JPS62244258A - 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
のである。それは同期発電機や同期電動機のみならず、
サイリストモ−タ−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及び、また単相機だけではなく、三
相機のような多相機にまでも関連するものである。然し
、説明を簡略化させるため、単相同期発電機を主体に限
定的説明をすることにするが、本発明は回転電気機械全
般に適用しうるものであることに注意されるべきである
。

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年度特許願第２
１７６２５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、無負荷持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だけ配列され、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
使われていない溝空間を使って上記の負荷への電力供給
用電機子巻線２、３、７、８の中を通る電流を減じうれ
ば、上記電機子巻線２、３、７、８の断面寸法を小さく
しうるのみならず、効率も高く改善しうる。

昭和５９年特許願第１６７２０８号では第１図の固定子
巻線接続に示すように、固定子電極子巻線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、固定子内に電機子
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■■、それにより巻線２と３に励
磁電流を流入するのである。

このようにして単相同期発電機は簡略化し、且つ効率も
向上させうるが、ここに一つの問題点がある。それは単
相発電機に固有な電圧波形ひずみがあり、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。昭和
６０年特許願第１５０４５号ではその発生交流電圧波形
を正弦波に近づけるため、回転子巻線に二重三相巻線が
整流器と共に接続されている。然し、これには次のよう
な問題点がある。すなわち、二重星形三相巻線の中性点
より巻線中に入る直流励磁電流によって造られる磁極が
部分的に抹消し合い、励磁効率が良くない結果となる。

又、三相間で均衡のとれた電流が流れる結果とならない
。

本発明の第一の目的はブラシレス、励磁機なし単相同期
発電機の発生交流電圧波形を正弦波に近づかしめるに際
し、励磁効率を向上せしめ、且つ界磁巻線に均衡のとれ
た電流を流し、正弦波効果を強めることにある。

本発明の第二の目的はブラシレス、励磁機なし同期機構
造の回転電気機械の励磁効率を向上せしめることにある
。

上記の目的を達成せしめるため、本発明では具体的な電
機接続図例の組み合わせである第１図と第５図の組み合
せに示されるように、固定子に負荷電流を通す電機子巻
線部１０を、又回転子に界磁巻線部１５を設け、上記固
定子に装備された励磁巻線部２、３、７、８に励磁電力
を供給するように配列し、電機子巻線部２、３、７、８
の鎖交する磁気回路と励磁巻線部の２、３、７、８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２、３、７、８に流すことにより造られる磁極
の極数と、上記電機子巻線部２、３、７、８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２、３、７、８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１３が切って回転子励磁巻線部１３に励磁電圧を誘起
させ、その励磁電圧により界磁巻線部１５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１３より
回転整流器１６を経て、界磁巻線１５に直流界磁電流を
供給する接続とし、界磁巻線１５を二相巻きとし、整流
器１６の直流側回路において二相の巻線の各相１７、１
８に並列的に直流が流れるように配列するのである。

上記の説明において、第１図を使ったが、第１図では固
定子の電機子巻線部２、３、７、８と固定子励磁巻線部
が同一巻線部であるから、その鎖交する磁気回路は当然
、兼用する配列となる。

第１０図は固定子電機子巻線１０と固定子励磁巻線２４
が異なる巻線である場合を示す。電機子巻線１０は中性
点２０を中心に星形に接続され、その外部接続端子２１
、２２、２３は外部接続電気機器と電気接続される。電
機子巻線１０と励磁巻線２４が発電機のそれである場合
には外部装置電気機器はその発電機の負荷となるが、電
機子巻線１０と励磁巻線２４が電動機のそれである場合
には外部設置電気機器は発電機或いは交流電源となる。

外部接続端子２１、２２、２３からコンデンサ−２６、
２７、２８を経て制御素子付き整流器２５を通して励磁
巻線２４に電気接続される。励磁巻線２４の電源は、電
機子巻線１０と励磁巻線２４が電動機のそれである場合
には、電機子巻線１０そのものとなるが、電機子巻線１
０と励磁巻線２４が電動機のそれである場合には、外部
接続端子２１、２２、２３に接続される外部交流電源と
なる。巻線２と３に対し、巻線６の関係は互いに異った
相を造り、謂わば互いに異った不平衡二相を造ることに
なる。これを第１１図の具体的な電機接続図例で示す。

第１１図では端子１から端子９までの間に並列接続され
た巻線が存在する。巻線接続２はコイル片１−１３−２
−１−４−３−１５より成り、巻線接続３はコイル片３
３−２１−３２−２０−３１−１９より成る。端子４と
５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の３６−２４−３５−
２３−３４−２２及び４−１６−５−１７−６−１８よ
り成る。第１１図では巻線配列が単層巻として配列され
る。励磁巻線として配列される巻線接続６はコイル片９
−２７−１０−２８より成る。励磁巻線６から巻線２、
３、７、８へ励磁電力が供給される。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
コイル片が設けられるのはその２／３の２４溝である。

このように溝の７〜１２の間及び２５〜３０の間は負荷
へ電力を供給するコイル片は設けられず、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
。

このような負荷の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図及至
第４図に示す。これらの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図で
は励磁巻線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、コンデンサ−１１を直列
接続する。第２図では更にその上に直列に整流器ブリツ
ジ回路３４が接続される。励磁巻線６の端子３２と３３
も示されるが、ブリツジ回路３４の中、二個の制御素子
付き整流器３５も示される。第２図ではこの制御素子付
き整流器３５を制御して励磁電流を制御しうるので、自
動的に電圧調整しうる。電機子巻線２、３、７、８の中
の電流方向は負荷電流が実線矢印、励磁電流は点線矢印
で第２図に示される。点線矢印の方向は不変であるが、
実線矢印の方向はある瞬間の状況を示す。このようにし
て実線矢印で作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−１１の接続だけで
ある。第４図では励磁巻線６に対し、整流器ブリッジ回
路３４の交流入力端子と並列に接続されるのに、第２図
では直列に接続される。これらの励磁電流は直流である
から磁極は固定磁極となる。第３図では励磁巻線６から
電機子巻線の中間端子４、５に到る間に変成器３６が接
続される。変成器３６はその一次電圧巻線３７、電流巻
線３８、二次巻線３９より成り、交流励磁の接続となる
。

本発明ではこのような固定子巻線に対し回転子を第５図
や第６図のように二相交流巻線接続による界磁巻線を持
つことを特長とする。

第５図と第６図には回転子に装備される巻線接続が示さ
れる。固定子励磁巻線によって造られる磁極の極数と同
一の極数をもった回転子励磁巻線１３から回転整流器１
６を経て二相の巻線１７−１８へ図のような電機接続を
する。二相の巻線１７と１８を整流器１６の直流側回路
で並列的に接続する。この場合、並列的に接続とは第１
５図に示すような接続も含まれる。第１５図では界磁巻
線１５を形成する二相巻線１７と１８に対してそれぞれ
二相励磁巻線１３を形成する二相巻線４０と４１からそ
れぞれの整流器４５，４６を経て界磁電流を供給する。

界磁巻線１７と１８の端子４３と４４の間の接続４２が
ない場合も含まれる。

３０と３１は抵抗を示すが、第５図、第６図でも同様で
ある。

第７図は第５図や第６図の励磁巻線１３と界磁巻線１５
の溝１９中の配列を示す。励磁巻線１３も界磁巻線１５
もニ層巻とし、励磁巻線１３の断面積は界磁巻線１５の
断面積とくらべて非常に小さくてよい。

第８図と第９図は組合せて界磁巻線１５と励磁巻線１３
の例である。何れも二相巻であり、第８図は２極、第９
図は４極巻線であり、これにより第６図の巻線配列とす
れば全体の溝中の巻線配列が極めて効率的な配列となる
ことが判る。

第１２図は第１図及至第４図で述べた単相機と異なり、
三相器の固定子が示されている。電機子巻線１０は二重
星形接続をし、三相巻線を形成する各相の巻線は第１図
の巻線２、３、７、８に対応した巻線接続をする。その
巻線接続は例えば昭和６０年特許願第１２７４７９号に
述べたような接続とし、負荷電流が流れた時、黒色矢印
の方向の瞬時電流が流れ、零時電流は空白矢印のような
方向に流れる。このようにして負荷電流が電機子巻線中
を流れる時に造られる磁極の極数と励磁電流が電機子巻
線中を流れる時に造られる磁極の極数との関係は、その
一方が１とすると他方が２と云う関係である。第１２図
では交流母線４７から周波数変換装置４８を経て電機子
巻線１０に電力が供給される。この場合の周波数変換装
置４８は逆変換装置４９、リアクトル５０及び順変換装
置５１の組合せより成る。逆変換装置４９はそれを構成
する制御素子付き整流器を制御する制御装置５２により
制御される。順変換装置５１もその制御装置５３により
制御される。

第１２図では交流母線４７からコンデンサ−５４を経て
変成器５５、５６、５７を通して整流器５８、５９、６
０を経過して電機子巻線１０の各相の中間点４、５に電
気接続されることにより励磁電流が供給される。これら
の励磁電流は整流器の制御装置６１、６２、６３により
制御されうる。

第１３図、第１４図、第１６図は第５図や第６図の電気
接続の変形図である。巻線１７と１８により二相巻線を
形成する。６５はその接続点であり、６４はその接続線
である。例えば固定子励磁巻線を４極巻線とし、固定子
電機子巻線に負荷電流を通した時の磁極極数を２極巻線
とする場合、回転子二相巻線１７、１８を４極巻線とし
て、それに起電力を誘起せしめて電流を流すと、回転子
は２極磁界が造られる。このように固定子の励磁巻線の
極数を負荷電流による電機子巻線の極数の２倍とし、一
方回転子二相巻線の第１３図、第１４図、第１６図にお
ける巻線極数配列を固定子励磁巻線の極数と同一極数と
した場合、回転子巻線に流れる直流で造られる磁極が電
機子巻線の極数と同一になるのは、回転子巻線１７や１
８のインダクタンスが大きく、起電力が０〜２πの間に
直流を流す結果となるからである。

第１７図は既に示した回転子溝第７図を変■したもので
ある。すなわち、励磁巻線１３を溝１９中の浅い所にお
き、ニ相界磁巻線１５を溝１９の中の深い所におくので
ある。且つ励磁巻線１３も界磁巻船１５も１層巻とする
。

このように励磁巻線１３を溝中に浅く、界磁巻線１５を
深く置けば、次の長所がある。鉄心表面に近い導体すな
わち励磁巻線１３の漏れ磁束は同じ周波数の電流に対し
て小さく、内側の導体すなわち界磁巻線１５は漏れリア
クタンスが大きい。

励磁巻線１３に対しては周波数の比較的高い電圧、が誘
起されるので、それに対し漏れ磁束が小さいから、見か
けのインピ−ダンスが小さく電流を通しやすい。界磁巻
線１５に対しては直流が流れるので、インピ−ダンスの
中、抵抗だけが存在し、リアクタンスはないから、電流
は通りやすい。従って、第５図や第６図のような励磁巻
線と界磁巻線の電気接続回路では総合的に電流を通しや
すい結果となる。

以上述べてきた本発明の作用効果をまとめると次のよう
になる。

（１）励磁機なし単相同期発電機の発生交流電圧波形を
正弦波に近づかしめるのに強い効果がある。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■はその振幅の最大値を■■
とすると、■■／２なる振幅をもち、互いに反対方向に
同期周速度■で回転する二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■■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
。問題は逆相分回転磁界の■■で、同期速度の２倍の速
度で界磁巻線を切って、界磁巻線には２倍周波数の交流
起電力を誘導する。従って、界磁巻線には直流に重疊し
て２ｆ［Ｈｚ］の電流が流れる。ただしｆ［Ｈｚ］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
線は単相巻線になっているから、この２ｆの電流による
超磁力は界磁巻線軸に対して互いに反対方向に２ｗ１で
回転する磁界をつくり、回転子はｗ１で回転するため、
結局固定子に対し３ｗ１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。電機子巻線に第三高
調波電流が流れると、上記と同様の理由で界磁巻線に４
ｆ、電機子に５ｆの電圧を誘導する。このようにして電
機子に３、５、７・・の高調波電圧を誘導し、電圧被形
をひずませる。

これに対し、本発明では回転子巻線を平衡二相巻線とし
て用い、界磁巻線と励磁巻線にしている・直流界磁電流
に重疊して２ｆの平衡二相電流が流れるが、これによる
超磁力は一方向の界磁磁界しか造らないから、結局逆相
分回転磁界と同方向に、回転子に対して２ｗ１、電機子
に対して２ｗ１−ｗ１＝ｗ１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超電力を誘導するだけ
で、高調波は発生しない。従って端子電圧は負荷のいか
んにかかわらず、正弦波形を保ちうる。

（２）単に単相発電機のみならず、広くブラシレス、励
磁機なし同期機構造の回転電気機械の励磁効率を向上せ
しめうる。この場合の励磁効率とは固定子に與える励磁
電流を分母とし、回転子に得られる磁束を分子として考
えた効率を云い、■に磁束を回転子に得るために、固定
子に與える励磁電流が小さいのを励率効率が高いと云う
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的電気接続図において回転子の電
気接続を除いた部分の接続を示した図例である。第２図
は第１図の一変形図例、第３図は第１図の他の一変形図
例、第４図は更に他の一変形図例である。第５図は本発
明の電気接続の具体例を示したもので、回転子部分の接
続を示す。第６図は第５図の一変形図例である。第７図
は第５図や第６図に示された回転子巻線の溝中における
配列図例を断面的に示したものである。第８図は第５図
や第６図における界磁巻線の配列を電気接続的に示した
図例であり、第９図は第５図や第６図の励磁巻線の配列
を電気接続的に示した図例である。第１０図は本発明の
電気接続図例において回転子接続を除いたものである。 第１１図は本発明の固定子に設けられた巻線の接続配列
図例である。第１２図は第１１図の一変形図例である。 第１３図は第５図や第６図の一変形図例である。第１４
図は他の変形図例であり、第１５図は更に他の変形図例
、第１６図は更に別の変形図例である・第１７図は第７
図の一変形図例である。 次に図の主要な部分をあらわす符号には下記のようなも
のがある。 １；　９；固定子電機子巻線の外側端子、２；　３；　
７；　８；巻線接続、４；　５；電機子巻線の中間端子
、　６；励磁電力源巻線、１０；電機子巻線、　１１；
コンデンサ−、１２；負荷、　１３；回転子励磁巻線、
　１４；外部接続電線、　１５；界磁巻線部、　１６；
回転整流器、　１７、１８；界磁巻線部を構成する二相
の巻線の各相、　１９；溝、　２０；中性点、　２１、
２２、２３；外部接続端子、　２４；励磁巻線、　２５
；制御素子付き整流器、　２６、２７、２８；コンデン
サ−、　２９；制御装置、　３０、３１；抵抗、　３２
、３３；巻線６の端子、　３４；整流器ブリッジ回路、
　３５；制御素子付き整流器、　３６；変成器、　３７
；一次電圧巻線、　３８；電流巻線、　３９；二次巻線
、　４０，４１；二相巻線を構成する各相の巻線、　４
２；端子間接続、　４３、４４；端子、　４５、４６；
整流器、　４７；交流母線、４８；周波数変換装置、　
４９；逆変換装置、５０；リアクトル、　５１；順変換
装置、　５２、５３；制御装置、　５４；コンデンサ−
、　５５、５６、５７；変成器、　５８、５９、６０、
６１、６２、６３；制御装置、　６４；接続線、６５；
接続点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   り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
   子励磁巻線部に励磁電圧を誘起させ、その励磁電圧によ
   り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回転整流器を経て界磁巻線に直流
   界磁電流を供給する接続とし、界磁巻線を二相巻きとし
   、整流器の直流側回路において二相の巻線の各相に直流
   が流れるように配列した回転電気機 械の構造。