JPS62221848A - 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】 本発明は同期機のように、固定子に電機子巻線を設け、
回転子に界磁巻線を設ける回転電気機械の構造に関する
もので或る。それは同期電動機や同期発電機のみならず
サイリストモーターのように、回転電気機械として同期
機を用いたものにまでおよび、また三相機や二相機のよ
うな多相機だけではなく、単相機にも適用されうる。然
し、説明の簡略化のため、例えば三相同期電動機につき
限定説明をする場合も或るが、上記の種々の回転電気機
械に適用しうる。

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年特許願第１５０４５号や
第２２３００号が或る。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、
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の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或る。

これらの回転電気機械において指導を円滑に実施せしめ
ることが重要問題で或る。通常の同期電動機では回転子
に設けた制御巻線が始動に大きい役割を果たす。然し本
発明に関係する回転電気機械では従来の同期機に用いら
れた通常の制御巻線では問題があった。そこでその問題
を解決するために昭和６０年特許願第１２７４７９号、
昭和６０年特許願第２１０５９６号、昭和６０年特許願
第２６８０４８号が考え出された。然し本発明ではむし
ろそのような始動時における制御巻線に或るのではなく
、始動時に、始動を妨害しないで、円滑に始動せしめる
ようにすることに関するので或る。このことを第１図に
よって説明する。

第１図では固定子電機子巻線１が中性点２を中心に三相
に巻かれており、又固定子励磁巻線３が設けられ、電機
子巻線１と共に電源端子４から電力が供給されるように
接続されている。電源端子４から励磁巻線３へはコンデ
ンサー６、制御素子付き整流器から成る順変換装置５を
経て電機接続される。制御素子付き整流器５は制御装置
７により制御されるべく接続される。電機子巻線１と励
磁巻線３とはその極数が互いに２対１の関係にあり、そ
の鎖交する磁気回路を兼用している。例えば電機子巻線
１の極数を４極とする時、励磁巻線３の極数が８極と云
うようになる。

第２図は回転子における巻線接続を示す。回転子励磁巻
線８から回転整流器１０を経て界磁巻線９へ電流を供給
するように接続される。第１図の固定子と第２図の回転
子とは対応して運転するわけで、通常運転時には固定子
励磁巻線３と回転子励磁巻線８とが同一極数で、互いに
励磁的に結合され、固定子励磁巻線３に流れる励磁電流
に対応し、回転子励磁巻線８に誘起する起電力により回
転子整流器１０を通して開示巻線９に界磁電流を通すこ
とになる。この電流で造られる界磁極が４極で或ると、
これに対応して電機子巻線に流れる負荷電流で造られる
４極回転磁界との間で同期的に回転することになる。

然し、始動時には固定子励磁巻線３へは電流を流さない
。単に電源端子４から電機子巻線１へ交流電力を供給す
るので或る。然しその場合、■■問題になるのは次のよ
うなことで或る。すなわち固定子励磁巻線３へ励磁電流
を供給しないで、電機子巻線１へ三相交流電源端子１４
から電力が供給されると、例えば４極の回転磁界が送ら
れる。

それに対応して、これと同極数４極の界磁巻線に交流電
圧が誘起される。その界磁巻線９の閉回路中には整流器
１０が接続されているから、界磁巻線９には直流電流が
流されることになる。始動時に直流界磁電流を流すと、
回転子に磁極が生じ、回転子と固定子との間に吸引力が
働らき、回転子が停滞し、始動することができないこと
になる。

本発明の目的はブラシレスで励磁機なし構造の回転電気
機械を同機器構造とし、これを円滑に始動せしめること
に或る。

上記の目的を達成せしめるため、本発明では、固定子に
負荷電流を通す電機子巻線部１を、又回転子に界磁巻線
部９を設け、上記固定子に装備された巻線の或る端子１
３、１４、１５と上記固定子に設けられた励磁巻線部３
とを電機接続し、励磁気巻線部３に励磁電力を供給する
ように配列し、電機子巻線部１の鎖交する磁気回路と励
磁巻線部３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３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１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３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
、回転子励磁巻線部８と回転整流器１０を経て接続され
た界磁巻線部９に電流を流し、界磁極を造る配列におい
て、回転子励磁巻線８より界磁巻線９に接続されるべき
整流器１０の直流側端子間に、界磁巻線９へ交流を流し
うる素子１１を接続するように配列するので或る。

上記の素子１１は第２図の場合には開閉器１１であり、
始動期のみ閉ぢられる。第４図の例ではその素子は１２
としてコンデンサーが示される。

第３図は回転子に設けられた制動巻線の例を示し、これ
については昭和６０年特許第１２７４７９号、第２１０
５９６号、第２６８０４８号に示されている。第３図に
関して述べると、励磁巻線部３に励磁電流を流して作ら
れる磁極の極数を上記電機子巻線部１に負荷電流を流し
て作られる磁極の極数ｐ極の２倍とし、界磁極の磁極表
面にスロットを設け、これに挿入導体１６，１７，１８
，２１を装備し、その挿入導体数を少なくとも２個以上
とし、それら複数の挿入導体の両端を短絡導体１９、２
０で短絡し、その挿入導体間距離ｔが電気角でπ［ラジ
アン］の距離、すなわち回転子の回転速度Ｎ［ｒ／ｍ］
、電機子誘導起電力の周波数ｆ「Ｈｚ」として、１２０
ｆ＝ＮＰとした時に、上記挿入導体間距離ｔが電気角で
π［ラジアン］、機械角■π／（Ｐ／２）の距離を保つ
ように配列される。三層交流電源から電機子巻線１へ電
力を供給するとき、第３図のような制動巻線に電流が流
れ、回転電気機械は一種の誘導電動機として始動し始め
るが、第２図の短絡開閉器１１は界磁巻線９の端子を短
絡することによって、界磁巻線９の中へ直流ではなく、
交流を流して、界磁極を作ることなく、始動が妨害され
ない。第４図のコンデンサー１２は始動時、界磁巻線９
に交流が流れるのを助け、始動が妨害されない。このよ
うにして始動時に界磁巻線へ交流の電流が流れて、それ
により一種の回転磁界が造られ、これも制動巻線と同様
回転力が送られることになると考えられる。

第５図は第２図に対応する回路であり、回転子に設けら
れる装置が示される。始動時開閉装置２３が開かれ、界
磁巻線９の電流は抵抗２２の中を流れ、始動後、同期投
入のため、開閉装置２３が閉じる。第２図の開閉装置１
１や第５図の開閉装置２３は単なる開閉装置ではなく、
開閉装置の作動をするものと解されなければ成らない。

それはブラシレス構造の回転電気機械のため、これら開
閉装置が回転子と共に回転し、■も外部から制御されう
るものでなければならない。第６図の回路はそれを示し
ている。すなわち、第６図では図のように制御素子付き
整流器サイリスター２５が接続される。始動時にはサイ
リスター２５が開いており、界磁巻線９に誘導された起
電力によりコンデンサー２４を通して界磁電流が流れる
が、これは交流で或る。これによって同期回転速度に近
い速度に回転子が回転される時に、ツエナーダイオード
２６に電流が流れるようにする。すなわち、固定子励磁
巻線３に電流を流すと、回転子励磁巻線８に電圧を生じ
、整流器１０の直流側端子に或る直流電圧が発生する。

その電圧がツエナーダイオード２６に加わり、ツエナー
ダイオード２６に電流が流れる。これによってサイリス
ター２５が導通し、その回路が閉じ、界磁巻線９に直流
電流が流れ、界磁極が造られ、回転電気機械は同期に入
ることになる。回転電気機械が同期電動機の場合には同
期に入るので或るが、サイリストモーターの場合にはそ
れに相応した同期回転速度に入ると云える。

今まで、第１図のように固定子の電機子巻線部１と固定
し励磁巻線部３とを別個に設けた場合を中心に説明をし
てきた。然し、固定子において、電機子巻線部と励磁巻
線部を兼用することも出来るし、回転子に置いて、励磁
巻線と界磁巻線を兼用することもできる。第７図はその
ような固定子巻線であり、第８図はそのような回転子巻
線が示される。第７図において、三層交流電源端子３０
より固定子電機子巻線１へ電力を供給する。その瞬時の
電流を黒色実線矢印で示す。電機子巻線１へそのような
電力を供給する外部接続端子３１，３２，３３が示され
る。一方中性点端子２７と２８を通して電源端子３４か
ら制御素子付き整流器２９を経て励磁電流が供給される
ような電機接続となっている。第７図の電機子巻線１や
第８図の回転子巻線８の巻線接続例は例えば昭和６０年
特許願第１２７４７９号に示されている。始動時には固
定子の電機子巻線１に対して励磁電流は供給されず、三
層交流電源３０から交流電力が供給され、その瞬時の電
力が実線矢印で示される。これに対応して回転子には実
線矢印のような交流電流がコンデンサー３５を通して界
磁巻線の電流として流れる。同期回転速度に近くなって
電源端子３４から制御素子付き整流器２９を経て励磁電
流が電機子巻線１へ供給される。その瞬時電流が点線矢
印のように示される。これによって回転子巻線には点線
矢印のような電圧を生じて電流が流れようとする。ツエ
ナーダイオード２６に直流電圧がかかり。サイリスター
２５が通電し、点線矢印の電流が流れ、界磁極が生じ、
回転電気機械が同期投入されることになる。

第９図は本発明をサイリストモーターに適用した場合の
回路が示される。第９図では固定子４０と回転子４１の
部分が示される。交流電源端子３０から周波数変換装置
３６を経て固定子電機子巻線１へ電力が供給されるよう
に電気接続される。

４２，４３，４４は電機子巻線１の外部接続端子３１，
３２．３３の間に接続されたコンデンサーであり、逆起
電力の波形が滑らかなように接続される。開閉装置４５
は始動時に閉じ、又開閉装置４６は始動時に開く。始動
時には三層交流電源端子３０から周波数変換装置３６を
経て電機子巻線１の外部接続端子３１，３２，３３に電
圧が加えられる。電機子巻線１に黒色矢印に示すような
電流が流れる。これによって例えば４極回転磁界が生じ
たとすると、これに対応して回転子４１の巻線８に黒色
矢印に示すような電流が流れる。この電流は交流でコン
デンサー３５を通して流れる。

図では周波数変換装置３６は順変換装置３８と逆変換装
置３９及びリアクトル３７の組み合わせから成る。サイ
リスター２５とツエナーダイオード２６の関係は第６図
と同様で或る。コンデンサー３５は第８図と同様で或る
。電機子巻線１の中性点２７、２８へ励磁電流を供給す
るために電源端子３０からコンデンサー４８、４９、５
０と制御素子付き整流器２９を通して電気接続される。

制御素子付き整流器２９の制御回路を制御装置５２によ
って制御するように配列される。回転子の回転速度が或
る回転速度に達した時、制御素子付き整流器２９を通し
て交流電源端子３０から中性点２８，２９へ励磁電流が
供給される。その時には開閉装置４５を開き、開閉装置
４６を閉じる。その電流は電機子巻線１の中で空白矢印
のような電流となり、それによって造られる磁極は例え
ば８極で、それに対応して回転子巻線に空白矢印のよう
な電圧を発生して、その電圧によって回転整流器１０を
通して回転子巻線８に直流電流を流し、界磁極を造る。

空白の矢印の電圧により造られる磁極は８極で、且つ実
際に作られる界磁極は４極と云うのが前例との対応で考
えられる。第９図はサイリストモーターの制御回路であ
り、回転子の回転速度に対応して位置検出し、それに対
応してゲート制御回路５４により逆変換装置３９の制御
素子回路を制御するように配列する。位相制御回路５１
は速度変換装置４７を位相基準５３と比較して作動せし
められるように配列される。

第１０図は第９図と同様、本発明をサイリストモーター
の制御回路に適用した図例で或る。交流電源端子３０か
ら周波数変換装置３６を通して、電機子巻線１の外部接
続端子３１、３２、３３へ交流電力を供給する回路は第
９図における場合と同様で或る。始動時には始動トラン
ス５８を通して電機子巻船１へ電力を供給するように配
列し、その場合、開閉装置７１を閉じ、開閉装置５５を
開く。三相電機子巻線１の各層６５，６６，６７は中性
点７０を中心に巻かれ、その各層は例えば外部接続端子
３３と中性点７０との間に一相巻線６７のように、中間
端子６８と６９が設けられている。その中間端子６８と
６９の間に励磁電流を供給しうるように配列する。交流
電源端子３０よりコンデンサー４８、４９、５０、変成
器５６、５７、整流器５９、６０を経て、電機子巻線の
中間端子６８、６９へ励磁電流が供給される。電機子巻
線６７や６５で黒色矢印のように負荷電流が流れると共
に空白矢印のように励磁電柱が流れるが、これら矢印は
電流定常状態の或る瞬間の状況を示している。制御装置
６３や６４は整流器５９や６０の制御素子付き整流器を
制御するための装置で或る。

回転電気機械の始動時には開閉装置６１、６２は閉じら
れ、励磁電流は電機子巻線１に供給されない。第１０図
に示される電機子巻線１は昭和６０年特許願第１２７４
７９号に示されている。その巻線接続の状態も昭和６０
年特許願い１２７４７９号に示されている。第１０図で
は固定子の接続に関連したもののみが示され、回転子の
接続については示されていない。然し、第１０図の回転
子部分は第９図の回転子部分を用いうる。換言すれば第
９図の固定子部分の代りに第１０図を用いうる。

第１０図に用いた励磁用の変成器５６、５７及び整流器
５９、６０は三層交流電源３０より電機子巻線１の中の
二相分に供給されるのに使われている。このような時第
１１図のようなスコツト結線を使いうる。又第１０図の
励磁電流が直流でなされるのに対し、第１２図では口中
の励磁電流を用いうることが示されている。

第１３図は単相同期電動機の回転子部分を除く電気接続
図例で或る。回転子部分についての接続は第６図と同じ
と考えてよい。第１３図において電機子巻線１は中間点
８５、８６を中心に各巻線素子７４、７５、７６、７７
から成り、外部接続端子９２、９３を通し、電源７３か
ら電力を供給される。固定子にはこのような電機子巻線
７４、７５、７６、７７以外に励磁用巻線７８が設けら
れている。これらの関係は昭和６０年特許願第１１３０
００号の第１図に示されており、巻線接続の配列例など
も昭和６０年特許願第１１３０００号に示され、その制
動巻船配列の関係は昭和６０年特許願第１２７４７９号
に述べられている。第１３図ではその回転電気機械の始
動時、開閉装置８３は接点８８の方へ、又開閉装置８４
は接点８９の方へ閉じ、励磁巻線７８はコンデンサー８
０を閉て、外部接続端子９２、９３の間に電機接続され
る。開閉装置８７は閉じて、中間端子８５と８６の間の
電位差を０とし、電源７３より外部接続端子９２、９３
の間の単相交流電圧を供給する・電機子巻線７４、７５
、７６、７７と励磁用巻線７８に電流が流れて回転磁界
が生じる。これに応じて回転子の励磁巻線に電圧を生じ
、界磁巻線に交流の電流を生じることは既述のとおりで
或る。

それにより同期回転速度に近い速度に達した時、開閉装
置８７を開放し、開閉装置８３，８４をそれぞれ接点９
０、９１の方に閉じ、励磁巻線７８に誘起される電圧を
整流器８１を通して中間端子８５、８６の間に加える。

それにより電機子巻線７４、７５、７６、７７には電源
７３からの負荷電流と励磁巻線７８からの励磁電流が流
れ、同期回転速度で駆動回転する。制御装置８２を制御
して整流器８１が制御され、励磁巻線７８から電機子巻
線７４、７５、７６、７７への励磁電流が制御される。

電機子巻線７４、７５、７６、７７へ供給される負荷電
流によって造られる磁極の極数と、励磁電流によって造
られる磁極の極数との関係は１対２又は２対１となる。

電源７３から外部接続端子９２、９３へ電力を加える単
相回路に周波数変換装置を接続しうる。

以上、説明をした本発明の作用効果をまとめると、次の
ようになる。すなわち固定子に電機子巻線を、回転子に
界磁巻線を設けた同期機構造をした回転電気機械をブラ
シレスで励磁機なし構造にしながら、円滑な始動を実施
せしめうる作用が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明は具体的な電機接続図例の中の固定子巻
線に関する図例で或る。第２図は本発明の具体的な電機
接続図例の中の回転子巻線に関する図例で或る。第３図
は本発明の適用中に用いうる制動巻線の配列例で或る。 第４図は本発明の具体的な電機接続図例の中、回転子巻
線に関する他の図例で或る。第５図は本発明の具体的な
電機接続図例の中、回転子巻線に関する他の図例であり
第６図は更に他の回転子巻線図例で或る。第７図は本発
明の電機接続図例中、固定子巻線部分に関する図例で或
る。本発明の回転子巻線へ適用した電機接続図例の他の
例が第８図に示される。第９図は本発明の電気接続図例
で或る。第１０図は本発明の電機接続図例中回転子部分
を除いた図例で或る。第１１図は本発明の電気接続中に
使いうる部分接続図例で或る。第１２図は本発明の電気
接続図例中、固定子部分に関する電機接続図例で或る。 第１３図は本発明の具体的な電気接続図例中、回転子部
分を除いた図例で或る。 次に図の主要な部分をあらわす符号は次に示すようなも
のが或る。 １：電機子巻線、２：中性点、３：固定子励磁巻線、４
：交流電源端子、５：順変換装置を構成する制御素子付
き整流器、６：コンデンサー、７：制御装置、８：回転
子励磁巻線、９：界磁巻線、１０：回転整流器、１１：
開閉装置、１２：コンデンサー、１３、１５、１５：電
機子巻線１の外部接続端子、１６、１７、１８制動巻線
導体、１９、２０：短絡導体、２１：制動巻線導体、２
２：抵抗、２３：開閉装置、２４：コンデンサー、２５
：サイリスター、２６：ツエナーダイオード、２７、２
８：中性点、２９：制御素子付き整流器よりなる順変換
装置、３０：電源端子、３１、３２、３３：外部接続端
子、３４：交流電源端子、３５：コンデンサー、３６：
周波数変換装置、３７：リアクトル、３８：順変換装置
、３９：逆変換装置、４０：固定子、４１：回転子、４
２、４３、４４：コンデンサー、４５、４６：開閉装置
、４７：速度変換装置、４８、４９、５０：コンデンサ
ー、５１：位相制御回路、５２：制御装置、５３：位相
基準、５４：ゲート制御回路、５５：開閉装置、５６、
５７：変成期、５８：始動用トランス、５９、６０：整
流器、６１、６２：開閉装置、６３、６４：制御装置、
６５、６６、６７：電機子巻線１の各相巻線、６８、６
９：中間端子、７０：中性点、７１：開閉装置、７２：
変成器、７３：電源、７４、７５、７６、７７：巻線素
子、７８：励磁巻線、８０：コンデンサー、８１：整流
器、８２：制御装置、８３、８４：開閉装置、８５、８
６：中間端子、８７：開閉装置、８８、８９：開閉装置
、９０、９１：接点、９２、９３：外部接続端子．

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を
   経て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、回転子励磁巻線より界磁巻線に接続され
   るべき整流器の直流側端子間に、界磁巻線へ交流を流し
   うる素子を接続するように配した回転電気機械の構造