JP4379655B2 - 電動モータ用ソフトスタータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
「ソフトスタータ」と称される半導体式モータスタータは、ＳＣＲ、サイリスタ、或は半導体パワースイッチ等のゲート付半導体素子を使用して、電動モータの始動及び停止を制御している。
本発明は、モータスタータに関するものであり、特に、小型の半導体式モータスタータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工業的に標準のソフトスタータは、いくつかの分離独立した構成部品から構成されている。これらの構成部品には、コントローラ、バイパスコンタクタ、センサ、過負荷保護装置、スナッバ(snubbers)、冷却ファン、パワー半導体、パワーバス(power bus bars)、インシュレータ、アセンブリハードウエア及びマウントプレート(mounting plates)が含まれており、これらの部品をユニットとして組み立てた場合、従来のモータスタータでは大型となり、取り扱いが不便なものとなる。
【０００３】
通常、コントローラは、ディスクリートスクリュウ(discrete screw)タイプのターミナルブロックとマウントフートを備えたクラスIIのエンクロージャ（囲い）内に収容されている。コントローラのサイズ及びパワー要件は、適用する制御及び制御の複雑さによって変えることができる。コントローラパッケージは、いくつかの独立したプリント回路基板に分解されており、必要に応じて相互に連結されて装着される。
【０００４】
バイパスコンタクタは、モータが運転速度に達した後にパワー半導体を分路するために使用されている。このバイパスコンタクタは、ハードウエア、端子付のコイルリード、ライン及びソフトスタータの負荷側からのパワーコンダクタを必要とする。
【０００５】
ソフトスタータは数種類のセンサを備えている。ソフトスタータに備えられた最も基本的なセンサは電流センサであり、やや分厚い形状をしている。電流を感知するための最も一般的な方法では、電流計及びやや取り扱いにくいマウントブラケットを備えた大型の変流器を必要とする。他の方法では、電流計或はプリント回路基板と、分厚く扱いにくいマウント装置を備えたフェライトトロイド(ferrite toroid)を必要とする。さらに、他の方法では、ロゴスキーコイル(Rogowski coil)、回路基板、及び分厚いマウントブラケットを必要とする。
【０００６】
さらに詳細には、最も一般的な方法では、変圧器と同じ原理を利用して電流を計測することである。導電体の周りに電流として誘導される磁束は、導電体を通過する。この磁束が磁心の中へ誘導される。磁心の材料は、強磁性材料、例えば、強磁性鉄或は強磁性鋼が適しているが、空気などの弱磁性材でも良い。二次コイルも必要であり、磁性コイルの周りに、或は、導電部材の回りにループ状に巻かれる。二次コイル内に誘導される電流の大きさは、使用する磁心の磁気抵抗と、信号電流の大きさに左右される。したがって、信号電流は、導電体の実際の電流に比例する。実際の電流信号として導電体に変成される電流信号値を読み取るためにスケールが開発された。一般的に、電流計が使用される。
しかしながら、二次コイル回路が小径のワイヤを多数回巻回したものである場合、変成電流信号の電流値は低くなるので、代りに電圧計を使用することもできる。以下の説明では、最も一般的な方法に基づいて、電流を感知する方法について説明する。二次コイルの出力は過負荷リレーを駆動するために利用することもできる。
【０００７】
変圧器の原理を利用して電流を計測する最も一般的な方法は、導電体の周りを複数回巻回したワイヤで取り囲んで、ワイヤに誘導される電流を計測することである。この方法は空心変圧器と同じであり、一般に、変流器と称されている。他の方法は、高磁気抵抗を有する剛体のフェライト心材で導電体の周りを取り囲み、次にフェライト材をワイヤで巻回して、誘導された電流を計測することである。この方法は、エア−アイアンコア（空−鉄心）変圧器と同じであり、単にトロイド(toroid)と称される。
【０００８】
同様に、心材を積層体から構成し、積層体の一部の周囲にワイヤを巻回して導電体の周りに配置して、コイルに誘導される電流を計測することもできる。これは、鉄心変圧器と同じである。組立を容易にするために、積層体心材を分割して、心材を適当な位置に配置する前に、モニターされる導電体が心材を通過する必要をなくした手法も開発された。心材は積層体の割れ目に沿って開かれ、導電体を心材内の所望の位置に挿入した後に、磁気抵抗を低く維持するように心材を閉じる。さらに他の方法では、磁性心材として薄い鋼材の積層体を使用して、磁性心材をワイヤでループ状に巻回する。心材の領域は小さくなり、ワイヤ径も細くなるので、誘導される電圧を計測することができる。この方法は、鉄心変圧器と同じであり、ロゴスキーコイルを呼ばれている。
【０００９】
前述した電流計測技術はソフトスタータに使用されており、小型のモータスタータを構成するためには大きな欠点を有している。誘導される電流信号或は電圧信号を生成する導電体の周囲に配置される二次コイル或は磁心が大きな欠点となる。モータスタータは比較的大きな導電体を必要とするため、導電体に追加する材料により、モータスタータのパッケージが大きくなってしまう。さらに、三相モータスタータでは、モニターされる３個の独立した導電体を有しており、電流センサ間のクロストーク(cross-talk)、或は干渉のポテンシャルが高くなってしまう。
【００１０】
また、ソフトスタータは、半導体を保護するために温度モニターを必要とする。熱保護の方法の一つに、バイメタルディスク、即ち「ポピット(Popit)」が含まれるが、ソフトスタータの導電部材に関連して配置されるマウントブラケット、ハードウエア、電気遮蔽を必要とする。バイメタルディスクが作動温度に達すると、バイメタルディスクはポキッと折れて、電気コンタクトの状態を変えて、温度限界に達したことを制御回路に送信する。しかしながら、バイメタルディスクは本質的に大きな質量を有するために、その反応は温度変化に対して鈍感であり、温度範囲も非常に狭いものである。数段階の温度モニターを必要とする場合、それぞれに温度範囲をモニタする複数の独立したバイメタルディスクが必要となる。また、他形式の熱保護方法では赤外線熱センサを使用している。これらの素子は導電部材の上に配置する必要はないが、導電部材に接近させなければならない。そのために、マウントブラケット及び回路基板アセンブリを必要とし、センサはモニターする部材に「照準を合わせ」なければならない。また、電気構成部材の温度を計測するために、感熱抵抗器(heat sensitive resistors)、或はサーミスタを使用することもできる。感熱抵抗器は、温度が変化すると抵抗が変化する。抵抗が変化すると、続いて、温度参照値として使用される電圧に校正され、構成部材の温度を指示する。サーミスタは本質的に質量が小さいので、温度変化に敏感に反応する。
【００１１】
バイメタルディスク及びサーミスタは、通常、電気装置の導電部材の近くに或は導電部材上に配置される。これらの部材は共に、独立した電気リード線或は端子を必要とする。従来、これらの部材を使用する場合には、独立した締着具或はマウントブラケットを必要とした。さらに、導電部材のライン電位からこれらの部材を保護するために電気的な遮蔽或はバリアを必要とする。一般的に、これらの部材は独立して取り付けられているので、追加スペースが必要であり、装置のサイズを大きくしてしまう。
【００１２】
また、ソフトスタータは、スナッバアセンブリを必要としており、このスナッバアセンブリは、過渡ノイズからパワー半導体構成部材を保護するために直列に接続した抵抗器とコンデンサーを備えている。スナッバアセンブリは、モータスタータのライン及び負荷端子を横切るように接続されている。また、これらの部材はマウントブラケット及びハードウエアを必要としている。
【００１３】
自然対流ではモータスタータを十分に冷却することはできないので、空気を強制的に送風する冷却ファンを必要としている。冷却ファンによりエンクロージャのサイズが大きくなり、或は外付けしてもサイズが大きくなるが、パッケージの通風孔を介してスタータの通気をしている。いずれにしても、冷却ファンによりパッケージ全体のサイズがかなり増大する。
【００１４】
また、ソフトスタータは過負荷保護装置を備えている。この過負荷保護装置は全てのパワー制御装置に必要なものであり、過負荷リレー或は過負荷回路基板アセンブリを用いることによって達成することができる。一般的に、電流が設定限度値に達した場合、過負荷状態を変えるように、電源とモータの接続を離脱させる。過負荷保護装置は、独立した装置でもよいし、或はコントローラに内蔵された機能でもよい。通常、これらの装置は作動範囲が限定されており、モータ電流の感知に適用することができる。
【００１５】
ソフトスタータは、独立した半導体、即ちＳＣＲ「パック(pucks)」を使用している。パワー要求に基づいてこれらの素子を大きくすることができるが、パッケージが複雑となり、また、サイズも著しく大きくなる。多相に応用する場合、多重パワーコンダクタが必要となり、端子間の物理的空間も作動電圧に依存する。また、コンダクタのサイズは、流入電流量に比例し、パワー半導体の放熱量にも比例する。
【００１６】
上述したソフトスタータの全ての構成部材は、単一のマウントパネルに装着されるため、パッケージ全体が非常に大きくなってしまう。このように、従来のソフトスタータは、組立に時間がかかり、容積も質量も大きくなり、エンクロージャ（囲い）も大きくなり過ぎてしまう。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した課題を解決した半導体式モータスタータを提供することにある。
また、本発明の目的は、上述した構成部材を比較的小さいパッケージに統合したソフトスタータアセンブリを提供し、同時に、組立の容易なモータスタータを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴によれば、半導体式モータスタータは、電源からの外部導電体を接続する入力端部を備えた第一導電性バスと、モータに接続可能な外部導電体を接続する出力端部を備えた第二導電性バスとを備えている。第一導電性バスと第二導電性バスとの間には、少なくとも一つの半導体パワースイッチ素子が挾持されている。また、半導体パワースイッチ素子の回りにバイパス電流路を形成するように、入力端と出力端を備えた電磁リレーを備えている。電磁リレーの入力端は、電源からの外部導電体と接続可能であり、また、出力端は、半導体パワースイッチ素子の分路である第二導電性バスと接続可能である。電磁リレーは、リレー電流路が第二導電性バスと線形関係（即ち、直線状に）になるように装着されており、電磁リレーを介して電源からモータへの電力が切り換えられたときに半導体式モータスタータを介して直線状の電流路が形成され、ソフトスタータの熱上昇を抑制する。
【００１９】
また、本発明の他の特徴によれば、モータスタータの電磁リレーは、第一導電性バスの後方に逆向きに、その内部コンタクトが第二導電性バスの近くに、また、その内部磁石が第二導電性バスから最も離れるように装着されている。また、モータスタータは、電磁リレーと間隔をおいて第一導電性バスに装着された放熱器を備えており、放熱器と電磁リレーとの間に冷却ファンを装着して放熱器に送風して強制的に冷却している。さらに、大質量の第二導電性バスは半導体スイッチ素子が導通されたときに放熱器として機能する。
【００２０】
カバーアセンブリは、半導体式モータスタータを覆い、冷却ファン及び放熱器に適合した放熱器トンネルを形成するように成形されている。サーミスタは、放熱器を通過する空気流の温度を感知するようにカバーアセンブリに装着されている。電流センサ及びサーミスタアセンブリは、導電性バスに直接取り付けられており、導電性バスには、外側縁から中央領域に向けて一対のスロットを形成することにより、比較的狭い電流感知領域が形成されている。従来技術とは対照的に、非常に小さいホール効果センサを用いて、大面積バスの電流を感知することができる。さらに、ホール効果センサと、電流感知領域に形成される熱をモニターするサーミスタを装着するために共通の回路基板を使用している。
【００２１】
また、本発明のさらに他の特徴によれば、半導体式モータスタータは、比較的小型のパッケージとして構成された、２つの独立した電流路を備えており、第一電流路は、第一導電性バスと接続可能な電源入力端部と、第二導電性バスと接続される一対の半導体パワースイッチと接続された第一導電性バスから構成されており、一対の半導体パワースイッチの内のいずれかがオン状態に切り換えられた場合、モータの始動時には立ち上げ電流を、モータの停止時には立ち下げ電流を、第二導電性バスとモータに接続可能な出力端部に供給する。
また、第二電流路はモータ運転モードで作動可能であり、第一導電性バスを介して電磁リレーの入力端に接続可能な電源入力端部と、通電状態と非通電状態とに切り換え可能な逆配置した電磁リレーから構成されている。電磁リレーが通電状態にある場合は、半導体式モータスタータはモータ運転状態にあり、第二電流路は、電磁リレーの出力端と第一導電性バスとの間に電流路を形成する。第二電流路は、モータスタータを横切って実質的に直線状の電流路を形成して、パワーロスを低減させるだけでなく、モータ運転モード時の発熱を最小限に抑える。
【００２２】
本発明のさらに他の特徴によれば、導電性バスに使用する電流センサアセンブリを有しており、バスには、一対のスロットで形成した比較的狭い電流路が形成されており、各スロットは、バスの外側縁から電流路に向けて内側に延在している。これらのスロットにより、電流の流れる方向に比較的狭い電流路が形成される。電流路の外周で電流路を横断するように一対の磁気ピンがバスを貫通している。磁気ピンは、一対の磁気ピンの間に磁束経路を形成するように離して配置されている。磁気ピンは、本質的に磁束を形成しないが、磁気ピンの間に磁束を収束させるので、磁気ピンの間に磁束経路が形成される。好適には、隣接するバスからの磁束干渉を防止するために、バスの中央に電流路を形成する。また、磁気ピンの間に形成される磁束経路から離すように、電流路を中央からオフセットすることもできる。ホール効果センサは、比較的狭い電流路上で、磁束経路内にあるように磁気ピンの間に配設されている。さらに、ホール効果センサは、サーミスタと共に回路基板上に装着されている。サーミスタは、バスの電流感知領域の温度をモニターしている。
本発明のさらに他の特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明と図面から明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、ソフトモータスタータとして従来公知である、３相３極の半導体式モータスタータ１０が示されている。モータスタータ１０は、モータ接続端部、即ち負荷側端部１６に空気入口１４を形成したカバーアセンブリ１２を備えている。同様に、電源側端部、即ちモータスタータ１０のライン側端部２０には空気出口１８が形成されている。また、カバーアセンブリ１２は、回路カバー２２Ａで保護された電子コントローラ回路２２を収容している。コントローラ回路２２は本発明の構成要件ではないのでこれ以上説明しない。また、モータスタータ１０は、３個のパワーポールアセンブリ２６、２８及び３０を収容するベースアセンブリ２４を備えている。パワーポールアセンブリ２６、２８及び３０の各々は、同一の構成を有しているので、以下の説明では、パワーポールアセンブリ２８だけを説明する。
【００２４】
図２は、モータスタータ１０のパワーポールアセンブリ２８の斜視図である。パワーポールアセンブリ２８は、第一導電性バス(bus bar)３２を備えており、入力端部３６で、ワイヤリングラグコネクタ(wiring lug connector)（図示しない）及び電源（図示しない）からの導電体を受け入れる。Ｌ形状導電体３４にはフランジ３８が形成されており、図１の負荷側端部１６でベースアセンブリ２４にパワーポールアセンブリ２８を装着するための一対のボルト孔４０が形成されている。再び図２を参照すると、モータスタータ１０のパワーポールアセンブリ２８は、Ｌ形状導電体３４に機械的に且つ電気的に結合された第二導電性バス４２を備えており、パワー出力端部４４で、モータ（図示しない）に接続可能な導電体（図示しない）をパワーポールアセンブリ２８に接続するワイヤリングラグコネクタ（図示しない）をＬ形状導電体３４に受け入れている。好適な実施の形態では、第一導電性バス３２と第二導電性バス４２との間に、ＳＣＲ等の一対の半導体パワースイッチ素子４６、４８を挟持している。モータスタータ１０によって駆動されるモータのパワー要求に基づいて、バスを大きくしたり、小さくしたりすることができる。さらに、他の実施の形態では、スイッチ特性やパワー要求に基づいて、ＳＣＲ以外の半導体スイッチ素子を使用することもできる。
【００２５】
電磁リレー５０は、逆向きにパワーポールアセンブリ２８に装着されているため、内部コンタクトは下端部５２で下方に面しており、また、内部磁石とスタータは上端部５４に位置している。電磁リレー５０は、一対の固定コンタクト５６及び５８を有している。出力側の固定コンタクト５６は、少なくとも一つのボルト６０によりＬ形状導電体３４に接続されている。入力側の固定コンタクト５８は、６本の締着ボルト６２の内の２本のボルトで第一導電性バス３２に取り付けられている。後述するように、電磁リレーを逆向きに取り付けることにより、モータ運転モードにおいて、パワーポールアセンブリ２８を介して実質的に線形の電流路が形成される。
【００２６】
電磁リレー５０の内部構造は標準的なものとすることができる。例えば、米国特許第５，３３７，２１４号に開示されているようなリレーである。この特許は、１９９４年８月９日にLindsey他に与えられたものであり、本発明の譲受人に譲渡されたものである。しかしながら、当業者であれば容易に認識できるように、本発明のコンタクト５６及び５８は反対側の側面から外方に突出しているが、米国特許第５，３３７，２１４号に開示されているリレーのコンタクトは、同一側面から外方に突出している。当業者であれば、ハウジング及び構造をわずかに変更することによってコンタクトの配置を変えることは容易に認識できることである。
【００２７】
また、図２のパワーポールアセンブリ２８は、第一導電性バス３２上に装着された放熱器６４を備えている。放熱器６４は、電磁リレー５０と隙間を空けて配置されており、この隙間に冷却ファン６６が装着される。冷却ファン６６は、図１のカバーアセンブリ１２で支持されている。好適な実施の形態では、パワーポールアセンブリ２６、２８及び３０の各々には、隙間６８に冷却ファン６６が装着されている。
【００２８】
モータスタータ１０の各パワーポールアセンブリ２６、２８及び３０は、作動中には、二つの独立した電流路を形成する。第一電流路は、モータの始動モードと停止モードで作動可能であり、電源（図示しない）と第一バス３２によって形成される。さらに、第一電流路は、第二バス４２と電気的に接続される半導体パワースイッチ４６および４８を含んでおり、半導体パワースイッチ４６および４８のうちの少なくとも一方がオン（ＯＮ）状態に切り換えられると、モータの運転開始中は、モータ（図示しない）をＬ形状導電体３４を介して第二バス４２に接続してモータをランプアップ(ramp-up)し、また、モータの運転停止中は、モータをランプダウン(ramp-down)する。第二電流路は、モータの運転モード中に作動可能であり、モータが速度アップした後だけ形成される経路である。第二電流路は、電磁リレー５０の入力固定コンタクト５８を第一バス３２を介して電源に接続することによって形成される。リレー５０は、電流導通モードと電流非導通モードとの間で切り換えることができる。モータがランプアップ或はランプダウンされる場合は、リレー５０は非導通モードにあり、第二電流路はリレー５０によって断続される。しかしながら、リレー５０が通電モードにあり、モータスタータ１０がモータ運転モードにある場合は、第二電流路が形成され、モータに接続されている出力固定コンタクト５６に電力が供給される。第一電流路のＳＣＲ４６及び４８を利用してモータの速度が上昇すると、リレー５０は、ＳＣＲからのバイパス電流、即ち分流により励磁され、ＳＣＲはターンオフされる。このように、リレー５０のコンタクトは、通常のアーキング(arcing)を経験することなく保護される。同様に、モータを停止させると、ＳＣＲ４６及び４８はＯＮ状態に戻され、ほぼ同時にリレー５０は非励磁状態となるため、リレー内にはアーキングは存在しない。ＳＣＲによりモータはランプダウンされる。図２を参照すると、第二電流路は、第一バス３２から、入力固定コンタクト５６、リレー５０及び出力固定コンタクト５８を介して、実質的に直線状の電流路を形成する。このような直線状の電流路を構成することにより、モータ運転モードでのパワーロスを減少させるだけでなく、モータスタータの熱上昇を最小限に抑える。さらに、このような独特の形状により、フロアスペース及び壁スペースを節約してコンパクトな構造を提供できる。
【００２９】
図３には、図１の３‐３線に沿った半導体式モータスタータ１０の断面が示されている。パワーポールアセンブリ２８は、マウントボルト７０でベースアセンブリ２４に装着されている。二本のマウントボルト７０が、負荷出力端部１６側の、Ｌ形状導電体３４のフランジ３８に配置されている。ライン入力端部３６では、他のマウントボルト（図示しない）を孔７２に締着して、パワーポールアセンブリ２８をベースアセンブリ２４に装着させる。
カバーアセンブリ１２に装着された冷却ファン６６は、逆配置したリレー５０と放熱器６４との間に配置されており、空気流をライン７５に沿ってエア出口１８に指向させる。また、カバーアセンブリ１２は電子コントローラ回路２２を装着するためのサブハウジング７４を有している。一対の半導体パワースイッチ素子４６及び４８は、電子コントローラ回路２２と接続可能な入力リード４７及び４９を備えている。各スイッチ素子４６及び４８は、一対のロールピン７６及び７８を備えており、これらのロールピン７６及び７８を第一バス３２と第二バス４２との間に挟持して締結ボルト６２で締結されている。
【００３０】
有効スペースＡには、第一バス３２の下面に電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６が取り付けられており、バスを流れる電流を計測すると共にバスの温度を感知している。詳細は図８〜図１１を参照すること。また、スペースＡには、スナッバ回路７７が配置されており、電気ノイズを低減させると共に、過渡電流から保護している。スナッバのリードは、従来知られているようにライン及び負荷コネクタに接続される。
【００３１】
図４には、図３の４‐４線に沿った締結ボルト６２の拡大詳細図が示されている。図４は、図６に示された６本の締結ボルト６２のうちの一本の締結ボルト６２を示している。締結ボルト６２により、第一バス３２と第二バス４２との間にパワースイッチ素子４６を挟持している。一連の皿バネワッシャ７９が締結ボルトと共に使われており、ナット８３により圧縮されている。締結ボルト６２ａは、アレンヘッド(Allen head)８０を備えており、第一バス３２と第二バス４２とを絶縁しているインシュレータ８２に係合している。
【００３２】
図５には、図４に示した締結ボルト６２ａ、皿バネワッシャ７９及びナット８３の一部を拡大した断面が示されている。一連の皿バネワッシャ７９には、対向する皿バネワッシャ間で隙間８４を形成して、皿バネワッシャ間を互いに付勢する凹面と凸面が形成されており、作動モードで、バス３２及び４２の膨張及び収縮を吸収して、素子４６及び４８を圧持している。
【００３３】
図６には、図２のパワーポールアセンブリ２８の分解斜視図が示されている。好適な実施の形態では、６本の締結ボルト６２と、６個のワッシャ８１と、６個のインシュレータ８２を使用している。締結ボルト６２は、第二バス４２の締結孔８６、第一バス３２の締結孔８８、及び放熱器６４の締結孔９０を貫通して延びている。また、リレー５０は、入力コンタクト５８の孔９２を貫通する締結ボルト６２と皿バネワッシャ７９により、リレーとバスとの間の膨張及び収縮を吸収してわずかに移動できるように装着されている。各締結ボルト６２は、皿バネワッシャ７９とナット８３を備えており、パワースイッチ素子４６及び４８を第一バス３２と第二バス４２との間に挾持している。
【００３４】
パワースイッチ素子４６及び４８は、第一バス３２及び第二バス４２のロールピン孔９４に配置されたロールピン７６及び７８により中央に位置されている。さらに、放熱器６４は、放熱器６４のマウント孔１００及び第一バス３２のマウント孔１０２を介してボルト９６とナット９８により第一バス３２に装着されており、図７に詳細に示されているスロット１０４及び１０５は、間接的に第二バス４２に支持される。リレー５０は、その入力端部５８で締結ボルト６２とナット８３により第一バス３２に取付けられる。リレー５０の出力端部５６は、ボルト６０とナット６１によりＬ形状導電体３４に装着されており、ナット６１は、Ｌ形状導電体３４の底面側に形成された座ぐり孔内に受容されている。組付け時には、図示された３個の孔に接続用のラグアセンブリが装着される。Ｌ形状導電体３４は、ボルト１０６とナット１０８により第二バス４２にボルト締めされる。孔１１０は、ボルト１０６を面一に装着するような座ぐり孔である。
【００３５】
図７は、第一導電性バス３２の上面を詳細に示している。ＳＣＲ４６及び４８は想像線で示されており、ロールピン７６及び７８の中心に位置している。６個の締結孔８８は第一バスにＳＣＲを挾持するためのものである。マウント孔１１２は座ぐり孔であり、パワーポールアセンブリ２８全体をベースアセンブリ２４に装着させる（図３参照）。残りの孔１１４は、ワイヤ接続ラグ（図示しない）を取付けるためのものである。バス３２にはスロット１０４及び１０５が形成されており、第一バス３２を通過する電流を、比較的狭い、好適には中央に位置する電流感知領域１１６内に集中させる。スロット１０４及び１０５は、外側縁１１８及び１２０から内側に、一対のピン孔１２２に向けて延在している。一対の磁気ピン１２４が孔１２２に装着され、バス３２の上面から垂直に延びている。磁気ピン１２４は、好適にはスチール製であり、電流によって形成された磁束を収束し、且つ方向付けるように設計されており、ピンが存在することにより、電流感知領域１１６を介して電流路を形成する。図３及び図１１に示すように、ピン１２４は、バス３２から所定高さ外方に延びており、その上に電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６が取付けられる。図７のネジ孔１２８は、第一バス３２に電流センサ及びサーミスタアセンブリを装着するためのものである。
【００３６】
図８には、図３の８‐８線に沿った電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６が示されている。スチールピン１２４は、バスを通る電流によって形成される磁束を収束して方向付けるだけでなく、電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６を位置付けて、ホール効果センサ１３０を適当に配置するためにも使用される。ホール効果センサ１３０は、図９〜図１１に詳細に示されている。
【００３７】
図９を参照すると、電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６が、磁気ピン１２４に関して分解されて示されている。電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６は、ホール効果センサ１３０を備えた回路基板１３２を有しており、この回路基板１３２から外方に突出しているホール効果センサ１３０により、電流感知領域１１６を、即ち、バス３２全体を通過する電流を感知する。ホール効果センサ１３０は、回路基板１３２に対して垂直に延びて、スチールピン１２４の間の最大磁束経路である「スイートスポット」１３１に位置される。「スイートスポット」１３１はホール効果センサ１３０に刻印されており、ホール効果センサの最大能動領域を表している。また、回路基板１３２はバスの温度を計測するサーミスタ１３４を備えている。リードコネクタ１３６は回路基板にはんだ付けされており、リードコネクタ１３６のワイヤハーネス１３８はコントローラ回路２２に接続されている。ホール効果センサ１３０及びサーミスタ１３４は、従来と同様の方法で接続されている。また、図１０及び図１１に示すように、電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６は位置決めブロック１４０を備えており、位置決めブロック１４０に回路基板１３２を受容することにより、ピン１２４と係合するピン孔１４２に関して、位置決めブロック１４０の下方のホール効果センサスロット１４４内にホール効果センサ１３０を位置させている。
【００３８】
また、図１０に示すように、位置決めブロック１４０には、楕円錐台形状のサーミスタトンネル１４６が形成されており、サーミスタトンネル１４６の最小径部にサーミスタ１３４を受容している。楕円錐台形状のサーミスタトンネル１４６の最大径部は、バスの電流感知領域の温度を感知するように、第一バス３２に接近している。楕円錐台形状のサーミスタトンネルには、バス３２からの熱をサーミスタ１３４に確実に伝導させるように、熱伝導性ペースト１４８が備えられている。
【００３９】
再び図９を参照すると、さらに、電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６は、インシュレータ、或は、アイソレータ１５０を有しており、バス３２から回路基板１３２及びその構成部材を電気的に絶縁している。図１０にも示すように、電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６は、インシュレータ１５４を介して非磁性ネジ１５２によりバスに装着されている。
【００４０】
図１１を参照すると、位置決めブロック１４０のホール効果センサスロット１４４内にホール効果センサ１３０を配置した回路基板１３２が示されている。位置決めブロック１４０には、ピン１２４の直径とほぼ同じ直径のピン孔１４２ａと、ピンをわずかに調整できるように、やや楕円形状のピン孔１４２ｂが形成されている。
【００４１】
本発明のモータスタータ１０は、３個のパワーポールアセンブリ２６、２８及び３０を有しているので、ホール効果素子１３０を有効に機能させるように、隣接する導電体間のクロストーク、或は干渉を最小限にすることが重要である。そうするために、図７に示すように、第一バス３２の外側縁１１８及び１２０から中央に狭い電流感知領域１１６を位置させて、隣接するバスからの磁束の影響を最小限にしている。さらに、第一バス３２の表面３２ａから磁気ピン１２４を突出させて、ピン１２４に垂直な電流によって形成される最大磁束経路とホール効果センサ１４４を交差させて、隣接する導電体間のクロストークを更に低減させている。
【００４２】
図７に戻ると、スロット１０４及び１０５の各々は、電流感知領域１１６から外側縁１１８及び１２０に向けて後方に傾斜して、一対のマウント孔８８と一対のマウント孔１０２との間に延在している。図２に示す放熱器６４は、図７のスロット１０４及び１０５上に装着されるので、バス３２の構造的弱点は最小限となる。スロット１０４及び１０５は、電流感知領域１１６を形成するために傾斜させる必要はないが、同じ長さにする必要もない。しかしながら、好適な実施の形態では、スロットを傾斜させ、且つ長さを同じにして、バスの中央に電流感知領域１１６を配置して、クロストークを最小にすると共に、スロット１０４及び１０５による構造的弱点を最小としている。
【００４３】
図１２を参照すると、図１のパワーポールアセンブリ２６、２８及び３０の放熱器６４に適合する窪み１５６，１５８及び１６０を備えたカバーアセンブリ１２のサブハウジング１５４が示されている。図１２では、空気流の方向が矢印１６２で示されている。図１３に最も良く示すように、カバーアセンブリ１２の内側の空気流温度をモニターするために、サーミスタ１６６を備えた回路基板１６４が、二つの窪み１５８と１６０間の側方支持部１６８に装着されている。回路基板１６４は、側方支持部１６８の溝１７０内に摩擦装着されている。エアチャネル(air channel)１７２は、回路基板１６４が側方支持部１６８の溝１７０内に完全に係合されると、サーミスタ１６６と直接的に空気接触する。
【００４４】
図１４には、本発明の別の実施の形態が示されている。半導体式モータスタータ１７４は、取外し可能な外側エンクロージャ（囲い）を備えている。モータスタータ１７４は、負荷側ラグ１７８から始まって、ライン側ラグ１８０で終了する、ライン１７６に沿ったほぼ直線状の比較的短いバイパス電流路を備えている。モータスタータ１７４は低電力取扱仕様のものであり、図１に示すホッケーパック(hockey-puck)形ＳＣＲとは異なる、内部位相制御サイリスタを使用している。放熱器１８２は、モータスタータ１７４に直接装着されている。
【００４５】
図１５は、図１４のモータスタータに使用するように形成されたバス１８４を示している。バス１８４は、ラグ端部１８６とコンタクタ端部１８８を有している。比較的狭い電流感知領域１９０を形成するために、スロット１９２及び１９４を形成して、図７のバスと同じように、電流感知領域１９０に電流を集中させるようにしている。図７のスロット１０４及び１０５と比較して、図１５のバスのスロット１９２及び１９４では、スロットを特定の方向にすることは重要なことではないが、導電機能は電流感知領域のサイズによる。図１５のバス１８４は、図９の電流センサ及びサーミスタアセンブリ１２６を備えることもできる。ピン１２４の長さは、バス１８４の厚さに応じて調整され、図１１に示すように、一側面では面一にされ、他側面ではホール効果センサ１３０と交差するように十分に突出している。
【００４６】
図１６には、ホール効果電流センサ用の望ましい特性曲線が示されており、ホール効果出力対ソフトスタータ電流定格パーセントの関数として示されている。グラフは、ホール効果電流センサで計測した電流の線形特性と非線形特性を組み合わせて示されている。望ましい特性は、ファクター数を変えることによって得られることに注意されたい。例えば、図７の電流感知領域１１６及び図１５の電流感知領域１９０の幅と形状を変えることにより、特性曲線は、要求するように修正することができる。さらに、磁気ピン１２４の材料形式及び材料量を変化させることにより、望ましい特性曲線を得るためのパーミアンス(permeance)を修正することができる。例えば、中実のスチールピンの代りに、等径の中空のロールピンを使用することもできるが、中空のロールピンはパーミアンスがさらに低いため、完全に異なった電流特性曲線となってしまう。
【００４７】
望ましいホール効果センサの電圧出力特性曲線は、ソフトスタータ作動範囲の臨界部分、即ち能動領域では、基本的に線形部分２０２を有している。この領域内では、電流は、素子の定常作動中に読み取られ、外部の計測装置と正確に比較することができるが、ホール効果出力電圧は、素子の通常の作動範囲に基づく初期ラウンドオフステージ(round-off stage)２０４で明らかに減少し始める。好適には、初期ラウンドオフステージ２０４は、デバイス電流定格のほぼ１２０％‐１３０％であり、磁気ピンが飽和状態になり始めるときである。ピンが飽和状態になると、線形電流計測範囲のほぼ１３０％‐１５０％の間で中間域ラウンドオフステージ２０６が起こる。電流計測範囲を素子の線形電流範囲のほぼ３００％まで延長するように、飽和状態のピンの延長部のラウンドオフステージ２０８に移動させることにより、ホール効果素子は電流増加に応答し続ける。最終的に有効な電流計測ステージ２１０は、ピンの飽和状態で起こり、曲線の傾斜は非常に小さくなる。このステージは、電流範囲をほぼ６００％、即ち電流計測範囲の能動線形部分の６倍に延長する。過負荷電流の大きさは、ホール効果電源により制限される。最終ステージ２１２では、ホール素子の電流信号はパワーレベルに達して、それ以上電流を計測することはできない。
【００４８】
本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、説明した以外の、同義語、変更及び修正は、本発明の請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るモータスタータの斜視図である。
【図２】図２は、図１の一部の斜視図である。
【図３】図３は、図１の３‐３線に沿った断面図である。
【図４】図４は、図３の４‐４線に沿った拡大断面図である。
【図５】図５は、図４の一部拡大断面図である。
【図６】図６は、図２の分解斜視図である。
【図７】図７は、図６の一部拡大平面図である。
【図８】図８は、図３の８‐８線に沿った部分の上面図である。
【図９】図９は、図８の分解斜視図である。
【図１０】図１０は、図８の１０‐１０線に沿った断面図である。
【図１１】図１１は、図１０の１１‐１１線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は、図１の一部の斜視図である。
【図１３】図１３は、図１２の１３−１３線に沿った部分の詳細図である。
【図１４】図１４は、本発明に係るモータスタータの他の実施の形態を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、図１４のモータスタータに使用するバスの斜視図である。
【図１６】図１６は、ホール効果出力とホール効果電流定格％のグラフである。
【符号の説明】
１０ 半導体式モータスタータ
１２ カバーアセンブリ
３２ 第一導電性バス
３６ 入力端
４２ 第二導電性バス
４４ 出力端
４６、４８ 半導体パワースイッチ素子
５０ 電磁リレー
５６、５８ 電磁リレーの固定コンタクト
６２ マウントボルト
６４ 放熱器
６６ 冷却ファン
７９ 皿バネワッシャ
１５０、１５４ インシュレータ
８３ 締結ナット
８８、１０２ マウント孔
１０４、１０５ スロット
１１６ 電流感知領域
１１８、１２０ 外側縁
１２４ 磁気ピン
１２６ 電流センサ及びサーミスタアセンブリ
１３０ ホール効果センサ
１３２ 回路基板
１３４、１６６ サーミスタ
１４０ 位置決めブロック
１４２ ピン孔
１４４ ホール効果センサスロット
１４６ 楕円錐台状サーミスタトンネル
１４８ 熱伝導性ペースト
１５２ 非磁気ネジ
１５６、１５８、１６０ 窪み
１６２ 空気流方向を示す矢印

Claims (27)

1. 電源からの外部導電体を接続する入力端部（３６）を備えた第一導電性バス（３２）と；
   モータに接続可能な外部導電体を接続する出力端部（４４）を備えた第二導電性バス（４２）と；
   第一導電性バス（３２）と第二導電性バス（４２）との間に挾持された一対の半導体パワースイッチ素子（４６，４８）と；
   バイパス電流路を形成する入力端（５８）と出力端（５６）を有する電磁リレー（５０）であって、前記入力端（５８）は前記第一導電性バス（３２）を介して前記入力端部（３６）に接続可能であり、また、前記出力端（５６）は半導体式モータスタータ（１０）の前記出力端部（４４）に接続可能であり、前記バイパス電流路が前記第一導電性バス（３２）と線形関係になるように前記電磁リレー（５０）を装着することにより、電磁リレー（５０）を介して電源からモータへの電力が切り換えられたときに半導体式モータスタータ（１０）を介して直線状電流路が形成される、ことを特徴とする半導体式モータスタータ。
2. さらに、第一導電性バス（３２）及び第二導電性バス（４２）を貫通して延在するマウントボルト（６２）を有し、皿バネワッシャ（７９）とナット（８３）を介して、第一導電性バス（３２）と第二導電性バス（４２）との間に半導体パワースイッチ素子（４６、４８）を挟持することを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
3. さらに、マウントボルト（６２）、皿バネワッシャ（７９）及びナット（８３）によって第一導電性バス（３２）上に装着される放熱器（６４）を有しており、第一導電性バス（３２）及び第二導電性バス（４２）と放熱器（６４）との間の膨張及び収縮誤差を皿バネワッシャ（７９）により吸収することを特徴とする請求項２に記載の半導体式モータスタータ。
4. 電磁リレー（５０）は、該電磁リレー（５０）が切り換えられた時に直線状電流路を形成するように、半導体式モータスタータ（１０）に逆向きに装着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
5. 電磁リレー（５０）の一端（５８）は、第一導電性バス（３２）に直接装着されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体式モータスタータ。
6. さらに、半導体パワースイッチ素子（４６、４８）を挟持する第一導電性バス（３２）及び第二導電性バス（４２）と、電磁リレー（５０）の一端（５８）を貫通して延在するマウントボルト（６２）を有しており、該マウントボルト（６２）には、半導体パワースイッチ素子（４６、４８）が挟持されている間に膨張及び収縮できるように皿バネワッシャ（７９）が装着されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体式モータスタータ。
7. さらに、第一導電性バス（３２）と電磁リレー（５０）との間に冷却ファン（６６）を挿入できるように、放熱器（６４）を、電磁リレー（５０）から離して第一導電性バス（３２）上に装着することを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
8. さらに、第一導電性バス（３２）の電流感知領域（１１６）内の磁束を収束させる第一導電性バス（３２）から垂直に延びる一対の磁気ピン（１２４）と、回路基板（１３２）上に装着されると共に、一対の磁気ピン（１２４）の間に配設された電流感知ホール効果センサ（１３０）を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
9. 第一導電性バス（３２）には、一対のスリット（１０４，１０５）が形成されており、各スリット（１０４，１０５）は、外側縁（１１８，１２０）から各磁気ピン（１２４）まで延びていて、第一導電性バス（３２）を通過する電流を電流感知領域（１１６）内に集中させることを特徴とする請求項８に記載の半導体式モータスタータ。
10. 一対のスロット（１０４、１０５）の各々は、第一導電性バス（３２）の電流感知領域（１１６）から外側縁（１１８、１２０）に向かって後方へ傾斜し、かつ、第一導電性バス（３２）の構造的弱点を最小とするようにマウント孔（８８）とマウント孔（１０２）との間に延びていることを特徴とする請求項９に記載の半導体式モータスタータ。
11. 電流感知領域（１１６）は、隣接する導電性バスからの磁束の影響が最小になるように、第一導電性バス（３２）の外側縁（１１８、１２０）から中央に位置するように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体式モータスタータ。
12. 磁気ピン（１２４）はスチール製であり、第一導電性バス（３２）から所定高さ突出させて、電流感知ホール効果センサ（１３０）が最大磁束経路と交差するようにしていることを特徴とする請求項８に記載の半導体式モータスタータ。
13. 回路基板（１３２）は、第一導電性バス（３２）に非磁性ネジ（１５２）によりインシュレータ（１５０）内で位置決めブロック（１４０）を介して装着されており、磁気ピン（１２４）を使用して、電流感知領域（１１６）内で最大磁束経路内に電流感知ホール効果センサ（１３０）を正確に位置決めしていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体式モータスタータ。
14. さらに、第一導電性バス（３２）の温度をモニターするためのサーミスタ（１３４）を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
15. 電磁リレー（５０）は、第一導電性バス（３２）の後方に逆向きに、その内部コンタクトは第二導電性バス（４２）の近くに、また、その内部磁石は第２導電性バス（４２）から最も離れるように装着されており、さらに、
    放熱器（６４）は、電磁リレー（５０）と間隔をおいて第一導電性バス（３２）に装着されており、
    冷却ファン（６６）は、放熱器（６４）に強制的に送風するように、放熱器（６４）と電磁リレー（５０）との間に装着されており、
    カバーアセンブリ（１２）は、半導体式モータスタータ（１０）を覆い、冷却ファン（６６）及び放熱器（６４）に適合した放熱器トンネル（１５６）を形成するように成形されており、
    サーミスタ（１６６）は、放熱器（６４）を通過する空気流（１６２）の温度を感知するようにカバーアセンブリ（１２）に装着されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体式モータスタータ。
16. 二つの独立した電流路を備えた小型の半導体式モータスタータ（１０）であって、
    第一電流路は、第一導電性バス（３２）と接続可能な電源入力端部（３６）と、
    第二導電性バス（４２）と接続される一対の半導体パワースイッチ（４６、４８）と接続された第一導電性バス（３２）から構成されており、一対の半導体パワースイッチ（４６、４８）の内のいずれかがオン状態に切り換えられた場合、モータの始動時には立ち上げ電流を、モータの停止時には立ち下げ電流を、第二導電性バス（４２）とモータに接続可能な出力端部（４４）に供給し、また、
    第二電流路は、モータ運転モードで作動可能であり、第一導電性バス（３２）を介して電磁リレー（５０）の入力端（５８）に接続可能な電源入力端部（３６）と、通電モードと非通電モードとに切り換え可能な逆配置した電磁リレー（５０）とから構成されており、電磁リレー（５０）が通電モードにある場合、半導体式モータスタータ（１０）はモータ運転モードにあり、さらに、第二電流路は、電磁リレー（５０）の出力端（５６）と第一導電性バス（３２）との間に実質的に直線状の電流路を形成して、パワーロスを低減させ、かつ、モータ運転モード時の発熱を最小限にするように構成されていることを特徴とする半導体式モータスタータ。
17. さらに、放熱器（６４）は、膨張及び収縮を吸収するように皿バネワッシャ（７９）により第一導電性バス（３２）に装着されており、また、冷却ファン（６６）は、放熱器（６４）と逆配置した電磁リレー（５０）との間に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体式モータスタータ。
18. さらに、半導体パワースイッチ（４６、４８）を挟持する第一導電性バス（３２）及び第二導電性バス（４２）並びに電磁リレー（５０）の一方のコンタクト（５８）を貫通して延在するマウントボルト（６２）を有し、また、該マウントボルト（６２）の少なくとも一端に、半導体パワースイッチ（４６、４８）が挟持されている間に膨張及び収縮できるように皿バネワッシャ（７９）を備えていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体式モータスタータ。
19. さらに、第一導電性バス（３２）の電流感知領域（１１６）内の磁束を収束させるように、一対の磁気ピン（１２４）が第一導電性バス（３２）から垂直に延びており、また、電流を感知するホール効果センサ（１３０）が、一対の磁気ピン（１２４）の間に位置するように回路基板（１３２）上に装着されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体式モータスタータ。
20. 第一導電性バス（３２）は、一対のスロット（１０４，１０５）を有し、各スロット（１０４，１０５）は、外側端（１１８，１２０）から第一導電性バス（３２）を通過する電流を電流感知領域（１１６）内に集中させるように各磁気ピン（１２４）まで延びており、また、一対のスロット（１０４、１０５）は、第一導電性バス（３２）の電流感知領域（１１６）から外側縁（１１８、１２０）に向かって後方へ傾斜して形成され、かつ、第一導電性バス（３２）の構造的弱点を最小とするようにマウント孔（８８）とマウント孔（１０２）との間に延びていることを特徴とする請求項１９に記載の半導体式モータスタータ。
21. 磁気ピン（１２４）はスチール製であり、第一導電性バス（３２）から所定高さ突出させて、電流を感知するホール効果センサ（１３０）が最大磁束経路と交差するようにしており、また、回路基板（１３２）は、第一導電性バス（３２）に非磁性ネジ（１５２）によりインシュレータ（１５０）内で位置決めブロック（１４０）を介して装着されており、磁気ピン（１２４）を使用して、電流感知領域（１１６）内で最大磁束経路内に電流を感知するホール効果センサ（１３０）を正確に位置決めしていることを特徴とする請求項１９に記載の半導体式モータスタータ。
22. さらに、第一導電性バス（３２）の温度をモニターするためのサーミスタ（１３４）を有することを特徴とする請求項２１に記載の半導体式モータスタータ。
23. 電磁リレー（５０）は、第一導電性バス（３２）の後方に逆向きに、その内部コンタクトは第二導電性バス（４２）の近くに、また、その内部磁石は第二導電性バス（４２）から最も離れるように装着されており、さらに、
    放熱器（６４）は、電磁リレー（５０）と間隔をおいて第一導電性バス（３２）に装着されており、
    冷却ファン（６６）は、放熱器（６４）に強制的に送風するように、放熱器（６４）と電磁リレー（５０）との間に装着されており、
    カバーアセンブリ（１２）は、半導体式モータスタータ（１０）を覆い、冷却ファン（６６）及び放熱器（６４）に適合した放熱器トンネル（１５６）を形成するように成形されており、
    サーミスタ（１６６）は、放熱器（６４）を通過する空気流（１６２）の温度を感知するようにカバーアセンブリ（１２）に装着されている、ことを特徴とする請求項１６に記載の半導体式モータスタータ。
24. 一対のバス（３２、４２）の間に挾持された一対の半導体パワースイッチ素子（４６、４８）と、半導体パワースイッチ素子（４６、４８）と並列にバス（３２、４２）に接続された電磁リレー（５０）であって、半導体パワースイッチ素子（４６、４８）が電源入力端部（３６）とバス（３２、４２）との間に回路を形成した後のモータ運転モードで、バス（３２）を介して電源入力端部（３６）と負荷出力端部（４４）との間に電流路を形成する電磁リレー（５０）と、少なくとも一つの放熱器（６４）及び該放熱器（６４）を通過する空気流（１６２）を形成する冷却ファン（６６）と、さらに、カバーアセンブリ（１２）を備えている半導体式モータスタータ（１０）であって、
    第一サーミスタ（１６６）は、カバーアセンブリ（１２）内に装着され、放熱器（６４）を通過する空気流の温度をモニターしており、また、
    第二サーミスタ（１３４）は、バス（３２、４２）の内の一つに装着され、モータ運転モード中のバス（３２、４２）の温度をモニターしている、ことを特徴とする半導体式モータスタータ。
25. さらに、電流センサ（１３０）が、第二サーミスタ（１３４）と共に回路基板（１３２）に装着されており、バス（３２、４２）を流れる電流を感知することを特徴とする請求項２４に記載の半導体式モータスタータ。
26. 電流センサ（１３０）はホール効果素子であり、バス（３２、４２）には、バス内の電流を適切に感知するように、ホール効果素子用の領域（１１６）が形成されていることを特徴とする請求項２４に記載の半導体式モータスタータ。
27. 第二サーミスタ（１３４）は、バス（３２、４２）の温度をモニターする信号を供給して、電流センサ（１３０）を温度補正することを特徴とする請求項２５に記載の半導体式モータスタータ。

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