JPS58165648A - 単相回転電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体整流器の発達で回転電気機械、特に交流発電機や
誘導機などが技術的発達をした。例えばスリツプリング
とブラシのない構造にするようなことも可能となった。

然し、そのような回転電気機械においてブラシなし構造
にするためにかえって構造を複雑にするようなこともあ
る。そのような場合に磁気回路を兼用させる試みは構造
の簡略化に役立つので今まで屡々提案されてきた。特許
第８０１９９２号は多相ブラシなし交流同期機において
、又特許第８０１９９１号は単相ブラシなし交流同期機
において同期機本体と励磁機との磁気回路を兼用させ簡
単な構造にしている。一方、本特許出願者の発明になる
昭和５７年３月８日出願の特許願「誘導機制御装置」は
誘導機において二誘導機に対し磁気回路を兼用させて構
造の簡略化をはかったものである。

今迄述べたこれらの従来の磁気回路兼用方式では固定子
電機子巻線と変成器を電気接続させることによって固定
子電機子巻線に二種類の電流を通しそれにより磁気回路
の兼用を実現し得ている。

本発明はこのように磁気回路を二種類の回転電機部に兼
用させるに際し、固定子電機子巻線と変成器を電気接続
させ、固定子電機子巻線に二種類の電流を流すのである
が、特にそのような回転電機の単相機に関するものであ
る。多相機における場合と単相機の場合とでは類似の点
もあるが、全く根本的に異なる点がある。その点を特許
第８０１９９１号によって説明する。特許第８０１９９
１号は特許第８０１９９２号と同様、電機子巻線と変成
器二次巻線を電気接続して閉回路を造り、電機子巻線の
中間点と変成器二次巻線の中間点を両端子として外部接
続線と電機接続するように配列している。然し、このよ
うな接続によると、電機子巻線そのものが単層巻となり
、コイルの構造が単純でなくなり、製作が難しい。本発
明ではこのような従来の方式の欠点をおぎない、単相の
回転電機において電機子巻線の製作を単純化しながら、
仰も二種の回転電機に対し一つの磁気回路を効率良く兼
用せしめることを目的とする。

このような目的を達成せしめるため本発明では具体的な
電気接続図例の第１図及びその電気子巻線接続図例の第
２図に示すように、通常の三相二重星形接続の固定子電
機子巻線を持った回転電気機械の三相固定子電機子巻線 の二相を直列に接続したような電機子巻線接続すなわち
、ある一つの端子Ｃより隣接コイル群ａｂｅｄｆｇ中一
つおきに存在するコイル群ａｅｆとｂｄｇをそれぞれ直
列接続した二つの回路１と２を並列接続し、その末端の
二端子ＡＢを設け、また別の一つの端子Ｄより隣接コイ
ル群ｈｉｊｋｌｎ中に一つおきに存在するコイル群ｈｊ
ｌとｉｋｎをそれぞれ直列接続した二つの回路３と４を
並列接続し、その末端の二端子をＡ′Ｂ′として上記Ａ
とＡ′及びＢとＢ′を接続して電機子巻線接続５とし、
ある固定子溝Ｇにおいては上記１、２３、４の回路を造
る全コイル導体中にある二つのコイル導体を一つの溝Ｇ
に挿入するように配列し、上記ＣとＤを両端子として外
部接続電線１４と接続し、ＡとＢの間及びＣとＤの間に
それぞれ変成器６の二次巻線８と一次巻線７を接続する
のである。

第１図は本発明の中、単相のブラシなし同期発電機に関
する具体的な電気接続図である。電機子巻線１、２、３
、４の中には電流の種類が二種類流れることになる。そ
の一つは外部接続線１４との間に流れるもので、ある瞬
間を考えると、実線矢印の方向で示すように端子Ｃから
端子Ｄの方向に向うもので、他の一つは変成器６の二次
巻線８と電機子巻線１、２、３、４の間の閉回路に流れ
、点線矢印で示される方向に向う。以上のことは電流が
交流であり、そのある瞬時について述べたものであり、
他の半サイクルでは矢印の方向が図示の反対の方向を向
く。第３図、第４図はこのように同一の巻線でも電流方
向が同一方向と相反する方向とで極数が２対１の関係で
変ることを示している。例えば第１図の巻線１と２の関
係で実線矢印のように同一方向へ電流を流すと、第３図
のように８極となるが、第１図の巻線１と２において点
線矢印のように反対方向へ電流を流すと、第４図のよう
に４極になると云うようなことになる。勿論その逆に第
１図の実線矢印の電流と第４図を対応させ、第１図の点
線矢印の電流と第３図を対応させることも出来る。

第３図、第４図は判りやすくする説明図であるが、第１
図の固定子電機子巻線１、２、３、４に対応する配列例
を第２図に示す。第１図の実線矢印で示す方向を第２図
の巻線コイル導体上の矢印で示し、題１図の点線矢印で
示す方向を第２図の巻線コイル導体に沿った点線の矢印
で示す。第１図の実線矢印の電流により第２図では１２
極となり、第１図の点線矢印の電流により第２図では６
極となることが判る。勿論その逆に６極と１２極のよう
な１対２の関係とすることも出来る。

このように考えると、第１図の場合、同期機電機子巻線
５は外部接続線１４との間に電力を授受する電流に対し
てはその造る極数が変成器６の二次巻線８との間に電力
を授受する電流によって造られる極数の２倍又は１／２
となる。第２図の例では、前者は１２極、後者は６極で
あり、第３図、第４図の例では前者は４極、後者は８極
である。

この同期機電機子巻線５が外部接続線１４に電力を興え
る時、同期機は発電機であり、外部接続線１４から電力
を供給される時、同期機は電動機である。電機子巻線５
が変成器６の二次巻線８から電力を受けて流す電流によ
って造られる極数すなわち第２図例では６極に対応して
第１図の回転励磁用巻線１１を６極とし、この回転励磁
用巻線１１から整流器１３を経て回転界磁用巻線１２に
接続される。この回転界磁巻線１２の極数は電機子巻線
５が外部接続線１４との間に電力授受して流す電流によ
って造られる極数と対応し、第２図の例では１２極とな
る。このようにして回転子には回転界磁巻線１２と回転
励磁巻線１１とが同じ鉄心中の溝に入れられ、整流器１
３と共に回転せしめられる。電機子巻線５はこのように
して１２極としても６極としても働くが、回転界磁巻線
１２は１２極として造られているため、１２極として電
機子巻線５にも作用し、回転励磁用巻線１１は６極とし
て造られているため、電機子巻線５の６極として働くも
のによって作用を受ける。一般に極数を異にし、その極
数関係が２対１の関係にある極数と巻線とが相対運動を
する時、その巻線には電圧を発生しない。つまり磁極は
巻線に作用しないことになる。例えば１２極磁束に対し
て相対的に運動する電気機械の６極巻線には部分的には
ある方向の電圧が発生するが、それが全体的には相殺さ
れて６極巻線全体には電圧が発生しないと云う結果にな
る。同様に６極磁束分布極線に対して１２極巻線には部
分的にある方向の電圧が発生するが、それも全体的には
相殺されて６極磁束分布に対して１２極巻線全体には電
圧が発生しないことになる。そこでもし回転励磁用巻線
１１が６極として造られているとするならば、この巻線
は１２極磁束分布に対しては作用せず、６極磁束分布に
対してのみ使用し、回転界磁巻線１２が１２極として造
られているとするならば、これは６極磁束分布に対して
は作用せず、回転界磁巻線１２にとっては６極磁束分布
がないのと同様の関係となる。従って回転励磁巻線１１
は電機子巻線５の中に変成器６の二次巻線８から流れ入
る電流によって生じる磁束分布にのみ作用し、そこで励
磁機として働らくことになり、その回転励磁巻線１１に
発生した電圧によって整流器１３を経て回転界磁巻線１
２に電流が流れ、これを電機子巻線５との間に１２極同
期機として働らく結果となるのである。変成器６の中の
電圧巻線８はリアクトル５と直列に接続されて発電機自
体から電力を受けるように電気的な接続がなされる。変
成器６の電流巻線９は電圧分と電流分を合成して負荷電
流の変化に拘わらず、負荷１０へ供給される同期発電機
の電圧を一定とするのに役立つ。

以上の単相同期発電機の作用効果の特長を特許第８０１
９９１号と比較しながら考えると、次のように云える。

（１）第２図の電機子巻線配列から判るように二層巻き
で単純な同一形のコイルを全般的に使えて、巻線構成が
簡単である。

（２）特許第８０１９９１号では同芯巻であるのに対し
、本発明では第２図から判るように、分布巻きで円周の
溝を前面に使え、巻線の配置効率が良い。

以上の二つの特長を持ちながら簡単に単相同期機でブラ
シレスにしうることが今迄説明した方式の特長と云える
。

次に、単相誘導機に本発明を適用した場合をその具体的
電気接続図例の第５図によって説明する。元来誘導機の
制御で二次励磁制御がある。これは篭形誘導機の制御に
使う自励式の逆変換装置と違って簡単確実な動作をする
他動式逆変換装置を使える利点があるからその利用面が
多い。然し、巻線形誘導機にはスリツプリングとブラシ
があり、保守と安全性の確保のため、これらをなくすこ
とが望ましい。例えば本出願人の既に提出した発明の昭
和４５年特許願第６２９４４号に示す縦続接続巻線形誘
導機ではブラシなし構造が得られる。然し構造的には二
つの巻線形誘導機の結合となり、細長い形となり、構造
上不経済でもあり、また複雑でもある。特に本発明は単
相誘導機に関するものであるから、簡単な構造のもので
なければならない。

単相誘導機に本発明を適用した場合、その具体的な電機
接続図例を第５図ではその固定子電機子巻線５は第１図
で示したのと同様、１、２、３、４より成り、その電気
接続は一つの端子Ｃより別の端子Ｄに到る間で第１図の
場合と同様、第２図に示すように、端子Ｃより隣接コイ
ル群ａｂｅｄｆｇ中一つおきに有在するコイル群ａｅｆ
とｂｄｇをそれぞれ直列接続した二つの回路１と２を並
列接続し、その末端の二端子ＡＢを設け、また別の一つ
の端子Ｄより隣接コイル群ｈｉｊｋｌｎ中一つおきに有
在するコイル群ｈｊｌとｉｋｎをそれぞれ直列接続した
二つの回路３と４を並列接続し、その末端の二端子をＡ
′Ｂ′として、上記ＡとＡ′及びＢとＢ′を接続して電
機子巻線接続５とし、ある固定子溝Ｇにおいては上記１
、２、３、４の回路を造る全コイル導体中のある二つの
コイル導体を一つの溝Ｇに挿入するように配列し、Ｃと
Ｄを両端子として外部接続電線１４と接続し、ＡとＢの
間及びＣとＤの間にそれぞれ変成器６の二次巻線８と一
次巻線７を接続するのである。第５図では変成器６の一
次巻線７と外部接続電線１４の間を周波数変換装置２４
を経て電気接続し、端子ＣＤと外部接続電線１４の間を
直接電気接続しているが、これとは逆に端子ＣＤと外部
接続電線１４の間に周波数変換装置２４を設け、変成器
６の一次巻線７と外部接続電線１４の間を直接接続して
も良い。この直接的接続とは周波数変換装置２４を通さ
ずに接続すると云う意味であり、他のもの例えば変圧器
などを通して接続しても直接的接続と云う。

又第５図では端子ＡとＡ′との間を開閉装置１７で短絡
可能なコンデンサー１６を経て接続しているが、これは
端子ＢとＢ′の間に設けても良い。又設けなくても良い
。このコンデンサー１６は電機子巻線１と３の間を流れ
る電流と電機子巻線２と４の間を流れる電流の間に約９
０°の遅れを生じさせて、始動時に回転磁界を送るため
に設けられる。周波数変換装置２４は第５図においては
制御素子２８付きの半導体整流器２７から成る逆変換装
置２１と制御素子３０付きの半導体整流器２９から成る
順変換装置２２との間をリアクトル２３を経て接続した
ものである。逆変換装置２１はその半導体整流器２７の
制御素子２８に接続される制御装置２５によって制御さ
れる。制御装置２５は同期信号をとるため、変成器６の
一次巻線７の端子に接続される。同様に制御装置２６は
交流外部接続電線１４に接続される。コンデンサー３１
は変成器６の一次巻線７の端子に接続されるが、これは
周波数変換装置２４より変成器６へ■えるべき電力の力
率を良くし、且つその交流波形中の高調■分を吸収し、
制御装置２５に興える同期信号を基本波になるべく近く
し、逆変換装置２１を正確に運転させるためのものであ
る。この場合の逆変換装置２１は他励式となるし、順変
換装置２２と共に、自然転流の変換装置となる。２１を
順変換装置、２２を逆変換装置とすることもできる。

今第５図の作動を考える。交流外部接続電線１４を交流
母線とすると、この交流母線１４から誘導機５‐２０の
固定電機子巻線５にその両端子ＣＤを通して電力が興え
られる。交流母線１４から固定電機子巻線５へ電力を興
える時、ある瞬間の電流の流れは第１図の実線矢印と点
線矢印の方向と同様であるとする。すなわち交流母線１
４から固定電機子巻線５へ電力を興えて流す電流の方向
は第１図の実線矢印の方向であり、ある瞬間には端子Ｃ
からＤの方向へ向うものとする。この固定子に設けられ
た電機子巻線５に対して誘導機の回転子２０では相互に
逆相接続された回転子巻線１８と１９が設けられる。こ
の回転子巻線１８と１９とはその接続をそれぞれ例えば
１２極と６極のように２対１の極数となるように接続さ
れる。そして固定子の電機子巻線５における実線矢印の
電流（第１図に示される）、つまり交流母線から興えら
れた電流によって造られる磁界の磁極数を１２極とする
と、その１２極に対応して１２極の回転子巻線１８に起
電力を発生する。この起電力によって回転子巻線１９に
流される電流によって造られる磁極は６極であり、この
磁極に対応して固定子電機子巻線５に点線矢印（第１図
に示す）のような方向の起電力を発生する。その起電力
によって変成器６の二次巻線８の中に点線矢印（第１図
に示す）の方向の電流が流れ、これに対応して変成器６
の一次巻線７に起電力が発生することになる。

以上は固定子巻線と回転子巻線との間には互いに同じ極
数の間には作用し合い、互いに異なる極数の間には作用
し合わないと云う関係があることによる。

本発明の一例として第５図で周波数変換装置２４を逆変
換装置２１と順変換装置２２の組合せの場合を考える。

その場合には交流母線１４から誘導機１の固定子電機子
巻線５に電圧を加える時、前記のように変成器６の一次
巻線７の端子に交流電圧が現われるが、逆変換装置２１
は他励式となって容易に電力を変成器６の一次巻線７か
ら二次巻線８を通し、誘導機の固定子電機子巻線５に興
える。その電力の流れは第１図の点線矢印方向に対向し
てその逆向きとなる。これに対応して回転子巻線１９よ
り１８を経て電機子巻線５の実線矢印（第１図に示す）
に対向し、その逆向きとなる電力が興えられることにな
る。このようにして電力の流れは交流母線１４から周波
数変換装置２４・変成器６を経て誘導機５‐２０に興え
られ、仕事をしてその余りが端子ＣＤから交流母線１４
に返還されることになる。この場合、誘導機の中では固
定子電機子巻線５と回転子巻線１９の間及び回転子巻線
２０と固定子電機子巻線５との間の何れもその滑りが１
よりも大きい領域の制御に対応する。これらの制御は昭
和４５年特許願第６２９４４号の発明に対応する。勿論
今述べたのとは全く逆に順変換装置２１と逆変換装置２
２の組合せにより滑りが１より小さい通常の組合せも考
えうる。

第５図の接続においてその外部接続をこれと逆にするこ
とも出来る。すなわち、変成器６の一次巻線７と交流母
線１４とを直接的電気接続し、誘導機の固定子電機子巻
線５の端子ＣＤとの間を周波数変換装置２４を通して交
流母線１４と電気接続しうる。

次に第５図に若干の変更を含む実施例として誘導発電機
の例がある。それは第５図において交流母線１４より誘
導機の固定子電機子巻線５の端子ＣＤへ交流励磁電力を
供給できるように電気接続し、周波数変換装置２４の入
力端子と変成器６の出力巻線７との間を電気接続すると
共に上記周波数変換装置２４の出力端子と交流母線２４
との間を電気接続し、回転子巻線１８と１９を含む回転
子と原動機によって駆動するように配列し、交流母線１
４から励磁電力を受けて電機子巻線５がそれによって造
る磁界の極数と交流母線１４から電機子巻線５へ入り込
む交流励磁電力の周波数との関連して定まる磁界の回転
速度に対し、その磁界の変化よりも早く、上記原動機に
よって回転子を回転駆動し、上記周波数変換装置２４の
出力端子から得られる交流を上記交流母線１４を経て上
記電機子巻線５に励磁電流として興えるようにした回路
を造り、逆にこの電機子巻線５の端子ＣＤから上記交流
母線１４へ交流電力を興えるようにするのである。この
場合、周波数変換装置２４は順変換装置２１と逆変換装
置２２の組合せより成る。この逆変換装置２２の出力周
波数を制御する装置が逆変換装置２２とその制御装置２
６に関連して設けられる。すなわち自励式逆変換装置と
なる。

第５図において、第一の誘導機部すなわち電機子巻線５
とそれに流れる交流母線１４からの供給電流つまり第１
図の実線矢印の電流によって造られる磁極と同一極数の
巻線１８との間で造られる誘導機部のすべりをＳ１とす
る。また回転子巻線１８に発生する起電力によって回転
子巻線１９に流れる電流により造られる磁界と対応する
電機子巻線１９に流れる電流つまり第１図の点線矢印電
流との作用を生ぜしめる第二の誘導機部の滑りをＳ２と
する。第一の誘導機部のＳ１は０よりも小さい領域で駆
動せしめられ、その模様は昭和５６年特許願第７７１１
３号のそれに対応する。第二の誘導機部の滑りＳ２の模
様も昭和５６年特許願第７７１１３号のそれに対応する
。以上の装置で周波数変換装置２４は必らずしも順逆変
換装置の組合せに限らず、サイクロコンバーターも考え
られる。

今までの説明では互いに逆相接続される回転子巻線１８
と１９が相互に異種の巻線であり、その中を流れる電流
によって造られる極数は互いに２対１又は１対２の関係
にあるものであった。然しそのような回転子巻線１８と
１９の組合せと同一効果を一種類の巻線で得ることも可
能である。その例を次に示す。

Ｑ２の数の導体を持った篭形回転子を２ｐ極の磁界の中
で駆動させると、ｎ＝ｐ±Ｑ２の主高調波を生じること
がよく知られている。ｎが負であると回転子に関し、２
ｐ極の磁界に対しこの主高調波は反対方向に回転する。

このことはこのような回転機において２ｑ極を持つ第二
の磁界により満足されねばならない必要条件である。従
ってもし、ｐ±Ｑ２＝ｑ或いはＱ２＝ｐ＋ｑを満足させ
るならば単一の回転子導体で回転子巻線１８と１９の組
合せを実現させうる。このような篭形回転子の考えが巻
線形回転子にも適用しうる。巻線形回転子のＱ２相巻線
は篭形誘導機のＱ２導体と等価的である。従って更に一
般的に云うと個々の極数の和の半分に等しいのが回転子
相の数である。回転子溝数がｐ＋ｑの整数倍であること
が望まれる。第６図はこのような誘導機の回転子巻線の
一例を示したものであり、第２図の固定子巻線に対応す
る。

第６図の上側に示された番号は溝番号、下側の番号はコ
イル番号を示す。この場合、ｐ＋ｑ＝６＋３，ｐ＝６，
ｑ＝３である。以上のように回転子は篭形でも巻線形で
も良いことが判る。

以上第５図に関連して本発明では単相誘導機で二次励磁
制御を簡単にブラシなし構造でおこなえる作用効果の特
長があることが判った。

以上をまとめて本発明では単相の回転電機において電機
子巻線の製作を単純化しながら、■も一つの磁気回路を
二種に兼用させ、ブラシなし回転電機を得ると云う作用
効果の特長を得ることになる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の具体的な電気接続図である。 第２図は第１図の固定子電機子巻線に対応する配列例で
ある。第３図及び第４図は同一の巻線でもそこに流す電
流方向が異なればその造る磁極数が異なることを示す説
明図である。第５図は本発明の具体的な電気接続図であ
る。第６図は本発明に用いられうる回転子巻線の接続図
例である。 尚図面に用いられた符合は下記のようなものを示す。 １，２，３，４：固定子電機子巻線 ５：固定子電機子巻線６：変成器 ７：変成器一次巻線８：変成器二次巻線９：変成器電流
巻線１０：負荷 １１：回転励磁用巻線１２：回転界磁用巻線１３：整流
器１４：外部接続線 １５：リアクトル１６：コンデンサー １７：短絡用開閉器１８：回転子巻線 １９：回転子巻線２０：回転子 ２１：変換装置２２：変換装置 ２３：リアクトル２４：周波数変換装 置２５：制御装置２６：制御装置 ２７：制御素子付き整流器 ２８：制御素子２９：制御素子付き整流器３０：制御素
子３１：コンデンサ ー 特許出願人　柴田福■

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 通常三相二重星形接続の固定子電機子巻線を持った回転
   電気機械の三相固定子電機子巻線中の二相を直列に接続
   したような電機子巻線接続すなわち、一つの端子Ｃより
   隣接コイル群中一つおきに存在するコイル群をそれぞれ
   直列接続した二つの回路１と２を並列接続し、その末端
   の二端子ＡＢを設け、これとは別の一つの端子Ｄより隣
   接コイル群中一つおきに存在するコイル群をそれぞれ直
   列接続した二つの回路３と４を並列接続し、その末端の
   二端子をＡとＡ′、及び ＢとＢ′を接続して電機子巻線接続とし、且つある固定
   子溝においては上記１，２，３，４の回路を造る全コイ
   ル導体中のある二つのコイル導体を一つの溝に挿入する
   ように配列し、上記ＣとＤを両端子として外部接続電線
   と接続し、ＡとＢの間及びＣとＤの間にそれぞれ変成器
   の二次巻線と一次巻線を接続した単相回転電気機械