JP2989881B2 - ２固定子誘導同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は起動機およびブラシを必要としない起動トル
クの大きい誘導同期電動機に関する。

【従来の技術】

一般に同期電動機は、その回転子を固定子巻線の作る
回転磁界の回転速度すなわち同期速度近くまで加速する
起動機と、回転子巻線の直流励磁が必要である。 この起動機を省略して同期電動機自体に起動トルクを
持たせるように考案されたのが誘導同期電動機で、これ
は起動時には回転子巻線を短絡して誘導電動機として起
動するために起動機は必要としないが、同期運転に必要
な回転子巻線の直流励磁のために、ブラシを必要とす
る。すなわち、回転子の回転速度が同期速度に近づくと
回転子巻線の短絡を開放して外部の直流電源からブラシ
を介して回転子巻線に直流電流を流して回転子に磁極を
作り、この磁極が固定子巻線の作る回転磁界に引張られ
て回転子は同期速度で回転する。このブラシは保守点検
を必要とすることから保守費を嵩み、ブラシレス構造の
同期電動機の開発が望まれている。 このブラシレス構造の同期電動機としては、従来から
永久磁石形やリラクタンク形があるが、誘導機起動が不
可能なために起動トルクが小さい欠点があるため小容量
のものに限られている。またランデル形やインダクタ形
の同期電動機は磁路の構成が複雑で大型となる欠点があ
った。また交流励磁器と回転整流器を用いる方法も同様
である。また回転子巻線にダイオードを接続してインバ
ーターの方形波電圧による高調波磁界を利用するブラシ
レス自励形三相同期電動機は回転子の磁界起磁力が不足
で十分な出力が得られない欠点がある。更には三相の固
定子巻線の一相にダイオードを挿入して固定子の作る正
相分回転磁界に静止磁励を重畳して、同期速度で回転す
る回転子巻線に静止磁界による交流電圧を誘起させて、
これをダイオードで整流することによって回転子巻線を
直流励磁して、正相分回転磁界を作用させて同期トルク
を発生するブラシレス自励形三相同期電動機であるが、
これは誘導機始動が不可能なために、回転子鉄心の渦電
流による起動となり起動トルクが小さい欠点がある。 また特公昭54−34124には起動を誘導機の原理によっ
て行い、同期運転は軸方向の直流磁界を作ってこれによ
って回転子コアに磁極を形成して行うものがあるが、こ
れは発生トルクが回転軸に対して非対称となるために軸
の振動の原因になる欠点がある。 以上のように、自己起動が可能であっても起動トルク
が小さいために、特に、慣性負荷の起動には必ず別の起
動機を必要とした。

【発明が解決しようとする課題】

したがって起動トルクが大きく、更に同期トルクも大
きく、しかもブラシを必要とせず、保守点検が容易で構
造が簡単で専用の起動機も必要としない慣性負荷に対応
できる同期電動機の提供を技術的課題とするものであ
る。

【課題を解決するための手段】

前記課題を解決するために、同一回転軸上に任意の間
隔をおいて設けた２個の回転子コアを永久磁石で構成
し、該回転子コアの外周上に２個の回転子コアに連通し
た導体を複数個設け、その両端を短絡環で連結すると共
に、該複数個の導体間を前記２個の回転子コアの中央部
において連絡抵抗が短絡した回転子と、前記回転子コア
にそれぞれ対向して周設した２個の固定子と、前記２個
の固定子のうち特定の固定子がこれに対峙する回転子コ
アの周囲に生じる回転磁界と、他の固定子がこれに対峙
する回転子コアの周囲に生じる回転磁界との間に位相差
を生じさせる電圧移相装置により構成し、前記永久磁石
で構成した２個の回転子コアの磁極は、一方の回転子コ
アのＮ極と他方の回転子コアのＮ極とを対向させて同一
の位置に配置し、さらに一方の回転子コアのＳ極と他方
の回転子コアのＳ極とを対向させて同一の位置に配置す
ると共に、前記電圧移相装置によって、起動時は位相差
180゜とし同期引き入れ時は位相差０゜とする構成とし
た。また、永久磁石で構成した回転子コアは円筒型また
は突極型で構成した。更に固定子を励磁する電源は商用
周波数の交流電源か又はインバータを利用した可変周波
数電源である。また電圧移相装置は、２個の固定子の相
対位置を機械的に回動するか、あるいは固定子巻線の端
子をスイッチで切換えて電源に接続するように構成し
た。

【作 用】

複数固定子誘導電動機の電圧移相装置の作用について
本出願人は特願昭61−128314号においてその詳細を説明
している。 本発明によると、まず同一回転軸上に永久磁石で構成
した２個の回転子コアを有し、該２個の回転子コアに連
通する導体を複数個設けその両端を短絡環で短絡すると
共に、複数個の導体間を前記２個の回転子コア間の中央
部において連絡抵抗で短絡してかご形導体とした回転子
と、前記２個の回転子コアに対向して周設した２個の固
定子より構成されたものにおいては、起動時には２個の
固定子の作る回転磁界によって複数個の回転子導体に誘
起される電圧の位相差角θがθ＝180゜になるように、
すなわち連絡抵抗を通じて回転子導体に電流が流れるよ
うに、電圧移相装置を作動させて一般の２次高抵抗型誘
導電動機として起動する。 このとき永久磁石で構成した２個の回転子コアの磁極
は、一方の回転子コアのＮ極と他方の回転子コアのＮ極
とを対向させて同一の位置に配置し、更に一方の回転子
コアのＳ極と他方の回転子コアのＳ極とを対向させて同
一の位置に配置してあり、また２つの固定子によって２
つの回転子コアの周囲に生じる回転磁界はその位相差θ
がθ＝180゜であるから、回転子コアの磁極と回転磁界
の間の反撥と吸引の作用が同一回転軸上で相殺されて、
回転子コアを形成する永久磁石は起動の障害にはならな
い。 起動後、回転子の回転速度が上昇して回転磁界の回転
速度すなわち同期速度に近づくと、回転磁界による回転
子導体の誘起電圧は小さくなる。ここまでは誘導電動機
としての動作であるが、すべりＳがＳ＝0.05に近づいた
時に同期運転に入る。これは次のようにして行う。 先ず２個の固定子のうち一方の固定子がこれに対峙す
る回転子コアの周囲に生じる回転磁界と他方の固定子が
これに対峙する回転子コアの周囲に生じる回転磁界との
間に位相差角θ＝０゜になるように電圧移相装置を作動
させる。このようにすると今まで回転子導体間の連絡抵
抗を流れていた電流が流れなくなると共に、トルク特性
は２次低抵抗型誘導電動機のトルクを発生する。 一方、永久磁石で構成した回転子コアの磁極は、２つ
の回転磁界の作る磁極とすべて吸引し合って同期速度に
至るものである。従って、本発明の誘導同期電動機は１
つの回転子と２つの固定子で構成しているが、２つの固
定子にそれぞれ対向する２つの回転子コアを有するので
１固定子と１回転子で構成する同期電動機の２倍の容量
と同等となる。 以上のように、本発明の２固定子誘導同期電動機は、
起動時には従来の２次高抵抗型誘導電動機の原理で起動
するから起動電流は小さく起動トルクが大きく、従って
他の特別の起動機を必要としない。また同期速度におい
ては回転子コアの永久磁石が回転磁界に吸引されるので
回転子コアの磁極を強くすれば同期トルクが大きく、ブ
ラシなどの保守を必要としない同期電動機を提供するこ
とが可能となった。 なお、電圧移相装置としては本出願人が特願昭61−12
8314号において固定子の位置を回転軸のまわりに機械的
に回動させることによって変える方法と、固定子巻線の
接続をスイッチによって切換えて行う方法の２つを説明
している。 以上のような構成によって、起動トルクが大きく、さ
らに同期トルクも大きく、しかもブラシを必要とせず、
保守点検が容易で構成が簡単で専用の起動機を必要とし
ない同期電動機を提供することが可能となった。 ところで、前記固定子巻線を励磁する電源は、商用周
波数の交流電源かまたはインバータを利用した可変周波
数電源を利用できる。上記可変周波数電源を利用する
と、同期速度の変更が容易に可能となり、その場合でも
通常の２次高抵抗型誘導電動機の大きな始動トルクで起
動可能であり、利用分野は大きく拡大し、安価な同期電
動機の提供が可能となった。

【実施例】

第１図乃至第３図により本発明の実施例を説明する。
まず第１図において符号20は２固定子同期電動機の固定
子側を示す。また符号30は同じく回転子側を示す。固定
子側20はスター結線した２つの固定子巻線21,22が並列
に３相交流電源R,S,Tに接続されている。 一方回転子側30の回転軸10に２つの回転子コア81,82
が設けてあり、この回転子コア81,82はＮ極とＳ極を対
とする永久磁石で構成されている。更に２つの回転子コ
ア81,82の外周上に装着した複数個の回転子導体31,32の
それぞれを連通状に連結してその両端部において導体を
短絡する短絡環33を設けて回転子導体をカゴ状に構成す
ると共に、該複数個の回転子導体間を前記２個の回転子
コア81,82の間の中央部において連絡抵抗35で短絡して
ある。 第２図は円筒形回転子コアの断面図、第３図は突極形
回転子コアの断面図を示す。 第２図、第３図に示すように２つの回転子コア81,82
の磁極は、Ｎ極とＳ極を対にして、一方の回転子コア82
のＮ極（又はＳ極）と他方の回転子コア81のＮ極（又は
Ｓ極）を対向させて同一の位置に配置されている。 ここで固定子巻線21に対峙する回転子導体31に誘起す
る電圧を第１図の図示の方向にＥとし、固定子巻線22に
対峙する回転子導体32に誘起する電圧を同図示の方向に
Ｅ_ε ^ｊθとする。ここでθは電圧の位相差角である。 以上の構成による作用を説明する。まず、起動時に
は、固定子の回転磁界により回転子導体31,32に生じる
誘起電圧の位相差角θがθ＝180゜になるように固定子
巻線21,22が結線された状態で電源に投入して起動す
る。このようにすると固定子巻線21,22に電源から３相
電流が流れて、180゜位相の異なる２つの回転磁界が生
じ、回転子導体31,32に電圧が誘起されるが、この場合
の誘起電圧の位相差角θ＝180゜であるから、回転子導
体31および回転子導体32へ流れる電流は共に連絡抵抗35
を通じて流れる。この回転子導体31,32に流れる電流と
固定子巻線21,22の作る回転磁界によるトルクは第７図
に示す曲線（ａ）のように、スベリＳ＝１においてトル
ク最大となる従来の２次高抵抗型誘導電動機のトルクと
同一である。従って起動電流は小さく起動トルクが大き
い。ただし、第７図（ａ）に示す曲線は連絡抵抗35と回
転子導体32との抵抗比、及び２次側全体の抵抗値により
変化するものであり、本実施例に示す曲線に限定される
事はない。 ここで永久磁石で構成された２つの回転子コア81,82
の磁極と固定子巻線21,22を作る回転磁界の磁極との間
の相互作用を考察してみる。 第４図は２つの回転子コア81,82と固定子21,22の磁極
相互の関係を示した斜視図を示したもので、２つの回転
子コア81,82は回転軸10で連結されている。また図示の
ように回転子コア81のＮ極と回転子コア82のＮ極が対向
して同一の位置に配置され、同じく回転子コア81のＳ極
と回転子コア82のＳ極が対向して同一の位置に配置され
ている。 また図示のように固定子巻線21の作る回転磁界の磁極
N,Sと固定子巻線22の作る回転磁界の磁極N,Sは共に同期
速度で同一方向に回転するが、２つの固定子巻線21,22
の作る２つの回転磁界の位相差角θは起動時にはθ＝18
0゜であるから、固定子巻線21の作る回転磁界の磁極Ｎ
（又はＳ）と固定子巻線22の作る回転磁界の磁極Ｎ（又
はＳ）は常に電気角で180゜異なった位置にある。 つまり、回転子コア81のＮ極と固定子巻線21の作る回
転磁界のＮ極との中心角をある瞬時においてαとする
と、回転子コア82のＮ極と固定子巻線22の作る回転磁界
のＳ極との中心角もαとなる。従って、回転子コア81に
作用する、固定子21のＮ極と回転子コア81のＮ極との反
撥力と、回転子コア82に作用する、固定子コア22のＮ極
と回転子コア82のＳ極の吸引力は等しく、この反撥力と
吸引力が打消されて回転子コア81,82の磁極は、２個の
固定子の回転磁界の影響を受けない。すなわち回転子コ
ア81,82の磁極は回転磁界の拘束を受けないで、本発明
の２固定子誘導同期電動機は、固定子の回転磁界と回転
子コア81,82に連通して設けた複数の回転子導体31,32に
よる従来の２次高抵抗型誘導電動機と同一のトルク特性
で起動する。従って起動電流は小さく起動トルクは大き
く、特別の別個の起動機を必要としない。 起動後、回転速度が上昇して、すべりＳがＳ＝0.05に
近づいた時に同期運転に引入れる。これは次のようにし
て行う。 先ず電圧移相装置によって２つの固定子巻線21,22の
一方、例えば固定子巻線22の位置を、回転軸のまわりに
回動させることによって変えて、２つの固定子巻線21,2
2の作る２つの回転磁界の位相差角θ＝０゜になるよう
にする。 このようにすると、２つの回転子導体31,32の誘導電
圧の位相差角θ＝０゜となり、回転子を流れる電流は回
転子導体31から回転子導体32へ向かって還流するように
流れる。従って第７図に示す曲線（ｂ）のような従来の
誘導電動機と同一のトルクを生じる。従ってＳ＝0.05に
おける同期引き入れトルクは大きい。 ここで永久磁石で構成された２つの回転子コア81,82
の磁極と固定子巻線21,22の作る回転磁界の磁極との間
の相互作用を考察してみる。 同期運転時には２つの固定子巻線21,22の作る２つの
回転磁界の位相差角θはθ＝０゜であるから、第５図に
示すように固定子巻線21の作る回転磁界の磁極Ｎ（又は
Ｓ）と固定子巻線22の作る回転磁界の磁極Ｎ（又はＳ）
は常に同一の位置にある。 従って回転子コア81のＮ極と固定子巻線21の作る回転
磁界のＮ極とが反撥し、同様に回転子コア82のＮ極と固
定子巻線22の作る回転磁界のＮ極とが反撥し、回転子コ
ア81,82の位置が第６図の位置に引込まれて、固定子と
回転子コアのすべての磁極N,Sが互いに吸引する状態で
安定する。すなわち回転子コア81,82の磁極が固定子巻
線21,22の作る回転磁界の磁極に引張られて、回転子は
回転磁界の回転速度と同一の速度すなわち同期速度で回
転する。この時の同期トルクは第７図の直線（Ｃ）に示
すとおりである。 この方法は構造が簡単で、起動トルクが大きく、また
同期引き入れトルクも大きく、回転子コアの永久磁石を
強力にすれば大きい同期トルクが得られ効率が良い利点
がある。 また本発明の同期電動機の起動を誘導電動機で行うの
で、一般的に誘導電動機で使用される電源を利用でき
る。つまり商用周波数の交流電源やインバータを利用し
た可変周波数電源を利用できる。 以上の実施例においては２個の固定子巻線を並列にし
て電源に接続したが、これは直列接続でもよい。また磁
極数は２極としたがそれ以上でもよい。

【効 果】

以上の効果から本発明の２固定子誘導同期電動機は、
特に慣性負荷に対し起動時は従来の２次高抵抗型誘導電
動機と同様のトルク特性で行い、すべりＳがたとえばＳ
＝0.05付近から同期速度に移行して同期電動機のトルク
特性で運転するものである。この２固定子誘導同期電動
機は、起動機やブラシを必要としないからその構造、構
成が簡単となるだけでなく、従来の２次高抵抗型の誘導
電動機と同様のトルク特性で起動できるので重負荷がか
かったままで起動と同期運転が可能となる。 ところで、本発明の２固定子誘導同期電動機は、誘導
電動機と同期電動機との両方のトルク特性を備えるか
ら、どちらかの電動機のトルク特性でも使用可能であ
る。このことは、同期速度で運転中、何らかの原因で脱
調した場合でも、同期電動機トルク特性から誘導電動機
のトルク特性に切換え可能であるから、一般の同期電動
機のように電動機が急激に停止することがない。 以上のようにブラシがなく複雑な構成を必要としない
から保守点検も容易であり、起動トルクが大きく同期ト
ルクも大きい同期電動機の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固定子巻線側と回転子側の簡単な構成
図、第２図は円筒形回転子コアの断面図、第３図は突極
形回転子コアの断面図、第４図は起動時の２つの回転子
コアと２つの固定子コアの磁極の作用を断面で簡略に示
した斜視図、第５図は同期速度に吸引する磁極の一例を
示した斜視図、第６図は同期速度で回転する２つの回転
子コアと２つの固定子コアを断面で簡略に示した斜視
図、第７図は本発明の２固定子誘導同期電動機のトルク
特性を示す図である。 10……回転軸、20……固定子側、21……固定子巻線、22
……固定子巻線、30……回転子側、31……回転子導体,3
2……回転子導体、33……短絡環、35……連絡抵抗、81,
82……回転子コア。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一回転軸上に任意の間隔をおいて設けた
   ２個の回転子コアを永久磁石で構成し、該回転子コアの
   外周上に２個の回転子コアに連通した導体を複数個設
   け、その両端を短絡環で連結すると共に、該複数個の導
   体間を前記２個の回転子コア間の中央部において連絡抵
   抗で短絡した回転子と、前記回転子コアにそれぞれ対向
   して周設した２個の固定子と、前記２個の固定子のうち
   特定の固定子がこれに対峙する回転子コアの周囲に生じ
   る回転磁界と、他の固定子がこれに対峙する回転子コア
   の周囲に生じる回転磁界との間に位相差を生じさせる電
   圧移相装置とを備え、一方の回転子コアのＮ極と他方の
   回転子コアのＮ極とを対向させて同一の位置に配置し、
   更に一方の回転子コアのＳ極と他方の回転子コアのＳ極
   とを対向させて同一の位置に配置すると共に、前記電圧
   移相装置によって、起動時は位相差180゜とし同期引き
   入れ時は位相差０゜とすることを特徴とする２固定子誘
   導同期電動機。
2. 【請求項２】永久磁石で構成した回転子コアは円筒型で
   あることを特徴とする請求項１記載の２固定子誘導同期
   電動機。
3. 【請求項３】永久磁石で構成した回転子コアは突極型で
   あることを特徴とする請求項１記載の２固定子誘導同期
   電動機。
4. 【請求項４】固定子を励磁する電源は商用周波数の交流
   電源かまたはインバータを利用した可変周波数電源であ
   ることを特徴とする請求項１記載の２固定子誘導同期電
   動機。
5. 【請求項５】電圧移相装置は、２個の固定子の相対位置
   を機械的に回動するか、あるいは固定子巻線の端子をス
   イッチで切換えて電源に接続するようにしたことを特徴
   とする請求項１記載の２固定子誘導同期電動機。