JP3968673B2 - 永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機用途の永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法に関し、特に高速巻線での減速で0速までの減速時間を大幅に短縮させる接点の挿入構成法およびその切り替えシーケンスに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、永久磁石同期電動機の巻線切り替えシステムは、1例として図4に示すようになっている。図において、Naは第1巻線、Nbは第2巻線、T3およびT4は接点である。第2巻線Nbの巻終わり(X2,Y2,Z2)はY接続し、第2巻線Nbの巻始め(U2,V2,W2)と第1巻線Naの巻終わリ(X1,Y1,Z1)を接点T3を介して接続し、第2巻線Nbの巻始め(U2,V2,W2)と第1巻線Naの巻始め(U1,V1,W1)を接点T4を介して接続し、第1巻線Naの巻始め(U1,V1,W1)に、インバータの3相の出力が供給される。
図5は従来のインバータ制御装置を示すものであり、1は永久磁石同期電動機、2は電動機1の回転位置を検出する回転センサ、3は回転センサ2の出力に基づいて速度ωfbを演算する速度演算器、4は速度指令ω*と検出速度ωfbとの偏差に基づいてq軸電流指令Iq*を演算する減算器、5は検出速度ωfbに基づいてId0を演算するId0演算器、6は検出速度ωfbとq軸電流指令Iq*に基づいてId1を演算するId1演算器、7はId0とId1に基づいてd軸電流指令Id*を演算する加算器、8は電動機1に流れる電流3相の電流を2相の電流に変換する3相d−q変換器、9及び10は3相d−q変換器8によって変換された2相の検出電流IqfbとIdfbをそれぞれ電流指令Iq*とId*から減算して電流偏差を演算する減算器、11はインバータ制御部、12はインバータ制御部11から出力された電圧指令V*と位相指令θ*に基づいてPWM(パルス幅変調)信号を発生するPWM発生器、13はインバータパワー部である。そして、インバータ制御部11には、図4に示した接点T3,T4の切替を行うコンタクタB14が設けられている。
【0003】
以上の従来の装置において、MODE1の重切削を行う低速巻線は、接点T3をON、接点T4をOFFとなるように図5に示す制御ブロック図でコンタクタB14をインバータ制御部11から制御し、2つの巻線Na,Nbが直列接続となるようにし、電動機1のアンペアターンを増加させることで大トルクが出せるようにする。
高速切削時(MODE2)は、トルクよりも電動機1の速度が必要なため、電動機1のアンペアターンを減らし、電圧飽和にかからないようにする。そのためには、MODE1とは逆に接点T3をOFFにして、接点T4をONにすることで巻線Naが開放となるようにする。また、0から最高回転速度までの加速、最高回転速度から0までの減速(MODE3)モードも、MODE2と同様の切り替えシーケンスとなる。
つまりここで問題としている減速モードは、加速モード時と同様の電流制御でこれを最高回転速度から0というように逆にコントロールして、加速パワーと同様のパワーで回生制動するだけであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、減速時間が加速時間とほぼ同等であるという問題があった。つまり、工作機において実加工をしていない加速・減速時間は無駄時間でありできるだけ短い方が望ましい。加速時間は、電動機イナーシャ+負荷イナーシャとインバータの最大パワーで決まり、これは、電動機ドライブシステム(電動機+インバータ)の性能から仕方ないとしても、従来技術のように電動機の回生制動のみでは、これも電動機ドライブシステムの性能限界から加速時間とほぼ同様の減速時間しか得られなかった。実際は、電動機鉄損、機械損がブレーキとして働くので加速時間より若干短くなる。
そこで本発明は、減速時において、減速時間を短縮し、工作機の加工のタクトタイムを短くして、生産性の向上を図ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、3相交流巻線を巻回した電機子と、永久磁石を界磁としてロータに有する永久磁石同期電動機であって、各相の巻線を2つの巻線Na,Nbに分け、1つの巻線Nbの巻終わり(X2,Y2,Z2)をY接続し、前記巻線Nbの巻始め(U2,V2,W2)、他の巻線Naの巻始め(U1,V1,W1)及び巻終わリ(X1,Y1,Z1)をリード線として、各相3本、U,V,Wの総計9本の電動機リード線を前記電機子から取り出した永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法において、
制御インバータ出力に接続されるリード線をインバータリード線U0,V0,W0としたとき、接点T1をインバータリード線(U0,V0,W0)と電動機リード線(U1,V1,W1)の間に、接点T2を電動機リード線(U1,V1,W1)と電動機リード線(X1,Y1,Z1)の間に、接点T3を電動機リード線(X1,Y1,Z1)と電動機リード線(U2,V2,W2)との間に、接点T4をインバータリード線(U0,V0,W0)と電動機リード線(U2,V2,W2)の間に入れ、
電動機回転速度が高速巻線モードの回転速度から0速までの減速モードの際は、
T1:OFF、 T2:ON、 T3:OFF、 T4:ON
に切り替え、減速モードの際、インバータで回生制動制御を行いながら、巻線Naに生じている誘起電圧を短絡させることで発電制動を併用させるものである。
この巻線切り替え方法において、電動機リード線(U1,V1,W1)と電動機リード線(X1,Y1,Z1)の間に入れる接点T2に直列に負荷インピーダンスを入れること、前記接点T1とT2を、片方の接点が開放の場合は、もう片方の接点が接触しているようなコンタクタにし、接点T3とT4もT1,T2と同様のコンタクタを用いることができる。
前記の巻線切り替え方法において、制御対象となる電動機を、永久磁石をロータコアに施された磁石挿入穴に挿入固定させた、内磁形永久磁石同期電動機とすることができる。
上記手段により、減速モード時、巻線Nbでの回生制動と、巻線Naの短絡発電制動との併用の減速となるので、従来技術に対して、短絡発電制動効果の分だけ減速時間が短縮される。
また、接点T1とT2をペア、T3とT4をペアとすることで、コンタクタの総数を減少することができ、信頼性を向上させることができる。
さらに、内磁形永久磁石同期電動機とすることで、加減速時にマグネット接着にかかるストレスによる剥離を防ぐことができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施例における巻線の構成を示す配線図、図2は本発明の巻線切り替え方法を実施するための回路図である。
本実施例においては、図4の従来技術に加えて、切り替え接点T1を第1巻線Naの両端と、切り替え接点T2を電動機リード線(U1,V1,W1)とインバータリード線端(U0,V0,W0)との間に入れ、減速時にT1をOFF,T2をONに制御するものである。また、本実施例では、切り替え接点T1に直列に負荷インピーダンスZを挿入している。この切り替え接点T1及びT2の制御は、図2に示すように、インバータ制御部11からの制御信号によって制御されるコンタクタA15により行われる。
【0007】
本発明実施例においては、表1の切り替えシーケンスに示されるように、
電動機回転速度が低速で高トルクが必要な低速巻線モードの際は、第1巻線Naと第2巻線Nbを直列接続にして電流を流すために、各切り替え接点を次の状態にする。
T1:ON、 T2:OFF、 T3:ON、 T4:OFF
電動機回転速度が高速で低トルクで駆動する高速巻線モードおよび最高回転速度のまでの加速モードの際は、第2巻線Nbのみに電流を流すために、各切り替え接点を次の状態にする。
T1:ON、 T2:OFF、 T3:OFF、 T4:ON
電動機回転速度が高速巻線モードの回転速度から0速までの減速モードの際は、第2巻線Nbに電流を流すとともに、減速時間を短縮するために、インバータで回生制動制御を行いながら、第1巻線Naに生じている誘起電圧を短絡させることで発電制動を併用するために、各切り替え接点を次の状態にする。
T1:OFF、 T2:ON、 T3:OFF、 T4:ON
【0008】
【表1】
【0009】
また、電動機リード線(U1,V1,W1)と電動機リード線(X1,Y1,Z1)の間に入れる接点T2に直列に、巻線Naが発電機として動作するときの負荷角調整用の負荷インピーダンスを入れている。
図3は、電動機出力特性と加減速時間の従来技術との比較を示した図である。図3(a)は電動機速度と電動機回転速度との関係を示し、図3(b)は回転速度と加減速時間との関係を示している。電動機出力性能は、従来技術と同出力としての比較である。
図3(b)から明らかなように、電動機を減速する際に、従来のインバータによる回生制動だけでなく、巻線を短絡させて発電制動を加えているので、減速時間が短縮される。
【0010】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、減速時において、回生制動だけでなく、発電制動を加えることにより、減速時間が短くなり、従って無駄時間が短縮される。これにより、工作機の加工のタクトタイムが短くなり生産性の向上につながるという効果がある。
【図面の詳細な説明】
【図1】 本発明における巻線切り替え接点の配置図である。
【図2】 本発明における電動機制御ブロック図である。
【図3】 本発明の減速時間短縮効果を示すグラフである。
【図4】 従来技術における巻線切り替え接点の配置図である。
【図5】 従来技術における電動機制御ブロック図である。
【符号の説明】
1 永久磁石同期電動機、2 回転センサ、3 速度演算器、4 減算器、5 Id0演算器、6 Id1演算器、7 加算器、8 3相d−q変換器、9,10 減算器、11 インバータ制御部、12 PWM発生器、13 インバータパワー部、14 コンタクタB、15 コンタクタA、Na+Nb 低速巻線、Nb高速巻線
Claims (4)
- 3相交流巻線を巻回した電機子と、永久磁石を界磁としてロータに有する永久磁石同期電動機であって、各相の巻線を2つの巻線Na,Nbに分け、1つの巻線Nbの巻終わり(X2,Y2,Z2)をY接続し、前記巻線Nbの巻始め(U2,V2,W2)、他の巻線Naの巻始め(U1,V1,W1)及び巻終わリ(X1,Y1,Z1)をリード線として、各相3本、U,V,Wの総計9本の電動機リード線を前記電機子から取り出した永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法において、
制御インバータ出力に接続されるリード線をインバータリード線U0,V0,W0としたとき、接点T1をインバータリード線(U0,V0,W0)と電動機リード線(U1,V1,W1)の間に、接点T2を電動機リード線(U1,V1,W1)と電動機リード線(X1,Y1,Z1)の間に、接点T3を電動機リード線(X1,Y1,Z1)と電動機リード線(U2,V2,W2)との間に、接点T4をインバータリード線(U0,V0,W0)と電動機リード線(U2,V2,W2)の間に入れ、
電動機回転速度が高速巻線モードの回転速度から0速までの減速モードの際は、
T1:OFF、 T2:ON、 T3:OFF、 T4:ON
に切り替え、減速モードの際、インバータで回生制動制御を行いながら、巻線Naに生じている誘起電圧を短絡させることで発電制動を併用させることを特徴とする永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法。 - 請求項1において、電動機リード線(U1,V1,W1)と電動機リード線(X1,Y1,Z1)の間に入れる接点T2に直列に負荷インピーダンスを入れることを特徴とする永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法。
- 請求項1又は2において、前記接点T1とT2を、片方の接点が開放の場合は、もう片方の接点が接触しているようなコンタクタにし、接点T3とT4もT1,T2と同様のコンタクタを用いることを特徴とする永久磁石同期電動機の巻線切リ替え方法。
- 請求項1、2又は3において、制御対象となる電動機を、永久磁石をロータコアに施された磁石挿入穴に挿入固定させた、内磁形永久磁石同期電動機としたことを特徴とする永久磁石同期電動機の巻線切り替え方法。
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