JPS631396A - 可変速誘導電動機 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、トルク特性および効率が良く速度制御が容易
な可変速誘導電動機に関する。

従来技術とその問題点 誘導電動機の速度を制御する方法の一つとして電源周波
数を変える方法がある。この方法は連続的かつ広範囲な
速度制御が可能である半面、この方法で必要とする周波
数変換装置を高洒とし、また周波数変換装置により交流
を直流に変換して再度交流に変換する過程において一般
に高調波および電波が発生し、これらによってコンピュ
ーター，その他各種電気制御機器の誤動作あるいはコン
デンサーの過熱等の障害を招くことがあり、このうち高
調波障害に対しては、フィルターを設置することにより
対策を講じることもできるが、フィルターの設置にはコ
ストがかかる。また低速時において一般に性能が不十分
となる等の欠点を有するものである。

また、電動機の極数を変えて速度を制御する方法は、極
数の変換によって段階的に速度を変えることができても
、無段階的に滑かな速度制御をすることができない欠点
がある。

また、電源の電圧を変えて速度を制御する方法では、速
度制御が連続的に行える半面特に低速度領域において効
率が悪くなる欠点がある。

そして巻線型電動機において二次抵抗を変化させすべり
を変えて速度制御を行う方法は、比較的簡単に連続的な
速度制御が可能である半面、外部からブラシとスリップ
リングを介して回転子巻線回路へ抵抗を挿入するために
、ブラシの消耗による保守点検を必要とし、また、かご
形・誘導電動機は、二次抵抗を変化させて速度制御を行
うことができない問題点がある。

上記問題点に対処するものとして、特開昭５４−２９０
０６＠公報に開示される技術は、同軸で結合された双鉄
心としてなる２組の固定子鉄心および回転子鉄心と、各
固定子鉄心にそれぞれ巻装された固定子巻線と、各回転
子鉄心にそれぞれ巻装されかつ各相毎に巻線端子同志が
相互接続された回転子巻線と、各回転子巻線に対して各
相端子の相互間に介挿接続された共通始動抵抗とを備え
てなり、始動時には、各回転子巻線に誘起される起電力
が互に同位相に、始動後の運転時には起電力が互に逆位
相になるよう定めて各固定子巻線へ給電する双鉄心巻線
形誘導電動機であるが、このものは、回転子巻線に接続
されている共通始動抵抗は始動時のみ゛胃流が流れて高
抵抗トルク特性を与えるよう作用するが、運転時には接
続状態のままでも電流は流れず二次抵抗としては作用し
ないので、共通始動抵抗を回転子巻線とともに回転子側
に設置して両者を固定的に接続し、保守面で有利なブラ
シレス方式の実現化を図ることができ、また共通始動抵
抗を機外の外部抵抗としてスリップリングを介して接続
した場合にも、スリップリングの短絡スイッチを省略で
きる等の特徴を有するが、回転子を無段階的に変速でき
ないものであるために、変速制御を必要とする負荷の動
力源として使用することができないものであった。

そして、特開昭４９−８６８０７号公報に記載のものは
、多相巻線とがご形ロータとを備えたステータを有する
非同期電気モータであって伝導バー、短絡回路端環およ
び強磁積層がらなるものにおいて、ステータは第一と第
二の巻線区分からなり、これらの区分は相互におよびロ
ー夕の異る部分に隣接して共輪状に配置され、かつ同じ
周波数の交流を供給されることができ、また第二巻線区
分によりロータの巻ｉに誘導される起電力を変化する手
段を設けた非同期電気モータであるが、このものは、機
械的あるいは電気的手段により、２個のステーター区分
間の位相差を設けて回転速度を変えることができても、
位相角をＯ゜がら１８ｏ゜に向けて順増するごとにトル
クが低下する欠点を有するものであり、負荷を連結した
状態において、起動・停止を頓繁に反復する動力源とし
て効率が悪い問題点を未解決とするものであった。

発明の目的 本発明は、上記従来技術の欠点を改善し、速度制御領域
を広範囲に且つその速度制御を無段階的として任意の所
望速度に設定できると共に、任意のトルクで起動させる
ことができ、また、起動点から最高回転速度までの全速
度領域に亘り、高い効率で強大なトルクを発生する可変
速誘導電動機を提供することにある。

なお、本発明の可変速誘導電動機は、単相または３相の
いずれにも形成でき、回転子の形態は、普通かご形，二
重かご形，深溝かご形，特殊かご形，巻線形等のいずれ
の形式のものにも適用できるものであり、本発明の説明
に用いる導体とは、かご形回転子コアに装設した導体、
および巻線形回転子コアに巻装した巻線のそれぞれを総
称するものである。

また、本発明の説明に用いる方形波には、必ずしも直角
に限らず、部分的に曲線または斜線のあるものが含まれ
ることは学説のとおりであるが、本発明の方形波には原
則的に頂辺と底辺に水平直線部を有するものである。

問題点を解決するための手段 上記技術的課題を達成するために、本発明は、複数個の
回転子コアのそれぞれに装設した複数個の導体のそれぞ
れを連結して一体的な回転子に形成し、同一回転軸に任
意の間隔を設けて軸着した前記複数個の回転子コアに対
峙する外周部に複数個の固定子を機枠に並設し、前記複
数個の固定子のそれぞれに主巻線と励６１ｉ巻線を施し
、前記主巻線をそれぞれ並列して電源に連結するように
し、また前記励磁巻線のそれぞれを電流制ｌ２Ｄ装置ま
たは移相Ｒ構を備えた方形波交流電流発生器を介して電
源に連結するようにすると共に、前記複数涸の固定子の
うち少なくとも１個の固定子に関連して電圧移相装置を
付設したことにより問題点を解決する手段とした。

作　　用 本発明は、電圧移相装置により、それぞれの固定子間に
生起する回転磁界の磁束に位相のずれを生じさせると、
磁束の位相のずれに応じて回転子導体に誘起する電圧が
変化し、回転子導体に誘起する電圧を増減制御して回転
子の回転速度を任意に変えることができる。

ところで、複数個の固定子のそれぞれに生じる回転磁界
の磁束によって回転子導体に誘導電圧を誘起し、複数個
の固定子のそれぞれに生じる磁束の位相のずれに相応し
て回転速度を変速することができるものであるが、複数
個の固定子に巻装した励磁巻線に、方形波交流電流発生
器から流れる電流により任意の電気角ごとに瞬間的に変
る静止磁束である方形波磁束が生じ、方形波交流電流発
生器に備えた電流制御装置の制御による方形波磁束によ
って、回転子導体のインダクタンスは非常に小さくなり
、主巻線により誘起する回転磁束と励磁巻線からの方形
波磁束との両作用により大きなトルクを出すことができ
、すべり損失が少なく効率の高い電動機となる。

実施例 本発明の実施例を第１図〜第８図に基づき説明する。

第１図〜第４図により本発明の一実施例を説明する。（
第１図，第３図参照）示す符号１は誘導電動機であり、
該誘導電動機１は以下のように構成してある。鉄心から
なる回転子コア２，３を任意の間隔を設けて回転子軸４
に装着し、回転子コア２，３間に非磁性体コア９を介設
してある。回転子コア２，３に装設した複数個の導体５
・・・のそれぞれを直列に連結して一体的な回転子８を
形成し、その直列に連結した複数個の導体５・・・の両
端部を短絡環６，７に連結してある。また回転子コア２
，３．９に回転子８の両側部１０．１１に連絡する複数
個の通出胴１２・・・を設け、通風胴１２・・・から直
交状に回転子８の外周部に貫通する複数涸の通気孔１３
・・・を穿設してある。（第１図，第２図参照）円筒状
の機枠１４の両側部に設けた軸受盤１５．１６を連結棒
１７・・・にナット１８・・・留めして一体的に組付け
、回転子８の両側部に冷却用翼車１９．２０を装着し、
回転子軸４の両端部を軸受盤１５，１６に嵌装した軸受
２１．２１に軸支し、回転子４を回転自在としてある。

回転子コア２．３に対峙する外側部に第１固定子２４と
第２固定子２５を機枠１４に並設し、機枠１４と第１固
定子２４，第２固定子２５との間にすべり軸受２６．２
７を装設し、すべり軸受２６．２７を機枠１４に嵌装し
たストップリング２８・・・によって固定し、第１固定
子２４と第２固定子２５の一側外周面にギヤ−３３Ａ，
３３Ｂを嵌着してある。（第２図，第３図参照）懇枠１
４の外周部に固設したパルスモーター３５に駆動用歯車
３６を軸着し、別枠１４の外側部に装着した軸受台３２
に中継軸２９を回転自在に軸架し、中継軸２９の両端部
に中継用歯車３０と回動用歯車３１とを軸着し、義枠１
４に設（プた間口部３７．３７から駆動用歯車３６と回
動用歯車３１とを義枠１４内に挿入し、回動用歯車３１
を第２固定子２５に嵌着したギャー３３８に係合させ、
駆動用歯車３６を第１固定子２４に嵌着したギヤ−３３
Ａに係合させると共に、駆動用歯車３６と一体的に形成
した連動歯車３４に中継用歯車３０を係合し、第１固定
子２４と第２固定子２５とを回転子８と同心的に回動自
在に形設し、第１固定子２４と第２固定子２５とにより
電圧移相装Ｍ３８に形成し、可変速誘導電動機としてあ
る。３９は排風孔、４０は、軸受盤１５．１６に複数個
穿設した通風孔である。

次に、第１固定子２４と第２固定子２５のそれぞれに巻
装する巻線について説明する。（第４図参照）第１，第
２固定子２４．２５のそれぞれにスター結線を施した主
巻線２２Ａ．２３Ａと励磁巻線２２Ｂ．２３Ｂを巻装し
、主巻線２２Ａ．２３Ａのそれぞれは３相電源に連結し
、また３相電源に連結した整流器，抵抗器，変圧器等の
電流制御装置または移相機構を備えた例えば周波数不変
のサイリスタを応用した方形波交流電流発生器４１Ａ，
４１Ｂを励磁巻線２２Ｂ．２３Ｂだけに連結してある。

以下に上記構成における作用を説明する。

第１，第２固定子２４．２５の主巻線２２Ａ，２３Ａに
３相電源から通電することにより生じる回転磁束と、方
形波交流電流発生器４１Ａ，４１Ｂから励磁巻線２２Ｂ
．２３Ｂに通電するに伴い生じる方形波磁束との合成磁
束が第１，第２固定子２４．２５に発生し、両固定子２
４，２５から回転子８の導体５・・・に電圧が誘起ざれ
、回転子８の導体５・・・に電流が流れて回転子８は回
転する。

電圧移相装置３８を形成する第１，第２固定子２４．２
５とに任意に回動差を設けた場合、即ち両固定子２４．
２５間に任意の位相のずれを設けた場合につき説明する
と、第１，第２固定子２４．２５の作る回転磁界の磁束
φ１，φ２の位相はθだけずれており、そのため、第１
，第２固定子２４．２５から回転子８の導体５・・・に
誘起する電圧ｄ１，ωのベクトルはθだけずれている。

そこで、第２固定子２５から回転子８の導体５・・・に
誘起する電圧白２を基準とし、該電圧６＝ＳＥとすると
（Ｓはすべり、Ｅはすべり１のときの誘起電圧），第１
固定子２４から回転子８の導体５・・・に誘起する電圧
ｄ１はベクトル方向がθだけずれていることから、６＋
　＝　Ｓ　Ｅεｊ８となり、回転子８の導体５・・・に
誘起する電圧ｅは、ｅ　−１＋＋６２＝ＳＥεＪＩＩ＋
ｓＥ＝ｓＥ　（１＋εＪｌｌ　）となる。一方、Ｒ・・
・回転子８の導体５・・・の抵抗，し・・・回転子８の
導体５・・・のインダクタンス，Ｓ・・・すべり，ω・
・・電源角周波数とすれば、回転子８の導体５・・・の
インピーダンス之は、之＝　Ｒ　＋　ｊｓωＬ　となり
、回転子８の導体５・・・に流れる電流は、■＝ｅ／之
＝（ｄ１＋ω）／之＝ＳＥ　（１＋εＪｌｌ）／之　と
なる。

上記のことから、第１，第２固定子２４．２５側からみ
た回転子８の電気的等価回路は第５図に示すとおりとな
り、第１，第２固定子２４，２５によって形成する電圧
移相装置３８により電圧の位相にずれを設けると、回転
子８の導体５・・・に流れる電流！の大きさを変えるこ
とができ、回転子８０回転速度を変えることができる。

またすべりＳが大きくなると等価抵抗Ｒ／Ｓが小さくな
るので電流Ｉは太き《なる。

回転子８の起動時には、電圧移相装置３８の第１，第２
固定子２４．２５間に作る回転磁界の磁束の位相のずれ
を大きくして回転子８の導体５・・・に流れる電流■を
定格電流またはそれ以下にする。しかしこの場合、回転
子８の導体５・・・に流れる電流　Ｉ２ＸＲ／Ｓ　　が
　Ｓ＝１のとぎには非常に小さくなり、起動トルクが小
さくなる。しかしながら、第１，第２固定子２４．２５
のそれぞれに巻装した励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに方形波
交流電流発生器４１Ａ，４１Ｂから励磁電流を流し、励
磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに任ｋの電気角で（例えば６０゜
、但し、６０゜に限定されるものではなく、以下は説明
を容易とするために６０゜のみにて述べる）ごとに瞬時
的に変動する静止磁束である方形波磁束を作り、第１，
第２固定子２４．２５の主巻線２２Ａ，２３Ａによって
生起する回転磁束と前記方形波磁束との合成磁束を回転
子８の導体５・・・に流し、合成磁束の作用により大き
なトルクを出すようにする。

さらに、方形波磁束の作用について詳述すると、第６図
に示すように方形波交流電流を励磁巻線２２Ｂ．２３Ｂ
のそれぞれに方形波交流電流発生器４１Ａ．４１Ｂから
流すと、第７図に示すように、方形波磁束は電気角で６
０゜ごとに瞬間的に変る静止磁束であり、時刻Ｔ１にお
いては図中Ｏ゜で示す方向に方形波磁束ができ、時刻Ｔ
２において図中６０゜で示す方向の方形波磁束に移る間
の時刻ＴＯからＴ１までの間には、方形波交流電流ｉａ
，　ｉｂ，　ｉｃ相に流れる励磁電流に変化のない静止
磁束となる。この静止磁束の状態を示すものが第８図で
あり、励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに流れる方形波交流電流
のうち、方形波磁束０゜のときを示す時刻Ｔ１において
、ｉａ相に流れる方形波磁束は時刻Ｔｏ−Ｔ＋において
十電流のみであるがその時刻中に変動がなく、また、ｉ
ｂ相においてはステップ期にあるが＋・−それぞれが同
量的に流れ、そして、ｉｃ相においては、一電流のみで
あるが、その時刻中に変動がなく、結局ｉａ相とｉｂ相
に流れる方形波磁束の＋・一は相殺され、ｉｂ相の方形
波磁束も自相で相殺されることとなるものであるから、
第１，第２固定子２４．２５には常時同一容量の方形波
磁束が飽和状態に流れていることとなる。上記のことか
ら、静止磁束は　Ｖωｔ＝π／３の間隔で６０゜ごとに
その位置をステップ状に変動しても方形波磁束の容聞は
変動しないものである。

したがって、回転子８の起動時には、電圧移相装置３８
となす第１，第２固定子２４．２５の回動差を大きくし
て両固定子２４．２５間に生起する回転磁界の磁束の位
相のずれを大きくし、また、方形波交流電流発生器４１
Ａ．４１Ｂから励磁巻線２２８．２３Ｂに定めた最大の
方形波交流電流を流し、第１，第２固定子２４，２５に
生起する方形波磁束を両固定子２４，２５に飽和させる
と共に、前記主巻線２２Ａ，２３Ａによって生起した回
転磁束と方形波磁束との合成磁束を回転子８の導体５・
・・に流すことにより、大きな起動トルクを確保できる
。そして、回転子８の回転速度を高速回転領域に向けて
変速する場合には、第１，第２固定子２４．２５の回動
差を小さくして両固定子２４．２５に生起する磁束の位
相のずれを小さくすると共に、電流制御装置の調整によ
り励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに生起する方形波磁束の電流
を小さくするようにする。励…巻線２２８．２３８に生
起する方形波磁束を両固定子２４．２５に飽和させて回
転子８の導体５・・・に電流を流すので、回転子８の導
体５・・・に発生するインダクタンスは非常に小さくな
り、主巻線２２Ａ．２３Ａに生起する回転磁束と、励磁
巻線２２Ｂ．２３Ｂの方形波磁束とは効率的に回転子８
の導体５・・・に作用し、それぞれの変速領域において
すべり損失を小さくでき、大きなトルクを出すことがで
きる。

なお、励磁巻線２２８．２３８に流れる方形波電流を作
るために、電流制御装置あるいは方形波交流電流発生器
４１Ａ．４１Ｂにより仮に高調波が発生しても、励磁巻
線２２Ｂ．２３Ｂに流れる電流は主巻線２２Ａ．２３Ａ
に流れる電流の約１／１０程度であり、また、方形波交
流電流発生器４１Ａ．４１Ｂによって作る方形波交流電
流のためのスイッチング回数は、インバータにおける異
周波数電流を作る場合のスイッチング回数よりも大幅に
少なく、商用電源への影響はないものであり、万全を期
すためフィルターを設けて安全処置を講じるとしてもそ
の設備費を廉価とする。

また、電流制御装置の代りに、方形波磁束の位相を切換
える移相機構を方形波交流電流発生器に連結し、回転子
８の起動時において、回転子８の導体５・・・に流れる
誘起電圧の位相は９０゜遅れるものであるから、移相礪
構により励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに流れる方形波交流電
流の位相を９０”送らせることにより、回転子の導体５
・・・のインダクタンスを小さくして起動トルクを大き
く、またそれぞれの速度領域における効率を高くするこ
とができる。起動時から最高回転速度に向けて任意の速
度に変速するときは、第１，第２固定子２４．，２５間
に生じる位相のずれに合わせ、励磁巻線２２８．２３Ｂ
に流れる方形波電流の位相を９０゜からＯ゛に向けて移
相Ｆ！ｓ．溝により制御する。

上記回転子８の回転により、軸受ｆｉ１５．１６に穿設
した通風口４０・・・から冷却用翼車１９，２０により
殿枠１４内に外気を吸引し、冷却用翼車１９．２０によ
り第１，第２固定子２４，２５、主巻線２２Ａ．２３Ａ
．励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂのそれぞれに通風して冷却し
、また通風胴１２・・・を介し通気孔１３・・・に流通
させる風により回転子コア２，３、導体５・・・等を冷
却してそれぞれの灘能を安定的に作用させる。また、第
１，第２固定子２４．２５の回動はパルスモーター３５
をスイッチにより正・逆回転させて位相のずれを制御す
るが、両固定子２４．２５の位相制御に合わせて方形波
交流電流発生器４ＩＡ，４１Ｂに連結した移相懇構によ
り励磁巻線２２Ｂ，２３Ｂに流れる電流の位相を主巻線
２２Ａ，２３Ａに流れる電流の位相と同相に制御する。

第１，第２固定子２４．２５の回動駆動源としてはパル
スモーター３５に限定されるものではなく他の正逆転モ
ータでも、また気体，液体シリンダー等によるサーボ機
構等任意の駆動装置を転用できるものであり、また手動
ハンドルによって操作する場合と第１固定子２４と第２
固定子２５のいずれか一方のみを回動する場合もある。

そして、固定子の回動駆動装ほの作動に関連して固定子
の回動を任意の作動殿構により開放またはロックをする
。

なお、電圧移相装置は上記実施例に限定されるものでは
なく、位相変換スイッチ，単相変圧器と結線切換スイッ
チとにより構成する移相器、あるいは誘導電圧調整装置
等を使用してもよい。

また、回転子コアに巻線を施してそれぞれを連結して一
体的な回転子に形成してもよく、その巻線および固定子
の巻線はスター結線，デルタ結線のいずれをも使用する
ことができる。

そして、電圧移相装置と電流制御装置または移相礪構を
備えた方形波交流電流発生器とを電気的に連結し、回転
子に求められる回転速度を最も効率的とする自動制御運
転を行うようにできることは勿論のことである。

発明の効果 上記に説明した如く本発明によれば、方形波交流電流発
生器に連結した励磁巻線によって方形波磁束を固定子に
作るので、方形波磁束によりインダクタンスは非常に小
さくなり、主巻線によって生じる回転磁束と励磁巻線に
よって生じる方形波磁束とを効率的に回転子導体に作用
させることができ、すべり損失を少なくして効率を向上
すると共に、回転磁界の磁束の位相のずれを変えるだけ
で容易に任意の回転速度に変速することができ、それぞ
れの変速領域においてほぼ直流モーターと同等のトルク
性能を確保できるので、負荷の起動特性に合わせて滑ら
かな起動あるいは任意の特性による起動が行えるので起
動・停止・変速を頻繁に反復する電動門として顕著な効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は、本出願の実施例図である。 第１図は誘導電動機の側断面図、第２図は固定子の回動
機構を示す側面図、第３図は固定子の回動機構を示す一
部を破断した側面図、第４図は固定子に巻装する主巻線
と励磁巻線の結線図、第５図は回転子の電気的等価回路
図、第６図は方形波交流電流の説明図、第７図は静止磁
束の変動角説明図、第８図は静止磁束の変動説明図であ
る。 １・・・可変速誘導電動機 ２．３・・・回転子コア　　４・・・回転子軸５・・・
導体　　　　　　　６．７・・・短絡環８・・・回転子
　　　　　　９・・・非磁性コア１Ｃ）．１１・・・側
部　　　１２・・・通風胴１３・・・通気孔　　　　　
１４・・・軸１５．１６・・・軸受盤　　１７・・・連
結棒１８・・・ナット　　　　　１９．２０・・・冷却
用翼車２１・・・軸受　　　　　　２２Ａ．２３Ａ・・
・巻線２２Ｂ，２３Ｂ・・・励磁巻線　２４・・・第１
固定子２５・・・第２固定子　　　２６．２７・・・す
べり軸２８・・・ストップリング　２つ・・・中継軸３
０・・・中継用歯車　　　３１・・・回動用歯車３２・
・・軸受台　　　　　３３Ａ，３３Ｂ・・・ギャー３４
・・・ボルト　　　　　３５・・・パルスモーター３６
・・・駆動用歯車　　　３７・・・開口部３８・・・電
圧移相装置　　３９・・・排風孔４０・・・通風孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、複数個の回転子コアのそれぞれに装設した複数
   個の導体のそれぞれを連結して一体的な回転子に形成し
   、同一回転軸に任意の間隔を設けて軸着した前記複数個
   の回転子コアに対峙する外周部の固定子のそれぞれに主
   巻線と励磁巻線を施し、前記主巻線をそれぞれ並列して
   電源に連結するようにし、また前記励磁巻線のそれぞれ
   を電流制御装置または移相機構を備えた方形波交流電流
   発生器を介して電源に連結するようにすると共に、前記
   複数個の固定子のうち少なくとも１個の固定子に関連し
   て電圧移相装置を付設したことを特徴とする可変速誘導
   電動機。
2. （２）、前記複数個の固定子のうち少なくとも１個の固
   定子を前記回転子と同心的に回動自在に形設して前記電
   圧移相装置に形成した特許請求の範囲第（１）項記載の
   可変速誘導電動機。