JPS61502231A - 電気回転機械 - 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】 発明の名称 電気回転機械 従来技術 米国特許第ａ４６７；８４４号、３２３９．７０１号及び４９５へ６２９号には 基本的な同期機として、スリップリングやブラシを使用せずに電動機の回転子に 直流電力を供給できるがひとつの速度でしか同期運転できないものが示されてい る。

従来の特許にも第２の回転子／固定子構造を有するものがあるが、その回転子に は通常多相交流ではなくそれを整流して得た直流を与えている。米国特許第３． ３８３５３２号は電動機とは別個の軸をもつ発電機を使用する。米国特許第３． ３８３５３２号は水銀等の液体金属の遠心運動を利用して電気機械の運転特性を 変えている。

発明の目的 本発明の目的は、電動機動作と発電機動作問の切換のため特別の機械的あるいは 電気機械的な変更を何ら必要とすることなく、電動機としても、また発電機とし ても簡単に使用することのできる回転機を提供することである。

本発明の目的は電子制御回路あるいはソフトウェアプログラムを若干変更するだ けで電動機動作と発電機動作との切換ができる回転機を提供することである。

さらに本発明の目的はり、Ｃから４００　Ｒ２といった通常の電力系の周波数で 動作でき、かつ任意の一般の電力系周波数を発生する発電機としても動作できる 同期機を提供することである。

さらに本発明の目的は回転速度や力率を簡単に可変制御できる電動機として動作 する回転機を提供することである。

さらに本発明の目的は力率が１すなわち電流と電圧が同相となり、電動機効率の 上で重要なファクターである力率１をもつ回転機を提供することである。

さらに本発明の目的は電動機運転の際、その角度変位量を制御可能な回転機を提 供することでちる。

さらに本発明の目的はブラシやスリップリングを必要とせず、電気自動車や船、 電磁式トランスミッション、風車等に特に適した回転機を提供することである。

さらに本発明の目的は全速度範囲にわたシ同期運転可能な回転機を提供すること である。

発明の背景 本発明は電気回転機械すなわち回転機に関し、詳細には、電動機あるいは発電機 の形式で、そのパラメータ制御のために電子制御装置やマイクロプロセッサとと もに使用するのに特に適した回転機に関する。本発明によればこのパラメータ制 御の結果、高効率で最適の電動機や発電機動作が得られる。本発明の好適実施例 は同期機のコンセプトに基づいて構成されている。

同期機は、同期速度と呼ばれる特定の角速度で有効に働く。

同期機は固定子巻線と回転子巻線をもっている。一般に、固定子に供給される電 源の各相ごとにひとつの固定子巻線がある。

同様に、各相ごとにひとつの回転子巻線がある。

具体例として、平衡２相、すなわち各相の駆動電圧や電流が相等しく、電圧や電 流の相間の位相差が時間的に等間隔である平衡２相の回転機について考察する。

ここでは２相機について検討するが、本発明の原理は単相や他の平衡多相機にも 適用できる。

第１図に示す平衡２相機の場合、次の関係が成り立つ。

ＦａＢ、Ｌ、Ｉ、、＋ＭＩａｒＣＯ８Ｑ−ＭＩｂｒＳＩＮ　Ｑ　（式１）Ｆｂｓ ””ｓより８＋ＭＩａｒＳＩＮ　Ｑ＋ＭＩｂｒＣＯ３Ｑ　（式２）Ｆａｒ”Ｌｒ 工ａｒ＋ＭＩａ、ＣＯ３Ｑ＋Ｍより、ＳＩＮ　Ｑ　Ｃ式３）’ｂｒ””ｒよりｒ −Ｍ工ａ８Ｓ工ＮＱ＋ＭＩｂＢＣＯ８Ｑ（式４）Ｔｅ−Ｍ（（Ｉａｒよりｓ−よ りｒ工ａｅ）ＣＯ８Ｑ−（工、ｒ工ａ８＋工、１よりｅ）Ｓ”　Ｑ）　（式５） ただし、 ＬＰＬｅ　ｂｓ−各固定子巻線のインダクタンス”ａｒ、ｂｒ−各回転子巻線の インダクタンス開−固定子と回転子の巻線間の相互インダクタンスＦａｓ、ａｒ 、ｂｅ、ｂｒ−巻線の磁束さらに、 Ｑ−ωｎ”Ｑｘ　（式６） ω。−回転子の機械角速度 Ｑｌ　−固定子に対する回転子の角変位上一時間 Ｔ、−）、ルク 第１図に示すように、２つの固定子巻線Ｓｌと８２．２つの回転子巻線Ｒ１とＲ ２がある。い°ま、固定子と回転子の巻線は９０度の位相差がある平衡２相電流 源により励磁されるとする。

この場合、次の式が成立する。

工ａ８−よりＣＯ８（Ｊ）８ｔ　。

よりｓ”工５ＳＩＮωｓｔｔ 工ａｒ！工ｒＣＯ８ωｒｔ。

よりｒ”工ｒ”工Ｎ（ｃ４ｔ。

ただし、 ω１−回転子に印加される電気角周波数ωＳ−固定子に印加される電気角周波数 上記の式を使って前述の式１〜５を解くと次の式が得られる。

Ｆ’ａＢ、Ｌａ５ＩＢＣＯ３ω。ｔ＋ＭＩ、ＣＣＸ３（（ＱＪ、−に４）ｔ＋Ｑ １））　、　（式７）ＰｂｌｌＩ＝Ｌｂ８工。Ｓゴ鴫ｔ＋ＭＩ、Ｓゴ〔ゆ−専） を殉１））、　（式８）Ｆａｒ−”ａｒ工ｒＣＤＳω、ｔ＋ＭＩ、０ＤＳ（（（ ｄ、−％）ｔ＋Ｑｔ））、　（式９）Ｆｂｒ−”ｂｒ工ｒＳ工Ｎωｒｔ＋Ｍ工、 ＳＩＮ〔（ω−Ａ）ｔ＋Ｑ１））、　（式１０）Ｔ、−ＭＩｒ工、５ＩＮ（（？ （ｄ−専）ｔ＋Ｑρ〕（式ｘ　ｒ　）式１１かられかるように、平均トルクが発 生するのは（ω。−ω８＋ωｒ）−０（式１２） ％式％ Ｔｏ、ＭＩ、工ｓＳ工Ｎ　Ｑｌ　（式１２ａ）となる。

したがって、式１２の関係が成立し、かつｑニー９０°のとき、トルクは最大値 （−ＭＩ、工。）になる。式１２が成立するときには、固定子電圧（電圧−ａＦ ／ａｔ）　は次の式で表わされる。

ｖａＥｌ＝ω、ＬＢＩ。ＳＩＮω８ｔ−１−ＱＪ８Ｍ工ｒＳ工Ｎ（ω８ｔ＋Ｑ、 ）　、　（式１３）Ｖｂ８−［、（ωｓＬ８工ｇＣｏ強、ｔ−）（ｔ）、Ｍ恥５ ＩＮ（ωｓｔ＋Ｑｉ）Ｊ　（式１４）同様に、回転子電圧は次式で表わされる。

Ｖ　＝ＧＪ　Ｌ　Ｉ　５ＩＮＱ）　ｔ＋０７　ＭＩ、５ＵＮ（％ｔ＋Ｑｔ）　（ 式ｌ　５　）ａｒｒｒｒ　ｒｒ ｖｂｒ−−（（ωｒＬｒＩｒＣＯ８（Ｏｒｔ＋（ｌＪｒＭ工。Ｃ０８（叫ｔ＋Ｑ □）〕（式１６）上述の式、特に式１２かられかるように、固定子巻線に直流電 流を供給してωｒ−０とし、固定子巻線に交流電流を供給したとき同期機は高効 率の電動機あるいは発電機として働く。この場合式１２から次式が得られる。

ω。＝ω８ この式の意味は、回転子の機械角速度は回転子に印加される電気角周波数に等し いということであシ、定周波数の平衡多相電流を固定子巻線に供給し、かつ軸の 回転速度を変化させようとするときは、平衡多相電流を可変周波数にしなければ 式１２が成立しなくなってし１う。

定周波（米国では６ｏｕｚ）の平衡多相正弦波の電源を有する通常の電力系の下 では５平衡多相電源を可変周波数電源とし、これによシ回転子を可変の速度で駆 動するという方式はエネルギーを消費し、経済的に成シ立たない。このような理 由から産業上用いられる同期電動機は始動トルクをもっておらず、外力で同期速 度まで加速し、そこで式１２が成り立ちトルクが発生するようになっている。

機械の回転速度がゼロ（ω。−〇）のとき、同期機は見かけ上、変圧器となる（ ω、＝ωｆ］）。しかし、トルクの式は成立し、固定子巻線と回転子巻線間にト ルクが発生する。

第１図に例示するような同期機において、定周波の電源を固定子に印加し、軸の 回転速度をＯｒｐｍから同期速度まで変える場合、回転子電流の周波数もこれに 応じてＣ６から０Ｈ２（Ｄ、Ｃ）まで変えれば式１２が満足される。この場合、 軸を回転させるトルクは相互インダクタンスと多相電流の大きさに依存する。

固定子に対する回転子の角度変位でちるパラメータＱ１を−Ｑ１に切り換えると 、トルク〔−４工、工。５ＩＮ（−Ｑｔ））は正となり、同期機は電動機ではな く発電機として働く。パラメータＱ１の変化に従い、電流（工ａｓ、ｂｓ、ａｒ 、ｂｒ）は対応する電圧（ｖａｓ、ｂｓ、ａｒ、ｂｒ）と同相になったり、進相 になったシ、遅れた相になったシする。したがって、同期機の交流の力率を１に 調整することができる。多相電源の平衡を維持しつつ電流や電圧の大きさが変化 すれば、トルクと力率も変化する。

本発明による回転機では２つの同期機を使用し、両者を同じ軸に取り付けること によシ同じ角速度で回転させる。一方の同期機は電気回転が満足されるよう第２ の同期機の回転子を適正な周波数で励起するものであり、したがって回転子励磁 機（ＲＥＧ）　と呼ぶことにする。第２の同期機は実際に正または負の機械動力 を出力するものであるから出力電動機／発電機（ＰＧＭ）　と呼ぶことにする。

本発明の原理をわかりやすく説明するため、２つの同期機ｌＯと２０を示す第２ 図を参照されたい。同期機１０が上述した回転子励磁機（ＲＥＧ）であり、同期 機２０が上述の出力電動機／発電機（ＰＧＭ）である。回転子励磁機と出力電動 機／発電機に同一の周波数（ωＢ）を印加する場合、軸の回転なしのときには式 １２に示す関係はＲＥＧＩＯとＲＧＭ２０の双方について戊シ立つ。機械的な回 転子の角速度を上昇させるにつれ、回転子励磁機は次の周波数を出力する。

ω５ＲＥＧ−（υｎＲＥＧ”ｌ’すｒＲＪＧこの周波数はＲＥＧの回転子巻線よ Ｊ）ＰＧＭの回転子巻線に供給され、次の関係を成立させる。

（ωｓＰＧＭ”ｎＲＥＧ”ｒＲＧＭ”ｒＲＥＧ）ωｎＰＧＭ”ｎＲＥＧ　ｒωｓ ＰＧＭ＝ωｓＲＦ：Ｇ（出力電動機／発電機に対して） 出力電動機／発電機（ＰＧＭ）はあたかも同期運転における速度で回転するわけ である。（ωｎ）が（ωＢ）に近づくにつれ、（ωｒ）はゼロに近づき、ゼロで は、回転子励磁機は出力電動機／発電機に直流を供給する。

電圧の振幅はすべての交流電力系用途において一定である。

したがって、回転子励磁機と出力電動機／発電機の両回転子のインダクタンスと 相互インダクタンスは等しくなる。というのは、上述の式を成立させるため平衡 の多相電流が用いられるから。この結果、 ＴθＢＧＭ”−ＴθＲ兄Ｇ となり、外部へ対する有効な機械トルクは発生しない。

原理上、この構成は電力変圧器として作用する。

電流の振幅や電圧の振幅が平衡する場合、式１２Ａに従い、ＲＫＧの相互インダ クタンスのみを減少させ、ＲＥ（ｓ　トルクを小さくすることができる。

有効々機械トルクを発生させるため、本発明では、一般の電源周波数よシはるか に高い周波数を有する変調高周波電源を用いる。この信号を回転子励磁機固定子 に供給する。変調としては、Ｃルス幅変調が好ましいが、振幅変調、周波数変調 、その他の変調方式でもよく、現在の電子技術を用いて一般の電源から生改する ことができる。

標準の交流電力線の周波数に比べ高い周波数を使用することによシ、回転子励磁 機の回転子や固定子の巻線はその分小さくできる（インダクタンス（Ｉ−）や相 互インダクタンス（財）もその分小さくなる）とともに、出力電動機／発電機に 供給される電圧や電流の大きさには影響がでない（電磁誘導は周波数に比例する から）。

ＲＥＧの固定子へ供給する電源を変調し、固有の性質（電動機の電気機械的特性 に基づく固有のフィルター機能）によシ、あるいは電子方式（−塊の電子復調装 置）により　ＲＥＧの出力を復調することによシ、ＲＥＧ回転子の出力はＰＧＭ 　電源の周波数と等価な正弦波として作用する。また、ＲＥＧの巻線は小さいか ら、そのインダクタンスや相互インダクタンスも、出力電動機／発電機のよシ小 さくなシ、ＲＥＧの負トルクは出力電動機／発電機の正トルクよりその分小さく なり、システム全体のトルクは出力電動機／発電機によっておおむね決まる。

’Ｉ’、ＴＴ　ＴＴ ｔｏｔａｌ　ＰＧＭ−Ｒ１！ｔＧｊ　ＰＧＭ　Ｒ１１：Ｇ回転子励磁機に供給す る高周波電源の変調の位相を変えることによりパラメータＱｌ　（回転子と固定 子間の角度変位）を変えることができる。パラメータＱｌを変えることで、トル クや電流の大きさ、力率その他が変えられる。変調の周波数を変えることにより 、同期運転に必要な交流電力の周波数が変えられる。

変調周波数や電力の大きさはパルス幅を変えることで変わシ、変調サイクルの位 相はノくルスの位置をずらすことによシ制御できるから、パルス幅変調が変調方 式として好ましい。本発明の目的のだめ、変調周波数を生成することは、今日の 高電力半導体やマイクロプロセッサを用いることにより容易に実現できる。

これにつき、第３図を参照する。

第３図は２相装置を示している。もちろん、本発明の原理は多相装置にも同様に 適用できる。

第３図に示す２相系において、第１の相は入力端子ｌに入力され、第２の相は入 力端子２に入力される。この第１の相は変調・高周波電子回路３に供給され、こ の回路３（（よシ回転子励磁機（ＲＥＧ）の固定子巻線６が駆動される。固定子 巻線６は固定子軸８（軸Ａ）と関連している。さらに、端子Ｊの位相１信号は固 定子軸８（軸Ａ）を有する出力電動機／発電機の固定子巻線１７も駆動する。

２相電源の第２相は変調・高周波電子回路４に供給され、この回路４により、固 定子軸９（軸Ｂ）を有する回転子励磁機の固定子巻線７を駆動する。さらに端子 ２の第２相は固定子軸９（軸Ｂ）を有する出力電動機／発電機の固定子巻線１６ に供給される。電子回路３と４に供給される相は必ずしも出力のだめにのみ用い られるのではなく電子制御回路に対する位相表示信号として用いられる。この場 合、巻線６と７の駆動回路には、多相電源より得た直流電力が供給される。第３ 図にはマイクロプロセッサ５も示されており、これは、電子回路３と４を制御す るために関連ソフトウェア／ファームウェア（プログラム）と周辺装置を有する 。ＲＥＧの固定子巻線６と７は軸１９（軸Ａ）のＲＥＧ回転子巻線１１と軸２０ （軸Ｂ）のＲＥＧ　回転子巻線１０に電力を誘導する。誘導電力の各相は、電動 機の固有の電磁特性に従い直接ＲＯＭ回転子巻線工４と１５を、あるいは第３図 に示すように復調回路を介してＲＯＭ回転子巻線１４と１５を駆動する。この電 力は軸ＡのＲＯＭ回転子巻線Ｉ４と軸ＢのＰＧＭ回転子巻線に供給される。ＰＧ Ｍ　とＲＥＧ　の回転子巻線及び関連装置は軸１８を共有し、したがって、同じ 速度で回転する。ＲＥＧ巻線はＰＧＭ巻線よシ寸法が小さい。

以上かられかるように１本発明の回転機は直流で運転可能である。７一リエ級数 によれば、同期性の矩形波は奇数高調波成分を有する正弦波の組に変換できる。

電磁方程式は線形性を有するから、回転励磁機の固定子を駆動する平衡多相矩形 波によシ、出力電動機／発電機の回転子には同期回転動作に適した周波数成分が 供給される。周期性矩形２（チョップ）　ＤＣ）　は直流電源あるいは整流電源 から容易に生成することができる。したがって本回転機は直流電源によシ運転が 可能である。

まとめると、任意の軸回転速度（ωｎ）を得るため、回転励磁機は出力電動機／ 発電機の回転子に対し、（ωｓＲＫ。−ωｎ）に等しい周波数を与える。そして 回転励磁機の固定子に供給する変調周波数（ω８や。）が出力電動機／発電機の 固定子に供給する交流の周波数（ωｓＰＧＭ）に等しいときに、任意の軸回転速 度での同期動作が達成される。

回転子励磁機に変調による高周波電源を供給することによシ、本発明による回転 機のトルクは主として出力電動機／発電機に依存する。同様に、回転機の物理的 な大きさは主として出力電動機／発電機側の条件によって定まる。

本発明によれば回転機に与える種々の変調によシ、軸回転速度、軸トルク、角変 位、力率等を制御できる。この変調は、変調の位相、周波数あるいは振幅を制御 することで行なわれる。

同様に、変調の位相、周波数、振幅の／ξミラメータよシ、電動機モードと発電 機モードとのモード切換、電動機あるいは発電機モードでの電力、電動機あるい は発電機の運転周波数を制御できる。さらに、発電機動作では、その交流出力を 電力系統に同期させることが簡単にできる。

回転子励磁機に供給する高周波変調信号の生成や制御、電動機あるいは発電機パ ラメータの監視については、電力半導体及びマイクロプロセッサによシ容易に達 成できる。

ある馬力定格を得るのに、その電力の半分が回転励磁機を通って出力電動機／発 電機の回転子に供給され、残りの電力が出力電動機／発電機の固定子に供給され る。したがって、通常の交流誘導電動機や同期電動機を制御する通常の電動機制 御装置に比べ、半導体の電力定格は半分で足シる。

さらに本発明の利点として、第３図に示すように、ＲＥＧ巻線の電気的、物理的 サイズはＰＧＭ巻線よシ、小さくなる。ＲＥＧ巻線のサイズが小さく、これに高 周波電源が供給され、ＲＥＧのトルクはＰＧＭのトルクより小さい。ＲＥＧに供 給される高周波パルスは半導体の消費電力を減少させ、その効率が上がる。

高速の半導体スイッチを用いることによシ、ＲＥＧの供給電流と電圧を正確に制 御できる。さらに、ＲＥＧはＰＧＭに比べ非常にコンパクトである。

ＦＩＧ、１ 固定’５＝（ａＪ軸　回転＋（ａ呻由 Ｆ／Ｇ、２ 一幀一−−Ａ−−−−Ｔ＠ｂ　ｐＣ？／口５８４１００７１１町

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくともひとつの固定子巻線と関連回転子巻線を有する第１の同期回転手 段と、 少なくともひとつの固定子巻線と関連回転子巻線を有する第２の同期回転手段と 、 前記第１と第２の同期回転手段は同一の角速度での回転を与える共通の軸を有す ることと、 第２の同期回転手段の回転子巻線が第１の同期回転手段により励磁されるよう、 第１の同期回転手段の回転子巻線を第２の同期回転手段の回転子巻線に結合する 手段と、第１の同期回転手段の固定子巻線に第１周波数信号を結合する手段と、 第２の同期回転手段の固定子巻線に第２周波数信号を結合する手段と、 を有し、任意の軸回転速度で同期運転される電気回転機械。
2. ２．請求の範囲第１項記載の電気回転機械において、前記の各同期回転手段は、 ２相運転のため、２つの固定子巻線及び関連回転子巻線を有すること。
3. ３．請求の範囲第２項記載の電気回転機械において、前記第１周波数結合手段は 変調手段を有すること。
4. ４．請求の範囲第２項記載の電気回転機械において、前記第１周波数は前記第２ 周波数より実質上高くて、電気回転機械のトルクが主として第２の同期回転手段 により定まること。
5. ５．請求の範囲第４項記載の電気回転機械において、前記第１周波数結合手段は 変調手段を有すること。
6. ６．請求の範囲第５項記載の電気回転機械において、前記変調は位相変調、振幅 変調、パルス幅変調、周波数変調のいずれかであること。
7. ７．請求の範囲第６項記載の電気回転機械において、第１の同期回転手段の回転 子巻線を第２の同期回転手段の回転子巻線に結合する前記手段は復調手段を有す ること。
8. ８．請求の範囲第１項記載の電気回転機械において、第１の同期回転手段の回転 子巻線を第２の同期回転手段の回転子巻線に結合する前記手段は復調・制御手段 を有すること。
9. ９．請求の範囲第１項記載の電気回転機械において、前記同期回転手段は、一相 当り少なくともひとつの巻線を有する多相運転条件を満たすため、適正数の固定 子巻線及び関連回転子巻線を有すること。
10. １０．請求の範囲第９項記載の電気回転機械において、前記同期回転手段の一方 は他方の同期回転手段より物理的かつ電気的に小さな巻線を有すること。
11. １１．請求の範囲第８項記載の電気回転機械において、第１の同期回転手段の回 転子巻線を第２の同期回転手段の回転子巻線に結合する前記手段は物理電動機の 電磁復調手段のみを有すること。