JP5148978B2

JP5148978B2 - コンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置

Info

Publication number: JP5148978B2
Application number: JP2007320540A
Authority: JP
Inventors: 治阿部
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: JP2009148021A

Description

本発明は、コンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置に関する。

従来、この種のコンデンサ電動機の起動トルク調整構造としては、たとえば実開昭４９−１２４１５号明細書（特許文献１）が知られている。
この先行技術によると、図６に示すように、電動機１００の主巻線１０１と補助巻線１０２を共通端子１０３で接続するとともに、これら主巻線１０１と補助巻線１０２の他方端子１０４，１０５間に運転用コンデンサ１０６が接続されている。この運転用コンデンサ１０６には、互いに直列接続された常時開放型の始動トルク増大用開閉器１０７と始動用コンデンサ１０８が並列接続されている。電動機１００には開閉器１０９を介して単相交流電源１１０が接続されている。

このように先行技術では、運転用コンデンサ１０６と並列に始動用コンデンサ１０８が接続されており、運転用コンデンサ１０６だけではコンデンサ容量が不足して電動機１００が始動しない時に、始動トルク増大用の開閉器１０７を手で押せば、電動機１００の始動トルクを一時的に数倍に増加させることができ、電動機本来の始動トルクだけでは始動できなかった電動機１００を容易に始動させることができるというものである。
実開昭４９−１２４１５号明細書

しかしながら、先行技術にあっては、起動トルクを一時的に増加させるためには、電動機が起動不能な状態になったことを作業者による目視、または検出装置を用いるなどして検知し、さらに開閉器１０７を人手または装置を用いて操作しなければならない。
したがってこのままではロボット等の自動機械に用いることができないという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点（欠点）に着目してなされたもので、電動機が起動不能な状態（拘束状態）にあることを、（運転用）進相コンデンサの電圧を検出することによって検知し、拘束状態にあるときには、一定時間、補助コンデンサを接続してコンデンサ容量を増やして起動トルクを増加させることにより、上記の問題点を解決することができるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、起動トルクを増加させることにより、従来は実質的に使用が不可能だった起動トルク以上のトルク領域での使用を可能にし、電動機が本来持っている性能を十分発揮させることができるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置を提供することを、本発明の他の目的とする。
さらに、本発明は、起動トルクを増加させても拘束状態から復帰できないときには、異常信号を外部へ出力することによって、電動機や電動機を用いた装置を保護することができるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置を提供することを本発明のまた他の目的とする。
またさらに、本発明は、電動機が無負荷状態または軽負荷状態にあるときは、一定時間補助コンデンサを電動機から切断してコンデンサ容量を減らしてトルクを減少させることにより、軽負荷時の電動機損失を減少させることができるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置を提供することを、本発明の他の目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、電動機巻線に接続された運転用コンデンサに補助コンデンサを並列接続し、該補助コンデンサに接続された常時開放型スイッチを閉状態にして該補助コンデンサを作動し、前記コンデンサ容量を増加させてトルクを調整するコンデンサ電動機のトルク調整方法において、ツェナーダイオード、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続するとともに、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサに並列接続し、かつ、前記２つのフォトカプラからの出力信号を論理処理器で処理することによって、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を閾値として、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出回路によって検出し、該検出値が所定値以下のときには電動機が拘束状態にあると判定し、前記常時開放型スイッチを閉状態にして前記補助コンデンサを閉状態にして、一時的にコンデンサ容量を増加させて、所定時間、起動トルクを増加させることにある。
また、本発明は、本発明は、前記論理処理器の出力信号をタイマー回路で計測し、該タイマー回路によって一定の時間だけ前記常時開放型スイッチを閉状態にすることにある。
さらに、本発明は、前記運転用コンデンサと並列に接続された第２の補助コンデンサを備え、該補助コンデンサは常時閉鎖型スイッチによって開状態または閉状態を選択でき、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出し、該検出値が所定値以上のときには電動機が軽負荷状態にあると判定し、前記常時閉鎖型スイッチを開状態にして補助コンデンサを開状態にして、一時的にコンデンサ容量を減少させて、所定時間トルクを減少させることにある。
また、本発明は、主巻線および補助巻線からなる電動機巻線に運転用コンデンサを接続し、この運転用コンデンサに、互いに直列接続された補助コンデンサおよび常時開放型スイッチを並列接続し、コンデンサ容量が不足して起動不能状態にあるときに該常時開放型スイッチを閉状態にして該補助コンデンサを作動し、前記コンデンサ容量を増加させてトルクを調整するコンデンサ電動機のトルク調整装置において、ツェナーダイオード、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続するとともに、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続し、かつ、前記２つのフォトカプラからの出力信号を論理処理する論理処理器を設け、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を閾値として、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出する検出回路を設け、該検出回路の検出値が所定値以下のときには電動機が拘束状態にあると判定し、前記常時開放型スイッチを閉状態にして前記補助コンデンサを閉状態にして、一時的にコンデンサ容量を増加させて、所定時間トルクを増加させる制御回路を設けたことにある。
さらに、本発明は、前記運転用コンデンサと並列に接続された第２の補助コンデンサを備え、該補助コンデンサは前記常時閉鎖型スイッチによって開状態または閉状態を選択でき、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出し、該検出値が所定値以上のときには電動機が軽負荷状態にあると判定し、前記常時閉鎖型スイッチを開状態にして補助コンデンサを開状態にして、一時的にコンデンサ容量を減少させて、所定時間トルクを減少させることにある。

本発明の効果としては、起動トルクを上げることにより、今までは実質使用不可能であった起動トルク以上の領域での使用が可能となり、モータの持つパフォーマンスを十分に発揮できるようになる。
また、起動トルクを上げても拘束状態から復帰できない状態を検出でき、異常状態として外部へ信号出力することができるため、装置の異常またはモータの異常を、モータ内蔵サーマルが働く前またはモータ破損にいたる前に検出でき、早急な対応ができる。
同様な方法にて、起動トルクＵＰだけではなく、軽負荷時の損失低減を目的とした進相コンデンサ調整や、過負荷時のトルクアップが可能となる。

以下図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明のコンデンサ電動機のトルク調整装置を示した概念図、図２は、本発明のコンデンサ電動機のトルク調整装置の実施の形態を示す回路図である。

図１において、１はコンセント２を介して単相電源に接続されたコンデンサラン型誘導電動機で、このコンデンサラン型誘導電動機１の図示しない巻線には、運転用進相コンデンサ３が並列接続されている。４は、運転用進相コンデンサ３に並列接続された負荷検出および制御回路である。

負荷検出および制御回路４は、図２に示すように、運転用進相コンデンサ３に並列接続された起動トルクＵＰ用コンデンサ（第１の補助コンデンサ）Ｃ_１と常時開放型スイッチＲｙａの直列回路に並列接続されている。常時開放型スイッチＲｙａは、直流電源Ｅによって作動する外部リレーＲｙの作動により励磁されて閉成するものである。

前記負荷検出および制御回路４は、図２に示すように、進相コンデンサ３に、抵抗５、ツェナーダイオード６および発光ダイオード（ＬＥＤ）７の直列回路８を複数（図示例では４）並列接続したもので、この直列回路８に、抵抗５および発光ダイオード７の直列回路９が並列接続されて構成されている。抵抗５、ツェナーダイオード６、および発光ダイオード７の直列回路８_１〜８_４は、発光ダイオード７のアノードに抵抗５の一方を接続し、発光ダイオード７のカソードにツェナーダイオード６のカソードが接続されている。図２の回路ではそれぞれ２個のツェナーダイオード６が直列接続され、一端のツェナーダイオード６のアノードが互いに共通接続されて進相コンデンサ３の一方に接続されている。各抵抗５の他方は共通接続されて進相コンデンサ３の他方に接続されている。各直列回路８_１〜８_４は、各ツェナーダイオード６_１〜６_４の導通するツェナー電圧が異なるように設定されているので、どのツェナーダイオード６_１〜６_４が導通するかによって、発光ダイオード７_１〜７_４を点燈させて、電圧値を読み取ることができる。直列回路８_５は、抵抗５および発光ダイオード７_５のみを直列接続したもので、発光ダイオード７_５の点燈によって拘束状態であることを表す。

前記負荷検出および制御回路４は、前記直列回路８_１〜８_４のひとつにフォトカプラ１０を接続し、直列回路９の抵抗５と発光ダイオード７_５との間にフォトカプラ１１を接続したものである。
フォトカプラ１０、１１は、発光素子に、発光ダイオード、受光素子に、フォトトランジスタを用いたものである。フォトカプラ１０、１１の各フォトトランジスタ部のコレクタ側は、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２を介して電源に接続されている。
１２は、フォトカプラ１０、１１からの信号が入力される排他的論理和回路（ＥＯＲ）である。１３は排他的論理和回路（ＥＯＲ）１２の出力がベースに入力される出力用トランジスタであり、このトランジスタ１３はコレクタ側にアラーム（ＡＬＡＲＭ）が接続され、エミッタ側が接地（ＧＮＤ）されている。ＶｃｃはＥＯＲ１２のゲートに電流を流すゲート駆動用の電源端子である。
１９は、排他的論理和回路（ＥＯＲ）１２と出力用トランジスタ１３のベースとの間に挿入されたタイマー回路であり、ＥＯＲ１２の信号に基づき、一定時間、出力用トランジスタ１３のベースに電流を流すものである。出力用トランジスタ１３のコレクタとエミッタ間には前記直流電源Ｅが接続されている。

次に上記コンデンサ電動機のトルク調整装置の動作を説明する。
コンデンサ電動機はモータの負荷状況により、進相コンデンサ３の両端電圧が変化するため、その電圧値を読み取り、モータの負荷状況を推測する。
図２に示す検出部では、進相コンデンサ３の両端電圧の検出の具体的な方法として、ツェナーダイオード６_１〜６_４による電圧検出を用い、本実施の形態においては、５段階でモータの負荷状況を表示する例を示している。

モータの拘束状態を検出する方法の１例として、図２に示すようにコンデンサ電圧の２状態のＥＯＲを取ることにより検出する方法を示している。
ツェナーダイオード６_４、フォトカプラ１０、抵抗５の直列回路８_４と、フォトカプラ１１、抵抗５の直列回路９を、運転用進相コンデンサ３の両端に各々接続する。
電動機の電源がＯＮされると進相コンデンサ３に電圧が発生し、フォトカプラ１１がＯＮする。通常の負荷で電動機が駆動されると進相コンデンサ３にはツェナーダイオード６_４のツェナー電圧より大きな電圧がかかるためフォトカプラ１０もＯＮする。

ここで、モータの負荷が大きくなり拘束状態になったとする。
すると進相コンデンサ３の電圧がツェナーダイオード６_４のツェナー電圧を下回り、フォトカプラ１０はＯＦＦされる。この検出回路により拘束状態を検出した時、タイマー回路１９とそれに接続されたトランジスタ１３により一定時間、外部リレーＲｙにより、常時開放型スイッチＲｙａが閉路し、補助コンデンサＣ_１がＯＮする。
これにより起動時のトルクＵＰが実現される。仮にモータが本当に拘束状態に有る場合でも、起動トルクを上げている期間は一定期間であるためモータへ過剰な電流供給は行われることはない。また、一定時間トルクを上げたにも関わらず、起動しない（＝拘束状態のまま）ということを検出し、異常状態として外部にアラームとして出力させることも可能となる。

具体的なモータ特性図で説明すると、図３（ａ）は従来のモータの回転速度−トルク特性における起動トルクと定格トルクの関係を示す特性図で、この図からもわかるように、通常、モータの定格トルクに比べ起動トルクが低い値となっているため、通常の使用では起動トルク以下の範囲が実際の使用可能範囲となる。これに対し、起動トルクＵＰ後の使用可能範囲を示した図３（ｂ）で示すように起動トルクを一時的に上げ、モータを回転させることにより、使用可能範囲が図で示すように起動トルクがＵＰされたところまで引き上げられ、定格トルク付近での使用が可能となる。

図４は、図２と同一部分は同符号を付して示す、本発明の他の実施の形態で、この場合、負荷検出および制御回路４´は、コンデンサの切替えを拘束状態のみならず、無負荷状態（＝軽負荷状態）においても切替えられるようにしたものである。
この場合、運転用進相コンデンサ３に並列接続された起動トルクＵＰ用コンデンサ（第１の補助コンデンサ）Ｃ_１と常時開放型スイッチＲｙ１ａの直列回路に、軽負荷時のトルク調整用進相コンデンサ（第２の補助コンデンサ）Ｃ_２と常時閉鎖型スイッチＲｙ２ａの直列回路が並列接続されている。常時開放型スイッチＲｙ１ａは、直流電源Ｅ_１によって作動する外部リレーＲｙ１の作動により励磁されて閉成するものである。
常時閉鎖型スイッチＲｙ２ａは、直流電源Ｅ_１とは別の直流電源Ｅ_２によって作動する外部リレーＲｙ２の作動により励磁されて開放するものである。

１０_２は、直列回路８_１のツェナーダイオード６_１と発光ダイオード７_１の間に挿入されたフォトカプラ１０_２であり、このフォトカプラ１０_２は、直列回路８_４のツェナーダイオード６_４と発光ダイオード７_４の間に挿入されたフォトカプラ１０_１と同様に、トランジスタ部のコレクタ側を抵抗５を介して電源に接続され、エミッタ側を接地されている。
また、フォトカプラ１０_２は、トランジスタ部のコレクタ側にタイマー回路１７_２が接続され、トランジスタ１３_２のベースに信号を出力するものである。このトランジスタ１３_２は、コレクタ側を前記外部リレーＲｙ２を介して電源Ｅ_２の正側に接続され、エミッタ側を電源Ｅ_２の負側に接続されている。

こうして、上記実施の形態では、フォトカプラ１０_２の作動により、タイマー回路１７_２により、一定時間、トランジスタ１３_２を作動し、リレーＲｙ２を励磁する。こうして、常時閉鎖型スイッチＲｙ２ａを開放して、無負荷時のコンデンサ容量を減らして、無負荷時のモータ損失を低減させることができる。
起動トルクＵＰについては、図２の実施の形態と同じであり、同様な回路を軽負荷検出部に追加し、進相コンデンサをＯＮ／ＯＦＦ調整する。

コンデンサ容量を切替えるにあたっては、拘束時と同様に一定時間保持させるためのタイマーをタイマー回路１７_２に持たせ、切替えの電圧閾値に対してはヒステリシスを持たせることにより切替えのハンチングを防止する。
また、図５に示すように軽負荷領域で進相コンデンサ容量を調整するのと同様に過負荷領域で進相コンデンサ３を調整する機能をつけることにより、一時的な過負荷状態、例えば紙送り機構での紙詰まりなど、において、一時的に進相コンデンサ容量を増大させ、トルクを上げることにより、過負荷状態を回避する（例として、紙詰まりが解消する）手段となる。
この一時的にトルクを上げることも過負荷状態が回避できないことを想定し、タイマーを設け、一定時間のみトルクを上げるように調整する。

上記実施の形態によれば、起動トルクを上げることにより、今までは実質使用不可能であった起動トルク以上の領域での使用が可能となり、モータの持つパフォーマンスを十分に発揮できるようになる。
また、起動トルクを上げても拘束状態から復帰できない状態を検出でき、異常状態として外部へ信号出力することができるため、装置の異常またはモータの異常を、モータ内蔵サーマルが働く前またはモータ破損にいたる前に検出でき、早急な対応ができる。
同様な方法にて、起動トルク向上だけではなく、軽負荷時の損失低減を目的とした進相コンデンサ調整や、過負荷時のトルクアップが可能となる。

なお、本発明は、上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、上記実施の形態では、コンデンサラン型誘導電動機について、説明したが、コンデンサ電動機であれば、他の電動機にも適用しうることは言うまでもない。また、起動トルクＵＰ用コンデンサ（第１の補助コンデンサ）Ｃ_１あるいは、軽負荷時のトルク調整用進相コンデンサ（第２の補助コンデンサ）Ｃ_２は、１つに限らず複数用いることができる。常時開放型スイッチＲｙａあるいはＲｙ１ａ、および常時閉鎖型スイッチＲｙ２ａは、起動トルクＵＰ用コンデンサあるいはトルク調整用進相コンデンサの回路を開閉できるものであれば、リレーの接点に限らず、他の接点を用いることもできる。またさらに、発光ダイオード７_１〜７_５としては、５個の場合について説明したが、５個よりも少なくても良く、あるいは多くても良いことは言うまでもない。さらに、ツェナーダイオード６_１〜６_４としては２個直列接続にしたものを４個用いて説明したが、ツェナーダイオードは、１個あるいは２個以上を直列接続しても良く、あるいは、ツェナーダイオード６_１〜６_４の直列回路も４個以上でも４個以下でも良いことは言うまでもない。その他、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施することができる。

本発明の実施の形態によるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置の構成を示す概念図である。本発明の実施の形態によるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置の構成を示す回路図である。起動トルクと定格トルクとの関係を示す特性図で、（ａ）は従来のコンデンサ電動機の特性図、（ｂ）は本発明のコンデンサ電動機のトルク調整方法による特性図である。本発明の他の実施の形態によるコンデンサ電動機のトルク調整方法およびトルク調整装置の構成を示す回路図である。図４に示すコンデンサ電動機のトルク調整方法における起動トルクと定格トルクとの関係を示す特性図である。従来のコンデンサ電動機の起動トルク調整構造を示す回路図である。

符号の説明

１コンデンサラン型誘導電動機
２単相電源
３進相コンデンサ
４，４´ 負荷検出および制御回路
５抵抗
６，６_１〜６_４ツェナーダイオード
７，７_１〜７_４，７_５発光ダイオード（ＬＥＤ）
８，８_１〜８_４，９直列回路
１０，１０_１，１０_２，１１フォトカプラ
１２排他的論理和回路（ＥＯＲ）
１３，１３_１，１３_２出力用トランジスタ
１７_１，１７_２タイマー回路
Ｃ_１起動トルクＵＰ用コンデンサ（第１の補助コンデンサ）
Ｃ_２軽負荷時のトルク調整用進相コンデンサ（第２の補助コンデンサ）
Ｒｙ，Ｒｙ１，Ｒｙ２リレー
Ｒｙａ，Ｒｙ１ａ常時開放型スイッチ
Ｒｙ２ａ常時閉鎖型スイッチ
Ｅ，Ｅ_１，Ｅ_２直流電源

Claims

電動機巻線に接続された運転用コンデンサに補助コンデンサを並列接続し、該補助コンデンサに接続された常時開放型スイッチを閉状態にして該補助コンデンサを作動し、前記コンデンサ容量を増加させてトルクを調整するコンデンサ電動機のトルク調整方法において、
ツェナーダイオード、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続するとともに、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサに並列接続し、かつ、前記２つのフォトカプラからの出力信号を論理処理器で処理することによって、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を閾値として、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出回路によって検出し、該検出値が所定値以下のときには電動機が拘束状態にあると判定し、前記常時開放型スイッチを閉状態にして前記補助コンデンサを閉状態にして、一時的にコンデンサ容量を増加させて、所定時間、起動トルクを増加させることを特徴とするコンデンサ電動機のトルク調整方法。
前記論理処理器の出力信号をタイマー回路で計測し、該タイマー回路によって一定の時間だけ前記常時開放型スイッチを閉状態にすることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ電動機のトルク調整方法。
前記運転用コンデンサと並列に接続された第２の補助コンデンサを備え、該補助コンデンサは常時閉鎖型スイッチによって開状態または閉状態を選択でき、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出し、該検出値が所定値以上のときには電動機が軽負荷状態にあると判定し、前記常時閉鎖型スイッチを開状態にして補助コンデンサを開状態にして、一時的にコンデンサ容量を減少させて、所定時間トルクを減少させることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ電動機のトルク調整方法。
主巻線および補助巻線からなる電動機巻線に運転用コンデンサを接続し、この運転用コンデンサに、互いに直列接続された補助コンデンサおよび常時開放型スイッチを並列接続し、コンデンサ容量が不足して起動不能状態にあるときに該常時開放型スイッチを閉状態にして該補助コンデンサを作動し、前記コンデンサ容量を増加させてトルクを調整するコンデンサ電動機のトルク調整装置において、
ツェナーダイオード、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続するとともに、フォトカプラ、抵抗を直列接続した回路を前記運転用コンデンサの両端に接続し、かつ、前記２つのフォトカプラからの出力信号を論理処理する論理処理器を設け、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を閾値として、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出する検出回路を設け、該検出回路の検出値が所定値以下のときには電動機が拘束状態にあると判定し、前記常時開放型スイッチを閉状態にして前記補助コンデンサを閉状態にして、一時的にコンデンサ容量を増加させて、所定時間トルクを増加させる制御回路を設けたことを特徴とするコンデンサ電動機のトルク調整装置。
前記運転用コンデンサと並列に接続された第２の補助コンデンサを備え、該補助コンデンサは前記常時閉鎖型スイッチによって開状態または閉状態を選択でき、前記運転用コンデンサの両端の電圧を検出し、該検出値が所定値以上のときには電動機が軽負荷状態にあると判定し、前記常時閉鎖型スイッチを開状態にして補助コンデンサを開状態にして、一時的にコンデンサ容量を減少させて、所定時間トルクを減少させることを特徴とする請求項４に記載のコンデンサ電動機のトルク調整装置。