JPS59188359A

JPS59188359A - 単相６極／８極電動機

Info

Publication number: JPS59188359A
Application number: JP58233467A
Authority: JP
Inventors: ハ−バ−ト・スペンサ−・キルシユバウム
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1983-04-11
Filing date: 1983-12-09
Publication date: 1984-10-25
Also published as: US4463303A; KR840008557A; CA1201748A

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】本発明は極数切換型単相交流電動回転機械、特に６極ま
たは８横動作モード用に接続できる固定子巻線を有する
極数切換型誘導電動機に係わる。２段出力式の熱ポンプ
や空調装置は２段速度のファンまたは送風機用電動機を
必要とする。従来のファン−または送風機用電動機にあ
っては、電動機内の磁束レベルを低下させるため固定子
主巻線にブースタ巻線を直列接続する。その結果、スリ
ップが増大することで低速動作となるが、低動作速度に
おける能率も低下する。

極数切換型交流電動機は、米国特許第３゜２３３．１６
０号の明細書にも記載されているいわゆる極振幅変調と
呼ばれる位相巻線切換方法による極数切換に応じ多段速
度で動作するように開発されたものであり、前記米国特
許明細書が開示する電動回転機械用極数切換単相交流巻
線構成は共に単相交流電源に接続することにより前記回
転機械のための回転磁界を発生させる２個の巻線から成
り、各巻線は第１の極数が得られるように巻かれており
、交互に極振幅変調回路に接続することによって個々の
巻線の極数を互いに独立に第２及び第３の極数に切換る
ように構成された巻線部分を含む。ほかに移相手段を介
して単相交流電源に接続することによって回転機械の起
動磁界を発生させる起動巻線をも含む。最初に述べた２
個の固定子巻線は、回転磁界から第３の極数を消去する
ように物理的に配置する。米国特許第３，６１９，７３
０号の明細書は、４極補助巻線を有する４極／６極電動
機を開示している。

ノイズを極力抑制するために、従来の熱ポンプや空調装
置は空気搬送用の６極または８極ファン電動機を戸外ユ
ニットに組み込むように設計されている。本発明は、フ
ァンや送風機用として好適な６極／８極固定子巻線構成
を有する単相交流電動機を提供するものである。

本発明の単相交流電動機は、互いに１８００の機械的間
隔を保ち、それぞれが直列に接続された４個のコイルを
有する２つの全く同じコイル群を含み、一方のコイル群
の各末端コイルが他方のコイル群の各末端コイルとオー
パーラツブするように構成した固定子主巻線と、８極電
動機として動作するための８個の極を形成するように前
記２つのコイル群を接続する手段と、６［電動機として
動作するのに必要な６個の極を形成し、一方のコイル群
が８横動作接続の場合とは逆の極性を持つように前記２
つのコイル群を接続する手段とから成る。

効果的な構成要件として、本発明では８極電動機として
動作するのに必要な８個の極を形成するため２つのコイ
ル群を接続する手段と、６極電動機として動作するのに
必要な６個の極を形成し、一方のコイル群が８横動作接
続の場合とは逆の極性を持つように２つのコイル群を接
続する手段とを設ける。例えば、８横動作を得るにはコ
イル群を直列に接続すればよく、６横動作を得るには並
列に接続すればよい。また、比例的には主巻線とほぼ対
応関係にあるが導線サイズと総巻線が主＠線と異なる補
助巻線を設ける。この補助巻線は８極構成にもとづいて
主巻線と空間直角位相関係に巻き、コンデンサのような
移相手段を介して電源に接続すればよい。以下添付図面
を参〇Ｃ４Ｌ、実施例のもとづいて本発明を説明する。

第１図は電動機の固定子主巻線を略示する図である。こ
の巻線は８横動作するように接続されており、１対の線
端子Ｌｌ及びＬ２間に直列接続された２つのコイル群１
０及び１２を含む。コイル群１０は直列接続された４個
のコイル１４．１６．１８、及び２０を含み、コイル群
１２は直列接続されたコイル２２．２４．２６及び２８
を含む。これらのコイル群はその巻線構成が全く同じで
あり、固定子の周りに互いに１８０°の角度を隔てて配
置されている。各コイルは電動機の周囲の約１７７を占
めるように巻かれている。従って、各コイル群の各末端
コイルは他方のコイル群の末端コイルのそれぞれとオー
バラップする。

第２図は６横動作するように接続された第１図の固定子
主巻線を略示する図である。この構成ではコイル群ｌＯ
及び１２が線端子Ｌ１及びＬ２間に並列接続され、コイ
ル群１２は第１図に図示した８横動作用接続の場合とは
極性が逆になる。

第３図は、第１図及び第２図の固定子主巻線に電流が流
れることで発生する理論上の起磁力分布を表わす一連の
波形である。波形Ａ及びＢはそれぞれ固定子コイル群１
０及び１２から発生する起磁力分布を表わす。これらの
波形において、起磁力ピーク３０〜４４はそれぞれコイ
ル素子１４〜２８に対応する。

波形Ｃの起磁力分布４６は波形Ａ及びＢの合計であり、
８横系本波によって支配される。

波形はコイル群ｌＯ及び１２の直列接続に起因する。波
形りの起磁力分布４８は波形Ａ及びＢの差に相当し、６
横幕本波に支配される。波形りは、コイル群１２を反転
させた状態でコイルｕｌＯ及び１２を並列接続した結果
書られる波形である。この実施例では起磁力分布ピーク
３２．３４．３８及び４４が振幅値１を取るのに対して
、ピーク３０．３６．４０及び４２は第３図にＫとして
示した、値１以外の値を取る。波形Ｃで示す８極波形に
おいては、コイル群１０及び１２のオーｌ＜ラップ付近
に起磁力分布のピーク値Ｋがあり、第３図の波形りで示
す６極波形ではピークが説となる。値１に対する両ピー
ク起磁力の偏差を等しくしたければ、Ｋの値を０．８２
８としなければならない。オバーラップ域の極と振幅値
ｌの極との磁束偏差を等しくしたければ、Ｋの値を約０
．８１１８としなければならない。

従って、各末端コイルの巻数は各中心コイルの巻線の約
６５％〜８５％となる。以下に述べる実施例の巻線構成
では、Ｋの値として折衷値０．７８を採用する。

第４図は、４８スロツト固定子における第１図図示固定
千生巻線の配置図である。この巻線は８横動作するよう
に接続されており、流れ去る電流を・印で、流入するの
をＸ印で示すことで瞬間電流を図示した。この巻線構成
は８ｓｉ基本波５２を有する第５図図示の起磁力分布５
０を形成する。理想的には各コイル素子１４〜２８が固
定子周囲の１７７にまたがることになるが、スロット数
に制限のある実際の電動機にあっては極のスパンを正確
に２π／７とすることは不可能である。第４図図示巻線
の４８スロツトを７で割れば極のスパンは１３．８５７
スロツトとなる。即ち各極巻線の極のスパンは理論的に
は６．８５７スロツトでなければならない。しかし実際
にはこのスパンは６スロツトかまたは７スロツトでなげ
らばならない。第４図では各コイル群の中心に位置する
１対の極については７スロツトスパンを採用し、末端に
位置する１対の極については６スロツト・スパンを採用
している。

即ち、コイル１６．１８．２４、及び２６のスパンは７
スロツト、コイル１４．２ｏ、２２及び２８のスパンは
６スロツトである。この実施例ではスパンの広い方のコ
イルのピーク相対起磁力はスロット当りの導線量に極エ
ツジから内方へむかって正弦勾配を与え、総量の４４．
５％、　３５．５％及び２０％にそれぞれ設定した場合
、２．０　となる。両コイルの総ピーク相対起磁力は２
．０の７６％に相当する１、５２である。ここでも極エ
ツジから内方へむかってスロット当り導電量に正弦勾配
を与え、総導電量の６１．．８％、３１．２％及び０％
にそれぞれ設定する。第４図の配線図におけるスロット
当り相対導線数は左端スロットをスロット陽、１として
計算することができる。コイル電流が１アンペア、相対
起磁力が２ならばスロワ）Ｎｏ、１及び陽、７における
相対導線数は２．０の４４．５％、即ち０．８９となる
。同様にスロット陽、２び陽。

６における相対導線数は０．７１　、スロワ）ｌｂ、３
びｌｂ、５では０．４０となる。スロット陽、４はコイ
ル２６の正確に中心に位置するから当然導線に存在しな
い。スロット陽、８び陽、１３の相対導線数は１．５２
（７）　８１．８％　、即ちＱ、９４　、７．　ｌ：ｆ
ｆ　ット陽、９びＮｏ、１２テは１．５２（７）　３１
．２％　、即ち、０．５８となる。この巻数ではスロワ
ｌｌｂ、１０及び崩。

１１に導線は存在しない。これはコイルの中心に１対の
スロットを配置し、導線数に正弦勾配を与える広く行な
われている方、法である。中心位置する１対のスロット
に適当に設定した量の導線を配置してもその起磁力基本
成分に対する寄与はこれらのスロットに導線を配置する
ことを正当化するには余りに小さい第４図の配線図に関
していくつかの所見が得られる。コイル２６及び２８の
中心間周辺距離は固定子周囲の１／７が８．８５７スロ
ツトであるのに対して、６．５２スロツトである。また
、コイル陽、２８の桟幅は６スロツトであり、７スロツ
トである場合よりも６．８５７との差が大きい。７極で
なく６極を採用するのは純然たる判断の問題であり、６
極磁界の分布係数の方がすぐれている。所与の性能基準
に関して、フーリエ分析を利用することにより各スロッ
トの導体数を適正に設定することができる。第６図は第
４図の固定子主巻線と併用する固定子補助巻線の配線図
である。この補助巻線は８横動作するように接続されて
おり、それぞれが第４図に示す２つのコイル群と同じ相
対角度ずれを有する２つのコイル群を含む。第１コイル
群は直列接続されたコイル５４．５６．５８及び６０を
、第２コイル群は直列接続されたコイル６２．６４．６
６及び６８を含む。第６図の補助巻線は右へ３２スロツ
トずらすことにより第４図の主巻線と空間直角位相関係
に巻かれており、固定子主巻線と同じ正弦勾配及び相対
巻線数で構成すればよい。

第７図は第２図図示の固定子主巻線を６横動作するよう
に接続する場合の配線図である。この巻線構成では６横
幕本波７２を有する第８図の磁束分布７０が得られる。

第７図の固定子巻線は同じく６横動作方式に接続されか
つコイル５４．５６．５８．６０．６２．６４．６６及
び６８を含む第９図の固定子補助巻線と併用される。第
９図図示補助巻線のコイルは第６図図示補助巻線のコイ
ルと同じ角度位置に配置される。

第４図及び第７図に示す２つの巻線における分布係数は
、８極巻線では０．７９２１．６極巻線ではＱ、８３３
４である。なお、完全な正弦曲線分布巻線なら分布はπ
／４、即ち、０．７８５４であり、従って第４図の８極
界磁巻線の分布係数は理論上の値に極めて近似である。

本発明の一実施態様に従って構成された電動機は固定子
主巻線コイル群を並列接続して６極動作を、直列接続し
て８横動作を得るコイル群反転手段を含む。この場合、
８極構成における直列巻数は６極構成の２倍となる。

分布係数を考慮に入れると、８極構成の有効巻数と６極
構成の有効巻数の比は２．５０１である。いずれの構成
でも総誘導電圧はぼ等しい。従って、６極構成における
最大エアギャップ磁束定数と８極構成における最大エアギャップ
磁束定数の比は１．８７８となる。

以　　下　　余　　白電動機を永久スプリット・コンデンサ電動機として動作
させるとすれば、６極構成のトルク性能は８極構成の約
３．５となる。また、６極構成で純単相電動機として動
作させるとすれば、そのトルク出力は８極永久スプリツ
ト・コンデンサ電動機の約８０％ないし８５％または約
２．８ないし３．０まで低下する。両型動機の速度比に
関しては、６極トルク需要と４極トルク需要の比は約１
．８となる。従って８極電動機の送風機負荷条件を６極
電動機で満たす場合、トルクの点でオーバサイズのきら
いはあるが、電力の点でバランスがよいと考えられる。

６極接続の電圧電力性能は固定子コイル群が並列である
から８極接続の２倍となる。再構成の軸負荷比はほぼ２
．３７：　１であり、これはバランスのとれた設計に必
要な電圧電力性能が得られる場合の２．０　：　１とさ
ほど違わない。

熱ポンプのファンまたは送風機用電動機に応用する場合
、電動機はその動作時間の大部分を低速モードで動作す
る。従って、正確に直角位相の補助巻線と共に永久スプ
リット・コンデンサ電動機として動作させたいのはこの
低速モードの場合である。第４図及び第５図から明らか
なように、基本起磁力はスロット位置２４局において下
降ゼロ交差する。第６図の補助巻線の補助磁界は電動機
の周囲に沿って電気的に９０’ずれたスロット位置２７
展におてその起磁力が下降ゼロ交差する。

この同一補助巻線を６極態様に接続しても磁界の下降ゼ
ロ交差は第７図の巻線の主磁界から電動機周囲に沿って
電気的に６７．５ずれたスロット位置２７展から移動し
ない。これは直角位相位置ではないが、補助巻線のコン
デンサを適当に選択することによって電動機の満足すべ
き動作が得られる。

第１０図は本発明の一実施例として構成された電動機の
固定子巻線回路の簡単な回路図である。固定子主巻線は
図示の便宜上それぞれ単一コイルとして示した直列のコ
イル群１０及び１２を含み、各コイル群は第１図に示す
ような２個の中心コイル及び２個の端末コイルから成る
。補助巻線はこれも図示の便宜上それぞれ単一コイルと
して示した直列のコイル群７４及び７６を含み、各コイ
ル群は対応の固定子主巻線コイルと同じ相対角度値に配
分され、しかし８極接続にもとづき固定子の周囲に沿っ
て電気的に９０’だけずらし、直列接続した２個の中心
コイル及び２個の端末コイルを含む。主巻線及び補助巻
線８極動作を得るため直列に、６極動作を得るため並列
にそれぞれ接続するのに複数のスイッチ５ＩＳ７を利用
する。スイッチｓ１、ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、及びｓ７を閉
じ、スイッチｓ２及びＳ５を開くことによって電動機は
第１０図に示すように６横動作接続となる。この接続モ
ードにおいて、固定子主巻線コイル群は線端子Ｌ１及び
Ｌｚ間で互いに並列接続し、固定子補助巻線コイル群７
４及び７６は互いに葺列接続すると共に並列コンデンサ
ＣＩ及びＣ２と直列接続して、線端子Ｌｌ及びＬ２間に
補助回路を形成する。８横動作を得るにはスイッチＳ２
及びＳ５を閉じ、その他のスイッチを開く。この接続モ
ードにおいては、固定子主巻線のコイル群１０及び１２
を線端子Ｌ１及びＬ２間で互いに直列接続し、固定子補
助巻線のコイル群７４及び７６は互いに直列接続すると
共にコンデンサＣ１と直列接続して、線端子Ｌｌ及びＬ
２間に補助回路を形成する。客動作速度に対応して唯１
つのコンデンサが固定子補助巻線回路中に接続されるよ
うに異なるコンデンサを使用してもよいことは当業者な
ら容易に理解できるであろう。

本発明は８極構成に巻かれた補助巻線と組み合わせた上
記２つのコイル群から成る固定子主巻線を含む電動機に
も係わる。この場合、補助巻線は起動用にのみ利用され
る。電動機は主巻線が８極モードに接続された状態で起
動し、充分な速度に達したところで補助巻線を開示する
ことによって電動機を低速動作用の真の８極単相電動機
として動作させるか、または電動機の回転中に主要巻線
を高速動作用の６極モードに切換えればよい。補助巻線
を６極モードに巻いた場合も同様の構成を使用すること
でかできる。

６極動作及び８横動作を得るためには固定子主巻線コイ
ル群１０及び１２を直列接続するか並列接続すればよい
。表部は可能な接続態様を示す。

以　　下　　余　　白表１ではコイル群１２が極性反転するように示しである
が、コイル群１０が反転するように接続することもでき
る。その場合電動機の回転方向が反転する。また、外部
的な移相装置、例えばコンデンサを利用できるから主＠
線と補助巻線を直角位相関係に巻かなくてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は８横動作するように接続された電動機固定子主
巻線の簡単な回路図、第２図は６極動作するように接続
された第１図図示固定千生巻線の簡単な回路図、第３図
は第１図及び第２図の巻線によって発生する起磁力を個
別にかつ組み合わせて示す波形図、第４図は本発明の一
実施態様に従って構成され、８横動作モードに接続され
た電動機固定子主巻線の配線図、第５図は第４図の巻線
によって発生する起磁力の波形図、第６図は本発明の一
実施態様に従って８横動作モードに接続された補助巻線
の配線図、第７図は６横動作モードに接続された第４図
図示巻線の配線図、第８図は第７図の巻線によって発生
する起磁力の波形図、第９図は６横動作モードに接続さ
れた第６図図示補助巻線の配線図、第１Ｏ図は本発明の
一実施態様に従って構成された単相交流電動機コイル回
路の簡単な回路図である。１０．１２．７４．７６・・・・コイル群■４〜２８・
・・・・・・・・・・・コイルＳ１〜　Ｓ７・・・・・
・・・スイッチＣ１、Ｃ２・・・・・・・・コンデンサ
０　　　　■斗島友□　　　　２丁Ｆｌ（３，３

Claims

【特許請求の範囲】 ■、互いに１８０°の機械的間隔を保ち、それぞれが直
列に接続された４個のコイルを有する２つの全く同じコ
イル群を含み、一方のコイル群の各末端コイルが他方の
コイル群の各末端コイルをオーバラップするよに構成し
た固定主＠線と、８極電動機として動作するための８個
の極を形成するように前記２つのコイル群を接続する手
段と、６極電動機として動作するための６個の極を形成
し、一方のコイル群が８横動作接続の場合とは逆の極性
を持つように前記２つのコイル群を接続する手段とから
成ることを特徴とする単相交流電動機。２、前記固定子主巻線の前記コイル群のそれぞれが巻数
が同じくかつ互いに隣接する２個のコイルと、巻数が同
じくかつそれぞれが前記中心コイルの１つと隣接する２
個の末端コイルとから成り、前記中心コイルのそれぞれ
における巻線が前記末端コイルのそれぞれにおける巻線
よりも大きいことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の電動機。３、前記末端コイルのそれぞれにおける巻数が前記中心
コイルのそれぞれにおける巻数の６５％ないし８５％に
等しいことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
電動機。４、前記コイルのそれぞれを巻数に正弦勾配を与えられ
るように巻いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
から第３項までのいずれかに記載の電動機。５、互いに１８０°の機械的間隔を保ち、それぞれが直
列に接続された４個のコイルを有する２つの全く同じコ
イル群から成り、これらのコイルが前記固定子主巻線の
コイルと同じ相対角度位置を有する固定子補助巻線と、
第１コンデンサと、８個の極を形成するように前記補助
巻線コイル群を相互に接続すると共に、８極電動機とし
ての動作を得るため前記第１コンデンサとも接続する手
段とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項から
４項までのいずれかに記載の電動機。６、第２コンデンサと、６　（１！］の極を形成するよ
うに前記固定子補助巻線コイル群を相互に接続すると共
に、６極電動機としての動作を得るため前記第２コンデ
ンサとも接続する手段とを含むことを特徴とする特許請
求の範囲第５項に記載の電動機。７．８個の極を形成するように接続した状態で前記固定
子補助巻線の各コイルを前記固定子主巻線の対応コイル
から電気的に９０’だけずらしたことを特徴とする特許
請求の範囲第５項に記載の電動機。８、前記固定子補助巻線の前記コイル群のそれぞれが巻
数が同じくかつ互いに隣接する２個の中心コイルと、巻
数が同じくかつそれが前記中心コイルの１つと隣接する
２個の末端コイルとから成り、前記中心コイルのそれぞ
れにおける巻数が前記末端コイルのそれぞれにおける巻
数よりも大きいことを特徴とする特許請求の範囲第５項
に記載の電動機。９、前記末端コイルのそれぞれにおける巻数が前記中心
コイルのそれぞれにおける＠数の６５％ないし８５％に
等しいことを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の
電動機。１０、前記固定子補助巻線における前記コイルのそれぞ
れを巻数に再弦勾配が与えられるように巻いたことを特
徴とする特許請求の範囲第５項に記載の電動機。１１．６極電動機としての動作が得られ、一方のコイル
群が８横動作接続の場合とは逆の極性を持つように前記
２つのコイル群を並列接続するための手段を含むことを
特徴とする特許請求の範囲第１項から第１０項までのい
ずれかに記載の電動機。