JP2009038851A - 高速電動機駆動装置 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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_１ｎ^３×１０^−３
ただしＫ_１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_２ｎ^２×１０^−３
ただしＫ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（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。

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。

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。

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。

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_０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。

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。

また電動機ｋ同期速度ｎ_０は
ｎ_０＝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。

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。

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。

（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。

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。

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_１Ｎ
Ｔ＝Ｋ_２Ｉ
Ｔ＝Ｋ_２（Ｖ−Ｋ_１Ｎ）／Ｒ……………（３）
ただしＫ_１、Ｋ_２は比例定数である。

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_１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。

もし負荷が急に増加して、図７のトルクＴ_２になったとすると、その回転数Ｎ_１はＮ_２に減少する。この速度を元の速度Ｎ_１に戻すためには印加電圧をＶ_２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_３になった場合は負荷電動機の回転数がＮ_３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。

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。

（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。

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。

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。

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。

本発明の実施形態１を示す回路図である。 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。 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。 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。 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。 本発明の実施形態２を示す回路図である。 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。 本発明の実施形態３を示す回路図である。 従来の高速電動機駆動装置を示す回路図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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