JPH04255A - 複合エネルギー変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、エネルギー変換方法に関するものてある。

［従来の技術］ 最近、ロボットを使用した装置か多くなり、また装置も
コンパクト化の要求が強い。ＦＡや〇八などの機器は、
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たけてなく、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
ットて動かされる対象は、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フている。

動かそうとする対象は、物たけてなく、溶接装置なとの
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かあ
り、可動部にケーブルて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
ブルの直径か大きく、ロボットの動きの妨げになるたけ
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
ねわ、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か共通の場所で、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磁性材料の一部を変圧
器の磁心として共有させる方法を提供し、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コ 本発明の要旨とするところは、 １、電動機や発電機に使用される磁性材料の一部を変圧
器の磁心として共有することを特徴とする複合エネル■
−変換方法。

２、共存する磁心に使用される材料を、下記のうち何れ
か一つ以上とすることを特徴とする上記１項記載の複合
エネルギー変換方法。

ａ）厚さが０．２ａ＋ｍ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５０μΩ
ｃｍ以上の磁性材料ｄ）磁区細分化処理された磁性材料 ３、電動機や発電機のステータのコアバック部に変圧器
の巻線を設けることを特徴とする上記１又は２項記載の
複合エネルギー変換方法。

４、電動機や発電機の巻線の一部または全部をコアバッ
ク部に設けることを特徴とする上記１．２又は３記載の
複合エネルギー変換方法。

５、変圧器の１次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部
を共有することを特徴とする上記１〜４のいずれか１項
記載の複合エネルギー変換方法。

６、変圧器の２次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部
を共有することを特徴とする上記１〜５項のいずれか１
項記載の複合エネルキー変換方法。

７　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ことを特徴とする上記１
〜６項のいずれか１項記載の複合エネルギー変換方法。

８、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％以下にすることを特徴とする上記１〜７項のいず
れか１項記載の複合エネルギー変換方法。

にある。

以下に、本発明の詳細な説明する。

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、電気工ネルキ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、話
導機、直流機器などで、回転機やリニア型などである。

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磁性材料の一部を変圧器
の磁心として共有させ、電動機等として駆動させながら
、その電動機などの磁性材料の一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人出力
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、との様な軟磁性材料
てもよく、一般に使用されるＭ、Ｗｔ錆鋼板はじめ、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以上の電気低効率の磁性材料は、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５０μΩｃ
ｍ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、或は電気低効率が５０μΩＣＩＩ
＋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か増すだけでなく、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
バック部であることが好ましく、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ことが好ましい。従って、
これらの部分を磁心として、変圧器の１次巻線と２次巻
線を巻くと良い。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。

共有する巻線か、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次巻線と発電機の巻線の場
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ィルタを
通して、２次出力を取り出せる。

共有する巻線か、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、一方今電機の出力は、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て動作するので、変圧
器の周波数を電動機なとて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か重要にな
ることは既に述へた。

変圧器か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、殆と影響しなければ、電動機な
どに使用される磁性材料の一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か、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か著しく低下し、また変圧
器と電動機なと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］ 本発明の複合エネルギー変換方法は、電動機や発電機に
使用される磁性材料の一部を変圧器の磁心として共存す
るのて、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、小型軽量化か可能であり、電力を必要
とする装置をロホットて動かさなければならない場合に
、装置全体の小型化、駆動電力低減か可能となり、より
高鯖度の制御か可能となる。

電動機や発電機に使用される磁性材料の一部を変圧器の
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
なとの変圧器と共有て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
ることか可能で、一般に鉄心での変圧器動作による鉄損
が低くてき、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
の電力効率が上かるたけでなく、電動機などの性能も良
くなることは言うまてもない。

電動機や発電機のステータのコアハ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か可能となり、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てき、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。

変圧機の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
あることは言うまてもない。

電動機などと変圧器と共有する本発明の複合工ネルギー
変換方法は、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か、飽
和磁化の９０％以下にしなければ、各々の動作が十分に
働かないたけでなく、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か、飽和磁化の９０％
以下にしなければならない。

［実施例］ 第１図に、本発明の複合エネルギー変換方法の実施例で
、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２図のように、
ステータのコアバック部１の６箇所に、そわそわ１個ず
つの巻線か同し箇所に巻かれている。１次巻線４は、そ
れぞれ６個の巻線か直列に接続して、コアハック部の円
周方向に沿い、同し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、同し方向に
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＠線は、３相で駆動するので、位相が１２０度ず
わた巻線６，７．８かそれぞれ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、位相のずわた３相がすべて加わるので打ち消
される。従フて、変圧器としても、電動機としても、互
いに殆ど影響せず、動作てきる。

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ティース部に巻かれて
いる例である。第４図は第１図のｂ−ｂ’断面図を示す
。変圧器としては、動作は第１図の実施例と同しである
。変圧器の１次巻！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０．５ｍ
ｍ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１２，４３．１４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で加痒、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をそれぞわ励磁する。

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、コアバックの一部て通る磁
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か−、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の鉄系アモルファス磁性
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、本発明の複合エネルギー変
換方法の実施例で、電動機として、４極のブラシレスモ
ータのコアハ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１２．１３．１
４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訃動信号てあり、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
れる信号て、巻線１２゜１３、１４を励磁するものであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電動機や発電機に使用される磁性材料の一部を変圧
   器の磁心として共有することを特徴とする複合エネルギ
   ー変換方法。 ２、共有する磁心に使用される材料を、下記のうち何れ
   か一つ以上とすることを特徴とする請求項１記載の複合
   エネルギー変換方法。 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 ３、電動機や発電機のステータのコアバック部に変圧器
   の巻線を設けることを特徴とする請求項１又は２記載の
   複合エネルギー変換方法。 ４、電動機や発電機の巻線の一部または全部をコアバッ
   ク部に設けることを特徴とする請求項１、２又は３記載
   の複合エネルギー変換方法。 ５、変圧器の１次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部
   を共有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
   項記載の複合エネルギー変換方法。 ６、変圧器の２次巻線を、電動機や発電機の巻線の一部
   を共有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
   項記載の複合エネルギー変換方法。 ７、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ことを特徴とする請求項
   １〜６のいずれか１項記載の複合エネルギー変換方法。 ８、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％以下にすることを特徴とする請求項１〜７のいず
   れか１項記載の複合エネルギー変換方法。