JP7596949B2 - モータの始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期リラクタンスモータの始動に用いられるモータの始動方法に関する。

始動時に誘導電動機のコイルをスター結線として電圧を印加し、始動後にコイルをデルタ結線として電圧を印加する技術が知られている（特許文献１）。

特開２０１０－１９３７０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術を同期リラクタンスモータの始動に用いた場合には、モータや負荷等の慣性が大きいと、始動が失敗する場合があった。
上述の課題に鑑み、本発明は、慣性が大きい場合であっても始動の確実性を向上させることができるモータの始動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るモータの始動方法のある態様によれば、ステータとロータを有するモータの始動方法であって、前記ステータの界磁コイルをＹ接続として始動し、所定時間（ｔ２）内に前記ロータの速度が定格から所定の範囲内にならない場合に、前記界磁コイルをΔ接続に切り替え、前記ロータの回転速度が定格から所定の範囲内になった場合に、前記界磁コイルをＹ接続に切り替える、ことを特徴とするモータの始動方法が提供される。

以上の構成を有する本発明によれば、慣性が大きい場合であってもモータの始動の確実性を向上させることができる。

実施形態１のモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。 モータの構成例を示す断面図である。 モータのロータコアの詳細な構成例を示す断面図である。 始動処理の例を示すフローチャートである。 各部の動作の例を示す図である。 各部の動作の例を示す図である。 各部の動作の例を示す図である。 慣性と負荷と始動の成否の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
＜実施形態１＞
実施形態１は、同期リラクタンスモータを駆動するモータ駆動システムに本発明を適用したものであり、図１は、本実施形態のモータ駆動システムの構成例を示すブロック図である。
このモータ駆動システムは、駆動対象となる同期リラクタンスモータ（モータ）１と、モータ１の回転速度を検出する速度センサ２と、所定の時間を計測するタイマ３と、速度センサ２が検出した回転速度と所定の速度とを比較する速度比較部４とを備えている。また、このモータ駆動システムは、スイッチ６、７、８の制御を行うスイッチコントローラ５と、外部から供給される３相（Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相）の電源電圧の供給を切り替えるスイッチ（ＳＷ_Ｓ）６と、モータ１のコイルをＹ接続に切り替えるスイッチ（ＳＷ_Ｙ）７と、モータ１のコイルをΔ接続に切り替えるスイッチ（ＳＷ_Δ）８とを備えている。

図２は、モータ１の構成例を示す断面図である。なお、この図２は、４極のモータ１の例を示している。また、図２はモータ１のシャフトに垂直な断面を示している。
このモータ１は、インナーロータ型のモータであり、界磁（回転界磁）を発生させる環状のステータ１１と、当該ステータ１１の内側に設けられたロータ１２とを備えている。ステータ１１には、界磁を発生する複数、例えば３相、のコイルが設けられている。コイルの巻き方は、本実施形態では分散巻として示しているが、集中巻きであってもよい。また、ロータ１２は、シャフト１３と、ロータコア２０とを備えている。ロータ１２はシャフト１３と共に回転する。

図３は、ロータコア２０の詳細な構成例を示す断面図である。なお、この図３も、同期リラクタンスモータのシャフト１３に垂直な断面を示している。
ロータコア２０は、図３に示す形状の珪素鋼板等の薄い板状の磁性体を筒状に積層して構成されており、シャフト１３に取り付けられている。ロータコア２０には、各極毎に、ｑ軸方向（この場合では、ロータコア２０の半径方向）に配置された複数のフラックスバリア２１、２２、２３、２４が設けられている。

ロータコア２０の強度確保のため、フラックスバリア２２、２３には、ｑ軸方向にリブ状のブリッジ３１、３２が設けられている。各ブリッジ３１、３２のｑ軸に垂直な方向の幅は、後述のように、フラックスバリアに溶融したアルミ、銅等の非磁性の導体を注入する際の強度を考慮し、１～２ｍｍ、若しくはそれより大きくすることが好ましい。また、夫々のブリッジ３１，３２は、各フラックスバリア２２、２３の中心（ｑ軸上）に１つ設けられているが、複数のブリッジを１つのフラックスバリアに設けてもよい。

ロータコア２０を構成する薄い板状の磁性材料は、プレスによる打ち抜き加工により容易に製造することができる。また、ロータコア２０は、薄い板状の磁性材料を筒状に積層した後、フラックスバリア部分に、溶融したアルミ、銅等の非磁性の導体を注入して形成されている。これにより、ロータコア２０の機械的強度を増加させている。
また、ロータコア２０の軸方向の両端には、リング状の導体が設けられている。この導体は、フラックスバリア部分に注入する導体と一緒に形成してもよい。

上述のように構成されたフラックスバリア部分の導体とリング状の導体は、誘導かご型誘導機のロータと同様に機能し、回転磁界中において、誘導トルクを発生する。
このような構成のロータを備えるリラクタンスモータは、直接オンライン同期リラクタンスモータ（ｄｉｒｅｃｔ－ｏｎ－ｌｉｎｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ）と称されることがあるが、本実施形態では、単に同期リラクタンスモータと称する。

以下、上述のように構成されたモータ駆動システムにおける始動処理について説明する。
図４は、本実施形態におけるモータを始動する始動処理の例を示すフローチャートである。
モータ１の始動を行う際には、スイッチコントローラ５は、まず、Ｓ１において、スイッチ７を閉じた状態とし、スイッチ８を開放した状態として、モータ１のコイルをＹ接続に切り替え、スイッチ６を閉じてモータ１に電源電圧を供給し、モータ１を始動する。
続くＳ２において、スイッチコントローラ５は、モータ１のコイルが現在Ｙ接続であるか否かを判定し、Ｙ接続であればＳ３に進み、Ｙ接続でなければＳ８に進む。
Ｓ３において、スイッチコントローラ５は、速度比較部４から比較結果（速度情報）を取得する。

続くＳ４において、スイッチコントローラ５は、速度比較部４からの比較結果に応じて、モータ１の現在の速度が定格の所定の範囲外（例えば±５％外）か否かを判定し、定格の±５％外であればＳ６に進み、定格の±５％外でなければＳ５に進む。
Ｓ５において、スイッチコントローラ５は、Ｙ接続になってからの時間が所定の時間（例えばｔ１）を経過しているか否かを判定し、経過していれば始動が成功したとして始動処理を終了し、経過していなければＳ３に戻る。
一方、Ｓ４においてモータ１の現在の速度が定格の±５％外であると判定された場合にはＳ６に進み、スイッチコントローラ５は、Ｙ接続になってからの時間が所定の時間（例えばｔ２）を経過しているか否かを判定する。このｔ２の値は、例えば０より大きく、モータの予測始動時間の１／３以内程度とすることができる。また、ｔ２の値は、例えばモータ１等の慣性と負荷の大きさの少なくとも一方に応じて設定する。

Ｙ接続になってからの時間がｔ２を経過していれば、スイッチコントローラ５は、Ｓ７に進み、スイッチ７を開放した状態とし、スイッチ８を閉じた状態として、モータ１のコイルをΔ接続に切り替え、Ｓ２に戻る。Ｙ接続になってからの時間がｔ２を経過していなければ、スイッチコントローラ５は、Ｓ３に戻る。
ここまでの処理により、本実施形態では、モータ１のコイルをＹ接続として始動した後、所定時間（ｔ２）以内にモータ１の速度が定格の±５％以内にならない場合に、モータ１のコイルをΔ接続に切り替えるようになっている。

モータ１のコイルをΔ接続に切り替えた後に実行されるＳ２では、スイッチコントローラ５は、Ｙ接続でないとしてＳ８に進む。
Ｓ８において、スイッチコントローラ５は、速度比較部４から比較結果（速度情報）を取得する。
続くＳ９において、スイッチコントローラ５は、速度比較部４からの比較結果に応じて、モータ１の現在の速度が定格の±５％内か否かを判定し、定格の±５％内であればＳ１０に進み、定格の±５％内でなければＳ１２に進む。

Ｓ１０において、スイッチコントローラ５は、Δ接続になってからの時間がｔ１を経過しているか否かを判定し、経過していれば、Ｓ１１に進む。
Ｓ１１において、スイッチコントローラ５は、スイッチ７を閉じた状態とし、スイッチ８を開放した状態とし、モータ１のコイルをＹ接続に切り替え、Ｓ２に戻る。Δ接続になってからの時間がｔ１を経過していなければ、スイッチコントローラ５は、Ｓ８に戻る。
ここまでの動作により、モータ１のコイルをΔ結線に切り替えた後、モータ１の現在の速度が定格の±５％内になってからｔ１が経過した場合には、スイッチコントローラ５は、モータ１のコイルをＹ接続に切り替える。

上述のように、Ｓ９において、モータ１の現在の速度が定格の±５％内でない場合には、スイッチコントローラ５は、Ｓ１２に進み、Δ接続になってからの時間がｔ２を経過しているか否かを判定し、経過していなければＳ８に戻る。Δ接続になってからの時間がｔ２を経過していれば、スイッチコントローラ５は、始動が失敗したと判定し、スイッチ６とスイッチ８を開放させ、始動処理を終了する。
これにより、始動が失敗した場合に、モータ１の駆動を停止させることができる。

図５は、慣性が比較的小さい場合の、本実施形態のモータ駆動システムの各部の動作の例を示す図である。図５では、スイッチ６とスイッチ７がｔ０でＯＮ（接続）にされ、ｔ１が経過してもＯＮ状態が維持されている。また、スイッチ８はｔ０でＯＦＦであり、ＯＦＦの状態がｔ１を経過しても続いている。モータ１のコイルはｔ０からＹ接続になっている。
この場合では、モータ１のコイルをＹ接続にしてからｔ１が経過する前に、モータ１の回転速度が定格の±５％内になるため、Δ接続への切り替えは行わず、ｔ１経過後に、始動処理を終了し、定常運転に移行する。

図６は、慣性が中程度の場合の、本実施形態のモータ駆動システムの各部の動作の例を示す図である。図６では、スイッチ６はｔ０でＯＮ（接続）にされ、ｔ２及びｔ２+ｔ１が経過してもＯＮ状態が維持されている。スイッチ７はｔ０でＯＮにされ、ｔ２でＯＦＦにされ、ｔ２＋ｔ１でＯＮにされる。スイッチ８はｔ０でＯＦＦであり、ｔ２でＯＮにされ、ｔ２+ｔ１でＯＦＦにされる。モータ１のコイルはｔ０からｔ２までＹ接続であり、ｔ２からｔ２＋ｔ１までΔ接続になっている。
この場合では、モータ１のコイルをＹ接続にしてからｔ２が経過するまで、モータ１の回転速度が定格の±５％外であるため、ｔ２経過後に、Δ接続に切り替え、この後、ｔ１経過するまで（ｔ２+ｔ１になるまで）の間に、回転速度が定格の±５％内になるので、ｔ１経過時に（ｔ２+ｔ１になると）Ｙ接続に切り替える。さらに、ｔ１経過後に（ｔ２+２ｔ１になると）、始動処理を終了し、定常運転に移行する。

図７は、慣性が比較的大きい場合の、本実施形態のモータ駆動システムの各部の動作の例を示す図である。図７では、スイッチ６はｔ０でＯＮにされ、２ｔ２になるとＯＦＦにされる。スイッチ７はｔ０でＯＮにされ、ｔ２でＯＦＦにされ、２ｔ２が過ぎてもＯＦＦが維持されている。スイッチ８はｔ０でＯＦＦであり、ｔ２でＯＮにされ、２ｔ２でＯＦＦにされる。モータ１のコイルはｔ０からｔ２までＹ接続であり、ｔ２から２ｔ２までΔ接続になっている。
この場合は、モータ１のコイルをＹ接続にしてからｔ２が経過するまで、モータ１の回転速度が定格の±５％外であるため、ｔ２経過後に、Δ接続に切り替えるが、この後、ｔ２経過しても（２ｔ２になっても）回転速度が定格の±５％内にならないため、始動が失敗したと判定し、始動処理を終了して、モータ１を停止させる。

図８は、従来のモータ駆動システムと本実施形態のモータ駆動システムにおける慣性と負荷と始動の成否の例を示す図である。
実線で示したものが従来のモータ駆動システムにおける慣性と負荷と始動の成否の例であり、破線で示したものが本実施形態のモータ駆動システムにおける慣性と負荷と始動の成否の例である。
従来のモータ駆動システムでは、領域１の範囲でモータの始動が成功する。このため、領域２と領域３の範囲では起動が失敗する。
これに対し、本実施形態のモータ駆動システムでは、領域１と領域２の範囲でモータの始動が成功する。
したがって、本実施形態では、モータや負荷等の慣性が大きい場合であっても始動の確実性を向上させることができる。

＜変形例＞
また、上述のＳ３において、モータ１の回転速度の上昇率を算出し、上昇率が所定の閾値以上である場合には、Δ接続に切り替えないようにしてもよい。上昇率が所定の閾値以上である場合、すなわち、慣性が比較的小さく、モータ１の立ち上がりが早い場合には、上述の図５に示す状態となるため、Δ接続に切り替える判断を行わないことにより、処理負荷を低減させることができる。

１…モータ、２…速度センサ、３…タイマ、４…速度比較部、５…スイッチコントローラ、６、７、８…スイッチ、１１…ステータ、１２…ロータ、１３…シャフト、２０…ロータコア、２１、２２、２３、２４…フラックスバリア、３１、３２…ブリッジ

Claims (6)

1. ステータとロータを有するモータの始動方法であって、
   前記ステータの界磁コイルをＹ接続として始動し、
   所定時間（ｔ２）内に前記ロータの速度が定格から所定の範囲内にならない場合に、前記界磁コイルをΔ接続に切り替え、
   前記ロータの回転速度が定格から所定の範囲内になった場合に、前記界磁コイルをＹ接続に切り替える、
   ことを特徴とするモータの始動方法。
2. 前記モータはリラクタンスモータであることを特徴とする請求項１に記載のモータの始動方法。
3. 前記界磁コイルをΔ接続に切り替えた後、所定時間（ｔ２）内に前記ロータの速度が定格から所定の範囲内にならない場合に、前記モータの始動が失敗したと判定することを特徴とする請求項１または２に記載のモータの始動方法。
4. 前記所定の範囲が、前記モータの定格回転数（速度）のプラスマイナス５％の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のモータの始動方法。
5. 前記所定時間（ｔ２）を、前記モータの慣性と負荷の大きさの少なくとも一方に応じて設定することを特徴とする請求項３または４に記載のモータの始動方法。
6. 前記所定時間（ｔ２）が、０より大きく、且つ、前記モータの予測始動時間の１／３以内であることを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載のモータの始動方法。

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