JPS62221847A - 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】 本発明は同期機構造をした回転電気機械の装置に関する
もので、固定子に電機子巻線部を設け、回転子に界磁巻
線を設ける回転電気機械の装置に関する。一般的には本
発明は電動機に適用するものであるが、発電機にも適用
しうることを述べておく。然し、説明を簡略化しうるた
め、以下の説明は電動機を主体にしておこなう。

同期発電機をブラシレス構造にするため、本発明者自身
の発明として昭和５７年特許願第４９７１２号や第２１
７６２５号があり、昭和６０年特特許願第１５０４５号
や２２３００号がある。これらの発明では同期機本体を
励磁機としても使うもので、同期機本体の固定子に設け
た電気子巻線に流す負荷電流によって造られる磁極の極
数と、電気子巻線または励磁巻線に流す励磁電流によっ
て造られる磁極の極数との関係を１対２又は２対１とし
、これに対応して回転子に励磁巻線部と界磁巻線部を設
けて、その磁極数をそれぞれ固定子の巻線の磁極数に対
応させる。このようにして同一磁極数の固定子巻線と回
転子巻線とを電磁的に結合させ、磁気回路を兼用した回
転電気機械を簡略にブラシレスに造りあげるのである。

然し、従来考えられてきたこの種回転電気機械において
、問題点が次のように存在する。具体的に、例えばサイ
リストモーターなどの場合、電機子巻線部の端子と交流
電源又は直流電源の間に周波数変換装置や逆変換装置が
接続され、電機子巻線端子における周波数はその回転速
度の低下に従って非常に低くなり、そのような低周波の
電力を電源として励磁電力にすると、回転子の回転速度
が低いから、回転子の界磁巻線に供給される電力の電圧
は非常に低くなる。従って界磁巻線に加えられる電流は
小さく、電動機としてのトルクは極めて小さくなり低速
度領域では速度制御が出来ないことになる。

本発明の目的は上述の回転電気機械の例、すなわち、電
機子巻線端子に周波数変換装置が接続されて、電気機械
の回転速度が低領域で運転されるような場合、安定に運
転され、同期機本体の電機子巻線に流す負荷電流によっ
て造られる磁極の極数と、電機子巻線又は励磁巻線に流
す励磁電流によって造られる磁極の極数との関係を１対
２又は２対１として励磁機のない構造簡単なブラシレス
励磁機なし構造を得ることにある。

次に上述のような回転電気機械において、固定子電機子
巻線に外部機器と電気接続する外部接続端子と電機子巻
線を構成する構成巻線相互間を接続する巻線相互間接続
端子を設け、上記外部接続端子と巻線相互間接続端子と
の間を電気接続して簡単に励磁機なしブラシレスの上述
回転機械を得る場合、本体として作動させる部分と励磁
機として作動させる部分が共通となっているが、これを
巧みに設計製作し簡略に確実な作動を実施せしめること
を第二の目的とする。

上記の目的を達成せしめるため、本発明では、具体的な
電気接続図例の第１図に示すように、固定子１に負荷電
流を通す電機子巻線部２を、又回転子３に具体的電気接
続図例の第２図に示すように、界磁巻線部４を設け、上
記固定子１に装備された巻線２の或る端子５、６、９と
上記固定子１に設けられた励磁巻線部７とを電気接続し
、励磁巻線部７に励磁電力を供給するように配列し、電
機子巻線部２の鎖交する磁気回路と励磁巻線部７の鎖交
する磁気回路を兼用する配列とし、その励磁電流を励磁
巻線部７に流すことによって造られる磁極の極数と、上
記電機子巻線部２に負荷電流を流して造られる磁極のと
の関係を、その何れか一方を１とし、他方をその２倍と
する関係となる巻線配列とし、その励磁巻線部７に励磁
電流を流して造られる磁極を、これと同一の極数の回転
子励磁巻線部８が切って回転子３の励磁巻線部８に励磁
電圧を誘起させ、その励磁電圧により、回転指令磁巻線
部８と回転整流器１０で接続された界磁巻線部４に電流
を流し、界磁極を造る配列において、電機子巻線２に外
部接続電線１１，１２，１３と接続する外部接続端子５
，６，９を設け、上記外部接続端子５，６，９に対し、
外部電源端子１４と上記外部接続端子５，６，９の間を
周波数変換装置１５を経て電力を授受するように接続し
、他方外部電源端子１４より上記周波数変換装置１５を
通さずに、上記固定子励磁巻線部７に励磁電力を流して
つくる回転磁界の回転方向が回転子の回転方向と反対向
きになるように配列するのである。

第１図では固定子に電機子巻線２と励磁巻線７が別々に
設けられているが、電機子巻線の極数を例えば４極とす
ると、励磁巻線７の極数は８極或は２極とされる。本例
では８極とすることとする。周波数変換装置１５は第１
図の場合、順変換装置１６とリアトルク１７及び逆変換
装置１８より成る。然し、周波数変換装置は必らずしも
このような接続ばかりではなく、サイクロコンバーター
のように直接交流から交流へ変換する場合も考えられる
。第１図で固定指令磁巻線７と外部電源端子１４の間の
３相回路には各層に制御素子付き整流器の逆並列回路１
９，２０，２１が接続され、励磁巻線７への励磁電流が
制御されるように配列されている。第２図は回転子３に
設けられている励磁巻線８、界磁巻線４及び回転整流器
１０が示され、それらの間の電気接続が示されている。

前に示した例と対応させ、回転子の励磁巻線８を８極、
界磁巻線４に供給される電流で造られる界磁極を４極と
すると、極数の同一の固定子励磁巻線７と回転子励磁巻
線８との間が電磁的に誘導作用を相互にし合い、極数の
同一の電機子巻線２と界磁極とが相互に電磁作用をし合
うことになる。

極数を持った巻線間のみ電磁的に作用しあい、異なった
極数の巻線間相互には電磁的作用が及ばないことが利用
される。

以上の第１図で示された回路では、所謂サイリストモー
ターとして利用する時には回転子３の回転と同期する位
置検出機構があり、その位置検出機構で検出された信号
によりゲート制御回路を通して逆変換装置１８の制御素
子付き整流器の制御素子を作動させ、逆変換装置１８の
作用を電機子巻線２の起電力と同期させる。又自励他別
式逆変換装置１９を使うことも出来るが、その場合には
逆変換装置１８のゲート信号は別に■えられる。第１図
の回路では、例えばサイリストモーターの場合、順変換
装置１６の制御素子付き整流器を制御して回転子３の回
転速度を低くしていくことが出来る。例えば定格最高速
度３０００ｒ／ｍに対して５００ｒ／ｍ以下に制御しよ
うとする時、固定子励磁巻線を８極とし、電源端子１４
の電力周波数を６０ヘルツとすると、励磁巻線７に伝え
られる励磁電流により造られる回転磁界の回転方向は回
転子の回転方向と逆向きに９００ｒ／ｍとなつて、回転
子３に対して相対的に１４００ｒ／ｍで回転することに
なる。従って、これを受けて、回転子３の励磁巻線８に
はかなり高い起電力を誘起し、界磁巻線に充分な電流を
供給しうる。その結果、前述のような５００ｒ／ｍ程度
の低速だけではなく、更に低い４００ｒ／ｍや３００ｒ
／ｍを越えて２００ｒ／ｍ程度でも確実な運転をするこ
とが出来るのである。

第３図は第１図に示された固定子巻線に関する電気接続
の変形図例である。第１図では固定子励磁巻線７が電機
子巻線２と別個に設けられているのに対し、第３図では
電機子巻線２８が固定子励磁巻線をも兼用する。第３図
では電機子巻線２８の各相３１，３２，３３を変成器２
２の二次巻線２４の各層と３０で示されるように接続し
、各相で閉回路が造られる。

電機子巻線２８の中間点２９に対し電源端子１４から周
波数変換装置１５を経て電力が供給されるように電気接
続される。変成器２２の二次巻線２４の各相の中間点２
７を短絡線２６で電気接続すれば、その結合点２５は電
機子巻線２８の中性点となり、電機子巻線２８は二重星
形接続となる。

変成器２２の一次巻線２３は電源端子１４との間で制御
素子付き整流器の逆並列回路１９，２０，２１を経て電
気接続される。電機子巻線２８及び変成器２２の二次巻
線２４の中に二種類の電流が流れる。このようにすると
、電機子巻線２８は例えば４極と８極の極数を持つ電機
子巻線と励磁巻線とを兼用することになる。すなわち極
数１対２の関係にある電機子巻線と励磁巻線が一つの電
機子巻線２８で兼用されるが、その辺の事情は例えば特
許出願広告昭６１−１９９２号の説明で判る。

電機子巻線２８の中を流れる実線矢印はある瞬間におけ
る負荷交流電流であり、点線矢印はある瞬間における励
磁電流である。この負荷交流電流は周波数変換装置の制
御によってその周波数を低くすることになるが、点線矢
印の励磁電流は一定周波数の電源端子１４から変成器２
２を経て供給されるため、常に一定の周波数を持つ。そ
の電源端子１４から変成器２２を経て電機子巻線２８に
到るまでの電気接続によって、電機子巻線２８に供給さ
れる励磁電流によって造られる回転磁界の回転方向を回
転子の回転方向と逆にする。第３図においてもその効果
は第１図における作用効果と同様である。

第４図は本発明の装置における回転子巻線配列例を示し
たものである。２０個ある溝中におさめられ、４極回転
子励磁巻線３４、３５、３６、３７がそれぞれ整流器３
８、３９、４０、４１と接続されることにより、第４図
の矢印のような電流を流し、２極界磁巻線としても作用
することになる。すなわち回転子巻線は励磁巻線と界磁
巻線を兼用することになり、回転子励磁巻線は固定子励
磁巻線に流れる電流に対応して起電力を誘起し、それに
より界磁巻線に電流を流し界磁極を造ると云う第１図と
第２図の結合作用と同じ動作をすることになるのである
。

第５図は本発明をサイリストモーターに適用した一例を
示す電気接続図例である。交流電源端子１４から周波数
変換装置１５を経て固定子電機子巻線２の外部接続端子
５、６、９に電気接続される。この場合、電機子巻線２
は中性点２５を中心に二重星形に接続され、その各相巻
線３１、３２、３３のそれぞれは図に示すように中間端
子４２、４３を持ち、この中間端子４２、４３等に対し
電源端子の１４から変成器４４、４５、４６を通して励
磁電力を供給しうるよう電気接続される。

図では更にコンデンサー４７が接続されている。

必ずしも変成器４４、４５、４６を接続する必要はない
が、第５図の例では変成器を接続して、電機子巻線２の
中へ空白矢印のような電流を流す。

電機子巻線２の中を流れる二種類の電流は黒色矢印で示
される負荷電流と、空白矢印で示される励磁電流である
が、これらは瞬時の通電状態を示すものである。この二
種類の電流により電機子巻線がどのような磁極を造るか
を示したのが第６図であり、第７図である。第６図、第
７図では溝に二層巻として電機子巻線が設けられている
。第６図は電機子巻線２の中の一相巻線３１に二種類の
電流を流した場合の状況を示している。端子５，４２，
４３，２５は第５図における同符号の端子に対応する。

黒色の矢印は負荷電流の瞬間の状況を示し、白色矢印は
励磁電流の或る瞬間の状況を示したものである。第７図
は電機子巻線２の三相の巻線全体に負荷電流と励磁電流
を流した場合に如何なる磁極を呈するかを示した例であ
る。これで負荷電流によって２極が造られ、励磁電流に
よって４極が造られることが判る。第８図及び第９図は
電機子巻線の接続を基本的に考えるための図例であり、
このような接続によって負荷電流と励磁電流の流れで、
一方によって造られる磁極の極数を１とすれば、他方に
よって造られる磁極の極数を２とすることが出来ること
を示している。第５図に示された回転子３における巻線
４８は励磁巻線と界磁巻線を兼用したものとなる。二重
星形接続となり、その外部接続端子５１、５２、５３か
らグレーツ結線の整流器４９を経て電機子巻線４８の二
中性点４９、５０の間に直流を供給することになる。そ
の電磁子巻線４８の接続例は例えば昭和６０年特許願第
１０５３３６号に示されている。第５図では三相交流電
源端子１４から変成器４４、４５、４６を経て電機子巻
線２の中間端子へ励磁電流が流れ入るが、電源端子１４
の電力周波数が常に一定であり、例えば５０Ｈｚや６０
Ｈｚであるため、励磁電流の供給によって造られる電機
子巻線での回転磁極の回転方向を回転子の回転方向と逆
方向になるように変成器間の相順接続を配列しておけば
、周波数変換装置１５の電圧制御により回転子３の回転
速度が低く制御された場合でも、回転子３の界磁巻線部
への電流が多く流れ、界磁極が強く確立され、低速度の
制御が安安におこなえることになる。第５図でゲート制
御回路５４は位置検出装置と連動して逆変換装置１８の
整流器の制御素子を制御する。位相制御回路５６は順変
換装置１６の整流器を制御して逆変換装置１８に加える
直流電圧が制御される。５５は位相基準であり、５７は
回転速度を変換した装置を示す。

第１０図は単相交流電源端子１４から周波数変換装置１
５を経て電機子巻線２への主回路電力が送られ、又電機
子巻線２の二つの中性点５８、５９の間に励磁電力が送
られる。その励磁電力は一定周波数の単相交流電源端子
１４から供給されるので、電機子巻線２の外部接続端子
５，６，９へ供給される交流電力周波数が低くなっても
、励磁電力周波数は一定に保たれる。励磁電力は単相電
力であるため、電機子巻線２の中性点５８、５９に加え
られる励磁電力により、正方向及び負方向に回転磁界が
送られ、回転子が例えば４００ｒ／ｍで回転する時、上
記回転磁界が９００ｒ／ｍで正及び負方向に回転すると
考えれば、回転子巻線はこの回転磁界を１３００ｒ／ｍ
の相対速度で切ることになる。

第１０図の電機子巻線２の接続は第５図の回転子巻線４
８と類似の巻線接続となっている。その接続は例えば昭
和６０年特許願第１０５３３６号や第１２７４７９号に
示されるのである。

以上の発明において重要なことは回転子の回転速度が低
い場合に安定な運転を実施しうるかどうかの問題である
そして回転速度が高いとき、励磁電流を減じてやって安
定な運転を実施し、速度制御範囲を拡大せしめることも
重要なことと考えられる。ここで本発明の作用効果の特
長をまとめると、次のようになる。

（１）回転電気機械をブラシレス励磁機なし構造としな
がら、これを電動機として駆動せしめ、電動機の速度を
制御する場合、交流電源端子と回転電気機械の電機子巻
線の間に周波数変換装置を接続して電動機外部接続端子
に低周波電力を加える時、回転子の界磁巻線に充分は電
力を流すことが出来、低速運転時に確実な界磁極を造り
、安定な低速運転を実施しうる。

（２）低速時に固定子励磁巻線部に加える励磁電流を強
め、高速時にそれを弱めると、低速から高速まで非常に
広い範囲の速度制御を実施しうることになる。

（３）上記回転電気機械を発電器として駆動せしめる時
、回転電気機械をブラシレス励磁機なし構造としながら
、交流電源端子と回転電気機械の電機子巻線の間に周波
数変換装置を接続して、原動機により駆動される発電器
の回転速度を低くしても、回転子の界磁巻線に充分な電
流を流すことが出来、低速運転時に確実な界磁極を造り
、安定な低速運転を実施しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的電気接続図例を示し、全装置中
の回転子部分を除いた部分図例である。 第２図は本発明の第１図例と組み合わせて用いられうる
回転し部分図例を示す。第３図は第１図に対応して、本
発明の具体的な電気接続図例を示し、全装置中の回転子
部分を除いた他の部分図例である。第４図は本発明の第
１図や第３図の装置と組み合わせて用いられうる回転子
部分の他の具体的電気接続図例である。第５図は本発明
の他の具体的な電気接続図例を示す。第６図及び第７図
は第５図の例における電機子巻線に負荷電流及び励磁電
流を流した場合の磁極の状況を示した例である。第８図
及び第９図は第６図や第７図の電機子巻線配列を判りや
すく説明した図例である。第１０図は本発明の他の具体
的電気接続図例を示し、全装置中の回転子部分を除いた
部分図例である。 次に図の主要な部分をあらわす符号には以下に示すよう
なものがある。 １：固定子、２：電機子巻線、３：回転子、４：界磁巻
線部、５：電機子巻線端子、６：電機子巻線端子、７：
励磁巻線部、８：回転励磁巻線部、９：電機子巻線端子
、１０：回転整流器、１１：１２：１３：外部接続電線
、１４：外部電源端子、１５：周波数変換装置、１６：
順変換装置、１７：リアクトル、１８：逆変換装置、１
９，２０，２１：制御素子付き整流器の逆並列回路、２
２：変成器、２３：変成器の一次巻線、２４：変成器の
二次巻線、２５：短絡電線の結合点、２６：短絡電線、
２７：変成器二次巻線の中間点、２８：電機子巻線、２
９：電機子巻線の中間点、３１、３２、３３：電機子巻
線の各相、３４：３５：３６：３７：回転子巻線、３８
、３９、４０、４１：回転整流器、４２、４３：電機子
巻線の中間端子、４４、４５、４６：変成器、４７：コ
ンデンサー、４８：回転子巻線、４９，５０：回転子巻
線の中性点、５１、５２、５３：回転子巻線の外部接続
端子、５４：ゲート制御回路、５５：位相基準、５６：
位相制御回路、５７：回転速度変換装置、５８：５９：
中性点、６０：コンデンサー、６１：回転整流器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固定子に負荷電流を通す電機子巻線部を、又回転子に界
   磁巻線部を設け、上記固定子に装備された巻線の或る端
   子と上記固定子に設けられた励磁巻線部とを電気接続し
   、励磁巻線部に励磁電力を供給するように配列し、電機
   子巻線部の鎖交する磁気回路と励磁巻線部の鎖交する磁
   気回路を兼用する配列とし、その励磁電流を励磁巻線部
   に流すことによって造られる磁極の極数と、上記電機子
   巻線部に負荷電流を流して造られる磁極の極数との関係
   を、その何れか一方を１とし、他方をその２倍とする関
   係となる巻線配列とし、その励磁巻線部に励磁電流を流
   して造られる磁極を、これと同一の極数の回転子励磁巻
   線部が切って回転子の励磁巻線部に励磁電圧を誘起させ
   、その励磁電圧により、回転子励磁巻線部と回転整流器
   で接続された界磁巻線部に電流を流し、界磁極を造る配
   列において、電機子巻線に外部接続電線と接続する外部
   接続端子を設け、上記外部接続端子に対し、外部電源端
   子と上記外部接続端子の間を周波数変換装置を経て電力
   を授受するように接続し、他方外部電源端子より上記周
   波数変換装置を通さずに、上記固定子励磁巻線部に励磁
   電力を供給するように配列し、その電気接続配列による
   相順を、上記固定子励磁巻線部に励磁電流を流してつく
   る回転磁界の回転方向が回転子の回転方向と反対向きに
   なるように配列した回転電気機械装置の構造