(57)【要約】【課題】  交流単相誘導電動機の代替電動機として、特開２００６−１８０６４１示されているようなトライアックにより交流電源を開閉する永久磁石回転子型の電動機は効率が高く有効である。しかし、起動が不安定、トルク変動が大きい、起動電流が大きい等の課題があった。【解決手段】  交流を電源とした永久磁石回転子型電動機の固定子の巻線の相数を2以上とし、回転子位置と交流電源の極性を検出し、トライアックを使用して電流の開閉を行い一方向のトルクを発生させることにより、起動特性が良好で、振動が小さい電動機を提供できる。かつ巻線のインダクタンスを大きくすることにより効率が高く安全な永久磁石回転子型電動機を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に交流を使用し、回転子位置と交流電源の極性を検出し、トライアックにより電流の開閉を行い一方向のトルクを発生させる永久磁石回転子型の電動機において、固定子の巻線の相数が2以上であり、それぞれの相の巻線はトライアックにより電流の開閉ができることを特徴とする電動機。
【請求項２】
回転速度の上昇に応じてトライアックの点弧範囲を狭めることを特徴とした請求項１に記載の電動機
【請求項３】
トライアックの点弧位相を遅延させ電動機の回転数を調整することを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項４】
複数個のトライアックの、幾つかの導通を停止させることにより電動機の回転数を調整することを特徴とする請求項１に記載の電動機
【請求項５】
固定子鉄心の隣り合う磁極がそれぞれ磁気的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
交流電源をトライアックにより開閉し、一定方向のトルクを発生させる電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に単相誘導電動機は効率が低い。これを改善するために特開２００６−１８０６４１には交流電源をトライアックにより開閉することにより、一定方向のトルクを発生する電動機に関する発明が開示されている。
【０００３】
永久磁石回転子型で誘導電流が発生しないため効率が高く、また制御回路用以外の直流電源を必要としないため容易に誘導電動機の代替が可能な電動機である。
【０００４】
しかしながら、起動が不安定で、トルク変動が大きい等の課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１８０６４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特開２００６−１８０６４１には、交流電源をトライアックにより開閉することにより、一方向のトルクを発生する電動機が開示されている。しかし、以下の課題があった。
【０００７】
特開２００６−１８０６４１の発明は回転子が２極で、固定子巻き線が１相２極であるため、通電してもトルクの発生しない位置付近に回転子が停止すると起動不良が発生する。そのため意図的にコキングを大きくして停止時に回転子が起動不能位置に停止することを防止していた。これによりコキングによる振動が発生していた。
【０００８】
また、回転数を可変することができなかった。
【０００９】
また、回転方向は起動時のトルク発生方向で決定し、逆転することができなかった。
【００１０】
また、誘導電動機に比較して起動電流が大きく、誘導電動機の置き換え用途に適していなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、固定子の巻線の相数が２以上であることを特徴とし、回転子の位置に関わらず一つ以上の相の巻線で順方向のトルクを発生することができる。これにより、起動不能となる回転子位置が無くなり起動特性が良好となる。またトルク変動が小さくなり振動の発生を小さくすることができる。また、各相の電流制御をそれぞれに独立して行うことが可能で、効率優先あるいはトルクを優先した運転を選択することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、回転速度の上昇に応じてトライアックの点弧範囲を狭めることを特徴とし、無効電流を減らし効率の高い運転ができる。
【００１３】
請求項３の発明はトライアックの点弧位相を遅延させて電流量を変化させることを特徴とし、発生トルクを調整し電動機の回転数を調整することができる。
【００１４】
請求項４の発明は複数個のトライアックの幾つかを停止させることにより電流量を変化させることを特徴とし、発生トルクを調整し電動機の回転数を調整することができる。
【００１５】
請求項５の発明は固定子鉄心の隣り合う磁極がそれぞれ磁気的に結合されていることを特徴とし、回転子磁石の磁路が途切れないからコキングが小さくなり振動の発生が抑制される。また、インダクタンスを大きくすることができるから、起動時の電流を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明は、それぞれトライアックに接続された固定子の巻線の相数が２以上であり、それぞれの相の巻線はトライアックにより電流の開閉ができることを特徴とするものである。
【００１７】
常に一つ以上の相の巻線が順方向のトルクを発生することができるため、起動不良の発生する回転子の停止位置は無くなり、回転子が起動不能位置で停止することを防止するための意図的に付与したコキングは不要となり、コキングによる振動の発生を小さくすることができる。
【００１８】
また、それぞれの相の巻線を接続したトライアックは独立して電流を開閉できるから、一つの相のみを通電することもできるし、複数の相の巻線を同時に通電することもできる。これにより回転子の位置と交流電源の極性により通電を選択し、高効率優先の運転をすることもできるし、高トルク優先の運転をすることもできる。
【００１９】
図１０に本発明のトルク波形を示す。構造は図１に示すもので、回転子磁石が２極で固定子巻線は３相である。電源周波数が６０Ｈｚ、電動機の速度が１２回転／分で運転中の各相の発生トルクである。（ａ）から（ｆ）のＸ軸は時間の経過に伴う回転子の回転角度を示す。（a）のＹ軸は電源電圧の相対値と巻線と回転子の相対角度（図７における通電巻線と回転子磁石のＮ／Ｓ極を結ぶ線の角度を相対角度とする）の正弦を示す。（ｂ）から（ｆ）のY軸はトルクの波形を示す。（ｂ）〜（ｄ）は各相のトルク波形を示し、（ｅ）はその和を示す。（ｆ）では（ｂ）〜（ｅ）の全てを重ねて示した。
【００２０】
各相の回転子と巻線の角度が０度から１５０度と１８０度から３３０度の範囲で、かつ順方向のトルクが発生することを条件に電源電圧が０Ｖ付近でのみトライアックを点弧した結果である。各々の相は前記の条件で個別に最適な通電を行い、総和として変動の少ないトルクを発生していることが分かる。
【００２１】
また、通電する交流電源の極性を逆にすることにより容易に回転方向を変更できる。
【００２２】
請求項２の発明は回転速度の上昇に応じてトライアックの点弧範囲を狭めることを特徴とし、無効電流を減らし効率の高い運転ができる。トライアックは電流が消失するまで消弧できないから、点弧後交流電源の半周期の時間は電流が流れ続ける。しかし、電動機の回転速度が大きくなると、点弧時には順方向のトルクが発生しても、半周期後には回転子磁石の磁界が反転するために逆トルクの発生することがある。これを防止するため、点弧する位相範囲を狭めることが必要である。
【００２３】
図８に本実施例の回転速度に対するトライアックの点弧位相範囲を半周期分のみ示す（図７において通電巻線と回転子磁石のＮ／Ｓ極を結ぶ線の角度を点弧位相とする）。回転速度の上昇に伴いトライアックを点弧しない範囲を拡大させることにより、無効電流の発生を抑えることができる。また、回転数の上昇に伴い、回転子磁石と通電巻線の角度が負の領域でもトライアックを点弧することにより出力を大きくすることができ、結果として総合効率を高めることができる。
【００２４】
請求項３の発明はトライアックの点弧する交流電源位相を遅延させることを特徴とし、電動機に流す電流量を制御し、発生トルクを調整することにより、回転数を調整することができる。図１１にトライアック点弧の位相遅延が無い場合と位相遅延が３０度の場合の電流波形を示す（Ｘ軸は位相、Ｙ軸は電流の相対値で最大値を１とした）。点弧する位相を遅らせると、電流の流れる時間が短くなり、電流量が減少し発生トルクが減少する。
【００２５】
請求項４の発明は複数個設置されたトライアックの幾つかを停止させることを特徴とし、トライアックが導通を停止した相に電流を流さないことにより電流量を制御し、発生トルクを調整し電動機の回転数を段階的に調整することができる。
【００２６】
請求項３、請求項４の発明は外部からの電気信号により容易に回転数を変更することができる。また、必要に応じてフィードバック制御を行うこともできる。
【００２７】
請求項５の発明は図５に示すように、固定子鉄心の隣り合う磁極がそれぞれ固定子磁極間の結合部２５で磁気的に結合されていることを特徴としている。コキングは回転子磁石の磁路の磁気抵抗の変化が原因で発生するので固定子磁極間が磁気的に連続していることでコキングを小さくすることができる。
【００２８】
また、固定子巻線で発生する磁界の磁気抵抗が小さくなり、巻線のインダクタンスを大きくすることができるから、モータ特性をインダクタンスにより制御することができる。図１２にインダクタンスが大きい場合と小さい場合の、本発明の電動機のトルク、電流、回転数の特性を模式的に示す。インダクタンスが大きい場合にはインダクタンスにより起動電流が制限され、それに伴い起動トルクも制限される。これにより起動時の電流と定格回転時の電流の差が小さくなる。インダクタンスを大きく設定した場合、インダクタンスによるインピーダンスで電流が流れ難くなるから、巻き線の巻数を減らし電流量を調整する。
【００２９】
また、インダクタンスを大きく設定することにより起動電流が制限されるから、回転子が故障等で停止して起動電流が連続して流れても発熱を抑えることができる。
【００３０】
また、駆動回路がショート状態で故障しても、インダクタンス成分は交流に対して大きな抵抗となるから電流が制限され、電動機が高温となることはない。
【００３１】
また、インダクタンス成分による電流の制限は発熱を伴わないから効率を悪化させない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施例の電動機の回転軸に直角方向の断面図である。
【図２】回転軸方向の断面図である。
【図３】分解図である。
【図４】回転子部の外観図である。
【図５】固定子部の外観図である。
【図６】軸受部とケース部の分解図である。
【図７】巻線と回転子磁石の角度の説明図である。
【図８】回転速度とトライアックを点弧する範囲の説明図である。
【図９】制御回路のブロック図である。
【図１０】電動機のトルク波形である。
【図１１】トライアックの点弧位相遅延時の電流波形である。
【図１２】インダクタンスの大小と電動機特性の関係である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明のトライアック整流子型電動機の実施例について図１ 〜 図１２に基づいて説明する。
【実施例】
【００３４】
図１に回転軸に直角方向の断面図を示す。図２に回転軸方向の断面図を示す。図３に分解図を示す。本発明の電動機は回転子磁石１３等からなる回転子部、巻線２４等からなる固定子部、軸受３１１等からなる軸受部、ケース４１等からなるケース部、磁気センサー５１等からなる制御回路基板部より構成される。軸受部はケース部の中央に固定され、回転子部は軸受部に回転自在に支持され固定子部の中央に位置する。回転子部と固定子部のラジアル方向の隙間が回転軸に対して軸対称でないとラジアル方向の力が発生するので好ましくない。固定子部はケース部に圧入固定され、振動の発生を防止している。制御回路基板部は固定子巻き線ボビン２３に接着固定されており、交流電源と巻線２４が接続される。
【００３５】
図４に回転子部の外観図を示す。軸１１、回転子鉄心１２、回転子磁石１３、スラスト板１４より構成される。軸１１は鋼製で、必要に応じて部分的に回り止めのカット面加工やネジ加工が施される。回転子鉄心１２は珪素鋼板等を積層して構成されており鉄損を最小限に抑えている。回転子鉄心１２は軸１１に圧入或いは接着にて固定される。回転子磁石１３の材質は異方性フェライト焼結磁石で図中の矢印の方向に２極に着磁されている。回転子磁石１３は回転子鉄心１２の外周部に接着により固定される。回転子磁石１３は回転子鉄心よりも軸方向に長く、制御回路基板５の近傍まで突き出して設置され、磁気センサー５１での回転子位置の感知を容易にしている。
【００３６】
図５に固定子部の外観図を示す。固定子鉄心２１、固定子巻線ボビン２３、巻線２４より構成される。固定子鉄心２１は珪素鋼板が積層されており、鉄損を最小限に抑えている。巻線は６個設置され、軸対称に位置する２個の巻線は１つの相を構成する。
【００３７】
固定子鉄心の磁極は結合部２５で磁気的に結合されている。磁極間を結合させることにより巻き線のインダクタンスを大きくすることができる。インダクタンスを大きくすると、起動電流と定常電流の差を小さくすることができる。これにより故障等で回転子が動かなくなり起動電流が連続して流れても温度上昇を抑制することができる。また、誘導電動機に比較して起動トルクが大きく、効率が高く、直流モータに比較して起動電流が小さい電動機を構成することができる。
【００３８】
図６に軸受部とケース４１、４２の分解図を示す。軸受部は焼結金属軸受３１１、３１２、軸受ホルダー３２１、３２２、アキシャル軸受３３から構成される。焼結金属軸受３１１、３１２は銅、錫、鉄等の粉末を焼結して製作され、潤滑油が含浸される。アキシャル軸受３３の材質はPOM等の潤滑性の良い樹脂である。焼結金属軸受３１１、３１２と軸受ホルダー３２１、３２２とケース４１、４２の軸受接触面は球面となっており、焼結金属軸受３１１、３１２は組立時に軸１１の方向に合わせて自転移動できる。アキシャル軸受３３はスラスト板１４と焼結軸受３１１の間に設置され、回転子部をアキシャル方向に回転自在に保持する。
【００３９】
制御回路基板部はプリント基板５、磁気センサー５１、トライアック、フォトトライアックカプラ、ＭＯＳＦＥＴ、トランス等から構成される。図９に制御回路のブロック図を示す。磁気センサー５１にはホール素子或いはホールＩＣが使用される。ホール素子の出力極性と交流電源電圧極性をロジック回路により判別しトライアックを制御し、一方向のトルクを発生させるように巻線２４に電流を流す。出力向上、効率向上のために磁気センサー５１は固定子磁極の中央部から回転方向の逆方向に進角され設置される場合もある。
【００４０】
制御回路基板５に電源が投入されるとダイオードにより整流されキャパシタにより平滑された電流がＭＯＳＦＥＴの自励発振によりパルス状でトランスに入力される。トランスで降圧された出力はダイオードにより整流されキャパシタにより平滑され制御回路用の直流電源となる。
【００４１】
磁気センサー５１の出力は制御回路に入力され、交流電源の極性と比較され、各相のフォトトライアックカプラを介して巻線に接続されたトライアックを開閉する。
【００４２】
トライアックは電流が流れなくなるまで消弧しないから急激な電流変動に起因する電気ノイズの発生が無く、それ故それらを抑制する部品を付加する必要がない。
【００４３】
図１０に回転子磁石が２極で固定子巻線が３相の場合に、交流電源が６０Ｈｚ、電動機が１２Ｈｚで運転しているときの各相のトルク波形を示す。各相の回転子と巻線との角度が０度から１５０度と１８０度から３３０度の範囲で、かつ順方向のトルクが発生することを条件に電源電圧が０Ｖ付近でのみトライアックを点弧する。トライアックは３相の巻き線にそれぞれ接続されており、それぞれ独立して制御することができる。通電は一相のみの場合と二相が同時に通電している場合がある。
【００４４】
本発明の電動機はトライアックの点弧位相を変化させることにより電流量を制限することができ、容易に発生トルクを制御し、回転数を調整することができる。また、制御用の直流電源を内蔵しているので外部からの信号により回転数を変更でき、必要によりフィードバック制御を行うこともできる。
【００４５】
また、複数のトライアックの１相或いは複数相を停止して運転する事も可能であり、段階的に発生トルクを制御し、回転数を調整することができる。
【００４６】
なお、巻線の相数が２相の場合は各相の相対角度は電気角９０度以外とする必要がある。相対角度が９０度の場合には、２相とも磁石の極と向き合い、起動不能となる場合がある。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のトライアック整流子型電動機は、換気扇、冷却ファン、小型液体ポンプ等に好適である。
【符号の説明】
【００４８】
１１  軸
１２  回転子鉄心
１３  回転子磁石
１４  スラスト板
２１  固定子鉄心
２２  鉄心円環部
２３  固定子巻線ボビン
２４  巻線
２５  固定子磁極間の結合部
３１１  焼結金属軸受
３１２  焼結金属軸受
３２１  軸受ホルダー
３２２  軸受ホルダー
３３  アキシャル軸受
４１  ケース
４２  ケース
５  プリント基板
５１  磁気センサー
【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】
2013038974.tif 000009
【図８】
2013038974.tif 000010
【図９】
2013038974.tif 000011
【図１０】
2013038974.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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