JPS6323585A - トルク制御式回転電動機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電動要素によって負荷要素が駆動される回転
電動機械全般に係り、特にその回転側の回転脈動を検出
してそれを低減させ、ひいては回転電動機械全体の振動
を低減させるに好適なトルり制御式回転電動機械に関す
る。

〔従来の技術〕

電動要素によって駆動される回転機械の一例として、密
閉型圧縮機を例にとって説明する。第７図および第８図
は、ロータリ圧縮機の従来構造を示すものである。これ
らの図において、符号１は容器であシ、内部に電動要素
および圧縮要素を収納している。符号２は容器１に固定
されたステータ（固定子）であり、容器１内周に固定さ
れている。このステータ２の内側には、主軸４に嵌着さ
れ、主軸４と一体に回転するロータ（回転子）３が配置
されている。主軸４は、主軸受５および端部軸受６によ
シ支承されている。そして、これらのｄ受５，６は、シ
リンダブロック７に締結されている。シリンダブロック
７は容器に固定されてお９％このシリンダブロック７内
には、圧縮室１２が成形されている。この圧縮室１２内
には、主軸４と偏心して一体化されたローラ８が設けら
れ、バネ１０によってロー２８表面に押圧付勢されたベ
ーン９が配設されている。このような構成のもとて主軸
４が回転すると、冷媒ガスが容器１の外部に設けられた
吸入アキュムレータ１１から吸入され、圧縮機１２によ
シ所定の圧力まで加圧され、矢印方向に沿ってケース外
に吐出される。

このような構造の圧縮機は、特開昭５８−１８７６３５
号公報に開示されているが、圧縮要素内のガス吸収トル
クは主軸４の１回転中に大きく変動し、これと電動要素
の電磁トルクとの差、すなわち残差トルクによシ、主軸
４を含む回転系には回転速度変＃（回転脈動）容器１と
防振支持材１３よシなる固定側には回転方向振動が誘″
起されるという問題が生じる。この問題に対しては、筆
者３は、圧縮機のガス吸収トルクは１回転中で大きく変
動するが、それは１回転を周期として繰返される周期脈
動負荷であり、各回転毎の同じ回転角度について見れば
その値は大きく変化しないという事実に着目し、主軸１
回転前の回転脈動情報をもとに次回転時にこれが零にな
るよう電動要素の電磁トルクを制御することにより固定
側の回転方向振動を抑制する技術を考案して、この方法
では回転系から回転脈動情報を得るための何らかの手段
が必要であり、例えば、第１図のように主軸４に回転速
度検出用歯車を直結してギャップセンサ等の外部センサ
によシ検出する手段などもとらｎていた。

〔発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、外部センサはケース１に固定され取付け
られているため、ケース１が回転方向振動すると外部セ
ンサ取付位置も振動する。その結果として、−車等のパ
ルス時系列の検出の際に影響が出るが、上記従来技術は
この点について配慮されていなかった。

ここで、第２図は歯車の歯列データから１回転中の回転
速度変動データを算出する過程を示したものである。今
、第２図（ａ）に示すように歯車２２が回転するとギャ
ップセンサ２３には同図（ｂ）に示すような正弦波状の
検出波形２４が現われる。これをスレショルド電圧を基
準に波形整形してパルス列に変換したものが同図（ｅ）
である。このパルス時系列データの各パルス幅Ｔ　ｌ）
　Ｔ　ｘ　＋・・・Ｔ、を測定し、その逆数Ｎ　＋＝　
１　／　Ｔ　＋から各時刻での回転速度変動Ｎ＋（２８
）が求まシ、この１回転中の各回転角度の変化を示した
ものが同図（ｄ）である。

このように１回転速度変動データは寿られるが、今、ギ
ャップセンサ２３が回転方向振動したとさ、測定データ
が受ける影響を示したものが第９図である。即ち１回転
方向振動と回転速度変動が逆位相にあるときは回転速度
変動は実際よシも大きく測定され、同相にあるときは実
際より小さく測定される。

）このことは、電動要素の電磁トーク制御が十分に整定
し、回転速度変動及び回転方向振動が既に十分抑制され
ている状態では何ら問題ない。

しかし、圧縮機起動時や増減速時などの過渡状態、ある
いは制御回路のノイズ等による誤動作などが生じ、十分
にトルク制御されていない状況で問題となりうる。

しかしながら、固定側の回転方向振動と回転系の回転速
度変動は相関関係が必り、一方が小さくなれば他方も小
さくなるので、トルク制御を行う際の制御系のゲインを
小さくとって、トルク制御による振動の収束をゆるやか
に行わせれば、測定誤差による誤動作の問題は回避でき
る。

問題Ｖま、固定側の回転方向振動が大きくなシ過ぎ、そ
の振動角度振幅が＊＊の１歯簡の間の角度（最小分解角
度）よりも大きくなった場合である。

このとき、第１θ図に示すように、センサの「歯とび」
による誤ったパルスが測定され、全く誤った回転速度変
動値が得られると共に、パルス数をカウントして１周期
を１替る際にずれが生じ、脈動パターンにトルク制御指
令と同期化させる点でも支障をきたすという問題が生じ
る。

したがって、−車の１数は、その歯数によって規定さｎ
る最小分解角度が、外部センサを固定したケース側の回
転方向振動の最大角度振幅（回転電動機械と防振支持系
の共振点での値）よりも大きくなるように選ばれねばな
らない。

一方１回転主軸の回転速度変動全検出するだめには、一
定のパルス数が必要である。第１１図は回転速度変動１
周期にだいし、パルス数を変えたときの検出データの変
化を示したものである。

図から明らかなように、変動１周期に対しパルス数を多
くすればするほど正確なデータが得られることがわかる
。

本発明は上記問題点の性質に鑑みなされたものである。

即ち、回転主軸の回転速度変動検出用の歯車もしくはエ
ンコーダの主＠１回転中のパルス数は、回転速度変動の
支配的な変動周期成分について検出可能であシ、その最
小分解角度が外部センサの回転方向振動の最大角度振幅
よシ小さくならないように、適切なパルス数を選ぶこと
によって、誤動作せず、制御的に信頼性の旨いトルク制
御式回転電動機械を提供しようというものである。

〔問題点を解決するための手段〕

このように、本発明に係るトルク制御式回転電動機械は
、電動要素と、この′電動要素に回転主軸を介して連結
され、心動要素によって駆動される負荷要素と、電動要
素の発生する電磁トルクと負荷（吸収）トルクとの差（
残差トルク）をＯにするべく電動要素の電磁トルクを制
御するトルク制御装置と、全備えてなるトルク制御式回
転電動機械であって、回転速度変動検出用の歯車もしく
はエンコーダのパルス数が、回転速度変動１周期を取シ
付けたケース側の回転方向振動の振動角度の最大ピーク
値よりも最小分解角度が大きくなるように選ばれている
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明によれば、回転速度検出時に外部センサの回転方
向振動が生じても、回転速度変動検出用の歯車もしくは
エンコーダは、外部センサの振動角度振幅のピーク値よ
シも最小分解角度が大きくなるようにパルス数を設定し
であるので、検出データには大きな影響は生じない。し
たがって誤まったデータにもとづく誤動作の恐れがない
。

〔実施例〕

以Ｆ、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は電動要素（直流モータ）により駆動される回転
機械の一種であるロータリ圧縮機をインバータ駆動させ
る場合について本発明を適用した例である。ここで、本
実施例に係る圧縮機は、第１２図、第１３図に示した従
来の圧縮機とその構成がほとんど同じであるため、異な
る部分のみを説明し、同一部は同一の符号を付すことに
より、その説明は省略する。

第１図において、電動要素２０のロータ３と三組要素２
１のローラ８とを直結する回転主軸４の一端が延長され
て被回転検出部材である歯車２２が固着され、この歯車
２２と主軸４とは一体に回転するようになっている。容
器１にはギャップセンサ２３が固定されておシ、歯車２
２の歯列を検知して主軸４の回転速度に応じたパルス信
号を出力するようになっている。

第２図は、ギャップセンサ２３より検出されたパルス信
号から回転主軸４の回転速度変動を求める一連の過程を
示したもので、その手順は既に説明した通りである。

センサ２３は、第３図に示すように、制御回路２８に送
られ、この制御回路２８によって電動要素２０の電磁ト
ルクを制御するようになっている。

すなわち、ギャップセンサ２３で得た検出信号２４は、
波形整形プリアンプ２９により回転速度変動に関するデ
ジタル信号に変換され、インタフェイス３０を介してＣ
ＰＵ３１に送られる。ここで、時々刻々の速度変動量か
ら１回転後の回転速度変動を０にするために必要な圧縮
機の電動要素２０に与える電流値を演算し、ＲＡＭ３２
にそのデータが必要になる時点まで記憶させておく。次
に％ＲＡＭ３２に書き込まれたデータはＣＰＵ３１に読
み出され、制御部３４に送られてペースドライバ３５を
駆動するチョッパ信号を形成する。

同時にＣＰＵ３１は、各回転角度において所要の電流値
をインバータ３６が発生するようインタフェイス３０を
介してペースドライバ３５にタイミング信号を送る。そ
して、ペースドライバ３５によって駆動されるインバー
タ３６は、主軸４の回転速度変動が各回転角度において
０になるように電動要素に与えられる一流量を増減させ
て制御を行う。そして、主軸４の回転速度が常にある一
定の許容値以下の変動に納まるよう、絶えず制御しく１
１） 続ける。また、これら一連の制御４１ループは、ＲＯＭ
３３に書き込まれている。

ここで、ギャップセンサ２３が検出する歯車２２の歯数
は次のようにして決定されている。すなわち、圧縮機の
容器１が、ばね定数に１、減衰係数Ｃ１の防振支持材で
支持されているとき、容器１の回転方向振動の最大振動
角度α（ｒａｄ）は、α＝ΔＴ、　／Ｃ，・ω、　　　
　　　　　・・・・・・・・・（１）但し ω、　−ＶＬフ弓７　　　　　叫・・・・・（２）で与
えられる。ここで、ΔＴ、は電動要素２０の醒磁トルク
ＴＭと圧縮要素２１の負荷吸収トルク’ｒｏＯｉ差分（
ＴＭ−Ｔｏ）（Ｄ最大値であり、Ｊ。

は容器１を含む固定側の慣性モーメントであり、ω、は
系の共振周波数である。

一方、歯車２２は１歯面間の角度θ、　　（ｒａｄ）（
最小分解角度）は、歯数をｎとすると、θ、＝２π／ｎ
　　　　　　　　　・・・・旧・・（３）である。よっ
て（１）と（３）よシ、 α〈θ１　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・
・・（４）すなわち、 が爾とびを起こさないだめの条件である。

次に、第４図は本発明に係るロータリ圧縮機の１回転中
のガス圧縮（負荷）トルクの変動曲線を示している。こ
れをフーリエ分析して回転３次成分まで示したのが第５
図であシ、回転１次、２次成分までが大きいことがわか
る。再び、第４図では、元のガス圧縮トルクから回転２
次成分までを除去した例が示されておシ、この場合でも
トルク変動をほぼ平滑化できることがわかる。したがっ
て、前述した第１１図を参照して、変動１周期に対して
８パルス程度以上必要とすれば、回転２次成分に対して
は１回転１６パルス程度以上の歯車を用いることによ如
検出できる。歯車２２の歯数ｎは、上記２条件を満足す
る範囲で決定される必要がある。

第６図は本発明に係る第２の実施例を示したものである
。これは回転主軸４に歯数の異なる２枚の歯車を直結さ
せ、トルク制御開始時には歯数の少ない第１の歯車４０
の回転パルス信号をギャップセンサ４２によシ検出し、
変動の低次成分をまず検出して抑制し、次に、脈動が所
定の大きさ以下になったことによって切替スイッチ４５
によシ歯車の多い第２の歯車４１を用いて変動の高次成
分を検出して抑制するようにしたものである。そして、
このときの切替は検出した回転脈動値の大きさからＣ１
’Ｕ３１が判定して切替スイッチ４５に制御指令を送る
ようになっている。この方法は、イＩ々の制約により、
上記２条件を満足されるように歯車の歯数を選ぶことが
できない部付に有効であ如、例えば本実施例に２いて、
歯数の少ない第１の歯車を回転１次成分検出用、歯車の
多い第２の歯車を回転２次成分検出用として、両者を切
替えて使うことによシ、低次の変動成分より抑制するよ
うにすることもできる。

尚、第１の歯車４０側の回転パルス信号を取シ込むか、
第２１車４３側の回転パルス信号を取り込むかを切替え
る手段は、制御回路２８に内蔵さく１４） せることかできる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように１本発明によれば、電動
要素により駆動され、周期的な負荷要素を有し、かつこ
れによって生ずる回転主軸の回転速度変動を外部センサ
によって検出して、これが０になるべく制御するトルク
制御式回転電動機械に対し、検出誤差による誤動作の恐
れがなく、信頼性の高い制御ができる。また特別な補正
装置等を必要としないので極めて簡便である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧縮機の縦断面図、第
２図は検出信号より回転速度変動を求める方法を示す図
、第３図はトルク制御装置の概要図、第４図は１回転中
のトルク変動を示す図、第５図はガス圧縮トルクをフー
リエ分析した図、第６図は本発明の第２実施例を示す図
、第７図、第８図は従来の密閉形回転電動機械の縦断面
図、第９図はセンサの回転方向振動による測定データの
受ける影響を示した図、第１０図はセンサの歯とびによ
るパルス列の受ける影響を示した図、第１１図は、パル
ス数を変えたときの回転速度変動の検出精度を示した図
、である。 ４・・・回転主軸、２０・・・電動要素、２１・・・圧
縮要素、２２・・・歯車、２３・・・ギャップセンサ、
２８・・・制御回路、３０・・・インターフェイス、３
１・・・ＣＰＵ、３６・・・インバータ、４５・・・切
替スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １・電動要素と、この電動要素に回転主軸を介して連結
   され、電動要素によつて駆動される負荷要素と、電動要
   素の発生する電磁トルクと負荷要素の発生する負荷（吸
   収）トルクとの差（残差トルク）を０にするべく電動要
   素の電磁トルクを制御するトルク制御装置と、を備えて
   なるトルク制御式回転電動機械であつて、前記トルク制
   御装置は、残差トルク情報の検出手段として、回転主軸
   に直結した歯車、もしくはエンコーダと、これによる回
   転時のパルス列を検出する外部センサで構成された回転
   速度変動検出器を有し、該検出器の回転主軸に対する最
   小分解角度が、回転電動機械のケース側に生じる回転方
   向振動の振動角度の最大値よりも大きくなるように、か
   つ、回転主軸の回転速度変動の支配的な周波数成分に対
   し検出可能であるように、歯車の歯数もしくはエンコー
   ダのパルス数を選んだことを特徴とするトルク制御式回
   転電動機械。 ２、前記トルク制御装置は、回転速度変動検出器として
   、歯数もしくはパルス数の異なる複数の歯車もしくはエ
   ンコーダを有し、負荷条件や指令回転速度の差異による
   回転主軸の回転速度変動の大小を判別して、回転速度変
   動が大きいときは歯数もしくはパルス数の少ない歯車も
   しくはエンコーダを用い、回転速度変動が小さいときは
   歯車もしくはパルス数の多いものを用いるように、切替
   えて検出することもできる特許請求の範囲第１項記載の
   トルク制御式回転電動機械。