(57)【要約】【課題】同期時の効率、力率を低下させること無く、始動特性を従来より高くすることができ、１台のインバータで複数台の永久磁石内蔵形同期電動機を駆動する駆動システムを提供する。【解決手段】回転子鉄心に磁極を構成する永久磁石とかご形の２次導体を設けた永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、永久磁石内蔵形同期電動機９をインバータ９から開閉するスイッチ１２と、外部からの信号により、該スイッチ１２の開閉の状態に応じて電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機１１とよりなる巻線切替え装置１４を該同期電動機１０とインバータ９の間に設け、該同期電動機１０を接続して該巻線切替え装置１４を複数個並列に配置してなる装置群を、１台のインバータ９の出力端子に接続したものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心と、前記回転子鉄心に形成した複数個の回転子スロット内に設けた２次導体と、前記回転子鉄心に形成した複数個の磁石抜き穴内に設けられると共に、隣り合う磁石同士が径方向に互いに異極に着磁された永久磁石とよりなる回転子と、
前記回転子鉄心に磁気的空隙を介して設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成した複数個の固定子スロット内に設けられると共に、前記永久磁石の作る磁極数と同数の起磁力を作るように巻回された電機子巻線とよりなる固定子を備えた永久磁石内蔵形同期電動機であって、
複数の該同期電動機を並列に接続して１台のインバータにより運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、
前記同期電動機をインバータから開閉するスイッチと、該スイッチの開閉の状態に応じて前記電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機とから成る巻線切替え装置を備え、
前記巻線切替え装置を該同期電動機と該インバータの間に設けたことを特徴とする永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
【請求項２】
該同期電動機を停止状態からの始動時はデルタ結線で運転し、同期に引込んだ後の同期運転時はスター結線で駆動するようにしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
【請求項３】
該同期電動機をデルタ結線にて運転を開始してから同期運転となるまでの時間を予め計測しておき、該予め計測した時間を設定するためのタイマー付リレーを前記巻線切替え機と前記スイッチの間に設け、前記巻線切替え装置により始動開始から該タイマー付リレーに設定された設定時間後にデルタ結線からスター結線へ巻線切替えを行うようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、繊維機械などの用途に用いられると共に、回転子にかご形２次導体と永久磁石を備えた永久磁石内蔵形同期電動機を複数台並列に接続して運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、繊維機械などの用途に用いられると共に、回転子にかご形２次導体と永久磁石を備えた永久磁石内蔵形同期電動機は、特許文献１にて開示されている。このような永久磁石内蔵形同期電動機を１台のインバータに複数台並列に接続し揃速運転が行われているものとして、例えば非特許文献１にて開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３０８１９５号公報（明細書第３頁〜第４頁、図１〜図３）
【非特許文献１】
技報安川電機Ｖｏｌ．６２  Ｎｏ．４、１９９８年１月２５日（第２９０頁−２９５頁、平野孝一著「新高効率モータと応用」）
【０００４】
以下、従来技術を図４、図５、図６を用いて簡単に説明する。
図４は一般的な従来の４極機を例とした永久磁石内蔵形同期電動機の断面図であり、固定子スロット数が１２個の場合を示している。図５は図４の固定子スロット内に巻回された電機子巻線の結線図である。
図４において、１は回転子、２は回転子鉄心、２ａは回転子スロット、２ｂは磁石抜き穴、３は永久磁石、４は２次導体、５は固定子、６は固定子鉄心、６ａは固定子鉄心、７は電機子巻線、８は回転軸である。
一方の回転子鉄心２は、回転軸８の外周に嵌合されている。該回転子鉄心２には複数個の磁石抜き穴２ｂが形成されており、該磁石抜き穴２ｂ内に磁極を構成するように永久磁石３が埋め込まれており、永久磁石３の外周には回転子スロット２ａが形成されている。回転子スロット２ａ内には、アルミのダイカストによりかご形の２次導体４が設けられており、該２次導体４は図示しないエンドリングと一体化される。
他方の固定子鉄心６は回転子鉄心２と磁気的空隙を介して設けられている。該固定子鉄心６には固定子スロット６ａが形成されており、該固定子スロット６ａ内には電機子巻線７が設けられている。通常、電機子巻線７は重ね巻もしくは同心巻で形成されている。一般に、永久磁石形同期電動機のＵＶＷ相の結線は、循環電流による損失の増加を防ぐためにスター結線となっており、図５に示すような結線となる。
この従来例で示した永久磁石内蔵形同期電動機は、同期状態では回転子１に備えられた永久磁石３と電機子巻線７が作る起磁力との間で磁石トルクと呼ばれる同期トルクが発生し、この磁石トルクにより回転トルクが得られる。
また、該同期電動機は回転子１に２次導体４を備えているので、非同期時にも同期電動機であるにも関わらずインダクションモータと同様にインダクショントルクと呼ばれる回転トルクを発生する。そのため、該同期電動機の図５に示す入力端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１を３相の電源に直結すると、インダクションモータとして回転を始める。同期速度近傍まで回転速度が上がれば同期トルクにより同期速度へ引き込まれ、その後は同期電動機として回転し、電源の周波数に同期して回転する。
但し非同期時には、永久磁石３の作る磁石磁束と電機子巻線７が作る起磁力とは非同期となるので、磁石トルクは脈動トルクとして発生し、その平均値は回転子の回転を止めるブレーキトルクとして働く。このように該同期電動機は、電源に直結で直入れ運転が可能という特徴を有している。
図６は従来の永久磁石内蔵形同期電動機の始動時のトルクカーブを示した図である。該同期電動機は上記の特徴を有しているため、図６に示す接続を行い、かつ、電源としてインバータ９を用いて、複数台の永久磁石内蔵形同期電動機１５を１台のインバータ９に並列につなぐと、全ての電動機の回転速度は同一となり速度の揃った揃速運転を行うことができる。また、該同期電動機は図中に示すスイッチ１６を開閉することで個別に運転中のインバータ９へ追加投入が行える。この特徴を生かして、永久磁石内蔵形同期電動機は、繊維機械の巻き取り機等へ適用されることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記永久磁石内蔵形同期電動機は電源につないで直入れ運転するときに始動トルクが小さく同期まで加速できないという問題があった。
図７は従来の永久磁石内蔵形同期電動機の非同期時の磁石トルク、インダクショントルクの様子を示した図である。同図において、横軸はすべりで表しており、すべりゼロが同期状態を表す。また、縦軸はトルクを表す。非同期時には前記のようにインダクショントルクＴｃが加速トルクとして働き、磁石トルクＴｍはブレーキトルクとして働く。そのため実際に回転子を加速させるために働くトルクはインダクショントルクＴｃと磁石トルクＴｍの差分Ｔｃ―Ｔｍとなる。同図においてインダクショントルクＴｃが小さすぎると差分トルクＴｃ―Ｔｍの谷点Ａで加速トルクがマイナスとなってしまい、これ以上に回転速度を高めることができなくなる。その場合、該同期電動機は非同期状態で回転し続けることとなり、電機子巻線の焼損を引き起こしてしまう。そのためにもインダクショントルクＴｃはできるだけ大きくして差分トルク差分Ｔｃ―Ｔｍの谷点Ａをプラスにする必要がある。
非同期時に発生する該同期電動機のインダクショントルクＴｃの大きさは、入力電圧の２乗に比例し、電源周波数と電動機の端子から見たインピーダンスの積に反比例し、（１）式で表すことができる。
Ｔｃ＝（Ｖ／ｆ）×（Ｖ／Ｘ）          （１）
Ｔｃ：インダクショントルク
Ｖ  ：入力電圧
ｆ  ：電源周波数
Ｘ  ：電動機の端子から見たインピーダンス
上記（１）式において右辺第１項のＶ／ｆは電源の電圧、周波数により決まってしまう。そこで、インダクショントルクＴｃを大きくするには、右辺第２項の電動機の端子から見たインピーダンスを小さくすること、すなわち電機子巻線７の巻回数を少なくする方法しかない。
一方、該同期電動機は、通常の運転状態では同期機として用いられるものであり、電機子巻線７の巻回数は電源の電圧、周波数により、効率、力率に対して最適な値が存在する。その巻回数は電源電圧を電源周波数で割った値Ｖ／ｆにほぼ比例する。
該同期電動機の電機子巻線７の巻回数は、上記に示した非同期時のインダクショントルク、同期時の効率、力率を考慮して決められる。しかし、非同期時に所望のインダクショントルクＴｃを必要として決められた巻回数と、同期時の効率、力率を考慮して決められた巻回数とは決して一致した値ではない。１台のインバータに複数台の前記同期電動機を並列接続し運転するシステムにおいて、追加投入を可能とするには、インダクショントルクＴｃを大きくする設計を行うため、同期状態では巻回数不足、すなわち過励磁状態となる巻回数になってしまい、効率、力率の非常に悪い電動機となってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、同期時の効率、力率を低下させること無く、始動特性を従来より高くすることのできる、１台のインバータで複数台の永久磁石内蔵形同期電動機を駆動するシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１記載の発明は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に形成した複数個の回転子スロット内に設けた２次導体と、前記回転子鉄心に形成した複数個の磁石抜き穴内に設けられると共に、隣り合う磁石同士が径方向に互いに異極に着磁された永久磁石とよりなる回転子と、前記回転子鉄心に磁気的空隙を介して設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成した複数個の固定子スロット内に設けられると共に、前記永久磁石の作る磁極数と同数の起磁力を作るように巻回された電機子巻線とよりなる固定子を備えた永久磁石内蔵形同期電動機であって、複数の該同期電動機を並列に接続して１台のインバータにより運転する永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、前記同期電動機をインバータから開閉するスイッチと、該スイッチの開閉の状態に応じて前記電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機とから成る巻線切替え装置を備え、前記巻線切替え装置を該同期電動機と該インバータの間に設けたものである。
上記手段により、始動時と同期時との巻線をデルタ結線とスター結線とに変更でき、始動時に最適な電機子巻線の巻き回数と同期時に最適な巻回数とを選ぶことができる。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、該同期電動機を停止状態からの始動時はデルタ結線で運転し、同期に引込んだ後の同期運転時はスター結線で駆動するようにしたものである。
上記手段により、始動時はインダクショントルクを大きくでき、同期に引込むことを容易にすると共に同期に引込んだ後はスター結線で運転するため、効率・力率ともに高くすることができる。
【０００８】
また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載の永久磁石内蔵形同期電動機の駆動システムにおいて、該同期電動機をデルタ結線にて運転を開始してから同期運転となるまでの時間を予め計測しておき、該予め計測した時間を設定するためのタイマー付リレーを前記巻線切替え機と前記スイッチの間に設け、前記巻線切替え装置により始動開始から該タイマー付リレーに設定された設定時間後にデルタ結線からスター結線へ巻線切替えを行うようにしたものである。
上記手段により、最初に適切な切換え時間を求めて、この時間を設定することで、確実に同期に入った後でスター結線値の変更が行える。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図である。図２は図１の該期電動機の電機子巻線の結線を示した図である。
図１および図２において、９はインバータ、１０は永久磁石内蔵形同期電動機、１１は巻線切替え機、１２はスイッチ、１３はタイマー付リレー、１４は巻線切替え装置である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
ずなわち、永久磁石内蔵形同期電動機９をインバータ９から開閉するスイッチ１２と、外部からの信号により、該スイッチ１２の開閉の状態に応じて電機子巻線の巻線切替えをスター結線とデルタ結線により行う巻線切替え機１１とよりなる巻線切替え装置１４を該同期電動機１０とインバータ９の間に設け、該同期電動機１０を接続して該巻線切替え装置１４を複数個並列に配置してなる装置群を、１台のインバータ９の出力端子に接続したものである。
なお、本実施例における電機子巻線は、図２に示すようにデルタ結線とスター結線が行えるように、巻始めと巻き終りにリード線を設けて６本出しとする構成としており、前記６本のリード線は該巻線切替え機１１に接続されている。
【００１０】
以下、本実施例の動作を説明する。
１台のインバータ９に複数台接続されている電動機のうち、追加投入される同期電動機１０はスイッチ１２が開の状態となっている。この状態では、インバータ９から該同期電動機１０へは電力が供給されておらず、この状態で、巻線切替え機１１はデルタ結線となっている。スイッチ１２が閉となると、同期電動機１０は巻線切替え機１１がデルタ結線となっているので、デルタ結線にて起動する。
起動後、同期に引込まれたことを確認し、巻線切替え機１１に巻線切替えを行う信号が送られると、該巻線切替え機１１はデルタ結線からスター結線に切り替わり、該同期電動機１０はスター結線にて運転される。
【００１１】
したがって、本発明の第１実施例は該同期電動機１０と巻線切換え装置１４を接続した装置群を１つのユニットとして、これを複数個並列に１台のインバータ９の出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、同期運転時はスター結線に切り替わって運転を行うことができる。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約１．７倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行うことができる。
【００１２】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図３は本発明の第２実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図である。
本発明の第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、巻線切替え機１１はインバータ９の出力端子にスイッチ１２を介して接続されており、該スイッチ１２からは巻線切替え機１１のデルタ結線とスター結線を切り替える信号が出力されており、該巻線切替え機１１とスイッチ１２の間の信号線の途中にｔ秒後に動作するタイマー付リレー１３が設けられている。
該タイマー付リレー１３の設定時間ｔは、デルタ結線にて前記同期電動機を始動させ、同期に引込まれるまでの時間を計測し、その時間以上の値に設定した。
上記巻線切替え機１１とスイッチ１２よりなる巻線切替え装置１４とタイマー付リレー１３をひとまとまりとして、永久磁石内蔵形同期電動機１０とインバータ９の間に設け、これを複数個並列に１台のインバータ９の出力端子に接続してある。
【００１３】
以下、本実施例の動作を説明する。
１台のインバータ９に複数台接続されている電動機のうち、追加投入される同期電動機１０はスイッチ１２が開の状態となっている。この状態では、インバータ９から該同期電動機１０へは電力が供給されておらず、この状態で、巻線切替え機１１はデルタ結線となっている。スイッチ１２が閉となると、同期電動機１０は巻き線切替え機１１がデルタ結線となっているので、デルタ結線にて起動する。一方、スイッチ１２が閉すると、スイッチ１２からはタイマー付リレー１３を介して巻線切替え機１１にｔ秒後にスター結線に切り替わるように信号が送られ、該巻線切替え機１１はスイッチ１２が閉となってｔ秒後にスター結線に切り替わり、同期電動機１０はスター結線にて運転される。
したがって、本発明の第２実施例は該同期電動機１０と巻線切換え装置１４とタイマー付リレー１３よりなる装置群を１つのユニットとして、これを複数個並列に１台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、ｔ秒後にスター結線に切り替わって運転が行える。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約１．７倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行える。更に、巻線切替え装置にタイマー機能を付加し、切換えの時間ｔを設定することにより、自動的に且つ、確実にデルタ結線にて始動から同期に引込まれた後にスター結線へ変更することができ、巻線の焼損を防ぐことができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１実施例は該同期電動機と巻線切換え装置を接続した装置群を１つのユニットとして、これを複数個並列に１台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、同期運転時はスター結線に切り替わって運転を行うことができる。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約１．７倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行うことができる。
【００１５】
また、本発明の第２実施例は該同期電動機と巻線切換え装置とタイマー付リレーよりなる装置群を１つのユニットとして、これを複数個並列に１台のインバータの出力端子に接続することにより、追加投入を行うときは、デルタ結線にて始動し、ｔ秒後にスター結線に切り替わって運転が行える。
こうすることで、始動時はデルタ結線となるので、スター結線で始動するよりも約１．７倍のインダクショントルクを得ることができ、始動特性を大幅に改善できる。また、同期運転時は、スター結線となっているので、効率・力率の良い運転が行える。更に、巻線切替え装置にタイマー機能を付加し、切換えの時間ｔを設定することにより、自動的に且つ、確実にデルタ結線にて始動から同期に引込まれた後にスター結線へ変更することができ、巻線の焼損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図
【図２】図１の該期電動機の電機子巻線の結線を示した図
【図３】本発明の第２実施例を示す永久磁石内蔵形同期電動機とインバータとの接続状態を示す図
【図４】一般的な従来の４極機を例とした永久磁石内蔵形同期電動機の正断面図
【図５】図４の固定子スロット内に巻回された電機子巻線の結線図
【図６】従来の永久磁石内蔵形同期電動機の始動時のトルクカーブを示した図
【図７】従来の永久磁石内蔵形同期電動機の非同期時の磁石トルク、インダクショントルクの様子を示した図
【符号の説明】
１  回転子
２  回転子鉄心
２ａ  回転子スロット
２ｂ  磁石抜き穴
３  永久磁石
４  ２次導体
５  固定子
６  固定子鉄心
６ａ  固定子スロット
７  電機子巻線
１２、１６  スイッチ
９  インバータ
１０、１５  永久磁石内蔵形同期電動機
１１  巻線切り替え機
１３  タイマー付リレー
１４  巻き線切替え装置
【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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