JP3057371B2 - 教育用三相交流と回転磁界の色別発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、三相誘導電動機の固定子巻線である三相巻
線（12）を、光ファイバを束ねて巻線とし、三相誘導電
動機の固定子鉄心（１）の模型に三相星形結線に似せて
巻きつけた後、三相交流電流（16）の各相に、ランプ
（４）から放出された光が色板（３）を通して光ファイ
バ（２）端面に入射することで、光ファイバ（２）自身
が光り、光ファイバの外側から透過した光を見ることに
より、模擬的に三相交流電流（16）を作り、三相交流
（16）の特性と回転磁界（17）の時間的変化について、
三相各相の時間に対する電流の発生を実際の固定子巻線
と同様に配置して色別に発生する教育用装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来の教育用三相誘導電動機の固定子鉄心と固定子巻
線の模型（１）においては、材料として、実際の物と同
じ固定子鉄心（１）に鉄を用い、固定子巻線には銅線を
用いて、電動機の内部構造が見えるようになっている。
また、公開特許公報（昭61−83575）では三相交流の発
生を分からせるため、可変抵抗器を用いたカム等によ
り、周期運動をさせるようにしている。さらに、公開特
許公報（昭和57−19782）では、ランプ等を用いて、三
相交流の往動時、復動時の発光を点灯させるようにして
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の教育用三相誘導電動機の固定子鉄心の模型
（１）においては、内部構造を見せるために、回転子を
はずした固定子鉄心（１）と固定子巻線（12）だけの構
造物であり、三相誘導電動機の内部構造を見せることを
主にした教育用模型であったため、電流の流れについて
の説明は、一切できないという問題点があった。

また、従来の特許の内容は、カムやランプを用いた複
雑な構造であった。

本発明は、三相交流電流（16）の特性と、三相誘導電
動機の回転原理である回転磁界（17）について、三相巻
線として光ファイバ（２）を使い、視覚を通じて三相交
流電流（16）の各相の電流の大きさ、方向が、時々刻々
と変化する様子を三相の各相毎にランプ（４）からの光
によって、各相の光ファイバ（２）の外側に色を付け、
三相交流電流（16）の各相の色の変化によって、三相交
流と回転磁界の原理を得ることを目的としており、さら
に、構造においては、透明材料を用いて、内部構造を見
易くしてある教育用三相交流と回転磁界の色別発生器。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を解決するために、本発明の教育用三相交流
と回転磁界の色別発生器では、透明な素材で構成した三
相誘導電動機の固定子鉄心（１）に、透明な素材で構成
された３本の光ファイバ（２）の両端６本のうち、２本
ずつの組を三相巻線として、４極三相星形結線（13）と
して接続し、固定子鉄心のスロット（15）内に配置し
て、該光ファイバに光を照射するための光源（４）と、
該光ファイバに光源からの光を選択的に照射する回転色
円板（３）とからなるように構成した。

［作用］ 上記のように構成された三相誘導電動機の固定子鉄心
の模型（１）に巻かれた光ファイバ（２）の１本に相当
する束が、あたかも透明の電線として巻かれているよう
に見え、さらに、固定子鉄心（１）から色板（３）まで
の光ファイバ（２）の距離を長めにとってあるので、こ
の間の光ファイバ（２）は三相交流の電線として見立て
ることができる。

また、色模様（20）が変化する色板（３）より出たラ
ンプ（４）からの光は、光ファイバ（２）の中を進行
し、光ファイバの外側側面から、光の進行状況を捕らえ
ることができ、透明の電線に色の付いた光が時間ととも
に変化して、巻線の色が変わっていく様子を見ることが
できる。

［実施例］ 実施例について図面を参照して説明する。

第１図において、三相誘導電動機の固定子鉄心の模型
（１）に、三相巻線として三相星形結線（３）を行っ
た、光ファイバ（２）を束ねた端面に、ランプ（４）か
ら放射された光を色板（３）を通して入射させると、色
板（３）はモータ（５）にて回転できるようにしている
ため、色板（３）上に塗られた色模様（20）が常に移動
し変化する。

付属品としてトランス（６）、ファン（７）を備え、
全体を箱（８）に収め、箱の上部に光を放射する穴
（９）を明け、光ファイバ（２）への光の取入れ口とす
る。

第２図に示されるように、光ファイバ（２）内の光
は、ランプ（４）から色板（３）を通して光ファイバ端
面に入射することにより、光ファイバ内のコア（10）を
コア（10）／クラッド（11）界面で全反射をしながら進
行し、他端から放射される。この装置は、このときのク
ラッド（11）から外側に光が漏れることを利用したもの
である。したがって、この光ファイバ（２）内の光の進
行の様子を光ファイバの外側側面から見ることができ、
その光量は、光ファイバ（２）１本当たりの直径が小さ
いほど、クラッド（11）側面から多くを放つことができ
る。光ファイバ（２）数百本を１つに束ねることで側面
からの光量が増し、光ファイバ（２）を色付きの電線に
見立てることができる。これを固定子鉄心（１）内の巻
線として利用することにより、電線が光り、さらに、色
が付き、電気の流れが三相交流の特徴として常に変化し
て見えるようになる。

第３図（ａ）に示される実施例では三相誘導電動機の
模型（１）内に巻かれた三相巻線の結線は、４極三相星
形巻線（12）であり、光ファイバを切断・接続すること
なく、中性点ａ_２′、ｂ_２′、ｃ_２′の結合を行うこと
は不可能なため、第３図（ｂ）のように仮の中性点を考
え、三相各相を２束ずつに分け、ａ相ｂ相、ｂ相ｃ相、
ｃ相ａ相と計３組の組み合わせにすることにより、三相
星形結線（13）を作ることができる。ここでａ相ｂ相を
例にとると、ａ相からｂ相に至る光ファイバは１本ずつ
を多く束ねたものであり、途中の接続はない。この考え
に基づいて、光ファイバで第３図（ｃ）の４極三相巻線
（14）を作り、a₁→ａ_１′→a₂→ａ_２′→ｂ_２′→b₂→
ｂ_１′→b₁を第１組とし、同様に、a₁からc₁までを第２
組、b₁からc₁までを第３組として接続する。この巻線を
第３図（ｄ）の固定子鉄心（１）に収めて、固定子巻線
とする。

実際の三相誘導電動機における三相巻線の接続は、三
相分の３本の巻線を１箇所の中性点で接続して結合する
三相星型結線（13）と三相分の３本の巻線を３箇所で結
合する三相三角結線がある。しかし、この装置において
光ファイバ（２）を用いて三相巻線を作るには、光ファ
イバ（２）を途中で切断・接続することなく、三相分の
巻線によって中性点があるかのような結線を作る必要が
ある。この結線方法は、光ファイバ（２）を束ねて三相
巻線とするもので、三相各相の光ファイバの半束分ずつ
にしたものを、ａ相ｂ相、ｂ相ｃ相、ｃ相ａ相と直接束
ね、２つの束の組み合わせを３組作ることで、あたかも
中性点で結合したかのような形にする。この方法によ
り、光ファイバ（２）による三相星型結線（13）を作る
ことができる。

第４図は三相交流波形（16）を示すもので、第５図、
第６図を説明するための基礎的内容である。実際の三相
交流波形はａ相、ｂ相、ｃ相の各相から成り立ち、それ
ぞれ電気角が２π/3［rad］ずつ位相差のある３つの電
流が生じる。時刻t₁からt₆までのうち、三相星形結線に
ついては、t₂ではａ相が＋となり、ｂ相、ｃ相は−
となって、ａ相から電流が中性点の方向へ流れ込み、そ
のまま、ｂ、ｃ相から流れ出ることになる。同様にt₃で
はａ、ｂ相が＋で、ｃ相が−となり、電流がａ、ｂ
相から流れ込み、ｃ相へ流れ出る。以下同様にt₁からt₆
までの電流の流れを見ると、規則性のあることが分か
り、t₆以降の波形についても同じ周期となる。

第５図は三相交流による４極回転磁界を示し、第４図
の時刻t₁からt₆にあたる電流の向きと、回転磁界の様子
を示したものである。この図は固定子巻線の断面図であ
り、電流の流れ方向の記号について説明すると、印は
視線の方向、いわゆる手前から向こう側に電流が流れる
ことを意味するもので、 は反対方向に電流が流れることを示すものである。実際
に導体が作る磁界の方向は矢印の方向となり、Ｎ極（2
2）、Ｓ極（23）ができ、時間ｔの経過とともに、Ｎ
極、Ｓ極の位置が移動する。これにより、三相誘導電動
機内の回転子が回ることになる。

第６図（ａ）に示される実施例では、三相交流の色表
示に関する考え方を示したものである。三相各相におけ
る電流の三相交流波形（16）は、時間に対応して、位
相、大きさ、方向の正、負が変わる性質があるため、三
相は３つの波形で表される。ここで、波形の正方向（1
8）だけを取り上げると、三相交流は、ある時間の瞬時
に１相又は２相分だけの正方向の電流が流れていること
になり、光ファイバ（２）の各相半束分ずつ２つを１組
にした三相結線になる。この波形は第４図の三相交流波
形（16）のプラス側だけを取り上げた波形である。三相
各相に色を付け、ａ相（赤）、ｂ相（青）、ｃ相（黄）
とすると、時刻t₁からt₆までのうち、t₂ではａ相へ赤の
電流が流れ込み、ｂ、ｃ相から赤の電流が流れ出ること
になる。t₃ではａ相へ赤が、ｂ相へ青が流れ、ｃ相から
赤、青の２色が流れ出る。以下同様にt₁からt₆までの色
の変化は、第６図（ｂ）のように色番号からまでの
６通りの規則性のある色（19）となり、三相各相の色の
変化は、第６図（ｃ）のようになる。第６図（ｄ）は各
時刻の色の変化を三相星形結線（21）に表したものであ
る。時刻t₁における色は、ａ相では赤、ｃ相では黄、ｂ
相では赤、黄となる。以下同様にt₁からt₆までの三相星
形結線における各相の色を表した。

光を通す色板（３）は、三相交流（16）の三相３本か
ら流れ出て各電流に色を付ける働きがあり、時間に対す
る電流の大きさ、方向を色表示するもので、三相分の３
本の３色を三相波形（16）の変化に基づいてランプ
（４）から光を受けたあと、規則性のある色（20）とし
て、光ファイバ（２）端面に送り込む働きがある。色板
（３）の模様（20）は各時刻における各相の電流の方向
を表している。ここで、三相結線（21）への各相の電流
の向きを考えると、各時刻における各相の色の組み合わ
せには規則性のあることが分かる。この色の組み合わせ
により三相交流の特性と三相誘導電動機の回転原理であ
る、Ｎ極、Ｓ極の位置が移動する回転磁界（17）が観察
できる。第６図（ｅ）は、第６図（ｃ）（ｄ）の色の変
化が三相交流に合わせて、時々刻々変化するように、色
板（３）上に表した色模様であり、これを回転方向に回
転させて、外側からａ相、ｂ相、ｃ相とすると、時刻t₁
からt₆までの三相分の色の変化を全て表示することがで
きる。

本発明の教育用三相交流と回転磁界の色別発生器にお
いては、光ファイバ（２）を束ねて電線に見立てて三相
巻線とし、三相誘導電動機の固定子鉄心の模型（１）で
ある固定子鉄心（１）のスロット（15）内に光ファイバ
（２）で三相巻線（12）として収め、光で作った色板
（３）を通して、三相交流（16）を模擬的に与えること
により、三相交流電圧を発生させるようにしたものであ
る。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載されるような効果を奏する。

光ファイバ（２）の束を電線に見立てて三相誘導電動
機の固定子巻線（12）として模型を作ったことにより、
電気の流れが視覚を通してよく見える。

そして、三相交流（16）の電流の大きさ、方向は、時
々刻々変化しているので、三相各相の電流の変化を色別
に発生させたことにより、三相交流波形の概念がつかめ
る。

さらに、三相誘導電動機の固定子巻線の模型がつくる
各相の電流色（20）によって、回転磁界（17）の変化の
様子が分かる。

また、材料に関して、三相誘導電動機の固定子鉄心の
模型は、透明アクリル材を用いており、また、光ファイ
バは透明プラスチック材を用いているので、構造の全て
が、実際の三相誘導電動機全体をそのまま透明にした形
となり、どの角度からも内部の構造と三相巻線に流れる
電流色が一目瞭然である。

また、三相星形巻線（12）の中性点では、結合点があ
るかのような方法によって結線したことにより、各相２
本ずつ、計３組の三相星形結線（13）となり、三相交流
の各相に流れる電流の方向にプラス方向とマイナス方向
があることを説明するにも好都合である。

さらに、色板（３）の色模様（20）については、三相
交流波形に一定の規則性と周期があることを色にて簡単
に説明ができるようになっている。

以上のことより、三相交流（16）の特性と回転磁界
（17）については、三相の３つの波形から説明すること
ができるが、従来の平面上では十分な説明ができなかっ
たため、３色を用いて、模型を使って立体的に説明する
ことで、視覚を通して理解できるようになる。

これは、電気の流れを見えるようにした教育用視覚教
材である。

【図面の簡単な説明】

第１図は教育用三相交流と回転磁界の色別発生器の全体
の説明図、第３図（ｂ）は仮の中性点を設けた三相星形
結線図、第６図（ａ）は三相交流波形のプラス側の図、
第６図（ｂ）（ｃ）（ｄ）は三相交流の色表示図、第６
図（ｅ）は色板上の色模様図を示す図である。 さらに、第２図は光ファイバの構造図、第３図（ａ）
（ｃ）（ｄ）は三相巻線図、三相結線方法図、固定子鉄
心の構造図、第４図は三相交流波形図、第５図は三相交
流における４極回転磁界を表す図である。 １……三相誘導電動機の固定子鉄心の模型 ２……光ファイバ ３……色板 ４……ランプ 12……三相星形巻線 13……仮の中性点結合のある三相星形巻線 15……スロット 16……三相交流波形 17……回転磁界 20……相別色模様

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明な素材で構成した三相誘導電動機の固
   定子鉄心（１）に、透明な素材で構成された３本の光フ
   ァイバ（２）の両端６本のうち、２本ずつの組を三相巻
   線として、４極三相星形結線（13）として接続し、固定
   子鉄心のスロット（15）内に配置して、該光ファイバに
   光を照射するための光源（４）と、該光ファイバに光源
   からの光を選択的に照射する回転色円板（３）とからな
   る教育用三相交流と回転磁界の色別発生器。