JP2012505623A - 機械的に整流される電動機を制御するための電源システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、機械的に整流される電動機１の整流に応答してトリガー信号を与えるための方法に関する。この方法は、機械的に整流される電動機１を設けるステップと、電源回路から電源リード１０、１１を介して前記機械的に整流される電動機のための電源を与えるステップと、前記電源リード１０、１１に接続されるフィルター１５を設けるステップと、前記フィルター１５を用いて、整流時に発生する電圧スパイクを検出するステップと、前記フィルター１５から前記トリガー信号を出力するステップとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、機械的に整流される電動機の整流に応答してトリガー信号を与えるための方法に関する。また、本発明は、機械的に整流される電動機のための電源システムに関する。

機械的に整流される電動機、すなわち、固定子によって生成される磁界内で電機子が回転するのに応じて、ブラシ及び整流子構成が電機子巻線内の電流の極性を変更する電動機が、当該技術分野においてよく知られている。そのような電動機内の磁界は、永久磁石又は電磁石によって生成される場合がある。磁界が電磁石によって与えられる場合には、固定子の磁界を生成する、巻線内の電流は、別個の磁化電流によって与えられる場合があるか、又は電機子巻線の中を流れる電流と同じ電流によって与えられる場合がある。後者は、交流周波数が高すぎない限り、交流の場合にも非常に適しているので、一般的に交直両用電動機と呼ばれる。そのような交直両用電動機は、１６ ２／３Ｈｚ、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのような最も一般的に用いられるＡＣ周波数において非常に良好に動作する。

機械的に整流される永久磁石ＤＣ電動機は、小型及び中型の電気及び電子デバイスのために最も一般的に用いられる電動機である。したがって、そのような電動機は大量に製造されるので、非常に安価である。そのような電動機を制御するために、パルス変調された電流によって電流を供給することがよく知られている。

機械的に整流される電動機の整流を特定しようとする数多くの試みが行なわれており、たとえば、電動機に回転計のような指示計を設けることによって、又は電動機への供給電流上のリップル、すなわち、逆起電力に起因してコイル内の電流が瞬時に変化することができないという事実によって引き起こされる供給電流上の変動をカウントすることによって特定されてきた。１つのそのような試みが、特許文献１において記述される。整流子接点は通常、その時点でいくつかの巻線に重なり合うように電流を供給するので、そのようにリップルをカウントすることは難しい。

整流を特定したい理由のうちの１つは、機械的に整流される電動機の既知の短所のうちの１つ、すなわち、電動機が整流するときに生じるアーク放電に由来する。各転換点において、ブラシが整流子セグメントとの接触を断つときに、電動機巻線内に磁界として蓄積されるエネルギーが、磁界が崩壊するときにブラシと整流子セグメントとの間にアーク又は電圧スパイクを引き起こす。これは、通常の整流中に生じるだけでなく、ブラシが回転する整流子上で弾む状況においても生じる。

アークは主に２つの理由から望ましくない。第１の主な理由は、アークが大量の高周波電磁雑音を生成し、その電磁雑音が電動機から放射され、他の装置との望ましくない電磁干渉を引き起こす場合があることである。もう１つの主な理由は、アークはホットプラズマからなり、整流子自体及びブラシ等に電動機に機械的摩耗を引き起こすことである。

欧州特許出願公開第１７７２９５４号

本発明の目的は、とりわけこれらのアーク放電の問題を克服するために、機械的に整流される電動機の整流を検出することである。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、機械的に整流される電動機の整流に応答してトリガー信号を与えるための方法であって、
機械的に整流される電動機を設けるステップと、
電源回路部から電源リードを介して前記機械的に整流される電動機のための電源を与えるステップと、
前記電源リードのうちの少なくとも１つに接続されるフィルターを設けるステップと、
前記フィルターを用いて、整流時に発生する電圧スパイクを検出するステップと、
前記フィルターから前記トリガー信号を出力するステップと、
を含む、方法によって達成される。

そのようなフィルターを使用することによって、整流時にブラシが整流子の導電性パッドとの接触を断つことに起因してインピーダンスが増加するときに生成される逆電圧スパイクを誘導できるようになる。本発明では、その持続時間及び大きさが供給電圧に比べて負の極性を有するスパイクを引き起こす場合もあるので、リップルをカウントする際の変動とは対照的に、この逆電圧スパイクが容易に検出可能であることを理解している。

本発明の第２の態様によれば、この目的は、
機械的に整流される電動機のための電源システムであって、
電源回路部と、
前記電源回路部から機械的に整流される電動機まで電力を伝導するための電源リードと、
前記電源リードに接続されるフィルターと、
前記フィルターから出力されるトリガー信号を前記電源への停止信号として送信するためのラインと、
を備え、
前記パルス変調回路部は、前記停止信号を受信する手段と、前記停止信号に応答して、前記機械的に整流される電動機への電源を一時的に停止する手段とを備える、システムによって達成される。

それにより、整流子の機械的接触においてではなく、電源の固体デバイスにおいて電流が遮断されるので、アーク放電を避けることができる。

本発明の第１の態様の第１の好ましい実施の形態によれば、前記方法は、前記電源への停止信号として前記トリガー信号を用いるステップと、前記停止信号に応答して、前記機械的に整流される電動機への前記電源を一時的に停止するステップとをさらに含む。

本発明による方法の好ましい実施の形態によれば、前記電源回路部はパルス変調回路部を含み、前記停止信号は、前記パルス変調回路部のためのリセット信号として用いられる。フィルターからの停止信号に基づいて直にパルス変調回路部をリセットすることによって、電源の非常に迅速な応答及び停止を達成することができ、それにより、最初にアークが起こりそうになった時点においてアークを消滅させることができる。

本発明による方法のさらに好ましい実施の形態によれば、前記電源回路部はマイクロプロセッサを備える。マイクロプロセッサは汎用性があり、さらに、整流の発生時に正確な時刻をログ記録することを可能にする。

本発明による方法の別の好ましい実施の形態によれば、前記リセット後に、前記パルス変調回路部の動作の所定の遅延が与えられる。これは、電流供給が再開される前に整流子とブラシとの間に十分な距離が存在するのを確実にし、それにより、後にアークが発生するのを防ぐ。

本発明によるさらに別の好ましい実施の形態によれば、前記パルス変調回路部は、パルス幅変調された電力を与える。パルス幅変調は、マイクロプロセッサ又はマルチバイブレーター回路を用いて容易に達成することができる。

本発明による電源システムの第１の実施の形態によれば、前記電源回路部はパルス変調回路部を備え、前記停止信号を受信する手段は、パルス変調回路部のリセット入力である。フィルターからの停止信号に基づいて直にパルス変調回路部をリセットするためのリセット入力を用いることによって、電源の非常に迅速な応答及び停止を達成することができ、それにより、最初にアークが起こりそうになった時点においてアークを消滅させることができる。

本発明による電源システムのさらなる実施の形態によれば、前記電源回路部はマイクロプロセッサを備える。マイクロプロセッサは汎用性があり、さらに、整流の発生時に正確な時刻をログ記録することを可能にする。

本発明による電源システムの別の好ましい実施の形態によれば、前記リセット後に前記パルス変調回路部の動作の所定の遅延を導入する手段が設けられる。これは、電流供給が再開される前に整流子とブラシとの間に十分な距離が存在するのを確実にし、それにより、後にアークが発生するのを防ぐ。

本発明による電源システムのさらに別の好ましい実施の形態によれば、前記パルス変調回路部はパルス幅変調された電力を与えるように構成される。マイクロプロセッサは汎用性であり、さらに、整流の発生時に正確な時刻をログ記録することを可能にする。

本発明において用いられるフィルターで整流時に発生する電圧スパイクを検出することができる付帯的な効果として、本発明によれば、機械的に整流される電動機を詳しくモニターすることが可能になる。

したがって、本発明のさらに好ましい実施の形態において示される第３の態様によれば、或るパターンを特定するように、前記マイクロプロセッサによって、複数の整流のための前記電圧スパイクの発生についての時間的情報を識別及び格納することをさらに含む方法が提供される。

電圧スパイクについての時間的情報に関するそのようなパターンは、機械的に整流される電動機のための個々の特性を与え、それにより、とりわけ、電動機巻線の故障のような主な障害を検出できるようになる。

本発明の第３の態様の好ましい実施の形態では、前記時間的情報は、前記電圧スパイク間の時間間隔を含む。任意の機械的に整流される電動機は、整流子の接触パッドの間隔にわずかな差を有する。本発明の方法によれば、これらのわずかな差を容易に検出することができ、したがって、個々の特性として用いることができる。たとえば、整流のうちの１つを、基準としての役割を果たすように指定することができ、それにより、回転数を容易に計算できるようになるか、又はどの特定の巻線が故障しているかを識別できるようになる。

本発明の第３の態様のさらなる好ましい実施の形態では、前記時間的情報は、前記電圧スパイクの幅、又はさらにはその個々の持続時間にわたる前記スパイクの曲線形状を含む。整流子パッドのエッジに、たとえば摩耗があると、発生する電圧スパイクに影響を与えることになるので、とりわけこの摩耗を検出できるようになると、さらに障害の検出の助けになる。

本発明の第３の実施の形態による方法の特に好ましい実施の形態では、その方法は、後続の電圧スパイクの検出、及び該スパイクに関連する個々の時間的情報の前記パターンとの比較を含む。それゆえ、機械的に整流される電動機への任意の変化をその耐用年数にわたって検出することができ、前記後続のスパイクがそのパターンと一致しない場合には、予防措置が講じられる。

本発明の第３の態様の好ましい実施の形態によれば、前記予防措置は、警報を出すことを含む。その後、その警報によって、さらなる予防措置を講じることができる場合があり、たとえば、端末が故障する前に機械的に整流される電動機を取り替えることができる。

さらに好ましい実施の形態によれば、後続の電圧スパイクの前記検出に基づいて、機械的に整流される電動機の角度位置を特定することができる。個々の整流を追跡できなくなった場合、たとえば、電源故障又は任意の他の電源切断中に電動機電機子が動く場合であっても、識別可能な基準を有することによって、電動機を所定の角度位置にリセットできるようになる。

ここで、非限定的な例示の実施の形態及び図面に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。

第１の位置にある整流子及びブラシを示す概略図である。 第２の位置にある整流子及びブラシを示す概略図である。 第３の位置にある整流子及びブラシを示す概略図である。 整流を検出するためのフィルターを有する、マイクロプロセッサ制御の機械的に整流される電動機を示す概略図である。 整流を検出するためのフィルタリング回路を示す図である。 図５のフィルタリング回路の種々の点において測定される信号の曲線形状を示す図である。 図５のフィルタリング回路の種々の点において測定される信号の曲線形状を示す図である。 図５のフィルタリング回路の種々の点において測定される信号の曲線形状を示す図である。 図５のフィルタリング回路の種々の点において測定される信号の曲線形状を示す図である。 整流を検出するためのフィルター回路部を備える機械的に整流される電動機を示す概略図である。

図１は、図３及び図４において用いられるような機械的に整流される電動機１の整流子構成の非常に簡略化された図を示す。整流子は回転式スイッチであり、電磁石の磁化巻線２に供給される電流の極性、それゆえ電磁石の極性を変更する。整流子は回転するので、通常は円筒形であるが、例示のために、ここでは直線構成で示される。概略的に示される整流子は基板３を備えており、基板は、電動機電機子と共に、矢印Ｗで示される方向に回転する。基板の表面上には、空隙６、７によって分離される複数の接触パッド４、５が配置される。例示のために、２つの接触パッド４、５のみが示される。接触パッド４、５は２つのブラシ８、９によって係合され、その結果、電流供給リード１０に接続される電源（図示せず）から、ブラシ８を介して、接触パッド４まで電流が流れる。接触パッド４から、電流は磁化巻線２を通って他方の接触パッド５まで流れ、さらに他方のブラシ９及び戻りリード１１を介して電源に戻される。整流子の回転中に、ブラシ８は接触パッド４及び５と交互に係合し、一方、他方のブラシ９はそれぞれの他の接触パッドと係合する。それにより、磁化巻線２の極性が反転し、電動機１を駆動する。

図２において、基板３が矢印Ｗの方向において左に向かって動いており、その結果、ブラシ８が接触パッド５と係合しており、接触パッド４から離れようとしていることを見てとることができる。同様に、ブラシ９は接触パッド５から離れようとしている。図には示されないが、次の接触パッドがあれば、ブラシ９はその接触パッドと係合していたであろう。それゆえ、整流子構成がそれらの２つの接触パッド４、５のみを有する場合には、接触パッド４と係合したであろう。

ブラシ８、９が接触パッド４、５から離れる瞬間に、相当量の磁気エネルギーが磁化巻線に蓄積されたままである。このエネルギーは電圧スパイクを引き起こし、その電圧スパイクは、図３に示されるように、接触パッド４、５とそれぞれのブラシ８、９との間でアーク１２を開始するのに十分な電圧を有する。さらに、蓄積されるエネルギーは、接触パッドとそれぞれのブラシ８、９との間の距離が大きくなっても、アーク１２を保持するのに十分であり、それにより強力なアークを引き起こし、そのアークは電磁雑音を生成し、かつ接触パッド４、５のエッジから材料を気化させる。

本発明では、適当なフィルタリングを用いて電圧スパイクを検出できること、及びこの検出を用いて、実際に発生する前に、アーク１２を消滅させられることに気が付いている。詳細には、本発明はフィルター回路を提供し、その回路によって、電源がパルス変調される場合であっても、整流からの特定の電圧スパイクを一義的にかつ高い信頼性で検出できるようになる。

図４は、整流子内のアーク１２を消滅させるための１つの例示的な回路を概略的に示す。外部電源（図示せず）からの電力が供給リード１４によってマイクロプロセッサ１３に供給される。マイクロプロセッサは、パルス変調されたパルス列、たとえば、パルス幅変調されたパルス列を供給リード１０によって機械的に整流される電動機１に出力するように構成及びプログラムされる。機械的に整流される電動機１の電力定格が、マイクロプロセッサ１３が供給することができる最大出力電力を超える場合には、ドライバ回路を用いて、パルス変調されたパルス列を増幅できることは当業者には理解されよう。また、パルス変調されたパルス列を生成する他の方法、たとえば、マルチバイブレーターチップを用いるマルチバイブレーター実施形態を利用することができること、及びマイクロプロセッサ実施形態に関して以下に説明される細部は、マルチバイブレーター実施形態においても適用できる場合があることも当業者には理解されよう。

また図４から明らかであるように、供給リード９にフィルター１５が接続される。フィルター１５は整流スパイクをフィルタリング除去し、出力信号を与え、その出力信号はライン１６を介してマイクロプロセッサ１３の入力に供給される。図４は概略図であること、及びフィルター１５は単一の点において供給リード９に接続されるだけであるとは限らないことに留意されたい。図示される実施形態では、出力信号が供給されるマイクロプロセッサ１３の入力はリセット端子である。したがって、整流スパイクが生じるとき、マイクロプロセッサはリセットされ、その直後、すなわち、数ナノ秒以内に、機械的に整流される電動機への電力の供給を停止する。これは、実際に形成し始める前にアークを消滅させる。リセット後にマイクロプロセッサが電動機に対してパルス変調された電流の供給を再開するまで、磁化巻線のエネルギーのうちの十分な部分が消失しており、接触パッド４、５とブラシ８、９との間の空隙６、７がアークの再発生を防ぐほど十分に大きくなる。必要に応じて、これを確実にするために、マイクロプロセッサ１３内に十分な遅延をプログラムすることができる。

後にさらに説明されるように、スパイクの解析等のために、フィルター１５の入力信号は、代わりに、マイクロプロセッサの他の入力に供給されてもよい。

図５には、本発明による１つの例示的なフィルター１５が示される。フィルター１５は、測定抵抗１９の両側にある２つの点１７、１８において供給リード１０に接続される。測定抵抗１９は別個の構成要素である必要はなく、供給リード１１の適当な長さによって構成することができる。

フィルター１５は、破線の枠で示される３つのフィルタリング素子、すなわちホイートストンブリッジ２０と、ローパスフィルター２１と、微分回路２３とを備える。さらに、フィルターはオプションで、同じく破線の枠で示される２つの増幅器、すなわちローパスフィルター２１からの出力信号を増幅するためのフィルター２２と、微分回路２３からの出力信号を増幅するためのドライバ回路２４とを備える。

図６〜図９では、Ｍａｂｕｃｈｉ製の機械的に整流される８極直流電動機の供給中にフィルター１５内の種々の点において測定される曲線形状によって、図５のフィルター１５の機能が示される。

図６において、上側の曲線形状は、点１７と１８との間で測定される測定抵抗器１９上のフィルタリングされない信号を示す。図示される具体的な測定において、測定抵抗器１９は単に１５センチメートルの供給ワイヤ１１であった。別個の抵抗器構成要素１９は使用されなかった。

図６の下側の曲線形状は、点１７と、ホイートストンブリッジ２０の左側にある信号出力点２５との間で測定される信号を示す。

図７において、上側の曲線形状は、図６の上側の曲線形状と同じ、点１７と１８との間で測定される測定抵抗器１９上のフィルタリングされない信号を示す。

図７の下側の曲線形状は、点１７と、ホイートストンブリッジ２０の右側にある基準点２６との間で測定される信号を示す。

図８は、ホイートストンブリッジ２０の信号出力点２５とグランド２７との間、及び基準点２６とグランド２７との間でそれぞれ測定される曲線形状を示す。上側の曲線形状は信号出力点２５とグランド２７との間であり、下側は基準点２６とグランド２７との間である。

ホイートストンブリッジ２０の信号出力点２５からの出力信号及び基準点２６からの出力信号はそれぞれ、ローパルフィルター２１及び増幅器２２に供給される。

図９の上側の曲線形状は、出力端子２８とグランド２７との間で測定される、増幅器２２からのローパスフィルターをかけた出力信号を示す。

増幅器２２からの出力信号は微分回路２３に供給され、該微分回路は図９の下側の曲線形状を生成する。この曲線形状は、整流毎に１つの明確なスパイク２９を含むことが明らかであり、たとえば、マイクロプロセッサ１３のためのリセット信号として容易に利用することができる。個々のスパイク２９の形状を注意深く見るとき、スパイクは明確であるだけではなく、実際には、機械的に整流される電動機の８極に対応する繰返しパターンにおいてそれぞれ区別可能な特徴を有することを当業者は理解されよう。

全ての機械的に整流される電動機の場合にそのような繰返しパターンが存在しており、繰返しパターンは個々の電動機に特有であり、極毎の整流過程の違いを反映していることが研究によって示されている。図１０に示されるように、フィルター１５からの出力信号が、リセット入力１６ではなく、別の入力１６’に供給される場合、マイクロプロセッサを用いて、個々の電動機毎にこのパターンを記録することができ、それにより電動機が如何に整流するかという個々の特徴を表すことができる。各電動機が一体に構成されるマイクロプロセッサに基づく自らのコントローラを備えるときに、これは特に興味深い。マイクロプロセッサ１３が利用可能であるとき、各整流スパイクの特徴を含むパターンを、製造された機械的に整流される電動機１毎に記録及び格納することができる。機械的に整流される電動機１のためのパターン及び特徴を格納しておくことによって、その電動機に対する任意の変化を識別できるようになる。たとえば、１つの磁化巻線が故障する場合には、欠けているスパイクを容易に発見できるであろう。一方、スパイクの特徴も記録及び格納されるので、整流される電動機１の寿命にわたって、特に整流子上の磨耗をモニターできるようになる。たとえば、基準として１つの容易に区別可能な整流を規定することによって、又は、そのような容易に区別可能な整流を有するように電動機１を製造することによって、電動機１のための基準点を規定できるようになる。後者は、整流子の接触パッド４と５との間の１つの空隙６、７を他の空隙よりも大きくし、結果として、基本的に等距離の他のスパイクに対して整流スパイクを時間的にずらすことによって果たすことができる。

さらに、機械的に整流される電動機を特徴付けるのに有用な付加情報を得るために、トリガー信号を用いて、連続する整流間の供給電流の波形のような他の測定をトリガーすることができる。

上記の説明は具体的な例示的実施形態に基づいて与えられてきたが、本発明の範囲内で数多くの逸脱及び変形が可能であることを当業者は理解されよう。したがって、図示されるアナログフィルター以外のフィルターも可能であること、詳細には、フィルターの一部をマイクロプロセッサ又は類似の構成要素内のデジタルフィルタリングとして実装してもよいことを当業者は理解されよう。また、電源が最も広い意味において理解されるべきであること、とりわけ、変調を用いる電源、又は用いない電源を含むことができ、フィルターの出力信号によって制御される簡単な電子スイッチを含むこともできることを当業者は理解されよう。

Claims (19)

1. 機械的に整流される電動機の整流に応答してトリガー信号を与えるための方法であって、
   機械的に整流される電動機を設けるステップと、
   電源回路部から電源リードを介して前記機械的に整流される電動機のための電源を与えるステップと、
   前記電源リードのうちの少なくとも１つに接続されるフィルターを設けるステップと、
   前記フィルターを用いて、整流で発生する電圧スパイクを検出するステップと、
   前記フィルターから前記トリガー信号を出力するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記電源への停止信号として前記トリガー信号を用いるステップと、
   前記停止信号に応答して、前記機械的に整流される電動機への前記電源を一時的に停止するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記電源回路部はパルス変調回路部を含み、前記停止信号は前記パルス変調回路部のためのリセット信号として用いられる、請求項２に記載の方法。
4. 前記電源回路部はマイクロプロセッサを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記リセット後に、前記パルス変調回路部の動作の所定の遅延が与えられる、請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記パルス変調回路部はパルス幅変調された電力を与える、請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. パターンを特定するように、前記マイクロプロセッサによって、複数の整流のための前記電圧スパイクの発生についての時間的情報を識別及び格納することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記時間的情報は、前記電圧スパイク間の時間間隔を含む、請求項５に記載の方法。
9. 前記時間的情報は前記電圧スパイクの幅を含む、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記時間的情報は、その個々の持続時間にわたる前記スパイクの曲線形状を含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 後続の電圧スパイクの検出、及び該スパイクに関連する個々の時間的情報と前記パターンとの比較をさらに含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記後続のスパイクが前記パターンと一致しない場合には、予防措置を講じる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記予防措置は警報を出すことを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記機械的に整流される電動機の角度位置は、後続の電圧スパイクの前記検出に基づいて特定される、請求項１１に記載の方法。
15. 機械的に整流される電動機のための電源システムであって、
    電源回路部と、
    前記電源回路部から機械的に整流される電動機まで電力を伝導するための電源リードと、
    前記電源リードに接続されるフィルターと、
    前記フィルターから出力されるトリガー信号を前記電源への停止信号として送信するためのラインと、
    を備え、
    前記パルス変調回路部は、前記停止信号を受信する手段と、前記停止信号に応答して、前記機械的に整流される電動機への電源を一時的に停止する手段とを備える、システム。
16. 前記電源回路部は前記パルス変調回路部を含み、前記停止信号を受信する前記手段は該パルス変調回路部のリセット入力である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記電源回路部はマイクロプロセッサを含む、請求項１５又は１６に記載のシステム。
18. 前記リセット後に前記パルス変調回路部の動作の所定の遅延を導入する手段が設けられる、請求項１６又は１７に記載のシステム。
19. 前記パルス変調回路部は、パルス幅変調された電力を与えるように構成される、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載のシステム。

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