JP2005341796A - 速度可変型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 常用電源の周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚおよび５０/６０Ｈｚ共用である場合も、別途の駆動装置なしにモータの回転速度を一定に制御することで、モータの製造原価を節減し、電磁気的振動騷音を減少させ、消費電力を節減するとともに、相互に異なる常用周波数では所定速度を維持し、所定電圧および周波数印加時には速度を可変にできる速度可変型モータを提供する。
また、本発明は、定格周波数で動作するとき、別途の速度可変装置なしにモータの回転速度を所定範囲で可変にすることで、モータの製造費用を節減するとともに、耐久性を向上できる速度可変型モータを提供する。
【解決手段】 モータの固定子に複数の極を形成するために巻線される複数の主巻線１０，２０と、モータの回転速度の可変範囲を拡大するために、各主巻線１０，２０を直列または並列に接続するリレー３０とを含んで速度可変型モータを構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、速度可変型モータに関するもので、詳しくは、単相交流電源が入力される外転型モータにおいて、モータに印加される交流電源の周波数を感知し、この感知された周波数の高低によって、モータに装着される主巻線を互いに直列または並列に接続するためのリレーを備えることで、単相交流電源の周波数特性に合わせてモータを動作させることができる速度可変型モータに関するものである。

図１は、一般的な外転型モータの回転子および固定子を示した分解斜視図である。

一般に、モータは、巻線が装着された固定子と、永久磁石、アルミニウム導体または鉄心により形成された回転子と、から構成されており、固定子に装着された巻線に周期的な電流の変化を発生し、この電流変化による磁界の周期的な変化により回転子にトルクを発生することで、回転動力を得る装置である。

また、上記のモータは、固定子および回転子の位置によって内転型モータと外転型モータとに区分されるが、外転型モータは、図１に示すように、回転子が固定子の外側に位置し、固定子の巻線に流れる電流の変化によって外側の回転子が回転する構造となっている。

外転型モータは、回転子が外側に設置されるので、内転型モータよりも回転子の回転半径が大きくなる。したがって、外転型モータは、内転型モータに比べて単位体積当たりのトルクの発生が増加し、高価な起動装置がなくても起動トルクの大きい負荷に使用され、かつ、同一トルクの発生を要する場合、内転型モータの構造よりもコンパクトに実現される。

一方、一般的な単相誘導モータは、初期起動装置を要するが、この初期起動装置には、分相起動型、くま取りコイル型、コンデンサ運転型および反発起動型などがある。

図２は、一般的なコンデンサ運転型単相誘導モータを示した回路図である。

一般的なコンデンサ運転型単相誘導モータは、主巻線Ｍ１と、補助巻線Ｓ１と、この補助巻線Ｓ１に直列に接続されたコンデンサＣ１と、から構成されており、単相交流電源Ｅ１の印加時、主巻線Ｍ１には交番磁界が発生し、補助巻線Ｓ１には交番磁界と９０°の電気的な位相差を有する補助磁界が発生する。

したがって、主巻線Ｍ１から発生した交番磁界と、補助巻線Ｓ１から発生した補助磁界とは、磁界の位相が相互に異なるため、相殺されずに一つに合成されて回転磁界を発生し、単相誘導モータを回転させる。

しかしながら、一般的な単相誘導モータは、モータに印加される交流電源の周波数によって、その速度が変わるという問題点があった。

すなわち、誘導モータの回転速度は、式ｎ＝１２０ｆ(周波数)／ｐ(極数)によって定められるが、ｐ(極数)は、モータの製造時、所定値に定められるので、定格電源周波数５０Ｈｚで動作するモータが６０Ｈｚの印加電源を用いると、その回転速度は、５０Ｈｚを用いたときの回転速度よりも約２０％増加することになる。

このように、６０Ｈｚの常用電源でモータが動作する場合、モータの速度増加を防止する手段として、電源の周波数を変更するインバータ回路を装着して構成するか、印加電圧のオン/オフ制御方法を使用するか、減速器、ベルトまたはギヤなどにより機械的にモータの回転速度を低下させる方法があった。

しかしながら、上記の方法によると、モータの製造原価が上昇し、印加電源を電気的にオン/オフにしたり、機械的な減速作用によって騷音が発生し、電力の効率が低下するという問題点があった。

一方、定格周波数で動作する場合、従来のコンデンサ運転型単相誘導モータが家電機器に適用されると、その動作に合わせてモータの回転速度を低速または高速に可変にする必要がある。

しかしながら、単相誘導モータは、定格周波数で動作するとき、モータの発生トルク曲線と負荷トルク曲線との交点で所定速度に維持されるため、別途の装置を備えることにより速度調節が可能になる。

また、別途の装置を備えると、モータの生産原価が上昇するという問題点があるので、このような問題点を解決するために、相対的に低廉なモータの速度調節装置として、極数変換型単相誘導モータが使用されている。

図３は、従来の一般的な２極-４極変換型単相誘導モータの構造を示した図である。

すなわち、図３に示すように、極数変換型単相誘導モータは、固定子のスロットに巻線された２極主巻線１ａ，１ｂ、２極補助巻線２ａ，２ｂ、４極主巻線３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ、４極補助巻線４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの４個の巻線からなり、２極運転時には、２極主巻線および２極補助巻線を用いてモータを駆動し、４極運転時には、４極主巻線および４極補助巻線を用いてモータを駆動することで、回転速度を可変する。

しかしながら、このように構成された従来の極数変換型単相誘導モータは、極数を変換するために４個の巻線を用いることで、スロットの断面積が増加し、固定子の鉄損増加による電動機の効率が大きく低下することになり、到達可能な最低可変速度が制限的であったので、可変速度範囲を拡大しにくいという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、常用電源の周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚおよび５０/６０Ｈｚ共用である場合も、別途の駆動装置なしに、モータに装着される巻線の接続状態を切り替えてモータの回転速度を一定に制御するので、モータの製造原価を節減し、電磁気的振動騷音を減少し、消費電力を節減するとともに、相互に異なる常用周波数では所定速度を維持し、所定電圧および周波数の印加時には速度を可変にできる速度可変型モータを提供することを目的とする。

また、本発明は、定格周波数で動作するとき、別途の速度可変装置なしに、モータに装着された巻線の接続状態を切り替えてモータの回転速度を所定範囲で可変にするので、モータの製造原価を節減するとともに、耐久性を向上できる速度可変型モータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明による速度可変型モータは、モータの固定子に複数の極を形成するために巻線される複数の主巻線と、前記モータの回転速度可変範囲を拡大するために、前記の各主巻線を直列または並列に接続するリレーとを含んで構成されることを特徴とする。

また、モータの固定子に複数の極を形成するために巻線される複数の主巻線と、前記モータに印加される交流電源の周波数によって、前記の各主巻線を直列または並列に接続するように切り替えるリレーとを含んで構成されることを特徴とする。

また、モータの固定子に複数の極を形成して装着される第１主巻線および第２主巻線と、前記モータに印加される交流電源の周波数を感知する周波数感知部と、前記周波数感知部で感知された周波数が６０Ｈｚである場合、前記第１主巻線および第２主巻線を直列に接続し、５０Ｈｚである場合、前記第１主巻線および第２主巻線を並列に接続するリレーとを含んで構成されることを特徴とする。

また、前記リレーは、前記モータが高速回転する場合、前記の各主巻線を並列に接続し、低速回転する場合、前記の各主巻線を直列に接続することを特徴とする。

本発明による速度可変型モータは、外転型モータの採用、巻線の直/並列接続切り替えにより相互に異なる常用周波数を有する交流電源が印加される場合も、モータの回転速度を一定に維持することで、モータの速度増加とともに温度が増加してモータが破損されることを防止するとともに、別途のインバータ回路または減速器なしでもモータの速度を制御することで、モータの製造原価を節減し、電磁気的振動騷音を減少できるという効果がある。

以下、本発明による速度可変型モータの実施の形態を、図面に基づいて説明する。

まず、本発明による速度可変型モータは、単相交流電源が印加される単相誘導モータであり、回転子が固定子の外側に設置される外転型モータの場合、内転型モータよりも回転半径が大きくなって単位体積当たりのトルクの発生が増加し、後述するコイルの直列/並列巻線形態によるモータの回転速度の低速および高速範囲を一層大きく拡大することができる。

図４は、本発明による速度可変型モータの回路図である。

本発明の実施形態による速度可変型モータにおいては、図４に示すように、所定周波数を有する単相交流電源Ｅ１がモータに印加され、このモータは、第１主巻線１０と、第２主巻線２０と、第１主巻線１０および第２主巻線２０を直列または並列のいずれか一つに接続するリレー３０と、印加電源Ｅ１の周波数を感知する周波数感知部４０と、を含んで構成される。

このとき、上記のモータは、各主巻線当り３個の極をなす６極モータであり、この極数は、２極または４極などの多数の形態にすることもできる。

印加交流電源の定格周波数は、各国ごとに異なるように設定されるが、一般に、６０Ｈｚの周波数を有する電源が印加される場合、モータの回転速度は、周波数に比例して増加するので、５０Ｈｚの周波数を有する電源を印加するときよりも約２０％増加する。

したがって、上記のような相異なる周波数の交流電源が印加される場合、周波数感知部４０は、その周波数を感知し、リレー３０は、その感知された周波数によって、第１主巻線１０および第２主巻線２０を直列または並列のいずれか一つに接続するように制御することで、モータの回転速度を一定に維持する。

リレー３０は、巻線の接続状態を切り替えるために、Ｂｏｘ１，Ｂｏｘ２内の各接続基板の各ノードａ，ｂ，ｃ，ｄの接続状態を制御するが、５０Ｈｚの低い周波数の交流電源が印加される場合は、モータの回転速度を上昇させるために、第１主巻線１０と第２主巻線２０とを並列に接続する。すなわち、リレー３０は、Ｂｏｘ１内の接続基板のａノードとｂノードとが接続され、Ｂｏｘ２内の接続基板のｃノードとｄノードとが接続されるようにＢｏｘ１，Ｂｏｘ２を制御する。

また、リレー３０は、６０Ｈｚの高い周波数を有する交流電源が印加される場合、モータの回転速度を低下するために、第１主巻線１０および第２主巻線２０を直列に接続する。すなわち、リレー３０は、Ｂｏｘ１内の接続基板のａノードと、Ｂｏｘ２内の接続基板のｄノードとが接続されるようにＢｏｘ１，Ｂｏｘ２を制御する。このような動作により、モータは、別途の駆動装置なしでも、リレーの巻線接続状態の制御動作により、モータの回転速度を可変にする。

以下、上記のリレーの制御動作による巻線の直/並列接続状態について、図５および図６に基づいて説明する。

図５および図６は、本発明によるモータ巻線の直/並列接続状態を示した回路図であり、図５は、リレー３０により第１主巻線１０と第２主巻線２０とを並列に接続した状態を示した回路図で、図６は、リレー３０により第１主巻線１０と第２主巻線２０とを直列に接続した状態を示した回路図である。

モータに印加される交流電源の周波数が５０Ｈｚである場合、交流電圧が２２０Ｖであると、上記のリレーは、図５に示すように、各主巻線を並列に接続して各主巻線に２２０Ｖの電圧を印加する。

また、交流電源の周波数が６０Ｈｚである場合、上記のリレーは、図６に示すように、各主巻線を直列に接続して各主巻線に１１０Ｖの電圧を印加する。

各巻線に分配される電圧の大きさが変化する場合、各巻線に流れる電流が変化することになり、この電流変化によって誘発される磁気場の強さが変化することで、回転子に誘導電流が発生する。この誘導電流は、回転子を回転するための回転トルクを発生するが、この回転トルクが印加電圧の大きさの自乗に比例するので、巻線が並列に接続されたときのモータの回転速度は、直列に接続されたときよりも相対的に速くなる。

したがって、リレー３０の制御動作により、６０Ｈｚ電源の印加によるモータの回転速度の増加と巻線の直列接続による回転速度の減少とを連動し、５０Ｈｚ電源の印加によるモータの回転速度の減少と巻線の並列接続による回転速度の増加とを連動させることで、モータの回転速度を一定に維持することができる。

上記したように、常用周波数が異なる交流電源を印加してモータを回転するとき、６０Ｈｚの交流電源が印加される場合、周波数に比例してモータの回転速度が増加することで、モータの温度が上昇してモータが破損する危険があるが、これを防止するために、モータの体積を増加させる必要がある。したがって、リレー３０の巻線接続制御方式を適用するとともに、モータを外転型構造にすることで、同一体積当たりの発生トルクを大きくすると、モータの体積および騷音発生の程度を減少させることができる。

本発明による速度可変型モータは、食器洗浄機、乾燥機、衣類乾燥機または洗濯機に適用されるが、特に、洗濯機に適用される場合、相互に異なる周波数の交流電源が印加される場合も、モータが同一の回転速度を有するようになる。以下、印加電源の常用周波数および巻線の直/並列接続状態によるモータの回転速度と発生トルクとの関係を、図７乃至図１０に基づいて説明する。

図７は、本発明によるモータの回転速度とトルクとの関係を全体的に示したグラフで、図８は、モータに印加される交流電源の周波数が変わる場合のみを示したグラフで、図９および図１０は、モータに定格周波数の電源が印加される場合のモータの速度可変範囲を示したグラフである。

図中、Ａ曲線は、６０Ｈｚの周波数を有する交流電源が印加され、巻線が並列に接続された場合のモータの回転速度と発生トルクとの関係を示す曲線で、Ｂ曲線は、同一の周波数を有して巻線が直列に接続された場合のモータの回転速度と発生トルクとの関係を示す曲線である。

また、Ｃ曲線は、５０Ｈｚの周波数を有する交流電源が印加され、巻線が並列に接続された場合のモータの回転速度と発生トルクとの関係を示す曲線で、Ｄ曲線は、同一の周波数を有して巻線が直列に接続された場合のモータの回転速度と発生トルクとの関係を示す曲線である。

また、モータを回転させるためには、モータに連結された負荷に所定量のトルクを与える必要があり、この負荷に要求されるトルクは、上記の各グラフにおける負荷トルクの曲線Ｌに示される。

まず、モータに印加される常用交流電源の周波数が変わり、モータを適用した洗濯機で脱水行程が行われる場合、図８に示すように、洗濯機に印加される電源が５０Ｈｚの周波数を有する交流電源であると、上記のリレーは、モータに装着された各主巻線を並列に接続する。このとき、モータのトルク曲線(Ｃ曲線)と負荷曲線とがｍ地点で交差するようになり、洗濯機は、特定の速度Ｓ１で脱水行程を行う。

また、周波数感知部４０により印加電源の周波数が６０Ｈｚであると感知されると、リレーは、各主巻線の接続状態を直列接続に切り替えることで、モータのトルク曲線(Ｂ曲線)と負荷曲線とがｍ地点で交差するようになり、印加電源の周波数が可変する場合も、洗濯機は、所定速度Ｓ１で脱水行程を行う。

次に、洗濯機に印加される電源が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの定格周波数である場合、図９および図１０に示すように、洗濯行程または脱水行程によってモータの主巻線を直/並列に接続することで、その速度が変わるようになる。

すなわち、モータの各主巻線が並列に接続されると、上記のトルク曲線(Ａ曲線またはＣ曲線)と負荷曲線とがｌ地点またはｍ地点で交差することで、相対的に高速(Ｓ２またはＳ１)で回転する。また、モータの各主巻線が直列に接続されると、上記のトルク曲線(Ｂ曲線またはＤ曲線)と負荷曲線とがｍ地点またはｎ地点で交差することで、相対的に低速(Ｓ１またはＳ３)で回転する。

一般的な外転型モータの回転子および固定子を示した分解斜視図である。 一般的なコンデンサ運転型モータの回路図である。 従来の一般的な２極-４極変換型単相誘導モータの構造を示した図である。 本発明による速度可変型モータの回路図である。 本発明によるモータ巻線の並列接続状態を示した回路図である。 本発明によるモータ巻線の直列接続状態を示した回路図である。 本発明による速度可変型モータの回転速度およびトルクのグラフ（その１）を示す図である。 本発明による速度可変型モータの回転速度およびトルクのグラフ（その２）を示す図である。 本発明による速度可変型モータの回転速度およびトルクのグラフ（その３）を示す図である。 本発明による速度可変型モータの回転速度およびトルクのグラフ（その４）を示す図である。

符号の説明

１０ 第１主巻線
２０ 第２主巻線
３０ リレー
４０ 周波数感知部

Claims (10)

1. モータの固定子に複数の極を形成するために巻線される複数の主巻線と、
   前記モータの回転速度可変範囲を拡大するために、前記の各主巻線を直列または並列に接続するリレーと、
   を含んで構成されることを特徴とする速度可変型モータ。
2. モータの固定子に複数の極を形成するために巻線される複数の主巻線と、
   前記モータに印加される交流電源の周波数によって、前記の各主巻線を直列または並列に接続するように切り替えるリレーと、を含んで構成されることを特徴とする速度可変型モータ。
3. モータの固定子に複数の極を形成して装着される第１主巻線および第２主巻線と、
   前記モータに印加される交流電源の周波数を感知する周波数感知部と、
   前記周波数感知部で感知された周波数が６０Ｈｚである場合、前記第１主巻線と第２主巻線とを直列に接続し、５０Ｈｚである場合、前記第１主巻線と第２主巻線とを並列に接続するリレーと、を含んで構成されることを特徴とする速度可変型モータ。
4. 前記リレーは、前記モータが高速回転する場合、前記の各主巻線を並列に接続し、低速回転する場合、前記の各主巻線を直列に接続することを特徴とする請求項１に記載の速度可変型モータ。
5. 前記モータには、前記主巻線により６極が形成されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の速度可変型モータ。
6. 前記モータは、単相交流電源が印加される外転型モータであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の速度可変型モータ。
7. 前記モータは、衣類乾燥機用モータであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の速度可変型モータ。
8. 前記モータは、食器洗浄機用モータであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の速度可変型モータ。
9. 前記モータは、洗濯機用モータであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の速度可変型モータ。
10. 前記モータは、洗濯行程時には前記の各主巻線が並列に接続され、脱水行程時には前記の各主巻線が直列に接続されることを特徴とする請求項９に記載の速度可変型モータ。

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