專利名稱：同步電動機的控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及具有可旋轉地裝置在卷有交流線圈的定子內部的轉子的同步電動機的控制裝置及其控制方法，尤其涉及在同步電動機停止時進行轉子固定的控制裝置及其方法。
背景技術：
以往，在以泵和風扇等為負荷進行旋轉驅動的情況下，例如通過以下的專利文獻1等而已經得知那樣，由于以規定的旋轉速度來旋轉驅動低溫泵的致冷機等負荷，所以利用由同步電動機組成的驅動裝置構成的低溫泵運轉裝置，一邊使用商業用的50Hz電源一邊使用頻率變換器(所謂的變頻器、逆變器inverter)對其進行頻率變換，由此使電源頻率可變，從而以所希望的頻率進行運轉。
另一方面，作為交流電動機的通用式同步電動機來說，有裝備了線圈的轉子結構或者永久磁鐵結構的同步電動機，同時利用永久磁鐵并利用在轉子的表面沿旋轉軸方向形成多個齒槽而形成齒部而成的轉子的多極結構的同步電機也已為公眾所知。另外，這種形成齒部而成的轉子是在所謂的步進電機上也被廣泛采用的轉子結構，特別是近年來，由于發現了高抗磁力的稀土類磁鐵(釹、釤、鈷等)，而在相同體積之下可獲得更大的轉矩，且可比較大批量地、廉價地進行制造，所以正廣泛得以利用。
(專利文獻1)日本專利公開實公平1-14755號公報然而，如上所述那樣，在利用通常的變頻器來控制向誘導電動機和通用同步電動機的供給電壓的情況下，一般來說，滿足額定負荷用的V/F比(＝)恒定的控制方式為主流方式。因此，在將同步電動機停止的情況下，由于F(供給電壓的頻率)為零，所以一般來說將供給電壓V也同樣地設為零(0)。即向同步電動機的供給電壓與其頻率一起為零(0)，因此，轉子就自由地旋轉其位置不進行固定。于是，歷來為了防止這種轉子的自由旋轉而設定所謂的鎖定狀態，據此就可對包含制動器等的電動鎖定機構進行驅動，以使同步電動機的轉子保持在規定的位置上。
但是，當在同步電動機上設置了這種電動鎖定機構的情況下，同步電動機自身就會大型化，且包含鎖定機構的結構就變得復雜、價格變得昂貴。
發明內容
因而，本發明就是鑒于上述現有技術中的問題點而提出來的，其目的在于提供一種無需使用電動鎖定機構等復雜機構，由此可結構簡單且價格低廉地進行制造的同步電動機的控制裝置及其控制方法。
于是，為了實現所述目的，本發明的一個技術方案提供一種同步電動機的控制裝置，所述同步電動機包括卷有交流線圈的定子和可旋轉地安裝在所述定子內部的轉子，并具有使所述轉子的旋轉位置相對于所述定子進行保持的鎖定功能，所述控制裝置具有變頻器，該變頻器將具有規定的電壓-頻率特性的交流電壓提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈，進而還具有控制裝置，該控制裝置對所述變頻器進行控制，以便在所述轉子的轉速為零(0)、且鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，將由所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓轉換成直流電壓來進行供給。
此外，仍是為了實現所述目的，本發明的另一技術方案提供一種同步電動機的控制方法，所述同步電動機包括卷有交流線圈的定子和可旋轉地安裝在所述定子內部的轉子，并具有使所述轉子的旋轉位置相對于定子進行保持的鎖定功能，所述控制方法通過變頻器將具有規定的電壓-頻率特性的交流電壓提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈，同時在所述轉子的轉速為零(0)、且鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，對所述變頻器進行控制，以便將由所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓轉換成直流電壓來進行供給。
進而，在本發明上述技術方案的同步電動機的控制裝置及其控制方法中，最好是所述同步電動機在構成所述定子的各電極中與所述轉子相對的表面上形成多個齒部、且由永久磁鐵形成所述轉子，同時還在與所述定子的電極相對的表面上以與所述齒部的圓周方向的寬度大體相同的寬度形成多個齒部，進而將所述交流線圈卷裝在所述定子的電極上；或者最好是，在所述轉子的轉速為零(0)、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，使從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓可變；或者，使直流電壓的電壓值為由此在所述交流線圈中流過的電流小于等于其額定電流的值，特別是使其維持于穩定狀態下的交流電壓之峰值的約30％或其以下；或者，取而代之維持于規定的模式。
根據由以上本發明所提供的同步電動機的控制裝置及其控制方法，就可發揮以下出色的效果，即可以提供一種無需以外的電動鎖定機構等復雜機構而獲得同步電動機的鎖定結構，并且可以簡單的結構、且價格低廉地進行制造的同步電動機的控制裝置及其控制方法。
圖1是表示用于實施作為本發明一個實施方式的對三相交流同步電動機進行驅動控制的控制方法的控制裝置結構的框圖。
圖2是表示所述本發明的同步電動機的控制裝置中控制方式的特性曲線的圖。
圖3是表示在所述本發明的同步電動機的控制裝置中，從變頻器提供給同步電動機的U相的電壓波形的圖。
圖4是表示在所述本發明的同步電動機的控制裝置中，從變頻器提供給同步電動機的其它的電壓模式一例的圖。
圖5是表示由所述本發明的同步電動機的控制裝置來運轉控制的同步電動機的狀態轉移的圖。
圖6是表示作為本發明的一個實施方式的三相同步電機的整體結構用的在旋轉軸方向上的截面圖。
圖7是表示所述三相同步電機整體結構用的上圖的A-A’的截面圖。
圖8是一例表示所述三相同步電動機的定子結構的立體圖。
圖9是表示作為本發明的同步電機的定子中的三相交流線圈的卷裝方式的圖。
具體實施例方式
下面，使用附圖就本發明的實施方式詳細地進行說明。
首先，在附圖6～9中表示了由作為本發明的一個實施方式的控制裝置或控制方法所驅動控制的、三相同步電動機的整體結構，圖6是所述三相同步電動機的截面圖(軸方向上的截面)。
在圖中，標記10是例如由鐵等金屬構成的圓筒形狀的金屬制罩體，在其內部中安裝有例如將硅鋼板以一定形狀進行沖裁并層疊而成的定子20。此外，圖中的附圖標記21在后面也將進行說明，其表示被卷繞在定子20上所形成的多個磁極周圍的線圈。而且，在該定子20內部所形成的圓筒形的空間內，經由安裝在端部托架11、12的中央部上的一對球形軸承13、14，可旋轉地安裝著外形大體呈圓筒形的轉子30，所述端部托架11、12被固定在罩體10的兩端。此外，圖中的標記25表示被固定插入此定子20的中心的輸出軸，標記25是對該三相同步電機供給三相交流的引線。
接著，附圖7表示出所述三相同步電機中的沿圖6中的箭頭A-A’所示的部位上的截面。即，如從該截面圖也可明白那樣，在所述三相同步電機的定子20側形成有全部12個磁極(定子極)22、22...，然后，在這些磁極22的周圍(即形成在其間的狹槽)，通過附圖9(a)中所示的接線方式分別卷裝有三相交流線圈21U、21V、21W。即，附圖9(a)表示卷裝在所述12個磁極22、22...上的三相交流線圈的電路圖，而且，附圖9(b)表示含有線圈的定子20的截面結構。另外，圖中的標記N表示線圈的中性點，標記15表示三相的引線，進而，標記U、V、W分別表示U相、V相、W相的引線。
此外，如從所述圖6以及圖9(b)也可知那樣，在所述三相同步電機的各磁極22的表面(即，與所述轉子30的對置面)上沿旋轉軸方向分別形成有3條齒槽23、23...，由此分別在各個磁極的表面上形成4條齒部24、24...。
另一方面，所述轉子30如由附圖8表示其外觀那樣，外形大體呈圓筒狀而形成，在其外周面上也是沿其旋轉軸方向形成多個齒槽31、31...，由此在其外周表面上形成多個齒部32，32...。另外，轉子30的結構為所謂的被稱為混合式(hybrid)結構，如從上圖的截面圖也可明白那樣，表示在其內部將圓筒形狀的永久磁鐵33在旋轉軸方向上對置磁極(N極、S極)來進行配置，在其周圍也是將硅鋼板以規定形狀進行沖裁并層疊后固定形成。然而，圖8中所示的轉子30表示在一個永久磁鐵33的周圍前后安裝硅鋼板而成的結構，另外，所述圖6中所示的轉子30的結構表示在其旋轉軸方向上連接了多級具體而言為2級所述的單位結構的、所謂的多級結構的轉子。另外，此轉子30的級數，通常是在1～4的范圍內考慮所要求的輸出特性等適宜決定。
即，通過采用這種混合式結構的轉子30，如所述圖6中虛線的箭頭所示，能夠沿旋轉軸方向的前后方向形成磁路。另外，在所述圖8中，這些在轉子30的外周面上分別形成在前方和后方的齒部32、32...，相互錯開1/2的齒距(pitch)而形成。即，在前方成為齒部32的部分在后方側被形成為齒槽31。而且，在本實施方式中，形成在轉子30的外周上的齒部32、32...(或者齒槽31、31...)的數目，將形成在其前方和后方的數目合計起來為約36～200個左右。此外，優選的做法是，借助于使齒部32(齒槽31)傾斜很小的角度來形成，設為所謂的扭斜(skew)結構，就可尤其降低齒槽效應(cogging)，而獲得平穩的輸出轉矩。進而，此齒部32(齒槽31)的截面形狀既可以是矩形、圓形，也可以是橢圓形狀。
另外，如所述圖2所示，在所述定子20側所形成的齒部24、24...與在所述轉子30側所形成的齒部32、32...之間的關系，分別是按大體相同的尺寸(齒距)來形成，同時相對于其圓周的1/4周(90度)，相應錯開1/2齒距分來形成。
接著，在附圖1中表示控制裝置的結構，該控制裝置用來對在上面詳細敘述了其結構的三相交流同步電動機100進行驅動控制。在圖1中，所述同步電動機100具有U相、V相、W相(參考圖9)的線圈，它們分別與附圖標記200所示的電壓型變頻器的交流輸出端子相連接。另外，如圖所示，該電壓型變頻器200構成如下PWM(PUlseWidth Modulation)電路，該電路橋接3組作為可自動消去的開關元件的晶體管和二極管的反并聯電路，供給所謂的規定頻率且規定電壓的三相交流電力。
另外，附圖標記300表示例如商業用的三相交流電源，其電壓由例如通過二極管橋接而構成的整流器(converter)400進行整流，進而，由平滑電容器450進行平滑后，連接到所述電壓型變頻器200的輸入端子。而且，所述電壓型變頻器200的各開關元件(即晶體管)，分別根據來自下述的變頻器控制部500的控制信號，對其接通/關閉狀態進行控制，由此經由其交流輸出端子被提供給所述同步電動機100的U相、V相、W相。另外，如圖所示那樣此變頻器控制部500盡管在此處沒有示出，但其由控制電路510和V-F生成電路520等構成，其中，控制電路510在輸入來自外部的速度指令(SP)的同時，還進一步輸入來自外部的啟動信號、停止信號、鎖定信號(固定電動機上的轉子位置的信號)，以進行規定的控制；V-F生成電路520生成在以下還將說明的V-F(電壓-頻率)特性曲線。另外，變頻器控制部500例如可由微型計算機來構成。
在附圖2中表示借助于在上面對其結構進行了說明的變頻器控制部500，在所謂的額定頻率以上(fo)的區域內，將電源電壓維持恒定(額定電壓)，同時將此額定頻率(fo)以下的區域內的電源電壓設為V/F(＝)恒定的控制方式。
這里，具備所述控制裝置的同步電動機，在所述速度指令(SP)的基礎上，還進一步通過啟動信號、停止信號、鎖定信號的輸入，在各種狀態下進行運行和控制。在附圖5中表示同步電動機中的各種運動狀態。
即，例如在“因解鎖而處于停止中”狀態S1中，若將所述啟動信號輸入到控制裝置則成為“啟動接通”，同步電動機經圖的“加速中”狀態S2后，轉移到以所設定的轉速進行旋轉的“恒速”狀態S3。另一方面，若將所述停止信號輸入到控制裝置則同步電動機從該狀態轉移到圖中的“減速中”狀態S4。之后，當其旋轉速度為零(0)時(圖中是“速度為0”)，則通過有無所述鎖定信號的輸入，即經圖中的“鎖定切斷”或“鎖定接通”之后，再次返回到所述“因解鎖而處于停止中”狀態S1，或者成為固定轉子位置的“鎖定中”的S5狀態。另外，此時旋轉速度特別是可由在上面詳細敘述了結構的三相交流同步電動機100，根據從所述變頻器控制部500提供的交流電力的頻率信號(F)直接進行確定，所以對變頻器控制部500進行設定以在此頻率信號(F)降低到規定值(例如0.6min-1)的時刻就成為“速度為0”。或者，還可以根據V/F比(＝)恒定的關系，取代頻率信號(F)而根據電壓值(V)來進行判定。
另一方面，在同步電動機從所述“鎖定中”的S5狀態起再次以所設定的轉速進行旋轉的情況下，如圖中箭頭所示，在轉移到所述“加速中”狀態S2之后，向“恒速”狀態S3轉移，或在一旦解除所述鎖定狀態而轉移到“因開啟而處于停止中”的狀態S1之后，經所述“加速中”狀態S2轉移到“恒速”狀態S3，由此以規定的轉速進行驅動旋轉。此外，所述同步電動機，如箭頭所示那樣能夠在這些“因開啟而處于停止中”的狀態S1與“鎖定中”的S5狀態之間交互地轉移。
這里，在附圖3中，表示所述同步電動機在所述圖5所示的“減速中”狀態S4中，其旋轉速度為零(圖中的“速度為0”)的時刻，從所述變頻器200對同步電動機100的U相、V相、W相所提供的電力的狀態，更具體來說是電壓的狀態。即，在“減速中”的狀態S4中，如圖所示，從所述變頻器200所提供的交流電壓以規定的關系(即所述圖2中示出的V/F比(＝)恒定的關系)與其頻率(F)一起降低其電壓(V)。然后，在其頻率(F)或其電壓(V)達到規定值的時刻(參考圖中的“to”)為了將同步電動機設為鎖定狀態而轉換成為具有規定電壓值的直流電壓來進行供給。即，將從所述變頻器200提供給被卷在同步電動機100的定子的電極上的U相、V相、W相交流線圈的交流電壓變更成直流電壓，同時將這些各相中的直流電壓取為按照在該轉子的旋轉即將為零(0)之前的交流電壓值所確定的比率。另外，如果按照上述比率則提供給這些各相的直流電壓也可以在規定的范圍內適當地變更其電壓值。
這樣，在為了將同步電動機設為鎖定狀態，而轉換成具有規定電壓值的直流電壓來進行供給的情況下，通過對構成所述PWM電路的電壓型變頻器200進行控制，就可以極其簡單的結構且容易地實現同步電動機的鎖定狀態。即，如從所述的圖6～圖9中示出的三相交流同步電動機100的結構也可知那樣，在所述三相同步電機的定子20一側，形成于其全部12個磁極(定子極)22、22...的內周的齒部24、24...中所產生的磁場被固定(即不旋轉)，所以與它們相對在其外周上具有多個齒槽31、31...的轉子30，被定子20一側所產生的磁場吸引而得以固定(鎖定)，這樣就不必如現有技術那樣設置包含制動器等的電動鎖定機構。
此外，在作為所述本發明的控制裝置或方法中，通過利用為了控制構成控制裝置的變頻器200而由變頻器控制部500生成的頻率(F)或者電壓(V)，旋轉速度的檢測也變得極其容易。亦即，據此就無需如現有技術那樣設置包含制動器等的電動鎖定機構，能夠防止同步電動機自身的大型化及高價格化。
另外，在由所述圖1中所述的微型計算機等構成的變頻器控制部500中，可通過設定適當的參數使此直流電壓的規定電壓值可變。此外，優選的做法是將其值設定成例如若考慮到向所述交流線圈供應時會產生燒損等，則即使在電動機處于停止的狀態下施加電壓在線圈中也不會流過額定電流以上的電流程度的電壓值。具體來說，優選的做法是，將電壓值設定為所述圖2中所示的額定電壓(頻率在額定頻率(fo)以上的電壓之峰值)的約30％左右或其以下。
此外，還可以在同步電動機的旋轉速度為零(0)的時刻，將從所述變頻器200向同步電動機100的U相、V相、W相所提供電壓，在該時刻原封不動進行保持，而不必使用所述方式。或如附圖4所示的那樣，還可以例如在同步電動機的旋轉速度為零(0)的時刻“to”，將預先所設定的規定模式的直流電壓提供給U相、V相、W相，而不必使用所述方式。另外，圖4中所示的例子是，例如將所述額定電壓的約30％的電壓設為“V”，并對V相和W相供給“V/2”的電壓。
權利要求
1.一種同步電動機的控制裝置，所述同步電動機包括卷有交流線圈的定子和可旋轉地安裝在所述定子內部的轉子，并具有使所述轉子的旋轉位置相對于所述定子進行保持的鎖定功能，所述控制裝置的特征在于具有變頻器，該變頻器將具有規定的電壓-頻率特性的交流電壓提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈，進而還具有控制裝置，該控制裝置對所述變頻器進行控制，以便在所述轉子的轉速為零、且鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，將由所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓轉換成直流電壓來進行供給。
2.根據權利要求1所述的同步電動機的控制裝置，其特征在于所述同步電動機在構成所述定子的各電極中與所述轉子相對的表面上形成多個齒部、且由永久磁鐵形成所述轉子，同時還在與所述定子的電極相對的表面上以與所述齒部的圓周方向的寬度大體相同的寬度形成多個齒部，進而將所述交流線圈卷裝在所述定子的電極上。
3.根據權利要求1所述的同步電動機的控制裝置，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的直流電壓是可變的。
4.根據權利要求1所述的同步電動機的控制裝置，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，使從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的直流電壓的電壓值為由此在所述交流線圈中流過的電流小于等于其額定電流的值。
5.根據權利要求4所述的同步電動機的控制裝置，其特征在于使從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的直流電壓的電壓值為所述同步電動機的穩定狀態下的交流電壓之峰值的約30％或其以下。
6.根據權利要求1所述的同步電動機的控制裝置，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，將從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓，維持于該轉子的轉速剛剛為零之前的所述交流電壓的各相位上確定、各相位的電壓值的比率上可變更的直流電壓的模式。
7.一種同步電動機的控制方法，所述同步電動機包括卷有交流線圈的定子和可旋轉地安裝在所述定子內部的轉子，并具有使所述轉子的旋轉位置相對于定子進行保持的鎖定功能，所述控制方法的特征在于通過變頻器將具有規定的電壓-頻率特性的交流電壓提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈，同時在所述轉子的轉速為零、且鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，對所述變頻器進行控制，以便將由所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓轉換成直流電壓來進行供給。
8.根據權利要求7所述的同步電動機的控制方法，其特征在于所述同步電動機在構成所述定子的各電極中與所述轉子相對的表面上形成多個齒部、且由永久磁鐵形成所述轉子，同時還在與所述定子的電極相對的表面上以與所述齒部的圓周方向的寬度大體相同的寬度形成多個齒部，進而將所述交流線圈卷裝在所述定子的電極上。
9.根據權利要求7所述的同步電動機的控制方法，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的直流電壓是可變的。
10.根據權利要求7所述的同步電動機的控制方法，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，使從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的直流電壓的電壓值為由此在所述交流線圈中流過的電流小于等于其額定電流的值。
11.根據權利要求10所述同步電動機的控制方法，其特征在于使從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓的電壓值為穩定狀態下的交流電壓之峰值的約30％或其以下。
12.根據權利要求7所述的同步電動機的控制方法，其特征在于在所述轉子的轉速為零、且所述鎖定功能信號處于接通狀態的情況下，將從所述變頻器提供給被卷在所述同步電動機的定子的電極上的交流線圈的交流電壓，維持于該轉子的轉速剛剛為零之前的所述交流電壓的各相位上確定、各相位的電壓值的比率上可變更的直流電壓的模式。
全文摘要
本發明提供一種同步電動機的控制裝置及其控制方法，無需電動鎖定機構等機構而獲得鎖定機構，可制造簡單且價格低廉地進行制造。為此，包括卷有交流線圈(21U、21V、21W)的定子(20)和可旋轉地安裝在定子內部的轉子(30)的同步電動機的控制裝置，具有可將具有規定的電壓－頻率特性的交流電壓提供給被卷在同步電動機的定子的電極上的交流線圈的變頻器(200)，進而還進行控制以便在轉子的轉速為零(0)、且鎖定信號處于接通狀態的情況下，將從變頻器提供給被卷在定子的電極上的交流線圈的交流電壓轉換成直流電壓來進行供給，以此實現使轉子的旋轉位置相對于定子進行保持的鎖定狀態。
文檔編號H02K21/16GK1937395SQ20051010751
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者木村良則, 荒川宣男 申請人:山洋電氣株式會社