CN100424985C - 同步电动机的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步电动机的控制装置及其控制方法，无需电动锁定机构等机构而获得锁定机构，可制造简单且价格低廉地进行制造。为此，包括卷有交流线圈(21U、21V、21W)的定子(20)和可旋转地安装在定子内部的转子(30)的同步电动机的控制装置，具有可将具有规定的电压-频率特性的交流电压提供给被卷在同步电动机的定子的电极上的交流线圈的变频器(200)，进而还进行控制以便在转子的转速为零(0)、且锁定信号处于接通状态的情况下，将从变频器提供给被卷在定子的电极上的交流线圈的交流电压转换成直流电压来进行供给，以此实现使转子的旋转位置相对于定子进行保持的锁定状态。

Description

同步电动机的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及具有可旋转地装置在卷有交流线圈的定子内部的转子的同步电动机的控制装置及其控制方法，尤其涉及在同步电动机停止时进行转子固定的控制装置及其方法。

背景技术

以往，在以泵和风扇等为负荷进行旋转驱动的情况下，例如通过以下的专利文献1等而已经得知那样，由于以规定的旋转速度来旋转驱动低温泵的致冷机等负荷，所以利用由同步电动机组成的驱动装置构成的低温泵运转装置，一边使用商业用的50Hz电源一边使用频率变换器(所谓的变频器、逆变器：inverter)对其进行频率变换，由此使电源频率可变，从而以所希望的频率进行运转。

另一方面，作为交流电动机的通用式同步电动机来说，有装备了线圈的转子结构或者永久磁铁结构的同步电动机，同时利用永久磁铁并利用在转子的表面沿旋转轴方向形成多个齿槽而形成齿部而成的转子的多极结构的同步电机也已为公众所知。另外，这种形成齿部而成的转子是在所谓的步进电机上也被广泛采用的转子结构，特别是近年来，由于发现了高抗磁力的稀土类磁铁(钕、钐、钴等)，而在相同体积之下可获得更大的转矩，且可比较大批量地、廉价地进行制造，所以正广泛得以利用。

(专利文献1)日本专利公开实公平1-14755号公报

然而，如上所述那样，在利用通常的变频器来控制向诱导电动机和通用同步电动机的供给电压的情况下，一般来说，满足额定负荷用的

恒定的控制方式为主流方式。因此，在将同步电动机停止的情况下，由于F(供给电压的频率)为零，所以一般来说将供给电压V也同样地设为零(0)。即：向同步电动机的供给电压与其频率一起为零(0)，因此，转子就自由地旋转其位置不进行固定。于是，历来为了防止这种转子的自由旋转而设定所谓的锁定状态，据此就可对包含制动器等的电动锁定机构进行驱动，以使同步电动机的转子保持在规定的位置上。

但是，当在同步电动机上设置了这种电动锁定机构的情况下，同步电动机自身就会大型化，且包含锁定机构的结构就变得复杂、价格变得昂贵。

发明内容

因而，本发明就是鉴于上述现有技术中的问题点而提出来的，其目的在于提供一种无需使用电动锁定机构等复杂机构，由此可结构简单且价格低廉地进行制造的同步电动机的控制装置及其控制方法。

于是，为了实现所述目的，本发明的一个技术方案提供一种同步电动机的控制装置，所述同步电动机包括卷有交流线圈的定子和可旋转地安装在所述定子内部的转子，并具有使所述转子的旋转位置相对于所述定子进行保持的锁定功能，所述控制装置具有变频器，该变频器将具有规定的电压-频率特性的交流电压提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈，进而还具有控制装置，该控制装置对所述变频器进行控制，以便在所述转子的转速为零(0)、且锁定功能信号处于接通状态的情况下，将由所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压转换成直流电压来进行供给。

此外，仍是为了实现所述目的，本发明的另一技术方案提供一种同步电动机的控制方法，所述同步电动机包括卷有交流线圈的定子和可旋转地安装在所述定子内部的转子，并具有使所述转子的旋转位置相对于定子进行保持的锁定功能，所述控制方法通过变频器将具有规定的电压-频率特性的交流电压提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈，同时在所述转子的转速为零(0)、且锁定功能信号处于接通状态的情况下，对所述变频器进行控制，以便将由所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压转换成直流电压来进行供给。

进而，在本发明上述技术方案的同步电动机的控制装置及其控制方法中，最好是所述同步电动机在构成所述定子的各电极中与所述转子相对的表面上形成多个齿部、且由永久磁铁形成所述转子，同时还在与所述定子的电极相对的表面上以与所述齿部的圆周方向的宽度大体相同的宽度形成多个齿部，进而将所述交流线圈卷装在所述定子的电极上；或者最好是，在所述转子的转速为零(0)、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，使从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压可变；或者，使直流电压的电压值为由此在所述交流线圈中流过的电流小于等于其额定电流的值，特别是使其维持于稳定状态下的交流电压之峰值的约30％或其以下；或者，取而代之维持于规定的模式。

根据由以上本发明所提供的同步电动机的控制装置及其控制方法，就可发挥以下出色的效果，即：可以提供一种无需以外的电动锁定机构等复杂机构而获得同步电动机的锁定结构，并且可以简单的结构、且价格低廉地进行制造的同步电动机的控制装置及其控制方法。

附图说明

图1是表示用于实施作为本发明一个实施方式的对三相交流同步电动机进行驱动控制的控制方法的控制装置结构的框图。

图2是表示所述本发明的同步电动机的控制装置中控制方式的特性曲线的图。

图3是表示在所述本发明的同步电动机的控制装置中，从变频器提供给同步电动机的U相的电压波形的图。

图4是表示在所述本发明的同步电动机的控制装置中，从变频器提供给同步电动机的其它的电压模式一例的图。

图5是表示由所述本发明的同步电动机的控制装置来运转控制的同步电动机的状态转移的图。

图6是表示作为本发明的一个实施方式的三相同步电机的整体结构用的在旋转轴方向上的截面图。

图7是表示所述三相同步电机整体结构用的上图的A-A’的截面图。

图8是一例表示所述三相同步电动机的定子结构的立体图。

图9是表示作为本发明的同步电机的定子中的三相交流线圈的卷装方式的图。

具体实施方式

下面，使用附图就本发明的实施方式详细地进行说明。

首先，在附图6～9中表示了由作为本发明的一个实施方式的控制装置或控制方法所驱动控制的、三相同步电动机的整体结构，图6是所述三相同步电动机的截面图(轴方向上的截面)。

在图中，标记10是例如由铁等金属构成的圆筒形状的金属制罩体，在其内部中安装有例如将硅钢板以一定形状进行冲裁并层叠而成的定子20。此外，图中的附图标记21在后面也将进行说明，其表示被卷绕在定子20上所形成的多个磁极周围的线圈。而且，在该定子20内部所形成的圆筒形的空间内，经由安装在端部托架11、12的中央部上的一对球形轴承13、14，可旋转地安装着外形大体呈圆筒形的转子30，所述端部托架11、12被固定在罩体10的两端。此外，图中的标记25表示被固定插入此定子20的中心的输出轴，标记25是对该三相同步电机供给三相交流的引线。

接着，附图7表示出所述三相同步电机中的沿图6中的箭头A-A，所示的部位上的截面。即，如从该截面图也可明白那样，在所述三相同步电机的定子20侧形成有全部12个磁极(定子极)22、22...，然后，在这些磁极22的周围(即：形成在其间的狭槽)，通过附图9(a)中所示的接线方式分别卷装有三相交流线圈21U、21V、21W。即，附图9(a)表示卷装在所述12个磁极22、22...上的三相交流线圈的电路图，而且，附图9(b)表示含有线圈的定子20的截面结构。另外，图中的标记N表示线圈的中性点，标记15表示三相的引线，进而，标记U、V、W分别表示U相、V相、W相的引线。

此外，如从所述图6以及图9(b)也可知那样，在所述三相同步电机的各磁极22的表面(即，与所述转子30的对置面)上沿旋转轴方向分别形成有3条齿槽23、23...，由此分别在各个磁极的表面上形成4条齿部24、24...。

另一方面，所述转子30如由附图8表示其外观那样，外形大体呈圆筒状而形成，在其外周面上也是沿其旋转轴方向形成多个齿槽31、31...，由此在其外周表面上形成多个齿部32，32...。另外，转子30的结构为所谓的被称为混合式(hybrid)结构，如从上图的截面图也可明白那样，表示在其内部将圆筒形状的永久磁铁33在旋转轴方向上对置磁极(N极、S极)来进行配置，在其周围也是将硅钢板以规定形状进行冲裁并层叠后固定形成。然而，图8中所示的转子30表示在一个永久磁铁33的周围前后安装硅钢板而成的结构，另外，所述图6中所示的转子30的结构表示在其旋转轴方向上连接了多级具体而言为2级所述的单位结构的、所谓的多级结构的转子。另外，此转子30的级数，通常是在1～4的范围内考虑所要求的输出特性等适宜决定。

即，通过采用这种混合式结构的转子30，如所述图6中虚线的箭头所示，能够沿旋转轴方向的前后方向形成磁路。另外，在所述图8中，这些在转子30的外周面上分别形成在前方和后方的齿部32、32...，相互错开1/2的齿距(pitch)而形成。即，在前方成为齿部32的部分在后方侧被形成为齿槽31。而且，在本实施方式中，形成在转子30的外周上的齿部32、32...(或者齿槽31、31...)的数目，将形成在其前方和后方的数目合计起来为约36～200个左右。此外，优选的做法是，借助于使齿部32(齿槽31)倾斜很小的角度来形成，设为所谓的扭斜(skew)结构，就可尤其降低齿槽效应(cogging)，而获得平稳的输出转矩。进而，此齿部32(齿槽31)的截面形状既可以是矩形、圆形，也可以是椭圆形状。

另外，如所述图2所示，在所述定子20侧所形成的齿部24、24...与在所述转子30侧所形成的齿部32、32...之间的关系，分别是按大体相同的尺寸(齿距)来形成，同时相对于其圆周的1/4周(90度)，相应错开1/2齿距分来形成。

接着，在附图1中表示控制装置的结构，该控制装置用来对在上面详细叙述了其结构的三相交流同步电动机100进行驱动控制。在图1中，所述同步电动机100具有U相、V相、W相(参考图9)的线圈，它们分别与附图标记200所示的电压型变频器的交流输出端子相连接。另外，如图所示，该电压型变频器200构成如下PWM(PulseWidth Modulation)电路，该电路桥接3组作为可自动消去的开关元件的晶体管和二极管的反并联电路，供给所谓的规定频率且规定电压的三相交流电力。

另外，附图标记300表示例如商业用的三相交流电源，其电压由例如通过二极管桥接而构成的整流器(converter)400进行整流，进而，由平滑电容器450进行平滑后，连接到所述电压型变频器200的输入端子。而且，所述电压型变频器200的各开关元件(即晶体管)，分别根据来自下述的变频器控制部500的控制信号，对其接通/关闭状态进行控制，由此经由其交流输出端子被提供给所述同步电动机100的U相、V相、W相。另外，如图所示那样此变频器控制部500尽管在此处没有示出，但其由控制电路510和V-F生成电路520等构成，其中，控制电路510在输入来自外部的速度指令(SP)的同时，还进一步输入来自外部的启动信号、停止信号、锁定信号(固定电动机上的转子位置的信号)，以进行规定的控制；V-F生成电路520生成在以下还将说明的V-F(电压-频率)特性曲线。另外，变频器控制部500例如可由微型计算机来构成。

在附图2中表示借助于在上面对其结构进行了说明的变频器控制部500，在所谓的额定频率以上(fo)的区域内，将电源电压维持恒定(额定电压)，同时将此额定频率(fo)以下的区域内的电源电压设为

恒定的控制方式。

这里，具备所述控制装置的同步电动机，在所述速度指令(SP)的基础上，还进一步通过启动信号、停止信号、锁定信号的输入，在各种状态下进行运行和控制。在附图5中表示同步电动机中的各种运动状态。

即，例如在“因解锁而处于停止中”状态S1中，若将所述启动信号输入到控制装置则成为“启动接通”，同步电动机经图的“加速中”状态S2后，转移到以所设定的转速进行旋转的“恒速”状态S3。另一方面，若将所述停止信号输入到控制装置则同步电动机从该状态转移到图中的“减速中”状态S4。之后，当其旋转速度为零(0)时(图中是“速度为0”)，则通过有无所述锁定信号的输入，即经图中的“锁定切断”或“锁定接通”之后，再次返回到所述“因解锁而处于停止中”状态S1，或者成为固定转子位置的“锁定中”的S5状态。另外，此时旋转速度特别是可由在上面详细叙述了结构的三相交流同步电动机100，根据从所述变频器控制部500提供的交流电力的频率信号(F)直接进行确定，所以对变频器控制部500进行设定以在此频率信号(F)降低到规定值(例如0.6min^-1)的时刻就成为“速度为0”。或者，还可以根据

恒定的关系，取代频率信号(F)而根据电压值(V)来进行判定。

另一方面，在同步电动机从所述“锁定中”的S5状态起再次以所设定的转速进行旋转的情况下，如图中箭头所示，在转移到所述“加速中，，状态S2之后，向“恒速”状态S3转移，或在一旦解除所述锁定状态而转移到“因开启而处于停止中”的状态S1之后，经所述“加速中”状态S2转移到“恒速”状态S3，由此以规定的转速进行驱动旋转。此外，所述同步电动机，如箭头所示那样能够在这些“因开启而处于停止中”的状态S1与“锁定中”的S5状态之间交互地转移。

这里，在附图3中，表示所述同步电动机在所述图5所示的“减速中”状态S4中，其旋转速度为零(图中的“速度为0”)的时刻，从所述变频器200对同步电动机100的U相、V相、W相所提供的电力的状态，更具体来说是电压的状态。即，在“减速中”的状态S4中，如图所示，从所述变频器200所提供的交流电压以规定的关系(即所述图2中示出的

恒定的关系)与其频率(F)一起降低其电压(V)。然后，在其频率(F)或其电压(V)达到规定值的时刻(参考图中的“to”)为了将同步电动机设为锁定状态而转换成为具有规定电压值的直流电压来进行供给。即，将从所述变频器200提供给被卷在同步电动机100的定子的电极上的U相、V相、W相交流线圈的交流电压变更成直流电压，同时将这些各相中的直流电压取为按照在该转子的旋转即将为零(0)之前的交流电压值所确定的比率。另外，如果按照上述比率则提供给这些各相的直流电压也可以在规定的范围内适当地变更其电压值。

这样，在为了将同步电动机设为锁定状态，而转换成具有规定电压值的直流电压来进行供给的情况下，通过对构成所述PWM电路的电压型变频器200进行控制，就可以极其简单的结构且容易地实现同步电动机的锁定状态。即，如从所述的图6～图9中示出的三相交流同步电动机100的结构也可知那样，在所述三相同步电机的定子20一侧，形成于其全部12个磁极(定子极)22、22...的内周的齿部24、24...中所产生的磁场被固定(即不旋转)，所以与它们相对在其外周上具有多个齿槽31、31...的转子30，被定子20一侧所产生的磁场吸引而得以固定(锁定)，这样就不必如现有技术那样设置包含制动器等的电动锁定机构。

此外，在作为所述本发明的控制装置或方法中，通过利用为了控制构成控制装置的变频器200而由变频器控制部500生成的频率(F)或者电压(V)，旋转速度的检测也变得极其容易。亦即，据此就无需如现有技术那样设置包含制动器等的电动锁定机构，能够防止同步电动机自身的大型化及高价格化。

另外，在由所述图1中所述的微型计算机等构成的变频器控制部500中，可通过设定适当的参数使此直流电压的规定电压值可变。此外，优选的做法是将其值设定成例如若考虑到向所述交流线圈供应时会产生烧损等，则即使在电动机处于停止的状态下施加电压在线圈中也不会流过额定电流以上的电流程度的电压值。具体来说，优选的做法是，将电压值设定为所述图2中所示的额定电压(频率在额定频率(fo)以上的电压之峰值)的约30％左右或其以下。

此外，还可以在同步电动机的旋转速度为零(0)的时刻，将从所述变频器200向同步电动机100的U相、V相、W相所提供电压，在该时刻原封不动进行保持，而不必使用所述方式。或如附图4所示的那样，还可以例如在同步电动机的旋转速度为零(0)的时刻“to”，将预先所设定的规定模式的直流电压提供给U相、V相、W相，而不必使用所述方式。另外，图4中所示的例子是，例如将所述额定电压的约30％的电压设为“V”，并对V相和W相供给“V/2”的电压。

Claims (10)

1. 一种同步电动机的控制装置，所述同步电动机包括卷有交流线圈的定子和可旋转地安装在所述定子内部的转子，并具有使所述转子的旋转位置相对于所述定子进行保持的锁定功能，所述控制装置的特征在于：

具有变频器，该变频器将具有规定的电压-频率特性的交流电压提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈，

进而还具有控制装置，该控制装置对所述变频器进行控制，以便在所述转子的转速为零、且锁定功能信号处于接通状态的情况下，将由所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压转换成直流电压来进行供给，

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，使从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的直流电压的电压值为由此在所述交流线圈中流过的电流小于等于其额定电流的值。

2. 根据权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于：

所述同步电动机在构成所述定子的各电极中与所述转子相对的表面上形成多个齿部、且由永久磁铁形成所述转子，同时还在与所述定子的电极相对的表面上以与所述齿部的圆周方向的宽度相同的宽度形成多个齿部，进而将所述交流线圈卷装在所述定子的电极上。

3. 根据权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于：

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的直流电压是可变的。

4. 根据权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于：

使从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的直流电压的电压值为所述同步电动机的稳定状态下的交流电压之峰值的30％或小于30％。

5. 根据权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于：

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，将从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压，维持于该转子的转速刚刚为零之前的所述交流电压的各相位上确定、各相位的电压值的比率上可变更的直流电压的模式。

6. 一种同步电动机的控制方法，所述同步电动机包括卷有交流线圈的定子和可旋转地安装在所述定子内部的转子，并具有使所述转子的旋转位置相对于定子进行保持的锁定功能，所述控制方法的特征在于：

通过变频器将具有规定的电压-频率特性的交流电压提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈，同时在所述转子的转速为零、且锁定功能信号处于接通状态的情况下，对所述变频器进行控制，以便将由所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压转换成直流电压来进行供给，

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，使从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的直流电压的电压值为由此在所述交流线圈中流过的电流小于等于其额定电流的值。

7. 根据权利要求6所述的同步电动机的控制方法，其特征在于：

所述同步电动机在构成所述定子的各电极中与所述转子相对的表面上形成多个齿部、且由永久磁铁形成所述转子，同时还在与所述定子的电极相对的表面上以与所述齿部的圆周方向的宽度相同的宽度形成多个齿部，进而将所述交流线圈卷装在所述定子的电极上。

8. 根据权利要求6所述的同步电动机的控制方法，其特征在于：

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的直流电压是可变的。

9. 根据权利要求6所述同步电动机的控制方法，其特征在于：

使从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压的电压值维持为稳定状态下的交流电压之峰值的30％或小于30％。

10. 根据权利要求6所述的同步电动机的控制方法，其特征在于：

在所述转子的转速为零、且所述锁定功能信号处于接通状态的情况下，将从所述变频器提供给被卷在所述同步电动机的定子的电极上的交流线圈的交流电压，维持于该转子的转速刚刚为零之前的所述交流电压的各相位上确定、各相位的电压值的比率上可变更的直流电压的模式。

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