JP4324217B2 - 交流電動機 - Google Patents

Description

本発明は、交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、および温度上昇の低減化を図りつつ、最大で１５０％負荷まで商用電源にじか入れ始動をすることができ、インバータ使用による可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うことができるようにした交流電動機に関するものである。

交流電動機のうち、誘導電動機は、負荷に応じてすべりを生じて回転し、回転子電流が流れてトルクが発生するので、電源周波数に同期した定速度駆動が難しく、また、回転子電流が流れて電力の損失となり、温度上昇の原因となるという問題があった。

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、誘導電動機のような回転子電流が不要となり効率が向上するとともに、定速度駆動が可能となるが、位置検出のエンコーダや回転速度の検出が必要となり、駆動装置の構成が複雑となり高価となるという問題があった。

前記問題点を改善するために、出願人らは、かご形又は巻線形を有する交流電動機の回転子表面に円弧状又は円筒形永久磁石を設けて非突極機として構成し、交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、および温度上昇の低減化を図ることができるとともに、ブラシレスDCモータのような位置検出のエンコーダや回転速度の速度検出器を使用することなしに、高精度の定速度駆動および可変速駆動を行うことができるようにした安価な交流電動機を提案している（特許文献１参照）。
特開２００６−１０１６２３号公報

しかし、前記出願人らが提案した交流電動機は、同期速度までの始動に際して軽負荷（定格出力の３０％程度まで）では商用電源にじか入れ始動をすることができるが、３０％以上の高負荷ではじか入れ始動をすることができないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、および温度上昇の低減化を図りつつ、最大で１５０％の高負荷までじか入れ始動をすることができ、また、インバータ使用による可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うことができるようにした交流電動機を提供するものである。

上記課題を解決するべく、請求項１に記載の本発明の交流電動機は、回転磁界を形成するために、固定子鉄心および該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線を有する固定子と、円筒状に構成されたかご形又は巻線形の回転子導体を有する円筒形の回転子と、を具えた交流電動機において、前記交流電動機が同期速度において円滑に回転するように、 前記固定子の磁極数と同じ磁極数を有し前記回転子導体の表面の周方向を覆う、円筒形の永久磁石又は曲面板状の永久磁石をほぼ隙間無く円筒状に並べて形成された円筒状の永久磁石が、前記回転子の軸方向を部分的に覆うように装着され、そして前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石の表面と、前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石により軸方向に覆われていない回転子導体の表面と、が露出されるように構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の本発明の交流電動機は、請求項１に記載の交流電動機において、前記円筒形の永久磁石が、前記円筒形の周方向に固定子の磁極数と同じ磁極数を有するように着磁されたことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明の交流電動機は、請求項１に記載の交流電動機において、前記円筒状の永久磁石が、回転子の軸方向に対して垂直な断面の形状を円弧状に形成した磁石を前記回転子の周方向に固定子の磁極数と同じ数並べて構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の本発明の交流電動機は、請求項１記載の交流電動機において、前記円筒状の永久磁石が、回転子の軸方向に対して垂直な断面の形状を三日月状に形成した磁石を前記回転子の周方向に固定子の磁極数と同じ数並べて構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の本発明の交流電動機は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の交流電動機において、前記回転子の表面に予め切削部を形成し、該切削部に前記永久磁石が装着されるようにしたことを特徴としている。

請求項６に記載の本発明の交流電動機は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の交流電動機において、８０％以上の最大効率を得るために、前記固定子巻線に供給される商用電源の印加電圧に対して７５％〜１００％の誘導起電力（逆起電圧）となるように、前記永久磁石に着磁したことを特徴としている。

本発明による交流電動機によれば、回転磁界を形成するために、固定子鉄心および該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線を有する固定子と、円筒状に構成されたかご形又は巻線形の回転子導体を有する円筒形の回転子と、を具えた交流電動機において、前記交流電動機が同期速度において円滑に回転するように、前記交流電動機が同期速度において円滑に回転するように、前記固定子の磁極数と同じ磁極数を有し前記回転子導体の表面の周方向を覆う、円筒形の永久磁石又は曲面板状の永久磁石をほぼ隙間無く円筒状に並べて形成された円筒状の永久磁石が、前記回転子の軸方向を部分的に覆うように装着され、そして前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石の表面と、前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石により軸方向に覆われていない回転子導体の表面と、が露出されるように構成されるので、１５０%の負荷でも商用電源にじか入れ始動をすることができ、また、電源周波数やインバータ装置の任意の周波数でオープン・ループで同期速度まで円滑に始動することができるとともに、同期速度においてもオープン・ループで円滑な回転ができる。

また、上記のように円滑な始動および円滑な回転を実現すると同時に高効率化、高出力化、高トルク化、小形化およびセンサレス化とすることができ、安価な可変速駆動および定速度駆動の誘導電動機とすることができる。

さらに、回転子電流による電力の損失が少なくなり、温度上昇が減少して高効率化を図ることができる省電力モータとすることができる。

またさらに、回転子導体には負荷変動に伴う速度の変動を抑制するダンパ効果が発生するので、円滑な可変速駆動や定速度駆動を行うことができる。

以下、本発明に係る交流電動機の実施形態を、図１乃至図１３の図面を参照して説明する。

図１乃至図３は、本発明による交流電動機Ｍの回転子Ｒの一実施形態を示し、図１は回転子Ｒの側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図を示す。図１において、符号Ｒは回転子を示し、回転子Ｒの外周縁部には、軸方向に延びるかご形の回転子導体２が所定間隔をおいて複数本配設されている。前記回転子導体２は、回転子Ｒの回転角に伴うトルク変動の発生を防ぐために、スキューされて配設されている。なお、前記かご形の回転子導体２のかわりに巻線形の回転子導体を用いてもよい。

前記回転子Ｒの軸方向中間部分の表面には、回転子Ｒを周囲から覆うように、永久磁石１が４つ円筒状に装着され、円筒状の永久磁石は図示しない固定子の磁極数と同じ磁極数（４つ）を有する。前記永久磁石１は、前記回転子Ｒの軸方向に対して垂直な断面形状が円弧状に形成されている。前記回転子Ｒの表面に装着された４つの永久磁石１は、隣接する永久磁石１との間に所定の極間間隔ｘ１を有しつつ、回転子Ｒの軸方向に延在する回転子導体２を覆うように、回転子Ｒの軸方向に一定長さを具えて装着されている。

これにより、回転子Ｒの軸方向中間部分の回転子導体２が永久磁石１で覆われるとともに、回転子Ｒの永久磁石１で覆われていない両端部分の回転子導体２が露出するようになっている。

なお、前記固定子は、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を有している。また、前記固定子の磁極数は、前記４つに限定されるものではない。

前記回転子Ｒの中心部には、回転子Ｒを回転可能に軸支する回転子軸３が設けられている。また、前記回転子Ｒの両端部には、それぞれ、前記回転子導体２と接続する短絡環４が設けられている。

前記回転子Ｒの表面に前記永久磁石１を装着するには、回転子Ｒの表面を予め永久磁石１の厚さだけ切削加工して切削部５を形成し、該切削部５に永久磁石１を装着する。なお、永久磁石１の装着部分を予めカットした回転子鉄心をアルミニウムダイカストにより製作して、その回転子Ｒの表面に永久磁石１を装着するようにしてもよい。

本実施形態の場合、交流電動機Ｍは三相誘導電動機として構成されており、定格電圧２００Ｖ、定格電流１．０５Ａ、周波数５０Ｈｚ、定格出力２００Ｗ、定格回転数１４００ｍｉｎ^-1、回転子直径６６ｍｍ、回転子導体２のスロット数が４０となっている。

また、図３に示すように、永久磁石１が周囲から装着された部分の回転子Ｒの回転子導体２の高さｈ１は９．５ｍｍ、回転子Ｒの表面に装着する永久磁石１の厚みｔ１は３ｍｍとなっており、その厚み分だけ回転子Ｒの表面が切削加工されている。

さらに、回転子Ｒの表面に装着された永久磁石１の隣接する磁石との間の極間間隔ｘ１は１ｍｍとなっている。

またさらに、図１に示すように、永久磁石１の回転子Ｒの軸方向の長さは誘導起電力（逆起電圧）が１６０Ｖで、三相電源の印加電圧２０５Ｖに対して７８％の場合、Ｌ１＝３５ｍｍ、永久磁石１で覆われていない回転子Ｒの両端部分の軸方向の長さはそれぞれ同じ長さでＬ２＝１２．５ｍｍとなっている。これについての負荷試験結果を表２に示す。

図４は、前記した実施形態の回転子Ｒを有する交流電動機Ｍの駆動装置の構成を示す。６は、前記回転子Ｒを有する交流電動機Ｍをじか入れ始動するための商用電源（三相電源）の供給配線である。交流電動機Ｍに三相電源を直接印加して、電源周波数の同期速度までじか入れ始動を行うようになっている。

図４中符号７は、インバータ装置８の指令周波数であり、９は、インバータ装置８を電源として交流電動機Ｍに電力を供給する電力供給線である。インバータ装置８は、指令周波数７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との機能を備えている。

指令周波数７をインバータ装置８に入力すると、インバータ装置８では指令周波数７によりＶ／ｆ制御がなされ、電力供給線９を通して交流電動機Ｍに電力を供給する。Ｖ／ｆ制御により交流電動機Ｍを始動させ、指令周波数７を一定に保てば定速度駆動が、また、指令周波数７を可変にすれば可変速駆動を行うことができるようになっている。

ここで、前記回転子Ｒを有する交流電動機Ｍをじか入れ始動すると、回転子Ｒの永久磁石１に覆われていない部分の回転子導体２及び永久磁石１に覆われた部分の回転子導体２で誘導電流が生じて誘導トルクが発生する。

しかし、前記回転子Ｒの永久磁石１に覆われた部分では、この永久磁石１が負荷となっ
て十分な誘導トルクを発生することができず、もっぱら始動時の誘導トルクは、前記回転子Ｒの永久磁石１に覆われていない部分で発生することになる。

そして、本実施形態による回転子Ｒを有する交流電動機Ｍによれば、前記永久磁石１に覆われていない部分で発生した誘導トルクにより、１５０％の負荷でも商用電源に直接じか入れ始動して、電源周波数の同期速度まで始動することができ、そのために、交流電動機Ｍの始動を確実に、かつ、容易に行うことができる。

また、前記回転子Ｒを有する交流電動機Ｍでは、三相電源の供給配線６による商用周波数又はインバータ装置８の一定の指令周波数７で回転している場合、回転子Ｒの表面に装着した永久磁石１に発生するマグネットトルクによって同期速度で回転して、確実な定速度駆動を行うことができる。

さらに、負荷変動に伴い速度が変動する場合には、回転子導体２に誘導電流が生じて誘導トルクが発生し、この誘導トルクが速度変動を抑制するダンパ効果として作用するので、可変速駆動や定速度駆動でも円滑な駆動を行うことができる。

なお、前記回転子Ｒに装着された永久磁石１は、図５に示すように、回転子Ｒの軸方向に対して垂直な断面形状を円筒状に形成してもよい。この場合、前記永久磁石１を円筒状に形成しても、円筒の周方向に固定子の磁極数と同じ磁極数を有するように着磁されているのはもちろんのことである。このように形成すれば、前記永久磁石１の部品点数を前記した４つから１つに削減させることができる。

また、図６に示すように、前記永久磁石１は、回転子Ｒの軸方向に対して垂直な断面形状を三日月状に形成してもよい。このように形成すれば、回転子Ｒの回転角に伴うトルク変動の発生を防ぐことができる。

さらに、図７乃至図９に示すように、前記回転子Ｒの軸方向の一方の片側にのみ前記永久磁石１がＬ３の長さで装着され、回転子Ｒの他方の片側にはＬ４の長さで回転子導体２が露出するように構成してもよい。なお、前記永久磁石１は、断面形状が前述した円弧状、円筒状及び三日月状のいずれであってもよい。

またさらに、図１０乃至図１２に示すように、前記回転子Ｒの軸方向両端部分に前記永久磁石１が装着され、回転子Ｒの中央部分には、Ｌ５の長さで回転子導体２が露出するように構成してもよい。この場合、前記回転子Ｒの両端部分にそれぞれ装着された永久磁石１の軸方向長さは
、ともにＬ６と同じ長さになっている。なお、前記永久磁石１は、断面形状が前述した円弧状、円筒状及び三日月状のいずれであってもよい。

本発明者らは、前記回転子Ｒを有する交流電動機Ｍが、前記したように、交流電動機の始動を確実に、かつ、容易に行うことができるだけでなく、同期運転に入ってからの効率が極めて良くなることを見い出した。以下、負荷試験結果を表１乃至表３に示しながら説明する。

表１は、従来形の交流電動機のデータを示し、２００Ｗの誘導電動機を三相電源（２００Ｖ、５０Ｈｚ）にじか入れ始動後の負荷試験結果を示している。表１の固定子電流が１．０５Ａの各特性値は固定子電流が１．０２Ａと１．１２Ａの各特性の値を比例計算して求めた値を示している。表１より最大効率は７２％であり、定格出力２００Ｗで固定子電流が１．０５７Ａ、すべりが０．０６生じており、定速度駆動は不可能である。定格電流の１．０５Ａでトルクは１．３４Ｎ・ｍとなっている。

これに対して、表２は、誘導起電力（逆起電力）が１６０Ｖであり、三相電源の印加電圧２０５Ｖに対して７８％である。また表２は、表１の試験で使用した２００Ｗの誘導電動機の回転子表面に、図１に示すような永久磁石１を装着した（Ｌ１＝３５ｍｍ、Ｌ２＝１２．５ｍｍ）永久磁石付の交流電動機Ｍのデータを示し、永久磁石付誘導電動機を三相電源（２００Ｖ、５０Ｈｚ）にじか入れ始動し、電源周波数の同期速度における定速度駆動時の負荷試験結果を示している。表２の固定子電流が１．０５Ａの各特性値は固定子電流が０．９５Ａと１．１Ａの各特性の値を比例計算して求めた値を示している。

表２より最大効率は８２％であり、表１の従来形の誘導電動機の最大効率より１０％向上している。

また、定格出力２００Ｗで固定子電流が約０．７７Ａとなり、定格電流１．０５Ａの約７３％に減少している。定格電流が１．０５Ａの時の比例計算では、出力が約２７２Ｗとなり、定格出力２００Ｗの約１．３６倍の出力が可能である。さらに回転速度は、定格出力の約２．４倍においても同期速度１５００ｍｉｎ^-1の一定値に保たれている。定格電流１．０５Ａでトルクは１．７３Ｎ・ｍ（比例計算）となり、同じ定格電流において表１の従来形の誘導電動機よりも０．３９Ｎ・ｍ増加していることが判明した。

温度上昇については、表１の負荷試験で使用した従来形の交流電動機である誘導電動機では、トルクが１．２７Ｎ・ｍで出力約１８８Ｗを６０分連続運転で負荷した場合に、室温２６．３℃において電動機ケースの出力側が６１．６℃、電動機ケースの中央部が７１．８℃、電動機ケースの後部が６４．０℃となり、飽和を示さず上昇している。

これに対して、表２の負荷試験で使用した永久磁石付誘導電動機では、トルクが１．２８Ｎ・ｍで出力約２０１Ｗを６０分連続運転で負荷した場合に、室温２１．２℃において電動機ケースの出力側が４６．５℃、電動機ケースの中央部が５０．８℃、電動機ケースの後部が４８．４℃となり、ほぼ飽和を示している。

この結果から、本発明の永久磁石付誘導電動機では、室温を考慮してケースの出力側で１０℃、ケース中央で１５．９℃、ケースの後部で１０．５℃、従来形の誘導電動機より温度が減少していることが判明した。

図１３は、交流電動機Ｍの固定子巻線に供給される印加電圧を可変した場合、一定出力についての固定子端子電圧（印加電圧）と固定子電流のＶ曲線を示している。このＶ曲線において、印加電圧と誘導起電力（逆起電圧）とが等しいときに固定子電流は最小となり、力率が１００％となることが知られている。

本発明の交流電動機Ｍの回転子Ｒの表面に装着された永久磁石１が、交流電動機Ｍの固定子巻線に供給される商用電源の印加電圧と同じ誘導起電力（逆起電圧）になるように着磁されると、商用電源の印加電圧において固定子電流は最小となり、力率が１００％となる。

表３は、前記表１の試験で使用した２００Ｗの誘導電動機の回転子表面に図１に示すように装着された永久磁石１が、商用電源の印可電圧に対して略１００％の誘導起電力（逆起電圧）になるように着磁された場合の負荷試験結果を示している。表３の固定子電流が１．０５Ａの各特性値は固定子電流が１Ａと１．１Ａの各特性の値を比例計算して求めた値を示している。

この場合、固定子巻線に供給される印加電圧が２０６Ｖ、誘導起電力（逆起電圧）が１９９Ｖ（印加電圧に対して９７％）であり、回転子表面Ｒには、図１に示すように永久磁石１が装着されて、Ｌ１＝４２ｍｍ、Ｌ２＝９ｍｍとなっている。負荷試験結果は、インバータによる５０Ｈｚ駆動時のものである。

表３の負荷試験結果から、固定子電流（定格値１．０５Ａ）が１Ａで、トルクが２Ｎ・ｍ、出力が約３１４Ｗ、効率が８７．３％と最大効率となることが判明した。固定子電流が２．２Ａにおいても、同期速度１５００ｍｉｎ^-1の一定値に保たれており、トルクが４Ｎ・ｍで、出力が６２８．５Ｗとなり、定格出力の約３倍になることが判明した。なお、この時の効率は７９．６％である。

表４は、誘導起電力〈逆起電圧〉が商用電源の印加電圧に対して、７８％（表２）、８３％（商用電源に直入れ始動後の負荷試験結果から定格値の１．０５Ａについて比例計算して求めた各特性値を示す）、９７％（表３）と、１０４．３％（インバータ駆動時の負荷試験結果から定格値の１．０５Ａについて比例計算して求めた各特性値を示す）の場合の固定子電流（定格値）１．０５Ａについて比例計算して求めた各特性値とさらに力率（比例計算して求めた各特性値からの計算値）を含めた各特性の値が比較され示されている。また、表１の従来型誘導電動機の各特性値についても示している。

表４に示すように、商用電源の印加電圧に対する誘導起電力（逆起電圧）の割合の増加と共に各特性値は増加し、印電圧に対して略１００％の誘起電力（逆起電圧）に着磁された場合のトルク、出力、効率と力率の各特性の値が最も向上する。１００％以上の誘導起電力に対応する各特性値は、１００％の誘導起電力に対応する各特性値よりも減少している。

なお、前記した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変更することができる。

すなわち、前記実施形態では、三相誘導電動機を例に説明したが、三相交流電動機はもとより、単相誘導電動機、二相誘導電動機および多相誘導電動機についても適用できることはいうまでもない。また、商用電源も三相電源に限定されるものではないことはいうまでもない

本発明の一実施形態に係る交流電動機の回転子を示す側断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る交流電動機の駆動装置を示す構成図である。 図３に示した永久磁石の変形例を示す断面図である。 図３に示した永久磁石の他の変形例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る交流電動機の回転子を示す側断面図である。 図７のＡ−Ａ線断面図である。 図７のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る交流電動機の回転子を示す側断面図である。 図１０のＡ−Ａ線断面図である。 図１０のＢ−Ｂ線断面図である。 交流電動機の固定子巻線に供給される印加電圧を可変した場合の固定子端子電圧と固定子電流との関係を示す図である。

符号の説明

１ 永久磁石
２ 回転子導体
３ 回転子軸
４ 短絡環
５ 切削部
６ 三相電源の供給配線
７ インバータ装置の指令周波数
８ インバータ装置
９ 電力供給線
Ｒ 回転子
Ｍ 交流電動機

Claims (6)

1. 回転磁界を形成するために、固定子鉄心および該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線を有する固定子と、円筒状に構成されたかご形又は巻線形の回転子導体を有する円筒形の回転子と、を具えた交流電動機において、
   前記交流電動機が同期速度において円滑に回転するように、前記固定子の磁極数と同じ磁極数を有し前記回転子導体の表面の周方向を覆う、円筒形の永久磁石又は曲面板状の永久磁石をほぼ隙間無く円筒状に並べて形成された円筒状の永久磁石が、前記回転子の軸方向を部分的に覆うように装着され、そして前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石の表面と、前記円筒形の永久磁石又は前記円筒状の永久磁石により軸方向に覆われていない回転子導体の表面と、が露出されるように構成されることを特徴とする交流電動機。
2. 前記円筒形の永久磁石が、前記円筒形の周方向に固定子の磁極数と同じ磁極数を有するように着磁されたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機。
3. 前記円筒状の永久磁石が、回転子の軸方向に対して垂直な断面の形状を円弧状に形成した曲面板状の永久磁石を前記回転子の周方向に並べて構成されたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機。
4. 前記円筒状の永久磁石が、回転子の軸方向に対して垂直な断面の形状を三日月状に形成した曲面板状の永久磁石を前記回転子の周方向に並べて構成されたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機。
5. 前記回転子の表面に予め切削部を形成し、該切削部に前記永久磁石が装着されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の交流電動機。
6. 前記固定子巻線に供給される商用電源の印加電圧に対して７５％〜１００％の誘導起電力（逆起電圧）となるように、前記永久磁石に着磁したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の交流電動機。

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