JPH04501500A - 反作用電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 反作用電動機の制御装置 本発明は、請求の範囲１の序文に記載した種類の反作用電動機の制御装置に関す るものである。

特に、この制御装置は四極ステータと二極ロータとを備え、しかも以下に好まし い実施例について詳細に説明する反作用電動機に用いられるようにされる。選択 した実施例では、反作用電動機は、四極が十字形を成すように配列されるステー タを有している。ロータはそれの極がち直径上相対して配列されるように形成さ れる。通常のように、ステータ極は巻線を備え、一方、ロータは巻線なしに軟磁 性材料から成っている。

ロータ極は、それの一方の部分がステータ極を完全に覆い、同時に他方の部分が 回転方向に見て隣接したステータ極までの空間を塞ぐようにのびた形状を成して いる。ロータ極の他方の部分はそれの一方の部分より大きな空隙をもっている。

上述の４・２極モータにおいては、ステータ極は各回転中に対をなして二回作動 される。こうして作動されたステータ極巻線は一方の極対または他方極対に平行 な磁場を発生する。磁場が形成されると、ロータは、磁気抵抗すなわちリラクタ ンスが磁気回路において最小値となる位置へ強制される。この最小リラクタンス 位置では、ロータは、ロータ極が作動されたステータ極と一致するようにされる 。ロータ極がステータ極と特表平４−５０１５００　（２） 整列すると、センサーは反作用電動機の制御装置へ作動信号を送り整列状態を打 ち破ってステータ極の他方の対を作動させる。ロータ極がステータ極対の極と整 列すると、比較的大きな空隙をもったロータ極の部分すなわち始動棒は他方のス テータ極対の一方の極にトルクを発生させ得るようにされる。上記始動棒の機能 はロータの全ての位置においてロータを駆動させるトルクを保証することにある 。しかしながら、始動棒はまた、電動機が単に単一方向に回転できるだけである ようにも働く。

上記種類の反作用電動機の制御装置における一つの問題点は、比較的高い電動機 速度では磁場が必要なトルクを発生するようになるのに十分な時間がないことに ある。この問題の解決法は、センサーがロータ極とステータ極との整列を表示す る前にステータ巻線を付勢することにある。

このような比較的高い電動機速度での問題点は主として、電動機に高負荷がかか り高速度で回転する際に十分なトルクを発生させたいことに関係している。本発 明の目的は、この問題を解決して、実際のトルク要求に従って一対のステータ極 の予付勢の時間を制御する装置を提供することにある。この目的は、請求の範囲 １による装置によって達成される。好ましい実施例は請求の範囲の２項以下から 明らかである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図は四つのステータ極と二つのロータ極とを備えた反作用電動機を概略的に 示し、 第２図は第１図による反作用電動機における磁束の方向を概略的に示し、 第３図は第１図の反作用電動機の制御装置を示すブロック線図であり、 第４ａ図、第４ｂ図及び第４ｃ図は反作用電動機のステータ極巻線に電流を供給 する制御装置の部分に関する回路線図を異なった動作状態で示し、第５図は制御 装置の一部である電力供給装置の回路線図であり、 第６図はそれぞれ電流感知及び限流信号発生用の回路の回路線図であり、 第７図はロータ位置信号の発生を示す原理的回路線図であり、 第８図はロータ位置信号に基づいて鋸歯状波電圧を発生する回路の回路線図であ り、 第９図はそれぞれ一対のステータ極の予付勢及び消勢の仕方を示す相関関係の波 形線図であり、第１Ｏ図は制御装置に含まれ、異なった入力パラメータに基づい て反作用電動機の駆動信号を発生できる論理装置の回路線図であり、 第１１図は電動機の回転速度を制御する、制御装置に含まれた制御回路を示す回 路線図であり、第１２ａ図及び第１２ｂ図は制御装置の駆動出力段の回路線図を 示し、 第１３図は制御装置における種々の信号の波形を示すタイムチャートである。

第４ａ図、第５図、第６図、第７図、第８図、第１Ｏ図、第１１図、第１２ａ図 及び第１２ｂ図と共に以下に説明する実施例において、全体の回路線図は四つの ステータ極と二つのロータ極とを備えた反作用電動機を表している。多くの機能 ブロックの一般的な簡単な説明は第３図を参照して行う。さらに、ステータ極巻 線のそれぞれ予付勢及び消勢に携わる機能ブロックについては詳細に説明する。

本発明で用いられることになる電動機は第１図に概略的に示されている。ステー タ１０は十字形を成して配列された四つの極１１ａ　、　ｌｌｂ　、　１２ａ　 ５１２ｂを備えている。これらの極には巻線１３ａ％１３ｂ　５１４ａ　５１４ ｂが設けられ、これらの巻線は対を成して作動して、共動する磁場を発生するよ うに接続されている。ロータ１５はステータ極間の空間内で回転するように配置 され、そして直径上相対した位置に二つの極１６ａ　、　＋６ｂ　；　１７ａ　 。

１７ｂを備えている。種部分１８ａ　、　１７ａの周囲幅はステータ極の対応し た周囲幅に等しい。種部分１６ｂ　、　１７ｂの周囲幅は、種部分ｌｅａ　、　 １７ａが一方のステータ極対の極にそれぞれ丁度相対して位置している時、回転 方向に見て他方のステータ極対の極に至る空間を塞ぐ。

さらに、棒部分１８ｂ　５１７ｂはステータ極に対して大きな空隙を備え、以下 始動棒として記載する。これらの始動極は、ロータがどの様な位置にあっても確 実にトルクを発生できるようにしている。しかしながら、上記で述べたように、 ロータのこの形状は、ロータが単一方向にのみ回転できるようにしている。

ロータを回転させるためには、ステータ極対１１ａ　。

１１ｂ及び１２ａ　、　１２ｂをそれぞれ交互に励磁し、それによりロータ極を それぞれのロータ極対と交互に整列させる。第２図において、ステータ極対１１ ａ　、　ｌｌｂ及び１２ａ　、　１２ｂをそれぞれ励磁することによって生じる 磁束の方向は磁束矢印１８．１９で概略的に示されている。

ロータを完全に一回転させるために、磁化の方向を交互に変える必要はない。従 って、それぞれのステータ極対における磁場の方向は重要ではなく、これにより 電動機の制御装置の構成を簡単化することができる。

制御装置は第３図にブロック線図の形態で示され、以下種々の機能ブロックにつ いて簡単に説明する。ブロック線図において、電動機はブロック２０で示されて いる。ロータ位置センサーは、ロータがいずれがのステータ極対と整列するのを 検出するために設けられている。原則として、このセンサーは、一方のステータ 極対から他方のステータ極対への切換えを制御する信号を発生する。そしてこの センサーはブロック２１で示されている。またこのセンサーは方形波電圧を発生 する特表千４−５０１５００　（３） 形式のものであるが、ロータ及びステータ極の整列についてのみの情報を供給す る。回転運動の中間領域におけるロータの瞬時位置を表すため、センサー信号は ブロック２２へ供給され、このブロック２２は鋸状波電圧を発生する。この電圧 はブロック２８に印加され、このブロック２３においては、ロータの実際の速度 の測定値を成す速度信号が発生される。

電動機を所望の速度に設定及び制御できるようにするために、速度セレクタを表 すブロック２４が、制御信号を発生するブロック２５と共に設けられている。こ の目的で、ブロック２５においては、実際の速度を表すブロック２３からの量は 所望の速度を表すブロック２４からの量と比較される。ブロック２５からの制御 信号は論理回路から成るブロック２６に供給される。ブロック２６からの制御信 号はブロック２７における駆動回路に供給され、ブロック２７はブロック２０に おける電動機巻線に駆動電圧を供給する。

電動機巻線に流れる電流はブロック２８で検知され、そして電流パラメータが発 生され、この電流パラメータはブロック２９に送られ、論理ブロック２Ｂに印加 すべき限流値を発生させる。また、ブロック２８からの電流パラメータはブロッ ク３０にも供給され、このブロック３０においては、電流の瞬時大きさを表す量 が発生される。この電流依存量はブロック３１へ導かれ、このブロック３１にお いては、ブロック２６における制御論理回路に対する制御信号が発生される。ブ ロック３１において、ステータ極対の予付勢の大きさは電流の瞬時値に関連して 決められる。回路線図はまた第３図にブロック３２で示された電力供給装置を備 えている。

次に、第３図のブロック線図における種々のブロックについて実際の回路線図の 一部を示す図面を参照してさらに詳細に説明する。ところで、ブロック２０は第 ４ａ図、第４ｂ図及び第４ｃ図に対応し、これらの図面にはステータ極巻線１４ ａ　、　１４ｂ及び１３ａ　、　１３ｂ並びに関連したトランジスタスイッチ３ ３．３４及び３５．３Ｂがそれぞれ示されている。第４ａ図には、スイッチ３３ ．３４の両方を接続することによりステータ極巻線１４ａ　、　１４ｂへ電流を 供給する状態が示されている。速度に関連して、トランジスタスイッチ３４．３ Ｂはそれぞれ可変の負荷サイクルの予定の周波数で接続、遮断される。第４ｂ図 に示すように、トランジスタスイッチ３４の遮断期間中、電流はダイオード３７ を通って流れ、このダイオード３７は通常の仕方でトランジスタスイッチ３３及 びステータ極巻線１４ａ　、　１４ｂから成る直列回路に並列に接続されている 。同様にして、ダイオード３８はトランジスタスイッチ３５及びステータ極巻線 ＋３ａ％１３ｂに接続されている。第４ｃ図に示すように、トランジスタスイッ チ３３が遮断されると、ダイオード３９、巻線１４ａ　、　１４ｂ及びダイオー ド３７を通って供給電源へ消磁化電流が流れる。

これは、エネルギが上記電源に戻されることを意味している。ダイオード３９と 同様にして、ダイオード４０は巻線１８ａ　、　１３ｂに接続されている。

第３図のブロック３２は第５図に対応しているが、詳細には説明しない。ただ、 上記の電動機は主としてバッテリーから給電されるようにしていることが記載さ れるべきである。電動機は当然また整流器を介して主線により作動することもで きる。

第３図のブロック２８．２９．３０は第６図に対応しており、電動機電流は直列 抵抗４１を介して検知される。この抵抗による電圧降下は比較器４２の入力に加 えられ、比較器４２の他の入力には所望の電流制限に相応した基準電圧が印加さ れ、電動機はこの所望の電流制限において電流を低減するように制御されること になる。そして電流制限電流は端子４３に供給される。第６図の回路はまたブロ ック８０（第３図）における電流信号を発生し、そして電圧は抵抗４１を介して 増幅器４４に供給されて増幅され、そして抵抗４５とコンデンサ４６とから成る フィルタで濾波される。こうして電流信号は端子４７に供給される。

第３図のブロック２１は第８図に対応し、機能に関しては第７図と共に説明され る。ロータの位置はセンサーによって検知され、このセンサーについては詳しく 説明しないが、磁気型のものであり、第８図にｘｌで示されている。第７図には 、第８図の端子Ｘｌ：１におけるセンサー出力信号の波形が示されている。出力 信号はロータの回転毎に二つの完全周期をもつすなわちロータ極毎に一つ完全周 期をもつ矩形波である。ロータ極がステータ極に丁度差しかかる第７図に示すロ ータ位置はセンサー出力信号に印された位置に対応しており、この信号は高レベ ルに示されている。この信号は、ロータ極がステータ極の領域から完全に抜は出 るまで高レベルのままであり、そしてロータ極がステータ極に再び差しかかるま で低レベルになる。センサー出力信号は、それぞれロータ極がステータ極に到達 し、そしてそのステータ極から離れる時間すなわち信号の正の側部及び負の腹部 についてのみの情報を提供する。

しかしながら、各単一瞬時においてロータの位置を正確に知ることが必要であり 、このためセンサー信号の正または負の半周期の時間に等しい期間の鋸歯状波信 号が発生される。この鋸歯状波信号は第７図に示されている。実際の観点からは 、この鋸歯状波信号は、第８図に示す信号腹部検出器４８、二重単安定フリップ フロップ４９及び積分器５０から成る構成要素によって発生される。センサー出 力信号は信号腹部検出器４８に供給され、この検出器４８は、信号に正または負 の腹部が現れる毎に短いパルスを発生する。出力端子４９：１０にはセンサーの 状態が変わる毎にパルスが発生される。このパルスは抵抗５１及びコンデンサ５ ２において濾波され、速度信号の平均値を形成し、第８図の端子５３に供給する 。鋸歯状波信号は積分器５０において発生され、この特表千４−５０１５００　 （４） 積分器は回路４９の出力端子４９：６からセンサーの状態の変わる毎に正のパル スを受ける。このパルスの反転信号は回路の出力端子４９ニアから得られる。鋸 歯状波信号は出力端子５０：１に現れ、そして速度信号に比例した割合で高い初 期値から直線的に低下していく。この信号の最低レベルは速度に無関係に常に同 じである。

磁気センサーの状態が再び変わると、鋸歯状波信号は高い始動レベルへ調整的に 戻される。これは、出力４９ニアが低くなると同時に出力４９：６が高くなる際 に起きる。

上記の反作用電動機から最適性能を引出すために、二つのステータ極対間のスイ ッチングは、磁気センサーによってこの作用の表示がなされる前に行われる。

以下、消勢ステータ極対の前もっての接続は予付勢と呼ばれし、一方前もっての 遮断は予遮断と呼ばれる。

第３図において、予接続及び予遮断はブロック８１において行われ、そして実際 の回路線図では対応した回路は第１θ図に示すように構成される。機能に関して は、第９図の線図も参照する。この線図から予接続及び予遮断がそれぞれどの様 に行われるかを概略的に得ることができる。予接続は単に電流の瞬時値によって 制御されることが記載されることになる。予遮断は固定され、すなわち、遮断は 予定の時間に行われる。予遮断の目的は、ステータ極対の遮断に伴い、磁気エネ ルギが瞬時的に消滅せず、その結果残留磁化により望ましくない制動トルクを生 じさせるという問題を解決することにある。第９図の線図の最上部には磁気ロー タ位置センサーからの信号波形が示されている。これに続いて、センサー信号の 状態の変化時に発生されるパルスが示されている。３番目の波形は鋸歯状波信号 であり、この鋸歯状波信号は二つのレベルをもち、一方のレベルは所望の予付勢 に対応し、他方のレベルは所望の予遮断に対応している。二つの残りの波形はそ れぞれのステータ極対の巻線に印加される電圧を表し、それぞれフェーズ１、フ ェーズ２と記載する。フェーズ２が付勢されている、すなわち電圧が印加されて いると仮定すると、線図かられかるように、フェーズ２は、鋸歯状波信号の傾斜 部が予遮断のレベルに達すると、遮断され、その後、フェーズ１の電圧は、鋸歯 状波信号の傾斜部が予付勢のレベルに達した時に印加される。

第１０図を参照すると、電位差計が設けられ、この電位差計によって予遮断の所 望の角度を設定することができる。比較器５５においては、電位差計からの電圧 は第８図の出力５０：１からの鋸歯状波電圧と比較され、そして結果はディジタ ル化される。対応した出力信号は出力端子５５：２に現れる。予付勢角度は第６ 図における端子４７からの電流信号に依存し、この信号は電位差計５６を介して 比較器５７へ送られ、鋸歯状波信号と比較され、その結果ディジタル出力信号が 出力端子５７：１３に現れる。始動時及び低速度時には、いかなる予付勢も予遮 断も行われない。二つの抵抗５８．５９がう成ル分圧器によって、速度信号のレ ベルは決められ、このレベル以下では予付勢及び予遮断の信号がそれぞれ抑止さ れることになる。比較は二つの比較器［１０，６１においてそれぞれ行われ、そ して対応した信号はそれぞれ出力６０：１４．６０：１に現れる。ゲート回路網 ６２においては、磁気センサーからの信号は予付勢信号及び予遮断信号と共にゲ ートされ、また二つのゲート６３．６４には第６図の端子４３から限流信号が供 給される。それによって主に、制御信号は最終的に形成されるが、しかしながら 、第３図における速度制御ブロック２５については未だ説明してない。そこで、 第１１図を参照すると、電位差計６５によって所望の速度を設定する回路装置が 示されている。１０調整器６６において電位差計の電圧は速度信号と比較され、 そして出力信号は比較器Ｂ７において発振器６８からの鋸歯状波電圧と比較され る。調整器６６からの出力が高ければ高いほど、大きな負荷サイクルが比較器６ ７からの出力信号（８７：１）に与えられる。この速度制御信号は二つのゲート ６９．７０に送られ、ゲート６３．６４からの出力信号と共にゲートされる。抗 して必要とされるすべての制御信号が発生され、そしてゲート６９．７０からの 出力信号は第１２ａ図及び第１２ｂ図に示す二つの駆動回路７１．７２の端子７ ９．８０に送られる。これらの出力信号は出力端子８１．８４を介して第４ａ図 におけるトランジスタ８４．３Ｂをそれぞれ制御するようにされる。トランジス タ３８．８５の制御信号はゲート回路網６２から供給され、そして出力６３：１ ．６４：８にそれぞれ現れる。これらの信号は第１２ｂ図の端子７４．７３にそ れぞれ送られる。これらの端子は出力端子８９．９０に第４ａ図のトランジスタ ８４．３６に対する駆動信号を発生するようにされた駆動回路７５．７Ｇに対し ての入力を構成している。他の端子７７．７８を介して駆動回路は第４ａ図に示 す回路に接続され、そして端子８３を介して上記回路は電力供給装置（第５図） に接続される。

上記の説明から明らかであるように、単に図面に示す実際の回路線図についての み説明してきた。しかしながら、基本的な機能ブロックについて説明してきたが 、普通に用いられた回路については詳細には説明してない。上記の電動機の制御 装置の機能をより良く理解できるようにするために、第１３図が参照され、この 図面には制御装置の種々の機能ブロックに現れる種々の信号のタイムチャートが 示されている。この線図には回路線図における種々の信号の現れる点が示されて いる。最上部にはロータ位置センサーからの信号が示されている。その次には信 号腹部検出器４８からの信号が示されている。その次の二つの波形は二重フリッ プフロップ４９からの二つの出力信号を表している。その次には積分器５０から の鋸歯状波信号及び比較器６０の入力６０：９に現れる速度信号が示されている 。その次は電動機の平均電流の波形であり、その後に予付勢及び特表千４−５０ １５００　（ら） 予遮断の信号が示されている。その次には制御論理装置からの最終制御信号の波 形が示され、これらはそれぞれフェーズ１及びフェーズ２として示されている。

最後に、出力６７：６における発振器出力信号、調整器６６の出力６６：７にお ける出力信号及び比較器６７の出力６７：１における速度制御信号が示されてい る。

国際調査報告 国際調査報告 ｐｃ丁／５Ｅ９０１０００４８ Ｔｊ＋ｊ＋−山ｔｅｋｅ　ｐ−ｊｗａｙ　ｗｗｗｋｍ−瞳〜−一＋＝ｎｗｍｍｍ ｍ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．巻線（１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂ）を備え、対を成して共動するステ ータ極（１１ａ、１１ｂ；１２ａ、１２ｂ）と、軟磁性材料から成り、かつ互い に直径上に相対して配置された少なくとも二つの極（１６ａ、１６ｂ；１７ａ、 １７ｂ）を備えたロータ（１５）とを有し、ロータ極がステータ極に差し掛かる 毎に第１の極性のランプ信号を発生し、またロータ極がステータ極から離れる際 に第１の極性と反対の第２の極性のランプ信号を発生するセンサー（Ｘ１）によ って反作用電動機を制御し、第１のランプ信号に関連してステータ極対の一方（ １２ａ、１２ｂ）の巻線に電圧を印加し、また第２のランプ信号に関連して上記 一方のステータ極対（１２ａ、１２ｂ）から電圧を遮断しかつ他方のステータ極 対（１１ａ、１１ｂ）に電圧を印加する電子スイッチング装置（３３、３４；３ ５、３６）を設けた反作用電動機の制御装置において、電動機の電流に対応した パラメータを発生する第１の装置（２８、３０）及び上記パラメータに関連して それぞれのステータ極対の巻線に電圧の印加される時間をプリセットし、電流の 増加と共に増大する信号を発生する第２の装置（３１）を設けたことを特徴とす る反作用電動機の制御装置。
2. ２．センサー信号が方形波の波形をもち、この波形の腹部が電動機の速度に相応 した傾きをもつ降下するランプ信号を発生する鋸歯状波発生装置（５０）を制御 し、降下するランプ信号を電流に関連したパラメータによって決まる電圧レベル と比較して、プリセット電圧印加信号を発生する第１の比較装置が設けられる請 求の範囲１に記載の制御装置。
3. ３．電動機が、十字形を成して配列された四つの極（１１ａ、１１ｂ；１２ａ、 １２ｂ）を備えたステータ（１０）と、互いに直径上に相対して配列される二つ の極（１６ａ、１６ｂ；１７ａ、１７ｂ）を備えたロータ（１５）とを有し、各 ロータ極がステータ極の周囲の拡がりに相応した周囲の拡がりをもつ第１の部分 （１６ａ；１７ａ）と、上記第１の部分がステータ極（１２ａ、１２ｂ）と完全 に一致して位置した状態において回転方向から見て他方のステータ極対の隣接し た極（１１ａ、１１ｂ）までの空間を満たす拡がりをもつ第２の部分（１６ｂ； １７ｂ）とを備え、第２の部分（１６ｂ；１７ｂ）が第１の部分よりステータ極 に対して大きな空隙をもつ請求の範囲２に記載の制御装置。
4. ４．電動機の始動時及び低速度時に電圧の印加時間をプリセットする信号を抑止 する装置（５８、５９、６０）が設けられる請求の範囲１〜３のいずれかに記載 の制御装置。