローレベル信号を出力する。この受光部３０４ｂから出力される信号は、電力変換器３００の故障の有無を示す情報として、電力変換器３００の外部へ出力される。

上記のように、１次側回路３１０と２次側回路３２０とは、フッ素樹脂性の回転軸３０１、光ファイバー３０２ｃ，３０３ｃ，３０４ｃにより接続されている。このため、１次回路３１０と２次回路３２０とは絶縁されている。

次に、本実施の形態に係る電力変換器３００の動作について説明する。

図５は、制御回路による直流モータ３１３の制御処理の手順を示すフローチャートである。まず制御回路３１２は、光通信ユニット３０３を介して電圧比較器３２３から与えられる第２出力信号Ｓ３２を参照し、電圧調整回路３２２が出力する２次側出力電圧ＶＬが第２基準電圧である４．０Ｖ以下であるか否かを判別する（ステップＳ１）。２次側出力電圧ＶＬが第２基準電圧以下の場合には（ステップＳ１においてＹＥＳ）、制御回路３１２は、直流モータ３１３の回転速度を増加させ（ステップＳ２）、ステップＳ１へ処理を戻す。

一方、２次側出力電圧ＶＬが第２基準電圧より大きい場合には（ステップＳ１においてＮＯ）、制御回路３１２は、光通信ユニット３０２を介して電圧比較器３２３から与えられる第１出力信号Ｓ３１を参照し、２次側出力電圧ＶＬが第１基準電圧である４．４Ｖ以上であるか否かを判別する（ステップＳ３）。２次側出力電圧ＶＬが第１基準電圧以上の場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御回路３１２は、直流モータ３１３の回転速度を減少させ（ステップＳ４）、ステップＳ１へ処理を戻す。

また、ステップＳ３において、２次側出力電圧ＶＬが第１基準電圧未満の場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、制御回路３１２は、直流モータ３１３の回転速度を変更することなく、ステップＳ１へ処理を戻す。

実際の電力変換器３００の動作について説明する。電力変換器３００の動作初期には、直流モータ３１３が駆動されていない。このため、発電機３２１は発電を行っておらず、２次側出力電圧ＶＬは０である。このとき、電圧比較器３２３は、ローレベル信号である第１出力信号Ｓ３１と、ハイレベル信号である第２出力信号Ｓ３２とを出力する。かかる第１出力信号Ｓ３１及び第２出力信号Ｓ３２が制御回路３１２に与えられ、制御回路３１２は回転速度が増加するように直流モータ３１３を制御する。

これにより、発電機３２１が交流を発生し、電圧調整回路３２２がこの交流を直流に変換して出力する。この結果、２次側出力電圧ＶＬが上昇する。２次側出力電圧ＶＬが４．０Ｖを越えるまでは、制御回路３１２は直流モータ３１３の回転速度を増加し続け、その結果、発電機３２１による発電量が増加し続ける。

２次側出力電圧ＶＬが４．０Ｖを越えると、電圧比較器３２３は、ローレベル信号である第１出力信号Ｓ３１と、ローレベル信号である第２出力信号Ｓ３２とを出力する。かかる第１出力信号Ｓ３１及び第２出力信号Ｓ３２が制御回路３１２に与えられ、制御回路３１２はそのままの回転速度を維持するように直流モータ３１３を制御する。

ここで、直流モータ３１３の回転速度が増加しすぎて、２次側出力電圧ＶＬが４．４Ｖ以上になってしまうと、電圧比較器３２３は、ローレベル信号である第１出力信号Ｓ３１と、ハイレベル信号である第２出力信号Ｓ３２とを出力するようになる。かかる第１出力信号Ｓ３１及び第２出力信号Ｓ３２を受け付けた制御回路３１２は、回転速度が減少するように直流モータ３１３を制御する。これにより、２次側出力電圧ＶＬが低下し始める。

一方、直流モータ３１３の回転速度が低下しすぎて、２次側出力電圧ＶＬが４．０Ｖ以下になってしまうと、電圧比較器３２３は、ハイレベル信号である第１出力信号Ｓ３１と、ローレベル信号である第２出力信号Ｓ３２とを出力する。かかる第１出力信号Ｓ３１及び第２出力信号Ｓ３２を受け付けた制御回路３１２は、回転速度が増加するように直流モータ３１３を制御する。これにより、２次側出力電圧ＶＬが増加し始める。

このように、制御回路３１２は、２次側出力電圧ＶＬが４．０Ｖ〜４．４Ｖの間にある場合は、直流モータ３１３の回転速度を維持し、２次側出力電圧ＶＬが４．０Ｖ〜４．４Ｖの範囲を越えると、４．０Ｖ〜４．４Ｖの範囲に収まるように直流モータ３１３の回転速度を増減する。したがって、本実施の形態に係る電力変換器３００によれば、４．０Ｖ〜４．４Ｖの直流を安定して供給することができる。

（その他の実施の形態）
なお、上述した実施の形態１〜３においては、１次側回路に直流モータを設け、直流モータによって発生される動力によって２次側回路の発電機を駆動する構成について述べたが、これに限定されるものではない。１次側回路に交流モータを設け、１次側に入力した交流を、２次側から出力される直流へ変換する構成の絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータとしてもよい。

また、上述した実施の形態１〜３においては、フッ素樹脂製の回転軸１０１，２０１，３０１を設けた構成について述べたが、これに限定されるものではない。フッ素樹脂とは異なる絶縁性材料、例えば、セラミックス製等の回転軸により、直流モータと発電機とを連結する構成であってもよい。

また、上述した実施の形態１〜３においては、回転軸１０１，２０１，３０１により、直流モータと発電機とを同軸で直結する構成について述べたが、これに限定されるものではない。直流モータと発電機との間に減速機を設け、この減速機によって減速された直流モータの回転動力を、発電機に伝達する構成としてもよい。また、この場合には、当該減速機を含む、直流モータから発電機へ動力を伝達する伝達機構全体を、フッ素樹脂等の絶縁性材料により構成することが好ましい。

また、上述した実施の形態３においては、回転軸３０１により直流モータと発電機とを連結する構成について述べたが、これに限定されるものではない。実施の形態２に示すように、回転軸（ローター）と、この回転軸を覆う保持部材（ステーター）とによって構成される連結部により、直流モータと発電機とを連結する構成であってもよい。この場合、連結部の高さ及び幅（回転軸の軸長方向に直交する方向の長さ）を、直流モータ及び発電機の高さ及び幅（回転軸の軸長方向に直交する方向の長さ）より大きくすることが好ましい。

また、実施の形態２において、複円錐状をなす突起２１１，２１１，２１１，…を回転軸２０１に設け、前記突起と係合する凹部２１２，２１２，２１２，…を保持部材２０２の内側周面に設けることで、回転軸２０１と保持部材２０２とが軸長方向へ相対的に変位することを防止した構成について述べたが、これに限定されるものではない。保持部材に対して回転軸が、その中心軸を中心として回転可能としつつ、回転軸と保持部材とが軸長方向に相対的に変位することを抑制する構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、複円錐状をなす突起の数を実施の形態２とは異なる数（１つでも、複数でもよい。）とし、突起と同数の凹部を保持部材の内側周面に設け、突起と凹部とを互いに係合させる構成としてもよい。また、突起を複円錐状以外の形状（例えば、回転軸と同軸的に設けられた円盤）とし、この突起に係合する凹部を保持部材に設け、保持部材に対して回転軸を回転可能としつつ、回転軸と保持部材とが軸長方向に相対的に変位することを抑制する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１〜３においては、光通信ユニット１０２，３０２，３０３により、２次側回路１２０，３２０から１次側回路１１０，３１０へフィードバック信号を送信する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、無線の送信機を１次側回路に、受信機を２次側回路にそれぞれ設け、無線通信によって２次側回路から１次側回路へフィードバック信号を送信する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、電圧比較器の第１基準値と第２基準値とを別個に設けたが、これに限定されるものではない。１つの基準値のみを設け、２次電池の出力電圧がこの基準値よりも大きいときには電池から出力される直流を２次側回路の出力とすると共に、１次側回路の直流モータを停止させ、２次電池の出力電圧がこの基準値よりも小さいときには電圧調整回路（発電機）から出力される直流を２次側回路の出力とすると共に、１次側回路の直流モータを駆動する構成とすることもできる。

また、上述した実施の形態３においては、電圧比較器の第１基準値と第２基準値とを別個に設けたが、これに限定されるものではない。１つの基準値のみを設け、電圧調整回路から出力される直流電圧がこの基準値よりも大きいときには、１次側回路の直流モータの回転数を減少させ、電圧調整回路から出力される直流電圧がこの基準値よりも小さいときには、１次側回路の直流モータの回転数を増加させる構成とすることもできる。

また、第１基準値（又は第２基準値）と、電圧調整回路の出力電圧との差分により、直流モータの速度を比例制御する構成とすることもできるし、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御など他の制御手法により直流モータを制御する構成とすることもできる。

また、上述した実施の形態１においては、充電部として２次電池を備え、電圧調整回路から出力された直流により２次電池を充電可能とし、且つ、当該２次電池から出力される直流と、前記電圧調整回路から出力される直流とを２次側回路の出力とする構成について述べたが、これに限定されるものではない。充電部を２次電池（例えばリチウムイオン電池又はニッケル水素電池）とするのではなく、コンデンサ（例えば、電気二重層コンデンサ等の静電容量が大きいもの）としてもよい。

本発明の電力変換器は、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＡＣ−ＤＣコンバータ等の直流を出力する絶縁型電力変換器として有用である。

１００，３００ 電力変換器
１１１，３１１ 直流電源
１１２，３１３ 直流モータ
１１３ スイッチ
１０１，２０１，３０１ 回転軸
１２１，３２１ 発電機
１２２，３２２ 電圧調整回路
１２４ スイッチ
１２６ 充電回路
１２７ ２次電池
１２８，３２３ 電圧比較器
１２９ フリップフロップ回路
１０２，１０３，３０２，３０３，３０４ 光通信ユニット
２０２ 保持部材
２１１，２１１，２１１ 突起
２１２，２１２，２１２ 凹部
３１２ 制御回路

Claims (5)

1. 電源と、前記電源から与えられた電力によって駆動されるモータとを具備する１次側回路と、
   前記モータによって発生された動力により電力を発生する発電機と、前記発電機からの出力電流を所定電圧の直流へ変換する電圧調整回路と、前記電圧調整回路から出力される直流により充電される充電部とを具備し、前記電圧調整回路から出力される直流と、前記充電部から出力される直流とを選択的に出力する２次側回路と、
   絶縁性材料によって構成されており、前記モータと前記発電機とを連結し、前記モータによって発生された動力を前記発電機に伝達するための動力伝達部と、
   前記充電部の電圧に基づいて、前記モータをオン／オフ制御するフィードバック制御部と、
   を備え、
   前記２次側回路は、前記モータが動作しているときには前記電圧調整回路から出力される直流を出力し、前記モータが停止しているときには前記充電部から出力される直流を出力するように構成されている、
   電力変換器。
2. 前記電圧調整回路は、整流回路を含む、
   請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記フィードバック制御部は、前記充電部から出力される直流電圧が第１基準値よりも高いときには、前記モータを停止させ、前記充電部から出力される直流電圧が前記第１基準値以下の第２基準値よりも低いときには、前記モータを駆動するように構成されている、
   請求項１又は２に記載の電力変換器。
4. 前記２次側回路は、前記２次側回路により出力される直流に関する情報を示す光信号を出力する発光部をさらに具備し、
   前記１次側回路は、前記発光部から出力される光信号を受信し、受信された前記光信号に基づいて、前記２次側回路により出力される直流に関する情報を示す電気信号を出力する受信部をさらに具備し、
   前記フィードバック制御部は、前記受信部から出力される電気信号を受け付け、受け付けられた前記電気信号に基づいて、前記モータを制御するように構成されている、
   請求項１乃至３の何れかに記載の電力変換器。
5. 前記動力伝達部は、前記モータと前記発電機とを連結するフッ素樹脂製のシャフトを具備する、
   請求項１乃至４の何れかに記載の電力変換器。

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