JPH02193558A - 交流回転装置 - 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、円形状に配置された電機子巻線に交流電流を
通じることで回転力を得る交流回転装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、安定した回転力の得られる交流回転機器とし
ては同期機が公知である。−船釣な同門機の構成は、次
のようである。

第４図は、回転界磁形の三相同期機１００の構成を簡略
的に示す原理説明図である。図示するように、固定子例
の電機子１０２は、透磁率の高い円環状鉄心１０４の周
方向に連続形成されたスロットル１０６に電機子コイル
１０８を埋め込み構成される。スロット１０６に埋め込
まれる電機子コイル１０日は、三相の場合には３つのス
ロットにわたって１つの電機子コイル１０日を巻装し、
その電機子コイル１０日の鎖交する両端のスロット１０
６には他の２つの電機子コイル１０日が埋め込まれてい
る。

このように互いに鎖交し合う各電機子コイル１０日に対
して、その配列順序に従って周期的（第４図中に、Ｕ、
　　Ｖ、　Ｗ相として記載している規則性）に三相交流
電流の所定の相の電流を通じるならば、空間的に略正弦
波状に変化する磁界が発生する。また、公知のようにこ
の略正弦波状の磁極は、電機子コイル１０Ｂに供給する
三相交流電流の１サイクルの変化に伴って電気角２πだ
け移動する、いわゆる回転磁界となる。

従って、上記固定子１０２に所定間隙１１０を有して設
けられる回転子１１２は、磁性体からなる円筒体１１４
の周面に、固定子１０２の作る回転磁界に対応して永久
磁石１０８を取り付けて構成される。すなわち、第４図
に示すように、三相の交流電流が供給される１組（３つ
）の電機子コイル１０８が巻装される空間角内に、Ｎ極
及びＳ極を間隙１１０に配するように２つの永久磁石１
１６が取り付けられる。

このため公知の同期機は、界磁の極数をｐ、電機子に供
給する交流電源の周波数をｆとするならば、回転数ｎは
（１）式で表される同期速度に一致するようになる。

ｎ＝１２０　　　　　　　［ｒｐｍ］　　　　　　　・
・・（１）従って、上記構成の同期機は、特に回転速度
の安定が望まれる用途に対して広く利用されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のごとく同期機は、安定した回転を得るために開発
されたものではあるが、以下の理由により回転トルクに
微細なむらが存在し、いわゆるコギングが発生するとい
う課題が残されている。

第５図は、上記第４図に示した三相同期機の電機子コイ
ル１０日に上述した規則性に則って三相交流電流を通じ
るとき、その間隙１１０に発生する回転磁界の原理説明
図である。この図は、ある瞬間における各相の電機子コ
イル１０日により発生する磁界をそれぞれ独立に示し、
これらの合成磁界が略正弦波になる様子を概略的に表し
ている。

図示する瞬間は、Ｕ相の交流電流が通じられる電機子コ
イル１０８により最大のＮ極の磁界が発生し、Ｖ相及び
Ｗ相の交流電流が通じられる電機子コイル１０８により
その大きさは半分であるＳ極の磁界が発生している。ま
た、その発生する磁界の空間的位置は、その磁界を発生
する各電機子コイル１０日直下の空間部分である。前述
のごとく、異なる相の交流電流が通じられる各電機子コ
イル１０８は、互いに空間的に一部を鎖交して配置され
ている。従って、各電機子コイル１０８の発生している
磁界は、その鎖交する部分において同極の磁束は加え合
わされ、異極の磁束は相殺される。このため、第５図に
示すように、その合成磁界は略正弦波の磁界となるので
ある。

そして、上記略正弦波の磁界が、電機子コイル１０日に
通じられる三相交流の位相の変化にともなって徐々に回
転する回転磁界となるため、その磁界と吸引し合ってい
る回転子１１２が回転することになる。すなわち、第５
図に示す略正弦波の回転磁界と永久磁石１１６との磁気
作用により駆動力が得られるのである。

しかし、第５図より明らかなように、電機子コイル１１
８により作り出される回転磁界は、実際には正弦波から
歪を生じている。すなわち、その回転磁界は、時間の経
過と共に円滑に回転するのではなく、その歪に起因した
変則的な回転速度で回転しているにすぎない。

従って、従来の同期機の回転子の回転を詳細に調べるな
らば、巨視的には回転速度は同期速度に一致するものの
、微視的には小さなトルク変動に基づく回転むらが発生
しており、完全に円滑な回転力が得られていなかった。

本発明は上記課題に鐵みなされたもので、回転トルクが
極めて安定しており、しかも構成が簡単で、小型、軽量
に構成され、更に高効率の運転が可能な優れた交流回転
装置を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明の交流回転装
置の構成は、 円形状に配列された多数の永久磁石により作られる界磁
と該界磁と同様に円形状に連続して配置される巻線を施
してなる電機子とを有する回転手段と、 該回転手段の前記電機子の巻線に、所定相数の多相交流
電流を供給し、その多相交流電流により作られる磁界と
前記界磁による磁界との磁気作用により前記永久磁石と
前記電機子との相対位置を連続的に変化させる交流電流
供給手段と、を有する交流回転装置において、 前記回転手段の前記巻線が、連続して配置される他の巻
線と鎖交することなく、円形状に位置をずらして独立的
に配置され、 前記回転手段の界磁が、前記多相交流電流の相数に等し
い数の前記巻線が配置される空間内に前記相数より１つ
多い数の永久磁石を極性が交互になるように配置した多
数の永久磁石により構成され、 前記交流電流供給手段が、前記巻線の配列順序及び前記
多相交流の位相順序に従って、周期的に、前記巻線に多
相交流電流を供給するよう構成され、ていることを特徴
とする。

［作用］ 本発明の交流回転装置は、回転手段の巻線が互いに空間
的に独立して配置され、多相交流電流の相数に等しい数
の巻線が配置される空間内に相数より１つ多い数の永久
磁石を極性が交互になるように配置して構成される。ま
た、本発明の交流電流供給手段は、巻線の配列順序及び
多相交流の位相順序に従って、周期的に、当該巻線に多
相交流電流を供給する。

従って１矧の巻線が、単独に１つの磁界を作り出し、そ
の磁界は他の巻線の作る磁界から影響を受けない。そし
てその磁界は、巻線に供給される多相交流電流にしたが
い、円滑な正弦波状の変化によりＮ極、Ｓ極へと連続的
に変化する。

また、界磁を作り出す永久磁石は、上記のごとく連続的
に変化する磁界中に置かれ、電機子により作り出される
磁極数よりも１つ多く配置される。

このため、巻線により作り出された任意の１つの磁界は
、必ず２以上の複数の永久磁石と磁気作用を及ぼし合う
関係が成立する。

従って、電機子と界磁との位相関係により、回転トルク
に極大あるいは極小の変動が現れることなく、電機子と
界磁との相対位置はスムースに変化することになる。

以下、本発明をより具体的に説明するため実施例を挙げ
て詳述する。

［実施例］ 第１図は実施例の交流回転装置１ｏのブロック構成図で
あり、第２図はその回転部２ｏ及び電流供給部４０の概
略的な機械的構成を示す概略端面図である。なお、実施
例の交流回転装置１ｏは、電力源として三相交流を用い
る構成のものを例示している。

回転部２０の機械的構成は、従来の回転界磁形同期機の
構成に類似している。

すなわち、固定子である電機子２２は、電機子鉄心２４
とその電機子鉄心２４に巻装される電機子コイル２６と
から構成される。電機子鉄心２４とは、予め所定形状に
巻形成された電機子コイル２６が簡便に埋め込み一体化
されるよう、電機子コイル２６を嵌着するスロワ）２４
ａが形成されるような形状に打ち抜き成形した厚さＯ０
数ｉｎｎ］の多数のけい素鋼板を、うず電流損を軽減す
るため互いに絶縁積層して構成される。

しかし、電機子２２の有する電機子コイル２６の構成が
従来の回転界磁形量ｗＪａと異なり、第２図に示すよう
に、各電機子コイル２６は電機子鉄心２４に形成された
互いに隣接し合うスロット２４ａに埋め込まれ、また各
電機子コイル２６は完全に独立して電機子鉄心２４と一
体化される。このため、各電機子コイル２６の作る磁束
はその電機子コイル２６とのみ鎖交し、他の電機子コイ
ル２６の磁気的状態に影響を与えることはない。

なお、本実施例では、電機子鉄心２４にスロット２４ａ
を「２４」形成している。従って、電機子鉄心２４に嵌
着される電機子コイル２６の総数も「２４」となる。

回転子である界磁３０は、上記電機子コイル２６と同様
に、過密の同期機とその構成を異にしている。すなわち
、上記のごとく電機子２２が構成されるため、この電機
子２２の作る磁界はＵ相。

■相、Ｗ相の１絹の電機子コイル２６により電気角２π
の正弦波状磁界が発生するのではなく、各相の電機子コ
イル２６により独自の磁界が作り出される。そこで界磁
３０は、回転鉄心３２の周面に沿って、Ｕ相、■相、Ｗ
相の１絹の電機子コイル２６に対向する空間に「相数＋
１」、すなわち４個（＝３＋１）の永久磁石３４を磁極
が交互となるように接着して構成される。従って、第２
図に示すように本実施例では、Ｕ相、■相、Ｗ相からな
る８つの組のそれぞれに４個の永久磁石を接着し、合計
「３２個」の永久磁石３４を使用している。

一方、電流供給部４０は、上記のごとく構成された電機
子２２の電機子コイル２６に所定の磁界を形成させるた
め、各電機子コイル２６に流す励磁電流の位相を調整す
るために設けられるものである。本実施例の交流回転装
置１０では、第２図に示すように、電機子コイル２６の
配列順序にしたがって順次位相の異なる電流を通じるた
め、３つおきの各電機子コイル２６をそれぞれ接続線４
０ａ、４０ｂ、４０ｃにより接続し、この接続線４０ａ
ないし４０ｃに対してＵ相、■相、Ｗ相の励磁電流を供
給している。

以上のように構成される実施例の交流回転装置１０に三
相交流電流を通じるとき、回転子である界磁は極めて安
定した回転トルクを発生して回転する。次に、この回転
トルクの発生状況を第３図のタイミングチャートを用い
て詳細に説明する。

第３図（Ａ）は、第２図の電機子コイル２６に通じる三
相交流電流、すなわち励磁電流を示している。公知のよ
うに、Ｕ相の電流を基準にすれは、■相の電流は電気角
１２０°だけ遅れ、Ｗ相の電流は更に電気各１２０°遅
れている。また、図に示す数字「１」ないし「９」は、
第３図（Ｂ）に示すタイミングチャートの時刻を示して
いる。

電機子２２と界磁３０は、第３図（Ａ）に示す公知の三
相電流を電機子コイル２６に通じるとき、その電機子コ
イル２６の作り出す磁界及び界磁３０の永久磁石３４の
磁界との磁気作用により回転するが、この様子が第３図
（Ｂ）に詳細に示されている。

まず、時刻「１」のときについて説明する。このとき、
Ｕ相の電機子コイル２６には電流が流れておらず磁界は
「０」である。一方、Ｖ相及びＷ相の電機子コイル２６
には同じ大きざで方向が逆の励磁電流が流れ、共に同じ
大きさで極性が逆の磁界を発生している。従って、界磁
３０の永久磁石３４はＶ相とＷ相の作る磁界と作用しあ
い、■相の直下にＳ極、Ｗ相の直下にＮ極が共に引き寄
せられて安定する。

上記第３図（Ｂ）の「１」の状態から時間が経過するに
つれて、Ｕ相の電流が流れはじめてその直下にＳ極の磁
界が発生する。一方、■相の発生していたＮ極の磁界は
更に強まり、Ｗ相の発生していたＳ極は弱まり、ついに
は「２」に示す状態となる。このとき、界磁３０の永久
磁石３４は、■相の磁界により強い吸引力を受け、その
直下にＳ極の永久磁石３４が来る位置で安定する。すな
わち、上記「１」の安定した状態から僅かに図面左方に
変位した位置で安定し、第２図に示した界磁３０は反時
計方向に回転することになる。

更に時間が経過して第３図（Ａ）に示す時刻「３」とな
ったときには、上記時刻「１」で示したと極めて近似し
た磁界の状態となり、Ｗ相の磁界か無くなり、Ｕ相及び
Ｖ相が同じ大きさで逆極性の磁界を発生する。従って、
このときそれぞれの電機子コイル２６の直下に異なる極
の永久磁石３４が引き寄せられ、前回Ｖ相の直下に位置
したＳ極の永久磁石３４は更に図面左方に移動しＵ相と
の境界にまで移動する。すなわち、第２図において、界
磁３０は更に反時計方向に移動するのである。

第３図（Ａ）の時刻「４」にまで時間が経過すると、Ｕ
相の励磁電流が最大となり、その他の相の励磁電流は小
さくなる。すなわち、上記時刻「２」に近似した磁束分
布となり、Ｕ相の直下にＮ極の永久磁石３４が引き寄せ
られる。すなわち、更に界磁３０は反時計方向に回転す
るのである。

上記の関係は、第３図（Ｂ）に示すごとく規則的かつ連
続的に成立し続けるもので、第３図（Ａ）に示す時刻「
９」まで時間が経過したとき、界磁３０に接着されてい
る永久磁石３４の１個分の角度の回転が完了する。すな
わち２２．５°　（＝３６０／１６）回転する。

以上のように構成される本実施例の交流回転装置１０に
よれば、次のような効果が明らかである。

電機子２２と界磁３０との間に作用する電磁力、すなわ
ち回転トルクは、第３図（Ｂ）に示すごとく連続的かつ
規則的な磁気作用により発生するものである。しかも、
各電機子コイル２６の発生する磁界は、他の電機子コイ
ル２６からの影響を受けず電源より供給される正弦波の
励磁電流（第３図（Ａ）参照）に基づきスムースな正弦
波形状をして変化する。また、その電機子コイル２６の
発生する磁界は、常に２以上の永久磁石３４と作用しあ
う。このため、界磁３０の回転は極めて安定したものと
なり、コギングの発生が無く、円滑な回転特性を示す。

また、第２図に示すごとく、電機子コイル２６をスロワ
）２４ａに嵌着する際には、個々の電機子コイル２６を
隣合うスロワ）２４ａに挿入するだけでよい。このため
回転機の構成が簡略化され、製造及び保守が簡単となる
。例えば、使用中に１の電機子コイル２６に異當が発生
した場合、その電機子コイル２６をスロット２４ａから
取り外す際に他の電機子コイル２６に同等影響を与える
ことなく簡単に交換ができる。

更に、各電機子コイル２６の作り出す磁界は、他の電機
子コイル２６の作り出す磁界により相殺されることなく
、その総てが界磁３０の永久磁石３４と作用する。この
ため、電気−機械変換効率が上昇し、出力トルクに比較
して装置全体を小型、軽量に構成することができる。

なお、上記実施例は回転界磁形の回転機構成を例示して
いるが、何等この様な構成に限定されるものではなく、
回転電機子形の回転機構成としたり、４相あるいはそれ
以上の多相の交流電源により駆動される構成とするなど
、本発明の要旨を逸脱しない各種の態様により具現化し
てもよい。

［発明の効果コ 以上詳述したごとく本発明の交流回転装置は、回転手段
の各巻線が空間的に独立して配置され、磁束が鎖交しな
いようにされている。従って、１の巻線により作り出さ
れる磁界は他の巻線により作り出される磁界より相殺さ
れることなく、磁気エネルギーを有効利用し、高効率の
電動機となる。

すなわち、同一出力の回転機をより小型、軽量に製造す
ることができる。

また、回転手段の界磁が、多相交流電流の相数に等しい
数の巻線が配置される空間内にその相数より１つ多い数
の永久磁石を極性が交互になるように配置した多数の永
久磁石により構成されている。このため、各巻線の作り
出す磁界は、必ず２以上の複数の永久磁石と磁気作用を
及ぼし合うことになる。しかも、その巻線の作り出す磁
界は他の磁界からの影響を受けず、電源である多相交流
の正弦波状励磁電流にしたがい正弦波状にスムースに変
化する。従って、界磁と電機子と相対的な位置関係に対
して、界磁と電機子間に作用する磁気的力は極めて安定
し、回転トルクが極めて安定する。

更に、回転手段の巻線を空間的に独立して配置する簡単
な構成であるため設計、使用、保守が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である交流回転装置の概略ブ
ロック図、第２図はその回転部の断面図、第３図（Ａ）
はその実施例の交流回転装置に供給される三相交流電流
の位相関係の説明図、第３図（Ｂ）はその三相交流電流
により回転する界磁の動作説明図、第４図は従来の同門
機の断面図、第５図は従来の同門機の回転動作の説明図
、を示している。 ２０・・・回転部 ２２・・・電機子 ２６・・・電機子コイル ３２・・・回転鉄心 １０・・・交流回転装置 ４０・・・電流供給部 ２４・・・電機子鉄心 ２４ａ・・・スロット ３４・・・永久磁石 ４０ａ、４０ｂ、４０Ｃ・・・接続線

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　円形状に配列された多数の永久磁石により作られる
   界磁と該界磁と同様に円形状に連続して配置される巻線
   を施してなる電機子とを有する回転手段と、 該回転手段の前記電機子の巻線に、所定相数の多相交流
   電流を供給し、その多相交流電流により作られる磁界と
   前記界磁による磁界との磁気作用により前記永久磁石と
   前記電機子との相対位置を連続的に変化させる交流電流
   供給手段と、 を有する交流回転装置において、 前記回転手段の前記巻線が、連続して配置される他の巻
   線と鎖交することなく、円形状に位置をずらして独立的
   に配置され、 前記回転手段の界磁が、前記多相交流電流の相数に等し
   い数の前記巻線が配置される空間内に前記相数より１つ
   多い数の永久磁石を極性が交互になるように配置した多
   数の永久磁石により構成され、 前記交流電流供給手段が、前記巻線の配列順序及び前記
   多相交流の位相順序に従って、周期的に、前記巻線に多
   相交流電流を供給するよう構成され、ていることを特徴
   とする交流回転装置。