JP2622884B2 - パラメトリック発振利用の交流電機 - Google Patents

パラメトリック発振利用の交流電機

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は交流電機に関するもので、詳しくは直交磁心
(路)によるパラメトリック発振を利用した交流電動機
及び/あるいは交流発電機の改良に関する。
[従来技術] 第8図は、従来において本発明者らにより提案された
パラメトリック電動機の基本構成を示す図である。
第8図に示すように、この従来のパラメトリック発振
電動機50は、円筒状共通磁路53の軸方向の一方の一直径
両端位置に、U字状磁心51の両端を接続し、更に、共通
磁路53の軸方向の他方のU字状磁心51との空間位置が90
度ずれた直径の両端位置に、U字状磁心52の両端を接続
し、U字状磁心51およびU字状磁心52をそれぞれ1次側
磁心及び2次側磁心とし、1次側磁心51に励磁用1次側
巻線55を、2次側磁心52に同調コンデンサCが並列にb,
b′で接続された2次側巻線56をそれぞれ施し、1次お
よび2次側巻線に印加および誘起される二つの電圧の時
間的位相が90度ずれて発生するように構成している。更
に、共通磁路53の内側に磁路53と同軸に従来の電動機に
用いられる巻線、かご形磁石の回転子54を組込んだ構造
としている。このようなパラメトリック発振を利用した
電動機は、合衆国特許第4,758,753号、同4,764,698号明
細書、特開昭55−144769号公報に開示されている。
パラメトリック発振とは、従来から知られているよう
に、「ある系のパラメータを周期的に変化させたとき、
その系に振動が発生する現象」である。
上記のパラメトリックモータは、磁心に周期的に磁気
飽和を生じさせて、インダクタンスを周期的に変化させ
ることによって、パラメトリック発振を発生させてい
る。
第8図のパラメトリック電動機50では、スイッチSwを
閉じ、交流入力電圧E1を1次側巻線55に印加すると、E1
がある値以上に大きくなったとき、1次側磁心51と共通
磁路53が周期的に磁気飽和される。このため、共通磁路
53と結合した2次側磁心52に巻回されている2次側巻線
56のインダクタンスが周期的に変化する。このためパラ
メトリック発振が生じ、1次側磁心51と90度転移させた
2次側磁心52の2次側巻線56のインダクタンス分とコン
デンサCとを交流入力周波数に同調させているので、交
流入力電圧E1と位相のほぼ90゜異なる電圧E2が2次側巻
線に誘起される。1次側巻線55の励磁により生じた磁路
51の磁束φと、2次側巻線56に誘起された電圧E2によ
り生じた磁路52の磁束φとは、共通磁路53において90
度の位相差をもって空間的にこの共通磁路53の面内にお
いて,この中心軸に対して夫々交差する方向で且つ互い
に直交する方向に夫々互いに位相が90度異なる2相の交
流磁束φ1となり,その合成磁束φは,第9図で
示すように,共通磁路53の面内において上記2相成分を
有する回転磁界となり、それが、回転子54を回転させ
る。
これらパラメトリック発振利用の交流電動機の特長点
は次の通りである。
(1)構造が極めて簡単であり,したがって製作費は安
価である。
(2)固定子にスロットを有しない。したがって,スロ
ットの存在に起因する磁界リップル,その他の諸問題が
発生しない。
(3)励磁巻線が変圧器の場合のように型巻することが
できる。このため巻線経費が急減する。
(4)2次側のコンデンサと並列に可変抵抗を挿入し,
この値を変化させることにより,速度制御が容易にでき
る。
(5)回転磁界がほとんど円形となるために,回転が円
滑で騒音が極めて少ない。
(6)補助巻線をわずかに付加することにより正転,逆
転が容易である。
(7)パラメトリック発振を利用しているために,1次電
圧が方形波交番電圧でも回転は円滑に行われる。すなわ
ち,一般の交流電動機と異なり,方形波交番電圧で駆動
してもその効率はあまり低下しない,これは極めて優れ
た特徴といえよう。
(8)スロットがないため,フェライトやアモルファス
磁性材料などで磁気回路を構成すると小形で高速回転の
電動機を容易に製作できる。
(9)2次側回路が故障し,短絡あるいは開路が生じて
も,単にパラメトリック発振が停止するだけであり,電
動機の焼損その他の事故は発生しない。
(10)構造が簡単なため,種々の変形電動機を製作する
ことができる。このため新形式のアクチュエータ等に応
用することが可能である。
[発明が解決しようとする課題] 上述したパラメトリック発振利用のモータ装置には,
本質的な問題点もあるが本質の問題に至る前にはまだ改
善が可能である。
というのは,従来の交流あるいは直流電動機の製造
は,産業として育つ中において経験などから電動機とし
ての効率向上,精度や信頼性の向上につながったもので
あるが,ましてや,本発明者らの提案したパラメトリッ
ク発振を利用した交流電機は研究の域にあり,従来の交
流電動機の経験が必ずしも活用できるとも言えず,試行
錯誤しながら改善しているのが実態である。
そこで,本発明の技術的課題は、この様な背景から,
パラメトリック発振を利用した交流電動機及び発電機と
しての効率及び出力を改善した交流電機を提供すること
にある。
[課題を解決するための手段] 本発明のパラメトリック発振利用の交流電機は,パラ
メトリック変圧器及びパラメトリックモータの2つの機
能を内在していると言え,交流電機として効率や出力を
改善するには,共通磁路における回転子軸方向の磁束
と,回転子径方向の磁束との兼ね合いで,両者の磁束を
存在させた上で交流電機としての効率や出力を上げる為
に,軸方向の磁気抵抗を大きくし,回転子径方向の磁束
を多く流れる様に構成したことである。
本発明によれば,軟磁性体を筒状に構成した共通磁路
と,前記共通磁路の中心軸方向の一方の端面の一直径両
端位置に,両端を接続されたU字状の一次側磁心と,前
記共通磁路の中心軸方向の前記一方の端面と反対側の他
方の端面の前記一直径と位相が略90度ずれた他の一直径
両端位置に,両端を接続されたU字状の2次側磁心と,
前記共通磁路内部に前記中心軸と同軸となるように配置
された回転子と,前記一次側磁心に施された1次側巻線
と,前記2次側磁心に施され,同調コンデンサを並列に
接続した2次側巻線とを有するパラメトリック発振利用
の交流電機において,前記共通磁路は複数の環状磁路か
らなり,前記複数の環状磁路は前記共通磁路の中心軸と
夫々の中心軸が一致するように,前記中心軸方向に,端
面同士を合わせて連設された複数の環状の軟磁性体から
構成されていることを特徴とするパラメトリック発振利
用の交流電機が得られる。
軟磁性体を筒状に構成した共通磁路と,前記共通磁路
の中心軸方向の一方の端面の一直径両端位置に,両端を
接続されたU字状の一次側磁心と,前記共通磁路の中心
軸方向の前記一方と反対側の他方の端面の前記一直径と
位相が略90度ずれた他の一直径両端位置に,両端を接続
されたU字状の2次側磁心と,前記共通磁路内部に前記
中心軸と同軸となるように配置された回転子と,前記一
次側磁心に施された1次側巻線と,前記2次側磁心に施
され,同調コンデンサを並列に接続した2次側巻線とを
有するパラメトリック発振利用の交流電機において,前
記共通磁路は,前記中心軸と同軸に,且つ前記中心軸方
向に,端面同士を合わせて連設された複数の環状の軟磁
性体から構成された複数の環状磁路からなることを特徴
とするパラメトリック発振利用の交流電機が得られる。
本発明においては,前記環状磁路は硅素鋼板及びアモ
ルファス合金等の金属軟磁性体で構成することが好まし
いが、軟磁性体であるならば、これらに限定されるもの
ではない。
本発明において,交流電機とは交流電動機及び交流発
電機を総称して呼ぶ。
尚、後述する実施例では2極機について述べている
が,本発明による交流電機は4,6,8…極等の多極機の製
作も可能であり,試作によりその可能性を確かめられて
いる。
[実施例] 以下,本発明について,実施例を用いてさらに詳しく
述べる。
実施例−1 第1図(a)は本発明によるパラメトリック発振利用
の誘導電動機の構造体の一例を示す分解図,第1図
(b)は誘導電動機の回転子の一例を示す斜視図、第2
図(イ)(ロ)(ハ)は共通磁路を形成する磁心3の構
成を示す図で、(イ)は従来例、(ロ)は本発明に係る
共通磁路の第1の例、(ハ)は本発明に係る共通磁路の
第2の例を夫々示している。である。
第1図(a)において1次側磁心1,2次側磁心2は同
形のU字状を有し、夫々の磁心の両端面は円筒状の共通
磁路3の夫々端面の互いに90゜をなすような夫々の直径
両端位置に接続されている。共通磁路3内に第1図
(b)に示す回転子4を同軸的に配置される。
本発明の実施例に係るパラメトリック発振利用の誘導
電動機を次のように作製した。
具体的には、1次側磁心1,2側磁心2の寸法は同じく
し,a=25.1mm,b=41.0mm,c/2=43.8mm,d=85.1mm,e=9
1.2mm,f/2=68.6mmのU字形の一方向性硅素鋼板とし,
回転子4は直径Dr=58.5mm,長さl=30.0mmの銅のケー
ジ形回転子4を共通磁路と同軸となるように組込み,1次
側磁心1の巻線数及び2次側磁心2の巻線数N1=N2=42
4回とした。
また,2次側磁心の巻線に同期コンデンサを並列に接続
した。そして、共通磁路3の外径Do=80.0mm,内径Di=6
0.0mmの周方向に巻回積層した無方向硅素を鋼板を用い
た。
但し,磁路3の軸方向長さhを32.1mmと一定とし,第
2図に示すように(イ)従来と同じく一体のものと,
(ロ)2個の長さ16.05mmの環状磁路34及び35を端面同
士を合わせて夫々の中心軸方向を一致させて中心軸方向
に連設した構造を有する共通磁路3,(ハ)3個の長さ1
0.7mmの環状磁路31,32,及び33を端面同士を合わせて夫
々の中心軸方向を一致させて中心軸方向に連設した構造
を有する共通磁路3を用いて検討した。
第3図は第2図(イ)(ロ)(ハ)で示す共通磁路3
の,パラメトリック発振状態でしかも同一条件下におい
て,共通磁路(第1図の符号3)と回転子(第1図の符
号4)との間に16個のさぐりコイルを挿入して径方向の
磁束密度Bmを計測しそれを平均した値▲▼の結果で
ある。
また,交流電動機の一般的方法で効率最大値ηmaxを
計測した結果を第4図にまとめた。
第4図中の(イ)(ロ)(ハ)は,第2図(イ)
(ロ)及び(ハ)に夫々対応している。
第4図において,(ロ)及び(ハ)のように,共通磁
路3を複数の環状磁路を接続して構成することにより,
平均磁束密度▲▼が増大し,効率もηmaxも同様に
増大している。従来(イ)にくらべ(ハ)ではηmaxは1
6%も増大していることが明らかで,これは軸方向への
磁気抵抗を大とし,径方向への磁束量が増大させること
によるものと判明した。
実施例−2 第5図は、実施例−1と同様な構成の誘導電動機を回
転子の直径Dγを変化させ,その時に共通磁路が一個の
環状磁路からなる従来のものと3個に分割した実施例に
係るものについての出力Poと効率ηとの変化をまとめた
ものである。
この場合,回転子の直径Dγの変化に伴い,磁心1,2,
3の寸法は当然変化するが,回転子の径Dγが同一の場
合には共通磁路を一体ものか3個のものにしたかの差だ
けとし,その他の条件は同一として計測した。この場合
にも,共通磁路を複数個にすることによって,出力が80
%近くも向上することも可能とした。
以上,実施例を用いて本発明を説明したが,共通磁路
において,径方向への磁束が増大させる様に構成させる
ことにより電動機特性を向上させることを明らかにし
た。
また,共通磁路3が硅素鋼板の巻コア(リボンを周方
向に巻回積層した磁心)の場合には,実施例の様に軸方
向に複数個接続することが良いが,リボン状の打ち抜き
コアを複数枚積層して構成した共通磁路3も好適であ
る。
実施例において、環状磁路31,32,33,34,及び35を硅素
鋼板の金属軟磁性体で構成したが、他に、アモルファス
合金等の金属軟磁性体が使用可能である。
また,本実施例については誘導電動機を主体に記した
が,パラメトリック誘導発電機に使用する場合は,第1
図に示した回転子を第6図(a),(b),(c)の断
面図及び第7図に示される構成とすることにより,実施
例1,2で示された電動機の構成を用いて,巻線の1次側
より起電力を取り出すことも可能で,パラメトリック誘
導発電機にも有効であることを確認している。
以上,本発明について,パラメトリック誘導電動機あ
るいは誘導発電機のほかに,パラメトリック発振の同期
型電動機についても適用できること当然であり,さらに
は,磁極が2極の場合についてのみ説明したが,4極,6極
の各極とした1次及び2次側の磁心を用いた場合でも同
様に効率や出力が高められることも、実用可能であるこ
とも確認している。
即ち、2極では、1次側磁心と2次側磁心とは、空間
的位置が90度ずれたものであるが、4極,6極では45度,3
0度のずれとし、1次側と2次側の磁気的位相がいずれ
も90度(π/2ラジアン)とすることにより、更に多極で
も同様に可能である。
[発明の効果] 以上説明したように,本発明の交流電機によれば,円
筒状の共通磁路を,この共通磁路の中心軸方向に,隣合
う互いの端面を合わせて接続配列された複数の環状磁路
からなるように構成したので,中心軸方向の磁気抵抗を
大きくし回転子径方向の磁束の流れを多くすることによ
って,交流電動機及び交流発電機等としての効率化及び
出力が向上した交流電機に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例に係る交流電動機の構成
を示す図,第2図は(イ),(ロ),(ハ)は第1図
(a)の交流電動機の磁心Bの構成を示す図,第3図は
第1図の交流電動機の共通磁路の変化と磁束密度Bmとの
関係を示す図,第4図は第1図の交流電動機の共通磁路
と効率最大値ηmaxの変化を示す図,第5図は第2の実
施例に係る交流電動機の磁心の分割に対する出力Po及び
効率ηの変化を示す図,第6図(a),(b)及び
(c)は誘導発電機の回転子の例を示す横断面図,第7
図は誘導発電機の回転子の一例を示す側面図,第8図は
従来のパラメトリック電動機の基本構成を示す図であ
る。また,第9図は第8図の動作原理の説明に供する図
であり,(a)は1次側の電圧E1と磁束φの位相関
係,(b)はパラメトリック発振が確立した定常状態の
場合に2次側電圧E2と磁束φの位相関係を示し,
(c)は共通磁路における磁束φとφの合成磁束φ
を1次,2次の各磁束により定性的に合成して示したも
ので,合成磁束φは回転磁界となっていることを説明
したものである。 図中,1は1次側磁心,2は2次側磁心,3は共通磁路,4は回
転子,31,32,33,34,及び35は環状磁路,50はパラメトリッ
ク発振利用の電動機,51は1次側磁心,52は2次側磁心,5
3は共通磁路,54は回転子,55は1次側巻線,56は2次側巻
線である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3716734(US,A) 日経メカニカル、1981年3月30日号、 P.89−93

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】軟磁性体を筒状に構成した共通磁路と, 前記共通磁路の中心軸方向の一方の端面の一直径両端位
    置に,両端を接続されたU字状の一次側磁心と, 前記共通磁路の中心軸方向の前記一方の端面と反対側の
    他方の端面の前記一直径と位相が略90度ずれた他の一直
    径両端位置に,両端を接続されたU字状の2次側磁心
    と, 前記共通磁路内部に前記中心軸と同軸となるように配置
    された回転子と, 前記一次側磁心に施された1次側巻線と, 前記2次側磁心に施され,同調コンデンサを並列に接続
    した2次側巻線とを有するパラメトリック発振利用の交
    流電機において, 前記共通磁路は複数の環状磁路からなり,前記複数の環
    状磁路は前記共通磁路の中心軸と夫々の中心軸が一致す
    るように,前記中心軸方向に,端面同士を合わせて連設
    された複数の環状の軟磁性体から構成されていることを
    特徴とするパラメトリック発振利用の交流電機。
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