JP7176993B2 - 巻線形回転子、巻線形誘導電動機および巻線形誘導電動機の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻線形回転子、巻線形誘導電動機およびその起動方法に関する。

一般に、電動機の起動時には、定格回転数に至るまでの間、電動機の固定子には起動電流が流れる。起動電流は、通常、定格電流の数倍たとえば５倍程度となる。起動電流が定格電流のたとえば約５倍の場合、電動機内で発生する銅損はその二乗の約２５倍となり、この発熱量による温度上昇が問題となる。このため、大容量機の場合には、所定の時間内に起動しない場合には、自動的に、起動しようとする電動機の起動を阻止するなどの対応が必要となってくる。あるいは、この起動失敗事象の直後の起動頻度の制限、起動間隔時間を所定の時間間隔以内には起動しないなどの起動の制限が必要となる場合がある。

また、特に電動機の容量が大きい場合には、大きな起動電流が流れることにより、その電動機に電力を供給する電源母線の上流の電力ケーブルでの電圧降下も大きくなり、同じ電源母線から電力の供給を受ける負荷に対する影響にも注意を要する。

このように、起動完了までの間に大きな起動電流が流れることにより、種々の影響がある。

実開昭６２－１９０９０号公報 特開平９－１４０１７４号公報

従来、電力インフラが貧弱な地域で、誘導電動機を起動させる際には、他の電気機器に悪影響を与えないよう、インバータ駆動やリアクトル起動などの低起動電流での起動を行っていた。

図１０は、従来の誘導電動機の固定子巻線および起動用リアクトルの１相分の回路図である。誘導電動機１の固定子巻線２２に直列に、起動リアクトル２５が設けられている。起動リアクトル２５に並列に、起動リアクトル２５を短絡するためのスイッチ２６が設けられている。誘導電動機１の起動時には、スイッチ２６を開状態として電機子電流が固定子巻線２２および起動リアクトル２５を流れるようにして、起動電流を制限する（特許文献１、２参照）。

誘導電動機１が起動し、定格回転数近傍となった状態で、スイッチ２６を閉鎖し、電流の制限を解除するということにより、過剰な電流の発生を防止できる。

一方、インバータは高価であり、また、電動機が一定速用途の場合にまで、インバータ駆動方式を採用することは経済的ではない。

したがって、起動電流の影響をできるだけ低減するために、上述のような起動リアクトルやインバータ装置の設置などの大幅な設備の増大を招くことなく、起動電流の流れる起動時間の短縮を図ることが望まれている。

そこで、本発明は、巻線形誘導電動機においてその起動電流が流れる起動時間を短縮することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る巻線形回転子は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心を貫通し、互いに直列に結合する複数のコイル要素を有するコイル本体と、前記ロータシャフトに取り付けられて、前記ロータシャフトの回転数の上昇時に前記複数のコイル要素について有効直列要素の構成数を順次減少させる方向に切り替える切り替え部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る巻線形誘導電動機は、前述の巻線形回転子と、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心を挟んで両側のそれぞれを支持する２つの軸受と、前記回転子鉄心の径方向外側に間隙を開けて配された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る巻線形誘導電動機の起動方法は、起動前に、巻線形誘導電動機の巻線形回転子のコイル本体の有効直列要素の数を最大にする初期ステップと、前記巻線形誘導電動機に電源を投入する電源投入ステップと、回転数上昇に伴って順次前記有効直列要素の数を減じる有効直列要素低減ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、巻線形誘導電動機においてその起動電流が流れる起動時間を短縮することができる。

実施形態に係る巻線形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子鉄心スロット内のコイル本体の配列を示す横断面図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子巻線の配列を示す斜視図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子巻線の１相分の回路図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子巻線の切り替え部の第１コイル開閉スイッチの構成を示す概念的な配置図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機の起動時の回転子巻線の切り替え部の状態とコイル本体の有効直列要素の状態の推移を示すグラフである。 実施形態に係る巻線形誘導電動機の起動方法の手順を示すフロー図である。 実施形態に係る巻線形誘導電動機の効果を説明する概念的な回転数・トルク特性を示すグラフである。 実施形態に係る巻線形誘導電動機の効果を説明する巻線形誘導電動機の等価回路図である。 従来の誘導電動機の固定子巻線および起動用リアクトルの１相分の回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る巻線形誘導電動機および巻線形誘導電動機の起動方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、実施形態に係る巻線形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。

巻線形誘導電動機２００は巻線形回転子１０、固定子２０、軸受３０、フレーム４０、および軸受ブラケット４５を有する。

巻線形回転子１０は、水平方向に延びるロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の周囲に設けられた回転子鉄心１２と、回転子巻線１００を有する。ロータシャフト１１の回転子鉄心１２を挟んだ両側は、それぞれ軸受３０により回転可能に支持されている。

回転子巻線１００は、一部が回転子鉄心１２を貫通するコイル本体１１０と、巻線形誘導電動機２００の起動時に、回転数の上昇に伴ってコイル本体１１０の構成を段階的に切り替える切り替え部１２０とを有する。切り替え部１２０は、ロータシャフト１１に取り付けられている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に、間隙を介して設けられた固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１内を貫通する固定子巻線２２を有する。

回転子鉄心１２および固定子２０の径方向外側は、フレーム４０により囲まれている。フレーム４０の軸方向の両端には、それぞれ軸受ブラケット４５が設けられ、軸受ブラケット４５により閉止されている。軸受ブラケット４５は、それぞれ軸受３０を静止支持している。

図２は、実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子鉄心スロット内のコイル本体の配列を示す横断面図である。

各回転子鉄心スロット１３は、前述のように、回転子鉄心１２の外周面に沿って周方向に互いに間隔をおいて配され、軸方向に延びている。各回転子鉄心スロット１３内には、コイル本体１１０の回転子鉄心スロット内部分が布設されている。コイル本体１１０の回転子鉄心スロット内部分は、回転子鉄心スロット１３内の径方向外側に配置される上口コイル１３０の回転子鉄心スロット内部分と、回転子鉄心スロット１３内の径方向内側に配置される下口コイル１４０の回転子鉄心スロット内部分を有する。下口コイル１４０の回転子鉄心スロット内部分は、上口コイル１３０の回転子鉄心スロット内部分の径方向の内側に配されている。

上口コイル１３０と下口コイル１４０のそれぞれは、周方向に互いに隣接するように並んだ２組のコイルを有する。それぞれのコイルの回転子鉄心スロット内部分は、径方向の外側から径方向の内側に向かって、第１コイル要素導体１１１ａ、第２コイル要素導体１１２ａ、および第３コイル要素導体１１３ａの順に並んでいる。

図３は、実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子巻線の配列を示す斜視図である。

上口コイル１３０および下口コイル１４０のそれぞれについて、複数のコイル要素、すなわち、第１コイル要素導体１１１ａを有する第１コイル要素１１１、第２コイル要素導体１１２ａを有する第２コイル要素１１２、および第３コイル要素導体１１３ａを有する第３コイル要素１１３が、互いに重なるように配列されている。第１コイル要素１１１の端部は共通端子１５１に接続している。第１コイル要素１１１と第２コイル要素１１２との接続部は第１端子１５２に接続している。第２コイル要素１１２と第３コイル要素１１３との接続部は第２端子１５３に接続している。第３コイル要素１１３の端部は第３端子１５４に接続している。

なお、上口コイル１３０と下口コイル１４０のそれぞれのコイルは、電気的には並列であり、端子部との接続部で互いに接続されている。たとえば、上口コイル１３０の第２コイル要素１１２と、下口コイル１４０の第２コイル要素１１２とは、電気的に並列であり、それぞれの一方の端部が、第１端子１５２との接続部で互いに接続されており、それぞれの他方の端部も、第２端子１５３との接続部で互いに接続されている。

図４は、実施形態に係る巻線形誘導電動機における巻線形回転子の回転子巻線の１相分の回路図である。すなわち、巻線形誘導電動機２００（図１）における２次側回路であり、巻線形回転子１０を構成する回転子巻線１００の構成を示す回路図である。なお、前述の上口コイル１３０と下口コイル１４０のそれぞれの互いに電気的に並列な２つのコイルは、それぞれ１つのコイルとして表示している。

以下に、コイル本体１１０が有する複数のコイル要素、すなわち、第１コイル要素１１１、第２コイル要素１１２、および第３コイル要素１１３と、切り替え部１２０の各スイッチとの接続の詳細を説明する。

前述のように、第１コイル要素１１１の端部は共通端子１５１に接続している。第１コイル要素１１１と第２コイル要素１１２との接続部は第１端子１５２に接続している。第２コイル要素１１２と第３コイル要素１１３との接続部は第２端子１５３に接続している。第３コイル要素１１３の端部は第３端子１５４に接続している。

切り替え部１２０は、第１コイル開閉スイッチ１２１、第２コイル切り替えスイッチ１２２ａ、第２コイル開閉スイッチ１２２ｂ、および第３コイル開閉スイッチ１２３を有する。第２コイル切り替えスイッチ１２２ａと第２コイル開閉スイッチ１２２ｂとは、直列に接続されている。第１コイル開閉スイッチ１２１、第２コイル切り替えスイッチ１２２ａ、第２コイル開閉スイッチ１２２ｂ、および第３コイル開閉スイッチ１２３は、後述するように、巻線形回転子１０が、それぞれの所定の回転数に達すると、遠心力により自動的に状態が切り替わる。

第１コイル開閉スイッチ１２１、第２コイル切り替えスイッチ１２２ａ、および第３コイル開閉スイッチ１２３の一方の端部は、互いに接続され、共通端子１５１に接続している。

第１コイル開閉スイッチ１２１の他方の端部は、第１端子１５２に接続している。第２コイル開閉スイッチ１２２ｂの他方の端部は、第２端子１５３に接続している。また、第３コイル開閉スイッチ１２３の他方の端部は、第３端子１５４に接続している。

なお、説明の簡便さのために、図４に示すように、第１コイル要素１１１をＬ１、第２コイル要素１１２をＬ２、第３コイル要素１１３をＬ３とそれぞれ表示する場合がある。

以上のような切り替え部１２０の各スイッチの動作により、２次側回路すなわち回転子巻線１００における複数のコイル要素、すなわち、第１コイル要素１１１（Ｌ１）、第２コイル要素１１２（Ｌ２）、および第３コイル要素１１３（Ｌ３）について、実際に電気的に閉ループを形成するコイル要素が選択される。この実際に電気的に閉ループを形成するコイル要素の組み合わせとしては、後に図６を引用しながら説明するように、Ｌ１、（Ｌ１＋Ｌ２）、および（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）の２つの組み合わせがある。これらの実際に電気的に閉ループを形成する直列に配列されたコイル要素の組み合わせ、あるいはＬ１単独のコイル要素を、以降、有効直列要素と呼ぶこととする。したがって、切り替え部１２０は、有効直列要素の状態を順次切り替える部分であるといえる。

図５は、巻線形回転子の回転子巻線の切り替え部の第１コイル開閉スイッチの構成を示す概念的な配置図である。

図５では、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた円筒状の円筒ベース１２０ａに、第１コイル開閉スイッチ１２１のみが取り付けられている状態を示している。第２コイル切り替えスイッチ１２２ａ、第２コイル開閉スイッチ１２２ｂ、および第３コイル開閉スイッチ１２３は、表示していないが、第１コイル開閉スイッチ１２１と同様に、円筒ベース１２０ａの表面に、たとえば周方向に、互いに間隔をおいて取り付けられている。

第１コイル開閉スイッチ１２１は、ロータシャフト１１の回転により生ずる遠心力により接点位置が径方向に移動する動作部１２１ｘと、静止状態を維持する静止部１２１ｙとを有する。

動作部１２１ｘは、錘接点１２１ａ、支持棒１２１ｂ、回動支持部１２１ｃ、およびバネ１２１ｄを有する。支持棒１２１ｂは、一方の端部を回動支持部１２１ｃにより回動可能に支持されている。支持棒１２１ｂの他方の端部には、錘接点１２１ａが取り付けられている。支持棒１２１ｂと円筒ベース１２０ａは、支持棒１２１ｂの回動を抑制するバネ１２１ｄにより接続されている。回動支持部１２１ｃからは、接続ケーブル１２１ｖが延びており、接続ケーブル１２１ｖの他端は、共通端子１５１に接続されている。

静止部１２１ｙは、絶縁体製の支持部１２１ｆと、これに支持された受け側端子１２１ｅとを有する。受け側端子１２１ｅからは、接続ケーブル１２１ｗが延びており、接続ケーブル１２１ｗの他端は、第１端子１５２に接続されている。

ロータシャフト１１の回転数が低い領域、すなわち、錘接点１２１ａへの径方向外側に向けての遠心力が小さい領域では、バネ１２１ｄは、縮んだ状態であり、錘接点１２１ａは、受け側端子１２１ｅとは接触せずに離れた状態にある。すなわち、第１コイル開閉スイッチ１２１は、開状態となっている。

ロータシャフト１１の回転数が所定の回転数に達すると、錘接点１２１ａへの遠心力がバネ１２１ｄのバネ力に打ち勝って、バネ１２１ｄが延び、錘接点１２１ａが径方向外側に移動するように支持棒１２１ｂが回動し、錘接点１２１ａが受け側端子１２１ｅに接触する。この結果、第１コイル開閉スイッチ１２１は、閉状態に移行する。

第２コイル開閉スイッチ１２２ｂについても、第１コイル開閉スイッチ１２１と同様の構成である。

第３コイル開閉スイッチ１２３については、第１コイル開閉スイッチ１２１とは逆に、回転数の低い領域では錘接点が受け側端子に接触しており、所定の回転数に到達してバネが延びると、錘接点が受け側端子から離れ、受け側端子が錘接点の接触から開放されるように、錘接点が、第３端子１５４に導通する受け側端子よりも径方向の外側に配されている。

第２コイル切り替えスイッチ１２２ａについては、動作部の構成は第１コイル開閉スイッチ１２１と同様であるが、静止部の構成が一部異なる。すなわち、静止部は、第２端子１５３に導通する受け側端子と第３端子１５４に導通する受け側端子との２つの受け側端子を有する。第２端子１５３に導通する受け側端子は、第３端子１５４に導通する受け側端子よりも径方向の外側に配されている。回転数が低い状態では、バネにより、錘接点が、第３端子１５４に導通する受け側端子と接する状態となっている。所定の回転数に達すると、遠心力がバネ力に打ち勝ち、錘接点が、第２端子１５３に導通する受け側端子と接する状態に移行する構成である。

図６は、実施形態に係る巻線形誘導電動機の起動時の回転子巻線の切り替え部の状態とコイル本体の有効直列要素の状態の推移を示すグラフである。横軸は、ロータシャフト１１の回転数である。縦軸は、切り替え部１２０およびコイル本体１１０の有効直列要素の状態を表示している。

ロータシャフト１１の回転数が０の時点では、それぞれ次のような状態である。第１コイル開閉スイッチ１２１は開状態であり、共通端子１５１と第１端子１５２は切り離された状態にある。第２コイル切り替えスイッチ１２２ａはＬ３側、第２コイル開閉スイッチ１２２ｂは、閉状態であり、共通端子１５１が第３端子１５４と接続された状態にある。また、第３コイル開閉スイッチ１２３は、閉状態であり、共通端子１５１と第３端子１５４が接続された状態である。

この結果、共通端子１５１は第３端子１５４とのみ接続された状態であり、コイル本体１１０のうち、有効直列要素は、Ｌ１、Ｌ２およびＬ３、すなわち、第１コイル要素１１１、第２コイル要素１１２、および第３コイル要素１１３が直列に接続された状態となる。

次に、ロータシャフト１１の回転数がＮａに到達した段階で、切り替え部１２０の一部の状態が変化する。すなわち、第２コイル切り替えスイッチ１２２ａがＬ３側からＬ２側に、すなわち、閉状態にある第２コイル開閉スイッチ１２２ｂを介して、第２端子１５３と接続する側に切り替わる。また、第３コイル開閉スイッチ１２３が開、すなわち、第３端子１５４と切り離される状態に移行する。この結果、共通端子１５１は、第２端子１５３とのみ接続する状態となり、コイル本体１１０の有効直列要素は、Ｌ１およびＬ２、すなわち、第１コイル要素１１１と第２コイル要素１１２が直列に接続された状態となる。

次に、ロータシャフト１１の回転数がＮｂに到達した段階で、共通端子１５１と第２端子１５３とを接続していた第２コイル開閉スイッチ１２２ｂが開状態となり、共通端子１５１と第２端子１５３とが切り離される状態となる。また、同時に、第１コイル開閉スイッチ１２１が閉状態となり、共通端子１５１と第１端子１５２とが接続された状態となる。この結果、共通端子１５１は第１端子１５２とのみ接続された状態となり、コイル本体１１０の有効直列要素は、Ｌ１のみ、すなわち、第１コイル要素１１１のみの状態となる。

以上説明したように、回転数の上昇に伴って、接続されるコイル本体１１０の有効直列要素は、（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）から（Ｌ１、Ｌ２）へ、さらに最終的に（Ｌ１）へと順次減少していく。

図７は、実施形態に係る巻線形誘導電動機の起動方法の手順を示すフロー図である。

まず、起動前に、コイル本体１１０の有効直列要素を、Ｌ１、Ｌ２およびＬ３とした状態とする（ステップＳ０１）。すなわち、直列に接続されたＬ１、Ｌ２およびＬ３が２次側回路を形成する状態とする。この状態においては、コイル本体１１０の一方の端部は共通端子１５１に、他方の端部は第３端子１５４に接続され、これ以外の端子とは接続されていない状態である。

次に、巻線形誘導電動機２００の電源を投入する（ステップＳ０２）。この結果、一次側である固定子２０の固定子巻線２２に電源側から交流電力が供給される。この結果、固定子巻線２２に起動電流が流れる。固定子巻線２２側の起動電流により、２次側である回転子巻線１００に誘導起電力が生じ、回転子巻線１００のコイル本体１１０に２次側の電流が流れ、ロータシャフト１１の回転数が上昇する。

ロータシャフト１１の回転数が上昇し回転数がＮａに到達すると、第２コイル切り替えスイッチ１２２ａと第３コイル開閉スイッチ１２３が、コイル本体１１０の有効直列要素をＬ１およびＬ２とするように、それぞれ切り替わる（ステップＳ０３）。この状態においては、コイル本体１１０の一方の端部は共通端子１５１に、他方の端部は第２端子１５３に接続され、これ以外の端子とは接続されていない状態となる。

ロータシャフト１１の回転数がさらに上昇し回転数がＮｂに到達すると、第１コイル開閉スイッチ１２１および第２コイル開閉スイッチ１２２ｂが、コイル本体１１０の有効直列要素をＬ１のみの状態とするようにそれぞれ切り替わる（ステップＳ０４）。この状態においては、コイル本体１１０の一方の端部は共通端子１５１に、他方の端部は第１端子１５２に接続され、これ以外の端子とは接続されていない状態となる。

ステップＳ０４で切り替わった状態で、定格回転数に到達し、定常電流の状態となる（ステップＳ０５）。ここで、定格回転数とは、同期回転数から定常状態におけるスリップ分だけ低い回転数である。定格回転数に到達すると、定常電流の数倍であった起動電流から、定常電流の状態に移行する。

図８は、実施形態に係る巻線形誘導電動機の効果を説明する概念的な回転数・トルク特性を示すグラフである。横軸は、ロータシャフト１１の回転数である。また、縦軸は、トルクである。

グラフ中には、４本の曲線を示している。１本は、巻線形誘導電動機２００からみた負荷トルクＴ_Ｌである。負荷トルクＴ_Ｌは、たとえば、巻線形誘導電動機２００の駆動対象がポンプの場合は、ポンプが流体を駆動する際に必要とするトルクである。

一方、巻線形誘導電動機２００の電動機トルクとして、電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）、電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）、および電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）の３本の特性曲線を示している。ここで、電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）は、コイル本体１１０の有効直列要素の状態が（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）の場合に対応する。電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）は、コイル本体１１０の有効直列要素の状態が（Ｌ１＋Ｌ２）の場合に対応する。また、電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）は、コイル本体１１０の有効直列要素の状態がＬ１のみの場合に対応する。

図９は、巻線形誘導電動機の等価回路図である。ここで、Ｖは、一次側である固定子巻線２２に印加される電圧、ｒ_１は一次抵抗、すなわち固定子巻線２２の抵抗分、ｘ_１は一次漏れリアクタンスすなわち固定子巻線２２の漏れリアクタンス分、ｒ_２’は、一次換算の二次抵抗分すなわち回転子巻線１００のコイル本体１１０の一次換算の抵抗分、ｘ_２’は一次換算の二次漏れリアクタンスすなわち回転子巻線１００のコイル本体１１０の漏れリアクタンス分、ｓは当該回転数におけるスリップである。ここで、回転数Ｎにおけるスリップｓは、同期回転数をＮｓとすると、（Ｎｓ－Ｎ）／Ｎｓで定義される。電源投入時のＮがゼロのときスリップｓは１となり、同期速度に近づくにつれてスリップｓの値は小さくなる。

図９で示す等価回路図の場合の、巻線形誘導電動機２００のトルクＴは、次の式（１）により与えられる。ただし、ｋは換算定数である。
Ｔ＝ｋ・Ｖ^２・（ｒ_２’／ｓ）／√［（ｘ_１＋ｘ_２’）^２＋（ｒ_１＋ｒ_２’／ｓ）^２］
…（１）

式（１）より、電源投入直後は、スリップｓが１に近いため、ｒ_２’／ｓの項の値が小さく、漏れリアクタンス分である（ｘ_１＋ｘ_２’）が支配的であるが、回転数が大きくなるにつれて、スリップｓの値が小さくなり、ｒ_２’／ｓの項の値が大きくなってｒ_２’／ｓの項が支配的となってくる。

回転子巻線１００のコイル本体１１０のコイルの有効直列要素を（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）からＬ１まで順次減らしていくと、一次換算の二次抵抗分ｒ_２’のみでなく、一次換算の二次漏れリアクタンスｘ_２’も順次、減少することになるが、回転数が大きくなりスリップｓの値が小さくなるにつれて、一次換算の二次漏れリアクタンスｘ_２’の効果は少なくなり、一次換算の二次抵抗分ｒ_２’による（ｒ_２’／ｓ）の効果が支配的になる。したがって、近似的には、二次抵抗による比例推移と類似の効果が得られる。

したがって、図８で示す電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）、電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）、および電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）の３本の特性曲線について、近似的に比例推移が成立すると考えられる。比例推移が成立する場合は、一次換算の二次抵抗分ｒ_２’をｍ倍とし、スリップｓもｍ倍とすると、電動機トルク特性は、ｍ＝１のときと変わらないことになる。言い換えれば、同期回転数Ｎｓすなわちスリップｓがゼロの位置からみた特性曲線は、スリップｓの値に比例して拡大されることになる。この場合、以下のようになる。

回転子巻線１００のコイル本体１１０を構成する第１コイル要素１１１（Ｌ１）の一次換算の二次抵抗分をｒ_２１’、第２コイル要素１１２（Ｌ２）の一次換算の二次抵抗分をｒ_２２’、第３コイル要素１１３（Ｌ３）の一次換算の二次抵抗分をｒ_２３’とする。

コイル本体１１０が第１コイル要素１１１（Ｌ１）のみの場合の電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）の特性曲線のピーク値を与える回転数をＮ_１、すなわち同期回転数Ｎｓとの差をΔＮ_１とする。また、コイル本体１１０が第１コイル要素１１１（Ｌ１）と第２コイル要素１１２（Ｌ２）が直列の場合の電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）の特性曲線のピーク値を与える回転数をＮ_２、すなわち同期回転数Ｎｓとの差をΔＮ_２とする。また、また、コイル本体１１０が第１コイル要素１１１（Ｌ１）、第２コイル要素１１２（Ｌ２）および第３コイル要素（Ｌ３）が直列の場合の電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）の特性曲線のピーク値を与える回転数をＮ_３、すなわち同期回転数Ｎｓとの差をΔＮ_３とする。

この場合、比例推移より、以下の式（２）、（３）が成立する。
ΔＮ_２／ΔＮ_１＝（ｒ_２１’＋ｒ_２２’）／ｒ_２１’ …（２）
ΔＮ_３／ΔＮ_１＝（ｒ_２１’＋ｒ_２２’ ＋ｒ_２３’）／ｒ_２１’ …（３）

この結果、電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）および電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）の２本の特性曲線は、電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）の特性曲線と同様に、図８のグラフにおいて、（Ｎｓ、０）の点を通るが、この点から、電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）の特性曲線を、ΔＮ_２、ΔＮ_３のそれぞれとΔＮ_１との比だけ、それぞれ、図の左側に拡大された特性となる。

したがって、回転数Ｎａおよび回転数Ｎｂにおいて、順次、切り替えが行われるコイル本体１１０の電動機トルクＴ_Ｍは、電動機トルクＴ_Ｍ２（Ｎ）、電動機トルクＴ_Ｍ３（Ｎ）および電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）の特性曲線を包絡した特性となる。

ここで、電動機の起動時間τは、次の式（４）により与えられる。
τ＝ｋ・∫［ＧＤ^２／（Ｔ_Ｍ－Ｔ_Ｌ）］ｄｔ …（４）
ただし、ｋは換算定数、ＧＤ^２は、電動機と駆動対象とが結合された状態におけるはずみ車効果であり、慣性２次モーメントＩでは、ＧＤ^２＝４ｇＩで表される。ただし、ｇは重力加速度である。また、Ｔ_Ｍは、電動機トルク、Ｔ_Ｌは、負荷トルクである。

（Ｔ_Ｍ－Ｔ_Ｌ）すなわちΔＴは、巻線形誘導電動機が駆動対象を駆動する際の正味の駆動トルクということができる。式（４）が示すように、起動時間τは、正味の駆動トルクΔＴの逆数の積分値に比例する。

この正味の駆動トルクΔＴに着目すると、回転数がＮｂより低い領域にあっては、電動機トルクＴ_Ｍ１（Ｎ）単独の場合に比べて、本実施形態によるコイル本体１１０の包絡した特性の場合の方が、ΔＴが大きい。すなわち、本実施形態による巻線形回転子１０の方が駆動対象に対する起動時の正味の駆動トルクが大きく、この結果、起動時間が短縮される。

なお、起動時に２次側のコイル要素を追加することにより、図９に示した等価回路のインピーダンスが大きい状態となることから、起動電流の抑制の効果も有する。

以上説明したように、本実施形態によれば、巻線形誘導電動機においてその起動電流が流れる起動時間を短縮することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、コイル本体が、第１ないし第３コイル要素と３つのコイルを有する場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、２つの場合であっても、あるいは４つ以上の場合であってもよい。

また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…誘導電動機、１０…巻線形回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３…回転子鉄心スロット、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２５…起動リアクトル、２６…スイッチ、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、１００…回転子巻線、１１０…コイル本体、１１１…第１コイル要素、１１１ａ…第１コイル要素導体、１１２…第２コイル要素、１１２ａ…第２コイル要素導体、１１３…第３コイル要素、１１３ａ…第３コイル要素導体、１２０…切り替え部、１２０ａ…円筒ベース、１２１…第１コイル開閉スイッチ、１２１ａ…錘接点、１２１ｂ…支持棒、１２１ｃ…回動支持部、１２１ｄ…バネ、１２１ｅ…受け側端子、１２１ｆ…支持部、１２１ｖ、１２１ｗ…接続ケーブル、１２１ｘ…動作部、１２１ｙ…静止部、１２２ａ…第２コイル切り替えスイッチ、１２２ｂ…第２コイル開閉スイッチ、１２３…第３コイル開閉スイッチ、１３０…上口コイル、１４０…下口コイル、１５１…共通端子、１５２…第１端子、１５３…第２端子、１５４…第３端子、２００…巻線形誘導電動機

Claims (5)

1. 軸方向に延びたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心を貫通し、互いに直列に結合する複数のコイル要素を有するコイル本体と、
   前記ロータシャフトに取り付けられて、前記ロータシャフトの回転数の上昇時に前記複数のコイル要素について有効直列要素の構成数を順次減少させる方向に切り替える切り替え部と、
   を有することを特徴とする巻線形回転子。
2. 前記切り替え部は、起動時に前記複数のコイル要素について前記有効直列要素の構成数を順次減少させるように配列された複数のスイッチを有し、
   前記複数のスイッチのそれぞれは、前記ロータシャフトの回転による遠心力により、それぞれ動作すべき前記ロータシャフトの回転数において動作する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の巻線形回転子。
3. 前記複数のスイッチのそれぞれは、
   錘接点と、
   回動可能に支持されて端部に前記錘接点が取り付けられる支持棒と、
   前記支持棒の回動を抑制するバネと、
   遠心力が前記バネに打ち勝って前記バネが延びた場合に、前記錘接点に接触され、または前記錘接点の接触から開放される受け側端子と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の巻線形回転子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の巻線形回転子と、
   前記ロータシャフトの前記回転子鉄心を挟んで両側のそれぞれを支持する２つの軸受と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に間隙を開けて配された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   を備えることを特徴とする巻線形誘導電動機。
5. 起動前に、巻線形誘導電動機の巻線形回転子のコイル本体の有効直列要素の数を最大にする初期ステップと、
   前記巻線形誘導電動機に電源を投入する電源投入ステップと、
   回転数上昇に伴って順次前記有効直列要素の数を減じる有効直列要素低減ステップと、
   を有することを特徴とする巻線形誘導電動機の起動方法。

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