JP2001258224A

JP2001258224A - 同期電動機および同期電動機を用いた駆動システム

Info

Publication number: JP2001258224A
Application number: JP2000063711A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Daikoku; 晃裕大穀; Yukari Tode; 結花利都出; Masaya Inoue; 正哉井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】スイッチング素子を用いた可変電源と商用電
源とを切り替えて用いる同期電動機において、短絡電流
を防止するためのリアクトルを小型化、軽量化すると共
に、力率の低下を抑制することを目的とする。【解決手段】同期電動機は、固定子コア８内に磁路を
有するように配置され、三相星型結線された第１の巻線
１１と、この第１の巻線１１のうち、中性点と反対側に
設けられた第１の端子と、固定子コア８内に磁路を有す
るように配置され、第１の端子１１に接続された第２の
巻線１２と、第２の巻線１２に対し、前記第１の端子と
反対側に設けられた第２の端子とを備える。第１及び第
２の端子の一方に三相商用電源を接続し、他方に三相可
変電源を接続し、第１の巻線１１と第２の巻線１２のい
ずれかをリアクトルとして利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に永久磁石
を備えた永久磁石電動機や同期リラクタンスモータなど
の同期電動機及びこれを用いた駆動システムに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石電動機や同期リラクタンスモー
タなどの同期電動機は、回転子側の発生損失が少ないた
め、高効率なモータとして利用されている。これらの同
期モータは、回転子の回転数とモータへ印加する電源周
波数とが同期していることが必要で、電源周波数とモー
タの同期回転数とが異なる場合は、同期はずれにより、
いわゆる脱調状態となり駆動できない。したがって、通
常、同期電動機は、電源周波数を変化させる手段として
半導体素子による可変電圧・可変周波数電源いわゆるイ
ンバータ（以後「可変電源」と呼ぶ。）を用いて駆動さ
れることが一般的である。しかし、可変電源のためのコ
ストが必要な点や、可変電源自体の電力損失が問題とな
る。したがって、回転数を可変とする必要がない適用分
野では、商用電源に同期して駆動することが望ましい。

【０００３】商用周波数で駆動する場合、静止状態にあ
る回転子を、電源と同期した同期回転にまで起動する必
要がある。このような課題に対しては、非同期運転可能
な誘導機と同期機を組みあわせた、いわゆる誘導同期モ
ータが一般的である。この種のものとしてはたとえば特
開平４−２１０７５８号公報に開示された発明等のよう
に、永久磁石回転子に誘導機としての二次導体を組み込
んだものや、あるいはリラクタンスモータに二次導体を
埋め込んだ例などがあげられる。上記公知例のような誘
導起動方式の永久磁石モータは、起動用の２次導体と、
同期後の磁束源としての永久磁石と、回転軸とを全て回
転子断面内に配置するが、数ｋW以下の小型モータでは
回転子径が小さくこれら全てを納めることが困難にな
る。そのため、小さくて強力な永久磁石を用いる必要が
あるが、希土類系などの強力な永久磁石を用いるとモー
タのコストが高くなる。これに対し、本出願人はこれま
でに、回転子の起動時のみ可変電源を用い、同期後は商
用電源で駆動する方式を開示している（例えば、特願２
０００−３５１８３）。この方式では、モータの駆動電
源として商用電源と可変電源の２つの電源を用い、モー
タ始動から所定時間の間は可変電源から供給される電力
を用いてモータを駆動し、その後、モータの駆動周波数
が商用電源の周波数と等しくなったときに、可変電源か
ら商用電源に駆動電源を切り替え、商用電源から直接的
に電力を供給することによりモータを駆動する。これに
より、従来のように可変電源を用いて連続的に駆動する
場合に比べ、可変電源の使用時間や機能が大幅に削減さ
れるため、小型で安価な駆動システムを実現できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、スイッ
チング素子を用いた可変電源と商用電源とを切り替えて
用いる同期電動機においては、可変電源と商用電源との
切り替え時の問題がある。すなわち、切り替え時のデッ
ドタイム（いずれの電源も接続されていない状態）を大
きく設定した場合、この間のモータの減速量が大きいと
商用電源による同期引き入れが困難となる可能性があ
る。逆にデッドタイムを短くしすぎた場合には、可変電
源と商用電源とが同時に電動機端子に接続される可能性
があり、この場合、両者の電位差により両電源間に短絡
電流が流れる。この短絡電流を防止するため、電源と電
動機端子の間にリアクトルを設けた場合、システム全体
の大型化を招く、また、リアクトルを商用電源側に設け
た場合には、定常運転時の力率低下の問題が生じるなど
の課題がある。特に、可変電源を電動機に組み込んだ場
合には、可変電源と電動機の間にリアクトルを設けると
機器の重量が増すため、商用電源側に設けざるを得ず、
定常運転時の力率低下を免れないという問題点があっ
た。

【０００５】本発明は上記課題を解決すべくなされたも
のであり、回転子の起動時のみ可変電源を用いて駆動
し、同期後は商用電源で駆動する同期モータにおいて、
装置規模の増大を招かずにスムーズな駆動電源の切り替
えを実現する同期モータを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同期電動機
は、固定子の固定子コアに設けられた巻線に三相交流電
源を接続することで移動磁界を発生し、この移動磁界と
回転子とを同期した速度で駆動する同期電動機である。
その同期電動機の固定子は三相の各相において、固定子
コア内に磁路を有するように配置され、星型結線された
第１の巻線と、その第１の巻線の中性点とは反対側に設
けられた第１の端子と、固定子コア内に磁路を有するよ
うに配置され、一端が前記第１の端子に接続された第２
の巻線と、その第２の巻線の他端に設けられた第２の端
子とを備えている。第１の端子または第２の端子には、
三相交流電源が切り替えて接続される。

【０００７】第２の巻線は、その第２の巻線に通電する
ことにより発生する磁束が回転子と鎖交しないように配
置されてもよい。

【０００８】また、第２の巻線は、固定子コアと、その
固定子コアに接する位置に設けられた磁性材料よりなる
フレームとの境界に配置されてもよい。このとき、第２
の巻線により発生する磁束は固定子コアおよびフレーム
の双方を磁路とする。

【０００９】また、第１の巻線は、回転子の回転軸方向
に沿って伸びる部分がいずれも固定子コアの内周の空隙
側に配置される鼓状巻線であってもよい。また、第２の
巻線は、回転軸方向に沿って伸びる部分のうち一方を固
定子コアの内周の空隙側に、他方を固定子コアの外周側
に配置される環状巻線であってもよい。

【００１０】また、第１の巻線および第２の巻線はそれ
ぞれ、回転子の回転軸方向に沿って伸びる部分がいずれ
もが固定子コアの内周または外周に配置される鼓状巻線
であってもよい。

【００１１】第１の巻線および第２の巻線は、それらが
コイルピッチの異なる複数の巻線からなる単層同心巻を
構成するように配置されてもよい。

【００１２】さらに、第２の巻線は、単層同心巻を構成
するコイルピッチの異なる複数の巻線のうち、コイルピ
ッチの最も短い側に配置されてもよい。

【００１３】本発明に係る同期電動機の駆動システム
は、固定子の固定子コアに設けられた巻線に三相交流電
源を接続することで移動磁界を発生し、この移動磁界と
回転子とを同期した速度で駆動する同期電動機の駆動シ
ステムである。その駆動システムは、三相の各相におい
て、固定子コア内に磁路を有するように配置されて星型
結線された第１の巻線と、第１の巻線の中性点とは反対
側に設けられた第１の端子と、固定子コア内に磁路を有
するように配置され一端が前記第１の端子に接続された
第２の巻線と、第２の巻線の他端に設けられた第２の端
子とを備えた同期電動機と、三相商用電源の電圧及び周
波数を変更して出力可能な可変電源と、同期電動機の第
１の端子及び第２の端子のいずれか一方に可変電源を接
続する第１のスイッチと、同期電動機の第１の端子及び
第２の端子の他方に商用電源を接続する第２のスイッチ
と、第１及び第２のスイッチの開閉を制御する制御手段
とからなる。

【００１４】同期電動機の駆動システムにおいて、制御
手段は、回転子を静止状態から起動する際には可変電源
を固定子に接続し、同期速度に到達した後に可変電源の
接続を遮断するとともに商用電源を直接的に固定子に接
続するように第１及び第２のスイッチを制御するように
してもよい。

【００１５】また、可変電源は第２の端子に接続され、
商用電源は第１の端子に接続されてもよい。

【００１６】または、可変電源は第１の端子に接続さ
れ、商用電源は第２の端子に接続されてもよい。

【００１７】また、第１の端子と第２の端子とを短絡す
るための短絡スイッチをさらに設けてもよい。

【００１８】また、第２の巻線に対して電圧検出手段を
設けてもよい。このとき、可変電源は電圧検出手段から
の検出信号に基いて電圧振幅、位相のうちの少なくとも
１つが制御される。

【００１９】可変電源は、同期電動機のフレーム内に配
置されてもよい。

【００２０】または、可変電源は、同期電動機のフレー
ムに固定されていてもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明に係る同期モータの実施形態を詳細に説明する。

【００２２】実施の形態１．図１は、本発明の実施の形
態１における同期電動機の構成を示す図である。図２は
その同期電動機の回転軸方向の断面図である。両図に示
すように、同期電動機は固定子１と回転子２とを含む。
回転子２は、回転子コア９と、永久磁石３と、回転子軸
５とからなる。固定子１は、固定子コア８と、固定子コ
ア８の外周側に設けられたフレーム４と、固定子コア８
の内周側即ち空隙側に設けられたスロット６に納められ
た第１の巻線１１と、固定子コア８の外周側に設けられ
た外周溝７に納められた第２の巻線１２とからなる。固
定子１のフレーム４には、三相可変電源２６が固定され
ている。本例では、固定子１に設けられたスロット６の
数を３６、永久磁石３の数を４としている。

【００２３】固定子１の外周溝７は、固定子コア８と、
固定子コア８の外周側に設けられた磁性材料よりなるフ
レーム４とで閉じられている。すなわち、第２の巻線１
２の磁路は、フレーム４と固定子コア８とで閉じられて
おり、回転子２まで鎖交しない。なお、説明の便宜上、
図１において、第１の巻線１１は三相のうちのＵ相のみ
について示しているが、同様にしてＶ相、Ｗ相も配置さ
れているものとする。

【００２４】図３は、三相巻線である第１の巻線１１に
ついて、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線配置を説明するための図で
あり、実際には円周に沿って設けてあるこれらの巻線を
直線的に展開して示した図である。第２の巻線１２その
他の構成要素の部材については周知のものを使用してい
るため、それらの記載は省略する。なお、以下の説明に
おいて、説明の便宜上、図面中、三相の各相に対応して
設けられる構成要素については、参照符号の最後にいず
れの相に対応するかを示す文字（u,v,w）を付加する場
合がある。例えば、巻線１１uは、第１の巻線１１であ
って、Ｕ相のものであることを示す。

【００２５】図３において、第１の巻線１１は、３つの
コイルからなるコイル群１１u〜１１wによって構成され
ている。コイル群１１uおよび１１u'がＵ相であり、コ
イル群１１vおよび１１v'がＶ相、コイル群１１wおよび
１１w'がＷ相のものである。また、図に示すように、各
スロットにはそれぞれ１つづつコイルが挿入されてお
り、１つの相のコイル群において各コイルは同心状に巻
かれている。例えば、Ｕ相においてコイル群１１uは同
心状に巻かれた３つのコイル１１u-1、１１u-2、１１u-
3からなっている。このように、各スロットに挿入され
るコイルは、各巻線軸に対して同心状に３つづつの巻線
が設けられる、いわゆる単層同心巻線を構成している。

【００２６】図４は、固定子１における第１の巻線１１
及び第２の巻線１２に対する、駆動電源との接続関係を
説明するための図である。第１の巻線１１は三相星型結
線を構成しており、中性点Ｎにて三相Ｕ、Ｖ、Ｗの各巻
線が接続されている。第１の巻線１１に対し、中性点Ｎ
と反対側には、第１の端子２１が設けられている。第１
の端子２１からさらに、第１の巻線１１と直列になるよ
うに、第２の巻線１２が設けられ、第２の巻線１２のう
ち、第１の端子２１と異なる側には、第２の端子２２が
設けられている。第１の端子２１には、スイッチ２３を
介して、三相商用電源２５が接続されており、また第２
の端子２２には、スイッチ２４を介して、商用電源２５
からの三相交流の周波数、電圧を所望値に変換して出力
する可変電源２６が接続されている。可変電源２６はダ
イオードブリッジ２６ａと平滑コンデンサ２６ｂと複数
のスイッチング素子からなるインバータ回路２６ｃを備
える。可変電源２６、スイッチ２３、２４は制御部３２
により制御される。また、三相巻線のうちの１つの相の
巻線１２wにおいて電圧検出器３１が設けられ、これに
より検出された電圧は制御部３２に入力される。

【００２７】以上のような構成を有する同期モータの動
作について説明する。初期状態においては回転子２は静
止しており、また、スイッチ２３、２４のいずれも開放
されているので、いずれの電源も電動機に接続されてい
ない。起動を開始するため、スイッチ２４を短絡する
と、第２の端子２２及び第２の巻線１２を介して第１の
巻線１１には三相可変電源２６が接続される。初期状態
においては回転子２の位置が不明であるので適当な起動
シーケンスにしたがって、回転子２が移動しない程度の
十分に短い時間において電圧が印加される。このとき、
第２の巻線１２には磁束が鎖交するが、この時の磁束量
は回転子磁束により影響を受ける。したがって、回転子
磁束を電圧検出器３１を用いて測定し、この測定値に基
いて、制御部３２内にある記憶部に予め設けておいた情
報を参照することで回転子位置を検出する。この情報を
もとに、適当な位相で可変電源２６から電圧を印加する
ことで回転子２を駆動することができる。その後、同様
に回転子位置情報を随時更新しながら、回転子位置に応
じて可変電源２６の位相を変化させることにより回転子
２は回転をはじめる。

【００２８】以上のように可変電源２６による起動を開
始した後、同期状態において、商用周波数の電圧位相
を、所定の電圧検出器（図示せず）等を用いて検出し、
可変電源２６が印加している電圧の基本波成分が商用電
源２５と同期するように調整する。このとき、電圧振幅
について、商用電源２５の電圧から、第２の巻線１２の
インダクタンスによる電圧降下分を見こんだ大きさにな
るように予め調整しておく。

【００２９】この状態において、スイッチ２３を短絡す
ると、商用電源２５が第１の端子２１に接続される。こ
のとき可変電源２６、商用電源２５の電圧波形はそれぞ
れ図５の（ａ）、（ｂ）に示したようになる。この状態
を、１相あたりの等価回路で表現すると図６に示す回路
になる。すなわち、電機子回路は、インダクタンス４５
および起電力４４により表現でき、第２の巻線１２は、
インダクタンス４６により表現できる。また、商用電源
２５は基本周波数電源４１のみで表現でき、可変電源２
６は商用電源２５と同期した基本周波数電源４２と、高
調波電源４３との直列接続により表現することができ
る。ここで、可変電源２６のうち高調波電源４３につい
ては短絡電流の原因となるが、第２の巻線１２によるイ
ンダクタンス４６によりこの短絡電流が制限される。イ
ンダクタンス４６のインダクタンス値をＬ₂とすると、
第ｎ次高調波電源に対するインピーダンスＺ_2nは次のよ
うになる。Ｚ_2n＝２・π・ｆ_n・Ｌ₂ （１）ここで、ｆ_nは第ｎ次高調波の周波数である。上式よ
り、高調波次数ｎが大きくなるにしたがってインピーダ
ンスＺ_2nは大きくなる。

【００３０】一方、基本周波数成分については、図７に
示したベクトル図のように考えることができる。先に述
べたように、可変電源２６の電圧の基本周波数成分Ｖ₂
から、第２の巻線１２のインダクタンスによる電圧降下
ｊωＬ₂・Ｉだけ見こんだ値と、商用電源電圧Ｖ₁とが、
位相と大きさがほぼ等しくなるようにインダクタンスＬ
₂を調整する。このようにすることにより、スイッチ２
３の短絡時に商用電源４１の電位と第１の端子２１の電
位との間に電位差が生じないため、短絡電流を抑制する
ことができる。

【００３１】なお、このような並列運転状態は、商用電
源側のスイッチ２３が投入された後すぐに可変電源側の
スイッチ２４を遮断することで解消される。この時間を
十分に短くとることで、高調波電源による短絡電流を、
第２の巻線１２のインダクタンスＬ₂によって防止する
ことができる。

【００３２】この第２の巻線１２は、図１に示したよう
に固定子コア８を磁路として持つように配置されている
ので、システムの小型化が可能となる。特に、リアクト
ルの重量増の原因となる鉄心部分を固定子コア８と共用
したことで、重量も大きく減らすことができる。さら
に、図２に示したように可変電源と電動機を一体構造と
した場合には、外付けリアクトルのための端子部を別途
設ける必要がなくなるほか、重量、寸法ともに大きく削
減できる。

【００３３】また、第２の巻線１２は、永久磁石の作る
磁束と鎖交しない位置に設けられているので、電機子巻
線である第１の巻線１１と独立に設計でき、設計の自由
度が大きくなる。また、第２の巻線１２は、フレーム４
と固定子コア８とで磁気回路が短絡されており、寸法を
小さくとりつつインダクタンスを大きくすることができ
る。第２の巻線１２は可変電源２６に接続されており、
商用電源駆動時にはスイッチ２４によって切り離される
ので、商用駆動時の力率がよい。

【００３４】実施の形態２．本実施形態の同期モータの
固定子及び回転子は、実施の形態１の場合と同様の構成
を示すが、固定子巻線に対する電源の接続関係が実施の
形態１のものと異なる。すなわち、実施の形態１では、
第１の端子２１を商用電源２５に接続し、第２の端子２
２を可変電源２６に接続していた。これに対して、本実
施形態では、図８に示すように、第１の端子２１をスイ
ッチ２３を介して可変電源２６に接続し、第２の端子２
２をスイッチ２４を介して商用電源２５に接続してい
る。つまり、実施の形態１と異なるのは、第２の巻線１
２が商用電源２５に接続されることである。本実施形態
における同期電動機の等価回路は図９に示すようにな
る。

【００３５】起動までの動作については実施の形態１の
場合と同様であり、可変電源２６を用いて起動した後、
スイッチ２３を短絡することで商用電源２５を固定子１
に接続し、スイッチ２４を開放することで可変電源２６
を固定子１から切り離す。

【００３６】このとき、高調波成分については実施の形
態１と同様に、インダクタンス４６により電流が制限さ
れる。一方、基本波成分については、図１０に示したベ
クトル図のように考えることができる。すなわち、商用
電源２５の電圧Ｖ₁から、第２の巻線１２のインダクタ
ンスによる電圧降下ｊωＬ₂・Ｉだけ見こんだ値と、可
変電源の基本周波数成分Ｖ₂とが、位相と大きさがほぼ
等しくなるようにインダクタンスの値Ｌ₂を調整する。
これにより、駆動電源を切り替えるためにスイッチ２３
を短絡した時に、商用電源４１の電位と第２の端子２２
の電位との間に電位差が生じないため、短絡電流を抑制
することができる。

【００３７】このとき、図１０に示すように、可変電源
２６で駆動する際の電圧は小さくて済み、可変電源の容
量を小さく抑えられる。逆に、商用電源で運転時には、
第２の巻き線１２のインダクタンスの分だけ力率が低下
する。これを改善するため、第２の巻線１２に対してス
イッチ４８が設けられている。すなわち、商用電源２５
への切り替えのためにスイッチ２４を開放し可変電源２
６を切り離した後に、適当なタイミングにおいてスイッ
チ４８を短絡することでトルク発生に寄与しない第２の
巻線１２を短絡して力率を改善することができる。

【００３８】実施の形態３．図１１は、本発明の実施の
形態３における同期電動機の構成を示した図である。本
実施形態において、第２の巻線１２は固定子コア８を周
回するように巻回されており、回転軸に平行な部分のう
ち一方が空隙側に、他方が固定子コアの外側になるよう
に巻回された、いわゆる環状巻線となるように構成され
ている。このような構成とした場合、図１１に示したよ
うに、永久磁石の作る磁束Ｂが第２の巻線１２に鎖交す
ることになる。

【００３９】図１２は、可変電源２６を第１の端子２１
に、商用電源２５を第２の端子２２に接続したときの等
価回路を示したものである。実施の形態２の場合と異な
るのは、第１の巻線１１のみならず、第２の巻線１２に
おいても、永久磁石３による誘起電圧４７が発生する点
である。この場合のベクトル図は図１３に示したとおり
である。

【００４０】本実施形態においては、第２の巻線１２に
対しても永久磁石３の作る磁束Ｂが鎖交するので、第２
の巻線１２に通電すればさらに強いトルクを得ることが
できる。言いかえれば、第２の巻線１２は、第１の巻線
１１とともに固定子巻線として機能することができる。
よって、商用電源２５側に第２の巻線１２を設置するこ
とによる不利益を低減できる。また、第２の巻線１２は
環状巻線として構成されており、空隙側に鼓状巻線とし
て配置された第１の巻線１１とは独立して設計できるた
め、設計の自由度が比較的高くなる。さらに、可変電源
駆動時に使用されない第２の巻線１２にも永久磁石３の
磁束が鎖交するので、これを用いた回転子位置検出が容
易となる。

【００４１】実施の形態４．図１４は実施の形態４にお
ける同期電動機の構成を示す図である。先に示した実施
の形態１から３では、スロット６に納められた単層同心
巻線の全てを第１の巻線１１とし、これとは別の第２の
巻線１２を設けた例について説明した。これに対して、
本実施の形態においては、それぞれ３つのコイルからな
る単層同心巻線のうち、最もコイルピッチの小さい側に
ある一のコイルを第２の巻線１２とし、残りを第１の巻
線１１とする。すなわち、図３においては、３つのコイ
ルからなるコイル群１１u〜１１wにおいて、同心状に設
けられた３つづつの巻線（たとえば１１u-1〜１１u-3）
が全て第１の巻線を構成していた。これに対して、本実
施形態においては図１５に示すように、３つのコイルか
らなるコイル群３１u〜３１wにおいて、同心状に設けら
れた３つづつの巻線（たとえば３１u-1〜３１u-3）のう
ち、コイル３１u-1を第２の巻線１２とし、残りのコイ
ル３１u-2、３１u-3を第１の巻線１１としている。

【００４２】このような構成とした場合、実施の形態１
から３と同様に、第２の巻線１２により高調波電源によ
る短絡電流が防止されるので、可変電源２６と商用電源
２５との並列運転が可能となる。また、実施の形態３と
同様に、永久磁石３の作る磁束が第２の巻線１２に鎖交
するため、これに通電することによりより大きいトルク
を得ることができる。つまり、電機子巻線として利用で
きるので、実施の形態３と全く同様の効果を得ることが
できる。また、第２の巻線を鼓状巻線としたので、商用
駆動時には、通常の電動機と同じだけの巻線を有するこ
とになり、商用駆動時に機能していない巻線部分がなく
なるため無駄が最も少ない設計となる。また、第１およ
び第２の巻線を単層同心巻で構成しているので、従来の
固定子巻線の挿入と同様にして、第１および第２の巻線
を同時に固定子コア内に挿入でき、巻線作業の負担が軽
減でき、作業の工程数も低減できる。

【００４３】なお、本実施形態においては、第１の端子
２１に可変電源２６を、第２の端子２２に商用電源２５
を接続した例について示したが、第２の端子２２に可変
電源２６を、第１の端子２１に商用電源２５を接続して
も、同様に動作させることは可能である。

【００４４】単層同心巻線を構成する３つのコイルのう
ち、いずれを第２の巻線１２としてもよいが、最内周あ
るいは最外周のいずれかのコイルを第２の巻線１２とす
るのが好ましく、これにより、第１の端子２１の加工等
の端末処理が容易となる。また、一般に単層同心巻線で
は、最内周あるいは最外周のうちの少なくともいずれか
の短節度（極間隔に対するコイル開口幅の割合であり、
この比率が１に近いほど効率良く運転できる）が最も小
さくなるので、これを除いた残りの第１の巻線の短節度
を高めることができ、可変電源駆動時の効率を良くする
ことができる。

【００４５】もちろん、単層同心巻線とする必要はな
く、分布巻としてもよい。この場合、各コイル間の短節
度は全て等しくなるが、第１の端子２１の加工性を考慮
すると、最内周あるいは最外周のいずれかを第２の巻線
１２とするのが望ましい。

【００４６】以上、本発明にかかる同期モータについて
の実施形態について説明した。上記説明において、極数
が４の場合について示したが、これに限られず、２極あ
るいは６極以上でもよい。また、スロット数は３６の場
合について示したが、これに限られず、三相交流におい
ては一般に３の倍数であれば適当にスロット数を選定で
きる。また、各コイルが複数のスロットをまたがって同
心状に配置されている例について示したが、これに限ら
れず、実施の形態４で述べたように分布巻でもよいし、
あるいは各コイルが１つのティースに集中的に巻回され
ているような場合でも適用できる。さらに、可変電源制
御のため回転子位置情報は、第１及び第２の端子のうち
可変電源が接続されていない側に設けた電圧検出器によ
り得ていたが、これに限られず、エンコーダやレゾルバ
を設けて回転子位置検出を行なってもよい。あるいは予
め決められたシーケンスにしたがって、回転子位置にか
かわらず可変電源の周波数を変化させるようにしてもよ
い。

【００４７】

【発明の効果】本発明の同期電動機によれば、固定子の
各相において、第１及び第２の巻線を有しているため、
第１及び第２の巻線のうちの一方をリアクトルとして作
用させることが可能となる。また、それぞれの巻線に対
して電力を供給するための端子を備えているため、２つ
の異なる駆動電源を切り替えて固定子に接続することが
可能となり、両者の位相ずれや高調波成分の違いを吸収
するためのリアクトルをコンパクトに設計できる。

【００４８】また、磁束が鎖交しない位置に第２の巻線
を設けてもよく、第２の巻線の設計の自由度が大きくな
る。

【００４９】また、第２の巻線をフレームと固定子コア
の境目に設けてもよく、それにより、工作性がよく、か
つ磁路を短絡させたので、寸法の割にインダクタンスを
大きく設計できる。

【００５０】また、リアクトルとして作用する第２の巻
線を環状巻線としてもよい。このとき、第２の巻線は、
回転子磁束が鎖交するので電機子巻線として利用でき、
リアクトルの設計自由度が比較的高くなる。

【００５１】また、リアクトルとして作用する第２の巻
線を鼓状巻線としてもよい。このとき、第２の巻線は回
転子磁束が鎖交するので電機子巻線として利用できる。
また、商用駆動時の無駄が最も少なくなる。

【００５２】また、固定子巻線を単層同心としたので、
従来の固定子巻線の挿入と同様にして、第１および第２
の巻線を同時に固定子コア内に挿入でき、巻線作業の負
担が軽減される。

【００５３】また、単層同心のうち最もコイルピッチの
小さい側を第２の巻線としてもよく、第２の巻線が短絡
故障などを起こした場合のトルク低減を最小限にでき
る。

【００５４】本発明に係る駆動システムによれば、可変
電源と商用電源で同期電動機を駆動するシステムにおい
て、並列運転時の短絡電流防止のためのリアクトルの機
能を固定子の巻線で機能させるために、同期電動機の小
型軽量化が実現できる。

【００５５】また、可変電源を用いて起動し、商用電源
で駆動することで高効率なシステムを安価に提供でき
る。

【００５６】また、リアクトルを可変電源側に設けたの
で商用駆動時の力率が向上する。

【００５７】また、リアクトルを商用側に設けたので、
可変電源の容量を小さく抑えられるほか、第２の巻線に
永久磁石の磁束が鎖交するように配置することで、定常
運転時もリアクトルを有効利用できる。

【００５８】また、リアクトルを短絡する短絡スイッチ
を備えるため、第２の巻線に磁束が鎖交しないときでも
力率の低下を抑えられる。

【００５９】また、あいている側の端子を用いて回転子
位置を検出してもよい。この場合、エンコーダなどの位
置検出手段を設ける必要がなく、小型化、低コスト化が
可能となる。また、可変電源を制御し、商用電源と振幅
や位相をあわせるための情報を得ることができる。

【００６０】さらに可変電源を、フレーム内に配置し又
はフレームに固定してモータに内蔵することにより、機
器の小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１の電動機の構成を説明するため
の図。

【図２】実施の形態１の電動機の回転軸方向の断面
図。

【図３】実施の形態１の電動機における第１の巻線の
配置を説明した図。

【図４】実施の形態１の電動機における各巻線と電源
との接続を説明した図。

【図５】実施の形態１の電動機における可変電源の電
圧波形（ａ）と、商用電源の電圧波形（ｂ）を示した
図。

【図６】実施の形態１の電動機の等価回路を示した
図。

【図７】実施の形態１の電動機における電圧、電流ベ
クトル図。

【図８】実施の形態２の電動機における各巻線と電源
との接続を説明した図。

【図９】実施の形態２の電動機の等価回路を示した
図。

【図１０】実施の形態２の電動機における電圧、電流
ベクトル図。

【図１１】実施の形態３の電動機の構成を説明するた
めの図。

【図１２】実施の形態３の電動機の等価回路を示した
図。

【図１３】実施の形態３にの電動機における電圧、電
流ベクトル図。

【図１４】実施の形態４の電動機の構成を説明するた
めの図。

【図１５】実施の形態４の電動機における第１および
第２の巻線の配置を説明した図。

【符号の説明】

１固定子、２回転子、３永久磁石、４フ
レーム、５回転子軸、６スロット、７外周
溝、８固定子コア、９回転子コア、１１第１
の巻線、１２第２の巻線、２１第１の端子、
２２第２の端子、２３スイッチ（商用側）、２
４スイッチ（可変側）、２５商用電源、２６
可変電源、３２制御部、１１u〜１１w、３１u
〜３１wコイル群、１１u-1〜１１u-3 Ｕ相のコイ
ル、Ｎ中性点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上正哉東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H001 AA01 AA05 AB12 AC01 AC08 AD03 AE04 5H603 BB01 BB07 BB09 BB12 CA01 CA05 CC05 CC17 CD04 CD05 5H621 BB10 GA01 JK14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子の固定子コアに設けられた巻線に
三相交流電源を接続することで移動磁界を発生し、この
移動磁界と回転子とを同期した速度で駆動する同期電動
機であって、前記固定子は三相の各相において、固定子コア内に磁路を有するように配置され、星型結線
された第１の巻線と、該第１の巻線の中性点とは反対側に設けられた第１の端
子と、固定子コア内に磁路を有するように配置され、一端が前
記第１の端子に接続された第２の巻線と、該第２の巻線の他端に設けられた第２の端子とを備え、前記第１の端子または前記第２の端子に前記三相交流電
源が切り替えて接続されることを特徴とする同期電動
機。
【請求項２】前記第２の巻線は、その第２の巻線に通
電することにより発生する磁束が前記回転子と鎖交しな
いように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の
同期電動機。
【請求項３】前記第２の巻線は、前記固定子コアと、
その固定子コアに接する位置に設けられた磁性材料より
なるフレームとの境界に配置され、前記第２の巻線によ
り発生する磁束は前記固定子コアおよび前記フレームの
双方を磁路とすることを特徴とする請求項２に記載の同
期電動機。
【請求項４】前記第１の巻線は、回転子の回転軸方向
に沿って伸びる部分がいずれも固定子コアの内周の空隙
側に配置される鼓状巻線となっており、前記第２の巻線
は、前記回転軸方向に沿って伸びる部分のうち一方を固
定子コアの内周の空隙側に、他方を固定子コアの外周側
に配置される環状巻線となっていることを特徴とする請
求項１に記載の同期電動機。
【請求項５】前記第１の巻線および前記第２の巻線は
それぞれ、回転子の回転軸方向に沿って伸びる部分がい
ずれもが固定子コアの内周または外周に配置される鼓状
巻線となっていることを特徴とする請求項１に記載の同
期電動機。
【請求項６】前記第１の巻線および前記第２の巻線
は、それらがコイルピッチの異なる複数の巻線からなる
単層同心巻を構成するように配置されたことを特徴とす
る請求項５に記載の同期電動機。
【請求項７】前記第２の巻線は、前記単層同心巻を構
成するコイルピッチの異なる複数の巻線のうち、コイル
ピッチの最も短い側に配置されることを特徴とする請求
項６に記載の同期電動機。
【請求項８】固定子の固定子コアに設けられた巻線に
三相交流電源を接続することで移動磁界を発生し、この
移動磁界と回転子とを同期した速度で駆動する同期電動
機の駆動システムであって、三相の各相において、固定子コア内に磁路を有するよう
に配置されて星型結線された第１の巻線と、該第１の巻
線の中性点とは反対側に設けられた第１の端子と、固定
子コア内に磁路を有するように配置され一端が前記第１
の端子に接続された第２の巻線と、該第２の巻線の他端
に設けられた第２の端子とを備えた同期電動機と、三相商用電源の電圧及び周波数を変更して出力可能な可
変電源と、前記同期電動機の第１の端子及び第２の端子のいずれか
一方に前記可変電源を接続する第１のスイッチと、前記同期電動機の第１の端子及び第２の端子の他方に前
記商用電源を接続する第２のスイッチと、前記第１及び第２のスイッチの開閉を制御する制御手段
とからなることを特徴とする同期電動機の駆動システ
ム。
【請求項９】前記制御手段は、前記回転子を静止状態
から起動する際には前記可変電源を前記固定子に接続
し、同期速度に到達した後に前記可変電源の接続を遮断
するとともに前記商用電源を直接的に前記固定子に接続
するように前記第１及び第２のスイッチを制御すること
を特徴とする請求項８に記載の同期電動機の駆動システ
ム。
【請求項１０】前記可変電源は前記第２の端子に接続
され、前記商用電源は前記第１の端子に接続されている
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の同期
電動機の駆動システム。
【請求項１１】前記可変電源は前記第１の端子に接続
され、前記商用電源は前記第２の端子に接続されている
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の同期
電動機の駆動システム。
【請求項１２】前記第１の端子と前記第２の端子とを
短絡するための短絡スイッチをさらに設けたことを特徴
とする請求項１１に記載の同期電動機の駆動システム。
【請求項１３】前記第２の巻線に対して電圧検出手段
を設け、前記可変電源は、該電圧検出手段からの検出信
号に基いて電圧振幅、位相のうちの少なくとも１つが制
御されることを特徴とする請求項８ないし請求項１２の
いずれか１つに記載の同期電動機の駆動システム。
【請求項１４】前記可変電源は、前記同期電動機のフ
レーム内に配置されることを特徴とする請求項８ないし
請求項１３のいずれか１つに記載の同期電動機の駆動シ
ステム。
【請求項１５】前記可変電源は、前記同期電動機のフ
レームに固定されていることを特徴とする請求項８ない
し請求項１３のいずれか１つに記載の同期電動機の駆動
システム。