KR0167654B1 - 복수 고정자 유도 동기 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명 전동기는 통상적인 유도 전동기로서 시동한 후에 회전속도가 동기속도 부근에 도달한 시점에서 동기운전으로 전환할 수 있도록 구성된 복수 고정자가 있는 유도 동기 전동기이다. 전동기는 복수개의 고정자(21,22)와, 정류회로(33,34)를 일체로함과 동시에 복수개의 회전자 코어에 각각 회전자 도체(31,32)를 갖춘 일체형 회전자와, 각 회전자 코어의 주위에 정지자계를 발생시키는 정지자계 발생장치(40)와, 각 회전자 도체에 유기되는 전압 사이에 0˚와 180˚인 전압 위상차를 발생시키는 전압이상장치로 구성된다. 시동은 전압위상차가 0˚에 있어서 회전자 도체 사이를 순환전류가 흐름으로써 통상적인 유도 전동기에서처럼 이루어진다. 정상운전은 전압 위상차를 180˚로 전환됨과 동시에 정지자계 발생장치를 작동시킴으로써 정지자계에 의해 유기되는 교번 전압이 정류회로에 의해 정류되어, 그 직류전류가 회전자 도체에 흘러서 회전자 코어에 자극이 형성되고, 그 자극과 고정자가 만드는 회전자계의 흡인작용에 의해 동기운전으로 끌어 들임으로써 이루어진다.

Description

[발명의 명칭]

복수 고정자 유도 동기 전동기

[발명의 상세한 설명]

[기술 분야]

본 발명은 동기 전동기에 관한 것이다.

[배경기술]

일반적으로 동기 전동기는 그 회전자를 고정자 권선이 만드는 회전자계의 회전속도, 즉 동기속도 가까이까지 가속하는 기동기와 회전자 권선의 직류여자가 필요하다.

이 기동기를 생략하고 동기 전동기 자체에 기동 토크를 가지도록 고안된 것이 유도 동기 전동기인데, 이것은 기동시에는 회전자 권선을 단락하여 유동 전동기로서 기동하기 때문에 기동기가 필요하지 않으나 동기 운전시에는 회전자 권선의 직류여자 때문에 브러시를 필요로 한다. 즉 회전자의 회전속도가 동기속도에 가까워지면 회전자 권선을 단락시켜 외부의 직류전원으로부터 브러시를 통하여 회전자 권선에 직류전류를 공급하여 회전자에 자극을 만들고 이 자극이 고정자 권선이 만드는 회전자계에 끌려서 동기속도로 회전한다. 이 브러시는 보수점검을 필요로 하므로 보수비가 많아지므로 브러시리스 구조의 동기 전동기의 개발이 요망되고 있다.

이 브러시리스 구조의 동기 전동기로는 종래부터 영구자석형이나 릴럭턴스형이 있으나 유도기 기동이 불가능하기 때문에 기동 토크가 적고 감자의 문제, 저역율 등의 결점이 있기 때문에 소용량인 것에 한정되어 있다. 또한 란델형이나 인더터형의 동기 전동기는 자로(磁路)의 구성이 복잡하여 대형이 되는 결점이 있었다. 또한 교류여자기와 회전정류기를 사용하는 방법도 마찬가지이다. 또한 회전자 권선에 다이오드를 접속하여 인버터의 방형파 전압에 의한 고조파자계를 이용하는 브러시리스 자려형 3상 동기 전동기도 있으나 회전자의 계자 기자력이 부족하여 충분한 출력을 얻을 수 없는 결점이 있다. 그리고 3상의 고정자 권선의 1상에 다이오드를 삽입함으로써 고정자가 만드는 회전자계에 정상분 정지자계(正相分 靜止磁界)를 중첩하고, 동기속도로 회전하는 회전자 권선에 정지자계에 의한 교류전압을 유기시켜, 이것을 다이오드로 정류함으로써 회전자 권선을 직류여자하고 회전자계를 작용시켜 동기 토크를 발생하는 브러시리스 자려형 3상 동기 전동기가 있으나, 이것은 유도기 시동이 불가능하기 때문에 회전자 철심의 와전류에 의하여 기동되어 기동 토크가 적은 결점이 있다.

종래 기술의 상기 결점을 감안하여 본 발명은 기동 토크가 크고, 나아가서는 동기 토크도 크며, 그러면서 브러시를 필요로 하지 않고 보수점검이 용이하고 구조가 간단하며 전용의 기동기도 필요로 하지 않는 동기 전동기의 제공을 기술적 과제로 한다.

[발명의 개시]

본 발명에 의하면 동일 회전축상에 임의의 간격을 두고 제1 및 제2의 코어가 있고 상기 제1 및 제2회전자 코어에는 회전자 도체가 설치되어서 이루어지는 일체형 회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 코어에는 각각 대향해서 설치된 제1 및 제2고정자와, 상기 제1고정자가 이것에 대치(對峙)하는 제1회전자 코어의 주위에 생기는 회전자계에 의해 회전자 도체에 유기하는 전압과, 상기 제2고정자가 이것에 대치하는 제2회전자 코어의 주위에 생기는 회전자계에 의해 회전자 도체에 유기하는 전압과의 사이에 전기각으로 0˚의 제1위상차와 180˚의 제2위상차를 생기게 하는 전압이상장치(移相裝置)와, 상기 제1 및 제2회전자 코어의 각 주위에 각각 정지자계를 생기게 하는 정지자계 발생장치와, 상기 회전자와 일체로 구성되어 상기 정지자계 발생장치가 만드는 정지자계에 의한 유기한 교번전압을 정류하는 다이오드가 있으며, 상기 각 회전자 도체에 직류전류를 흘림으로써 상기 제1 및 제2회전자 코어에 자극을 생기게 하는 회전자 자화장치로 이루어지며, 상기 이상 장치가 만드는 제1위상차에 의해 유도기 기동으로 시동한 후, 상기 전압이상장치가 만드는 상기 제1위상차로부터 제2위상차로 전환함과 동시에 상기 정지자계 발생장치를 작동시켜 상기 제1 및 제2고정자가 만드는 회전자계에 흡인되는 자극을 상기 제1 및 제2회전자 코어에 생기게 하여 동기 운전을 시키는 것을 특징으로 하는 유도 동기 전동기가 제공된다.

[작용]

복수 고정자 유도 전동기의 전압이상장치의 구성 및 작용에 대하여 본 출원인은 일본 특원소 61-128314호에서 그 상세한 것을 설명하고 있다.

본 발명에 의하면 우선 동일 회전축상에 설치한 복수개의 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선을 각각 병렬로 결선하고 그 회전자 권선의 단자간에 다이오드를 접속한 일체형 회전자와, 고정자 권선 및 정지자계 발생장치를 설치한 복수 고정자로 구성된 것에 있어서, 기동시에는 복수개의 고정자 권선이 만드는 회전자계에 의해 복수개의 회전자 권선에 유기되는 전압이 같은 상이 되도록, 즉 회전자 권선간을 환류전류(還流電流)가 흐르도록, 따라서 회전자 권선의 단자간에 접속한 다이오드에 전류가 흐르지 않도록 전압이상장치를 작동시켜서 일반적인 유도 전동기로서 기동시킨다. 기동후에 회전자의 회전속도가 상승하여 회전자계의 회전속도, 즉 동기속도에 가까워지면 회전자계에 의한 회전자 권선의 유기 전압은 적어진다. 여기까지는 유도 전동기로서의 동작이지만 슬립 S가 S=0.05에 가까워졌을 때 동기 운전으로 넣는다. 동기운전으로 넣는 것은 다음과 같이 한다.

우선 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 주위에 만드는 회전자계와, 다른 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 주위에 만드는 회전자계 사이에 180˚의 위상차가 생기도록 전압위상차를 작동시킨다. 이와 같이 하면 지금까지 회전자 권선간을 흐르고 있었던 환류전류가 흐르지 않게 되어 회전자 권선의 단자간에 접속되어 있는 다이오드를 통하여 전류가 흐르게 된다.

이 회전자계에 의해 회전자 권선에 흐르는 전류는 회전자가 동기속도가 되면 슬립이 0이 되므로 흐르지 않게 되어 동기운전이 되지 않는다. 따라서 고정자에 설치한 정지자계 발생장치를 작용시키면 이 정지자계 발생장치에 의해 정지자계가 생기고 회전자 권선은 이 정지자계와 쇄교(鎖交)하여 교류전압을 유기하게 된다. 이 교류전압은 회전자의 회전속도가 클수록 커지게 된다.

이 교류전압의 위상을 상기 전압위상장치와 연동시켰으므로 이 교류전압이 회전자 권선의 단자간에 접속된 다이오드에 인가되어 정류된 전류가 회전자 권선에 흐르도록 작용하여 회전자 코어는 자극을 형성하고, 고정자 권선이 만드는 회전자계에 이끌리어서 회전자는 동기속도로 회전한다.

여기에서 동기 토크를 고찰하면, 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 만드는 회전자계의 그것보다도 180˚가 변하나 상기 정지자계에 의해 특정의 고정자와 대치하는 회전자의 회전자 권선에 흐르는 다이오드로 정류된 전류의 방향도 다른 회전자 권선의 그것과는 역방향이 되므로 동기 토크는 모든 회전자에 있어서 동일 방향이 되고 또 동기 토크는 모두 가산되는 것이 되므로 본 발명의 유도 동기 전동기는 복수 고정자이기는 하나 그 합계의 용량은 종래의 브러시가 있는 유도 동기 전동기와 동일하다.

이상과 같이 본 발명의 복수 고정자 유도 동기 전동기는 기동시에는 종래의 유도 전동기의 원리로 기동하므로 기동 토크가 크고 따라서 다른 특별한 기동기를 필요로 하지 않는다. 또한 동기 속도에 있어서는 회전자 권선이 직류여자권선의 작용을 하므로 동기 토크가 크고 브러시 등의 보수를 필요로 하지 않는 동기 전동기를 제공하는 것이 가능하게 되었다.

또한 상기 직류여자회로 대신에 회전축에 정류회로가 있는 회전 전기자와 그것에 대향해서 설치한 직류여자용의 고정자를 설치하여, 상기 정류회로의 직류출력을 회전자 권선에 병렬로 접속하여 회전자 권선을 직류여자함으로써 동기 운전도 가능하다.

또한 복수개의 회전자 코어를 돌극형(突極形)으로 하여 그 복수개의 돌극형 회전자에 팽팽히 감은 회전자 권선의 각각을 병렬로 접속함과 동시에 그 회전자 권선의 단자간에 다이오드를 접속하고, 나아가서 돌극형 회전자 코어의 외주상에 농형 회전자 도체를 설치하여 회전자를 구성한 것은 기동시에도 복수개의 고정자가 만드는 회전자계가 모두 같은 상이 되도록 전압이상장치를 작동시켜, 상기 회전자계에 의해 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선에는 환류전류가 흐르고 농형 회전자 도체에도 전류가 흘러 기동한다. 동기 운전시에는 특정의 고정자가 만드는 회전자계의 위상을 전압위상장치에 의해 180˚ 변화시키면 돌극형 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선의 상기 환류전류와 농형 회전자 도체의 전류가 다 같이 흐르지 않게 된다. 이때 고정자에 설치한 정지자계 발생장치를 작용시키면 정지자계에 의해 돌극형 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선에 교류전압이 생기고, 따라서 그 회전자 권선의 단자에 접속한 다이오드를 통하여 정류전류가 흐른다. 이 정류전류로 회전자 권선을 직류여자함으로써 자극을 만들고 동기 운전하는 것도 가능하다.

또한 상술한 바와 같이 이 경우에도 고정자의 직류여자회로 대신에 회전축에 직결한 직류회로가 있는 회전 전기자와 그것에 대향하여 설치한 직류여자용의 고정자를 설치하여 상기 정류회로의 직류출력을 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선에 병렬로 접속하고 그 회전자 권선을 직류여자함으로써 동기 운전도 가능하다.

그리고 상기 정지자계 발생장치는 복수개의 고정자 권선의 1상을 이용하여 사이리스터와 다이오드를 역 극성으로 병렬로 접속한 회로를 상기 권선의 1상에 삽입하여 사이리스터의 점호각(點弧角)을 바꾸어 그 권선에 직류를 흐르게 함으로써 정지자계를 만드는 것도 가능하다.

또한 전압이상장치로는 본 출원인이 일본 특원소 61-128314호에서 설명한 회전자의 위치를 회전축의 주위에 기계적으로 회동시킴으로써 바꾸는 방법과, 고정자 권선의 접속을 스위치에 의해 전환해서 실시하는 방법의 어느 방법이라도 채용할 수가 있다.

이상과 같은 구성에 의해, 기동 토크가 크고, 또한 동기 토크가 크며, 더구나 브러시를 필요로 하지 않고, 보수점검이 용이하며, 구조가 간단하고, 전용의 기동기를 필요로 하지 않는 동기 전동기를 제공하는 것이 가능하게 되었다.

그런데 상기 고정자 권선을 여자하는 전원으로 상용 주파수의 교류전원 또는 인버터를 이용한 가변 주파수 전원을 이용할 수 있다. 상기 가변 주파수 전원을 이용하면 동기 속도의 변경이 용이하고, 그 경우에도 통상의 유도 전동기의 시동 토크로 기동이 가능하여 이용분야가 크게 확대되고 싼 동기 전동기 제공이 가능하다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 제1의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 권선측의 간단한 구성도.

제2도는 제2의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 권선측의 간단한 구성도.

제3도는 제3의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 권선측의 간단한 구성도.

제4도는 제3의 실시예에서 제시한 회전자의 개략 정단면도.

제5도는 제4의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 권선측의 간단한 구성도.

제6도는 제5의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 도체측의 간단한 구성도.

제7도는 제5의 실시예의 회전자 도체를 다이오드로 연락한 개략 구성도.

제8도는 제5의 실시예의 회전자 도체를 다이오드로 연락한 별도의 개략 구성도.

제9도는 제6의 실시예의 고정자 권선측과 회전자 도체측의 간단한 구성도.

제10도는 제6실시예의 회전자 도체와 정류회로를 다이오드를 통하여 접속한 개략 구성도.

제11도는 정지자계 발생장치의 별도 실시예를 도시하는 구성도.

제12도는 본 발명의 동기 전동기 토크 특성의 일례를 도시하는 도면.

제13도는 고정자 권선 및 회전자 권선이 델타결선하는 경우를 도시하는 설명도이다.

[발명의 최선 실시형태]

본 발명은 주로 2고정자 유도 동기 전동기에 대하여 상세히 설명하며, 고정자 수는 이것에 한정되지 않는다. 또한 고정자 권선의 결선도 병렬, 직렬, 스타 결선, 델타결선의 어느 것이라도 좋다. 또한 2상, 3상, 다상의 어느 것이어도 좋다. 그리고 회전자 권선도 마찬가지이다. 이미 본 출원인은 일본 특개소 61-128314호로 본 발명의 구성의 일부인 복수 고정자로 된 유도 전동기의 구성, 작용에 대해 상세히 설명을 한 바 있다. 즉 전압이상장치에 의해 복수개의 고정자중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 회전자의 주위에 발생하는 회전자계와, 다른 고정자가 이것에 대치하는 회전자의 주위에 발생하는 회전자계 사이의 위상차를, 예컨대 같은 상, 즉 전기각을 0˚로 하였을 경우에 회전자 도체에 흐르는 전류는 회전자 도체를 환류하는 반면에 전기각을 180˚로 하였을 경우에는 회전자 도체에 흐르는 전류는 회전자 코어 사이에서 회전자 도체 간을 연결한 연결재를 통하여 흐른다는 것 등을 상세히 설명하고 있다.

또한 전압이상장치의 구성에 대해서는, 고정자 상호간을 상대적으로 회동(回動)시키는 것이라거나, 고정자 권선의 결선을 전환시키는 것이라고 하고 있으나, 본 발명에 있어서는 특히 고정자 권선의 결선을 전환하는 전압이상장치로 구성하면 상기 전기각을 0˚로부터 180˚로의 전환이 순간적으로 가능하기 때문에 동기속도로 끌어들이는 것이 쉬워진다. 또한 회전속도를 검출하는 센서와, 정지자계 발생장치와, 전압이상장치의 제어장치를 설치하여 전기적으로 연락하면 동기속도로 끌어들이는 것이 자동화될 뿐 아니라, 만일 탈조한 경우에도 회전속도를 검출하는 센서의 신호에 의해 즉시 동기운전으로부터 유도 전동기의 운전으로 전환이 가능하여 일반적인 동기 전동기와 같이 탈조할 때 급격히 정지하는 일없이 사고방지가 간단히 될 수 있다.

제1도에 의해 본 발명의 제1실시예를 설명한다. 우선 부호 20은 2고정자 유도 동기 전동기의 고정자 측을 나타낸다. 또한 부호 30은 마찬가지로 회전자 측을 나타낸다.

고정자 측(20)은 스타결선한 2개의 고정자 권선(21,22)이 병렬로 3상 교류전원 R, S, T에 접속되어 있다. 또한 고정자 측(20)에는 고정자 권선(21,22)과는 별도로 정지자계 발생장치의 직류여자권선(40)이 설치되어 있다. 한편 회전자측(30)의 동일 회전축(10) 위에 설치한 회전자 코어에 팽팽히 감긴 회전자 권선(31,32)은 상호간에 병렬로 접속되고 그 회전자 권선의 단자 사이에 다이오드(33,34)가 접속된다. 여기에서 고정자 권선(21)에 대치하는 회전자 권선(31)에 유기하는 전압을 E₁, E₂, E₃로 하고, 고정자 권선(22)에 대치하는 회전자 권선(32)에 유기하는 전압을 E₁ε^jθ, E₂ε^jθ, E₃ε^jθ로 한다. 여기에서 θ는 전압의 위상차이다.

이상과 같은 구성에 의한 작용을 설명한다. 우선 기동시에는 회전자 권선(31,32)에 유기하는 전압의 위상차 θ가 θ=0˚로 되도록 고정자 권선(21,22)이 결선된 상태에서 전원에 투입되어 기동한다. 이와 같이 하면은 고정자 권선(21,22)에 전원으로부터 3상 전류가 흘러 각각 같은 상의 회전자계를 발생하고 회전자 권선(31,32)에 전압이 유기된다. 이 경우의 유기전압의 위상차 θ는 θ=0˚이므로 회전자 권선에 흐르는 전류는 회전자 권선(31)으로부터 회전자 권선(32)으로 환류하도록 흘러 회전자 권선의 단자 사이에 접속된 다이오드(33,34)에는 전류가 흐르지 않는다. 따라서 기동 토크는 제12도에 도시한 바와 같이 종래의 유도 전동기와 같은 특성이 있어 기동 토크가 커서 특별히 별개의 기동기를 필요로 하지 않는다. 기동후에는 회전자의 회전속도가 상승하여 회전자계의 회전속도, 즉 동기속도에 가까워지면 슬립 S가 적어지므로 회전자계에 의한 회전자 권선의 유기전압 E₁, E₂, E₃는 적어진다.

여기까지는 유도 전동기로서의 동작이지만 회전속도가 슬립 S=0.05에 가까워졌을때는 동기운전으로 끌어들인다. 이것은 다음과 같이 실시한다.

우선 전압이상장치에 의해 2개의 고정자 권선(21,22)의 한 쪽을, 예컨대 고정자 권선(22)의 위치를, 그 고정자의 코어를 회전축의 주위에 회동시켜서 바꾸어, 2개의 고정자 권선(21,22)이 만드는 2개의 회전자계의 위상차가 180˚가 되도록 한다. 이와 같이 하면 2개의 회전자 권선(31,32)의 유기전압의 위상차 θ가 θ=180˚이 되어 지금까지의 회전자 권선(31)으로부터 회전자 권선(32)의 회전자계에 의한 전류는 환류하지 않게 되어 회전자 권선의 단자 사이에 접속한 다이오드(33,34)를 흐르게 된다. 따라서 회전자 권선(31,32)에 이 다이오드(33,34)를 통하여 정류된 전류가 흐르게 된다. 이 회전자계에 의해 회전자 권선에 흐르는 정류전류는 회전자의 회전속도가 동기속도가 되면 슬립 S가 S=0으로 되므로 흐르지 않게 되어 동기운전을 할 수 없다. 그래서 고정자에 설치한 정지자계 발생장치(40)를 작용시킨다. 즉 정지자계 발생장치(40)에 의해 정지자계를 만들면 회전자 권선(31,32)은 이들의 정지자계와 쇄교하여 교류의 전압을 유기한다. 이 정지자계에 의한 교류전압은 회전자의 회전속도가 커질수록 커진다. 이 정지자계에 의한 교류전압의 위상은 정지자계 발생장치(40)가 상기 전압위상장치와 연동되어 있으므로 2개의 회전자 권선(31,32)에 유기하는 정지자계에 의한 교류전압의 위상차각 θ는 θ=180˚가 되고 이들의 교류전압에 의해 회전자 권선의 단자 사이에 접속한 다이오드(33,34)를 통하여 정류된 전류가 회전자 권선(31,32)에 흘러 회전자 코어는 자극을 형성하고 고정자 권선(21,22)이 만드는 회전자계에 끌리어 회전자는 동기속도로 회전하게 된다. 이때의 동기 토크는 제12도에 도시한 바와 같다. 이 동기 토크는 상기 정지자계의 세기에 비례하므로 큰 동기 토크를 얻을 수가 있다. 여기에서 다시 이 동기 토크를 고찰해 보면 동기 운전시에는 전압위상장치에 의하여 고정자 권선(22)이 만드는 회전자계의 위상이 고정권선(21)의 그것에 대하여 180˚ 이상되고, 또한 상기 정지자계에 의해 고정자 권선(32)에 유기되는 교류전압의 위상도 회전자 권선(31)의 그것에 대하여 180˚ 이상되어 정류전류가 회전자 권선을 환류하지 않는 방향, 즉 각각의 회전자 권선(31,32)으로부터 다이오드(33,34)를 통하여 흐르므로 동기 토크는 2개의 회전자에 있어서 동일한 방향이 되어 동기 토크는 가산되는 것이 되어 본 발명의 유도 동기 전동기는 2고정자이기는 하지만 그 합계의 용량은 종래의 브러시가 있는 동기 전동기와 동등하다.

이상과 같이 본 발명의 복수 고정자 유도 동기 전동기는 기동시에는 종래의 유도 전동기의 원리로 기동하므로 기동 토크가 커서 달리 특별한 기동기를 필요로 하지 않는다.

또한 동기 속도에 있어서는 회전자 권선이 직류여자권선, 즉 계자권선의 작용을 하므로 동기 토크가 크고 브러시 등의 보수를 필요로 하지 않는 동기 전동기를 제공하는 것이 가능해졌다.

그런데 본 실시예에서는 회전자 권선의 유기전압에 위상차를 만드는 전압이상장치로서 한 쪽의 고정자의 코어를 회전축의 주위에 회동시키는 방법을 기재하였지만, 고정자 권선의 결선변경, 즉 한쪽의 고정자 권선의 양 단자를 서로 간에 바꾸어 넣으므로서 전기적으로 위상차 θ를 θ=0˚로부터 180˚로 전환하는 것도 가능하다.

또한 본 실시예에서는 전원으로서 상용 전원을 사용하는 방법을 기재하였지만 인버터와 같은 가변 주파수 전원을 사용함으로써 임의의 동기속도로 운전하는 것도 가능하다.

다음에 제2의 실시예를 제2도에 의해 설명한다.

이 실시예가 상기 제1의 실시예와 다른 점은 동기 운전시에 필요한 회전자 권선의 직류여자의 방법이다. 즉 회전축(10)에는, 회전 전기자형 교류발전기(50)가 직렬로 연결되고, 그 전기자 권선(56)의 출력전압을 정류회로(55)에 의해 정류하여, 그 직류출력단자를 병렬로 접속된 회전자 권선(31,32)에 다이오드(36,37)를 통하여 병렬로 접속한다. 또한 상기 회전 전기자형 교류 발전기(50)의 고정자측(51)은 동기 운전시에는 직류여자권선(53)에 직류전원(54)으로부터 직류전류를 흘려 여자하고, 회전 전기자(56)에 교류전압을 유기시켜서 이 교류전압을 정류회로(55)에 의해 정류하고, 이 정류된 전류를 회전자 권선(31,32)에 분류시킴으로써 회전자 권선(31,32)을 직류여자해서 고정자 권선(21,22)이 만드는 회전자계와 작용시켜서 동기 운전시킨다.

이 방법은 회전자 권선(31,32)에 흐르는 정류전류를 브리지 정류회로(55)에 의해 전파 정류로 할 수가 있기 때문에 상기 제1의 실시예의 반파정류의 것보다 동기 토크가 크게 되는 이점이 있다.

다음에 제3의 실시예를 제3도 및 제4도에 의해 설명한다.

이 실시예가 상기 제1의 실시예와 다른 점은 회전자 측(60)의 구성이 다른 것이다.

즉 제3도에 제시하는 바와 같이 회전자측(60)의 동일 회전축(10) 위에 설치된 2개의 돌극형 회전자 코어(61,62)에 팽팽히 감은 회전자 권선(63,64)의 각각을 병렬로 접속함과 동시에 그 회전자 권선(63,64)의 단자 사이에 다이오드(68)를 접속하고 또한 제4도의 회전자의 단면도에 제시하는 바와 같이 상기 돌극형 회전자 코어(61,62)의 외주 위에 장착한 복수개의 도체(66)의 각각을 연통상으로 연결하여 그 양 단부에 있어서 그 도체를 단락하는 단락환(環)(67)을 설치한 농형 도체(69)를 설치하고 있다.

여기에서 돌극 회전자 코어(61,62)는 2극으로 도시되어 있으나, 2극에 한정되는 것은 아니다. 여기에서 고정자 권선(21)에 대치하는 농형 도체(69)에 유기하는 전압을 도면의 방향으로 E₁으로 하고, 마찬가지로 회전자 권선(63)에 유기되는 전압을 도면의 방향으로 E₂로 한다. 또한 고정자 권선(22)에 대치하는 농형 도체(69)에 유기되는 전압을 도면의 방향으로 E₁ε^jθ로 하고, 마찬가지로 회전자 권선(64)에 유기되는 전압을 도면의 방향으로 E₂ε^jθ로 한다. 여기에서 θ는 전압의 위상차이다.

이상의 구성에 의한 작용을 설명한다.

우선 기동시에는 농형 도체(69)와 회전자 권선(63,64)의 유도 전압의 위상차 각 θ가 θ=0˚가 되도록 고정자 권선(21,22)이 결선된 상태에서 전원에 투입되어 기동한다. 이와 같이 하면 고정자 권선(21,22)에 전원으로부터 3상 전류가 흘러서 각각 같은 상의 회전자계를 발생하고 농형 도체(69)와 회전자 권선(63,64)에 전압이 유기된다. 이 경우의 유기전압의 위상차 θ는 θ=0˚이므로 농형 도체에는 양단의 단락환을 통하여 도체에 환류 전류가 흐르고 또한 회전자 권선(63,64)에 흐르는 전류는 회전자 권선(63)으로부터 회전자 권선(64)으로 환류하도록 흐른다. 따라서 회전자 권선 단자 사이에 접속된 다이오드(68)에는 전류가 흐르지 않는다.

이때의 기동 토크는 농형 도체(69)의 유도 전동기로서의 토크 특성과 회전자 권선(63,64)의 유도 전동기로서의 토크 특성이 합성되어 기동 토크는 크다.

다음에 기동후에 회전자에 회전속도가 상승하여 동기속도에 가까워지면 슬립 S가 적어지므로 농형 도체(69)의 유기전압 E₁과 회전자 권선(63,64)의 유기전압 E₂는 다같이 적어진다.

여기까지는 유도 전동기로서의 동작이지만 슬립 S가 S=0.05에 가까워졌을때에 동기운전으로 끌어들인다. 이것은 제1의 실시예에서 설명한 바와 같이 전압이상장치에 의해 2개의 고정자 권선(21,22)이 만드는 2개의 회전자계의 위상차가 180˚가 되도록 한다. 이와 같이 하면 농형 도체(69) 및 회전자 권선(31,32)의 유기 전압의 위상차가 θ가 θ=180˚로 된다. 그렇게 되면 농형 도체(69)의 회전자계에 의한 유기전압의 총합 E는

E = E₁+ E₁ε^j180°= E₁- E₁= 0

로 되어 농형 도체(69)에는 전류가 흐르지 않게 된다.

또한 지금까지 회전자 권선(63)으로부터 회전자 권선(64)으로 환류하여 흐르고 있었던 회전자계에 의한 전류도 흐르지 않게 되어 회전자 권선의 단자 사이에 접속한 다이오드(68)를 통하여 정류전류가 회전자 권선(63,64)으로 흐르게 된다. 따라서 유도 전동기로서의 작용은 상실된다.

여기에서 제1의 실시예에서 설명한 바와 같이 고정자에 설치된 정지자계 발생장치의 직류여자권선(40)을 작용시킨다. 즉 이 직류여자권선에 의해 정지자계를 만들면 농형 도체(66)와 회전자 권선(63,64)은 이들의 정지자계와 쇄교하여 교류전압을 유기한다. 이 정지자계에 의한 교류전압의 위상은 상기 전압위상장치와 연동되어 있으므로 농형 도체(66)와 회전자 권선(63,64)에 유기되는 정지자계에 의한 교류전압의 위상차 θ는 θ=180˚로 되고, 따라서 농형 도체에는 전류가 흐르지 않으며, 반면에 회전자 권선(63,64)에는 이 정지자계에 의한 교류전압에 의해 회전자 권선의 단자 사이에 접속한 다이오드(68)를 통하여 정류전류가 흘러 회전 코어(61,62)는 자극을 형성하고 고정자 권선(21,22)이 만드는 회전자계에 끌린 회전자는 동기속도로 회전하게 된다. 이와 같이 회전자를 돌극형의 구조로 하여 돌극형의 특징을 가지게 할 수가 있다.

다음에 제4의 실시예를 제5도에 의해 설명한다.

이 실시예가 상기 제3의 실시예와 다른 점은 동기 운전시에 필요한 회전자 권선의 직류여자의 방법이다. 즉 제5도에 제시한 바와 같이 회전축(10)에는 회전 전기자형 교류 발전기(50)가 직결되고, 그 전기자 권선(56)의 출력전압을 정류회로(55)에 의하여 정류하며, 그 직류출력단자를 병렬로 접속된 회전자 권선(63,64)에 병렬로 접속한다. 또한 상기 회전 전기자형 교류 발전기(50)의 고정자측(51)은 동기 운전시에는 직류여자권선(53)에 직류전원(54)으로부터 직류전류를 흘려서 여자하고 전기자 권선(56)에 교류전압을 유기시키고, 이 교류정압을 정류회로(55)에 의해 정류하며, 이 정류된 전류를 회전자 권선(63,64)에 분류시킴으로써, 회전자 권선(63,64)을 직류여자하여 고정자 권선(21,22)이 만드는 회전자계와 작용시켜서 동기 운전시킨다.

이 방법은 회전자 권선(63,64)에 흐르는 정류전류를 정류회로(55)에 의해서 전파 정류로 할 수가 있기 때문에 상기 제3의 실시예의 반파 정류의 것보다 동기 토크가 크게 되는 이점이 있다.

다음에 제6도∼제8도를 참조하여 농형 회전자로 구성된 본 발명의 제5실시예를 설명한다. 고정측의 구성은 상기 제1실시예와 동일하다.

회전자측(80)의 동일 회전축(10) 위에 설치한 회전자 코어에 연통하는 도체(81,82)를 복수개 설치하고 그 양단에 단락환(87)을 설치하여 농형 도체로 하고 있다. 복수개의 도체(81,82)는 회전자 코어가 고정자 코어에 대향하지 않는 부분(88)에 있어서 서로 전기각으로 180˚에 위치하는 도체 상호간이 제7도에 도시한 바와 같이 다이오드(84)를 통하여 연결되어 있다. 또한 이 다이오드에 의한 연결은 제8도에 도시하는 바와 같이 연락환(86)을 통하여 서로 전기각으로 180˚ 다른 위치의 도체 상호간이 연결되도록 하여도 좋다. 그리고 제7도 및 제8도는 2극의 경우를 제시하였으나 극수가 이것에 한정되지는 않는다. 전압이상장치에 의한 이상차가 0˚일 때 도체(81,82)에 환류전류가 흘러 통상적인 유도 전동기로서 기동하는 것, 및 시동후에 위상차가 180˚로 전환되었을 때 다이오드(81,82)를 통하여 전류가 흘러 회전자 코어에 자극이 형성되어 동기운전으로 들어가는 것 등은 상기한 실시예와 마찬가지이다.

회전자 도체(81,82)의 직류여자의 다른 실시예를 제9도 및 제10도에 도시한다.

즉 회전축(10)에는 회전 전기자형 교류 발전기(50)가 직류연결되고, 그 전기자 권선(56)의 출력전압을 정류회로(55)에 의해 정류하며, 그 직류출력단자를 상기 복수개의 회전자 코어에 연통하는 도체의 고정자에 대향하지 않는 부분(68)에 있어서 서로 전기각으로 180˚에 위치하는 도체 사이에 다이오드(84) 통하여 병렬로 접속한다. 제10도에 그 상세한 접속방법을 도시한다. 즉 정류회로(55)의 직류출력단자의 정극(正極)을 다이오드(84)를 통하여 회전자 도체에 접속하고, 그 회전자 도체로부터 전기각으로 180˚의 위치에 있는 회전자 도체에 다이오드(84)를 통하여 정류회로(55)의 직류출력단자의 부극(負極)을 접속한다. 기타의 도체에 대해서도 마찬가지로 정류회로(55)로 부터의 직류전류에 의해 회전자에 고정자의 극수와 동등한 자극이 생기도록 구성한다. 2극의 경우를 도시하였으나 이것에 한정되는 것은 아니다.

다음에 상기 제1, 제3 및 제5실시예에 있어서의 직류여자회로(40)의 다른 실시예를 제11도에 도시한다.

이 실시예가 상기 제1, 제3 및 제5의 실시예와 다른 점은 제1도, 제3도 및 제6도에 도시하는 직류여자권선(40)을 생략하여 고정자 권선의 일부를 유용(流用)한 일이다. 즉 제11도에 도시하는 바와 같이 고정자 권선(21,22)의 1상에 사이리스터(71)와 다이오드(72)를 역 극성으로 병렬로 접속한 회로를 삽입하고 있다. 그리고 이것은 동기 운전시에 필요한 정지자계를 만들때에 작동한다. 즉 사이러스터(71)의 점호각을 0˚보다 크게 하면 다이오드(72)에 의해 고정자 권선(21,22)에 직류분을 포함한 전류가 흘러서 정지자계를 만드는 것이 가능하다. 이와 같이 하면 고정자 권선과는 별개의 직류여자권선을 설치할 필요가 없어 구조가 간단해지는 이점이 있다.

그러나 이 경우에 고정자 권선(21,22)이 만드는 회전자계는 변형되므로 대칭 좌표법에 의한 정상분(正相分) 회전자계에 의해 동기 토크를 발생하게 된다. 기타의 작용은 제1, 제3 및 제5의 실시예와 마찬가지이다.

또한 설명한 모든 실시예는 고정자 권선 및 회전자 권선의 결선이 스타 결선의 경우이나 제13도에 도시하는 바와 같이 델타 결선이어도 물론 상관이 없다.

이상과 같이 구성하였으므로 본 발명의 복수 고정자 유도 동기 전동기는 기동시에는 유동 전동기로서 기동하고 동기속도에 가까워지면, 따라서 슬립이 S=0.05 부근에서 동기속도로 흡수되어 동기 전동기로서 회전하는 것이다. 즉 기동시에는 복수의 고정자와 복수의 회전자 코어에 의한 일체적 회전자에 의해 복수의 고정자가 만드는 회전자계로 전동기는 통상적인 유도 전동기와 마찬가지로 기동할 수 있으므로 일반적인 동기 전동기와 같이 기동기를 필요로 하지 않는다. 또한 회전자가 동기속도에 가까워져서 슬립이 S=0.05 부근에 도달할 때 고정자측에 사이리스터, 다이오드 또는 직류전원 등에 의한 직류분 전류를 흘림과 동시에 복수의 고정자의 한쪽의 기계적 위치를 고정자의 회동 등으로 변환시키든가 또는 고정자 권선의 결선을 전환하여 복수의 고정자에 대치하는 회전자 코어의 주위에 생기는 회전자계에 위상차를 만듦으로써 고정자측의 직류분에 의해 생기는 정지자계로 회전자에 전압이 유기되고, 그것에 의해 전류는 회전자 권선 사이의 연결한 회로에 흘러서, 이 회로의 작용, 즉 직류분을 발생시키는 작용에 의해 회전자에 자극을 생기게 한다. 이 자극은 고정자의 회전자계와 서로 흡인하여 동기 속도로 회전한다.

본 발명에 의하면 이상의 구성으로부터 기동은 유도 전동기의 특성에 따라 실시되고 슬립이 예컨대 0.05 부근에서 동기 전동기로 이행하여 동기 속도로 회전한다. 복수 고정자 유도 동기 전동기는 기동기나 브러시를 필요로 하지 않으므로 구조, 구성이 간단해서 거의 유도 전동기 그대로도 된다. 유도 전동기 그대로이므로 유도 전동기의 토크 특성으로 기동할 수가 있다. 따라서 부하시에 있어서도 동기 전동기에 의한 기동이 가능하다.

그런데 본 발명의 복수 고정자 유도 동기 전동기는 유도 전동기와 동기 전동기와의 양쪽 토크 특성을 갖추므로 어느 쪽의 전동기 토크 특성이라도 사용가능하다. 이는 동기 속도로 운전중에 어떠한 원인으로 탈조한 경우라도 동기 전동기의 토크 특성으로부터 유도 전동기 토크 특성으로 전환이 가능하므로 일반적인 동기 전동기와 같이 전동기가 급격히 정지하는 일이 없다. 또한 고부하로 사용하였을 때 일반적인 동기 전동기는 과전류가 흘러서 발열하여 소손에 이르기 때문에 전동기를 정지시켜서 회전을 급격히 저하시키거나, 본 발명의 동기 전동기를 일단 유도 전동기로 전환하여 정지시킬 수가 있어 회전의 급격한 저하를 완화할 수가 있다.

이상과 같이 복잡한 구성을 필요로 하지 않으므로 보수 점검도 용이하고 유도 전동기와 마찬가지의 취급을 할 수 있는 동기 전동기의 제공이 가능하게 된다.

Claims (6)

1. 동일 회전축상에 임의의 간격을 두고 제1 및 제2회전자 코어가 있고, 상기 제1 및 제2회전자 코어에는 회전자 도체가 설치되어서 이루어지는 일체형 회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 코어에는 각각 대향해서 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 제1 및 제2고정자와, 상기 제1고정자가 이것에 대치하는 제1회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과, 상기 제2고정자가 이것에 대치하는 제2회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과의 사이에 전기각이 0˚인 제1위상차와 180˚의 제2위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 제1 및 제2회전자 코어의 각 주위에 각각 정지자계를 발생시키는 정지자계 발생장치와, 상기 회전자와 일체로 구성되어 상기 정지자계 발생장치가 만드는 정지자계에 의해 유기한 교번전압을 정류하는 다이오드가 있으며, 상기 각 회전자 도체에 직류전류를 흘림으로써 상기 제1 및 제2회전자 코어에 자극을 생기게 하는 회전자 자화장치로 이루어지며, 상기 이상장치가 만드는 제1위상차에 의해 유도 전동기를 시동한 후, 상기 전압이상장치가 만드는 상기 제1위상차로부터 제2위상차로의 전환과 동시에 상기 정지자계 발생장치를 작동시켜 상기 제1 및 제2고정자가 만드는 회전자계에 흡인되는 자극을 상기 제1 및 제2회전자 코어에 발생시켜 동기 운전을 하는 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.
2. 동일 회전축 상에 임의의 간격을 두어 설치한 복수개의 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선의 각각을 병렬로 접속한 일체형 회전자와, 상기 각 회전자 코어에 각각 대향하여 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 복수개의 고정자와, 상기 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과, 다른 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과의 사이에 위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 회전축에 직결한 정류회로가 있는 회전 전기자와 그 회전 전기자에 대향해서 설치된 직류여자용의 고정자로부터 이루어지는 회전 전기자형 발전기와, 상기 회전 전기자형 발전기의 정류회로의 직류출력을 상기 복수개의 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선에 공급하기 위한 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.
3. 동일 회전축상에 임의의 간격을 두고 설치한 복수개의 돌극형 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선의 각각을 병렬로 접속함과 동시에 그 회전자 권선의 단자 사이에 다이오드를 접속하고, 또한 상기 복수개의 돌극형 회전자 코어의 외주위에 장착한 복수개의 도체와 그 도체의 각각을 연통상으로 연결하여 그 양단부에 있어서 상기 도체를 단락하는 단락환을 설치한 일체형 회전자와, 상기 돌극형 회전자 코어에 각각 대향해서 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 복수개의 고정자와, 상기 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 돌극형 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과, 다른 고정자가 이것에 대치하는 돌극형 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과의 사이에 위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 복수개의 돌극형 회전자 코어의 각 주위에 각각 정지자계를 발생시키는 정지자계 발생장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.
4. 동일 회전축 상에 임의의 간격을 두어 설치한 복수개의 돌극형 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선의 각각을 병렬로 접속함과 동시에 상기 복수개의 돌극형 회전자 코어의 외주 위에 장착한 복수개의 도체와 그 도체의 각각을 연통상으로 연결하여 그 양단부에 있어서, 상기 도체를 연락하는 단락환을 설치한 일체형 회전자와, 상기 각 돌극형 회전자 코어에 각각 대향해서 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 복수개의 고정자와, 상기 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것과 대치하는 돌극형 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과, 다른 고정자가 이것과 대치하는 돌극형 회전자 코어의 회전자 권선에 유기하는 전압과의 사이에 위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 회전축에 직결한 정류회로가 있는 회전 전기자와 그 회전 전기자에 대향해서 설치한 직류여자용의 고정자로부터 이루어지는 회전 전기자형 발전기로부터 구성되어, 상기 회전 전기자의 정류 회로의 직류 출력을 상기 복수개의 돌극형 회전자 코어에 팽팽히 감은 회전자 권선에 병렬로 접속한 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.
5. 동일 회전축 상에 임의의 간격을 두어 설치한 복수개의 회전자 코어가 있고, 그 복수개의 회전자 코어에 연통하는 도체를 복수개 설치하고, 그 양단부를 단락하여 농형 도체로 한 일체형 회전자와, 상기 각 회전자 코어에 각각 대향해서 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 복수개의 고정자와, 상기 복수개의 회전자 코어에 연통하는 도체와 서로 전기각으로 180˚에 위치하는 도체 사이를, 상기 고정자에 대향하지 않는 부분에서 연결하는 다이오드와, 상기 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과, 다른 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과의 사이에 위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 복수개의 회전자 코어의 각 주위에 각각 정지자계를 발생시키는 정지자계 발생장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.
6. 동일 회전축 상에 임의의 간격을 두어 설치한 복수개의 회전자 코어가 있고, 그 복수개의 회전자 코어에 연통하는 도체를 복수개 설치하고 그 양단부를 단락하여 농형 도체로 한 일체형 회전자와, 상기 각 회전자 코어에 각각 대향해서 설치되고, 각각 회전자계를 형성하는 복수개의 고정자와, 상기 복수개의 고정자 중 특정의 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과, 다른 고정자가 이것에 대치하는 회전자 코어의 회전자 도체에 유기하는 전압과의 사이에 위상차를 발생시키는 전압이상장치와, 상기 회전축에 직결한 정류회로가 있는 회전 전기자와 그 회전 전기자에 대향해서 설치한 직류여자용의 고정자로부터 이루어지는 회전 전기자형 발전기와, 상기 회전 전기자의 정류회로의 직류출력을 상기 복수개의 회전자 코어에 연통하는 도체와 서로 전기각으로 180˚에 위치하는 도체 사이에 상기 고정자에 대향하지 않는 부분에서 병렬로 접속되는 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 고정자 유도 동기 전동기.