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JP5329411B2 - 同期式電気機械の制御 - Google Patents

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JP5329411B2
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Description

本発明は交流駆動同期モータに関する。
特に、本発明は交流(AC)駆動式同期モータに関する。
同期モータはAC電源周波数と正確に比例する走行速度を有するモータとして、あるいは、モータの逆EMFと同期する電流の波形によって駆動されるモータとしてのいずれかで定義できる。後者の定義は、効率性の理由のために、電気的あるいは他の制御によってAC供給に固定された少なくともいくつかのAC供給型ブラシレス式のDCモータを具えている。
AC駆動型の同期モータは、駆動周波数に依存する回転速度に固定されるため、一定速度の駆動を要求する給電機械の有効かつ公知の方法である。モータ速度が同期速度に近くならない限り、言い換えれば、同期速度が低くならない限り、単方向の起動トルクがないため、このようなモータを起動することは難しい。
一般的にこのことは、低速度でモータを起動可能な様々な周波数の電源の使用、つまり、起動トルクを供給する別のモータ(少なくとも部分的に同一の巻線を用いた誘導モータのような)との前記モータとの組合せ、あるいは初期移動を提供し次いで単一方向のみに移動可能にするいくつかの機械デバイスの使用のいずれかを表している。多くに共通する特徴が同期モータに対する起動方向を決めることにおける困難性であるが、後者の例は様々なクラッチ及び弾き起動器を具えており、いずれの回転方向にも等しく良く固定される。
いくつかの解決は、別個の起動巻線を用いる米国特許第5,859,513号に、及び、機械的な逆方向保護を用いる米国特許第4,716,325号に示されている。米国特許第3,529,221はモータを起動するのにスイッチされる巻線を有する、くま取り磁極モータを示し、方向及びトルクの起動の制限された制御を提供している。これらのモータの性能は要求の少ないアプリケーションの狭い範囲でのみ良好であり、構成が複雑である。
供給周波数に固定するモータを提供する他の方法は、機械回転子の回転を検出するホール効果センサと、必要な情報をモータに与え、主電源に対する回転を固定するコントローラとを有する一般的な多相インバータ駆動装置であるブラシレス式DCモータの使用を含んでいる。このようなモータは駆動及び制御に費用がかかる。
従って、過度の機械的又は電気的な複雑性なく起動し、AC電源に同期する回転速度に到達しそれを維持する同期モータを提供する問題に対する解決に対するニーズは存在する。
本発明は従来技術を超える利点を提供し、あるいは公衆に有用な選択を少なくとも提供する、この問題及び他の問題に対する解決を提供している。
本明細書中に引用された任意の特許あるいは特許出願を含む総ての文献は、引用によってここに取り込まれている。どの文献も従来技術を構成するという承認がなされていない。文献の考察は、その著者が主張すること及び出願者が権利を受けて、引用文書の精度及び適切度を検証することを述べている。多数の従来技術の刊行物がここに引用されているが、この引用はこれらの文書のいずれかがニュージーランド内あるいはその他の国内で当該技術分野の共通の汎用知識の一部を形成するという承認を構成しないことを理解すべきである。
用語「具える(comprise)」は、変化する支配権の下で、排他的あるいは包括的な意味のいずれかで属性づけできることが認容される。本明細書の目的のために、及び、特に断りのない限り、用語「具える(comprise)」は包括的な意味を有すべきであり、すなわち、直接的に引用する列挙された構成要素だけではなく、他の特定されない構成要素又は要素の包括を意味するように取られるであろう。用語「具える(comprise)」あるいは「具えている(comprising)」が方法あるいは処理において1又はそれ以上のステップに関連付けて用いられる場合にも、この原理は用いられる。
ここで用いられた用語「モータ位相(motor phase)」は、モータに印加されるAC電圧とモータによって精製される逆起電力(EMF)との間の位相角である。この値は通常、いずれのモータ構成についても、回転子位置と印加されるAC電圧との間の位相とほぼ等価である。
一具体例においては、本発明は、極を有する回転子と固定子とを具える、同期動作可能な単相式交流駆動モータを起動及び制御する方法からなり、前記固定子が極ごとに少なくとも1の励磁コイルの巻線を有し、
回転方向に該モータを起動するために、交流電流の供給源から、極の励磁コイルの巻線のうち、前記極の励磁コイルの巻線の残余部分と分離した少なくとも一部を通して、前記交流電流の供給源と同期するスイッチング手段で該モータに、正弦波単相式のスイッチングした交流電流を供給するステップと;
前記回転方向が異常となる時を検出し、前記交流電流の供給源を切断し、前記モータが停止するのを可能にするステップと;
必要な前記回転子の位置を回転子の所望の位置と比較して連続的に決定するステップと;
前記極の励磁コイル又はコイルの一部のうちの少なくとも1つが、励磁された場合に前記回転子を前記所望の位置方向に誘導するように、前記回転子に加速トルクを供給できる時を検出するステップと;
前記交流電流の供給源から加速トルクを提供できる前記極の前記励磁コイル又はコイルの一部に供給電流を接続し、同期回転速度に向けて前記回転子を加速する加速トルクを提供できる少なくとも一部の期間に前記供給電流を接続することによって、前記回転子を前記所望の位置方向に加速するか、あるいは前記モータを回転子の選択した位置に対応する回転子の所望の位置で維持するステップと;
によって、前記極の励磁コイル又はコイルの一部への供給電流の接続を制御するステップと;
を具え、各々の極の励磁コイルの巻線の、各々の極の励磁コイルの巻線の残余部分から分離した一部、及び極の励磁コイルの巻線全部に対する前記モータのトルクは、前記一部の回転位置でのトルクが前記極の励磁コイルの巻線全体のものと異なるように、前記スイッチングした交流電流の供給源を制御することによってに制御されている。
好ましくは、前記極の励磁コイルの別個の部分は前記回転子が回転している際に、異なる位相角で逆EMFを提供する。
好ましくは本方法は、前記回転子と生成される磁場とが平行になるまで極の励磁コイル又はコイルの一部に印加される供給電流を維持することによって、前記回転子を初期調整するステップを具えている。
好ましくは本方法は、前記コイルの逆EMF及び交流の前記供給電流の電圧の双方が同相である少なくとも一部の期間に、極の励磁コイル又はコイルの組合せに前記交流電流の供給源を接続するステップを具え、前記一部の期間が前記モータの速度、前記モータの所望の速度、前記回転子の位置、及び前記回転子の所望の位置に依存するコイル又はコイルの組合せに供給電流を一時的に提供するステップによって、ランダムな方向に前記モータを起動させるステップを具えている。
好ましくは、1以上のコイルが加速トルクを前記回転子に供給できる時を検出するステップが:
少なくとも1の極の励磁コイル又はコイルの組合せでの逆EMFを検出するステップと;
前記モータに印加される交流の前記供給電流の電圧を検出するステップと;
前記交流の供給電流の電圧が前記逆EMFと同一極性である時を検出するステップと;
を具えている。
好ましくは、交流の前記供給電流がスイッチング手段を介したスイッチング方法で印加され、前記スイッチング手段がトライアックであり、当該トライアックのゲートの電圧が前記トライアックが非導電な時を決定するようにモニタされ、前記トライアックが非導電である場合に前記トライアックの電圧から得られる逆EMFを表わす値が前記トリアックのゲートから得られている。
好ましくは、前記モータの速度が前記交流の供給電流に対して同期速度である場合に、前記回転子の加速度が同期性を保持する最小値に維持されている。
好ましくは、前記励磁コイルの巻線の一部が同一の前記励磁コイルの巻線の異なるボビンにあることによって分離されている
別の具体例においては、本発明は固定子が少なくとも1の極を有し、励磁コイルの巻線が少なくとも2の別個のコイルの巻線の一部からなる、モータ用の単相式交流同期モータの制御回路からなり、前記単相式交流同期モータの制御回路が:
前記励磁コイルの巻線用の制御スイッチ及び該コイルの巻線のうちの少なくとも1のコイルの巻線の一部用の制御スイッチと;
前記モータで回転子の位置を決定し、動作電圧及び電流を制御するように;かつ
前記回転子の位置の、前記回転子の所望の位置からの差異を決定し、所望の位置方向に前記回転子を誘導すべくトルクを前記回転子に供給するように、前記制御スイッチによる正弦波の単相交流電流で前記コイルの巻線又はコイルの巻線の一部の環状の励磁を制御するように;
構成したコントローラと;
を具え、励磁コイルの巻線の各々の制御スイッチを通る電流が少なくとも回転子の位置で別個のコイルの巻線の一部用の制御スイッチと異なるトルクを生成できる。
好ましくは、前記制御スイッチが少なくとも2の隣接したコイルを別個にスイッチングしている。
好ましくは、前記制御スイッチには制御機構があり、前記制御スイッチが導電されていないことを、制御スイッチの1の制御接続での測定値が示す場合に、前記コントローラが前記制御スイッチで測定されるような逆EMFを比較している。
本発明を特徴付ける同様の利点のこれらの及びその他の特徴は、以下の詳細な説明を読むこと、及び関連する図を見ることで明らかとなるであろう。
図1は、モータ配置の一般的な投射図である。 図2は、図1のモータで用いるための回路のブロック図である。 図3は、図2の回路駆動に好適なフロー図である。 図4は、方向決定のための巻線の逆EMFの比較を示す。 図5は、巻線により発生したトルクを示す。 図6は、低速でのモータ電流の制御を示す。 図7は、高速でのモータ電流の制御を示す。 図8は、同期時の回路電流及び電圧を示している。 図9は、負荷トルクに対する供給トルクのグラフである。
図1によると、同期モータは一般的に磁極片101と磁石102とを有する回転子からなり、回転子の駆動軸や被駆動連結は図示されていない。
固定子102は、積層鋼材のような円環状磁性部材である地鉄105と巻線されたボビン103、104からなり、ボビンはモータの各極上に巻線を形成し、ボビンはボビン103の第1の巻線とボビン104の第2の巻線を形成し、巻線は全体で固定子の全周縁に内在していない。各側にあるボビン上の巻線は一般的には、総ての4つのボビンに沿って連続的に巻かれた単一電線からなるが、ボビンの両側板上の溝に配置されたタップポイントに延在される。タップポイントは各対のボビン間にあるか、1のタップポイントのみが、ボビン103、104間に配置されて存在するかである。一般的には単相機器の各極上にある巻線は120乃至135度で内在する。
単相AC電源は、モータの各側上にあるボビンに接続され、異なる巻線部分を通る電流が位相制御されて単方向トルクを提供する一方、モータは同期速度未満となる。このことにより、AC電源周波数に対する回転子速度の検出と、同期速度と異なる速度に依存した、一部分の巻線における電流制御とが要求している。多くの可能な巻線接続を用いて、要求される制御を提供できる。
図2に示したような回路は、交流電流の供給源201が巻線204及び205に接続された場合に用いられ、総ての巻線103が一般的に直列であり、総ての巻線104が直列である場合の巻線103及び104を表わしている。204t0205との間の巻線タップはトライアック207と接続され、巻線の接続端はトライアック206と接続されている。
213、214を介した印加AC電圧を供給し測定するマイクロプロセッサ制御212は、AC電圧の位相と、結線210を介したタッピングポイントでの電圧と、結線211を介したエンドポイントでの電圧と、結線208、209を介した各トライアックのゲートでの電圧とに基づき、既知の方法でソフトウェア制御下のトライアックの点孤角を制御している。
結線210、211はトライアックがオンになった場合にトライアックを横切る電圧を、及び、トライアックがオフになった場合に逆EMFをモニタしている。逆EMFの検出によって、回転子が印加電圧に応じて回転しているかどうかと、どのような回転速度かと、回転子位置が巻線とどのように関連しているかとを測定できる。選択的に逆EMFは、トライアックのゲート電圧がトライアックがオフであることを示す場合に、測定できる。
この情報を用いて、まず既知の位置に非回転の回転子を配列させ(通常は双方の巻線を軽く励磁してそれらの間に回転子を中央配置することにより)、次いで巻線の2分の1を励磁して所望の方向に初期の回転子回転を起動し、次いでコイルの周期性励磁を制御して回転子が同期速度になるまで回転子より早い回転磁界を維持することにより、回転子を進めることが可能である。
標準的な同期モータは回転子が90度まで回転磁界に遅れるまで負荷され、その時点で最大トルクを提供する。その時点を越えて負荷を増大させるどんな試みも、モータに同期性を失って低下させ、停止させるであろう。逆EMFを感知することによって、回転遅れの検出と個別の巻線の制御とを、90度以上の遅れ因子と上手く同期する回転子を維持することを可能にするため、2つの巻線の制御された磁界を用いて、90度の遅れを超えることは可能である。
図3は、(a)モータを正確な方向に回転させ起動することと、(b)モータを同期速度まで至らせることと、(c)変化する負荷の下で、モータを同期して維持することと、に関する3の動作領域から本質的に成るマイクロコントローラのフロー図を示している。
初期にスイッチオンされた場合、モータは任意の位置に配列でき、コイルが励磁されるとすぐに、いずれかの方向に回転できる。正確な方向での回転のみが許容されることを保証するために、ステップ301で開始する手順がまず生じる。この手順は1の要求された静止位置への初期配列とは異なり、代わりに一方向にシステムをランダムに励磁している。これはコイル204及び205(フロー図、及び、直列接続でABを有する図におけるそれぞれBとA)を励磁することから成るプロセスを用い(フロー図においてはそれぞれBとA、直列接続でABを用いた図)、このようにして図2でのコイル205が単独で提供できるよりも高いアライメント電流を提供する。短期間の励磁のみがステップ302に提供され、結果としてコイル205(B)を横切る逆EMFは303、304で測定されて、励磁の方向を決定している。
図4はどのようにしてこの測定が実行されるかを示し、初期機動力がモータに供給された場合の、Aを横切る相対的に正規化された逆EMF401が403に、結線ABを横切るものが404に示されている。電圧403の位相が404より進む場合、モータは一方向に回転する。遅れる場合、モータは他方向に回転する。
逆EMFの検出を可能にするのに十分な速度で回転子を回転するのに、数周期の印加電流を要求するが、一度測定できた場合、進むか遅れるかを決定すること、ひいては、305での回転方向を決定することが可能である。回転方向が不適切な場合、プログラムは301にループバックし、短期の待機後、本質的にランダムに励磁電圧を更に印加する。このプロセスによって、モータが適切な方向に最終的に起動するようになる。
この時点で、ステップ306で起動された手順が実行され、Bのコイルを横切るEMFが更に306で測定され、回転子位置が印加電圧と検出電圧との間の位相差から307で算出され、回転子速度が印加電圧の連続周期での回転子位置の差から308で算出される。309での位置の無変化及び零速度の検出は、モータが止まっているため、全手順が301から再開され、そうでない場合は、速度が311で同期速度未満であると認識された場合、Aコイルを用いた手順は305へ再入力される。
図5は、標準的な同期モータと異なるモータが、どのようにして低速度からでも連続トルクを生成するかを示している。図は504でのA巻線及び503でのAB列の巻線のトルク寄与に対するモータの機械的回転についてプロットして、501で正規化トルクを示している。角巻線に対するトルクが回転ごとの2つの零の点を通過する間に、結線は回転中ずっと適切なトルクを生成しており、モータが零に近い回転速度からの負荷を伝えることができることを示している。
最終的に、回転子は同期速度に到達し、更に回転位置及び速度が、コイルBを横切って、あるいは、電圧が印加されない場合のA+Bの直列結線を横切って取得される逆EMFから算出される、312で起動される手順に切り替わる。回転子位置から、どの程度、回転子が同期時の所望の回転子位置と位相のずれがあるかを決定できる。この位相誤差は印加トルクを増減させ、回転子を所望の位置まで戻させるような方法で、コイルに印加される電圧の点孤角を変えることによって補正される。
本方法において、モータは選択された出力速度で設定でき、印加したACと実際に同期したか否かに関わらず、その速度で維持できる。更に位相進みあるいは遅れは、少なくともある角度で制御されて、最大限可能な効率性を提供している。
同期未満の回転子速度では、トライアックが各々の連続的な周期セットの回転子の回転時に同一時点でトリガできるため、回転子の回転ごとのAC周期の数は、磁極の数によって割り算された整数である場合、回転子はトライアックあるいは同様にトリガされるスイッチング装置によって最も容易に制御される。制御が最も簡単に得られる回転速度は従って全同期速度の1/5、1/4、1/3、2/5、1/2、2/3等である。マイクロプロセッサは、回転子を全同期速度にさせる、このような数列を通って増大するように配置できる。
図6は同期未満の速度で十分に生成されたトルクを示し、601で測定された印加電圧602と、603で巻線Aを横切る逆EMFと、巻線Aを通る電流でスイッチすることによって生成される604で測定されるトルク605とを示している。トライアック206、207を制御するプロセッサは、適切な方向のトルクが得られた場合に、適切なもののスイッチを入れ、即時印加電圧及び即時逆EMFに与え。このように、ゼロクロススイッチングが用いられるため、時間通りの実際のスイッチは理論的な最大値より低いが、印加電圧及び逆EMFが同一の極性の場合はいつでも、関連するコイルに対するトライアックは有用にオンにスイッチできる。
図7は図6と同一の読取り値であるが、2倍のモータ回転速度について、つまり2000RPMでの読取り値を示している。印加AC及び逆EMFが比較的長い間、位相のずれを残す場合、トルクを生成する機会は低減することが留意すべきである。従って、このことにより、モータが速度上昇する場合に、起動トルクと比較してトルクの低減を生ずるであろう。
逆EMFが印加電圧より進む場合の標準的な同期モータとは対照的に、501で測定され、502で示されたAC電源がモータに印加されて、印加電圧に遅れる巻線ABを通る逆EMF503を生成する場合の同調性の一般波形を図8は示している。同期速度より早くモータを動作させることが可能であるため、点孤時間を制御することによってトライアックを通る電流が制御されて、同期状態でモータを維持するのに要求されるトルクを提供している。有用な動作特徴は、最小電力が電源供給線から得られてAC電源と同期してモータを維持するモードで、モータが維持できることである。印加電圧と90度の位相遅れで、最大トルク及び効率を提供し、負荷が増大した場合に同期せずに低減して、再起動を要求する一般的な同期モータと比較して、本発明のモータは負荷増大時に同期速度まで元通りに制御することだけを要求し、効率性のために要求された位相進み又は遅れで維持できる。波形は進み位相角を有するモータを示している。
図9は一般的なファンの負荷について負荷トルクに対するモータトルクの一般的な変化を示している。401では、ニュートンメータでのトルクが、403で巻線Aに対し、404で巻線Bに対し示され、双方が増加する回転速度402と共に減少することを示している。負荷ファンによって吸収されるトルクは、405で示され、印加トルクと吸収トルクとの間の平衡が、最終的に安定した動作速度を提供している。
示されたモータは2極モータであるが、この技術は多極モータにも適用でき、増加するタップ数に対する更なるスイッチング装置を有するコントローラのみを要求する。アプリケーションに依存して、単一の極又は1対の極の上にある1対のコイルのみが、起動トルクが非常に小さい場合に起動巻線として設定されるに必要があるため、総ての巻線が制御するには及ばない。
この記載は制御されたコイルを担持する固定子についてであるが、構成は制御回路及び制御されたコイルを担持する回転子に対して等しく適用可能である。
本発明の様々な実施例の数多くの特徴及び利点が、構成の詳細及び本発明の様々な実施例の機能と共に前述において説明してきたが、本開示は例示のみであり、本発明の機能が不利に与えられない限り、変化は詳細に為されうる。例えば、モータの極の数のような特定の要素は、本発明の精神及び範囲内で変更なく用いられる特定のアプリケーションに依存して変更できる。
更に、ここに述べた好ましい実施例は低電力流体ポンプのようなシステム用途の交流電流同期モータに向けられているが、本発明の教示が本発明の範囲及び精神を離れることなく、工業用ファンモータのような他のシステムに適用できることは、当該技術分野の当業者にとって明らかである。
本発明のモータは電気産業分野で用いられ、一般的には例えば、流体ポンプ又はファンモータとして国内ホワイトウェア産業に用いられる。従って本発明は産業上利用可能である。

Claims (7)

  1. 極を有する回転子と固定子とを具える、同期動作可能な単相式交流駆動モータを起動及び制御する方法であって、前記固定子が極ごとに少なくとも1のコイルの巻線を有し、各極のコイルの巻線は巻線部分を形成する少なくとも第1の巻線と少なくとも第2の巻線とを有しており、当該方法は、
    前記モータを起動するために、スイッチング装置を用いて、少なくとも1の巻線部分を通って周期的に励磁する交流電流を供給するステップと;
    前記コイルの巻線部分の少なくとも1つが前記回転子に適切な方向のトルクを供給できる時を検出するステップと;
    前記回転子の位置を連続的に特定するステップと;
    前記回転子を完全同期速度にするために、
    前記スイッチング装置を介して前記交流電流の供給源から1または複数の巻線部分へと供給電流を接続し、前記コイルの1または複数の巻線部分に印加する電圧の点弧角を変化させて印加トルクを増加または減少させることにより、前記モータを同期速度へと制御する、あるいは前記モータを選択した出力速度に調整するステップ;
    によって、前記巻線部分への、前記スイッチング装置を介する前記コイルの巻線部分の周期性励磁を制御するステップと;を具え、
    前記モータのトルクは、各コイルの巻線の巻線部分へと供給する交流電流の周期性励磁を制御し、前記回転子が所望の回転子の位置に維持されるような交流電流周期の周期性励磁の時間で前記コイルまたはコイルの一部を動作させることによって制御されることを特徴とする方法。
  2. 請求項1に記載の方法が、磁極の数によって割り算された回転子の回転毎のAC周期の数が整数である一連の回転子速度を経て、前記回転子の速度を増大させるステップを含むことを特徴とする方法。
  3. 請求項1に記載の方法が、適切な方向のトルクを得た場合に、前記交流電流の供給源を極のコイルの巻線又はコイルの巻線部分の組合せに接続し、即時印加電圧および即時逆EMFを与えるステップを含むことを特徴とする方法。
  4. 請求項1に記載の方法において、前記コイルの巻線又はコイルの巻線部分がトルクを前記回転子に供給できる時を検出するステップが:
    少なくとも1の極のコイルの巻線又はコイルの巻線部分の組み合わせでの逆EMFを検出するステップと;
    前記モータに印加される交流の供給電流の電圧を検出するステップと;
    前記交流の供給電流の電圧が前記逆EMFと同一極性である時を検出するステップと;
    を具えることを特徴とする方法。
  5. 請求項1に記載の方法において、前記交流の供給電流がスイッチング装置を介し印加され、前記スイッチング装置がトライアックであり、当該トライアックのゲートの電圧が前記トライアックが非導電な時を決定するようにモニタされ、前記トライアックが非導電である場合に前記トライアックの電圧から得られる逆EMFを表わす値が前記トライアックのゲートから得られることを特徴とする方法。
  6. 請求項1に記載の方法において、前記モータの速度が前記交流の供給電流に対して同期速度である場合に、前記モータの動力が同期性を保持する最小値に維持されることを特徴とする方法。
  7. 固定子が少なくとも1の極を有し、巻線部分を形成する少なくとも第1の巻線と少なくとも第2の巻線とを有する少なくとも1のコイルの巻線からなるモータ用の単相式交流同期モータの制御であって、前記単相式交流同期モータの制御が:
    前記コイルの巻線部分の、第1の巻線用の制御スイッチング装置および第2の巻線用の制御スイッチと;
    前記モータで回転子の位置を特定、電圧及び電流を制御するように;かつ
    前記回転子を完全同期速度にするために、前記コイルの巻線部分の少なくとも1つが前記回転子に適切な方向のトルクを供給できる時を特定するよう構成された回路であって、
    特定された前記回転子の位置から、前記回転子が所望の回転子の位置に維持されるように、各コイルの巻線のそれぞれの巻線部分へと供給する交流電流の周期性励磁を制御することによって、前記回転子のトルクを増加または減少させる回路と;
    を具えていることを特徴とする単相式交流同期モータの制御
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