JPH01238446A - 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、任意の回転速度に変速でき、それぞれの変速
領域においてトルクと効率を安定的に確保することので
き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、その他各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
形誘導電動機は、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、たとば、特開昭５４
−２９００５号公報に開示される技術のものは、同一軸
に設置された２組の回転子鉄心に対向してそれぞれ独立
する固定子巻線を備えた２組の固定子と、前記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１８０°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
彫型動機であるが、このものは、始動時に固定子巻線の
相互間の位相を１８０°ずらず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。

なお、上記特開昭５ｊ−２９００５号公報において、起
動時から運転時への移行に際し、トルクの急激な変動に
よるショックを緩和する目的により瞬間的に固定子巻線
の相互の給電回路を直接接続の中間ステップを設けるこ
とも１例にあるが、この場合は、回転磁界の位相のずれ
が０°と１８０°の両時点のみに限定されるもので変速
目的のものではない。しかも直列に切り換えたことによ
り固定子に加わる電圧は半減されるのでトルクは１／４
に減殺されることも相俟って変速制御が全く不可能にな
ることは、この公報に開示する要旨が変速を目的としな
いことからも明白なところであり、仮に「固定子巻線を
給電回路に対して直接接続と並列接続とに切り換える中
間ステップ」云々とあるが、この直列接続は変速目的に
は全く用をなさない接続に過ぎないし、また任意速度に
変速制御することができない欠陥を未解決としていた。

また、前記のものは回転子鉄心と導体の間が絶縁されて
いないので、位相のずれがないときにはよいが位相のず
れを設けると回転子導体から回転子鉄心へ電流が流れて
しまい１、前記抵抗材を有効に作用させることができず
、トルクと効率を著しく低下させる。更に送風機を備え
ていないし冷却の構成もないので、可変速誘導電動機と
しての使用はできないものであった。

発明の目的 本発明は、上記従来技術の欠点を改善し、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、またそれぞれの速度領域における効率の改
善と、その効率を安定的に維持することのできる可変速
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相の
いずれにでも形成でき、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、機枠に並
設した複数個の固定子のうち少なくとも１個の固定子に
関連して前記複数個の固定子のうちの何れか一方の固定
子に対峙する回転子の導体部分に誘起する電圧と他方の
固定子に対峙する前記回転子の対応する導体部分に誘起
する電圧との間に位相差を牛じさぜる電圧移相装置を付
設し、複数個の回転子コアを前記複数個の固定子と同心
的に対峙して回転子軸に固設（）、前記複数個の回転子
コアに装設した複数個の導体のそれぞれを連通状に連結
して一体的な回転子に形成し、前記複数個の導体を挿入
する前記回転子コアに穿設した導体挿入孔と導体との間
に絶縁処理を施し、前記複数個の回転子コア間において
前記複数個の導体を抵抗材を介して短絡し、前記複数個
の固定子間と前記複数個の回転子コア間と前記機枠で形
成する空間部を通風胴に形成し、導入した外気により前
記抵抗材を冷却放熱して前記機枠外に排気するようｌ−
′前記機枠に排風口を設けて前記通風胴に連通すると共
に、前記排風口に送風装置を連通した可変速誘導雷＃ｊ
ＪｇａにＪゴいて前記複数個の回転Ｔコアのそれぞれに
両端面に貫通する通風孔または前記回転軸を中空とし、
前記複数個の回転子コア間において、前記回転軸の内周
部と外周部に貫通する通風孔または前記複数個の固定子
の外周部に、両端面に貫通する通気口を開設するかまた
はそれらの通気孔を組み合わせて開設することにより問
題点の解決の手段とした。

作　　用 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合成電圧が変化し、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、複数個の固定子間に電圧の位相の差かを設け
ることにより、すなわら、それぞれの固定子に対峙する
回転子導体部分に誘起する電圧に位相の差を設けること
により、前記複数個の導体間を短絡する抵抗材を介して
電流が流れるので、トルクと効率を改善することができ
るのである。

ところで、複数個の導体を挿入する前記回転子コアに突
設した導体挿入孔と導体との間のそれぞれを絶縁処理を
施しているので、位相の差を設けても導体から回転子コ
アに電流が流れることはなく、抵抗材を通って電流が流
れるので、トルクを確実に得られるともに効率が改善さ
−れる。また、前記複数個の固定子間と前記複数個の回
転子コア間と前記機枠で形成する空間部を通風胴に形成
し、導入した外気により前記抵抗材を冷却放熱して前記
機枠外に排気するように前記別枠に排風口を設けて前記
通風胴に連通し、前記排風口に送風装置を連通すると共
に、回転子コアに通風孔を装設するか、回転軸を中空と
して回転子コア間において前記回転軸の内周部と外周部
に貫通する通風孔を開設するか、固定子の外側に通風孔
を開設し、それを通し゛て空気が流入するようにしたの
で、抵抗材Ｊ３よび電動機の他の部分の冷却性は向上し
、可変速誘導電動機として優秀なものとすることができ
たのである。

（実施例〕 以下、実施例について図面を参照しながら説明する。

先ず、本発明による冷却装置が適用される可変速誘導電
動機の構成を説明する。回転子２の回転子軸３上には、
回転子コア２Ａ、２Ｂが間に一定の間隔をもって挿着さ
れる。回転子コア２Ａ、２Ｂ間には非磁性体コア部２Ｃ
が設けられる。回転子コア２Ａ、２Ｂ上にはその外側部
端部間に渡って連通状に複数個の回転子導体４・・・が
かご状に装設され、その両端部は短絡環５゜６により相
互短絡される。回転子導体４・・・は非磁性体コア部２
Ｃのところで抵抗材Ｒによって相互連結く抵抗短絡）さ
れる。このようにして一体内に構成された回転子２は、
その両端部が軸受７，７に軸支されることにより電動ｇ
Ｍ機枠１０内において回転自在となる。

回転子コア２Ａ、２Ｂの各外周面に対峙して機枠１０の
内壁面に固定子１２Ａ、１２Ｂが並設される。図示実施
例の場合、固定子１２Ｂは機枠１０の内壁面に固設され
る固着固定子であるが、固定子１２Ａの方は、小型モー
タ１５及びギヤ１６．１７（ギヤ１７は固定子コア外周
面に嵌着されている）を主なる構成要素とする回動機構
により、固着固定子１２Ｂに対して相対的に回動できる
ようになっている。この回動機構を操作することにより
、具体的には小型モータ１５を任意量回転させることに
より、回転子の各固定子に対応する回転子導体部分間に
位相差が生じる。即ち、図示実施例ではこの回動機構が
電圧移相装置１８を構成する。なお、各固定子１２Ａ、
１２Ｂに巻装された固定子巻線１３Ａ、１３Ｂの電源へ
の接続は直列又は並列の何れであっても構わない。また
、図示実施例では、電圧移相装置として回動機構による
ものを示したが、固定子巻線の結線切り換え、方式或い
は誘導電圧式の移相器を介在させる等の純電気的手段に
より構成することも、更には回動機構と電気的手段の組
み合わせとすることもある。

次に、冷却装置４０を説明する。冷却装置４０は送風装
＠５０と制御装置６０とから成る。

送風装置５０は、電動機機枠１０の適所（図示実施例の
場合、中央上部位置）に開口された排風口２０を包囲し
て固着される上部開放状の送風胴５１、該送風胴５１に
支持されたファンモーター５２及び該モータ５２の回転
軸に軸着されたファン５４とで構成される。なお、この
送風装置５０は、外気を機枠１０内に強制的に導入（圧
送〉し内部の構成部品、特に短絡抵抗材ｒを電流が流れ
ることにより加熱された空気と共に自然的に排気する形
式のものであっても、または機枠内部の加熱された空気
を強制的に吸引・排気する形式の何れであっても構わな
いが、図示実施例の如く、送風装＠５０を機枠１０の中
央上部位置に設ける場合には、後者の形式の方がより優
れた冷却放熱効果を得られる。制御装置６０の制御出力
は送風装置５０のファンモータ５２に接続され、その入
力側には制御情報源として、回転子２の回転速度を検出
する、例えばタコジェネレータ等の速度検出器７０、電
圧位相装置１８により調節設定される位相差を検出する
移相検出器８０（第２図参照）、及び誘導電動機の機枠
１０内の熱が蓄熱されやすい特定の部品あるいはそのよ
うな部品の周囲空間部の適所に配設され、その部品ある
いは空間部の温度を検出するサーミスタ等の温度検出器
９０が接続される。なお、速度検出器７０としては、タ
コジェネレータに限られることなく、ストロボ式回転計
、光電式回転計等の非接触式回転計を回転子コア２Ａ、
２Ｂ、非磁性体コア部２Ｃ１回転子導体４・・・等に関
連して配設して使用することもできる。

第２図は制御装置６０に接続される位相検出器８０の一
事例を示すものである。この位相検出器８０は、回動固
定子１２Ａの外周面に装着され磁気を検知する磁気セン
サー８２ζ、機枠１０の内周面に装着された非磁性板８
３に埋設され、径が異なることにより発生磁力の異なる
複数個の磁気発生体８４（図面では８４ｂ〜８４［のみ
が示されている）とで構成される。

制御装置６０は、上記各検出器７０．８０゜９０から電
動機の運転中に変化する各種情報を常時受け、その情報
に基づき送風装＠５０の運転を次のように制御する。

回転検出器７０からの入力情報が高速度運転を示し、位
相検出器８０からの入力情報が位相差が少ないことを示
し、１つ温度検出器９０からの入力情報が温度が低いこ
とを示すものであれば、制御装置６０は、機枠１０内の
状態が強制的冷却放熱作用をあまり必要としないものと
判断し、送風装＠５０のファンモータ５２に対して運転
停止のオフ制御、或いは減速制御の信号を出力して、省
電力運転を行う。

これとは反対に、上記した３つの入力情報の内の１つが
反対の情報、即ち低速度運転１位相差が大きいこと、又
は温度が高いことのいずれかの情報が制御装置６０に入
力された場合には、機枠１０内の状態が強制的冷却放熱
作用を必要とする状態であると判断し、制御装置６０は
、送風装置５０のファンモータ５２に向けて運転開始の
オン制御、或いは加速制御の信号を出力して、電動機を
構成する部品の熱による品質劣化、更には熱的破壊を防
止する。また、このような状態の下で誘導電動機自体の
運転が停止された場合には、必要により制御装置６０に
備えられたタイマ機能が作動し、送風装置５０の運転を
電動機の停止後も一定時間継続させ、電動機を熱的破壊
から完全に保護する。

本発明の構成においては前記抵抗材に発熱が集中的に起
こるわけであるが、前記抵抗材を効果的に冷却するため
には中空とした回転軸３゜回転子コア８６．固定子外側
部８５のいずれかまたはそれらの組み合わせによって風
を吸入して送風装置５０で排出するのが好ましい方法で
ある。なぜならば、前記とは逆に、送風装置５０によっ
て風を吸入して中空とした回転軸３゜回転子コア８６．
固定子外側部８５のいずれか、またはそれらの組み合わ
せの通風孔より排出しようとするならば、抵抗材の発熱
により高温となった風が機内を熱する可能性が高くなる
からである。

固定子の外周部の通気孔とは固定子のコアに通気孔を設
けることのみを意味するのでなく、固定子の外側部すな
わち機枠との間に設けることを含むことはもちろんであ
る。また一方側の固定子の外周部に通気孔を設けるのみ
でなく、他方側の固定子にも通気孔を設ければ冷却性能
はより向上する。

なお、前記回転子導体と回転子コアの間の絶縁の実施例
としては各種のものがある。

前記複数個の回転子コア開側の浅部範囲のみの前記複数
個の導体挿入孔に絶縁材を装着したものもあり、前記回
転子コアに穿設した前記複数個、の導体挿入孔の全域全
数に亘り絶縁材を装着したものもあり、複数個の珪素鋼
板を重合連結して形成した前記回転子コアの前記導体挿
入孔に絶縁塗料を塗布処理したものもあり、前記回転子
コアに穿設した導体挿入孔に挿入する前記複数個の導体
に絶縁材を装着したものもあり、マイカ、石綿、ガラス
繊維、各種樹脂などの材料のいずれかを、または前記樹
脂に前記材料を混合して前記絶縁材に形成したものもあ
り、前記複数個の導体挿入孔または前記複数個の導体の
いずれか一方、または双方に絶縁性の陽極酸化被膜処理
を施して前記絶縁材に形成したちのもあり、前記回転子
コアに穿設した前記複数個の導体挿入孔と、該導体挿入
孔に挿入した前記複数個の導体との隙間に前記樹脂また
は前記材料を混合した樹脂を充填注入したものもあり、
前記複数個の導体をアルミ材に形成すると共に、該導体
の表層面をアルマイト被膜処理を施して前記絶縁材に形
成したものもある。

なお、本発明において、［導体挿入孔および導体に絶縁
材を装着した］という用語を用いたが、「絶縁材」とは
、導体挿入孔または導体に絶縁物具材を装着することに
限定されるものではなく、回転子コアの導体挿入孔、あ
るいは導体の表層に種々絶縁処理を施したものも含めて
総称するものである。

回転子導体と回転子コアの絶縁については第４図に示す
ように位相差を設けた場合に抵抗材ｒと並列に回転子コ
アが挿入されたと似たようになり、回転子導体から回転
子コアへ一部の電流が流れ抵抗材が有効に作用しなくな
ってトルクと効率を下げるのである。

すなわち、Ａ−Ｆは回転子導体の単位長さ当りの起電力
であり、回転子磁界の速度と回転子速度の差に比例する
。ｐは前記起電力の和であり、抵抗材の方に向かうにつ
れて次第に大きくなる。ａ・・・［は珪素鋼板であり、
回転子コアと回転子導体の間の絶縁処理がなされていな
ければ、起電力の和の大きいｒ側では特に導体から回転
子コアにもれる電流は大きいことになる。

従って、前記絶縁処理は導体と回転子コアが接合する全
長にわたって行わなくてもそれなりの目的を達成するこ
とができる。

本発明は可変速誘導電動機としてではなく、始動時には
位相差を１８０°または大きくして運転時には位相差を
０°または小さくして使用する始動性を改善した誘導電
動機にもなり得る。

この場合、始動電源を抑制すると共に始動トルクを大き
くできて電流設備容量を小さくできる。

さらに本出願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、回転子軸にタービン
、ガスタービン、太陽熱発電機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ｖＪ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。また、回転子軸に他の回転軸、を連結すると共に
固定子巻線の入力側の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により電気制御器と
しても使用することができ、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。

発明の効果 前記のように構成した本発明は、前記抵抗材を設けたこ
とによりトルク特性と効率は優れ、かつ発熱が比較的集
中的に起こる前記抵抗材の効果的な冷却放熱の構成を加
えたので、前記抵抗材を最大限に作用させて、すなわち
前記抵抗材に最大限の電流を流して高トルクを得ても熱
的破壊は起こらず可変速誘導電動機として顕著な効果を
発揮することができたのである。なお、本発明において
回転子導体と回転子コアの接合部において絶縁処理をし
たので、導体からコアへの電流のもれがなくなり、抵抗
材を有効に使用することができたので性能は一層向上し
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による冷却装置を備えた可変速誘導電動
機の側断面図、第２図は位相検出器の実施例を示す断面
図、第３図は回転子の斜視図であり、第４図は導体に流
れる起電力について説明した図である。 図において、２・・・回転子、２△、２Ｂ・・・回転子
コア、２Ｃ・・・非磁性体コア部、３・・・回転子軸、
４・・・回転子導体、５，６・・・短絡環、７・・・軸
受、１０・・・機枠、１２Ａ・・・回動固定子、１２Ｂ
・・・固着固定子、１３Ａ、１３Ｂ・・・固定子巻線、
１５・・・小型モータ、１６．１７・・・ギヤ、１８・
・・電圧移相装置、２０・・・排風口、３０・・・通風
胴、４０・・・冷却装置、５０・・・送風装置、５１・
・・送風胴、５２・・・ファンモータ、５４・・・ファ
ン、６０・・・制御装置、７０・・・速度検出器、８０
・・・位相検出器、８２・・・磁気センサー、８３・・
・非磁性板、８４（８４ｂ〜８４ｇ）・・・磁気発生体
、８５，８６゜８７．８８・・・通風孔、９０・・・温
度検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、機枠に並設した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前記複数個の固定子のうちの
   何れか一方の固定子に対峙する回転子の導体部分に誘起
   する電圧と他方の固定子に対峙する前記回転子の対応す
   る導体部分に誘起する電圧との間に位相差を生じさせる
   電圧移相装置を付設し、複数個の回転子コアを前記複数
   個の固定子と同心的に対峙して回転子軸に固設し、前記
   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
   を連通状に連結して一体的な回転子に形成し、前記複数
   個の導体を挿入する前記回転子コアに穿設した導体挿入
   孔と導体との間に絶縁処理を施し、前記複数個の回転子
   コア間において前記複数個の導体を抵抗材を介して短絡
   し、前記複数個の固定子間と前記複数個の回転子コア間
   と前記機枠で形成する空間部を通風胴に形成し、導入し
   た外気により前記抵抗材を冷却放熱して前記機枠外に排
   気するように前記機枠に排風口を設けて前記通風胴に連
   通すると共に、前記排風口に送風装置を連通した可変速
   誘導電動機において前記複数個の回転子コアのそれぞれ
   に両端面に貫通する通風孔または前記回転軸を中空とし
   、前記複数個の回転子コア間において、前記回転軸の内
   周部と外周部に貫通する通風孔または前記複数個の固定
   子の外周部に、両端面に貫通する通気孔を開設したこと
   を特徴とする可変速誘導電動機。