(57)【要約】【課題】  低速から高速への切り替えの際に回転数の低下を生じず、円滑な高速回転への移行を実現する。【解決手段】  中間タップを有する各相巻線が中間タップと巻き始め端子との間の低速回転用巻線および中間タップと巻き終り端子との間の高速回転用巻線により構成されてなる電動機において、各相巻線にインバータ電流を供給するインバータと、インバータと各相巻線の巻き始め端子との間をそれぞれ開閉する第１巻線切替部と、インバータと各相巻線の中間タップとの間をそれぞれ開閉する第２巻線切替部と、前記第１・第２巻線切替部のそれぞれの開閉動作を制御する制御部とを備え、第１巻線切替部を閉状態から開状態に切り替える前に第２巻線切替部を開状態から閉状態に切り替えるモードを備える。【選択図】  図１
2015211597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間タップを有する各相巻線が前記中間タップと巻き始め端子との間の低速回転用巻線および前記中間タップと巻き終り端子との間の高速回転用巻線により構成されてなる電動機と、前記電動機の前記各相巻線に可変周波数のインバータ電流を供給するインバータと、から構成される電動機駆動システムにおいて、
前記インバータと前記各相巻線の巻き始め端子との間をそれぞれ開閉する第１巻線切替部と、前記インバータと前記各相巻線の中間タップとの間をそれぞれ開閉する第２巻線切替部と、を備え、
前記第１・第２巻線切替部のそれぞれの開閉動作を制御する制御部に、前記第１巻線切替部を閉状態から開状態に切り換える前に前記第２巻線切替部を開状態から閉状態に切り換えるモードを備えることを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
前記制御部の前記モードは、前記第１巻線切替部を閉動作させて前記各相巻線の巻き始め端子に前記インバータからの電流を供給させた状態において、前記第２巻線切替部を閉動作させて前記各相巻線の中間タップに前記インバータからの電流を供給する第１ステップと、前記インバータからの電流を前記巻き始め端子へ供給する状態と前記中間タップへ供給する状態とを所定時間維持する第２ステップと、前記所定時間経過後に前記第１巻線切替部を開動作させて前記巻き始め端子への電流供給を停止する第３ステップとを含む請求項１に記載の電動機駆動システム。
【請求項３】
前記電動機は、ロータの回転を検出するセンサを備え、前記第１ステップにおいて前記センサによるロータの回転速度が一定値を超えた時に前記第２ステップに移行する請求項２に記載の電動機駆動システム。
【請求項４】
前記第１巻線切替部および前記第２巻線切替部は機械式リレーにより構成され、前記モードの第２ステップにおける前記所定時間は、２０〜３０ｍｓである請求項２に記載の電動機駆動システム。
【請求項５】
前記インバータによる前記各相巻線への電流の供給は、前記第１巻線切替部のみの閉状態時のデューティに対し、前記第２巻線切替部が閉動作した時のデューティが小さく設定されている請求項１〜４のいずれかに記載の電動機駆動システム。
【請求項６】
前記第１巻線切替部を閉動作した時の前記インバータ電流のデューティを１００とした時、前記第２巻線切替部を閉動作した時の前記インバータ電流のデューティを５０〜６０に設定してなる請求項５に記載の電動機駆動システム。
【請求項７】
中間タップを有する各相巻線が前記中間タップと巻き始め端子との間の低速回転用巻線および前記中間タップと巻き終り端子との間の低高速回転用巻線により構成されてなる電動機と、前記電動機の前記各相巻線に可変周波数のインバータ電流を供給するインバータと、前記インバータと前記各相巻線の巻き始め端子との間をそれぞれ開閉する第１巻線切替部と、前記インバータと前記各相巻線の中間タップとの間をそれぞれ開閉する第２巻線切替部と、前記第１・第２両巻線切替部のそれぞれの開閉動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第１巻線切替部を閉状態から開状態に切り換える前に前記第２巻線切替部を開状態から閉状態に切り換えることを特徴とする電動機駆動システムの巻線切替方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多相電動機の巻線を切り替えることによって、速度制御範囲を拡大する電動機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸や回転動力を利用した各種機器の主軸等の駆動装置においては、低速領域で十分に大きいトルクを得るとともに、高速領域での運転を可能にするための手段として、巻線切替方法が採用されている。この巻線切替方法としては、電動機の巻線を切り替えて低速領域で高誘起電圧定数巻線、高速領域で低誘起電圧定数巻線を得るようにしている。そして、低速領域では単位電流あたりのトルクを大きく、高速領域では単位電流あたりのトルクは小さくてもより高速まで範囲を広げられるようにしている。
【０００３】
従来より、この種の電動機駆動システムとして、例えば、特開２００３−１１１４９２号公報や特開２０１０−２０７０１０号公報等に見られる３相交流電動機の巻線切替装置が提案されている。中でも、特開２００３−１１１４９２号公報の図８に記載のものは、回路構成が簡素であるため、装置がコンパクトとなり、コスト的にも優位である。
【０００４】
図４は、上記した回路構成が簡素な巻線切替装置を示したものである。３相の交流電動機１における各相巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２がそれぞれ中間タップＴｕ・Ｔｖ・Ｔｗを有し、各相巻線の巻き始め端子側が可変周波数のインバータ電流を供給するインバータの主回路部２に接続されるとともに、各相巻線の巻き終わり端子側がコモン端子Ｎで短絡されている。各相巻線の巻き始め端子は、各相毎に第1スイッチ３を介して主回路部２に接続され、また、各相巻線の中間タップＴｕ・Ｔｖ・Ｔｗは、各相毎に第２スイッチ４を介して主回路部２に接続されている。なお、Ｔｐ，Ｔｎは電源端子である。
【０００５】
そして、低速運転時は、第１スイッチ３のみが閉じられて各相巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２がそれぞれ直列接続されたかたちとなり、全巻線を利用することになる。この構成は、インピーダンスが高く低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して大きいトルクを発生することができるので、低速での運転に適している。一方、高速運転時は、第２スイッチ４のみが閉じられて各相巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２のうち一部（巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２）が使用される。この構成は、モータ巻線の全部を使う場合よりインピーダンスが低いので高周波領域でも十分な電流を流すことが可能で、高速運転に適する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１１４９２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０７０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した巻線の切り替えにおいては、低速時の起動トルクアップと高速時の回転数アップを図ることができるが、低速時に通電した巻線が高速時に停止することに起因する種々の問題が生じる。
【０００８】
すなわち、上記特許文献１・２に記載のように、巻線の切り替えには半導体スイッチやリレー等の機械的スイッチが使用されるが、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを使用する場合、高速側起動時に、低速時のみ通電される巻線に生じる逆起電力により低速側半導体スイッチがオフにならずにオンとなってしまうことがあるため、高速側で正常な回転が得られず、回転数が上がらない状況が生じる。また、リレー等の機械的スイッチを使用する場合、低速側リレーのオフ時に生じる低速側巻線の逆起電力により回路基板にノイズが発生しやすくなり、場合によっては電動機の停止を招くことにもなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、低速から高速への切り替えの際に回転数の大幅な低下を生じたり回転停止を招いたりすることなく、円滑な高速回転への移行を実現し得る電動機駆動システムを提供することにある。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動システムにあっては、中間タップを有する各相巻線が前記中間タップと巻き始め端子との間の低速回転用巻線および前記中間タップと巻き終り端子との間の高速回転用巻線により構成されてなる電動機と、前記電動機の前記各相巻線に可変周波数のインバータ電流を供給するインバータと、から構成される電動機駆動システムにおいて、前記インバータと前記各相巻線の巻き始め端子との間をそれぞれ開閉する第１巻線切替部と、前記インバータと前記各相巻線の中間タップとの間をそれぞれ開閉する第２巻線切替部と、を備え、前記第１・第２巻線切替部のそれぞれの開閉動作を制御する制御部に、前記第１巻線切替部を閉状態から開状態に切り替える前に前記第２巻線切替部を開状態から閉状態に切り替えるモードを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記した構成においては、起動時、第１巻線切替部のみが閉状態となり、インバータからのインバータ電流が第１巻線切替部を通して低速回転用巻線および高速回転用巻線に供給され、高トルク低速回転の駆動状態が得られる。その後の高速回転への移行に際し、第１巻線切替部の閉状態のまま第２巻線切替部が閉状態となり、インバータから第１電流切替部を通して低速回転用巻線および高速回転用巻線に電流を供給する電流供給経路とインバータから第２電流切替部を通して高速回転用巻線に電流を供給する電流供給経路とが併存する。その後、第１巻線切替部が閉状態から開状態に切り替わり、インバータからの電流が高速回転用巻線のみに供給され、低トルク高速回転の駆動状態が得られる。
【００１２】
第２巻線切替部を開状態から閉状態に切り替える際、この切り替えと同時に第１巻線切替部を閉状態から開状態に切り替えると、低速回転用巻線への電流遮断による逆起電力が高速回転用巻線のみへの供給電流に対して逆流し最悪通電停止となってモータ停止を招くが、第１巻線切替部が閉状態から開状態に切り変わる前に第２巻線切替部が開状態から閉状態に切り替わり高速回転用巻線への電流供給が安定して行われることになるため、低速回転用巻線に対する電流遮断による逆起電力により高速回転用巻線への電流供給障害を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
上述した構成の電動機駆動システムにあっては、低速回転から高速回転への移行に際してインバータから低速回転用巻線への電流供給とインバータから高速回転用巻線のみへの電流供給とをオーバーラップさせて実施できるため、低速回転からモータへの通電を止めずに速やかに高速回転に移行することができ、回転数を落とすことなく円滑にかつ短時間で所定の高速回転を実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による電動機駆動システムを示す回路構成図である。
【図２】図１における動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】図１における動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】従来の電動機駆動システムにおける巻線切替を説明する回路構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る電動機駆動システムの実施形態につき、図１〜図３を用いて説明する。
図１は回路構成を示したものであり、３相電動機１０は、中間タップＴｕ・Ｔｖ・Ｔｗを有する３相の巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２を備え、各相巻線の巻き始め端子および中間タップＴｕ・Ｔｖ・Ｔｗがモータ外部に引き出されるとともに、各相巻線の巻き終わり端子が共通端子Ｎで短絡され、スター結線の巻線構造を形成している。
【００１６】
各相巻線に可変周波数の可変電流（インバータ電流）を供給するインバータ２０は、マイコン構成の制御部２２とトランジスタ等の６個の駆動素子を用いて構成された主回路部２４とを備えてなり、主回路部２４においては、２個の駆動素子による直列回路が各相毎に設けられ、これらが直流電源とアースライン間に並列に配置され、この各相直列回路の接続中点がそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２に接続される。各駆動素子のベース（ゲート）は制御部２０からの駆動信号により駆動され、各相巻線への通電切替が行われる。主回路部２４のアースラインはシャント抵抗２６を介してアースされている。
【００１７】
各相巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２の巻き始め端子は、第１巻線切替部３０を構成する各相毎のスイッチ接点を介して主回路部２４における駆動素子直列回路の接続中点にそれぞれ接続されている。また、各相巻線Ｕ１−Ｕ２・Ｖ１−Ｖ２・Ｗ１−Ｗ２の中間タップは、第２巻線切替部４０を構成する各相毎のスイッチ接点を介して主回路部２４における駆動素子直列回路の接続中点にそれぞれ接続されている。
【００１８】
上記第１巻線切替部３０および第２巻線切替部４０はそれぞれ、機械式リレーにより構成されており、それぞれ各相毎に設けられたリレー接点（スイッチ接点）Ｒｕ１・Ｒｖ１・Ｒｗ１およびＲｕ２・Ｒｖ２・Ｒｗ２が連動して開閉（オンオフ）するようになっており、これら第１・第２巻線切替部３０・４０は制御部２２からの切り替え信号によりそれぞれ動作する。なお、３相電動機１０には、ロータの回転位置を検知するホールセンサ等の位置検出素子が設けられており、位置検出素子による検出信号が制御部２２に入力される。
【００１９】
ここで、制御部２２は、各相巻線の通電を切替制御すると同時に、ＰＷＭによるデューティ制御により回転速度を制御する機能を有し、ロータの回転位置に応じた位置検出素子からの検出信号に基づき、予め設定されたプログラムに従ったモータの回転状態が得られるよう駆動信号を出力する。加えて、制御部２２は、起動時およびその直後の低速回転時において、第１巻線切替部３０の各リレー接点を閉つまりオンにするとともに、第２巻線切替部４０の各リレー接点を開つまりオフにする制御を行い、また、高速回転時において、第１巻線切替部３０の各リレー接点をオフ、第２巻線切替部４０の各リレー接点をオンにする制御を行うが、特に、低速回転から高速回転への切り替えに際しては、第１巻線切替部３０の各リレー接点をオンにした状態で、第２巻線切替部４０の各リレー接点をオンにする制御を一定時間行うモードを有している。
【００２０】
図２は、制御部２２における各巻線切替部３０・４０の各リレー接点Ｒｕ１・Ｒｖ１・Ｒｗ１およびＲｕ２・Ｒｖ２・Ｒｗ２のオンオフ切り替えのタイミングを示したものであり、また、図３は、制御部２２における制御フローを示したものである。
【００２１】
図３に示すように、当該３相電動機を搭載した機器において、電源を投入すると、低速側リレーＯＮのモードとなり、図２のｔ１時のように、第１巻線切替部３０の各リレー接点Ｒｕ１・Ｒｖ１・Ｒｗ１のみがオンとなる（ステップ１）。従って、主回路部２４からの電流が低速回転用巻線Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１および高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２に供給され、高トルク低回転でロータが起動し低速回転状態が得られる（ステップ２）。この時、制御部２２は、各相巻線に供給する電流のデューティ比を比較的高く設定し、高トルクでの回転状態を確保する。ロータの回転速度は位置検出素子からの信号により制御部２２で確認され、その回転速度を徐々に上昇させるような制御を行う。機器は起動後にロータの回転が始まれば駆動（稼働）状態となる（ｔ２時）。
【００２２】
その後、ロータの回転速度が所定回転数に到達すると（ｔ３時）、制御部２２は第１巻線切替部３０の各リレー接点Ｒｕ１・Ｒｖ１・Ｒｗ１をオンに保持したまま、第２巻線切替部４０の各リレー接点Ｒｕ２・Ｒｖ２・Ｒｗ２をオンに操作する（ステップ３）。従って、主回路部２４からの電流は、第１巻線切替部３０を通して低速回転用巻線Ｕ１・Ｖ２・Ｗ１および高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２に供給されるとともに、第２巻線切替部４０を通して高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２に供給され、低速回転用と高速回転用とのオーバーラップモードが形成される。
【００２３】
さらに、ｔ３時より所定時間（例えば３０ｍｓ）経過後のｔ４時、制御部２２は第１巻線切替部３０の各リレー接点Ｒｕ１・Ｒｖ１・Ｒｗ１をオフに操作し（ステップ４）、高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２のみによる高速モードでロータの回転を行う（ステップ５）。ロータの回転は低トルクで高速回転を継続し、その回転数をさらに上昇させ、その後、最大回転数に至ると、この回転数を維持した駆動状態となる。
【００２４】
ここで、制御部２２は、高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２を駆動する場合、低速回転用巻線Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１の場合と同じデューティで電流を供給すると、高速側での回転数が急激に上昇し過ぎるため、デューティ比率を低速時の５０〜６０％程度、例えば５５％に設定して、低速から高速への切り替えをスムーズに移行できるようにしている。このため、前記ステップ３で説明した低速側と高速側とのオーバーラップ時においても、主回路部２４におけるデューティ比率を例えば５５％に変更している。
【００２５】
機器は、その稼働状態がｔ２時より規定時間を経過すると（ｔ５時）、予め設定されたプログラムに従い、駆動停止の信号が出され、この信号が出されると、制御部２２は第２巻線切替部４０の各リレー接点Ｒｕ２・Ｒｖ２・Ｒｗ２をオフに操作し、ロータが回転停止の状態に移行していく。
【００２６】
このように、各相巻線を低速回転用巻線Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１および高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２の駆動状態から、高速回転用巻線Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２のみの駆動状態に切り換える過程において、両者の駆動状態を併存させるオーバーラップ期間を設けることにより、低速回転用巻線への通電遮断による逆起電力の発生を抑え、回路への悪影響を回避し、高速回転用巻線による高速回転時の回転数の落ち込みを小さくすることが可能となり、低速回転から高速回転への移行を安定にかつスムーズに実現できる。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した範囲において種々の変形が可能である。
例えば、実施形態では、第1・第２巻線切替部として、機械式リレーのリレー接点を用いたが、他のスイッチ、例えば半導体スイッチを用いてもよい。また、上記したオーバーラップの通電期間は、機械式リレーの動作を加味し、多少のマージンを含め３０ｍｓとしているが、半導体スイッチを適用した場合には、この時間を短縮することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明による電動機駆動システムは、工作機械の主軸や各種モータ応用機器に適用でき、特に、低速回転領域から高速回転領域まで幅広い速度範囲での使用が要求されるものに好適である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ３相電動機
２０  インバータ
２２  制御部
２４  主回路部
３０  第１巻線切替部
４０  第２巻線切替部
Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１  低速回転用巻線
Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２  高速回転用巻線
Ｔｕ・Ｔｖ・Ｔｗ  中間タップ
【図１】
2015211597.tif 000003
【図２】
2015211597.tif 000004
【図３】
2015211597.tif 000005
【図４】
2015211597.tif 000006