(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の巻線を備えた第１の物体と、第２の巻線および整流器を備えた第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との相対位置を検知する位置検知手段と、前記第１の巻線の電流を開閉制御するインバータと、高周波発振回路と、直流電源とを備え、前記インバータは、前記位置検知手段の出力信号に対応する所定の導通期間に前記直流電源から前記第１の巻線に横軸電流を流すとともに、前記導通期間外の所定期間に前記高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から前記第１の巻線に供給し、第２の物体は、前記第１の巻線との磁気結合により発生した第２の巻線の高周波の起電力を前記整流器により整流してほぼ直流の励磁電流を流し、前記励磁電流による界磁と前記横軸電流とにより第１の物体との間に機械力を発生する動力発生装置。
【請求項２】
第１の物体は、電気角１２０度ごとに配設された３つの巻線からなる３相巻線を第１の巻線として備え、インバータは、２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路の両端を直流電源に接続するとともに前記スイッチング素子の共通接続点を対応する巻線に接続し、位置検知手段の出力信号に対応して前記巻線ごとに電気角１２０度の導通期間に前記直流電源から横軸電流を流して回転磁界を発生させるとともに前記導通期間の前後でそれぞれ電気角６０度の期間に高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から流すようにした請求項１記載の動力発生装置。
【請求項３】
インバータは、起動時には位置検知手段の出力信号に関わらず、３相巻線の全ての巻線に高周波の直軸電流を継続して流すようにした請求項１または請求項２のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項４】
位置検知手段は、第１の物体に取り付けたホール素子と、第２の物体に取り付けた永久磁石とにより構成された請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項５】
第２の物体は永久磁石を備え、第２の巻線の励磁電流による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と第１の巻線の横軸電流とにより機械力を発生する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の動力発生装置を備えた全自動洗濯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や産業用に使用され、回転運動または直線運動を行う動力発生装置と、家庭用などに使用される全自動洗濯機とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の動力発生装置について図面を参照しながら説明する。図７は従来の動力発生装置の構成を示す回路図である。図７において、第１の物体１を構成する固定子と、第１の物体１の内側に回転自在に設けた第２の物体２を構成する回転子と、磁極の位置を検知する位置検知手段３と、位置検知手段３の出力信号に対応して第２の物体２の回転を制御する制御回路４と、制御回路４の出力信号により第２の物体２を回転させるインバータ５とを備えている。
【０００３】
第１の物体１は、珪素鋼板などを積層して構成した鉄心６と、鉄心６に設けたスロットに巻回した３相巻線７を構成する巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗと、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗとを備えている。なお、巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗは、いずれも２分割して対向するスロットに直列に巻回され、３相巻線７を構成するように電気角１２０度ずつ離れた位置に配置されている。第２の物体２は、磁性体８と、磁性体８の表面に設けた一対の永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂと、出力軸１０とを備えている。永久磁石９ａは磁性体８の表面にＮ極が外側になるように接着され、永久磁石９ｂは磁性体８の表面にＳ極が外側になるように接着されている。巻線７ｕ〜巻線７ｗは、制御回路４の制御のもとにインバータ５により開閉駆動されている。
【０００４】
また、商用電源１１と、商用電源１１を全波整流する整流回路１２と、その出力を波形成形するフィルタ回路１３とにより直流電源１４を構成している。整流回路１２はダイオードブリッジで構成され、また、フィルタ回路１３はチョークコイル１５と電解式の平滑コンデンサ１６とで構成され、整流回路１２の出力をリプルの少ない、ほば完全な直流に波形成形している。
【０００５】
インバータ５は、スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路と、スイッチング素子１７ｖとスイッチング素子１８ｖとの直列回路と、スイッチング素子１７ｗとスイッチング素子１８ｗとの直列回路とで構成される。スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路における共通接続点は対応する巻線７ｕに接続されている。他の直列回路についても同様である。なお、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗにはそれぞれダイオードを逆方向に並列接続して備えている。
【０００６】
制御回路４は、論理回路１９と駆動回路２０とを備え、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗのゲート端子はすべて駆動回路２０に接続されている。位置検知手段３は、第１の物体１と第２の物体２との間の空隙部に設けたホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗによって構成され、ホール素子３ｕ〜３ｗには集積回路を併用したホールＩＣを使用し、第２の物体２が回転運動するときに永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂの位置を検知しており、Ｎ極と対向している状態ではＨＩＧＨの論理を出力し、Ｓ極と対向している状態ではＬＯＷの論理を出力する。制御回路４は、位置検知手段３の出力信号を入力してスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗを順次に開閉駆動することにより第２の物体２を回転させる。
【０００７】
上記構成における動作について説明する。図８は上記従来例の動作を示す波形図である。図８において、（ア）はホール素子３ｕの信号波形、（イ）はホール素子３ｖの信号波形、（ウ）はホール素子３ｗの信号波形、（エ）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（キ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（ク）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（ケ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【０００８】
論理回路１９は、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ〜３ｗの３つの出力信号を論理演算することにより、インバータ５を構成する６個のスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗを駆動するＨＩＧＨとＬＯＷの信号を生成し、駆動回路２０は、この信号がＨＩＧＨの場合には対応するスイッチング素子をオンとし、また、ＬＯＷの場合にはオフとする。
【０００９】
ここで、論理回路１９の遅れ時間については、ホール素子３ｕ〜３ｗから入力する信号の周期に比べて極めて短い高速のロジック回路、たとえば、ＴＴＬやＣＭＯＳロジック回路などを使用することにより、ホール素子３ｕ〜３ｗの出力信号の立ち上がりのエッジまたは立ち下がりのエッジと、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗの駆動信号の立ち上がりまたは立ち下がりのエッジとの時間差は、数十〜数百nsecと短く、現実的には、図８に示したように、ほば同時にスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗが切り替えられうようになっている。
【００１０】
以上の制御により、第１の物体１に設けた３相巻線７の巻線７ｕ、巻線７ｖ、および巻線７ｗに順次に電流が流れ、この電流によって第２の物体２を構成する永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂとの間に機械力が発生し、図７に示した状態では反時計方向にトルクが発生する。このトルクを出力軸１０を介して外部の負荷に供給している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の動力発生装置では、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとを使用して界磁を与えているので、巻線７ｕ〜７ｗと鎖交する磁束値が固定されており、直流電動機と同様の特性を実現しようとする場合には、速度制御を行うための方法として分巻直流電動機でよく使用される励磁電流による磁束値制御が不可能であり、もっぱら電圧制御（ＰＷＭによる実効入力電圧の加減、静止形レオナード方式、ＰＷＭ制御など）による速度制御を行うこととなる。この場合、速度制御の範囲が制限されて、無負荷速度が固定され、たとえば、高速域で電圧を目一杯に上げても前記無負荷速度以上での力行運転が不可能となると言う問題がある。
【００１２】
なお、第２の物体２に励磁巻線を設け、その電流を加減することにより磁束量を可変とする方法も存在していたが、その場合にはスリップリングとブラシとの接触を介して前記励磁巻線に電流を供給する必要があり、寿命の点で問題がある。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するもので、スリップリングとブラシとを備えない構成で第２の物体に設けた励磁巻線に励磁電流を供給するとともに、その電流を制御できるようにした動力発生装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、第１の巻線を備えた第１の物体と、第２の巻線および整流器を備えた第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との相対位置を検知する位置検知手段と、前記第１の巻線の電流を開閉制御するインバータと、高周波発振回路と、直流電源とを備え、前記インバータは、前記位置検知手段の出力信号に対応する所定の導通期間に前記直流電源から前記第１の巻線に横軸電流を流すとともに、前記導通期間外の所定期間に前記高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から前記第１の巻線に供給し、第２の物体は、前記第１の巻線との磁気結合により発生した第２の巻線の高周波の起電力を前記整流器により整流してほぼ直流の励磁電流を流し、前記励磁電流による界磁と前記横軸電流とにより第１の物体との間に機械力を発生する動力発生装置である。
【００１５】
本発明により、第２の物体の第２の巻線に、スリップリングおよびブラシを介さずに、界磁電流を供給することができる。また、直軸電流の大きさを制御することにより界磁電流を制御でき、直流電動機のような制御も可能となる。
【００１６】
請求項２に係わる本発明は、第１の物体は、電気角１２０度ごとに配設された３つの巻線からなる３相巻線を第１の巻線として備え、インバータは、２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路の両端を直流電源に接続するとともに前記スイッチング素子の共通接続点を対応する巻線に接続し、位置検知手段の出力信号に対応して前記巻線ごとに電気角１２０度の導通期間に前記直流電源から横軸電流を流して回転磁界を発生させるとともに前記導通期間の前後それぞれ電気角６０度の期間に高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から流すようにした請求項１に係わる動力発生装置である。
【００１７】
本発明により、第１の物体を３相巻線を備えた固定子とし、第２の物体を第２の巻線と整流器とを備えた回転子として構成し、前記３相巻線に直流電源から供給した直軸電流により前記第２の巻線に発生した誘導電力を前記整流器で整流して界磁電流とし、この界磁電流と３相巻線の横軸電流とにより機械力を発生して回転する電動機を実現することができる。
【００１８】
請求項３に係わる本発明は、インバータは、起動時には位置検知手段の出力信号に関わらず、３相巻線の全ての巻線に高周波の直軸電流を継続して流すようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００１９】
本発明により、第２の巻線に誘導電力をあらかじめ発生させてその整流電流により界磁を与えるので、容易に起動することができる。
【００２０】
請求項４に係わる本発明は、位置検知手段は、第１の物体に取り付けたホール素子と、第２の物体に取り付けた永久磁石とにより構成された請求項１ないし請求項３のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００２１】
本発明により、第２の物体の第１の物体に対する相対的な位置を容易に検知することができる。
【００２２】
請求項５に係わる本発明は、第２の物体は永久磁石を備え、第２の巻線の励磁電流による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と第１の巻線の横軸電流とにより機械力を発生する請求項１ないし請求項４のいずれかに係わる動力発生装置である。
【００２３】
本発明により、第２の物体は永久磁石によりつねに界磁を与えているので、起動が容易であり、また、界磁電流の不足を補うこともできる。
【００２４】
請求項６に係わる本発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた全自動洗濯機である。
【００２５】
本発明により、直流電動機のように制御し易い電動機を備えた全自動洗濯機を提供することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明において、横軸電流は、位置検知手段の出力に対応して直流電源から第１の巻線に流す駆動用の電流である。通常の電動機ではこの横軸電流のみを供給している。直軸電流は、高周波で断続する電流であり、高周波発振回路の出力信号に同期して直流電源から前記第１の巻線に電流を断続して流す。前記横軸電流および前記直軸電流はいずれもインバータを介して前記第１の巻線に供給するが、前記直軸電流は前記横軸電流の通電期間外の所定期間に通電する。また、第２の物体に第２の巻線と整流器とを設け、前記第１の巻線との磁気結合により発生した高周波の誘導起電力を前記整流器で整流し、前記第２の巻線にほぼ直流の電流を流す。これを励磁電流とし、それによる界磁と前記第１の巻線の電流とにより機械力を発生させる。実施例においては、高周波の周波数を５ＫＨｚとし、直軸電流のデューティを５０％とした。また、整流器にはシリコンダイオードを用いるがこれに限定されるものではない。前記直軸電流の大きさを加減、たとえば前記デューティを変えることにより、前記第２の巻線に流れる電流値を変化させることが可能となることにより、従来の永久磁石によって固定であった磁束量を可変として、広範囲の速度制御を容易に実現する動力発生装置を提供することができる。
【００２７】
請求項２に係わる本発明において、第１の巻線は電気角１２０度ごとに巻線を配設した３相巻線とし、インバータは２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路における２つのスイッチング素子の共通接続点をそれぞれ対応する巻線に接続し、直列回路の両端は直流電源に接続した構成とする。この構成は通常のインバータの構成と同等である。この場合、インバータは電気角１２０度の導通期間に横軸電流を流し、その前後にそれぞれ電気角６０度の期間に直軸電流を流す。これにより、第２の巻線には３相巻線における３つの巻線のいずれかから必ず誘導起電力を発生し、界磁電流が途切れることなく流れる。前記高周波電流成分の量を加減することにより、従来国定であった磁束量を可変として、広範囲の速度制御が可能となり、通常のインバータのように横軸電流をＰＷＭ制御する必要がなく、構成を簡単にできる。ただし、これには限定されない。
【００２８】
請求項３に係わる本発明において、起動時にはインバータは位置検知手段の出力信号に係わらず、すなわち横軸電流の導通期間外の制限なく、かつ所定期間の制限なく直軸電流を流す。これにより起動時には前記第１の物体と前記第２の物体の相対位置に関わらず、前記第１の巻線から磁気結合により、前記第２の巻線に高周波の起電力が発生し、前記整流器の作用によってほぼ直流の励磁電流が流れることから、起動特性の優れたものとなる。
【００２９】
請求項４に係わる本発明において、位置検知手段を第２の物体に取り付けた永久磁石と第１の物体に取り付けたホール素子によって構成する。これは従来手段の１つではあるが、駆動用の界磁を与えるため以外の永久磁石の役割を活かす手段となる。
【００３０】
請求項５に係わる本発明において、第２の物体に駆動用の界磁を与えるための永久磁石を備えるものであり、第２の巻線による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と横軸電流とにより機械力を発生させる。これは広範囲の速度制御と優れた起動特性とを備えた高効率な手段となる。
【００３１】
請求項６に係わる本発明において、全自動洗濯機は請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた構成とする。
【００３２】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の動力発生装置の実施例１について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１および請求項２に係わる。
【００３４】
図１は本実施例の構成を示す回路図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。また、第１の物体１、位置検知手段３、インバータ５、直流電源１４、論理回路１９の構成は従来例と同じとするが、これに限定されるものではない。
【００３５】
本実施例が従来例と異なる点は、第２の物体２の永久磁石９ａと永久磁石９ｂとに代えて、鉄心２１に巻回した第２の巻線２２と整流器２３とを備え、制御回路４は、インバータ５により３相巻線７に駆動電流を流すとともに、新たに備えた高周波発振回路２４による高周波電流をインバータ５を介して３相巻線７に流して第２の巻線２２に高周波電圧を誘起させ、整流器２３で整流した電流を第２の巻線２２に流して界磁を発生させ、前記界磁と３相巻線７の駆動電流とにより第２の物体２が回転するように制御することにある。
【００３６】
図１において、第１の物体１は、従来例と同様に、珪素鋼板などを積層して構成した鉄心６を備え、そのスロットには３相巻線７を構成する巻線７ｕ、７ｖ、および７ｗをそれぞれ６０゜ずつ離れた位置に巻回して備えるとともに、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗを備えている。
【００３７】
一方、第２の物体２は、珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１に、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂと、巻線２２ａおよび巻線２２ｂに接続した整流器２３と、出力軸１０とを備え、本実施例では整流器２３としてシリコンダイオードを用いている。
【００３８】
高周波発振回路２４は、５ＫＨｚでデューティが５０％の電圧信号を出力する。制御回路４は、論理回路１９と駆動回路２０とを備え、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗのゲート端子は、すべて駆動回路２０に接続されている。位置検知手段３は、第１の物体１と第２の物体２との間の空隙部に設けたホール素子３ｕ、ホール素子３ｖ、およびホール素子３ｗによって構成され、第２の物体２が回転運動するときに、ホール素子３ｕ〜３ｗはそれぞれＮ極と対向している状態においてはＨＩＧＨの論理を出力し、Ｓ極と対向している状態においてはＬＯＷの論理を出力する。
【００３９】
インバータ５は、位置検知手段３の出力信号を入力してスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをそれぞれ電気角１２０度の導通期間で巻線７ｕ〜７ｗに駆動電流（以下、横軸電流と称す）を供給するとともに、前記導通期間の前後のそれぞれ６０度の期間内で高周波発振回路２４の出力信号によってスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフすることにより高周波電流（以下、直軸電流と称す）を巻線７ｕ〜７ｗに供給する。これにより、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂには、巻線７ｕ〜巻線７ｗとの磁気結合による高周波の起電力が発生し、整流器２３によってほぼ直流の励磁電流が第２の巻線２２に流れ、前記横軸電流と前記励磁電流とによる機械カが発生する。
【００４０】
図２は、第２の物体２が１０００ｒｐｍで回転している場合の動作を示す波形図である。図２において、（ア）はホール素子３ｕの信号波形、（イ）はホール素子３ｖの信号破形、（ウ）はホール素子３ｗの信号波形、（エ）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（キ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（ク）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（ケ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【００４１】
図２においては、縦の破線の間隔は、電気角で６０度に相当する時間である１０mｓとなっている。（エ）〜（ケ）の波形が示しているように、各スイッチング素子はいずれも電気角１２０度に相当する２０mｓの期間にオン状態を保持するとともに、その前後のそれぞれ６０度に相当する１０mｓの期間においては、高周波発振回路２４の出力信号により、オンオフを５キロヘルツの周波数で繰り返す動作を行っている。さらに、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗによる直列回路、たとえば、スイッチング素子１７ｕとスイッチング素子１８ｕとの直列回路において、ゲートへのオン信号を交互に入力し、さらにスイッチング素子１７ｕおよびスイッチング素子１８ｕにおけるターンオフの遅れ時間における前記直列回路の短絡導通を避けるために、１０μSのデッドタイムを設けている。
【００４２】
図３は、本実施例の動力発生装置の電流と磁束とを示すベクトル図である。図３において、Ｉh は３相巻線７における直軸電流、Ｉq は３相巻線７における横軸電流、Ｉf は第２の巻線２２における励磁電流、Φは励磁電流Ｉf による磁束ベクトルを示す。なお、３相巻線７については第２の巻線２２に平行な導体、および磁束Φにより出力軸１０を中心とする最大のトルクを発生する位置にある導体のみを示している。本実施例では、直軸電流Ｉh の周波数は、１０００ｒｐｍの回転時における横軸電流Ｉq の基本周波数１６．６Ｈｚに対して十分に高い５ＫＨｚとしており、磁気結合により第２の巻線２２に誘起する高周波の誘導起電力の周波数もほぼ５ＫＨｚとなる。
【００４３】
第２の巻線２２に発生する高周波の誘導起電力は、整流器２３により一方向のみの電流に整流され、かつ第２の巻線２２が備えるインダクタンス分による平滑作用により、ほば直流に近い励磁電流Ｉf が第２の巻線２２に流れるようになる。この励磁電流Ｉf により、従来の駆動力発生装置における永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂと同様に磁束Φが発生するので、第２の巻線２２と横軸電流Ｉq を流している３相巻線７との間にトルクを発生する。
【００４４】
励磁電流Ｉf の大きさは、直流電源１４の出力電圧にほぼ比例する他に、高周波によりスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフしている期間のオン時間の比率にもよるので、オン時間の比率（デューテイ）を変化させることにより、励磁電流Ｉf の大きさを自在に変化させることができ、従来の励磁巻線で励磁する直流電動機と同様に、高速運転時に励磁電流を加減する制御も可能となり、速度可変範囲を拡大することができる。
【００４５】
第２の巻線２２の巻数については、使用する整流器２３の逆方向の耐圧と順方向電流の大きさとの組み合わせに関係するので、それを考慮して設計し、巻数を多くした場合には発生する電圧が大きくなって高耐圧小電流の整流器２３と整合し、また、逆に巻数を少なくした場合には発生する電庄は小さくなって低耐圧大電流の整流器２３と整合がとれたものとなる。
【００４６】
なお、本実施例では、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａと巻線２２ｂを出力軸１０を挟んで２つに分けて巻回したものを直列に接続しているが、このような構成に限定されるものではなく、巻数の設計と同様に、整流器２３との整合がとれるように、適宜に直列と並列を選定すればよい。また、整流器２３の数についても、本実施例では１個のみを接続しているが、たとえば、第２の巻線２２を複数個設けて、それぞれに整流器２３を設けてもよい。複数の整流器２３を使用する場合には、第２の物体２の回転に関して力学的にバランスが取れるように、出力軸１０を中心に等間隔の角度になるように設けることなども可能であり、これにより回転時の騒音および振動を抑制することもできる。
【００４７】
また、本実施例ではフィルタ回路１３により、直流電源１４からほば完全に近い直流電圧を供給しているが、フィルタ回路１３の平滑度を下げた場合にも、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを使用する従来の動力発生装置に対して性能を確保し易い効果がある。すなわち、フィルタ回路１３の平滑度が低い場合に発生する直流電源１４の出力電圧のリプルに同期して励磁電流の大きさが変動することにより、直流電源１４の電圧の瞬時値が低い時には、それにほば比例して励磁電流Ｉf も小さくなる。したがって、永久磁石９ａ〜９ｂを使用する従来の動力発生装置の場合に、誘導起電力が直流電源１４の電圧よりも大きくなる状態が発生せず、したがって、瞬時電圧が低い位相においても、かなりの電気パワーを供給することができるので、巻線７ｕ〜７ｗに流れる横軸電流のピーク値を抑えて効率を確保できるとともに、商用電源１１から見た力率を高くすることも可能となる。
【００４８】
なお、本実施例では横軸電流を流すために、スイッチング素子１７ｕ〜１８ｗはそれぞれ電気角１２０度に相当する期間でオン状態を続けているが、速度制御を行うために電気角１２０度の期間中にＰＷＭ制御などを行ってもよく、この場合には本実施例の効果である励磁電流Ｉf の加減による速度制御とＰＷＭ制御とを併用することにより、さらに速度制御範囲を広く取ることができるようになる。その場合には、直列接続されたスイッチング素子のうちの少なくとも一方について電気角１２０度の通電期間中にＰＷＭ制御を行うものとなる。
【００４９】
（実施例２）
以下、本発明の動力発生装置の実施例２について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３に係わる。なお、本実施例の構成は図１と同じとする。
【００５０】
本実施例が実施例１と異なる点は、インバータ５は、起動時においては位置検知手段３の出力信号に係わらず、高周波発振回路２４の出力信号によってスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフさせることにある。
【００５１】
上記構成における動作について説明する。図４は、本実施例における起動時の各スイッチング素子のゲート信号を示す波形図である。図４において、（ア）はスイッチング素子１７ｕへの信号波形、（イ）はスイッチング素子１７ｖへの信号波形、（ウ）はスイッチング素子１７ｗへの信号波形、（エ）はスイッチング素子１８ｕへの信号波形、（オ）はスイッチング素子１８ｖへの信号波形、（カ）はスイッチング素子１８ｗへの信号波形を示す。
【００５２】
起動時においては、図４に示したように、位置検知手段３の出力信号に関係なく５ＫＨｚの高周波の信号でスイッチング素子１７ｕ〜１８ｗをオンオフする。これにより、第１の物体１と第２の物体２との相対位置に係わらず、第２の巻線２２に高周波の誘導起電力が発生するので、横軸電流が供給されるまでに十分な励磁電流を確保でき、起動特性の優れた動力発生装置を得ることができる。
【００５３】
また、位置検知手段３については励磁電流が供給されるまでは安定な動作を行う必要がなくなることから、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを使用する従来例と同様に、ホール素子３ｕ〜３ｗを使用することが可能となり、磁気的に検知することにより光学式のように塵埃などによる劣化を心配する必要がなくなる効果もある。
【００５４】
（実施例３）
以下、本発明の動力発生装置の実施例３について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４および請求項５に係わる。
【００５５】
本実施例が実施例１ないし実施例２と異なる点は、第２の物体２が第２の巻線２２を備えるとともに、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂをも備えていることにある。
【００５６】
図５は、本実施例における第１の物体１と第２の物体２の構成を示す断面図である。第１の物体１は、アルミ製のハウジング２５にベアリング２６および２７と、珪素鋼板を積層して構成した固定子の鉄心６とを備え、第２の物体２は、珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１と、第２の巻線２２を構成する巻線２２ａおよび巻線２２ｂと、永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂとを備えている。また、位置検知手段３を構成するホール素子３ｕ〜３ｗは、永久磁石９ａの磁束と永久磁石９ｂの磁束とを検知することにより、第１の物体１と第２の物体２との相対位置を検知する。なお、ホール素子３ｕ〜３ｗは、増幅器を内蔵して一般にホールＩＣと称されるものを用い、プリント基板２８にハンダ付けして第１の物体１に固定している。また、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとにより発生する磁束も３相巻線７と鎖交する構成となっているため、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとによる磁束と第２の巻線による磁束との合成磁束と３相巻線７の電流とによって、第１の物体１と第２の物体２との間にトルクが発生する。なお、単に位置検知手段３を構成するためのみに第２の物体２に永久磁石９ａおよび永久磁石９ｂを設けることも可能である。
【００５７】
本実施例では、永久磁石９ａ〜９ｂによりあらかじめ磁束が与えられるため、インバータ５から高周波電流を供給しなくとも、ある程度のトルクが発生する。また、ホール素子３ｕ〜３ｗによる位置検知手段３の出力信号も停止状態から正常に機能する。大きい起動トルクが必要な場合には、高周波電流をあらかじめ供給して第２の巻線２２に励磁電流を流すことにより、両者の合成磁束が３相巻線７に作用して高トルク状態を実現することができる。
【００５８】
なお、本実施例では、永久磁石９ａ〜９ｂを珪素鋼板を積層して構成した鉄心２１上に貼り付けて構成したが、珪素鋼板ではなく、鋳鉄、削り出しや鍛造などによる部材などで構成してもよく、永久磁石９ａ〜９ｂの設け方についても鉄心２１の表面ではなく、鉄心２１の内部に埋め込んで構成してもよい。第２の巻線２２を鉄心２１内に埋め込んで構成した場合には、遠心力により永久磁石９ａ〜９ｂが飛散する心配が無くなる他に、インバータ５の制御を工夫することにより、直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差によるリラクタンストルクを活用することもできる。
【００５９】
また、本実施例では整流器２３によって整流された励磁電流による磁束は、永久磁石９ａと永久磁石９ｂとによる磁束と同極性で３相巻線７に鎖交する構成としているが、この極性に限るものではなく、永久磁石９ａ〜９ｂと逆極性の磁束が発生する方向に整流器２３を接続してもよい。この場合には、インバータ５から３相巻線７に直軸電流を供給したとき、第２の巻線２２には永久磁石９ａ〜９ｂによる磁束を等価的に弱める方向に電流が流れるので、トルク定数および発電定数がいずれも低下して高速運転が可能となる。したがって短時間だけ高速回転が必要となるような用途においては、その必要に応じて直軸電流をインバータ５から供給し、それ以外の大部分の期間については、永久磁石９ａ〜９ｂのみを使用して高効率に運転できるようにすることにより、エネルギーの利用効率が高い動力発生装置を実現することができる。
【００６０】
なお、図１ないし図５に示した動力発生装置における電動機はいずれも２極で構成しているが、とくに２極に限定するものではなく、他の４極、６極、８極などにしてもよく、また、いずれも回転運動を行いながら負荷に動力を供給する例を示したが、とくに回転運動に限定するものではなく、たとえば、一般にリニアモータと称される直線運動を行うものであってもよい。
【００６１】
（実施例４）
以下、本発明の全自動洗濯機の一実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。
【００６２】
図６は、本実施例の構成を示す断面図である。図６において、洗濯機外枠２９は４本の吊り棒３０により水受け槽３１を吊り下げており、洗濯兼脱水槽３２は、水受け槽３１内に回転自在に配設し、洗濯兼脱水槽３２の底部に攪拌翼３３を回転自在に配設している。インバータ５と電動機３４とにより実施例１ないし実施例３と同様の動力発生装置を構成しているが、そのいずれの動力発生装置であってもよい。この動力発生装置は、Ｖベルト３５および減速機構３６を介して攪拌翼３３および洗濯兼脱水槽３２を駆動する。なお、３７は排水弁、３８は給水弁である。制御装置３９は、たとえば、制御装置３９における入力手段から入力された情報により、洗い、濯ぎ、脱水の各行程を制御し、電動機３４を制御する。なお、これは一例であってこれに限定されるものではない。
【００６３】
上記構成における動作について説明する。洗濯兼脱水槽３２に衣頸を入れ、洗い行程で電動機３４を駆動させると、電動機３４は右回転と左回転とを繰り返すように作動し、Ｖベルト３５および減速機構３６を介して攪拌翼３３を右回転または左回転させる。
【００６４】
本実施例においては、洗濯動作を行う場合には、インバータ５から３相巻線７に大きい直軸電流を供給して動作させることにより、励磁電流が大きくなり、横軸電流当たりのトルク（トルク定数）が大きくなる。したがって、起動トルクが大きく取れ、洗濯物が多い条件であっても、良好な洗浄性能が得ることができる。
【００６５】
一方、脱水時においては、起動後に直軸電流を小さくすることにより、励磁電流が減少し、発電定数が小さくなることにより、高速で洗濯兼脱水槽３２を回転させることができ、良好な脱水特性を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施例においては日本国内でよく使用される縦形の全自動洗濯機を示しているが、この形状に限定されるものではなく、たとえば、回転軸を水平としたドラム式の全自洗であってもよい。この場合においても、洗い、濯ぎを行う場合には低速で高トルクの動作が行われるので、励磁電流を大きくする制御を行い、脱水時には、たとえば、起動後に励磁電流を絞っていけば、ドラムの回転速度を大きくして優れた脱水性能を実現することも可能となる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１に係わる本発明は、第１の巻線を備えた第１の物体と、第２の巻線および整流器を備えた第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との相対位置を検知する位置検知手段と、前記第１の巻線の電流を開閉制御するインバータと、高周波発振回路と、直流電源とを備え、前記インバータは、前記位置検知手段の出力信号に対応する所定の導通期間に前記直流電源から前記第１の巻線に横軸電流を流すとともに、前記導通期間外の所定期間に前記高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から前記第１の巻線に供給し、第２の物体は、前記第１の巻線との磁気結合により発生した第２の巻線の高周波の起電力を前記整流器により整流してほぼ直流の励磁電流を流し、前記励磁電流による界磁と前記横軸電流とにより第１の物体との間に機械力を発生する動力発生装置とすることにより、第２の物体の第２の巻線に、スリップリングおよびブラシを介さずに、界磁電流を供給することができる。また、直軸電流の大きさを制御することにより界磁電流を制御でき、直流電動機のような広範囲の制御も可能となる。
【００６８】
請求項２に係わる本発明は、第１の物体は、電気角１２０度ごとに配設された３つの巻線からなる３相巻線を第１の巻線として備え、インバータは、２つのスイッチング素子の直列回路を前記巻線ごとに備え、前記各直列回路の両端を直流電源に接続するとともに前記スイッチング素子の共通接続点を対応する巻線に接続し、位置検知手段の出力信号に対応して前記巻線ごとに電気角１２０度の導通期間に前記直流電源から横軸電流を流して回転磁界を発生させるとともに前記導通期間の前後それぞれ電気角６０度の期間に高周波発振回路の出力信号に対応して高周波で断続する直軸電流を前記直流電源から流すようにした請求項１に係わる動力発生装置とすることにより、第１の物体を３相巻線を備えた固定子とし、第２の物体を第２の巻線と整流器とを備えた回転子として構成し、前記３相巻線に直流電源から供給した直軸電流により前記第２の巻線に発生した誘導電力を前記整流器で整流して界磁電流とし、この界磁電流と３相巻線の横軸電流とにより機械力を発生して回転する電動機を実現することができる。
【００６９】
請求項３に係わる本発明は、インバータは、起動時には位置検知手段の出力信号に関わらず、３相巻線の全ての巻線に高周波の直軸電流を継続して流すようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の巻線に誘導電力をあらかじめ発生させてその整流電流により界磁を与えるので、容易に起動することができる。
【００７０】
請求項４に係わる本発明は、位置検知手段は、第１の物体に取り付けたホール素子と、第２の物体に取り付けた永久磁石とにより構成された請求項１ないし請求項３のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の物体の第１の物体に対する相対的な位置を容易に検知することができる。
【００７１】
請求項５に係わる本発明は、第２の物体は永久磁石を備え、第２の巻線の励磁電流による磁束と前記永久磁石による磁束との合成磁束と第１の巻線の横軸電流とにより機械力を発生する請求項１ないし請求項４のいずれかに係わる動力発生装置とすることにより、第２の物体は永久磁石によりつねに界磁を与えているので、起動が容易であり、また、界磁電流の不足を補うこともできる。
【００７２】
請求項６に係わる本発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる動力発生装置を備えた全自動洗濯機とすることにより、直流電動機のように制御し易い電動機を備えた全自動洗濯機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動力発生装置の実施例１の構成を示す回路図
【図２】同実施例の動作を示す波形図
【図３】同実施例における電流と磁束とを示すベクトル図
【図４】本発明の動力発生装置の実施例２における起動時の各スイッチング素子のゲート信号を示す波形図
【図５】本発明の動力発生装置の実施例３における第１の物体と第２の物体の構成を示す断面図
【図６】本発明の全自動洗濯機の一実施例の構成を示す断面図
【図７】従来の技術の動力発生装置の構成を示す回路図
【図８】同従来例の動作を示す波形図
【符号の説明】
１  第１の物体（固定子）
２  第２の物体（回転子）
３  位置検知手段
３ｕ、３ｖ、３ｗ  ホール素子
４  制御回路
５  インバータ
６  鉄心
７  ３相巻線（第１の巻線）
７ｕ、７ｖ、７ｗ  巻線
８  磁性体
９ａ、９ｂ  永久磁石
１０  出力軸
１１  商用電源
１２  整流回路
１３  フィルタ回路
１４  直流電源
１５  チョークコイル
１６  平滑コンデンサ
１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ、１８ｕ、１８ｖ、１８ｗ  スイッチング素子
１９  論理回路
２０  駆動回路
２１  鉄心
２２  第２の巻線
２２ａ、２２ｂ  巻線
２３  整流器
２４  高周波発振回路
２５  ハウジング
２６、２７  ベアリング
２８  プリント基板
２９  洗濯機外枠
３０  吊り棒
３１  水受け槽
３２  洗濯兼脱水槽
３３  攪拌翼
３４  電動機
３５  Ｖベルト
３６  減速機構
３７  排水弁
３８  給水弁
３９  制御装置
Ｉh  直軸電流
Ｉq  横軸電流
Ｉf  励磁電流
Φ  磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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