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JP2009038851A - High-speed motor drive device - Google Patents

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JP2009038851A
JP2009038851A JP2007198541A JP2007198541A JP2009038851A JP 2009038851 A JP2009038851 A JP 2009038851A JP 2007198541 A JP2007198541 A JP 2007198541A JP 2007198541 A JP2007198541 A JP 2007198541A JP 2009038851 A JP2009038851 A JP 2009038851A
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JP
Japan
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speed
permanent magnet
motor
load
magnet type
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Application number
JP2007198541A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiromoto Shimaya
宏基 嶋屋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nishishiba Electric Co Ltd
Original Assignee
Nishishiba Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nishishiba Electric Co Ltd filed Critical Nishishiba Electric Co Ltd
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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

【課題】完全正弦波形の高周波電源を回転形周波数変換装置により発生させ、負荷機械と直結した永久磁石型高速電動機を高効率運転するとともに、負荷急変時でも脱調することなく安定した運転が可能な安価で簡単な構成の高速電動機駆動装置を提供する。
【解決手段】商用電源1もしくはインバータ9により運転される電動機3と、この電動機に機械的に直結した多極形高周波発電機4と、この高周波発電機による高周波電源により運転され負荷機械を駆動する永久磁石型高速電動機7とから構成され、負荷変動が生じる負荷特性の場合には必要に応じて前記永久磁石型電動機の速度信号により前記高周波発電機の界磁磁束を調整する速度制御信号フィードバック回路10を付加した高速電動機駆動装置である。
【選択図】図8
[PROBLEMS] To generate a high-frequency power supply with a complete sine waveform by a rotary frequency converter, and to operate a permanent magnet type high-speed motor directly connected to a load machine with high efficiency, and to enable stable operation without step-out even when sudden load changes. A low-cost and simple configuration high-speed motor drive device is provided.
An electric motor 3 operated by a commercial power source 1 or an inverter 9, a multipolar high frequency generator 4 mechanically coupled directly to the electric motor, and a load machine driven by a high frequency power source by the high frequency generator. A speed control signal feedback circuit which is composed of a permanent magnet type high speed motor 7 and adjusts the field magnetic flux of the high frequency generator according to the speed signal of the permanent magnet type motor as required in the case of load characteristics that cause load fluctuations. 10 is a high-speed motor drive device to which 10 is added.
[Selection] Figure 8

Description

本発明は電動機を高周波電源にて高速回転運転する電動機駆動装置に関する。   The present invention relates to an electric motor drive device that rotates an electric motor at high speed with a high frequency power source.

商用電源により電動機を駆動する場合、最大回転数は3000min−1、または3600min−1が限度である。しかし負荷用途、例えばスクリュー空気圧縮機、エレベータ巻上機、電気自動車等では上記回転数以上で回転する電動機が要求される場合がある。またガスタービン発電装置では機械的減速機を省略して数万min−1のタービン軸に直結する発電機や、ギァーレス風車発電機、ミニ水力発電機の分野でも超高速発電機が開発され実用化しつつある。これはマイクロコンピュータによるディジタル制御技術の開発と、永久磁石型同期機の開発と実用化に負うところが大きい。 When driving the electric motor by the commercial power supply, the maximum rotational speed 3000 min -1, or 3600 min -1 is the limit. However, in load applications, such as screw air compressors, elevator hoisting machines, electric vehicles, etc., an electric motor that rotates at the above rotation speed may be required. In gas turbine generators, ultra-high-speed generators have been developed and put into practical use in the fields of generators directly connected to the turbine shaft of tens of thousands of min -1 without mechanical speed reducers, gearless wind turbine generators, and mini hydroelectric generators. It's getting on. This largely depends on the development of digital control technology using a microcomputer and the development and practical application of a permanent magnet type synchronous machine.

一般に回転体の回転数と出力の関係は周知のように次式で表される。   In general, the relationship between the rotational speed of the rotating body and the output is expressed by the following equation as is well known.

P=1.207nT×10−3
ただし P;出力[kW]、n:回転数[min−1]、T:負荷所要のトルク[kg−m]
ポンプやファンのように負荷トルクが回転数の2乗に比例する場合は、
P=K×10−3
ただしKは定数
となり、また所要トルクが回転数に比例する負荷、例えば電動発電セット等では、
P=K×10−3
ただしKは定数
で表わされ、回転数の2乗もしくは3乗に比例して出力が増加する。逆に同一出力では高速回転機の場合は大幅な小型化が計られ省資源に有効である。
P = 1.207 nT × 10 −3
Where P: output [kW], n: number of revolutions [min −1 ], T: torque required for load [kg-m]
When the load torque is proportional to the square of the number of revolutions like a pump or fan,
P = K 1 n 3 × 10 −3
However, K 1 is a constant, and for a load whose required torque is proportional to the rotational speed, such as a motor generator set,
P = K 2 n 2 × 10 −3
However K 2 is represented by a constant, the output in proportion to the square or cube of the rotational speed is increased. On the other hand, with the same output, a high-speed rotating machine is greatly reduced in size and effective in saving resources.

このためには商用周波数以上の周波数を如何にして発生するかがポイントとなる。このため電動機を2極機、発電機を4極機として100/120Hzの電力を発生する数千kW級の電動発電装置が実用化されている。しかし、これ以上の周波数になると回転機の遠心力による機械的強度及び振動等に問題があり、回転機による誘導−同期、同期−同期周波数変換装置では100/120Hz以上の周波数電源を得ることは難しい。   For this purpose, the point is how to generate a frequency higher than the commercial frequency. For this reason, motor generators of several thousand kW class that generate electric power of 100/120 Hz using a two-pole motor and a four-pole generator have been put into practical use. However, if the frequency is higher than this, there is a problem in mechanical strength and vibration due to the centrifugal force of the rotating machine, and inductive-synchronous and synchronous-synchronous frequency converters using a rotating machine cannot obtain a frequency power source of 100/120 Hz or higher. difficult.

一方、半導体とその制御系の技術進歩により静的に高周波電源を得ることは可能であり、過去にインバータと誘導電動機による数万回転の超高速電動機駆動装置が試作されたが、電源の波形歪のために温度上昇や騒音が大きく、実用化には至らなかった。したがって正弦波形の出力が可能な半導体による静止型周波数変換装置ではもはや困難であり、回転式周波数変換装置が必要となる。したがって超高速電動機が必要な場合には増速ギァーを取り付けて使用しているが、価格・保守・寸法・騒音等の点で満足できるものではない。   On the other hand, it is possible to obtain a static high-frequency power supply by technological advances in semiconductors and their control systems. In the past, prototypes of ultra-high-speed motor drives with tens of thousands of revolutions using inverters and induction motors have been developed. For this reason, the temperature rise and noise were large, and it was not put to practical use. Therefore, it is no longer difficult with a stationary frequency converter using a semiconductor capable of outputting a sine waveform, and a rotary frequency converter is required. Therefore, when an ultra-high speed motor is required, a speed increasing gear is attached and used, but it is not satisfactory in terms of price, maintenance, dimensions, noise, and the like.

一方、磁気軸受あるいは空気軸受、比較的強大な磁力の永久磁石材料、非常に強大な遠心力に耐える金属材料と加工技術と相俟って、永久磁石型電動機が実用化されるようになった。   On the other hand, combined with magnetic bearing or air bearing, permanent magnet material with relatively strong magnetic force, metal material that can withstand extremely strong centrifugal force and processing technology, permanent magnet type electric motor has come into practical use. .

周波数変換装置と永久磁石型電動機との組合せにより、この問題を解決しようとする従来技術の一例とし特許文献1がある。次にこの従来例を、図9を参考して説明する。   There exists patent document 1 as an example of the prior art which is going to solve this problem by the combination of a frequency converter and a permanent magnet type motor. Next, this conventional example will be described with reference to FIG.

図9において、負荷転流型インバータ20からの電源で運転されるサイリスタモータ21と、サイリスタモータ21と機械的に直結されて駆動される永久磁石発電機22と、永久磁石発電機22による発電電力によって運転され負荷機械8を駆動する永久磁石型高速電動機7とから構成されており、制御回路は永久磁石型高速電動機7の回転数を測定する位置検出器23と、永久磁石型高速電動機7の回転速度を検出して速度フィードバック信号を出力する速度検出回路24と、速度フィードバック信号及び予め定めた速度基準信号とから負荷転流型インバータ20の電流基準信号を出力する速度制御回路25と、永久磁石発電機22の出力電力及び位置検出器23の出力信号との位相を比較する位相比較回路26と、位相を比較して負荷転流型インバータ20の電流基準補正信号と、負荷転流型インバータ20を制御するインバータ制御回路27からの電流フィードバック信号とからインバータ制御回路27の位相基準信号を出力する電流制御回路28で構成されたことを特徴とする電動機駆動装置である。   In FIG. 9, a thyristor motor 21 that is operated by a power source from a load commutated inverter 20, a permanent magnet generator 22 that is mechanically directly connected to the thyristor motor 21, and power generated by the permanent magnet generator 22. The permanent magnet type high-speed motor 7 is driven by the permanent magnet type high-speed motor 7 and is driven by the position detector 23 for measuring the rotational speed of the permanent magnet type high-speed motor 7 and the permanent magnet type high-speed motor 7. A speed detection circuit 24 that detects the rotational speed and outputs a speed feedback signal; a speed control circuit 25 that outputs a current reference signal of the load commutated inverter 20 from the speed feedback signal and a predetermined speed reference signal; The phase comparison circuit 26 that compares the phases of the output power of the magnet generator 22 and the output signal of the position detector 23 is compared with the load comparator. The current control circuit 28 outputs the phase reference signal of the inverter control circuit 27 from the current reference correction signal of the inverter 20 and the current feedback signal from the inverter control circuit 27 that controls the load commutation inverter 20. An electric motor drive device characterized by the above.

上記特許文献1では、高周波電源を供給する電源装置として界磁磁束の調整が不可能な永久磁石型発電機を使用している。またこの構成では、永久磁石型電動機の負荷が変動した時に制御が不安定にならないように、複雑な検出回路と制御回路が必要であり、構成機器が煩雑で数多くなっている。さらに一般的には高価な永久磁石型発電機と永久磁石型電動機の2台が必要であり、設備費が高価であるという問題点もある。   In the above-mentioned Patent Document 1, a permanent magnet generator that cannot adjust the field magnetic flux is used as a power supply device that supplies high-frequency power. Also, with this configuration, a complicated detection circuit and control circuit are necessary so that the control does not become unstable when the load of the permanent magnet type motor fluctuates, and the number of constituent devices is complicated. Further, generally, two expensive permanent magnet type generators and permanent magnet type electric motors are necessary, and there is a problem that the equipment cost is high.

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、複雑な制御回路を必要とせず、且つ2台の永久磁石型回転機を必要とした従来の構成を1台の永久磁石型発電機で実現可能な安価で簡素な構成の高速電動機駆動装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and does not require a complicated control circuit, and realizes a conventional configuration requiring two permanent magnet type rotating machines with one permanent magnet type generator. An object of the present invention is to provide a high-speed electric motor drive device having a possible low-cost and simple configuration.

本発明は上記の目的を達成するために、商用電源あるいはインバータで運転される汎用電動機と、この汎用電動機と機械的に直結されて駆動されるクローポール多極型高周波発電機と、このクローポール多極型高周波発電機の界磁磁束を調整する制御装置と、前記クローポール多極型高周波発電機による発電電力により運転され負荷機械を駆動する永久磁石型高速電動機と、負荷特性により必要によって付加する永久磁石型高速電動機の回転子位置検出器及びこの回転子位置検出器に接続されて永久磁石型発電機の界磁コイル電流を制御する装置を具備する高速電動機駆動装置である。   In order to achieve the above object, the present invention provides a general-purpose electric motor operated by a commercial power source or an inverter, a claw-pole multipolar high-frequency generator mechanically connected to the general-purpose electric motor, and the claw-pole. A control device that adjusts the field magnetic flux of the multipole high-frequency generator, a permanent magnet high-speed motor that is driven by the power generated by the claw pole multipole high-frequency generator and drives the load machine, and is added depending on the load characteristics. And a device for controlling a field coil current of the permanent magnet generator connected to the rotor position detector of the permanent magnet type high speed motor.

本発明では汎用電動機と高周波発電機とからなる回転型周波数変換装置を使用することで、商用電源から容易に完全正弦波形の高周波電源を得ることが可能である。高周波発電機を電動機で駆動する回転形周波数変換装置は過去から電力用、通信用で実用化されており、例えばアレキサンダーソン(Alexanderson)発電機を使用した周波数変換装置では、500kVA−20,000Hzの装置があったが、本発明ではアレキサンダーソン発電機のように複雑な構造ではなく、安価で頑丈なクローポール高周波発電機を採用することにより、完全正弦波形の高周波電源を容易に、且つ比較的安価な設備費で得ることができる。   In the present invention, it is possible to easily obtain a high frequency power supply having a complete sinusoidal waveform from a commercial power supply by using a rotary type frequency converter comprising a general-purpose motor and a high frequency generator. Rotational frequency converters that drive a high-frequency generator with an electric motor have been put into practical use for power and communication since the past. For example, in a frequency converter using an Alexanderson generator, 500 kVA-20,000 Hz. Although there was a device, in the present invention, by adopting an inexpensive and sturdy claw pole high frequency generator instead of a complicated structure like an Alexanderson generator, a high frequency power supply with a complete sine waveform can be easily and relatively It can be obtained at low equipment costs.

さらに上記高周波電源で運転される高速電動機も現在実用化されている永久磁石型電動機とすることにより、数万回転の高速運転が可能となり、負荷変動時でも標準的な制御回路により容易に応答することができ、また必要に応じてこの電動機の速度制御も可能な高速電動機駆動装置を得ることができる。
特開平5−84000号公報
Furthermore, the high-speed motor operated by the high-frequency power source is a permanent magnet type motor that is currently in practical use, so that high-speed operation of several tens of thousands of revolutions becomes possible, and even when the load fluctuates, it responds easily with a standard control circuit. In addition, a high-speed electric motor drive device capable of controlling the speed of the electric motor as required can be obtained.
JP-A-5-84000

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1の高速電動機駆動装置を示したものであり、商用電源1から開閉装置2を介して電動機3に電力を供給する。電動機3は誘導電動機でも同期電動機でも可能であるが、同期電動機は一般的ではなく高価であるため、汎用電動機としての誘導電動機で充分である。ただし誘導電動機の場合は回転数がすべり分だけ同期速度から減少し、その分だけ高周波発電機の出力周波数が減少するが、この僅かの周波数の減少分が負荷機械側の許容範囲内にあれば誘導電動機を使用するほうがコスト的には有利である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a high-speed electric motor drive apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, in which electric power is supplied from a commercial power source 1 to an electric motor 3 through an opening / closing device 2. The electric motor 3 can be either an induction motor or a synchronous motor. However, since the synchronous motor is not general and expensive, an induction motor as a general-purpose motor is sufficient. However, in the case of induction motors, the number of rotations decreases from the synchronous speed by the amount of slip, and the output frequency of the high-frequency generator decreases by that amount, but this slight decrease in frequency is within the allowable range on the load machine side. It is advantageous in terms of cost to use an induction motor.

電動機3はクローポール多極型高周波発電機4と機械的に直結される。ここでクローポール多極型高周波発電機の構造は図2に示すようにクローポール形回転子11と、爪状磁極12と、界磁コイル13と、固定子コイル14とから構成されている。このクローポール型高周波発電機では界磁コイル13は静止しており、また回転部は爪状磁極12のみであるから堅牢である。また界磁コイル13の励磁電力を制御装置6によって調整することにより、クローポール多極型高周波発電機の発電電力の値を調整することが可能である。   The electric motor 3 is mechanically directly connected to the claw pole multipolar high frequency generator 4. Here, the structure of the claw-pole multipole type high-frequency generator includes a claw-pole rotor 11, a claw-shaped magnetic pole 12, a field coil 13, and a stator coil 14, as shown in FIG. In this claw-pole type high frequency generator, the field coil 13 is stationary and the rotating part is only the claw-shaped magnetic pole 12, so that it is robust. Further, by adjusting the exciting power of the field coil 13 by the control device 6, it is possible to adjust the value of the generated power of the claw pole multipole type high frequency generator.

このクローポール多極型高周波発電機4で発生した高周波電力は、開閉器5を介して負荷機械8と直結している永久磁石型高速電動機7に供給される。いま、商用電源が50Hz、電動機3が2極機とすると電動機3の回転数は3000min−1であり、これと直結されている高周波発電機の極数が20極であれば500Hz、50極であれば1250Hzの完全正弦波形の高周波電力が永久磁石型高速電動機7に供給されることになる。 The high frequency power generated by the claw pole multipole type high frequency generator 4 is supplied to a permanent magnet type high speed motor 7 directly connected to a load machine 8 via a switch 5. If the commercial power supply is 50 Hz and the motor 3 is a two-pole machine, the rotation speed of the motor 3 is 3000 min −1. If the number of poles of the high-frequency generator directly connected thereto is 20, the frequency is 500 Hz and 50 poles. If there is, high frequency electric power having a complete sinusoidal waveform of 1250 Hz is supplied to the permanent magnet type high speed electric motor 7.

この高周波電源で運転される永久磁石型高速電動機7は、図3に示すように通常の同期電動機とは異なり、高速回転するシャフト71に円筒型回転子72を取り付け、この表面を磁化した表面永久磁石73の型と、電機子内に永久磁石74を埋め込んだ埋め込み磁石型とがある。従って電機子は非凸極形で超高速回転に耐える構造となっている。   As shown in FIG. 3, the permanent magnet type high-speed motor 7 operated by this high-frequency power source is different from a normal synchronous motor in that a cylindrical rotor 72 is attached to a shaft 71 that rotates at a high speed, and this surface is magnetized. There are a type of magnet 73 and an embedded magnet type in which a permanent magnet 74 is embedded in an armature. Therefore, the armature has a non-convex pole shape and can withstand ultra high speed rotation.

この永久磁石型高速電動機7の発生トルクは、
T=Iφsinθ………………(1)
で表わされる。ただしI軸は図4に示すように固定子回転磁界で、反時計方向に同期速度nで回転している回転磁界である。またφ軸は永久磁石回転子による界磁軸であり、遅れ角θでI軸に同期して回転する。θはI軸電流と回転子磁軸との間の位相角である。
The torque generated by the permanent magnet type high-speed motor 7 is
T = Iφsinθ ……………… (1)
It is represented by However I axis in the stator rotating field, as shown in FIG. 4, a rotating magnetic field which rotates at a synchronous speed n 0 in the counterclockwise direction. The φ axis is a field axis formed by a permanent magnet rotor and rotates in synchronization with the I axis at a delay angle θ. θ is the phase angle between the I-axis current and the rotor magnetic axis.

式(1)から永久磁石型高速電動機7が無負荷の時はθ=0、負荷が増大してθ=90°以上では電動機の最大トルクを超えるので脱調することになる。   From equation (1), when the permanent magnet type high-speed motor 7 is not loaded, θ = 0, and when the load increases and θ = 90 ° or more, the maximum torque of the motor is exceeded, and the step-out occurs.

また電動機k同期速度n
=120f/P………………(2)
ただしPは極数、fは電源周波数である。この場合回転子の位置を検出しない運転(オープンループ駆動)では(1)式から電流I、したがって電圧Vを増加しても平均速度は一定でトルクのみが増加し、式(2)から電源周波数fを変更することのみで回転数が変わる。この部分の速度−トルク特性は図5のようになる。
The motor k synchronization speed n 0 is n 0 = 120 f / P (2)
Where P is the number of poles and f is the power supply frequency. In this case, in the operation without detecting the rotor position (open loop drive), the average speed is constant and only the torque increases even when the current I, and hence the voltage V, is increased from the equation (1). The rotational speed changes only by changing f. The speed-torque characteristics of this part are as shown in FIG.

オープンループ駆動の場合は、負荷の変動で(1)式の位相角θが周期的に変動するので、平均速度が一定でも回転ムラが発生したり、温度上昇が大となることがあるので高効率運転には適さないことがある。しかし負荷の変動がほとんど無いような場合には、図1に示す構成で若干の負荷変動に対してはクローポール高周波発電機4の界磁磁束制御装置6により発電出力、すなわち電流Iを調整して永久磁石電動機7のトルク制御により運転することが可能である。   In the case of open loop drive, the phase angle θ in equation (1) fluctuates periodically due to load fluctuations. Therefore, even if the average speed is constant, rotation unevenness may occur and the temperature rise may increase. It may not be suitable for efficient operation. However, when there is almost no load fluctuation, the power generation output, that is, the current I is adjusted by the field magnetic flux control device 6 of the claw pole high frequency generator 4 for the slight load fluctuation in the configuration shown in FIG. The permanent magnet motor 7 can be operated by torque control.

したがって厳密な制御を必要とせず、負荷変動が少ない負荷の高速駆動には対しては図1に示す実視形態1では、最もコストが低く、且つ簡素な構成で従来実現が難しかった高速電動機駆動装置が提供できる。   Therefore, for high-speed driving of a load that does not require strict control and has a small load fluctuation, the high-speed motor driving that is the lowest cost and has been difficult to realize in the past with the simple configuration in FIG. A device can be provided.

(実施形態2)
上記の実施形態1では比較的安定した負荷変動が少ない場合に適するが、負荷変動が大きく急変するような場合には脱調することがあり好ましくない場合もある。そのため実施形態2では負荷が急変しても運転が続行できるように、永久磁石型高速電動機7に回転子位置検出回路を設ける。この実施形態2を図1及び図2と同一部分に同一番号で示す図6で説明する。
(Embodiment 2)
The first embodiment is suitable when the load variation is relatively stable, but may be undesirably out of step when the load variation changes greatly. Therefore, in the second embodiment, a rotor position detection circuit is provided in the permanent magnet type high-speed motor 7 so that the operation can be continued even if the load changes suddenly. The second embodiment will be described with reference to FIG. 6 in which the same parts as those in FIGS.

実施形態2では図9に示した公知例と同様に永久磁石型高速電動機7の回転子位置をホール素子などで検出し、式(1)のθ=90゜となる位置にホール素子を配置し、ホール素子の出力で永久磁石型高速発電機の界磁コイル電流を制御して運転することにより、電動機の発生トルクを常に最大とし高効率運転を行うものである。   In the second embodiment, the rotor position of the permanent magnet type high-speed motor 7 is detected by a hall element or the like as in the known example shown in FIG. 9, and the hall element is arranged at a position where θ = 90 ° in the equation (1). By operating by controlling the field coil current of the permanent magnet type high speed generator with the output of the Hall element, the generated torque of the motor is always maximized and high efficiency operation is performed.

位置検出器23を設けることにより、速度−トルク特性は電流と磁束の位相が固定されるため、永久磁石型高速電動機7に印加される電圧をV、固定子コイルの抵抗をR、誘起電圧をE、流入電流をI、回転子の回転速度をNとすれば、
V=RI+E
E=K
T=K
T=K(V−KN)/R……………(3)
ただしK、Kは比例定数である。
By providing the position detector 23, the phase of the current and magnetic flux is fixed in the speed-torque characteristics. Therefore, the voltage applied to the permanent magnet type high-speed motor 7 is V, the resistance of the stator coil is R, and the induced voltage is If E, the inflow current is I, and the rotational speed of the rotor is N,
V = RI + E
E = K 1 N
T = K 2 I
T = K 2 (V−K 1 N) / R (3)
However, K 1 and K 2 are proportional constants.

式(3)を縦軸に速度N、横軸にトルクTをとり、印加電圧Vをパラメータとして速度−トルク特性を表すと図7のようになる。すなわち図7である時点での負荷トルクがTのとき速度を一定にして運転するためには速度を検出し、それが一定となるように印加電圧Vを調整すれば良い。具体的にはクローポール型多極高周波発電機の界磁磁束制御装置6を速度信号により所要の電圧に調整すれば良い。 FIG. 7 shows the speed-torque characteristics with the expression (3) representing the speed N on the vertical axis and the torque T on the horizontal axis and the applied voltage V as a parameter. That is the load torque at the time is 7 detects the speed to drive in a constant speed when the T 1, it may be adjusted the applied voltage V to be constant. Specifically, the field magnetic flux control device 6 of the claw pole type multipole high frequency generator may be adjusted to a required voltage by a speed signal.

もし負荷が急に増加して、図7のトルクTになったとすると、その回転数NはNに減少する。この速度を元の速度Nに戻すためには印加電圧をVにすることになるが、クローポール多極型高周波発電機4の界磁磁束を制御装置6により発電電圧を上昇させればよい。また逆に負荷が減少してトルクがTになった場合は負荷電動機の回転数がNまで上昇するので、クローポール多極型高周波発電機4の制御装置6により発電電圧を減少すればよい。 If the load suddenly increases and reaches the torque T 2 in FIG. 7, the rotational speed N 1 decreases to N 2 . In order to return this speed to the original speed N 1 , the applied voltage is set to V 2. If the field flux of the claw pole multipole type high frequency generator 4 is increased by the controller 6, the generated voltage is increased. Good. Conversely, when the load decreases and the torque reaches T 3 , the rotational speed of the load motor increases to N 3, so if the generated voltage is reduced by the control device 6 of the claw pole multipole high frequency generator 4. Good.

このように実施形態2では、永久磁石型高速電動機7の回転速度を位置検出器23により検出し、速度検出回路24から速度信号を得て、負荷の大小にかかわらず回転速度が一定となるようにクローポール多極型高周波発電機4の界磁制御装置へのフィードバック信号として発電電圧を制御するため、実施形態1に比べて負荷に応じた電流で運転することになるから、高効率運転が可能となり、また負荷変動が生じやすい負荷の場合でも脱調の問題も発生することは無い。   As described above, in the second embodiment, the rotational speed of the permanent magnet type high-speed electric motor 7 is detected by the position detector 23, the speed signal is obtained from the speed detection circuit 24, and the rotational speed becomes constant regardless of the magnitude of the load. In addition, since the generated voltage is controlled as a feedback signal to the field control device of the claw pole multipole type high frequency generator 4, operation is performed with a current corresponding to the load as compared with the first embodiment, so that high efficiency operation is possible. In addition, the problem of step-out does not occur even in the case of a load in which load fluctuation is likely to occur.

(実施形態3)
上記の実施形態1及び2の場合では、クローポール多極型高周波発電機4を駆動する電動機3は定速回転速度のため、高周波発電機の出力周波数は常に一定である。したがって永久磁石型高速電動機7の回転数は常に定速回転速度である。しかし負荷によっては可変則が必要な場合もあり、多極高周波発電機4の出力周波数を可変としなければならない。しかし一般に可変速度電動機を実現するためには従来例の図9に示すように負荷電流型インバータ20とサイリスタモータ21とで構成しているが、前述したように制御回路が複雑で高価であり、実用化が難しい。
(Embodiment 3)
In the case of Embodiments 1 and 2 described above, the motor 3 that drives the claw-pole multipolar high-frequency generator 4 has a constant rotational speed, so that the output frequency of the high-frequency generator is always constant. Therefore, the rotational speed of the permanent magnet type high-speed motor 7 is always a constant speed. However, a variable law may be necessary depending on the load, and the output frequency of the multipolar high-frequency generator 4 must be variable. However, in general, in order to realize a variable speed motor, the load current type inverter 20 and the thyristor motor 21 are configured as shown in FIG. 9 of the conventional example. However, as described above, the control circuit is complicated and expensive. It is difficult to put to practical use.

そのため本発明の実施形態3では、一般に販売され各分野で使用されている汎用インバータを使用してクローポール多極型高周波発電機4の可変周波数を実現する構成とする。実施形態1及び2と同一部分を同一番号で示した図8で説明するが、実施形態1及び2での構成と同様な部分は説明を省略する。   Therefore, in the third embodiment of the present invention, a variable frequency of the claw pole multipole type high frequency generator 4 is realized by using a general-purpose inverter that is generally sold and used in various fields. Although the same parts as those in the first and second embodiments are described with reference to FIG. 8, the same parts as those in the first and second embodiments are not described.

負荷機械8が負荷の性質として可変則を要求する場合はインバータ9により駆動電動機3の回転数を制御する。そのため直結されているクローポール多極型高周波発電機4の回転数も変化して、f=nP/120の関係式においてnが変化するので出力周波数も変化する。そのため前記の式(2)から明らかなように永久磁石型高速電動機7の回転数が無段階に調整可能となる。オープンループ式運転時には図5に示すように同一負荷でも回転数が変化し、比較的負荷変動が少ない負荷機械の場合は負荷機械の回転数を無段階で制御することが可能となる。また比較的負荷変動が大きい負荷の場合は実施形態2で説明した永久磁石型高速電動機7の速度信号をフィードバックすることにより、負荷の急激な変化が生じても脱調すること無く安定した運転を継続することができると共に、負荷の回転速度を容易に制御することが可能である。   When the load machine 8 requires a variable law as a property of the load, the rotation speed of the drive motor 3 is controlled by the inverter 9. Therefore, the rotation speed of the claw pole multipole type high frequency generator 4 directly connected also changes, and since n changes in the relational expression of f = nP / 120, the output frequency also changes. Therefore, as apparent from the above formula (2), the rotational speed of the permanent magnet type high-speed motor 7 can be adjusted steplessly. As shown in FIG. 5, during the open-loop operation, the rotational speed changes even with the same load. In the case of a load machine with relatively little load fluctuation, the rotational speed of the load machine can be controlled steplessly. In the case of a load with a relatively large load fluctuation, the speed signal of the permanent magnet type high-speed motor 7 described in the second embodiment is fed back, so that stable operation can be performed without stepping out even if a sudden change in the load occurs. It is possible to continue and to easily control the rotation speed of the load.

なお、図8で速度制御信号をフィードバックする速度制御信号フィードバック回路10は負荷特性により取捨選択した方がコスト的に有利である。   Note that the speed control signal feedback circuit 10 that feeds back the speed control signal in FIG. 8 is more cost-effective if it is selected according to the load characteristics.

本発明の実施形態1を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows Embodiment 1 of this invention. 本発明の構成要素であるクローポール多極型高周波発電機の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the claw pole multipolar type | mold high frequency generator which is a component of this invention. 本発明の構成要素である永久磁石型高速電動機の回転子の種類を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the kind of rotor of the permanent magnet type | mold high-speed electric motor which is a component of this invention. 本発明の構成要素である永久磁石型高速電動機のトルク発生機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the torque generation mechanism of the permanent magnet type | mold high-speed electric motor which is a component of this invention. 本発明の実施形態1を説明するための永久磁石型高速電動機の速度−トルク特性図である。It is a speed-torque characteristic view of a permanent magnet type high-speed motor for explaining Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態2を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2を説明するための永久磁石型高速電動機の速度−トルク特性図である。It is a speed-torque characteristic view of a permanent magnet type high-speed electric motor for explaining Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施形態3を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows Embodiment 3 of this invention. 従来の高速電動機駆動装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the conventional high-speed motor drive device.

符号の説明Explanation of symbols

1. 商用電源
2. 開閉装置
3. 電動機
4. クローポール多極型高周波発電機
5. 開閉装置
6. 界磁磁束制御装置
7. 永久磁石型高速電動機
8. 負荷機械
9. 汎用インバータ
10. 速度制御信号フィードバック回路
11. クローポール形回転子
12. 爪状磁極
13. 界磁コイル
14. 固定子コイル
20. 負荷転流形インバータ
21. サイリスタモータ
22. 永久磁石発電機
23. 位置検出器
24. 速度検出回路
25. 速度制御回路
26. 位相比較回路
27. インバータ制御回路
28. 電源制御回路
71. シャフト
72. 円筒形回転子
73. 表面永久磁石
74. 埋込永久磁石
1. Commercial power
2. Switchgear
3. Electric motor
4. Claw pole multipole type high frequency generator
5. Switchgear
6. Field flux controller
7. Permanent magnet type high speed electric motor
8. Load machine
9. General-purpose inverter
10. Speed control signal feedback circuit
11. Claw pole type rotor
12. Claw-shaped magnetic pole
13. Field coil
14. Stator coil
20. Load commutated inverter
21. Thyristor motor
22. Permanent magnet generator
23. Position detector
24. Speed detection circuit
25. Speed control circuit
26. Phase comparison circuit
27. Inverter control circuit
28. Power control circuit
71. Shaft
72. Cylindrical rotor
73. Surface permanent magnet
74. Embedded permanent magnets

Claims (3)

商用電源等で運転される電動機と、この電動機に機械的に直結された多極型高周波発電機と、この高周波発電機で発電される高周波電源により運転され負荷機械を駆動する永久磁石型高速電動機とから構成される高速電動機駆動装置。   An electric motor driven by a commercial power source, a multipolar high-frequency generator mechanically connected to the electric motor, and a permanent magnet type high-speed electric motor driven by a high-frequency power source generated by the high-frequency generator to drive a load machine A high-speed electric motor drive device comprising: 請求項1に記載の高速電動機駆動装置において、永久磁石型電動機の速度信号を多極型高周波発電機の界磁制御装置へフィードバック信号とすることにより、負荷変動時でも脱調することなく安定した運転を可能とする高速電動機駆動装置。   The high-speed motor drive device according to claim 1, wherein the speed signal of the permanent magnet type motor is used as a feedback signal to the field control device of the multi-pole type high frequency generator, so that stable operation can be performed without stepping out even when the load fluctuates. A high-speed electric motor drive device that makes it possible. 請求項1及び請求項2に記載の高速電動機駆動装置において、多極型高周波発電機を駆動する電動機をインバータを介して可変速運転して、永久磁石型電動機の可変速制御を可能ならしめることを特徴とする高速電動機駆動装置。   3. The high-speed motor driving device according to claim 1, wherein the motor for driving the multi-pole type high-frequency generator is operated at a variable speed through an inverter to enable variable speed control of the permanent magnet type motor. A high-speed electric motor drive device characterized by the above.
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