JPH01227691A - 可変速誘導電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、トルク特性および効率が良く速度制御が容易
、かつ、広範囲の可変速誘導電動機に関する。

従来技術とその問題点 誘導電動機の速度を制御する方法の一つとして電源周波
数を変える方法がある。この方法は連続的かつ広範囲な
速度制御が可能である半面、この方法で必要とする周波
数変換装置を高価とし、また周波数変換装置により交流
を直流に変換して再度交流に変換する過程において一般
に高調波および電波が発生し、これらによってコンピュ
ーター、その地合種電気制御機器の誤動作あるいはコン
デンサーの過熱等の障害を招くことがあり、このうち高
調波障害に対しては、フィルターを設置することにより
対策を講じることもできるが、フィルターの設置にはコ
ストがかかる。また低速時において一般に性能が不十分
となる等の欠点を有するものである。

また、電動機の極数を変えて速度を制御する方法は、極
数の変換によって段階的に速度を変えることができても
、無段階的に滑かな速度制御をすることができない欠点
がある。

また、電源の電圧を変えて速度を制御する方法では、速
度制御が連続的に行える半面特に低速度領域において効
率が悪くなる欠点がある。

そして、巻線型電動機において二次抵抗を変化させすべ
りを変えて速度制御を行う方法は、比較的簡単に連続的
な速度制御が可能である半面、外部からブラシとスリッ
プリングを介して回転子巻線回路へ抵抗を挿入するため
に、ブラシの消耗による保守点検を必要とし、また、か
ご形溝導電動機は、二次抵抗を変化させて速度制御を行
うことができない問題点がある。

上記問題点に対処するものとして、例えば、特開昭５４
−１９００５号公報にその技術が開示してあり、このも
のは、２組の回転子鉄心に跨って共通に設置されかつ両
端にてそれぞれ短絡環を介して相互間を短絡したかご形
導体と、２組の回転子鉄心間におけるかご形導体の中央
箇所にてかご形導体の相互間を短絡する高抵抗体とを備
え、回転子鉄心に対向してそれぞれ独立する固定子に巻
線を備え、始動時には固定子巻線の相互間の位相を１８
０°ずらせ、始動後の運転時には位相を合わせて給電す
る双鉄心かご彫型動機でおるが、始動時に固定子巻線の
相互間の位相を１８０°ずらすことにより始動トルクを
大にして始動特性を向上し、運転時には固定子巻線の相
互間の位相を合わせて通常のトルク特性で運転できる点
に特徴を有するものである。

したがって、始動性を向上する効果は認められたとして
も、この電動機は可変速電動機ではないから変速を必要
とする負荷の動力源として使用することができないもの
である。

また、特開昭４９−８６８０７号公報に提案されている
ものは、多相巻線とかご形ロータとを備えたステータを
有する非同期電気モータであって伝導バー、短絡回路端
環および強磁積層からなるものにあいそ、ステータは第
一と第二の巻線区分からなり、これらの区分は相互にお
よびロータの異る部分に隣接して共軸状に配置され、か
つ同じ周波数の交流を供給されることができ、また第二
巻線区分によりロータの巻線に誘導される起電力を変化
する手段を設けた非同期電気モータであるが、このもの
は、機械的あるいは電気的手段により、２個のステータ
ー区分間の位相差を設けて一応回転迷電を変えることが
できるものではあるが、２個のステーター区分間の位相
角が同相のときを除いてトルクが小さく、負荷が掛ると
直ちに運転が停止する欠陥を持つ実用に全く供しないも
のであり、負荷を連結した状態において、起動・停止を
頻繁に反復する動力源として運転することのできない重
大な問題点を未解決とするものであった。

発明の目的 本発明は、上記従来技術の欠点を改善するためのもので
、優れたトルク特性を求めるものであり、速度制御領域
を広範囲に且つその速度制御を無段階的として任意の所
望速度に設定できると共に、任意のトルクで起動させる
ことができ、ま゛た起動点から最高回転速度までの全速
度領域に回り、トルク特性と効率の優れた可変速誘導電
動機を提供することにある。

なお、本発明の可変速誘導電動機は、単相または３相電
源等に接続して使用され、回転子の形態は、普通かご形
、二重かご形、深溝かご形。

特殊かご形１巻線形等のいずれの形式のものにも適用で
きるものであり、本発明の説明に用いる導体とは、かご
形回転子コアに装設した導体、および巻線形回転子コア
に巻装した巻線のそれぞれを総称するものである。

問題点を解決するための手段 上記技術的課題を達成するために、本発明は、＝６− 複数個の回転子コアのそれぞれに装設した複数個の導体
のそれぞれを連結して一体的な回転子に形成し、同一回
転軸に任意の間隔を設けて軸着した前記複数個の回転子
コアに対峙する外周部に複数個の固定子を機枠に並設し
、前記複数個の固定子と対峙しない前記複数個の回転子
コア間において、前記複数個の導体のそれぞれを抵抗材
を介して短絡すると共に、前記複数個の固定子のそれぞ
れに巻装した巻線のそれぞれを並列に連結し、前記複数
個の固定子のうち、少なくとも１個の固定子に関連した
電動機において前記回転子導体を低抵抗形をしたことに
より解決の手段とした。

作　　用 本発明は、任意手段により、それぞれの固定子間に生起
する回転磁界の磁束に位相のずれを生じさせると、磁束
の位相のずれに応じて回転子導体に誘起する電圧が変化
し、回転子導体に誘起する電圧を増減制御して回転子の
回転速度を任意に変えることができる。

ところで、複数個の固定子に巻装したそれぞれの巻線を
並列に連結したことに併せ、複数個の回転子コアに装設
した複数個の導体のそれぞれを抵抗材を介して短絡した
構成により、位相差θにより前記抵抗材に流れる電流の
大きさを制御してトルク特性の優れた変速を可能にした
が回転子導体を低抵抗形としたことにより、より高速回
転まで変速できるという効果をもたらせた。

前記回転子導体の低抵抗形とは位相差θ−〇°の際のす
べりＳとトルク丁の関係を表わすカーブにおいて、すべ
りがＯから　１へ向かうにつれてトルクが増大しピーク
に達した後減少するという特性のものを意味する。

実施例 本発明の実施例を第１図〜第８図に基づき説明する。

第１図〜第４図により本発明の一実施例を説明する。第
１図、第３図参照して、示す符号１は誘導電動機であり
、該誘導電動機１は以下のように構成しである。鉄心か
らなる回転子コア２．３を任意の間隔を設けて回転子軸
４に装着し、回転子コア２，３間に非磁性体コア９を介
設しである。回転子」ア２，３に装設した複数個の導体
５・・・のそれぞれを直列に連結して一体的な回転子８
を形成し、その直列に連結した複数個の導体５・・・の
両端部を短絡環６，７に連結しである。また回転子コア
２，３．９に回転子８の両側部１０．１１に連絡する複
数個の通風胴１２・・・を設け、通風胴１２・・・から
直交状に回転子８の外周部に貫通する複数個の通気孔１
３・・・を穿設しである。回転子８は回転子コア２゜３
間の非磁性体コア９部において、複数個の導体５・・・
のそれぞれを任意のベクトルの差の電流が流れると通電
する抵抗材ｒ・・・とじてニクロム線、炭素混入鋼１通
電性セラミック等を介して短絡しである。（第１図、第
２図参照）円筒状の機枠１４の両側部に設けた軸受盤１
５．１６を連結棒１７・・・にナツト１８・・・を用い
て一体的に組付け、回転子８の両側部に冷却用翼車１９
゜２０を装着し、回転子軸４の両端部を軸受盤１５．１
６に嵌装した軸受２１，２１に軸支し、回転子４を回転
自在としである。

回転子コア２，３に対峙する外側部に巻線２２．２３を
施した第１固定子２４と第２固定子２５を機枠１４に並
設し、機枠１４と第１固定子２４．第２固定子２５との
間にすべり軸受２６．２７を装設し、すべり軸受２６．
２７を機枠１４に嵌装したストップリング２８・・・に
よって固定し、第１固定子２４と第２固定子２５の一側
外周面にギヤー３３’Ａ、３３Ｂを嵌着しである。（第
２図、第３図参照）機枠１４の外周部に固設したパルス
モータ−３５に駆動用歯車３６を軸着し、機枠１４の外
側部に装着した軸受台３２に中継軸２９を回転自在に軸
架し、中継軸２９の両端部に中継用歯車３０と回動用歯
車３１とを軸着し、機枠１４に設けた開口部３７．３７
から駆動用歯車３６と回動用歯車３１とを機枠１４内に
挿入し、回動用歯車３１を第２固定子２５に嵌着したギ
ヤー３３Ｂに係合させ、駆動用歯車３６を第１固定子２
４に嵌着したギヤー３３Ａに係合させると共に、駆動用
歯車３６と一体的に形成した連動歯車３４に中継用歯車
３０を係合し、第１固定子２４と第２固定子２５とを回
転子８と同心的に回動自在に形設し、第１固定子２４と
第２固定子２５とにより電圧移相装置３８に形成し、可
変速誘導電動機としである。３９は排風孔、４０は、軸
受盤１５．１６に複数個穿設した通風孔である。

以下に上記構成における作用を説明する。

第１固定子２４の巻線２２に商用３相電源から通電する
と、固定子２４．２５に回転磁界が生じて回転子８に電
圧が誘起され、回転子８の導体５・・・に電流が流れて
回転子８は回転する。

第１固定子２４に対して第２固定子２５それぞれの回動
量をゼロとしたときには、それぞれの固定子２４．２５
に生じる回転磁界の磁束に位相のずれがなく、その詳細
は後述する如く抵抗材ｒ・・・には電流が流れないので
、一般の誘導電動機と同一のトルク特性を持つものであ
る。

次に、パルスモータ−３５を作動して第１固定子２４と
第２固定子２５のそれぞれを逆方向に回動して位相角で
θだけ回動した場合について説明する。電圧移相装置３
８となす第１固定子２４と第２固定子２５が作る回転磁
界の磁束φ１．φ２の位相はθだけずれており、そのた
め第１固定子２４と第２固定子２５により回転子８の導
体５・・・に誘起される電圧（＝＋　、ｔａ２の位相は
θだけずれている。今、第２固定子２５によって回転子
８の導体５・・・に誘起される電圧ｄ２を基準とし、該
電圧を６２＝ＳＥとする。ここでＳはすべり、Ｅはすべ
り　１のときの誘起電圧である。このとぎ第１固定子２
４によって導体５Ａに誘起される電圧曲は、６＋＝ＳＥ
εＪＯとなる。

第４図に示すものは、非磁性体コア９部において複数個
の導体５・・・を短絡する抵抗材ｒ・・・が装着されて
いない場合の回転子８のすべりＳと回転子入力の有効電
力Ｐとの関係を示すもので、電圧の位相がθ−０°のと
き有効電力Ｐは最大となり、Ｏｏ＜θ＜　１８０６のと
きはそれよりも小さなものとなる。ここで導体５・・・
の抵抗およびインダクタンスをＲおよびＬとし、電源の
角周波数をωとすれば、有効電力Ｐの極大はＳ　−、（
Ｒ／ωＬ）　のとき現われる。

有効電力Ｐは誘導電動機１の駆動トルクと比例するので
、パルスモータ−３５を作動して電圧移相装置３８の第
１固定子２４と第２固定子２５とを回動させることによ
って回転子８に誘起する電圧を調整し、回転子の速度を
無段階的に制御することができる。

次に、回転子８の導体５・・・の短絡環６，７から連結
材までのそれぞれの抵抗をＲ１，Ｒ２、またインダクタ
ンスをＬｌ、Ｌ２とし、電源の角周波数をωとし、各導
体５・・・のそれぞれを短絡する抵抗材の抵抗をｒとす
れば、回転子８の電気的等価回路は第５図のようになり
、符号■１、Ｉ２．Ｉ３は各枝路を流れる電流を示すも
のである。

次に、第５図に示すものを両固定子２４，２５側からみ
た等何回路に変換すると第６図のようになり、ＲＩ＝Ｒ
２，ＬＩ＝Ｌ２でθ−０゜のときにはｌ３＝ＩＩ−Ｉ２
＝　Ｏとなり抵抗材ｒには電流が流れないことになる。

このことはθ＝０°のときにはトルクＴはｒがないとき
の値に等しいことを意味している。従って、θ−〇°の
ときは従来の誘導電動機と同一のトルク特性を持つこと
になる。

次に、ＲＩ＝Ｒ２，ＬＩ＝Ｌ２でθ−１８０゜のとぎに
は、Ｉ＋＝−１２，１３−１ｌ−Ｉ２−２■１となり、
従来の誘導電動機において、回転子導体の抵抗をＲＩ＝
Ｒ２＝ＲとすればＲはＲ＋２ｒに増加したと同様な結果
となっている。

上記回転子８の回転により、軸受盤１５，１６に穿設し
た通風口４０・・・から冷却用列車１９゜２０により機
枠１４内に外気を吸引し、冷却用列車１９．２０により
第１．第２固定子２４゜２５、巻線２２．２３に通風し
て冷却し、また通風１ｉ１１２・・・を介し通気孔１３
・・・に流通させる風により回転子コア２，３、導体５
・・・、抵抗材ｒ・・・等を冷却してそれぞれの機能を
安定的に作用させる。また、第１．第２固定子２４．２
５の回動はパルスモータ−３５をスイッチにより正・逆
回転させて行うが、パルスモータ−３５に限定されるも
のではなく他の正逆転モータでも、また気体、液体シリ
ンダー等によるサーボ機構等任意の駆動装置を転用でき
るものであり、手動ハンドルによって操作する場合ど第
１固定子２４と第２固定子２５のいずれか一方のみを回
動する場合もある。そして、固定子の回動駆動装置の作
動に関連して固定子の回動を任意の作動機構により開放
またはロックをする。

第１固定子２４と第２固定子２５の巻線２２゜２３のそ
れぞれを並列に商用３相電源に連結した場合には、第１
固定子２４と第２固定子２５の巻線２２．２３に入力す
る電圧は等しく、両固定子２４．２’５のそれぞれから
回転子８の導体５・・・に誘起する電圧は同等でその電
圧の位相はＰθだけ異なり、複数個の導体５・・・間を
抵抗材ｒ・・・を介して流れる電流は、（１／　２）　
Ｘ（第１．第２固定子のそれぞれから回転子導体に誘起
した差電圧）÷（抵抗材ｒ・・・の抵抗値）にほぼ比例
した電流となる。しかしながら、回転子８の導体５・・
・には抵抗材ｒ・・・に流れる電流の他に〈第１．第２
固定子の回転子導体に誘起する和電圧）÷（回転子導体
のインピーダンス）にほぼ比例した電流が重畳して流れ
る。（上記和電圧は、Ｐθ−πがゼロで、Ｐθ−〇で最
大となり、回転子導体のインピーダンスは導体の抵抗と
二次漏れリアクタンスのそれぞれよりなるのですべりに
よって異なる）したがって、回転子８の導体５・・・に
流れる電流の大きさに対し、複数個の導体５・・・間を
抵抗材ｒ・・・を介して流れる電流の比率は、Ｐθが一
定でもすべりおよび抵抗値によっても異なり、Ｐθを一
定とした場合のすべりとトルク特性は、一般の巻線形層
導電動機の二次挿入抵抗を一定とし゛た場合の特性と、
一般の誘導電動機の一次電圧を制御した場合の特性とを
混合した特性となる。

第７図は本発明の実施例、すなわち回転子導体が低抵抗
形におけるすべりとトルクの関係を表すグラフであり、
負荷１〜ルクＲに対して最高速度はすべりＳｌまで高め
ることができるばかりでなく、高速運転時には特にすべ
り損失が少ないので高効率運転ができる。

第８図は回転子導体が高抵抗形におけるすべりとトルク
の関係を表すグラフであり、すべりＳがＯから　１へ向
かうにつれてトルクは常に増大傾向になる。この場合、
負荷トルクＲに対して最高回転迷電のすべりはＳｌであ
り、すべりが大きく高速域において効率も悪くなる。

前記複数個の固定子が互いに並列に接続されると直列に
接続された場合と比較して位相差θによりすべりとは無
関係に回転子導体に流れる電流と抵抗材に流れる電流の
比率を制御することができるわけではなく、複数個の導
体５・・・間を抵抗材ｒ・・・を介して流れる電流は（
１／２　）×く第１．第２固定子のそれぞれから回転子
導体に誘起した電圧の差）÷（抵抗材ｒの抵抗値）にほ
ぼ比例した電流となり、制御の範囲が狭くなる。

しかしながら、前記抵抗材の抵抗値の選定を適当に行う
ことにより、ファン、ポンプ等のいわゆる低減トルク特
性の負荷に対しては十分に応用できるものであとともに
、固定子巻線相互が並列に接続されているとスイッチ類
を設けることによりそれを直列に接続するように切換え
ることは容易であり、トルク特性を多様化して高速範囲
を容易に拡大することができる。

なお、この回転子導体の低抵抗形は前記回転子導体を回
転子コア間において短絡する抵抗材との技術的結合では
じめてその効果を発揮するものであり、前記抵抗材がな
ければ回転子導体の低抵抗形であるすべりとトルクの関
係は第４図に示されるようになり、高速に際して不安定
領域が多き過ぎて、ファン、ポンプの、ような低減トル
ク特性の負荷にも応用できないものとなる。前記回転子
コア間が空間または非磁性体であれば漏れリアクタンス
が減少し、更に効率の優れた可変速誘導電動機となる。

そして、電圧位相装置は上記実施例に限定されるもので
はなく、両固定子間に位相のずれを生起する装置を任意
に選択して実施できるものである。

前記電圧位相装置を前記複数個の固定子のうち少なくと
も１個の固定子に巻装した巻線に連結する位相切換用ス
イッチとしたもの、前記電圧位相装置を単相変圧器と結
線切換スイッチとにより形成したもの、前記電圧位相装
置を誘導電圧調整器としたものも含まれる。また、前記
複数個の固定子のそれぞれに複数種の極数を形成する巻
線を施し、該巻線の端子に極数切換スイッチを連結する
ことを併用することもあり、更に前記複数個の固定子の
それぞれに巻装した巻線の結線をデルタ結線またはスタ
ー結線のいずれかに切換自在としてトルク特性に多様性
をもたせることを併用する場合もある。

ざらに本発明の可変速誘導電動機を誘導発電機としても
使用することができるものであり、回転子軸４にタービ
ン等直接連結して発電すれば高価な調速機を省略するこ
ともできる。また内燃機を原動機として連結した場合に
は、その内燃機の最小燃費の回転数に対応することがで
き、風水をエネルギー源とするパワーが弱く不安定な場
合においても、その最高出力を取出せる回転数で発電す
ることができ、水力発電においては・流速に応じて効率
よく発電でき、それぞれ複雑高価な可変ピッチ装置ある
いは調相機を省略できる。また、外部電力に対しての同
期も高価な同期装置なしで行える。そして、回転子軸に
他の回転軸を連結すると共に固定子巻線の入力端の２相
を入替えるスイッチを設け、該スイッチにより回転子軸
を正転、逆転自在とすれば、該スイッチと電圧位相装置
との操作より電機制動機としても使用することかでき、
電圧位相装置により回転速度を制御することにより、回
転子軸に連結した回転軸の制動力を効率よく調整できる
。

また、本発明の電動機を起動時には位相差を１８０°ま
たは適当な差に設定して起動電源を抑えるとどもに高ト
ルク特性で起動して運転時には位相差をＯｏまたは小さ
くして運転するという起動特性を改善した電動機として
使用できることはいうまでもない。

発明の効果 上記に説明した如く本発明によれば、複数個の固定子に
巻装した巻線を並列に連結し、前記固定子のうち少なく
とも１個に関連して電圧移相装置を連結し、固定子と対
峙しない回転子コア間において複数個の導体のそれぞれ
を抵抗材を介し短絡しであるので、電圧移相装置を操作
して固定子に生起する回転磁界の磁束に位相のずれを生
じさせるだけでの簡単な操作により、回転子の回転速度
を任意に変えることができる。

また、それぞれの固定子の巻線を並列に連結することと
、回転子導体のそれぞれを抵抗材を介して短絡したこと
と、回転子導体を低抵抗形としたことの組合せによる効
果は、高速領域まで回転速度を上げることができるとと
もに効率の良い運転ができることを可能にしたのである
。

したがって、負荷に順応した滑かな起動制御ができるこ
とは勿論、負荷に定められた任意の特性による起動と変
速を任意に制御することができ、起動・停止・変速を頻
繁に反復する動力源に用いて顕著な効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は、本発明の実施例図である。 第１図は誘導電動機の側断面図、第２図は固定子の回動
機構を示す側面図、第３図は固定子の回動機構を示す一
部を破断した側面図、第４図は回転子のすべりと有効電
力の関係を示す図、第５図は回転子の電気的等価回路図
、第６図は固定子側からみた電気的等価回路図、第７図
は本発明による回転子導体が低抵抗形の場合のトルクカ
ーブ、第８図は回転子導体が高抵抗形の場合のトルクカ
ーブである。 １・・・誘導電動機　　　　２，３・・・回転子コア４
・・・回転子軸　　　　　５・・・導体６．７・・・短
絡環　　　８，８Ａ〜８Ｃ・・・回転子９・・・非磁性
コア　　　１０．１１・・・側部１２・・・通風ＷＡ　
　　　　１３・・・通気孔１４・・・軸　　　　　　　
１５．１６・・・軸受盤１７・・・連結棒　　　　　１
８・・・ナツト１９．２０・・・冷却用翼車　２１・・
・軸受２２．２３・・・巻線　　　２４・・・第１固定
子２５・・・第２固定子　　　２６．２７・・・すべり
軸２８・・・ストップリング　２９・・・中継軸３０・
・・中継用歯車　　　３１・・・回動用歯車３２・・・
軸受台　　　　　３３Ａ、３３Ｂ・・・ギヤー３４・・
・ボルト　　　　　３５・・・パルスモータ−３６・・
・駆動用歯車　　　３７・・・開口部３８・・・電圧移
相装置　　３９・・・排風孔４０・・・通風孔 特許出願人　株式会社佐竹製作所 肩用 εビ−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、複数個の回転子コアのそれぞれに装設した複数
   個の導体のそれぞれを連結して一体的な回転子に形成し
   、同一回転軸に任意の間隔を設けて軸着した前記複数個
   の回転子コアに対峙する外周部に複数個の固定子を機枠
   に並設し、前記複数個の固定子と対峙しない前記複数個
   の回転子コア間において、前記複数個の導体のそれぞれ
   を抵抗材を介して短絡すると共に、前記複数個の固定子
   のそれぞれに巻装した巻線のそれぞれを並列に連結し、
   前記複数個の固定子のうち少なくとも１個の固定子に関
   連して電圧移相装置を付設した電動機において、前記回
   転子導体を低抵抗形としたことを特徴とする可変速誘導
   電動機。
2. （２）、前記回転子コア間は空間または非磁性体とした
   請求項（１）記載の可変速誘導電動機。
3. （３）、前記複数個の固定子間に加える電圧の位相のず
   れを０°〜１８０°の範囲内において任意の位相のずれ
   に設定できるように、前記複数個の固定子のうち少なく
   とも１個の固定子を前記回転子と同心的に回動自在に形
   設して前記電圧移相装置に形成した請求項（１）記載の
   可変速誘導電動機。