JP4701793B2 - 動力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源に接続されて、電気パワーを機械パワーに変換して用いる動力発生装置に関するものである。

従来、この種の動力発生装置は、２次巻線を短絡するスリップリングおよびブラシを用
いて２次巻線からの接続を外部に引き出し、抵抗器を接続して、電力を一部取り出すことにより、起動時（始動時）の１次巻線の電流を抑えたり、速度の制御を行う（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の巻線形誘導電動機の回路図を示すものである。図５に示すように、主コンタクタ１によって３相の交流電源（図示せず）に接続される巻線形誘導電動機２は、２次巻線を短絡するため、スリップリング（図示せず）とブラシより短絡コンタクタ３が接続され、また始動時の１次電流を抑えるための抵抗器５が接続されている。

ブラシ引上装置４は、制御回路７によりスリップリングからのブラシの引上／引下を行うものであり、停止信号が入った場合には、タイマー６によって停止時間を計時し、制御回路７は、その計時時間が設定時間になった時点で、フラッシュオーバーを防いだブラシの引下げを行い、次回の始動に備えるものとなっている。

また抵抗器５は、抵抗値を調節可能とした場合、可変速の電動機としても使用することが可能なものである。
特開２０００−３５４３８７号公報

しかしながら、スリップリングとブラシにより回転子側にある２次巻線からの接続の引き出しを行い、これに短絡回路、および抵抗器への接続を行う構成となっていたことから、信頼性の面での課題を有していた。

前記課題を解決するために、本発明の動力発生装置は、単相の交流電源に進相コンデンサと共に接続された１次巻線を有し回転磁界を発生する第１の物体と、前記回転磁界を受ける３相の２次巻線を有し前記第１の物体と相対的に回転自在に設けた第２の物体と、前記２次巻線からの交流出力を整流する整流器と、前記整流器の直流出力に接続したコンデンサと、前記整流器の出力を高周波電力に変換するスイッチング素子と、１次コイルと２次コイルとリセットコイルとから構成され前記高周波電力を伝達するロータリトランスと、前記リセットコイルに直列に接続したダイオードとを備え、前記整流器、前記コンデンサ、前記スイッチング素子、前記１次コイル、前記リセットコイルおよび前記ダイオードは前記第２の物体に設け、前記２次コイルは第１の物体に設けたものである。

これにより、２次巻線からの負荷電力の伝達が、スリップリングやブラシによる機械的摺動部のない構成で行うことができることから、信頼性の高い動力発生装置が実現できるとともに、一般家庭などでも広く使用されている単相電源での応用が可能であることから、使用できる範囲が極めて広くなるものとなる。

本発明の動力発生装置は、スリップリングやブラシによる機械的摺動部のない構成とすることから、高い信頼性を実現することができるとともに、一般家庭などでも広く使用されている単相電源での応用が可能であることから、使用できる範囲が極めて広くなるものとなる。

第１の発明は、交流電源に接続された１次巻線を有し、回転磁界を発生する第１の物体と、前記回転磁界を受ける２次巻線を有し、前記第１の物体と相対的に回転自在に設けた
第２の物体と、前記２次巻線からの交流出力を整流する整流器と、前記整流器の出力を高周波電力に変換するスイッチング素子と、１次コイルと２次コイルを有し前記高周波電力を伝達するロータリトランスを有し、前記整流器と前記スイッチング素子と前記１次コイルは前記第２の物体に設け、前記２次コイルを第１の物体に設けた構成とすることにより、スリップリングやブラシの摺動部分なしで、２次巻線からの電力の取り出しが可能となり、信頼性の向上を図ることができるとともに、一般家庭などでも広く使用されている単相電源での応用が可能であることから、使用できる範囲が極めて広くなるものとなる。

第２の発明は、第１の発明の構成に加え、第１の物体と第２の物体の相対速度を検知する速度検知手段と、前記第２の物体の回転速度を設定する速度設定手段とを備え、前記速度検知手段の検知出力と前記速度設定手段の設定値の誤差が小さくなるように２次コイルからの出力パワーを加減する構成とすることにより、可変速運転での２次巻線の損失を抑えて、速度調節が可能であってかつ発熱の少ない動力発生装置を実現することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における動力発生装置の回路図を示している。図１において、一般に低圧電力とも呼ばれる、２００Ｖの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの３相の交流電源２０から、電動機２１が接続されている。電動機２１は、３相の交流電源２０の各端子に接続された３相の１次巻線２２、２３、２４を有し、固定子（ステータ）となって回転磁界を発生する第１の物体２５を有している。回転子（ロータ）である第２の物体２６は、第１の物体２５に対して相対的に回転自在に設けられたもので、第１の物体２５からの回転磁界を受ける３相の２次巻線２７、２８、２９を有している。

なお、２次巻線の構成に関しては、本実施の形態である３相に限定されるものではなく、自由な構成が可能であり、巻数と使用するエナメル線等の断面積なども、後段の回路との関係で適度な電圧が得られるように、自由に設計できる余地がある。

本実施の形態においては、第２の物体２６には、さらに電子回路３０が設けられている。電子回路３０は、２次巻線２７、２８、２９からの交流出力を整流するため６本のダイオードを３相全波接続とした整流器３１、整流器３１からの直流出力をリプル電圧分の少ない波形に平滑するコンデンサ３２、コンデンサ３２の直流電圧を受けて、これを１００ｋＨｚの高周波電力に変換するためのＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）で構成したスイッチング素子３３、およびダイオード３４、またスイッチング素子３３を１００ｋＨｚで４５％のオン時間比率（デューティ比）にてオンオフ駆動するためゲート端子に接続された駆動回路３５を備えたものとなっている。

本実施の形態においては駆動回路３５は、コンデンサ３２の直流電圧を電源として用いて動作するものとしている。第２の物体２６は、さらに１次コイル３６、リセットコイル３７を有しており、１次コイル３６が、コンデンサ３２とスイッチング素子３３の間に、またリセットコイル３７がコンデンサ３２とダイオード３４の間に接続されている。

第１の物体２５には、１次コイル３６およびリセットコイル３７と磁気結合した２次コイル３８を有していて、電子回路３０からの高周波電力を伝達するロータリトランス３９を構成している。２次コイル３８には、リカバリが高速であるダイオード４０、４１と、チョークコイル４２、コンデンサ４３が接続されて、直流に整流平滑され、負荷となる抵抗４４に接続されているものとなっている。

図２は、本発明の実施の形態１における動力発生装置の第１の物体２５、第２の物体２６の断面図を示している。図２において、鉄製のケーシング５０は、内部の発熱部の冷却を行うための図２の上面側、および側面下寄りに通風口５１、５２を設けている。１次巻線２２は、ステータコアなどと言われる構成の珪素鋼板の積層で実現した鉄心５３に巻かれており、図示されていないが、３相の他の相の１次巻線２３、２４も同様に、鉄心５３に巻いたものとなっていて、スター結線された３つの端子は、通風口５２から外に引き出されている。

回転子となる第２の物体２６は、ケーシング５０に取り付けられたボールベアリング５４、５５を取り付けて回転自在としており、軸５６、軸５６に焼きバメされた回転子側の鉄心５７、鉄心５７に巻かれた２次巻線２７が図示されているが、本実施の形態においては、２次巻線を３相としていることから、他の相の２次巻線２８、２９も同様に鉄心５７に巻いて設けたものとなっている。

スター結線とした２次巻線２７、２８、２９の３つの端子は、電子回路３０に接続されており、特に整流器３１と、スイッチング素子３３はアルミニウム製の放熱器５８に取り付けられているが、特に本実施の形態においては、放熱器５８は回転によって軸方向に風を送る効果を上げるように、外周部分がファン形状となっており、ファン効果を持つものとなっている。

電子回路３０から接続された１次コイル３６とリセットコイル３７は、断面が（外側に開いた）カタカナのコの字の形状としたフェライト製のコア５９に巻かれており、軸５６とともに回転するものとなっている。静止した２次コイル３８についても、やはり断面がカタカナのコの字（ただし内側に開いた形状）のフェライト製のコア６０に収められたものとなっていることから、軸５６を中心に第２の物体２６が回転しても、１次コイル３６と２次コイル３８はトランスとして動作するよう磁気結合がしっかりと保たれた状態で運転できるものとなっている。

図３は、電子回路３０のスイッチング素子３３などの動作波形を示しているものであり、（ア）はスイッチング素子３３のゲート電圧Ｖｇ、（イ）はスイッチング素子３３のコレクタ電流Ｉｃ、（ウ）はコンデンサ４３から抵抗４４に供給される電圧Ｖ２の波形をそれぞれ示しているものとなっている。

本実施の形態においては、ロータリトランス３９の極性をいわゆるフォワード方式のコンバータとしており、スイッチング素子３３がオンしている期間に、２次コイル３８に発生する電圧がダイオード４０から、チョークコイル４２を通じてコンデンサ４３と抵抗４４に供給され、スイッチング素子３３のオフ期間中には、ダイオード４０が逆阻止状態となり、ダイオード４１を通る経路で、チョークコイル４２と、コンデンサ４３および抵抗４４に循環する動作が行われるものとなっている。

オン期間Ｔｏｎについては、１次コイル３６にはスイッチング素子３３を通じてコンデンサ３２の直流電圧Ｖ１に等しい電圧が印加され、１次コイル３６のインダクタンスに応じて、ダイオード４０を通じて負荷電流分が流れると同時に、直線的に電流が増加していくものとなる。

オフ期間Ｔｏｆｆには、スイッチング素子３３のコレクタ電流Ｉｃとしては零となり、２次コイル３８の電流もなくなるが、オン期間におけるチョークコイル４２に蓄えられたエネルギーによって、コンデンサ４３と抵抗４４には電流が供給され続けるものとなり、１次コイル３６に蓄えられた磁気エネルギーの内の２次コイル３８から取り出せない分に
ついては、リセットコイル３７とダイオード３４を通じてコンデンサ３２に回生されるものとなり、フェライトコア５９、６０間の隙間をある程度確保した磁気結合がある程度低い設計となっても、スイッチング素子３３のコレクタ電圧が過剰になることを防ぐものとなっている。

以上のような構成により、本実施の形態の動力発生装置は、一定の周波数の交流電源２０に接続され、同期速度が一定の条件において、回転子である第２の物体２６の速度が同期速度よりも低い状態で駆動した場合、その差の速度、すなわちスベリ速度に比例した周波数の交流電圧が、２次巻線２７、２８、２９に発生し、これが整流器３１によって直流に整流されて、さらにスイッチング素子３３の高周波スイッチング動作によって、スリップリングやブラシのない信頼性面で極めて有利な構成でありながら、ロータリトランス３９を通じて、再び固定子である第１の物体２５に取り戻すことができるものとなる。

この時、スベリ角速度（ｒａｄ／ｓ）と負荷トルク（Ｎｍ）の積で計算されるスベリパワー［Ｗ］の内の相当分を２次コイル３８を通じて引き出し、外部の抵抗４４に消費させることができることから、第２の物体２６内で処理される電力は少なくて済むものとなり、第２の物体２６での発熱は低いものとすることができる。

特に本実施の形態においては、１００ｋＨｚでスイッチング素子３３をオンオフし、高周波でロータリトランス３９を働かせる構成としていることから、ロータリトランス３９、コンデンサ３２なども小型のもので構成することが可能となり、小型・低コストとすることができるものとなる。

なお、抵抗４４においては、電力が消費されて発熱するものとなるが、適宜冷却するか、もしくは直流電源での動作が可能である他の負荷やヒータなどがある機器への応用であれば、それらへの電源供給も可能であり、エネルギーを合理的に活用することもできるものとなる。

また本実施の形態では、スイッチング素子３３を、ファン効果を持つ放熱器５８に取り付けた構成としており、熱伝導が良く、その上に自ら高速で回転して空気との熱伝達も優れていて高い放熱効果が得られるのに加え、外周部分がプロペラ（ファン）としてひねりを加えた構成としていることから、図２に破線の矢印で示したような気流を発生し、常に冷たい風を、放熱器５８に引き込み、スイッチング素子３３を１００ｋＨｚの高周波スイッチング動作させた場合でも十分な冷却効果が得られ、さらに第１の物体２５、第２の物体２６の各発熱部品も、冷却風の下流であるが冷却されることになるので、最大限の冷却効果を活かせることができるものとなっている。

本実施の形態においては、整流器３１に関しても、同様に放熱器５８への取り付けがなされていることから、２次巻線の電流が大きい条件であっても、整流器５８の冷却効果についてはスイッチング素子３３と同様に、優れたものが得られる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における動力発生装置の回路図を示している。図４においては、単相で１００Ｖ５０／６０Ｈｚの交流電源７０から電源が供給されるものであり、１次巻線７１、７２は電気角９０度の位置に設けられた２相とし、１次巻線７２には直列に進相コンデンサ７３が接続されて交流電源７０に接続されて第１の物体７４が構成されている。

実施の形態２においても、第２の物体２６については、２次巻線２７、２８、２９、および電子回路３０は、実施の形態１と同等のものを用いているが、第１の物体７４に設け
た２次コイル７５は、極性が実施の形態１とは逆の極性とした、一般にフライバックと言われるコンバータの構成としている。ダイオード７６と、コンデンサ７７は、２次コイル７５の出力を整流して直流電圧を得るものとなっている。

一方、速度検知手段８０は、第２の物体２６の回転速度、すなわち第１の物体７４と第２の物体２６の相対速度を磁気的に検出するものである。

速度設定手段８１は第２の物体２６の回転速度を設定するものであり、増幅器８２によって、速度検知手段８０の検知出力と速度設定手段８１の設定値を入力し、ＩＧＢＴによって構成したスイッチング素子８３のオン時間の比率（デューティ比）を決定するものとなっている。例えば、速度設定手段８１の設定値に対して、実際の第２の物体２６の回転速度が低い場合には、スイッチング素子８３のオン時間の比率が増大するという制御がなされるものとなっている。

スイッチング素子８３のコレクタ端子には、抵抗器８４とチョークコイル８５が直列に接続され、さらにダイオード８６が接続された構成となっており、スイッチング素子８３のオンオフ動作によって、コンデンサ７７の直流電圧を抵抗器８４において消費する動作において、等価的にコンデンサ７７に接続される抵抗値がスイッチング素子８３のオン時間の比率に対応して変化するという動作が行われるものとなっており、オン時間の比率が大きい場合には、コンデンサ７７に接続される等価的な抵抗負荷の抵抗値が低下して、電圧が低下するものとなっている。

ここで、本実施の形態においては、コンデンサ７７に接続される等価的な抵抗負荷の抵抗値の低下による変化としては、２次コイル７５から取り出される電力が低下する方向に推移するものとなっている。

よって、１次巻線７１、７２から第２の物体２６に供給された電力から、２次コイル７５を通じて引き出される電力を差し引いた電力は、増加するものとなり、第２の物体２６は加速されるものとなり、すなわち誤差が小さくなるように２次コイル７５からの出力パワーを加減するものとなっているものである。その他の構成については、実施の形態１と同等である。

本実施の形態においては、電子回路３０内でのスイッチング素子３３のオン時間比率を一定としておいた上で、スイッチング素子８３のオン時間比率を変化することで、速度の制御を掛けているものとなっているが、例えば発光素子からの光を第２の物体２６の電子回路３０内に設けた受光素子で受け、その光を変化させることにより、スイッチング素子３３のオン時間の比率を変化させるというような構成などによって、誤差が小さくなるように２次コイル７５からの出力パワーを加減する構成を実現しても良い。

以上のように、各実施の形態においては、第２の物体２６内の電子回路３０については、１石式のコンバータでの構成としているが、特にこのような１石構成に限定しているものではなく、例えば２石のプッシュプルや、４石のブリッジ接続などであっても良く、使用するスイッチング素子の種類としても、ＩＧＢＴ以外のバイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴを使用したものであってもかまわない。

また、２次コイルから出力される電力についても直流電力として抵抗に消費されるもの以外でも、例えば交流電源が３相である場合には、６石のサイリスタおよびチョークコイルを使用した他励式インバータにより、交流電源に逆変換してエネルギー効率を高めたものなどにしてもかまわない。

以上のように、誘導電動機から動力を供給する幅広い範囲の機器での、可変速駆動も含む応用に使用することができるものとなる。

本発明の実施の形態１における動力発生装置の回路図 同動力発生装置の断面図 同動力発生装置の動作波形図 本発明の実施の形態２における動力発生装置の回路図 従来の巻線形誘導電動機の回路図

２０、７０ 交流電源
２２、２３、２４、７１、７２ １次巻線
２５ 第１の物体
２６ 第２の物体
２７、２８、２９ ２次巻線
３１ 整流器
３３ スイッチング素子
３６ １次コイル
３８、７５ ２次コイル
３９ ロータリトランス
５８ 放熱器
７３ 進相コンデンサ
８０ 速度検知手段
８１ 速度設定手段

Claims (2)

1. 単相の交流電源に進相コンデンサと共に接続された１次巻線を有し回転磁界を発生する第１の物体と、前記回転磁界を受ける３相の２次巻線を有し前記第１の物体と相対的に回転自在に設けた第２の物体と、前記２次巻線からの交流出力を整流する整流器と、前記整流器の直流出力に接続したコンデンサと、前記整流器の出力を高周波電力に変換するスイッチング素子と、１次コイルと２次コイルとリセットコイルとから構成され前記高周波電力を伝達するロータリトランスと、前記リセットコイルに直列に接続したダイオードとを備え、前記整流器、前記コンデンサ、前記スイッチング素子、前記１次コイル、前記リセットコイルおよび前記ダイオードは前記第２の物体に設け、前記２次コイルは第１の物体に設けた動力発生装置。
2. 第１の物体と第２の物体の相対速度を検知する速度検知手段と、前記第２の物体の回転速度を設定する速度設定手段とを備え、前記速度検知手段の検知出力と前記速度設定手段の設定値の誤差が小さくなるように２次コイルからの出力パワーを加減する請求項１記載の動力発生装置。

Images