JP7473121B2 - 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。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ことで、始動トルクを増大させることが可能な制御方法が開示されている。

特開２０１９－０４１５４６号公報

コンデンサラン単相誘導電動機の始動時には、ある特定の回転数の範囲でトルクが低下し、回転子の回転数が上がりにくくなるクローリング現象が生じることが知られている。

したがって、迅速に始動を完了して定常運転に移ることが可能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、前記主巻線と直列に接続された第１スイッチング素子と、前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続された第２スイッチング素子と、前記主巻線及び前記補助巻線に流れる電流を制御するために、電源電圧の半周期毎に前記第１スイッチング素子への第１制御信号と前記第２スイッチング素子への第２制御信号を生成する制御回路と、を備える単相誘導電動機であって、前記単相誘導電動機の第１回転数範囲において、前記制御回路は、前記主巻線が連続的に導通状態となるように前記第１制御信号を生成するとともに、前記補助巻線が所定の第１タイミングで非導通状態から導通状態に遷移するように前記第２制御信号を生成し、前記単相誘導電動機の前記第１回転数範囲と異なる第２回転数範囲において、前記制御回路は、前記主巻線が所定期間の非導通状態の後に導通状態に遷移するように前記第１制御信号を生成するとともに、前記補助巻線が前記第１タイミングよりも遅い第２タイミングで非導通状態から導通状態に遷移するように前記第２制御信号を生成する、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、第２回転数範囲において、主巻線を流れる電流が小さくなることによって、主巻線から発生する磁界の空間高調波成分が低減するとともに、補助巻線を流れる電流が大きくなり且つ主巻線を流れる電流と補助巻線を流れる電流の位相差が９０°に近くなることによって、主巻線から発生する磁界と補助巻線から発生する磁界による回転磁界の対称性が向上する。したがって、第２回転数範囲におけるトルク低下を抑えクローリング現象を防止又は軽減することができ、これにより、単相誘導電動機は迅速に始動を完了して定常運転に移ることができる。

［形態２］形態２によれば、形態１の単相誘導電動機において、前記第１回転数範囲は、前記単相誘導電動機の始動開始から所定の第１回転数までの範囲と、前記第１回転数よ
りも高い所定の第２回転数から前記単相誘導電動機の定常運転の回転数までの範囲を含み、前記第２回転数範囲は、前記第１回転数から前記第２回転数までの範囲である。形態２の単相誘導電動機によれば、第１回転数から第２回転数までの範囲においてトルク低下を抑え、クローリング現象を防止又は軽減することができる。

［形態３］形態３によれば、形態１又は２の単相誘導電動機において、前記第１タイミングは、前記単相誘導電動機から発生するトルクが最大となるように選択される。形態３の単相誘導電動機によれば、第１回転数範囲において大きな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、前記第２タイミングは、前記主巻線を流れる電流の基本波成分と前記補助巻線を流れる電流の基本波成分との位相差がほぼ９０°となるように設定される。形態４の単相誘導電動機によれば、主巻線から発生する磁界と補助巻線から発生する磁界による回転磁界の対称性が向上する。これにより、第２回転数範囲におけるトルク低下を抑え、クローリング現象を防止又は軽減することができる。

［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、前記第１及び第２スイッチング素子はトライアックであり、前記第１及び第２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５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、主巻線電流及び補助巻線電流を制御することができる。

［形態６］形態６によれば、形態１から形態５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第１回転数範囲及び前記第２回転数範囲を識別する。形態６の単相誘導電動機によれば、第１回転数範囲における制御と第２回転数範囲における制御を適切に切り替えることができる。

［形態７］形態７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、前記主巻線と直列に接続された第１スイッチング素子と、前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続された第２スイッチング素子と、前記主巻線及び前記補助巻線に流れる電流を制御するために、電源電圧の半周期毎に前記第１スイッチング素子への第１制御信号と前記第２スイッチング素子への第２制御信号を生成する制御回路と、を備える単相誘導電動機であって、前記制御回路は、前記主巻線が所定期間の非導通状態の後に導通状態に遷移するように前記第１制御信号を生成するとともに、前記補助巻線が所定のタイミングで非導通状態から導通状態に遷移するように前記第２制御信号を生成し、前記所定のタイミングは、前記主巻線を流れる電流の基本波成分と前記補助巻線を流れる電流の基本波成分との位相差がほぼ９０°となるように設定される、単相誘導電動機が提供される。形態７の単相誘導電動機によれば、主巻線から発生する磁界の空間高調波成分が低減するとともに、主巻線から発生する磁界と補助巻線から発生する磁界による回転磁界の対称性が向上する。したがって、トルク低下を抑え、クローリング現象を防止又は軽減することができ、これにより、単相誘導電動機は迅速に始動を完了して定常運転に移ることができる。

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。 制御回路によって実施される第１モードの始動制御を説明するためのタイミングチャートである。 制御回路によって実施される第２モードの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、第１トライアック（第１スイッチング素子）４Ａ、第２トライアック（第２スイッチング素子）４Ｂ、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、第１トライアック４Ａ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、第１トライアック４Ａの他方の端子は、主巻線１の一方の端子に接続され、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、第１トライアック４Ａの一方の端子は更に、第２トライアック４Ｂの一方の端子にも接続される。第２トライアック４Ｂ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、主巻線１及び第１トライアック４Ａは第１の直列回路を構成し、補助巻線２、コンデンサ３、及び第２トライアック４Ｂは第２の直列回路を構成し、第１の直列回路と第２の直列回路は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、第１トライアック４Ａのゲートに第１制御信号Ｓｐ１を、また第２トライアック４Ｂのゲートに第２制御信号Ｓｐ２を、それぞれ供給する。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）Ｖｓを監視し、この電源電圧Ｖｓのゼロクロス点（交流の電圧の値がゼロになる瞬間）をタイミングの基準として、第１制御信号Ｓｐ１と第２制御信号Ｓｐ２を生成する。制御回路６からの第１制御信号Ｓｐ１に応答して、第１トライアック４Ａがターンオンし、主巻線１が導通状態となる。これにより、主巻線１に、第１トライアック４Ａを介して電流が流れる。また、制御回路６からの制御信号Ｓｐ２に応答して、第２トライアック４Ｂ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及び第２トライアック４Ｂを介して電流が流れる。このように、制御回路６は、主巻線１及び補助巻線２に流れる電流を、第１制御信号Ｓｐ１及び第２制御信号Ｓｐ２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数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数に達した後の定常運転制御とを含む。

また始動制御は、単相誘導電動機１０の回転子５の回転数が第１範囲（以下、第１回転数範囲と称する）にある場合に行う第１モードの始動制御と、当該回転数が第２範囲（以
下、第２回転数範囲と称する）にある場合に行う第２モードの始動制御とを含む。第２モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１及び第２制御信号Ｓｐ２は、第１モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１及び第２制御信号Ｓｐ２と異なる。したがって、主巻線１と補助巻線２に流れる電流の波形は、後述するように、単相誘導電動機１０の回転子５が第１回転数範囲にある場合と第２回転数範囲にある場合とで、異なるものとなる。

第１回転数範囲は、単相誘導電動機１０の回転子５が回転数ゼロ（停止）から所定の第１回転数Ｒ１までの範囲と、所定の第２回転数Ｒ２から定常運転に対応する第３回転数Ｒ３までの範囲を含む。ただし、０＜Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３である。第２回転数範囲は、単相誘導電動機１０の回転子５が第１回転数Ｒ１から第２回転数Ｒ２までの範囲である。例えば、第２回転数範囲は、本実施形態による第２モードの始動制御を行わなかった場合に単相誘導電動機１０にクローリング現象（始動トルクの落ち込み）が発生することとなる回転数の範囲であってよい。

制御回路６は、補助巻線２が非導通状態の時にその両端電圧（逆起電圧）を計測することによって単相誘導電動機１０の回転子５の回転数を検出し、この検出した回転数に基づいて、第１モードの始動制御と第２モードの始動制御の切り替え、及び始動制御から定常運転制御への切り替えを制御する。例えば、制御回路６は、単相誘導電動機１０が始動すると、まず第１モードの始動制御を実施する（図２の期間Ｔ１を参照）。制御回路６は、回転子５が加速し、補助巻線２の両端電圧に基づき検出された回転子５の回転数が予め決められた第１回転数Ｒ１を超えると、第２モードの始動制御を実施する（図２の期間Ｔ２を参照）。制御回路６は更に、その後回転子５の加速が進み、補助巻線２の両端電圧に基づき検出された回転子５の回転数が予め決められた第２回転数Ｒ２を超えると、再び第１モードの始動制御を実施する（図２の期間Ｔ３を参照）。更に、当該検出された回転数が予め決められた第３回転数Ｒ３に達すると、制御回路６は定常運転制御を実施する。

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、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を順次経ることで単相誘導電動機１０の回転数が次第に上昇していく。期間Ｔ１及びＴ３では、第１モードの始動制御が行われ、期間Ｔ２では、第２モードの始動制御が行われる。図２には、単相商用電源２０から供給される電源電圧Ｖｓが正弦波として示されている。また図２には、矩形のパルス信号である第１制御信号Ｓｐ１及び第２制御信号Ｓｐ２、並びに主巻線１を流れる電流Ｉｍ及び補助巻線２を流れる電流Ｉａの各波形も示されている。図３は、期間Ｔ１及びＴ３における第１モードの始動制御の詳細なタイミングチャートであり、また図４は、期間Ｔ２における第２モードの始動制御の詳細なタイミングチャートである。以下、図２から図４を参照して、ｉ）第１モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１と主巻線電流Ｉｍ、ｉｉ）第１モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２と補助巻線電流Ｉａ、ｉｉｉ）第２モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１と主巻線電流Ｉｍ、及びｉｖ）第２モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２と補助巻線電流Ｉａについて、それぞれ説明する。

ｉ）第１モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１と主巻線電流Ｉｍ
単相誘導電動機１０において仮に第１トライアック４Ａが存在していない場合、主巻線１には、電源電圧Ｖｓに対して位相が遅れた正弦波の主巻線電流Ｉｍが流れる。このとき、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と電源電圧Ｖｓとの位相差は、９０°－αとなる。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。

第１トライアック４Ａを備えた本実施形態の単相誘導電動機１０では、第１モードの始動制御において、制御回路６は、第１トライアック４Ａが存在しない場合の主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点のタイミングを含む所定の時間幅を有したパルス信号を、第１制御信号Ｓｐ１として生成する。即ち、パルス幅に相当する位相の幅を２Ｗとすると、この第１制御信号Ｓｐ１は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点に対して位相９０°－α－Ｗだけ遅れたタイミングで立ち上がり、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点に対して位相９０°－α＋Ｗだけ遅れたタイミングで立ち下がる。これにより、本実施形態による第１モードの始動制御では、主巻線電流Ｉｍは、第１トライアック４Ａが存在しない場合と実質的に同じ電流波形、即ち、電源電圧Ｖｓから位相９０°－αだけ遅れた連続的な正弦波の電流波形となる。

ｉｉ）第１モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２と補助巻線電流Ｉａ
図２及び３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を第２制御信号Ｓｐ２として第２トライアック４Ｂ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、第２制御信号Ｓｐ２の立ち上がりと同期して（即ち補助巻線電流Ｉａの開始が第２制御信号Ｓｐ２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、第２制御信号Ｓｐ２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）を満たすように第２制御信号Ｓｐ２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、このような第２制御信号Ｓｐ２を第２トライアック４Ｂ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、第２制御信号Ｓｐ２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。

上述のとおり、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、第２制御信号Ｓｐ２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。

第２制御信号Ｓｐ２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第２制御信号Ｓｐ２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。

したがって、本実施形態による第１モードの始動制御において、制御回路６は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点からの位相Δが上記のように設定された第２制御信号Ｓｐ２を、電源電圧Ｖｓの半周期毎に生成し、第２トライアック４Ｂ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。

以上説明した第１モードの始動制御における主巻線電流Ｉｍ及び補助巻線電流Ｉａは、例えば特開２０１９－０４１５４６号公報に開示された、補助巻線側の回路にのみトライアックを備える単相誘導電動機の始動制御における主巻線電流及び補助巻線電流と実質的に等価である。換言すれば、本実施形態の第１モードの始動制御による単相誘導電動機１０の動作は、主巻線電流Ｉｍを制御することなく、補助巻線側の回路に設けられたトライアックを用いて補助巻線電流Ｉａのみを制御することで、大きなトルクが得られるように最適化されている。

しかしながら、このような第１モードの始動制御を行った場合においては、単相誘導電動機１０の回転子５がある特定の回転数に入ると、主巻線１から発生する磁界の空間高調波成分（例えば３次高調波）や、主巻線１から発生する磁界と補助巻線２から発生する磁界による回転磁界の空間的な非対称性に起因して、トルクが低下し回転子５の回転数が上がりにくくなるクローリング現象が生じることがある。そこで、以下に詳しく説明するように、本実施形態の単相誘導電動機１０は、このような回転子５の特定回転数範囲（第２回転数範囲）におけるトルク低下の改善及びクローリング現象の防止又は軽減のために、回転子５が第２回転数範囲にある場合に、第１トライアック４Ａ及び第２トライアック４Ｂを用いて主巻線電流Ｉｍと補助巻線電流Ｉａの両方を制御する第２モードの始動制御を行うように構成されている。

ｉｉｉ）第２モードの始動制御における第１制御信号Ｓｐ１と主巻線電流Ｉｍ
上述したように、クローリング現象を生じさせる一つの要因は、主巻線１から発生する磁界に空間高調波成分が含まれることにある。クローリング現象を防止又は軽減するためには、主巻線１から発生する磁界の空間高調波成分を低減することが必要である。

図２及び４に示されるように、第２モードの始動制御において、制御回路６は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相が９０°－α＋δ１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を、第１制御信号Ｓｐ１として生成する。ただしδ１は正の値である。前述した第１モードの始動制御では、主巻線電流Ｉｍは、電源電圧Ｖｓから位相９０°－αだけ遅れた連続的な正弦波の電流波形であった。よって、第２モードの始動制御における上記の第１制御信号Ｓｐ１は、第１モードの始動制御における主巻線電流Ｉｍのゼロクロス点から位相δ１だけ遅れたタイミングで立ち上がるパルス信号であると言い換えることもできる。

第２モードの始動制御では、このような第１制御信号Ｓｐ１が第１トライアック４Ａのゲートに供給されることにより、主巻線１は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点からの位相が９０°－αと９０°－α＋δ１の間の期間において非導通状態となり、それ以外の期間において導通状態となるように制御される。したがって、第２モードの始動制御における主巻線電流Ｉｍは、図２及び４に示されるように、当該電流Ｉｍがゼロクロスしてから位相δ１に相当する時間期間では電流ゼロとなり、その後、電源電圧Ｖｓの波形に位相が遅れて追従していく電流波形となる。そのため、この主巻線電流Ｉｍは、前述した第１モードの始動制御における主巻線電流Ｉｍよりも小さくなっている。

したがって、第２モードの始動制御では、主巻線電流Ｉｍが第１モードの始動制御の場合に比べて小さくなったことにより、主巻線１から発生する磁界の空間高調波成分を低減することができる。その結果、回転子５の第２回転数範囲（即ち図２の期間Ｔ２）におけるトルクの低下を改善し、クローリング現象を軽減することができる。

ｉｖ）第２モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２と補助巻線電流Ｉａ
上述したように、第２モードの始動制御においては、主巻線電流Ｉｍが小さくなることにより主巻線１から発生する磁界の空間高調波成分が低減するが、本来必要な、主巻線１から発生する磁界の空間基本波成分も小さくなってしまう。そこで、この基本波成分の減少による影響を補償することが必要となる。

図２及び４に示されるように、第２モードの始動制御において、制御回路６は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相がΔ＋δ２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を、第２制御信号Ｓｐ２として生成する。ただしδ２は正の値である。また、Δは、前述した第１モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２の立ち上がりタイミングを表す位相（即ち前述の式（４）を満たす位相）である。即ち、第２モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２は、第１モードの始動制御における第２制御信号Ｓｐ２に対して位相がδ２だけ遅れるように設定される。

このような第２制御信号Ｓｐ２が第２トライアック４Ｂのゲートに供給されることにより、第２モードの始動制御における補助巻線電流Ｉａは、図２及び４に示されるように、第１モードの始動制御における補助巻線電流Ｉａよりも位相がδ２だけ遅れたインパルス波形の電流となる。第２モードの始動制御では、補助巻線電流Ｉａの位相がこのように第１モードの始動制御の場合よりも遅れることになるので、補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングが、電源電圧Ｖｓのピークにより近いタイミングに移動する。そのため、単相商用電源２０からピーク電圧に近い電圧が供給されることにより、補助巻線電流Ｉａの大きさは、第１の始動制御の場合に比べて増大する。したがって、上述した主巻線電流Ｉｍの基本波成分の減少による影響を、補助巻線電流Ｉａの増大によって補償することで、クローリング現象を軽減することができる。

前述したように、クローリング現象を生じさせる別の要因として、主巻線１からの磁界と補助巻線２からの磁界によって作られる回転磁界が空間的な非対称性を持つということ
がある。上記の位相δ１及びδ２を最適化することで、この回転磁界の空間的な対称性を改善することができる。具体的に、第２モードの始動制御における上述の主巻線電流Ｉｍの基本波成分が、電源電圧Ｖｓを基準として位相９０°－α＋δ１／２の遅れを有していると仮定する（なお、この仮定は、電流ゼロでない期間における主巻線電流Ｉｍの波形を正弦波と近似することに相当する）。一方、第２モードの始動制御における補助巻線電流Ｉａのピークのタイミングは、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点から位相Δ＋δ２＋βだけ遅れた位置にある。補助巻線電流Ｉａの基本波成分のピークのタイミングも、これと同じであると仮定する。ただし、βは、前述したように、補助巻線電流Ｉａの持続時間の半分に相当する位相である。したがって、次式
９０°－α＋δ１／２＝Δ＋δ２＋β ……（５）
が成り立つように位相δ１及びδ２を設定した場合には、補助巻線電流Ｉａの基本波成分のピークのタイミングが、主巻線電流Ｉｍの基本波成分のゼロクロス点のタイミングと一致することになる。即ち、主巻線電流Ｉｍの基本波成分と補助巻線電流Ｉａの基本波成分との位相差は９０°となる。

したがって、式（５）又は式（５）に近い条件が満たされるように位相δ１及びδ２を設定することによって、主巻線１から発生する磁界と補助巻線２から発生する磁界の空間的な直交性を確保することができる。これにより、主巻線１からの磁界と補助巻線２からの磁界が作る回転磁界の対称性を高め、クローリング現象を防止又は軽減することができる。

以上のように、単相誘導電動機１０の回転子５が第２回転数範囲にある間に第２モードの始動制御が行われることで、この回転数範囲におけるトルクの低下が抑えられ、回転子５は迅速に定常運転の回転数まで加速される。こうして単相誘導電動機１０の始動が完了すると、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。定常運転制御では、制御回路６は、第１モードの始動制御と同様の第１制御信号Ｓｐ１を第１トライアック４Ａのゲートに供給し、また常時オン（ハイレベル）の第２制御信号Ｓｐ２を第２トライアック４Ｂ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
４Ａ 第１トライアック（第１スイッチング素子）
４Ｂ 第２トライアック（第２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 (6)

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、
   前記主巻線と直列に接続された第１スイッチング素子と、
   前記補助巻線及び前記コンデンサと直列に接続された第２スイッチング素子と、
   前記主巻線及び前記補助巻線に流れる電流を制御するために、電源電圧の半周期毎に前記第１スイッチング素子への第１制御信号と前記第２スイッチング素子への第２制御信号を生成する制御回路と、
   を備える単相誘導電動機であって、
   前記単相誘導電動機の第１回転数範囲において、前記制御回路は、前記主巻線が連続的に導通状態となるように前記第１制御信号を生成するとともに、前記補助巻線が所定の第１タイミングで非導通状態から導通状態に遷移するように前記第２制御信号を生成し、
   前記単相誘導電動機の前記第１回転数範囲と異なる第２回転数範囲において、前記制御回路は、前記主巻線が所定期間の非導通状態の後に導通状態に遷移するように前記第１制御信号を生成するとともに、前記補助巻線が前記第１タイミングよりも遅い第２タイミングで非導通状態から導通状態に遷移するように前記第２制御信号を生成する、
   単相誘導電動機。
2. 前記第１回転数範囲は、前記単相誘導電動機の始動開始から所定の第１回転数までの範囲と、前記第１回転数よりも高い所定の第２回転数から前記単相誘導電動機の定常運転の回転数までの範囲を含み、
   前記第２回転数範囲は、前記第１回転数から前記第２回転数までの範囲である、
   請求項１に記載の単相誘導電動機。
3. 前記第１タイミングは、前記単相誘導電動機から発生するトルクが最大となるように選択される、請求項１又は２に記載の単相誘導電動機。
4. 前記第２タイミングは、前記主巻線を流れる電流の基本波成分と前記補助巻線を流れる電流の基本波成分との位相差がほぼ９０°となるように設定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の単相誘導電動機。
5. 前記第１及び第２スイッチング素子はトライアックであり、
   前記第１及び第２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から請求項４のいずれか１項に記載の単相誘導電動機。
6. 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第１回転数範囲及び前記第２回転数範囲を識別する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の単相誘導電動機。

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