(57)【要約】【課題】単相交流同期モータの始動時において、コストが安く、かつ、振動や騒音を抑えることができる駆動装置を提供する。【解決手段】単相交流同期モータ１０の制御回路２６は、電源極性検出回路３０からの極性判断信号と、ホールＩＣ２０からの磁極判断信号に基づいてゲートトリガー信号を出力してトライアック２４をＯＮ／ＯＦＦさせて、回転子１４の回転方向へのトルクが生じるように固定子巻線１６，１６を励磁するものであり、この場合に交流電源１８のゼロクロス点よりθ１遅らせてゲートトリガー信号をＯＮし、θ２遅らせてＯＦＦするものである。【選択図】      図４
2004336851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの回転子極と２つの固定子極からなる永久磁石型の単相交流同期モータの駆動装置において、
交流電源から固定子に巻回された固定子巻線への印加電圧の極性を判断する電源極性検出手段と、
Ｓ極とＮ極よりなる回転子の磁極の位置を検出する磁極検出手段と、
前記固定子巻線と前記交流電源との間に直列接続されたトライアックと、
前記電源極性検出手段からの極性判断信号と、前記磁極検出手段からの磁極判断信号に基づいてゲートトリガー信号を出力して前記トライアックをＯＮ／ＯＦＦさせて、前記回転子の回転方向へのトルクが生じるように前記固定子巻線を励磁する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、
前記交流電源の電圧のゼロクロス点よりθ１（但し、０°＝＜θ１＜９０°である）遅らせてゲートトリガー信号をＯＮし、前記ゼロクロス点よりθ２（但し、９０°＜θ２＝＜１８０°である）遅らせて前記ゲートトリガー信号をＯＦＦする
ことを特徴とする単相交流同期モータの駆動装置。
【請求項２】
前記固定子と前記回転子とのギャップが不均一である
ことを特徴とする請求項１記載の単相交流同期モータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単相交流同期モータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単相交流同期モータ（以下、単に同期モータという）を自己始動させるに当たって、その始動に十分な起動トルクを得るために始動用コンデンサや始動用補助巻線を用いるなどの様々な方法が提案されている。
【０００３】
また、大きな起動トルクが必要なときは、その起動を確保すべく、起動時に負荷から同期モータを切離し、同期運転後に負荷に接続する方法なども提案されている。
【０００４】
しかし、これらの方法ではコストアップを招くことは勿論、機械的なスイッチによる音や信頼性の面でも問題点がある。
【０００５】
また、この同期モータを始動させる始動装置としては次のようなものが提案されている（特許文献１）。
【０００６】
この始動装置は、同期モータの固定子巻線と交流電源との間に直列に配置されたトライアックを有し、このトライアックは、同期モータの固定子巻線を通って流れる電流と、回転子の永久磁石の位置と極性と交流電圧源の極性を処理する電子回路によって制御されるものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−７８５８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような特許文献１の始動装置であると、固定子巻線への励磁に対し回転子の応答が早い場合には、同期モータが瞬時のロック状態を繰り返し、振動や騒音の原因となるという問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、単相交流同期モータの始動時において、コストが安く、かつ、振動や騒音を抑えることができる駆動装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、２つの回転子極と２つの固定子極からなる永久磁石型の単相交流同期モータの駆動装置において、交流電源から固定子に巻回された固定子巻線への印加電圧の極性を判断する電源極性検出手段と、Ｓ極とＮ極よりなる回転子の磁極の位置を検出する磁極検出手段と、前記固定子巻線と前記交流電源との間に直列接続されたトライアックと、前記電源極性検出手段からの極性判断信号と、前記磁極検出手段からの磁極判断信号に基づいてゲートトリガー信号を出力して前記トライアックをＯＮ／ＯＦＦさせて、前記回転子の回転方向へのトルクが生じるように前記固定子巻線を励磁する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記交流電源の電圧のゼロクロス点よりθ１（但し、０°＝＜θ１＜９０°である）遅らせてゲートトリガー信号をＯＮし、前記ゼロクロス点よりθ２（但し、９０°＜θ２＝＜１８０°である）遅らせて前記ゲートトリガー信号をＯＦＦすることを特徴とする単相交流同期モータの駆動装置である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記固定子と前記回転子とのギャップが不均一であることを特徴とする請求項１記載の単相交流同期モータの駆動装置である。
【００１２】
【作  用】
請求項１の単相交流同期モータの駆動装置について説明する。
【００１３】
単相交流同期モータの始動時において、制御手段は、電源極性検出手段からの極性判断信号と、磁極検出手段からの磁極判断信号に基づいてゲートトリガー信号を出力してトライアックをＯＮ／ＯＦＦさせて、回転子の回転方向へのトルクが生じるように固定子巻線を励磁する。この場合に、制御手段は、交流電源の電圧のゼロクロス点よりθ１遅らせてゲートトリガー信号をＯＮし、前記ゼロクロス点よりθ２遅らせてゲートトリガー信号をＯＦＦする。
【００１４】
このように、ゲートトリガー信号をθ１遅らせてＯＮし、θ２遅らせてＯＦＦすることによって、振動を抑え効果的に単相交流同期モータを始動させることができる。
【００１５】
請求項２の単相交流同期モータの駆動装置において、固定子と回転子とのギャップを不均一にすることにより、ギャップが小さい部分での起動トルクが大きくなり、始動が行い易い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の単相交流同期モータ（以下、単に同期モータという）の駆動装置の実施形態について、説明する。
【００１７】
（１）同期モータの原理
まず、本実施形態の内容を説明する前に同期モータ（単相交流同期モータ）の原理について、図６の同期モータの等価回路と、図７の等価回路における瞬時電圧及び瞬時電流の波形のグラフ、図８のベクトル図に基づいて説明する。
【００１８】
図６は、同期モータの等価回路であり、この等価回路の内容は（１）式の電圧方程式で表すことができる。
【００１９】
Ｖ＝（ｒ＋ＰＬ）Ｉｍ＋Ｅ０・・・・（１）
但し、Ｐは微分演算子である。
【００２０】
すなわち、同期モータに印加される電圧Ｖと誘起電圧Ｅ０の差の電圧が巻線抵抗ｒと同期インダクタンスＬに加わり、モータ電流Ｉｍが流れる。この瞬時電圧と瞬時電流の波形を示したものが図７である。
【００２１】
この図７の波形の位相関係を直交座標系で表現すると図８のベクトル図になる。すなわち、誘起電圧Ｅ０は回転磁束に対して９０°の進み位相を有することから、反時計回りを正として、回転子磁束軸（ｄ軸）と誘起電圧軸（ｑ軸）を選ぶと、このｄ−ｑ座標系で電圧、電流の正弦波波高値を長さとし、位相差を角度差に表している。そして、（１）式より、モータ電圧Ｖは誘起電圧Ｅ０と巻線抵抗ｒと同期インダクタンスＬに加わる電圧の和ＶＳで表される。また、このＶＳはモータ電流Ｉｍと同じ位相である巻線抵抗ｒによる電圧降下分ＶＲとそれより９０°の進み相を有する同期インダクタンスＬによる電圧降下分ＶＬに分解される。
【００２２】
（２）始動制御方法
次に、図１に示すような、Ｕ字型の固定子１２の間に回転子１４が回転自在に配され、二つの回転子極と二つの固定子極からなる永久磁石型単相交流同期モータの始動制御方法について説明する。
【００２３】
同期モータ１０を回転させるためには回転方向へのトルクが生じるような磁束を発生させるように固定子巻線１６を励磁する必要がある。例えば、図１のような状態の場合であれば、図の矢印の方向に磁束φが発生するように固定子巻線１６を励磁することで、図の回転方向（反時計回り）へのトルクが生じ同期モータ１０は回転力を発生する。また、回転子極が逆の位置となった場合には、図の矢印と逆方向の磁束を発生させるように励磁すればよい。
【００２４】
具体的には、図１において、交流電源１８のＡＣ１端子がＡＣ２端子より電位が高く、この状態において固定子巻線１６に通電した時に発生する磁束の向きが図の左向きであれば、回転子極が固定子による発生磁束に対して反発する位置にあり、かつ、回転方向に傾いていれば同期モータ１０は図１に示す方向への回転力が生まれる。
【００２５】
これを実現させるために、交流電源１８の極性を検出し、ホールＩＣなどの磁極センサを用いて回転子極の極性を検出し、これらの相互関係から固定子巻線１６を励磁してよいか否かの判断を決定する。これら相互関係は固定子巻線１６の巻方向や回転方向により異なり、従来は以下の二つのパターンに集約される。
【００２６】
従来の第１励磁パターンは、図５（ａ）に示すように、交流電源１８の極性がプラスかつ回転子磁極がＮ、または、極性がマイナスかつ回転子磁極がＳの場合である。
【００２７】
従来の第２励磁パターンは、図５（ｂ）に示すように、交流電源１８の極性がプラスかつ回転子磁極がＳ、または、極性がマイナスかつ回転子磁極がＮの場合である。
【００２８】
同期モータ１０の構造に合わせてこれら従来の二つの励磁パターンから適切なパターンを選択する。
【００２９】
しかしながら、これら従来の二つの励磁パターンであっても、振動が発生する場合がある。
【００３０】
この理由は、図９（ａ）の従来例に示すように、固定子巻線１６への励磁に対して回転子１４の応答が早い場合には、同期モータは瞬時ロック状態を繰り返すこととなる。すなわち、図９（ａ）のグラフに示すように交流電源１８がゼロクロス点を通過した時点で回転が始まり、回転子１４がそのトルクにより回転が終了した時点はＦ点となる。このＦ点から次のゼロクロス点までの間は電圧はかかった状態となっているが回転子１４は回転しないためロック振動期間となるからである。
【００３１】
また、図１０（ａ）の従来例の場合では、ゼロクロス点からＦ点を通過し次のゼロクロス点の間は交流電源１８がＯＮ状態となっているため、前記したＦ点からゼロクロス点の間は無駄な電圧が消費されている状態となっている。なお、「ゼロクロス点」とは交流の電圧の値が零になった点である。
【００３２】
（３）本実施形態の始動制御方法
上記のように従来の始動制御方法では、ロック振動期間が存在し、また無駄な電圧の損失が存在しているため、本実施形態ではこのような問題点を解決した始動制御方法を提案する。
【００３３】
（１）の同期モータの原理において説明したように、同期時の交流印加電圧Ｖ、誘起電圧Ｅ０、モータ電流Ｉｍの瞬時波形は図７で示され、そのベクトル図は図８のようになる。ここで、交流印加電圧Ｖとモータ電流Ｉｍの位相差に注目すると、同期モータ１０においてその位相差は誘導性負荷ゆえに０°以上かつ９０°を越えることがない。従って、同期モータ１０への通電スイッチとしてトライアックを使用すれば、双方向への通電が可能でありその電流が保持電流以下になるまでＯＦＦしないで、通電のＯＮタイミングでの信号を与えればよい。
【００３４】
そこで、本実施形態では、従来の第１、２励磁パターンに代えて、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、負荷に応じて通電開始位相を電源電圧のゼロクロス点よりθ１（但し、０°＝＜θ１＜９０°である）遅らせ、ゲートトリガー信号のＯＦＦのタイミングをゼロクロス点よりθ２（但し、９０°＜θ２＝＜１８０°である）遅らせた位置とすることで、過励磁による振動を抑え、また小電力を兼ね備えた同期モータ１０を始動するものである。
【００３５】
本実施形態の第１励磁パターンは、図５（ｃ）に示すように、交流電源１８の極性がプラスかつその位相がゼロクロス点よりθ１以上θ２以下であり、かつ、回転子磁極がＮまたは極性がマイナスかつ回転子磁極がＳの場合である。
【００３６】
本実施形態の第２励磁パターンは、図５（ｄ）に示すように、交流電源１８の極性がプラスかつその位相がゼロクロス点よりθ１以上θ２以下であり、かつ、回転子磁極がＳまたは極性がマイナスかつ回転子磁極がＮの場合である。
【００３７】
このようにθ１遅らせることにより、図９（ｂ）に示すように、Ｇ点で回転子１４の回転が始まり、ゼロクロス点の位置で回転子１４の回転が停止するため、従来例のようなロック振動期間が存在せず、振動を抑えることができる。
【００３８】
また、θ２遅らせることにより、図１０（ｂ）に示すように、不要なゲート損失を抑えることができる。
【００３９】
上記で説明したθ１とθ２は、同期モータの機械的時定数ＴＭによって決定されるものである。なお、機械的時定数ＴＭ（秒）とは、負荷を切り離して同期モータ単体で、定電圧を印加してモータ回転数速度がその飽和値の６３％までに加速するのに要する時間である。
【００４０】
しかしながら、同期モータの機械的時定数からθ１とθ２が決定しにくい場合には、実験に基づいて最も振動が少ないθ１とθ２を求めてもよい。
【００４１】
（４）固定子１２と回転子１４の構造
上記始動制御方法を実現するための固定子１２と回転子１４の構造について説明する。
【００４２】
上記したように固定子１２はＵ字型であって、詳しくはＵ字型の固定子鉄心２０の相対向する部分にそれぞれ固定子巻線１６，１６を巻回し、固定子鉄心２０の先端部付近に設けられている円弧状の切欠き内部に、永久磁石のＳ極とＮ極とよりなる回転子１４を回転自在に配している。
【００４３】
そして、回転子１４が意図する方向へ回転力を得るために、図２に示すように、固定子鉄心２０の先端部近傍の円弧状の切欠きの形状を真円ではなく楕円とする。すなわち、断面が真円の回転子１４とこの楕円状の切欠きとの隙間が不均一なギャップとなっており、最小のギャップａと最大のギャップｂとの間に差を設けるものである。例えば、回転子１４の直径Ｒが２１ｍｍの場合には、最小ギャップが１．９ｍｍであり、最大ギャップが２．４ｍｍである。
【００４４】
始動時に予め任意の角度だけ傾けておけば、この不均一なギャップでのトルクの差により簡単に意図する方向（例えば反時計回りの方向）へ同期モータ１０を回転させることができる。
【００４５】
なお、上記説明では、固定子鉄心２０の円弧状の切欠きを真円ではなく楕円としたが、これに代えて、固定子鉄心２０の先端部近傍の円弧状の切欠きの形状を真円となし、図３に示すように回転子１４の断面を真円ではなく、その相対向する部分が膨出した楕円としてギャップを不均一な状態にすることもできる。
【００４６】
（５）同期モータ１０の駆動装置２２
上記始動制御方法を実現するための同期モータ１０の駆動装置２２について図４に基づいて説明する。図４は、その駆動装置２２のブロック図である。
【００４７】
同期モータ１０の一対の固定子巻線１６，１６に直列にトライアック２４が接続され、トライアック２４と一方の固定子巻線１６に交流電源１８が接続されている。
【００４８】
回転子１６の回転位置を検出するために、回転子１６の近傍にはホールＩＣ２８が配されており、磁極判断信号を出力する。同期モータ１０の制御回路２６は、ホールＩＣ２８から磁極判断信号が入力する。
【００４９】
また、交流電源１８の極性を判断するための電源極性検出回路３０が設けられ、この電源極性検出回路３０からの極性判断信号も制御回路２６に入力する。
【００５０】
制御回路２６は、上記で説明した本実施形態の第１または第２励磁パターンに基づいて、同期モータ１０を回転始動させるためにゲートトリガーパルス発生回路３２を介してゲートトリガー信号をトライアック２４のゲート端子に出力するものである。
【００５１】
この駆動装置２２であると、ホールＩＣ２８からの磁極判断信号と電源極性検出回路３０からの極性判断信号に基づいて、本実施形態の第１または第２励磁パターンに合致するようにゲートトリガー信号を出力して同期モータ１０を始動させる。
【００５２】
（５）本実施形態の効果
以上により本実施形態の同期モータ１０であると、交流電源１８の電圧のゼロクロス点よりθ１遅らせてゲートトリガー信号をＯＮし、このゼロクロス点よりθ２遅らせてゲートトリガー信号をＯＦＦすることにより、振動を抑え、かつ電力の損失を抑えることができる同期モータ１０の始動を行うことができる。
【００５３】
また、回転子１４と固定子１２とのギャップを不均一にすることにより意図する方向に容易に回転子１４を回転させることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上により本発明の単相交流同期モータの駆動回路であると、低振動でかつ電力損失の少ない始動を行うことができる。
【００５５】
また、意図する方向に容易に回転子を回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の同期モータの構造を示す説明図である。
【図２】本実施形態の固定子と回転子の構造を示す図である。
【図３】断面が楕円形状の回転子の縦断面図である。
【図４】本実施形態の同期モータの駆動装置のブロック図である。
【図５】交流電源の電圧波形と、回転子の磁極とトライアックのゲートトリガー信号の状態を示すグラフであり、（ａ）が従来の第１励磁パターン、（ｂ）が従来の第２励磁パターン、（ｃ）が本実施形態の第１励磁パターン、（ｄ）が本実施形態の第２励磁パターンを示すグラフである。
【図６】同期モータの等価回路である。
【図７】同期モータの等価回路における瞬時電圧と瞬時電流の波形図である。
【図８】同じく図７におけるベクトル図である。
【図９】θ１の内容を説明するための説明図であり（ａ）は従来例であり、（ｂ）は本実施形態の図である。
【図１０】θ２の説明を行うためのものであり、（ａ）が従来例であり、（ｂ）が本実施形態の図である。
【符号の説明】
１０  同期モータ
１２  固定子
１４  回転子
１６  固定子巻線
１８  交流電源
２０  固定子鉄心
２２  駆動装置
２４  トライアック
２６  制御回路
２８  ホールＩＣ
３０  電源極性検出回路
３２  ゲートトリガーパルス発生回路
【図１】
2004336851.tif 000003
【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】
2004336851.tif 000009
【図８】
2004336851.tif 000010
【図９】
2004336851.tif 000011
【図１０】
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