JPH07243899A - 同期モータの負荷検出装置 - Google Patents

同期モータの負荷検出装置

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JPH07243899A
JPH07243899A JP6036054A JP3605494A JPH07243899A JP H07243899 A JPH07243899 A JP H07243899A JP 6036054 A JP6036054 A JP 6036054A JP 3605494 A JP3605494 A JP 3605494A JP H07243899 A JPH07243899 A JP H07243899A
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coil
temperature
magnetic field
synchronous motor
circuit
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JP6036054A
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Toshiki Hanaoka
歳樹 花岡
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Nidec Sankyo Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】特殊な検出素子を用いることなく、温度依存性
をきわめて小さく抑えた負荷検出信号を出力する同期モ
ータの負荷検出装置を提供する。 【構成】固定子の駆動コイルから発生する交番磁場と、
回転子の磁場との相互作用によって、上記回転子を駆動
コイルの交番磁場に同期して回転させるようにした同期
モータの負荷を検出コイルで検出する負荷検出手段を有
する同期モータの負荷検出装置において、上記検出コイ
ルに隣接し、駆動コイルの交番磁場および回転子の磁場
の誘導電流を相殺するように巻き回した温度補償コイル
により上記検出コイルの出力の温度による誤差を補償す
る温度補償手段を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流インダクタモータ
やステッピングモータなどの同期モータに用いて好適な
負荷検出装置に係る。
【0002】
【従来の技術】従来、電子レンジに用いられる重量検出
装置はバネばかりの撓みをコイルもしくはコンデンサな
どの電気特性の変化に変換し、これを電気的手段で取り
出すものが一般的であった。
【0003】たとえば、コンデンサを用いた重量検出手
段は、ターンテーブル上の重量物によって撓んだバネの
変位量をコンデンサの対極極間距離に連動させることで
コンデンサの電気容量の変化に変換している。また、回
路によって重量を電気信号に変換する一手段としては、
前記コンデンサをCR発振回路の構成要素の一つとする
ことで重量を周波数変化に変換する方法などがある。
【0004】コイルを用いた別の方法でも、ターンテー
ブル上の重量物によって撓んだバネの変位量をコイル中
に設けた磁性体コアの変位量に連動させることでコイル
のインダクタンスの変化に変換している。この場合もコ
イルをLC発振回路の構成要素の一つとすることで重量
を周波数変化に変換して得ることができる。これらの方
法の基本はバネばかりのバネの変位量をコンデンサやコ
イルによって検出するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バネ材
のバネ係数の経時的な変化や温度上昇による変化、さら
に、コイルやコンデンサなどの検出装置の温度依存性が
複雑に関連して重量と周波数の間には特異な温度依存性
が生じるので,この温度依存性を何らかの回路や、周波
数から重量を算出する算法で補正することが容易でない
という問題があった。そこで、本発明は特殊な検出素子
を用いることなく、温度依存性をきわめて小さく抑えた
負荷検出信号を出力する同期モータの負荷検出装置を提
供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】固定子の駆動コイルから
発生する交番磁場と、回転子の磁場との相互作用によっ
て、上記回転子を駆動コイルの交番磁場に同期して回転
させるようにした同期モータの負荷を検出コイルで検出
する負荷検出手段を有する同期モータの負荷検出装置に
おいて、上記検出コイルに隣接し、駆動コイルの交番磁
場および回転子の磁場の誘導電流を相殺するように巻き
回した温度補償コイルにより上記検出コイルの出力の温
度による誤差を補償する温度補償手段を設け、第2に、
温度補償コイルを、上記交番磁場と回転子の磁場双方に
鎖交しない位置に設け、第3に、温度補償コイルを、同
形で逆方向の2つのコイルとし、第4に、温度補償コイ
ルを、コイルと抵抗とで構成し、第5に、温度補償コイ
ルの抵抗値でCR自励発振回路の発振時定数を決めるコ
ンデンサの充放電電流量を調整する温度補償手段を設
け、第6に、温度補償コイルとCR自励発振回路との間
にカレントミラー回路を接続したことを特徴とする。
【0007】
【作用】このような構成によって、温度変化により検出
コイルの出力電圧が変化することでCR自励発振回路の
コンデンサの充放電トリガレベルが変動したとしても、
温度補償コイルによってコンデンサの充放電時間を調整
し、もって、温度変化による周波数の変化を減少せしめ
る。
【0008】
【実施例】以下、本発明を電子レンジ等のターンテーブ
ルに適用した実施例で詳細に説明する。図5に示すよう
に、略円盤状の支持台31の上に同じく略円盤状のター
ンテーブル32が複数のローラ33によって、自在に回
転可能なように置かれている。ローラ33はターンテー
ブル32のフランジ部分に回転軸34を介して取り付け
られている。したがって、調理物35を乗せたターンテ
ーブル32がローラ33を介し支持台31に支えられな
がら、回転軸36に取り付けられた同期モータ40によ
って回転するように構成されている。
【0009】上記回転軸36は支持台31の中心部を貫
通し、支持台31の下部に図示しない手段で取り付けら
れた減速輪列付き同期モータ40の出力軸に連結してい
る。この同期モータ40にはモータ駆動電源50が接続
されているとともに、温度補償手段70を有する負荷検
出回路60が接続されている。次に、上記同期モータお
よび負荷検出回路ならびに温度補償手段について詳述す
る。
【0010】図1および図2は前記同期モータ40の構
成を示すもので、回転子41は略円筒状の永久磁石から
なり、円周方向にN極とS極が一定間隔で着磁されてい
る。この回転子41の外周には一定距離を置いて回転子
41を包み込むように略円筒状に櫛形磁極44を有する
固定子42が配置されている。櫛型磁極44の各凸極は
上方から下方へ向かうものと下方から上方へ向かうもの
とが交互に配置されており、同一方向へ向かう凸極の角
度間隔は回転子41のN極の着磁間隔もしくはS極の着
磁間隔と同一である。
【0011】この円筒状の櫛型磁極44の外周には櫛型
磁極44を励磁するための駆動コイル43とキャンセル
巻きした温度補償コイル45と検出コイル46が巻き回
されている。温度補償コイルのキャンセル巻き等につい
ては後述する。駆動コイル43には前記モータ駆動電源
50の交番電流が加えられる。上記駆動コイル43、温
度補償用コイル45および検出コイル46の上部と下部
は軟磁性体による固定子42で磁場が封じられ、さら
に、外周部も軟磁性体のシールドケース47で磁場が封
じ込められている。
【0012】したがって、駆動コイル43による励磁磁
場の磁束は、下部固定子部からシールドケースを通り上
部固定子から櫛型磁極44の上方から延びる凸極へ導か
れ、隣接する凸極へ漏れ磁束となり、再び、下方から延
びる櫛型磁極44の凸極へ集磁され下部の固定子へ戻
る。交番電流によって励磁するからこの逆の経路の磁束
も生ずる。よって、櫛型磁極44の凸極間にはモータ駆
動電源50の交番電流の周波数に同期した交番磁場が生
ずるため、回転子41はこの交番磁場に導かれて回転す
ることになり、もって、回転子41の回転数はモータ駆
動電源50の交番電流の周波数に比例することになる。
【0013】ゆえに、この構造を基本とするモータを同
期モータと称する。一方、上記の構成のように、検出コ
イル46は駆動コイル43による励磁磁場と回転子41
の磁場に鎖交するように環状に巻き回されている。した
がって、検出コイル46には駆動電源の磁場による誘導
電流と回転子41の磁場による誘導電流とが生ずる。こ
の両者の位相関係から回転子41にかかる負荷トルクを
検出することができる。
【0014】図9はキャンセル巻きの説明図である。温
度補償コイル45には周囲温度に依存した抵抗成分のみ
が必要であるから、このコイルは外部磁場の影響を受け
ないか、もしくは相殺するように巻き回しなければなら
ない。そのための一つの方法がキャンセル巻きという巻
き方である。キャンセル巻きは、二個のまったく同質で
同一形状のコイルを鎖交する磁場もまったく同じになる
ように設置し、これらを逆相直列に接続することと同じ
であるが、実際の製法は図9に示すように二本の導線を
同じボビンに必要回数巻き回し、二本のコイルの一方の
先端C点を互いに接続して他方のA端子とB端子を出力
として用いる。
【0015】2本のコイルには逆相でまったく等しい振
幅の誘導電流が生ずるため、このように逆相直列に接続
すると誘導電流を完全に消滅させることができる。前述
のようにこのコイルの目的は磁場の変化を拾うものでは
なく、モータ内部の温度をコイルの抵抗変化として取り
出すことにある。この目的のためには、図10に示すよ
うな温度補償コイルの設置方法にすることもできる。こ
のような温度補償コイルの設置方法にすればこのコイル
に鎖交する磁場は理論上皆無であり温度変化による抵抗
変化のみを検出することができる。
【0016】当然、このコイルとキャンセル巻きコイル
を組み合わせて温度補償コイルとしてもよい。当然のこ
とながら、温度補償コイルはコイル状の形状である必要
はないが、コイル以外の形状である場合は製法上簡便に
抵抗値を管理することが難しい欠点がある。それに対
し、コイル状の形状の場合はボビンへの巻き数で容易に
管理することができる。
【0017】また、前記負荷検出回路60は、図3に示
すように、上述の同期モータ40内の検出コイル46と
温度補償コイル45に接続されている。この負荷検出回
路60は、検出コイル46の交流信号を整流する整流回
路61とこの出力信号を平滑する平滑回路62と、この
直流信号の電圧によって発振周波数が変化するCR自励
発振回路63からなり、出力信号の温度補償を行うため
にこのCR自励発振回路63の発振時定数を決めるコン
デンサCf の充電電流源に温度補償コイル45を接続し
ている。充電電流源は温度補償コイル45単体だけでも
よく、あるいは図4に示すようにカレントミラー回路を
用いてもよい。温度補償コイル45の温度補償の作用に
ついては後で詳細に説明する。
【0018】次に、上記実施例の電磁気的動作について
説明する。図1に示す負荷検出装置付き同期モータ40
はすでに述べたように、駆動コイル43と検出コイル4
6とが一種のトランスを構成しており、検出コイル46
にはさらに回転子41の磁場による誘導電流が生ずる。
回転子41の磁場による誘導電流は駆動コイル43にも
生ずる。通常、誘導電流は電圧に換算して表現すること
が多く、この場合誘導電流に相当する電圧のことを逆起
電力もしくは略して逆起という。
【0019】さらに、駆動コイル43と検出コイル46
はともに内部抵抗を持つことを考慮すると、図6のよう
な電気的等価回路として表すことができる。駆動コイル
43の自己インダクタンスと内部抵抗をそれぞれL1
1 とし、検出コイル46の自己インダクタンスと内部
抵抗をL2 、r2 とする。駆動コイル43と検出コイル
46の間には相互インダクタンスMがある。さらに、回
転子41の磁場による駆動コイル43の逆起をE1 、検
出コイルの逆起をE2 とする。
【0020】駆動コイル43にはモータ駆動電源50の
電圧源Vp が接続され、検出コイル46には負荷検出回
路60が接続されるが、図6ではその内部抵抗を負荷抵
抗として表し、RL としている。駆動コイル43側の閉
ループに流れる電流をI1 とし、検出コイル46側の閉
ループに流れる電流をI2 とする。温度補償コイル45
は正確に表現するならば2本のコイルになるが、図6で
は単純に抵抗RE で表す。ただし、この抵抗RE は負荷
検出手段の基本動作には何等関与しない。この抵抗RE
については後に温度補償手段を説明する中で説明する。
【0021】以下、図6の等価回路の動作について、図
7および図8の電圧ベクトル図を用いて説明する。図7
は、回転子41にある一定負荷トルクを与えたときの図
6の検出コイル46側の電圧ベクトルの位相関係を表し
たものである。駆動コイル43の電流I1の方向をx軸
にとっている。ωMI1 は駆動コイル43と検出コイル
46の相互インダクタンスMによるモータ駆動電源50
の電流による誘導電流であり、これに対し、負荷トルク
に関係した位相角をもって検出コイル46の逆起E2
発生する。回路的に閉ループであるから、残りの電圧は
ベクトルEとして表されるはずである。
【0022】ベクトルEの成分は検出コイル46のイン
ダクタンスL2 による成分と内部抵抗r2 と負荷抵抗R
L による成分からなり、抵抗成分による電圧ベクトルに
対しインダクタンス成分による電圧ベクトルは位相がπ
/2(90度)遅れているから、図7に示すようにベク
トルEは誘導電流ωL2 2 と抵抗成分の電圧降下(r
2 +RL )I2 とが直角を成すように分解することがで
きる。ベクトルEと誘導電流ωL2 2 と電圧降下(r
2 +RL )I2 とが成す直角三角形の各辺の比率は、電
気的特性から一義的定まるものでE2 がいかなる角度、
いかなる大きさであっても一定である。負荷検出回路6
0が検出する信号は上記(r2 +RL )I2 の内のRL
2 の成分である。
【0023】同期モータでは、回転子の負荷トルクが増
加するとモータ駆動電流の位相に対して回転子の回転位
相が遅れることが知られている。この現象は逆起E1
しくはE2 の位相遅れとなるため、図7では誘導電流ω
MI1 の先端を中心にした逆起E2 の負角度の回転とし
て表現できる。図8は図7の状態からさらに負荷トルク
が増加した場合のベクトルE2 とEおよびその成分の関
係を図7に重ね書きしたものである。実際のモータでは
負荷トルクの増加によって、誘導電流ωMI1や逆起E
2 の大きさも若干減少するが、位相変化に比べるときわ
めて小さいことが確認されているのでここでは一定とし
て説明する。
【0024】逆起E2 が角度θだけ回転した時、P点は
P’点に移動するが、△OP’Q’は△OPQと相似な
直角三角形であるからQ点はQ’点に移動する。ここ
で、逆起E2 が負角度方向に回転するとベクトルEの大
きさが|OP|から|OP’|に減少するので、同じ比
率だけ(r2 +RL )I2 の大きさが減少する。すなわ
ち、|OQ|が|OQ’|に減少する。ゆえに、負荷検
出回路60が感知する電圧も同じ比率だけ減少する。こ
のとき位相角も変化するため、位相差を検出することで
負荷を検出しても良い。
【0025】ただし、図8を見て明らかなように位相差
として検出するためには逆起E2 の大きさが大きくなけ
ればならず、逆起E2 の大きさを大きくするということ
は検出コイル46の巻き数を増加させることを意味す
る。これに対しベクトルOQ、換言すれば負荷検出回路
60が感知する電圧の大きさを検出する方が少ない巻き
数で信号変化を大きくとれる長所がある。
【0026】このようにして得た負荷検出信号は電源周
波数と同じ周波数の交流信号として得られ、負荷トルク
の大きさはその振幅として得られる。図3中にそのよう
な信号を矩形波信号の周波数変化に変換する回路の一例
が示してあり、その動作について説明する。U1 および
2 は比較回路であり、U3 はRSフリップフロップな
どの単安定マルチバイブレータである。上記のように負
荷トルクは振幅の大きさとして得られるから、図3に示
すようにこの信号を整流回路61と平滑回路62によっ
て直流信号に変換する。
【0027】この段階で負荷トルクは直流信号の電圧と
して表現されているから、この電圧を電圧周波数変換
(VF変換)回路や電圧制御発振器(VCO)によって
周波数変換すればよい。VF変換の簡単な方法として、
図3に示すようにコンデンサの充放電時間を一周期とす
るCR自励発振回路を用いる。CR自励発振の原理はコ
ンデンサに定電流源で電荷を蓄積し、コンデンサの端子
電圧がある規定値に達した時点で、次に別の定電流源で
コンデンサの電荷を放電してゆくことの繰り返しを電気
回路で行わせるものである。
【0028】図3では充放電を行うコンデンサはCf
あり、温度補償用コイル45の抵抗値RE が充電用の定
電流源の役割を持ち、トランジスタQ1 が放電用の定電
流源の役割を持っている。したがって、この構成の場合
は独立の温度補正回路のように明確に他と区別できる回
路ブロックがなくきわめて簡単なため、製造コストも大
きくかからない特徴を持つ。充電の開始時期はコンデン
サCf の電位がR2 とR3 で分圧された電位に達した時
刻であり、放電の開始時期はコンデンサCf が平滑回路
の出力する直流電圧、すなわち、負荷に関係した電圧に
達した時刻である。当然、R2 とR3 による分圧電位は
負荷検出電圧より低く設定しておく必要がある。
【0029】前記の構成においてモータ温度の上昇は、
コイル46の内部抵抗の増加、固定子42やシールドケ
ース47内の磁束の減少、磁荷の減少等によって負荷検
出信号の振幅が減少することが確認されている。振幅が
減少すれば整流・平滑後の直流電圧の電位が低下するた
め、何も対策を講じなければ、コンデンサCf の放電時
期が速まりCR自励発振回路の周波数が上昇する。この
上昇を抑えるためには充電用の電流源、もしくは放電用
の電流源の電流値を低下させ放電時間、もしくは充電時
間を延長させる必要がある。
【0030】図3では前者の方法、すなわち、充電時間
の延長を温度補償コイル45の抵抗値RE だけで行って
いる。もし、放電時間を延長する必要がある場合は図示
しないがQ1 のコレクタへ直列にRE を挿入すればよ
い。温度補償コイル45はキャンセル巻きしているので
電源電流や回転子41の磁場に影響されることなく、検
出コイル46周辺の温度上昇を抵抗の増加にのみ反映さ
せることができる。
【0031】
【変更例】ただし、通常、温度補償コイル45単体の温
度係数だけでは回路の温度係数を相殺することが不十分
な場合には、温度補償コイルとして図11に示すように
温度補償コイル(抵抗RE )と並列および直列に抵抗R
A 、RB を接続する等温度補償コイルと抵抗の組み合わ
せ構成で、抵抗ブリッジを組むなどして温度係数を調整
すると温度係数の相殺がより確実となる。具体的温度係
数の調整方法は、温度0°Cで200Ω、80°Cで2
08Ωになる温度補償コイルを用いた場合、温度係数は
式1に示すように500ppmになる。
【0032】
【式1】
【0033】そして、抵抗RA 、RB が±0ppmのも
のであった時、温度0°Cで500Ω、80°Cで50
4Ω(250ppm)になるようにするには、表1から
抵抗RA 、RB の値を求める。
【0034】
【表1】
【0035】温度0°Cでは式2、温度800°Cでは
式3となり、2つの式を引算してRA 、RB を求める
と、RA =492.477Ω、RB =357.76Ωと
なる。
【0036】
【式2】
【0037】
【式3】
【0038】JISの1%E96系列を使うとすると、
A =499Ω、RB =357Ωを使えばよいことにな
る。図4は第2の実施例の回路図であり、温度補償コイ
ル45の抵抗変化が補正すべき温度係数より小さい場合
に温度補償コイル45の抵抗変化を増幅して充電電流の
電流変化にする方法の一例であって、図3の温度補償コ
イル45とCR自励発振回路63との間にカレントミラ
ー回路を加え、リファレンス側のトランジスタQ3 のエ
ミッタに温度補償コイル45の抵抗RE を入れた構成に
なっている。このような構成にすればたとえ温度補償コ
イル45の温度係数が必要量に達しない場合でもカレン
トミラー回路で増幅されるので適当な値に調整すること
ができる。
【0039】しかも、カレントミラー回路なので、Q2
とQ3 のVbeの温度係数は互いに打ち消し合いQ2 とQ
3 を付加したことによる影響は考えなくても良いという
利点がある。なお、図3および図4に示したCR自励発
振回路63は、シグネティックス社(現フィリップス
社)のNE555などの同機能品に置き換えてもよい。
この例を図12(A)(B)(C)に示してあり、
(A)は図3と同様に動作し、(B)は温度補償コイル
が充放電の双方に関与するため温度変化による抵抗変化
の作用が(A)の回路の2倍得られ、(C)は図4と同
様に動作する。
【0040】以上のようにここでは電子レンジのターン
テーブル上の調理物の重量を検出する場合に適用した例
を示したが、このような実施例以外にもプリンタ等のス
テッピングモータのように負荷トルクを検出しながら駆
動電流を制御することが望ましい場合に用いても好適で
あるのはいうまでもない。
【0041】
【発明の効果】以上のように本発明は、負荷検出装置付
き同期モータにキャンセル巻きした温度補償用のコイル
を設け、このコイルの温度上昇による抵抗増加によっ
て、CR自励発振回路のコンデンサの充放電時間を延長
するように構成したので、温度変化による負荷検出信号
の周波数変化をきわめて小さくすることができる。しか
も、負荷検出にターンテーブルの軸方向変位等の機械的
変位検出を必要としないから、軸支持構成も複雑になら
ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における要部を表した図2の
A−A' 線に沿った横断面説明図である。
【図2】図1に表した同期モータの機構部を表した外観
斜視説明図である。
【図3】本発明の一実施例における負荷検出装置の信号
処理部を表した回路説明図である。
【図4】本発明の第2の実施例における負荷検出装置の
信号処理部を表した回路説明図である。
【図5】本発明の負荷検出装置付き同期モータを電子レ
ンジのターンテーブルに用いた実施例の概略構成図であ
る。
【図6】本発明の負荷検出装置付き同期モータにおける
負荷検出機構部の電気的等価回路図である。
【図7】図6に表した等価回路の電圧ベクトル図であ
る。
【図8】図6に示した等価回路において負荷トルクが変
化した場合の電圧ベクトルの変化を示すベクトル図であ
る。
【図9】キャンセル巻きの概観を示す説明図である。
【図10】外部磁場の影響を受けずに温度を検出するコ
イルの設置方法の説明図である。
【図11】温度補償コイルの変更例回路図である。
【図12】(A)(B)(C)本発明の他の実施例にお
ける負荷検出装置の信号処理部を表した回路説明図であ
る。
【符号の説明】
32 ターンテーブル 40 同期モータ 41 回転子 42 固定子 43 駆動コイル 44 固定子の櫛型磁極 45 温度補償用コイル 46 検出コイル 60 負荷検出回路 61 整流回路 62 平滑回路 63 CR自励発振回路 64 充電電流調整手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H02K 11/00 19/36 C

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固定子の駆動コイルから発生する交番磁
    場と、回転子の磁場との相互作用によって、上記回転子
    を駆動コイルの交番磁場に同期して回転させるようにし
    た同期モータの負荷を検出コイルで検出する負荷検出手
    段を有する同期モータの負荷検出装置において、上記検
    出コイルに隣接し、駆動コイルの交番磁場および回転子
    の磁場の誘導電流を相殺するように巻き回した温度補償
    コイルにより上記検出コイルの出力の温度による誤差を
    補償する温度補償手段を設けた同期モータの負荷検出装
    置。
  2. 【請求項2】 温度補償コイルを、上記交番磁場と回転
    子の磁場双方に鎖交しない位置に設けた請求項1記載の
    同期モータの負荷検出装置。
  3. 【請求項3】 温度補償コイルを、同形で逆方向の2つ
    のコイルとした請求項1記載の同期モータの負荷検出装
    置。
  4. 【請求項4】 温度補償コイルを、コイルと抵抗とで構
    成した請求項1記載の同期モータの負荷検出装置。
  5. 【請求項5】 温度補償コイルの抵抗値でCR自励発振
    回路の発振時定数を決めるコンデンサの充放電電流量を
    調整する温度補償手段を設けた請求項1、2、3または
    4記載の同期モータの負荷検出装置。
  6. 【請求項6】 温度補償コイルとCR自励発振回路との
    間にカレントミラー回路を接続した請求項5記載の同期
    モータの負荷検出装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105186791A (zh) * 2015-09-25 2015-12-23 南昌康富科技股份有限公司 一种具有运行记录及保护功能的发电机

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