JP2009504113A

JP2009504113A - 電動機

Info

Publication number: JP2009504113A
Application number: JP2008523143A
Authority: JP
Inventors: ケーネンノルベルト
Original assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2009-01-29
Also published as: CN101228687A; US20090230897A1; EP1911146A1; DE102005035055A1; CN101228687B; DE502006004326D1; WO2007012358A1; ATE437469T1; CA2616430A1; EP1911146B1

Abstract

本発明は電動機（１）、殊に繊維機械用の電動機に関する。当該電動機は、供給電圧の欠落時に発電機として作動し、電動機（１）の回転子として構成されたロータ並びに多相電動機（１）を位相制御するモータ回路（３）を含み、当該モータ回路は複数の半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）を含み、前記電動機（１）は、発電モードの間の所定境界値の通過時に短絡可能である。前記境界値通過時の短絡は、モータ回路（３）が含んでいる前記半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）のうちの１つまたは複数の半導体構成素子を、動作状態をあらわす信号によって駆動制御することによって行われる。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、請求項１の上位概念に記載された特徴を有する電動機並びに、請求項１５の上位概念に記載された特徴に従った、個別駆動部としての電動機の使用に関する。

電動機をロータの駆動部として、殊に電動機の回転子として構成されている繊維機械用のロータの駆動部として使用する場合には、供給電圧が欠落した場合に発電機として作動する電動機を、特定の時間の間に停止状態にすることが必要である。これによって、ロータのベアリングが、停止状態までのロータの回転停止走行(Ａｕｓｌａｕｆｅｎ)の間に横振れによって損傷を受けることが回避される。

公開公報ＤＥ４４２１４０６Ａ１号から、ロータの駆動部としての多相電動機が公知である。ここでこのロータは、オープンエンド紡績機の紡績ロータとして構成されている。電動機は、供給電圧が欠落した場合、クリチカルな境界値を通過する際に電動機が短絡によって制動されるまで発電機として作動する。ここでは発電機としての作動の保持はもはや有意義ではない。電動機のモータ回路は半導体構成素子を含む。これは、モータコイルに対する電流並びに電流方向の位相ごとのクロック制御を担う。さらにモータ回路は２つのリレーを含む。これらのリレーは、電源欠落が生じたときにそれぞれ線路テンション（Leitungszug）を短絡する。ここから、線路テンションは負荷抵抗を有する。この１つのリレーが閉成された後に、第２のリレーで、直流電圧源へ導く線路テンションが中断される。

直流電圧源はここで電動機の電流供給部として用いられる。このようにして、電動機の制動時には、誘導された電圧によって生成された電流が、線路テンションを介して負荷抵抗まで導かれる。負荷抵抗を相応に選択することによって、生成された制動エネルギーが負荷抵抗を介して低減される。

欠点として、リレーまたはスイッチの使用は、システムコストを上昇させ、比較的多くの取り付け場所を必要とすることが証明されている。さらに、リレーの使用時には常に、電流は常にリレーコイルを流れる。これによってリレーは復帰しない。さらに、機械的なスイッチは摩耗現象の影響を受ける。ここでこの摩耗現象は火花衝撃によって増幅される。並びに機械的作用に対する一般的な妨害の受けやすさの影響も受ける。さらに、スイッチおよびリレーは制限された速度でしか作動しない。

本発明の課題は、電動機の動作確実性を高める、並びに高められた動作確実性の側面として、繊維機械のロータの個別駆動部として電動機を使用することである。

上述の課題は、本発明に相応して、請求項１の特徴的な構成並びに請求項１５の特徴的な構成によって解決される。

請求項１では、モータ回路が次のように設けられる。すなわち、境界値を通過した場合に、モータ回路によって含まれる１つまたは複数の半導体構成素子を駆動制御することによって短絡が行われるように設けられる。モータ回路に含まれる半導体構成素子を短絡のために、並びに電動機の制動のために使用することは次の利点を有している。すなわち、これによって、１つまたは複数の付加的な構成部分を構成しなくてすむという利点である。これによって、従来技術の電動機と比べて電動機のコストが低減される。

有利には電動機を短絡するために、通常作動時には位相制御に使用される位相ブリッジの半導体素子が使用される。これによって、付加的に切り換えを行う構成素子（これは例えばリレー、スイッチまたは付加的な半導体素子の形状であり、場合によって属する作用結合である）が不必要になる。さらに、電動機の構造を大きくするであろう、付加的な取り付け空間は不要である。

さらに、機械的なスイッチないしリレーは、無接触接続によって、半導体構成素子の相応する駆動制御に基づいて得られる安全性を有していない。殊に、ロータ回転数が高い場合には、ほぼ遅延の無いスイッチングが、電動機の供給電圧の欠落時に損傷を回避するために重要である。発電モードでの所定境界値通過時の、半導体素子を用いた電動機の無接触短絡によって、境界値を次のように設定することができる。すなわち、境界値に達する直前に発電モードが短絡によって終了され、電動機が制動されるように設定することができる。これによって、電動機および／または電動機と接続された機械の損傷を避けることができる。境界値を予め設定することが可能であるということによって殊に、スイッチオフ時点を、発電モードにある本発明による電動機の種々異なる負荷状況に依存して、柔軟に整合させることができる。従って、スイッチオフの時点を、電動機の供給電圧欠落時に、目下の各作動条件に相応に変化させることができる。

有利には、電動機の位相制御に用いられる半導体構成素子を、電動機のコイルが短絡されるように駆動制御することができる。発電モード中に形成された電圧を導出するために、ロータの質量慣性に整合可能でなければならない付加的に調整可能な抵抗は不必要である。

殊に、モータ回路は少なくとも１つのエネルギー蓄積部を含む。このエネルギー蓄積部は、所定の境界値を通過した後、半導体構成素子の駆動制御を保持する。これはエネルギー蓄積部が半導体構成素子の作動に必要な電圧を供給することによって行われる。このようにして、ロータの停止状態まで短絡が保持される。このためにエネルギー蓄積部は、少なくとも１つのコンデンサとして構成される。このコンデンサは制動過程の持続時間に応じて、相応の容量を伴って構成されている。これによって、半導体構成素子の駆動制御の保持が実現される。

殊に、モータ回路は次のように設置される。すなわち、半導体構成素子が動作状態をあらわす信号によって駆動制御可能であるように設置される。例えば、このために整流信号が位相制御に使用される。モータ回路へこの整流信号を印加することによって、駆動モータとしての動作状態をあらわす。択一的に、付加的な信号が生成される。この信号は動作状態をあらわし、半導体構成素子の駆動制御に用いられる。

有利には、電動機は実際値を監視するための測定装置を有している。ここでこの測定装置は、制御装置と作用結合状態にある。制御装置はマイクロプロセッサとして構成され、上書き込み可能なメモリを有している。これによって、適切な入力手段を用いて、監視されるべき境界値を入力および格納することができる。制御装置は、測定装置が含む測定値を評価し、これを所定の境界値と比較する。この目標値と実際値との比較に基づいて、発電モード中の電動機のコイルを短絡する半導体構成素子が駆動制御される。有利には、境界値は、制御装置およびモータ回路の半導体構成素子の作動の維持のために有利な、発電モードで作動している電動機の閾値の上方に設定可能である。

測定装置は有利には、電圧測定および／または電流測定ないし出力測定をする装置として構成されているので、境界値の通過時には、発電モードで出力される出力ないし生成された電流に対して、コイルの短絡が開始される。択一的に、測定装置を回転数測定装置として構成することができる。従って境界回転数の通過時には、発電モードで作動している電動機のコイルが短絡される。この境界回転数は、このために、次のような回転数の閾値の上方に設定される。すなわち、制御装置および半導体構成素子の供給電圧の維持に有利である回転数である。これによって動作安全性が高められる。

別の実施形態では、モータ回路は遅延素子を含んでいる。ここでこの遅延素子によって、時間インターバルが境界値として設定され、この境界値を上回った後に、半導体構成素子の自動駆動制御によって短絡が行われる。遅延素子は発電モードに切り替わったときに初めて、適切な駆動制御部によって、動作状態をあらわす信号によって起動される。設定可能な時間間隔の終了時には、半導体構成素子の自動的な駆動制御が次のように行われる。すなわち、これらが導通接続されるように駆動制御される。これによってコイルの短絡が実現される。時間間隔の持続時間は、電動機の発電モードにおけるロータの回転停止走行特性に依存して設定される。これは実質的に、ロータの質量慣性によって定められる。

有利には、コイルを短絡させるために使用される半導体構成素子はトランジスタとして構成される。ここでこれは一般的に電動機の位相制御に使用される位相ブリッジのトランジスタである。このトランジスタによって、電流並びに電流方向の位相毎のクロック制御が行われる。これに加えて、トランジスタを電界効果トランジスタとして、またはバイポーラトランジスタとして構成することができる。同じようにサイリスタを相応に使用することが可能である。

さらにロータは無接触に支承される。さらに、ロータを無接触に支承するために、ベアリングをマグネットベアリングとして構成することができる。発電モードによって、マグネットベアリング機能を保持することが可能になる。ここで境界値の通過時にモータが短絡され、これによって、回転停止走行しているロータの横振れによる不必要な摩擦または、マグネットベアリングの生じ得る損傷が回避される。

請求項１５では、電動機の位相制御のために設けられた、位相ブリッジの半導体構成素子が、所定の境界値を通過した場合に、電動機のコイルを無接触に短絡する。これによって電動機が制動され、従って電動機ないしは電動機に接続された装置の不必要な摩擦または生じ得る損傷が回避される。

有利な発展形態は、請求項１６〜１８に記載されている。従って電動機は、繊維機械のロータの個別駆動部として構成される。殊に繊維機械とは、オープンエンドロータ紡績機のことである。これは紡績ロータを有しており、この紡績ロータはシャフトロス紡績ロータとしても構成される。紡績ロータは本発明に相応する使用時には、電動機の永久磁石回転子として構成される。

本発明のさらなる詳細を以下で、図面に基づいて説明される実施例に記載する。

図１は、本発明による電動機のモータ回路のブロック回路図である。

図１には三相電動機１が示されており、ここでこの三相電動機は例えば繊維機械内で、ロータの個別駆動部として使用される。ロータは本実施例では無接触に支承されている。ロータを無接触に支承するために、マグネットベアリングが設けられている。ここでこのマグネットベアリングは能動的または受動的に構成される。無接触に支承するために、ガスベアリングまたはガスベアリング／マグネットベアリングの組み合わせも使用可能である。ロータは、電動機１の永久磁石回転子として構成されている。電動機１は各位相Ｒ、Ｓ、Ｔに対してコイルを有している。このコイルには、供給線路２を介して供給電圧Ｖ_ＭＯＴが供給される。

電動機１を駆動制御するためにモータ回路３が設けられている。これは、図示されていない制御装置と作用的に結合している。制御装置はここでは例えば、マイクロプロセッツサ並びにメモリとしての上書き可能なＥＥＰＲＯＭである。

モータ回路３は複数の半導体構成素子４、５、６、７、８、９、１０、１１を含んでいる。これらは公知のように、ロータの駆動部として通常作動中には三相電動機１の相を制御するのに用いられる。ここでは、殊に、繊維機械（例えばオープンエンドローター紡績機）内での、紡績ロータの個別駆動部としての使用が考察される。各位相Ｒ、Ｓ、Ｔの駆動制御のために、制御装置は入力側１５、１６、１７、１８、１９、２０を介してモータ回路３と接続されている。各入力側１５、１６、１７、１８、１９、２０は、各位相Ｒ、Ｓ、Ｔに対する対応関係に相応して示されている。半導体構成素子４、５、６、７、８、９、１０、１１は、属するゲートドライバ６、７、８、９、１０、１１を伴う下方のトランジスタ４および上方のトランジスタ５として構成されている。

図１に示されたブロック回路図において、参照番号１５は、位相Ｒの上方のトランジスタ４を駆動制御するための入力側（ＡＲＯ）を示しており、参照番号１６は位相Ｒの下方のトランジスタ５を駆動制御するための入力側（ＡＲＵ）を示しており、参照番号１７は、位相Ｓの上方のトランジスタ４を駆動制御するための入力側（ＡＳＯ）を示しており、参照番号１８は位相Ｓの下方のトランジスタ５を駆動制御するための入力側（ＡＳＵ）を示しており、参照番号１９は、位相Ｔの上方のトランジスタ４を駆動制御するための入力側（ＡＴＯ）を示しており、参照番号２０は位相Ｔの下方のトランジスタ５を駆動制御するための入力側（ＡＴＵ）を示している。この実施例で使用されている上方のトランジスタ４および下方のトランジスタ５は、電界効果トランジスタとして構成されている。択一的に、バイポーラトランジスタまたはサイリスタも使用可能である。

各入力側１５、１６、１７、１８、１９、２０の後方には、ゲートドライバ６、７、８、９、１０、１１が配置されている。これらのゲートドライバは各位相Ｒ、Ｓ、Ｔに対応して示されている。ここで参照番号６は位相Ｒの上方トランジスタ４のゲートドライバ（ＧＴＲＯ）を示しており、参照番号７は位相Ｒの下方のトランジスタ５のゲートドライバ（ＧＴＲＵ）を示しており、参照番号８は位相Ｓの上方トランジスタ４のゲートドライバ（ＧＴＳＯ）を示しており、参照番号９は位相Ｓの下方トランジスタ５のゲートドライバ（ＧＴＳＵ）を示しており、参照番号１０は位相Ｔの上方トランジスタ４のゲートドライバ（ＧＴＴＯ）を示しており、参照番号１１は位相Ｔの下方トランジスタ５のゲートドライバ（ＧＴＴＵ）を示している。上方のゲートドライバＧＴＲＯ６、ＧＴＳＯ８およびＧＴＴＯ１０はそれぞれ反転機能（Negierungsfunktion）１２を有しており、この反転機能によって制御信号が、各上方トランジスタ４を駆動制御するために、位相Ｒ、Ｓ、Ｔの上方トランジスタ４の制御電極に送信される。上述した半導体構成素子４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２は、駆動部としての正常作動時には電動機１の位相制御に用いられ、そのアプリケーションおよびその回路技術的な配置は当業者には良く知られている。ゲートドライバ６、７、８、９、１０、１１には供給電圧ＵＴが供給される。

ゲートドライバ６、８、１０にはそれぞれ並列回路で、コンデンサ１３と抵抗１４が割り当てられている。これらは、自身の側で、線路を介して、個々の位相Ｒ、Ｓ、Ｔの各上方トランジスタ４の給電線と接続されている。

さらに、図示されていない測定装置が設けられている。ここでこの測定装置は各位相Ｒ、Ｓ、Ｔの給電線路２および制御装置と接続されている。測定装置は、図１に示された実施形態では、発電モードにおける供給電圧Ｕ_ＭＯＴの欠落時に電動機１から出力されるパワーを継続的に測定するために用いられる。測定装置は測定値を、制御装置に転送する。ここでこの制御装置はこの測定値を評価し、評価の結果を、各アクティブな動作状態をあらわす制御信号の形で入力側１５、１７、１９に転送する。測定装置を択一的に次のように構成することができる。すなわち、発電モードにある電動機１のロータの回転数ないし、発電モードで出力される電流が監視されるように構成することができる。

電動機１の正常作動中には、供給電圧Ｕ_ＭＯＴが供給され、入力側１５、１６、１７、１８、１９、２０には、電動機１を相制御するために使用される相応する整流信号が加えられる。ここでこの整流信号は、正常動作状態をあらわす制御信号に相応する。論理値「１」を有するこの制御信号は、ゲートドライバ６、８、１０に転送される。制御信号をゲートドライバ６、８、１０に供給することによって、反転機能１２が制御信号の値を「１」から「０」に変え、変えられた制御信号は、各上方のトランジスタ４の制御電極に転送される。上方のトランジスタ４の回路は次のように選択されている。すなわち、これが値「０」の制御信号による駆動制御時に導通接続されないように選択されている。

電動機１の電圧供給の欠落が生じると、これによって電動機１は自動的に発電モードに変わる。これによって、制御装置、モータ回路３、殊にロータの無接触支承に用いられるマグネットベアリングの作動保持が保証される。発電モードの間に、ロータの回転数は継続的に低下し、これによって結果的に、電動機１によって発電モード時に生成される出力が低下する。これによって、磁石支承機能および制御装置の作動は、発電モード中の電動機１の生成された出力の所定境界値の通過時にもはや保証されない。境界値は有利には閾値の上方にある。ここでこの閾値は磁気支承機能および制御装置の作動の保持に必要な供給出力を下回ることによって設定される。このようにして、電動機１の供給電圧Ｖ_ＭＯＴの欠落時およびそれに続く発電モードへの変換時に、閾値の下方に下降する前に制動過程が開始される。電動機１によって形成された出力が所定の境界値を通過するとともに、入力側１５、１７、１９には、値「１」の通常作動状態をシグナリングする制御信号はもはや印加されず、制御信号は倫理的な値「０」を取る。これに続き、ゲートドライバ６、８、１０には値「０」を有する制御信号が転送される。この信号は反転機能１２によって、値「１」を有する制御信号に変換される。これによって、各位相Ｒ、Ｓ、Ｔの上方のトランジスタ４は次のように駆動制御される。すなわち、これらのトランジスタを導通するように駆動制御される。これによって、位相Ｒ、Ｓ、Ｔのモータコイルの無接触短絡が実現される。このようにしてロータが制動され、次のことが回避される。すなわち、発電モードにおいてロータが制動されずに回転停止走行をする場合に、電動機１内のロータのマグネットベアリングが、横振れによる不必要な摩耗または起こり得る損傷の影響を受けることが回避される。

その停止状態までのロータの制動の間、位相Ｒ、Ｓ、Ｔのコイルの、導通接続に基づいて形成された短絡の上方トランジスタ４の駆動制御を保持するために、短絡をトリガする駆動制御の時点を越えて、上方トランジスタ４に供給電圧を供給することが必要である。短絡の時点を越えて上方トランジスタ４の導通接続を保持するために、コンデンサ１３はエネルギー蓄積部として使用される。コンデンサ１３は、発電モードにある電動機１によって形成された電圧によって充電される。ゲートドライバ６、８、１０に転送された、値「０」を有する制御信号およびそれに続く、反転機能１２によって値「１」に変えられた制御信号のインプット時には、導通された上方のトランジスタ４にはコンデンサ１３によって、その回路状態を維持するのに必要な供給電圧が供給される。コンデンサ１３の容量設計は、ロータの制動過程の持続時間に応じて決められる。制動過程の持続時間はここで実質的に、数μ秒から数秒までの領域にある。

本発明による電動機１の択一的な実施形態では、上述したように下方トランジスタ５の駆動制御が行われる。これによって、電動機１の各コイルが短絡される。

さらに、ゲートドライバ６、７、８、９、１０の属するコンデンサは、容量が相応に設計されている場合、ゲートドライバ６、８、１０および上方のトランジスタ４ないしはゲートドライバ７、９、１１および下方のトランジスタ５のエネルギー蓄積部として用いられる。このようにして、構成部分の要求が付加的に低減される。

さらに、測定装置の代わりにまたは測定装置に対して付加的に、発電モードを時間的に制御する装置を設けることができる。この装置は、遅延素子の形状で構成されており、発電モードへの切り換え後の所定の時間間隔内で、電動機１のコイルの短絡に導く信号がゲートドライバ６、７、８、９、１０、１１によって生成され、これによってロータの制動過程がコイルの短絡によって開始される。

本発明による電動機のモータ回路のブロック回路図

Claims

電動機（１）、殊に繊維機械用の電動機であって、
当該電動機は、供給電圧の欠落時に発電機として作動し、
電動機（１）の回転子として構成されたロータ並びに多相電動機（１）を位相制御するモータ回路（３）を含み、
当該モータ回路は複数の半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）を含み、
前記電動機（１）は、発電モードの間の所定境界値の通過時に短絡可能である形式のものにおいて、
前記モータ回路（３）は次のように構成されている、すなわち、前記境界値通過時の短絡が、モータ回路（３）が含んでいる前記半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）のうちの１つまたは複数の半導体構成素子の駆動制御によって行われるように構成されており、
所定の時間間隔の終了時に、前記半導体構成素子の自動駆動制御が行われる、
ことを特徴とする電動機。
電動機（１）の位相制御に用いられる半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）は、該半導体構成素子が電動機（１）のコイルを短絡するように構成されている、請求項１記載の電動機（１）。
前記モータ回路（３）は少なくとも１つのエネルギー蓄積部（１３）を含んでおり、当該エネルギー蓄積部は、前記所定の境界値の通過後に、半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）の駆動制御を保持する、請求項１または２記載の電動機（１）。
前記少なくとも１つのエネルギー蓄積部（１３）は、コンデンサ（１３）として構成されている、請求項３記載の電動機（１）。
前記モータ回路（３）は次のように構成されている、すなわち、前記半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）が、動作状態をあらわす信号によって駆動制御されるように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電動機（１）。
前記電動機（１）は実際値を監視する測定装置を有しており、該測定装置は制御装置と作用結合状態にある、請求項１から５までのいずれか１項記載の電動機（１）。
前記制御装置はマイクロプロセッサとして構成されている、請求項６記載の電動機（１）。
前記測定装置は、電圧測定および／または電流測定のための装置として構成されている、請求項６または７記載の電動機（１）。
前記測定装置は回転数測定装置として構成されている、請求項６または７記載の電動機（１）。
前記モータ回路（３）は遅延素子を含んでおり、
当該遅延素子によって時間インターバルが境界値として設定され、
該境界値を上回った後に、前記半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）の自動的な駆動制御によって短絡が行われる、請求項１から８までのいずれか１項記載の電動機（１）。
前記コイルを短絡するために使用される前記半導体構成素子（４、５）はトランジスタ（４、５）として構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電動機（１）。
前記トランジスタ（４、５）は電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタとして構成されている、請求項１１記載の電動機（１）。
前記ロータは無接触に支承されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電動機（１）。
前記ロータの無接触支承のために、ベアリングはマグネットベアリングとして構成されている、請求項１３記載の電動機（１）。
ロータの個別駆動部としての、請求項１から１４までのいずれか１項記載の多相電動機（１）の使用であって、
前記電動機（１）の位相制御のために設けられた、位相ブリッジの半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）は、所定の境界値の通過時に、前記電動機（１）を制動するために電動機（１）のコイルを無接触に短絡することができる、
ことを特徴とする、ロータの個別駆動部としての、請求項１から１４までのいずれか１項記載の多相電動機（１）の使用。
前記境界値は、前記制御装置および発電モードで作動している電動機（１）の半導体構成素子（４、５、６、７、８、９、１０、１１）の作動を維持するための閾値の上方に設定される、請求項１５記載の使用。
前記電動機（１）は繊維機械のロータの個別駆動部として構成されている、請求項１５または１６記載の使用。
前記ロータはロータ紡績機の紡績ロータとして構成されている、請求項１７記載の使用。