JPS6173558A - 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するもので、その中で
も特に同期機構造に関する。こゝに同期機構造とは単に
同期発電機や同期電動機の構造のみならず、その本体を
同期機と同じ構造とする所謂サイリストモーターにも及
ぶ。更に単相機、多相機の別なく、本発明は適用されう
るけれども、こゝでは説明を判りやすくするため、こゝ
では三相の同期発電機を対象にして説明する。

最近ブラシなし同期機構造で励磁機を省略する構想が出
現した。本発明者自身の発明になる特許第８０１９９１
号や第８０１９９２号などはその例であるが、その欠点
を改善して特許出願公開第昭５９−１１０３５６を提供
した。この本発明者自身になる特許出願公開昭５９−１
１０３５６号では電機子巻線と変成器を接続し、電機子
巻線の外部接続端子と変成器の一次巻線とを電気接続す
ると共に電機子巻線の中間接続端子と変成器の二次巻線
との間を整流器を経て電気接続し、電機子巻線へ直流励
磁電流を供給するように配列したものである。

このようにして電機子巻線中に負荷電流と励磁電流と云
う二種類の電流を流し、回転電気機械の本体を励磁機と
しても兼用しうるようにしたが、この種回転電気機械で
重要なことは励磁電流を出来る限り小さくして、変成器
の容量や励磁に関する装置を節約し、且つ回転電気機械
の電機子巻線の寸法も小さくし、装置を簡略安価とし、
且つ効率を向上せしめることが重要である。

本発明の目的はブラシなし励磁機なしの同期機構造をし
た回転電気機械を上記のように電機子巻線中に二種類の
電流を流すことにより造り出すに際し、その電機子巻線
中を負荷電流と共に流す励磁電流を極力節約することに
よつて装置全体を安価簡略化せしめ、且つ効率を向上せ
しめることにある。

このような目的を達成せしめるため、本発明ではその具
体的な電気接続図例である第１図に示すように、電機子
巻線１に外部接続電線２と接続する外部接続端子３、４
、５と電機子巻線１相互間を接続した中間端子Ｐ１、Ｐ
２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６と云う二種類の端子を設け
、一方変成器６の巻線を一次側の電圧巻線７と電流巻線
８及び二次側巻線９と云う三種類の巻線から成るものと
し、上記電機子巻線１の外部接続端子３、４、５と変成
器６の一次電圧巻線７の間にリアクチブ素子としてのコ
ンデンサー１０を挿入して両者を接続し、上記電流巻線
８と電圧巻線７との配列が変成器６中において、リアク
チブ素子としてのリアクトルを挿入する第２図の場合と
逆の方向、つまり上記電流巻線８の中を流れる励磁電流
により造られる磁束のベクトル方向より電圧巻線７の中
を流れる励磁電流により造られる磁束のベクトル方向を
遅らせて、磁束のベクトル結合をさせるような配列とな
るようにし且つ上記変成器６の二次巻線９と上記電機子
巻線１の中間端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６
との間に整流器１１、１２、１３を接続して、上記変成
器６の二次巻線９より電機子巻線１へ直流を供給するよ
うに配列するのである。

変成器６の二次巻線９の出力回路ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、
ｆは整流器１１、１２、１３の交流側端子、ａ、ｂ、ｃ
、ｄ、ｅ、ｆに接続され、整流器の出力端子ｐ１、ｐ２
、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６は電機子巻線１の中間端子ｐ
１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６にそれぞれ電気接続
される。ある瞬間に電機子巻線１の中の一相分の二重星
形の一つの巻線中には二種類の電流が流れる。一つは端
子３から中性点１４の方へ流れる負荷電流で図中実線矢
印で示されるもの、又他の一つは端子ｐ１から端子ｐ２
へ向けて流れ、点線矢印で示される励磁電流である。第
１図と対応して第２図があり、第１図のコンデンサー１
０に対応して第２図ではリアクトル１５が接続されてい
る。第１図第２図とも電機子巻線１の外部接続端子３、
４及び５から負荷１６へ接続される回路中に直列に変成
器６の電流巻線８が接続される。

この電流巻線８と電圧巻線７との相互関係が第１図の場
合と第２図の場合では１８０度の相差がある。この両者
の関係については後に述べる。

第３図は固定子電機子巻線の一相分の一例を示したもの
で、第１図の巻線の外部接続端子３から中性点１４に到
る巻線に対応する。端子３より鄰接する電機子巻線の一
相当りの接続を二重並列接続とし、その一方の端子３よ
り他の端子１４に到る間の並列巻線接続の二つの回路の
中の一方によつて造られるコイル接続ＡとＢにより固定
子の内面の別々の個所に二つの磁極を造るようにし、上
記二つの回路の中の他方によつて造られるコイル接続Ｃ
とＤにより互いに固定子内面に二つの磁極を造らしめ、
且つ上記ＡとＤによつて互いに同じ磁極を造るよう、Ａ
とＤのコイルを鄰接せしめ、且つＢとＣによつても互い
に同じ磁極を造るようＢとＣのコイルを鄰接せしめ、且
つ上記コイルＡとＢの間を接続する点に接続端子ｐ２な
る接続端子、又上記コイルＣとＤの間を接続する点にｐ
１なる接続端子を造り、これらの端子ｐ１−ｐ２に第１
図の整流器１１の直流側端子が接続するように配列され
る。第３図で実線矢印はある瞬間の負荷電流の方向を示
し、点線矢印は整流器１１を経て変成器６の二次巻線９
から電機子巻線に端子ｐ１−ｐ２を通して流される電流
の方向を示す。これによつて第３図（ａ）では負荷電流
により４極磁極が造られ、励磁電流により２極磁極が造
られることが判る。

同様にして第３図（ｂ）の場合、負荷電流により２極磁
極が造られ、励磁電流により４極磁極が造られることが
判る。

整流器１１、１２、１３の接続を電機子巻線１との間で
、端子ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６を通してお
こなう場合、その正負方向はその中の一つを他の二つの
方向に対して逆となるように接続する。

このように整流器１１、１２、１３の直流側端子と電機
子巻線１の接続を、その相順接続の結果、整流器１１、
１２、１３から電機子巻線１に供給する直流励磁電流に
よつて各相に造られる磁界を合成して合成磁界が造られ
るように配列する。これらの接続説明は昭和５９年特許
出願公開等１１０３５６号に準ずる。

第１図のような場合、変成器６の電流巻線８によつて複
巻特性が興えられるので、負荷の変動による端子電圧の
変動をある程度補償することができる。しかし負荷の電
流の力率によつて電機子反作用が異なるので、力率およ
び電流の変化にかゝわらず発電機の端子電圧を常に一定
に保つには、自動電圧調整巻を用いて励磁電流を調整す
る必要がある。自動電圧調整器は交流の電機子巻線１の
外部接続端子３、４、５の間の電圧を検出して、設定電
圧との間の電圧の上下によつて励磁電流を制御すれば良
く、そのような励磁電流の制御のため、整流器１１、１
２、１３を制御素子付き整流器とし、その制御素子を制
御することも考えられる。

第１図は固定子の部分が示され、回転子の部分について
は後に述べる。この第１図に代えて第４図の接続とする
ことも可能である。第４図では電機子巻線１の巻線相互
間を接続した中間端子としては中性点１７と１８が中間
端子となる。第４図で二組の星形接続がある。交流巻線
として一組の三相巻線２０、２３、２４で第一の星形接
続が造られ、他の一組の三相巻線２１、２２、２５で第
二の星形接続となるべき配列において、第一及び第二の
三相星形接続巻線を形成するべきそれぞれの三相２０−
２３−２４と２１−２２−２５の中の一相２４と２５と
上記二組のそれぞれの星形の中性点１７と１８との間の
接続を互いに逆接続するように配列する。換言すれば巻
線２４は中性点１７と接続すべきところを中性点１８と
接続し、巻線２５は中性点１８とすべきところを中性点
１７と接続するのである。このようにして負荷電流は実
線矢印で示されるように、又励磁電流は点線矢印で示さ
れるように流される。変成器６の二次巻線９と接続され
た整流器１９の直流側端子を中性点１７、１８に接続す
る。

第１図の固定子電機子巻線１の中を流れる負荷電流が実
線矢印で示され、端子ｐ１〜ｐ６から入る励磁電流が点
線矢印で示されるが、この実線と点線の矢印の電流で造
られる磁極数は互いに２対１の関係にあり、これら磁極
数と回転子巻線中を流れる電流の関係を次のようにする
。第５図は回転子巻線と回転子上の整流巻２６が示され
る。電機子巻線１の中の点線矢印で示される電流で造ら
れる磁極の極数が等３図（ａ）の例では２極であるが、
この磁極数と同じ２極に巻かれた励磁巻線２７に電圧が
発生する。第５図で三相星形に巻かれた励磁巻線２７に
発生した起電力により整流器２６を経て界磁巻線２８に
直流電流を流す。それによつて４極界磁が回転子に造ら
れるが、これは第１図の電機子巻線１中を実線矢印で示
す起電力を発生し、電流を流すが、それは第３図（ａ）
の例では４極磁界を造り、４極間で対応することになる
のである。このように固定子電機子巻線と回転子巻線と
の間の作用はそれぞれ流れる電流或いは発生する起電力
の関する磁極数の等しいもの相互間に作用し合うことが
基本的に考えられ、磁極数が互いに異なるもの相互間で
は作用し合わないと云う考えにもとづく。

第６図と第７図には回転子巻線の他の例が示される。詳
細は昭和５８年特許願第１５７４５５号に示されるが、
第６図は回転子構造図例である。

回転子に２０個の溝におさめられたような導体があり、
それが第７図のように配列されているものとする。この
場合、巻線回路が４回路２９、３０、３１、３２に分け
られ、その４回路のすべてに図のように整流器３３、３
４、３５、３６がそれぞれ接続されている。この場合に
は第１図に流される点線矢印の励磁電流により第３図（
ｂ）に示すように４極磁極が造られると、それに対応し
て回転子巻線には４極としての起電力を発生するが、整
流器３３〜３６の作用により常に第７図の実線矢印の方
向の電流が流れる。これは巻線の抵抗がそのインダクタ
ンスの値とくらべて非常に小さいから、巻線２９〜３２
には常にこのような実線矢印の電流が流れ、全体として
結局２極の界磁極を造ることになる。このようにして回
転子は２極界磁となり、これが回転して第１図の電機子
巻線１には実線矢印の方向に２極機として起電力を発生
し、電流を負荷に流す。

第８図は第７図と同様、回転子巻線を励磁巻線としても
界磁巻線としても使う兼用方式を示したものであるが、
第７図は単層巻きであるのに対し第８図は二層巻きの例
である。巻線の配列は昭和５８年特許願等１３０６０４
号に述べられているが、巻線３７は三相の二重星形接続
のように配列される。然し、第４図に示された電機子巻
線１における中性点接続と同様、次のような巻線接続と
する。すなわち、三相巻線３８、４１、４３により一組
の星形接続となされるべき巻線組合わせであり、他の三
相巻線３９、４０、４２が他の一組の星形接続とされる
巻線組合せであるが、この中の巻線４３と４２を互いに
逆の中性点４６と４５に接続される。このように接続さ
れた三相巻線の外部接続端子４７、４８、４９を整流器
４４の交流側端子に接続し、整流器４４の直流側端子を
中性点４５、４６に接続する。今もし第１図の電機子巻
線１に点線矢印の方向に励磁電流が流され、それが４極
の磁極を造るとすれば、それに対応して回転子では第８
図の点線矢印に示す方向に起電力を発生し、それが４極
巻線として働らく。それにより整流器４４を通して回転
子巻線３７には実線矢印で示すような電流を流す。それ
によつて２極界磁が造られ、それが回転して電機子巻線
１には第１図の実線矢印で示すような起電力を発生し電
流を流すことになるが、それは２極機として作用するこ
とになるのである。

以上の装置で用いられる三巻線変成器を中心にその動作
をベクトルダイアグラムで説明すると、次のようになる
。第９図は三巻線変成器６の電圧巻線７、電流巻線８、
二次巻線９に接続される素子を示す。第９図（ａ）と（
ｂ）は電圧巻線７と電機子巻線電源５０との間に片アク
トル１５を接続した場合を示し、重ね合わせの理論で二
つに分けて考える。すなわち第９図（ａ）では電圧巻線
７のみ接続し、電流巻線８を開放した回路であり、第９
図（ｂ）では電流巻線８のみ接続し、電圧巻線７は開放
している。電流巻線８は電機子巻線電源５０との間で負
荷１６を経て電気接続される。等９図（ｃ）と（ｄ）は
電圧巻線７と電機子巻線電源５０との間にコンデンサー
１０を接続した場合を示し、これも重ね合わせの理論で
二つに分けて考える。第９図（ａ）の場合と同様、第９
図（ｃ）では電圧巻線７のみ接続し、電流巻線８を開放
した回路であり、第９図（ｄ）では（ｂ）の場合と同様
、電流巻線８のみ接続し、電圧巻線７は開放している。

電機子端子電圧Ｅｇを何れの場合も等しくして考え、判
りやすくする。第９図（ａ）でＥｇを変成器電圧巻線７
と片アクトル１５の直列回路に加えた時、電流巻線８を
開放しておれば、その時電圧巻線にＩ２なる電流が流れ
、変成器６の磁気回路にФοなる磁束が通る。リアクト
ル１５の電圧降下Ｅｒとなり、変成器電圧巻線７にはＶ
２２なる電圧が印加される。その時、電圧巻線、電流巻
線及び二次巻線にはＥ２２、Ｅ１２、Ｅ３２なる起電力
が誘起され、二次回路電流Ｉ３２が流れる。その時のベ
クトル図が第１０図（ａ）に示される。次に第９図（ｂ
）では負荷１６を経て電流巻線８に電源電圧Ｅｇが加え
られた時に電流Ｉ１が流れ、変成器６にはФυなる磁束
が通ることになる。負荷１６にＥｌなる電圧降下が生じ
、変成器電流巻線８にはＶ１１なる電圧が印加される。

その際電流巻線８、電圧巻線７及び二次巻線９にはＥ１
１、Ｅ２１、Ｅ３１なる起電力が誘起される。

その時二次巻線回路にＩ３１の電流が流れる。これに対
応して第１０図（ｂ）のベクトル図が得られる。変成器
６ではその電流巻線８、電圧巻線７、二次巻線９の起磁
力ｎ１Ｉ１、ｎ２Ｉ２、ｎ３Ｉ３の間には励磁電流を無
視すれば ｎ１Ｉ１＋ｎ２Ｉ２＝ｎ３Ｉ３　　　　　　（１）が成
り立つ。たゞしｎ１、ｎ２、ｎ３は電流巻線８、電圧巻
線７、二次巻線９の巻線数である。これを考慮して第１
０図（ａ）と（ｂ）の合成ベクトル（ｅ）が成り立つ。

ФοとФυのベクトル合成磁束Фτが実際に通る磁束で
ある。全く同様にしてコンデンサーを接続する第１０図
（ｃ）（ｄ）のベクトル図が第９図（ｃ）（ｄ）に対応
して造られる。

そしてその合成ベクトル図として第１０図（ｆ）が得ら
れる。第１０図（ｆ）によつて判ることは次のようであ
る。電圧巻線に流れる電流Ｉ２のベクトル方向はリアク
トル接続の場合、電機子巻線１の端子電圧Ｅｇよりほゞ
９０度おくれ、第１０図の（ｅ）のようになるが、コン
デンサー接続の場合、Ｅｇよりほゞ９０度進み、そのＩ
２より■ほぼ９０度おくれて励磁電流が流れ、それと同
相の磁束Фοが造られ、電流巻線Ｉ１の電流より約９０
度おくれてその励磁電流が流れ、それと同相の磁束Фυ
が造られ、Фο＋Фυが造られるべきであるが、この時
電流巻線８の接続を電圧巻線７に対して、リアクトル接
続の場合とは逆の接続、すなわちФοなる磁束のベクト
ル方向を一Фυなるベクトル方向より９０度遅らせた接
続とする。これはФοは電圧巻線中を流れる励磁電流に
より造られる磁束であり、電流巻線中を流れる励磁電流
によりФυが造られ、その逆向きの−ФυよりФοを約
９０度おくらせることになる。このようにしてФοと一
Фυとのベクトル結合Фτが磁気回路を通ることになる
。

第９図及び第１０図において重ね合わせの理により、次
の式が得られる。

すなわち第９図第１０図の（ａ）（ｂ）（ｃ）において
、Ｖ１１＋Ｅ１２＝Ｖ１，Ｖ２２−Ｅ２１＝Ｖ２，Ｅ３
１＋Ｅ３２＝Ｅ３，Ｉ３１＋Ｉ３２＝Ｉ３又（ｃ）（ｄ
）（ｆ）において、Ｖ１１＋Ｅ１２＝Ｖ１Ｖ２２＋Ｅ２
１＝Ｖ２，Ｅ３１＋Ｅ３２＝Ｅ３、一Ｉ３１＋Ｉ３２＝
Ｉ３ 以上を考えるに、第１０図でリアクトル結合のベクトル
図（ｅ）の場合、Ｉ１＋Ｉ２がＥｇよりベクトル的にお
くれるため、このＥｇに対し、電機子反作用を考慮して
無負荷誘導起電力Ｅはかなり大きくなるが、ベクトル図
（ｆ）の場合、Ｉ１＋Ｉ２がむしろＥｇのベクトルより
進むような傾向にあるため、その無負荷誘導起電力Ｅは
Ｅｇよりもさほど大きくなくなる、つまりベクトルＥで
表わされる無負荷誘導起電力は本発明方式では小さくて
よく、従つて励磁電流は少なくてすむ、更に此の場合、
電機子巻線中に興えられる励磁電流が直流であるため、
その励磁電流を興えるための電圧は小さくて良く、従つ
て励磁電力は小さくて良い。そこで変成器の容量も小さ
く、又電機子巻線から変成器に興える励磁電力、従つて
電機子巻線から変成器に供線する励磁電流も小さくなり
、結局、装置全体として小形化し、且つ効率も向上する
ことになるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的電気接続図であり、固定子電機
子巻線を中心に画かれた接続図である。 第２図は本発明ではなく、本発明の第１図と比較するた
めに示された電気接続図である。第３図及び第４図は本
発明に用いられる部分図であり、電機子巻線の接続図例
を示したものである。第４図は本発明の第１図とは違つ
た具体的電気接続図例である。第５図は本発明に用いら
れる回転子巻線の接続図例であり、第６図も本発明に使
いうる回転子の構造、第７図は第６図の回転子巻線の展
開図である。第８図はこれも本発明に使いうる回転子巻
線の接続図例である。第９図は本発明の作動を説明する
ための接続を示し、第１０図はこの第９図を用いて示さ
れたベクトル図である。 また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、　２：外部接続電線、　３、４、５：
外部接続端子、　６：変成器、　７：変成器６の電圧巻
線、　８：変成器６の電流巻線、９：変成器６の二次巻
線、　１０：コンデンサー、　１１、１２、１３：整流
器、　１４：中性点、　１５：リアクトル、　１６：符
荷、　１７、１８：中性点、　１９：整流器、　２０、
２１、２２、２３、２４、２５：電機子巻線１を構成す
る素子、　２６：整流器、　２７：励磁巻線、２８：界
磁巻線、　２９、３０、３１、３２：回転子巻線回路、
　３３、３４、３５、３６：整流器　３７：回転子巻線
、　３８、３９、４０、４１、４２、４３：回転子巻線
３７を構成する素子、　４４：整流器、　４５、４６：
中性点、４７、４８、４９：外部接続端子、　５０：電
機子巻線電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電機子巻線に外部接続電線と接続する外部接続端子と、
   電機子巻線相互間を接続した中間端子と云う二種類の端
   子を設け、一方変成器の巻線を一次側の電圧巻線と電流
   巻線及び二次側巻線と云う三種類の巻線から成るものと
   し、上記電機子巻線の外部接続端子と変成器の一次電圧
   巻線の間にリアクチブ素子としてのコンデンサーを挿入
   して両者を接続し、上記電流巻線と電圧巻線との配列が
   変成器中において、リアクチブ素子としてのリアクトル
   を挿入する場合と逆の方向、つまり上記電流巻線中を流
   れる励磁電流により造られる磁束のベクトル方向より電
   圧巻線中を流れる励磁電流により造られる磁束のベクト
   ル方向を遅らせて、磁束のベクトル結合をさせるような
   配列となるようにし、且つ上記変成器の二次巻線と上記
   電機子巻線の中間端子との間に整流器を接続して、上記
   変成器二次巻線より電機子巻線へ直流を供給するように
   配列した回転電気機械の構造