(57)【要約】【課題】  ラジアル力の加わる方向がある程度決まったものを対象に、振動・騒音の低減性能が高く、また、ラジアル力が変化した場合でも振動・騒音低減性能が劣化しない電動機を提供することにある。【解決手段】  回転磁界を発生させる三相巻線の各相の巻線１２、１３、１４を分割し、分割したＵ相の巻線１２ａ、１２ｂ、Ｖ相の巻線１３ａ、１３ｂ、Ｗ相の巻線１４ａ、１４ｂをそれぞれ固定子１１の対向する位置に配置して、その分割したＵ相の巻線１２ａ、１２ｂ、Ｖ相の巻線１３ａ、１３ｂ、Ｗ相の巻線１４ａ、１４ｂをそれぞれ直列接続して各相の巻線を形成する。三相巻線のうちの一相または二相の巻線をラジアル力の加わる方向に軸対称に配置し、回転磁界の作用により軸受に支持された軸１５に回転力を発生させ、一相の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線２０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を発生させる三相巻線の各相の巻線を分割し、分割した巻線を固定子の対向する位置に配置してその分割した巻線を直列接続して各相の巻線を形成した電動機において、前記三相巻線のうちの一相の巻線をラジアル力の加わる方向に軸対称に配置した固定子と、前記回転磁界の作用により軸受に支持された軸に回転力を発生する回転子と、前記一相の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線とを備えたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
回転磁界を発生させる三相巻線の各相の巻線を分割し、分割した巻線を固定子の対向する位置に配置してその分割した巻線を直列接続して各相の巻線を形成した電動機において、前記三相巻線のうちの二相の巻線を軸対称に配置した固定子と、前記回転磁界の作用により軸受に支持された軸に回転力を発生する回転子と、前記二相の対向する巻線間にそれぞれ振動・騒音低減用電流を供給するための配線とを備えたことを特徴とする電動機。
【請求項３】
前記軸に加わるラジアル力による軸の偏心分を考慮して前記軸の位置をあらかじめ偏心させたことを特徴とする請求項１または２記載の電動機。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一記載の電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、前記電動機の三相巻線に供給される電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の回転数やトルクの目標値を設定する目標設定手段と、前記回転角検出手段で検出された回転角および前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の回転数やトルクが前記目標設定手段に設定された目標値になるように前記電動機の三相巻線に供給される電流を制御するとともに前記電動機の前記配線に供給する振動・騒音低減用電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項５】
前記電動機の軸へのラジアル力を検出するラジアル力検出手段を設け、前記制御手段は、前記ラジアル力検出手段で検出したラジアル力を低減するように前記電動機の前記配線に供給する振動・騒音低減用電流を制御することを特徴とする請求項４記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記電動機の振動・騒音を検出する振動・騒音検出手段を設け、前記制御手段は、前記振動・騒音検出手段で検出した振動・騒音を低減するように前記電動機の前記配線に供給する振動・騒音低減用電流を制御することを特徴とする請求項４記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動や騒音を抑制する機能を有した電動機および電動機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、誘導電動機は固定子の三相巻線に三相交流を入力して回転磁界を発生させ、回転子の巻線に誘導起電力を発生させて、回転子巻の起電力と回転磁界との作用によりトルクを発生させる。図７は従来の電動機および電動機制御装置の構成図であり、図７（ａ）は電気回路図、図７（ｂ）は固定子の三相巻線の配置説明図である。
【０００３】
図７（ａ）に示すように、電動機の固定子１１には、回転磁界を発生させる三相巻線の各相の巻線１２、１３、１４が施されており、各相の巻線１２、１３、１４は２分割されている。例えば、Ｕ相の巻線１２は巻線１２ａ、１２ｂに分割され、Ｖ相においても、Ｖ相の巻線１３は巻線１３ａ、１３ｂに分割され、さらに、Ｗ相においても同様に、Ｗ相の巻線１４は巻線１４ａ、１４ｂに分割されている。
【０００４】
そして、図７（ｂ）に示すように、巻線１２ａ、１２ｂ、巻線１３ａ、１３ｂ、巻線１４ａ、１４ｂは互いに対向して配置されて電気的に直列に接続されている。軸１５には図示省略の回転子が取り付けられており、固定子の三相巻線１２、１３、１４に供給される電流によって三相巻線１２、１３、１４から回転磁界を発生し、回転子に回転力を与える。軸１５は図示省略の軸受で支持されており、軸受は軸１５が回転可能なように支持する。また、固定子１１および軸受は図示省略のフレームで保持される。
【０００５】
図７（ａ）において、回転角検出手段１６で検出された電動機の回転角および電流検出手段１７ｕ、１７ｖ、１７ｗで検出された電動機の電流は制御手段１８に入力され、同様に、目標設定手段１９に設定された電動機の回転数やトルクの目標値も制御手段１８に入力される。制御手段１８では、電動機の回転角や電動機の電流に基づいて、回転速度の計算やベクトル制御、トルク計算等に用いられる。制御手段１８は、電動機への供給電流が目標値になるように制御する。
【０００６】
電動機の軸１５には、負荷が接続されており負荷に回転を伝える一方、負荷から軸へラジアル力が加わる。電動機の軸１５にラジアル力が加わった場合には軸１５が偏心するため、図８に示すように振動・騒音が発生する。そこで、電動機の剛性向上等の対策で、軸１５の偏心による振動・騒音を問題のないレベルに抑えることもできるが、そうするとコスト上昇を招くことになる。
【０００７】
軸１５の偏心による振動・騒音を低減するものとして、２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、固定子の対向する巻線の巻線数を調整することにより巻線から誘起される磁束を平衡にし、回転電機の磁束の不平衡による不平衡磁気吸引力を低減し、低振動および低騒音となるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７５８０２号公報
【特許文献２】特開平１０−３１３５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１のように、２つの対向する３相を別々に制御するものでは、２つのインバータが必要となりコスト上昇を招くことになり、特許文献２のように、不平衡巻線にするものでは、ラジアル力が変化した場合に偏心の大きさも変化するため、振動・騒音の低減性能の劣化を招くことにある。なお、ラジアル力の加わる方向は、例えば、重力の方向や負荷によって決まった方向であることが多い。
【０００９】
本発明の目的は、ラジアル力の加わる方向がある程度決まったものを対象に、振動・騒音の低減性能が高く、また、ラジアル力が変化した場合でも振動・騒音低減性能が劣化しない電動機および電動機制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係わる電動機は、回転磁界を発生させる三相巻線の各相の巻線を分割し、分割した巻線を固定子の対向する位置に配置してその分割した巻線を直列接続して各相の巻線を形成した電動機において、前記三相巻線のうちの一相または二相の巻線をラジアル力の加わる方向に軸対称に配置した固定子と、前記回転磁界の作用により軸受に支持された軸に回転力を発生する回転子と、前記一相の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係わる電動機制御装置は、本発明に係わる電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、前記電動機の三相巻線に供給される電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の回転数やトルクの目標値を設定する目標設定手段と、前記回転角検出手段で検出された回転角および前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の回転数やトルクが前記目標設定手段に設定された目標値になるように前記電動機の三相巻線に供給される電流を制御するとともに前記電動機の前記配線に供給する振動・騒音低減用電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ラジアル力の加わる方向に一相または二相の巻線を軸対称にした巻線の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するので、振動・騒音を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図であり、図１（ａ）は電気回路図、図１（ｂ）は固定子の三相巻線の配置説明図である。この第１の実施の形態は、図７に示した従来例に対し、一相の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線２０を追加して設けたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、電動機の固定子１１には、回転磁界を発生させる三相巻線の各相Ｕ、Ｖ、Ｗの巻線１２、１３、１４が施されており、それぞれ巻線１２ａ、１２ｂ、巻線１３ａ、１３ｂ、巻線１４ａ、１４ｂに分割され、図１（ｂ）に示すように、互いに対向して配置され電気的に直列に接続されている。また、図１（ａ）に示すように、Ｕ相の巻線１２ａ、１２ｂの対向する位置間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線２０が設けられ、この配線２０に制御手段１８で制御された振動・騒音低減用電流が供給される。
【００１５】
制御手段１８は、回転角検出手段１６で検出された電動機の回転角や電流検出手段１７ｕ、１７ｖ、１７ｗで検出された電動機の電流に基づいて、回転速度の計算やベクトル制御、トルク計算等に用いられる。制御手段１８は、電動機への供給電流が目標値になるように制御する。
【００１６】
いま、ラジアル力の加わる方向がある程度決まっており、例えば、ラジアル力の加わる方向が図１の上下方向であるとし、Ｕ相の巻線１２ａ、１２ｂが軸対称であるとする。ラジアル力が加わって軸１５に偏心がある場合には、Ｕ相の巻線１２ａと回転子とのギャップと、対向するＵ相の巻線１２ｂと回転子とのギャップが異なる。このため、巻線１２ａ、１２ｂに同じ電流を流したときには、ギャップの大きさの相違により上下の電磁吸引力が異なることになる。すなわち、この上下の電磁吸引力が異なることにより振動・騒音が発生する。
【００１７】
Ｕ相の巻線１２ａに流れる電流をＩua、Ｕ相の巻線１２ａと回転子とのギャップをｇua、Ｕ相の巻線１２ｂに流れる電流をＩub、Ｕ相の巻線１２ｂと回転子とのギャップをｇubとしたとき、ギャップｇua、ｇubの相違により発生する上下の電磁吸引力Ｆ上下は（１）式で示される。
【００１８】
Ｆ上下∝（Ｉua／ｇua）2−（Ｉub／ｇub）2    …（１）
（１）式に示すように、電磁吸引力は概ね電流とギャップとの比の２乗に反比例し、その差分がギャップｇua、ｇubの相違により発生する上下の電磁吸引力Ｆ上下となる。この上下の電磁吸引力Ｆ上下により振動・騒音が発生するので、制御手段１８により、上下の電磁吸引力Ｆ上下の偏りを無くすように、（２）式に示すように、Ｕ相の巻線１２ａおよび対向するＵ相巻線１２ｂに、Ｕ相の平均電流Ｉuは変えずに、正負が異なる振動・騒音低減用電流Ｉrを加える。
【００１９】
Ｉu＝｛（Ｉua＋Ｉr）（Ｉub−Ｉr）｝／２    …（２）
図２は振動・騒音低減用電流Ｉrを加えた場合の振動特性図である。図８に示した従来の振動・騒音低減用電流Ｉrを加えない場合に比較し、ラジアル力での偏心による振動・騒音を低減できることが分かる。
【００２０】
第１の実施の形態によれば、ラジアル力の加わる方向に、一相の巻線を軸対称にした巻線の対向する巻線間に振動・騒音低減用電流を供給するようにしたので、振動・騒音を低減することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、一相の巻線を軸対称にした巻線の対向する巻線間に代えて、二相の対向する巻線間にそれぞれ振動・騒音低減用電流を供給するための配線２１、２２を設けたものである。第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２２】
Ｖ相の巻線１３ａ、１３ｂの対向する位置間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線２１が設けられ、この配線２１に制御手段１８で制御された振動・騒音低減用電流が供給されるとともに、Ｗ相の巻線１４ａ、１４ｂの対向する位置間に振動・騒音低減用電流を供給するための配線２２が設けられ、この配線２２に制御手段１８で制御された振動・騒音低減用電流が供給される。
【００２３】
いま、ラジアル力の加わる方向がある程度決まっており、例えば、ラジアル力の加わる方向が図１の上下方向および左右方向であるとし、Ｖ相の巻線１３ａ、１３ｂが軸対称でありＷ相の巻線１４ａ、１４ｂも軸対称であるとする。ラジアル力が加わって軸１５に偏心がある場合には、Ｖ相の巻線１３ａと回転子とのギャップと、対向するＶ相の巻線１３ｂと回転子とのギャップが異なり、Ｗ相の巻線１４ａと回転子とのギャップと、対向するＷ相の巻線１４ｂと回転子とのギャップが異なる。このため、巻線１３ａ、１３ｂに同じ電流を流したとき、巻線１４ａ、１４ｂに同じ電流を流したときには、ギャップの大きさの相違により上下の電磁吸引力や左右の電磁吸引力が異なることになる。すなわち、この上下の電磁吸引力や左右の電磁吸引力が異なることにより振動・騒音が発生する。
【００２４】
Ｖ相の巻線１３ａに流れる電流をＩva、Ｕ相の巻線１３ａと回転子とのギャップをｇva、Ｖ相の巻線１３ｂに流れる電流をＩvb、Ｖ相の巻線１３ｂと回転子とのギャップをｇvb、Ｗ相の巻線１４ａに流れる電流をＩwa、Ｗ相の巻線１４ａと回転子とのギャップをｇwa、Ｗ相の巻線１４ｂに流れる電流をＩwb、Ｗ相の巻線１４ｂと回転子とのギャップをｇwbとしたとき、上下の電磁吸引力Ｆ上下は（３）式で示され、左右の電磁吸引力Ｆ左右は（４）式で示される。
【００２５】
Ｆ上下∝{(Ｉva／ｇva)2−(Ｉvb／ｇvb)2}×cos(-120°)
＋{(Ｉwa／ｇwa)2−(Ｉwb／ｇwb)2}×cos(120°)  …（３）
Ｆ左右∝{(Ｉva／ｇva)2−(Ｉvb／ｇvb)2}×sin(-120°)
−{(Ｉwa／ｇwa)2−(Ｉwb／ｇwb)2}×sin(120°)  …（４）
上下方向の電磁吸引力Ｆ上下は、（３）式に示すように、Ｖ相の振動・騒音低減力のcos（-120°）倍とＷ相の振動・騒音低減力のcos（+120°）倍の和で示され、左右方向の電磁吸引力Ｆ左右は、（４）式に示すように、Ｖ相の振動・騒音低減力のsin（-120°）倍とＷ相の振動・騒音低減力のsin（+120°）倍の差で示される。
【００２６】
制御手段１８では、上下の電磁吸引力Ｆ上下の偏りを無くすように、（５）式に示すように、Ｖ相の巻線１３ａおよび対向するＶ相巻線１３ｂに、Ｖ相の平均電流Ｉvは変えずに、正負が異なる振動・騒音低減用電流Ｉr1を加える。また、左右の電磁吸引力Ｆ左右の偏りを無くすように、（６）式に示すように、Ｗ相の巻線１４ａおよび対向するＷ相巻線１４ｂに、Ｗ相の平均電流Ｉwは変えずに、正負が異なる振動・騒音低減用電流Ｉr2を加える。
【００２７】
Ｉv＝｛（Ｉva＋Ｉr1）（Ｉvb−Ｉr1）｝／２    …（５）
Ｉw＝｛（Ｉwa＋Ｉr2）（Ｉwb−Ｉr2）｝／２    …（６）
第２の実施の形態によれば、二相の巻線の対向する巻線間にそれぞれ振動・騒音低減用電流を供給するようにしたので、ラジアル力の加わる方向が変化した場合でも振動・騒音を低減することができる。
【００２８】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電動機の軸へのラジアル力を検出するラジアル力検出手段２３を設け、制御手段１８は、ラジアル力検出手段２３で検出したラジアル力を低減するように電動機の配線２０に供給する振動・騒音低減用電流を制御するようにしたものである。第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２９】
ラジアル力検出手段２３は軸へのラジアル力を検出し制御手段１８に入力する。制御手段１８では、検出したラジアル力に基づき振動・騒音低減用電流を制御する。振動・騒音低減力は、（７）式に示すように概ね電流の２乗に比例することから、検出したラジアル力の２乗根に比例するような振動・騒音低減用電流を加える。
【００３０】
（Ｉua／ｇua）2−（Ｉub／ｇub）2  ∝Ｆradial    …（７）
以上の説明では、第１の実施の形態に対し、電動機の軸へのラジアル力を検出するラジアル力検出手段２３を設けるようにしたが、第２の実施の形態に対し、電動機の軸へのラジアル力を検出するラジアル力検出手段２３を設けるようにしてもよい。
【００３１】
第３の実施の形態によれば、ラジアル力を検出し、検出したラジアル力から振動・騒音低減用電流を制御するようにしたので、ラジアル力が変化した場合でも振動・騒音を低減することができる。
【００３２】
（第４の実施の形態）
図５は本発明の第４の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電動機の振動・騒音を検出する振動・騒音検出手段２４を設け、制御手段１８は、振動・騒音検出手段２４で検出した振動・騒音を低減するように電動機の配線２０に供給する振動・騒音低減用電流を制御するようにしたものである。第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３３】
振動・騒音検出手段２４は、電動機の振動・騒音を検出し制御手段１８に入力する。制御手段１８では、検出した振動・騒音が零に近くなるように振動・騒音低減用電流を制御する。振動・騒音低減用電流は、例えば、検出した振動・騒音の振幅と位相とに分けて制御する。
【００３４】
図５では、第１の実施の形態に対して振動・騒音検出手段２４を設けているので、振動・騒音低減用電流は１つしか制御できないので、その電流の大きさを変えて、振動・騒音の振幅を小さくするようにする。一方、第２の実施の形態に対して振動・騒音検出手段２４を設けることも可能であり、その場合には、振動・騒音低減用電流が２つ制御できるので、それぞれの電流を変えて、ラジアル力の加わる方向（振動・騒音の位相）を計算し、振幅を小さくする。
【００３５】
第４の実施の形態によれば、振動・騒音を検出し、検出した振動・騒音から振動・騒音低減用電流を補正するようにしたので、ラジアル力や力の加わる方向が変化した場合でも振動・騒音を低減することができる。なお、第４の実施の形態で、ラジアル力や力の加わる方向が変化しない場合には、最初に検出した振動・騒音を検出して、振動・騒音を低減する低減用電流を求めて、その後には振動・騒音検出手段２４を取り外して運転することもできる。
【００３６】
（第５の実施の形態）
図６は本発明の第５の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図であり、図６（ａ）は電気回路図、図６（ｂ）は固定子の三相巻線の配置説明図である。この第５の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、軸１５に加わるラジアル力による軸１５の偏心分を考慮して軸１５の位置をあらかじめ偏心させたものである。第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３７】
図６（ｂ）に示すように、ラジアル力による偏心分を考慮して、軸１５の位置があらかじめ偏心させて構成されている。軸１５の偏心量は、概ねラジアル力に比例する。
【００３８】
軸１５は、ラジアル力と軸１５の剛性等から計算した偏心量を考慮して、位置をあらかじめ偏心させて設ける。設定されたラジアル力に近いラジアル力が加わった場合には、軸の偏心量が少なくなり、振動・騒音が小さくなり、振動・騒音低減用電流は少なくできる。一方、ラジアル力が小さい場合には、軸の偏心量が大きく、騒音・振動が大きくなるので、振動・騒音低減用電流は大きくなる。
【００３９】
以上の説明では、第１の実施の形態に対し、軸１５に加わるラジアル力による軸１５の偏心分を考慮して軸１５の位置をあらかじめ偏心させたが、第２の実施の形態に対し、軸１５に加わるラジアル力による軸１５の偏心分を考慮して軸１５の位置をあらかじめ偏心させるようにしてもよい。
【００４０】
第５の実施の形態によれば、ラジアル力による偏心分を考慮して、軸／軸受の位置をあらかじめ偏心するようにしたので、振動・騒音低減用電流を少なく、振動・騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における振動・騒音低減用電流を加えた場合の一例の振動特性図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係わる電動機および電動機制御装置の構成図。
【図７】従来の電動機および電動機制御装置の構成図。
【図８】従来の振動特性の一例を示す振動特性図。
【符号の説明】
【００４２】
１１…固定子、１２、１３、１４…巻線、１５…軸、１６…回転角検出手段、１７…電流検出手段、１８…制御手段、１９…目標設定手段、２０、２１、２２…配線、２３…ラジアル力検出手段、２４…振動・騒音検出手段
【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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