JPS63186592A - 単相電源より電力を供給される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構造に関する
もので、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。

同期機をブラシレス構造にする試みは種々あつて、本発
明者も数多くの出願発明を持つている。

その中で単相電源より電力を得る電動機の場合、若干の
問題を生じることが考えられる。昭和６０年特許願第１
１３０００号では電機子巻線に負荷電流と励磁電流を同
時に流すのであるが、その励磁電流の供給巻線に誘起さ
れる電圧が電気機器の回転速度が低くなると、かなり低
くなり、電機子巻線に所期の励磁電流を供給することが
難しくなり、回転速度の低い領域での速度制御が難しい
。

電動機において励磁電流と負荷電流をそれぞれ分離して
制御しうることは制御の面から見て極めて重要なことで
ある。その中、単相電源より電力を供給される電動機に
おいて速度を高速領域から低速領域に到るまでの広範囲
にわたり制御することは必要度の高いものであり、その
電動機の構造をブラシレスで励磁機なし構造とし、而も
その励磁電流を簡単に制御しうるようにすることは重要
な価値がある。

本発明はこのように単相電源から電力を供給する電動機
において電動機の構造をブラシレスで励磁機なし構造と
しながら、速度を高速領域から低速領域に到る広範囲速
度制御を可能ならしめ、且つ励磁電流を負荷電流とは分
離して制御可能ならしめることを目的とする。

このような目的を達成せしめるため、具体的な本発明の
電気接続図の部分図例の第１図に見られるように、固定
子に負荷電流を通す電機子巻線部１と励磁電流を流す励
磁巻線部２を、又回転子に第２図に見られるように界磁
巻線部３と４を設け電機子巻線部１の鎖交する磁気回路
と、励磁巻線部２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に流すことによつて造
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５，６が切つて回
転子の励磁巻線部３，４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５，６と回転整流器７，
８で接続された界磁巻線部３，４に電流を流し、界磁極
を造る配列において、単相電源９から周波数変換装置１
０を経て上記電機子巻線部１に電力を供給するように配
列すると共に、上記単相電源９から上記固定子励磁巻線
部２に励磁電力を供給するように配列し、それにより交
番磁界を生ぜしめるように配列するのである。

第１図において、励磁電流制御装置１１により固定子励
磁巻線部２へ供給される励磁電流が制御されうることが
示される。又周波数変換装置１０の中には順変換装置１
２と逆変換装置１３及びコンデンサー１４の電機接続が
示され、一種の周波数変換装置の例として示される。第
１図の周波数変換装置１０は電圧形逆変換装置を含む場
合であり、コンデンサー１４を接続しているが、インダ
クタンスを接続する電流形逆変換装置を含む場合も考え
られる。

単相電源９からの電力を順変換装置１２により直流に変
換して、これを逆変換装置１３により交流に変換する。

逆変換装置１３は制御素子付き整流器によつて構成され
ており、順変換装置１２も同様であるが、これら制御素
子付き整流器の制御素子回路を制御して電機子巻線１に
加える交流電力の周波数を制御しうる。

第１図の電機子巻線部１は必らずしも三相巻線である必
要はなく、後述のように単相巻であつても良い。然し、
三相の電機子巻線の場合、その中を流れる三相電流によ
つて回転磁界が造られるため、始動時や通常運転時に強
いトルクを出しうる利点がある。第１図で周波数変換装
置１０に入つてくる単相電源９からの交流電力を順変換
装置１２により直流に変換し、それを逆変換装置１３に
より三相交流に変換し、これを電機子巻線１に■える。

電機子巻線１に■える交流によつて造られる回転磁極の
極数を例えば４極とし、励磁巻線２に■える交流励磁電
流によつて造られる交番磁極の極数を８極とする。第２
図は回転子における巻線間の電気接続を示したものであ
る。第１図の固定子励磁巻線２と同一の極数を持つ回転
子励磁巻線５と６で二相巻線を構成する。この場合の例
では８極であり、固定子励磁巻線２に流れる電流により
回転子励磁巻線５，６に電圧を誘起し、その交流電圧を
回転整流器７，８で整流し、その直流が二相の界磁巻線
３，４に加えられ、界磁極が電機子巻線１の中を流れる
負荷電流によつて造られる磁極の極数と同一の極数を持
つことになる。この例では４極の界磁極が造られる。同
期機本体と励磁機として働らかせられる励磁巻線回路と
がその磁気回路部を兼用するのであり、このような場合
、固定子と回転子の間で同一極数を持つ固定子励磁巻線
と回転子励磁巻線の間で作用し合い、回転子界磁極と、
これと同一極数の電機子巻線部との間で作用し合う。然
し、互いに２対１の極数を持つ固定子の励磁巻線と回転
子の界磁巻線との間では作用し合わないし、回転子の励
磁巻線と固定子の電機子巻線との間も作用し合わない。

第１図では固定子励磁巻線２へ交流電源９から交流励磁
電流が供給される。従つて回転子が停止又は停止に近い
低速で回転していても固定子励磁巻線２の中を流れる交
流励磁電流により造られる交番磁束を回転子励磁巻線５
，６が大きく切つてかなり高い励磁電圧を誘起すること
になる。結局その励磁電圧を整流器７，８を経て界磁巻
線３，４に加えることになるから、界磁巻線３，４には
回転子の停止に近い低速時においてもかなり大きい界磁
電流を流すことになる。第１図では電機子巻線部１に対
し単相交流電源９から周波数変換装置１０を経て交流電
力を供給し、この周波数変換装置１０の出力周波数を広
範囲に制御し、例えば６０Ｈｚ〜６Ｈｚの範囲にわたり
制御しうるようにする。このように出力周波数を制御し
て、電機子巻線部１に■える交流によつて造られる回転
磁界の回転速度を広範囲に制御しうる。例えば周波数変
換装置１０の出力周波数が６Ｈｚで電機子巻線の極数が
４極であると、その回転磁界の回転速度ｎはｎ＝１２０
ｆ／ｐ＝１２０×６／４＝１８０ｒｐｍ。その時、励磁
巻線２の極数を８極・交流単相電源９から励磁巻線２に
加えられる励磁電流により造られる交番磁界の交番速度
毎分当りの回数で示すと、Ｎ＝１２０Ｆ／Ｐ＝１２０×
６０／８＝９００Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｉｍｅｓ　ｐ
ｅｒ　ｍｉｎ．となり、これは上記の１８０ｒ／ｍにく
らべてかなり大きい。従つて回転子の回転速度が低くて
も回転子の励磁巻線の電圧を高くなしうる。

第３図は電機子巻線１が単相巻線であり、且つ電機子巻
線１が固定子励磁巻線２を兼用する場合が示される。電
機子巻線１の中点１９が外部接続巻線の一つ２１に接続
される。変圧器１５の二次巻線１７の中点２０が外部接
続電線の他の一つ、２２に接続される。変圧器１５の一
次巻線１６は単相電源９から電力を供給されるように接
続される。又変圧器１５の二次巻線１７の両端を電機子
巻線１の両端と図のように接続される。周波数変換装置
１０は単相入力から単相出力へ変換されるように配列さ
れる。逆変換装置は４素子ブリツジの接続となつている
。変圧器一次巻線１６への励磁電流供給回路に接続され
た制御装置１１に設けられた整流器の逆並列回路の制御
素子を制御する制御装置１８が設けられる。電機子巻線
１に沿つて画かれた実線矢印は負荷電流の瞬時の方向を
示したものである。変圧器１５の二次巻線１７において
、中点２０が外部接続電線２２に接続されるため、実線
矢印の負荷電流は変圧器１５の二次巻線１７において相
互に反対方向に流れて、それぞれが造る起磁力を打ち消
し合うので、負荷電流にとつては変圧器二次巻線１７を
リアクタンスとして働らかせることはない。

変圧器二次巻線１７に沿つて示されている点線矢印は変
圧器１５の一次巻線１６から二次巻線１７へ電磁的に誘
導され、変圧器二次巻線１７から電機子巻線１へ供給さ
れる励磁電流のある瞬間の方向を示したものである。こ
のように接続した場合、後に述べる説明で判るように、
電機子巻線１の中を同時に流れる負荷電流と励磁電流に
よつて造られる磁極の極数は１対２又は２対１となる。

例えば負荷電流によつて造られる磁極の極数を４極とす
れば、励磁電流によつて造られる磁極が８極となる。こ
のようにすると、変圧器１５を通して単相交流電源９か
ら電機子巻線１へ供給する励磁電流によつて固定子に８
極の磁界を造り、それを第２図の同一極数８極の回転子
励磁巻線５，６（二相巻線）が切つて励磁電圧を誘起し
、その電圧を回転整流器７，８により整流して４極の界
磁巻線３，４に界磁電流を供給し、４極の界磁極が造ら
れる。単相の交流電源９から周波数変換装置１０を経て
電機子巻線１へ■えられる電流で造られる交番磁界の毎
分当りの交番数が前述のように周波数変換装置１０で制
御されるが、電機子巻線１も４極として動作するので、
４極の界磁極と対応して回転させることになる。その場
合、電機子巻線１に加える周波数変換装置１０からの出
力周波数に応じて回転速度が変化する。

第３図が単相同期電動機の運転回路であるのに対し、第
４図は三相同期電動機の固定子回路が示される。図にお
いて電機子巻線１を構成する三相の各巻線５１，２７，
３３の両端を変圧器１５，２５，３５の各二次巻線１７
，３４，３６の両端と電気接続する。電機子巻線１の各
相巻線５１，２７，３３の各中点を１９，２９，３９と
し、これを周波数変換装置１０の出力端子と接続する。

変圧器１５，２５，３５の各二次巻線１７，３４，３６
の各中点２０，３０，４０を中性点電気接続線２６で短
絡接続する。変圧器１５，２５，３５の一次巻線１６，
３１，３２を単相電源９から電流を供給しうるように電
気接続する。第４図の変圧器１５，２５，３５をまとめ
て第５図のようにすることも出来る。すなわち変圧器３
７の一次巻線４１に対し、単相電源９から励磁電流を供
給しうるように配列し、この単一の一次巻線に対し単相
電源９から励磁電流を供給しうるように配列し、この単
一の一次巻線に対し二次巻線を１７，３４，３６のよう
に三組設けられる。後述のように変圧器二次巻線を二組
とし、これをリアクトルと電気接続することも考えられ
る。更に第４図では各変圧器一次巻線１６，３１，３２
への励磁電流を制御する制御装置１１，２３，２４が示
される。この励磁電流制御装置１１，２３，２４に設け
られた制御素子付き整流器の制御素子を制御する装置１
８，２８，３８も示される。第４図でも電機子巻線１及
び変圧器二次巻線１７，３４，３６の中に実線矢印と点
線矢印が示される。これらはそれぞれ負荷電流及び励磁
電流の瞬間の電流方向を示したものである。第４図は第
３図と類似しているが、単相電源からの電力で三相電動
機を運転しうる作用効果がある。

第６図は単相交流電源９から電力を供給されるサイリス
トモーターの回路が示される。周波数変換装置１０は電
流形逆変換装置１３を含み、リアクトル４２が接続され
る。順変換装置１２は４素子ブリツジから成り、位相制
御回路４３により制御される。回転子４４の中には回転
子巻線４５と回転整流器４６が示される。回転子の回転
から位置検出をし、それによりゲート制御回路４７で逆
変換装置１３の制御素子を制御する。位相基準４８と速
度検出装置４９を比較してその比較値を増幅してそれを
位相制御回路４３に働らかせる。電機子巻線１は中性点
５０を中心に三相二重星形に接続される三相巻線５３，
５４，５５より成る。

その中の一層巻線５３はブリツジ回路より成る巻線部５
６，５７，５８，５９で構成される。外部接続端６２と
中性点５０の間に接続される電機子巻線接続の中間接続
点６０，６１に対し、励磁電流を供給する変圧器１５の
二次側が接続される。

変圧器１５，２５，３５はすべてコンデンサー５２を経
て単相交流電源９から励磁電流を供給しうるように配列
する。電機子巻線１の中の一相巻線５３の中を同時に流
れる負荷電流及び励磁電流の瞬間の方向をそれぞれ黒色
矢印及び白色矢印で示す。

例を以て示すと、次のようである。例えば変圧器１５を
通して電機子巻線５３に白色矢印のような励磁電流が供
給され、８極の磁極が造られると、それに応じて回転子
巻線４５には８極巻線として対応し、白色矢印のような
電圧が発生し、電流が流れ、整流器４６を通して黒色矢
印の直流電流を流し、４極界磁極が造られる。電機子巻
線１には黒色矢印の電流が流れ、４極の回転磁界が造ら
れる。上記の４極界磁極がこの回転磁界と対応して回転
し、４極機として動作することになる。

第７図は第６図の電機子巻線１の中の一相分５３の巻線
配列例を示している。図中、巻線群５６，５７，５８，
５９は第６図における同符号のものと対応したものを示
している。更に端子５０，６０，６１，６２はそれぞれ
第７図の同符号のものと対応し、それぞれ、中性点５０
、中間接続点６０，６１及び外部接続点６２である。黒
色及び白色矢印はそれぞれ負荷電流及び励磁電流の瞬時
方向を示したものである。図より判るように、黒色矢印
すなわち負荷電流によつて２極の回転磁界が出来ること
が判る。又白色矢印すなわち、励磁電流により４極の磁
界が出来ることが判る。

第８図は第４図の電機子巻線１の中の一相分５１の巻線
配列を示している。端子１９は外部接続電線と接続され
、電機子巻線１の一相分５１の両端の端子６３と６４が
示されるが、これらは第４図の同符号のものと対応して
いる。第８図によつて判ることは黒色矢印により電機子
巻線中を流れる負荷電流が２極磁界を造ることで、三相
電流全部を流すと２極回転磁界が造られると云うことで
ある。白色矢印により電機子巻線中を流れる励磁電流が
４極磁界を作ることも判る。

第５図のような変圧器３７の接続の代りに第４図の電機
子巻線１に第１０図のようにその一相の両端をリアクト
ル４７に、又他の二相における両端を二次巻線３４，３
６の両端に電機接続し、それらリアクトル４７の中点２
０及び変圧器二次巻線３４，３６の中点３０，４０を短
絡電線２６で電気接続することも可能である。その場合
、電機子巻線の中を流れる励磁電流は瞬時方向が第９図
の白色矢印のようになる。このようにしても４極の磁界
が得られることが判る。

第７図、第８図、第９図で実線及び点線縦棒は巻線スロ
ツトの上口、下口のコイル片を示すものである。第１０
図、第９図の例では励磁電流を節約して効率の向上が得
られることが判る。

第１１図は第１２図の接続に対する巻線配列とある瞬間
にその巻線中を流れる負荷電流と励磁電流の方向を示す
。第１２図は二重星形に接続された巻線でＵＶＷをその
外部接続端とし、Ｕ−ｕ１、Ｕ−ｕ２、Ｖ−ｖ１、Ｖ−
ｖ２、Ｗ−ｗ１、Ｗ−ｗ２とした巻線で、図のようにｕ
１とｗ１，ｕ２とｗ２を接続し、ｖ１とｖ２をこれらか
ら切り離し、ＵとＷ及びｖ１とｖ２の間に単相電源から
単相電圧を加えると、ＵＷ間に加える電圧によつて流れ
る負荷電流で造られる磁極は第１１図に示すように４極
となり、ｖ１ｖ２間に加えられる単相電圧によつて流れ
る励磁電流で造られる磁極は第１１図に示すように２極
となる。第１１図では黒色及び白色矢印はそれぞれ負荷
電流及び励磁電流の瞬間方向を示す。このように第１２
図は電機子巻線を示すが、その中を流れる励磁電流によ
り造られる２極磁界を受けて回転子の２極励磁巻線に電
圧を誘起し、この回転子励磁巻線誘起電圧を回転整流器
を通して界磁巻線に直流電流を流して４極界磁極を造る
。この４極界磁極と第１２図のＵＷ間の負荷電流による
４極単相電機子巻線の間の作動により単相４極同期電動
機として働らくことになる。

このようにして造られる単相同期電動機は第１１図の巻
線から判るように単相機の遊びの溝が有効に利用されて
いる点が極めて好ましい。

以上説明してきた本発明の作用効果の特長を次のように
まとめうる。

すなわち単相電源から電力を供給するブラシシレス励磁
機なし構造の同期電動機の速度を広範囲に制御しうる装
置を簡単に安価に且つ効率良く造ることが出来る。特に
固定子に設けた励磁巻線に単相の交流励磁電流を供給し
、周波数変換装置の出力周波数を制御して交流励磁電流
の周波数と異なる周波数を負荷電流として流す場合、用
いる磁性材料を節約しうる。又電機子巻線部と励磁巻線
部を兼用して、それに互いに異なる周波数の交流励磁電
流と負荷電流を流す場合、用いる電線と磁性材料を共に
節約しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な電気接続図例の中、固定子部
分を示した接続図例である。第２図は本発明の具体的な
電気接続図の中、回転子部分を示した接続図例である。 第３図は本発明の具体的な電気接続図例の中、固定子部
分を示した接続図例で第１図とは異なる図例である。第
４図は本発明の具体的な電気接続図例の中、固定子部分
を示したもので、第１図や第３図とは異なる図例である
。第５図は第４図に用いうる部分図。第６図は本発明の
具体的な電気接続図例で、第１図、第３図及び第５図と
異なる図例である。第７図は第６図に用いうる電機子巻
線の配列図例である。第８図は第４図に用いうる電機子
巻線の配列図例である。第９図は第４図の配列を一部分
変更した時に電機子巻線に流れる励磁電流の瞬間の方向
を示した図例である。第１０図は第４図の接続中の一部
分の変更接続図。第１１図は本発明の具体的な電気接続
図例である第１２図における電機子巻線の配列と電流方
向を示した図である。 次に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：電機子巻線部、　２：励磁巻線部、　３，４：界磁
巻線部、　５，６：回転子励磁巻線部、　７，８：回転
整流器、　９：単相電源、　１０：周波数変換装置、　
１１：励磁電流制御装置、　１２：順変換装置、　１３
：逆変換装置、　１４：コンデンサー、　１５：変圧器
、　１６：変圧器一次巻線、　１７：変圧器二次巻線、
　１８：制御素子制御装置、　１９：電機子巻線の中点
（外部接続端子）、　２０：変圧器の二次巻線の中央（
外部接続端子）、　２１，２２：外部接続電線、　２３
，２４：励磁電流制御装置、　２５：変圧器、　２６：
中性点接続線、　２７：電機子巻線、　２８：制御素子
の制御装置、　２９：電機子巻線の中央、　３０：変圧
器２５の二次巻線３４の中点、　３１：変圧器２５の一
次巻線、　３２：変圧器３５の一次巻線、　３３：電機
子巻線、　３４：変圧器２５の二次巻線、　３５：変圧
器、　３６：変圧器３５の二次巻線、　３６：変圧器３
５の二次巻線、　３７：変圧器、　３８：制御素子の制
御装置、　３９：電機子巻線の中点、　４０：変圧器３
５の二次巻線の中点、　４１：変圧器３７の一次巻線、
　４２：リアクトル、　４３：位相制御回路、　４４：
回転子、　４５：回転子巻線、　４６：回転整流器、　
４７：リアクトル、　４８：位相基準、　４９：速度検
出装置、　５０：中性点、　５１：電機子巻線、　５２
：コンデンサー、　５３，５４，５５：電機子巻線１を
構成する三相中の一相巻線、　５６，５７，５８，５９
：電機子巻線の一相巻線５３のブリツジ回路を構成する
一巻線群、　６０，６１：中間接続点、　６２：外部接
続端、　６３，６４：電機子巻線の一相分巻線の端子。

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と励磁電流を流す
   励磁巻線部を、又回転子に界磁線部を設け、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
   、単相電源から周波数変換装置を経て上記電機子巻線部
   に電力を供給するように配列すると共に、上記単相電源
   から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、それにより交番磁界を生ぜしめるように配列し
   た、単相電源より電力を供給される回転電気機械の構造