(57)【要約】【課題】  インバータで運転しても脱調現象が生じ難く、急な加減速時においても脱調現象が生じ難い同期モータ、回転制御方法、及び、インバータを提供する。【解決手段】    交流巻線を巻装した固定子と、その内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータであって、固定子の電極の回転子との対向表面には回転軸に沿って複数の歯部が形成され、かつ、その周囲には交流巻線が巻装されており、回転子は、永久磁石により形成されると共に、固定子の電極との対向表面には、上記歯部とほぼ同じ幅で回転軸に沿って複数の歯部が形成され、更に、交流巻線に交流電圧を供給するインバータを備えており、インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性は、所定の定格周波数ｆ０以下の周波数域における脱出トルクが定格周波数における脱出トルクと同等又はより大きくなるように設定される。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータの回転制御方法であって、
前記同期モータは、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に巻装された交流巻線には、インバータから所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するものにおいて、
前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性を、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルク以上となるように設定したことを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載した同期モータの回転制御方法において、前記脱出トルクが当該定格周波数における定格脱出トルク以上となる周波数域が、当該定格周波数を含めて、当該規定周波数より低い全領域における少なくとも２０％以上の領域を占めるように、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性を設定したことを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載した同期モータの回転制御方法において、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性は、更に、所定の定格周波数以下の周波数域において、前記電圧と前記周波数とが比例していることを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項４】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータの回転制御方法であって、
前記同期モータは、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に巻装された交流巻線には、インバータから所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するものにおいて、
前記インバータから供給する交流電圧の電圧を、前記同期モータの加減速時に増加することを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項５】
前記請求項４に記載した同期モータの回転制御方法において、前記インバータの周波数の変化に基づいて前記同期モータの加減速時を検出することを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項６】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータの回転制御方法であって、
前記同期モータは、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に巻装された交流巻線には、インバータから所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するものにおいて、
前記同期モータへ供給される電流の増加時に、前記インバータから供給する交流電圧の電圧を増大することを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項７】
前記請求項１〜６の何れかに記載した同期モータの回転制御方法において、前記同期モータの前記回転子の表面に形成された歯部は、スキュウーされていることを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項８】
前記請求項１〜６の何れかに記載した同期モータの回転制御方法において、前記同期モータの前記回転子の表面に形成された歯部の数は、３６〜２００個であることを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項９】
前記請求項１〜６の何れかに記載した同期モータの回転制御方法において、前記同期モータは、三相同期モータであることを特徴とする同期モータの回転制御方法。
【請求項１０】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータであって：
前記固定子は、複数の電極により構成されると共に、前記回転子との対向表面には複数の歯部が形成され、かつ、各電極の周囲には交流巻線が巻装されており；
前記回転子は、永久磁石により形成されると共に、前記固定子の電極との対向表面には、前記固定子の歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部が形成されており；更に、
前記固定子の電極に巻装された前記交流巻線に交流電圧を供給するインバータを備えており；
前記インバータから供給される交流電圧の電圧−周波数特性は、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルクより以上となるように設定されていることを特徴とする同期モータ。
【請求項１１】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータであって：
前記固定子は、複数の電極により構成されると共に、前記回転子との対向表面には複数の歯部が形成され、かつ、各電極の周囲には交流巻線が巻装されており；
前記回転子は、永久磁石により形成されると共に、前記固定子の電極との対向表面には、前記固定子の歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部が形成されており；更に、
前記固定子の電極に巻装された前記交流巻線に交流電圧を供給するインバータを備えており；
前記インバータから供給される交流電圧は、前記同期モータの加減速時に増加するように設定されていることを特徴とする同期モータ。
【請求項１２】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータであって：
前記固定子は、複数の電極により構成されると共に、前記回転子との対向表面には複数の歯部が形成され、かつ、各電極の周囲には交流巻線が巻装されており；
前記回転子は、永久磁石により形成されると共に、前記固定子の電極との対向表面には、前記固定子の歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部が形成されており；更に、
前記固定子の電極に巻装された前記交流巻線に交流電圧を供給するインバータを備えており；
前記インバータから供給される交流電圧は、前記同期モータへ供給される電流の増加時に増大するように設定されていることを特徴とする同期モータ。
【請求項１３】
前記請求項１０〜１２の何れかに記載した同期モータにおいて、前記回転子の電極との対向表面に形成された歯部はスキュウーされていることを特徴とする同期モータ。
【請求項１４】
前記請求項１０〜１２の何れかに記載した同期モータにおいて、前記同期モータの前記回転子の表面に形成された歯部の数は、３６〜２００個であることを特徴とする同期モータ。
【請求項１５】
前記請求項１０〜１２の何れかに記載した同期モータにおいて、前記同期モータは、三相同期モータであることを特徴とする同期モータ。
【請求項１６】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えており、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成してなる同期モータにおいて、前記固定子の電極に巻装された交流巻線に交流電圧を供給するためのインバータであって、
前記交流巻線に供給する交流電圧の電圧−周波数特性を、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルクより以上となるように設定したことを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項１７】
前記請求項１６に記載したインバータにおいて、前記脱出トルクが当該定格周波数における定格脱出トルクより以上となる周波数域が、当該定格周波数を含め、当該規定周波数より低い全領域における少なくとも２０％以上の領域となるよう、前記交流電圧の電圧−周波数特性を設定したことを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項１８】
前記請求項１６に記載したインバータにおいて、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性は、更に、所定の定格周波数以下の周波数域において、前記電圧と前記周波数とが比例していることを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項１９】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えており、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成してなる同期モータにおいて、前記固定子の電極に巻装された交流巻線に交流電圧を供給するためのインバータであって、
前記交流電圧の電圧を、前記同期モータの加減速時に増加することを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項２０】
交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えており、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成してなる同期モータにおいて、前記固定子の電極に巻装された交流巻線に交流電圧を供給するためのインバータであって、
前記同期モータへ供給される電流の増加時に、供給する前記交流電圧の電圧を増大することを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項２１】
前記請求項１６〜２０の何れかに記載された同期モータ用インバータにおいて、前記インバータが交流電圧を供給する前記同期モータの前記回転子の電極との対向表面に形成された歯部は、スキュウーされていることを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項２２】
前記請求項１６〜２０の何れかに記載された同期モータ用インバータにおいて、前記同期モータの前記回転子の表面に形成された歯部の数は、３６〜２００個であることを特徴とする同期モータ用インバータ。
【請求項２３】
前記請求項１６〜２０の何れかに記載された同期モータ用インバータにおいて、前記同期モータは、三相同期モータであることを特徴とする同期モータ用インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流巻線を巻装した固定子の内部に回転可能に装着された回転子を備えてなる同期モータとその回転制御方法、及び、そのための同期モータ用インバータに関し、特に、当該固定子を構成する各電極の表面と共に、これら電極に対向する前記回転子の表面にも、それぞれ、複数の歯部を形成し、かつ、前記固定子の電極に巻装された巻線には、インバータからの交流電圧を印加して所望の特性を得ることが可能な同期モータとその回転制御方法、及び、そのための同期モータ用インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ポンプやファンを負荷として回転駆動する場合には、例えば、以下の特許文献１などにより知られるように、クライオポンプの冷凍機などの負荷を所定の回転速度で回転駆動するため、同期モータからなる駆動装置で構成されたクライオポンプ運転装置が広く利用されている。そして、かかる従来技術によれば、上記同期モータを、商用の５０Ｈｚの電源を利用しながら、電源周波数を可変して所望の周波数で運転するため、周波数変換機（所謂、インバータ）を利用して周波数変換することは、既に知られている。
【０００３】
また、一方、交流電動機である汎用の同期モータとしては、巻線を備えた回転子構造あるいは永久磁石構造のものと共に、永久磁石を利用し、回転子の表面に回転軸方向に複数の溝を形成して歯部を形成してなる回転子を利用した多極構造の同期モータも既に知られている。なお、かかる歯部を形成してなる回転子は、広く、所謂、ステッピングモータにおいても採用されている回転子の構造であるが、特に、近年における抗磁力の高い希土類磁石（ネオジウム、サマリウム・コバルト等）の発見により、同一体格からより高いトルクを得ることが可能となり、かつ、比較的大量にかつ安価に製造できることから、幅広く利用されてきている。
【０００４】
加えて、誘導電動機に対しては、トランジスタブリッジ等により構成されたインバータを制御して、低速時における特性の改善を図ることの可能なインバータの電圧制御装置も、例えば、以下に示す特許文献２等により、種々知られている。すなわち、上記の従来技術では、一般的に、定格負荷を満足するためのＶ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式において、特に、低速時におけるトルクの不足を解消するため、通常周波数を下げた時のＶ／Ｆ比率を上昇させると共に、負荷の特性に合わせ、負荷のトルクに関係して誘導電動機端子電圧を調整して、より効率の優れ、かつ、負荷特性に適合したインバータの電圧制御装置を提供するものである。
【特許文献１】実公平１−１４７７５号公報
【特許文献２】特開昭５７−１８０３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように、通常のインバータを利用して誘導電動機や汎用の同期モータへの供給電圧を制御する場合には、一般的に、定格負荷を満足するためのＶ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式が主流となっている。しかしながら、特に、上述したように、固定子電極の表面に複数の回転軸方向の歯部を形成すると共に、永久磁石を利用した回転子の表面にも回転軸方向の複数の歯部を形成してなる回転子を利用した構造の同期電動機に対し、インバータを利用して駆動用の交流供給電圧を制御しようとする場合、必ずしも十分な特性を得ることが出来なかった。なお、これは、特に上述したインバータを利用した電圧制御は、主に、誘導電動機や同期モータへの供給電圧の制御を目的としたものであり、そのため、必ずしも、上記構造の電動機にも適合するものでないことに起因するものと思われる。
【０００６】
そこで、本発明では、上述した構成の交流電動機、特に、固定子を構成する各電極の表面に複数の歯部を形成すると共に、その内部に回転可能に装着される回転子の対向表面にも複数の歯部を形成して構成され、かつ、前記固定子を構成する交流巻線に対しインバータによって所定の電圧−周波数特性の駆動電圧を供給して運転される同期モータについて、その特性を種々実験・検討し、その結果、得られた当該同期モータに固有の特性に基づいて、当該同期モータに対してインバータによって供給される電圧を制御する新たな方法を提供し、更には、かかる制御方法を利用して優れた特性を得ることが可能な同期モータとそのための同期モータ用インバータとを提供することを目的とするものである。
【０００７】
特に、本発明者等による種々の実験によれば、上述した同期モータでは、通常、誘導電動機において採用されるインバータ特性、所謂、原点を通るＶ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式により所定の交流電圧を供給した場合においても、所定の特性を得ることが出来る。しかしこのＶ／Ｆ比（＝φ）一定の制御では、加減速時に電圧の制約を受けるために電動機のトルクが低くなり、定格トルクの性能が発揮できないため脱調に至る場合もあった。また、実験によれば、電源周波数の広い範囲において上記Ｖ／Ｆ比（＝φ）一定の制御を越える電圧を供給しても、通常の同期機や誘導機で発生する一次電流の過剰な増加に伴う一次コイルの焼損を生じることなく、一次電流を上昇させることが可能であり、かつ、むしろ、それにより十分な脱出トルクを得ることが可能であることが分かった。
【０００８】
一方、上述した同期モータでは、通常、汎用の同期機では考慮する必要のない、所謂、脱調現象が生じ易い。加えて、急な加速時や減速時においても脱調現象が生じてしまうことが認識された。
【０００９】
そこで、本発明では、上述の本発明者等による新たな認識に基づいて、特に、固定子を構成する各電極の表面に複数の歯部を形成すると共に、その内部に回転可能に装着される回転子の対向表面にも複数の歯部を形成して構成され、かつ、前記固定子を構成する交流巻線に対しインバータによって所定の電圧−周波数特性の駆動電圧を供給して運転される同期モータについて、その運転状態において脱調現象が生じ難く、加えて、急な加減速時においても脱調現象が生じ難い同期モータとその回転制御方法、さらには、そのための同期モータ用インバータ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】
【００１０】
本発明によれば、上記の目的を達成するため、まず、交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータの回転制御方法であって、前記同期モータは、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、かつ、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成し、さらに、前記固定子の電極に巻装された交流巻線には、インバータから所定の電圧−周波数特性を有する交流電圧を供給するものにおいて、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性を、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルク以上となるように設定した同期モータの回転制御方法が提供される。
【００１１】
また、本発明では、前記の同期モータの回転制御方法であって、前記インバータから供給する交流電圧の電圧を、前記同期モータの加減速時に増加するものが提供されており、その場合、前記インバータの周波数の変化に基づいて前記同期モータの加減速時を検出することが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明によれば、やはり前記の同期モータの回転制御方法であって、前記同期モータへ供給される電流の増加時に、前記インバータから供給する交流電圧の電圧を増大する同期モータの回転制御方法が提供されている。
【００１３】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えた同期モータであって：前記固定子は、複数の電極により構成されると共に、前記回転子との対向表面には複数の歯部が形成され、かつ、各電極の周囲には交流巻線が巻装されており；前記回転子は、永久磁石により形成されると共に、前記固定子の電極との対向表面には、前記固定子の歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で複数の歯部が形成されており；更に、前記固定子の電極に巻装された前記交流巻線に交流電圧を供給するインバータを備えており；前記インバータから供給される交流電圧の電圧−周波数特性は、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルクより以上となるように設定されている同期モータが提供される。
【００１４】
加えて、本発明によれば、上記の同期モータであって、前記インバータから供給される交流電圧は、前記同期モータの加減速時に増加するように設定されている同期モータが提供される。さらに、本発明によれば、上記の同期モータであって、前記インバータから供給される交流電圧は、前記同期モータへ供給される電流の増加時に増大するように設定されている同期モータが提供される。
【００１５】
さらに、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、交流巻線を巻装した固定子と、前記固定子の内部に回転可能に装着された回転子とを備えており、前記固定子を構成する各電極における前記回転子との対向表面に複数の歯部を形成し、前記回転子を永久磁石により形成すると共に、前記固定子の電極との対向表面にも、前記歯部の円周方向の幅とほぼ同じ幅で、複数の歯部を形成してなる同期モータにおいて、前記固定子の電極に巻装された交流巻線に交流電圧を供給するためのインバータであって、前記交流巻線に供給する交流電圧の電圧−周波数特性を、所定の定格周波数以下の周波数域での少なくとも一部において、前記同期モータの脱出トルクが、当該所定の定格周波数における定格脱出トルクより以上となるように設定した同期モータ用インバータが提供される。
【００１６】
また、本発明によれば、上記の同期モータ用インバータであって、前記交流電圧の電圧を、前記同期モータの加減速時に増加するインバータが提供される。加えて、本発明によれば、上記の同期モータ用インバータであって、前記同期モータへ供給される電流の増加時に、供給する前記交流電圧の電圧を増大するインバータが提供される。
【００１７】
なお、本発明では、上記の同期モータ、その回転制御方法、及び、同期モータ用インバータにおいて、前記脱出トルクが当該定格周波数における定格脱出トルク以上となる周波数域が、当該定格周波数を含めて、当該規定周波数より低い全領域における少なくとも２０％以上の領域を占めるように、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性を設定し、又は、前記インバータから供給する交流電圧の電圧−周波数特性は、更に、所定の定格周波数以下の周波数域において、前記電圧と前記周波数とが比例していることが好ましい。
【００１８】
また、本発明では、上記の同期モータ、その回転制御方法、及び、同期モータ用インバータにおいて、前記インバータが交流電圧を供給する前記同期モータの前記回転子の電極との対向表面に形成された歯部は、スキュウーされており、又は、前記同期モータの前記回転子の表面に形成された歯部の数は、３６〜２００個であることが、そして、前記同期モータは、三相同期モータであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
即ち、上述した本発明になる同期モータ、その回転制御方法、及び、同期モータ用インバータによれば、上記の構成の同期モータにおいて、その交流巻線に対しインバータによって所定の電圧−周波数特性の駆動電圧を供給して運転しても、脱調現象が生じ難く、加えて、急な加減速時においても脱調現象が生じ難い同期モータとその回転制御方法、更には、同期モータ用インバータを提供することが可能となるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態になる三相同期モータの全体構成を示すための断面図（軸方向の断面）である。
【００２１】
この図１において、符号１０は、例えば、鉄等の金属からなる円筒形状の金属製のハウジングであり、その内部には、例えば、珪素鋼鈑を所定の形状で打ち抜いて積層してなる固定子２０が取り付けられている。また、図中の符号２１は、後にも説明するが、この固定子２０に形成された複数の磁極の周囲に巻装された巻線を示している。そして、この固定子２０の内部に形成された円筒状の空間内には、外形が略円筒形状の回転子３０が、ハウジング１０の両端に固定されるエンドブラケット１１、１２の中央部に取り付けられた一対のボールベアリング１３、１４を介して、回転可能に取り付けられている。また、図中の符号２５は、この固定子２０の中心に固着して挿入された出力軸を示しており、符号１５は、この三相同期モータに三相交流を供給するリード線である。
【００２２】
次に、添付の図２は、上記三相同期モータにおける、上記図１の矢印Ａ−Ａ’で示す部位での断面を示している。すなわち、この断面図からも明らかなように、上記三相同期モータの固定子２０側には、全１２個の磁極（ステータポール）２２、２２…が形成されており、そして、これらの磁極２２、２２…の周囲（即ち、その間に形成されたスロット）には、添付の図４（ａ）に示す結線方式により、三相の交流巻線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗが、それぞれ、巻装されている。すなわち、添付の図５（ａ）には、上記１２個の磁極２２、２２…に巻装される三相交流巻線の回路図が、そして、図５（ｂ）には、巻線を含めた固定子２０の断面構造が示されている。なお、図中の符号Ｎは、巻線の中性点を示しており、符号１５は三相のリード線を、更に、符号ＵはＵ相のリード線を、ＶはＶ相のリード線を、そして、ＷはＷ相のリード線をそれぞれ示している。
【００２３】
また、上記図２及び上記図４（ｂ）からも明らかなように、上記三相同期モータの各磁極２２の表面（即ち、上記回転子３０との対向面）には、それぞれ、３本の溝２３、２３…が回転軸方向に形成されており、これにより、各々の磁極の表面には、４本の歯部２４、２４…がそれぞれ形成されている。
【００２４】
一方、上記の回転子３０は、添付の図３によりその外観を示すように、外形略円筒状に形成されており、その外周面には、やはり、複数の溝３１、３１…がその回転軸方向に沿って形成されており、これにより、その外周表面に複数の歯部３２、３２…を形成している。なお、この回転子３０は、所謂、ハイブリッドと呼ばれる構造のものであり、上記図１の断面図からも明らかなように、その内部に円筒形状の永久磁石３３を回転軸方向に磁極（Ｎ極、Ｓ極）を対向して配置し、その周囲には、やはり、珪素鋼鈑を所定の形状で打ち抜いて積層して固定して形成されている。ところで、この図３に示した回転子３０は、１個の永久磁石３３の周囲に珪素鋼鈑を前後に取り付けてなる構造を示しており、他方、上記図１に示した回転子３０の構造は、上述した単位構造を複数段、具体的には２段、その回転軸方向に接続した、所謂、多段構造の回転子を示している。なお、この回転子３０の段数は、通常、１〜４の範囲において、要求される出力特性などを考慮し、適宜、決定されるものである。
【００２５】
すなわち、このようなハイブリッド構造の回転子３０によれば、上記図１に破線の矢印で示す様に、その回転軸方向の前後方向に、磁路を形成することが出来る。なお、上記の図３において、これら回転子３０の外周面において前方と後方にそれぞれ形成されている歯部３２、３２…は、互いに１／２ピッチだけずれて形成されている。即ち、前方において歯部３２となっている部分は、その後方側では溝３１として形成されている。そして、本実施の形態では、回転子３０の外周に形成された歯部３２、３２…（又は、溝３１、３１…）の数は、その前方及び後方に形成された数を合計して、略３６個〜２００個程度となっている。また、好ましくは、この歯部３２（溝３１）を僅かな角度だけ傾斜して形成し、所謂、スキュー構造とすることによれば、特に、コギングを低減して、滑らかな出力トルクを得ることが可能となる。さらに、この歯部３２又は溝３１の断面形状は、矩形、円形、又は、楕円形状でもよい。
【００２６】
なお、上記固定子２０側に形成した歯部２４、２４…と、上記回転子３０側に形成した歯部３２、３２…との関係は、上記の図２にも示すように、それぞれ、略同様の寸法（ピッチ）で形成されると共に、その周囲の１／４周（９０度）に対して１／２ピッチ分だけずれるように形成されている。
【００２７】
次に、本発明者等による種々の実験によって得られた結果により提案される、上記三相同期モータにおいて十分な脱出トルクを得ることが可能となる制御方法について、添付の図５〜図７を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すグラフにおいて、その横軸には、上記三相同期モータにおいて、その固定子２０を構成する１２個の磁極（ステータポール）２２、２２…の周囲に巻装された三相の交流巻線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗへ供給される交流電圧の周波数である、所謂、電源周波数（Ｈｚ）が示されている。一方、図５（ａ）のグラフでは、その縦軸には、上記三相交流巻線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗへ供給される交流電圧の電源電圧（所謂、電圧−周波数特性）が示されており、他方、図５（ｂ）のグラフでは、その縦軸には、得られる脱出トルク（Ｎ・ｍ）が、それぞれ、示されている。また、この例では、例えば８０Ｈｚを定格周波数（ｆ０）としており、この時の脱出トルクを「定格脱出トルク」と言う。
【００２９】
上記のグラフにおいて、まず、実線Ａで示すように、定格周波数以上の領域では、電源電圧を一定（定格電圧）に維持すると共に、この定格周波数ｆ０以下の領域での電源電圧を、特性曲線の傾斜角を小さくし、即ち、周波数の上昇に比例しながら増大すると共にその全体を上方に引き上げた（図中の矢印を参照）電圧−周波数特性により、上記の交流同期モータを駆動した。なお、グラフには、参考のため、一般的な、Ｖ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式による特性曲線を一点鎖線Ｂで示している。その結果、図５（ｂ）において実線Ｃで示すように、得られる脱出トルクは、定格周波数ｆ０以下の領域でも、上記定格脱出トルクよりも大きな値となった。なお、このグラフには、参考のため、上記Ｖ／Ｆ比（＝φ）一定の制御方式による得られる脱出トルクが一点鎖線Ｄで示している。なお、この時、一次電流の過剰な増加に伴う一次コイルの焼損を生じることはなかった。その結果、電源周波数の広い範囲、特に、上記定格周波数ｆ０以下の全領域において、十分な脱出トルクを得ることが可能となる。換言すれば、広い回転速度範囲で、脱調することなく、安定した回転速度特性を得られる。
【００３０】
なお、上記図５（ａ）のグラフにおいて、実線Ａ’は、上述のように、定格周波数ｆ０以下の領域での電源電圧を更に上方に引き上げ、ほぼ、周波数にかかわらず一定（定格電圧）にした場合を示している。そして、この時に得られる脱出トルクを、図５（ｂ）の実線Ｃ’により示している。即ち、上記実線Ａをより上方に引き上げることにより、より大きな脱出トルクが得られることが分かる。これにより、電源の周波数−電圧特性を、図５（ａ）中に斜線で示した実線Ａ−Ａ’の間の領域で、適宜、設定することにより、図５（ｂ）中に斜線で示した領域Ｃ−Ｃ’内になるように設定することが出来る。即ち、定格周波数ｆ０以下の領域でも、上記定格脱出トルク値よりも大きな脱出トルクを維持するように設定することが可能であることが分かる。
【００３１】
なお、本発明では、上記のように特性曲線の傾斜角を小さくして電圧−周波数特性を上方に移動する方法を示したが、しかしながら、本発明はこれにのみ限定されるものではない。例えば、添付の図６（ａ）及び（ｂ）にも示すように、一般的な電圧−周波数特性Ｂを、上記定格周波数ｆ０以下の領域の低周波数ｆまで移動させる（図の矢印を参照）ことによっても、上記と同様に、定格周波数ｆ０以下の領域でも、上記定格脱出トルク値よりも大きな脱出トルクを維持するように設定することが可能となる。また、添付の図７（ａ）にも示すように、一般的な電圧−周波数特性Ｂを、その傾斜角度の異なる複数の直線（曲線でもよい）を組み合わせることによっても、図７（ｂ）に示すように、上記定格周波数ｆ０以下の周波数域において、所望の低周波数ｆまで、上記定格脱出トルクとほぼ同等の脱出トルクを得るようにすることも可能である。
【００３２】
なお、上記図６及び図７に示した例では、定格周波数ｆ０以下の領域において、上記定格周波数ｆ０含んでそれ以下の所望の低周波数ｆに至るまで、上記定格脱出トルク値と同等又はそれよりも大きな脱出トルクを発生させることが出来る。なお、この所望の低周波数ｆは、同期モータの負荷等によっても、適宜、設定されるものであるが、一般的に、以下の数式により示される定格周波数ｆ０以下の全領域に対して占める割合ｒが、例えば、２０％程度又はそれ以上（１００％）となるように設定することが好ましい。
ｒ＝（ｆ０−ｆ）／ｆ０
【００３３】
加えて、本発明では、例えば、添付の図８にも示すように、周波数の増大に伴って所定の定格電圧に達するまでの特性曲線ＡＡに対して、定格周波数以下の領域においては、その傾斜角度の異なる（小さい）特性線ＢＢ、ＣＣ、又は、ＤＤに基づいて運転する方式を適用することも可能である。なお、この時にも、上記と同様、傾斜角度の異なる特性線を適宜設定することによれば、電源周波数の広い範囲において、十分な脱出トルクを得ることが可能となり、換言すれば、広い回転速度範囲で、脱調することなく、安定した回転速度特性を得られる。
【００３４】
一方、上述したように、上記三相同期モータでは、通常、同期機では考慮する必要のない、所謂、脱調現象が生じ易く、加えて、急な加速時や減速時においても脱調現象が生じてしまうことが認識された。そこで、以下には、かかる急激な加減速時においても、脱調することなく、安定した回転速度特性を得られる本発明になる制御回路について説明する。なお、この制御回路は、所謂、インバータ回路を利用した制御回路であり、上記にその詳細な構造を説明した三相同期モータ１００に対して交流電力を供給してその回転速度や出力トルクを制御するものである。
【００３５】
添付の図９に示すように、この制御回路は、基本的には、外部からの速度指令（ＳＰ）を入力として周波数信号Ｆと電圧信号Ｖとを出力するＩＮＶ制御回路２００と、このＩＮＶ制御回路２００からの周波数信号Ｆと電圧信号Ｖとに基づいて、所定のＶ−Ｆ（電圧−周波数）特性カーブを生成するＶ−Ｆ生成回路３００と、このＶ−Ｆ生成回路３００からの出力（Ｖ−Ｆ特性カーブ）に基づいて、所定の周波数でかつ所定の電圧を有する三相交流電力を上記三相同期モータ１００に供給するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路４００とから構成されている。
【００３６】
さらに、この制御回路では、上記ＩＮＶ制御回路２００と上記Ｖ−Ｆ生成回路３００との間に加算器２５０を備えると共に、更には、上記三相同期モータ１００が加速中であることを検出してその旨の信号（加速中信号）ＡＣＣを出力する加速中信号発生回路６００と、そして、加速中信号ＡＣＣを入力して、電圧の加算分の信号、ΔＶ信号を出力するΔＶ生成回路７００とを備えている。そして、上記加算器２５０の一方の入力には、上記ＩＮＶ制御回路２００からの出力Ｖが入力されると共に、その他の入力には、上記ΔＶ生成回路７００の出力であるΔＶが入力されている。また、この加算器２５０の出力（即ち、Ｖ＋ΔＶ）は、上記Ｖ−Ｆ生成回路３００へ入力されている。また、図中に破線で示すように、回転電機が加速中であることを検出して加速中信号を出力する加速中信号発生回路６００へは、上記Ｖ−Ｆ生成回路３００からの出力である周波数信号Ｆの一部が入力されている。
【００３７】
上記にその構成を詳細に説明した制御回路における、特に、ΔＶ生成回路７００の詳細が添付の１０図に、加えて、その制御動作を説明するための信号波形図が、添付の図１１に示されている。
【００３８】
まず、ΔＶ生成回路７００では、図１０にも示すように、上記ＩＮＶ制御回路２００からの周波数信号Ｆを入力として、予め設定された所定の関数（例えば、反比例など）に基づいて、上記ΔＶ信号を発生する、所謂、関数発生器７０２を備えている。その出力であるΔＶ信号は、スイッチ素子ＳＷを介して上記加算器２５０へ出力される。一方、このスイッチ素子ＳＷは、その開閉を開閉制御回路７０３により制御されている。なお、上記関数発生器７０２は、例えば、ＲＯＭ等のメモリ内に、所定の関数を、予めテーブルとして記憶して構成することが出来る。
【００３９】
次に、添付の図１１を参照しながら、上記の制御回路における急加速時の動作について説明する。なお、ここでは、上記ＩＮＶ制御回路２００に対して外部から入力される速度指令ＳＰが、時間ｔ１〜ｔ２の期間において、ＳＰ１〜ＳＰ２へ上昇した場合の動作について説明する。
【００４０】
上記の速度指令ＳＰの上昇に伴い、上記ＩＮＶ制御回路２００（図９を参照）は、所定の電圧―周波数特性に基づいて、周波数信号Ｆと電圧信号Ｖとを出力する。なお、この時の周波数信号Ｆが図１１（ａ）に示されている。そこで、上記加速中信号発生回路６００は、この周波数信号Ｆの上昇を捕らえ（例えば、周波数信号Ｆを微分する）、加速中信号ＡＣＣを生成する。即ち、図１１（ｂ）に示すように、加速中であることを検出すると、加速中信号ＡＣＣは、オフ状態（ローレベル）からオン状態（ハイレベル）へ変化する。
【００４１】
続いて、上記加速中信号ＡＣＣがオフ状態（ローレベル）からオン状態（ハイレベル）へ変化したことに伴い、上記ΔＶ生成回路７００の開閉制御回路７０３（図８を参照）の働きにより、上記スイッチ素子ＳＷが閉じられ、関数発生器７０２により発生されたΔＶ信号がスイッチ素子ＳＷを通って上記加算器２５０へ出力されることとなる。なお、この関数発生器７０２から発生されたΔＶ信号を、図１１（ｃ）に示す。なお、この関数発生器７０２から発生されるΔＶ信号は、例えば、実線で示すように所定のカーブ（上記関数発生器７０２の関数で定まる）で減少し、又は、破線のように所定の勾配で直線的に減少するものであってもよい。その結果、上記三相同期モータ１００へ供給される交流電圧値は上昇することとなり、即ち、加速中における電動機のトルク出力を増大させることとなる。また、ここでは図示しないが、上記三相同期モータを急減速する時においても、上記と同様にして交流電圧値を上昇することにより、電動機のトルク出力を増大させ、もって、脱調から防止することが可能となる。
【００４２】
更に、添付の図１２には、特に、三相同期モータを、インバータ装置で回転駆動する場合に生じやすい脱調から防止するための制御回路の変形例が示されている。なお、この変形例においても、基本的には、外部からの速度指令（ＳＰ）を入力として周波数信号Ｆと電圧信号Ｖとを出力するＩＮＶ制御回路２００と、このＩＮＶ制御回路２００からの周波数信号Ｆと電圧信号Ｖとに基づいて、所定のＶ−Ｆ（電圧−周波数）特性カーブを生成するＶ−Ｆ生成回路３００と、このＶ−Ｆ生成回路３００からの出力（Ｖ−Ｆ特性カーブ）に基づいて、所定の周波数でかつ所定の電圧を有する三相交流電力を上記三相同期モータ１００に供給するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路４００とから構成されている。
【００４３】
但し、この変形例では、図からも明らかなように、上記三相同期モータ１００への電流を、例えば、変流器（ＣＴ）を利用した電流検出器８００等で検出し、ΔＶ生成回路７００’では、この検出した電流ｉを入力として、予め設定された関数に基づいて、ΔＶを発生する。すなわち、図からも明らかなように、このΔＶ生成回路７００’は、検出電流ｉが所定の閾値ｉｔｈを越えた場合、所定の電流値までは、当該検出電流ｉに比例したΔＶを発生すると共に、上記所定の電流値を越えた場合には、一定のΔＶを発生する。
【００４４】
なお、この発生したΔＶは、上記加算器２５０の他方の入力端に入力されてＩＮＶ制御回路２００からの出力Ｖに加算され、もって、上記Ｖ−Ｆ生成回路３００を介して、三相同期モータの急加減速時において、供給する交流電圧値を上昇することによって電動機のトルク出力を増大させ、脱調から防止することは、上記の制御回路と同様である。また、上記のΔＶ生成回路７００’も、上記した関数発生器７０２と同様に、例えば、ＲＯＭ等のメモリ内に、所定の関数を、予めテーブルとして記憶して構成することが出来ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施の形態になる三相同期モータの全体構成を示すための回転軸方向における断面図である。
【図２】上記三相同期モータの全体構成を示すための、上記図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】上記三相同期モータの回転子の構造の一例を示す斜視図である。図である。
【図４】本発明になる同期モータの固定子における三相交流巻線の巻装方式を示す図である。
【図５】本発明になる同期モータの回転制御方法を説明するための電圧−周波数特性曲線と脱出トルク特性曲線を示す図である。
【図６】本発明になる他の同期モータの回転制御方法を説明するための電圧−周波数特性曲線と脱出トルク特性曲線を示す図である。
【図７】本発明になる更に他の同期モータの回転制御方法を説明するための電圧−周波数特性曲線と脱出トルク特性曲線を示す図である。
【図８】本発明になる更に他の同期モータの回転制御方法を説明するための電圧−周波数特性曲線を示す図である。
【図９】本発明になる同期モータの急加減速時の制御を説明するためのインバータを用いた制御回路の回路構成を示す図である。
【図１０】上記図９に示した制御回路におけるΔＶ生成回路の内部詳細を示す回路図である。
【図１１】上記図９に示した制御回路における運転動作を示すための信号波形図である。
【図１２】本発明になる同期モータの脱調防止制御を説明するためのインバータを用いた制御回路の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０…ハウジング
２０…固定子
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ…三相の交流巻線
２２…磁極（ステータポール）
２３…溝
２４…歯部
３０…回転子
３１…溝
３２…歯部
３３…永久磁石
１００…三相同期モータ
２００…ＩＮＶ制御回路
３００…Ｖ−Ｆ生成回路
４００…ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路
６００…加速中信号発生回路
７００、７００’…ΔＶ生成回路
２５０…加算器
８００…電流検出器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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