(57)【要約】【課題】  固定子巻線の起磁力不均衡を解消することで、低騷音低振動の電動機を実現できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供する。 また、電動機の全運転領域で固定子巻線の起磁力の均衡を維持できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供する。 また、電動機の駆動による温度上昇分を考慮して固定子巻線の起磁力の均衡を維持できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供する。【解決手段】  固定子の主巻線１を流れる主巻線電流の大きさと、前記固定子の補助巻線２を流れる補助巻線電流の大きさと、が同一であり、前記主巻線電流と補助巻線電流との位相差が予め設定された値を維持するように制御して単相誘導電動機の騷音低減方法を構成する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子の主巻線を通して流れる主巻線電流の大きさと、前記固定子の補助巻線を通して流れる補助巻線電流の大きさと、が同一であり、前記主巻線電流と補助巻線電流との位相差が予め設定された値を維持するように制御することを特徴とする単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項２】
前記位相差は、９０度に維持されることを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項３】
騒音は、３５ｄＢＡ以下に低減されることを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機の騒音低減方法。
【請求項４】
固定子の主巻線によって発生する主巻線起磁力及び固定子の補助巻線によって発生する補助巻線起磁力を決定し、
前記決定された主巻線起磁力及び補助巻線起磁力によって、前記主巻線を通して流れる主巻線電流と前記補助巻線を通して流れる補助巻線電流との位相差を制御することを特徴とする単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項５】
前記位相差は、９０度に維持されることを特徴とする請求項４に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項６】
前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比に基づいて、前記位相差が制御されることを特徴とする請求項４に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項７】
前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．７５ないし１．１５である場合、前記位相差は、７０度または１１０度に制御されることを特徴とする請求項６に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項８】
前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．６５ないし１．３５である場合、前記位相差は、８０度または１００度に制御されることを特徴とする請求項６に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項９】
騒音は、３５ｄＢＡ以下に低減されることを特徴とする請求項４に記載の単相誘導電動機の騒音低減方法。
【請求項１０】
前記固定子の主巻線を通して流れる主巻線電流の大きさと、前記固定子の補助巻線を通して流れる補助巻線電流の大きさと、が同一であることを特徴とする請求項４に記載の単相誘導電動機の騒音低減方法。
【請求項１１】
固定子の主巻線によって発生する主巻線起磁力に対する前記固定子の逆方向回転力を発生する逆方向起磁力の比は、予め設定された値以下に制御されることを特徴とする単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項１２】
前記予め設定された値は、０．４であることを特徴とする請求項８に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項１３】
騒音は、３５ｄＢＡ以下に低減されることを特徴とする請求項１１に記載の単相誘導電動機の騒音低減方法。
【請求項１４】
固定子の主巻線と、
該主巻線に並列に連結されている固定子の補助巻線と、
前記主巻線によって発生する主巻線起磁力及び前記補助巻線によって発生する補助巻線起磁力にしたがって、前記主巻線を通して流れる主巻線電流と前記補助巻線を通して流れる補助巻線電流との位相差を制御する制御部と、を含むことを特徴とする単相誘導電動機。
【請求項１５】
前記位相差は、９０度に維持されることを特徴とする請求項１４に記載の単相誘導電動機の騷音低減方法。
【請求項１６】
前記制御部は、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比に基づいて前記位相差を制御することを特徴とする請求項１４に記載の単相誘導電動機。
【請求項１７】
前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．７５ないし１．１５である場合、前記制御部は、前記位相差を７０度または１１０度に制御することを特徴とする請求項１６に記載の単相誘導電動機。
【請求項１８】
前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．６５ないし１．３５である場合、前記制御部は、前記位相差を８０度または１００度に制御することを特徴とする請求項１６に記載の単相誘導電動機。
【請求項１９】
前記制御部は、コンデンサを含むことを特徴とする請求項１４に記載の単相誘導電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相誘導電動機に関するもので、詳しくは、固定子巻線の起磁力の不均衡を解消することで、単相誘導電動機の騷音及び振動を最小化できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、単相誘導電動機は、交流(ＡＣ)電動機の一種である。この単相誘導電動機は、商用電源をそのまま用いており、固定子に設けられた単相の主巻線と、回転子に設けられたかご形導体と、を含む最も簡単な構造となっている。しかし、電動機は、商用電源のみでは回転されないので、電動機の起動のために、分相コイルやコンデンサを補助コイルに設置するか、くま取りコイルを設置している。単相誘導電動機は、その構成によって、コンデンサ分相型、抵抗分相型、コンデンサ運転型、くま取りコイル型及び反発型などに分けられる。
【０００３】
上記した単相誘導電動機の種類のうち、コンデンサ運転型電動機(capacitor run motor)は、主巻線、この主巻線と並列に連結された補助巻線及びこの補助巻線と直列に連結されたコンデンサを備えている。また、このコンデンサ運転型電動機は、補助巻線及びコンデンサを用いて起動し、電動機の駆動時に補助巻線を通して電流が流れることで、主巻線を通して流れる電流は９０度だけ遅れることになる。
【０００４】
コンデンサ運転型電動機において、補助巻線は、固定子内で主巻線に対して空間的に９０度に位置し、主巻線に並列に連結される。補助巻線に直列に連結されたコンデンサを用いて主巻線と補助巻線との間のインピーダンス差を発生することで、主巻線及び補助巻線を通して流れる電流が２相に分相される場合、この分相された固定子巻線によって発生する回転起磁力に対し、正確な分相(相平衡)が行われるべきである。
【０００５】
もし不正確な分相が行われると、その回転起磁力にリップルが発生するが、この場合、回転子のトルクリップルが発生することによって電動機に騷音及び振動をもたらすことになる。
【０００６】
しかしながら、従来の単相誘導電動機は、固定子巻線のタップ調整を通して回転速度を制御するが、この場合、一定の運転領域で相平衡が成り立つとしても、他の運転領域を選択するために固定子巻線のタップを変える場合、相平衡が維持されずに振動及び騷音が再び発生するという問題点があった。
【０００７】
また、無負荷条件で相平衡が成り立つとしても、単相誘導電動機の特性上、負荷条件では相平衡が維持されないため、実際の運転時に振動及び騷音が発生するという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、固定子巻線の起磁力の不均衡を解消することで、低騷音・低振動の電動機を実現できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、電動機の全運転領域で固定子巻線の起磁力の均衡を維持できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、電動機の駆動による温度上昇に基づいて固定子巻線の起磁力の均衡を維持できる単相誘導電動機及びその騷音低減方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明による単相誘導電動機の騷音低減方法は、固定子の主巻線を通して流れる主巻線電流の大きさと、前記固定子の補助巻線を通して流れる補助巻線電流の大きさと、が同一であり、前記主巻線電流と補助巻線電流との位相差が予め設定された値を維持するように制御することを特徴とする。
【００１２】
また、前記位相差は、９０度に維持されることを特徴とする。
【００１３】
また、固定子の主巻線によって発生する主巻線起磁力及び固定子の補助巻線によって発生する補助巻線起磁力を決定し、前記決定された主巻線起磁力及び補助巻線起磁力によって、前記主巻線を通して流れる主巻線電流と前記補助巻線を通して流れる補助巻線電流との位相差を制御することを特徴とする。
【００１４】
また、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比に基づいて、前記位相差が制御されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．７５ないし１．１５である場合、前記位相差は、７０度または１１０度に制御されることを特徴とする。
【００１６】
また、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．６５ないし１．３５である場合、前記位相差は、８０度または１００度に制御されることを特徴とする。
【００１７】
固定子の主巻線によって発生する主巻線起磁力に対する前記固定子の逆方向回転力を発生する逆方向起磁力の比は、予め設定された値以下に制御されることを特徴とする。
【００１８】
また、前記予め設定された値は、０．４であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明による単相誘導電動機は、固定子の主巻線と、該主巻線に並列に連結されている固定子の補助巻線と、前記主巻線によって発生する主巻線起磁力及び前記補助巻線によって発生する補助巻線起磁力にしたがって、前記主巻線を通して流れる主巻線電流と前記補助巻線を通して流れる補助巻線電流との位相差を制御する制御部と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
また、前記制御部は、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比に基づいて前記位相差を制御することを特徴とする。
【００２１】
また、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．７５ないし１．１５である場合、前記制御部は、前記位相差を７０度または１１０度に制御することを特徴とする。
【００２２】
また、前記主巻線起磁力に対する前記補助巻線起磁力の比が０．６５ないし１．３５である場合、前記制御部は、前記位相差を８０度または１００度に制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による単相誘導電動機は、主巻線によって発生する起磁力の大きさ及び位相角に対する補助巻線によって発生する起磁力の大きさ及び位相角を制御することで、固定子の主巻線及び補助巻線の起磁力の不均衡を解消することで、低騷音・低振動を実現できるという効果がある。
【００２４】
また、電動機の全運転領域で固定子巻線の起磁力の均衡を維持し、かつ、電動機の駆動による温度上昇に基づいて起磁力の均衡を維持できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面に基づいて詳しく説明する。
【００２６】
図１に示すように、本発明による単相誘導電動機１００は、コンデンサ運転型であり、電源ＶＬが主巻線１に連結され、補助巻線２が主巻線１に並列に連結され、コンデンサ３が補助巻線２に直列に連結されている。単相誘導電動機１００の起動時に主巻線１及び補助巻線２を通して流れる電流は、単相誘導電動機の内部で磁界を発生する。このとき、主巻線１によって発生した磁界が回転子(図示せず)に電流を誘導するが、この誘導電流によって、回転子にもう一つの磁界が形成される。よって、固定子巻線によって発生した回転磁界と回転子を通して流れる誘導電流との間に力が生じ、この力によって回転子が回転することになる。
【００２７】
コンデンサ３は、電動機の起動時、固定子によって発生した磁界と回転子によって発生した磁界との間に位相差を発生するために必要であり、補助巻線２を通して流れる電流Ｉａが主巻線１を通して流れる電流Ｉｍより先に進むようにする役割をする。
【００２８】
このように、コンデンサ運転型単相誘導電動機１００は、固定子内で主巻線１と補助巻線２との間にインピーダンス差を発生することで巻線１，２で流れる電流を２相に分相し、この分相された固定子巻線で回転起磁力を発生することで起動及び駆動される。
【００２９】
このような単相誘導電動機１００の固定子巻線によって発生した起磁力は、次の式のように表現される。
【００３０】
【数１】
2006149182.tif 000003
【００３１】
上式中、添字ｍ及びａは、主巻線１及び補助巻線２に対応する値をそれぞれ示し、θａは、主巻線１と補助巻線２との位相差を示す。また、ＮＩは、アンペアターンでの起磁力を示すものとして、コイルの巻き数とコイルを通して流れる電流との積を意味し、ＮｍＩｍ及びＮａＩａは、主巻線１及び補助巻線２によって発生する起磁力をそれぞれ示す。また、Ｆf(θ,t)は、順方向の回転力を発生する順方向起磁力を示し、Ｆb(θ,t)は、逆方向の回転力を発生する逆方向起磁力を示す。
【００３２】
一方、トルクリップルは、分相された固定子巻線によって発生する回転起磁力に対し、正確な分相(相平衡)が行われたときのみに発生しなくなる。図２ａ及び図２ｂは、単相誘導電動機で相平衡が成り立たない場合の例を示している。すなわち、図２ａは、主巻線１のアンペアターンが補助巻線２のアンペアターンの２倍である場合、主巻線１及び補助巻線２によって発生する電流の波形と、主巻線１及び補助巻線２によって発生する起磁力の分布を示している。図２ａの例で、主巻線１で流れる電流の大きさは、補助巻線２で流れる電流の大きさの２倍であり、二つの電流の位相差は９０度である。ここで、位相が０度であるときは、補助巻線２の電流のみが‘-０．５’の値を有するので、合成起磁力が補助巻線２の起磁力と同一になって‘-０．５’の大きさを有し、位相が９０度であるときは、主巻線１の電流のみが‘+１’の値を有するので、合成起磁力が主巻線１の起磁力と同一になって‘+１’の大きさを有するようになる。このように、一周期の間の主巻線１及び補助巻線２の電流による合成起磁力を計算すると、図２ｂに示すように、一定でなく増減を繰り返すようになる。すなわち、一周期の間、合成起磁力の２回にかける増減過程によって、電源周波数の２倍に該当する周波数及びその調和波周波数で振動及び騷音が大きく発生する。
【００３３】
その反面、図３ａ及び図３ｂに示すように、主巻線１で流れる電流の大きさが補助巻線２で流れる電流の大きさが同じであり、二つの電流の位相差が９０度を維持する場合、相平衡が成り立つようになる。図３ａは、相平衡が成り立った場合、主巻線１及び補助巻線２を通して流れる電流の波形及びそれによる起磁力の分布を示したものである。ここで、位相が０度であるときは、補助巻線２の電流のみが‘-１’の値を有するので、合成起磁力が‘-１’の大きさを有し、位相が９０度であるときは、主巻線１の電流のみが‘+１’の値を有するので、合成起磁力が‘+１’の大きさを有するようになる。このように、一周期の間の主巻線１及び補助巻線２の電流による合成起磁力を計算すると、図３ｂに示すように、一周期内で常に一定になる。したがって、合成起磁力のリップルに比例するトルクリップルが取り除かれ、低振動・低騷音の単相誘導電動機１００を実現できる。
【００３４】
単相誘導電動機１００の騷音及び振動を減少するためには、固定子の主巻線１及び補助巻線２で流れる電流Ｉｍ，Ｉａの大きさが同一であり、位相差が９０度に維持されるべきであるが、これを式(１)に示した逆方向起磁力を参照して説明する。
【００３５】
単相誘導電動機１００の騷音及び振動の大きさは、逆方向起磁力によって決定されるもので、式(１)で表現した固定子巻線の起磁力で逆方向起磁力の大きさが小さくなるほど、電動機の騷音及び振動が減少する。式(１)で示したように、逆方向起磁力は次のように表現される。
【００３６】
【数２】
2006149182.tif 000004
【００３７】
これを再び表現すると、次のようである。
【００３８】
【数３】
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【００３９】
このとき、単相誘導電動機１００から発生するトルクリップルの大きさは、逆方向起磁力の大きさに比例し、式(２)で表現された式(２)のルート(root)内の項の大きさに比例する。
【００４０】
図４は、逆方向起磁力の大きさと単相誘導電動機から発生する騷音との関係を示したグラフである。すなわち、このグラフは、起磁力の不平衡程度(‘不平衡な起磁力の比’ともいう)に対する騷音の大きさ変化を示したもので、グラフの横軸は、不平衡な起磁力の比(主巻線１起磁力の大きさに対する逆方向起磁力の大きさの比)を意味し、縦軸は、電源周波数の２倍に該当する周波数で発生する騷音を意味する。一般に、騷音が３５ｄＢＡ以下であるとき、人が不快感を感じないと仮定して満足騷音水準を３５ｄＢＡ以下に設定すると、不平衡な起磁力の比は、０．４以下に維持されるべきである。
【００４１】
よって、不平衡な起磁力の比を０．４以下に維持するために要求される単相誘導電動機１００の設計条件が決定されるべきであるが、これを図５に基づいて説明する。図５は、主巻線１に対する補助巻線２のアンペアターン比(ＮａＩａ/ＮｍＩｍ)(すなわち、起磁力の比)を横軸に示し、不平衡な起磁力の比を縦軸に示したとき、主巻線１及び補助巻線２の位相角差による不平衡な起磁力の比を示したグラフで、図５に示すように、不平衡な起磁力が０．４以下を維持するためには、位相角差が７０度ないし１１０度の間を維持し、かつ、各位相角によってアンペアターン比が一定の範囲内を維持すべきである。
【００４２】
図６は、図５のグラフによる単相誘導電動機の設計条件を示した表である。図６に示すように、主巻線１と補助巻線２との位相角差が７０度または１１０度である場合、アンペアターン比は０．７５ないし１．１５の値を維持すべきで、主巻線１と補助巻線２との位相差が８０度または１００度である場合、アンペアターン比は０．６５ないし１．３５の値を維持すべきである。上記の条件を満足するように設計されると、単相誘導電動機の騷音及び振動を最小化できるようになる。
【００４３】
図６の設計条件は、単相誘導電動機の全運転領域(例えば、全ｒｐｍ領域)、かつ、電動機の駆動による温度上昇に基づいて設定されたものであり、全ての運転領域で騷音及び振動を減少できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態によるコンデンサ運転型単相誘導電動機を示した回路図である。
【図２ａ】図１に示した単相誘導電動機の相平衡が成り立たない場合の、主巻線及び補助巻線を通して流れる電流の波形を示した図である。
【図２ｂ】図１に示した単相誘導電動機の相平衡が成り立たない場合の、主巻線及び補助巻線によって発生する起磁力の分布を示した図である。
【図３ａ】図１に示した単相誘導電動機の相平衡が成り立った場合の、主巻線及び補助巻線を通して流れる電流の波形を示した図である。
【図３ｂ】図１に示した単相誘導電動機の相平衡が成り立った場合の、主巻線及び補助巻線によって発生する起磁力の分布を示した図である。
【図４】図１に示した単相誘導電動機の起磁力の不平衡程度による騷音の変化を示したグラフである。
【図５】図１に示した単相誘導電動機のアンペアターン比及び位相角差による不平衡な起磁力の比を示したグラフである。
【図６】位相角差による図１に示した単相誘導電動機の設計条件を示した表である。
【符号の説明】
【００４５】
１  主巻線
２  補助巻線
３  コンデンサ
【図１】
2006149182.tif 000006
【図２ａ】
2006149182.tif 000007
【図２ｂ】
2006149182.tif 000008
【図３ａ】
2006149182.tif 000009
【図３ｂ】
2006149182.tif 000010
【図４】
2006149182.tif 000011
【図５】
2006149182.tif 000012
【図６】
2006149182.tif 000013