JP3642173B2

JP3642173B2 - Power generator and fully automatic washing machine

Info

Publication number: JP3642173B2
Application number: JP05173798A
Authority: JP
Inventors: 和彦麻田; 英樹両角; 秀和山下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JPH11252985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や産業用に使用され、回転運動または直線運動を行う動力発生装置と、家庭用などに使用される全自動洗濯機とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の動力発生装置について図面を参照しながら説明する。図７は従来の動力発生装置の構成を示す回路図である。図７において、第１の物体１を構成する固定子と、第１の物体１の内側に回転自在に設けた第２の物体２を構成する回転子と、磁極の位置を検知する位置検知手段３と、位置検知手段３の出力信号に対応して第２の物体２の回転を制御する制御回路４と、制御回路４の出力信号により第２の物体２を回転させるインバータ５とを備えている。
【０００３】
第１の物体１は、珪素鋼板などを積層して構成した鉄心６と、鉄心６に設けたスロットに巻回した３相巻線７を構成する巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗと、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗとを備えている。なお、巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗは、いずれも２分割して対向するスロットに直列に巻回され、３相巻線７を構成するように電気角１２０度ずつ離れた位置に配置されている。第２の物体２は、磁性体８と、磁性体８の表面に設けた一対の永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂと、出力軸１０とを備えている。永久磁石９ａは磁性体８の表面にＮ極が外側になるように接着され、永久磁石９ｂは磁性体８の表面にＳ極が外側になるように接着されている。巻線７ｕ〜巻線７ｗは、制御回路４の制御のもとにインバータ５により開閉駆動されている。
【０００４】
また、商用電源１１と、商用電源１１を全波整流する整流回路１２と、その出力を波形成形するフィルタ回路１３とにより直流電源１４を構成している。整流回路１２はダイオードブリッジで構成され、また、フィルタ回路１３はチョークコイル１５と電解式の平滑コンデンサ１６とで構成され、整流回路１２の出力をリプルの少ない、ほば完全な直流に波形成形している。
【０００５】
インバータ５は、スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路と、スイッチング素子１７ｖとスイッチング素子１８ｖとの直列回路と、スイッチング素子１７ｗとスイッチング素子１８ｗとの直列回路とで構成される。スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路における共通接続点は対応する巻線７ｕに接続されている。他の直列回路についても同様である。なお、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗにはそれぞれダイオードを逆方向に並列接続して備えている。
【０００６】
制御回路４は、論理回路１９と駆動回路２０とを備え、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗのゲート端子はすべて駆動回路２０に接続されている。位置検知手段３は、第１の物体１と第２の物体２との間の空隙部に設けたホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗによって構成され、ホール素子３ｕ〜３ｗには集積回路を併用したホールＩＣを使用し、第２の物体２が回転運動するときに永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂの位置を検知しており、Ｎ極と対向している状態ではＨＩＧＨの論理を出力し、Ｓ極と対向している状態ではＬＯＷの論理を出力する。制御回路４は、位置検知手段３の出力信号を入力してスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗを順次に開閉駆動することにより第２の物体２を回転させる。
【０００７】
上記構成における動作について説明する。図８は上記従来例の動作を示す波形図である。図８において、（ア）はホール素子３ｕの信号波形、（イ）はホール素子３ｖの信号波形、（ウ）はホール素子３ｗの信号波形、（エ）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（キ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（ク）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（ケ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【０００８】
論理回路１９は、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ〜３ｗの３つの出力信号を論理演算することにより、インバータ５を構成する６個のスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗを駆動するＨＩＧＨとＬＯＷの信号を生成し、駆動回路２０は、この信号がＨＩＧＨの場合には対応するスイッチング素子をオンとし、また、ＬＯＷの場合にはオフとする。
【０００９】
ここで、論理回路１９の遅れ時間については、ホール素子３ｕ〜３ｗから入力する信号の周期に比べて極めて短い高速のロジック回路、たとえば、ＴＴＬやＣＭＯＳロジック回路などを使用することにより、ホール素子３ｕ〜３ｗの出力信号の立ち上がりのエッジまたは立ち下がりのエッジと、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗの駆動信号の立ち上がりまたは立ち下がりのエッジとの時間差は、数十〜数百nsecと短く、現実的には、図８に示したように、ほば同時にスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗが切り替えられうようになっている。
【００１０】
以上の制御により、第１の物体１に設けた３相巻線７の巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗに順次に電流が流れ、この電流によって第２の物体２を構成する永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂとの間に機械力が発生し、図７に示した状態では反時計方向にトルクが発生する。このトルクを出力軸１０を介して外部の負荷に供給している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の動力発生装置では、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとを使用して界磁を与えているので、巻線７ｕ〜７ｗと鎖交する磁束値が固定されており、直流電動機と同様の特性を実現しようとする場合には、速度制御を行うための方法として分巻直流電動機でよく使用される励磁電流による磁束値制御が不可能であり、もっぱら電圧制御（ＰＷＭによる実効入力電圧の加減、静止形レオナード方式、ＰＷＭ制御など）による速度制御を行うこととなる。この場合、速度制御の範囲が制限されて、無負荷速度が固定され、たとえば、高速域で電圧を目一杯に上げても前記無負荷速度以上での力行運転が不可能となると言う問題がある。
【００１２】
なお、第２の物体２に励磁巻線を設け、その電流を加減することにより磁束量を可変とする方法も存在していたが、その場合にはスリップリングとブラシとの接触を介して前記励磁巻線に電流を供給する必要があり、寿命の点で問題がある。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するもので、スリップリングとブラシとを備えない構成で第２の物体に設けた励磁巻線に励磁電流を供給するとともに、その電流を制御できるようにした動力発生装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、第１の巻線を備えた第１の物体と、第２の巻線および整流器を備えた第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との相対位置を検知する位置検知手段と、前記第１の巻線の電流を開閉制御するインバータと、高周波発振回路と、直流電源とを備え、前記インバータは、前記位置検知手段の出力信号に対応する所定の導通期間に前記直流電源から前記第１の巻線に横軸電流を流すとともに、前記導通期間外の所定期間に前記高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から前記第１の巻線に供給し、第２の物体は、前記第１の巻線との磁気結合により発生した第２の巻線の高周波の起電力を前記整流器により整流してほぼ直流の励磁電流を流し、前記励磁電流による界磁と前記横軸電流とにより第１の物体との間に機械力を発生する動力発生装置である。
【００１５】
本発明により、第２の物体の第２の巻線に、スリップリングおよびブラシを介さずに、界磁電流を供給することができる。また、直軸電流の大きさを制御することにより界磁電流を制御でき、直流電動機のような制御も可能となる。
【００１６】
請求項２に係わる本発明は、第１の物体は、電気角１２０度ごとに配設された３つの巻線からなる３相巻線を第１の巻線として備え、インバータは、２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路の両端を直流電源に接続するとともに前記スイッチング素子の共通接続点を対応する巻線に接続し、位置検知手段の出力信号に対応して前記巻線ごとに電気角１２０度の導通期間に前記直流電源から横軸電流を流して回転磁界を発生させるとともに前記導通期間の前後それぞれ電気角６０度の期間に高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から流すようにした請求項１に係わる動力発生装置である。
【００１７】
本発明により、第１の物体を３相巻線を備えた固定子とし、第２の物体を第２の巻線と整流器とを備えた回転子として構成し、前記３相巻線に直流電源から供給した直軸電流により前記第２の巻線に発生した誘導電力を前記整流器で整流して界磁電流とし、この界磁電流と３相巻線の横軸電流とにより機械力を発生して回転する電動機を実現することができる。
【００１８】
請求項３に係わる本発明は、インバータは、起動時には位置検知手段の出力信号に関わらず、３相巻線の全ての巻線に高周波の直軸電流を継続して流すようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００１９】
本発明により、第２の巻線に誘導電力をあらかじめ発生させてその整流電流により界磁を与えるので、容易に起動することができる。
【００２０】
請求項４に係わる本発明は、位置検知手段は、第１の物体に取り付けたホール素子と、第２の物体に取り付けた永久磁石とにより構成された請求項１ないし請求項３のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００２１】
本発明により、第２の物体の第１の物体に対する相対的な位置を容易に検知することができる。
【００２２】
請求項５に係わる本発明は、第２の物体は永久磁石を備え、第２の巻線の励磁電流による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と第１の巻線の横軸電流とにより機械力を発生する請求項１ないし請求項４のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００２３】
本発明により、第２の物体は永久磁石によりつねに界磁を与えているので、起動が容易であり、また、界磁電流の不足を補うこともできる。
【００２４】
請求項６に係わる本発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた全自動洗濯機である。
【００２５】
本発明により、直流電動機のように制御し易い電動機を備えた全自動洗濯機を提供することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明において、横軸電流は、位置検知手段の出力に対応して直流電源から第１の巻線に流す駆動用の電流である。通常の電動機ではこの横軸電流のみを供給している。直軸電流は、高周波で断続する電流であり、高周波発振回路の出力信号に同期して直流電源から前記第１の巻線に電流を断続して流す。前記横軸電流および前記直軸電流はいずれもインバータを介して前記第１の巻線に供給するが、前記直軸電流は前記横軸電流の通電期間外の所定期間に通電する。また、第２の物体に第２の巻線と整流器とを設け、前記第１の巻線との磁気結合により発生した高周波の誘導起電力を前記整流器で整流し、前記第２の巻線にほぼ直流の電流を流す。これを励磁電流とし、それによる界磁と前記第１の巻線の電流とにより機械力を発生させる。実施例においては、高周波の周波数を５ＫＨｚとし、直軸電流のデューティを５０％とした。また、整流器にはシリコンダイオードを用いるがこれに限定されるものではない。前記直軸電流の大きさを加減、たとえば前記デューティを変えることにより、前記第２の巻線に流れる電流値を変化させることが可能となることにより、従来の永久磁石によって固定であった磁束量を可変として、広範囲の速度制御を容易に実現する動力発生装置を提供することができる。
【００２７】
請求項２に係わる本発明において、第１の巻線は電気角１２０度ごとに巻線を配設した３相巻線とし、インバータは２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路における２つのスイッチング素子の共通接続点をそれぞれ対応する巻線に接続し、直列回路の両端は直流電源に接続した構成とする。この構成は通常のインバータの構成と同等である。この場合、インバータは電気角１２０度の導通期間に横軸電流を流し、その前後にそれぞれ電気角６０度の期間に直軸電流を流す。これにより、第２の巻線には３相巻線における３つの巻線のいずれかから必ず誘導起電力を発生し、界磁電流が途切れることなく流れる。前記高周波電流成分の量を加減することにより、従来国定であった磁束量を可変として、広範囲の速度制御が可能となり、通常のインバータのように横軸電流をＰＷＭ制御する必要がなく、構成を簡単にできる。ただし、これには限定されない。
【００２８】
請求項３に係わる本発明において、起動時にはインバータは位置検知手段の出力信号に係わらず、すなわち横軸電流の導通期間外の制限なく、かつ所定期間の制限なく直軸電流を流す。これにより起動時には前記第１の物体と前記第２の物体の相対位置に関わらず、前記第１の巻線から磁気結合により、前記第２の巻線に高周波の起電力が発生し、前記整流器の作用によってほぼ直流の励磁電流が流れることから、起動特性の優れたものとなる。
【００２９】
請求項４に係わる本発明において、位置検知手段を第２の物体に取り付けた永久磁石と第１の物体に取り付けたホール素子によって構成する。これは従来手段の１つではあるが、駆動用の界磁を与えるため以外の永久磁石の役割を活かす手段となる。
【００３０】
請求項５に係わる本発明において、第２の物体に駆動用の界磁を与えるための永久磁石を備えるものであり、第２の巻線による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と横軸電流とにより機械力を発生させる。これは広範囲の速度制御と優れた起動特性とを備えた高効率な手段となる。
【００３１】
請求項６に係わる本発明において、全自動洗濯機は請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた構成とする。
【００３２】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の動力発生装置の実施例１について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１および請求項２に係わる。
【００３４】
図１は本実施例の構成を示す回路図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。また、第１の物体１、位置検知手段３、インバータ５、直流電源１４、論理回路１９の構成は従来例と同じとするが、これに限定されるものではない。
【００３５】
本実施例が従来例と異なる点は、第２の物体２の永久磁石９ａと永久磁石９ｂとに代えて、鉄心２１に巻回した第２の巻線２２と整流器２３とを備え、制御回路４は、インバータ５により３相巻線７に駆動電流を流すとともに、新たに備えた高周波発振回路２４による高周波電流をインバータ５を介して３相巻線７に流して第２の巻線２２に高周波電圧を誘起させ、整流器２３で整流した電流を第２の巻線２２に流して界磁を発生させ、前記界磁と３相巻線７の駆動電流とにより第２の物体２が回転するように制御することにある。
【００３６】
図１において、第１の物体１は、従来例と同様に、珪素鋼板などを積層して構成した鉄心６を備え、そのスロットには３相巻線７を構成する巻線７ｕ、７ｖ、および７ｗをそれぞれ６０゜ずつ離れた位置に巻回して備えるとともに、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗを備えている。
【００３７】
一方、第２の物体２は、珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１に、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂと、巻線２２ａおよび巻線２２ｂに接続した整流器２３と、出力軸１０とを備え、本実施例では整流器２３としてシリコンダイオードを用いている。
【００３８】
高周波発振回路２４は、５ＫＨｚでデューティが５０％の電圧信号を出力する。制御回路４は、論理回路１９と駆動回路２０とを備え、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗのゲート端子は、すべて駆動回路２０に接続されている。位置検知手段３は、第１の物体１と第２の物体２との間の空隙部に設けたホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗによって構成され、第２の物体２が回転運動するときに、ホール素子３ｕ〜３ｗはそれぞれＮ極と対向している状態においてはＨＩＧＨの論理を出力し、Ｓ極と対向している状態においてはＬＯＷの論理を出力する。
【００３９】
インバータ５は、位置検知手段３の出力信号を入力してスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをそれぞれ電気角１２０度の導通期間で巻線７ｕ〜７ｗに駆動電流（以下、横軸電流と称す）を供給するとともに、前記導通期間の前後のそれぞれ６０度の期間内で高周波発振回路２４の出力信号によってスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフすることにより高周波電流（以下、直軸電流と称す）を巻線７ｕ〜７ｗに供給する。これにより、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂには、巻線７ｕ〜巻線７ｗとの磁気結合による高周波の起電力が発生し、整流器２３によってほぼ直流の励磁電流が第２の巻線２２に流れ、前記横軸電流と前記励磁電流とによる機械カが発生する。
【００４０】
図２は、第２の物体２が１０００ｒｐｍで回転している場合の動作を示す波形図である。図２において、（ア）はホール素子３ｕの信号波形、（イ）はホール素子３ｖの信号破形、（ウ）はホール素子３ｗの信号波形、（エ）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（キ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（ク）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（ケ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【００４１】
図２においては、縦の破線の間隔は、電気角で６０度に相当する時間である１０mｓとなっている。（エ）〜（ケ）の波形が示しているように、各スイッチング素子はいずれも電気角１２０度に相当する２０mｓの期間にオン状態を保持するとともに、その前後のそれぞれ６０度に相当する１０mｓの期間においては、高周波発振回路２４の出力信号により、オンオフを５キロヘルツの周波数で繰り返す動作を行っている。さらに、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗによる直列回路、たとえば、スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路において、ゲートへのオン信号を交互に入力し、さらにスイッチング素子１７ｕおよびスイッチング素子１８ｕにおけるターンオフの遅れ時間における前記直列回路の短絡導通を避けるために、１０μSのデッドタイムを設けている。
【００４２】
図３は、本実施例の動力発生装置の電流と磁束とを示すベクトル図である。図３において、Ｉh は３相巻線７における直軸電流、Ｉq は３相巻線７における横軸電流、Ｉf は第２の巻線２２における励磁電流、Φは励磁電流Ｉf による磁束ベクトルを示す。なお、３相巻線７については第２の巻線２２に平行な導体、および磁束Φにより出力軸１０を中心とする最大のトルクを発生する位置にある導体のみを示している。本実施例では、直軸電流Ｉh の周波数は、１０００ｒｐｍの回転時における横軸電流Ｉq の基本周波数１６．６Ｈｚに対して十分に高い５ＫＨｚとしており、磁気結合により第２の巻線２２に誘起する高周波の誘導起電力の周波数もほぼ５ＫＨｚとなる。
【００４３】
第２の巻線２２に発生する高周波の誘導起電力は、整流器２３により一方向のみの電流に整流され、かつ第２の巻線２２が備えるインダクタンス分による平滑作用により、ほば直流に近い励磁電流Ｉf が第２の巻線２２に流れるようになる。この励磁電流Ｉf により、従来の駆動力発生装置における永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂと同様に磁束Φが発生するので、第２の巻線２２と横軸電流Ｉq を流している３相巻線７との間にトルクを発生する。
【００４４】
励磁電流Ｉf の大きさは、直流電源１４の出力電圧にほぼ比例する他に、高周波によりスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフしている期間のオン時間の比率にもよるので、オン時間の比率（デューテイ）を変化させることにより、励磁電流Ｉf の大きさを自在に変化させることができ、従来の励磁巻線で励磁する直流電動機と同様に、高速運転時に励磁電流を加減する制御も可能となり、速度可変範囲を拡大することができる。
【００４５】
第２の巻線２２の巻数については、使用する整流器２３の逆方向の耐圧と順方向電流の大きさとの組み合わせに関係するので、それを考慮して設計し、巻数を多くした場合には発生する電圧が大きくなって高耐圧小電流の整流器２３と整合し、また、逆に巻数を少なくした場合には発生する電庄は小さくなって低耐圧大電流の整流器２３と整合がとれたものとなる。
【００４６】
なお、本実施例では、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａと巻線２２ｂを出力軸１０を挟んで２つに分けて巻回したものを直列に接続しているが、このような構成に限定されるものではなく、巻数の設計と同様に、整流器２３との整合がとれるように、適宜に直列と並列を選定すればよい。また、整流器２３の数についても、本実施例では１個のみを接続しているが、たとえば、第２の巻線２２を複数個設けて、それぞれに整流器２３を設けてもよい。複数の整流器２３を使用する場合には、第２の物体２の回転に関して力学的にバランスが取れるように、出力軸１０を中心に等間隔の角度になるように設けることなども可能であり、これにより回転時の騒音および振動を抑制することもできる。
【００４７】
また、本実施例ではフィルタ回路１３により、直流電源１４からほば完全に近い直流電圧を供給しているが、フィルタ回路１３の平滑度を下げた場合にも、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを使用する従来の動力発生装置に対して性能を確保し易い効果がある。すなわち、フィルタ回路１３の平滑度が低い場合に発生する直流電源１４の出力電圧のリプルに同期して励磁電流の大きさが変動することにより、直流電源１４の電圧の瞬時値が低い時には、それにほば比例して励磁電流Ｉf も小さくなる。したがって、永久磁石９ａ〜９ｂを使用する従来の動力発生装置の場合に、誘導起電力が直流電源１４の電圧よりも大きくなる状態が発生せず、したがって、瞬時電圧が低い位相においても、かなりの電気パワーを供給することができるので、巻線７ｕ〜７ｗに流れる横軸電流のピーク値を抑えて効率を確保できるとともに、商用電源１１から見た力率を高くすることも可能となる。
【００４８】
なお、本実施例では横軸電流を流すために、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗはそれぞれ電気角１２０度に相当する期間でオン状態を続けているが、速度制御を行うために電気角１２０度の期間中にＰＷＭ制御などを行ってもよく、この場合には本実施例の効果である励磁電流Ｉf の加減による速度制御とＰＷＭ制御とを併用することにより、さらに速度制御範囲を広く取ることができるようになる。その場合には、直列接続されたスイッチング素子のうちの少なくとも一方について電気角１２０度の通電期間中にＰＷＭ制御を行うものとなる。
【００４９】
（実施例２）
以下、本発明の動力発生装置の実施例２について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３に係わる。なお、本実施例の構成は図１と同じとする。
【００５０】
本実施例が実施例１と異なる点は、インバータ５は、起動時においては位置検知手段３の出力信号に係わらず、高周波発振回路２４の出力信号によってスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフさせることにある。
【００５１】
上記構成における動作について説明する。図４は、本実施例における起動時の各スイッチング素子のゲート信号を示す波形図である。図４において、（ア）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（イ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（ウ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（エ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【００５２】
起動時においては、図４に示したように、位置検知手段３の出力信号に関係なく５ＫＨｚの高周波の信号でスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフする。これにより、第１の物体１と第２の物体２との相対位置に係わらず、第２の巻線２２に高周波の誘導起電力が発生するので、横軸電流が供給されるまでに十分な励磁電流を確保でき、起動特性の優れた動力発生装置を得ることができる。
【００５３】
また、位置検知手段３については励磁電流が供給されるまでは安定な動作を行う必要がなくなることから、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを使用する従来例と同様に、ホール素子３ｕ〜３ｗを使用することが可能となり、磁気的に検知することにより光学式のように塵埃などによる劣化を心配する必要がなくなる効果もある。
【００５４】
（実施例３）
以下、本発明の動力発生装置の実施例３について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４および請求項５に係わる。
【００５５】
本実施例が実施例１ないし実施例２と異なる点は、第２の物体２が第２の巻線２２を備えるとともに、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂをも備えていることにある。
【００５６】
図５は、本実施例における第１の物体１と第２の物体２の構成を示す断面図である。第１の物体１は、アルミ製のハウジング２５にベアリング２６および２７と、珪素鋼板を積層して構成した固定子の鉄心６とを備え、第２の物体２は、珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１と、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂと、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂとを備えている。また、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ〜３ｗは、永久磁石９ａの磁束と永久磁石９ｂの磁束とを検知することにより、第１の物体１と第２の物体２との相対位置を検知する。なお、ホール素子３ｕ〜３ｗは、増幅器を内蔵して一般にホールＩＣと称されるものを用い、プリント基板２８にハンダ付けして第１の物体１に固定している。また、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとにより発生する磁束も３相巻線７と鎖交する構成となっているため、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとによる磁束と第２の巻線による磁束との合成磁束と３相巻線７の電流とによって、第１の物体１と第２の物体２との間にトルクが発生する。なお、単に位置検知手段３を構成するためのみに第２の物体２に永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを設けることも可能である。
【００５７】
本実施例では、永久磁石９ａ〜９ｂによりあらかじめ磁束が与えられるため、インバータ５から高周波電流を供給しなくとも、ある程度のトルクが発生する。また、ホール素子３ｕ〜３ｗによる位置検知手段３の出力信号も停止状態から正常に機能する。大きい起動トルクが必要な場合には、高周波電流をあらかじめ供給して第２の巻線２２に励磁電流を流すことにより、両者の合成磁束が３相巻線７に作用して高トルク状態を実現することができる。
【００５８】
なお、本実施例では、永久磁石９ａ〜９ｂを珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１上に貼り付けて構成したが、珪素鋼板ではなく、鋳鉄、削り出しや鍛造などによる部材などで構成してもよく、永久磁石９ａ〜９ｂの設け方についても鉄心２１の表面ではなく、鉄心２１の内部に埋め込んで構成してもよい。第２の巻線２２を鉄心２１内に埋め込んで構成した場合には、遠心力により永久磁石９ａ〜９ｂが飛散する心配が無くなる他に、インバータ５の制御を工夫することにより、直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差によるリラクタンストルクを活用することもできる。
【００５９】
また、本実施例では整流器２３によって整流された励磁電流による磁束は、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとによる磁束と同極性で３相巻線７に鎖交する構成としているが、この極性に限るものではなく、永久磁石９ａ〜９ｂと逆極性の磁束が発生する方向に整流器２３を接続してもよい。この場合には、インバータ５から３相巻線７に直軸電流を供給したとき、第２の巻線２２には永久磁石９ａ〜９ｂによる磁束を等価的に弱める方向に電流が流れるので、トルク定数および発電定数がいずれも低下して高速運転が可能となる。したがって短時間だけ高速回転が必要となるような用途においては、その必要に応じて直軸電流をインバータ５から供給し、それ以外の大部分の期間については、永久磁石９ａ〜９ｂのみを使用して高効率に運転できるようにすることにより、エネルギーの利用効率が高い動力発生装置を実現することができる。
【００６０】
なお、図１ないし図５に示した動力発生装置における電動機はいずれも２極で構成しているが、とくに２極に限定するものではなく、他の４極、６極、８極などにしてもよく、また、いずれも回転運動を行いながら負荷に動力を供給する例を示したが、とくに回転運動に限定するものではなく、たとえば、一般にリニアモータと称される直線運動を行うものであってもよい。
【００６１】
（実施例４）
以下、本発明の全自動洗濯機の一実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。
【００６２】
図６は、本実施例の構成を示す断面図である。図６において、洗濯機外枠２９は４本の吊り棒３０により水受け槽３１を吊り下げており、洗濯兼脱水槽３２は、水受け槽３１内に回転自在に配設し、洗濯兼脱水槽３２の底部に攪拌翼３３を回転自在に配設している。インバータ５と電動機３４とにより実施例１ないし実施例３と同様の動力発生装置を構成しているが、そのいずれの動力発生装置であってもよい。この動力発生装置は、Ｖベルト３５および減速機構３６を介して攪拌翼３３および洗濯兼脱水槽３２を駆動する。なお、３７は排水弁、３８は給水弁である。制御装置３９は、たとえば、制御装置３９における入力手段から入力された情報により、洗い、濯ぎ、脱水の各行程を制御し、電動機３４を制御する。なお、これは一例であってこれに限定されるものではない。
【００６３】
上記構成における動作について説明する。洗濯兼脱水槽３２に衣頸を入れ、洗い行程で電動機３４を駆動させると、電動機３４は右回転と左回転とを繰り返すように作動し、Ｖベルト３５および減速機構３６を介して攪拌翼３３を右回転または左回転させる。
【００６４】
本実施例においては、洗濯動作を行う場合には、インバータ５から３相巻線７に大きい直軸電流を供給して動作させることにより、励磁電流が大きくなり、横軸電流当たりのトルク（トルク定数）が大きくなる。したがって、起動トルクが大きく取れ、洗濯物が多い条件であっても、良好な洗浄性能が得ることができる。
【００６５】
一方、脱水時においては、起動後に直軸電流を小さくすることにより、励磁電流が減少し、発電定数が小さくなることにより、高速で洗濯兼脱水槽３２を回転させることができ、良好な脱水特性を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施例においては日本国内でよく使用される縦形の全自動洗濯機を示しているが、この形状に限定されるものではなく、たとえば、回転軸を水平としたドラム式の全自洗であってもよい。この場合においても、洗い、濯ぎを行う場合には低速で高トルクの動作が行われるので、励磁電流を大きくする制御を行い、脱水時には、たとえば、起動後に励磁電流を絞っていけば、ドラムの回転速度を大きくして優れた脱水性能を実現することも可能となる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１に係わる本発明は、第１の巻線を備えた第１の物体と、第２の巻線および整流器を備えた第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との相対位置を検知する位置検知手段と、前記第１の巻線の電流を開閉制御するインバータと、高周波発振回路と、直流電源とを備え、前記インバータは、前記位置検知手段の出力信号に対応する所定の導通期間に前記直流電源から前記第１の巻線に横軸電流を流すとともに、前記導通期間外の所定期間に前記高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から前記第１の巻線に供給し、第２の物体は、前記第１の巻線との磁気結合により発生した第２の巻線の高周波の起電力を前記整流器により整流してほぼ直流の励磁電流を流し、前記励磁電流による界磁と前記横軸電流とにより第１の物体との間に機械力を発生する動力発生装置とすることにより、第２の物体の第２の巻線に、スリップリングおよびブラシを介さずに、界磁電流を供給することができる。また、直軸電流の大きさを制御することにより界磁電流を制御でき、直流電動機のような広範囲の制御も可能となる。
【００６８】
請求項２に係わる本発明は、第１の物体は、電気角１２０度ごとに配設された３つの巻線からなる３相巻線を第１の巻線として備え、インバータは、２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路の両端を直流電源に接続するとともに前記スイッチング素子の共通接続点を対応する巻線に接続し、位置検知手段の出力信号に対応して前記巻線ごとに電気角１２０度の導通期間に前記直流電源から横軸電流を流して回転磁界を発生させるとともに前記導通期間の前後それぞれ電気角６０度の期間に高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から流すようにした請求項１に係わる動力発生装置とすることにより、第１の物体を３相巻線を備えた固定子とし、第２の物体を第２の巻線と整流器とを備えた回転子として構成し、前記３相巻線に直流電源から供給した直軸電流により前記第２の巻線に発生した誘導電力を前記整流器で整流して界磁電流とし、この界磁電流と３相巻線の横軸電流とにより機械力を発生して回転する電動機を実現することができる。
【００６９】
請求項３に係わる本発明は、インバータは、起動時には位置検知手段の出力信号に関わらず、３相巻線の全ての巻線に高周波の直軸電流を継続して流すようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の巻線に誘導電力をあらかじめ発生させてその整流電流により界磁を与えるので、容易に起動することができる。
【００７０】
請求項４に係わる本発明は、位置検知手段は、第１の物体に取り付けたホール素子と、第２の物体に取り付けた永久磁石とにより構成された請求項１ないし請求項３のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の物体の第１の物体に対する相対的な位置を容易に検知することができる。
【００７１】
請求項５に係わる本発明は、第２の物体は永久磁石を備え、第２の巻線の励磁電流による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と第１の巻線の横軸電流とにより機械力を発生する請求項１ないし請求項４のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の物体は永久磁石によりつねに界磁を与えているので、起動が容易であり、また、界磁電流の不足を補うこともできる。
【００７２】
請求項６に係わる本発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた全自動洗濯機とすることにより、直流電動機のように制御し易い電動機を備えた全自動洗濯機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動力発生装置の実施例１の構成を示す回路図
【図２】同実施例の動作を示す波形図
【図３】同実施例における電流と磁束とを示すベクトル図
【図４】本発明の動力発生装置の実施例２における起動時の各スイッチング素子のゲート信号を示す波形図
【図５】本発明の動力発生装置の実施例３における第１の物体と第２の物体の構成を示す断面図
【図６】本発明の全自動洗濯機の一実施例の構成を示す断面図
【図７】従来の技術の動力発生装置の構成を示す回路図
【図８】同従来例の動作を示す波形図
【符号の説明】
１第１の物体（固定子）
２第２の物体（回転子）
３位置検知手段
３ｕ、３ｖ、３ｗホール素子
４制御回路
５インバータ
６鉄心
７３相巻線（第１の巻線）
７ｕ、７ｖ、７ｗ巻線
８磁性体
９ａ、９ｂ永久磁石
１０出力軸
１１商用電源
１２整流回路
１３フィルタ回路
１４直流電源
１５チョークコイル
１６平滑コンデンサ
１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ、１８ｕ、１８ｖ、１８ｗスイッチング素子
１９論理回路
２０駆動回路
２１鉄心
２２第２の巻線
２２ａ、２２ｂ巻線
２３整流器
２４高周波発振回路
２５ハウジング
２６、２７ベアリング
２８プリント基板
２９洗濯機外枠
３０吊り棒
３１水受け槽
３２洗濯兼脱水槽
３３攪拌翼
３４電動機
３５Ｖベルト
３６減速機構
３７排水弁
３８給水弁
３９制御装置
Ｉh 直軸電流
Ｉq 横軸電流
Ｉf 励磁電流
Φ 磁束[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation device that is used for home and industrial use and performs a rotational motion or a linear motion, and a fully automatic washing machine used for home use and the like.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, a conventional power generation device will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional power generator. In FIG. 7, a stator constituting the first object 1, a rotor constituting a second object 2 rotatably provided inside the first object 1, and position detecting means for detecting the position of the magnetic pole. 3, a control circuit 4 that controls the rotation of the second object 2 in response to the output signal of the position detection means 3, and an inverter 5 that rotates the second object 2 by the output signal of the control circuit 4. Yes.
[0003]
The first object 1 includes an iron core 6 formed by laminating silicon steel plates and the like, and a winding 7u, a winding 7v, and a winding 7w constituting a three-phase winding 7 wound around a slot provided in the iron core 6. And a Hall element 3u, a Hall element 3v, and a Hall element 3w that constitute the position detecting means 3. The winding 7u, the winding 7v, and the winding 7w are all divided into two and wound in series in opposing slots, and the electrical angle is 120 degrees apart so as to form the three-phase winding 7. Is arranged. The second object 2 includes a magnetic body 8, a pair of permanent magnets 9 a and 9 b provided on the surface of the magnetic body 8, and an output shaft 10. The permanent magnet 9a is bonded to the surface of the magnetic body 8 so that the north pole is outside, and the permanent magnet 9b is bonded to the surface of the magnetic body 8 so that the south pole is outside. The windings 7 u to 7 w are driven to open and close by the inverter 5 under the control of the control circuit 4.
[0004]
Further, a DC power source 14 is constituted by a commercial power source 11, a rectifier circuit 12 for full-wave rectifying the commercial power source 11, and a filter circuit 13 for shaping the output of the commercial power source 11. The rectifier circuit 12 is composed of a diode bridge, and the filter circuit 13 is composed of a choke coil 15 and an electrolytic smoothing capacitor 16, and the waveform of the output of the rectifier circuit 12 is reduced to almost perfect direct current with little ripple. ing.
[0005]
Inverter 5 includes a series circuit of switching element 17u and switching element 18u, a series circuit of switching element 17v and switching element 18v, and a series circuit of switching element 17w and switching element 18w. A common connection point in the series circuit of the switching element 17u and the switching element 18u is connected to the corresponding winding 7u. The same applies to other series circuits. The switching elements 17u to 18w are each provided with a diode connected in parallel in the reverse direction.
[0006]
The control circuit 4 includes a logic circuit 19 and a drive circuit 20, and all the gate terminals of the switching elements 17 u to 18 w are connected to the drive circuit 20. The position detection means 3 includes a hall element 3u, a hall element 3v, and a hall element 3w provided in a gap between the first object 1 and the second object 2, and is integrated in the hall elements 3u to 3w. A Hall IC using a circuit is used to detect the positions of the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b when the second object 2 rotates, and outputs HIGH logic when facing the N pole. In the state facing the S pole, LOW logic is output. The control circuit 4 inputs the output signal of the position detector 3 and rotates the second object 2 by sequentially opening and closing the switching elements 17u to 18w.
[0007]
The operation in the above configuration will be described. FIG. 8 is a waveform diagram showing the operation of the conventional example. 8, (a) is the signal waveform of the Hall element 3u, (A) is the signal waveform of the Hall element 3v, (C) is the signal waveform of the Hall element 3w, (D) is the signal waveform to the switching element 17u, (E) is a signal waveform to the switching element 17v, (f) is a signal waveform to the switching element 17w, (g) is a signal waveform to the switching element 18u, (ku) is a signal waveform to the switching element 18v, Indicates a signal waveform to the switching element 18w.
[0008]
The logic circuit 19 performs a logical operation on the three output signals of the Hall elements 3u to 3w constituting the position detecting means 3, thereby driving HIGH and LOW signals that drive the six switching elements 17u to 18w constituting the inverter 5. The drive circuit 20 turns on the corresponding switching element when this signal is HIGH, and turns it off when it is LOW.
[0009]
Here, with respect to the delay time of the logic circuit 19, by using a high-speed logic circuit that is extremely shorter than the period of the signal input from the Hall elements 3u to 3w, for example, a TTL or CMOS logic circuit, the Hall element 3u. The time difference between the rising edge or falling edge of the output signal of ˜3w and the rising or falling edge of the drive signal of the switching elements 17u to 18w is as short as several tens to several hundreds of nsec. As shown in FIG. 8, the switching elements 17u to 18w are switched at the same time.
[0010]
Through the control described above, current flows sequentially through the winding 7u, the winding 7v, and the winding 7w of the three-phase winding 7 provided in the first object 1, and the second object 2 is configured by this current. Mechanical force is generated between the magnet 9a and the permanent magnet 9b, and torque is generated counterclockwise in the state shown in FIG. This torque is supplied to an external load via the output shaft 10.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional power generation device, since the field is applied using the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b, the magnetic flux value interlinking with the windings 7u to 7w is fixed, and the DC motor In order to achieve the same characteristics, it is impossible to control the magnetic flux value by the excitation current often used in a shunt DC motor as a method for speed control. The speed control is performed by adjusting the speed, static Leonard system, PWM control, etc.). In this case, the speed control range is limited and the no-load speed is fixed. For example, even if the voltage is fully increased in the high speed range, there is a problem that the power running operation at the no-load speed or higher becomes impossible. .
[0012]
In addition, there has been a method in which an excitation winding is provided on the second object 2 and the amount of magnetic flux is made variable by adjusting the current, but in this case, the contact is made through contact between the slip ring and the brush. It is necessary to supply current to the excitation winding, which is problematic in terms of life.
[0013]
The present invention solves the above-described problems, and generates power that can control the current while supplying an exciting current to the exciting winding provided on the second object in a configuration that does not include a slip ring and a brush. An object is to provide an apparatus.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention according to claim 1 includes a first object having a first winding, a second object having a second winding and a rectifier, the first object, and the second object. A position detection means for detecting the relative position of the first winding, an inverter for controlling the opening and closing of the current of the first winding, a high-frequency oscillation circuit, and a DC power supply, and the inverter outputs an output signal of the position detection means. A direct axis that causes a horizontal axis current to flow from the DC power source to the first winding during a corresponding predetermined conduction period, and is intermittent at a high frequency corresponding to an output signal of the high-frequency oscillation circuit during a predetermined period outside the conduction period. A current is supplied from the DC power source to the first winding, and the second object rectifies the high-frequency electromotive force of the second winding generated by the magnetic coupling with the first winding by the rectifier. Then, a substantially DC exciting current is allowed to flow and Kiyokojiku is a power generator for generating a mechanical force between the first object by the current.
[0015]
According to the present invention, a field current can be supplied to the second winding of the second object without using a slip ring and a brush. Further, the field current can be controlled by controlling the magnitude of the direct axis current, and control like a DC motor is also possible.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, the first object includes a three-phase winding composed of three windings arranged at an electrical angle of 120 degrees as the first winding, and the inverter includes two switching elements. A series circuit of elements is provided for each of the windings, both ends of each series circuit are connected to a DC power source, and a common connection point of the switching elements is connected to a corresponding winding, corresponding to the output signal of the position detection means. For each of the windings, a horizontal axis current is supplied from the DC power source during a conduction period of 120 degrees in electrical angle to generate a rotating magnetic field, and the output signal of the high-frequency oscillation circuit is output during the electrical angle of 60 degrees before and after the conduction period Correspondingly, the power generator according to claim 1, wherein a direct-axis current intermittent at high frequency is supplied from the DC power source.
[0017]
According to the present invention, the first object is configured as a stator including a three-phase winding, the second object is configured as a rotor including a second winding and a rectifier, and the three-phase winding includes a DC power source. The rectifier rectifies the induced power generated in the second winding by the straight-axis current supplied from the rectifier to obtain a field current, and mechanical force is generated by the field current and the horizontal-axis current of the three-phase winding. Can be realized.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, at the time of startup, the inverter continuously supplies a high-frequency direct-axis current to all windings of the three-phase windings regardless of the output signal of the position detecting means. A power generator according to any one of claims 2 to 3.
[0019]
According to the present invention, since the induction power is generated in the second winding in advance and the field is applied by the rectified current, it can be easily started.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the position detecting means comprises a Hall element attached to the first object and a permanent magnet attached to the second object. It is the power generation device concerned.
[0021]
According to the present invention, the relative position of the second object with respect to the first object can be easily detected.
[0022]
In the present invention according to claim 5, the second object includes a permanent magnet, a combined magnetic flux of the magnetic flux generated by the excitation current of the second winding and the magnetic flux generated by the permanent magnet, the horizontal axis current of the first winding, The power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the mechanical force is generated by the operation.
[0023]
According to the present invention, since the field is always given to the second object by the permanent magnet, the start-up is easy and the shortage of the field current can be compensated.
[0024]
The present invention according to claim 6 is a fully automatic washing machine provided with the power generation device according to any one of claims 1 to 5.
[0025]
According to the present invention, it is possible to provide a fully automatic washing machine including a motor that is easy to control, such as a DC motor.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention according to claim 1, the horizontal axis current is a driving current that flows from the DC power source to the first winding corresponding to the output of the position detecting means. A normal electric motor supplies only this horizontal axis current. The direct axis current is an intermittent current at a high frequency, and the current is intermittently supplied from the DC power source to the first winding in synchronization with the output signal of the high frequency oscillation circuit. Both the horizontal axis current and the straight axis current are supplied to the first winding via an inverter, but the direct axis current is energized in a predetermined period outside the energization period of the horizontal axis current. Also, the second object is provided with a second winding and a rectifier, and a high-frequency induced electromotive force generated by magnetic coupling with the first winding is rectified by the rectifier, and the second winding is An almost direct current flows. This is used as an excitation current, and mechanical force is generated by the field and the current of the first winding. In the embodiment, the frequency of the high frequency is 5 KHz, and the duty of the direct axis current is 50%. Moreover, although a silicon diode is used for a rectifier, it is not limited to this. The amount of magnetic flux fixed by a conventional permanent magnet can be changed by adjusting the magnitude of the direct-axis current, for example, by changing the duty, thereby changing the value of the current flowing in the second winding. As a variable, it is possible to provide a power generation device that can easily realize a wide range of speed control.
[0027]
In the present invention according to claim 2, the first winding is a three-phase winding in which windings are arranged at every 120 electrical angles, and the inverter includes a series circuit of two switching elements for each winding. A common connection point of two switching elements in each series circuit is connected to a corresponding winding, and both ends of the series circuit are connected to a DC power source. This configuration is the same as that of a normal inverter. In this case, the inverter passes a horizontal axis current during a conduction period of 120 electrical angles, and a direct current flows before and after that in a period of 60 electrical angles. As a result, an induced electromotive force is always generated from any one of the three windings in the three-phase winding in the second winding, and the field current flows without interruption. By adjusting the amount of the high-frequency current component, it is possible to control the speed of a wide range by making the amount of magnetic flux, which has been a national standard, variable, and there is no need to perform PWM control of the horizontal axis current as in the case of a normal inverter. Easy to do. However, it is not limited to this.
[0028]
According to the third aspect of the present invention, at the time of start-up, the inverter flows the direct-axis current regardless of the output signal of the position detecting means, that is, without limitation outside the conduction period of the horizontal axis current and without limitation for a predetermined period. As a result, a high-frequency electromotive force is generated in the second winding by magnetic coupling from the first winding regardless of the relative position between the first object and the second object at the time of startup, and the rectifier As a result, an almost DC exciting current flows, so that the starting characteristics are excellent.
[0029]
In this invention concerning Claim 4, a position detection means is comprised with the permanent magnet attached to the 2nd object, and the Hall element attached to the 1st object. Although this is one of the conventional means, it becomes a means of making use of the role of the permanent magnet other than for providing a driving field.
[0030]
In the present invention according to claim 5, a permanent magnet for providing a driving field to the second object is provided, and a combined magnetic flux of the magnetic flux generated by the second winding and the magnetic flux generated by the permanent magnet Mechanical force is generated by the shaft current. This is a highly efficient means with a wide range of speed control and excellent starting characteristics.
[0031]
In the present invention according to claim 6, the fully automatic washing machine includes the power generating device according to any one of claims 1 to 5.
[0032]
Examples of the present invention will be described below.
[0033]
【Example】
(Example 1)
Hereinafter, Example 1 of the power generator of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claims 1 and 2.
[0034]
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. Note that the same components as those in the conventional example are assigned the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. Moreover, although the structure of the 1st object 1, the position detection means 3, the inverter 5, the DC power supply 14, and the logic circuit 19 is made the same as a prior art example, it is not limited to this.
[0035]
The present embodiment is different from the conventional example in that instead of the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b of the second object 2, a second winding 22 wound around the iron core 21 and a rectifier 23 are provided, and a control circuit is provided. 4, a drive current is passed through the three-phase winding 7 by the inverter 5, and a high-frequency current from the newly provided high-frequency oscillation circuit 24 is passed through the three-phase winding 7 via the inverter 5 to the second winding 22. A high frequency voltage is induced, a current rectified by the rectifier 23 is passed through the second winding 22 to generate a field, and the second object 2 is rotated by the field and the driving current of the three-phase winding 7. There is to control.
[0036]
In FIG. 1, a first object 1 includes an iron core 6 formed by laminating silicon steel plates and the like, as in the conventional example, and windings 7u, 7v constituting a three-phase winding 7 are provided in the slots, and 7w is wound around 60 ° apart from each other, and includes a hall element 3u, a hall element 3v, and a hall element 3w constituting the position detecting means 3.
[0037]
On the other hand, the second object 2 is composed of an iron core 21 formed by laminating silicon steel plates, a winding 22a and a winding 22b constituting the second winding 22, and a rectifier connected to the winding 22a and the winding 22b. 23 and the output shaft 10, and in this embodiment, a silicon diode is used as the rectifier 23.
[0038]
The high frequency oscillation circuit 24 outputs a voltage signal having a duty of 50% at 5 KHz. The control circuit 4 includes a logic circuit 19 and a drive circuit 20, and the gate terminals of the switching elements 17 u to 18 w are all connected to the drive circuit 20. The position detecting means 3 is constituted by a hall element 3u, a hall element 3v, and a hall element 3w provided in a gap between the first object 1 and the second object 2, and the second object 2 rotates. In this case, the Hall elements 3u to 3w each output a HIGH logic when facing the N pole, and output a LOW logic when facing the S pole.
[0039]
The inverter 5 receives the output signal of the position detecting means 3 and supplies the switching elements 17u to 18w to the windings 7u to 7w through the conduction periods of 120 electrical degrees respectively (hereinafter referred to as horizontal axis current). At the same time, the switching elements 17u to 18w are turned on and off by the output signal of the high frequency oscillation circuit 24 within the period of 60 degrees before and after the conduction period, so that a high frequency current (hereinafter referred to as a direct axis current) is wound on the windings 7u to 7w. To supply. As a result, a high-frequency electromotive force is generated in the windings 22a and 22b constituting the second winding 22 due to magnetic coupling with the windings 7u to 7w, and the rectifier 23 generates a substantially DC excitation current. Flows to the second winding 22 and mechanical power is generated by the horizontal axis current and the excitation current.
[0040]
FIG. 2 is a waveform diagram showing an operation when the second object 2 is rotating at 1000 rpm. 2, (a) is a signal waveform of the Hall element 3u, (A) is a broken signal of the Hall element 3v, (C) is a signal waveform of the Hall element 3w, (D) is a signal waveform to the switching element 17u, (E) is the signal waveform to the switching element 17v, (f) is the signal waveform to the switching element 17w, (g) is the signal waveform to the switching element 18u, (g) is the signal waveform to the switching element 18v, ) Shows a signal waveform to the switching element 18w.
[0041]
In FIG. 2, the interval between the vertical broken lines is 10 ms, which is a time corresponding to 60 degrees in electrical angle. As shown in the waveforms (d) to (g), each switching element is kept on for 20 ms corresponding to an electrical angle of 120 degrees, and 10 ms corresponding to 60 degrees before and after that. During this period, on / off is repeated at a frequency of 5 kilohertz by the output signal of the high-frequency oscillation circuit 24. Further, in a series circuit including the switching elements 17u to 18w, for example, a series circuit of the switching element 17u and the switching element 18u, an ON signal to the gate is alternately input, and a turn-off delay time in the switching element 17u and the switching element 18u. In order to avoid short circuit conduction of the series circuit in FIG. 1, a dead time of 10 μS is provided.
[0042]
FIG. 3 is a vector diagram showing the current and magnetic flux of the power generation device of this embodiment. In FIG. 3, Ih is a direct current in the three-phase winding 7, Iq is a horizontal current in the three-phase winding 7, If is an exciting current in the second winding 22, and Φ is a magnetic flux vector by the exciting current If. . For the three-phase winding 7, only the conductor parallel to the second winding 22 and the conductor at the position where the maximum torque around the output shaft 10 is generated by the magnetic flux Φ are shown. In this embodiment, the frequency of the straight axis current Ih is set to 5 KHz which is sufficiently higher than the basic frequency 16.6 Hz of the horizontal axis current Iq when rotating at 1000 rpm, and is induced in the second winding 22 by magnetic coupling. The frequency of the high-frequency induced electromotive force is also approximately 5 KHz.
[0043]
The high-frequency induced electromotive force generated in the second winding 22 is rectified into a current in only one direction by the rectifier 23, and is excited to be almost direct current by the smoothing action by the inductance provided in the second winding 22. The current If flows in the second winding 22. Since this exciting current If generates the magnetic flux Φ in the same manner as the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b in the conventional driving force generator, the three-phase winding 7 is passing the second winding 22 and the horizontal axis current Iq. Torque is generated between
[0044]
Since the magnitude of the excitation current If is approximately proportional to the output voltage of the DC power supply 14 and also depends on the ratio of the on-time during which the switching elements 17u to 18w are turned on / off by high frequency, the ratio of the on-time (duty ), The magnitude of the excitation current If can be changed freely. As with a DC motor excited by a conventional excitation winding, control to increase or decrease the excitation current during high-speed operation is also possible. The variable range can be expanded.
[0045]
The number of turns of the second winding 22 is related to the combination of the reverse breakdown voltage of the rectifier 23 to be used and the magnitude of the forward current. Therefore, the number of turns is designed when the number of turns is increased. When the number of turns is reduced, the voltage generated is reduced and matched with the rectifier 23 with low withstand voltage and large current. Become.
[0046]
In the present embodiment, the windings 22a and 22b constituting the second winding 22 are divided into two pieces with the output shaft 10 interposed therebetween, and are connected in series. The configuration is not limited to the above, and the series and the parallel may be appropriately selected so that the matching with the rectifier 23 can be obtained as in the design of the number of turns. Further, only one rectifier 23 is connected in the present embodiment, but for example, a plurality of second windings 22 may be provided, and the rectifiers 23 may be provided respectively. In the case of using a plurality of rectifiers 23, it is possible to provide them at equal intervals around the output shaft 10 so as to achieve a mechanical balance with respect to the rotation of the second object 2. Thereby, the noise and vibration at the time of rotation can also be suppressed.
[0047]
In the present embodiment, the filter circuit 13 supplies a nearly perfect DC voltage from the DC power supply 14, but the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b are also provided when the smoothness of the filter circuit 13 is lowered. There is an effect that it is easy to ensure performance with respect to the conventional power generation device to be used. That is, when the instantaneous value of the voltage of the DC power supply 14 is low because the magnitude of the excitation current varies in synchronization with the ripple of the output voltage of the DC power supply 14 that occurs when the smoothness of the filter circuit 13 is low, The excitation current If also decreases proportionally. Therefore, in the case of the conventional power generation device using the permanent magnets 9a to 9b, a state in which the induced electromotive force does not become larger than the voltage of the DC power supply 14 does not occur. Since electric power can be supplied, efficiency can be ensured by suppressing the peak value of the horizontal axis current flowing through the windings 7u to 7w, and the power factor viewed from the commercial power source 11 can be increased.
[0048]
In the present embodiment, the switching elements 17u to 18w are kept on in a period corresponding to an electrical angle of 120 degrees in order to pass a horizontal axis current, but in order to perform speed control, a period of an electrical angle of 120 degrees is used. PWM control or the like may be performed in this case, and in this case, the speed control range can be further widened by using both the speed control by adjusting the excitation current If which is the effect of this embodiment and the PWM control. It becomes like this. In that case, at least one of the switching elements connected in series is subjected to PWM control during the energization period of 120 electrical degrees.
[0049]
(Example 2)
Hereinafter, Example 2 of the power generator of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 3. The configuration of this embodiment is the same as that shown in FIG.
[0050]
The difference of the present embodiment from the first embodiment is that the inverter 5 turns on and off the switching elements 17u to 18w by the output signal of the high-frequency oscillation circuit 24 at the time of startup regardless of the output signal of the position detection means 3. .
[0051]
The operation in the above configuration will be described. FIG. 4 is a waveform diagram showing the gate signal of each switching element at the time of activation in this embodiment. 4, (a) is a signal waveform to the switching element 17u, (A) is a signal waveform to the switching element 17v, (C) is a signal waveform to the switching element 17w, and (D) is a signal to the switching element 18u. The waveform, (e) shows the signal waveform to the switching element 18v, and (f) shows the signal waveform to the switching element 18w.
[0052]
At the time of start-up, as shown in FIG. 4, the switching elements 17u to 18w are turned on and off with a high frequency signal of 5 KHz regardless of the output signal of the position detection means 3. As a result, a high-frequency induced electromotive force is generated in the second winding 22 regardless of the relative positions of the first object 1 and the second object 2, which is sufficient until the horizontal axis current is supplied. An excitation current can be ensured, and a power generation device with excellent starting characteristics can be obtained.
[0053]
Further, since the position detecting means 3 does not need to perform a stable operation until an exciting current is supplied, the Hall elements 3u to 3w are used as in the conventional example using the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b. In addition, the magnetic detection also has the effect of eliminating the need to worry about deterioration due to dust or the like as in the optical type.
[0054]
(Example 3)
Hereinafter, Example 3 of the power generating device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claims 4 and 5.
[0055]
The second embodiment is different from the first and second embodiments in that the second object 2 includes the second winding 22 and also includes the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b.
[0056]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the first object 1 and the second object 2 in the present embodiment. The first object 1 includes bearings 26 and 27 and a stator iron core 6 configured by stacking silicon steel plates on an aluminum housing 25, and the second object 2 is configured by stacking silicon steel plates. The iron core 21, the winding 22a and the winding 22b constituting the second winding 22, and the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b are provided. Further, the Hall elements 3u to 3w constituting the position detecting means 3 detect the magnetic flux of the permanent magnet 9a and the magnetic flux of the permanent magnet 9b, thereby determining the relative position between the first object 1 and the second object 2. Detect. Note that the Hall elements 3u to 3w each include a built-in amplifier and are generally referred to as a Hall IC, and are fixed to the first object 1 by soldering to the printed circuit board 28. In addition, since the magnetic flux generated by the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b is also linked to the three-phase winding 7, the magnetic flux generated by the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b and the magnetic flux generated by the second winding Torque is generated between the first object 1 and the second object 2 by the combined magnetic flux and the current of the three-phase winding 7. Note that the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b can be provided on the second object 2 only to construct the position detection means 3.
[0057]
In the present embodiment, since the magnetic flux is given in advance by the permanent magnets 9a to 9b, a certain amount of torque is generated even if a high frequency current is not supplied from the inverter 5. Further, the output signal of the position detection means 3 by the Hall elements 3u to 3w also functions normally from the stopped state. When a large starting torque is required, a high-frequency current is supplied in advance and an exciting current is passed through the second winding 22 so that the resultant magnetic flux acts on the three-phase winding 7 to achieve a high torque state. can do.
[0058]
In the present embodiment, the permanent magnets 9a to 9b are configured by being bonded onto the iron core 21 formed by laminating silicon steel plates. However, the permanent magnets 9a to 9b are not composed of silicon steel plates, but are formed of cast iron, a member made by machining or forging. Alternatively, the permanent magnets 9a to 9b may be provided by being embedded not in the surface of the iron core 21 but in the iron core 21. When the second winding 22 is configured to be embedded in the iron core 21, the permanent magnets 9a to 9b can be prevented from scattering due to centrifugal force. Reluctance torque due to the difference from the horizontal axis inductance can also be used.
[0059]
In this embodiment, the magnetic flux generated by the exciting current rectified by the rectifier 23 is linked to the three-phase winding 7 with the same polarity as the magnetic flux generated by the permanent magnet 9a and the permanent magnet 9b. The rectifier 23 may be connected in a direction in which a magnetic flux having a polarity opposite to that of the permanent magnets 9a to 9b is generated. In this case, when a direct current is supplied from the inverter 5 to the three-phase winding 7, a current flows in the second winding 22 in a direction that weakly reduces the magnetic flux generated by the permanent magnets 9 a to 9 b, so that torque Both the constant and the power generation constant are reduced, and high speed operation is possible. Therefore, in applications where high-speed rotation is required for a short time, a direct current is supplied from the inverter 5 as necessary, and only the permanent magnets 9a to 9b are used for most of the other periods. Therefore, a power generation device with high energy use efficiency can be realized by enabling the operation with high efficiency.
[0060]
The electric motors in the power generation apparatus shown in FIGS. 1 to 5 are all configured with two poles, but are not particularly limited to two poles, and other four poles, six poles, eight poles, etc. In both cases, power is supplied to the load while performing rotational motion, but it is not particularly limited to rotational motion. For example, linear motion generally called a linear motor is performed. May be.
[0061]
(Example 4)
Hereinafter, an embodiment of a fully automatic washing machine of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 6.
[0062]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of this embodiment. In FIG. 6, a washing machine outer frame 29 suspends a water receiving tub 31 by four suspension rods 30, and a washing / dehydrating tub 32 is rotatably disposed in the water receiving tub 31 for washing and detaching. A stirring blade 33 is rotatably disposed at the bottom of the water tank 32. Although the inverter 5 and the electric motor 34 constitute a power generation device similar to that in the first to third embodiments, any power generation device may be used. This power generation device drives the stirring blade 33 and the washing and dewatering tub 32 via the V belt 35 and the speed reduction mechanism 36. In addition, 37 is a drain valve and 38 is a water supply valve. For example, the control device 39 controls each step of washing, rinsing, and dehydration based on information input from the input means in the control device 39, and controls the electric motor 34. This is an example, and the present invention is not limited to this.
[0063]
The operation in the above configuration will be described. When the clothes neck is placed in the washing and dewatering tub 32 and the electric motor 34 is driven in the washing process, the electric motor 34 operates to repeat the right rotation and the left rotation, and the stirring blade 33 via the V belt 35 and the speed reduction mechanism 36. Rotate right or left.
[0064]
In this embodiment, when a washing operation is performed, an excitation current is increased by supplying a large direct-axis current from the inverter 5 to the three-phase winding 7 so as to operate. (Constant) increases. Therefore, good cleaning performance can be obtained even under conditions where a large starting torque can be obtained and there are many laundry items.
[0065]
On the other hand, at the time of dehydration, by reducing the direct current after start-up, the exciting current is reduced and the power generation constant is reduced, so that the washing and dehydrating tub 32 can be rotated at a high speed, and good dewatering characteristics can be obtained. Can be obtained.
[0066]
In this embodiment, a vertical fully automatic washing machine often used in Japan is shown. However, the present invention is not limited to this shape. For example, a drum-type fully self-cleaning machine having a horizontal rotating shaft. It may be. Even in this case, when washing and rinsing are performed, a high-torque operation is performed at a low speed, so control to increase the excitation current is performed, and when dehydrating, for example, by reducing the excitation current after startup, the drum It is also possible to realize excellent dewatering performance by increasing the rotation speed.
[0067]
【The invention's effect】
The present invention according to claim 1 includes a first object having a first winding, a second object having a second winding and a rectifier, the first object, and the second object. A position detection means for detecting the relative position of the first winding, an inverter for controlling the opening and closing of the current of the first winding, a high-frequency oscillation circuit, and a DC power supply, and the inverter outputs an output signal of the position detection means. A direct axis that causes a horizontal axis current to flow from the DC power source to the first winding during a corresponding predetermined conduction period, and is intermittent at a high frequency corresponding to an output signal of the high-frequency oscillation circuit during a predetermined period outside the conduction period. A current is supplied from the DC power source to the first winding, and the second object rectifies the high-frequency electromotive force of the second winding generated by the magnetic coupling with the first winding by the rectifier. Then, a substantially DC exciting current is allowed to flow and By using a power generation device that generates a mechanical force between the horizontal axis current and the first object, the field of the second winding of the second object can be reduced without using a slip ring and a brush. A current can be supplied. Further, the field current can be controlled by controlling the magnitude of the direct-axis current, and a wide range control like a DC motor can be performed.
[0068]
According to a second aspect of the present invention, the first object includes a three-phase winding composed of three windings arranged at an electrical angle of 120 degrees as the first winding, and the inverter includes two switching elements. A series circuit of elements is provided for each of the windings, both ends of each series circuit are connected to a DC power source, and a common connection point of the switching elements is connected to a corresponding winding, corresponding to the output signal of the position detection means. For each of the windings, a horizontal axis current is supplied from the DC power source during a conduction period of 120 degrees in electrical angle to generate a rotating magnetic field, and the output signal of the high-frequency oscillation circuit is generated during a period of 60 degrees electrical angle before and after the conduction period. Correspondingly, a power generator according to claim 1 in which a direct-axis current interrupted at a high frequency is supplied from the DC power source, whereby the first object is a stator having a three-phase winding, The object of the second volume And a rectifier as a rotor, and the induction power generated in the second winding by a direct current supplied from a DC power source to the three-phase winding is rectified by the rectifier to be a field current, An electric motor that rotates by generating a mechanical force by the field current and the horizontal axis current of the three-phase winding can be realized.
[0069]
According to a third aspect of the present invention, at the time of startup, the inverter continuously supplies a high-frequency direct-axis current to all windings of the three-phase windings regardless of the output signal of the position detecting means. In the power generation device according to any one of claims 2 to 3, since the induction power is generated in the second winding in advance and the field is applied by the rectified current, it can be easily started.
[0070]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the position detecting means comprises a Hall element attached to the first object and a permanent magnet attached to the second object. By using the power generation device according to this embodiment, it is possible to easily detect the relative position of the second object with respect to the first object.
[0071]
In the present invention according to claim 5, the second object includes a permanent magnet, a combined magnetic flux of the magnetic flux generated by the excitation current of the second winding and the magnetic flux generated by the permanent magnet, the horizontal axis current of the first winding, By using the power generating device according to any one of claims 1 to 4 that generates mechanical force by the second object, the second object is always given a field by a permanent magnet, so that the start-up is easy. Also, the shortage of field current can be compensated.
[0072]
The present invention according to claim 6 is a fully automatic washing machine equipped with the power generation device according to any one of claims 1 to 5, thereby providing a fully automatic machine equipped with a motor that is easy to control, such as a DC motor. A washing machine can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of a power generation apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of the embodiment.
FIG. 3 is a vector diagram showing current and magnetic flux in the embodiment.
FIG. 4 is a waveform diagram showing gate signals of switching elements at the time of start-up in Embodiment 2 of the power generation device of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a first object and a second object in Embodiment 3 of the power generation device of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of a fully automatic washing machine of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional power generation device.
FIG. 8 is a waveform diagram showing the operation of the conventional example.
[Explanation of symbols]
1 First object (stator)
2 Second object (rotor)
3 Position detection means
3u, 3v, 3w Hall element
4 Control circuit
5 Inverter
6 Iron core
7 Three-phase winding (first winding)
7u, 7v, 7w winding
8 Magnetic material
9a, 9b Permanent magnet
10 Output shaft
11 Commercial power
12 Rectifier circuit
13 Filter circuit
14 DC power supply
15 Choke coil
16 Smoothing capacitor
17u, 17v, 17w, 18u, 18v, 18w Switching element
19 Logic circuit
20 Drive circuit
21 Iron core
22 Second winding
22a, 22b Winding
23 Rectifier
24 High frequency oscillation circuit
25 Housing
26, 27 Bearing
28 Printed circuit board
29 Outer frame of washing machine
30 Hanging rod
31 Water receiving tank
32 Washing and dewatering tank
33 Stirring blade
34 Electric motor
35 V belt
36 Deceleration mechanism
37 Drain valve
38 Water supply valve
39 Control device
Ih direct current
Iq Horizontal axis current
If excitation current
Φ magnetic flux

Claims

Position detection for detecting a relative position between a first object having a first winding, a second object having a second winding and a rectifier, and the first object and the second object Means, an inverter for controlling the opening and closing of the current of the first winding, a high-frequency oscillation circuit, and a DC power source, wherein the inverter is connected to the DC in a predetermined conduction period corresponding to an output signal of the position detection means. A horizontal axis current flows from the power source to the first winding, and a direct current that is intermittent at a high frequency corresponding to an output signal of the high frequency oscillation circuit during a predetermined period outside the conduction period is transmitted from the DC power source to the first winding. The second object rectifies the high-frequency electromotive force of the second winding generated by the magnetic coupling with the first winding by the rectifier and passes a substantially DC exciting current. , The field due to the excitation current and the horizontal axis current Power generating device for generating a mechanical force between the body.

The first object includes a three-phase winding composed of three windings arranged at an electrical angle of 120 degrees as the first winding, and the inverter includes a series circuit of two switching elements for each winding. In addition, both ends of each series circuit are connected to a DC power source, and a common connection point of the switching elements is connected to a corresponding winding, and an electrical angle 120 is set for each winding corresponding to the output signal of the position detection means. A rotating magnetic field is generated by flowing a horizontal axis current from the DC power source during a conduction period of about 50 degrees, and at a high frequency corresponding to the output signal of the high-frequency oscillation circuit before and after the conduction period, corresponding to an output signal of a high-frequency oscillation circuit. The power generation device according to claim 1, wherein an axial current is supplied from the DC power source.

3. The inverter according to claim 1, wherein a high-frequency direct-axis current is continuously supplied to all windings of the three-phase windings regardless of the output signal of the position detection means at the time of startup. Power generator.

The power generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the position detection means includes a hall element attached to the first object and a permanent magnet attached to the second object.

The second object includes a permanent magnet, and generates a mechanical force by a combined magnetic flux of a magnetic flux generated by an exciting current of the second winding and a magnetic flux generated by the permanent magnet, and a horizontal axis current of the first winding. The power generation device according to any one of claims 4 to 4.

A fully automatic washing machine comprising the power generation device according to any one of claims 1 to 5.