專利名稱：電動機(jī)系統(tǒng)及其控制方法和永磁同步電動機(jī)的制作方法
電動機(jī)系統(tǒng)及其控制方法和永磁同步電動機(jī)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及適用于驅(qū)動固定速度的負(fù)載的永磁同步電動機(jī)、和利用它 的電動機(jī)系統(tǒng)及其電動機(jī)系統(tǒng)的控制方法。
背景技術(shù)：
作為驅(qū)動固定速度的負(fù)載的感應(yīng)同步電動機(jī)，例如有在轉(zhuǎn)子的永久磁 鐵的外周設(shè)置作為感應(yīng)電動機(jī)而作用的鼠籠型繞組，并從商用交流電源向 鼠籠型繞組供電而起動轉(zhuǎn)子的自起動式同步電動機(jī)(例如，參照專利文獻(xiàn) 1)。在該自起動式同步電動機(jī)中，根據(jù)鼠籠型繞組而作為感應(yīng)電動機(jī)起動。 之后，以額定轉(zhuǎn)速作為永磁同步電動機(jī)而驅(qū)動，但此時，由于鼠籠型繞組 作為同步電動機(jī)的制動繞組而作用，因此有衰減因負(fù)載變動而產(chǎn)生的輸出 的振蕩(不穩(wěn)定)、可以確保穩(wěn)定性的特征。另一方面，還有制冷裝置，其是具有變速電動機(jī)和定速電動機(jī)的系統(tǒng)， 當(dāng)負(fù)載小時，只有變速電動機(jī)進(jìn)行容量控制運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)負(fù)載大時，再使一臺定速電動機(jī)驅(qū)動，而且由變速電動機(jī)進(jìn)行容量控制運(yùn)轉(zhuǎn)(參照專利文獻(xiàn)2)。 在該制冷裝置中，電源中需要倒相器，但由于在負(fù)載大時使定速電動 機(jī)驅(qū)動，因此有可以用小容量的倒相器進(jìn)行制冷裝置的容量控制的特征。 另外，作為定速電動機(jī)采用在轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的外周設(shè)置鼠籠型繞組的自 起動式永磁同步電動機(jī)。專利文獻(xiàn)1特開2003—259579號公報專利文獻(xiàn)2特開2005—40000號公報發(fā)明內(nèi)容在轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的外周設(shè)置鼠籠型繞組的自起動式同步電動機(jī)中， 存在如下問題勵磁磁極的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且為了設(shè)置鼠籠型繞組，轉(zhuǎn)子的直徑只能增大，其結(jié)果導(dǎo)致電動機(jī)輸出密度的降低和慣性力矩(moment) 的增大，另外不能發(fā)揮永磁同步電動機(jī)的小型、輕量的優(yōu)點(diǎn)。而且由于用 商用交流電源直接起動，因此存在起動時產(chǎn)生大的噪音的問題。另一方面，除了上述自起動式同步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)子上不設(shè)置鼠籠型繞 組，而用固定速度的負(fù)載驅(qū)動永磁同步電動機(jī)時， 一般的方法為，設(shè)置與 同步電動機(jī)相同規(guī)模的大容量倒相器，通過該倒相器來驅(qū)動同步電動機(jī)。 根據(jù)該方法，抑制基于變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的起動或同步電動機(jī)的輸出的振動的功能 由倒相器(inverter)承擔(dān)，因此能夠避免上述問題。但是，用在不需要變速的固定速度用途的大容量倒相器，不僅因高價 而不經(jīng)濟(jì)，而且倒相器的功率轉(zhuǎn)換元件的發(fā)熱、或因包含在倒相器的電壓 的高次諧波而產(chǎn)生的同步電動機(jī)的發(fā)熱有可能使系統(tǒng)的效率降低。在上述的制冷裝置的系統(tǒng)中，通過將負(fù)載的一部分分擔(dān)給另一臺的定 速電動機(jī)，由此可以使倒相器小容量化，但是由于該定速電動機(jī)需要自起 動，所以需要采用自起動式電動機(jī)，因此不能避免對于自起動式電動機(jī)的 上述問題。該發(fā)明是為了解決上述問題而成的，其目的在于不損失永磁同步電動 機(jī)固有的高效率且小型、輕量的特征，而確保穩(wěn)定的起動、運(yùn)轉(zhuǎn)特性。為了達(dá)成上述目的，有關(guān)本發(fā)明的電動機(jī)系統(tǒng)的特征在于，具有永 磁同步電動機(jī)，具有作為定子繞組的、相互電獨(dú)立的第一繞組和第二繞組； 開關(guān)，對商用交流電源與上述第一繞組的連接進(jìn)行開閉；倒相電路，與上 述商用交流電源相連接而向上述第二繞組供電；控制電路，控制上述開關(guān) 和倒相電路。另外，有關(guān)本發(fā)明的永磁同步電動機(jī)的特征在于，作為定子繞組具有 與交流電源相連接的第一繞組、和與上述第一繞組電獨(dú)立、且與倒相電路 相連接的第二繞組。再有，有關(guān)本發(fā)明的電動機(jī)系統(tǒng)的控制方法，對作為定子繞組具有相 互電獨(dú)立的第一繞組和第二繞組的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行控制，該方法特征 在于，通過開關(guān)將商用交流電源與上述第一繞組相連接，通過倒相電路將 上述第二繞組與上述商用交流電源相連接，在永磁同步電動機(jī)從停止?fàn)顟B(tài) 到額定轉(zhuǎn)數(shù)附近的起動期間，通過打開上述開關(guān)、控制上述倒相電路來進(jìn)行上述永磁同步電動機(jī)的控制，而且通過控制上述倒相電路來進(jìn)行使因額 定轉(zhuǎn)數(shù)時的負(fù)載變動而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速的振蕩(不穩(wěn)定)衰減的矢量控制。根據(jù)本發(fā)明，不損失永磁同步電動機(jī)固有的高效率且小型、輕量的優(yōu) 點(diǎn)，就可以確保穩(wěn)定的起動、運(yùn)轉(zhuǎn)特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又高效率的 電動機(jī)系統(tǒng)。


圖l是表示有關(guān)本發(fā)明的電動機(jī)系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的構(gòu)成的模塊圖。圖2是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的永磁同步電動機(jī)的第一例的橫截面圖。 圖3是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的動作特性的時間圖，分別表示(a)運(yùn) 轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化、(b)轉(zhuǎn)速的變化、(c)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化、(d)永磁同步電 動機(jī)的小容量繞組的轉(zhuǎn)矩的變化、(e)永磁同步電動機(jī)的大容量繞組的轉(zhuǎn) 矩。圖4是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的永磁同步電動機(jī)的第二例的橫截面圖。 圖5是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的電動機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成的模塊圖。符號說明1…商用交流電源2…永磁同步電動機(jī)3、 5…三相開關(guān)3A、 5A…操作部6…倒相電路7…控制電路8…旋轉(zhuǎn)位置檢測部9…運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)10…電動機(jī)框架12…旋轉(zhuǎn)軸13…傳感器14…定子15…大容量繞組(第一繞組)16…小容量繞組(第二繞組)20…轉(zhuǎn)子21…定子鐵心22…槽23…永久磁鐵 25…轉(zhuǎn)子鐵心具體實(shí)施方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的電動機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成的模塊 (block)圖。另外，圖2是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的永磁同步電動機(jī)的第 一例的橫截面圖。永磁同步電動機(jī)2具有筒狀定子14、和在定子14內(nèi)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子20。 轉(zhuǎn)子20包含轉(zhuǎn)子鐵心25，在轉(zhuǎn)子鐵心25內(nèi)配置有多個永久磁鐵23。定子 14包含定子鐵心21，在與定子鐵心21的轉(zhuǎn)子20相對置的位置，沿圓周方 向并排形成有向軸方向延伸的多個槽(slot) 22。在這些遭22內(nèi)配置有大 容量繞組(第一繞組)15和小容量繞組(第二繞組)16 。大容量繞組15和小容量繞組16相互電獨(dú)立，具有各自的繞組端子(未 圖示)。例如，大容量繞組15的作為單體的最大輸出是600kw，小容量繞 組16的作為單體的最大輸出是300kw，永磁同步電動機(jī)2的額定輸出是 900kw。圖2所示的例子是將現(xiàn)有的繞組線圈(coil)分為大容量繞組15和小 容量繞組16的。在各槽22上配置上線圈和下線圈，這里分配有大容量繞 組15和小容量繞組16。在圖2中，用U、 V、 W、 一U、 一V、 一W表示 大容量繞組15的各相，用圈圈住這些記號來表示小容量繞組16的各相。大容量繞組15通過三相開關(guān)與三相商用交流電源1相連接。另一方面， 小容量繞組16通過倒相電路6和三相幵關(guān)5與商用交流電源1相連接。三相開關(guān)3、 5通過操作部3A、 5A來進(jìn)行開閉，操作部3A、 5A根據(jù) 控制電路7的控制指令來動作?？刂齐娐?由在永磁同步電動機(jī)2的旋轉(zhuǎn) 軸12上設(shè)置的旋轉(zhuǎn)位置檢測器8來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并通過倒相(inverter)電路6，對永磁同步電動機(jī)2進(jìn)行速度矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制。另外，運(yùn) 轉(zhuǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)9被連接在控制電路7。永磁同步電動機(jī)2、倒相電路6以及控制電路7被容納于共同的電動機(jī) 框架10內(nèi)。優(yōu)選地，永磁同步電動機(jī)2使用轉(zhuǎn)子上不設(shè)置鼠籠型繞組的、小型、 輕量的永磁同步電動機(jī)。該永磁同步電動機(jī)2不能自起動，因此通過與小 容量繞組16相連接的倒相電路6進(jìn)行矢量控制變速運(yùn)轉(zhuǎn)，由此從停止起動 至額定轉(zhuǎn)速。若起動完畢而達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速，則閉合三相開關(guān)，開始由商 用交流電源1向大容量繞組15供電。在接通對大容量繞組15的電源時， 暫態(tài)電流流過，但通過控制電路7的倒相器使該電流瞬時衰減。通常，在用商用交流電源1驅(qū)動了不具有鼠籠型繞組的永磁同步電動 機(jī)2時，幾乎沒有衰減永磁同步電動機(jī)2的輸出的振蕩(不穩(wěn)定)的功能。 因此，當(dāng)由于負(fù)載變動而電輸出產(chǎn)生振蕩時，該振蕩將持續(xù)。因此，以這 種狀態(tài)不能稱為是穩(wěn)定的電動機(jī)。在該實(shí)施方式中，增加基于與小容量繞組16相連接的倒相電路6的矢 量控制的轉(zhuǎn)矩(torque),由此抑制由負(fù)載變動引起的永磁同步電動機(jī)2的 電輸出的振蕩。由于小容量繞組16的輸出比大容量繞組15的輸出小，因 此在大的振蕩時，在幾次振蕩內(nèi)就可以使之衰減，對于固定速度的負(fù)載并 不是不適合。永磁同步電動機(jī)2的電輸出和負(fù)載的關(guān)系與彈簧和擺錘的關(guān)系相似， 負(fù)載f和永磁電動機(jī)的輸出x的關(guān)系可以用以下微分方程式近似。也就是說，從負(fù)載f到永磁同歩電動機(jī)2的輸出X的傳遞函數(shù)可以用 1/(ms2+cs+k)的形式近似表示。其中，c為確定阻尼(dumping)的增益(gain),不具有鼠籠型繞組的 永磁電動機(jī)2幾乎c-0。當(dāng)c二0時，對于負(fù)載變動f，永磁同步電動機(jī)2 的輸出一旦開始振蕩就不終止?？刂齐娐?生成令確定阻尼的增益c為正 數(shù)值的轉(zhuǎn)矩指令信號，并通過倒相電路6以矢量控制方式驅(qū)動控制永磁同 歩電動機(jī)2，抑制上述的振動。圖3是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的動作特性的時間圖，(a)表示運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化、(b)表示轉(zhuǎn)速的變化、(C)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化、(d)表示永磁同步電動機(jī)的小容量繞組的轉(zhuǎn)矩的變化、(e)表示永磁同步電動機(jī)的大 容量繞組的轉(zhuǎn)矩。從停止?fàn)顟B(tài)起動時，通過將運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)(mode)轉(zhuǎn)換開關(guān)(switch) 9置為起動狀態(tài)，閉合三相開關(guān)5而使倒相電路6工作，通過控制電路7 的速度矢量控制使倒相電路6的頻率從低頻逐漸上升，并通過小容量繞組 16起動至額定轉(zhuǎn)速。在起動狀態(tài)時，可以驅(qū)動大到小容量繞組16的300kw的低負(fù)載(無負(fù) 載、低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn))，但為了驅(qū)動更大到900kw的負(fù)載(額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn))，將 運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)9置于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，閉合三相開關(guān)3而從商用交流電 源向大容量繞組15供電。并且通過控制電路7和倒相電路6的矢量控制， 在小容量繞組16產(chǎn)生消除振蕩的轉(zhuǎn)矩(小容量繞組16的轉(zhuǎn)矩)，并隨著時 間的經(jīng)過，衰減在負(fù)載變動時產(chǎn)生的振蕩的輸出轉(zhuǎn)矩(大容量繞組15的轉(zhuǎn) 矩)。在該實(shí)施方式中，設(shè)置600kw的大容量繞組15和300kw的進(jìn)行矢量 控制的小容量繞組16,因此即使輸出振蕩的振幅非常大，也可以富裕地抑 制其輸出振蕩。這樣，在永磁同步電動機(jī)2設(shè)置大容量繞組15和小容量繞組16，使與 倒相電路6相連接的小容量繞組16承擔(dān)永磁同步電動機(jī)2從停止起動至額 定轉(zhuǎn)速的功能、和通過矢量控制衰減由以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)載變動引起 的轉(zhuǎn)速的振蕩(不穩(wěn)定)的功能。由此，在永磁同步電動機(jī)1中不需要設(shè) 置鼠籠型繞組，就可以實(shí)現(xiàn)小型、輕量，而且由于也不需要與永磁同步電 動機(jī)同規(guī)模的大容量倒相器，因此可以得到既經(jīng)濟(jì)又高效率的系統(tǒng)。另外通過構(gòu)成為在同一電動機(jī)框架10內(nèi)容納永磁同步電動機(jī)2、倒相 電路6以及控制電路7，由此可以緊湊地(compact)構(gòu)成電動機(jī)系統(tǒng)，構(gòu) 成部件的布線也變得容易。圖4是表示圖1的電動機(jī)系統(tǒng)的永磁同步電動機(jī)的第二例的橫截面圖。 只是，在與圖2相同或類似的部分附上共同的符號而省略重復(fù)說明。在該 構(gòu)成例中構(gòu)成為，在定子14的整個槽22配置大容量繞組15和小容量繞組 16，并引出與那些對應(yīng)的繞組端子。下面，對本發(fā)明的第二實(shí)施方式的電動機(jī)系統(tǒng)，參照圖5進(jìn)行說明。 只是，在與圖2相同或類似的部分附上共同的符號而省略重復(fù)說明。圖5 是表示該實(shí)施方式的電動機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成的模塊圖。在第一實(shí)施例中，講述了在旋轉(zhuǎn)軸12設(shè)置旋轉(zhuǎn)位置檢測器8而矢量控 制永磁同步電動機(jī)2，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸12的速度的振動來檢測輸出變動的例 子。在該第二實(shí)施方式中，當(dāng)永磁同步電動機(jī)2的矢量控制為無傳感器 (sensor—less)方式時，如圖5所示，在永磁同步電動機(jī)2的電樞(定子) 繞組側(cè)設(shè)置傳感器13，根據(jù)該傳感器13的信號檢測永磁同步電動機(jī)2的輸 出振蕩。根據(jù)傳感器13的檢測信號，通過控制電路7的倒相電路6驅(qū)動控 制永磁同步電動機(jī)2，由此能夠抑制振蕩(不穩(wěn)定)。從而可以簡略系統(tǒng)。作為變形例，系統(tǒng)可以構(gòu)成為，永磁同步電動機(jī)2是以旋轉(zhuǎn)位置檢測 器等有傳感器的矢量控制方式，輸出振蕩的檢測是以在電樞繞組側(cè)設(shè)置的 傳感器13的方式來分擔(dān)功能。
權(quán)利要求
1、一種電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，包括永磁同步電動機(jī)，具有作為定子繞組的、相互電獨(dú)立的第一繞組和第二繞組；開關(guān)，對商用交流電源和上述第一繞組的連接進(jìn)行開閉；倒相電路，與上述商用交流電源相連接，并向上述第二繞組供電；控制電路，控制上述開關(guān)和倒相電路。
2、 如權(quán)利要求l所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，上述控制電路具有在 上述永磁同步電動機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)到額定轉(zhuǎn)速附近的起動期間進(jìn)行上述永磁同 步電動機(jī)的控制的功能、和上述永磁同步電動機(jī)額定運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行使由負(fù)載變 動引起的轉(zhuǎn)速的振蕩衰減的矢量控制的功能。
3、 如權(quán)利要求2所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還具有檢測上述永磁 同步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置的旋轉(zhuǎn)位置檢測器，上述控制電路根據(jù)上述旋轉(zhuǎn)位置 檢測器的輸出，進(jìn)行速度矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，用于檢測上述永 磁同步電動機(jī)的輸出振蕩的傳感器被設(shè)置于上述永磁同步電動機(jī)的定子繞 組，上述控制電路是根據(jù)上述傳感器的輸出，通過上述倒相電路控制上述永 磁同步電動機(jī)的。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，上述控制電路控 制上述開關(guān)，以在從停止?fàn)顟B(tài)到額定轉(zhuǎn)速附近的起動期間打開上述開關(guān)，而 在額定轉(zhuǎn)速附近閉合上述開關(guān)，并且，進(jìn)行控制以使在閉合上述開關(guān)時流過 的暫態(tài)電流瞬時衰減。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，上述第一繞組具 有比第二繞組大的容量。
7、 如權(quán)利要求1或2所述的電動機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，上述永磁同步電 動機(jī)、倒相電路以及控制電路容納于共同的電動機(jī)框架內(nèi)。
8、 一種永磁同步電動機(jī)，其特征在于，作為定子繞組具有與交流電源相 連接的第一繞組和與第一繞組電獨(dú)立、且與倒相電路相連接的第二繞組。
9、 一種電動機(jī)系統(tǒng)控制方法，控制具有作為定子繞組的、相互電獨(dú)立的 第一繞組和第二繞組的永磁同步電動機(jī)，該方法特征在于，通過開關(guān)，將上述第一繞組與商用交流電源相連接； 通過倒相電路，將上述第二繞組與上述商用交流電源相連接； 在永磁同步電動機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)到額定轉(zhuǎn)速附近的起動期間，打開上述開關(guān)，控制上述倒相電路，由此進(jìn)行上述永磁同步電動機(jī)的控制；通過控制上述倒相電路，進(jìn)行使由額定運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)載變動引起的轉(zhuǎn)速振蕩衰減的矢量控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電動機(jī)系統(tǒng)，其不損失永磁同步電動機(jī)固有的高效率且小型、輕量的特征，而確保穩(wěn)定的起動、運(yùn)轉(zhuǎn)特性。該電動機(jī)系統(tǒng)具有永磁同步電動機(jī)(2)，具有作為定子繞組的、獨(dú)立的第一繞組和第二繞組；開關(guān)(3)，對商用交流電源(1)和第一繞組的連接進(jìn)行開閉；倒相電路(6)，與商用交流電源(1)相連接而向第二繞組供電；控制電路(7)，控制開關(guān)(3)和倒相電路(6)。控制電路(7)具有在永磁同步電動機(jī)(2)從停止?fàn)顟B(tài)到額定轉(zhuǎn)速附近的起動期間進(jìn)行永磁同步電動機(jī)(2)的控制的功能、和永磁同步電動機(jī)(2)額定運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行使由負(fù)載變動引起的轉(zhuǎn)速的振蕩衰減的矢量控制的功能。
文檔編號H02K11/00GK101272115SQ200810081998
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者川村光弘, 渡邊剛 申請人:東芝三菱電機(jī)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會社