JP2005269707A

JP2005269707A - 誘導電動機

Info

Publication number: JP2005269707A
Application number: JP2004074831A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Takaku; 銀夫高久; Tadashi Narakiya; 正楢木野
Original assignee: TOYU TECHNICA CO Ltd
Current assignee: TOYU TECHNICA CO Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】誘導電動機の高効率化と可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うことを目的とする。
【解決手段】固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻回された分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体より成る回転子とを具えた誘導電動機において、該回転子の表面に固定子の磁極数に応じた数の永久磁石を装着する。装着方法としては、回転子の表面に埋め込んだり、接着して装着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機の高効率化と可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うために、回転子に永久磁石を装着したことを特徴とする誘導電動機に関するものである。

誘導電動機は、励磁が電源側から供給されており、無負荷時においても励磁電流が流れるので電力の損失となる。負荷時には負荷に応じたすべりを生じて回転するので、電源周波数に同期した定速度駆動が不可能である。またブラシレスDCモータは、回転する永久磁石の界磁極を利用しているので電源側からの励磁が不要となるので効率が向上する。さらに定速度駆動が可能であるが、位置検出のエンコーダや回転速度の検出が必要となり、駆動装置が複雑で高価となる欠点があった。

従来技術

誘導電動機において、回転子内部に回転できるマグネットを設け、このマグネットは固定子で発生する回転磁界と同期しており、回転子とは別に回転するようにした誘導電動機が、提案されている。この回転子は回転磁界から遅れてすべりで回転する。回転子の導体と鎖交する磁束数はマグネットにより増加し、マグネット付きのトルクがマグネットのない従来形誘導電動機に比較して1.2倍に、また定格出力400Ｗでの効率が従来形電動機では77％であるが、マグネット付きでは87％となり、10％の改善結果を得ている（例えば、非特許文献１参照。）。

柴田・土田・今井：「回転マグネットを内蔵する高トルク誘導電動機」、電気学会論文誌Ｄ、115巻11号、1341頁−1346頁(平成7年)

本発明は、誘導電動機において、回転子に永久磁石を設けることにより、誘導電動機の高効率化をはかり、ブラシレスDCモータで使用されている位置検出のエンコーダや回転速度の検出器を使用することなしに、可変速駆動および定速度駆動が行える安価な誘導電動機を提供しようとするものである。

そのために、誘導電動機のかご形回転子または巻線形回転子の表面に永久磁石を埋め込むために永久磁石と回転子の表面をフライス加工するか、または永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイカストを行い、永久磁石を回転子表面に装着することにより、可変速駆動および定速度駆動がオープン・ループで行え、容易で安価な誘導電動機を提供するものである。

本発明は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体より成る回転子とを具えた誘導電動機において、該回転子の表面に固定子の磁極数に応じた数の永久磁石を装着したことを特徴とする。
本発明は、誘導電動機において、永久磁石を回転子の表面に埋め込んだことを特徴とする。
本発明は、誘導電動機において、永久磁石を回転子の表面に接着したことを特徴とする。
本発明は、誘導電動機において、永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイカストを行い、永久磁石を回転子表面に装着したことを特徴とする。

本発明による永久磁石付誘導電動機の駆動装置においては、回転子導体の表面に永久磁石を装着するためにフライス加工が容易であり、また永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイカストを行って、永久磁石を回転子表面に装着することができ、回転中に空冷されるので永久磁石の温度上昇が低減できる。また電源からの励磁が不要となり従来形誘導電動機に比較して効率が向上すると共に、定格出力の約1.5倍を出力することができる。この事は同じ定格出力において寸法を約10％小型化が可能となる。さらに、ブラシレスDCモータで使用されるエンコーダと速度センサが不要であり、三相電源にじか入れ始動する事により同期速度での定速度駆動が容易で安価に提供できる。またインバータ装置を使用する事によりインバータの指令周波数を操作し可変速駆動と定速度駆動をブラシレスDCモータよりも容易かつ安価に提供できる。

誘導電動機の回転子表面に装着された永久磁石により、三相じか入れ始動により電源の周波数に同期し、またインバータ装置の指令周波数に同期してオープン・ループで回転する。また200％までの過負荷時においても、正確に同期速度で回転する。永久磁石は回転子表面にあるので、回転中に空冷され永久磁石の温度上昇が低減できる。電源周波数または指令周波数に同期して回転している場合には、電源周波数または指令周波数から電動機の回転速度が演算されるので速度センサレスとなる。さらに効率が向上すると共に、定格出力の約1.5倍を出力することができるので同じ定格出力では寸法を約10％小型化が可能となる。

以下、図１、図２、図３および表１、表２により、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明による永久磁石付誘導電動機の回転子断面図であり、１は、永久磁石、２は、回転子の導体を、図１は、磁極数4の永久磁石の配置図を示す。図１において、誘導電動機の回転子の導体の表面に誘導電動機の極数分だけの永久磁石１を設けるために、先ず、永久磁石１と回転子の表面をフライス加工し、所定の位置に接着する。埋め込む永久磁石の極弧、長さ、厚さ等、永久磁石の形状については、電動機特性に応じて、形状を決定し、それを回転子に接着する。

実施例の誘導電動機は、定格電圧200V、定格電流2.3A、周波数50Hz、定格出力400W、定格回転速度1420min^−１、回転子直径74.5mm、スロット数44である。図１の導体４の高さ５は10mm、導体３の高さ６は、5mmにフライス加工している。永久磁石の極弧が33mm、回転子軸方向の長さが40mm、永久磁石の極弧に覆われている導体３のスロット数6、永久磁石間の導体4のスロット数が5である。

なお永久磁石の装着に当たっては、回転子の表面をフライス加工して、接着する方法に代えて、永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイカストを行って、回転子表面に装着することもできる。

図２は、図１の永久磁石付回転子から構成される永久磁石付誘導電動機の回路図であり、永久磁石付回転子８は突極性を示している。図２において、R^Ｓは、固定子巻線７の各相抵抗を、L_a, L_b, L_cは,固定子巻線７の各相自己インダクタンスを、

は、固定子巻線７の各相電流を、

は、回転子導体のd軸電流９とq軸電流１０を、θ，

は、a相の固定子巻線軸と永久磁石のd軸間の角度位置(電気角)と回転子の電気的角速度を表す。
図２の回路図から永久磁石付誘導電動機の発生トルク式を導出することができ次式となる。

(1)式において、τ_e(t)は発生トルクを、Ｋ_1、Ｋ_２、Ｋ_３、Ｋ_４は比例定数を、

は、永久磁石の最大磁束を表す。
(1)式の第1項は、回転子の突極性によって発生するリラクタンストルクを、第2項は、永久磁石により発生するマグネットトルクを、第3項は、d軸の回転子導体に発生する誘導トルクを、第4項は、q軸の回転子導体に発生する誘導トルクを表す。
さらに、(1)式をd,q軸座標上に変換し、その変換した発生トルク式を(2)式に示す。

(2)式において、Ｋ_５、Ｋ_６、Ｋ_７、Ｋ_８は、比例定数を表す。
(1)式と同様に、(2)式の第1項はリラクタンストルクを、第2項は、マグネットトルクを、第3項は、d軸の回転子導体に発生する誘導トルクを、第4項は、q軸の回転子導体に発生する誘導トルクを表す。

図３は、永久磁石付誘導電動機の駆動装置の構成を示す。１１は、永久磁石付誘導電動機１５をじか入れ始動するための三相電源の供給配線である。１５の永久磁石付誘導電動機に三相電源を直接印加し、電源周波数の同期速度までじか入れ始動を行う。この始動時に、図１に示す導体３の高さ６が従来誘導電動機の5mmに減少されるが、この回転子導体３の他に回転子導体４に誘導トルクが発生するので電源周波数の同期速度まで始動が可能となる。このように始動がなされ同期速度での定速度駆動が容易で安価に提供できる。また、図３の１２はインバータ装置１３の指令周波数であり、１４はインバータ装置１３を電源として永久磁石付誘導電動機１５に電力を供給する電力供給線である。
インバータ装置１３は、指令周波数１２に関して可変電圧と可変周波数の変換装置と回転速度の演算と表示の機能を備えており、一般の誘導電動機に用いられている市販のインバータ装置の機能が備えられてある。指令周波数１２をインバータ装置１３に入力する。インバータ装置１３では指令周波数１２によりV/f制御がなされ、電力供給線１４を通して永久磁石付誘導電動機１５に電力が供給される。V/f制御により永久磁石付誘導電動機１５を始動させ、指令周波数１２を一定に保てば定速度駆動が、また指令周波数１２を可変すれば可変速駆動が行える。
このように三相じか入れ始動により電源の周波数に同期し、またインバータ装置の指令周波数１２に同期して回転している場合には(2)式の第1項のリラクタンストルクと第2項のマグネットトルクが発生している。また、三相じか入れ始動時に(2)式の第3項と第4項が誘導トルクとして作用し同期速度まで始動する。しかし、導体３に流れる電流

は導体４に流れる電流

の半分以下となることが想定され、永久磁石がない従来誘導電動機の導体３に発生するトルクより減少することになるが、永久磁石間の導体４にすべりに応じた誘導トルクが(2)式の第3項により発生するので始動し、同期速度まで回転する。

表１は、図３に示す三相電源の供給配線１１を通して永久磁石付誘導電動機１５を電源周波数の同期速度までじか入れ始動し、同期速度における定速度駆動時の負荷試験の結果を示している。電源周波数が50Hzであり、表１の結果から出力が約400Wで従来誘導電動機の定格出力のときに、負荷電流は1.78Aとなり定格電流2.3Aの約77％に減少するので、従来誘導電動機の約1.5倍の出力が可能となり、寸法を従来機より約10％小形化が可能となる。さらに回転速度は定格出力の約2倍においても同期速度1500min^−１の一定値に保たれている。

表２は、永久磁石を装着する前の従来形誘導電動機の負荷試験の結果を示している。当然の事ではあるが、定格出力400Wで0.06のすべりが生じており定速度駆動は不可能である。
また、表２において定格出力400Wで負荷電流が2.2A流れているが、表１の永久磁石付誘導電動機では同じ定格出力で1.78Aとなり、約80％に減少しており効率が向上している。

さらに、表２の従来形誘導電動機では5(N・m)のトルク発生時に、3.38Aの負荷電流が流れ、出力が680Wとなっているが、表１の永久磁石付誘導電動機は同じトルクの発生時おいて、負荷電流が2.95Aで約87％に減少し、出力が785Wで約15％増加する。このように誘導電動機の回転子に永久磁石を装着し、従来の誘導電動機より高効率化と小形化にすることができ、可変速駆動と定速度駆動が可能となる。

従来から利用されている誘導電動機およびブラシレスDCモータの可変駆動と定速度駆動の分野において、高効率化と小型化およびセンサレス化にすることができ、容易でかつ安価な誘導電動機の提供が可能となる。

永久磁石付誘導電動機の回転子の断面図であり、磁極数4の場合の一実施例を示す図永久磁石付誘導電動機の回路図永久磁石付誘導電動機の駆動装置の一実施例を示す図である。

符号の説明

１永久磁石
２回転子の導体
３永久磁石に覆われている回転子導体
４永久磁石間の回転子導体
５回転子導体４の導体の高さ
６回転子導体３の導体の高さ
７固定子巻線
８永久磁石付回転子
９回転子導体に流れるd軸電流
１０回転子導体に流れるq軸電流
１１三相電源の供給配線
１２指令周波数
１３インバータ装置
１４インバータからの電力供給配線
１５永久磁石付誘導電動機

Claims

固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体より成る回転子とを具えた誘導電動機において、該回転子の表面に固定子の磁極数に応じた数の永久磁石を装着したことを特徴とする誘導電動機。
永久磁石を回転子の表面に埋め込んだことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機。
永久磁石を回転子の表面に接着したことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機。
永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイカストを行い、永久磁石を回転子表面に装着したことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機。