JP2644333B2 - 直流無整流子電動機 - Google Patents

直流無整流子電動機

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JP2644333B2
JP2644333B2 JP1152284A JP15228489A JP2644333B2 JP 2644333 B2 JP2644333 B2 JP 2644333B2 JP 1152284 A JP1152284 A JP 1152284A JP 15228489 A JP15228489 A JP 15228489A JP 2644333 B2 JP2644333 B2 JP 2644333B2
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armature coil
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magnetic poles
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一三 松井
隆 高末
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HIGASHINIPPON RYOKAKU TETSUDO KK
Furukawa Electric Co Ltd
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HIGASHINIPPON RYOKAKU TETSUDO KK
Furukawa Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は直流無整流子電動機に関するものであり、
更に詳しくは、各相コイル毎に梯形波交番電流を得るべ
く各相コイル毎に取付けられる電流形変換器(転流イン
バータ)の数、即ち多相化を最小限に押えてしかもトル
クの脈動を減少させるための電機子コイルと回転界磁磁
極との相対的な位置寸法関係の設定に関するものであ
る。
[従来の技術] ブラシと整流子という機械的な整流機構をもつ直流電
動機は、急激なトルク負荷変動に対応できるので、大加
減速度が得られるという利点はあるものの、整流子とい
う機械的な整流機構を採用するために、整流時における
駆動トルクの脈流を小さくし、また整流子間で火花が出
ないよう整流電圧を低く抑えるためもあり、コイルを多
相化する必要がある。しかしながら、駆動トルクの脈流
を除去するまでには至らず、整流子片やブラシの摩耗と
いう問題点もあり、且つ大型機を作ることが困難であ
る。また、コイルの多相化に対応して、転流インバータ
の数も増加するという難点があった。
他方、通常の直流電動機と比べて無整流子という点で
優れているものに同期電動機があるが、同期電動機は本
来電源周波数に同期してしか駆動トルクを出せないの
で、起動時には電気的すべりを生じる誘導電動機を併用
していたが、可変周波数電力変換器の出現によって同期
電動機自体での起動が可能となった。しかしながら可変
周波数電力変換器によって三相正弦波交流電流を作るの
が難しく、コイルを多相化しても残る駆動トルク脈流を
抑えるために、回転子回転角位置を検出して電力変換機
の転流制御を行なうようにしてきた。更に最近では、過
電流を防ぐことができ、しかも転流制御、すなわち周波
数制御を行なうことができるVVVFインバータを用いるも
のも現われており、このものでは直流電動機に類似した
構成となっているが、電流波形を正弦波にすることは依
然として難しく、トルク脈動が残ることには変りがな
い。
[発明が解決しようとする課題] この発明は、直流電動機の欠点となる整流子による整
流をフリップフロップ・サイリスタ・インバータの強制
転流に置き換えると共に、回転界磁の磁極面長、コイル
ピッチ、相数間に一定の条件を与えることによってトル
クが一定となる無整流子直流電動機を提供しようとする
ものである。
[課題を解決するための手段] 上述の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、
二相以上の対称巻線を有する電機子コイルと二極以上の
対称磁極を有する磁石界磁とを備えた回転型直流電動機
と、界磁回転軸の回転角位置に応じたパルス信号により
前記界磁と電機子コイルとの位相関係を一定に保つよう
に前記回転軸の回転に同期した出力周波数で前記電機子
コイルの各相巻線へ直流電流を転流して梯形波交番電流
として与える可変周波数電流計変換器とを含む直流無整
流子電動機において、前記永久磁石界磁の磁極数を2p、
前記電機子コイルと相数をnとするとき、前記各磁極の
電機子コイルと対面する磁極面が、 の電気角を有する周方向長さを有し、相異なる磁極間に
空隙を有することを特徴とする。
また本願請求項2に記載の発明に係る直流無整流子電
動機では、前記請求項1に記載の発明に加えて、界磁回
転軸の回転角位置を検出する位置検出器と、該位置検出
器の検出信号により前記回転軸の回転角位置に対応した
タイミングのパルス信号を生じるゲート回路と、前記パ
ルス信号によってゲート制御される強制転流型サイリス
タインバータを有する可変周波数電流変換器とを備えた
ものである。
[作用] 本発明においては、前記永久磁石界磁の磁極数を2p、
電機子コイルの相数をnとするとき、前記各磁極の電機
子コイルと対面する磁極面の周方向長さを、 の電気角(φ)を有する寸法にする。
すなわち、例えば磁極数が2p=2、電機子コイル相数
n=2の場合、各磁極の電機子各相コイルと対面する磁
極面の周方向長さをπ/2の電気角に相当する寸法にす
る。
種々の磁極数2pと相数nについて磁極長さの電気角φ
を示せば以下の表の通りである。
今、理解し易いように相数n=2で磁極数2p=2、従
って磁極長さの電気角φ=π/2の場合を想定する。実施
例に対応する第1図および第2図はこの場合である。或
る転流期間において可変周波数変換器Tからの転流電流
が、電機子コイルの各相コイルA,Bのπ/2ずつずれた有
効導体辺部A1,3,5,B1,3,5,A2,4,6,B2,4,6に回転方向に
沿って交互に逆向きに流れているとする。各々π/2の寸
法をもつ磁極N,Sが両端縁で丁度対応する導体辺部の中
心に対面する状態では、各磁極が端縁部で1/2本分ずつ
の導体辺部とオーバーラップし、同時にその内方で等し
い本数の導体辺部とオーバーラップし、平均のオーバー
ラップ量は導体辺部の例えば3本分である。電機子コイ
ルに対する磁極の鎖交磁束量は前記オーバーラップ量に
対応するから、各磁極はこの場合平均3本の導体辺部に
磁束を鎖交させながら電機子コイルの転流励磁による回
転磁界に追従して回転する。本発明ではオーバーラップ
量は全回転角度範囲内で常に一定である。転流電流の切
換は、第2図で磁極Nの左端が導体辺部A1を越えたとき
(このとき同右端が導体辺部B1を丁度抜ける)から、次
の導体辺部B6にかかりはじめるとき(このとき同右端が
導体辺部A5にかかりはじめる。)までの間に完了させ
る。この転流電流の切換は、転流開始タイミングを位置
検出器Dの位置パルス信号に基いてゲート制御回路GCで
閉ループ位相制御し、転流期間を転流コンデンサC1〜C4
で適切に設定することにより常に決められた磁極回転位
置範囲内でなされる。
このようにして各磁極が常に同じ平均本数の導体辺部
と磁束を鎖交させながら転流による電機子コイルの回転
磁界に追従して一定トルクで回転する。
[実施例] 第1図および第2図は本発明の基本的な実施例を示し
ている。
第1図では、本発明の基本原理を理解し易くするため
に二相二磁極の永久磁石回転界磁式直流無整流子電動機
の構成を模式的に示してある。
この無整流子電動機は、対称分布巻の二相電機子コイ
ルA,Bを有する固定子STと対称二磁極N,Sの永久磁石回転
界磁からなる回転子Rとで構成された電動機Mと、回転
子Rの回転軸に取付けられたインクリメンタルパルスエ
ンコーダなどの位置検出器Dと、可変周波数電流変換器
Tとで構成され、可変周波数電流変換器Tには、三相交
流電源から順変換器Fおよび直流リアクトルDRを含む定
電流電源Pを介して直流電流が給電されている。この直
流無整流子電動機では、回転子Rの回転周波数と同期し
た位置パルス信号を検出器Dから得て可変周波数電流変
換器Tのゲート制御回路GCに入力し、ゲート制御回路GC
からのゲートトリガ信号によって変換器Tの四相分のサ
イリスタ強制転流式インバータTh1〜Th8を制御し、これ
により、回転子Rの回転周波数と同期した直流転流電流
を電機子コイルA,Bに順次流して、電動機Mの回転を閉
ループで制御する。この場合、回転数の可変設定は前記
ゲート制御回路GCの設定入力端IPに設定信号を与えて行
うことは通常と変りない。このようにして設定された転
流周波数を回転周波数に常に同期させ、同時に界磁と電
機子コイルとの位相関係を一定に保つようにする。尚、
定電流電源Pはゲートトリガ回路GTによって順変換器F
のサイリスタの導通を切り変ることにより直流電流を得
るが、この場合、電流検出器DIによる負荷電流I0が一定
に保たれるようにゲートトリガ回路GTによって順変換器
Fのサイリスタ導通角を制御している。
さて、本発明においては、前記永久磁石界磁の磁極数
を2p、前記電機子コイルの相数をnとするとき、前記各
磁極の電機子コイルと対面する磁極面の周方向長さを、 の電気角(φ)を有する寸法としてある。
すなわち第1図において、この場合、磁極数は2p=
2、電機子コイル相数n=2であるから、各磁極N,Sの
電機子コイルA,Bと対面する磁極面の周方向長さをπ/2
の電気角(φ)を有する寸法にしてある。すなわち第2
図は電機子コイル側からみた展開図で、各部符号は第1
図のものに相当する。第2図において、対称磁極N,Sの
回転方向に関する長さは電気角でπ/2であり、これは対
称巻線からなる電機子コイルのA相コイルとB相コイル
との機械的な位相差角度に対応している。この場合、各
相コイルA,Bはそれぞれ三ターンの分布巻コイルである
が、A相コイルとB相コイルとで同一数の単位コイルが
対応したπ/2の角度で配置されており、相コイルAの有
効導体辺部をA1〜A6とし、対応する相コイルBの有効導
体辺部をB1〜B6とすると、A1とB1、A2とB2、以下同様に
A6とB6がそれぞれ互いにπ/2の角度間隔だけ離れてい
る。
或る転流期間において可変周波数電流変換器Tからの
転流電流が、導体辺部A1,A3,A5,B1,B3,B5に第2図で上
向きに、導体辺部A2,A4,A6,B2,B4,B6に下向きに流れた
とすると、第2図の位置にある各磁極N,Sは両端縁で1/2
本分ずつの導体辺部とオーバーラップすると共にその内
方で2本分ずつの導体辺部とオーバーラップし、平均の
オーバーラップ量は導体辺部3本分である。電機子コイ
ルに対する磁極の鎖交磁束量は前記オーバーラップ量に
対応するから、各磁極は平均3本の導体辺部に磁束を鎖
交させながら電機子コイルの転流励磁による回転磁界に
追従して回転する。これは全回転角度範囲内で一定であ
る。転流電流の切換は第2図で磁極Nの左端が導体辺部
A1を越えたとき(このとき同右端が導体辺部B1を丁度抜
ける)から、次の導体辺部B6にかかりはじめるとき(こ
のとき同右端が導体辺部A5にかかりはじめる。)までの
間に完了させる。この転流電流の切換は、転流開始タイ
ミングを位置検出器Dの位置パルス信号に基づいてゲー
ト制御回路GCで閉ループ位相制御し、転流期間を転流コ
ンデンサC1〜C4で適切に設定することにより常に決めら
れた磁極回転位置範囲内でなされることは述べるまでも
ない。
このようにして各磁極が常に平均3本の導体辺部と磁
束を鎖交させながら転流による電機子コイルの回転磁界
に追従して一定トルクで回転する。尚、このトルクの大
きさ自体は回転中の回転子起磁力と固定子起磁力との空
間的な作用方向の角度差で定まり、これを常にπ/2に保
つようにすれば直流機と同様な大きなトルクが得られる
ことになる。
第3図は電機子コイルを波巻とした場合の展開図で、
この場合の相数はn=3、磁極数は2p=4であり、三相
対称巻の電機子コイルに対して各磁極の長さは電気角で
π/3としてある。
この場合の動作も前述の実施例と同様であるので詳し
い説明は省略する。
[発明の効果] 以上に述べたように、本発明によれば、電機子コイル
の相数如何によらず回転子のトルクは常に安定し、相数
が少ない場合にもトルク脈動が生じにくいという利点が
あり、可変速モータとして最小相数の小形モータを実現
できるものである。
尚、本発明のモータにおいて可変周波数電流変換器に
サイリスタフリップフロップ強制転流インバータを用い
た場合、転流周波数の強制だけで回転数を容易に可変速
制御でき、同時に電力回生による制動も容易となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係る直流無整流子モータの構
成を示す模式回路図、第2図はその電機子コイルと界磁
磁極との位置関係を示す模式展開図、第3図は別の実施
例に係る同様な模式展開図である。 (主要部分の符号の説明) M:永久磁石回転界磁型直流電動機、ST:固定子、R:回転
子、A,B:電機子コイル、D:位置検出器、T:可変周波数電
流変換器、GC:ゲート制御回路、Th1〜Th8:インバータ用
サイリスタ、C1〜C4:転流コンデンサ、P:定電流電源、G
T:ゲートトリガ回路、F:順変換器、DR:直流リアクタ、D
I:電流検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−126889(JP,A) 特開 昭62−250855(JP,A) 実開 昭55−83877(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二相以上の対称巻線を有する電機子コイル
    と二極以上の対称磁極を有する永久磁石界磁とを備えた
    回転界磁型直流電動機と、界磁回転軸の回転角位置に応
    じたパルス信号により前記界磁と電機子コイルとの位相
    関係を一定に保つように前記回転軸の回転に同期した出
    力周波数で前記電機子コイルの各相巻線へ直流電流を転
    流して梯形波交番電流として与える可変周波数電流変換
    器とを含む直流無整流子電動機において、 前記永久磁石界磁の磁極数を2p、前記電機子コイルと相
    数をnとするとき、前記各磁極の電機子コイルと対面す
    る磁極面が、 の電気角を有する周方向長さを有し、相異なる磁極間に
    空隙を有することを特徴とする直流無整流子電動機。
  2. 【請求項2】界磁回転軸の回転角位置を検出する位置検
    出器と、該位置検出器の検出信号により前記回転軸の回
    転角位置に対応したタイミングのパルス信号を生じるゲ
    ート回路と、前記パルス信号によってゲート制御される
    強制転流型サイリスタインバータを有する可変周波数電
    流形変換器とを備えた請求項1に記載の直流無整流子電
    動機。
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