JP2006060999A - 単相誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 単相誘導電動機の動作期間の間、前記電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化することで、前記電動機の初期起動性能および効率性能を同時に適切に満足できる単相誘導電動機を提供する。
【解決手段】 主巻線、補助巻線、運転コンデンサおよび起動補助装置を含んで構成された単相誘導電動機であって、前記電動機の効率および起動性能を向上するために、前記補助巻線は、電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化して単相誘導電動機を構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単相誘導電動機に関するもので、詳しくは、前記電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化することで、電動機の初期起動時の起動トルク性能および正常運転時の効率性を同時に満足できる単相誘導電動機に関するものである。

以下、従来の単相誘導電動機を、図１に基づいて説明する。

一般に、単相誘導電動機は、固定子に装着された巻線に周期的な電流変化を発生し、この電流変化により磁界を一定に変化して回転子にトルクを発生することで、回転動力を得ることができる装置をいう。

しかしながら、前記電動機の駆動用電源として単相交流電源を印加する場合、前記電動機では、巻線の軸方向に大きさが変化する交番磁界が発生するだけで、回転力は発生しなくなる。したがって、一般に、モータを起動するための起動装置としては、コンデンサ運転型起動装置が使用される。

図１は、一般的な単相誘導電動機を示した回路図である。図１に示すように、一般的な単相誘導電動機は、電源Ｅによって駆動され、主巻線Ｍ、補助巻線Ｓ、この補助巻線Ｓに直列連結された運転コンデンサＣｒおよびこの運転コンデンサＣｒに並列連結された起動補助装置により構成されており、一般に、前記起動補助装置として適用されるＰＴＣサーミスタ５０は、温度に応じて抵抗値が変わる素子であって、高温の場合は高い抵抗値を有し、低温の場合は低い抵抗値を有する。

一方、前記巻線の間に示した円状のものは、回転子２０を示し、前記起動補助装置には、起動コンデンサ(図示せず)が直列連結される。

以下、このように構成された一般的な単相誘導電動機の動作を説明する。

まず、前記電動機に電源Ｅが印加されると、主巻線Ｍへの電流Ｉｍの流入によって前記主巻線Ｍに交番磁界が発生し、前記補助巻線Ｓに運転コンデンサＣｒによって位相変化された電流Iｓが流入することで、前記交番磁界と電気的に相異なる位相の補助磁界が発生する。前記補助磁界は、位相が相異なる交番磁界に対して回転磁界を形成することで、前記回転子が回転するようにトルクを形成する。

一方、前記ＰＴＣサーミスタ５０などの起動補助装置が備えられ、前記単相誘導電動機の初期起動時にＰＴＣサーミスタ５０の抵抗値が比較的小さな値を有するので、補助巻線Ｓを通過したほとんどの電流IｓがＰＴＣサーミスタ５０を通過して流れることで、前記電動機の起動性能が向上するようになる。

その反面、所定時間が経過して前記単相誘導電動機が正常運転するとき、ＰＴＣサーミスタ５０の抵抗値が非常に大きな値を有することで、前記ＰＴＣサーミスタ５０をつなぐ結線が遮断されるという効果がある。

したがって、前記補助巻線Ｓを通過した電流Iｓは、運転コンデンサＣｒを通して流れ、前記主巻線Ｍ、補助巻線Ｓおよび運転コンデンサＣｒにより形成される磁場と前記回転子２０とが相互作用することで、回転子２０が同期速度で回転するようになる。

図２は、一般的な単相誘導電動機の補助巻線の結線を示した図である。多数のスロット１〜１４,１'〜１４'を有する固定子３０を含んで構成された単相誘導電動機では、コイルを前記スロット１〜１４，１'〜１４'を通して巻線して主巻線および補助巻線を形成することができる。図２は、スロット１２からコイルの巻線を開始してスロット３、スロット１１、スロット４などの方向に巻線したｎ３〜ｎ７のコイルと、スロット１２’から開始して前記と同様な方式で巻線したｎ３'〜ｎ７'のコイルと、からなる二つのコイルを形成し、これら二つのコイルの両端が並列接続された形態を示している。

また、前記並列接続された二つの補助巻線の両端が運転コンデンサＣｒに接続され、前記ＰＴＣサーミスタ５０が運転コンデンサＣｒに並列接続されており、前記コイルに印加される電流により回転磁界が形成されて回転子２０が回転し、前記回転力を外部に伝達するために、シャフト４０が前記回転子２０の軸方向に形成される。

しかしながら、一般的な単相誘導電機は、効率性能と共に初期起動性能が電動機の性能に主な影響を及ぼすが、前記効率性能および初期起動性能は、特に補助巻線の巻線数によって左右される。すなわち、補助巻線の巻線数が多くなる場合、前記電動機の効率性能が高くなるが、初期起動性能は悪化する傾向があり、その反対に、補助巻線の巻線数が少なくなる場合、前記電動機の効率性能が低くなるが、初期起動性能は向上するようになる。

したがって、従来の単相誘導電動機においては、前記補助巻線は、電動機の初期起動時から運転終了時までの動作期間の間所定の巻線数を有して動作するので、前記初期起動性能および効率性能を同時に適切に満足できないという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、単相誘導電動機の動作期間の間、前記電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化することで、前記電動機の初期起動性能および効率性能を同時に適切に満足できる単相誘導電動機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明による単相誘導電動機は、主巻線、補助巻線、運転コンデンサおよび起動補助装置を含んで構成され、前記電動機の効率および起動性能を向上するために、前記補助巻線は、電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化して構成されたことを特徴とする。

特に、前記補助巻線は、電動機の運転状態に応じて、電動機の初期起動時に起動性能を向上するために、電流が通過する補助巻線の巻線数を少なくし、前記電動機の正常運転時に効率性能を向上するために、電流が通過する補助巻線の巻線数を多くして構成される。

このような動作のために、補助巻線は、第１補助巻線と、前記第１補助巻線の端に追加的に巻線される第２補助巻線と、から構成され、前記運転コンデンサは、前記補助巻線に直列連結され、前記起動補助装置は、前記運転コンデンサおよび第２補助巻線に並列連結されて構成される。

また、前記起動補助装置は、前記電動機の初期起動時に低い等価抵抗値を有し、正常運転時に高い等価抵抗値を有する可変等価抵抗素子により構成され、電動機の運転状態に応じて補助巻線を経由する電流の方向を変化して構成される。

前記起動補助装置は、可変等価抵抗素子であって、ＰＴＣサーミスタ、遠心スイッチまたはリレーが適用される。

一方、本発明の他の実施形態による単相誘導電動機は、回転子と、多数のスロットが形成されて主巻線および補助巻線が装着される固定子と、を含んで構成され、前記固定子のスロットには、補助巻線が二つの並列コイルに連結されて装着され、前記補助巻線は、第１補助巻線と、前記第１補助巻線の端に追加的に巻線される第２補助巻線と、から構成されることを特徴とする。

また、前記補助巻線は、第１補助巻線と第２補助巻線とがタップにより連結され、前記単相誘導電動機は、前記補助巻線に直列連結される運転コンデンサと、前記運転コンデンサおよび第２補助巻線に並列連結される起動補助装置と、を含んで構成されることを特徴とする。

一方、本実施形態では、可変等価抵抗素子の起動補助装置を適用することができ、前記可変等価抵抗素子は、ＰＴＣサーミスタ、遠心スイッチまたはリレーにより構成される。

本発明による単相誘導電動機は、前記電動機の初期起動時に電流が通過する補助巻線の巻線数を少なくして起動性能を向上するとともに、前記電動機の正常運転時に電流が通過する補助巻線の巻線数を多くして効率性能を向上することができる。

以下、本発明による単相誘導電動機の実施形態を、図面に基づいて説明する。本実施形態を説明する際、同一構成には、同一名称および符号が使用された。

図３は、本発明による単相誘導電動機を示した回路図で、図４および図５は、図３のＰＴＣサーミスタ５０の代わりに適用される起動補助装置を示した図である。

図３に示すように、本発明による単相誘導電動機は、主磁界を発生する主巻線Ｍと、この主巻線Ｍに並列連結されて補助磁界を発生する補助巻線Ｓと、この補助巻線Ｓに直列連結され、補助巻線Ｓに流入される電流および前記補助磁界の位相と主巻線に流れる電流および主磁界の位相とにそれぞれ所定の差を与える運転コンデンサＣｒと、この運転コンデンサＣｒに並列連結された起動補助装置と、から構成され、前記起動補助装置としては、ＰＴＣサーミスタ５０を適用している。

特に、前記補助巻線Ｓは、第１補助巻線Ｓ１と、この第１補助巻線Ｓ１の端に追加的につながって巻線される第２補助巻線Ｓ２と、から構成されるが、前記運転コンデンサＣｒは、第２補助巻線Ｓ２の端につながった結線に設けられて前記補助巻線Ｓに直列接続され、前記ＰＴＣサーミスタ５０は、第１補助巻線Ｓ１の端につながった結線に設けられて前記運転コンデンサＣｒに並列接続される。

一方、前記単相誘導電動機に起動補助装置として使用されるＰＴＣサーミスタ５０は、温度変化に応じて抵抗値が変わる素子であって、前記電動機の回転初期の低い温度では小さな抵抗値を有する反面、前記電動機の起動後、所定時間の間通電されると、前記ＰＴＣサーミスタ５０素子の温度が上昇することで、非常に大きな抵抗値を有するので、前記ＰＴＣサーミスタ５０素子が連結された結線は、流入電流が遮断されるという効果を得る。

前記起動補助装置として適用される素子には、前記ＰＴＣサーミスタ５０素子の他にも、図４および図５に示した遠心スイッチ５１およびリレー５２がある。

以下、単相誘導電動機の動作に対し、図３乃至図５に基づいて説明する。

まず、電動機を駆動するための電源Ｅが印加されると、主巻線Ｍおよび補助巻線Ｓ側に電流Iｍ,Iｓがそれぞれ流入される。

この場合、前記電動機の初期起動時は、ＰＴＣサーミスタ５０素子の等価抵抗が非常に小さい値を有するので、補助巻線Ｓ側に流入される電流Ｉｓは、第１補助巻線Ｓ１を経て、この第１補助巻線Ｓ１の端につながった結線に設置されたＰＴＣサーミスタ５０側の方向(ｐ方向)に流れる。

しかしながら、電動機の正常運転時は、前記ＰＴＣサーミスタ５０の温度上昇によって等価抵抗が非常に大きい値を有するので、前記ＰＴＣサーミスタ５０をつなぐ結線が遮断されるという効果がある。

これによって、前記補助巻線Ｓに流入されるほとんどの電流Ｉｓは、第１補助巻線Ｓ１、第２補助巻線Ｓ２を経て、この第２補助巻線Ｓ２の端につながった結線に設置された運転コンデンサＣｒ側の方向(ｑ方向)に流れる。

前記動作により、電動機の初期起動時は、前記ＰＴＣサーミスタ５０が小さな抵抗値を有するので、補助巻線Ｓに向かって流れる電流Ｉｓは、第１補助巻線Ｓ１を通過した後、ほとんどの電流が抵抗値の非常に小さいＰＴＣサーミスタ５０を経て流れる。したがって、この場合、前記電流が追加的に巻線された第２補助巻線Ｓ２とは関係なしに、第１補助巻線Ｓ１のみを経て進行するので、少数のコイルを巻線して補助巻線を形成した時と同様な効果があり、前記電動機の初期起動性能が向上する。

一方、前記電動機の正常運転時は、ＰＴＣサーミスタ５０の温度が上昇して等価抵抗値が非常に大きい値を有することで、前記ＰＴＣサーミスタ５０をつなぐ結線が遮断されるという効果があるので、前記第１補助巻線Ｓ１を経てＰＴＣサーミスタ５０に印加された電流の方向(ｐ方向)が変化され、前記電流は、第１補助巻線Ｓ１の端、第２補助巻線Ｓ２を経て運転コンデンサＣｒ側の方向(ｑ方向)に流れる。

したがって、前記正常運転時は、電流が第１補助巻線Ｓ１および第２補助巻線Ｓ２からなる補助巻線Ｓ全体を経て進行するので、多数のコイルを巻線して補助巻線を形成した時と同様な効果があり、前記電動機の動作に関する効率性能が高くなる。

このように構成された単相誘導電動機は、電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線Ｓの巻線数を適切に変化し、特に電動機の初期起動時に電流が通過する補助巻線Ｓの巻線数を少なくし、前記電動機の正常運転時に電流が通過する補助巻線Ｓの巻線数を多くすることで、前記電動機の初期起動性能および効率性能を同時に向上することができる。

図４および図５に示すように、起動補助装置として適用される素子には、前記ＰＴＣサーミスタ５０素子の他にも、電動機の運転状態に応じて電動機の初期起動時に低い等価抵抗値を有し、正常運転時に高い等価抵抗値を有する可変等価抵抗素子である遠心スイッチ５１およびリレー５２がある。

一方、図６は、本発明による単相誘導電動機の補助巻線の結線を示した図で、図７は、図６の補助巻線の巻線形態を示した等価回路図である。

図６に示すように、本発明による単相誘導電動機は、回転子２０と、多数のスロットが形成された固定子３０と、前記回転子２０の内部に形成されて回転力を外部に伝達するシャフト４０と、を含んで構成される。

前記固定子３０に形成された多数のスロットを通して主巻線および補助巻線を装着することができ、図６は、補助巻線を二つの並列コイルの形態に装着した単相誘導電動機を示している。

図示したように、前記固定子３０に形成された複数個のスロット１〜１４,１'〜１４'にコイルを巻線して補助巻線を形成し、前記補助巻線は、実線で示された第１補助巻線と、この第１補助巻線の端につながって追加的に巻線される点線で示された第２補助巻線と、から構成される。

前記補助巻線は、二つの並列コイルの形態に巻線されるが、第１補助巻線は、スロット１２からコイルの巻線を開始してスロット３、スロット１１などの方向に巻線したｎ３〜ｎ７の巻線と、スロット１２'からコイルの巻線を開始してスロット３',スロット１１'などの方向に巻線したｎ３'〜ｎ７'の巻線と、を含む。

また、前記第１補助巻線ｎ３〜ｎ７には、スロット７とスロット８とを連結してコイルを複数回巻線する方式で第２補助巻線ｎ８を形成することができ、これと同様に、他側の第１補助巻線ｎ３'〜ｎ７'にも、スロット７’とスロット８’とを連結してコイルを複数回巻線する方式で第２補助巻線ｎ８’を形成することができる。

このとき、前記第１補助巻線ｎ３〜ｎ７,ｎ３'〜ｎ７'の端と第２補助巻線ｎ８,ｎ８'の端とは、タップ処理により互いに連結することが好ましい。

図６によると、第１補助巻線ｎ３〜ｎ７,ｎ３'〜ｎ７'および第２補助巻線ｎ８,ｎ８'により構成される補助巻線は、固定子スロットの両側に巻線されており、前記第１補助巻線の二つのコイルｎ３〜ｎ７,ｎ３'〜ｎ７'の両端が互いに連結され、第２補助巻線の二つのコイルｎ８,ｎ８'の両端が互いに連結されることで、第１および第２補助巻線の二つのコイルがそれぞれ並列連結される。

この場合、図７に示すように、二つの並列コイルに巻線した補助巻線は、これと等価である一つのコイルに巻線した補助巻線に表現される。

一方、前記したように、電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数を変化するために、前記一つの等価補助巻線を構成する第２補助巻線の二つのコイルの端ｎ８,ｎ８'を互いに連結した結線に運転コンデンサＣｒを第２補助巻線に直列連結し、第１補助巻線の二つのコイルの端ｎ７,ｎ７'を互いに連結した結線にＰＴＣサーミスタ５０を設置して前記運転コンデンサＣｒに並列連結する。

このような構成により、第２補助巻線ｎ８,ｎ８'が第１補助巻線ｎ３〜ｎ７,ｎ３'〜ｎ７'の端に追加的に巻線されてタップ処理により互いに連結されるので、補助巻線の巻線数を増加することができ、前記電動機の初期起動時にＰＴＣサーミスタ５０の等価抵抗が小さい値を示し、電動機の正常運転時に等価抵抗が高い値を示すので、電動機の初期起動の起動性能を向上するとともに、電動機の正常運転時の効率性能を向上することができる。

また、本実施形態でも、前記電動機の初期起動時に低い等価抵抗値を有し、正常運転時に高い等価抵抗値を有する可変等価抵抗素子により構成される起動補助装置としては、ＰＴＣサーミスタ５０の他にも、遠心スイッチ５１またはリレー５２が適用される。

一方、図８は、補助巻線数による起動性能を比較したグラフであり、図９は、補助巻線数による電動機の効率を比較したグラフである。

図８に示すように、横軸は、回転子の回転速度をrpm単位で示し、縦軸は、起動トルクをNm単位に示した軸であり、大きい値の巻線数を有する補助巻線が適用される電動機の起動トルク特性は、実線による値を有し、小さい値の巻線数を有する補助巻線が適用される電動機の起動トルク特性は、点線による値を有する。

また、図９に示すように、回転速度による前記電動機の効率面における実線および点線で示される特性は、補助巻線の巻線数が多いか少ない場合の電動機の効率特性をそれぞれ意味する。

図８および図９を総合してみると、前記補助巻線の巻線数を大きい値に適用したとき、電動機の初期起動の回転速度が低い場合、起動トルク値が小さい値を示すので、初期起動性能は高くないが、前記電動機の正常運転時には効率特性が向上する。

その反面、前記補助巻線の巻線数を小さい値に適用したとき、電動機の初期起動トルクでは高い値を有するが、正常運転時の電動機の効率特性面においては、前記大きい値の巻線数を有する補助巻線を適用したときよりも不利になる。

上述したように、本発明は、補助巻線を、第１補助巻線と、この第１補助巻線の端に追加的にコイルを巻線して形成した第２補助巻線と、から構成し、初期起動および正常運転時、電動機の運転状態に応じて等価抵抗値が可変する起動補助装置を前記第１補助巻線の端に連結して構成するので、前記電動機の初期起動時に電流が通過する補助巻線の巻線数を少なくし、正常運転時に電流が通過する補助巻線の巻線数を多くすることで、前記電動機の起動性能および効率性能を同時に満足することができる。

一般的な単相誘導電動機を示した回路図である。 一般的な単相誘導電動機の補助巻線の結線を示した図である。 本発明による単相誘導電動機を示した回路図である。 本発明の他の実施形態に適用される起動補助装置を示した図である。 本発明の他の実施形態に適用される起動補助装置を示した図である。 本発明による単相誘導電動機の補助巻線の結線を示した図である。 図６の巻線形態を示した回路図である。 補助巻線数による起動性能を比較したグラフである。 補助巻線数による電動機の効率を比較したグラフである。

符号の説明

２０ 回転子
３０ 固定子
４０ シャフト
５０ ＰＴＣサーミスタ
５１ 遠心スイッチ
５２ リレー
Ｍ 主巻線
Ｓ 補助巻線
Ｓ１ 第１補助巻線
Ｓ２ 第２補助巻線
Ｃｒ 運転コンデンサ

Claims (15)

1. 主巻線、補助巻線、運転コンデンサおよび起動補助装置を含んで構成される単相誘導電動機であって、
   前記電動機の効率および起動性能を向上するために、前記補助巻線は、電動機の運転状態に応じて電流が通過する補助巻線の巻線数が変化するように構成されることを特徴とする単相誘導電動機。
2. 前記補助巻線は、電動機の初期起動時に起動性能を向上するために、電流が通過する補助巻線の巻線数を少なくし、前記電動機の正常運転時に効率性能を向上するために、電流が通過する補助巻線の巻線数を多くするように構成されることを特徴とする請求項１記載の単相誘導電動機。
3. 前記補助巻線は、第１補助巻線と、前記第１補助巻線の端に追加的に巻線される第２補助巻線と、から構成されることを特徴とする請求項２記載の単相誘導電動機。
4. 前記運転コンデンサは、前記補助巻線に直列連結され、前記起動補助装置は、前記運転コンデンサおよび第２補助巻線に並列連結されて構成されることを特徴とする請求項３記載の単相誘導電動機。
5. 前記起動補助装置は、前記電動機の初期起動時に低い等価抵抗値を有し、正常運転時に高い等価抵抗値を有する可変等価抵抗素子により構成されることを特徴とする請求項４記載の単相誘導電動機。
6. 前記起動補助装置は、ＰＴＣサーミスタであることを特徴とする請求項５記載の単相誘導電動機。
7. 前記起動補助装置は、遠心スイッチであることを特徴とする請求項５記載の単相誘導電動機。
8. 前記起動補助装置は、リレーであることを特徴とする請求項５記載の単相誘導電動機の起動装置。
9. 回転子と、多数のスロットが形成されて主巻線および補助巻線が装着される固定子と、を含んで構成される単相誘導電動機であって、
   前記補助巻線は、第１補助巻線と、前記第１補助巻線の端に追加的に巻線される第２補助巻線と、から構成され、前記第１および第２補助巻線は、それぞれ並列接続された二つのコイルからなることを特徴とする単相誘導電動機。
10. 前記補助巻線は、第１補助巻線と第２補助巻線とがタップにより連結されることを特徴とする請求項９記載の単相誘導電動機。
11. 前記単相誘導電動機は、前記補助巻線に直列接続される運転コンデンサと、前記運転コンデンサおよび第２補助巻線に並列接続される起動補助装置と、を含んで構成されることを特徴とする請求項９記載の単相誘導電動機。
12. 前記起動補助装置は、前記電動機の初期起動時に低い等価抵抗値を有し、正常運転時に高い等価抵抗値を有する可変等価抵抗素子により構成されることを特徴とする請求項１１記載の単相誘導電動機。
13. 前記起動補助装置は、ＰＴＣサーミスタであることを特徴とする請求項１２記載の単相誘導電動機。
14. 前記起動補助装置は、遠心スイッチであることを特徴とする請求項１２記載の単相誘導電動機。
15. 前記起動補助装置は、リレーであることを特徴とする請求項１２記載の単相誘導電動機。

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