JP2004187487A - 永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム - Google Patents

永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム Download PDF

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Abstract

【課題】同期時の効率、力率を低下させること無く、始動特性を従来より高くすることができ、1台のインバータで複数台の永久磁石内蔵形同期電動機を駆動する駆動システムを提供する。
【解決手段】回転子鉄心に磁極を構成する永久磁石とかご形の2次導体を設けた永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、永久磁石内蔵形同期電動機9をインバータ9から開閉するスイッチ12と、外部からの信号により、該スイッチ12の開閉の状態に応じて電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機11とよりなる巻線切替え装置14を該同期電動機10とインバータ9の間に設け、該同期電動機10を接続して該巻線切替え装置14を複数個並列に配置してなる装置群を、1台のインバータ9の出力端子に接続したものである。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、繊維機械などの用途に用いられると共に、回転子にかご形2次導体と永久磁石を備えた永久磁石内蔵形同期電動機を複数台並列に接続して運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、繊維機械などの用途に用いられると共に、回転子にかご形2次導体と永久磁石を備えた永久磁石内蔵形同期電動機は、特許文献1にて開示されている。このような永久磁石内蔵形同期電動機を1台のインバータに複数台並列に接続し揃速運転が行われているものとして、例えば非特許文献1にて開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−308195号公報(明細書第3頁〜第4頁、図1〜図3)
【非特許文献1】
技報安川電機Vol.62 No.4、1998年1月25日(第290頁−295頁、平野孝一著「新高効率モータと応用」)
【0004】
以下、従来技術を図4、図5、図6を用いて簡単に説明する。
図4は一般的な従来の4極機を例とした永久磁石内蔵形同期電動機の断面図であり、固定子スロット数が12個の場合を示している。図5は図4の固定子スロット内に巻回された電機子巻線の結線図である。
図4において、1は回転子、2は回転子鉄心、2aは回転子スロット、2bは磁石抜き穴、3は永久磁石、4は2次導体、5は固定子、6は固定子鉄心、6aは固定子鉄心、7は電機子巻線、8は回転軸である。
一方の回転子鉄心2は、回転軸8の外周に嵌合されている。該回転子鉄心2には複数個の磁石抜き穴2bが形成されており、該磁石抜き穴2b内に磁極を構成するように永久磁石3が埋め込まれており、永久磁石3の外周には回転子スロット2aが形成されている。回転子スロット2a内には、アルミのダイカストによりかご形の2次導体4が設けられており、該2次導体4は図示しないエンドリングと一体化される。
他方の固定子鉄心6は回転子鉄心2と磁気的空隙を介して設けられている。該固定子鉄心6には固定子スロット6aが形成されており、該固定子スロット6a内には電機子巻線7が設けられている。通常、電機子巻線7は重ね巻もしくは同心巻で形成されている。一般に、永久磁石形同期電動機のUVW相の結線は、循環電流による損失の増加を防ぐためにスター結線となっており、図5に示すような結線となる。
この従来例で示した永久磁石内蔵形同期電動機は、同期状態では回転子1に備えられた永久磁石3と電機子巻線7が作る起磁力との間で磁石トルクと呼ばれる同期トルクが発生し、この磁石トルクにより回転トルクが得られる。
また、該同期電動機は回転子1に2次導体4を備えているので、非同期時にも同期電動機であるにも関わらずインダクションモータと同様にインダクショントルクと呼ばれる回転トルクを発生する。そのため、該同期電動機の図5に示す入力端子U1、V1、W1を3相の電源に直結すると、インダクションモータとして回転を始める。同期速度近傍まで回転速度が上がれば同期トルクにより同期速度へ引き込まれ、その後は同期電動機として回転し、電源の周波数に同期して回転する。
但し非同期時には、永久磁石3の作る磁石磁束と電機子巻線7が作る起磁力とは非同期となるので、磁石トルクは脈動トルクとして発生し、その平均値は回転子の回転を止めるブレーキトルクとして働く。このように該同期電動機は、電源に直結で直入れ運転が可能という特徴を有している。
図6は従来の永久磁石内蔵形同期電動機の始動時のトルクカーブを示した図である。該同期電動機は上記の特徴を有しているため、図6に示す接続を行い、かつ、電源としてインバータ9を用いて、複数台の永久磁石内蔵形同期電動機15を1台のインバータ9に並列につなぐと、全ての電動機の回転速度は同一となり速度の揃った揃速運転を行うことができる。また、該同期電動機は図中に示すスイッチ16を開閉することで個別に運転中のインバータ9へ追加投入が行える。この特徴を生かして、永久磁石内蔵形同期電動機は、繊維機械の巻き取り機等へ適用されることが多い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記永久磁石内蔵形同期電動機は電源につないで直入れ運転するときに始動トルクが小さく同期まで加速できないという問題があった。
図7は従来の永久磁石内蔵形同期電動機の非同期時の磁石トルク、インダクショントルクの様子を示した図である。同図において、横軸はすべりで表しており、すべりゼロが同期状態を表す。また、縦軸はトルクを表す。非同期時には前記のようにインダクショントルクTcが加速トルクとして働き、磁石トルクTmはブレーキトルクとして働く。そのため実際に回転子を加速させるために働くトルクはインダクショントルクTcと磁石トルクTmの差分Tc―Tmとなる。同図においてインダクショントルクTcが小さすぎると差分トルクTc―Tmの谷点Aで加速トルクがマイナスとなってしまい、これ以上に回転速度を高めることができなくなる。その場合、該同期電動機は非同期状態で回転し続けることとなり、電機子巻線の焼損を引き起こしてしまう。そのためにもインダクショントルクTcはできるだけ大きくして差分トルク差分Tc―Tmの谷点Aをプラスにする必要がある。
非同期時に発生する該同期電動機のインダクショントルクTcの大きさは、入力電圧の2乗に比例し、電源周波数と電動機の端子から見たインピーダンスの積に反比例し、(1)式で表すことができる。
Tc=(V/f)×(V/X) (1)
Tc:インダクショントルク
V :入力電圧
f :電源周波数
X :電動機の端子から見たインピーダンス
上記(1)式において右辺第1項のV/fは電源の電圧、周波数により決まってしまう。そこで、インダクショントルクTcを大きくするには、右辺第2項の電動機の端子から見たインピーダンスを小さくすること、すなわち電機子巻線7の巻回数を少なくする方法しかない。
一方、該同期電動機は、通常の運転状態では同期機として用いられるものであり、電機子巻線7の巻回数は電源の電圧、周波数により、効率、力率に対して最適な値が存在する。その巻回数は電源電圧を電源周波数で割った値V/fにほぼ比例する。
該同期電動機の電機子巻線7の巻回数は、上記に示した非同期時のインダクショントルク、同期時の効率、力率を考慮して決められる。しかし、非同期時に所望のインダクショントルクTcを必要として決められた巻回数と、同期時の効率、力率を考慮して決められた巻回数とは決して一致した値ではない。1台のインバータに複数台の前記同期電動機を並列接続し運転するシステムにおいて、追加投入を可能とするには、インダクショントルクTcを大きくする設計を行うため、同期状態では巻回数不足、すなわち過励磁状態となる巻回数になってしまい、効率、力率の非常に悪い電動機となってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、同期時の効率、力率を低下させること無く、始動特性を従来より高くすることのできる、1台のインバータで複数台の永久磁石内蔵形同期電動機を駆動するシステムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項1記載の発明は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に形成した複数個の回転子スロット内に設けた2次導体と、前記回転子鉄心に形成した複数個の磁石抜き穴内に設けられると共に、隣り合う磁石同士が径方向に互いに異極に着磁された永久磁石とよりなる回転子と、前記回転子鉄心に磁気的空隙を介して設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成した複数個の固定子スロット内に設けられると共に、前記永久磁石の作る磁極数と同数の起磁力を作るように巻回された電機子巻線とよりなる固定子を備えた永久磁石内蔵形同期電動機であって、複数の該同期電動機を並列に接続して1台のインバータにより運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、前記同期電動機をインバータから開閉するスイッチと、該スイッチの開閉の状態に応じて前記電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機とから成る巻線切替え装置を備え、前記巻線切替え装置を該同期電動機と該インバータの間に設けたものである。
上記手段により、始動時と同期時との巻線をデルタ結線とスター結線とに変更でき、始動時に最適な電機子巻線の巻き回数と同期時に最適な巻回数とを選ぶことができる。
【0007】
また、請求項2の発明は、請求項1記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、該同期電動機を停止状態からの始動時はデルタ結線で運転し、同期に引込んだ後の同期運転時はスター結線で駆動するようにしたものである。
上記手段により、始動時はインダクショントルクを大きくでき、同期に引込むことを容易にすると共に同期に引込んだ後はスター結線で運転するため、効率・力率ともに高くすることができる。
【0008】
また、請求項3の発明は、請求項1または2に記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、該同期電動機をデルタ結線にて運転を開始してから同期運転となるまでの時間を予め計測しておき、該予め計測した時間を設定するためのタイマー付リレーを前記巻線切替え機と前記スイッチの間に設け、前記巻線切替え装置により始動開始から該タイマー付リレーに設定された設定時間後にデルタ結線からスター結線へ巻線切替えを行うようにしたものである。
上記手段により、最初に適切な切換え時間を求めて、この時間を設定することで、確実に同期に入った後でスター結線値の変更が行える。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図1は本発明の第1実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図である。図2は図1の該期電動機の電機子巻線の結線を示した図である。
図1および図2において、9はインバータ、10は永久磁石内蔵形同期電動機、11は巻線切替え機、12はスイッチ、13はタイマー付リレー、14は巻線切替え装置である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
ずなわち、永久磁石内蔵形同期電動機9をインバータ9から開閉するスイッチ12と、外部からの信号により、該スイッチ12の開閉の状態に応じて電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機11とよりなる巻線切替え装置14を該同期電動機10とインバータ9の間に設け、該同期電動機10を接続して該巻線切替え装置14を複数個並列に配置してなる装置群を、1台のインバータ9の出力端子に接続したものである。
なお、本実施例における電機子巻線は、図2に示すようにデルタ結線とスター結線が行えるように、巻始めと巻き終りにリード線を設けて6本出しとする構成としており、前記6本のリード線は該巻線切替え機11に接続されている。
【0010】
以下、本実施例の動作を説明する。
1台のインバータ9に複数台接続されている電動機のうち、追加投入される同期電動機10はスイッチ12が開の状態となっている。この状態では、インバータ9から該同期電動機10へは電力が供給されておらず、この状態で、巻線切替え機11はデルタ結線となっている。スイッチ12が閉となると、同期電動機10は巻線切替え機11がデルタ結線となっているので、デルタ結線にて起動する。
起動後、同期に引込まれたことを確認し、巻線切替え機11に巻線切替えを行う信号が送られると、該巻線切替え機11はデルタ結線からスター結線に切り替わり、該同期電動機10はスター結線にて運転される。
【0011】
したがって、本発明の第1実施例は該同期電動機10と巻線切換え装置14を接続した装置群を1つのユニットとして、これを複数個並列に1台のインバータ9の出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、同期運転時はスター結線に切り替わって運転を行うことができる。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約1.7倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行うことができる。
【0012】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
図3は本発明の第2実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図である。
本発明の第2実施例が第1実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、巻線切替え機11はインバータ9の出力端子にスイッチ12を介して接続されており、該スイッチ12からは巻線切替え機11のデルタ結線とスター結線を切り替える信号が出力されており、該巻線切替え機11とスイッチ12の間の信号線の途中にt秒後に動作するタイマー付リレー13が設けられている。
該タイマー付リレー13の設定時間tは、デルタ結線にて前記同期電動機を始動させ、同期に引込まれるまでの時間を計測し、その時間以上の値に設定した。
上記巻線切替え機11とスイッチ12よりなる巻線切替え装置14とタイマー付リレー13をひとまとまりとして、永久磁石内蔵形同期電動機10とインバータ9の間に設け、これを複数個並列に1台のインバータ9の出力端子に接続してある。
【0013】
以下、本実施例の動作を説明する。
1台のインバータ9に複数台接続されている電動機のうち、追加投入される同期電動機10はスイッチ12が開の状態となっている。この状態では、インバータ9から該同期電動機10へは電力が供給されておらず、この状態で、巻線切替え機11はデルタ結線となっている。スイッチ12が閉となると、同期電動機10は巻き線切替え機11がデルタ結線となっているので、デルタ結線にて起動する。一方、スイッチ12が閉すると、スイッチ12からはタイマー付リレー13を介して巻線切替え機11にt秒後にスター結線に切り替わるように信号が送られ、該巻線切替え機11はスイッチ12が閉となってt秒後にスター結線に切り替わり、同期電動機10はスター結線にて運転される。
したがって、本発明の第2実施例は該同期電動機10と巻線切換え装置14とタイマー付リレー13よりなる装置群を1つのユニットとして、これを複数個並列に1台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、t秒後にスター結線に切り替わって運転が行える。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約1.7倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行える。更に、巻線切替え装置にタイマー機能を付加し、切換えの時間tを設定することにより、自動的に且つ、確実にデルタ結線にて始動から同期に引込まれた後にスター結線へ変更することができ、巻線の焼損を防ぐことができる。
【0014】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第1実施例は該同期電動機と巻線切換え装置を接続した装置群を1つのユニットとして、これを複数個並列に1台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、同期運転時はスター結線に切り替わって運転を行うことができる。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約1.7倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行うことができる。
【0015】
また、本発明の第2実施例は該同期電動機と巻線切換え装置とタイマー付リレーよりなる装置群を1つのユニットとして、これを複数個並列に1台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、t秒後にスター結線に切り替わって運転が行える。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約1.7倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行える。更に、巻線切替え装置にタイマー機能を付加し、切換えの時間tを設定することにより、自動的に且つ、確実にデルタ結線にて始動から同期に引込まれた後にスター結線へ変更することができ、巻線の焼損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図
【図2】図1の該期電動機の電機子巻線の結線を示した図
【図3】本発明の第2実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図
【図4】一般的な従来の4極機を例とした永久磁石内蔵形同期電動機の正断面図
【図5】図4の固定子スロット内に巻回された電機子巻線の結線図
【図6】従来の永久磁石内蔵形同期電動機の始動時のトルクカーブを示した図
【図7】従来の永久磁石内蔵形同期電動機の非同期時の磁石トルク、インダクショントルクの様子を示した図
【符号の説明】
1 回転子
2 回転子鉄心
2a 回転子スロット
2b 磁石抜き穴
3 永久磁石
4 2次導体
5 固定子
6 固定子鉄心
6a 固定子スロット
7 電機子巻線
12、16 スイッチ
9 インバータ
10、15 永久磁石内蔵形同期電動機
11 巻線切り替え機
13 タイマー付リレー
14 巻き線切替え装置

Claims (3)

  1. 回転子鉄心と、前記回転子鉄心に形成した複数個の回転子スロット内に設けた2次導体と、前記回転子鉄心に形成した複数個の磁石抜き穴内に設けられると共に、隣り合う磁石同士が径方向に互いに異極に着磁された永久磁石とよりなる回転子と、
    前記回転子鉄心に磁気的空隙を介して設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成した複数個の固定子スロット内に設けられると共に、前記永久磁石の作る磁極数と同数の起磁力を作るように巻回された電機子巻線とよりなる固定子を備えた永久磁石内蔵形同期電動機であって、
    複数の該同期電動機を並列に接続して1台のインバータにより運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記同期電動機をインバータから開閉するスイッチと、該スイッチの開閉の状態に応じて前記電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機とから成る巻線切替え装置を備え、
    前記巻線切替え装置を該同期電動機と該インバータの間に設けたことを特徴とする永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
  2. 該同期電動機を停止状態からの始動時はデルタ結線で運転し、同期に引込んだ後の同期運転時はスター結線で駆動するようにしたことを特徴とする請求項1記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
  3. 該同期電動機をデルタ結線にて運転を開始してから同期運転となるまでの時間を予め計測しておき、該予め計測した時間を設定するためのタイマー付リレーを前記巻線切替え機と前記スイッチの間に設け、前記巻線切替え装置により始動開始から該タイマー付リレーに設定された設定時間後にデルタ結線からスター結線へ巻線切替えを行うようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
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