JPH06335271A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誘導電動機と同様の始動が可能であると共
に、ブラシレス構成で固定子に簡単な直流励磁回路を設
けた構成とした同期電動機を得る。 【構成】 ２組の固定子主巻線７，８を設けてそれぞれ
を三相交流電源Ｒ，Ｓ，Ｔに接続し、該主巻線７，８に
はそれぞれ補助巻線９，１１を設けてあり、この２個の
固定子の補助巻線９，１１は開閉スイッチＳ_１と直流電
源Ｅとを介して直列に接続してある。また回転子は２個
の回転子コアを有してそれぞれに第１の回転子巻線３，
４と第２の回転子巻線５，６を巻装してあり、２個の回
転子コアの第１の回転子巻線３，４は直列に接続し、第
２の回転子巻線５，６はそれぞれスター結線しその巻線
の端子間にダイオードＤ_１，Ｄ_２を接続してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導電動機として自己
起動し、同期運転に切り換える同期電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の同期電動機は、その回転子を固定
子巻線の作る回転磁界の回転速度すなわち同期速度近く
まで加速する起動機と、回転子巻線を直流励磁するため
のブラシおよび直流電源が必要である。

【０００３】この起動機を省略して同期電動機自体に起
動トルクを持たせるようにしたのが誘導同期電動機であ
る。これは起動時に回転子巻線を短絡して誘導電動機と
して起動するために起動機を必要としないが、同期運転
に必要な回転子巻線の直流励磁のためにブラシを必要と
する。すなわち、回転子の回転速度が同期速度に近づく
と、回転子巻線の短絡を開放して外部の直流電源からブ
ラシを介して回転子巻線に直流電流を流して回転子に磁
極を作り、この磁極が固定子巻線の作る回転磁界に引っ
張られて回転子は同期速度で回転する。しかしながら、
このブラシ付き電動機は保守点検を必要とすることから
保守費が嵩み、ブラシレス構造で自己起動の可能な同期
電動機が望まれている。

【０００４】回転子巻線を有する構造のブラシレス同期
電動機としては、交流励磁機と回転整流器を用いる交流
励磁機付きブラシレス同期電動機があるが、これは回路
構成が複雑で信頼性に欠けるという欠点がある。また回
転子巻線にダイオ−ドを接続してインバ−タの方形波電
圧による高調波磁界を利用するブラシレス自励形三相同
期電動機があるが、これは誘導機始動が不可能で、回転
子の界磁起磁力が不足で十分な出力が得られない欠点が
ある。

【０００５】更に前記のインバ−タ駆動のブラシレス同
期電動機において、三相の固定子巻線の一相にダイオ−
ドを挿入して固定子の作る正相分回転磁界に静止磁界を
重畳して、同期速度付近で回転する回転子巻線に静止磁
界による交流電圧を誘起させて、これをダイオ−ドで整
流することによって回転子巻線を直流励磁し、正相分回
転磁界を作用させて同期トルクを発生するブラシレス自
励形三相同期電動機があるが、これも誘導機始動が不可
能なために、回転子鉄心の渦電流による起動となり起動
トルクが小さく、同期トルクも小さいという欠点があ
る。

【０００６】本出願人は特開平３年２１２１４３号公報
によってこれら従来技術の欠点を解消すべく、複数固定
子構成の誘導同期電動機を開示した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この同期電動機は、同
一回転軸上に設けた複数個の回転子コアに巻装した回転
子巻線をそれぞれ直列に結線し該回転子巻線の接続点に
並列にダイオ−ドを接続した回転子と、固定子巻線およ
び該固定子巻線の一相に直流励磁巻線からなる直流励磁
回路を設けた複数固定子より構成したものである。

【０００８】この同期電動機の直流励磁回路には一般的
に固定子巻線の回転磁界によって基本波の交流電圧を誘
導するようになる。これは固定子の基本波により誘導さ
れた励磁巻線の交流電圧は、ダイオ−ドにより整流され
た直流とともに励磁巻線に重畳して交流電流を流し、さ
らにこの励磁巻線の交流電流は固定子巻線の励磁電流に
加わるように作用するので、固定子巻線の交流電流は大
きくなり、主巻線の容量が大きくなる欠点を有する。こ
の欠点を解消するため励磁回路に大きな直列インダクタ
ンスＬが必要となる。このため、大きな直列リアクトル
を挿入したり、あるいは別の方法として固定子巻線の影
響を受けないように固定子とは極数の異なる励磁巻線と
この励磁巻線の極数に対応した別の回転子を構成するこ
とがあった。

【０００９】このような技術は同期電動機の構造を複雑
にするだけでなく大型となるため、特に複数固定子構成
にした誘導機起動可能な同期電動機においては採用する
ことはできないものである。

【００１０】以上のことから、一般の誘導電動機と同様
の起動トルクを発生し、誘導機運転から同期運転への移
行が簡単にでき、しかも同期トルクが大きく、ブラシレ
スで保守の容易な同期電動機の提供と共に、回転子の直
流励磁回路を固定子の同一相に巻線を設けるこれまでの
ような簡単な構成としても、その他の構成や性能に影響
のない同期電動機の提供を技術的課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本出願人は前記課題を解
決するために、同一回転軸に任意の間隔をおいて設けた
２個の回転子コアを有し、該２個の回転子コアのそれぞ
れに第１の三相回転子巻線を設けて相互に直列に接続す
るとともに、前記２個の回転子コアのそれぞれに第２の
三相回転子巻線を設けて該回転子巻線の端子間にそれぞ
れダイオードを接続した回転子と、前記２個の回転子コ
アに対向して周設した２個の固定子コアを有し、該２個
の固定子コアのそれぞれに固定子主巻線を巻装して三相
電源に接続した固定子と、前記２個の固定子にそれぞれ
補助巻線を設けて該補助巻線を開閉スイッチを介して直
流電源に直列に接続した補助回路とにより同期電動機を
構成した。また、前記固定子主巻線、補助巻線、および
第１、第２回転子巻線の極数がすべて同一に構成するこ
とにより本発明の同期電動機はより簡便に実現できる。

【００１２】

【作用】本発明の同期電動機は、２組の固定子主巻線を
設けてそれぞれを三相交流電源Ｒ，Ｓ，Ｔに接続し、該
主巻線にはそれぞれ補助巻線を設けてあり、この２個の
固定子の補助巻線は開閉スイッチと直流電源とを介して
直列に接続してある。また回転子は２個の回転子コアを
有してそれぞれに第１の回転子巻線と第２の回転子巻線
を巻装してあり、２個の回転子コアの第１の回転子巻線
は直列に接続し、第２の回転子巻線はそれぞれスター結
線しその巻線の端子間にダイオードを接続してある。

【００１３】以上の構成による同期電動機の作用を始動
から運転に沿って説明する。まず補助巻線の開閉スイッ
チを開放した状態で、２組の固定子主巻線に三相電源を
印加すると、２組の固定子主巻線による回転磁界によっ
て、２個の回転子コアの回転子巻線に同相の電圧を誘起
して、２個の回転子コアに設けた第１回転子巻線には環
流する電流が流れるようになる。つまり誘導電動機の原
理での始動となり、本発明の特徴の一つとなっている。

【００１４】このとき前記環流電流は第１の回転子巻線
の短絡電流となっているので、２組の回転子コアに設け
た第１の回転子巻線の直列接続点間の電圧は零となり、
したがって第２の回転子巻線の端子電圧も零となるか
ら、端子間に接続したダイオードには電流はほとんど流
れない。結果的にダイオードによる整流電流は流れない
ので直流分磁束は生じることはなく、回転子にダイオー
ドを含む第２回転子巻線を設けていても誘導機始動に支
障はない。

【００１５】次に同期運転について説明する。誘導機始
動の後、回転子の回転がすべりＳでＳ＝０．０５に近づ
いたら固定子補助巻線の開閉スイッチを閉じる。このと
き補助巻線には固定子主巻線の回転磁界によって電圧を
誘起しているが、２個の固定子の補助巻線は直列に接続
してあるので、固定子主巻線の回転磁界によって誘起す
る電圧の総和は零となり、補助巻線には交流電流は流れ
ず、直流電流による直流電流のみが補助巻線に流れるよ
うになる。この直流電流によって、補助巻線は静止磁界
を作るが、直流電流は補助巻線を環流するように流れる
ので、その電流の方向が２組の固定子のそれぞれの補助
巻線においては逆方向となり、したがってそれぞれの固
定子の補助巻線のつくる静止磁界の方向もお互いに逆方
向となる。

【００１６】さて、この逆方向の静止磁界によって回転
子の第１と第２の回転子巻線に誘起する電圧を考える
と、まず、静止磁界の方向が逆方向となっているので、
２個の回転子コア上において誘起する電圧の方向も逆方
向となっている。したがって２個の回転子コア上に装設
して直列に接続した第１の回転子巻線に誘起する電圧の
総和は零となって、前記静止磁界による電流は第１の回
転子巻線には流れないことになる。一方第２の回転子巻
線は２個の回転子コアにおいて独立した構成となってい
るので、補助巻線の静止磁界により第２の回転子巻線に
誘起した電圧による電流は、第２の回転子巻線の端子に
それぞれ接続したダイオードを通じて流れ、よって整流
された直流分電流によって２個の回転子コアには磁極を
形成することになる。このとき回転子コアの磁極の方向
はダイオードの極性によって決定され回転子巻線の誘起
電圧には無関係である。

【００１７】２個の回転子コアそれぞれの第２の回転子
巻線に設けたダイオードを同方向としておけば、回転子
コアに生じる磁極の極性も２つのコアにおいて同一とな
り、２組の固定子主巻線の作る２つの同位相の回転磁界
との間に同方向のトルクを生じることになる。従って２
組の固定子と２組の回転子コアとの間に発生する同期ト
ルクは加算されてその出力は２個の同期電動機の合成ト
ルクと同じトルクとなる。

【００１８】以上のように本発明による同期電動機は誘
導機始動が可能で、しかも同期運転への引き入れは固定
子側の補助巻線に直流電源を印加することで可能となっ
ているという点と、本発明の構成は固定子と回転子とも
に同極数に構成して実現が可能である点が大きな特徴と
なっている。しかも脱調しても、固定子主巻線の回転磁
界と回転子の第１回転子巻線とによる誘導機作用により
誘導電動機となりうるので、急激な負荷変動あるいは過
負荷による脱調においても誘導電動機のトルクにより電
動機が急激に停止することがない。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図１により以下に説明す
る。ここで図１に示すものは本発明による同期電動機の
巻線部分の結線状態を明らかにしたものである。

【００２０】まず、符号１は回転子側の巻線状態を示し
ている。この回転子側１には２個の回転子コア（図示せ
ず）を有し、それぞれの回転子コアに第１の回転子巻線
３，４が巻装してある。この第１の回転子巻線３，４は
相互に直列に接続してある。更に回転子側１には前記各
回転子コアに第２の回転子巻線５，６が巻装してある。
この第２の回転子巻線５，６はスター結線され、その巻
線の端子間にはそれぞれダイオードＤ_１，Ｄ_２が接続し
てある。この時のダイオードＤ_１，Ｄ_２の極性は同極性
としてある。

【００２１】一方符号２は固定子側の巻線状態を示して
いる。この固定子側２には前記回転子側１の回転子コア
に対峙して２個の固定子コア（図示せず）を有し、それ
ぞれの固定子コアに固定子主巻線７，８が巻装してあり
開閉スイッチＳ_０を介して三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔに接続し
てある。更に固定子側２には前記各固定子コアに補助巻
線９，１０が巻装してある。この補助巻線は直流電源Ｅ
と開閉スイッチＳ_１とを介して直列に接続して補助回路
１１が構成してある。

【００２２】以上のように構成した各巻線の極数はべて
同極数でよく、固定子側２、回転子側１ともにそれぞれ
を製造する上において、極数が異なる２種の巻線を設け
た場合のような構造にする必要はなく、簡便な構造とす
ることができる。ところで本発明において、固定子主巻
線７，８の三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔへの接続及び、三相巻線
の結線の形態など本実施例に限定されることはなく、ス
ター、デルタあるいは直列、並列のいずれを選択しても
よい。

【００２３】以上の構成による同期電動機の作用を始動
から運転に沿って説明する。まず補助回路１１の開閉ス
イッチＳ_１を開放した状態で、開閉スイッチＳ_０を閉じ
て、２組の固定子主巻線７，８に三相電源を印加する。
この三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔを印加すると、２組の固定子主
巻線７，８には一般の誘導電動機と同様の回転磁界を生
じる。２組の固定子主巻線７，８による回転磁界によっ
て、２組の回転子コアの第１回転子巻線３，４には同相
の電圧ｅ_１を誘起して、相互に直列にした回転子巻線
３，４を環流する電流が流れるようになる。このことは
誘導電動機の原理で始動することになり、他の起動機を
必要としない自己起動可能な同期電動機となっている。

【００２４】このとき第１の回転子巻線３，４を流れる
環流電流は短絡電流となっているので、２組の回転子巻
線３，４を相互に接続した直列接続点間の電圧は零とな
っている。したがって第２の回転子巻線５，６の端子電
圧も零となるので、その端子間に接続したダイオードＤ
_１，Ｄ_２には電流はほとんど流れていない状態である。
つまり第２の回転子巻線５，６のダイオードＤ_１，Ｄ_２
による整流電流は流れないので直流分磁束を発生するこ
ともない。このことは始動時において、回転子にダイオ
ードを含む回転子巻線を設けていても回転子に磁極を形
成することもなく、誘導機の原理での始動に何ら影響す
ることはない。

【００２５】次に同期運転について説明する。誘導機の
原理で始動した後、回転子の回転が上昇し、回転子のす
べりＳがＳ＝０．０５に近づいたら固定子補助回路１１
の開閉スイッチＳ_１を閉じて直流電源Ｅを補助巻線９，
１０に印加するようにした。さてこのとき補助巻線９，
１０には固定子主巻線７，８の回転磁界によって電圧ｅ
_０を誘起しているが、補助巻線９，１０は直列に接続し
てあり、開閉スイッチＳ_１を閉じても電流は流れない。
これは固定子主巻線７，８により誘起している電圧ｅ_０
は補助回路１１内で互いに逆方向となって電圧ｅ_０の総
和は零となっているからである。したがって補助回路１
１には交流電流は流れず、直流電源Ｅによる直流電流Ｉ
のみが補助巻線９，１０に流れるようになる。この直流
電流Ｉによって、補助巻線９，１０はそれぞれ静止磁界
を作る。この静止磁界は直流電流Ｉが補助回路１１を環
流するように流れることから２組の補助巻線９，１０に
おいて互いに逆方向となっている。

【００２６】この互いに逆方向の静止磁界は回転子側１
の第１の回転子巻線３，４と第２の回転子巻線５，６そ
れぞれに電圧ｅ_２，ｅ_３を誘起している。ここで第１の
回転子巻線３，４に誘起する電圧ｅ_２を見るに、逆方向
の静止磁界によって互いに逆方向の電圧ｅ_２を誘起して
いることから、第１の回転子巻線３，４に誘起する電圧
ｅ_２の総和は零となって電流は流れないことになる。

【００２７】一方第２の回転子巻線５，６は独立した構
成となってるので、補助巻線９，１０の静止磁界により
誘起した電圧ｅ_３によって第２の回転子巻線５，６の端
子にそれぞれ接続したダイオードＤ_１，Ｄ_２を通じて整
流電流が流れるようになる。この整流された直流分電流
によって、２個の回転子コア部分には磁極を形成するこ
とになる。

【００２８】ここで磁極の方向はダイオードの極性によ
って決定されるので、このダイオードＤ_１，Ｄ_２の極性
を同方向としておけば、回転子コアに生じる磁極の極性
も２つのコアにおいて同一となり、２つの固定子主巻線
７，８の作る２つの同位相の回転磁界との間に同方向の
トルクを生じることになる。つまり２組の固定子と２組
の回転子コアとの間に発生する同期トルクが加算されて
その出力は２個の同期電動機の合成トルクとなる。

【００２９】ところで、前記開閉スイッチＳ_１と電動機
の速度検出器とを制御装置を介して連絡するなど、同期
引き入れへの自動化の手段は自由に選択可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上の構成から本発明の同期電動機は、
始動時を従来の誘導電動機と同様のトルク特性で行い、
回転子の速度がたとえばすべりＳ＝０．０５付近から同
期速度に移行して同期電動機のトルク特性で運転するも
のである。この同期電動機は起動機やブラシを必要とし
ないから、その構造や構成が簡単となるだけでなく、従
来の誘導電動機と同様のトルク特性で始動できるので重
負荷がかかったままでも始動から同期への移行が可能と
なる。また、この始動から同期への移行も固定子の補助
巻線に直流電流を流すよう開閉スイッチＳ_１を閉じるだ
けの簡単な操作で可能となった。

【００３１】ところで、本発明の同期電動機は、誘導電
動機と同期電動機との両方のトルク特性を備えるから、
どちらの電動機のトルク特性でも使用可能である。この
ことは同期速度で運転中、何らかの原因で脱調した場合
でも同期電動機のトルク特性から誘導電動機のトルク特
性に切り換えて運転することが可能であるから、一般の
同期電動機のように電動機が急激に停止することはな
い。

【００３２】以上のようにブラシがなく複雑な構成を必
要としないから、保守点検が容易で信頼性も高く、起動
トルクの大きい同期電動機の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による同期電動機の、固定子と回転子の
巻線部分だけを抜きだした図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一回転軸に任意の間隔をおいて設けた
   ２個の回転子コアを有し、該２個の回転子コアのそれぞ
   れに第１の三相回転子巻線を設けて相互に直列に接続す
   るとともに、前記２個の回転子コアのそれぞれに第２の
   三相回転子巻線を設けて該回転子巻線の端子間にそれぞ
   れダイオードを接続した回転子と、前記２個の回転子コ
   アに対向して周設した２個の固定子コアを有し、該２個
   の固定子コアのそれぞれに固定子主巻線を巻装して三相
   電源に接続した固定子と、前記２個の固定子にそれぞれ
   補助巻線を設けて該補助巻線を開閉スイッチを介して直
   流電源に直列に接続した補助回路とにより構成したこと
   を特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の同期電動機であって、前
   記固定子主巻線、補助巻線、および第１、第２回転子巻
   線の極数がすべて同一であることを特徴とする同期電動
   機。