JP3642173B2 - Power generator and fully automatic washing machine - Google Patents
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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
7 3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
35 V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
[0003]
The
[0004]
Further, a
[0005]
[0006]
The
[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
[0008]
The logic circuit 19 performs a logical operation on the three output signals of the
[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
[0010]
Through the control described above, current flows sequentially through the winding 7u, the winding 7v, and the winding 7w of the three-
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional power generation device, since the field is applied using the
[0012]
In addition, there has been a method in which an excitation winding is provided on the
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[0027]
In the present invention according to
[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
[0030]
In the present invention according to
[0031]
In the present invention according to
[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
[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
[0035]
The present embodiment is different from the conventional example in that instead of the
[0036]
In FIG. 1, a
[0037]
On the other hand, the
[0038]
The high
[0039]
The
[0040]
FIG. 2 is a waveform diagram showing an operation when the
[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-
[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
[0043]
The high-frequency induced electromotive force generated in the second winding 22 is rectified into a current in only one direction by the
[0044]
Since the magnitude of the excitation current If is approximately proportional to the output voltage of the
[0045]
The number of turns of the second winding 22 is related to the combination of the reverse breakdown voltage of the
[0046]
In the present embodiment, the windings 22a and 22b constituting the second winding 22 are divided into two pieces with the
[0047]
In the present embodiment, the
[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
[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
[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
[0053]
Further, since the position detecting means 3 does not need to perform a stable operation until an exciting current is supplied, the
[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
[0055]
The second embodiment is different from the first and second embodiments in that the
[0056]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the
[0057]
In the present embodiment, since the magnetic flux is given in advance by the
[0058]
In the present embodiment, the
[0059]
In this embodiment, the magnetic flux generated by the exciting current rectified by the
[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
[0063]
The operation in the above configuration will be described. When the clothes neck is placed in the washing and
[0064]
In this embodiment, when a washing operation is performed, an excitation current is increased by supplying a large direct-axis current from the
[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
[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
[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
[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
[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
[0072]
The present invention according to
[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
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a first object and a second object in
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 (6)
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