JP2001169576A

JP2001169576A - 自己起動型同期モータ装置

Info

Publication number: JP2001169576A
Application number: JP34483199A
Authority: JP
Inventors: Masaya Inoue; 正哉井上; Osamu Usui; 修碓井; Yukari Tode; 結花利都出; Toyomi Oshige; 豊実大重
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】自己起動が可能であり、また商用電源から直
接給電して同期運転が可能で、しかも低コストで効率の
高い同期モータ装置を得る。【解決手段】同期モータ３と、商用電源１を直流に整
流変換したのち半導体素子により周波数変換するインバ
ータ２と、同期モータ３を、インバータ２と商用電源１
の何れか一方と接続するスイッチ４とを備え、起動時に
は、スイッチ４が同期モータ３とインバータ２とを接続
し、同期モータ３の回転数が商用周波数に対し、同期引
き入れ可能な回転数に達した後には、スイッチ４が同期
モータ３とインバータ２との接続を切断して同期モータ
３と商用電源１とを接続するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自己起動型の同期
モータ装置に関し、特に、起動後は商用電源で持続運転
可能な同期モータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】同期モータは回転数に応じてモータへ印
加する電源周波数を変化させることが必要であり、電源
周波数がモータ回転数と著しく異なる場合には同期外れ
により、いわゆる脱調状態となり起動できない。したが
って、通常、同期モータは電源周波数を変化させる手段
として半導体素子によるインバータを用いて駆動される
のが一般的である。しかし、インバータ装置のためのコ
ストが必要な点や、インバータ自体の電力損失が問題と
なる。したがって、インバータ無しで自己起動し、同期
引き入れできる同期モータの構成が望ましく、このよう
な課題を解決できる同期モータとしては、非同期運転可
能な誘導機に永久磁石モータを埋め込んだ、いわゆる誘
導起動方式の同期モータが一般的である。この種のもの
としては例えば特開平０４−２１０７５８号公報などが
挙げられ、起動用のカゴ型２次導体と同期後の磁束源と
しての永久磁石と回転軸とを配置したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、数ｋＷ
以下のモータでは回転子径が小さくこれら全てを回転子
断面内に納めることが困難になる。そのため小さく強力
な磁石が必要となり希土類系の磁石を用いるなどするた
め、モータコストが高くなる。また、ダイキャストなど
の２次導体回路を作成した回転子に永久磁石を挿入して
から着磁する場合、２次導体が一種のシールド作用を有
するために、着磁が困難である。そこで、回転子にあら
かじめ磁石を挿入してからダイキャストなどの２次導体
回路を作成しようとすると、ダイキャストのための熱に
より磁石のキュリー点を超え磁石として十分に機能しな
い。また、誘導機として起動するには、進行磁界を発生
するための固定子が必要であり、通常、コイルエンド部
に各相で重なりをもつ分布巻き線を必要とする。しか
し、分布巻きはコイルエンド部が大きくその銅損が多い
ため、電力損失が大きい。また、１ティースに対し一相
巻いた集中巻きの永久磁石モータに比べ、製造し難く、
製造コストがかかる。

【０００４】本発明は、前記のような従来のものの問題
点を解決するためになされたものであり、進行波成分を
僅かにしか有しない集中巻きの永久磁石式同期モータ
や、起動用のかご型２次導体が無い同期モータであって
も、自己起動が可能であり、また商用電源から直接給電
して同期運転が可能で、しかも低コストで効率の高い同
期モータ装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
る自己起動型同期モータ装置は、同期モータと、商用電
源を直流に変換したのち半導体素子により周波数変換す
る周波数変換装置と、前記同期モータを、前記周波数変
換装置と商用電源の何れか一方と接続するスイッチとを
備え、起動時には、前記スイッチが前記同期モータと前
記周波数変換装置とを接続し、前記同期モータの回転数
が商用周波数に対し、同期引き入れ可能な回転数に達し
た後は、前記スイッチが前記同期モータと前記周波数変
換装置との接続を切断して前記同期モータと前記商用電
源とを接続するようにしたものである。

【０００６】また、本発明の第２の構成による自己起動
型同期モータ装置は、同期モータと、商用電源を直流に
整流変換したのち半導体素子により周波数変換する周波
数変換装置と、前記周波数変換装置と前記同期モータと
を接続する配線に直列に挿入されたインダクタンス回路
と、前記同期モータと商用電源との接続を制御するスイ
ッチとを備え、起動時には、前記スイッチを切断状態と
して、前記周波数変換装置より前記同期モータへ給電
し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期
引き入れ可能な回転数に達した後は、前記スイッチを接
続状態として、前記周波数変換装置と前記商用電源の双
方より前記同期モータへ給電し、その後、前記周波数変
換装置から前記同期モータへの給電を切断し、前記商用
電源より直接前記同期モータへ給電するようにしたもの
である。

【０００７】また、本発明の第３の構成による自己起動
型同期モータ装置は、並列した２回路の巻線を有する同
期モータと、前記同期モータの一方の回路に接続され、
商用電源を直流に整流変換したのち半導体素子により周
波数変換する周波数変換装置とを備え、起動時には、前
記周波数変換装置より前記同期モータの少なくとも一方
の回路へ給電し、前記同期モータの回転数が商用周波数
に対し、同期引き入れ可能な回転数に達した後は、商用
電源より前記同期モータの少なくとも他方の回路へ給電
するようにしたものである。

【０００８】また、本発明の第４の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御するスイッチを
備え、起動時には、上記スイッチを切断状態として、周
波数変換装置より前記同期モータの一方の回路へ給電
し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期
引き入れ可能な回転数に達した後は、上記スイッチを接
続状態として、前記同期モータの２つの回路の双方に、
それぞれ前記周波数変換装置と前記商用電源より別々に
給電し、その後、前記周波数変換装置からの給電を切断
し、前記商用電源より前記同期モータの他方の回路へ給
電するようにしたものである。

【０００９】また、本発明の第５の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第４の構成において、同期モータ
の２つの回路のうち周波数変換装置に接続する一方の回
路の巻線の総断面積を、他方の回路の巻線の総断面積よ
り小さくしたものである。

【００１０】また、本発明の第６の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御する第１のスイ
ッチと、前記同期モータの２つの回路の接続を制御する
第２のスイッチとを備え、起動時には、第１のスイッチ
及び第２のスイッチを切断状態として、周波数変換装置
より前記同期モータの一方の回路へ給電し、前記同期モ
ータの回転数が商用周波数に対し、同期引き入れ可能な
回転数に達した後は、第１のスイッチを接続状態とし
て、前記同期モータの２つの回路の双方に、それぞれ前
記周波数変換装置と前記商用電源より別々に給電後、前
記周波数変換装置からの給電を切断し、その後第２のス
イッチを接続状態として、前記商用電源より前記同期モ
ータの２つの回路の双方に給電するようにしたものであ
る。

【００１１】また、本発明の第７の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御する第１のスイ
ッチと、前記同期モータの２つの回路の接続を制御する
第２のスイッチとを備え、起動時には、第１のスイッチ
を切断状態、第２のスイッチを接続状態として、周波数
変換装置より前記同期モータの２つの回路の双方に給電
し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期
引き入れ可能な回転数に達した後は、第２のスイッチを
切断状態、第１のスイッチを接続状態として、前記同期
モータの２つの回路の双方に、それぞれ前記周波数変換
装置と前記商用電源より別々に給電後、前記周波数変換
装置からの給電を切断し、その後第２のスイッチを接続
状態として、前記商用電源より前記同期モータの２つの
回路の双方に給電するようにしたものである。

【００１２】また、本発明の第８の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第１ないし第７の何れかの構成に
おいて、同期モータが集中巻きであり、永久磁石によっ
て界磁された回転子からなるものである。

【００１３】また、本発明の第９の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第８の構成において、同期モータ
の極：ティースの比が２：３であるものである。

【００１４】また、本発明の第１０の構成による自己起
動型同期モータ装置は、第１ないし第７の何れかの構成
において、同期モータが単層同心巻きであるものであ
る。

【００１５】また、本発明の第１１の構成による自己起
動型同期モータ装置は、第１ないし第１０の何れかの構
成において、商用三相電源の少なくとも何れか一相の電
圧位相を検出し、周波数変換装置の電圧位相を前記一相
の電圧位相とほぼ一致させた後に、同期モータへの給電
を周波数変換装置より商用電源に切り替えるようにした
ものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を図を用いて説明する。図１は本発明の実施
の形態１による自己起動型同期モータ装置を示す回路構
成図である。図において、１は商用三相電源、２は商用
電源を直流に整流変換したのち半導体素子により周波数
変換する周波数変換装置であり、一般的な電圧型インバ
ータ回路よりなる。インバータ２は、図示しないゲート
信号生成回路によって三相電源として構成されている。
３は被試験同期モータであり、スイッチ４を介して、商
用電源１とインバータ２のいずれかに投入される。スイ
ッチ４には電磁接触機、半導体スイッチ、リレーなどを
用いる。

【００１７】次に本実施の形態の動作について説明す
る。図２は本実施の形態１による自己起動型同期モータ
装置の動作を示すフローチャートである。始動時には、
ステップＳ１で、インバータ２を駆動し、モータ３はイ
ンバータ２によって駆動される。インバータ２は周波数
を徐々に増す。これによりモータ３は低周波始動により
同期運転し、周波数の増加にしたがって回転速度が上昇
する。ステップＳ２では回転数が、商用周波数に対して
同期引き入れ可能な回転数（４極機５０Ｈｚならば１５
００ｒｐｍ）付近に達したか否かを判定し、同期引き入
れ可能な回転数に達すれば、即座に、インバータ２をＯ
ＦＦする（ステップＳ３）と共に、スイッチ４に指令を
だし、同期モータ３とインバータ２との接続を切断して
同期モータ３と商用電源１とを接続し、モータ３への入
力を商用電源１に切り替える（ステップＳ４）。ステッ
プＳ５ではモータ３が同期運転しているか否かを確認
し、同期運転していなければステップＳ６で、スイッチ
４に指令をだし、同期モータ３を再度インバータ２に接
続して、モータ３への入力をインバータ２に切り替え
る。

【００１８】なお、ステップＳ２において、同期引き入
れ範囲か否かの判定を行うには回転数の検出手段を用い
る。これには一般的な回転検出器を用いるか、あるいは
インバータの電流周波数または電圧周波数を読み取る、
あるいはモータ端子電圧の誘起電圧から逆算するなどの
手段であっても検出可能である。また、ステップＳ５に
おいて、商用電源切替え後にモータ３が同期運転してい
るか否かを判断する際にも回転数の検出手段が必要であ
るが、外乱等で不可逆的に非同期運転となり失速して静
止すると、逆起電力が無くなることから、電流が急増す
るのでモータの電流を検知して電流の急変を検知する回
路を使って判別するなどの方法も考えられる。

【００１９】本実施の形態において、電源をインバータ
２から商用電源１へと切り替えた場合のモータ３の電
圧、電流挙動を図３に示す。図３（ａ）に切り替え時の
電流波形を、図３（ｂ）に電圧波形を、それぞれ時間軸
に対して示す。区間ｘにおいてモータ３はインバータ２
で駆動され、時刻αにてスイッチ４を商用電源１へ切り
替え、区間ｙがスイッチ４の切り替え時間、時刻βにて
商用電源１へスイッチ４が切り替わり、以降は商用電源
１にて運転を継続する。

【００２０】以上のように、本実施の形態では、インバ
ータ２によるモータ３の駆動は起動時のみであり、イン
バータ２の使用は極めて短時間の使用であるため、連続
的定格ではなく、過負荷条件で使用する。そのため主と
して熱的な制限からくる電流容量の制限に対しても、通
常の連続的に駆動するインバータ装置に比べて高くする
ことができ、インバータ装置のサイズが小さく低コスト
になるという効果が得られる。また、最終的に商用電源
に直結して駆動するために、連続運転時の効率にインバ
ータの変換効率が含まれず、電力を極めて高効率に動力
に変換するモータ装置が得られるという効果もある。

【００２１】実施の形態２．前記実施の形態１では図３
に示すように、切替え区間ｙにおいて無通電区間が発生
する。切替えスイッチ４が機械式の接点可動タイプのス
イッチなどではこの切替え区間に十数ｍｓｅｃ程度以上
かかるため、慣性が小さく大きな負荷条件が繋がった場
合などではこの間にモータ回転数が急降下し、商用電源
投入までに同期引き入れ範囲より外れる場合が有り得
る。そこで本実施の形態２ではこのような場合でも起動
出来る装置を示す。

【００２２】図４は本発明の実施の形態２による自己起
動型同期モータ装置を示す回路構成図である。図におい
て、４１は同期モータ３と商用電源１との接続を制御す
る第１のスイッチ、４２は同期モータ３とインバータ２
との接続を制御する第２のスイッチ、５はインバータ２
と同期モータ３とを接続する配線に直列に挿入されたイ
ンダクタンス回路である。

【００２３】次に本実施の形態の動作について説明す
る。図５は本実施の形態２による自己起動型同期モータ
装置の動作を示すフローチャートである。始動時には、
ステップＳ１で、インバータ２を駆動し、第２のスイッ
チ４２をＯＮ状態として、モータ３をインバータ２より
回転数に応じた周波数を印加して加速する。ステップＳ
２では回転数が、商用周波数に対して同期引き入れ可能
な回転数（４極機５０Ｈｚならば１５００ｒｐｍ）付近
に達したか否かを判定し、同期引き入れ可能な回転数に
達すれば、第２のスイッチ４２をＯＮ状態のまま、商用
電源１とモータ３を接続する第１のスイッチ４１もＯＮ
とする（ステップＳ４１）。この間においてはインバー
タ２と商用電源１とが共にモータ３に接続された状態で
双方からモータへ給電する。その後、第２のスイッチ４
２をＯＦＦとする指令を出し（ステップＳ４２）、同期
モータ３とインバータ２との接続を切断して同期モータ
３と商用電源１とを接続し、モータ３への入力を商用電
源１に切り替え、ステップＳ３では、インバータ２をＯ
ＦＦする。ステップＳ５ではモータ３が同期運転してい
るか否かを確認し、同期運転していなければステップＳ
６１，Ｓ６２で、第１のスイッチ４１をＯＦＦ、第２の
スイッチ４２をＯＮとする指令を出し、同期モータ３を
再度インバータ２に接続して、モータ３への入力をイン
バータ２に切り替える。

【００２４】なお、ステップＳ４１において、第２のス
イッチ４２をＯＮ状態のまま、第１のスイッチ４１もＯ
Ｎとし、インバータ２と商用電源１との双方からモータ
３へ給電する際に、インバータ２はスイッチング電源で
あるので、実効電圧は商用電源１とほぼ等しくとも瞬時
電圧では商用電源１との間に電圧を発生し短絡電流が流
れる。そこで本実施の形態２では、図４に示すように、
インダクタンス回路５がインバータ回路と第２のスイッ
チ４２間に設けられている。これにより電位差が瞬時的
に発生した場合でもインダクタンス回路５は過大な短絡
電流を抑制する効果がある。インダクタンス回路５は要
求するインダクタンスが大きい場合はリアクトルを用い
るが、スイッチング周波数が高い場合などでは配線長を
長く配置するだけでも実現できる。また同期後商用電源
１に切り替えた後はインバータ２からの給電は無いので
インダクタンス回路５の損失は問題とならない。

【００２５】なお、このとき商用電源とインバータ電源
の位相をほぼ一致させることが望ましい。そこでインバ
ータ２に接続されるゲート信号生成回路を、例えば図６
に示すような構成とし、インバータ２の周波数が商用電
源付近になると、商用三相電源の少なくとも何れか一相
の電圧位相を検出し、周波数変換装置の電圧位相を前記
一相の電圧位相とほぼ一致させることにより、インバー
タ電源と商用電源との同期化を計ることができるように
なる。図６は一相分の回路を示す。図６において、１は
商用三相電源の任意の一相であり、６は電圧検出器、７
は比較器、８は搬送波である。９は反転回路であり、信
号スイッチ１０を介してそれぞれインバータ２の上下ア
ーム素子へスイッチング命令を出すことにより商用電源
１に同期した三相電圧を発生する。

【００２６】このように、本実施の形態２では、同期モ
ータに商用電源とインバータ電源を並列接続した場合で
も商用電源の位相を参照する手段を設けることにより、
商用電源と位相の一致したＰＷＭ信号あるいは１２０度
矩形波信号でインバータ電源を駆動することができ、イ
ンバータ電源と商用電源の双方から同時にモータへ給電
されても、互いの電位差によって生じる短絡大電流は無
く、またモータへは同位相で同一トルク方向へ電流を供
給できるという効果がある。

【００２７】なお、図４において第２のスイッチ４２
を、インバータ２とモータ３を接続する位置に配置した
が、図４のＡ位置もしくはＡ’位置に示すような、イン
バータ回路におけるダイオード素子と半導体素子を接続
する位置に配置してもよく、その場合は半導体素子数を
削減できるという効果がある。また、第２のスイッチ４
２を配置する代わりに、インバータ回路における半導体
スイッチング素子を制御して、インバータより同期モー
タへの給電を制御するようにしてもよい。

【００２８】実施の形態３．前記実施の形態１、２にお
いて用いたスイッチは、リレー、電磁接触機のような機
械的に接点を可動させるスイッチであり、これらは低コ
ストであるが接点移動の切り替え時間が長い。スイッチ
の切り替えに要する時間が長い場合には、図３に示すよ
うに、モータに電流が流れない期間ｙが発生し、その間
はモータにトルクが発生しないために回転数が低下して
しまう。また切替え時間が極端に長い場合では同期引き
入れ範囲を外れてしまい切り替え不能になる。これを避
けるために、半導体素子などの切り替え時間がきわめて
短いスイッチの使用が望ましいが、その場合、コストや
寿命の点で不利である。そこで、本実施の形態３では、
切り替えに要する時間が長いスイッチを用いた場合にお
いても、実施の形態２のように、インダクタンス回路を
設けることなく、回転数の低下等の問題のない装置を示
す。

【００２９】図７は本発明の実施の形態３による自己起
動型同期モータ装置を示す回路構成図である。図におい
て、同期モータ３は、１ティースに一相のみ巻いた集中
巻きの永久磁石式同期モータであり、またその巻線は、
並列した２回路の巻線により構成されている。１１は商
用電源１と同期モータ３の一方の回路との接続を制御す
る第１のスイッチであり、商用電源１より同期モータ３
の一方の回路への給電を制御する。１２はインバータ回
路内に設けられた第２のスイッチであり、インバータ２
より同期モータ３の他方の回路への給電を制御する。図
８は本実施の形態３に係わる同期モータの巻線配置を示
す構成図であり、同一のティースにＵ₁とＵ₂、Ｖ₁と
Ｖ₂、Ｗ₁とＷ₂の２つの巻線を設けて、極の位置と無関
係に並列回路を構成している。また、インバータ２に接
続される回路の巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ ₁）の総断面積が、
商用電源１に第１のスイッチ１１を介して接続される回
路の巻線（Ｕ₂，Ｖ₂，Ｗ₂）の総断面積より小さくなる
ように構成されている。

【００３０】次に本実施の形態の動作について説明す
る。まず、第２のスイッチ１２をＯＮとし、第１のスイ
ッチ１１をＯＦＦとして、インバータ２に接続した巻線
（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）により同期モータ３を起動する。回
転数が同期引き入れ可能な回転数に達すると、第１のス
イッチ１１をＯＮとし、商用電源１を並行投入する。こ
の間は同期モータ３の２つの回路は、それぞれ商用電源
とインバータ電源とで別々に駆動される。その後、第２
のスイッチ１２をＯＦＦとして、インバータ素子全てを
開放することにより、同期モータ３の巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，
Ｗ₁）への給電を切断し、商用電源１に接続した回路に
より同期モータ３を駆動する。

【００３１】インバータ２に接続した巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，
Ｗ₁）は起動時のみの通電であるために短時間での使用
であり、図８に示すように、線径を、商用電源１に接続
した巻線（Ｕ₂，Ｖ₂，Ｗ₂）より細くするなど、巻線
（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）の断面積を巻線（Ｕ₂，Ｖ₂，Ｗ₂）の
断面積より小さくすれば、商用電源１に接続した巻線
（Ｕ₂，Ｖ₂，Ｗ₂）の抵抗を小さくすることができ、巻
線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）を有することによって巻線（Ｕ₂，
Ｖ₂，Ｗ₂）の抵抗が増大することを最小限に抑えた効率
の高い同期モータが得られる。

【００３２】また、本実施の形態によれば、並行投入区
間を設けたために、第１のスイッチ１１および第２のス
イッチ１２の切替え時間が長くても、いずれか一方の巻
線が常時駆動力を発生しているために、モータは同期回
転を続ける作用があり、開閉速度の遅いスイッチであっ
てもよく、接点可動式などのの簡易なスイッチが使える
ため起動システム全体のコストを低減することができる
という効果がある。

【００３３】また、瞬時の過大トルクなどによって永久
磁石モータが脱調した場合でも、モータ３内にインバー
タ２に接続する巻線が常時設けられているため、第２の
スイッチ１２をＯＮすることでインバータ駆動が即座に
行えるため、いち早く商用周波数への同期引き入れ復帰
が可能になるという効果がある。さらには、同期モータ
２のインバータ駆動用の巻線ターン数と商用電源駆動用
の巻線ターン数を独立して設計できるという効果もあ
る。

【００３４】なお、図７において第２のスイッチ１２
を、インバータ回路におけるダイオード素子と半導体素
子を接続する位置に設けたが、インバータ２と同期モー
タ３の巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）とを接続する各配線中に
配置してもよい。また、第２のスイッチ１２を配置する
代わりに、インバータ回路における半導体スイッチング
素子を制御して、インバータより同期モータの巻線（Ｕ
₁，Ｖ₁，Ｗ₁）への給電を制御するようにしてもよい。

【００３５】実施の形態４．前記実施の形態３では同期
モータ３の２つの回路を、インバータ駆動用の回路と商
用電源駆動用の回路とに区分するものを示したが、本実
施の形態４では、インバータ電源と商用電源とを平行投
入した後に、同期モータ３の２つの回路を接続し、並列
回路として商用電源で駆動するものを示す。

【００３６】図９は本発明の実施の形態４による自己起
動型同期モータ装置の主要部を示す回路構成図である。
図において、同期モータ３は、１ティースに一相のみ巻
いた集中巻きの永久磁石式同期モータであり、またその
巻線は、並列した２回路の巻線により構成されている。
１３は商用電源１と同期モータ３の一方の回路との接続
を制御する第１のスイッチであり、商用電源１より同期
モータ３の一方の回路への給電を制御する。１４は同期
モータ３の２つの回路の接続を制御する第２のスイッチ
である。図１０は本実施の形態４に係わる同期モータの
巻線配置を示す構成図であり、同一のティースにＵ₁と
Ｕ₂、Ｖ₁とＶ₂、Ｗ₁とＷ₂の２つの巻線を設けて、極の
位置と無関係に並列回路を構成している。

【００３７】次に本実施の形態の動作について説明す
る。起動時には、第１のスイッチ１３及び第２のスイッ
チ１４をＯＦＦとして、インバータ２を駆動し、インバ
ータ２より、巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）で構成される同期
モータ３の一方の回路へ給電する。同期モータの回転数
が同期引き入れ可能な回転数に達すると、第１のスイッ
チ１３をＯＮして、巻線（Ｕ₂，Ｖ₂，Ｗ₂）で構成され
る同期モータ３の他方の回路へも給電し、同期モータ３
の２つの回路の双方を駆動する。即ち、この間は一方の
回路はインバータ電源、他方の回路は商用電源１で独立
して同時に電源が供給され、同期モータ３を駆動する。
その後、インバータ回路における半導体スイッチング素
子を制御して、インバータより同期モータの巻線
（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）への給電を切断し、さらに、第２の
スイッチ１４をＯＮして、同期モータの２つの回路を接
続し、同期モータの２つの回路を並列回路として、２つ
の回路の双方に、商用電源１より給電する。以降は連続
的に商用電源１で同期モータ３の２つの回路を駆動す
る。

【００３８】本実施の形態４によれば、実施の形態３と
同様に、並行投入区間を設けたために、インバータ電源
から商用電源への切り替え時間が長くとも、いずれか一
方の巻線が常時駆動力を発生しているために、モータは
同期回転を続ける作用があり、開閉速度の遅いスイッチ
であってもよく、接点可動式などのの簡易なスイッチが
使えるため起動システム全体のコストを低減することが
できるという効果がある。

【００３９】また、実施の形態３に比べ、スイッチの数
等、構成が複雑となるが、同期引き入れ後、同期モータ
を構成する巻線全部を使用してモータを駆動するため、
巻線が有効に使用でき、モータの効率が上がる効果があ
る。

【００４０】なお、図９の構成において、次のような動
作を実施してもよい。即ち、始動時に、第１のスイッチ
１３をＯＦＦとし、第２のスイッチ１４をＯＮとして、
インバータ２を駆動し、インバータ２より、巻線
（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）と巻線（Ｕ₂，Ｖ ₂，Ｗ₂）とで構成さ
れる同期モータ３の２つの回路へ給電する。同期モータ
の回転数が同期引き入れ可能な回転数に達すると、第２
のスイッチをＯＦＦとした後に、第１のスイッチ１３を
ＯＮして、同期モータ３の２つの回路の双方を別々の電
源により駆動する。即ち、一方の回路はインバータ電
源、他方の回路は商用電源１で独立して同時に電源が供
給され、同期モータ３を駆動する。その後、上述した本
実施の形態４と同様に、インバータ回路における半導体
スイッチング素子を制御して、インバータより同期モー
タの巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）への給電を切断し、さら
に、第２のスイッチ１４を再度ＯＮして、同期モータの
２つの回路を接続し、同期モータの２つの回路を並列回
路として、２つの回路の双方に、商用電源１より給電す
る。以降は連続的に商用電源１で同期モータ３の２つの
回路を駆動する。このようにすれば、同期引き入れ後の
みならず、始動時においても、同期モータを構成する巻
線全部を使用してモータを駆動するため、巻線が有効に
使用でき、モータの効率が上がる効果がある。

【００４１】なお、本実施の形態においてはインバータ
回路における半導体スイッチング素子を制御して、イン
バータより同期モータの巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）への給
電を制御するようにしたが、インバータ２と同期モータ
３の巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）とを接続する各配線中、あ
るいはインバータ回路におけるダイオード素子と半導体
素子を接続する位置に、第３のスイッチを設け、インバ
ータより同期モータの巻線（Ｕ₁，Ｖ₁，Ｗ₁）への給電
を制御するようにしてもよい。

【００４２】また、実施の形態３、４においては、同期
モータ３をインバータ２を用いて起動後、同期モータ３
の回転数が同期引き入れ可能な回転数に達すると、スイ
ッチを制御して、同期モータ３の２つの回路の双方に別
々の電源より給電し、一方の回路はインバータ電源、他
方の回路は商用電源１で独立して駆動する区間を設けた
が、スイッチの切替え時間が短い場合等にはこのような
区間を設けずに、同期モータ３の回転数が同期引き入れ
可能な回転数に達すれば、即座に、インバータ２よりの
給電を切断して、商用電源１より給電するようにしても
よい。このようにすれば、最終的に商用電源に直結して
駆動するために、連続運転時の効率にインバータの変換
効率が含まれず、電力を極めて高効率に動力に変換する
モータ装置が得られるという効果がある。

【００４３】また、実施の形態３、４の同期モータ３に
おいて、並列した２つの回路を構成する方法としては、
図８、図１０に示すように、同一のティースにＵ₁と
Ｕ₂、Ｖ ₁とＶ₂、Ｗ₁とＷ₂の２つの巻線を設けて、極の
位置と無関係に並列回路を構成する方法と、図１１に示
すように、ティース毎に設けた巻線により極の位置に対
応して並列回路を構成する方法がある。図１１に示すよ
うに、巻線を極に対応させて並列とした場合（極間並
列）は、モータの各ティースをそれぞれ単一の巻線で巻
くことができるために自動巻線がしやすくなるという効
果がある。また、図８、図１０、図１１に示すように、
１ティースに一相巻きまわし、コイルエンドに重なりを
もたない集中巻きの場合において、極：スロットの組み
合わせの比が２極：３スロットとすることは、４極機、
６極機であっても２極単位の並列巻線が成立するため、
自動巻線がしやすく、モータコストが低減できるなどの
効果が得られる

【００４４】また、実施の形態３、４の同期モータ３
は、前述のように集中巻きの永久磁石式同期モータを用
いたが、巻線に重ね部を持つ分布巻きでもよく、この場
合は、図１２に示すように、２極に一相の巻線を配置す
る単層同心巻き線とすることで、製造が容易で、かつ２
極単位の並列巻線を得ることが出来る。また、この場合
は永久磁石式同期モータのみならず、リラクタンスモー
タ等の同期モータであってもよい。

【００４５】また、前記各実施の形態では三相を前提と
して説明したが、三相以外であっても同様に成立するこ
とはいうまでもない。例えばインバータ用の整流ダイオ
ード素子を三相ダイオードとしたが、起動時のみでの使
用で、モータのリップル等は無視できるので二相ダイオ
ードブリッジによる整流であってもよく、その場合ダイ
オード素子の数が少なく低コストになるという効果が得
られる。

【００４６】また、商用電源が単相であっても、単相起
動、単相で同期引き入れする場合でも同様に前記各実施
の形態が適用できる。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、この発明の第１の構成に
よれば、同期モータと、商用電源を直流に変換したのち
半導体素子により周波数変換する周波数変換装置と、前
記同期モータを、前記周波数変換装置と商用電源の何れ
か一方と接続するスイッチとを備え、起動時には、前記
スイッチが前記同期モータと前記周波数変換装置とを接
続し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同
期引き入れ可能な回転数に達した後は、前記スイッチが
前記同期モータと前記周波数変換装置との接続を切断し
て前記同期モータと前記商用電源とを接続するようにし
たので、集中巻きの永久磁石式同期モータや、起動用の
かご型２次導体が無い同期モータであっても、自己起動
が可能であり、また商用電源から直接給電して同期運転
が可能で、しかも低コストで効率の高い同期モータ装置
が得られるという効果がある。

【００４８】また、本発明の第２の構成による自己起動
型同期モータ装置は、同期モータと、商用電源を直流に
整流変換したのち半導体素子により周波数変換する周波
数変換装置と、前記周波数変換装置と前記同期モータと
を接続する配線に直列に挿入されたインダクタンス回路
と、前記同期モータと前記商用電源との接続を制御する
スイッチとを備え、起動時には、前記スイッチを切断状
態として、前記周波数変換装置より前記同期モータへ給
電し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同
期引き入れ可能な回転数に達した後は、前記スイッチを
接続状態として、前記周波数変換装置と前記商用電源の
双方より前記同期モータへ給電し、その後、前記周波数
変換装置から前記同期モータへの給電を切断し、前記商
用電源より直接前記同期モータへ給電するようにしたの
で、起動後、商用電源に切替える際に時間がかかる場合
においても、同期引き入れが可能となるため、安価なス
イッチの使用も可能であり、信頼性が高く、かつ低コス
トの装置が得られる効果がある。

【００４９】また、本発明の第３の構成による自己起動
型同期モータ装置は、並列した２回路の巻線を有する同
期モータと、前記同期モータの一方の回路に接続され、
商用電源を直流に整流変換したのち半導体素子により周
波数変換する周波数変換装置とを備え、起動時には、前
記周波数変換装置より前記同期モータの少なくとも一方
の回路へ給電し、前記同期モータの回転数が商用周波数
に対し、同期引き入れ可能な回転数に達した後は、商用
電源より前記同期モータの少なくとも他方の回路へ給電
するようにしたので、集中巻きの永久磁石式同期モータ
や、起動用のかご型２次導体が無い同期モータであって
も、自己起動が可能であり、また商用電源から直接給電
して同期運転が可能で、しかも低コストで効率の高い同
期モータ装置が得られるという効果がある。

【００５０】また、本発明の第４の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御するスイッチを
備え、起動時には、上記スイッチを切断状態として、周
波数変換装置より前記同期モータの一方の回路へ給電
し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期
引き入れ可能な回転数に達した後は、上記スイッチを接
続状態として、前記同期モータの２つの回路の双方に、
それぞれ前記周波数変換装置と前記商用電源より別々に
給電し、その後、前記周波数変換装置からの給電を切断
し、前記商用電源より前記同期モータの他方の回路へ給
電するようにしたので、起動後、商用電源に切替える際
に時間がかかる場合においても、同期引き入れが可能と
なるため、安価なスイッチの使用も可能であり、信頼性
が高く、かつ低コストの装置が、簡単な回路構成により
得られる効果がある。

【００５１】また、本発明の第５の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第４の構成において、同期モータ
の２つの回路のうち周波数変換装置に接続する一方の回
路の巻線の総断面積を、他方の回路の巻線の総断面積よ
り小さくしたので、始動用の巻線を有することによって
商用電源より給電される巻線の抵抗が増大することを最
小限に抑えた効率の高い同期モータが得られる効果があ
る。

【００５２】また、本発明の第６の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御する第１のスイ
ッチと、前記同期モータの２つの回路の接続を制御する
第２のスイッチとを備え、起動時には、第１のスイッチ
及び第２のスイッチを切断状態として、周波数変換装置
より前記同期モータの一方の回路へ給電し、前記同期モ
ータの回転数が商用周波数に対し、同期引き入れ可能な
回転数に達した後は、第１のスイッチを接続状態とし
て、前記同期モータの２つの回路の双方に、それぞれ前
記周波数変換装置と前記商用電源より別々に給電後、前
記周波数変換装置からの給電を切断し、その後第２のス
イッチを接続状態として、前記商用電源より前記同期モ
ータの２つの回路の双方に給電するようにしたので、起
動後、商用電源に切替える際に時間がかかる場合におい
ても、同期引き入れが可能となるため、安価なスイッチ
の使用も可能であり、信頼性が高く、かつ低コストの装
置が、簡単な回路構成により得られる効果がある。さら
に、同期引き入れ後、同期モータを構成する巻線全部を
使用してモータを駆動するため、巻線が有効に使用で
き、モータの効率が上がる効果がある。

【００５３】また、本発明の第７の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第３の構成において、同期モータ
の他方の回路と商用電源との接続を制御する第１のスイ
ッチと、前記同期モータの２つの回路の接続を制御する
第２のスイッチとを備え、起動時には、第１のスイッチ
を切断状態、第２のスイッチを接続状態として、周波数
変換装置より前記同期モータの２つの回路の双方に給電
し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期
引き入れ可能な回転数に達した後は、第２のスイッチを
切断状態、第１のスイッチを接続状態として、前記同期
モータの２つの回路の双方に、それぞれ前記周波数変換
装置と前記商用電源より別々に給電後、前記周波数変換
装置からの給電を切断し、その後第２のスイッチを接続
状態として、前記商用電源より前記同期モータの２つの
回路の双方に給電するようにしたので、起動後、商用電
源に切替える際に時間がかかる場合においても、同期引
き入れが可能となるため、安価なスイッチの使用も可能
であり、信頼性が高く、かつ低コストの装置が、簡単な
回路構成により得られる効果がある。さらに、同期引き
入れ後のみならず、始動時においても、同期モータを構
成する巻線全部を使用してモータを駆動するため、巻線
が有効に使用でき、モータの効率が上がる効果がある。

【００５４】また、本発明の第８の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第１ないし第７の何れかの構成に
おいて、同期モータが集中巻きであり、永久磁石によっ
て界磁された回転子からなるので、電力損失が小さく、
また、量産性に優れた低コストのモータ装置が得られる
効果がある。

【００５５】また、本発明の第９の構成による自己起動
型同期モータ装置は、第８の構成において、同期モータ
の極：ティースの比が２：３であるので、量産性に優れ
た低コストのモータ装置が得られる効果がある。

【００５６】また、本発明の第１０の構成による自己起
動型同期モータ装置は、第１ないし第７の何れかの構成
において、同期モータが単層同心巻きであるので、量産
性に優れた低コストのモータ装置が得られる効果があ
る。

【００５７】また、本発明の第１１の構成による自己起
動型同期モータ装置は、第１ないし第１０の何れかの構
成において、商用三相電源の少なくとも何れか一相の電
圧位相を検出し、周波数変換装置の電圧位相を前記一相
の電圧位相とほぼ一致させた後に、同期モータへの給電
を周波数変換装置より商用電源に切り替えるようにした
ので、周波数変換装置と商用電源との同期化を計ること
ができ、効率のよい装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による自己起動型同期
モータ装置を示す回路構成図である。

【図２】本発明の実施の形態１による自己起動型同期
モータ装置の動作を示すフローチャートである。

【図３】本発明の実施の形態１による自己起動型同期
モータ装置の起動時の電流、電圧挙動を示す説明図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態２による自己起動型同期
モータ装置を示す回路構成図である。

【図５】本発明の実施の形態２による自己起動型同期
モータ装置の動作を示すフローチャートである。

【図６】この発明の実施の形態２に係わるゲート信号
生成回路を示す回路構成図である。

【図７】本発明の実施の形態３による自己起動型同期
モータ装置を示す回路構成図である。

【図８】本発明の実施の形態３に係わる同期モータの
巻線配置を示す構成図である。

【図９】本発明の実施の形態４による自己起動型同期
モータ装置の主要部を示す回路構成図である。

【図１０】本発明の実施の形態４に係わる同期モータ
の巻線配置を示す構成図である。

【図１１】本発明の実施の形態３、４に係わる同期モ
ータの他の巻線配置を示す構成図である。

【図１２】本発明の実施の形態３、４に係わる同期モ
ータのさらに他の巻線配置を示す構成図である。

【符号の説明】

１商用電源、２インバータ、３同期モータ、４，
４１，４２，１１，１２，１３，１４スイッチ、５
インダクタンス回路、６電圧検出回路、７比較回路、
８搬送波、９反転回路、１０信号スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者都出結花利東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者大重豊実東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H001 AA03 AB01 AC04 AD02 AE04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同期モータと、商用電源を直流に変換し
たのち半導体素子により周波数変換する周波数変換装置
と、前記同期モータを、前記周波数変換装置と商用電源
の何れか一方と接続するスイッチとを備え、起動時に
は、前記スイッチが前記同期モータと前記周波数変換装
置とを接続し、前記同期モータの回転数が商用周波数に
対し、同期引き入れ可能な回転数に達した後は、前記ス
イッチが前記同期モータと前記周波数変換装置との接続
を切断して前記同期モータと前記商用電源とを接続する
ようにしたことを特徴とする自己起動型同期モータ装
置。
【請求項２】同期モータと、商用電源を直流に整流変
換したのち半導体素子により周波数変換する周波数変換
装置と、前記周波数変換装置と前記同期モータとを接続
する配線に直列に挿入されたインダクタンス回路と、前
記同期モータと商用電源との接続を制御するスイッチと
を備え、起動時には、前記スイッチを切断状態として、
前記周波数変換装置より前記同期モータへ給電し、前記
同期モータの回転数が商用周波数に対し、同期引き入れ
可能な回転数に達した後は、前記スイッチを接続状態と
して、前記周波数変換装置と前記商用電源の双方より前
記同期モータへ給電し、その後、前記周波数変換装置か
ら前記同期モータへの給電を切断し、前記商用電源より
直接前記同期モータへ給電するようにしたことを特徴と
する自己起動型同期モータ装置。
【請求項３】並列した２回路の巻線を有する同期モー
タと、前記同期モータの一方の回路に接続され、商用電
源を直流に整流変換したのち半導体素子により周波数変
換する周波数変換装置とを備え、起動時には、前記周波
数変換装置より前記同期モータの少なくとも一方の回路
へ給電し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対
し、同期引き入れ可能な回転数に達した後は、商用電源
より前記同期モータの少なくとも他方の回路へ給電する
ようにしたことを特徴とする自己起動型同期モータ装
置。
【請求項４】請求項３記載の自己起動型同期モータ装
置において、同期モータの他方の回路と商用電源との接
続を制御するスイッチを備え、起動時には、上記スイッ
チを切断状態として、周波数変換装置より前記同期モー
タの一方の回路へ給電し、前記同期モータの回転数が商
用周波数に対し、同期引き入れ可能な回転数に達した後
は、上記スイッチを接続状態として、前記同期モータの
２つの回路の双方に、それぞれ前記周波数変換装置と前
記商用電源より別々に給電し、その後、前記周波数変換
装置からの給電を切断し、前記商用電源より前記同期モ
ータの他方の回路へ給電するようにしたことを特徴とす
る自己起動型同期モータ装置。
【請求項５】請求項４記載の自己起動型同期モータ装
置において、同期モータの２つの回路のうち周波数変換
装置に接続する一方の回路の巻線の総断面積を、他方の
回路の巻線の総断面積より小さくしたことを特徴とする
自己起動型同期モータ装置。
【請求項６】請求項３記載の自己起動型同期モータ装
置において、同期モータの他方の回路と商用電源との接
続を制御する第１のスイッチと、前記同期モータの２つ
の回路の接続を制御する第２のスイッチとを備え、起動
時には、第１のスイッチ及び第２のスイッチを切断状態
として、周波数変換装置より前記同期モータの一方の回
路へ給電し、前記同期モータの回転数が商用周波数に対
し、同期引き入れ可能な回転数に達した後は、第１のス
イッチを接続状態として、前記同期モータの２つの回路
の双方に、それぞれ前記周波数変換装置と前記商用電源
より別々に給電後、前記周波数変換装置からの給電を切
断し、その後第２のスイッチを接続状態として、前記商
用電源より前記同期モータの２つの回路の双方に給電す
るようにしたことを特徴とする自己起動型同期モータ装
置。
【請求項７】請求項３記載の自己起動型同期モータ装
置において、同期モータの他方の回路と商用電源との接
続を制御する第１のスイッチと、前記同期モータの２つ
の回路の接続を制御する第２のスイッチとを備え、起動
時には、第１のスイッチを切断状態、第２のスイッチを
接続状態として、周波数変換装置より前記同期モータの
２つの回路の双方に給電し、前記同期モータの回転数が
商用周波数に対し、同期引き入れ可能な回転数に達した
後は、第２のスイッチを切断状態、第１のスイッチを接
続状態として、前記同期モータの２つの回路の双方に、
それぞれ前記周波数変換装置と前記商用電源より別々に
給電後、前記周波数変換装置からの給電を切断し、その
後第２のスイッチを接続状態として、前記商用電源より
前記同期モータの２つの回路の双方に給電するようにし
たことを特徴とする自己起動型同期モータ装置。
【請求項８】請求項１ないし７の何れかに記載の自己
起動型同期モータ装置において、同期モータは集中巻き
であり、永久磁石によって界磁された回転子からなるこ
とを特徴とする自己起動型同期モータ装置。
【請求項９】請求項７記載の自己起動型同期モータ装
置において、同期モータは極：ティースの比が２：３で
あることを特徴とする自己起動型同期モータ装置。
【請求項１０】請求項１ないし７の何れかに記載の自
己起動型同期モータ装置において、同期モータは単層同
心巻きであることを特徴とする自己起動型同期モータ装
置。
【請求項１１】請求項１ないし１０の何れかに記載の
自己起動型同期モータ装置において、商用三相電源の少
なくとも何れか一相の電圧位相を検出し、周波数変換装
置の電圧位相を前記一相の電圧位相とほぼ一致させた後
に、同期モータへの給電を周波数変換装置より商用電源
に切り替えるようにしたことを特徴とする自己起動型同
期モータ装置。