JP4271860B2 - 特に水圧ポンプ運転用永久磁石同期モータの始動および定常状態供給方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、特に遠心型の水圧ポンプ運転用、永久磁石同期モータの始動および定常状態供給方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
永久磁石同期モータは、運転が非常に効率的であるので非常に有利である。
【０００３】
しかしながら、特にかなりの慣性を有する高出力モータ駆動荷重に関して生ずる問題は始動段階である。
【０００４】
先行技術によれば、この問題を解決するために機械的手段または電子制御操作が採用されている。
【０００５】
機械的手段は特に被駆動油圧ポンプのインペラを切り離すことからなり、そのためロータは３６０°未満の角度を通じで自由に始動でき、次にインペラを係合させ、その回転を続ける。
【０００６】
この解決方法は、ロータが低い機械的慣性を有する場合用いることができ、この慣性はどのような場合でも、もし、普通に行われるように、ロータが二極を有すれば、半分の周期で定常状態へ到達させるということは明白である。
【０００７】
実際には、これは、中から高出力ポンプを有するためにはこれらの機械的装置が使用できないことを意味し、このポンプはロータを含み、この特性と結果として起こる慣性が前記出力の関数である。
【０００８】
電子始動操作もまた公知であり、ロータがその位置で制御され、正弦波主電流が静電スイッチで分断され、その結果この電流がロータの動きを対比しない相にある。
【０００９】
主周波数を変更しない電流を用いるこの解決策は、高静電トルクを達成させず、従ってまだ中から高出力モータへ供給をさせない。
【００１０】
他の方法はインバータを用い、これは波形を発生し、この波形の周波数は次第に上昇し、この周波数の動きは前もって電力供給回路に蓄積されている。
【００１１】
この解決策も、また、かなりの問題に苦しんでおり、なぜなら、同一の寸法で製造されたにもかかわらず、特にロータの磁気特性に関して永久磁石電気モータは全て相互に異なるからである。
【００１２】
この型のモータはまた、固定子パックに関しても異なる。
【００１３】
固定子の段階では、問題は大きくなく、これは貼り合せパックとコイルの巻線による差のみがありうるからである。
【００１４】
しかしながら、これらの差は磁気回路への影響の点で特に関連がなく、重要ではない。
【００１５】
一番大きな差はその代わりにロータの中に発生し、なぜならこれらの差は同一でなく、実質的に決して等しく、均一な北と南の場の方向を持たないからである。
【００１６】
常に北と南はあるが、しかしロータの形状に関して場の形は、参照番号１２で示す円筒状永久磁石ロータに関して、図２において通常１０と１１により示されるものである。
【００１７】
これはまず最初にロータの動きに非対称を引き起こし、その結果モータは不均一に動く。
【００１８】
永久磁石ロータを有する代表的モータは、図１において一般的に参照番号１３で示され、ここでロータは現在参照番号１４で示され、貼り合せ１５と１６で作られた二極の間の含まれ、これは固定子パック１７の端であり、その上へ二つのコイル１８と１９が取り付けられ、これが固定子場を誘導する。
【００１９】
ロータの回転を一方向とすることができるようにするために、極は凹み２０と２１を有し、これは極１５と１６の中央軸に関し傾いたロータ１４の対称軸２２を定める。
【００２０】
位置センサ２３もまた存在し、これは極１５と１６の間の中間領域に配置されている。
【００２１】
この従来の構造は、センサ２３の位置に関するロータの中立軸の変位による更なる問題に苦しむ。
【００２２】
全てのこれらの問題は、モータの磁性構造知識およびその真の特徴の正確な理解を妨げる。
【００２３】
他の問題は、意図した始動方法が永久磁石同期モータと遠心水圧ポンプの組み合わせへつながっているという事実から生ずる。
【００２４】
ポンプの機械的水圧の特徴もまた始動の問題を決定する。なぜならこれらもまた公知でないかまたは正確に予測できないからである。
【００２５】
多くの要因が実際水圧ポンプの始動に含まれている。
【００２６】
例えば、もしポンプが長期間動いてなかったら、水により運ばれた製品の堆積物による問題があるであろうし、これが未知の初期荷重を引き起こす。
【００２７】
運ばれた物体がインペラ室、時には妨害する地点へ位置し、ポンプの回転を固着するようになったとき、この問題はまた回転中に発生することがあり得る。
【００２８】
（発明の開示）
本発明の目的は、特に遠心油圧ポンプの運転用の、永久磁石同期モータの始動と定常状態の供給方法を提供することであり、これは全ての提案された問題を克服でき、特に各々個々のモータの問題へ適合できる。
【００２９】
必然的な主要な目的は、中出力と中から高出力タイプでさえ、そして予め設定した方向へ、永久磁石同期電気モータを始動させる方法を提供することである。
【００３０】
必然的な主要な目的は、始動の方法を提供することであり、この後に始動の間と定常状態で吸収した電力を最小とする、永久磁石同期モータを供給することである。
【００３１】
他の重要な目的は、永久磁石同期モータの定常状態電力供給の方法を提供することであり、ここでｃｏｓφは実質的に１に等しい。
【００３２】
以下に明白となるこの目標、これらの目的とその他は、特に遠心水圧ポンプを運転するための永久磁石同期モータの、始動と定常状態供給の方法により達成され、該方法は以下の段階を含むことを特徴とする：
１）学習段階、この段階の間ロータが１８０（機械的）°に及ぶ連続した２回転を回転し、固定子へＤＣ始動電流を最初の１８０（機械的）°の間印加し、ロータが最初の１８０（機械的）°に到達した後第二の１８０（機械的）°の間ＤＣ始動電流を逆転し、線状磁気位置センサと組み合わせた電力供給回路に存在する記憶装置により、ロータの予め設定した角度位置に相当する別個の多くの点での運転特性を蓄積し、前記段階の間、ロータの始動電流と真のゼロ位置を決定し；
２）始動段階、この段階の間、第一段階の間に決定した始動電流より高い電流を、初めに低い周波数で印加し、これを次に次第に増加し、線状センサによる８０と１００（機械的）°、後に２６０と２８０（機械的）°でのロータの通過を待機し、確認し；
３）定常状態段階、この段階の間、一度定常状態周波数、従って定常状態速度に到達したら、印加電流は実質的に正弦状であり、電流の方向を反転する前に、ロータのゼロ地点を通っての通過を待機し；
制御機能が提供され、これは、もしロータが定常状態段階の間に遅くなったら、操作を始動段階へ戻し、これは、ロータの引っ掛り、回転方向の反転、線状センサの故障または異常事態の場合、操作を学習段階へ戻す。
【００３３】
本発明の更なる特徴と有利さは、添付の図面に説明した、本方法の好ましい実施態様の以下の詳細な記載から明らかとなり、ここで：
図１は、これは既に記載されているが、本発明が適用される永久磁石同期モータの構造の略例示線図を示し；
図２は、これは既に記載されているが、永久磁石ロータの磁場の異常な配列を示し；
図３は本発明の３段階とその連鎖のフローチャートであり；
図４は学習段階のフローチャートであり；
図５は始動段階のフローチャートであり；
図６は定常状態段階のフローチャートであり；
図７は、ロータの最初の動きが発生するまでの、学習段階中の電流をプロットし；
図８は、１８０°を通っての最初の２回転での電流をプロットし；
図９は、学習段階から始動段階、そして次に定常状態段階までの電流をプロットしている。
【００３４】
（発明を実施するための方法）
本発明に係る方法は、概略図３に示すように、以下の３段階からなる：
１）学習段階；
２）始動段階；
３）定常状態段階；
図３の線図は、以下に非常に詳細に記載する、フィードバックフローチャートを説明しており、これはもしロータが定常状態段階の間に遅くなったら、操作は始動段階へ戻り、ところがもし定常状態中にロータが止まりまたは他の異常事態が発生すると、操作は学習段階へ戻る。
【００３５】
学習段階の間（図４）、ロータは、固定子場へ低い値のＤＣ電流を印加することにより１８０（機械的）°を通って回転する。
【００３６】
この段階は図７により明確に示され、これは以下のことを示している。ＤＣ電流が供給され、これを次第に上昇する強度で交互に行ない、これは間隔２４と２５の間、ロータの動きを発生せず、一方、間隔２６は、ロータが１８０°を通っての回転後、極１５と１６の磁場により決定する位置に相当する位置へ到達するように回転する電流を表し、しかるに１８０°を通っての更なる回転が、磁場が逆転したので次の間隔で発生する。
【００３７】
ほぼ２００ミリ秒でありうる周期で電流を交互に行う理由は、例えもしロータが磁場に関し一致した位置にあったとしても、次の間隔で１８０°を通っての回転を強いられるからである。
【００３８】
この方法で、まず初めに、この操作はどの最低の電流がロータを初めの１８０°を通って動かし、どの電流がロータを二番目の１８０°を通って動かすのかを決定する。
【００３９】
これらの二つの値は、実際はロータと固定子の不均一性と非対称性により、通常相互に全く同一ではない。
【００４０】
これらの二つの電流値は始動値と考えられ；これら二つの値のうち高いほうが、電力供給装置に付属するプロセッサに存在する記憶装置に保存され、このような一番高い値を全ての目的に対しモータの始動電流の値と考える。
【００４１】
この値の電流を強制することにより、これらの状態でその水圧ポンプに接続したモータはどのような場合でも動くことが確実である。
【００４２】
回転段階中、線状磁気位置センサ２３は、再びプロセッサ中で一連の値を蓄積し、これはロータの角度位置に相当し、最初の１８０（機械的）°の回転と次の１８０（機械的）°の回転に関連し、これは全体として完全な回転を形成する。
【００４３】
線状センサ２３は固定子の極間の中間領域に配置されているので、ロータが動いてない時このセンサが検出する磁場の値は、理論でそうあるべきように、ゼロではなく、なぜならば、前述のように、ロータを与えられた方向へ始動するため固定子１５，１６の極は非対称であり、ロータは約５°の軸オフセット角でそれ自身配置するよう形成され、これは始動時に既に予め定めたアンバランスを作り出し、これがロータをより容易にスタートさせるのに加え、またその回転の方向も決定する。
【００４４】
線状センサで、１８０と３６０（機械的）°で発生する二つの場の値を蓄積することにより、ロータの正確な位置を決定することが可能であり、これらのデータはプロセッサに蓄積される。
【００４５】
従って、この学習段階の間、始動電流が決定されるだけでなく、ロータの本当のゼロ位置もまた決定され、９０（機械的）°と２７０（機械的）°におけるパラメータもまた、動きの間に得られた値を外挿することにより決定される。
【００４６】
この自己学習段階は非常に短い時間に起こり、この時間は約４００ミリ秒であり得る。
【００４７】
この自己学習段階はモータを再始動する時はいつでも行われ、その結果モータとそれに関連したポンプの、いかなる変更または新しい状況も補正される。
【００４８】
インペラへの異常な荷重のような、新しい状況は各々の始動時で異なった始動電流を決定でき；これが学習段階を毎回行う理由である。
【００４９】
これに加え、モータは毎回最低限の電流を供給され、これはその動きと合っており、消費を減少し、固定子への不必要な応力を避けるということに注目すべきである。
【００５０】
前述のように、学習したデータは９０（機械的）°で値を生じ；これから約２０から２５％を減じることにより、操作はロータがその回転の最初の８０（機械的）°に及んだ値を得、この値は回転の約１００（機械的）°で繰り返される。
【００５１】
ロータが最初の１００（機械的）°に及んだとき、これはもはや戻ることができず、従ってロータは１８０（機械的）°に到達するまで回転する。（図８）
【００５２】
回転の８０と１００（機械的）°でのこれら二つのデータは、またマイクロプロセッサによっても得られ、このマイクロプロセッサは機能を検査するために後にこれらのデータを用いる。
【００５３】
一度これらのデータが蓄積されると、学習段階が終了し、操作は始動段階へ移る。（図５）
【００５４】
この始動段階はロータが第二の半回転のゼロ点に到着したとき始まり、電流を印加し、この電流は学習段階で決定され、約２５％増加し、正弦的に印加した学習段階中に決定した始動電流に等しく、この電流をマイクロプロセッサで制御する電力供給回路により再現する。
【００５５】
この電流はロータが最初の１８０（機械的）°に到達するまで印加され、そして維持され、ここでこの操作は予め設定した理論的な時間に関して遅れているならば、ロータを待つ。
【００５６】
この理論的な時間を超えての待機は、都合よくは約１．５秒であることができる。
【００５７】
もしロータがこの時間内に８０（機械的）°に到達しなかったら、これはある理由で妨害されたかまたは自己学習が正しく行われなかったのどちらかを意味し、従って、始動段階は自動的に中断され、学習段階が再開される。
【００５８】
もしそうではなくてロータが８０（機械的）°に到達するなら、電流は１００（機械的）°到達まで維持され、次に減少した正弦波形が続く。
【００５９】
この操作は第一の完全な周期の間行われ；この方法で、待ち時間により、高い慣性のロータさえスタートできることを確信する。なぜならこの操作は、常に予め設定した角度の位置でロータの通行を待機するからである。
【００６０】
第一の完全なサイクル後、ロータが動くことを確認した後、この操作はロータをもっぱらゼロ地点での通行を待ち、もはや中間の角度で待たない。
【００６１】
周波数が次に増加し、再びロータのゼロ地点通過を調べ；この方法で、ゼロ地点でのロータの長いまたは短い待機により、設定した周波数を回転ごとに増加または減少することにより、前記ロータを次第に予め設定した定常状態速度へもっていく。
【００６２】
実際には、次第にロータを定常状態速度まで運転する、実質上の始動モータがあるように働く。
【００６３】
ゼロ地点でロータを待つことがまた便利であり、これはゼロ以外の地点で待機した、不均一なまたは非対称のロータは、複雑化と間違った読み、固定子パックの飽和となることが見出されているという事実による。
【００６４】
もし異なった値が二つの半周期へ割り当てられると、ＤＣ成分が発生し、これは固定子パックを飽和し、これに比較的低い誘電値Ｂのみを印加されうる。
【００６５】
この状況において、インバータである電力供給は同期装置として作用し、すなわち、ロータの運動に、適合しないよりむしろ適合するのは電力供給である。
【００６６】
この状況はまた定常状態段階（図６）でも起こり、ここで電力供給工程は制御された方法で続く。
【００６７】
これは、もし例えばロータが何らかの理由により遅くなった場合、この操作はあたかも始動段階へ戻る、すなわちインバータは電力供給周波数を減少させることを意味し、これはもし正の半波が完成してないか、またはもしロータがゼロ地点へ到達するのを待っていないならば、負の半波を印加できないからである。
【００６８】
この減少した周波数の状況では、インバータは次第に電流を増し、従ってロータを、異なった電流状態にもかかわらず、予め設定したスピードに相当する周波数へ戻す。
【００６９】
定常状態段階において、もし何らかの理由でロータがゼロポイントへ早く到達したら、この状況は、正しいゼロ通過を提供する条件へロータを戻すように、供給された電流を減少し；実際上は、このことは供給電流が常に適切なものであり、１に等しいｃｏｓφを提供する、同位相にあることを意味する。
【００７０】
万一ロータが動かなくなる、またはセンサが故障するまたは回転の方向が逆転する場合に備えての安全手段として、モータの電力供給は直ちに止まる。
【００７１】
この場合、学習操作をモータが再始動するまで繰り返し；もしモータが引っ掛って動かず再始動できなかったら、始動電流を決定するために設定した電流ついての限度がある。
【００７２】
この場合始動操作全体のまたは仮の停止を提供することが可能である。
【００７３】
正弦波曲線の逆転を、ロータが真のゼロ地点へ到達する少し前に発生させることができる。
【００７４】
この方法で、短期間の間、この同期モータは交流発電機となる。
【００７５】
この操作により、ロータは各々の周期の終わりに確実に同位相になる。
【００７６】
これは主周波数を名目上の５０Ｈｚより上の周波数へ増加させ、例えば６０Ｈｚへ達する。
【００７７】
この方法で、ポンプのヘッドが速度の二乗の関数であり、流速もまたそれに対応して変わるので、実質的に電流消費を増加することなしに、高い流速を達成することが可能である。
【００７８】
この場合もまたｃｏｓφは１に等しいままであり、生じる出力に対し大きな利益である。
【００７９】
以上の記載と図から、目標と全ての意図した目的が達成され、しかも特に定常状態を始動し、維持する方法が提供され、これは中から高出力モータおよびロータとポンプのインペラの両方によるかなりの慣性でさえ、確実な始動をさせることが明らかである。
【００８０】
さらに、ｃｏｓφは常に実質的に１に等しいので、モータの最大効率が達成され、従って電力消費に関して大きな利益であると共に、吸収する電流は常に最小である。
【００８１】
もちろん、運転段階および個々の段階内での操作の同じ順序を維持する一方、本方法は異なる種類の回路を有し、また必要な操作を行うのに適合する種々の成分も有する電力供給を用いて行うことができる。
【００８２】
本願発明が優先権を主張するイタリア特許出願Ｎｏ．ＭＩ９８Ａ００１８７６での開示をここで参考文献に加える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用される永久磁石同期モータの構造の略例示線図を示す。
【図２】 永久磁石ロータの磁場の異常な配列を示す。
【図３】 本発明の３段階とその連鎖のフローチャートを示す。
【図４】 学習段階のフローチャートを示す。
【図５】 始動段階のフローチャートを示す。
【図６】 定常状態段階のフローチャートを示す。
【図７】 ロータの最初の動きが発生するまでの、学習段階中の電流をプロットしている図を示す。
【図８】 １８０°を通っての最初の２回転での電流をプロットしている図を示す。
【図９】 学習段階から始動段階、そして次に定常状態段階までの電流をプロットしている図を示す。

Claims (15)

1. 永久磁石同期モータ、特に遠心水圧ポンプを運転するための始動および定常状態供給の方法であり、該方法が以下の段階を含むことを特徴とする：
   １）学習段階、この間にモータのロータは１８０（機械的）°に及ぶ連続した２回転を通って回転し、固定子にＤＣ始動電流を最初の１８０（機械的）°の間印加し、この電流をロータが最初の１８０（機械的）°に到達した後、二番目の１８０（機械的）°の間逆転し、線状磁気位置センサと組み合わせた電源供給回路に存在する記憶装置により、ロータの予め設定した角度位置に相当する個別の数多くの点で操作特性を蓄積し、前記学習段階の間に、ロータの始動電流と本当のゼロ位置を決定し；
   ２）始動段階、この間に第一の段階で決定した始動電流より高い電流を初めに低い周波数で印加し、これを次に次第に増加し、線状センサにより、８０と１００（機械的）°、後に２６０と２８０（機械的）°でロータの通過を待機し、検査し；
   ３）定常状態段階、この間に一度定常状態周波数、従ってこの定常状態速度に到達したら、印加電流は実質的に正弦状であり、電源の方向を反転する前に、ロータのゼロ地点を通っての通過を待ち；
   制御機能が提供され、これはもし、ロータが定常状態段階の間に遅くなったら、この操作を始動段階へ戻し、これはロータの引っ掛り、回転方向の反転、線状センサの故障または異常事態の場合、この操作を学習段階へ戻す。
2. 前記学習段階中、固定子は、強さが次第に増加するＤＣ電流を供給され、定期的に前記電流をロータが１８０（機械的）°を通っての第一の回転ともう一つの１８０（機械的）°を通って、電流反転後の第二の回転を成し遂げるまでに反転することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記学習段階中、第一と第二の１８０（機械的）°を通って回転を引き起こす最小電流値が蓄積され、最も高い値を有するものが始動電流とみなされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記学習段階中、ロータの別個の数多くの角度位置で検出された特性はこの曲線は最初と二番目の半周期の全位置でのロータの真の挙動を描く正弦波に似た連続的な曲線を得るように蓄積され、そして挿入され、この位置は線状磁気位置センサにより発生が検出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第一の学習段階の間、１８０と３６０（機械的）°後ロータの真のゼロ位置が、線状センサによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第一の学習段階の間、第一半周期の８０および１００（機械的）°並びに第二の半周期の２６０および２８０（機械的）°での電流値が外挿によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記始動段階において、ロータが学習段階の第二半周期を完了した後、ＡＣ電流が印加され、この電流の信号が第二半周期の電流に関して反転され、この電流の値が前期始動電流に関してかなり高い（例えば２０〜２５％）ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記ロータを最初の８０（機械的）°を通っての通過の所で待ち、次に電流が１００°まで一定に保たれ、ここで再びロータを待ち、次に電流は１８０（機械的）°まで減少し、ここでロータを再び第二半周期と等しい行動により電流が反転する前に、３６０（機械的）°、すなわち初期ゼロ位置に到達するまで待つことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 最大待ち時間がほぼ１．５秒であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 予め設定した待ち時間内に、ロータにより到達しない第一の角度の参照で、本方法の段階は中断され、学習段階で再始動されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 始動段階の第二半周期の終わりに、定常状態速度に到達するまで値と周波数を次第に増加する正弦波電流を印加し、ロータがゼロ地点を通過する時のみロータを確認し、任意に相を逆転する前に予め設定した時間前記ロータを待つことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 印加した荷重の増加によるロータの遅れの場合には、本方法はあたかも始動段階へ戻り、できる限り高い電流値で、定常状態速度に再び到達するまで周波数を下げ、電流を増加することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. もしロータが印加した荷重の減少によって早く到着したら、本操作はあたかも始動段階へ戻り、ロータが再び同位相に戻るまで電流を減少し、前記ロータをゼロ地点によるその転移で確かめることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記定常状態においてロータの引っ掛り、回転方向の逆転、線状磁気位置センサの故障および他の異常では、電力供給を停止し、本方法を学習段階へ戻すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記電流が学習および制御記憶装置が存在するプロセッサにより制御されるインバータにより瞬時の周波数と値で発生されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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