JP2002204563A

JP2002204563A - 周波数変換機

Info

Publication number: JP2002204563A
Application number: JP2001000146A
Authority: JP
Inventors: Washin Ouchi; 和心大内
Original assignee: DAIWA ENGINEERING KK
Current assignee: DAIWA ENGINEERING KK
Priority date: 2001-01-04
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】過負荷に強く、高温下でも支障なく作動し、
かつ耐久性も良好であり、更に歪みの少ない正弦波を出
力することができる周波数変換機の提供。【解決手段】内面に二次巻線３２を固着し、その巻線
端に可変抵抗器３６を接続した円筒状固定子１０と、そ
の内側に位置し、外面に一次巻線２２を固着した円筒状
回転子２０と、一次巻線２２に円筒状固定子３０側から
一次周波数の交流電力を供給するためのロータリートラ
ンス固定部３４及びロータリートランス回転部２４と、
円筒状回転子２０の内面に装着した適宜数の磁極２６
と、磁極２６からの誘導作用で周波数の変換された二次
周波数の交流出力を得るために中心軸１０に装着した内
部固定子巻線１４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機及び発電機
を組合わせて構成した、電源周波数を適宜周波数に変換
するための周波数変換機に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の商用周波数は５０Hz又は６０Hzで
あり、照明、電熱、誘導電動機の運用等にはこれで差し
支えない。しかし、電源周波数よりも高い、例えば、そ
の数倍乃至数十倍の周波数を必要とする用途も多数存在
する。

【０００３】１００Hzから数kHz程度の比較的低い高周
波電源は、高周波焼入れ機、低周波誘導炉、高周波モー
タの電源としての用途がある。

【０００４】このような周波数領域の電源としては、各
種半導体素子を応用した周波数変換装置が広く使用され
る傾向にある。５０Hz又は６０Hzの商用周波数を順変換
器、即ち、整流装置により一旦直流に変換し、次いでこ
の直流から逆変換装置、即ち、インバータにより所望周
波数の交流を得るものである。

【０００５】しかしながら、この種の順変換器によって
得られた直流から所望周波数の交流を発生させるインバ
ータは、基本的には、電流のオンオフを行いその結果得
られる方形波を適宜組み合わせて擬似的に正弦波を得て
いるものである。このように方形波を組み合わせる手段
によって得られる正弦波では、フ−リェ級数から明らか
なように無数の高調波を包含する方形波を要素とするも
のであることから、当然、多数の高調波が含まれたもの
となる。

【０００６】このような高調波成分が多く含まれる電源
を使用すると、これらの高調波が電源系統に流出し、系
統に接続されたコンデンサやリアクトル類に対して過電
流や過熱等の影響を及ぼし思わぬ事故を招来する可能性
が指摘されている。このような事実に着目し、高調波抑
制に関するガイドラインが行政側から出されていて、可
能な限り第５調波、第７調波等の奇数倍高調波を低減す
るよう努力する必要がある。

【０００７】また、この種変換装置、逆変換装置類を構
成する半導体素子は一般に過電流や過度の温度上昇に結
び付く過負荷には耐えられず永久破壊をもたらす大きな
欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な従来技術の問題点を勘案し、半導体素子を使用する回
路要素に頼ることなしに、電磁誘導現象を利用する回転
機により商用周波数の数倍乃至数十倍程度の高周波電源
を容易に得ることができる周波数変換機を提供すること
を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の１は、内面に電
動機要素の一方が固着された円筒状固定子と、該円筒状
固定子の内側にあってその外面に電動機要素の他方が固
着された円筒状回転子と、前記両電動機要素の内、前記
円筒状回転子に固着された電動機要素が一次巻線に構成
されている場合は、これに前記円筒状固定子側から一次
周波数の交流電力を供給するために機能し、二次巻線に
構成されている場合は、これに前記円筒状固定子側の回
転速度制御手段を電気的に接続するために機能するよう
にした電磁誘導手段と、前記円筒状回転子の内面に装着
された適宜数の磁極と、該磁極からの誘導作用により周
波数の変換された二次周波数の交流出力を得るために中
心固定軸に装着された固定子巻線と、を具備し、該固定
子巻線から二次周波数の交流出力を得ることとした周波
数変換機である。

【００１０】本発明の２は、外面に電動機要素の一方が
固着された中心固定軸と、該中心固定軸を囲み、その内
面に電動機要素の他方が固着された円筒状回転子と、前
記両電動機要素の内、前記円筒状回転子に固着された電
動機要素が一次巻線に構成されている場合は、これに前
記中心固定軸側から一次周波数の交流電力を供給するた
めに機能し、二次巻線に構成されている場合は、これに
前記中心固定軸側の回転速度制御手段を電気的に接続す
るために機能するようにした電磁誘導手段と、前記円筒
状回転子の外面に装着された適宜数の磁極と、該磁極か
らの誘導作用により周波数の変換された二次周波数の交
流出力を得るために更に前記円筒状回転子を囲んで配さ
れた円筒状固定子の内面に固着された固定子巻線と、を
具備し、該固定子巻線から二次周波数の交流出力を得る
こととした周波数変換機である。

【００１１】本発明の３は、本発明の１又は２の周波数
変換機に於いて、前記電動機要素の一方が誘導機用回転
磁界発生用の一次巻線であり、前記電動機要素の他方が
巻線形誘導機の二次巻線である周波数変換機である。

【００１２】本発明の４は、本発明の１又は２の周波数
変換機に於いて、前記電磁誘導手段が、ロータリートラ
ンスから構成されるものである周波数変換機である。

【００１３】本発明の５は、本発明の１の周波数変換機
に於いて、前記円筒状固定子と、前記円筒状回転子と、
前記電磁誘導手段と、前記磁極と、前記固定子巻線とか
らなる一組の周波数変換機要素が、多段に縦続配設さ
れ、前段の変換された周波数の出力を後段の入力とする
ことにより順次高周波に変換された出力を得るように構
成した周波数変換機である。

【００１４】本発明の６は、本発明の５の周波数変換機
に於いて、前記複数の周波数変換機要素が同軸上に縦続
配設される周波数変換機である。

【００１５】本発明の７は、本発明の５の周波数変換機
に於いて、前記複数の周波数変換機要素が同心状に配設
される周波数変換機である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、電動機部に対して、こ
れによって回転駆動される発電機部を、同心状態で、そ
の内側又は外側に配し、前者で後者を回転駆動して前者
を駆動する電源の周波数と異なる周波数、特に高い周波
数の電力を発生させる周波数変換機である。

【００１７】その一は、発電機部を電動機部の内側に配
した周波数変換機で、内面に電動機要素の一方が固着さ
れた円筒状固定子と、該円筒状固定子の内側にあってそ
の外面に電動機要素の他方が固着された円筒状回転子
と、前記両電動機要素の内、前記円筒状回転子に固着さ
れた電動機要素が一次巻線に構成されている場合は、こ
れに前記円筒状固定子側から一次周波数の交流電力を供
給するために機能し、二次巻線に構成されている場合
は、これに前記円筒状固定子側の回転速度制御手段を電
気的に接続するために機能するようにした電磁誘導手段
と、前記円筒状回転子の内面に装着された適宜数の磁極
と、該磁極からの誘導作用により周波数の変換された二
次周波数の交流出力を得るために中心固定軸に装着され
た固定子巻線と、を具備し、該固定子巻線から二次周波
数の交流出力を得ることとした周波数変換機である。

【００１８】その二は、発電機部を電動機部の外側に配
した周波数変換機で、外面に電動機要素の一方が固着さ
れた中心固定軸と、該中心固定軸を囲み、その内面に電
動機要素の他方が固着された円筒状回転子と、前記両電
動機要素の内、前記円筒状回転子に固着された電動機要
素が一次巻線に構成されている場合は、これに前記中心
固定軸側から一次周波数の交流電力を供給するために機
能し、二次巻線に構成されている場合は、これに前記中
心固定軸側の回転速度制御手段を電気的に接続するため
に機能するようにした電磁誘導手段と、前記円筒状回転
子の外面に装着された適宜数の磁極と、該磁極からの誘
導作用により周波数の変換された二次周波数の交流出力
を得るために更に前記円筒状回転子を囲んで配された円
筒状固定子の内面に固着された固定子巻線と、を具備
し、該固定子巻線から二次周波数の交流出力を得ること
とした周波数変換機である。

【００１９】以上の二つはいずれも電動機部に対して発
電機部を同心状態に配し、前者によって後者が回転駆動
されるようになっているものであり、違いは、前者の発
電機部が電動機部の内側に位置し、後者の発電機部が電
動機部の外側に位置する点のみである。それ故、両者は
機能の点から見て実質的に同一である。

【００２０】なお以上のいずれの場合も、前記電動機要
素は、その一方を誘導機用回転磁界発生用の一次巻線に
構成し、前記電動機要素の他方を巻線形誘導機の二次巻
線に構成することができる。

【００２１】また前記電磁誘導手段は、いずれの場合の
ものも、ロータリートランスで構成されるものとするこ
とができる。

【００２２】前記その一の周波数変換機に於いて、前記
円筒状固定子と、前記円筒状回転子と、前記電磁誘導手
段と、前記磁極と、前記固定子巻線とからなる一組の周
波数変換機要素を、多段に縦続配設し、前段の変換され
た周波数の出力電力を後段の入力電力とすることにより
順次高周波に変換された出力電力を得るように構成する
ことができる。

【００２３】以上の複数の周波数変換機要素は同軸上に
縦続配設することも、同心状に配設する事も可能であ
る。前者の場合は、装置の径は大きくなるが、装置の軸
方向は短くなる利点がある。後者は言うまでもなくその
逆となる。

【００２４】したがって本発明の周波数変換機によれ
ば、半導体整流素子に頼らず電磁誘導現象を利用する回
転機によって電源周波数を適宜周波数に逓昇させ、負荷
に適応する周波数の電力を得ることができる。サイリス
タ等の半導体素子を使用していないため、過負荷耐量が
大きく、短時間負荷では１５０％程度まで支障なく使用
し得る。

【００２５】また高温下であっても支障なく作動し、耐
久性も大きいことから、高温や振動のある雰囲気中に於
ける高周波電源としての用途にも適する。また半導体素
子による波形合成と異なり、磁極−コイル間の電磁誘導
起電力によるものであるため、正弦波となり波形ひずみ
が少なく、それ故、高調波発生が大幅に抑制される。

【００２６】

【実施例】以下、図１〜図３を参照しつつ本発明の周波
数変換機の実施例を説明する。図１(a)は一実施例の周
波数変換機の上半部の基本構成を示す側断面説明図、図
１(b)は図１(a)のＡ−Ａ矢視断面説明図である。この構
成に於いて中心軸１０は固定軸であり、この中心軸１０
に軸受１２を介して円筒状回転子２０を回転可能に支承
している。この円筒状回転子２０の外側には、該円筒状
回転子２０を非接触で同心状に包囲する円筒状固定子３
０が配設されている。

【００２７】上記円筒状回転子２０の外面には、該円筒
状回転子２０を回転させるための電動機要素の一方であ
る一次巻線２２が固着されている。この電動機要素は、
誘導電動機又は同期電動機の回転磁界発生手段、又は対
応する他方の電動機要素であるそれぞれの回転子要素の
いずれであっても良い。この一次巻線２２には、例え
ば、円筒状固定子３０側から電磁誘導によって電力を受
けるロータリートランス回転部２４を通じて電流が供給
される。

【００２８】前記円筒状固定子３０は非接触で同心状に
前記円筒状回転子２０を包囲しており、その内面に固着
された他方の電動機要素である二次巻線３２（通常の巻
線形誘導電動機に構成する場合）が堅固に取り付けられ
ている。なおこの二次巻線３２は、これに代えて界磁要
素（同期電動機に構成する場合）を採用することもでき
る。また該円筒状固定子３０の内面には、前記円筒状回
転子２０のロータリートランス回転部２４に対応する部
位に、電磁誘導作用により電力の供給を行うロータリー
トランス固定部３４が取付けられており、該円筒状固定
子３０側から円筒状回転子２０上の一次巻線２２に対し
て一次周波数の交流電力が供給されるようになってい
る。

【００２９】このような構成に於いて、前記円筒状固定
子３０側からロータリートランス固定部３４及びロータ
リートランス回転部２４を介して一次周波数の電力が供
給されると、前記円筒状回転子２０の一次巻線２２は、
たとえば、誘導電動機駆動のための回転磁界を形成す
る。この回転磁界は該円筒状固定子３０の内面に取付け
られた二次巻線３２に作用してうず電流を生起させ、回
転磁界との相互作用によって相対的駆動トルクが生ず
る。この相対的駆動トルクは、該円筒状固定子３０が固
定されていることから、反作用により該円筒状回転子２
０を回転させることとなる。なお該円筒状固定子３０の
内面に取付けられた二次巻線３２の巻線端に、図１(a)
に示すように、可変抵抗器（回転速度制御手段）３６を
接続しておき、その抵抗値を変化させることにより該円
筒状回転子２０の回転速度を任意に制御することができ
る。

【００３０】また前記円筒状回転子２０の内周には永久
磁石による適宜磁極数の磁極２６が固着されている。こ
の磁極２６の数は、一次周波数をどの程度の割合で周波
数変換しようとするかによって選定される。接続負荷が
数百Ｈｚ程度の高周波電力を必要とする場合は、商用周
波数で使用する場合の４〜８倍程度の磁極数に選定され
る。

【００３１】該円筒状回転子２０に包囲される中心軸１
０の周面には、該円筒状回転子２０の内面の磁極２６と
電磁的に結合される状態で内部固定巻線１４が配設され
ている。この内部固定巻線１４には、該円筒状回転子２
０の回転によってその内面に固着されている磁極２６の
磁束が鎖交し、該円筒状回転子２０の回転数並びに磁極
２６の数に比例する周波数の交流起電力が誘起される。
この交流起電力をこの周波数変換機の出力として外部に
取出し、対応する周波数の電力を必要とする所望負荷に
供給することができる。

【００３２】したがってこの実施例の周波数変換機によ
れば、前記円筒状回転子２０を回転させる一次周波数の
電力は前記ロータリートランス回転部２４及びロータリ
ートランス固定部３４を介して円筒状固定子３０側から
円筒状回転子２０の一次巻線２２に供給され、磁界が形
成される。この一次巻線２２によって形成される磁界と
該円筒状固定子３０に固着された二次巻線３２との相互
作用により円筒状回転子２０が回転される。この回転速
度は、該二次巻線３２に接続された可変抵抗器３６によ
り巻線抵抗を調節することにより適宜制御することがで
きる。

【００３３】このように該円筒状回転子２０が回転すれ
ば、その内面に固着された磁極２６の磁束が中心軸１０
に固着された内部固定巻線１４に鎖交し、該内部固定巻
線１４に周波数変換された出力電力が誘起して外部に取
出される。既述のように、これがこの実施例の周波数変
換機の出力となる。そして、このようにして得られる電
力は、純然たる回転機の電磁誘導作用を利用するもので
あり、サイリスタに代表される半導体素子を使用したも
のではない。したがって、負荷耐量や熱耐性にも優れて
おり、急激な運転停止が繰り返されるような過酷な運転
状態乃至は高温及び／又は激しい機械的振動の下での使
用のような厳しい雰囲気下での使用にも適する電源とな
る。

【００３４】この実施例の周波数変換機によって得られ
る周波数の変換倍率は、前記円筒状回転子２０の内面に
固着される磁極２６の数と該円筒状回転子２０の回転数
とによって、理論的には極めて高い周波数にまで逓倍す
ることが可能である。しかし現実には磁極２６や内部固
定巻線１４の占積率の問題等から自ずと限度がある。そ
こで、このような周波数変換機要素を多段接続とし、初
段の出力を次段の入力とする縦続形とすることにより、
より高い周波数の電力を得ることができる。

【００３５】図２は、図１に示した周波数変換機要素の
構成を１単位とし、同一中心軸１０上に１単位の一次変
換段４１と、同じく１単位の二次変換段４２とを構成し
た状態を示す側面説明図である。このような構成によっ
て、たとえば、一次変換段４１で５倍の周波数の出力を
得、次の二次変換段４２でこの出力を更に５倍にして両
者で２５倍に変換するような高倍率の周波数変換も可能
となる。その結果、５０又は６０Hzの電源周波数から１
２５０Hzの周波数を得ることができ、高周波焼き入れそ
の他の装置用電源等に適する装置が得られる。

【００３６】図３は、図１に示した周波数変換機要素の
構成を１単位とし、外側の一次変換段５１と内側の二次
変換段５２とを同心状に組合わせ、図２に示した装置と
同様の効果を発揮する周波数変換機を例示した正面断面
説明図である。大径の回転子を支承する軸受が大形とは
なるが、軸長を長くしたくないような用途乃至は設置場
所の制約等がある場合に適する構成である。

【００３７】なお、この実施例に示した巻線形誘導電動
機の原理に於いて、円筒状回転子２０の一次巻線２２で
回転磁界を形成し、円筒状固定子３０の二次巻線３２の
巻線抵抗を調節することにより細かな回転速度制御を行
う構成を示しているが、当然、反対であっても可能であ
る。また電動機部分の形式についても実施例は例示にす
ぎず、当業者の技術範囲に於いて知られている電動機技
術による他方式を採用することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明の１及び２の周波数変換機によれ
ば、ダイオードやサイリスタのような半導体素子を使用
することなく、電磁誘導作用を利用した回転機により周
波数変換された電力が容易に発生させられるものであ
り、それ故、過負荷や過熱に極めて敏感な半導体素子の
欠点を解消して信頼性並びに耐久性に優れた高周波電源
が得られる。

【００３９】また本発明の１及び２の周波数変換機の出
力は、磁極と巻線との間の電磁誘導による起電力である
ため、これらの構造に配慮することにより正弦波出力が
得られ、半導体素子によるインバータ装置のような矩形
波の組み合わせによる波形ひずみが生じない。その結
果、高調波の発生が大幅に抑制され、電源系統や周辺接
続機器類に対する悪影響が減殺される。

【００４０】本発明の３の周波数変換機によれば、巻線
形誘導機の巻線部の巻線端に可変抵抗器を接続し、その
抵抗値を変化させることにより回転速度を制御し、これ
を通じて出力周波数を任意に制御することができる利点
がある。

【００４１】本発明の４の周波数変換機によれば、回転
部と非回転部との間の電力の授受をメンテナンスの必要
性を少なく行うことができる。

【００４２】本発明の５の周波数変換機によれば、所望
の高い周波数の出力を容易に得ることができる。

【００４３】本発明の６の周波数変換機によれば、軸方
向には長くなるが、周方向に小さな装置を得ることがで
きる。

【００４４】本発明の７の周波数変換機によれば、周方
向には長くなるが、軸方向に短い装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)は一実施例の周波数変換機の上半部の基本
構成を示す側断面説明図。(b)は(a)のＡ−Ａ矢視断面説
明図。

【図２】周波数変換機要素の構成を１単位とし、同一固
定軸上に、１単位の一次変換段と１単位の二次変換段と
を構成した状態を示す側面説明図。

【図３】周波数変換機要素の構成を１単位とし、外側の
一次変換段と内側の二次変換段とを同心状に組合わせて
なる周波数変換機を例示した正面断面説明図。

【符号の説明】

１０中心軸１２軸受１４内部固定巻線２０円筒状回転子２２一次巻線２４ロータリートランス回転部２６磁極３０円筒状固定子３２二次巻線３４ロータリートランス固定部３６可変抵抗器４１、５１一次変換段４２、５２二次変換段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内面に電動機要素の一方が固着された円
筒状固定子と、該円筒状固定子の内側にあってその外面に電動機要素の
他方が固着された円筒状回転子と、前記両電動機要素の内、前記円筒状回転子に固着された
電動機要素が一次巻線に構成されている場合は、これに
前記円筒状固定子側から一次周波数の交流電力を供給す
るために機能し、二次巻線に構成されている場合は、こ
れに前記円筒状固定子側の回転速度制御手段を電気的に
接続するために機能するようにした電磁誘導手段と、前記円筒状回転子の内面に装着された適宜数の磁極と、該磁極からの誘導作用により周波数の変換された二次周
波数の交流出力を得るために中心固定軸に装着された固
定子巻線と、を具備し、該固定子巻線から二次周波数の交流出力を得
ることとした周波数変換機。
【請求項２】外面に電動機要素の一方が固着された中
心固定軸と、該中心固定軸を囲み、その内面に電動機要素の他方が固
着された円筒状回転子と、前記両電動機要素の内、前記円筒状回転子に固着された
電動機要素が一次巻線に構成されている場合は、これに
前記中心固定軸側から一次周波数の交流電力を供給する
ために機能し、二次巻線に構成されている場合は、これ
に前記中心固定軸側の回転速度制御手段を電気的に接続
するために機能するようにした電磁誘導手段と、前記円筒状回転子の外面に装着された適宜数の磁極と、該磁極からの誘導作用により周波数の変換された二次周
波数の交流出力を得るために更に前記円筒状回転子を囲
んで配された円筒状固定子の内面に固着された固定子巻
線と、を具備し、該固定子巻線から二次周波数の交流出力を得
ることとした周波数変換機。
【請求項３】前記電動機要素の一方が誘導機用回転磁
界発生用の一次巻線であり、前記電動機要素の他方が巻
線形誘導機の二次巻線である請求項１又は２の周波数変
換機。
【請求項４】前記電磁誘導手段が、ロータリートラン
スから構成されるものである請求項１又は２の周波数変
換機。
【請求項５】前記円筒状固定子と、前記円筒状回転子
と、前記電磁誘導手段と、前記磁極と、前記固定子巻線
とからなる一組の周波数変換機要素が、多段に縦続配設
され、前段で変換された周波数の出力を後段の入力とす
ることにより順次高周波に変換された出力を得るように
構成した請求項１の周波数変換機。
【請求項６】前記複数の周波数変換機要素が同軸上に
縦続配設された請求項５の周波数変換機。
【請求項７】前記複数の周波数変換機要素が同心状に
配設された請求項５の周波数変換機。