JPH0433590A - 二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５４−３４１．２４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。 また特公昭６１１９９２には、４極と８極の相互干渉の
ない２つの回転磁界を用いて、３相の回転子巻線のうち
２相を同期運転に利用し残る１相を短絡して起動用に利
用するものがあるが、ゲルゲス現象のため起動トルクが
小さくなる欠点がある。

【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個の回転子コアを有し、該２個の回転
子コアに連通した任意の極数をもつ第１の回転子巻線と
該第１の回転予巻−５＝ 線の極数の整数倍の極数をもつ第２の回転子巻線とを有
し前記２個の回転子コア間でそれぞれの巻線を接続した
回転子と、前記２個の回転子コアにそれぞれ対向して周
設した２個の固定子コアを有し、該２個の固定子コアの
それぞれに前記第１の回転子巻線の極数に等しい極数を
もつ固定子巻線と前記第２の回転子巻線の極数に等しい
極数をもつ直流励磁巻線とを設けた２個の固定子と、前
記第１と第２の回転子巻線の接続部分で前記第２の回転
子巻線の出力電圧を整流し前記第１の回転子巻線に入力
するよう連絡した整流回路及び前記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。 更に本発明によると、電圧移相装置を一方あるいは双方
の固定子コアの位置を機械的に回動するよう構成するこ
と、あるいは電圧移相装置を一方の固定子巻線と直流励
磁巻線の端子をスイッチによって逆極性に切換えるよう
構成することにより前記課題を解決するための手段とし
た。

【作　用】

複数固定子誘導電動機とその電圧移相装置の作用につい
て本出願人は特願昭６１−１．２８３１４号においてそ
の詳細を説明している。 ただし、本発明の場合、電圧移相装置は、起動時に位相
差０°、同期運転時に位相差１８０゜となるよう作用す
る場合を説明している。 本発明は、先ず第１の回転子巻線と該第１の回転子巻線
の整数倍の極数をもつ第２の回転子巻線、また第１の回
転子巻線と同極数の固定子巻線と、第２の回転子巻線と
同極数の直流励磁巻線とは互いに同一極数にした固定子
と回転子間のみで作用し合い、この場合固定子巻線の回
転磁界が極数の異なる第２の回転子巻線に作用すること
はないという公知の理論に基づいている。 本発明によると、起動時には固定子巻線の作る回転磁界
によって極数の異なる第２の回転子巻線には関係なく同
極数の第１−の回転子巻線に電圧が誘起され回転子は回
転を始める。この時電圧移相装置は２個の回転子コアの
導体に誘起される電圧が同相になるように、すなわち２
個の回転子コアの第１の回転子巻線を環流する電流が流
れるように作動させて、一般の誘導電動機として起動す
る。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、すべり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
。 まず２個の固定子のうち一方の固定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
１８０°の位相差を生じさせるように電圧移相装置を作
動させる。 ＝　８− このようにすると今まで２個の回転子コアに設けた第１
の回転子巻線を環流して流れていた電流は流れなくなり
、２個の固定子コアに対向しない前記第１と第２の回転
子巻線部分に設けた整流回路に電流が流れるようになる
。この位相差１８０°の回転磁界によって回転子巻線に
流れる電流は回転子が同期速度になるとすべりが零にな
るので流れなくなるが、先の電圧移相装置と同時に固定
子コアに設けた直流励磁巻線に直流電流を流し作用させ
ると、この直流励磁巻線によって静止磁界が生じる。こ
の静止磁界は回転子の第２の回転子巻線と同極数にしで
あるから、極数の異なる第１の回転子巻線に関係なく第
２の回転子巻線はこの静止磁界と鎖交して交流の電圧を
誘起するようになる。この交流電圧は回転子の回転速度
が大になるほど大きくなる。 また前述のように回転磁界に位相差１８０°を設けであ
るので誘起した交流電圧は２個の回転子コア設けた第２
の回転子巻線を環流せず、２個の固定子コアに対向しな
い前記第１と第２の回転子巻線部分に設けた整流回路に
流れるようになる。この整流回路で整流された電流を整
流回路の出力として第１の回転子巻線に入力することに
より第］−の回転子巻線は磁極を形成し同極数の固定子
巻線の回転磁界に引張られて回転子は同期速度で回転す
るようになる。この時、第２の回転子巻線は同極数の直
流励磁巻線の直流磁界の作用を受け、第１の回転子巻線
は同極数の固定子巻線の作用を受けており、互いに干渉
しないことは明らかである。 ここで同期トルクを考察してみるに、複数個の固定子の
うち特定の固定子が作る回転磁界の位相が他の固定子が
作る回転磁界のそれよりも１８０°移相されるが、前記
直流励磁巻線の静止磁界によって一方の固定子と対峙す
る回転子コアの第２の回転子巻線に流れる電流の方向と
他方の固定子と対峙する回転子コアの第２の回転子巻線
のそれとは逆方向になるが共に整流回路に流れ込んで第
１の回転子巻線に４極の磁極を生じることになる。した
がって本発明の誘導量期電動機は複数固定子ではあるが
その合計の容量は、従来のブラシを有する誘導同期電動
機と同等である。 以上のように、本発明の複数固定子誘導同期電動機は、
起動時には第１の回転子巻線により従来の誘導電動機の
原理で起動するから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第
１の回転子巻線が、直流励磁巻線と第２の回転子巻線と
の発電作用と、整流回路の作用を受けて磁極を形成する
ので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６＞１２
８３１４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
守点検が容易で構造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ーを利用した可変周波
数電源を利用できる。また単相においても多相において
も利用できるものである。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
も通常の誘導電動機の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】

本発明は主として２固定子誘導間期電動機を主構成とし
て詳細を説明するが、固定子数はこれに限定されないこ
とは言うまでもない。また固定子巻線の結線も並列、直
列、スター結線、デルタ結線のいずれでもよい。さに２
相、３相、多相のどちらでもよい。また回転子巻線も同
様である。すでに本出願人は、特願昭６１−１２８３１
４号として本発明の構成の一部である複数固定子からな
る誘導電動機の構成、作用の詳細な説明を行っている。 つまり、電圧移相装置によって、複数個の固定子のうち
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の周囲に生
じる回転磁界との間の位相差を、たとえば同相すなわち
電気角で０°とした場合、回転子導体に流れる電流は回
転子導体を環流し、たとえば電気角で１８０°とした場
合、回転子導体に流れる電流は回転子導体を環流せず回
転子コア間で回転子導体間を連結した連結材を通じて流
れることなどを詳説している。 更に電圧移相装置の構成については、固定子を回動させ
るものや、固定子巻線の結線の切換えを行うものなどを
示しているが、本発明において、特に固定子巻線の結線
の切換を行って電圧移相装置を構成すると、前期電気角
の０°から１８０°への切換は瞬時に行えるため同期速
度＝　１３− への引き込みは容易となる。また回転速度を検出するセ
ンサーと、直流励磁回路と、電圧移相装置の制御装置と
を設けて連絡すると、同期速度への引き込みが自動化で
きると共に、万−税調した場合でも、回転速度を検出す
るセンサーの信号により即座に同期運転から誘導電動機
の運転に切換え可能であり、一般の同期電動機のように
税調から急激に停止することがなく事故防止が簡単にで
きるものとなる。 第１図により本発明の第１の実施例を説明する。まず符
号２０は２固定子誘導間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、２つの固定子コアのそれぞれに固定子
巻線２１．２２が設けられて、それらが直列Ｙ結線され
て３相交流電源Ｒ，Ｓ、　Ｔに接続されている。さらに
固定子側２０には２つの固定子コアのそれぞれに直流励
磁巻線４１゜４２が設けである。一方、回転子側３０の
同一回転軸上に設けた２個の回転子コアのそれぞれ＝　
１４− に連通して第１の回転子巻線３１．．３２が設けられて
、それらが並列に接続されている。さらに回転子側３０
には、２つの回転子コアのそれぞれに連通して第２の回
転子巻線３３．３４が設けられて、それらが並列に接続
されている。 第１−の回転子巻線３１．．３２の極数と固定子巻線２
１．２２の極数は共に４極で一致させ、更に第２の回転
子巻線３３．３４の極数と直流励磁巻線４１．４２の極
数は共に８極で一致させである。更に２つの固定子コア
に対峙しない２つの回転子コア間の回転子巻線部分にお
いて、第２の回転子巻線３３．３４の出方を整流回路３
５によって整流し、その直流側出方端子をダイオード３
６を介して第１の回転子巻線３１゜３２に接続しである
。 ここで固定子巻線２１に対峙する第１−の回転子巻線３
１−に誘起する電圧を図示の方向にＥとし、同じく第２
の回転子巻線３３に誘起する電圧を図示の方向にｅとす
る。また固定子巻線２２に対峙する第２の回転子巻線３
２に誘起する−　　１５　　　＝ 電圧を図示の方向にＥεＪｅとし、同じく第２の回転子
巻線３４に誘起する電圧を図示の方向にｅＥｊθ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、第
１の回転子巻線３１．３２の誘導電圧の位相差角θがθ
−００になるように固定子巻線２１．２２が結線された
状態で３相交流電源Ｒ，Ｓ、　Ｔに投入して起動する。 このようにすると固定子巻線２］、、２２に３相交流電
源から３相交流電流が流れてそれぞれ同相の回転磁界を
生じ、第１の回転子巻線３１．３２に電圧Ｅ、　　Ｅε
ｊθが誘起される。この場合の誘起電圧の位相差角θは
であるから、第１の回転子巻線３］、、３２に流れる電
流は両巻線を環流するように流れ、回転子は誘導電動機
の原理で起動する（第２図）。ここで第２の回転子巻線
３３゜３４の極数は８極で、固定子巻線２１．２２の極
数は４極であるから、相互干渉はなく、従って固定子巻
線２１．２２の作る回転磁界によっては第２の回転子巻
線３３．３４には電圧を誘起しない、従って起動時には
第２の回転子巻線３３．３４は関与しない。つまり起動
は従来の誘導電動機と同じ特性で行われ、起動トルクは
大きく、別個の起動機を必要としない。 起動後、回転子の回転速度が上昇して固定子巻線２１．
２２の作る４極の回転磁界の回転速度すなわち４極の同
期速度に近づくと、すべりＳが小さくなるので第１の回
転子巻線３１，３２の誘起電圧Ｅ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引き入れる。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、当該固定子のコ
ア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がθ＝１８０°になるようにする。このよう
にすると、第１の回転子巻線３１．．３２の誘起電圧の
位相差角θがθ−１８０°となり、Ｅεｊθ−−Ｅとな
るので、今まで回転子巻線３１がら回転子巻線３２へ環
流していた電流が流れなくなって誘導電動機としての作
用はなくなる。そこで２個の固定子コアのそれぞれに設
けた直流励磁巻線４１．４２を作用させる。すなわち直
流励磁巻線４１．４２を直列に図示のように結線して直
流電源４３から直流電流を流して８極の静止磁界を作る
と、第２の回転子巻線３３．　３４に交流電圧ｅ、ｅε
Ｊｅが誘起する。ここで前述のように固定子コアの回動
によってθ−１８０’になっているので、ｅεｊｅ＝−
ｅになる。従って第２の回転子巻線３３．３４に流れる
電流は整流回路３５に向って流れて、この電流が整流さ
れてダイオード３６を介して第１の回転子巻線３１．．
３２に流れて、この直流分電流によって回転子巻線３］
、、３２に４極の磁極を生じて、これと固定子巻線２］
、、２２の作る４極の回転磁界によって同期トルクを生
じて、回転子は同期運転に入る。ここで第１の回転子巻
線３］。 ３２の極数と直流励磁巻線４：１．．４２の極数が異な
るので両者の相互干渉はなく、また固定子巻線２１．２
２の極数と直流励磁巻線４１，４２の極数も異なるので
両者の相互干渉もなく、回転子は純粋の４極の同期電動
機として運転されることになり、従って同期トルクも大
きい（第２図）。 次に脱調した場合を考察してみる。脱調した時は、固定
子巻線２１．．２２の作る４極の回転磁界による第１の
回転子巻線３１．３２の誘導電圧Ｅ、−Ｅが大きくなる
ので、この電圧によってダイオード３６と整流回路３５
を介して第１の回転子巻線３１．．３２に整流された電
源が流れ、税調を防ぐ作用が発生する。 更に同期トルクを考察してみるに、同期運転時には電圧
位相装置によって固定子巻線２２の作る回転磁界の位相
が固定子巻線２１のそれに対して１８０°移相されてい
るので、直流励磁巻線４１．．４２の作る静止磁界によ
って第２の回転子巻線３３，３４、整流回路３５、ダイ
オ−Ｊ９− ド３６を通じて流れる整流電流による第１．の回転子巻
線３１．３２の磁極の形成の位置関係が相対的に等しく
なり、同期トルクは２つの回転子コアにおいて同一の方
向となり、同期トルクは２つの回転子コアにおいて同一
の方向となり、同期トルクは加算されることになって、
本発明の誘導同期電動機は２固定子ではあるが、その合
計の容量は従来のブラシを有する誘導同期電動機と同等
である。 以上のように、本発明の２固定子誘導同期電動機は、起
動時には従来の誘導電動機の原理で起動するから起動ト
ルクが大きく、従って他の特別の起動機を必要とない。 また同期運転においては固定子巻線の作る回転磁界と干
渉しない静止磁界を利用するので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。 さて本実施例では、回転子巻線の誘起電圧に位相差を設
ける電圧移相装置として、一方の固定子のコアを回転軸
のまわりに回動させる方法を記載したが、固定子巻線の
結線変更すなわち固定子巻線の両端子を入換えて結線す
ることによって電気的に位相差角θをθ−θ°からθ＝
１８０°に切換えることも可能である。この場合直流励
磁巻線は同期運転時にのみ作用させるので、その目的で
結線しておけば、結線変更は不用である。 また、本実施例では、回転磁界と静止磁界の相互干渉を
防ぐために、４極と８極の組合せを記載したが、２極と
６極の組合せ等も考えられ、これに限定されものではな
い。 また本実施例では、電源として商用電源を用いる方法を
記載したが、インバータのような可変周波数電源を用い
ることによって任意の同期速度で運転することも可能で
ある。

【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、起
動時は従来の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ー　２１　＝ 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、本発明の複数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図は本発明の実施例を示す固定子巻線側と回転子巻
線側の簡略な構成図、第２図は本発明の同期電動機のト
ルク特性の一例を示す図である。 ２０・・・固定子側、２１・・・固定子巻線、２２・・
・固定子巻線、３０・・・回転子側、３１．３２・・・
第１の回転子巻線、３３．３４・・・第２の回転子巻線
、３５・・・整流回路、３６・・・ダイオード、４１゜
４２・・・直流励磁巻線、４３・・・直流電源、Ｒ，Ｓ
。 Ｔ・・・３相交流電源。

Claims (3)

【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
   回転子コアを有し、該２個の回転子コアのそれぞれに任
   意の極数をもつ第１の回転子巻線と該第１の回転子巻線
   の極数の整数倍の極数をもつ第２の回転子巻線とを有し
   前記２個の回転子コア間でそれぞれの巻線を接続した回
   転子と、前記２個の回転子コアにそれぞれ対向して周設
   した２個の固定子コアを有し、該２個の固定子コアのそ
   れぞれに前記第１の回転子巻線の極数に等しい極数をも
   つ固定子巻線と前記第２の回転子巻線の極数に等しい極
   数をもつ直流励磁巻線とを設けた固定子と、前記第１と
   第２の回転子巻線の接続部分で前記第２の回転子巻線の
   出力電圧を整流し前記第１の回転子巻線に入力するよう
   連絡した整流回路及び前記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）の２固定子誘導同期電動機であって
   、前記電圧移相装置は一方のあるいは双方の固定子コア
   の位置を機械的に回動するよう構成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）記載の２固定子誘導同期電動機であ
   って、前記電圧移相装置は一方の固定子巻線と直流励磁
   巻線の端子をスイッチによって逆極性に切換えるように
   したことを特徴とする２固定子誘導同期電動機。