JP2003520561A - 可変電圧−周波数比を持つ誘導モータの速度制御 - Google Patents

可変電圧−周波数比を持つ誘導モータの速度制御

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JP2003520561A JP2001553648A JP2001553648A JP2003520561A JP 2003520561 A JP2003520561 A JP 2003520561A JP 2001553648 A JP2001553648 A JP 2001553648A JP 2001553648 A JP2001553648 A JP 2001553648A JP 2003520561 A JP2003520561 A JP 2003520561A
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Abstract

(57)【要約】 駆動電圧の振幅及び周波数を変調させることで電気的誘導モータの速度を制御するモータ速度制御である。負荷が増大する場合、この速度制御は、駆動電圧の周波数に関して、相対的に一定となるようにこの速度を制御する。好ましくは、この速度制御は、周波数の二乗に比例して駆動電圧の振幅を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動電圧の変調、特にこの電圧の振幅及び周波数を変調させること
で電気的誘導モータの速度を制御する速度制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記速度制御は、米国特許公報ＵＳＡ−４，３２７，３１５から既知である。
上記特許公報は、ＬＦモータ電圧（約１−１００Ｈｚからなる比較的低い周波数
の電圧）がＨＦパルス幅制御（約１−１００ｋＨｚからなる比較的高い周波数で
のパルス幅制御）により得られる誘導モータが記載されている。この速度制御は
、いわゆるＶ／ｆ原理に基づいている。これは、速度（ｆ）が増大するにつれて
、モータ電圧も比例して上がることを意味する。このやり方において、Ｖ・ｓ（
ボルト秒）で表されるモータコイル内の電束量は一定となり、最大のモータトル
クは一定となる。
【０００３】 電気モータにおいて、駆動電圧は、固定子における回転場(rotating field)を
確立し、これに回転子が後続する。モータの速度は、駆動電圧を変調させること
で影響を受ける。一般的に、駆動電圧を増大させる及び／又は駆動電圧の周波数
を増大させることで速度が増大すると考えられている。負荷の無い状態では、回
転子は、回転場と同期して動いている。負荷が掛かっているとき、モータは、回
転場の周波数の約８０％までの低い速度で回転する。誘導モータは、回転子の速
度差及び固定子のポール（いわゆるスリップ）間に確立される回転場の周波数に
よってのみモータトルクを発する。以後、周波数は、他に明言しない限り、固定
子に確立された回転場の周波数、すなわち駆動電圧の周波数を意味すると理解さ
れる。
【０００４】 負荷が掛かっている速度は、動作点と呼ばれる。モータトルクが一定であると
き、この動作点は、負荷が増大するにつれて、段々と低い速度へシフトされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電気機器用の誘導モータは、比較的安価で製造されるので、これらモータは産
業界に普及している。しかしながら、この型式のモータを使用する可能性は、低
い速度、特に低速での負荷トルクが比較的小さい場合の使用に制限されてしまう
。モータの速度と回転場の周波数との差の結果として、回転子は、回転場の１サ
イクルにおいて交互に加速及び減速される。この脈動の周波数は、回転場の周波
数の２倍である。この脈動トルクの結果として、モータは堅実さを失って働き、
低い速度でより多くの雑音を発生させる。
【０００６】 このような状況は、例えばファン又はポンプの場合に起こる。上記機器の場合
、低い速度での負荷トルクは、モータトルクよりもかなり小さくなり、この結果
として、モータはドンドンと音を立て始め、脈動トルク及び飽和効果のためにも
はや堅実には動かない。既知の速度制御は、特に電気的誘導モータがエアクリー
ナのファンに用いられる場合には満足いくものではない。このようなエアクリー
ナは、比較的低い速さで、多くのクリーニングフィルタを介して空気を与える。
空気の流れにより発する音の影響は、比較的小さくなる。それにもかかわらず、
ファンがあるための、空気の流れにより発せられる雑音レベルは、かなり高い。
この影響は不快と感じる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、前記欠点を解消することであり、電気的誘導モータを低い速
度で静かに且つ堅実に動かさせる速度制御を提供することである。本発明の更な
る目的は、簡単、且つ安価に製造される、特にファン又はポンプに使用する上記
速度制御を有する電気モータを供給することである。冒頭の段落に規定された型
式の速度制御において、本目的は、速度制御は、周波数ｆが変化するとき式Ｖ＝
ｂ・ｆｘに従って駆動電圧の振幅Ｖを制御することである。この式において、ｘ
は１より大きく３より小さい値を持ち、ｂは一定である。
【０００８】 好ましい実施例において、ｘの値は１．５よりも大きく、２．５よりも小さい
値で、好ましくは２である。この速度制御は、低い速度において最大のモータト
ルクは公知のＶ／ｆ制御の場合よりもかなり小さくなり、この結果として、モー
タは良好且つより静かに動く。モータトルクが負荷に対し常に最適化されるので
、低い速度での飽和効果はわずかしか聞き取れない。固定子の回転場における高
調波の歪みは、あまり起こらず、この結果としてモータがより静かになる。電気
モータがファン又はポンプとして使用されるとき、負荷トルクは論理上では速度
の二乗の関数である。これは、低い速度での負荷トルクが、前記米国特許出願に
記載されるように、この速度に比例するモータ電圧で動作するモータのモータト
ルクよりもかなり小さいことを意味する。この速度制御は、周波数の二乗に比例
して、駆動電圧の振幅を制御し、この結果として値ｘは２となる。
【０００９】 この速度制御がエアクリーナの電気モータに用いられるとき、このクリーナは
、低い速度で非常に静かに動作する。
【００１０】 本発明は、多相駆動電圧、例えば３相の駆動電圧で用いられる。しかしながら
、この型式の駆動電圧は、家庭用に使用されるモータ、特にエアクリーナのファ
ンのモータには一般的でない。加えて、これらモータは、いずれにせよ低い速度
で堅実に動作するので、多相駆動電圧の場合のこの効果は述べない。しかしなが
ら、好ましい実施例において、モータの駆動電圧は、単相電圧である。単相の駆
動電圧を持つモータは、これらモータが簡単、且つ安価に製造されるので、家庭
用製品に非常に適している。加えて、必要とされる電力は、家庭用の用途に対し
非常に小さい。本発明による速度制御の使用は、これまで、これらモータは低速
の駆動にあまり適していなかったので、特にこの型式のモータに利点を有する。
【００１１】 好ましくは、駆動電圧はほぼ正弦波である。前記電圧によって確立される回転
場は、最小の歪みを有し、その結果として、不快な振動及びノイズの影響は最小
になる。
【００１２】 本発明による速度制御を実現するために、アナログ及びデジタルの両方の様々
な回路を考えることができる。好ましい実施例において、駆動電圧は、パルス幅
を制御することにより変調される。この形式の変調は、比較的に簡単なやり方で
電力トランジスタを用いて高電力レベルを変調することを可能にする。
【００１３】 他の好ましい実施例において、このパルス幅は、デジタル信号処理器（ＤＳＰ
）の出力電圧により変調される。安価で機能的な実施例は、正弦波電圧に近い少
なくとも６段の不連続電圧レベルを有する出力電圧を供給するＤＳＰである。
【００１４】 本発明は更に、上述の実施例の１つに従う速度制御を有する電気的誘導モータ
にも関する。
【００１５】 本発明が使用する電気的誘導モータとは異なる型式が考えられたとしても、モ
ータは好ましくは、かご状である。この型式のモータには、モータの静止部分と
電気的接続は存在しない。この結果として、モータは更に静かになり、寿命が延
びる。
【００１６】 他の好ましい実施例において、モータは、くまとりモータ(shaded pole motor
)である。この型式において、固定子の一部が遮蔽される。この結果として、回
転場における非対称性が発生する。これは、予備巻き線又はコンデンサという追
加の費用を必要とせず、モータを静止状態から始動可能にする。くまとりモータ
の効率は、比較的低い。しかしながら、これは、ファン又はエアクリーナに必要
な比較的低電力の定格の場合に欠点となるには及ばない。
【００１７】 本発明は、ここに記載された実施例の１つにおける、電気的誘導モータを有す
るファン、ポンプ又はエアクリーナにも関する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は図面を参照して以下により詳細に説明される。
【００１９】 図１を参照して、誘導モータのモータトルクＴmotorが増大する速度でどのよ
うに生じるのか及びこれが負荷トルクＴlastとどのように関係しているかを以下
に説明する。この図において、速度ｒは、回転場ｆの何分の１として水平軸上に
プロットされ、モータトルクＴmotor及び負荷トルクＴlastは、最大トルクＴmax の何分の１として垂直軸上にプロットされる。負荷トルクＴlastは破線で示され
、モータトルクＴmotorは実線で示される。ファンのモータは、空気の流れのた
めに増大する抵抗を受ける。これが速度ｒの二乗につれて増大する負荷トルクＴ last となる。
【数１】 この等式において、Ｋは定数因子である。
【００２０】 静止状態において、モータトルクＴmotor及び負荷トルクＴlastは互いに等し
い。この平衡は、負荷ラインＴlastとモータ特性との交点で達し、動作点と呼ば
れる。この動作点において、モータは速度ｒnを有する。この速度は回転場の周
波数ｆの８０から１００％の間にある。静止状態において、ｆ＝ａ・ｒnの関係
が成り立っている。この等式においてａは定数である。
【００２１】 負荷が零の場合、前記速度ｒnは、回転場の周波数ｆに近づき、その結果、モ
ータトルクは発生しない。しかしながら、負荷トルクが増大する場合、動作点は
、より高いモータトルクが発生する低い速度へシフトされる。動作範囲Ｌにおい
て、モータトルクは、より高い負荷及びより低い速度で線形的に増大する。この
範囲の外側では、モータトルクは、最大トルクが発生する点まで減少する程度を
増大させる。最大トルクは、出力(pull-out)トルクと呼ばれる。この最大トルク
は前記周波数の二乗に反比例していることを明示している。
【数２】 ここで、Ｔmaxは、最大トルクであり、Ｖはモータ電圧、ｆはモータの周波数（
回転場の周波数）、Ｋは定数因子である。
【００２２】 モータの負荷が更に増大する場合、もはや平衡となることができず、モータは
線形動作範囲から離れてしまう。もはや追加のトルクを発生させることは不可能
である。モータの速度は減少し、モータは停止する。
【００２３】 図２は、モータのモータ特性を示し、モータ電圧は回転場の周波数に比例して
増大する、すなわち冒頭で述べた米国特許公報ＵＳ−Ａ−４，３２７，３１５に
記載されるようなＶ／ｆ原理に従って速度制御が行なわれる。水平軸及び垂直軸
は、図１と同じ数量を示している。負荷トルクＴlastは実線で示され、モータト
ルクは、破線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で示され、動作範囲Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、増大す
る回転場の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応する。このＶ／ｆ制御の場合、Ｖ・ｓ
（ボルト秒）で表されるモータコイル内の電束量及び最大モータトルクは一定の
ままである。線形範囲は、最大トルクを減少させることなく水平軸に沿ってシフ
トされる。しかしながら、低い速度では、負荷トルクが二次関数的に減少するの
で、最大トルクは、この負荷トルクよりもかなり大きくなる。飽和効果のために
、前記領域の上方の高調波は、速度が減少するにつれてモータが静かに且つ堅実
にならずに動作するので、不快な雑音の発生をもたらし始める。
【００２４】 速度制御の他の方法は、モータ電圧の振幅を増大させ、それの周波数は一定に
保つように制御することである。このような制御のモータ特性は図３に示される
。水平軸及び垂直軸は再び図１と同じ数量を表している。負荷トルクＴlastは実
線で示され、モータトルクは破線Ｔ１、Ｔ２で示される。モータトルクＴ１は、
モータ電圧の振幅Ｖ１で生じ、モータ特性Ｔ２は、振幅Ｖ２で得られる。このと
き速度はｒn1から負荷線Ｔlastに沿ってｒn2へシフトする。低い速度の方が負荷
トルクは小さいので、この速度制御の方法は、制限される範囲にわたり利用する
ことができる。しかしながら、この型式の制御の欠点は、電圧が更に減少するの
で、動作点がモータ特性の非線形部分に入ってしまうことである。これは、速度
制御が低い速度制限を受けることを意味している。非線形範囲において、トルク
の増大は、速度を増大させる（図３の曲線Ｔ0参照）。この範囲内において、モ
ータの安定した制御は不可能である。他方で、速度は回転場の周波数ｆよりも高
くなることはない。駆動電圧を変化することで速度制御を制御する可能性はこれ
により制限される。
【００２５】 図４は、モータ電圧及びモータ周波数が本発明に係る速度制御によって制御さ
れるファンモータのモータ特性を示している。水平軸及び垂直軸は、図１から図
３と同じ数量を表している。この図は、図２及び図３の特性を組み合わせたもの
である。このファンに表される抵抗が低くなる低い速度に対し、生じたモータト
ルクは比較的小さくなる。負荷トルクは速度が増大するにつれて二次関数的に増
大する。モータの動作範囲は、増大する回転場の周波数ｆ1’、ｆ2’、ｆ3’に
対応する動作範囲Ｌ1’、Ｌ2’、Ｌ3’にシフトされる。本発明に係る速度制御
によってモータ電圧及びモータ周波数を制御することで、モータトルクは、二次
関数的にも増大し、モータは、回転場の周波数に関してほぼ同じ相対動作点で動
作し続ける。
【００２６】 式として表される場合、これは、ｆ＝ａ・ｒであり、ａは定数である。駆動電
圧が式Ｖ＝ｂ・ｒ2に従って選択される場合、商Ｖ／ｆ2＝（ｂｒ2／ａ2ｒ2）は
一定のままである。
【００２７】 この速度制御に関し、モータは線形範囲において常に負荷がかかり、このモー
タは飽和しないことが達成される。雑音の発生は、従来の速度制御による雑音よ
りもかなり少なくなる。
【００２８】 図５は、本発明に係る速度制御によって電気的誘導モータ１を駆動する電気回
路装置を単に例として示す。これはいわゆる半ブリッジ反転装置は、直流電圧を
発生させる回路２及びパルス幅変調回路３で構成される。
【００２９】 回路２は、供給電圧端子０、１１０、２４０を有し、ダイオードＤ1-4を具備
するグレツブリッジ(Graetz bridge)及びコンデンサＣ1、Ｃ2を更に含む。この
グレツブリッジは、前期供給電圧端子に印加される交流電圧をコンデンサに掛か
る直流電圧に変換する。この回路の利点は、この回路が電圧ダブラー(voltage d
oubler)として動作可能なことである。これは、モータが（端子０及び２４０に
掛かる）２１０−２４０Ｖの電源電圧と（端子０及び１１０に掛かる）１００−
１３０Ｖの電源電圧との両方で動作可能にする。このようなスイッチング機構は
、この装置がモータをほぼ全世界で使用可能にするので、「ユニバーサル電源」
と呼ばれる。
【００３０】 パルス幅変調回路３は主に、マイクロコントローラ（デジタル信号処理器）４
と２つの電力トランジスタＴ1、Ｔ2とを有する。パルス幅変調の原理は、米国特
許公報ＵＳ−Ａ−５，２５２，９０５に全般的に記載されている。このマイクロ
コントローラは、高い周波数（約２０ｋＨｚの周波数）でトランジスタＴ1及び
Ｔ2を交互にターンオンする。これにより、電気モータは、コンデンサＣ1の正の
直流電圧とコンデンサＣ2の負の直流電圧との間の高い周波数で交互にスイッチ
ングされる。正及び負の電圧の実効スイッチング期間（デューティサイクル）が
等しい限り、誘導現象の結果として、それが高い周波数に後続しないので、モー
タの実駆動電力は零になる。パルス幅を変調することで、このデューティサイク
ルは変化することができ、低い周波数の実効電圧がモータに印加され、これによ
りモータが駆動する。この駆動電圧の周波数と振幅との両方は、本発明による速
度制御を達成するためにマイクロコントローラによって変調される。
【００３１】 この電気モータ１は、かご状の電機子を有する。この型式のモータにおいて、
モータの静止部分との電気的接続は存在せず、この結果、モータは雑音が減り、
寿命が延びる。加えて、このモータは、くまとりモータである。この型式におい
て、固定子の一部が遮蔽され、この結果として、回転場に非対称性が発生する。
これは、予備の巻き線又はコンデンサという追加費用を必要とせずに、モータを
静止状態から始動可能にする。
【００３２】 マイクロコントローラにより発生する高調波波形は、好ましくは正弦波である
が、更に簡単な波形もモータの良好且つ静かな動作となる。図６は、デジタル信
号処理器の出力電圧が線Ｕとして示され、前記固定子において測定された電流が
線Ｉとして示され、両方とも時間ｔの関数である図を示している。明瞭性のため
に、モータの電流Ｉは、出力電圧Ｕに関し、９０°の位相のずれが示されている
。電流波形が正弦波でなくても、この６段の台形波形は、正弦波と比較してわず
かな歪みしか示さないことが分かる。雑音の発生は比例して小さくなる。
【００３３】 図７及び図８は、雑音発生量の結果を与えている。図７は、約１０００r.p.m.
の最も低い設定で、従来の速度制御を具備するエアクリーナの音声及び振動スペ
クトルを示す。図８は、同じく約１０００r.p.m.で測定された、本発明による速
度制御を持つエアクリーナの音声及び振動スペクトルを示す。これら図７及び図
８において、音声はそれぞれ線Ｓ及びＳ’で表され、振動はそれぞれ線Ｖ及びＶ
’で表される。この測定は音響研究所において実行される。エアクリーナは、い
わゆる無響室(dead room)内に入れられ、音声スペクトルは、スペクトル分析器
に接続されたマイクロホンによって測定される。この分析器は、音声を構成周波
数成分に分解し、人間の耳の聴覚感度曲線（クラスＡの重み付け）に対し補正さ
れた強度を表示する。このマイクロホンは、エアクリーナから１．２０ｍ離れて
置かれている。振動スペクトルは、加速度を検出するためにモータの背後に取り
付けられたセンサにより測定される。
【００３４】 図７は、ある周波数において音声及び振動スペクトルにピークが起こることを
示している。これは、特に電源周波数（１００Ｈｚ）並びにこれの第２高調波（
２００−２４０Ｈｚ）及び第３高調波（３００−３６０Ｈｚ）の２度にわたって
ある。これらは脈動トルク(pulsating torque)の周波数の上方の高調波であり、
これら高調波は、固定子の回転場が歪む場合に発生する。このとき、回転場の周
波数は電源周波数に等しく、５０から６０Ｈｚである。特に、約３００Ｈｚの音
が明瞭に聞き取れる。この音は第３高調波である。第３高調波のピークの周辺に
側波帯(sideband)が置かれ、これら側波帯は、速度の周波数によって中心周波数
から各々離れている。側波帯の強度は、モータ構成の品質により影響を受ける。
【００３５】 図８に説明されるように、本発明による速度制御の用途は、かなり多くの良好
な音声及び振動スペクトルを供給している。このモータは、かなり少量の雑音を
供給する。電源周波数の２倍である第３高調波が無いことに特に注意されたい。
これら高調波の側波帯は、まだ残っているが低い程度である。振動スペクトルは
、従来の状態よりも一様である。良好な付加効果は、音声の強度に対するこれら
振動の寄与が小さくなることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気モータの速度トルクとモータトルクとの関係を表すモータ特
性。
【図２】 振幅がモータ電圧の周波数に比例して増大する、速度が増大する
場合のモータ特性図を示す。
【図３】 モータ電圧の振幅が増大し、モータの周波数が一定に維持される
、電気モータに対するモータ特性を示す。
【図４】 本発明に従う速度制御を具備するモータ特性を示す。
【図５】 パルス幅変調により電気モータを制御するデジタル信号処理器を
含む電気回路装置の簡略化表示である。
【図６】 デジタル信号処理器の出力電圧と電気モータに印加される駆動電
圧とを示す概略図である。
【図７】 約１０００r.p.m.で、電圧制御された速度制御を具備する公知の
エアクリーナの音声及び振動スペクトルを示す。
【図８】 約１０００r.p.m.で、本発明による速度制御を具備する公知のエ
アクリーナの音声及び振動スペクトルを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エッテス ウィルヘルムス ジー エム オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ボスマ ガッツェ ビー オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ダイクストラ ヨハネス オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5H576 AA05 AA08 BB04 CC05 DD01 DD04 EE04 EE11 HA03 HB02

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モータの駆動電圧、特に当該電圧の振幅及び周波数を変調さ
    せることで電気的誘導モータの速度を制御する速度制御において、前記周波数（
    ｆ）が変化するとき、ｘは１より大きく３より小さい値を持ち、ｂは定数である
    式Ｖ＝ｂ・ｆｘに従って前記駆動電圧の振幅（Ｖ）を制御することを特徴とする
    速度制御。
  2. 【請求項２】 前記ｘの値が１．５より大きく２．５より小さく、好ましく
    は２であることを特徴とする請求項１に記載の速度制御。
  3. 【請求項３】 前記モータの駆動電圧は、単相の電圧であることを特徴とす
    る請求項１に記載の速度制御。
  4. 【請求項４】 前記駆動電圧は、ほぼ正弦曲線であることを特徴とする請求
    項１乃至３の何れか一項に記載の速度制御。
  5. 【請求項５】 前記駆動電圧は、パルス幅制御により変調されることを特徴
    とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の速度制御。
  6. 【請求項６】 前記パルス幅は、デジタル信号処理器の出力電圧により変調
    されることを特徴とする請求項５に記載の速度制御。
  7. 【請求項７】 前記デジタル信号処理器は、正弦波電圧に近い少なくとも６
    段の不連続電圧レベルを有する出力電圧を供給することを特徴とする請求項６に
    記載の速度制御。
  8. 【請求項８】 先行する請求項の何れか一項に記載の速度制御を有する電気
    的誘導モータ。
  9. 【請求項９】 前記モータは、かご状の電機子を有することを特徴とする請
    求項８に記載の電気的誘導モータ。
  10. 【請求項１０】 前記モータは、くまとり型式であることを特徴とする請求
    項８又は９に記載の電気的誘導モータ。
  11. 【請求項１１】 前記モータは、前記速度の二乗で増大する負荷トルクを駆
    動させることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一項に記載の電気的誘導モ
    ータ。
  12. 【請求項１２】 請求項８乃至１１の何れか一項に記載の電気的誘導モータ
    を有するファン、ポンプ又はエアクリーナ。
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