JPH04168958A - ２固定子誘導同期電動機 - 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】

本発明は起動機を必要としない起動トルクの大きい誘導
同期電動機に関する。

【従来の技術】

一般に同期電動機は、その回転子を固定子巻線の作る回
転磁界の回転速度すなわち同期速度近くまで加速する起
動機と、回転子巻線の直流励磁が必要である。 この起動機を省略して同期電動機自体に起動トルクを持
たせるように考案されたのが誘導同期電動機で、これは
起動時には回転子巻線を短絡して誘導電動機として起動
するために起動は必要としないが、同期運転に必要な回
転子巻線の直流励磁のために、ブラシを必要とする。す
なわち、回転子の回転速度が同期速度に近づくと回転子
巻線の短絡を開放して外部の直流電源からブラシを介し
て回転子巻線に直流電流を流して回転子に磁極を作り、
この磁極が固定子巻線の作る回転磁界に引張られて回転
子は同期速度で回転する。このブラシは保守点検を必要
とすることから保守費が嵩み、ブラシレス構造の同期電
動機の開発が望まれている。 このブラシレス構造の同期電動機としては、従来から永
久磁石形やリラクタンス形があるが、誘導機起動が不可
能なために起動トルクが小さい欠点があるため小容量の
ものに限られている。 またランゾル形やインダクタ形の同期電動機は磁路の構
成が複雑で大型となる欠点があった。 また交流励磁器と回転整流器を用いる方法も同様である
。また回転子巻線にダイオードを接続してインバーター
の方形波電圧による高調波磁界を利用するブラシレス自
励形三相同期電動機は回転子の磁界起磁力が不足で十分
な出力が得られない欠点がある。更には三相の固定子巻
線の一相にダイオードを挿入して固定子の作る正相分回
転磁界に静止励磁を重畳して、同期速度で回転する回転
子巻線に静止磁界による交流電圧を誘起させて、これを
ダイオードで整流することによって回転子巻線を直流励
磁して、正相分回転磁界を作用させて同期トルクを発生
するブラシレス自励形三相同期電動機があるが、これは
誘導機始動が不可能なために、回転子鉄心の渦電流によ
る起動となり起動トルクが小さい欠点がある。 また特公昭５４−３４１２４には起動を誘導機の原理に
よって行い、同期運転は軸方向の直流磁界を作ってこれ
によって回転子コアに磁極を形成して行うものがあるが
、これは発生トルクが回転軸に対して非対称となるため
に軸の振動の原因になる欠点がある。 以上のように、自己起動が可能であっても起動トルクが
小さいために、特に、慣性負荷の起動には必ず別の起動
機を必要とした。

【発明が解決しようとする課題】

したがって起動トルクが大きく、更に同期トルクも大き
く、しかもブラシを必要とせず、保守点検が容易で構造
が簡単で専用の起動機も必要としない慣性負荷に対応で
きる同期電動機の提供を技術的課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

前記課題を解決するために、同一回転軸上に任意の間隔
をおいて設けた２個の回転子コアを永久磁石で構成し、
該回転子コアの外周上に２個の回転子コアに連通した導
体を複数個設け、その両端を短絡環で連結すると共に、
該複数個の導体間を前記２個の回転子コアの中央部にお
いて連絡抵抗で短絡した回転子と、前記回転子コアにそ
れぞれ対向して周設した２個の固定子と、前記２個の固
定子のうち特定の固定子がこれに対峙する回転子コアの
周囲に生じる回転磁界と、他の固定子がこれに対峙する
回転子コアの周囲に生じる回転磁界との間に位相差を生
じさせる電圧移相装置とにより構成し、前記永久磁石で
構成した２個の回転子コアの磁極は、Ｎ極とＳ極とを対
にして、一方の回転子コアのＮ極と他方の回転子コアの
Ｎ極とを同一の位置に配置し、さらに一方の回転子コア
のＳ極と他方の回転子コアのＳ極とを同一の位置に配置
して構成した。また、永久磁石で構成した回転子コアは
円筒型または究極型で構成した。更に固定子を励磁する
電源は商用周波数の交流電源か又はインバータを利用し
た可変周波数電源である。 また電圧移相装置は、２個の固定子の相対位置を機械的
に回動するか、あるいは固定子巻線の端子をスイッチで
切換えて電源に接続するように構成した。

【作　用】

複数固定子誘導電動機の電圧移相装置の作用について本
出願人は特願昭６１−１２８３１４号においてその詳細
を説明している。 本発明によると、まず同一回転軸上に永久磁石で構成し
た２個の回転子コアを有し、該２個の回転子コアに連通
ずる導体を複数個設けその両端を短絡してかご形導体と
した回転子と、前記２個の回転子コアに対向して周設し
た２個の固定子より構成されたものにおいては、起動時
には２個の固定子の作る回転磁界によって複数個の回転
子導体に誘起される電圧の位相差角θがθ＝１８０°に
なるように、すなわち連絡抵抗を通じて回転子導体間を
電流が流れるように、電圧移相装置を作動させて一般の
２次高抵抗型誘導電動機として起動する。 このとき永久磁石で構成した２個の回転子コアの磁極は
Ｎ極とＳ極とを対にして、一方の回転子コアのＮ極と他
方の回転子コアのＮ極とを同一の位置に配置し、更に一
方の回転子コアのＳ極と他方の回転子コアのＳ極とを同
一の位置に配置してあり、また２つの固定子によって２
つの回転子コアの周囲に生じる回転磁界はその位相差θ
がθ＝１８０°であるから、回転子コアの磁極と回転磁
界の間の反撥と吸引の作用が同一回転軸上で相殺されて
、回転子コアを形成する永久磁石は起動の障害にはなら
ない。 起動後、回転子の回転速度が上昇して回転磁界の回転速
度すなわち同期速度に近づくと、回転磁界による回転子
導体の誘起電圧は小さくなる。ここまでは誘導電動機と
しての動作であるが、すベリＳがＳ＝０．０５に近づい
た時に同期運転に入る。これは次のようにして行う。 先ず２個の固定子のうち一方の固定子がこれに対峙する
回転子コアの周囲に生じる回転磁界と他方の固定子がこ
れに対峙する回転子コアの周囲に生じる回転磁界との間
に位相差角θ；００になるように電圧移相装置を作動さ
せる。このようにすると今まで回転子導体間の連絡抵抗
を流れていた電流が流れなくなると共に、トルク特性は
２次低抵抗型誘導電動機のトルクを発生する。 一方、永久磁石で構成した回転子コアの磁極は、２つの
回転磁界の作る磁極とすべて吸引し゛合って同期速度に
至るものである。従って、本発明の誘導同期電動機は１
つの回転子と２つの固定子で構成しているが、２つの固
定子にそれぞれ対向する２つの回転子コアを有するので
１固定子と１回転子で構成する同期電動機の２倍の容量
と同等となる。 以上のように、本発明の２固定子誘導同期電動機は、起
動時には従来の２次高抵抗型誘導電動機の原理で起動す
るから起動電流は小さく起動トルクが大きく、従って他
の特別の起動機を必要としない。また同期速度において
は回転子コアの永久磁石が回転磁界に吸引されるので回
転子コアの磁極を強くすれば同期トルクが大きく、ブラ
シなどの保守を必要としない同期電動機を提供すること
が可能となった。 なお、電圧移相装置としては本出願人が特願昭６１−１
２８３１４号において固定子の位置を回転軸のまわりに
機械的に回動させることによって変える方法と、固定子
巻線の接続をスイッチによって切換えて行う方法の２つ
を説明している。 以上のような構成によって、起動トルクが大きく、さら
に同期トルクも大きく、しかもブラシを必要とせず、保
守点検が容易で構成が簡単で専用の起動機を必要としな
い同期電動機を提供することが可能となった。 ところで、前記固定子巻線を励磁する電源は、商用周波
数の交流電源かまたはインバータを利用した可変周波数
電源を利用できる。上記可変周波数電源を利用すると、
同期速度の変更が容易に可能となり、その場合でも通常
の２次高抵抗型誘導電動機の大きな始動トルクで起動可
能であり、利用分野は大きく拡大し、安価な同期電動機
の提供が可能となった。

【実施例】

第１図乃至第３図により本発明の詳細な説明する。まず
第１図において符号２０は２固定子誘導同期電動機の固
定子側を示す。また符号３０は同じく回転子側を示す。 固定子側２０はスター結線した２つの固定子巻線２１．
２２が並列に３相交流電源Ｒ，Ｓ、　　Ｔに接続されて
いる。 一方回転子側２０の回転軸１０に２つの回転子コア８１
．８２が設けてあり、この回転子コア８１．８２はＮ極
とＳ極を対とする永久磁石で構成されている。更に２つ
の回転子コア８１゜８２の外周上に装着した複数個の回
転子導体３１．３２のそれぞれを連通状に連結してその
両端部において導体を短絡する短絡環３３を設けて回転
子導体をカゴ状に構成すると共に、該複数個の回転子導
体間を前記２個の回転子コア８１．８２の間の中央部に
おいて連絡抵抗３５で短絡しである。 第２図は円筒形回転子コアの断面図、第３図は突極形回
転子コアの断面図を示す。 第２図、第３図に示すように２つの回転子コア８１．８
２の磁極は、Ｎ極とＳ極を対にして、特定の回転子コア
８２のＮ極（又はＳ極）と他方の回転子コア８１のＮ極
（又はＳ極）が同一の位置に配置されている。 ここで固定子巻線２１に対峙する回転子導体３１に誘起
する電圧を第１図の図示の方向にＥとし、固定子巻線２
２に対峙する回転子導体３２に誘起する電圧を同図示の
方向にＥεＪｅとする。ここでθは電圧の位相差角であ
る。 以上の構成による作用を説明する。まず、起動時には、
回転子導体３１．３２の回転磁界による誘起電圧の位相
差角θがθ＝１８０°になるように固定子巻線２１．２
２が結線された状態で電源に投入して起動する。このよ
うにすると固定子巻線２１．２２に電源から３相電流が
流れて、１８００位相の異なる２つの回転磁界が生じ、
回転子導体３１．３２に電圧が誘起されるが、この場合
の誘起電圧の位相差角θ＝１８０゜であるから、回転子
導体３１および回転子導体３２へ流れる電流は共に連絡
抵抗３５を通じて流れる。。この回転子導体３１．３２
に流れる電流と固定子巻線２１．２２の作る回転磁界に
よるトルクは第７図に示す曲線（ａ）のように、スベリ
Ｓ＝１においてトルク最大となる従来の２次高抵抗型誘
導電動機のトルクと同一である。 従って起動電流は小さく起動トルクが大きい。 ただし、第７図（Ａ）に示す曲線は連絡抵抗３５と回転
子導体３２との抵抗比、及び２次側全体の抵抗値により
変化するものであり、本実施例に示す曲線に限定される
事はない。 ここで永久磁石で構成された２つの回転子コア８１．８
２の磁極と固定子巻線２１．２２の作る回転磁界の磁極
との間の相互作用を考察してみる。 第４図は２つの回転子コア８１．８２と固定子２１．２
２の断面図を示したもので、２つの回転子コア８１．８
２は回転軸１０で連結されている。また図示のように回
転子コア８１のＮ極と回転子コア８２のＮ極が同一の位
置に配置され、同じく回転子コア８１のＳ極と回転子コ
ア８２のＳ極が同一の位置に配置されている。 また図示のように固定子巻線２１の作る回転磁界の磁極
Ｎ、　　Ｓと固定子巻線２２の作る回転磁界の磁極Ｎ、
　　Ｓは共に同期速度で同一方向に回転するが、２つの
固定子巻線２１．２２の作る２つの回転磁界の位相差角
θは起動時にはθ＝１８０°であるから、固定子巻線２
１の作る回転磁界の磁極Ｎ（又はＳ）と固定子巻線２２
の作る回転磁界の磁極Ｎ（又はＳ）は常に電気角で１８
０°異なった位置にある。 つまり、回転子コア８１のＮ極と固定子巻線２１の作る
回転磁界のＮ極との中心角をある瞬時においてαとする
と、回転子コア８２のＮ極と固定子巻線２２の作る回転
磁界のＳ極との中心角もαとなる。従って回転子コア８
１に作用するＮ極とＮ極との反撥力と回転子コア８２に
作用するＮ極とＳ極の吸引力は等しく、この反撥力と吸
引力が打消されて回転子コアの磁極は回転磁界の影響を
受けない。すなわち回転子コアの磁極は回転磁界の拘束
を受けないで本発明の２固定子誘導同期電動機は従来の
２次高抵抗型誘導電動機と同一のトルク特性で起動する
。 従って起動電流は小さく起動トルクは大きく、特別の別
個の起動機を必要としない。 起動後、回転速度が上昇して、すべりＳがＳ＝０．０５
に近づいた時に同期運転に引入れる。 これは次のようにして行う。 先ず電圧移相装置によって２つの固定子巻線２１．２２
の一方、例えば固定子巻線２２の位置を、回転軸のまわ
りに回動させることによって変えて、２つの固定子巻線
２１．２２の作る２つの回転磁界の位相差角θ＝０°に
なるようにする。 このようにすると、２つの回転子導体３１゜３２の誘導
電圧の位相差角θ＝０°となり、回転子を流れる電流は
回転子導体３２へ向かって還流するように流れる。従っ
て第７図に示す曲線（ｂ）のような従来の誘導電動機と
同一のトルクを生じる。従ってＳ＝０．０５における同
期引き入れトルクは大きい。 ここで永久磁石で構成された２つの回転子コア８１．８
２の磁極と固定子巻線２１．２２の作る回転磁界の磁極
との間の相互作用を考察してみる。 同期運転時には２つの固定子巻線２１．　２２の作る２
つの回転磁界の位相差角θはθ；０゜であるから、第５
図に示すように固定子巻線２１の作る回転磁界の磁極Ｎ
（又はＳ）と固定子巻線２２の作る回転磁界の磁極Ｎ（
又はＳ）は常に同一の位置にある。 従って回転子コア８１のＮ極と固定子巻線２１の作る回
転磁界のＮ極とが反撥し、同様に回転子コア８２のＮ極
と固定子巻線２２の作る回転磁界のＮ極とが反撥し、回
転子コア８１，８２の位置が第６図の位置に引込まれて
すべてのＮ、　　Ｓが吸引する状態で安定する。すなわ
ち回転子コア８１．−８２の磁極が固定子巻線２１゜２
２の作る回転磁界の磁極に引張られて、回転子は回転磁
界の回転速度と同一の速度すなわち同期速度で回転する
。この時の同期トルクは第７図の直線（Ｃ）に示すとお
りである。 この方法は構造が簡単で、起動トルクが大きく、また同
期トルクも大きく、回転子コアの永久磁石を強力にすれ
ば大きい同期トルクが得られ効率が良い利点がある。 また本発明の同期電動機の起動を誘導電動機で行うので
、−船釣に誘導電動機で使用される電源を利用できる。 つまり商用周波数の交流電源やインバータを利用した可
変周波数電源を利用できる。 以上の実施例においては２個の固定子巻線を並列にして
電源に接続したが、これは直列接続でもよい。また磁極
数は２極としたがそれ以上でもよい。

【効　果】

以上の構成から本発明の２固定子誘導同期電動機は、特
に慣性負荷に対し起動時は従来の２次高抵抗型誘導電動
機と同様のトルク特性で行い、すベリＳがたとえばＳ＝
０．０５付近から同期速度に移行して同期電動機のトル
ク特性で運転するものである。この２固定子誘導同期電
動機は、起動機やブラシを必要としないからその構造、
構成が簡単となるだけでなく、従来の２次高抵抗型の誘
導電動機と同様のトルク特性で起動できるので重負荷が
かかったままで起動と同期運転が可能となる。 ところで、本発明の２固定子誘導同期電動機は、誘導電
動機と同期電動機との両方のトルク特性を備えるから、
どちらかの電動機のトルク特性でも使用可能である。こ
のことは、同期速度で運転中、何らかの原因で脱調した
場合でも、同期電動機トルク特性から誘導電動機のトル
ク特性に切換え可能であるから、一般の同期電動機のよ
うに電動機が急激に停止することがない。 以上のようにブラシがなく複雑な構成を必要としないか
ら保守点検も容易であり、起動トルクが大きく同期トル
クも大きい同期電動機の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固定子巻線側と回転子側の簡単な構成
図、第２図は円筒形回転子コアの断面図、第３図は突極
形回転子コアの断面図、第４図は起動時の２つの回転子
コアと２つの固定子コアの作用を断面で簡略に示した図
、第５図は同期速度に吸引する一例を示した図、第６図
は同期速度の２つの回転子コアと２つの固定子コアを断
面で簡略に示した図、第７図は本発明の２固定子誘導同
期電動機のトルク特性を示す図である。 １０・・・回転軸、２０・・・固定子側、２１・・・固
定子巻線、２２・・・固定子巻線、３０・・・回転子側
、３１・・・回転子導体、３２・・・回転子導体、３３
・・・短絡環、３５・・・連絡抵抗、８１．８２・・・
回転子コア。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一回転軸上に任意の間隔をおいて設けた２個の
   回転子コアを永久磁石で構成し、該回転子コアの外周上
   に２個の回転子コアに連通した導体を複数個設け、その
   両端を短絡環で連結すると共に、該複数個の導体間を前
   記２個の回転子コア間の中央部において連絡抵抗で短絡
   した回転子と、前記回転子コアにそれぞれ対向して周設
   した２個の固定子と、前記２個の固定子のうち特定の固
   定子がこれに対峙する回転子コアの周囲に生じる回転磁
   界と、他の固定子がこれに対峙する回転子コアの周囲に
   生じる回転磁界との間に位相差を生じさせる電圧移相装
   置とにより構成したことを特徴とする２固定子誘導同期
   電動機。
2. （２）請求項（１）記載の２固定子誘導同期電動機であ
   って、永久磁石で構成した２個の回転子コアの磁極は、
   Ｎ極とＳ極とを対にして、一方の回転子コアのＮ極と他
   方の回転子コアのＮ極とを同一の位置に配置し、さらに
   一方の回転子コアのＳ極と他方の回転子コアのＳ極とを
   同一の位置に配置したことを特徴とする２固定子誘導同
   期電動機。
3. （３）請求項（１）または（２）記載の２固定子誘導同
   期電動機であって、永久磁石で構成した回転子コアは円
   筒型であることを特徴とする２固定子誘導同期電動機。
4. （４）請求項（１）または（２）記載の２固定子誘導同
   期電動機であって、永久磁石で構成した回転子コアは究
   極型であることを特徴とする２固定子誘導同期電動機。
5. （５）請求項（１）または（２）のいずれかに記載の２
   固定子誘導同期電動機であって、固定子を励磁する電源
   は商用周波数の交流電源かまたはインバータを利用した
   可変周波数電源であることを特徴とする２固定子誘導同
   期電動機。
6. （６）請求項（１）または（２）のいずれかに記載の２
   固定子誘導同期電動機であって、電圧移相装置は、２個
   の固定子の相対位置を機械的に回動するか、あるいは固
   定子巻線の端子をスイッチで切換えて電源に接続するよ
   うにしたことを特徴とする２固定子誘導同期電動機。