(57)【要約】【課題】軽量化が要求される蓄電池駆動の電動機器とそのエネルギー供給方法【解決手段】動力源であるモーターの直近に、あるいは、励磁コイルの直近に蓄電池を配置し、エネルギー供給源から、動力機器や動力機器の励磁コイルへの配線を最短距離とすることで、軽量化とエネルギー損失の低減化を図る。蓄電池を階層化して配備することでエネルギー供給源の信頼性を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを動力に変換する装置を電動機器とし、
１個の電動機器をＰとし、
電動機器ＰがＭ個のコイルを持つものとし、
Ｍ個のコイルの内、｛１個または任意の複数個｝のコイルの組を
Ｃ１，Ｃ２，，，Ｃｋ，，，Ｃｎとし、
ｋ＝１からｎまでの  Ｃｋの総個数がＭ個であるものとし、
｛１個または複数個の蓄電池｝が上記Ｃｋ（ｋ＝１からｎ）に対応して存在するものとし、
上記に定義する｛１個または複数個の蓄電池｝をＢ１，Ｂ２，，，Ｂｋ，，，Ｂｎとし、
以下の説明で、付番ｋは｛ｋが１からｎまでの全て｝を対象とするものとし、
電流制御機能Ｓｋが｛ＢｋとＣｋの間｝に存在し、Ｓｋは｛ＢｋからＣｋへの電流供給｝を制御する機能を持つものとし、
ＢｋからＳｋを介してＣｋにつながる配線をＷｋとし、
Ｂｋの電流供給能力が、Ｃｋが消費する最大電流を満足するものとし、
Ｗｋの許容電流容量が、Ｃｋが消費する最大電流を満足するものとし、
｛｛Ｗｋが発生する電気エネルギーの損失｝を可能な範囲において最小限度に押さえる｝べく、また、｛｛Ｗｋの総重量｝を可能な範囲において最小限度に押さえる｝べく、｛ＢｋとＳｋとＣｋの位置関係｝が可能な範囲において最短距離になっていることを第１の特徴とし、
｛全てのｋについて｛ＢｋとＷｋとＣｋの電気的特性｝が可能な範囲において等しくなる構造である｝ことを第２の特徴とし、
上記｛第１の特徴と第２の特徴｝を有するところの、
｛｛Ｍ個のコイルからなるＮ組のコイルＣｋを有する電動機器Ｐ｝と蓄電池Ｂｋと配線Ｗｋと電流制御回路Ｓｋ｝からなる電動機器。
【請求項２】
以下の説明で、付番ｋは｛ｋが１からｎまでの全て｝を対象とするものとし、
｛上記請求項１に定義するところの、蓄電池Ｂｋ｝とは別の、
｛１個または複数個からなる蓄電池｝をバックアップ電池とし、これをＢＢとし、
ＢＢから、Ｂｋへの電力供給を制御する充電制御機能をＳＳｋとし、
ＢＢからＢｋへ至る配線をＷＷｋとし、
ＷＷｋの許容電流容量が、
｛｛Ｃｋが消費する平均電流を可能な範囲において満足する｝
かつ
｛Ｃｋが消費する最大電流を満足しない｝｝ものとし、これを第３の特徴とし、
充電制御機能ＳＳｋが
｛蓄電池Ｂｋの電圧があらかじめ決められた既定の範囲内に納まるよう｝、
あるいは
｛全てのＢｋの電圧があらかじめ決められた誤差範囲内で等しくなるよう｝、
制御する機能を持つことを第４の特徴とし、
請求項１に定義する動力機器システムに加えて、上記｛第３と第４｝の特徴を有するところの、｛ＢＢとＷＷｋとＳＳｋ｝からなる電動機器応用装置。
【請求項３】
以下の説明で、付番ｋは｛ｋが１からｎまでの全て｝を対象とするものとし、
電気エネルギーを動力に変換する装置を電動機器とし、
Ｎ個の電動機器Ｐ１，Ｐ２，，，Ｐｋ，，，Ｐｎを含む動力システムをＧとし、
｛複数個の蓄電池｝が上記Ｐｋ（ｋ＝１からｎ）に対応して存在するものとし、
上記に定義する｛複数個の蓄電池｝をＢ１，Ｂ２，，，Ｂｋ，，，Ｂｎとし、
以下の説明で、付番ｋは｛ｋが１からｎまでの全て｝を説明の対象とするものとし、
電流制御機能Ｓｋが｛ＢｋとＰｋの間｝に存在し、ＳｋはＢｋからＰｋへの電流供給を制御する機能を持つものとし、
ＢｋからＳｋを介してＰｋにつながる配線をＷｋとし、
Ｂｋの電流供給能力が、｛Ｐｋが最大出力時に消費する最大電流｝を満足するものとし、
Ｗｋの許容電流容量が、｛Ｐｋが最大出力時に消費する最大電流｝を満足するものとし、
｛｛Ｗｋが発生する電気エネルギーの損失｝を可能な範囲において最小限度に押さえる｝べく、また、｛｛Ｗｋの総重量｝を可能な範囲において最小限度に押さえる｝べく、｛ＢｋとＳｋとＰｋの位置関係｝が可能な範囲において最短距離になっていることを第５の特徴とし、
上記｛第５の特徴｝を有するところの、｛Ｎ個の電動機器Ｐｋと蓄電池Ｂｋと配線Ｗｋと電流制御回路Ｓｋ｝からなる電動機器応用装置。
【請求項４】
以下の説明で、付番ｋは｛ｋが１からｎまでの全て｝を対象とするものとし、
｛｛上記請求項１に定義するところの蓄電池Ｂｋ｝とは別の、｛１個または複数個からなる蓄電池｝｝をバックアップ電池とし、これをＢＢとし、
ＢＢから、Ｂｋへの電力供給を制御する機能をＳＳｋとし、
ＢＢからＢｋへ至る配線をＷＷｋとし、
ＷＷｋの許容電流容量は、｛｛Ｐｋの特定の平均的出力時｝に消費する平均電流を可能な範囲において満足する｝かつ｛Ｐｋの最大出力時｝に消費する最大電流を満足しない｝｝ものとし、これを第６の特徴とし、
｛蓄電池Ｂｋの電圧があらかじめ決められた既定の範囲内に納まるよう｝、
あるいは
｛全てのＢｋの電圧があらかじめ決められた誤差範囲内で等しくなるよう｝、
制御する機能を持つことを第７の特徴とし、
請求項３に定義する動力システムに加えて、上記｛第６と第７｝の特徴を有するところの、｛バックアップ蓄電池ＢＢと配線ＷＷｋと充電制御回路ＳＳｋ｝からなる電動機器応用装置。
【請求項５】
｛上記請求項１に定義する動力機器｝を有する、自動車または鉄道車両または船舶または搬送ロボットまたは航空機、
または
｛上記｛請求項２または請求項３または請求項４｝に定義する自動車または鉄道車両または船舶または搬送ロボットまたは航空機または農業用機器。
【発明の詳細な説明】
【用語の定義】
【００１】請求項を含む全文を通じ、文中の｛｝内の記述は｛｝外の記述に優先する。
【技術分野】
【００２】｛電気自動車、航空機、搬送ロボット、船舶｝などの電動機器応用装置の｛軽量化と電力損失軽減と電気エネルギーの補充方法｝
ＣＯ２排出削減、
エネルギー供給源の信頼性
電力機器の電流制御による不要電波の輻射の軽減
【背景技術】
【００３】小型高性能蓄電池
電動モーター
電動機器を応用した交通機関などの信頼性と安全性
電動応用機器の｛小型、軽量、省スペース、高効率｝化、
効果対資源の最適化、
【発明が解決しようとしている課題】
【００４】軽量が重要課題である、｛電動機器と電動応用機器｝の｛小型、省スペース、軽量｝化、
高効率が重要課題である、｛電動機器と電動応用機器｝の高効率化
｛電池を応用する動力機器｝において、｛電池のエネルギーが無くなった場合｝に想定される｛利用上の｛不具合や危険性｝の確率や度合い｝の軽減、
スイッチングノイズなど、｛受信機やＡＶ装置｝に与える影響の軽減
【課題を解決するための手段】
【００５】｛大出力電動機器が持つ｛多数の電流コイル｝｝の｛それぞれの電流コイルの直近に蓄電池を配置する｝ことで、大電流に耐える配線の｛重量と容積｝を大幅に軽減し、同時に配線による熱損失を軽減する。
【００６】｛電動機器のコイルの直近に配置された蓄電池｝とは別に、バックアップ蓄電池を設け、｛電動機器の平均的出力の運転状態｝においてもバックアップ蓄電池から｛コイルの直近に置かれた蓄電池｝へ充電できるようにすることでエネルギー供給源の冗長化を図る。
【００７】｛個々の大出力電動機器の直近に蓄電池を配置する｝ことで、大電流に耐える配線の｛重量と容積｝を大幅に軽減し、同時に配線による熱損失を軽減する。
｛個々の電動機器の直近に配置された蓄電池｝とは別に、バックアップ蓄電池を設け、｛電動機器の平均的出力の運転状態｝においてもバックアップ蓄電池から｛電動機器の直近に置かれた蓄電池｝へ充電できるようにすることでエネルギー供給源の冗長化を図る。
【００８】  ［図１］は本発明の一実施例を示す図である。
図は、｛電動モーターのそれぞれのコイル｝の直近に、｛蓄電池と電流制御回路｝を配置した状態を示す。図はコイルの数が１２個の場合を示す。
以下の説明で、付番ｋは１から１２までのそれぞれの機能の番号を表す。
Ｃｋはそれぞれのコイル、ＳｋはコイルＣｋに対応する電流制御回路、Ｂｋは｛コイルＣｋに対応する蓄電池｝、Ｗｋは｛｛蓄電池Ｂｋと制御回路Ｓｋ｝を、そして｛制御回路ＳｋとコイルＣｋ｝を接続する配線｝である。蓄電池Ｂｋは電流制御回路Ｓｋを介してコイルＣｋの直近に配置される。
【００９】｛電動モーターの構造｝や｛電動モーターを回転させる仕組み｝や｛コイルに流す電流をどのように制御するか｝、については、本案発明の本質とするところではないので、説明を省略する。本案発明の本質は蓄電池をコイルの直近に配置することである。
電動モーターが自動車や航空機などの場合、代表的平均出力は必要な最大出力時の  １／３  から  １／１０  程度になるケースが一般的である。出力が大きくなれば消費電流も大きくする。
【０１０】蓄電池とコイルの距離が短ければ、それだけ配線が短くて済む。そして、配線重量も減るし、その分コストも減る。例えば、｛平均的な自動車｝の総重量を減らすという課題を想定した場合、エンジン部分で１ｋｇの減量は極めて難しい。
配線で１ｋｇを減らすことは十分に可能である。２００９年現在、小型軽量で高性能の物理蓄電池の実用化が間近の状況にあってモーターに近接して蓄電池を配置することが容易になりつある。
【０１１】さらに、｛配線が極度に短くなる｝ことにより、｛スイッチング制御により発生する不要電波の輻射も小さくなる｝ことから、｛付近にある、Ａｖ機器や通信機器への影響｝が小さくなる。そして配線が短くなることで、大電流を流す必要のある蓄電池からモーターのコイルまでの電気抵抗は極度に小さくなり、発熱による電力損失を大幅に減らすことができる。配線の電力損失は、消費する電流の自乗に比例する。従って、配線抵抗を可能な範囲で減らすことについては、装置の設計時、常に配慮されなければならないファクターである。｛最大出力時の電力損失そのもの｝が｛最大出力を制限する｝ことにもなる。配線の重量や電気抵抗を減らすことは、単純ではあるが、｛基本的かつ重要｝な手段である。
【０１２】［図２］は本案発明の一実施例を示す。｛｛電動モーターのコイルＣｋ｝と｛コイルＣｋに流れる電流の制御回路Ｓｋ｝と｛蓄電池Ｂｋ｝と｛配線Ｗｋ｝を示すところの図１｝に比べ、さらに、｛それらの蓄電池Ｂｋに電力供給するための別の蓄電池とその配線と充電電流制御回路｝を示す。
図１と同記号は同機能である。
ＢＢは｛｛電動モーターの各コイルＣｋに電力供給する蓄電池Ｂｋ｝へ電力供給する｝バックアップ蓄電池である。
【０１３】ＳＳｋは｛蓄電池ＢＢのエネルギーを蓄電池Ｂｋへ移す｝充電制御回路である。
ＷＷｋは｛バックアップ蓄電池ＢＢから充電制御回路ＳＳｋを介し蓄電池Ｂｋへ電流を流すための｝配線である。
図２は、蓄電池ＢＢが１個の場合を示すが、一般的には１個または複数個である。
｛電動モーターＰｋの出力が最大である場合に必要なエネルギー｝は、主として｛蓄電池Ｂｋ｝から供給される。｛電動モーターの出力が平均状態｝にある場合、｛バックアップ蓄電池ＢＢのエネルギー｝を蓄電池Ｂｋに移す。即ちＢｋへの充電が行われ、次の大出力モードに備える。物理蓄電池は｛通称、メモリ効果と呼ばれるところの充放電の繰り返しによる劣化がない｝ことから本案発明の蓄電池利用システムとしては最適である。
【０１４】｛配線Ｗｋの電流容量｝は｛電動モーターが消費する最大電流に耐える容量｝であることに比べ、配線ＷＷｋは、少なくとも、電動モーターが消費する最大電流に耐える必要はなく、｛｛平均電流｝から｛想定される平均電流の範囲で、その最大値｝の間の適度な電流値｝で十分である。従って、より細い電線を使えることになる。
【０１５】バックアップ蓄電池を持つことで、動力応用装置のエネルギー供給の信頼度が大幅に改善される。特に、航空機の場合、いかなる状態においても、｛必要最小限の動力の確保｝は極めて重要である。また、自動車などの場合でも、平均出力が得られるバックアップエネルギー源を持つことにより、より信頼性の高いエネルギー供給源を持つ自動車とすることができる。
【０１６】［図３］は複数の｛電動回転モーターや電動リニアーモーター｝（以下電動モーターと称す）からなる動力機器応用装置において、各電動モーターの直近に蓄電池を配置し、電動モーターの制御回路を介して接続したものである。図３は電動モーターが６個ある場合を示す。
【０１７】以下の説明で、付番ｋは１から６までのそれぞれの機能の番号を表す。
Ｐｋは電動モーターである。
Ｂｋは蓄電池である。
Ｓｋは電動モーターの制御回路である。
Ｗｋは｛蓄電池Ｂｋから電動モーターの制御回路Ｓｋを介し電動モーターＰｋに至る｝配線を示す。
【０１８】ＢＢはバックアップ蓄電池である。
ＳＳｋは充電制御回路である。充電制御回路ＳＳｋは｛蓄電池ＢＢのエネルギー源から蓄電池Ｂｋに流す電流の制御｝を司る。
ＷＷｋは、｛バックアップ蓄電池ＢＢから充電制御回路ＳＳｋを介して接続される｝配線である。
【０１９】｛電動モーターＰｋの出力が最大である場合に必要なエネルギー｝は、主として｛蓄電池Ｂｋ｝から供給される。｛電動モーターの出力が平均状態｝にある場合、バックアップ蓄電池ＢＢのエネルギーを蓄電池Ｂｋに移す。即ちＢＢからＢｋへの充電が行われ、次の大出力モードに備える。物理蓄電池は｛通称、メモリ効果と呼ばれるところの充放電の繰り返しによる劣化｝がないことから本案発明の蓄電池利用システムとしては最適である。
【０２０】｛｛配線Ｗｋの電流容量｝は｛電動モーターが消費する最大電流に耐える容量｝である｝ことに比べ、｛配線ＷＷｋは、少なくとも、｛電動モーターが消費する最大電流｝に耐える必要｝はなく、｛｛想定される平均電流の範囲で、その最大値｝の間の適度な電流値｝で十分である。従って、より細い電線を使えることになる。
例えば、｛搬送ロボットや｛今後期待される｛介護や掃除｝などの仕事をする機能性ロボット｝のように、駆動部が数多くあって、軽量化が一つの課題であるような装置｝の場合、電動モーターに供給するエネルギーを効率良く伝えなければならない。
【０２１】また、ロボットの動きに機敏さが要求される場合は動き始めの過渡電流が大きくなり、その最大電流は定常電流よりも大幅に大きくなる。
１個の蓄電池から端末の電動モーターに電流供給する場合、配線の電流容量は電動モーターの最大消費電流に対応しなければならず、その配線の｛長さにおいて長く、容積において大きく、重量において重く｝なる。
本案発明は極めて簡単な手法ではあるが、｛重量と配線容積と電力損失｝の両面で改善を加えることができる。
【０２２】また、自動車の場合においても１台の自動車には数多くの電動モーターがあり、その配線の重量軽減は大きな課題の一つである。
｛近い将来、実用化が期待されている高性能物理蓄電池｝は単位重量あたりの蓄電エネルギーが｛２００９年現在のリチウムイオン蓄電池｝に比べ  １／１００以下になる可能性がある。さらなる軽量化に際し、配線の｛重量と容積｝の軽減が大きな課題となり、本案発明による軽量化が極めて有効な手段となる。
【発明の効果】
【０２３】電動モーター応用機器の｛総重量の軽減と配線容積の軽減と電力損失の軽減｝
電動モーター応用機器のスイッチング制御による不要電波の輻射の軽減
電動モーター応用機器のエネルギー供給源の信頼性向上
【発明を実施するための最良の形態】
【０２４】本案発明により、
蓄電池のエネルギーによる、電動モーターや電動機器の応用装置に要求される普遍的課題であるところの
｛小型化、軽量化、高効率、高出力、機敏な動き、低騒音、高信頼度｝の評価項目においてさらなる改善を図ることができることから、
架線のない場所での、移動する動力機器応用装置全般に応用される。
【実施例】
【０２５】電池駆動の電動モーター、
｛軽量、高効率、高出力、高信頼度｝の電気自動車
架線のない鉄道路線の｛低騒音、軽量、高効率、高出力、高信頼度｝車両
｛機敏な動作、軽量｝の機能性移動ロボット
エネルギー源が蓄電池で、動力源が電動モーターの｛低騒音、軽量、高効率、操作性の良好な｝農業機器
エネルギー源が蓄電池で、動力源が電動モーターの｛低騒音、軽量、高効率｝の船舶
エネルギー源が蓄電池で、動力源が電動モーターの｛低騒音、軽量、高効率、高信頼度｝の航空機
【産業上の利用可能性】
【０２６】上記実施例に同じ
【図面の簡単な説明】
【０２７】
【図１】一実施例の説明図
【図２】一実施例の説明図
【図３】一実施例の説明図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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