JP2018088800A - 同期モータ組立体、ポンプ、及びそれを用いる換気ファン - Google Patents

Abstract

【課題】速度が調整できる改善された同期モータを提供する。【解決手段】同期モータ組立体は、交流電源の２つのノード間に接続されたモータと、モータ駆動回路と、規制ユニットとを含む。駆動回路はモータを駆動して回転させる。規制ユニットは、モータを規制することによって、モータの回転速度を異なる定常電圧点に規制する。【選択図】図５

Description

[0002] この発明は、モータ制御技術に、特に同期モータ組立体、ポンプ、及び同期モータを用いる換気ファンに関する。

[0003] 同期モータの始動中に、ステータは、交番磁界を発生して永久磁石ロータを振動させる。ロータの振動の振幅は、ロータが回転し始めるまで増え、最終的にロータは、加速されてステータの交番磁界と同期して回転する。しかしながら、同期モータの速度は、一定であり、調整することができない。

[0004] 従って、速度が調整できる改善された同期モータに対する要望がある。

[0005] 同期モータ組立体は、交流電源の２つのノード間に接続されたモータと、モータ駆動回路と、規制ユニットとを備える。モータ駆動回路は、モータを駆動して回転させる。規制ユニットは、モータを規制することによって、モータの回転速度を異なる定常電圧点に規制する。

[0006] 交流電源の周波数ｆとし、モータの極対の数をｐとすると、モータの回転速度はｎ≦６０ｆ／ｐ毎分回転数であることが好ましい。

[0007] 規制ユニットは、交流電源とモータとの間に接続された加減抵抗器であり、モータは、加減抵抗器の抵抗を規制することによって、異なる定常電圧点に規制されることが好ましい。

[0008] 規制ユニットは、複数の複数のモータタップ及び複数のスイッチを備え、各スイッチは各モータタップに対応することが好ましい。モータは、異なるモータタップをオンすることによって、異なる定常電圧点に規制される。

[0009] モータの回転速度は、ｎ＝６０ｆ／ｐ−３００^*Ｎであり、Ｎは、ｆ／１０ｐよりも小さい自然数であることが好ましい。

[0010] 加減抵抗器及びモータ駆動回路は１つの集積回路に一体化されることが好ましい。

[0011] 加減抵抗器及びモータ駆動回路は１つの集積回路に一体化されることが好ましい。

[0012] 集積回路は、整流器、検出回路、スイッチ制御回路、及び制御可能な双方向交流スイッチのうちの少なくとも２つを備え、整流器は、交流電源を直流電力へ変換して検出回路に供給し、検出回路は、モータのロータの磁極位置を検出し、スイッチ制御回路は、磁極位置及び交流電源の極性に応じて、制御可能な双方向交流スイッチを制御して、スイッチオン状態とスイッチオフ状態との間において所定様式で切り換えるように構成することが好ましい。

[0013] モータ駆動回路は、電圧降下回路、整流器、検出回路、及びスイッチ制御回路をさらに備え、電圧降下回路は集積回路内にパッケージ化されることが好ましい。

[0014] モータは単相永久磁石同期モータであり、モータは、ステータと、ステータ内に回転可能に収容されたロータとを備え、ステータとロータとの間に不均一な空隙が形成されることが好ましい。

[0015] モータに加える電圧は、加減抵抗器の抵抗を調整することによって調整されることが好ましい。

[0016] 規制ユニットは３つのモータタップを備え、スイッチは切換スイッチであり、切換スイッチは、３つのモータタップの１つに電気的に結合するように制御されることが好ましい。

[0017] スイッチが異なるモータタップと電気的に結合されるとき、各モータタップはモータの巻線のひと巻きに対応し、巻線の抵抗及び巻き方は変化し、モータの回転速度は、異なる定常電圧点に調整される。

[0018] ポンプは上述した同期モータ組立体を備える。

[0019] ｆを交流電源の周波数とし、ｐをモータの極対の数とするとき、モータの回転速度はｎ≦６０ｆ／ｐ毎分回転数であることが好ましい。

[0020] 規制ユニットは、交流電源とモータとの間に接続された加減抵抗器であり、モータは、加減抵抗器の抵抗を規制することによって、異なる定常電圧点に規制されることが好ましい。

[0021] 規制ユニットは、複数のモータタップ及びスイッチを備え、モータは、スイッチを介して異なるモータタップをオンすることによって、異なる定常電圧点に規制されることが好ましい。

[0022] モータの回転速度はｎ＝６０ｆ／ｐ−３００^*Ｎであり、式中ｆは交流電源の周波数であり、ｐはモータの極対の数であり、Ｎはｆ／１０ｐよりも小さい自然数であることが好ましい。

[0023] 換気ファンは、上述した同期モータ組立体を備えることが好ましい。

[0024] 以下、本発明の好ましい実施形態が、添付図面の各図を参照して、ほんの一例として説明される。各図において、２つ以上の図に現われる同一の構造、要素又は部品には、それらが現われる全ての図で全般に同じ参照符号が付される。各図に示される構成部品及び機能の寸法は、全般に表現の便宜及び明確さのために選ばれ、必ずしも一定の縮尺で示さない。各図を以下に列挙する。

本開示の１つの実施形態による同期モータの立体図である。 図１の同期モータをハウジングなしで示す立体図である。 図２の同期モータの端面図である。 図２の同期モータにおけるステータコアの図である。 本開示の実施形態による同期モータ用の駆動回路である。 図５の駆動回路のブロック図である。 図５の駆動回路の概略図である。 本開示の別の実施形態による同期モータ用の駆動回路である。 本開示の異なる定常電圧点に関するステータ巻線の電圧波形図である。 本開示の別の実施形態による同期モータ用の駆動回路である。 本開示の別の実施形態による同期モータ用の駆動回路である。

[0037] 以下、本開示の特定の実施形態が、図面と併せて詳細に説明され、その結果本開示の他の技術的解決策及び有益な効果は明白である。図面は、参照と説明のためにのみ提示され、本開示を制限するためには使用しないことを理解されたい。図面中に示す寸法は、明確な説明を容易にするためのみであり、比例する関係に制限されない。

[0038] 図１〜図４を参照して、同期モータ１０は、ステータ２０と、ステータ２０内に回転可能に収容されたロータ４０とを含むことができる。ステータ２０は、円筒形ハウジング２１と、円筒形ハウジング２１内に配置されたステータコア３０と、ステータコア３０の周りに巻き付けた巻線３９とを含む。実施形態では、ステータ３０は、複数の歯３３と、磁極片３５とを含み、磁極片３５は、各歯３３の半径方向内端から２つの側面に、ステータ２０の円周方向に沿って延びている。実施形態では、ステータコア３０は、純鉄、鋳鉄、鋳鋼、電炉鋼、ケイ素鋼のような軟磁性材料で作成することができる。実施形態では、同期モータ１０は、単相永久磁石式同期モータ１０とすることができる。

[0039] ロータ４０は、各歯の磁極片３５が協働して定める空間内に収容される。ロータ４０は、その円周方向に沿って配置された複数の磁極４５を含むことができる。各磁極４５は、単一の永久磁石によって形成することが好ましい。各磁極４５の外周面は湾曲面であり、各磁極４５の外周面とロータ４０の中心との間の距離は、円周方向中央部から２つの円周方向側面まで徐々に減少する。各磁極４５の外周面と磁極片３５の内周面との間に不均一な空隙４１が形成される。

[0040] 実施形態では、各２つの隣接する歯３３の間の磁極片３５は、位置決めスロット３８を形成する。位置決めスロット３８の数は、ステータの磁極の数及びロータの永久磁極の数と同じであり、実施形態では４である。実施形態では、位置決めスロット３８は内周面に配置される。各位置決めスロット３８の中央部は、対応する２つの隣接する歯の対称中心からずれる、すなわち位置決めスロット３８は、２つの歯から異なる距離だけ離間することが好ましく、結果としてステータ巻線の非通電時に、ロータは、死点からずれた位置に停止することができる。死点は、ステータ巻線の通電時に、ロータに加わるトルクがゼロである位置を指す。各位置決めスロット３８の中央部は、対応する２つの隣接する歯の対称中心から、４５度から１３５度の範囲の電気角Ｑだけ角度的にずれることが好ましい。すなわち、磁極片３５の中央部及びロータの中心を通る線Ｌ１と、２つの隣接する歯３３の対称中心線Ｌ２とは、それらの間に角度Ｑを形成する。実施形態では、巻線３９は、交流電源と電気的に結合される。交流電源の周波数をｆとし、モータの極対の数をｐとすれば、モータ１０は、定常状態では回転速度ｎ≦６０ｆ／ｐで回転する。

[0041] 図５は、本開示の実施形態による同期モータ用の駆動回路を示す。交流電源２４の２つのノード間に、巻線３９、集積回路１８及び規制ユニットが直列に接続される。実施形態では、規制ユニットは加減抵抗器とすることができる。集積回路１８は、駆動回路と一体化され、巻線３９の通電毎にモータを駆動して一定の始動方向に回転させる。別の実施形態では、規制ユニットは、複数のモータタップ及びスイッチとすることができる。

[0042] 図６は、図５の集積回路のブロック図を示す。集積回路１８は、ハウジングと、ハウジングから外に延びた２本のピン５１と、ハウジング内にパッケージ化された１つの駆動回路とを含む。駆動回路は半導体基体に配置され、駆動回路は、モータのロータの磁界極性を検出するように構成された検出回路５０と、２本のピン５１間に接続された制御可能な双方向交流スイッチ２６と、２本のピン間に制御可能な双方向交流スイッチ２６と並列に接続された整流器２８と、制御可能な双方向交流スイッチ２６を制御するスイッチ制御回路６０であって、検出回路５０によって検出されたロータの磁界極性に基づき、制御可能な双方向交流スイッチ２６をスイッチオン状態とスイッチオフ状態との間においてプリセット様式で切り換えるように構成されたスイッチ制御回路６０とを含む。

[0043] スイッチ制御回路６０は、交流電源２４が正の半周期にあり、しかもロータの磁界極性が第１の極性であることを検出回路２０によって検出したとき、制御可能な双方向交流スイッチ２６をオンに切り換え、交流電源２４が負の半周期にあり、しかもロータの磁界極性が第１の極性とは反対の第２の極性であることを検出回路５０によって検出したとき、オフに切り換わるように構成されることが好ましい。構成により、モータの始動段階にて、ステータ巻線３９は、ロータを一定方向のみに駆動することができる。

[0044] 実施形態では、検出回路５０は、磁気センサ（位置センサとも呼ばれる）とすることができ、集積回路は、磁気センサがロータの磁界変動を感知できるように、ロータの近くに設置される。検出回路５０は磁気センサを含む必要はなく、他の実施形態では、ロータの磁界変動は、他の方法で検出できることを理解されたい。本開示による実施形態では、モータ用の駆動回路は、集積回路内にパッケージ化されて、回路の費用を下げることができ、しかも回路の信頼度を改善することができる。さらに、モータは、ＰＣＢを含む必要はなく、必要なのは、集積回路を適切な位置に固定して、集積回路を引込線によって回線グループ及びモータの電源に接続することのみである。

[0045] 実施形態では、巻線３９は、交流電源２４の２つのノードＡとノードＢとの間に接続される。交流電源２４は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのような周波数が一定の商用交流電源とすることができ、供給電圧は、例えば１１０Ｖ、２２０Ｖ又は２３０Ｖとすることができる。加減抵抗器の抵抗は制御装置によって制御される。制御可能な双方向交流スイッチ２６は、トリオード交流半導体スイッチ（トライアック）とすることができ、２つの陽極が２本のピン５１にそれぞれ接続される。制御可能な双方向交流スイッチ２６は、逆並列に接続された２つの一方向サイリスタを含むことができ、それぞれの制御回路は、２つの一方向サイリスタをプリセットされた方法で制御するために配置できることを理解されたい。整流器２８と制御可能な双方向交流スイッチ２６とは、２本のピン５１間に並列に接続される。２本のピン５１間の交流出力は、整流器２８によって低圧の直流に変換される。検出回路５０は、整流器２８が出力する低圧直流によって給電することができ、同期モータ１０のロータ４０の磁極位置を検出して、対応する信号を出力するように構成することができる。スイッチ制御回路３０は、整流器２８、検出回路５０及び制御可能な双方向交流スイッチ２６に接続され、検出回路２０によって検出されたロータの磁極位置及び整流器２８から得られた交流電源２４の極性に基づき、制御可能な双方向交流スイッチ２６を制御して、スイッチオン状態とスイッチオフ状態との間でプリセットされた様式で切り換えるように構成され、結果としてモータの始動段階にて巻線３９がロータ１４を駆動して上述した一定方向にのみ回転させる。本開示によれば、制御可能な双方向交流スイッチ２６がオンに切り換わると、２本のピン５１は短絡し、整流器２８は、そこを電流が流れないので電気エネルギを消費せず、それ故に電気エネルギの利用効率は著しく改善することができる。

[0046] 図７は、図５の駆動回路の概略図を示す。モータ１０の巻線３９は、集積回路１８の２本のピン５１間に、交流電源２４と直列に接続される。２本のピン５１に２つのノードＡ及びＢがそれぞれ接続される。トライアック２６の第１の陽極Ｔ２はノードＡに接続され、トライアック２６の第２の陽極Ｔ１はノードＢに接続される。整流器２８は、２つのノードＡとＢとの間に、トライアック２６と並列に接続される。２つのノードＡ及びＢの間の交流は、整流器２８によって低圧直流（好ましくは、低圧は３Ｖから１８Ｖの範囲である）に変換される。整流器２８は、第１のツェナーダイオードＺ１及び第２のツェナーダイオードＺ２を含み、それらは、それぞれ、第１の抵抗器Ｒ１及び第２の抵抗器Ｒ２を介して、２つのノードＡ及びＢの間に逆並列に接続される。整流器２８の高電圧出力端子Ｃが第１の抵抗器Ｒ１と第１のツェナーダイオードＺ１の陰極との接続点に形成され、整流器２８の低電圧出力端子Ｄが第２の抵抗器Ｒ２と第２のツェナーダイオードＺ２の陽極との接続点に形成される。電圧出力端子Ｃは、検出回路５０の正の電源端子に接続され、電圧出力端子Ｄは、検出回路５０の負の電源端子に接続される。スイッチ制御回路３０の３つの端子が、整流器２８の高電圧出力端子Ｃ、検出回路５０の出力端子Ｈ１、及びトライアック２６の制御電極Ｇにそれぞれ接続される。スイッチ制御回路６０は、第３の抵抗器Ｒ３と、第５のダイオードＤ５と、検出回路５０の出力端子Ｈ１と制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇとの間に直列に接続された、第４の抵抗器Ｒ４及び第６のダイオードＤ６とを含む。第６のダイオードＤ６の陽極は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに接続される。第３の抵抗器Ｒ３の一方の端子は、整流器２８の高電圧出力端子Ｃに接続され、第３の抵抗器Ｒ３の他方の端子は、第５のダイオードＤ５の陽極に接続される。第５のダイオードＤ５の陰極は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに接続される。

[0047] 検査後、同期モータ１０は、回転速度が一定である、７５ボルト、８０ボルト、９９ボルト及び１００ボルトのような任意の定常電圧点で正常に動作することができる。モータの回転速度は、ｎ＝６０ｆ／ｐ−３００^*Ｎで表され、式中Ｎは、ｆ／１０ｐよりも小さい自然数である。定常電圧点における回転速度は、同期回転速度ｎ＝６０ｆ／ｐよりも小さい。巻線３９の電圧は、加減抵抗器１９の抵抗を変化させることによって調整でき、こうして同期モータ１０の回転速度は、動作中に調整することができる。

[0048] 図８は、本開示の別の実施形態による同期モータ用の駆動回路を示す。規制ユニットは、複数のモータタップ及びスイッチ１とすることができる。実施形態では、スイッチ１は切変スイッチとすることができる。規制ユニットは参照番号２、３及び４を付した３つのモータタップを含み、それらは、巻線３９の異なる部分に接続される。各モータタップは、巻線３９のひと巻きに対応する。スイッチ１は、ユーザーによって３つのモータタップ２、３及び４のうちの１つに電気的に結合されるように制御できる。スイッチ１が異なるモータタップと電気的に結合されると、巻線３９の抵抗及び巻き方が変わり、モータ１０の回転速度は、異なる定常電圧点に調整される。モータタップの数は、異なる回転速度制御につれて設定できることを理解されたい。

[0049] 図９は、本開示の異なる定常電圧点に関するステータ巻線の電圧の波形を示す。実施形態では、同期モータ１０は４つの磁極を含む。交流電源２４は、電圧が１１０ボルト、周波数が５０Ｈｚである。Ｖａは交流電源２４の電圧波形を表し、Ｖ３は、回転速度が９００毎分回転数かつ定常電圧点が７５ボルトでの電圧波形を表し、Ｖ４は、回転速度が１２００毎分回転数かつ定常電圧点が８０ボルトでの電圧波形を表し、Ｖ５は、回転速度が１５００毎分回転数かつ定常電圧点が９９ボルトでの電圧波形を表し、Ｖ６は、回転速度が１８００毎分回転数かつ定常電圧点が１１０ボルトでの電圧波形を表わす。モータ１０が異なる定常電圧点で動作するとき、巻線３９の電圧は交流電源２４と同期せず、巻線３９の電圧の周波数は、交流電源の周波数よりも小さい。従って、モータ１０の回転速度は、巻線３９に供給される電圧を変えることによって調整できる。

[0050] 本開示では、加減抵抗器１９、整流器２８、検出回路５０、スイッチ制御回路６０、制御可能な双方向交流スイッチ２６の一部又は全部は集積回路１８に一体化することができ、整流器２８、検出回路５０、スイッチ制御回路６０、制御可能な双方向交流スイッチ２６は、例えば図５に示すような集積回路１８に一体化することができる。

[0051] 図１０は、本開示の別の実施形態による同期モータ用の駆動回路を示す。駆動回路は電圧降下回路７０をさらに含む。電圧降下回路７０及び制御可能な双方向交流スイッチ２６は、集積回路１８の外部に配置され、整流器２８、検出回路５０及びスイッチ制御回路６０は、集積回路に一体化される。別の実施形態では、電圧降下回路７０も集積回路１８に一体化され、制御可能な双方向交流スイッチ２６は集積回路１８の外部に配置される。

[0052] 別の実施形態では、加減抵抗器１９は、集積回路１８と巻線３９との間に接続することができる。

[0053] 規制ユニットは、モータと交流電源との間に接続され、モータは、巻線に加える電圧を変化させることによって異なる定常電圧点で動作するように調整され、こうしてモータは、同期速度よりも遅い回転速度で動作することができる。モータは、換気ファン、ファンの回転を調整するポンプ、及びインペラで使用することができる。

[0054] 本出願の明細書及び特許請求の範囲において、動詞「備える（comprise）」、「含む（include）」、「含む（contain）」及び「有する（have）」、並びにその派生語は、包括的な意味で使用されて、説明する要素又は特徴の存在を具体化するが、追加の要素又は特徴の存在を排除しない。

[0055] 本発明の特定の特徴は、明確さのために別個の実施形態に記載したが、組み合わせて単一の実施形態に設けても良いことを理解されたい。反対に、本発明の様々な特徴は、簡潔さのために単一の実施形態に記載したが、別個に又は任意の適切な部分組合せで設けることもできる。

[0056] 上述した実施形態は、ほんの一例として提示され、当業者であれば、添付した特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を逸脱することなく、様々な他の実施形態が可能なことは明らかである。

１８ 集積回路
１９ 加減抵抗器
２４ 交流電源
３９ 同期モータ

Claims (11)

1. 同期モータ組立体であって、
   交流電源の２つのノード間に接続されたモータと、
   前記モータを駆動して回転させるモータ駆動回路と、
   前記モータを規制することによって、前記モータの回転速度を異なる定常電圧点に規制する規制ユニットと、を備えることを特徴とする同期モータ組立体。
2. 前記交流電源の周波数ｆとし、前記モータの極対の数をｐとすると、前記モータの前記回転速度はｎ≦６０ｆ／ｐ毎分回転数である、請求項１に記載の同期モータ組立体。
3. 前記規制ユニットは、前記交流電源と前記モータの間とに接続された加減抵抗器であり、前記モータは、前記加減抵抗器の抵抗を規制することによって異なる定常電圧点に規制される、請求項１に記載の同期モータ組立体。
4. 前記規制ユニットは、複数のモータタップ及びスイッチを備え、前記モータは、前記スイッチを介して異なるモータタップをオンすることによって、前記異なる定常電圧点に規制される、請求項１に記載の同期モータ組立体。
5. 前記モータの前記回転速度は、ｎ＝６０ｆ／ｐ−３００^*Ｎであり、式中ｆは前記交流電源の周波数、ｐは前記モータの極対の数、Ｎはｆ／１０ｐよりも小さい自然数である、請求項１に記載の同期モータ組立体。
6. 前記加減抵抗器及び前記モータ駆動回路は１つの集積回路に一体化される、請求項３に記載の同期モータ組立体。
7. 前記モータに加える電圧は、前記加減抵抗器の抵抗を調整することによって調整される、請求項３に記載の同期モータ組立体。
8. 前記規制ユニットは前記３つのモータタップを備え、前記スイッチは切換スイッチであり、前記切換スイッチは、３つのモータタップの１つに電気的に結合するように制御される、請求項４に記載の同期モータ組立体。
9. 前記スイッチが異なるモータタップと電気的に結合されるとき、各モータタップは前記モータの巻線のひと巻きに対応し、前記巻線の抵抗及び巻き方は変化し、前記モータの前記回転速度は、異なる定常電圧点に調整される、請求項４に記載の同期モータ組立体。
10. 請求項１〜９の何れか１つに記載の同期モータ組立体を備えることを特徴とするポンプ。
11. 請求項１〜９の何れか１つに記載の同期モータ組立体を備えることを特徴とする換気ファン。