JPH0463620B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ブラシなし回転電機に関し、更に詳
細には、励磁制御回路の種々の構成要素を支持す
るかかる回転電機のための回転制御ホイール組立
帯に関する。

米国特許第3414788号明細書に示されるように、
ソリツドステート制御回路技術を用いて同期モー
タのような回転電機をブラシなしで励磁すること
が行なわれている。かかる回路を用いることによ
り、モータの界磁巻線励磁のためにブラシを用い
る必要のない大型の同期電動機が提供されてい
る。かかるブラシなし回転電機は、保守が簡単で
ブラシを取り替える必要がなく、また可燃性雰囲
気中では危険なスパークが生じない等の種々の利
点を有するため非常に人気がある。かかる装置は
これまで使われたところ良い性能を持つことが判
明しているが、その用途は約5000HPより大きい
比較的大型の電動機に限られている。かかる装置
を約500〜5000HPの範囲のような小型電動機へ
利用できるようにするためにはその装置のコスト
を下げることが望ましい。

米国特許第3414788号明細書に開示されている
ような従来型装置のコストが高いのは、主として
電子制御回路及び始動抵抗器を収容する回転制御
ホイールの製造方法のためである。第１図はブラ
シなし電動機制御回路の一部概略図を示すが、そ
の制御回路は励磁電機子１０、ダイオード整流器
１２、及び始動抵抗器Ｒを含む他の制御回路部分
１４より成つて、従来から用いられていると同じ
方法で電動機の界磁巻線16へ励磁電流を供給す
る。

第２図は、第１図の制御素子１２及び１４が従
来技術の方法で回転構造体上へ配置される態様を
示す。ホイール１７は、２つのアルミニウム製リ
ング１８及び２０を圧延することにより製造され
るが、これらのリングは機械加工され外側リング
１８の内側ハブ２０を連結するためのアエブを構
成するアルミニウム製のプレート２２へ溶接され
る。この完成したホイールは軸２４が嵌入される
ハブ２０の内側表面と外側リングまたはリム１８
の外側及び内側表面上において、バランス及び軸
取り付けに必要な構造公差に機械加工される。第
２図は、軸２４の中心線の周りにおいて実質的に
対称である構造体の半分だけを示したものであ
る。制御ホイール１７は、それに固着されるホイ
ールと共に回転する制御回路の構成要素を支持す
る。ダイオードＤは第１図の回路部分１２及び１
４のダイオード及びサイリスタを代表的に表わし
たものである。かかる構成要素はそれぞれ吸熱部
２６上へ取り付けられるが、この吸熱部はリング
１８へ固定されると共に絶縁材料２８により絶縁
されている。ホイールは金属製であるため、ダイ
オードの吸熱部２８、接続部、及び銅製のストラ
ツプ３０はそれぞれホイール１７から絶縁される
必要がある。更に、ダイオードの吸熱部２６を固
定するリム１８へのボルト接続部は全て同様に絶
縁される必要がある。

同期電動機は直入れ始動（誘導モードで始動）
されるため、始動シーケンス時、界磁巻線へ電流
を流す手段が必要である。このため第１図に示す
ような装置では始動抵抗器あるいは界磁放電抵抗
器Ｒを用いる。この抵抗器は始動シーケンス時
SCR１のゲート電極に加えられるパルスにより
SCR１がONになると界磁巻線の両端へ接続され
る。第２図は、現在製造されている市販の装置に
おける始動抵抗器の配置態様を示す。この装置で
は、これらの抵抗器のために市販の酸化マグネシ
ウム絶縁、切断鋼製鞘付きストリツプ型ヒータ３
２が用いられる。これらヒータ３２は、大きな部
品であつて熱蓄積容量がほとんどなくまたフープ
強度もない。これはヒータが急速に加熱され、熱
を蓄積する余分な質量部がなく、またこれらのヒ
ータは小さい直径を持つように圧延しようとする
と損傷を受けるため制御ホイールを大きな直径に
する必要があり、また多くのヒータ素子は十分な
抵抗容量を持つ必要があるためホイールの長さが
増加することを意味する。

体積の大きい抵抗器、製造に手のかかるホイー
ル組立体（特に接続部及びボルトの絶縁に関し
て）及び高価で製造に手のかかる制御ホイール構
造（特に機械加工及びそに必要な機械のため）と
が相挨つてブラシなし同期電動機制御装置は物理
的に大型で非常に高価なものになる。

以上述べたように第２図のような従来型の装置
では種々の問題があり、これらの問題を解消して
価格の低いユニツトを設計することが試みられて
いる。その一例が1974年10月29日付与の米国特許
第3845369号明細書に記載されているが、これは
始動抵抗器のストリツプ型ヒータをアルミニウム
製の制御用ホイールに巻回したワイヤ型の抵抗体
で置き換えた装置である。この設計は実施に移さ
れ、制御ホイールの寸法を有意に減少させた点に
おいて効果があることが判明している。しかしな
がらこの装置の制御回路は常に適正な動作をせず
この集積型抵抗器に問題があることが判明してい
る。米国特許第4308589号明細書に示されるよう
にこの問題を解消するための修正回路が開発され
ている。しかしながら、これによつても抵抗器の
冷却が適切でないために多数の抵抗器が故障し
た。このようにブラシなし励磁装置の制御装置に
は種々の問題があるが、このため標準化された制
御ホイールを形成しその上に一組のテスト用コレ
クタリングを容易に取り付けられるようにしてそ
の回路を動作を工場あるは現場試験で監視するこ
とが所望されている。

従つて本発明によれば、回転電機は、回転可能
な軸と；前記軸と共に回転する界磁巻線と；整流
器ブリツジ、始動制御回路及び複数の巻線部分よ
りなる始動抵抗器により構成されて、前記界磁巻
線へ直流界磁電流を加える励磁制御手段と；前記
回転可能な軸へ連結するためのハブ；前記軸に関
して同心的な円筒状リム、及び前記リムと前記ハ
ブとを接合する半径方向プレートよりなり、前記
励磁制御手段を前記軸と共に回転可能に取り付け
るための制御ホイールとから構成され、前記制御
ホイールのハブ、リム及び半径方向プレートが成
形絶縁材料で形成した一体的構造を有し；前記整
流器ブリツジ及び前記始動制御回路が前記リムの
内側表面上に配置されており；前記始動抵抗器が
前記リムの外側表面上に配置されており；さら
に、前記始動抵抗器を前記リムへ半径方向に圧縮
して締着する手段を有し、前記締着手段は、前記
始動抵抗器の外側上に互いに離隔関係に軸方向に
延びる複数のクランプ、及び複数のクランプ上に
おいて半径方向で内方の圧縮力を与えるように前
記軸に同心的に巻装された複数層の絶縁帯材料よ
りなり、前記複数のクランプは成形絶縁材料によ
りなつてその各々が外側表面に複数の凹部を有
し、前記複数の凹部の各々は前記複数層の絶縁帯
材料を受容してそれを閉じ込めるものであり、前
記複数のクランプが半径方向に延びる複数の絶縁
ボルトにより前記リムへ連結され、前記リムは半
径方向外側表面に１または２以上の軸方向にのび
るチヤンネルを有し、前記チヤンネルは前記始動
抵抗器の前記巻線部分の下を延びて軸方向換気通
路を提供することを特徴とする。

本発明の実施例では、回路の構成要素及び始動
抵抗器を取り付ける低コストの絶縁成型制御ホイ
ールを得る手段が提供される。本発明は制御ホイ
ールの製造及び組立コストを減少させ、更に始動
抵抗器の新規な構成を用いて制御ホイールの寸法
減少を可能にする。ガラスポリエステルのような
構造的に強靭で、有意な収縮を伴なわずに正確な
構造公差で成型可能な材料が用いられる。ここで
言及する材料の種類としては、これまで配電及び
遮断装置に用いられている成型絶縁ケース、及び
かかる用途において回路遮断器用高圧アークシユ
ートとして用いられた材料などがある。これらの
材料は種々の形に成形できることが判明してお
り、また非常に頑丈なためアルミニウムのような
金属と共に用いることができる。これらの材料は
正確な構造公差で成形できるため製造価格の低い
複雑な形状の製品を用いることが可能となり、ま
た成形後手で加工したりあるひ機械加工する必要
がない。

本発明の一実施態様によると、制御ホイール
は、軸取り付けのためのハブと、半径方向プレー
トと、ハブから離隔されて軸方向に延びるリムと
を一体的に構成した絶縁材料の成形品より成る。
励磁制御回路の電機的構成要素はリムの内側表面
上に直接取り付けられるため、別の絶縁手段を必
要としない。始動抵抗器はリムの外側表面上に巻
回されるワイヤにより構成され、それは半径方向
の支持を与えるために成形絶縁クランプ部材／あ
るいはガラス繊維のバンドより保持される。更
に、リムの外側表面にはチヤンネルが形成され、
抵抗器を構成するコイルはそれらを介する換気用
通路を提供するよう離隔配置されている。

本発明の他の実施例では、絶縁材料の成形単一
構造体が制御ホイールと少なくとも１つの金属支
持部材とより成り、その金属支持部材は整流器ブ
リツジ及び始動制御回路の構成要素からその成形
絶縁材料により電気的に絶縁されている。上述し
た抵抗器の構成は、その抵抗器とホイールの表面
との間に適当な絶縁が得られる場合には従来型形
状の金属制御ホイールと共に用いることができる
という利点を有する。

本発明の他の種々の特徴及び利点については後
述の説明を読めば理解されるであろう。本明細書
の記述は同期電動機のブラシなし装置に主として
向けられているが、成形絶縁制御ホイールのよう
な特徴部分の或るものは同期電動機、同期発電機
あるいは直流電動機のような回転電機のブラシな
し装置に用いることが可能である。大型の同期発
電機のような始動に他の手段を用いる例では、本
発明は後述の実施例に示したように始動抵抗器を
用いずに実施してもよい。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。

従来型の構成を示す第１図を参照して、この回
路の動作は米国特許第3414788号明細書に記載さ
れている。第１図はその回路を構成し、回転する
制御ホイール上に取り付けられる構成要素を示
す。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、シリコン制御整流
器SCR２に直流電流を供給する三相全波整流器
ブリツジを構成する。同期モジユール（図示せ
ず）よりSCR２へゲートパルスが供給されると、
電動機の界磁巻線へ同期動作のための直流電流が
加えられる。ダイオードＤ７、サイイスタSCR
１及びSCR１のゲート回路は、始動抵抗器Ｒを
流れる界磁電流を制御する手段を構成する。第２
図に示した従来型構成の制御ホイールは、ブラシ
なし回路を構成する７個のダイオード及び２個の
サイリスタ、始動抵抗器及び他の構成要素の機械
的支持手段として働く。

第３及び４図は本発明の一実施例を示すが、そ
の成形制御ホイール４０は従来型のアルミニウム
製ホイールと物理的形状は同一であるが軸方向長
さが短い。成形ホイールはガラス繊維補強ポリエ
ステル樹脂のような絶縁材料で構成され、その主
要構成要素としてハブ４２、リム４４、半径方向
プレート４６及び導体支持リング４８を有し、そ
れらは全て単一構造体として成形されている。第
３図は実質的に対称的な構造体の半分を示したも
のである。ダイオード及びサイリスタの吸熱部５
０はリム４４の内側表面に直線ボルトで接続さ
れ、このため従来型の装置において必要であつた
絶縁ボルト及び吸熱パツドを設けなくてよい。更
に、ホイールを成形することにより、第１図に従
つて第４図に符号で示したソリツドステートダイ
オード及びSCRのための吸熱部５０の取り付け
位置に平らな表面４４ａを形成することが容易と
なる。この平らな表面４４ａは従来型装置のよう
に曲率のある表面上に取り付けるために特殊な形
状の吸熱部を製造する必要がなくなり、標準型の
平らな表面付きの吸熱部を用いることができると
いう点において重要な改良である。絶縁ホイール
４０は余分な絶縁を行なう必要性を省くため、吸
熱部取り付け用ボルト５２を第４図に示すように
ソリツドステート素子間に延びる導体５４の電機
接続点として用いることができる。

ホイール４０の一部として成形される導体支持
リング４８は、電動機の動作時接続用ケーブル５
６にかかる回転力に抗する。このような絶縁性棚
部を用いると締着及び支持の要件が単純化され、
第２図の構造体に用いられているような比較的複
雑な構成とは対照的に第３図に示す簡単な締着構
造５８を利用できる。

成形ホイールだけでも励磁装置設計において有
意な進歩と考えられるが、図示の実施例は更に低
価格で製造が容易であり構成がコンパクトで従来
型のかかる装置に付随する種々の問題を解消でき
る始動抵抗器６０を含む。抵抗器６０は絶縁され
た銅、真鍮あるいは青銅製のワイヤより成り、制
御ホイールのリム４４の頂面上にスプール状に捲
回される。偶数個のコイルを用いると完成したコ
イルが磁気的に反対極性で相互インダクタンスを
最小限に抑えるように接続できるため望ましい。
第３図は、４個のコイル６０ａ，６０ｂ，６０ｃ
及び６０ｄを示す。これらのコイルの高さ、数及
び寸法は、特定の電動機の設計に必要な抵抗器の
特製に依存する。制御ホイール／抵抗器の形状
は、コイルの内径だけがホイールの構成により決
まるためこの点において設計状の融通性があると
言える。完成したホイールの最終的な外径状の抵
抗器巻線の長さは、設計により異なり、またもち
ろんのことであるが制御ホイール４０をリム４４
が所望の軸方向長さを持つように成形できる。こ
のため個々の電動機の設計により始動抵抗器６０
の寸法を決めまた容易に捲回することができる。

完成した制御ホイール４０及び抵抗器６０の外
径に可変性を与えるためには、種々の外径に容易
に適応できる構造的な支持方法を用いる必要があ
る。これは半径方向圧縮力によりワイヤを回転力
に抗して支持する締着手段を用いて対処できる。
複数個のクランプ６２を抵抗器６０のコイル外側
の周りに離隔して設ける。クランプ６２は絶縁材
料を成形したものでありボルト６４によりリムに
固着される。更に、クランプ６２は好ましくは
個々のコイル６０ａ，６０ｂ，６０ｃ及び６０ｄ
上の位置で凹部６６を持つように形成され、この
凹部がガラス製あるいはワイヤの帯６８を受容位
置させる。組立の完了した制御ホイールは巻線軸
上に嵌着することができ、クランプ６２上に適当
量のガラス繊維補強エポキシ樹脂あるいは他の材
料の帯を配置する。帯６８へ予め負荷を与える
と、即ち緊張させると、捲回した抵抗器及びダイ
オードのホイールに圧縮負荷が加わり回転力に抗
するに必要な強度が得られる。比較的小型の電動
機は小さい直径の制御ホイールを持つように製造
できるが、前述のような帯を多分必要とせずクラ
ンプだけを用いることが可能であろう。上述した
構成は、小型あるいは低速電動機だけでなく大型
で高速の電動機に標準型の成形制御ホイールを用
いるのを可能にするという点で充分な融通性を有
する。

捲回形抵抗器６０は、故障が発生して抵抗器が
連続的に回路に接続されたままの状態でその抵抗
器が熱的破壊を受けるのを防止するため自己換気
能力を持つよう設計されている。空気取り入れチ
ヤンネル４４ｂ（１つまたは２以上）は、ホイー
ルのリム部分４４の頂面内に成形されて巻線への
軸方向換気通路を提供する。

また、巻線間の空間に設けたボルト６４は、コ
イルが横方向に移動するのを防止する横方向ワイ
ヤ支持手段を提供する。この構成によると、フア
ン作用が生じてコイル６０ａ，６０ｂ，６０ｃ及
び６０ｄの間に空気が半径方向に供給される。空
気は帯６８の下を軸方向に流れた後ボルト締めさ
れたクランプ６２間のコイルの頂部で排出され
る。第３図の矢印は空気の流れる経路を示す。

本発明の幾つかの利点を要約すると、ワイヤ捲
回型抵抗器６０の熱蓄積容量を始動シーケンス時
に利用すべく大きくできるため抵抗器の体積を従
来型の構成に比して減少することが可能である。
この結果、従来型の設計に比べて直径が小さく長
さの短い制御ホイールが得られる。成形された導
体支持リング４８により、従来のように締着の目
的で高い強度を持たす必要がなくなる。また注文
設計で手で絶縁材料を配設したロール型銅ストラ
ツプの代わりに市販のケーブルを用いることがで
きる。制御ホイールの製造コストは機械加工する
必要がないため著しく低くなる。吸熱部の絶縁パ
ツトを設ける必要がなく、絶縁された吸熱部用の
ボルトを用いる必要もない。成形制御ホイールに
は、診断用スリツプリングユニツトを配置するた
めの第３図に示した表面４４ｃのような絶縁表面
が存在する。かかるユニツトは所望であれば、制
御ホイールと共に回転させてブラシ励磁装置の動
作を監視するように取り付けてもよい。また、励
磁装置に外部電源から界磁巻線へ直接直流電流を
加えるという問題がある場合に用いることができ
る。

制御ホイール４０は寸法が小さく重量が軽いた
め電動機の軸受及び励磁装置の外則に取り付ける
ことができる。これについては、第５図に概略的
に示した構成を参照されたい。電動機にはその両
側端部に軸受７０が設けられている。励磁用電機
子１０及び制御ホイール４０は一方の軸受７０の
外側に設けられるが、それが成形ホイール４０が
許容するに充分なほど小型で軽量である場合には
更に別個の軸受を必要としない。

更に、上述した設計によると従来型の装置に必
要であつた注文設計圧延型ストリツプヒータのコ
ストを省くことができ、製造が容易な抵抗器６０
が提供される。

市販の押出しにより構成された吸熱部を用いる
ことができ、この場合装置の性能が向上するだけ
でなく小型のダイオード及びサイリスタを用いる
ことが可能となる。これは、アルミニウム製ホイ
ールの曲率表面上に取り付ける必要のある特別に
製造された吸熱部の限られた能力をおぎなうため
に、本発明によると定格軽減の部品が必要となる
からである。

本発明によればその装置設計にかなりの融通性
が得られ、また種々の設計条件に適応できる。た
とえば、直径の非常に大きい高速の制御ホイール
では、成形ホイール４０のリム４４の頂面上かあ
るいは始動抵抗器６０の頂部上に金属製の支持リ
ングを用いて更に強度を増加させてもよい。従来
技術で設計したホイール、即ちアルミニウム製の
ホイールに、導体の支持及び吸熱部並びにその取
り付け手段の絶縁に関連するコストを省くため成
形押入部材を設けてもよい。強度を増加するため
にホイール４０内に成形された金属製支持リング
を用いることもできる。この場合、その金属製支
持部材はその構造体の骨格部分を形成し、一方、
成形絶縁材料は構成要素の取り付け表面を提供す
るだけでなく所望の度合の電気的絶縁を与える。
電動機軸への取り付けのために、金属製のハブ及
びプレートを用いて成形ホイールをボルト締め
し、ダイオード及び抵抗器を収容するのも本発明
の他の実施態様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来型のブラシなし電動機制御回路
の一部概略図である。第２図は、従来型制御ホイ
ールの構成を示す一部概略図である。第３図は、
本発明の実施例である制御ホイール組立体の一部
断面図である。第４図は、第３図の組立体の端面
図である。第５図は、ブラシなし励磁装置を軸に
取り付け、本発明の実施例を組み込んだ回転電機
の概略図である。 ４０……成形制御ホイール、４２……ハブ部
分、４４……リム部分、４６……半径方向プレー
ト、４８……導体支持リング、５０……吸熱部、
５６……接続用ケーブル、６０……始動抵抗器、
６２……クランプ、６８……帯、７０……軸受。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転可能な軸と； 前記軸と共に回転する界磁巻線と； 整流器ブリツジ、始動制御回路及び複数の巻線
   部分よりなる始動抵抗器により構成されて、前記
   界磁巻線へ直流界磁電流を加える励磁制御手段
   と； 前記回転可能な軸へ連結するためのハブ； 前記軸に関して同心的な円筒状のリム； 及び 前記リムと前記ハブとを接合する半径方向プレ
   ートよりなり、前記励磁制御手段を前記軸と共に
   回転可能に取り付けるための制御ホイールとから
   構成され、 前記制御ホイールのハブ、リム及び半径方向プ
   レートが成形絶縁材料で形成した一体的構造を有
   し； 前記整流器ブリツジ及び前記始動制御回路が前
   記リムの内側表面上に配置されており； 前記始動抵抗器が前記リムの外側表面に配置さ
   れており； さらに、前記始動抵抗器を前記リムへ半径方向
   に圧縮して締着する手段を有し、 前記締着手段は、前記始動抵抗器の外側上に互
   いに離隔関係に軸方向に延びる複数のクランプ； 及び複数のクランプ上において半径方向で内方
   の圧縮力を与えるように前記軸に同心的に巻装さ
   れた複数層の絶縁帯材料よりなり、 前記複数のクランプは成形絶縁材料よりなつて
   その各々が外側表面に複数の凹部を有し、 前記複数の凹部の各々は前記複数層の絶縁帯材
   料を受容してそれを閉じ込めるものであり、 前記複数のクランプが半径方向に延びる複数の
   絶縁ボルトにより前記リムへ連結され、 前記リムは半径方向外側表面に１または２以上
   の軸方向にのびるチヤンネルを有し、 前記チヤンネルは前記始動抵抗器の前記巻線部
   分の下を延びて軸方向換気通路を提供することを
   特徴とする回転電機。 ２ 前記成形絶縁材料の一体的構造により前記制
   御ホイールの全ての機械的支持が与えられること
   を特徴とする前記第１項に記載の回転電機。