JPS61164450A - 同期交流モ−タ - 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〕 交流モータは、商業用、工業用、家庭用、およびその他
の回転動力を必要とする用途において広く使用されてい
る。多くの用途において最も簡単でまた一般に最も信頼
性のあるモータは、交流誘導モータであって、その広く
使用されている形はかご形モータとして知られている。

しかし、この種の誘導モータについては多くの欠点が知
られている。多くの交流誘導モータは、その全負荷−最
高運転速度での運転に際して引込まれるアンペア数の５
〜７倍、ときには９倍もの過度に高い始動電流を引込む
。電気ノコギリ機またはその他の家庭用電気器具を駆動
するための１馬力程度の小型誘導モータでさえも、その
始動に際して引込まれる大電流の故に、その運転される
場所の電灯を暗くし、またこのような大きな電流ドレン
はフユーズを飛ばし、またその他の悪影響をもたらす。

従ってこれより大出力の交流誘導モータ、たとえば約１
０馬力（７，５にＷ）以上のモータについては、このよ
うな過度に高いアンペア数の始動電流を適当レベルまで
低下させるために特殊の始動器を使用することが多いが
、この始動器は多くの場合モータそのものよりも高価で
あり、またアンペア数の低下は始動トルクをも低下させ
る。また誘導モータは低い力率特性を有し、これが給電
線の問題を生じる。誘導モータはその低速における低い
力率の故に、激しいモータ過熱なしでは高慣性の負荷を
始動させることが困難である。誘導モータはその性質上
、同期速度において、即ち滑り速度においてゼロトルク
を有する。このような滑りの量（固定子の回転磁界と回
転子の機械的速度との速度差）はモータの設計を負荷と
に依存し、現代のモータでは代表的には２〜５％である
。その結果、回転軸速度が過度と共に変動し、また大き
な電気損と、モータの巻線と回転子のかごの望ましくな
い加熱を生じる。始動時の突入電流を低下させるために
高抵抗回転子を使用することができるが、これに比例し
て運転滑りが高くなる。

業界において、定義された公知のように、交流モータの
同期速度Ｎｓ、ＲＰＭは下記の式によって与えられる。

Ｎｓ＝　１２Ｏｆ／９ ここにｆは交流周波数、毎秒サイクル数またはヘルツ（
Ｈｚ）であり、ｐは固定子の回転磁界中の極数である。

通常の巻線型磁界式期モータは同期速度（ゼロ滑り）で
運転し、１の人力力率を示し、また誘導モータより高い
効率を有する。しかしこの種のモータは、同期速度以外
の速度ではトルクを発生できない欠点があり、従って静
止状態から始動することができない。現代の同期モータ
は通常、始動を成しつるため、極上の磁界巻線のほかに
回転子中に短絡巻線を有する。これらの短絡巻線が誘導
モータにおけると同程度の始動トルクを生じて、モータ
を同期速度に近い速度に高める。この時点において、磁
界巻線が生かされて、同期モータの回転子は回転子の回
転磁界と同調させられる。しかしもし接続された負荷の
慣性が、人力周波数の％サイクル以内にモータが同期速
度に加速されつる値より高ければ、モータは同期されず
、重大な損傷が生じる。このような条件から、この種の
モータによって同期速度まで駆動されうる慣性負荷の量
がきびしく制限される。

永久磁石付同期モータは、モータが同期速度に近づく際
に、高度の脈動トルクを示すことのほか、慣性負荷に関
して通常の同期モータと同様の制約がある。

さらに、始動必要なかご形巻線の別個の磁路のためにス
ペースを与え、また始動中の回転子永久磁石の減磁を避
けるため、これらの永久磁石同期モータの回転子構造は
、通常のかご形誘導モータまたは本発明のモータに比べ
て非常に複雑で、製造費が高い、市販の永久磁石同期モ
ータは一般に５８Ｐ　（３，７５ＫＷ）またはこれ以下
に制限される。

市販の巻線型同期モータは、小サイズではコストが高い
ので、一般に約５０〜１００ＨＰ以下のサイズでは製造
されない。同期モータは、巻線型磁界式であれ、永久磁
石式であれ、類似容量の誘導モータより複雑で、数倍高
価である。

過負荷状態のもとでは、同期モータは同期速度から脱落
し、人力電力をただちに遮断しまた／あるいは負荷を低
落させるのでなければ重大な結果を生じる。電力線から
来る交流電力が短時間遮断されたとき、回転磁界が交流
電力線から大幅に６相ずれしたのちに同期モータを再始
動しようとすれば、きわめて高い危険な電源サージが生
じる。

業界においては、非磁性鉄心の上に配置された硬化鋼ま
たは類似の易磁化生永久磁石から成る中実回転子構造を
使用するヒステリシスモータとして知られる小型同期−
誘導モータが小定格で製造されている。これらのモータ
は同期速度に達してこの速度で運転することができるが
、その構造と、そのトルクのためにヒステリシス損に依
存することとの故に、そのサイズの割に大負荷に耐えら
れないほどにトルクが低い。従ってその用途は、主とし
て時計および通常１７１０馬力以下の小型同期駆動シス
テムを駆動する程度の軽い負荷に限られる。電気ハンド
ブックは、その出力定格を回転子ボンドあたり約２０ワ
ツトと記載している。

静止状態から所定の同期速度まで連続的に実質的トルク
を生じることができ、簡単な低価格構造を有し、ブラシ
、整流子、あるいは絶縁回転子巻線を有せず、全負荷の
もとに全速で引込まれるアンペア数の約２〜４倍以上の
電源を引込むことなく、また高価な始動機を必要とする
ことなく、実質的負荷のもとに始動することができるの
で直接に動力線に接続することのできる交流モータの必
要が業界において永く感じられていた。このようなモー
タは、その定格容量の範囲内で合理的に加えられる軸負
荷および慣性負荷とは関係なく容易に同期速度に達する
ことのできるものである。この種のモータについては、
正規の作動条件における高い電気効率と実質的に１の力
率とが望ましい特性である。

〔先行技術〕

下記の先行技術は発明者の知る限り本発明に最も関連あ
るものと考えられる。

１、本発明の発明者の１人に対して１９８０年１０月７
日に発行された“変速交流モータ”名称の米国特許第４
．２２７，１３６号。この特許に対する最も大きな相違
点は、本発明は固定同期速度／高性能モータとしての動
作を増進するために、その新規な成分と特徴を備えるこ
とにある。本発明の回転子の中には３個の電気的にまた
磁気的に結合された成分がある。すなわち本発明の重要
な回転子成分は、比較的高い導電性を比較的高い透磁率
とを有する第３成分である。前記の先行特許のモータは
、回転子の中において軟質磁気物質のラミネート鉄心に
取付けられた１層の永久磁石物質層を有するにすぎない
。また本発明のモータにおける永久磁石層は、著しく改
良された性能を示すための特徴を備える。さらに、本発
明の固定子は１．固定子鉄心の中の選ばれた位置にフィ
ードバック巻線を備え、このフィードバック巻線は、モ
ータの運転中に励磁コイルの中に同時に発生する交流電
流の位相を振巾を変更するようにコンデンサ回路と協働
することによって、回転子の磁極を制御し、従って始動
時にモータが同期速度に近づく際のトルクを至適化する
。

２、本発明の発明者の１人に１９７０年９月１８日発行
された名称“非遮断性給電系”の米国特許第４，１６８
，４５９号。この特許は誘導モータで駆動されるモータ
ー発電機ユニットに関するものであって、変更用巻線と
補足用巻線とを備えた発電機に関するものにすぎず、こ
れらの巻線は本発明のモータのフィードバック巻線とは
別の構造であり、また別の目的のために機能する。

〔発明の概要〕

本発明は実質的軸負荷および／または慣性負荷のもとに
静止状態から始動され、過度の温度上昇なしでまた全負
荷アンペア数の約２〜４倍以上の電流引込みなしで同期
速度まで高められることのできる絶縁回転巻線を必要と
しない簡単な構造の無ブラシ型および無整流器型交流モ
ータを提供するものである。このモータは、同等定格の
通常同期モータの５０倍もの同期速度慣性負荷まで容易
に加速することができる。またこのモータは非常に高い
電気効率を示す。このモータは、望ましくない電流サー
ジを生じることなく交流電力線から直接に始動すること
ができる。このモータは所望ならば実質１００％力率で
作動するように容易に制御される。このモータは多相交
流電源からも単相交流電源からも、任意の合理的周波数
で、広い電圧範囲にわたって作動するように設計するこ
とができる。

本発明の交流モータはその回転支持体゛を成す軸受上に
取付けられた回転子を含み、この回転子に対して、相互
に電気的にまた電磁的に結合される３個の主要成分が取
付けられている。第１成分は、フェライト永久磁石物質
などの高保磁力および低導電率の磁化性永久磁石物質の
層でありて、この第１層は好ましくは円筒形の露出外面
を有する。しかしこの外側面は回転子の軸線と同軸の任
意の回転面とすることができる。回転子の第２成分は高
透磁率の、低ウズ電流損失の強磁性物質層であって、こ
の層に対して前記第１層が密接に固着され、第１層の裏
面から出る磁束の少なぐとも１部の低磁気抵抗磁路を別
個に形成する。回転子の第３成分は、前記第２成分と接
触してこれを支持する高透磁率の比較的高伝導率の強磁
性物質から成る層または環状部材である。この第３成分
は種々の物理構造を有することができる。この第３成分
は、軟鋼またはその他の強磁性の良導体の中実リングと
することができ、または短絡導線をもって貫通されたケ
イ素−鉄ラミネートとすることができる。第２成分と第
３成分をいずれもケイ素−鉄ラミネートとし、横方向に
相互に離間した短絡中実導線列は第１層から一定距離に
配置することができる。

回転子は電気機械において使用されつる任意の形状とす
ることができる。たとえば、（ａ）通常のモータ回転子
の中に存在するような低回転慣性形状。すなわち、包囲
する固定子の内部に配置された円筒形外面を有する円筒
体。あるいは（ｂ）高回転慣性形状。この場合軸受上に
支持された軸端たとえば鋼の比較的大きな中空円筒形シ
ェルに対して取付けられ、このシェルは第３成分の１部
とすることができる。あるいは第３成分がシェルの内側
壁に対して固着され、第２成分と磁化性永久磁石層が第
３成分に対して当接させられて円筒形内側面を成すこと
ができる。これらすべての変形において、１つの回転子
形状は、回転子の軸線に対して平行に、また軟質磁性物
質のラミネートを、ラミネーションの面に対して直角に
、貫通し、また永久磁石の第１層から一定間隔に離間さ
れた複数の貫通孔を有し、これらの貫通孔の中に導線が
配置され、これらの導線はその末端において相互に短絡
されて、絶縁される必要はない。

好ましくはモータの固定子は低つズ電流損失の高透磁性
軟質磁性物質から成るスロットを備えた円筒体とし、た
とえば回転子の露出面と並置され相互間に回転スペース
を備えた円筒形外側面を有するケイ素鋼ラミネートとす
ることができる。固定子のスロットの中には３種の相異
なる巻線が配置される。固定子本体の中のスロットの大
部分は回転子を駆動するための電力巻線を受け、これら
の巻線は絶縁された導線から成り、公知のように、交流
電力で生かされたときに回転子軸線を中心とする回転磁
界を生じるように配置されている。また固定子本体の中
には少なくとも１つの極片が存在し、この極片は回転子
軸線に対して平行、または若干の用途においては少なく
傾斜され、この極片の両側に比較的大きなスロットを備
え、これらのスロットの中に、単相交流によって生かさ
れる励磁コイルを備え、この極片の先端の比較的狭い外
側面が強いピーク磁束強さに達し、その極性は励磁コイ
ル中の交流に対応して交番する。回転子の回転中に励磁
コイルが交流をもうて生かされたとき、極片の外側面が
近傍を通過する回転子の永久磁石層の隣接部分を磁化し
て、所望の磁気強さの南北磁極パタンを生じる。

このように永久磁石層が南北磁極の形状に磁化されたと
き、回転子の回転に際してこれらの磁極が励磁コイルの
中に交流電位を発生し、この交流電位が、主巻線の回転
磁界によって回転子内部に誘電された交流と結合する。

また単相交流の強さと位相を選定するため、励磁コイル
中に発生された交流の強さと形状を変更することが望ま
しい。

従って、励磁コイルに対して送られる交流電位を発生す
ることのできる位置の固定子スロットの中にフィードバ
ック巻線が配置され、このようにして、励磁コイル中の
合成交流は主巻線の回転磁界に対して選ばれた強さと所
望の位相ずれとを有する。フィードバック巻線と励磁コ
イルとの中において発生した合成交流電位の効率を改良
するために、コンデンサを含む共振回路が備えられ、回
転子によって発生され主巻線から誘導されるｅｍｆ　（
超電力）の結果として励磁コイルの中を流れる交流電流
の強さと位相関係を変更する。従って励磁コイルに達す
る回路は自助型であって、これを交流電源に直接接続す
る必要はない。しかし二、三の用途において、もし望む
ならば、固定子の電力巻線またはそのタップに対する多
相交流の１つの位相を用いて直接に励磁コイルを生かす
ことができる。

励磁コイルが“選ばれた強さと位相を有する”単相交流
によって生かされると述べたが、この単相交流は、対応
の極片の頂面が隣接永久磁石物質を木質的にその飽和点
まで磁化するに必要に磁気強さを発生するに十分なピー
ク磁場を励磁コイルが発生する強さを有することが望ま
れる。

単相交流が“選ばれた位相”を有するというの線、この
ように磁化された回転層の磁極が固定子の回転磁界の極
性と近密に整列され、あるいは加えられる負荷に応じて
最大限わずかのずれのみを示すことを意味する。このよ
うにして、回転層の中の北極は実質的に回転磁界の南極
と整列され、また回転層の中の南極は実質的に回転磁界
の北極と整列される。その場合、これらの異質の極間に
至適引力を生じることにより、回転子に対して最大トル
クを加えることができる。

二、三の用途の場合にモータが多相交流で生かされると
き、固定子の中に多数の励磁コイルを使用し、これらの
コイルを固定子の外周に沿って分布させることが望まし
い。すなわち、たとえば三相交流給電を実施する場合、
３個の励磁コイルを使用し、千−夕が同期速度に達する
際に導線電流を平衡させ入力アンペア当りのトルクを増
大するため、これらの励磁コイルを１２０′離間配置す
ることができよう。また他の場合、−相当り複数の励磁
コイルを使用することができる。たとえば三相交流電力
線に接続されるモータの場合、６個の励磁コイルを使用
することができる。

本発明の２極モータを多相６０Ｈｚ交流電源に接続して
同期速度、たとえば３．８０ＯＲＰＭ　（毎分回転数）
まで加速する場合の手続きは次の通りである。もし電力
巻線が適当に配置されていれば、これらの巻線はこの場
合３．６０ＯＲＰＭで回転する２極回転磁界を発生する
であろう。動力巻線の単回数とこれに加えられる電圧は
、この回転磁界が磁束線を生じ、この磁束線が回転子中
の永久磁石層を所望強さの南北磁極列に磁化しまた再磁
化することによってヒステリシストルクを生じるように
選ばれる。さらに、回転磁束線は、永久磁石層のすぐ下
にある軟質磁性体から成る第２回転予成分を通過し、第
３成分の中に入る。この第３成分は、短絡導線を含む中
実リングあるいはラミネート鉄心から成る。磁束はその
回転運転に際して短絡巻線を切り、短絡単回中に、電流
を生じ、通常のカゴ形誘導モータと同程度のトルクを生
じる。同様に回転磁界は中実鋼リングの中に電流を生じ
、回転磁界との作用によってトルクを生じる。短絡巻線
または中実リング中に誘導された電流の抵抗が固定子中
の電力巻線によって引込まれる出発アンペア数を大部分
決定する。従って短絡巻線または中実リングは適当に選
ばれた材料から成り、また固定子の動力巻線によフて始
動中に引込まれる最大アンペア数が、同期速度における
全負荷に耐えるために必要とされるアンペア数の約２〜
４倍を超えることなく所望のトルクを発生するのに十分
な抵抗を有する物理的寸法とする。

このような条件のもとに、本発明のモータは通常、交流
給電線に直接に接続することができ、従って高価な始動
器を必要としない。モータは、静止状態から、回転子に
対して実質的な荷重を加えることのできるような高いト
ルクをもフて、非常に平滑に始動しまた加速される。故
に、低速において回転子に対して小負荷または中負荷を
加えるファンまたは類似の装置を常にモータに対して直
接に連結することができる。モータが代表的には同期速
度の約７５〜８０％の誘導／ヒステリシストルクによる
実際上の上限に達したとき、フィードバック巻線と励磁
コイルとの内部連結によって自己発生される単相交流、
または固定子の電力巻線またはそのタップに対して多相
交流電源から加えられる電力の適当な位相からとられた
単相交流を励磁コイルに対して加え、そこで対応の極片
が強い交番磁界を生じ、この交番磁界の大部分が永久磁
石層を通過し、第２回転予成分とエアギャップを通って
固定子に戻る。その結果、回転子上の永久磁石層を磁化
し、極片の露出先端部に隣接して通過し、これをその磁
気飽和レベルに成し・、その内部に一連の南北磁極を生
じる。これらの磁極は固定子の回転磁界を強く作用する
ように配置され、過度の交流電源を引込むことなく回転
トルクを著しく増大させ、回転子は連続的高トルクをも
って同期速度まで加速される。

短絡巻線によって発生されるトルクは全速の約７５〜８
０％（２０〜２５％滑り）に違するのに十分であればよ
いことは明らかであるから、通常の誘導モータにおける
よりも遥かに高い抵抗の回転子導線が使用される。この
比較的高い回転子抵抗値は、通常のかご形誘導モータに
おいて実際上使用しつる抵抗値に比して、出発時に回転
子の力率を大幅に改良させることにより、入力電源に対
して発生されるトルク数を増大させる。このトルクがヒ
ステリシストルクと協働してこのモータの容量を劇的に
増大させ、人力電源を低く保持しまたモータ巻線の温度
上昇を適度に保持しながら、遠心分離器、回転式ドライ
ヤまたはフライホイールのエネルギー貯蔵装置などの高
慣性荷重を容易に始動させることができる。

回転子の加速度゛をさらに増大させ、あるいは始動中に
より高い負荷を扱うため、固定子中の電力巻線上にタッ
プが備えられて、交流給電線から生かされる巻線の数を
減少させ、これによフて巻線のインピーダンスを低下さ
せ、このようにして引込まれるアンペア数を増大させ、
従って発生されるトルクを増大させる。特定の速度でこ
れらのタップに対する交流給電線を断続するため、接点
またはその他の接点手段が備えられる。もちろんこの場
合、望むならば全負荷運転電源の２〜４倍に限定された
アンペア数の増大に実質的に対応して、モータトルクが
増大する。回転子は急速かつ平滑に加速されて、より高
い速度に達する。たとえば遠心分離式空気／ガス送風機
のように回転子の速度と共に増大する負荷、または復動
式ポンプまたはコンプレッサなと、正常以上の出発トル
クを必要とする負荷に接続されたモータを始動するため
に、前記のような変更が望ましい。

回転子中の短絡巻線は、モータを静止状態から始動させ
同期速度の直前の中間速度に到達させるために作用する
。全同期速度では、これらの短絡巻線は、負荷変更の際
の“ハンチングを低下させる以外にそ一タトルクを追加
することはない。

従って短絡巻線の設計、数および抵抗は、主として始動
のための最も効率的組合わせを生じるように計算される
。

誘導モータ、通常の同期モータおよび本発明のモータの
トルク−速度特性をグラフによりて比較するため、第１
図を参照されたい。曲線Ａは通常の誘電モータの代表的
なトルク−速度曲線である。この誘導モータは静止状態
から始動する際に、非常に大きなアンペア数を引込むが
、これは加えられる電圧と大幅に位相ずれしているので
、比較的低いトルクしか発生されず、このトルク値は一
般に回転速度の最初の増分において少し低下する。回転
子速度が増大するに従って、力率が改良され、トルクは
曲線Ｖ点において、全回転速度の約７０〜８０％の最大
値まで増大する。次にトルクはこのＶ点からＸ点の正常
運転値まで急速に低下する。この点Ｘは常に同期速度Ｙ
の手前に、小さいが有意義なパーセントにあり、このＸ
からＹまで距離がロータの滑りである。

基本的に制限された容量の誘導モータ巻線を始動巻線と
して回転子上に備えた通常の同期モータは、静止状態か
ら始動する際に点Ｘまで曲線Ａに従う。回転速度の点Ｘ
に達したとき、正規の磁界巻線が全アンペア数直流によ
って生かされ、回転子は点Ｘ線から点Ｙ線まで、交流入
力周波数の％サイクルで加速される。点Ｙにおいて、回
転子は同期速度にあり、その全定常負荷トルクを生じて
いる。

同期モータは、同期速度において２点まである程度の過
負荷を処理することができるが、負荷トルクレベルがこ
の２点を超えると運転しなくなる。従って、垂直線０−
Ｚは、同期モータの作動負荷トルク曲線を示す。

これらの曲線から明らかなように、かご形誘導勤モータ
も、同期永久磁石モータも、巻線型磁界交流モータも点
Ｘ　−０−Ｙで限定された三角形区域内部で定常トルク
を生じるように作動すること・ができないことが注意さ
れる。

本発明のモータの代表的なトルク−速度曲線は曲線Ｂ−
Ｆ−トＤ−Ｚで示され、この場合モータは固定子タップ
を備えていない。これに対して曲線Ｅ−Ｊ−Ｖ−に−Ｇ
は、点Ｇまでの高い始動トルクを得るようにタップを備
えた固定子の場合である。正規のトルクモード始動の場
合、始動時のトルクは誘導モータの場合と同一値を有す
るが、引込まれるアンペア数は同等定格の導電モータに
比べて低くなる。回転子が点Ｆにおいて同期速度の約７
５〜８０％に達したとき、励磁コイルが交流をもって生
かされ、トルクは直ちに最大値Ｈまで急上昇する０回転
子が加速され速度が増大するに従って、トルクはＤ線に
沿って同期速度のトルクＺまで低下する。回転子は平滑
にまた容易に同期速度に達する。本発明のモータは、三
角形区域ｏ−ｘ−ｙ内部の任意の点において、またＺま
で、相当のトルクを発生することができる。

高加速トルクモードにおいては、始動トルクを高くする
ため、モータの固定子巻線のタップを用いて固定子の電
力巻線のインピーダンスを低下させる。曲線Ｅは、タッ
プが生かされたときに得られるトルクの大幅な増大を示
し、従って非常に重い負荷を加速することができる。点
Ｊの速度に達したとき、励磁コイルが生かされて、回転
子トルクはＶ点まで増大し、さらに回転子速度が増大す
る際に、トルク速度曲線Ｋに沿って同期速度点Ｇまで低
下する。この点Ｇまたは線に上の任意の点において、入
力交流電力が正常運転のために巻線全体に送られ、その
トルクが線りまで低下する。

同期速度において、回転子が“ハンチングしていなけれ
ば、回転磁界と回転子は同一速度で動くのであるから、
回転磁界の磁束線は回転子中の短絡巻線によって切られ
ないので、その内部を循環する電源もなく、また従って
電気損も生じない。従って、このモータは、回転子トル
クを発生するために回転子と回転磁界との間に滑りが生
じなければならない通常の誘導モータにおいて見られる
回転子トルクを完全に除去することが、できる。

同期速度に達すると共に、理論的には、回転子中の永久
磁石層の磁化を保持するように、励磁コイルを交流で生
かす必要はない。しかし実際上は、モータ負荷の急激な
変動によって生じる回転子のハンチングを制御するため
に、また交流電力中の周波数変動から生じる問題を除く
ため、モータが運転している限り、単相交流をもって励
磁コイルをある程度、生かしておくことが好ましい。

このモータにおいてはモータに対する全電力の小のみが
励磁コイルによって必要とされるのであるから、これは
顕著な電力損を意味しない。モータが同期速度に達した
のちに絶えず励磁コイルを生かしておくためのエネルギ
ー損の一部または大部分を避けるため、たとえば１７１
０交流サイクルごとに、または状況によってこれより少
くまたは多く、励磁コイルに対して所望の単相交流を加
えるための電子制御手段を備えることは容易である。

同期速度においては、回転子は、固定子電力巻線の生じ
る回転磁界と叩相に回転する１組の本質的に永久的な界
磁極を有する。回転磁界の強さは、通常、固定子巻線の
生じる逆ｅ、ｍ、ｆ、が固定子入力端子に加えられる交
流電位と木質的に同等となるように設定される。この条
件においては、電力線から磁化電源は必要とされず、ま
たモータは経済的に望ましい力率１の入力で作動する。

このように、本発明のモータは電位的に直動型の直入れ
モータであり、始動に際して異常に低いアンペア数を引
込み、実質的な慣性−軸負荷をもって静止状態から始動
することができ、また高トルクを有するので、このよう
な実質的負荷のもとに低い温度上昇をもって加速する。

このモータは平滑にまた容易に加速されて同期速度に達
してロックされ、合理的範囲内の負荷変動にかかわらず
同期速度で作動し続けることができる。さらにこのモー
タは構造簡単であって、高効率であり、同一定格の、最
良の、特殊設計の、市販の高効率交流モータの効率に匹
敵しまたはこれにまさるものである。

〔実施例〕

第２図について述べれば、モータ１０は高回転慣性回転
子を有する本発明の実施態様である。モータ１０は外側
支持ケーシングまたはフレーム１２を含み、このフレー
ム１２は取付用出張１４を有し、また全体として２０で
示す固定子を配置するスペースを成す外壁１６を有する
。固定子２０は定着管状支持体２２を含み、この支持体
２２はケーシングまたはフレーム１２上に剛性的に取付
けられ、また内部中空孔２４を備え、この孔２４の中に
導線を導入することができる。支持体２２上に、高透磁
率と高抵抗の軟質磁性体２６が固着されている。この磁
性体は、たとえば軟質強磁性体、またはそれぞれ外側に
絶縁スリーブを備えた複数のボルト２８によって相互に
堆積状に締付けられたケイ素−鉄ラミネーションから成
る。ラミネート２６はその外周に沿って、モータ軸線に
対して大体平行に配置された複数のスロット３０を有し
、これらのスロットの中に巻線３２が配置され、これら
の巻線に交流電力を加えたとき、回転磁界を発生するよ
うに成されている。

励磁巻線を成すため、積層体の外周上の一点の極片３４
があり、この極片は比較的狭い外側極面３６を有し、ま
た極片の両側に一対の比較的巾広いスロット３７があり
、その内部に、単相交流によって生かされる励磁コイル
３８が配置されて、極片中に強力な交番磁界を生じるの
で、極片は交互に北極磁気と南極磁気とを帯びる。図示
の固定子の外周面３９は円筒形であるが、大体に支持体
２２の中心に軸線を有する任意の回転面の形状とするこ
とができる。また選ばれたスロット３０の中に、励磁コ
イル３８と回路を成すフィード・バック巻線を備えるこ
とができる。

固定子２０の周囲に回転子４０を配置する。この回転子
４０は、管状支持体２２上に適当に取付けられた軸受上
に載置される。これらの軸受上に回転自在に中空円筒形
シェル４２が配置され、このシェルの内部に、たとえば
ケイ素−鉄ラミネートなどの軟性強磁性体４４がシェル
４２の内壁面に固着されている。全体的円形のアパチュ
ア列がラミネート４０を貫通し、鋼、アルミニウム、銅
または銅合金のロッドなどの導線を埋込み、回転子４０
の軸線に対して大体平行にラミネート全体を貫通させて
いる。これらの導線４８はその末端において短絡されて
いる。ラミネート４４の内側面５０は回転子の軸線と同
軸の円筒面であって、この内側面に対してフェライトな
どの磁化性永久磁石層５２が固着されている。その適当
な例はバリウム・フェライト。

バリウム・ストロンチウム・フェライト、およびストロ
ンチウム・フェライトである。この層５２は、エポキシ
樹脂またはその他の適当な接着剤によって内側面５０に
対して接着される。永久磁石層５２は、約０．２〜１．
０インチ（０，５〜２．５４ｃｍ）の放射方向厚さを有
する長方形または円弧状断面形状の複数の小さな扁平体
から成る。層５２の露出内側面５４は、固定子の外側面
３９に完全に対応し、回転子が回転する際にこれらの面
が相互に接触しない程度の小間隙をもって同軸関係にな
ければならない。

モータ１０を作動する際に、回転子４０を静止状態から
同期速度まで高めるため、事業用ラインまたは他の交流
発電源から交流電力を直接に電力巻線３２に接続し、回
転子の軸線回りに、固定子の円形外周面から生じる回転
磁界を生じることができる。このような回転磁界を生じ
るため、公知のように適当に配置された巻線に対して、
三相または二相の交流ポテンシャルを加えることは容易
である。小型モータの場合、巻線の個々の部分が適当に
設計されていれば、単相交流を使用することもできる。

たとえば、同じく業界公知の設計によって、第１巻線を
直接に電源ラインから駆動し、この第１巻線から偏位さ
れまた適当サイズのコンデンサと直列に接続され、同じ
くその動力線から駆動される第２巻線が回転磁界を生じ
る。

回転磁界から出た磁束が永久磁石層５２の中に入り、そ
の設計からこの層を部分的に磁化し、ヒステリシス効果
によって回転子に対して磁気トルクを生じる。

さらに、磁束は軟性磁性体４４の中に入り、その回転中
に、短絡導線４８によって切られ、これによりその内部
に起電力または電位を生じ、その結果、短絡導線４８の
内部に強い電流を生じ、この電流が回転磁界と反作用す
ることにより、回転子４０に対して強い回転トルクを生
じる。

本発明の好ましい実施態様において、所望のトルクが発
生され、また始動時に導線４８の中に発生する電流が、
回転子の同期速度と定格負荷において巻線３２が導通す
るアンペア数の約２〜４倍以上を導通することのないよ
うに、導線４８の数とその電気抵抗とを選定することが
重要である。このように構成されたとき、回転子は、相
当の負荷を受けながら、静止状態から始動することがで
き、平滑に加速するであろう。この始動アンペア数より
実質的に大なるアンペア数が導通されるなら、比較的高
価なモータ始動器が必要とされ、また短絡導線が２倍よ
り実質的に低い始動アンペア数を引込むように設計され
ているとき、始動トルクが非常に小となるので、実質的
負荷に耐えることができず、またモータ加速期間が異常
に延長されるであろう、しかし、もし、より高いトルク
を発生するため、全負荷同期速度のたとえば４〜５倍ま
たはこれ以上の高い始動アンペア数を受入れることを望
まれる場合、本発明の構造は先行技術よりもすぐれた多
数の利点を示すことができる。

モータの回転子４０がその同期速度の約７５〜８０％に
達するやいなや、励磁巻線３８が単相交流によって生か
されるので、極片３４が磁化されて交番南北極性の強力
な磁束を生じる。同期速度より実質的に低い速度ではこ
の磁束の大部分は永久磁石層５２を通って磁性体４４の
中に入り、その大部分が埋め込まれた導線４８と磁性体
内側面５０との間を戻フて永久磁石層５２を通り固定子
外側面３９に達する。

その結果、回転子４０の回転中に極片３０に隣接して運
動する磁化性永久磁石層５２の実質全部が南北磁極のパ
タンまたは構造に磁化される。速度が同期速度でないと
きに１回転ごとにこのパタンか変更または移行する。こ
の永久磁石層の磁化パタンが生ずる際に回転子に対して
トルクの実質的増大が加えられる。何故ならば、永久磁
石層５２の磁極が固定子巻線の生じる回転磁界の磁極と
もっとも能率的にまた効果的に作用するように、同相に
配置されているからである。回転子は加速されて同期速
度に達してロックされ、実質的過負荷を含む合理的負荷
変動にもかかわらず、正常状態においては決定的にこの
ような同期速度を保持する。通常の同期モータが近同期
速度から完全同期速度まで半サイクルで臨界的ジャンプ
を成す際の問題点に比べて、本発明の回転子は全トルク
の同期速度まで平滑にまた容易に移行する。

モーター発電機ユニットを含む原型テストにおいて、始
動され同期速度まで加速される負荷の回転慣性モーメン
トは約２４０ボンド／ｆｔ２であった。全負荷および同
期速度において、モータは２１ボンド／ｆｔ２の負荷ト
ルクを出さなければならなかった。また短時間電□力遮
断に際して、速度はこの負荷のもとに３８０ＯＲＰＭか
ら３１５０ＲＰＭまで低下し、交流電力の回復に際して
、モータは直ちに始動して全負荷のもとにおける全速運
転まで加速することができた。合理的サイズの市販モー
タでこのような要件を満たすことのできるものはなかっ
た。実際に、　ＮＥＭＡガイドラインは、このような要
件を溝たすためには３００馬力（２２５ＫＷ）誘導モー
タが必要であると述べている。第２図に図示のような構
造を有する本発明による１２Ｋｌ！（１６ＨＰ　）モー
タはこれらすべての要件を完全に満たすように作動した
。モータ効率は９０％を超え、正規力率は約１であった
。

回転子が所定速度に達したのち励磁コイル３８の励磁は
、たとえばモータに接続されたメータまたは、速度計か
ら速度情報を得る作業員が手動で実施することができる
。しかしまた、　６０Ｈｚ交流で励磁されたとき、２極
モータの場合はたとえば２７００〜３０（ＩＯＲＰＭ　
、あるいは４極モータの場合には１３５０〜１５００Ｒ
ＰＭの予定速度に達したときに作動してスイッチを入れ
、励磁巻線に単相交流を送るようにした自動型機械的遠
心スイッチ手段を回転子の上に配置することができる。

この種の開閉目的のための自動的遠心型スイッチは公知
であって、単相モータにおいて広く使用されている。さ
らに回転子の所定速度において励磁コイルを含む回路を
閉じ回転子がこの速度以下に落ちたときにこの回路を開
くために使用される速度感応型の種々の電気作動開閉手
段がある。たとえば、固定子上のピックアップコイルを
、回転子端部の回転外周面上に備えられた１個または複
数の協働小型永久磁石によって生かすことによって、回
転子速度が増大するに従ってピックアップコイルが増大
電圧を発生し、所定の電圧レベルにおいてソリッドステ
ート・スイッチが作動して励磁コイルの開閉コイルを閉
じるようにする。あるいは、ピックアップコイルからの
所定出力周波数に感応して励磁スイッチ回路を閉じるた
めに周波数感応回路を使用することもできる。

回転子４０が同期速度に達したとき、永久磁石層５２は
大体不変の極性パタンに完全に磁化されており、モータ
に対する交流送電線の周波数が変化しないものとして、
回転子４０の加速中に必要とされたように１回転ごとに
極性パタンを変化させる必要はない。従って、励磁コイ
ルを死なすことができ、゛モータ効率全体が増大される
であろう０代表的には励磁コイルはモータに給電される
電力全体の３零以下を使用するものであって、この零は
１０ＫＷまたはこれ以上のモータについてはさらに低下
する。

しかしモータに対する負荷が実質的に増大または減少す
る場合、回転子が新しいトルク角度に調整されるので、
回転子の所定点に対する回転磁界の一点の空間的関係位
置が少し移動する。新しいトルク位置に調整される際に
、回転子が“オーバシュート”する可能性があり、回転
子中の短縮されたターンがオーバシュートを急速に減衰
させることができなければ、“ハンチングが生じるであ
ろう。このようなある種の条件において発生する可能性
のある“ハンチング効率およびモータに対する交流送電
線中の周波数６動または擾乱効果を防止するため、多少
とも規則的間隔で励磁コイル３８を単相交流をもって生
かすことが望ましい。電子制御装置とスイッチを励磁コ
イル３８のコイルの中に挿入し、たとえば交流の１サイ
クルまたは１サイクル以上の間、励磁コイル３８を毎！
／１０サイクルごとに適正位相角で生かして、永久磁石
層５２の磁化を調整することができ、その場合励磁コイ
ル３８に対する単相交流はさらに数サイクルの間、切ら
れる。またこのような“ハンチングを減少させるように
、この“ハンチングによって生じる入力電流の変化また
は電力の変化に感応して励磁コイルを生かすことができ
る。

いま第３図について述べれば、この図には、モータｌＯ
の電気的作動／制御手段の回路図が図示されており、特
に固定子２０の回路を示す。三相人力線として示された
外部電力線６０が遮断器６２に入り、その内部には遮断
要素のみならず、フユーズ、避電器およびその他の安全
要素が配置される。この遮断器６２から、３本の導線６
４がタップ変更用双投型スイッチ６６に入り、三ブレー
ド・スイッチのそれぞれのブレードを生かす。タップ変
更器は遮断器６２の中に含まれた接触器とすることがで
き、または手動で、あるいはソレノイドによって、ある
いは回転子速度思込作動子によって作動される別個のス
イッチとすることができる。

正常トルク負荷のもとに静止状態からモータを始動する
ためスイッチ６６は、全開位置から、各ブレードまたは
接点がリード線７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃの接点にそれぞ
れ係合するまで動かされ、交流電位をそれぞれのコイル
形成巻線３２の端子に交流電位を送るので、コイル全部
が生かされて各コイルの全インピーダンスが有効となる
。支えられた線によって送られる交流アンペア数はこの
インピーダンスによって決定され、またこのような電流
の結果、一定強さの回転磁界を生じ、この回転磁界が回
転子の回転を開始するに有効な一定の回転トルクを生じ
回転子を加速する。これはモータの“正常モード”と呼
ばれる。

これより高いトルクが望まれる場合、まずタップ切換ス
イッチ６６を作動して、ブレードまたは接点をリード線
７２Ａ、７２Ｂ、および７２Ｇから遮断し、これらを線
７４Ａ、７４Ｂ、および７４Ｃに接触させて、交流電位
を巻線３２を成すコイルのそれぞれの夕１ツブ７６Ａ、
７６Ｂ、７６Ｃに送る。これらのタップは交流電位を各
コイルの短縮部分にのみ送ることにより、より小さいコ
イルインピーダンスが得られ、このようにして同一の交
流ポテンシャルに対して実質的により大きなアンペア数
が巻線３２を生かすことにより、回転磁界中の磁束を増
大し、また直ちに回転子に対するトルクを増大する。実
際上、タップの位置によってトルクは２〜３倍に増大さ
れる。

これがモータの“加速モード”と呼ばれる。

フィードバック巻線３３が容量回路を通して励磁コイル
３８に接続され、この回路において巻線３３の第１端子
から出たリード線９０が速度感応スイッチ１制御ユニツ
ト９２に接続され、このユニット９２から出たリード線
９３が励磁コイル３８の一方の端子に接続され、またこ
の励磁コイル３８の他方の端子から出たリード線９５が
コンデンサ９４の一方の端子に接続され、これに対して
リード線９１がフィードバック巻線３３の第２端子をコ
ンデンサ９４の他方の端子に接続している。若干の用途
の場合、コンデンサ９４はダッシュ線で示されるように
リード線９１とリード線９３との間に接続することがで
き、従って励磁コイル３８およびフィードバック巻線３
３と並列に配置することができる。この回路図において
は、フィードバック巻線３３は励磁コイル３８と直径方
向反対側のスロットの中に配置されている。しかしなが
ら実際上、フィードバック巻線の物理的位置は他のスロ
ットの中に配置することができ、このような位置の選定
はモータのそれぞれの設計と用途に依存する。

励磁回路の動作は次のようである。回転子速度がその同
期速度の大体７５〜８０零に達したとき、速度感応スイ
ッチ９２が作動してリード線９０からリード線９３への
回路を閉じ、フィードバック巻線３３から交流電位が直
接に電磁コイル３８に送られ、この回路はコンデンサ９
４の端子までリード線９１と９５によって完成される。

また回転子の永久磁石層５２の磁場および固定子の回転
磁場によって回転子の中に生じる磁極により、励磁コイ
ル３８の中に交流が発生される。共振回路がこれら数種
の交流電位を結合するので、特定の強さと位相の単相交
流電流が励磁コイル３８の中を流れ、極片３４の極面３
６において強力な交番磁束を生じるが故に、永久磁石層
５２の特定の部分が飽和レベルまで磁化されて、強力な
北極／南極パタンを生じる。永久磁石層５２の中のこれ
らの磁極が回転磁界と強く作用して、トルクの実質的増
大を生じる。回転子は急速に、しかし平滑に速度を増大
するので、同期速度が達成され、また全負荷を容易に回
転子に対して加えることができる。

従って本発明のモータは正常モードでも加速モードでも
始動することができ、あるいは同期速度の大体７５〜８
０零に達する点までこれらのモードを順次に加えること
ができ、次に励磁コイルを生かして回転子を所望のモー
ドで高トルクで同期速度まで加速させつづけることがで
きる。

若干の用途においては、速度感応スイッチ９２が励磁コ
イルの共振回路を閉じる際に、同時にタップ切換スイッ
チ６６を作動ルてライン６４の中の交流電力により巻線
３３全部を生かすことが望ましい場合がある。従ってス
イッチ９２によって生かされ制御されるソレノイドなど
の手段が、２極６０Ｈｚモータの場合には２７００〜２
９００ＲＰＭに達したときに生かされ、またスイッチ６
６は、交流入力がリード線７２Ａ、７２Ｂおよび７２Ｃ
のみに達して巻線３２全部を生かすように配置される。

いずれの場合にも、同期速度に達したときに、タップ切
換スイッチ６６によって、低インピーダンス巻線に対す
る給電を遮断し、巻線全部を交流電力線に接続する。

タップ７６Ａ、７６Ｂ、７８Ｃおよびタップ切換スイッ
チ６６はモータ中に存在する必要がなく、あるいは使用
する必要がないことは理解されよう。これらは主として
、重負荷または可変負荷においてモータを加速するため
に備えられるものである。巻線３２上のタップを使用す
ることが特に好ましい場合は、送電線電圧が遮断され、
モータが減速し始め、たとえば２９００ＲＰＭから３１
０ＯＲＰＭまで低下し始め（２極６０Ｈｚモータの場合
）、従って交流送電線電力が復帰する際に、この電力が
タップ７６＾、７８Ｂ。

７８Ｃまで送られて、短い過負荷条件においてさえも再
び同期速度まで加速される場合である。

第４図について述べれば、この図は本発明によるモータ
１００の第２実施態様を示す。このモータ１００は通常
の大ていのモータと類似の低回転慣性構造を有し、この
構造においては、回転子は比較的小外径を有し、大径の
外側固定子によって包囲されている。モータ１００はエ
ンドベル１０２を有し、各エンドベルはその中心に配置
された軸受用くぼみ１０４を有し、その中に、回転子１
０８を支持する玉軸受１０６が配置され、この回転子は
、突出外部スピンドル１１１を備えた回転駆動軸部１１
０を含み、前記スピンドル上に駆動用滑車または歯車を
取付けることができる。両側のエンドベル１’０２の内
部において、回転子１０８は軸部１１０の拡大部上に固
着された右手締付板１１２を備え、左手締付板１１４は
軸部の反対側末端に、たとえば割りバネワッシャまたは
適当なネジ上にネジ込まれたネジによって固着されてい
る。締付板１１２と１１４との間に、軟質磁性物質、た
とえば３７゜ケイ素−鉄の中心孔を有する円筒形ラミネ
ート１１６が強く保持され、軸１１０に対しては滑動自
在に、しかし非回転自在に固着されている。ラミネート
１１Ｂは、その内部を貫通する一連の細孔１１８を有し
、これらの細孔はラミネートの外周に沿って外周から一
定間隔に、回転子の軸線に対して平行に配置され、これ
らの細孔の中に非絶縁導線１２０が配置され、これらの
導線の両端はラミネート１１６の両端から突出して、締
付板１１２，１１４と電気的に接続されているので、こ
れらの導電は短絡されている。両側の締付板１１２と１
１４の外周縁部はラミネート１１６の外周面１１２を超
えて突出し、これら突出部の間に、フェライトなどの磁
化性永久磁石の右側層１２３と左側層１２４が配置され
、これらの層はその下面とラミネート外周面１１２との
間にエポキシ樹脂などの強力接着剤を施用することによ
りラミネート外周面１２２に対して強く固着されている
。遠心力作用によってラミネート外周面１２２から永久
磁石層１２３と１２４が離脱することを防止するように
ラミネートに対して最も確実に固定するため、高速モー
タにおいては、薄い外周保持バンド１２５を成すように
高電気抵抗ガラスファイバまたは金属ファイバの強固な
被覆層またはその他の材料層が施用され、また回転子の
回転に際しての遠心力に抵抗する強固な保持手段を成す
ための接着剤を施用して外側円筒面１２６を成す。また
ラミネート外周面１２２にかなめ石型切欠きを備え、こ
れらの切欠きの中に軸方向にフェライト物質の補足形状
のセグメントをすべり込ませて、機械的遠心力抵抗取付
物を成すことができる。どのような取付方法が使用され
るにせよ、これは永久磁石層と内部の熱特性および機械
特性の差に耐えるものでなければならない。回転子は完
成されたときに円筒形外側面１２ｆｔを示す。

モータ１００の固定子１３０は、エンドベル１０２の外
周の中に配置され切欠き１３２の中に強く保持された円
筒形外側包囲シェル１３１を含む。スペーサ１３５によ
って分離されたケイ素−鉄ラミネーションなどの軟質磁
性物質、の右側エミネート１３４　と左側ラミネート１
３６とから成る軟質磁性体が円形シェル１３１の内部に
配置され、この組立体はボルトまたは類似物によって相
互に強く締付は保持されでいる。ラミネート１３４と１
３６の内側面１４０は円形を成し、回転子の外側円筒面
１２６に対して回転間隙を成すように配置されている。

各ラミネート１３４　と１３６のスロット１４１が内側
面１４０に開き、その内部に動力巻線１４２と１４３を
配置され、交流電力で生かされたときに回転磁界を成す
。この実施態様においては２個の励磁コイルが図示され
ているが、短かい固定子ラミネートを有する若干のモー
タにおいては１個の連続励磁コイルを使用することもで
きる。第１励磁コイル１４４は永久磁石層１２３を、そ
の極片の面１４８を通して磁化する作用を有するが、他
方の励磁コイル１４６はこれと直径方向反対側に配置さ
れ、あるいは特定の用途のために所望の特性を有するよ
うに他の位置に配置され、永久磁石層１２４を、その極
片の面１４７を通して磁化する作用を行なう。

鉄心ラミネート１３４の中心に配置されたスロット１４
１の中に、フィードバック巻線１５０が配置される。同
じく鉄心ラミネート１３６のスロット１４１の中にフィ
ードバック巻線１５１が配置される。これらのスロット
はそれぞれその内部に、数個の動力巻線を配置されるこ
とができる。回転子の回りに、軸線に対して対称的に、
複数の励磁コイルを配置することによって二、三の利点
が得られる。

第５図について述べれば、図示のグラフの上に、モータ
が静止状態から同期速度まで加速される際に本発明によ
るモータの発生するトルク曲線と引込み電流のアンペア
数とがプロットされている。モータを２３０ボルトの６
０Ｈ２三相交流電流で生かす。このモータは２極構造を
有し、２５馬力（１８，７ＫＷ）の公称定格を有してい
た。この構造は本質的に第２図に示した構造である。曲
線Ｊで示すように、全出力巻線を生かして正常モードで
動力線にモータを切換えたとき、最初に導通された電流
は最大限約１０８アンペアであったが、このアンペア数
は、回転子が２８０ＯＲＰＭの速度に達するまでに７６
アンペアにまでゆフくりと降下した。また曲線にから明
らかなように、モータの出発トルクは２８ｆｔｂ／ｆｔ
であったが、このトルクは１１０００ＲＰにおける約１
８Ｊ２　ｂ／ｆｔまでゆっくりと低下し、次にこのトル
クは上昇し、さらに２８０ＯＲＰＭの約１４．５ｊＺｂ
／ｆｔまでゆっくりと下降した。２８０ＯＲＰＭにおい
て、単相交流をもって励磁コイルを生かすと、導通され
る電流は直ちに６６アンペアまで低下したが、トルクは
曲線Ｋに見られるように約４８１１ｂ／ｆ　ｔの初ピー
クまで上昇し、回転子の速度が増大するに従って、この
アンペア数とトルク値は３６００ＲＰＭの同期速度に入
る直前に、それぞれ約４６アンペアと４３．５１！、ｂ
／ｆｔの値までほとんど直線的に下降した。同期速度に
おいて、トルクと入力電流は接続された負荷の必要とす
る値をとる。すべての場合において、とのモータは相当
の負荷を暗示する場合でも、容易にまた平滑にその同期
速度まで加速された。高慣性設計に伴なう非常に高い風
損にかかわらず、テストの結果、モータの効率は２５馬
力の出力レベルで９１１であり、１５馬力において非常
にわずかに８９零まで低下し、８．５馬力の出力負荷を
加えた場合にのみ７９９ｇに低下することが示された。

多くの、モータについて、このような割合の大巾な負荷
出力の低下は効率を６０〜７０零以下まで急激に低下さ
せるのが通常である。

また第５図に使用されたテスト・モータは、全巻線の約
６５零のみが生かされ、インピーダンスが全巻線のイン
ピーダンスの約５０零となるように固定子動力巻線上の
点にタップを備えることにより、“加速”モードに生か
された。導通された初アンペア数は約２１０、初トルク
は約５２ｉｂ／ｆｔであった。トルクは２８００ＲＰＭ
の４４４！ｂ／ｆｔまで確実に低下し、導通される電流
が１７８アンペアまで落ちた。２８０ＯＲＰＭで励磁コ
イルを生かし、トルクは６１　ｈａｆｔ以上まで増大し
、また電流は３６Ｇ（ＩＲＰＭの同期速度の直前で９６
アンペアまで落ちた。

テストモータを繰返し始動し、正常モードと加速モード
で２８０ＯＲＰＭまで加速し、次に励磁コイルを生□か
して、回転子を全負荷同期速度に到達させ、次に給電を
切って１時間の給電遮断をシュミレートし、モータを３
１５ＯＲＰＭまたはこれ以下まで減速させ、その時点で
、全交流給電を回復した。

各テストにおいて、モータは負荷のもとに再始動し、平
滑に再始動し、サージも、過熱も、その他の問題点もな
く、容易に全同期速度に達した。本発明のモータのもう
１つの望ましい価値のある特性は、あらゆる速度におけ
るその静かさである。

前記の２５ＨＰ　（１８，７にＷ）モータのノイズレベ
ルは１メートルで７０ｄｂＡ以下であった。

本発明のモータにおいては、多種多様の磁化性永久磁石
を使用することができる。たとえば、第２図の層５２は
、好ましくはフェライトなどの非導通性の永久磁石物質
から成る。また、励磁磁束によって内部に生じるウズ電
流を許容可能レベルまで低下させるように粉末材料を樹
脂結合剤と混合できるように製造されていれば、アリノ
合金などの金属永久磁石物質を使用することができる。

本発明の実施に際して、バリウム・フェライトとバリウ
ム・ストロンチウム・フェライトがすぐれた結果を生じ
た。より新しくまた改良された型のフェライトおよび類
似の磁化性永久磁石が開発されており、付図に示した層
５２、または１２３．１２４などの永久磁石物質層の製
造に今後使用されるであろう。モータにおいて良い結果
を示した２種のフェライトのヒステリシスループを第６
図に示す。グレード５フエライトの商標で数年来市販さ
れている配向バリウム・フェライトを、実際のモータの
磁気路を代表する固定物の中に、おいて、０．３３イン
チ（０，８４ｃｍ）厚さのサンプルに対してヒステリシ
ス・ループ・テストを実施し、この場合、磁化力を最初
１方向に加え、次に反対方向に加え、サンプルに対する
磁界強さくガウス）を磁化力（エルステッド）に対して
プロットした。曲線Ｍはこのサンプルに関するヒステリ
シス・ループを示す。この物質の閉回路磁気パラメータ
は４０００ガウスのＢ「および２３００エルステツドの
Ｈｃである。

５４１０９商標の他の市販フェライトを同様にテストし
、これは前記のものよりはるかに正方形のまた小型のヒ
ステリシス・ループＮを示した。対応の閉回路特性は４
１００Ｂｒおよび９００Ｈｃである。このサンプルは０
．６４インチ（１，６３ｃｍ）の厚さであったが、曲線
間のより短いサンプルよりも、飽和状態に達するために
より少ない磁化力を必要とした。

これは、５４１０９に類似の型の、より厚い層を使用す
ることによって励磁要求度を増大することなくモータの
インピーダンスを低下させ性能を改良できることを示す
。本発明のモータの応用のためには、これらの曲線のう
ち第２の正方形型のものが特に重要である。曲線部にお
ける点Ｏｍが第２正方形曲線の中の代表的な動作点であ
る。この点Ｏｍにおいて、曲線Ｍはより急峻な傾斜を有
し、また点“Ｏｎと比べて低いガウス値を有するもので
、物質Ｎについて代表的作動点において、より厚い磁石
を使用することができる。物質Ｎはこの点Ｏｎにおいて
、物質Ｍの点Ｏｍにおけるよりも約５０９ｇ犬なる磁気
力（ガウス）を有する。またより厚い磁石の故に、曲線
Ｏｎの傾斜が平坦になり、物質Ｍよりもすぐれたモータ
制御特性を与える。第２図のフェライト層５２および第
４図のフェライト層１２３．１２４の最適厚さはフェラ
イトまたはその他の永久磁石物質の特性に依存している
。故に、フェライトＭおよびその他類似のフェライトは
４０馬力（３０にＷ）までのモータについては約０．２
〜０．４インチ（０，５〜１．０ｃｍ）の厚さの層とし
て使用することができ、またこれより高定格のモータに
ついては約０．３〜０．５インチ（０，７５〜１．３ｃ
ｍ）の厚さの層に使用することができるのに対して、曲
線Ｎの物質は４０ＨＰのモータについて約０．５〜０．
フインチ（約１．２〜１．８ｃｍ）の厚さで、またこれ
より大型モータについて１インチ（２，５４ｃｍ）また
はこれ以上の厚さで有効に使用することができよう。作
動点ＯＮとＯＭにおいて曲線ＭとＮの傾斜によってしめ
される相対的透磁率は木質的に１である。より厚い永久
磁石層を使用すれば、固定子巻線から出る磁界によって
見られた磁気エアギャップを確実に増大させ、逆比例的
にモータのインピーダンスを減少させる。この故に、１
曲線部によって示された特性を有する磁気物質を使用す
ればモータは過度のトルク角度に達する前に、より多く
の送電電流をモータに受けさせることができ、従って同
一サイズのモータからはるかに多量のトルクを生じるこ
とができる。

フェライト物質Ｎは第２図のモータの永久磁石層５２に
使用された場合に顕著な結果を生じた。これは、保磁力
、エルステッドＨｃが、完全飽和物質の残留誘導、ガウ
スＢの数値より４５％低い数値を有することによる。同
様特性を有するその他任意のフェライト、または磁化性
永久磁石物質がこの新規な同期モータにおいて使用する
のにきわめて適当であろう。

第７図においては、本発明のモータの他の変更態様の断
面を示す。そ−夕２００は、取付脚部２０４を備えた外
側支持ケーシング２０２を含み１、このケーシングの内
部に、全体として２０６で示す固定子が支持されこの固
定子は中心孔２１０を備えた支持軸を含み、この中心孔
を通して固定子のリード線および制御用ワイヤが導入さ
れる。絶縁されたボルト２１２が、高透磁率強磁性物質
の円筒形スロットを有するラミネート２１４を、前記の
軸２０８上に固定位置に保持している。円筒形外側面２
２０を有する鉄心２１４の外周部のほぼ全体にわたって
配置された比較的小さいスロット２１８の中に、電力巻
線２１６が配置されている。磁化先端または磁化面２２
Ｂを有する極片２２４の両側に、２個のより大型のスロ
ット２２２が配置されており、これらのスロット２２２
の中にそれぞれ励磁コイル２２８が配置され、この励磁
コイルは、これを単相交流で磁化させることのできる適
当な共振回路の中にある。特定のスロット２１６の中に
配置されたフィードバック巻線が共振回路に接続されて
励磁コイルに対して補給交流を送り、励磁回路中の交流
の位相と強さを共に変更して極片を交番北極および南極
磁気によって磁化して、永久磁石層を磁化し、モータを
適当なトルクレベルで作動させる。モータ２００の回転
子２３０は固定子２０６を包囲し、この固定子に組合さ
れた軸受上において固定子口りに回転する。回転子２３
０は相互に電気的にまた磁気的に組合された３個の主要
成分から成る。

ｌ）高保磁力と高抵抗とを有する磁化性永久磁石物質層
２３８．またこの層は固定子の外側面２２Ｇとの間に回
転間隙をもって相補的に対応する内側面２３４を有する
。２）低いウズ電流損失を示す軟質磁付物質の円筒形シ
ェル２３６゜このシェルはその内側面２３７上に永久磁
石層２３８を支持し、また永久磁石層２３８の中の通磁
束の低磁気抵抗通路を成す。および３）前記のシェル部
品２３６の外側面２４０は重い円筒形環状シェル２３２
の内側面に固着される。このシェル２３２は高透磁率と
すぐれた導電性とを有する強磁性物質から成り、軟鋼が
その適当な、材料である。モータ２００は第２図〜第４
図に示すようなモータと同様に作動する。

本発明のモータはその新規特性の故に多くの用途につい
て有益であり、またその高い電気効率はすべての用途に
ついて重要な意義をもつであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は速度に対してトルクをプロットしたグラフ、 第２図は本発明による高回転慣性を有するモータの第１
実施態様の横断面図、 第３図はモータの回路図、 第４図は本発明によるモータの低回転慣性を有する実施
態様の縦断面図、 第５図は本発明によるモータの回転速度ＲＰＭに対して
電流とトルクをプロットしたグラフ、 第６図は本発明による回転子中に使用される２種のフェ
ライト物質のヒステリシスループを示すグラフ、 第７図は本発明によるモータの第２実施態様の横断面図
である。 ２０・・・固定子、 ３０・・・スロット、 ３２・・・巻線、 ３４−・・極片、 ３６・・・極面　、 ３７・・・スロット、 ３８・・・励磁コイル、 ４０・・・回転子、 ４８・・・短絡導線、 ５２・・・永久磁石層、 ２０６・・・固定子、 ２１６・・・電力巻線、 ２２４・・・極片、 ２２６・・・磁化面、 ２２８・・・励磁巻線、 ２３０・・・回転子、 ２３８・・・永久磁石層、 ２３６・・・第２部品、 ２３２・・・第３部品。 特許出願人　　ブリサイス　バワー コーボレイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（Ａ）固定子と、回転子を支持するため前記固定子
   に組合わされた軸受とを含み、前記固定子は低ウズ電流
   損失を生じるように構成された高透磁率軟質磁性体を含
   み、前記磁性体は、回転子の軸線と同軸の回転面状の外
   側面と、前記回転面に隣接して前記磁性体の中に配置さ
   れて入力交流電力をもって生かされ、このように生かさ
   れたときに前記軸線回りに回転磁界を生じる複数の動力
   巻線と、実質的に前記回転面に磁化面を有する極片の周
   囲に配置されて単相交流をもって生かされる励磁コイル
   とを含み、（Ｂ）回転子は相互に電気的にまた磁気的に
   組合わされた下記の３個の主要成分を有し、（１）高保
   磁力、低導電性磁化性永久磁石物質の第１外側層におい
   て、固定子の回転面との間に回転間隙をもって相補的に
   対応する同延長の外側回転面を有する第１外側相と、（
   ２）前記第１層から出る磁束に対する低磁気抵抗路を成
   すように前記第１層と密接に接触して配置された第２成
   分において、この第２成分はその内部に低ウズ電流損失
   を生じるように構成された高透磁率物質体から成る第２
   成分と、（３）前記第２成分と磁気的にまた構造的に密
   接に組合わされ、高透磁率と高導電率と、特定の抵抗と
   を有する強磁性物質から成る第３成分とを含み、これに
   よりモータの始動中および低回転子速度において、固定
   子の回転磁界が第３強磁性成分の中に循環電流を発生し
   て磁界を生じ、この磁界が固定子の回転磁界と反応して
   回転子に対して高回転トルクを加え、同期速度に近い高
   速において励磁コイルを交流をもって生かしたとき、極
   片が順次に強い南北磁気極性に磁化し、その磁化面が永
   久磁石物質の第１層を南北磁極の制御されたパタンに磁
   化し、これらの南北磁極は固定子の回転磁界に対して一
   定の位相角度にあつて、回転子を同期速度まで加速する
   ことのできる強い回転トルクを生じ、また前記の回転子
   要素が相互に協働して回転子速度を固定子の回転磁界と
   同期に保持することを特徴とする同期交流モータ。 ２）回転子中の第２成分は第１層と接触した円形面を有
   する高透磁率強磁性物質の環状ラミネートから成り、ま
   た第３成分は、前記第２成分のラミネートと接触した隣
   接ラミネートと、この第３成分に接触しそのラミネート
   を貫通して末端において相互に電気的に短絡された導線
   部分とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載による同期交流モータ。 ３）回転子中の第２成分は高透磁率強磁性物質の環状ラ
   ミネートから成り、また第３成分は同一ラミネートの隣
   接円形部分から成り、この部分は、ラミネートを横断し
   円形列を成すように配置された複数の導線を備え、これ
   らの導線はそれぞれの末端において相互に短絡され、こ
   れらの導線の円形列は前記第１層から放射方向に離間し
   て配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の同期交流モータ。 ４）回転子中の第２成分は高透磁率強磁性物質のラミネ
   ートの外周環状リングから成り、また第３成分はラミネ
   ートを固着された強磁性物質の中実リングであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同期交流モータ
   。 ５）固定子は高透磁率強磁性物質のスロットを備えたラ
   ミネートから成り、前記スロットの中に、（１）電力巻
   線と、（２）極片を成す強磁性物質の介在部分に隣接す
   る２つのスロットの中に配置された励磁コイルとが配置
   され、また改良点として、前記励磁コイル中の交流が回
   転磁界に対して特定の位相と強さを有するように変更さ
   れて永久磁石物質層の中に磁化パタンを生じて所望のト
   ルクを発生するように、励磁コイルおよび動力巻線のス
   ロットに対応するスロットの中に配置されたフィードバ
   ック巻線（３）を含み、またこのフィードバック巻線と
   励磁コイルとに接続された容量回路を備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の同期交流モータ。 ６）回転子は高回転慣性を成すため固定子を包囲した円
   筒形シェル状を成し、第３成分はシェルの内側面部分に
   配置されて固着され、また 第２成分を第３成分の内側に接合させ、また永久磁石物
   質の第１層は第２成分の内側面上に配置されてその外側
   面が内側円筒面を成し、また支持手段が軸受から円筒形
   シェルの最外側部分まで延在することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の同期交流モータ。 ７）固定子は高透磁率の軟質強磁性物質の複数スロット
   を有するラミネートから成り、（１）そのスロットの中
   に配置された電力巻線と、（２）極片を成す強磁性物質
   ラミネートの介在部分に隣接する２個のスロットの中に
   配置された励磁コイルと、（３）選択された交流電位を
   発生する位置のスロットの中に配置されたフィードバッ
   ク巻線と、励磁コイルに対して単相交流を送るために電
   力巻線上に備えられたタップとを含み、これにより選ば
   れた位相と強さの交流電力が励磁コイルに加えられて、
   励磁コイル中の交流が位相と強さにおいて変動され、永
   久磁石物質層の中に磁化パタンを生じ所望のトルクを生
   じることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同期
   交流モータ。 ８）固定子中の電力巻線は、入力交流によって生かされ
   る単回数を変更するためのタップを有し、回転子を静止
   状態から始動させて高速に高める際に電力巻線に加えら
   れる電源を変化 させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同
   期交流モータ。 ９）選ばれた回転子速度に感応して交流による励磁コイ
   ルの磁化を制御するため、励磁回路手段は速度感応切替
   ／制御手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の同期交流モータ。 １０）励磁コイルに対する交流を制御する切替／制御手
   段は、モータが同期速度で回転している際のハンケング
   を制御し、また制限するように、を同期速度まで加速す
   ることのできる強い回転トルクを生じ、また前記の回転
   子要素が相互に協働して回転子速度を固定子の回転磁界
   と同期に保持することを特徴とする同期交流モータ。 ２）回転子中の第２成分は第１層と接触した円形面を有
   する高透磁率強磁性物質の環状ラミネートから成り、ま
   た第３成分は、前記第２成分のラミネートと接触した隣
   接ラミネートと、この第３成分に接触しそのラミネート
   を貫通して末端において相互に電気的に短絡された導線
   部分とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載による同期交流モータ。 ３）回転子中の第２成分は高透磁率強磁性物質の環状ラ
   ミネートから成り、また第３成分は同一ラミネートの隣
   接円形部分から成り、この部分は、ラミネートを横断し
   円形列を成すように配置された複数の導線を備え、これ
   らの導線はそれぞれの末端において相互に短絡され、こ
   れらの導線の円形列は前記第１層から放射方向に離間し
   て配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の同期交流モータ。 ４）回転子中の第２成分は高透磁率強磁性物質のラミネ
   ートの外周環状リングから成り、また第３成分はラミネ
   ートを固着された強磁性物質の中実リングであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同期交流モータ
   。 ５）固定子は高透磁率強磁性物質のスロットを備えたラ
   ミネートから成り、前記スロットの中に、（１）電力巻
   線と、（２）極片を成す強磁性物質の介在部分に隣接す
   る２つのスロットの中に配置された励磁コイルとが配置
   され、また改良点として、前記励磁コイル中の交流が回
   転磁界に対して特定の位相と強さを有するように変更さ
   れて永久磁石物質層の中に磁化パタンを生じて所望のト
   ルクを発生するように、励磁コイルおよび動力巻線のス
   ロットに対応するスロットの中に配置されたフィードバ
   ック巻線（３）を含み、またこのフィードバック巻線と
   励磁コイルとに接続された容量回路を備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の同期交流モータ。 ６）回転子は高回転慣性を成すため固定子を包囲した円
   筒形シェル状を成し、第３成分はシェルの内側面部分に
   配置されて固着され、また 第２成分を第３成分の内側に接合させ、また永久磁石物
   質の第１層は第２成分の内側面上に配置されてその外側
   面が内側円筒面を成し、また支持手段が軸受から円筒形
   シェルの最外側部分まで延在することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の同期交流モータ。 ７）固定子は高透磁率の軟質強磁性物質の複数スロット
   を有するラミネートから成り、（１）そのスロットの中
   に配置された電力巻線と、（２）極片を成す強磁性物質
   ラミネートの介在部分に隣接する２個のスロットの中に
   配置された励磁コイルと、（３）選択された交流電位を
   発生する位置のスロットの中に配置されたフィードバッ
   ク巻線と、励磁コイルに対して単相交流を送るために電
   力巻線上に備えられたタップとを含み、これにより選ば
   れた位相と強さの交流電力が励磁コイルに加えられて、
   励磁コイル中の交流が位相と強さにおいて変動され、永
   久磁石物質層の中に磁化パタンを生じ所望のトルクを生
   じることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同期
   交流モータ。 ８）固定子中の電力巻線は、入力交流によって生かされ
   る単回数を変更するためのタップを有し、回転子を静止
   状態から始動させて高速に高める際に電力巻線に加えら
   れる電源を変化 させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同
   期交流モータ。 ９）選ばれた回転子速度に感応して交流による励磁コイ
   ルの磁化を制御するため、励磁回路手段は速度感応切替
   ／制御手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の同期交流モータ。 １０）励磁コイルに対する交流を制御する切替／制御手
   段は、モータが同期速度で回転している際のハンケング
   を制御し、また制限するように、動力巻線に加えられて
   いる交流電力に対して同相関係において前記の交流を加
   えることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の同期
   交流モータ。 １１）固定子中の電力巻線に対して多相交流を加え、軟
   質磁性物質体のスロットの中に、少くとも多相交流の相
   数に等しい数の励磁コイルが配置され、これら複数の励
   磁コイルが固定子の外周に沿って実質対称的に配置され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同
   期交流モータ。 １２）励磁コイルは電力巻線の選ばれた部分に接続され
   て、選ばれた位相と強さの交流電位を発生し、永久磁石
   物質層の磁化パタンを至適化することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の同期交流モータ。 １３）励磁コイルは交流電源から単相交流によって生か
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同
   期交流モータ。 １４）回転子の第１層は永久磁石物質から成り、この物
   質はその完全飽和状態の残留誘導、Ｂｒ（ガウス）の数
   値の約４５％以下の保磁力、Ｈｃ（エルステッド）を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同期
   交流モータ。 １５）使用される永久磁石物質は永久磁石フェライトで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１４項記載の同
   期交流モータ。