モータ
【課題】駆動回路や制御に変更を加えることなく、単相入力マトリクスコンバータを駆動源として用いる際に、モータの回転数の脈動低減を実現する。
【解決手段】枠部と、前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きい、モータを提供する。
【解決手段】枠部と、前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きい、モータを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相入力マトリクスコンバータを駆動源とするモータであって、駆動時にモータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単相交流電圧を三相交流電圧に変換する際には、整流器にて単相交流電圧を一旦直流電圧に変換し、直流電圧から三相交流電圧に変換している。このような変換を行う回路を交流間接変換回路という。
【０００３】
交流間接変換回路では、脈動の少ない直流電圧を得るために、大容量の平滑用コンデンサを設置する必要がある。特に、単相交流電圧から直流電圧に変換する回路は、三相交流電圧から変換する回路と比べて、大容量の平滑用コンデンサを必要とする。しかし、大容量の平滑用コンデンサは、体積および重量が大きい。また、大容量の平滑用コンデンサは、寿命が短い（２０００時間程度）。
【０００４】
このため、平滑用コンデンサを不要とする、いわゆる交流直接変換回路として、Ｍａｒｃｏ Ｇ．Ｂ．Ｖｅｎｔｕｒｉｎｉによりマトリクスコンバータが提案されている。
【０００５】
図６に、単相および三相交流の波形を示す。図６（ａ）に示す三相交流の場合、３つの相がそれぞれ１２０度の位相差を持っている。
【０００６】
図６（ａ）に示すように、マトリクスコンバータを用いた場合、三相交流電源において、電源電圧の振幅の最大値及び最小値の包絡線となるように相をスイッチングすることができる。その結果、コンデンサで平滑化を行わなくても脈動の小さい直流成分として取り扱うことができる。
【０００７】
図６（ｂ）に示すように、単相交流の場合、包絡線となるように、マトリクスコンバータを用いて相をスイッチングしても、入力される電圧が０Ｖとなる（いわゆるゼロクロスの点）が生じる。その結果、マトリクスコンバータであっても、入力周波数の半周期で出力電圧が０Ｖとなり、モータのトルク減少により回転数が脈動してしまうという問題があった。
【０００８】
特許文献１では、車の可変動弁機構の制御装置において、バルブスプリングのバネ反力をカム軸回転慣性力の減速トルク及び加速トルクに用いることが開示されている。
【０００９】
また、非特許文献１では、インダイレクトマトリクスコンバータ回路をもとに、電流形整流器と電圧型インバータの直流中間部に、充電回路と放電回路を有するバッファ回路を並列接続した構成としている。電力の半分（直流分）を直接整流器からインバータに供給し、脈動分の電力をバッファ回路にて補償している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２６１３２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大沼、伊東「充電回路を付加したアクティブバッファ付き単相三相電力変換機の実機検証」平成２２年電気学会産業応用部門大会ｐｐ．Ｉ−５８７ − Ｉ−５９０，２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、駆動回路や制御に変更を加えることなく、単相入力マトリクスコンバータを駆動源として用いる際に、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータを実現することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、枠部と、前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きいモータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のモータによれば、単相入力マトリクスコンバータを駆動源として用いる際に、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】実施の形態１のモータの図である。
【図１Ｂ】実施の形態１のカムの図である。
【図１Ｃ】実施の形態１のモータの回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１のモータ位相の図である。
【図３】本発明の実施の形態１のカムの回転角とカムの回転速度を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１のカムと電源位相を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例のカムと電源位相を示す図である。
【図６】三相交流と単相交流の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１のモータ１０１の構成を示す図である。図１Ａは、回転軸と平行な方向からモータ１０１を見た断面図である。
【００１８】
図１Ａに示すモータ１０１は、軸１０２と、モータ部１０７と、トルク変調部１０８と、単相交流電源１０９と、枠部１１０と、モータ制御部１１１を備える。図１Ａにおいて、単相交流電源１０９及びモータ制御部１１１を省略している。
【００１９】
モータ部１０７とトルク変調部１０８は、軸１０２で連結されている。モータ部１０７とトルク変調部１０８は、軸１０２を中心に回転する。上述の「回転軸」とは、軸１０２を意味する。枠部１１０は、軸１０２に対して回転可能に接続されている。
【００２０】
＜モータ部＞
モータ部１０７は、ロータ１０３とステータ１０４とを備える。ロータ１０３と軸１０２とが固定されており、ロータ１０３は軸１０２と共に回転する。軸１０２は回転軸とも表記する。
【００２１】
ステータ１０４は、枠部１１０に固定されている。回転軸方向から見て、ロータ１０３とステータ１０４とは対向し、かつ、離間して配置されている。回転軸方向からロータ１０３を見た切断面において、ステータ１０４は、ロータ１０３の少なくとも一部の周囲を囲むように配置されている。
【００２２】
ロータ１０３は、永久磁石１０３１と電磁鋼板１０３２とを含む。永久磁石１０３１は、軸１０２と平行に配置され、その周囲を電磁鋼板１０３２で囲まれている。なお、永久磁石１０３１でなくても、磁性体であれば良い。
【００２３】
ステータ１０４は、導線１０４１と電磁鋼板１０４２とを含む。導線１０４１は、図示しない単相交流電源１０９と電気的に接続されている。単相交流電源１０９により導線１４０１に交流電流が流れるため、ステータ１０４に交流磁界が発生する。
【００２４】
ステータ１０４に発生する磁界と永久磁石１０３１の磁界とが吸引・反発することにより、ロータ１０３は回転する。ロータ１０３とステータ１０４とは永久磁石同期モータを構成する。
【００２５】
＜トルク変調部＞
図１Ｂは、回転軸の方向からトルク変調部１０８を見た図である。トルク変調部１０８は、カム１０５と板ばね１０６とを備える。カム１０５の中心が軸１０２と固定されている。カム１０５とロータ１０３とは軸１０２で連結されている。ロータ１０３が回転することによって、カム１０５も回転する。
【００２６】
カム１０５は、回転軸方向から見て楕円形である。カム１０５は、短軸部分と長軸部分とを有する。板ばね１０６は、回転軸方向から見て、カム１０５の周囲の一部に配置されている。
【００２７】
カム１０５の材料は、ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３０１等のステンレス鋼板又は鋼板、ベイナイト鋼、アルミ板、銅版、真鍮板、りん青銅板、ベリリウム銅板、ならびにポリアセタール等のエンジニアリングプラスチック材料である。
【００２８】
板ばね１０６の材料は、ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３０１等のステンレス鋼板又は鋼板、ベイナイト鋼、アルミ板、銅版、真鍮板、りん青銅板、ベリリウム銅板、ならびにポリアセタール等のエンジニアリングプラスチック材料である。
【００２９】
板ばね１０６の固有振動数は、軸１０２の回転数と比較して十分大きい必要がある。板ばね１０６の固有振動数ｆｎは、数１で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
数１において、ｎは、振動系のモード次数であり、Ａは、板ばねの断面積であり、Ｉは、板ばねの断面二次モーメントであり、Ｅは、板ばねの縦弾性係数であり、λｎは、板ばねの持ち手による係数であり、ρは、板ばねの密度であり、ｌは、板ばねの長さである。
【００３２】
固有振動数が２００Ｈｚ（１２０００ｒ／ｍｉｎ）場合、板ばね１０６は、厚さｔ＝１ｍｍ、長さ８９．９ｍｍを有する鋼板で構成される。また、固有振動数が２００Ｈｚ（１２０００ｒ／ｍｉｎ）場合、板ばね１０６は、厚さｔ＝１ｍｍ、長さ２６７ｍｍを有するポリアセタールで構成される。
【００３３】
＜モータ制御部＞
図１Ｃは、モータ制御部１１１およびモータ１０１である。モータ制御部１１１は、単相入力マトリクスコンバータで構成される。モータ制御部１１１は、電源電圧検出部１１１１と、ロータ位置検出部１１１２、スイッチング素子制御部１１１３と、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９とを備える。
【００３４】
双方向スイッチング素子１１１４から１１１９は、単相交流電源１０９とステータ１０４に接続され、スイッチング素子制御部１１１３から印加される駆動信号により単相交流電源１０９とステータ１０４との間の電気的接続の開閉をスイッチする。
【００３５】
電源電圧検出部１１１１は、単相交流電源１０９から出力される電源電圧の振幅と位相を検出する。電源電圧検出部１１１１は、予め単相交流電源１０９から出力される電源電圧の最大値の情報を保持している。ロータ位置検出部１１１２は、ステータ１０４に対するロータ１０３の位置を検出する。
【００３６】
スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の振幅、電源電圧の位相、及びロータ１０３の位置に基づいて、双方向スイッチング素子１１１４から１１１９に印加する駆動信号を生成する。
【００３７】
具体的に、モータ部１０７が、ロータ１０３とステータ１０４がモータロックの位置、すなわち、ステータのＵ相にプラス、Ｖ相およびＷ相にマイナスの直流電圧を印加する。Ｕ相からＶ相およびＷ相へ直流電流を流した時に、ステータ１０４に発生する磁界と永久磁石１０３１の磁界が吸引し、ロータ１０３が固定した位置となる際、トルク変調部１０８は、カム１０５の短軸部分と板ばね１０６が接し、板ばね１０６の応力が開放された位置となる場合を例示する。
【００３８】
電源１０９から電源電圧をステータ１０４に出力する。電源電圧検出部１１１１は電源電圧の振幅および位相を検出する。スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の振幅の最大値、すなわち０Ｖから９０度の位相を電源電圧検出部１１１１が検出した際に、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９のうち、双方向スイッチング素子１１１４のＬ相からＵ相方向をＯＮ、双方向スイッチング素子１１１９のＷ相からＮ相方向をＯＮとする。双方向スイッチ１１１４および双方向スイッチ１１１９がＯＮになることで、電源１０９とステータ１０４とが接続され、ロータ１０３の回転が始まる。
【００３９】
＜モータの動作＞
モータ１０１の動作を説明する。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）に、カム１０５が回転する時のカム１０５と板ばね１０６の位置関係を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、回転軸の方向からトルク変調部１０８を見た図である。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、カム１０５は反時計回りに回転する様子を示す。
【００４０】
カム１０５は、図２（ａ）―（ｃ）に示す回転軸から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有する形状である。具体的には、カム１０５は、回転軸から見た断面において、長軸部分から短軸部分に徐々に直径が小さくなる形状である。例えば、カム１０５は、楕円形状を有する。
【００４１】
図２（ｂ）は、カム１０５の長軸部分が板ばね１０６と接している状態を示す。図２（ｂ）に示す板ばね１０６は、たわみ応力を蓄積する。よって、カム１０５は板ばね１０６の反力を受ける。
【００４２】
図２（ａ）及び（ｃ）に、カム１０５の短軸部分が板ばね１０６と接している状態を示す。図２（ａ）及び（ｃ）に示す板ばね１０６は、たわみ応力の蓄積から開放されている。よって、板ばね１０６は、カム１０５の回転に対して力を与えない。
【００４３】
図３に、カム１０５の回転角（ｄｅｇ）とカム１０５の回転速度（ｒｐｍ）の関係を示す。実線は本実施形態のカム１０５を示し、一点破線は板ばね１０６がない場合のカム１０５を示す。
【００４４】
カム１０５の回転速度は、単相交流電源１０９による交流電流と、板ばね１０６がカム１０５に与える力とに依存する。
【００４５】
図２（ａ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。図２（ｃ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が１８０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。図２（ｂ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が９０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。
【００４６】
図３に示すように、カム１０５の回転角が０ｄｅｇから９０ｄｅｇに近づくほど板ばね１０６の反力により、カム１０５の回転速度は徐々に小さくなる。カム１０５の回転角が９０ｄｅｇの時、カム１０５の回転速度は最も小さくなり、板ばね１０６の反力が最も大きくなる。一方、９０ｄｅｇから１８０ｄｅｇに近づくほど板ばね１０６の反力により回転速度は徐々に大きくなる。カム１０５の回転角が０ｄｅｇ及び１８０ｄｅｇの時、板ばね１０６は、たわみ応力の蓄積から開放されており、反力はなくなる。
【００４７】
なお、カム１０５の回転角が９０ｄｅｇの時の板ばね１０６の反力が、カム１０５の回転角が０ｄｅｇ及び１８０ｄｅｇの時の板ばね１０６の反力より大きければ良い。
【００４８】
単相交流電源１０９の電圧が０Ｖとなるゼロクロス点の時で、カム１０５が板ばね１０６から反力を与えられていることで、ゼロクロス点の時でもカム１０５は回転する。その結果、単相交流電源１０９によりロータ１０３を回転させているにも関わらず、ゼロクロス点でも、カム１０５と接続されているロータ１０３は、回転することができる。
【００４９】
単相交流電源１０９の電圧の印加を停止した場合、カム１０５は板ばね１０６からの反力が最も弱い部分で停止する。例えば、図２（ａ）及び（ｃ）に示す板ばね１０６が、たわみ応力の蓄積から開放される位置で、カム１０５は停止する。
【００５０】
板ばね１０６がカム１０５に与える反力が最も小さい位置が、カム１０５が回転する前の初期位置となる。モータ制御部１１１は、単相交流電源１０９から印加される電圧の位相を制御する。単相交流電源１０９の電圧が０Ｖになる時、板ばね１０６がカム１０５に与える反力が最も大きくなるように、ロータ１０３の回転数を制御する。具体的には、モータ制御部１１１は、（単相交流電源１０９の電源周波数）×（１以上の整数／ステータ１０４の数）で、ロータ１０３の回転数を制御する。
【００５１】
単相交流でマトリクスコンバータを用いてエアコンや冷蔵庫用のコンプレッサを駆動した場合には、ゼロクロスが発生してもモータの回転数減少やトルク減少により脈動することなく安定して回転させることができた。一方で、換気扇などのように、コンプレッサがない場合には、回転が不安定となるとともに、モータがトルク減少により脈動する。このことから、発明者らは、ゼロクロスが生じる単相交流の場合であっても、コンプレッサを連結してモータを駆動した場合には、顕著な脈動なくモータを回転できることを見出した。
【００５２】
コンプレッサは、大きな慣性力を保持していることと、トルクが変調されていることから、モータ自体に慣性力とトルクの変調機構を付与することで、コンプレッサを連結しなくても、単相交流でマトリクスコンバータを用いてモータを安定して駆動できるのではないかと考えた。ただし、単純にコンプレッサを連結した場合、フロンなどのガスの圧縮と膨張を機械的に行うため、コンプレッサの構造が非常に複雑となるとともに、重量も大きくなるので、換気扇などの小型軽量モータにコンプレッサの機構を連結するのは問題があった。そこで、コンプレッサと同じ機能を実現できるように、モータの軸に慣性力を大きくするカムを付与するとともに、カムと板ばねによりトルクの変調を実現した。
【００５３】
（実施の形態１の変形例）
図５（ａ）に、回転が始動する時のカム１０５の位置と、単相交流電源１０９の電圧のゼロクロス点の時のカム１０５の位置とを示す。ゼロクロス点の電圧において、カム１０５は、板ばね１０６の反力が最も大きくなる位置から所定の角度ずれた位置にある。所定の角度とは、例えば、５度以上１０度以下である。
【００５４】
具体的には、単相交流電源１０９の電圧の位相を、所定の角度遅らせることで、カム１０５の位置を制御する。これにより、ゼロクロス点において、カム１０５が回転する方向に、板ばね１０６から反力が与えることができる。
【００５５】
板ばね１０６とカム１０５との摩擦により、カム１０５の回転が遅れた場合には、ゼロクロス点において、カム１０５が、板ばね１０６から回転方向と反対の力を与えられる可能性がある。そこで、本変形例では、モータ制御部１１１が単相交流電源１０９の電圧の位相を所定の角度遅らせることにより、ゼロクロス点において、カム１０５の回転方向に板ばね１０６の力を与えることできる。
【００５６】
モータ１０１へ印加する交流電源電圧の位相を遅らせる手段は以下の通りである。
電源電圧検出部１１１１は電源電圧の振幅および位相を検出する。スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の０Ｖから９０度プラス所定の角度の位相を電源電圧検出部１１１１が検出した際に、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９のうち、双方向スイッチング素子１１１４のＬ相からＵ相方向をＯＮ、双方向スイッチング素子１１１９のＷ相からＮ相方向をＯＮとする。双方向スイッチ１１１４および双方向スイッチ１１１９がＯＮになることで、電源１０９とステータ１０４とが接続され、ロータ１０３の回転が始まる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかるモータは、板ばねによるトルク変調機構を有し、単相入力マトリクスコンバータを用いる際のゼロクロス点におけるトルク減少を補償するため、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータとして有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１０１ モータ
１０２ 軸
１０３ ロータ
１０４ ステータ
１０５ カム
１０６ 板ばね
１０７ モータ部
１０８ トルク変調部
１０９ 単相交流電源
１１０ 枠部
１１１ モータ制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相入力マトリクスコンバータを駆動源とするモータであって、駆動時にモータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単相交流電圧を三相交流電圧に変換する際には、整流器にて単相交流電圧を一旦直流電圧に変換し、直流電圧から三相交流電圧に変換している。このような変換を行う回路を交流間接変換回路という。
【０００３】
交流間接変換回路では、脈動の少ない直流電圧を得るために、大容量の平滑用コンデンサを設置する必要がある。特に、単相交流電圧から直流電圧に変換する回路は、三相交流電圧から変換する回路と比べて、大容量の平滑用コンデンサを必要とする。しかし、大容量の平滑用コンデンサは、体積および重量が大きい。また、大容量の平滑用コンデンサは、寿命が短い（２０００時間程度）。
【０００４】
このため、平滑用コンデンサを不要とする、いわゆる交流直接変換回路として、Ｍａｒｃｏ Ｇ．Ｂ．Ｖｅｎｔｕｒｉｎｉによりマトリクスコンバータが提案されている。
【０００５】
図６に、単相および三相交流の波形を示す。図６（ａ）に示す三相交流の場合、３つの相がそれぞれ１２０度の位相差を持っている。
【０００６】
図６（ａ）に示すように、マトリクスコンバータを用いた場合、三相交流電源において、電源電圧の振幅の最大値及び最小値の包絡線となるように相をスイッチングすることができる。その結果、コンデンサで平滑化を行わなくても脈動の小さい直流成分として取り扱うことができる。
【０００７】
図６（ｂ）に示すように、単相交流の場合、包絡線となるように、マトリクスコンバータを用いて相をスイッチングしても、入力される電圧が０Ｖとなる（いわゆるゼロクロスの点）が生じる。その結果、マトリクスコンバータであっても、入力周波数の半周期で出力電圧が０Ｖとなり、モータのトルク減少により回転数が脈動してしまうという問題があった。
【０００８】
特許文献１では、車の可変動弁機構の制御装置において、バルブスプリングのバネ反力をカム軸回転慣性力の減速トルク及び加速トルクに用いることが開示されている。
【０００９】
また、非特許文献１では、インダイレクトマトリクスコンバータ回路をもとに、電流形整流器と電圧型インバータの直流中間部に、充電回路と放電回路を有するバッファ回路を並列接続した構成としている。電力の半分（直流分）を直接整流器からインバータに供給し、脈動分の電力をバッファ回路にて補償している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２６１３２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大沼、伊東「充電回路を付加したアクティブバッファ付き単相三相電力変換機の実機検証」平成２２年電気学会産業応用部門大会ｐｐ．Ｉ−５８７ − Ｉ−５９０，２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、駆動回路や制御に変更を加えることなく、単相入力マトリクスコンバータを駆動源として用いる際に、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータを実現することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、枠部と、前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きいモータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のモータによれば、単相入力マトリクスコンバータを駆動源として用いる際に、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】実施の形態１のモータの図である。
【図１Ｂ】実施の形態１のカムの図である。
【図１Ｃ】実施の形態１のモータの回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１のモータ位相の図である。
【図３】本発明の実施の形態１のカムの回転角とカムの回転速度を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１のカムと電源位相を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例のカムと電源位相を示す図である。
【図６】三相交流と単相交流の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１のモータ１０１の構成を示す図である。図１Ａは、回転軸と平行な方向からモータ１０１を見た断面図である。
【００１８】
図１Ａに示すモータ１０１は、軸１０２と、モータ部１０７と、トルク変調部１０８と、単相交流電源１０９と、枠部１１０と、モータ制御部１１１を備える。図１Ａにおいて、単相交流電源１０９及びモータ制御部１１１を省略している。
【００１９】
モータ部１０７とトルク変調部１０８は、軸１０２で連結されている。モータ部１０７とトルク変調部１０８は、軸１０２を中心に回転する。上述の「回転軸」とは、軸１０２を意味する。枠部１１０は、軸１０２に対して回転可能に接続されている。
【００２０】
＜モータ部＞
モータ部１０７は、ロータ１０３とステータ１０４とを備える。ロータ１０３と軸１０２とが固定されており、ロータ１０３は軸１０２と共に回転する。軸１０２は回転軸とも表記する。
【００２１】
ステータ１０４は、枠部１１０に固定されている。回転軸方向から見て、ロータ１０３とステータ１０４とは対向し、かつ、離間して配置されている。回転軸方向からロータ１０３を見た切断面において、ステータ１０４は、ロータ１０３の少なくとも一部の周囲を囲むように配置されている。
【００２２】
ロータ１０３は、永久磁石１０３１と電磁鋼板１０３２とを含む。永久磁石１０３１は、軸１０２と平行に配置され、その周囲を電磁鋼板１０３２で囲まれている。なお、永久磁石１０３１でなくても、磁性体であれば良い。
【００２３】
ステータ１０４は、導線１０４１と電磁鋼板１０４２とを含む。導線１０４１は、図示しない単相交流電源１０９と電気的に接続されている。単相交流電源１０９により導線１４０１に交流電流が流れるため、ステータ１０４に交流磁界が発生する。
【００２４】
ステータ１０４に発生する磁界と永久磁石１０３１の磁界とが吸引・反発することにより、ロータ１０３は回転する。ロータ１０３とステータ１０４とは永久磁石同期モータを構成する。
【００２５】
＜トルク変調部＞
図１Ｂは、回転軸の方向からトルク変調部１０８を見た図である。トルク変調部１０８は、カム１０５と板ばね１０６とを備える。カム１０５の中心が軸１０２と固定されている。カム１０５とロータ１０３とは軸１０２で連結されている。ロータ１０３が回転することによって、カム１０５も回転する。
【００２６】
カム１０５は、回転軸方向から見て楕円形である。カム１０５は、短軸部分と長軸部分とを有する。板ばね１０６は、回転軸方向から見て、カム１０５の周囲の一部に配置されている。
【００２７】
カム１０５の材料は、ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３０１等のステンレス鋼板又は鋼板、ベイナイト鋼、アルミ板、銅版、真鍮板、りん青銅板、ベリリウム銅板、ならびにポリアセタール等のエンジニアリングプラスチック材料である。
【００２８】
板ばね１０６の材料は、ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３０１等のステンレス鋼板又は鋼板、ベイナイト鋼、アルミ板、銅版、真鍮板、りん青銅板、ベリリウム銅板、ならびにポリアセタール等のエンジニアリングプラスチック材料である。
【００２９】
板ばね１０６の固有振動数は、軸１０２の回転数と比較して十分大きい必要がある。板ばね１０６の固有振動数ｆｎは、数１で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
数１において、ｎは、振動系のモード次数であり、Ａは、板ばねの断面積であり、Ｉは、板ばねの断面二次モーメントであり、Ｅは、板ばねの縦弾性係数であり、λｎは、板ばねの持ち手による係数であり、ρは、板ばねの密度であり、ｌは、板ばねの長さである。
【００３２】
固有振動数が２００Ｈｚ（１２０００ｒ／ｍｉｎ）場合、板ばね１０６は、厚さｔ＝１ｍｍ、長さ８９．９ｍｍを有する鋼板で構成される。また、固有振動数が２００Ｈｚ（１２０００ｒ／ｍｉｎ）場合、板ばね１０６は、厚さｔ＝１ｍｍ、長さ２６７ｍｍを有するポリアセタールで構成される。
【００３３】
＜モータ制御部＞
図１Ｃは、モータ制御部１１１およびモータ１０１である。モータ制御部１１１は、単相入力マトリクスコンバータで構成される。モータ制御部１１１は、電源電圧検出部１１１１と、ロータ位置検出部１１１２、スイッチング素子制御部１１１３と、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９とを備える。
【００３４】
双方向スイッチング素子１１１４から１１１９は、単相交流電源１０９とステータ１０４に接続され、スイッチング素子制御部１１１３から印加される駆動信号により単相交流電源１０９とステータ１０４との間の電気的接続の開閉をスイッチする。
【００３５】
電源電圧検出部１１１１は、単相交流電源１０９から出力される電源電圧の振幅と位相を検出する。電源電圧検出部１１１１は、予め単相交流電源１０９から出力される電源電圧の最大値の情報を保持している。ロータ位置検出部１１１２は、ステータ１０４に対するロータ１０３の位置を検出する。
【００３６】
スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の振幅、電源電圧の位相、及びロータ１０３の位置に基づいて、双方向スイッチング素子１１１４から１１１９に印加する駆動信号を生成する。
【００３７】
具体的に、モータ部１０７が、ロータ１０３とステータ１０４がモータロックの位置、すなわち、ステータのＵ相にプラス、Ｖ相およびＷ相にマイナスの直流電圧を印加する。Ｕ相からＶ相およびＷ相へ直流電流を流した時に、ステータ１０４に発生する磁界と永久磁石１０３１の磁界が吸引し、ロータ１０３が固定した位置となる際、トルク変調部１０８は、カム１０５の短軸部分と板ばね１０６が接し、板ばね１０６の応力が開放された位置となる場合を例示する。
【００３８】
電源１０９から電源電圧をステータ１０４に出力する。電源電圧検出部１１１１は電源電圧の振幅および位相を検出する。スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の振幅の最大値、すなわち０Ｖから９０度の位相を電源電圧検出部１１１１が検出した際に、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９のうち、双方向スイッチング素子１１１４のＬ相からＵ相方向をＯＮ、双方向スイッチング素子１１１９のＷ相からＮ相方向をＯＮとする。双方向スイッチ１１１４および双方向スイッチ１１１９がＯＮになることで、電源１０９とステータ１０４とが接続され、ロータ１０３の回転が始まる。
【００３９】
＜モータの動作＞
モータ１０１の動作を説明する。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）に、カム１０５が回転する時のカム１０５と板ばね１０６の位置関係を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、回転軸の方向からトルク変調部１０８を見た図である。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、カム１０５は反時計回りに回転する様子を示す。
【００４０】
カム１０５は、図２（ａ）―（ｃ）に示す回転軸から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有する形状である。具体的には、カム１０５は、回転軸から見た断面において、長軸部分から短軸部分に徐々に直径が小さくなる形状である。例えば、カム１０５は、楕円形状を有する。
【００４１】
図２（ｂ）は、カム１０５の長軸部分が板ばね１０６と接している状態を示す。図２（ｂ）に示す板ばね１０６は、たわみ応力を蓄積する。よって、カム１０５は板ばね１０６の反力を受ける。
【００４２】
図２（ａ）及び（ｃ）に、カム１０５の短軸部分が板ばね１０６と接している状態を示す。図２（ａ）及び（ｃ）に示す板ばね１０６は、たわみ応力の蓄積から開放されている。よって、板ばね１０６は、カム１０５の回転に対して力を与えない。
【００４３】
図３に、カム１０５の回転角（ｄｅｇ）とカム１０５の回転速度（ｒｐｍ）の関係を示す。実線は本実施形態のカム１０５を示し、一点破線は板ばね１０６がない場合のカム１０５を示す。
【００４４】
カム１０５の回転速度は、単相交流電源１０９による交流電流と、板ばね１０６がカム１０５に与える力とに依存する。
【００４５】
図２（ａ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。図２（ｃ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が１８０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。図２（ｂ）に示す状態のカム１０５は、図３に示す回転角が９０ｄｅｇに対応する回転速度を有する。
【００４６】
図３に示すように、カム１０５の回転角が０ｄｅｇから９０ｄｅｇに近づくほど板ばね１０６の反力により、カム１０５の回転速度は徐々に小さくなる。カム１０５の回転角が９０ｄｅｇの時、カム１０５の回転速度は最も小さくなり、板ばね１０６の反力が最も大きくなる。一方、９０ｄｅｇから１８０ｄｅｇに近づくほど板ばね１０６の反力により回転速度は徐々に大きくなる。カム１０５の回転角が０ｄｅｇ及び１８０ｄｅｇの時、板ばね１０６は、たわみ応力の蓄積から開放されており、反力はなくなる。
【００４７】
なお、カム１０５の回転角が９０ｄｅｇの時の板ばね１０６の反力が、カム１０５の回転角が０ｄｅｇ及び１８０ｄｅｇの時の板ばね１０６の反力より大きければ良い。
【００４８】
単相交流電源１０９の電圧が０Ｖとなるゼロクロス点の時で、カム１０５が板ばね１０６から反力を与えられていることで、ゼロクロス点の時でもカム１０５は回転する。その結果、単相交流電源１０９によりロータ１０３を回転させているにも関わらず、ゼロクロス点でも、カム１０５と接続されているロータ１０３は、回転することができる。
【００４９】
単相交流電源１０９の電圧の印加を停止した場合、カム１０５は板ばね１０６からの反力が最も弱い部分で停止する。例えば、図２（ａ）及び（ｃ）に示す板ばね１０６が、たわみ応力の蓄積から開放される位置で、カム１０５は停止する。
【００５０】
板ばね１０６がカム１０５に与える反力が最も小さい位置が、カム１０５が回転する前の初期位置となる。モータ制御部１１１は、単相交流電源１０９から印加される電圧の位相を制御する。単相交流電源１０９の電圧が０Ｖになる時、板ばね１０６がカム１０５に与える反力が最も大きくなるように、ロータ１０３の回転数を制御する。具体的には、モータ制御部１１１は、（単相交流電源１０９の電源周波数）×（１以上の整数／ステータ１０４の数）で、ロータ１０３の回転数を制御する。
【００５１】
単相交流でマトリクスコンバータを用いてエアコンや冷蔵庫用のコンプレッサを駆動した場合には、ゼロクロスが発生してもモータの回転数減少やトルク減少により脈動することなく安定して回転させることができた。一方で、換気扇などのように、コンプレッサがない場合には、回転が不安定となるとともに、モータがトルク減少により脈動する。このことから、発明者らは、ゼロクロスが生じる単相交流の場合であっても、コンプレッサを連結してモータを駆動した場合には、顕著な脈動なくモータを回転できることを見出した。
【００５２】
コンプレッサは、大きな慣性力を保持していることと、トルクが変調されていることから、モータ自体に慣性力とトルクの変調機構を付与することで、コンプレッサを連結しなくても、単相交流でマトリクスコンバータを用いてモータを安定して駆動できるのではないかと考えた。ただし、単純にコンプレッサを連結した場合、フロンなどのガスの圧縮と膨張を機械的に行うため、コンプレッサの構造が非常に複雑となるとともに、重量も大きくなるので、換気扇などの小型軽量モータにコンプレッサの機構を連結するのは問題があった。そこで、コンプレッサと同じ機能を実現できるように、モータの軸に慣性力を大きくするカムを付与するとともに、カムと板ばねによりトルクの変調を実現した。
【００５３】
（実施の形態１の変形例）
図５（ａ）に、回転が始動する時のカム１０５の位置と、単相交流電源１０９の電圧のゼロクロス点の時のカム１０５の位置とを示す。ゼロクロス点の電圧において、カム１０５は、板ばね１０６の反力が最も大きくなる位置から所定の角度ずれた位置にある。所定の角度とは、例えば、５度以上１０度以下である。
【００５４】
具体的には、単相交流電源１０９の電圧の位相を、所定の角度遅らせることで、カム１０５の位置を制御する。これにより、ゼロクロス点において、カム１０５が回転する方向に、板ばね１０６から反力が与えることができる。
【００５５】
板ばね１０６とカム１０５との摩擦により、カム１０５の回転が遅れた場合には、ゼロクロス点において、カム１０５が、板ばね１０６から回転方向と反対の力を与えられる可能性がある。そこで、本変形例では、モータ制御部１１１が単相交流電源１０９の電圧の位相を所定の角度遅らせることにより、ゼロクロス点において、カム１０５の回転方向に板ばね１０６の力を与えることできる。
【００５６】
モータ１０１へ印加する交流電源電圧の位相を遅らせる手段は以下の通りである。
電源電圧検出部１１１１は電源電圧の振幅および位相を検出する。スイッチング素子制御部１１１３は、電源電圧の０Ｖから９０度プラス所定の角度の位相を電源電圧検出部１１１１が検出した際に、６個の双方向スイッチング素子１１１４から１１１９のうち、双方向スイッチング素子１１１４のＬ相からＵ相方向をＯＮ、双方向スイッチング素子１１１９のＷ相からＮ相方向をＯＮとする。双方向スイッチ１１１４および双方向スイッチ１１１９がＯＮになることで、電源１０９とステータ１０４とが接続され、ロータ１０３の回転が始まる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかるモータは、板ばねによるトルク変調機構を有し、単相入力マトリクスコンバータを用いる際のゼロクロス点におけるトルク減少を補償するため、モータのトルク減少による回転数の脈動を低減したモータとして有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１０１ モータ
１０２ 軸
１０３ ロータ
１０４ ステータ
１０５ カム
１０６ 板ばね
１０７ モータ部
１０８ トルク変調部
１０９ 単相交流電源
１１０ 枠部
１１１ モータ制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠部と、
前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、
前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、
前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、
前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、
前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きい、
モータ。
【請求項２】
前記ステータは、導線が配線されており、
さらに、前記導線と電気的に接続され、電源電圧を印加する単相交流電源と、
前記ステータの前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続された複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子の前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続を制御するスイッチング素子制御部と、
前記単相交流電源の電源電圧の振幅を検出する電圧検出部とを備え、
前記スイッチング素子制御部は、単相交流電源が印加される前は、前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続をオフにし、前記電圧検出部が前記電源電圧の最大振幅を検出したとき、前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続をオンにする、
請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記ステータは、導線が配線されており、
さらに、前記導線と電気的に接続され、電源電圧を印加する単相交流電源とを備え、
前記単相交流電源は印加する電源電圧を所定の位相を遅らせる、
請求項１に記載のモータ。
【請求項１】
枠部と、
前記枠部に回転可能に接続された回転軸と、
前記軸に固定されており、磁性体で構成されたロータと、前記ロータの少なくとも一部の周囲を囲むステータとを有するモータ部と、
前記軸と固定されており、かつ、前記軸の回転方向から見た断面において、長軸部分と短軸部分とを有するカム部と、
前記カム部の周囲に配置されており、板ばねとを備え、
前記カム部が回転するとき、前記カム部の長軸部分と接する時に前記カム部に与える反力が、前記カム部の短軸部分と接する時に前記カム部に与える反力より大きい、
モータ。
【請求項２】
前記ステータは、導線が配線されており、
さらに、前記導線と電気的に接続され、電源電圧を印加する単相交流電源と、
前記ステータの前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続された複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子の前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続を制御するスイッチング素子制御部と、
前記単相交流電源の電源電圧の振幅を検出する電圧検出部とを備え、
前記スイッチング素子制御部は、単相交流電源が印加される前は、前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続をオフにし、前記電圧検出部が前記電源電圧の最大振幅を検出したとき、前記導線と前記単相交流電源との間に電気的に接続をオンにする、
請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記ステータは、導線が配線されており、
さらに、前記導線と電気的に接続され、電源電圧を印加する単相交流電源とを備え、
前記単相交流電源は印加する電源電圧を所定の位相を遅らせる、
請求項１に記載のモータ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６６３２５（Ｐ２０１３−６６３２５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４０８３（Ｐ２０１１−２０４０８３）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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