JPS61173657A - 回転電気機械の構造 - 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】 本発明は回転電気機械の構造に関し、その中、特に単相
回転電気機械の構造に関する発明であるが、その代表と
して単相同期発電機を例とし、本発明を説明する。

単相同期発電機をブラシレス自励構造にするため、昭和
５７年特許願第４９７１２号や昭和５７年特許願第２１
７６２５号においては次のようになる。すなわち、第１
図で巻線接続２、３、７、８より成る固定子電機子巻線
の外側端子１と９の間に巻線接続２と７及び３と８がそ
れぞれ直列に、又２−７と３−８が互いに並列に接続さ
れ、巻線接続２と７の間及び３と８の間の中間端子を４
と５にする時、変成器の一次巻線及び二次巻線をそれぞ
れ上記端子１−９と４−５に接続して単相自励ブラシな
し同期発電機を造るのである。

このようにすると、単相同期発電機本体の構造を簡単に
して自励式ブラシなし構造を得るけれども、同時に次の
ような欠点もある。すなわち、電機子巻線中に負荷電流
と励磁電流を同時に流すので、その温度上昇防止のため
、電機子巻線の寸法を大きくしなければならない。中間
端子４と５から流入させる励磁電流の電源は電機子巻線
自身であるから、無負荷時においても外側端子１と９か
ら励磁電流を変成器に供給しなければならない。

元来、単相同期発電機の電機子巻線は溝の中の導線配列
は全体の溝空間の２／３だけに配列され、あと残りの１
／３の部分は溝空間が空けられていて、使われていない
。このように使われていない溝空間を使うことにより、
上記の負荷への電力供給用電機子巻線２、３、７、８の
中を通過する電流を減じることが出来れば、上記電機子
巻線２、３、７、８の断面寸法を小さくしうるし、効率
も高く改善しうる。

本出願発明者による既出の発明昭和５９年特許願第１６
７２０８号では上記の昭和５７年特許願第４９７１２号
や第２１７６２５号における上記欠点をおぎない、この
種自励式ブラシなし単相回転電気機械における溝中に空
いた空間を導体配列に使い、上記電機子巻線２、３、７
、８中を通過する電流を減じ、且つ効率を向上させるよ
うにした。すなわち上記昭和５９年特許願第１６７２０
８号では第１図の固定子巻線接続に示されるように、固
定子電機子巻線１０の構成を外部接続電線１４と接続す
る端子１から並列に接続巻線２と３を接続する巻線配列
において、この固定子内に上記電機子巻線１０とは別の
独立巻線６を設け、巻線６を上記接続巻線２及び３とは
別の相を造る一相の巻線とし、上記巻線２と３における
端子１と反対側の端子４と５に対し、上記巻線６より電
力を與え、それにより巻線２と３に励磁電流を流入させ
るのである。

このようにすれば、単相回転電気機械、特に単相の交流
発電機は簡略化し効率も向上するように考えられるが、
こゝに問題が一つあるのは単相発電機に固有な波形ひず
みがあると云うことで、これは単相同期発電機の中に発
生する交番磁界にもとづくものである。

本発明はブラシなし自励単相電機において、構造を簡略
化し、且つ効率を向上せしめると共に、その発生交流電
圧の波形を正弦波に近づけるようにすることを目的とす
る。

このような目的を達成せしめるため、本発明ではその具
体的な電気接続図第１図や第２図に示すように、固定子
電機子巻線１０の構成を外部接続電線１４と接続する端
子１から並列に巻線２と３を接続する配列とし、上記固
定子内に上記電機子巻線１０とは別の独立した巻線６を
設け、巻線６を上記接続巻線２及び３とは別系統の巻線
とし、上記接続巻線２と３における端子１と反対側の端
子４と５に対し、上記巻線６より電力を與え、巻線２と
３に負荷電流以外に別の励磁電流を流すように配列した
固定子に対し、回転子巻線を多相巻線接続配列とするの
である。巻線２と３に対し巻線６の関係は互いに異つた
相を造り、謂わば互いに異つた不平衡二相を造ることに
なる。これを第５図の具体的な電気接続図例で示す。第
５図ではＵ点からＶ点までの間に並列接続された巻線が
存在する。第５図の巻線接続の配列を第６図で説明でき
るようにしてあるが、Ｕ点は端子１に接続されるが、巻
線接続２はコイル片１−１３−２−１４−３−１５より
成り、巻線接続３はコイル片３３−２１−３２−２０−
３１−１９より成る。端子４と５はそれぞれＩ点及びＩ
Ｉ点に接続されており、この点を通して巻線接続６から
励磁電流が注入される。巻線接続７及び８はそれぞれコ
イル片３６−２４−３５−２３−３４−２２及び４−１
６−５−１７−６−１８より成る。第５図は巻線配列が
単層巻として配列される場合である。励磁巻線として配
列される巻線接続６は第５図の場合コイル片９−２７−
１０−２８より成る。励磁巻線の端子Ａ、Ｂから励磁電
力が外へ出され、結局巻線２、３、７、８へ供給される
ことになる。第５図より分かるように、巻線接続２、３
、７、８と励磁巻線６とは互いに相を異にし、巻線接続
２、３、７、８で一相を造り、励磁巻線６で他の一相を
造る。結局不平衡二相が造られることになるが、負荷へ
電力を供給する巻線２、３、７、８はそのコイル片をそ
れぞれ一個ずつ、溝に入れられて、溝は全部で３６溝あ
る中、これらのコイル片が設けられるのはその２／３の
２４溝である。このようにして溝の７〜１２の間及び２
５〜３０の間は負荷へ電力を供給するコイル片が設けら
れない。そのような空いている溝を利用して励磁巻線６
が設けられるのである。

このような負荷へ電力供給する固定子電機子巻線１０す
なわち巻線接続２、３、７、８と固定子に設けた励磁巻
線６の関係を中心に本発明の具体的な電気接続図例を第
１図乃至第４図に示す。第１図乃至第４図には回転子の
巻線接続は示されていない。電機子巻線端子１及び９か
ら負荷１２へ外部接続１４を経て電力供給しうる配列で
ある。

第１図の場合、励磁巻線６から電機子巻線２、３、７、
８の中間端子４、５へ電気接続するに際し直列にコンデ
ンサー１１を接続する場合が示される。第２図は更にそ
の上に直列に整流器のブリツジ回路１３が接続される場
合が示される。このブリツジ回路１３はその中の二つが
制御素子付き整流器１５であり、他の二つがダイオード
整流器である。第２図の場合、励磁巻線６から電機子巻
線２、３、７、８へ供給する励磁電流は制御素子付き整
流器１５の制御素子回路を制御することにより制御しう
るから、自動的に電圧を調整することが出来る。電機子
巻線２、３、７、８の中を通る電流の方向は負荷電流の
場合、第２図の実線矢印で示されるのに対し、励磁電流
の方向は点線矢印で示される。点線矢印で示される方向
は不変であるが、実線矢印の方向はある瞬間であり、な
の瞬間にはこれと反対の方向となる。このようにして実
線矢印で造られる電流による磁極の極数は点線矢印で造
られる電流による磁極の極数との関係で２対１或いは１
対２となることは周知である。

第２図と第４図の相異はコンデンサー１１の接続だけで
ある。第４図ではコンデンサー１１の接続は励磁巻線６
に対し、整流器ブリツジ回路の交流入力端子と並列に接
続されるのに対し、第２図ではコンデンサー１１は整流
器ブリツジ回路１３の交流入力端子と直列に接続される
。第２図及び第４図では励磁巻線６から固定子電機子巻
線１０に與えられる励磁電流が直流であるため、それに
よる磁極は固定磁極となる。第３図では励磁巻線６から
電機子巻線１０の中間端子４、５に到る間に変成器１６
が接続される。変成器１６はその一次電圧巻線１７、電
流巻線１８、二次巻線１９より成り、されぞれ図のよう
に接続される。

本發明ではこのような固定子巻線に対し、回転子巻線を
多相交流巻線接続とすることを特長とする。多相巻線の
例では二相巻線でも良いが、具体的な電気接続図例とし
て三相巻線の場合により説明する。

第７図及び第８図は回転子の電気接続図例を示す。回転
子巻線２０と共に整流器２３も回転するように配列され
る。第７図において三相巻線はその端子Ｕ、Ｖ、Ｗの間
に二重星形に接続される。

たゞし、二つの中性点２４、２５に対してはＵ相巻線と
Ｖ相巻線はその端子Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２が相順に接
続されているが、Ｗ相巻線は逆相順にＷ■とＷ１と云う
ように接続される。例えば第５図のような固定子巻線に
対して第７図の回転子巻線を組み合わせたとする。第５
図の固定子巻線に示される実線、点線を合せて一つのコ
イルをそれぞれ造つているが、回転子の磁界が回転して
第５図の固定子巻線全体に矢印に示すような電圧を誘起
すると考える。励磁巻線６にも矢印方向の電圧を誘起す
るが、これは２極磁極に対応する。この励磁巻線６の電
力を第１図乃至第４図に示す中間端子４と５を経て電機
子巻線２、３、７、８に與えると、固定子には４極の励
磁極を形成する。それによつて回転子巻線には第５図の
固定子励磁極との間の電磁誘導により第７図の黒色矢印
で示すような電圧を誘起する。第７図のＵ、Ｖ、Ｗの三
相の中、Ｕ相の二つの巻線２１と２２に示す黒色矢印の
方向の起電力により流される電流で造られる磁極は４極
である。この二重星形三相端子Ｕ、Ｖ、Ｗをグレーツ回
路の整流器交流端子に接続する。グレーツ回路の整流器
２３の直流側端子を図のように回転子巻線２０の中性点
２４、２５と接続し、その直流電流は空白矢印で示され
る方向となる。このようにして造られる直流電流による
磁極は２極の極数となる。第７図の三相巻線に誘起され
る起電力Ｕ、Ｖ、Ｗの電圧を第９図に示し、横軸に時刻
、縦軸に電圧を示す時、第７図は第９図のａ時点におけ
る状態、第８図は第９図のｂ時点における状態を矢印で
示す。

第７図や第８図の回転子巻線の接続例を第１０図及び第
１１図に示す。回転子巻線に第７図の状態で起電力を誘
起した場合が第１０図である。従つて第１０図に示され
る矢印の方向に生じた起電力で電流を流した時、４極磁
昇を造る。この起電力により整流器２３を経て回転子巻
線に直流を流した場合の状態が第１１図に示される。第
１１図の矢印はその時の電流方向であるが、これによつ
て造られる磁極の極数は２極となる。

以上の説明は単層巻の場合の固定子巻線につきおこなつ
たけれども二層巻の固定子巻線についても同様成立つこ
とは当然である。第１０図や第１１図は二層巻の回転子
巻線であり、実線は上口コイル片、点線は下口コイル片
を示す。第１２図、第１３図、第１４図は二層巻の固定
子巻線例に関して画かれたものである。第１３図は負荷
へ電力供給する固定子電機子巻線が示され、第１４図に
示すように三相接続の中の二相巻線分をこれに使つてい
る。第１４図で２６、２７、２８、２９な３巻線分が第
６図に対し加わつていることが示される。第１３図は固
定子電機子巻線に 誘導される起電力の方向を矢印で示し たもので、２極機として動作している。第１３図の巻線
配列において、溝が空いている所へ第１２図のように励
磁巻線が配列されることを示す。つまり、第１図乃至第
６図における２、３、７、８の電機子巻線に対応して第
１４図では２、３、７、８、２６、２７、２８、２９の
巻線があり、第１図乃至第５図の励磁巻線６に対応して
第１２図の巻線がある。

以上の本発明の作用効果について述べる。

単相発電機は、電機子巻線軸方向にその振幅だけが変化
する交番磁界を形成する。この交番磁界φａは、その振
幅の最大値をφａｍとすると、φａｍ／２なる振幅をも
ち、互いに反対方向に同期角速度ω１で回転する２つの
磁界に分けて考えることができる。回転子と同一方向に
回転するものを正相分回転磁界、逆方向に回転するもの
を逆相分回転磁界と云う。正相分回転磁界φａｆはつね
に磁極と一定関係位置にあるので、三相同期機の場合の
電機子反作用と同じになる。問題なのは逆相分回転磁界
φａｂで、同期速度の２倍の速度で界磁巻線を切るので
、界磁巻線には２倍周波数の交流起電力を誘導する。従
つて、界磁巻線には直流に重畳して２ｆ［Ｈ２］の電流
が流れる。たゞし、ｆ［Ｈ２］は単相発電機の誘導起電
力の周波数である。一般に界磁巻線は単相巻線になつて
いるから、この２ｆの電流による起磁力は、界磁巻線軸
に対して互いに反対方向に２ω１で回転する回転磁界を
つくり、回転子はω１で回転しているため、結局固定子
に対し３ω１の回転磁界となり、電機子巻線に３ｆの高
調波起電力を誘導する。もし電機子に第３調波電流が流
れると、上記と同様の理由で、界磁巻線に４ｆ、電機子
に５ｆの電圧を誘導する。このようにして電機子には３
、５、７…の高調波電圧を誘導し、電圧波形をひずませ
る。

これに対し本発明では回転子巻線を第７図や第１０図の
ように平衡多相（三相や二相）の分布巻線として用い、
回転子巻線を界磁巻線及び励磁巻線としている。第７図
や第１０図で黒色矢印で示されているのは交流起電力又
は交流電流である。

直流励磁電流に重畳して２ｆの平衡三相電流が流れるが
、これによる起磁力は一方向の回転磁界しかつくらない
から、結局逆相分回転磁界と同方向に、回転子に対して
２ω１、電機子に対して２ω１−ω１＝ω１の同期速度
で回転する磁界だけとなり、電機子には基本波の起電力
を誘導するだけで高調波は発生しない。従つて端子電圧
は負荷のいかんにかゝわらず正弦波形を保つことが出来
る。

以上のようにして本発明では装置全体として簡単で而も
その電圧波形も正弦波に近いものが得られ、効率の高い
装置が得られる。電圧調整も簡単にすることが出来、結
局特性の良好な単相発電機をブラシレスとし、且つ励磁
機なし自励の装置として得ることが出来ることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の具体的な電気接続図中、特
に固定子巻線に関する接続を示したものである。第５図
はそのような本発明の具体的な電気接続図中の固定子電
機子巻線の例と固定子中に設けられた励磁巻線の配列例
を示したもので、第６図はその中の固定子電機子巻線の
接続を示した例である。第７図、第８図は本発明の回転
子巻線を中心に回転子の電気接続図例とその中を通るあ
る瞬間の電流の方向を示した図である。第９図は第７図
や第８図に対応して画かれたＵ、Ｖ、Ｗ相巻線に誘起さ
れる起電力の変化を示した図例である。第１０図と第１
１図は第７図及び第８図における回転子巻線における巻
線配列と、その中を流れる交流起電力の電圧又はそれに
より発生する電流の方向及び直流電流の方向を示す図例
である。 第１２図、第１３図及び第１４図は本発明の具体的電気
接続図例中、二層巻とした固定子巻線例に関する図例で
あり、第１２図は励磁巻線の例であり、第１３図は負荷
へ電力供給する電機子巻線の配列例である。更に第１４
図は第１３図に対応した具体的な電機子巻線接続図例で
ある。 次に図の主要な部分をあらわす符号には次のようなもの
がある。 １：電機子巻線の外側端子、２、３、７、８：電機子巻
線の巻線接続、４、５：電機子巻線の中間端子、６：励
磁巻線、　９：電機子巻線の外側端子、　１０：固定子
電機子巻線　１１：コンデンサー、　１２：負荷　、　
１３：整流器のブリツジ回路、　１４：外部接続電線、
　１５：制御素子付き整流器、　１６：変成器、　１７
：変成器一次電圧巻線、　１８：変成器電流巻線、１９
：変成器二次巻線、　２０：回転子巻線、２１、２２：
回転子巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相中のＵ相巻線、　２３：
整流器グレーツ回路、２４、２５：中性点、　２６、２
７、２８、２９：電機子巻線の巻線接続。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固定子電機子巻線の構成を外部接続電線と接続する端子
   １から並列に巻線２と３を接続する配列とし、上記固定
   子内に上記電機子巻線とは別の独立した巻線６を設け、
   巻線６を上記接続巻線２及び３とは別系統の巻線とし、
   上記接続巻線２と３における端子１と反対側の端子４と
   ５に対し、上記巻線６より電力を與え、巻線２と３に負
   荷電流以外に別の励磁電流を流すように配列した固定子
   に対し、回転子巻線を多相巻線接続配列としてなる単相
   回転電気機械