JP4118841B2

JP4118841B2 - 同期電動機の制御装置、及び、その制御方法

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Publication number: JP4118841B2
Application number: JP2004195361A
Authority: JP
Inventors: 良則木村; 宣男荒川
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2006020416A; US7129672B2; US20060006828A1

Description

本発明は、交流巻線を巻装した固定子の内部に回転可能に装着された回転子を備えてなる同期電動機の制御装置、及び、その制御方法に関し、特に、同期電動機の停止時における回転子の固定を行う制御装置、及び、その制御方法に関する。

従来、ポンプやファン等を負荷として回転駆動する場合、例えば、以下の特許文献１等によって既に知られるように、クライオポンプの冷凍機などの負荷を所定の回転速度で回転駆動するため、同期電動機からなる駆動装置で構成されたクライオポンプ運転装置を利用し、商用の５０Ｈｚの電源を利用しながら、これを周波数変換機（所謂、インバータ）を利用して周波数変換することによって電源周波数を可変し、もって、所望の周波数で運転することが行われている。

一方、交流電動機である汎用の同期電動機としては、巻線を備えた回転子構造あるいは永久磁石構造のものと共に、永久磁石を利用し、回転子の表面に回転軸方向に複数の溝を形成して歯部を形成してなる回転子を利用した多極構造の同期モータも既に知られている。なお、かかる歯部を形成してなる回転子は、広く、所謂、ステッピングモータにおいても採用されている回転子の構造であるが、特に、近年における抗磁力の高い希土類磁石（ネオジウム、サマリウム・コバルト等）の発見により、同一体格からより高いトルクを得ることが可能となり、かつ、比較的大量にかつ安価に製造できることから、幅広く利用されてきている。

実公平１−１４７７５号公報

ところで、上述したように、通常のインバータを利用して誘導電動機や汎用の同期電動機への供給電圧を制御する場合には、一般的に、定格負荷を満足するためのＶ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式が主流となっている。そのため、同期電動機を停止する場合には、Ｆ（供給電圧の周波数）＝０となることから、供給電圧Ｖも同様に零（０）にすることが一般的に行われている。即ち、同期電動機への供給電圧はその周波数と共に零（０）となり、そのため、回転子はその位置が固定されずに自在に回転することとなる。そこで、従来より、かかる回転子の自由な回転を防止するため、所謂、ロック状態が設定されており、これによれば、ブレーキシュー等を含む電動のロック機構を駆動して、同期電動機の回転子を所定の位置に保持することが行われていた。

しかしながら、同期電動機にかかる電動ロック機構を設けた場合、同期電動機自体が大型化してしまい、かつ、ロック機構を含む構造が複雑となり、高価なものとなってしまう。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑み、即ち、電動ロック機構などの複雑な機構を不要とすることにより、その構成が簡単で、かつ、安価に製造することの可能な同期電動機の制御装置、及び、その制御方法を提供することをその目的とするものである。

そして、本発明によれば、上記の目的を達成するため、まず、交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備え、前記回転子の回転位置を前記固定子に対して保持するロック機能を備えた同期電動機の回転制御装置であって、前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するインバータを備えており、さらに、前記回転子の回転が零（０）で、かつ、ロック機能信号がオン状態の場合、前記インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される交流電圧を直流電圧に切り替えて供給するよう、前記インバータを制御する制御装置を備えている同期電動機の制御装置が提供される。

また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備え、前記回転子の回転位置を前記固定子に対して保持するロック機能を備えた同期電動機の回転制御方法であって、インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給すると共に、前記回転子の回転が零（０）で、かつ、ロック機能信号がオン状態の場合には、前記インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される交流電圧を直流電圧に切り替えて供給するよう、前記インバータを制御する同期電動機の制御方法が提供される。

さらに、本発明では、前記に記載した同期電動機の制御装置やその方法において、前記同期電動機は、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に前記交流巻線を巻装したものであることが好ましく、あるいは、前記回転子の回転が零（０）で、かつ、前記ロック機能信号がオン状態の場合に前記インバータから前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される交流電圧を可変に、あるいは、直流電圧をそれによって前記交流巻線に流れる電流がその定格電流以下になる値にすること、特に、定常状態における交流電圧の波高値の略３０％又はそれ以下に維持すること、又は、それに代えて、所定のパターンに維持することが好ましい。

以上の本発明により提供される同期電動機の制御装置、及び、その制御方法によれば、従来の電動ロック機構などの複雑な機構を必要とせずに、同期電動機のロック機構が得られると共に、簡単な構成で、かつ、安価に製造することの可能な同期電動機の制御装置、及び、その制御方法を提供することが可能となるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。

まず、添付の図６〜９には、本発明の一実施の形態になる制御装置又は制御方法により駆動制御される、三相の同期電動機の全体構成を示しており、図６は、上記三相の同期電動機の断面図（軸方向の断面）である。

図において、符号１０は、例えば、鉄等の金属からなる円筒形状の金属製のハウジングであり、その内部には、例えば、珪素鋼鈑を所定の形状で打ち抜いて積層してなる固定子２０が取り付けられている。また、図中の符号２１は、後にも説明するが、この固定子２０に形成された複数の磁極の周囲に巻装された巻線を示している。そして、この固定子２０の内部に形成された円筒状の空間内には、外形が略円筒形状の回転子３０が、ハウジング１０の両端に固定されるエンドブラケット１１、１２の中央部に取り付けられた一対のボールベアリング１３、１４を介して、回転可能に取り付けられている。また、図中の符号２５は、この固定子２０の中心に固着して挿入された出力軸を示しており、符号１５は、この三相同期モータに三相交流を供給するリード線である。

次に、添付の図７は、上記三相同期モータにおける、図６中の矢印Ａ−Ａ’で示す部位での断面を示している。すなわち、この断面図からも明らかなように、上記三相同期モータの固定子２０側には、全１２個の磁極（ステータポール）２２、２２…が形成されており、そして、これらの磁極２２、２２…の周囲（即ち、その間に形成されたスロット）には、添付の図９（ａ）に示す結線方式により、三相の交流巻線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗが、それぞれ、巻装されている。すなわち、添付の図９（ａ）には、上記１２個の磁極２２、２２…に巻装される三相交流巻線の回路図が、そして、図９（ｂ）には、巻線を含めた固定子２０の断面構造が示されている。なお、図中の符号Ｎは、巻線の中性点を示しており、符号１５は三相のリード線を、更に、符号ＵはＵ相のリード線を、ＶはＶ相のリード線を、そして、ＷはＷ相のリード線をそれぞれ示している。

また、上記図６及び上記図９（ｂ）からも明らかなように、上記三相同期モータの各磁極２２の表面（即ち、上記回転子３０との対向面）には、それぞれ、３本の溝２３、２３…が回転軸方向に形成されており、これにより、各々の磁極の表面には、４本の歯部２４、２４…がそれぞれ形成されている。

一方、上記の回転子３０は、添付の図８によりその外観を示すように、外形略円筒状に形成されており、その外周面には、やはり、複数の溝３１、３１…がその回転軸方向に沿って形成されており、これにより、その外周表面に複数の歯部３２、３２…を形成している。なお、この回転子３０は、所謂、ハイブリッドと呼ばれる構造のものであり、上記図１の断面図からも明らかなように、その内部に円筒形状の永久磁石３３を回転軸方向に磁極（Ｎ極、Ｓ極）を対向して配置し、その周囲には、やはり、珪素鋼鈑を所定の形状で打ち抜いて積層して固定して形成されている。ところで、この図８に示した回転子３０は、１個の永久磁石３３の周囲に珪素鋼鈑を前後に取り付けてなる構造を示しており、他方、上記図６に示した回転子３０の構造は、上述した単位構造を複数段、具体的には２段、その回転軸方向に接続した、所謂、多段構造の回転子を示している。なお、この回転子３０の段数は、通常、１〜４の範囲において、要求される出力特性などを考慮し、適宜、決定されるものである。

すなわち、このようなハイブリッド構造の回転子３０によれば、上記図６に破線の矢印で示す様に、その回転軸方向の前後方向に、磁路を形成することが出来る。なお、上記の図８において、これら回転子３０の外周面において前方と後方にそれぞれ形成されている歯部３２、３２…は、互いに１／２ピッチだけずれて形成されている。即ち、前方において歯部３２となっている部分は、その後方側では溝３１として形成されている。そして、本実施の形態では、回転子３０の外周に形成された歯部３２、３２…（又は、溝３１、３１…）の数は、その前方及び後方に形成された数を合計して、略３６個〜２００個程度となっている。また、好ましくは、この歯部３２（溝３１）を僅かな角度だけ傾斜して形成し、所謂、スキュー構造とすることによれば、特に、コギングを低減して、滑らかな出力トルクを得ることが可能となる。さらに、この歯部３２又は溝３１の断面形状は、矩形、円形、又は、楕円形状でもよい。

なお、上記固定子２０側に形成した歯部２４、２４…と、上記回転子３０側に形成した歯部３２、３２…との関係は、上記の図２にも示すように、それぞれ、略同様の寸法（ピッチ）で形成されると共に、その周囲の１／４周（９０度）に対して１／２ピッチ分だけずれるように形成されている。

次に、添付の図１には、上記にその構造を詳述した三相交流の同期電動機１００を駆動制御するための制御装置の構成が示されている。この図１において、上記同期電動機１００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相（図９を参照）のコイルを有しており、これらは、図に符号２００で示す電圧型インバータの交流出力端子にそれぞれ接続されている。なお、この電圧型インバータ２００は、図示のように、自己消去が可能なスイッチング素子であるトランジスタとダイオードの逆並列回路を３組、ブリッジ接続して、所謂、所定の周波数でかつ所定の電圧の三相交流電力を供給するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路を構成している。

一方、図の符号３００は、例えば、商用の３相交流電源を示しており、その電圧は、例えば、ダイオードブリッジ接続により構成されるコンバータ４００により整流し、更に、平滑コンデンサ４５０により平滑されて、上記電圧型インバータ２００の入力端子に接続されている。そして、上記電圧型インバータ２００の各スイッチング素子（即ち、トランジスタ）は、それぞれ、以下に説明するインバータ制御部５００からの制御信号により、そのオン／オフ状態が制御され、もって、その交流出力端子を介して上記同期電動機１００のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に供給されている。なお、このインバータ制御部５００は、図示のように、ここでは図示しないが、外部からの速度指令（ＳＰ）を入力すると共に、更に、外部からのスタート信号、ストップ信号、ロック信号（電動機における回転子の位置を固定する信号）を入力し、所定の制御を行う制御回路５１０と、以下にも説明するＶ−Ｆ（電圧−周波数）特性カーブを生成するＶ−Ｆ生成回路５２０等によって構成されている。なお、このインバータ制御部５００は、例えば、マイクロコンピュータにより構成される。

添付の図２には、上記にその構成を説明したインバータ制御部５００による、所謂、定格周波数以上（ｆ_０）の領域では、電源電圧を一定（定格電圧）に維持すると共に、この定格周波数（ｆ_０）以下の領域での電源電圧を、Ｖ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式による特性カーブが示されている。

ここで、上述した制御装置を備えた同期電動機は、上記した速度指令（ＳＰ）に加えて、更に、スタート信号、ストップ信号、ロック信号の入力により、各種の状態で運転され、制御される。同期電動機におけるこれら各種の運転状態が、添付の図５に示されている。

すなわち、例えば、「アンロックで停止中」の状態Ｓ１において、上記スタート信号が制御装置に入力されると「スタートON」となり、同期電動機は、図の「加速中」の状態Ｓ２を経て、設定された回転数で回転する「一定速」状態Ｓ３へ移行する。一方、この状態から上記ストップ信号が制御装置に入力されると、同期電動機は、図の「減速中」の状態Ｓ４へ移行する。その後、その回転速度が「０」になると（図中の「速度０」）、上記のロック信号の入力の有無により、即ち、図の「ロックOFF」又は「ロックON」を経て、再び、上記「アンロックで停止中」の状態Ｓ１に戻り、或いは、回転子の位置を固定する「ロック中」Ｓ５の状態となる。なお、この時、回転速度は、特に、上記に構造を詳述した三相交流の同期電動機１００では、上記インバータ制御部５００から供給される交流電力の周波数信号（Ｆ）によって直接的に定まることから、この周波数信号（Ｆ）が所定の値（例えば、０．６ｍｉｎ^−１）まで低下した時点で、「速度０」とするようにインバータ制御部５００を設定する。或いは、Ｖ／Ｆ比（＝φ）一定の関係から、この周波数信号（Ｆ）に代えて、電圧（Ｖ）の値により判定することも可能である。

一方、同期電動機が、上記の「ロック中」Ｓ５の状態から、再度、設定された回転数で回転する場合には、図に矢印で示すように、上記「加速中」の状態Ｓ２へ移行した後、「一定速」の状態Ｓ３へ移行し、或いは、一旦、上記のロック状態を解除して「アンロックで停止中」の状態へ移行した後、前記「加速中」の状態Ｓ２を経て「一定速」の状態Ｓ３へ移行することで、設定された回転数で回転駆動される。また、上記同期電動機は、矢印で示すように、これら「アンロックで停止中」の状態Ｓ１と「ロック中」Ｓ５の状態の間で、交互に移行することが出来る。

ここで、添付の図３には、上記の同期電動機が、上記図５に示した「減速中」の状態Ｓ４において、その回転速度が「０」（図中の「速度０」）となる時点で上記インバータ２００から同期電動機１００のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に供給される電力、より具体的には、電圧の状態が示されている。即ち、「減速中」の状態Ｓ４では、上記インバータ２００から供給される交流電圧は、図示のように、その周波数（Ｆ）と共にその電圧（Ｖ）を所定の関係（即ち、上記図２に示したＶ／Ｆ比（＝φ）一定の関係）で低下する。そして、その周波数（Ｆ）、又は、その電圧（Ｖ）が所定の値に達した時点（図の「ｔ_０」を参照）において、同期電動機をロック状態とするため、所定の電圧値を有する直流電圧に切り替えて供給する。即ち、上記インバータ２００から同期電動機１００の固定子の電極に巻装されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流コイルに供給される交流電圧を、直流電圧に変更すると共に、これら各相における直流電圧を、当該回転子の回転が零（０）となる直前での交流電圧値で定まる比率とする。なお、これら各相に供給される直流電圧は、上記の比率に従えば、その電圧値を所定の範囲で、適宜、変更可能としてもよい。

このように、同期電動機をロック状態とするために、所定の電圧値を有する直流電圧に切り替えて供給する場合には、上述したＰＷＭ回路を構成してなる電圧型インバータ２００を制御することによれば、同期電動機のロック状態を、極めて簡単な構成で、かつ、容易に実現することが出来る。即ち、上述した図６〜図９にその詳細を示した三相交流の同期電動機１００の構造からも明らかなように、上記三相同期モータの固定子２０側では、その全１２個の磁極（ステータポール）２２、２２…の内周に形成された歯部２４、２４…に生じる磁界が固定される（即ち、回転しない）ことから、これらに対向してその外周に複数の溝３１、３１…を備えた回転子３０は、固定子２０側に生じた磁界に吸着されて固定（ロック）されることとなり、従来技術のようにブレーキシュー等を含む電動のロック機構を設ける必要がない。

また、上記の本発明になる制御装置又は方法では、回転速度の検出も、制御装置を構成するインバータ２００を制御するためにインバータ制御部５００が生成する周波数（Ｆ）又は電圧（Ｖ）を利用することにより、極めて容易である。
即ち、これによれば、従来技術のようにブレーキシュー等を含む電動のロック機構を設ける必要がなく、同期電動機自体の大型化や高価格化を防止することが出来る。

なお、この直流電圧の所定の電圧値は、上記図１に示したマイクロコンピュータなどにより構成されるインバータ制御部５００において、適宜、パラメータを設定することによって可変である。また、その値は、例えば、上記交流コイルに供給した場合の焼損の発生等を考慮すれば、電動機が停止している状態で印加しても、コイルには定格電流以上の電流が流れない程度の電圧値に設定することことが好ましい。具体的には、上記図２に示した定格電圧（定格周波数「ｆ_０」以上の周波数における電圧の波高値）の約３０％程度、又は、それ以下に設定することが好ましい。

または、上記に代えて、同期電動機の回転速度が「０」となった時点で上記インバータ２００から同期電動機１００のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に供給される電圧を、その時点のままで保持するようにすることも可能である。或いは、上記に代えて、例えば、添付の図４に示すように、同期電動機の回転速度が「０」となった時点「ｔ_０」において、予め設定しておいた所定のパターンの直流電圧を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に供給することも可能である。なお、この図４に示した例は、例えば、上記定格電圧の約３０％の電圧を「Ｖ」として、Ｖ相とＷ相には、「Ｖ／２」の電圧を供給するようにしたものである。

本発明の一実施の形態になる三相交流の同期電動機を駆動制御する制御方法を実施するための制御装置の構成を示すブロック図である。上記本発明の同期電動機の制御装置における制御方式の特性カーブを示す図である。上記本発明の同期電動機の制御装置において、インバータから同期電動機のＵ相に供給される電圧波形を示す図である。上記本発明の同期電動機の制御装置において、インバータから同期電動機に供給される他の電圧パターンの一例を示す図である。上記本発明の同期電動機の制御装置により運転制御される同期電動機の状態の遷移を示す図である。本発明の一実施の形態になる三相同期モータの全体構成を示すための回転軸方向における断面図である。上記三相同期モータの全体構成を示すための、上記図１のＡ−Ａ’断面図である。上記三相同期モータの回転子の構造の一例を示す斜視図である。図である。本発明になる同期モータの固定子における三相交流巻線の巻装方式を示す図である。

符号の説明

１０…ハウジング
２０…固定子
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ…三相の交流巻線
２２…磁極（ステータポール）
２３…溝
２４…歯部
３０…回転子
３１…溝
３２…歯部
３３…永久磁石
１００…三相同期電動機
２００…インバータ
３００…商用電源
４００…コンバータ
５００…コンバータ制御部。

Claims

交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子と、前記回転子の回転位置を前記固定子に対して保持するロック機能を備え、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に前記交流巻線を巻装したものである同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するインバータを備えており、さらに、前記回転子の回転が零（０）で、かつ、ロック機能信号がオン状態の場合、前記インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給されていた交流電圧を直流電圧に切り替え、それにより前記交流巻線に流れる電流がその定格電流以下になる値にすると共に、前記インバータから前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される直流電圧を、前記同期電動機の定常状態における交流電圧の波高値の略３０％又はそれ以下にして供給するよう、前記インバータを制御する制御装置を備え、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に形成した前記複数の歯部に生じる磁界が固定されることから、前記回転子が、前記固定子の側で生じた磁界に吸着されてロックされることを特徴とする同期電動機の制御装置。
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子と、前記回転子の回転位置を前記固定子に対して保持するロック機能を備え、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に前記交流巻線を巻装したものである同期電動機の制御方法であって、
インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給すると共に、前記回転子の回転が零（０）で、かつ、ロック機能信号がオン状態の場合には、前記インバータにより前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される交流電圧を直流電圧に切り替え、それにより前記交流巻線に流れる電流がその定格電流以下になる値にすると共に、前記インバータから前記同期電動機の固定子の電極に巻装された交流巻線に供給される直流電圧を、前記同期電動機の定常状態における交流電圧の波高値の略３０％又はそれ以下にして供給するよう、前記インバータを制御し、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に形成した前記複数の歯部に生じる磁界が固定されることから、前記回転子が、前記固定子の側で生じた磁界に吸着されてロックされることを特徴とする同期電動機の制御方法。