(57)【要約】      （修正有）【課題】モータノ起動を適切に行うモータ起動裝置を提供する。【解決手段】主巻線Ｍおよび始動巻線Ｓを有するモータ１０を起動するためのモータ起動装置２０は、以下の構成を含む。第１、第２の電極を有し、第１の電極が始動巻線Ｍに電気的に接続される第１の正特性サーミスタ２２と、第１、第２の電極Ｔ１、Ｔ２、およびゲートＧを有し、第２の電極が第１の正特性サーミスタ２２の第２の電極に電気的に接続され、第１の電極が電力源Ｌ２に電気的に接続されるトライアック２６と、第１、第２の電極を有し、第１の電極が第１の正特性サーミスタ２２の第２の電極に電気的に接続され、第２の電極がトライアック２６のゲートＧに電気的に接続される第２の正特性サーミスタ２４とを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主巻線および始動巻線を有するモータを起動するためのモータ起動装置であって、
第１、第２の電極を有し、該第１の電極が前記始動巻線に電気的に接続される第１の正特性サーミスタと、
第１、第２の電極、およびゲートを有し、該第２の電極が前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極に電気的に接続され、該第１の電極が電力源に電気的に接続されるトライアックと、
第１、第２の電極を有し、該第１の電極が前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極に電気的に接続され、該第２の電極が前記トライアックのゲートに電気的に接続される第２の正特性サーミスタとを有し、
前記第１の正特性サーミスタと前記第２の正特性サーミスタとが互いに熱的に結合される、モータ起動装置
【請求項２】
前記第２の正特性サーミスタは、前記第１の正特性サーミスタに比べて熱容量が小さい、請求項１に記載のモータ起動装置。
【請求項３】
前記第２の正特性サーミスタの熱容量は、前記第１の正特性サーミスタの熱容量の１／５〜１／３０以下である、請求項１または２に記載のモータ起動装置。
【請求項４】
前記第１の正特性サーミスタのキューリー温度は、前記第２の正特性サーミスタのキューリー温度よりも高い、請求項１ないし３いずれかに記載のモータ起動装置。
【請求項５】
前記モータ起動装置は、ハウジングを含み、該ハウジングによって形成される実質的に密閉された空間内に、前記第１、第２の正特性サーミスタおよび前記トライアックを収容する、請求項１ないし４いずれかに記載のモータ起動装置。
【請求項６】
前記ハウジングは、前記始動巻線に接続された第１の端子を挿入するための第１の孔と、前記電力源に接続された第２の端子を挿入するための第２の孔を含み、前記第１の孔から挿入された第１の端子は、金属製の第１のバネ性端子を介して前記第１の正特性サーミスタの第１の電極に電気的に接続され、前記第２の孔から挿入された第２の端子は、金属製の第２のバネ性端子を介して前記トライアックの前記第１の電極に電気的に接続される、請求項１ないし５いずれかに記載のモータ起動装置。
【請求項７】
前記第１、第２の正特性サーミスタの各第１、第２の電極は、それぞれ対向する面に形成され、前記第１の正特性サーミスタの前記第１の電極側に前記第１のバネ性端子が配され、かつその第２の電極側に前記第２のバネ性端子および第３の金属製のバネ性端子が配され、該第３のバネ性端子は、前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極を前記トライアックの前記第２の電極に電気的に接続し、さらに第２の正特性サーミスタが、前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極側に近接して配される、請求項６に記載のモータ起動装置。
【請求項８】
前記第２の正特性サーミスタの前記第２の電極と前記トライアックのゲートとの間に第４の金属製のバネ性端子が介在される、請求項７または７に記載のモータ起動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単相誘導モータ等のモータを起動あるいは始動するための起動装置に関し、特に消費電力を低減する起動用回路を含むモータ起動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫やエアコン等のモータに用いられるモータ始動回路を図３に示す。始動巻線Ｓと主巻線Ｍを有するモータ１００の始動巻線Ｓに正特性サーミスタ（ＰＴＣ）１１０が直列に接続され、始動巻線Ｓと主巻線Ｍとの共通端子Ｃには過負荷保護装置１２０が接続される。ＰＴＣ１１０は常温では内部抵抗が小さく、モータ起動時に、十分な始動電流を始動巻線Ｓに流す。モータ起動後には、ＰＴＣ１１０自身に流れる電流の自己発熱で内部抵抗が急激に上昇し、数十ミリアンペアの保持電流で、始動巻線Ｓにはほとんど影響のない定常状態を維持する。また、モータ１００の過負荷運転時あるいは拘束運転時には、その過電流および／または温度に応答して過負荷保護装置１２０が回路を開くようになっている。
【０００３】
しかし、このようなモータ始動回路は、モータの定常運転時においても、始動巻線Ｓへの電流を抑えるためにＰＴＣ１１０を高温・高抵抗に保つ必要があるため、保持電流による数ワットの電力が無駄に消費されていた。これを解決するために、例えば特許文献１は、図４に示すように、主巻線２１０と始動巻線２２０を有するモータ２００の始動巻線２１０に直列に起動用正特性サーミスタ２３０とトライアック２４０とを接続し、かつ起動用正特性サーミスタ２３０と並列にトライアック制御用正特性サーミスタ２５０を配置し、トライアック制御用サーミスタ２５０をトライアック２３０のゲート端子に接続する。これにより、モータ起動後の定常運転時に、トライアック制御用ＰＴＣ２５０によりトライアック２３０をオフさせることで、起動用正特性サーミスタ２３０の電力消費を削減するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２８５１６８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に示す起動装置には次のような課題がある。モータ起動時に、トライアック制御用サーミスタ２５０を通じてトリガー信号がトライアック２４０に印加されてトライアック２４０が導通し、これにより起動用正特性サーミスタ２３０に電流が流れる。その起動から一定時間後に、起動用正特性サーミスタ２３０が自己発熱によりその抵抗値を上昇させ、更には、トライアック制御用サーミスタ２５０もその抵抗値が上昇してトライアック２４０のゲート端子に印加される電流が小さくなりトライアック２４０がオフされる。このような回路の問題点としては、トライアック制御用サーミスタ２５０が外部の温度の影響を受けやすく、必ずしも安定した動作を行い得ない場合がある。つまり、その動作環境の温度が高いと、トライアック制御用サーミスタ２５０の温度も上昇し、予想よりも早い時点でトライアック２４０をオフさせてしまうことがある。例えば、過負荷運転や拘束運転後に再起動する場合には、モータの周囲が十分に冷え切っておらず、特に夏場などはより顕著である。これによりモータ起動がうまく行い得ず、何度も起動を行わなければならなかった。
【０００６】
そこで本発明は、上記従来のモータ起動装置の課題を解決し、モータの起動を適切に行うことができる、モータ起動装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、従来のモータ起動装置を改善し、省電力化、小型化を図ったモータ起動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るモータ起動装置は、第１、第２の電極を有し、該第１の電極が前記始動巻線に電気的に接続される第１の正特性サーミスタと、第１、第２の電極、およびゲートを有し、該第２の電極が前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極に電気的に接続され、該第１の電極が電力源に電気的に接続されるトライアックと、第１、第２の電極を有し、該第１の電極が前記第１の正特性サーミスタの前記第２の電極に電気的に接続され、該第２の電極が前記トライアックのゲートに電気的に接続される第２の正特性サーミスタとを有する。そして、第１の正特性サーミスタと第２の正特性サーミスタとが互いに熱的に結合される。
【０００８】
本発明のモータ起動装置によれば、モータ起動時に、第１の正特性サーミスタが高抵抗状態になるまでの間、モータの始動巻線に起動電流が流され、その後、一定時間経過後に第１の正特性サーミスタの発熱により第２の正特性サーミスタの温度が上昇され、第２の正特性サーミスタが高抵抗状態にされることでトライアックの導通がオフされる。これにより、モータの始動巻線に流される電流を第１の正特性サーミスタによって正確に制御するとともに、これと熱結合された第２の正特性サーミスタにより一定の遅延時間後にトライアックをオフさせることで、第１の正特性サーミスタによる消費電力を低減することができる。さらに第２の正特性サーミスタの熱容量を可能な限り小さくすることで、その消費電力をより小さくするとともに、第１の正特性サーミスタからの熱によって比較的迅速にキューリー温度にまで上昇される。好ましくは、第２の正特性サーミスタの熱容量は、第１の正特性サーミスタの熱容量の１／２０以下である。こうして第１の正特性サーミスタに熱結合される第２の正特性サーミスタによりトライアックの動作を制御することで、モータ起動時の動作の安定化させ、同時に省電力化を図ることができる。
【０００９】
また、過負荷運転あるいは拘束運転時に過負荷リレーが作動し、モータの再起動を行うような場合であっても、第２の正特性サーミスタの熱量量は第１の正特性サーミスタよりも小さく、かつそのキュウリー温度もそれより低いため、第１の正特性サーミスタは、少なくとも第２の正特性サーミスタのキューリー温度よりも低い温度に保持されている。従って、再起動時において、第１の正特性サーミスタは低抵抗であり、起動に必要な大きな電流を瞬時に始動巻線に流すことができる。
【００１０】
第１、第２の正特性サーミスタを、実質的に密閉された内部空間内に収容することで、その内部空間を外部から熱的に隔離し、内部空間内の温度が外気によって影響を受けにくくしている。同時に、ハウジングの外形は、その表面積が小さくなるようにすることが好ましい。モータの定常運転時において、第２の正特性サーミスタからの熱の放出をできるだけ小さくすることで、その消費電力を低減させるためである。
【００１１】
【実施の態様】
次に、本発明の実施の態様について図面を参照して説明する。図１は、本実施の態様に係るモータ起動装置の構成を示す図である。同図において、単相誘導電動機（モータ）１０は、主巻線Ｍと始動巻線Ｓを含み、そのコモン端子Ｃは過負荷保護回路ＯＬＰを介して電源端子Ｌ１に接続される。本実施の形態に係るモータ起動装置２０は、モータ起動用の正特性サーミスタ（ＰＴＣ）２２と、正特性サーミスタ２２に熱的に結合されるトライアック制御用の正特性サーミスタ（ＰＴＣ）２４と、トライアック２６と、抵抗Ｒ１とを含んで構成される。
【００１２】
電源端子Ｌ２と始動巻線Ｓとの間に、トライアック２６と正特性サーミスタ２２とが直列に接続される。トライアック２６は、双方向性制御整流素子（双方向性サイリスタ）であり、電極Ｔ１、Ｔ２およびゲートＧを有し、ゲートＧに印加されるトリガー電流に応じて電極Ｔ１、Ｔ２間の導通をオン・オフ制御する。トライアック２６の電極Ｔ１が電源端子Ｌ２に接続され、電極Ｔ２が正特性サーミスタ２２の一方の電極に接続される。正特性サーミスタ２２の他方の電極は、モータ１０の始動巻線Ｓに接続される。また、トライアック２６と正特性サーミスタ２２との接続ノードＮ１は、トライアック制御用の正特性サーミスタ２４の一方の電極に接続され、他方の電極がトライアック２６のゲートＧおよび抵抗Ｒ１に接続される。抵抗Ｒ１は、モータ起動後に、正特性サーミスタ２４からの電流がトライアック２６を導通させないようにゲート電流を電源Ｌ２側にバイパスする抵抗値に設定され、ここでは、常温で約２２０オームの抵抗値である。
【００１３】
正特性サーミスタ２２は、おおよそ１２０度のキューリー温度をもち、キューリー温度以下のとき、約５．６オームの抵抗であり、それを越えると抵抗値が急激に上昇し、約５キロオームの高抵抗となる。
【００１４】
正特性サーミスタ２４は、正特性サーミスタ２２と熱的に結合される。正特性サーミスタ２４のキューリー温度は、正特性サーミスタ２２のキューリー温度よりも２０ないし３０％程度低く設定され、ここでは約８０度に設定されている。さらに正特性サーミスタ２４は、正特性サーミスタ２２の熱容量よりも小さく、好ましくは、約２０分の１程度である。正特性サーミスタ２４は、キューリー温度以下のとき、その抵抗は約１５０オームであり、キューリー温度を超えると、約３０キロオームの高抵抗になる。なお、正特性サーミスタ２２と正特性サーミスタ２４との熱結合については後述する。
【００１５】
過負荷保護装置ＯＬＰは、電源端子Ｌ１とコモン端子Ｃとの間に接続され、モータの過負荷運転時やモータの拘束時に、バイメタルディスクを反転させて回路を遮断する。好ましくは、バイメタルディスクと直列にヒータを含み、過負荷電流によってヒータ温度が上昇することでバイメタルディスクの応答性あるいは感度を改善している。
【００１６】
モータの起動時に電源端子Ｌ１、Ｌ２間に１００ボルトの交流電圧が与えられると、過負荷保護装置ＯＬＰ、始動巻線Ｓ、正特性サーミスタ２２、および正特性サーミスタ２４を介してトリガー電流がトライアック２６のゲートＧに印加される。電極Ｔ１とゲートＧには、おおよそ１．５ボルトのトリガー電圧が生成され、トライアック２６の電極Ｔ１、Ｔ２間が導通する。
【００１７】
トライアック２６の導通により、正特性サーミスタ２２を介して始動巻線Ｓに約２０アンペアの電流が流される。正特性サーミスタ２２は、おおよそ２秒後に、キューリー温度に到達し、その抵抗値が５キロオームとなり、約２０ミリアンペアの保持電流が正特性サーミスタ２２を流れる。
【００１８】
正特性サーミスタ２２が高抵抗状態に飽和されると、それに熱結合された正特性サーミスタ２４がその発熱によって熱せられ、約６０秒後にキューリー温度（８０度）に達する。このとき、正特性サーミスタ２４の抵抗値は約３０キロオームであり、そこを流れる保持電流は約３ミリアンペアである。この保持電流は、抵抗Ｒ１を介して電源端子Ｌ２側に流され、トライアック２６のゲートＧに印加される保持電流はトライアック２６を導通させるに十分なトリガー電流に至らず、電極Ｔ１、Ｔ２間の導通がオフされる。このため、モータ起動後、起動装置において消費される電力は、正特性サーミスタ２４を流れる微小電流となり、従来の図３に示すような始動用回路と比較して大幅に消費電力を低減することができる。さらに、モータ１０の始動巻線Ｓに供給される起動電流は、正特性サーミスタ２２が飽和するまでの時間によって正確に制御することができ、言い換えれば、正特性サーミスタ２４の動作状況に影響を受けるものではないため、安定した起動を行うことが可能である。
【００１９】
一方、モータの過負荷運転後にモータが再起動される場合であっても、正特性サーミスタ２４は、正特性サーミスタ２２よりも相当小さい熱容量であり、そこからの発熱により高温に保持されることはなく、従って、正特性サーミスタ２２に大きな起動電流を瞬時に流すことができる。
【００２０】
本実施の形態に係るモータ起動装置は、モータ起動時の動作を正特性サーミスタ２２によって制御した後に、正特性サーミスタ２２と熱結合された正特性サーミスタ２４によりトライアック２６の導通をオフさせるようにしたので、モータ起動時の動作が正特性サーミスタ２４の影響を受けることがないため、起動時の動作を安定させることができる。さらに、正特性サーミスタ２２、２４の熱結合によりトライアック２６をオフさせるための遅延時間を設定するようにしたので、正特性サーミスタ２４のキューリー温度およびその熱容量を選択することで、遅延時間の調整を行うことができる。
【００２１】
次に、モータ起動装置の構造例を図２に示す。図２（ａ）は、上部ハウジングを取り外したときの平面図、同図（ｂ）は上部ハウジングを鉛直方向に切断したときの断面図である。モータ起動装置２０は、絶縁性樹脂から形成された下部ハウジング３０と、下部ハウジング３０に接続される絶縁性樹脂から形成された上部ハウジング６０とを含み、下部ハウジング３０と上部ハウジング６０とによって形成される内部空間内に、正特性サーミスタ２２、２４、トライアック２６および抵抗Ｒ１を収容する。
【００２２】
正特性サーミスタ２２、２４は、例えばチタン酸バリウムから形成されたピル状の円筒形状を有し、その対向する面に銀等の電極面を有する。正特性サーミスタ２２は、起動時に始動巻線に大きな電流を流す必要があるため、比較的熱容量が大きく、例えば、５００ｍｍ３の大きさである。一方、正特性サーミスタ２４は、正特性サーミスタ２２からの熱を受けることでキューリー温度に到達する必要があるため、その熱容量は小さく、例えば、３０ｍｍ３である。好ましくは、正特性サーミスタ２２の０．０５倍以下である。
【００２３】
下部ハウジング３０の略中央に、正特性サーミスタ２２を収容するための空間が形成される。下部ハウジング３０の内壁には、その内壁に沿って延在する突起３２が形成され、突起３２は正特性サーミスタ２２の外周方向の位置決めを行う。また、下部ハウジング３０の底部には、モータ１０に設けられたピン状の気密端子１１、１２を収容するための２つの孔（図中省略）が形成されている。気密端子１１は、モータ１０の始動巻線Ｓに電気的に接続され、気密端子１２は主巻線Ｍに電気的に接続されている。気密端子１１、１２は、孔を介して挿入され、下部ハウジング３０内に収容されたバネ性端子３４、３６とそれぞれ電気的に接続される。
【００２４】
バネ性端子３４、３６は、好ましくは、ベリリウム銅から形成される。バネ性端子３４は、一端３４ａと他端３４ｂとの間にＵ字型部分を有し、この部分が弾性変形することで、押圧面３４ｃを正特性サーミスタ２２の一方の電極２２ａに押圧させる。バネ性端子３４の一端３４ａは、下部ハウジング３０の内壁に固定される。好ましくは、一端３４ａは波形に加工された部分を含み、この部分が内壁に形成された溝３８内に嵌合される。バネ性端子３４の他端３４ｂは、一部に切欠が形成された円形部を有する。他端３４ｂは、気密端子１１を挿入する孔と整合する位置に配され、該円形部内に気密端子１１を収容し、これを弾性的に保持する。バネ性端子３４の中央には、平坦な押圧面３４ｃが形成され、押圧面３４ｃが正特性サーミスタ２２の一方の電極面２２ａに電気的に接続される。
【００２５】
バネ性端子３６の一端３６ａは、トライアック２４の電極Ｔ１にハンダ付けされ、他端３６ｂは、一部に切欠が形成された円形部を有し、これが気密端子１２を挿入する孔と整合する位置に配される。気密端子１２は、他端３６ｂ内に収容されそこで弾性的に保持される。正特性サーミスタ２２の他方の電極２２ｂには、バネ性端子４０が接続される。バネ性端子４０は、ほぼＵ字型を有し、該Ｕ字型部分が弾性変形可能である。一端４０ａは、正特性サーミスタ２２の他方の電極２２ｂに電気的に接続され、他端４０ｂは、トライアックの電極Ｔ２にハンダ付けされる。
【００２６】
バネ性端子４０の一端４０ａ上に、正特性サーミスタ２４が配される。正特性サーミスタ２４の一方の電極２４ａと、トライアック２６のゲート端子Ｇとの間に、Ｕ字型のバネ性端子４２が介在される。バネ性端子４２の一端４２ａは、ゲート端子Ｇにハンダ付けされ、他端４２ｂが電極２４ａに弾性的に押圧された状態で電気的な接続が成される。正特性サーミスタ２４の他方の電極２４ｂは、バネ性端子４２の付勢により、バネ性端子４０の一端４０ａに弾性的に押圧された状態でこれと電気的に接続される。また、下部ハウジング３０の両側に一対のスロット状の溝４４が形成される。該溝４４は、上部ハウジング６０に形成されたフック４６と係合する。なお、抵抗Ｒ１はトライアック２６の底部に配され、ここでの図示は省略する。
【００２７】
上部ハウジング６０は、半円筒状の部分４８と、この部分４８に接続される基部５０とを含む。半円筒状の部分４８は、その内部に正特性サーミスタ２２の外形形状に対応する空間を形成し、その内壁に突起３２と連続される突起５２を有する。
【００２８】
上部ハウジング６０は、そのフック４６を、下部ハウジング３０の溝４４内に係合させることで、実質的に密閉された内部空間を形成する。密閉された内部空間により外部から熱的に隔離される。このため、正特性サーミスタ２２、２４が外気の風や対流等の影響を受けにくくなり、それらの動作が安定化される。さらに、正特性サーミスタ２４は、金属製のバネ性端子４０を介して正特性サーミスタ２２に配置されているため、正特性サーミスタ２２の熱がバネ性端子４０を介して好適に正特性サーミスタ２４に熱伝導される。定常運転時には、正特性サーミスタ２４は、その熱質量が正特性サーミスタ２２よりも小さく、正特性サーミスタ２４の熱により正特性サーミスタ２２が比較的高温になることはないため、再起動時においても、正特性サーミスタ２２は瞬時に大電流を流すことが可能である。
【００２９】
以上のように本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００３０】
正特性サーミスタ２２、２４の熱容量やキューリー温度は、使用されるモータの特性や要求事項に応じて適宜選択することが可能である。また、図２に示すハウジング内における正特性サーミスタ２２、２４の取り付け位置やバネ性端子の形状、材質等は一例であって、これ以外の配置、形状、材質であってもよい。
【００３１】
例えば、正特性サーミスタ２４は小型であるため、トライアック２６および抵抗Ｒ１とともに印刷回路版上に一体構造となるように装着することもできる。また、バネ性端子４０を用いることなく、正特性サーミスタ２２の電極２２ｂ上に直接正特性サーミスタ２４の電極２４ｂをハンダ付けすることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第１の正特性サーミスタと熱的に結合される第２の正特性サーミスタによりトライアックの導通を制御するようにしたので、モータ起動後において第１の正特性サーミスタによる消費電力を低減することができ、かつ、再起動時において第１の正特性サーミスタに起動に必要な大きな電流を迅速に流すことができる。さらに、ハウジング内の密閉された内部空間内に、第１、第２の正特性サーミスタおよびトライアックを収容させることで、内部空間を外部から熱的に隔離させ、正特性サーミスタが外部の温度や風等の影響を受けにくくなり、起動装置の動作が安定化させる。また、ハウジング内に第１、第２の正特性サーミスタおよびトライアックの主要構成を収容させたので、モータ起動装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係るモータ起動装置の回路構成を示す図である。
【図２】図２はモータ起動装置の構造例を示す図であり、図２（ａ）は上部ハウジングを取り外したときの平面図、図２（ｂ）は上部ハウジングの鉛直方向の断面図である。
【図３】図３は従来のモータ起動用回路の一例を示す図である。
【図４】図４は従来のモータ起動用回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０  モータ                      １１  気密端子
１２  気密端子                    ２０  モータ起動装置
２２  正特性サーミスタ            ２４  正特性サーミスタ
２６  トライアック                ３０  下部ハウジング
３２  突起                        ３４  バネ性端子
３６  バネ性端子                  ３８  溝
４０  バネ性端子                  ４２  バネ性端子
４４  溝                          ４６  フック
４８  半円筒状の部分              ６０  上部ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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