JP2009290930A - 交流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで大トルクを発生可能な高効率モータを提供すること。
【解決手段】ロータ５に設けた交流界磁束発生回路７は、界磁コイル１０と、発電コイル９と、整流器１１と、ロータインバータ（インバータ）１２とをもつ。発電コイル９はステータコイル３が形成する磁界と鎖交して直流電力をロータインバータ１２に給電する。ロータインバータ１２は滑りｓに相当する角速度をもつ単相又は複数相の交流電流を界磁コイル１０に通電し、これにより、界磁コイル１０は、ステータ回転磁界と同期するロータ磁束を発生させる。ロータインバータ１２は、界磁コイル１０に流れる電流の振幅及び位相を調整することができるため、無駄な二次銅損を最小としつつ必要なロータ磁束を発生することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は交流モータに関し、特にステータコイルからロータコイルに界磁束発生電力を電磁誘導により伝送する交流モータに関する。なお、下記の説明において、本発明の交流モータはインナーロータ型のラジアルギャップモータを例として記載されるが、これに限定解釈されるものではなく、種々の回転形式あるいは直線移動形式のモータに適用可能である。リニアモータに適用する場合、下記の説明の周方向を移動方向と理解することは当業者にとってもはや周知の事項である。

ロータが発生するステータコイル鎖交磁束を界磁束と呼ぶ場合、籠型誘導機の二次短絡コイル（籠型コイル）や巻線型誘導機の二次巻線コイルは、界磁束を発生する界磁コイルとみなすことができる。ただし、この界磁束は回転する交流界磁束である。籠型誘導機では、ステータコイルが籠型コイルに誘導する二次電流がこの界磁束を発生させる。巻線型誘導機の二次巻線コイルには、外部電源からスリップリングを通じて交流電力が供給される。この籠型コイルに誘導される交流電力、及び、二次巻線コイルに外部から供給される交流電力の周波数は、ｓ・ｆである。ｓは滑りである。ステータ電流が形成する回転磁界の角速度をωｓとする場合、ｆはωｓ／２πとなる。籠型コイルの等価的な誘導電圧は、ステータコイルの等価的な電圧をVとする場合、ｓ・Vとなる。この種の籠型誘導機や巻線型誘導機は広く使用されている。

外部から二次巻線コイルに周波数ｓ・ｆの励磁電力を供給する巻線型誘導機は、ｓが小さい運転範囲であっても大電流を二次巻線コイルに送ることができるので、滑りｓが小さい運転範囲においても必要なトルクを発生させることができる利点がある。この種の巻線型誘導機の例が下記の特許文献１に記載されている。巻線型誘導機は、籠型誘導機に対して二次巻線コイルのターン数を増大できるため、電流を低減し、必要な界磁束を発生する際に生じる銅損を低減できる利点をもつ。

これに対して、籠型誘導機は、ｓが小さい運転範囲では籠型コイルの誘導電圧ｓ・Vが小さくなるため、籠型コイル電流の減少によりロータ磁束が減少し、必要なトルクを発生できない。滑りｓを増大すると、籠型コイルの電流Iと誘導電圧ｓ・Vとの積ｓ・V・Iである銅損すなわち籠型コイルの抵抗損が増大して、効率が低下してしまう。

滑りｓを負とすることにより、誘導機に発電作用をさせることも広く知られている。
特開平０５−１５３７３２号公報

しかしながら、従来の巻線型誘導機は、スリップリングを通じて外部からｓ・ｆの周波数の励磁電圧を送る必要があり、構造が複雑となり、保守性に欠けるという問題があった。

これに対して、この巻線型誘導機の回転軸に交流励磁機を結合し、この交流励磁機のステータコイルに角速度ωｓ（＝２πｆ）の電流を与えてこの励磁機のロータコイルに周波数ｓｆの誘導電圧を発生させ、この誘導電圧を巻線型誘導機のロータに巻かれた二次巻線コイルに印加する交流励磁も可能である。しかし、この場合にも構造が複雑となり、モータの軸方向長が増大するという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、構造が簡単でコンパクトに構成できるとともに、籠型誘導機に比較して損失低減が可能で大トルクを発生することができる交流モータを提供することをその解決すべき課題としている。

上記課題を解決する本発明は、回転するステータ磁界を形成する複数相の相巻線からなるステータコイルが巻かれた軟磁性のステータコアと、ステータコアに対面して回転する軟磁性のロータコアと、ロータコアに装備されてステータコイルと鎖交する交流界磁束を形成する交流界磁束発生回路とを備えるロータとを備える交流モータに適用される。この種の交流モータは、たとえば外部から二次巻線コイル励磁電力を供給する巻線型誘導機として知られている。

本発明は、この交流界磁束発生回路が、交流モータのロータに実装されている点にその特徴がある。すなわち、この発明の交流界磁束発生回路は、ロータコアに巻かれてステータ磁界と同期回転する交流界磁束を形成する界磁コイルと、ロータコアに巻かれてステータ磁界により誘導された交流電力を出力する発電コイルと、この交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、この直流電力をステータ磁界と同期する交流電力に変換して界磁コイルに出力するインバータとを有する点にその特徴がある。

本発明によれば、従来の巻線型誘導機に比べて、外部からスリップリングを通じて二次巻線コイルへ励磁電力を伝送する必要がないため、構造を簡素化することができ、保守性にも優れている。また、上記した交流励磁機付きの巻線型誘導機に比べて、交流モータのロータ自体に発電コイルや籠型コイルを装備するため、構造が簡素とすることができ、モータの軸方向長を短縮することができる。更に、構造が簡単でコンパクトな従来の籠型誘導機に比べて、ロータにターン数が大きいコイルを採用することができるため、小さい滑り状態で大きな界磁束を発生させることができ、二次銅損の低減とトルクの向上とを実現することができる。

好適な態様において、前記界磁束発生回路は、前記発電コイル、界磁コイル、整流器及インバータをそれぞれ含む第１、第２の回路セットを有し、前記第１の回路セットの前記発電コイルは前記第２の回路セットの界磁コイルを兼ね、前記第２の回路セットの前記発電コイルは前記第１の回路セットの界磁コイルを兼ねる。

このようにすれば、第１の回路セットの界磁コイルと第２の回路セットの界磁コイルとが発生する２相交流電流により２相回転磁界を形成することができる。

図面を参照して本発明の交流モータの好適な実施形態を説明する。

（実施形態１）
（全体構成）
実施形態１の交流モータの構成が図１に示される。

１はステータ、２はステータコア、３は３相のステータコイル、４は回転軸、５はロータ、６はロータコア、７は交流界磁束発生回路、８はステータコイル３に３相交流電圧を印加する３相インバータである。

ステータコア２に集中巻き又は分布巻きにより巻かれた３相のステータコイルをもつステータ１は従来の３相誘導モータや３相同期モータと同じであり、このステータコイル３に３相正弦波電圧を印加する３相インバータ８も周知の構成であるため、説明を省略する。

ロータ５は、回転軸４に嵌着された突極型又は非突極型のロータコア６と、このロータコア６に分布巻き又は集中巻きにより巻かれた発電コイル９と界磁コイル１０とをもつ。突極型の場合には、これら発電コイル９及び界磁コイル１０は、集中巻き又は全節巻きで巻かれることができる。

（交流界磁束発生回路７）
本発明の特徴をなす交流界磁束発生回路７について、以下に詳しく説明する。

この交流界磁束発生回路７は、発電コイル９、界磁コイル１０、整流回路１１及びロータインバータ１２とにより構成されている。この実施形態では、発電コイル９及び界磁コイル１０は単相コイルとされ、整流回路１１はダイオード全波整流回路により構成され、ロータインバータ１２は単相フルブリッジインバータ（Hブリッジ）とされている。発電コイル９及び界磁コイル１０はそれぞれ２相コイル又は３相コイルとし、整流回路１１をたとえば三相全波整流回路とし、ロータインバータ１２を３相インバータとしてもよい。

この実施形態では、発電コイル９と界磁コイル１０とは電気角π／２だけ位相角がずれた位置に巻かれている。

（基本動作）
この交流モータは交流励磁機能をもつ誘導モータとみなすことができる。ステータコイル３の電流が形成する回転磁界により発電コイル９には単相交流電圧が誘導され、この単相交流電圧は、整流回路１１により整流されて直流電圧とされ、この直流電圧は単相インバータであるロータインバータ１２に電源電圧として印加される。ロータインバータ１２は、発電コイル９に流れる発電電流Igと同一周波数の正弦波電流である界磁電流Ifを発生させ、この交流の界磁電流Ｉｆが界磁コイル１０に通電される。その結果、ロータ５は、発電コイル９が発生する磁束（発電磁束と呼ぶ）Φｇと、界磁コイル１０が発生する磁束（界磁磁束と呼ぶ）Φｆとのベクトル和であるロータ磁束Φｒを発生する（図２参照）。このロータ磁束Φｒは、ステータコイル３に通電される電流であるステータ電流Isが形成するステータ回転磁界に同期して回転する。

重要な点は、ロータインバータ１２の制御により単相交流電流である界磁電流Ｉｆの振幅及び位相を調整することにより、ロータ磁束Φｒを自由に調整することができることである。

ステータ回転磁界の角速度ωstator、ロータ回転の角速度ωrotor及びロータ磁束Φｒの角速度ωslipの関係を図３に示す。この関係は通常の誘導機で周知であるためこれ以上の説明は省略される。

（効果）
この実施例の効果を以下に説明する。

この実施形態の交流モータは、発電コイル９が発電した単相交流電流である発電電流Igを利用して界磁コイル１０に単相交流電流である界磁電流Ｉｆを流す。これにより、たとえば発電コイル９及び界磁コイル１０のターン数を等しいとみなした場合、発電電流Igと界磁電流Ｉｆとのベクトル和によりロータ磁束Φｒを形成することができる。このロータ磁束Φｒは、ステータ回転磁界と同期するため、トルクを発生することができる。

重要な利点は、ロータインバータ１２のスイッチング制御により、発電電流Ｉｇに対する界磁電流Ｉｆの位相を自由に調整することができる点である。このため、界磁電流Ｉｆの位相角調整によりトルクを調整することができる。

他の重要な利点は、籠型誘導モータとは異なり、発電コイル９及び界磁コイル１０のターン数を増大させることができる点にある。たとえば発電コイル９及び界磁コイル１０のターン数をそれぞれNとする場合、発電電流Igと界磁電流Ｉｆとのベクトル和をロータ電流Irとする場合、ロータ磁束Φｒは、NIｒ／Rとなる。つまり、発電コイル９及び界磁コイル１０のターン数の増大により、ロータ電流Ｉｒを減らして、ロータ消費電力（二次銅損）Ir・Ir・ｒを低減することができる。なお、整流回路１１及びロータインバータ１２の損失を無視した場合、ｒは発電コイル９の電気抵抗と界磁コイル１０の電気抵抗との和となる。つまり、本発明によれば、二次銅損を低減できる分だけ滑りｓを低減して発電コイル９の誘導電圧Vｇ（＝ｓ・Vｓ）を小さくすることができ、ステータコイル３がロータに供給する電力を低減できる。なお、Vｓは等価的なステータ電圧である。

（同期機としての駆動）
その他、この交流モータは、整流回路１１とロータインバータ１２とを独自に備えているため、ステータコイル３に対して、通常のステータ回転磁界を形成するための３相交流電流に加えて、この３相交流電流とは周波数が異なる電流を供給することもできる。なお、本発明では、ロータ磁束はかならず交番変化する交流界磁束であるため、ロータインバータ１２はかならず単相交流電流又は多相交流電流を界磁コイル１０に通電する。単相交流電流が回転磁界を形成することは当業者にとって周知事項である。

一例において、ロータが回転している場合には、直流電流を供給することができる。これにより、高速回転時にわざわざ高周波数電力を形成することなく、効率よく、ロータに励磁電力を給電することができる。

その他、ロータが静止している場合や低速の場合には、発電コイル９の発電電圧の振幅が小さくなるため、高い周波数の励磁電圧をステータ電流に重畳させることもできる。これにより、低速時において、ロータへの励磁電力給電のために低周波大電流の二次励磁用電流を給電する代わりに、高周波小電流の二次励磁用電流を給電することもできる。

（実施形態２）
実施形態２の交流モータの構成を図４及び図５を参照して説明する。

この交流モータは、実施形態１で説明した交流界磁束発生回路７を２セット設けた点にその特徴がある。つまり、この交流モータは、実施形態１の交流界磁束発生回路７と本質的に等しい構成の交流界磁束発生回路７A、７Bとを有している。

（交流界磁束発生回路７A、７B）
この交流界磁束発生回路７Ａ、７Ｂの回路構成を図４を参照して説明する。

交流界磁束発生回路７Ａは、発電コイルとしてのコイル２１と、整流回路１１Aと、ロータインバータ１２Aと、界磁コイルとしてのコイル２２とからなる。交流界磁束発生回路７Bは、発電コイルとしてのコイル２２と、整流回路１１Bと、ロータインバータ１２Bと、界磁コイルとしてのコイル２１とからなる。

重要な点は、この実施形態では、コイル２１、２２がそれぞれ実施形態１で説明した発電コイル９の界磁コイル１０を兼ねており、発電機能と界磁束発生機能とを有することである。

コイル２１、２２の配置を図５に示す。

図５のロータコア６は、８つのロータ磁極６１を有する突極構造を有し、各ロータ磁極６１にはそれぞれ一つの部分コイルCが集中巻きされている。コイル２１は、周方向奇数番目の４つのロータ磁極に巻装される４つの部分コイルCを交互に逆向きに接続して構成される。これにより、これら４つの部分コイルＣは、逆向きの磁界を形成する。

コイル２２は、周方向奇数番目の４つのロータ磁極に巻装される４つの部分コイルCを交互に逆向きに接続して構成される。これにより、これら４つの部分コイルＣは、逆向きの磁界を形成する。

各ロータ磁極６１は電気角π／２離れて配列されているため、コイル２１に流れる電流とコイル２２に流れる電流とは、同一周波数で電気角π／２ずれていることが好適である。これにより、コイル２１に流れる電流とコイル２２に流れる電流とは一つの合成ロータ電流とみなすことができる。

結局、コイル２１には、その発電電圧とロータインバータ１２Bが印加する交流電圧との合成電圧が印加され、この合成電圧とコイル２１のインピーダンスとにより決定される電流がコイル２１に流れ、この電流によりコイル２１の交流磁束Φ２１が決定される。

同じく、コイル２２には、その発電電圧とロータインバータ１２Aが印加する交流電圧との合成電圧が印加され、この合成電圧とコイル２２のインピーダンスとにより決定される電流がコイル２２に流れ、この電流によりコイル２２の交流磁束Φ２２が決定される。

周波数が等しいこれら交流磁束Φ２１と交流磁束Φ２２とのベクトル和により、ロータ磁束Φｒが形成される。もちろん、ステータ側から見たこのロータ磁束Φｒの角速度はその周波数により決定される磁束角速度とロータの実角速度との和であり、ステータ回転磁界の角速度に等しくされる。

実施形態１の交流モータの回路図である。 ロータにおける電流及び磁束の関係を示すベクトル図である。 ステータ回転磁界とロータ磁束とロータとの角速度の関係を示す図である。 実施形態２の交流モータの回路図である。 実施形態２のコイル巻装状態を示すコイル巻線図である。

符号の説明

C 部分コイル
If 界磁電流
Ig 発電電流
Ir ロータ電流
Is ステータ電流
Vｇ 誘導電圧
Φｒ ロータ磁束
ωrotor ロータの角速度
ωslip ロータ電流の角速度
ωstator ステータ回転磁界の角速度
１ ステータ
２ ステータコア
３ ステータコイル
４ 回転軸
５ ロータ
６ ロータコア
７ 交流界磁束発生回路
７A 第１の交流界磁束発生回路
７B 第２の交流界磁束発生回路
８ ３相インバータ
９ 発電コイル
１０ 界磁コイル
１１ 整流回路
１１A 整流回路
１１B 整流回路
１２ ロータインバータ
１２A ロータインバータ
１２B ロータインバータ
２１ コイル
２２ コイル
６１ ロータ磁極

Claims (5)

1. 回転するステータ磁界を形成する複数相の相巻線からなるステータコイルが巻かれた軟磁性のステータコアと、
   前記ステータコアに対面して回転する軟磁性のロータコアと、前記ロータコアに装備されて前記ステータコイルと鎖交する交流界磁束を形成する交流界磁束発生回路とを備えるロータと、
   を備える交流モータにおいて、
   前記交流界磁束発生回路は、
   前記ロータコアに巻かれて前記ステータ磁界と同期回転する前記交流界磁束を形成する界磁コイルと、
   前記ロータコアに巻かれて前記ステータ磁界により誘導された交流電力を出力する発電コイルと、
   前記交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、
   給電された前記直流電力を前記ステータ磁界と同期する交流電力に変換して前記界磁コイルに出力するインバータと、
   を備えることを特徴とする交流モータ。
2. 前記交流界磁束発生回路は、
   前記発電コイル、界磁コイル、整流器及インバータをそれぞれ含む第１、第２の回路セットを有し、
   前記第１の回路セットの前記発電コイルは前記第２の回路セットの界磁コイルを兼ね、
   前記第２の回路セットの前記発電コイルは前記第１の回路セットの界磁コイルを兼ねる請求項１記載の交流モータ。
3. 前記第１、第２の回路セットのインバータは、互いの位相が電気角π／２離れた２つの単相交流電力を個別に出力し、
   前記第１、第２の回路セットの界磁コイルは、空間的に電気角π／２離れて配置される請求項２記載の交流モータ。
4. 前記交流界磁束発生回路は、
   前記発電コイル、界磁コイル、整流器及びインバータをそれぞれ含む一つの回路セットを有し、
   前記発電コイルの発電電流が発生する発電コイル磁束と、前記界磁コイルの交流界磁電流が発生する作る界磁コイル磁束とのベクトル和により、前記ステータコイルと鎖交する前記交流界磁束を形成する請求項１記載の交流モータ。
5. 前記発電コイルと前記界磁コイルとは電気角π／２だけ位相角がずれている請求項４記載の交流モータ。

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