JP6994698B2 - 単相誘導電動機 - Google Patents

Description

本発明は、単相誘導電動機に関する。

コンデンサラン単相誘導電動機は、主巻線と並列に補助巻線とコンデンサからなる直列回路が接続された構成を有し、コンデンサを介して補助巻線に電流が常時（即ち始動時及び定常運転時のいずれにおいても）流れるようにその動作が制御される。コンデンサラン単相誘導電動機の性能は、定常運転効率は良いが始動トルクが低いという特徴がある。コンデンサラン単相誘導電動機の始動トルクを大きくする方法として、補助巻線と直列に設けられているコンデンサに容量の大きなものを用いる方法が知られている。

特開平４－３２２１８５号公報

しかしながら、補助巻線と直列に大容量コンデンサが接続された構成では、補助巻線とコンデンサによる直列回路の合成インピーダンスが低下し、補助巻線を流れる電流が増加することにより銅損が増大するため、定常運転効率が悪くなるという欠点がある。またコンデンサのサイズが大きくなりコストも上昇するという問題もある。

一方、特許文献１には、補助巻線と直列に接続されたトライアックを用いて、補助巻線に流れる電流を制御する構成が開示されているが、始動トルクを増大させることが可能な制御方法については開示されていない。

したがって、始動トルクが大きく、且つ、定常運転効率も良好な単相誘導電動機が望まれる。

［形態１］形態１によれば、主巻線と、前記主巻線と並列に接続された補助巻線と、前記補助巻線と直列に接続されたコンデンサと、前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子への制御信号を生成して前記補助巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備える単相誘導電動機であって、前記制御回路は、前記主巻線及び前記補助巻線側の回路に供給される電源電圧の半周期毎に前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させ再び非導通状態に遷移させる始動制御のための制御信号を生成し、前記始動制御において前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させるタイミングは、前記電源電圧のゼロクロス点から次の位相差Δ： ９０°－α＜Δ＜９０° （但し、αは前記電源電圧のピークと前記主巻線に流れる電流のゼロクロス点との位相差）だけ位相が遅れたタイミングに設定される、単相誘導電動機が提供される。形態１の単相誘導電動機によれば、Δ＝９０°－αの場合には、補助巻線電流のピークのタイミングが主巻線電流のゼロクロス点のタイミングと一致するため、後述する始動トルクの式（２）の右辺のｓｉｎの項が最大となり、一方、Δ＝９０°の場合には、補助巻線電流のピークのタイミングが電源電圧のピークのタイミングと一致するため、後述する始動トルクの式（２）の右辺の｜Ｉａ｜の項が最大となる。したがって、９０°－α＜Δ＜９０°の範囲において大きな始動トルクを得ることができる。

［形態２］形態２によれば、主巻線と、前記主巻線と並列に接続された補助巻線と、前記補助巻線と直列に接続されたコンデンサと、前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子への制御信号を生成して前記補助巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備える単相誘導電動機であって、前記制御回路は、前記主巻線及び前記補助巻線側の回路に供給される電源電圧の半周期毎に前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させ再び非導通状態に遷移させる始動制御のための制御信号を生成し、前記始動制御において前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させるタイミングは、前記電源電圧のゼロクロス点から次の位相差Δ： ９０°－α－β＜Δ＜９０°－β （但し、αは前記電源電圧のピークと前記主巻線に流れる電流のゼロクロス点との位相差、βは前記補助巻線に流れる電流の持続時間の半分の時間に相当する位相）だけ位相が遅れたタイミングに設定される、単相誘導電動機が提供される。形態２の単相誘導電動機によれば、Δ＝９０°－α－βの場合には、補助巻線電流のピークのタイミングが主巻線電流のゼロクロス点のタイミングと一致するため、後述する始動トルクの式（２）の右辺のｓｉｎの項が最大となり、一方、Δ＝９０°－βの場合には、補助巻線電流のピークのタイミングが電源電圧のピークのタイミングと一致するため、後述する始動トルクの式（２）の右辺の｜Ｉａ｜の項が最大となる。したがって、９０°－α－β＜Δ＜９０°－βの範囲において大きな始動トルクを得ることができる。

［形態３］形態３によれば、形態１又は形態２の単相誘導電動機において、前記始動制御において前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させるタイミングは、前記補助巻線を流れる電流のピークが前記主巻線を流れる電流のゼロクロス点と前記電源電圧のピークとの間に位置するようなタイミングに設定される。形態３の単相誘導電動機によれば、補助巻線電流のピークのタイミングが主巻線電流のゼロクロス点のタイミングと一致する場合、後述する始動トルクの式（２）の右辺のｓｉｎの項が最大となり、一方、補助巻線電流のピークのタイミングが電源電圧のピークのタイミングと一致する場合、後述する始動トルクの式（２）の右辺の｜Ｉａ｜の項が最大となる。したがって、大きな始動トルクを得ることができる。

［形態４］形態４によれば、形態１から形態３のいずれか１つの形態の単相誘導電動機において、前記スイッチング素子はトライアックであり、前記制御信号は前記トライアックのゲートに供給されるゲート信号である。形態４の単相誘導電動機によれば、トライアックのゲートをゲート信号で制御することによって、補助巻線電流の位相を調整することができる。

［形態５］形態５によれば、形態１から形態４のいずれか１つの形態の単相誘導電動機において、前記制御回路は、前記単相誘導電動機に電源が投入されてから前記単相誘導電動機が所定の回転速度に到達するまでの期間に前記始動制御を行い、前記単相誘導電動機が前記所定の回転速度に到達した後は定常運転制御を行う。形態５の単相誘導電動機によれば、単相誘導電動機をその回転速度に従って始動制御から定常運転制御へ切り換えることができる。

［形態６］形態６によれば、形態５の単相誘導電動機において、前記制御回路は、前記補助巻線の非導通状態における端子電圧に基づいて前記所定の回転速度を検出する。形態６の単相誘導電動機によれば、検出された回転速度を用いて、単相誘導電動機を適切なタイミングで定常運転制御へ移行することができる。

一実施形態による単相誘導電動機の構成を示す図である。 制御回路によって実施される始動制御を説明するためのタイミングチャートである。

以下に、本発明に係る単相誘導電動機の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、一実施形態による単相誘導電動機１０の構成を示す図である。単相誘導電動機１０は、主巻線１、補助巻線２、コンデンサ３、トライアック（スイッチング素子）４、回転子５、固定子（不図示）、及び制御回路６を備える。単相誘導電動機１０は、単相商用電源２０に接続される。

図１に示されるように、主巻線１の一方の端子は、単相商用電源２０の一方の電源端子に接続され、主巻線１の他方の端子は、単相商用電源２０の他方の電源端子に接続される。また、主巻線１の一方の端子は更に、トライアック４の一方の端子にも接続される。トライアック４の他方の端子は、コンデンサ３の一方の端子に接続され、コンデンサ３の他方の端子は、補助巻線２の一方の端子に接続され、補助巻線２の他方の端子は、主巻線１の他方の端子及び単相商用電源２０の他方の電源端子に接続される。このように、補助巻線２、コンデンサ３、及びトライアック４の３つの要素は直列に接続され、これら３つの要素からなる直列回路は主巻線１と並列に接続されている。

主巻線１は、ドーナツ形状を有した鉄心からなる不図示の固定子に巻回され、補助巻線２は、主巻線１に対して所定角度（例えば直角）を有する向きに当該固定子に巻回される。この固定子の内側の円筒状の空洞には、回転軸が当該空洞を貫く向きに回転子５が配置される。コンデンサ３の容量は、単相誘導電動機１０の運転効率が定常運転時に最大となるような値に選択される。

制御回路６は、トライアック４のゲートに制御信号を供給する。制御回路６からの制御信号に応答して、トライアック４がターンオンし、補助巻線２が導通状態となる。これにより、補助巻線２に、コンデンサ３及びトライアック４を介して電流が流れる。制御回路６は、補助巻線２に流れる電流を制御信号によって制御する。制御回路６による電流制御は、単相誘導電動機１０の始動時に回転子５の回転が所定の回転速度に達するまでの始動制御と、単相誘導電動機１０の始動が完了した後、即ち回転子５の回転が所定の回転速度に達した後の定常運転制御とを含む。始動制御において、制御回路６は、単相商用電源２０の出力電圧（以下、電源電圧と称する）を監視し、電源電圧のゼロクロス点（交流の電源電圧の値がゼロになる瞬間）をタイミングの基準として制御信号を生成する。また制御回路６は、補助巻線２の両端電圧を監視し、この電圧に基づいて、始動制御から定常運転制御に移行すべきタイミングを決定する。

図２は、制御回路６によって実施される始動制御を説明するためのタイミングチャートである。図２において、単相商用電源２０から供給される電源電圧Ｖｓは正弦波として示されている。単相誘導電動機１０の主巻線１には、電源電圧Ｖｓに対して位相がずれた電流Ｉｍが流れる。もし主巻線１がインダクタンス成分のみを有し、且つ回転子５から主巻線１への相互誘導が存在しないのであれば、主巻線電流Ｉｍと電源電圧Ｖｓとの位相差は９０°である。しかしながら実際には、主巻線１はインダクタンス成分に加えて抵抗成分も有し、また回転子５からの相互誘導も受ける。したがって、これらの影響により、主巻線電流Ｉｍは、図２に示されるように電源電圧Ｖｓに対して位相が９０°－αだけずれている。ここで、αは、電源電圧Ｖｓのピークと主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点との位相差である。

図２に示されるように、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相がΔだけ遅れたタイミングで信号レベルがローからハイに立ち上がるパルス信号Ｓｐを制御信号としてトライアック４のゲートに入力すると、補助巻線２には、コンデンサ３の容量と補助巻線２のインダクタンスによる共振に起因するインパルス的な電流Ｉａが、制御信号Ｓｐの立ち上がりと同期して（即ち補助巻線電流Ｉａの開始が制御信号Ｓｐの立ち上がりと一致したタイミングで）流れる。補助巻線電流Ｉａの持続時間（補助巻線電流Ｉａが発生してから消失するまでの時間）に相当する位相を２βとおくと、補助巻線電流Ｉａのピークは、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相がΔ＋βだけ遅れた位置にある。

したがって、一例として、制御信号Ｓｐの立ち上がりのタイミングΔを
Δ＝９０°－α－β ……（１）
となるように設定すれば、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングは、主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点のタイミングと一致する。言い換えると、補助巻線電流Ｉａと主巻線電流Ｉｍの位相差は９０°となる。

ここで、主巻線電流Ｉｍの振幅を｜Ｉｍ｜、補助巻線電流Ｉａの振幅を｜Ｉａ｜、主巻線電流Ｉｍと補助巻線電流Ｉａとの位相差をγとすると、単相誘導電動機１０に発生する始動トルクＴｓは、次式のように表されることが知られている。
Ｔｓ∝｜Ｉｍ｜・｜Ｉａ｜・ｓｉｎγ ……（２）

上記の式（１）を満たすように制御信号Ｓｐの位相Δが設定されている場合には、γ＝９０°であるから、式（２）の右辺におけるｓｉｎの項は最大値１をとる。したがって、このような制御信号Ｓｐをトライアック４のゲートに供給することによって、大きな始動トルクを得ることができる。

別の例として、制御信号Ｓｐの立ち上がりのタイミングΔを
Δ＝９０°－β ……（３）
となるように設定することを考える。この場合、上述の説明から、補助巻線電流Ｉａのピークは、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相がちょうど９０°遅れることが理解される。言い換えると、補助巻線電流Ｉａと電源電圧Ｖｓは同相となり、したがって、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングは、電源電圧Ｖｓのピークのタイミングと一致する。ここで、補助巻線２を流れる電流Ｉａの大きさ（振幅）｜Ｉａ｜は、単相商用電源２０から供給される電源電圧Ｖｓの瞬時電圧値が大きいほど大きくなる。よって、式（３）が満たされる場合には、単相商用電源２０からピーク電圧が供給されることにより、補助巻線電流Ｉａの大きさ｜Ｉａ｜は最大化される。上記の式（３）が満たされる場合は、主巻線電流Ｉｍと補助巻線電流Ｉａとの位相差γが９０°からずれるため、式（１）が満たされる場合と比較すると式（２）の右辺のｓｉｎの項は小さくなっているが、補助巻線電流Ｉａの大きさ｜Ｉａ｜が最大化されることによって、大きな始動トルクを得ることができる。

以上説明したとおり、式（１）が満たされる場合には、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングが主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点のタイミングと一致するため、式（２）の右辺の｜Ｉａ｜の項は最大とならないがｓｉｎの項が最大となり、一方、式（３）が満たされる場合には、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングが電源電圧Ｖｓのピークのタイミングと一致するため、式（２）の右辺のｓｉｎの項は最大とならないが｜Ｉａ｜の項が最大となる。このように、式（２）の右辺の｜Ｉａ｜の項とｓｉｎの項はトレードオフの関係にある。よって、制御信号Ｓｐの立ち上がりのタイミングΔを
９０°－α－β＜Δ＜９０°－β ……（４）
の範囲に設定すれば、式（１）又は（３）が満たされる場合における始動トルクよりも更に大きな始動トルクを得ることが可能である。

制御信号Ｓｐの立ち上がりのタイミングΔを式（４）の範囲内で変化させると、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングは、主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点のタイミングと電源電圧Ｖｓのピークのタイミングとの間を移動し、また始動トルクの値は、Δが式（４）の最小値と最大値の間のある特定の値をとったときに極大となる。したがって、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングが主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点のタイミングと電源電圧Ｖｓのピークのタイミングとの中間的な位置にくるように制御信号Ｓｐの立ち上がりのタイミングΔを設定した場合に、始動トルクが最大化される点を見出すことができる。

補助巻線電流Ｉａの持続時間の長さは、コンデンサ３の容量及び補助巻線２のインダクタンス（並びに回路内に存在し得る抵抗成分）に応じて決まる。もし補助巻線電流Ｉａの持続時間が、主巻線電流Ｉｍ（若しくは電源電圧Ｖｓ）の半周期、又は上述の位相差αと比べて十分に小さいのであれば、上記の式（１）、（３）、（４）は、βが無視できる程度の大きさであるものとして、それぞれ以下の式（１）’、（３）’、（４）’のように変更することができる。なお、図２において、補助巻線電流Ｉａの持続時間は説明の理解が容易となるように描かれており、必ずしも実際の長さを正確に表しているわけではないことに留意されたい。
Δ＝９０°－α ……（１）’
Δ＝９０° ……（３）’
９０°－α＜Δ＜９０° ……（４）’

制御回路６は、始動制御において、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点からの位相Δが以上の説明のように設定された制御信号Ｓｐを、電源電圧Ｖｓの半周期毎に生成し、トライアック４のゲートに供給する。これにより、大きな始動トルクを用いて単相誘導電動機１０を確実に始動させることができる。

単相誘導電動機１０の始動が完了すると、即ち単相誘導電動機１０の回転子５の回転が所定の回転速度に達すると、制御回路６は始動制御を終了し、定常運転制御を実施する。始動制御から定常運転制御への切り換えタイミングは、補助巻線２に発生する逆起電圧に基づいて決定される。補助巻線２の逆起電圧は、回転子５の回転速度に伴って増加する。制御回路６は、始動制御の実施中に補助巻線２が非導通状態とされる期間において、補助巻線２の両端電圧（逆起電圧）を計測し、この電圧が所定の閾値を超えると、始動制御から定常運転制御への切り換えを行う。これにより、単相誘導電動機１０の実際の回転速度に応じた適切なタイミングで、定常運転制御へ移行することができる。

定常運転制御へ移行すると、制御回路６は、常時オン（ハイレベル）の制御信号をトライアック４のゲートに供給する。これにより、主巻線１に加えて補助巻線２とコンデンサ３を併用した、単相誘導電動機１０の定常運転が行われる。前述したようにコンデンサ３の容量は定常運転用に最適化されているので、良好な運転効率を実現することができる。

以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１ 主巻線
２ 補助巻線
３ コンデンサ
４ トライアック（スイッチング素子）
５ 回転子
６ 制御回路
１０ 単相誘導電動機
２０ 単相商用電源

Claims (5)

1. 主巻線と、
   前記主巻線と並列に接続された補助巻線と、
   前記補助巻線と直列に接続されたコンデンサと、
   前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子への制御信号を生成して前記補助巻線に流れる電流を制御する制御回路と、
   を備える単相誘導電動機であって、
   前記制御回路は、前記主巻線及び前記補助巻線側の回路に供給される電源電圧の半周期毎に前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させ再び非導通状態に遷移させる始動制御のための制御信号を生成し、
   前記始動制御において前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させるタイミングは、前記電源電圧のゼロクロス点から次の位相差Δ
   ９０°－α＜Δ＜９０° （但し、αは前記電源電圧のピークと前記主巻線に流れる電流のゼロクロス点との位相差）
   だけ位相が遅れたタイミングであって、前記補助巻線を流れる電流のピークが前記主巻線を流れる電流のゼロクロス点と前記電源電圧のピークとの間に位置するようなタイミングに設定される、
   単相誘導電動機。
2. 主巻線と、
   前記主巻線と並列に接続された補助巻線と、
   前記補助巻線と直列に接続されたコンデンサと、
   前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子への制御信号を生成して前記補助巻線に流れる電流を制御する制御回路と、
   を備える単相誘導電動機であって、
   前記制御回路は、前記主巻線及び前記補助巻線側の回路に供給される電源電圧の半周期毎に前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させ再び非導通状態に遷移させる始動制御のための制御信号を生成し、
   前記始動制御において前記補助巻線を非導通状態から導通状態に遷移させるタイミングは、前記電源電圧のゼロクロス点から次の位相差Δ
   ９０°－α－β＜Δ＜９０°－β （但し、αは前記電源電圧のピークと前記主巻線に流れる電流のゼロクロス点との位相差、βは前記補助巻線に流れる電流の持続時間の半分の時間に相当する位相）
   だけ位相が遅れたタイミングであって、前記補助巻線を流れる電流のピークが前記主巻線を流れる電流のゼロクロス点と前記電源電圧のピークとの間に位置するようなタイミングに設定される、
   単相誘導電動機。
3. 前記スイッチング素子はトライアックであり、
   前記制御信号は前記トライアックのゲートに供給されるゲート信号である、
   請求項１又は請求項２に記載の単相誘導電動機。
4. 前記制御回路は、前記単相誘導電動機に電源が投入されてから前記単相誘導電動機が所定の回転速度に到達するまでの期間に前記始動制御を行い、前記単相誘導電動機が前記所定の回転速度に到達した後は定常運転制御を行う、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単相誘導電動機。
5. 前記制御回路は、前記補助巻線の非導通状態における端子電圧に基づいて前記所定の回転速度を検出する、請求項４に記載の単相誘導電動機。

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