JPS60245500A

JPS60245500A - 可変速回転電機

Info

Publication number: JPS60245500A
Application number: JP60099446A
Authority: JP
Inventors: ハインツ、ローゼンベルク
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1985-05-10
Publication date: 1985-12-05
Also published as: EP0161646A1; DE3566205D1; US4672291A; EP0161646B1

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】〔発明の属する技術分野〕本発明は可変速回転電機に関する。

〔従来の技術〕

電気励磁装置を備えた回転電機において励磁電流を機械
式または電子式の調節手段により回転数に均して電圧ま
たは出力が所望どおりに推移するように制！Ｉ］するこ
とは公知である。さらに、永久磁石励磁の回転電機にお
いて、有効磁束に対する側路を通る磁束を用意し、その
磁束の大きさを機械式または電気式の調節手段により可
変とし、これにより有効磁束の間接的な側副を行なうこ
とも公知である。上記の調節手段はしばしば高価であっ
たイノ、また故障も起こしやすい。

車両に塔載されて内燃機関にて離動される直流発電機が
推進電動機に給電するような電気駆動車（例えばディー
ゼル電気駆動車）においては、推進出力がその都度の走
行抵抗に殆ど依存しないようにするために、発電機を飽
和させないで自励で一定駆動トルクにて運転し、これが
非常に僅かな回転数変化でも強い電圧変化を生じ、それ
により殆ど一定の出力を生じることが知られている。こ
のシステムは出力調節器なしですませられるが、しかし
発電機が不飽和運転のために十分に利用されず、また損
傷を起こさせる過電圧の発生の危険がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、回転数に対する誘起電圧の所望の推移
を調節器なしにもしくは不十分な機械利用率を避けなが
ら得ることのできる可変速回転電機を提供することにあ
る。

し問題点を解決するための手段〕上記目的は、本発明によれば、可変速回転電機の有効磁
束の少なくとも一部を発生または制御する巻線またはこ
れに直列接続された抵抗が、少なくとも１つの場合によ
っては可変の、周波数依存性インピーダンスを介して回
転電機回転数に比例する周波数の交流電圧を供給される
整流器に接続されていることによって達成される。

この交流電圧は回転電機の巻線に誘起させることもでき
るし、回転電機に連結された特に永久磁石励磁の補助機
において誘起させることもできる。

周波数依存性インピーダンスとしては所要の周波数依存
性に応じて誘導性または容量性無効インピーダンス、あ
るいは両無効インピーダンスの組合わせが用いられ、そ
の場合に少なくとも１つの無効インピーダンスは抵抗の
並列接続により補足するとよい。

し実施例〕以下、図面に示されている複数の実施例を参照しながら
、本発明をさらに詳細に説明する。

第１図は誘導性無効インピーダンスを介して整流器へ給
電する原理回路図、第２図は容量性無効インピーダンス
（コンデンサ〕を介して整流器へ給電する原理回路図、
第３図は直列接続された誘導性および容置性無効インピ
ーダンスを介して整流器へ給電する原理回路図、第４図
は並列接続された誘導性および容量性無効インピーダン
スを介して整流器へ給電する原理回路図、第５図はコン
デンサを介して整流器およびこれ（二並列接続された誘
導性無効インピーダンスへ給電する原理回路図、第６図
は誘導性無効インピーダンスを介して整流器およびこれ
に並列接続されたコンデンサへ給電する原理回路図、第
７図は回転数上昇にともなって界磁弱めを増される直流
電動機の回路図、第８図は最小回転数においてはじめて
界ω弱めが行なわれる直流電動機の別の回路図、第９図
は同様に最小回転数以上で界磁弱めが行なわれる三相同
期電動機の回路図、第１０図は回転数上昇にともなって
有効磁束弱めが行なわれる永久磁石回転子を持つ三相同
期電動機の回路図、第１１図はほとんど回転数に依存し
ない電圧を発生する同期発電機の回路図、第１２図は第
１１図による発電機（二おける回転数に対する励磁電流
の推移を示す特性図、第１３図は電圧がけわしく回転数
に依存する直流発電機の回路図、第１４因は電圧かけわ
しく回転数に依存する整流器をもって動作する三相同期
電動機の回路図である。

無効インピーダンスの作用を明らかにするために、第１
図ないし第６図についての以下の説明では、機械回転数
ｎζζ二側例る周波数ｆを有する整流器供給電圧［Ｉが
一定と仮定されているが、このことは適用形式において
いつでも同様である必要はない。

第１図（二よる回路においては、誘導性無効インピーダ
ンス１は周波数ｆとともに増大し、整流器２に供給され
る電流、したがって回転電機巻線３に供給される直流電
流Ｊは回転電機回転数ｎの上昇にともなって単調に減少
する。それゆえ、回転電機有効磁束を励起させるか又は
それに影響を及ぼす上記巻線３の起磁力は回転数りに対
して逆方向に変化する。

これに対して第２図による装置の場合には、周波数上昇
にともなうコンデンサ４の無効インピーダンスの減少に
よって、整流器５から同転電機巻線６に供給される電流
Ｊは（ロ）転数にともなって増大する。

第３図においては、誘導性無効インピーダンス７および
コンデンサ８が合わさって−っの三相無効インピーダン
スを形成し、この合成無効インピーダンスは先ず周波数
上昇にともなって減少し、共振周波数において消えてな
くなり、それがら周波数上昇にともなって再び増大する
。さらに、整流器９が回転電機巻線１ｏに供給する電流
Ｊは回転数ｎから共振最大値まで増大し、それから再び
低下する。

第４爾における並列接続された無効インピーダンス１】
および１２は、周波数上昇につれて先ず増大する無効イ
ンピーダンスを生じ、したがって整流器１３から回転電
機巻線１４に供給される電流の減少を生じさせる。共振
周波数において無効インピーダンス】ｌおよび】２は阻
止回路を形成するので電流Ｊは殆ど消え、続いてさらに
周波数が上昇すると電流Ｊはあらたに単調に増大する。

第５図による回路の場合には、電圧Ｕはコンデンサ１５
を介して整流器１７およびこれに並列接続された誘導性
無効インピーダンス１６に供給される。この回路は整流
器】７から回転電機巻線１８に供給される電流Ｊの回転
数ｎに対する推移に関して第３図と類似の推移を生じる
。しかし、共振周波数を越えた後には電流はこの場合に
は第３図による回路装置におけるよりもあまり急（二は
減少しない。

第６図による装置においては、整流器２１およびこれに
並列接続されたコンデンサ２０に誘導性無効インピーダ
ンス１９が直列接続されている。

この装置も第３図および第５図による回路と同様に周波
数とともに最大まで増大しそれから再び低下する電流Ｊ
を回転電機巻線２２に生じる。第５図による装置とは違
って、この場合には既にｆ　−０において電流Ｊ＞０で
あり、そのために共振周波数以上のある周波数値におい
て殆ど完全に消える。

電流Ｊと回転数ｎとの関係を所望の推移に調整するため
に、すべての回路において無効インピーダンスの少なく
とも１つに抵抗を並列接続することができる。簡略化の
ために、これは第１図ないし第６図においては示されて
いない。

変換器により給電され広い回転数範囲にわたってほぼ一
定の出力で運転されるモータ（例えば電気車モータや工
作機械駆動モータ）の場合には、変換器パターン出力の
制限のために、回転数上昇時（ニモータ有効磁束を弱め
、それにより誘起電圧を僅かにしか又は全く増大させな
いようにすることが要望される。第７図は自動的にこの
種の界磁弱めで動作する直流電動機の回路を示す。電機
子巻線２３に誘起する磁束は電機子の側路中にあって電
流Ｊ１を導く励磁巻線２４によって生じさせられる。モ
ータに端子Ｎ、Ｐを介して供給される直流電圧は一定で
あるとする。したがって電機子巻線のタップを介して取
り出されてコンデンサ２７を介して整流器２８に供給さ
れる父流電圧は（始動器２６によるモータの起動後）同
様に殆ど一定に保たれる。その交流電圧の周波数はモー
タの回転数ｎに比例し、したがって整流器２８から供給
される電流Ｊ２は第２図による原理回路図にしたがって
この回転数ｎと共に増大する。電流Ｊ２は減磁巻線２５
に流れ、それ（二よりこの＾磁巻線２５は励磁巻線２４
に反対作用をして、磁束を回転数ｎの」二昇にともなっ
てますます弱める。

第８図においては界磁弱め動作をする直流電動機の別の
回路を示し、これにおいては特別な減磁巻線を用いなく
ともよい。磁束は直列抵抗３２を介し−Ｃモータから供
給される一定の電圧に接続される巻線３０にのみ生じさ
せられる。さらに、直列抵抗３２は絶縁変圧器３４．３
５およびコンデンサ３３を介して電機子巻線２９のタッ
プに接続されている整流器３６の出力側（二ある。コン
デンサ３３は絶縁変圧器３４．３５および電機子巻線２
９のインダクタンスと共に第３図による原理回路図にし
たがって動作する無力］インピーダンスを形成し、した
がって共振周波数以下では回転電機の回転数ｎと共に増
大する整流器３６の出力電圧を生じさせる。始動器３１
によるモータの起動完了後（二は、ある回転数ｎまでは
整流器３６から供給される電圧は励磁電流Ｊ３が直列抵
抗３２に生ぜしめる電圧降下よりも小さく、即ち整流器
３６は無電流に保たれるので、’Ｊ　４−Ｊ　３であっ
て、回転電機は一定励磁で動作する。整流器電圧が上記
電圧降下を上回ったときはじめて整流器も電流を供給し
、したがって電流Ｊ４が大きくなる。しかしながら、巻
線３０および直列抵抗３２における電圧降下の和は供給
電圧に等しいままでなければならないので、そのことは
、電流Ｊ４．つまり回転数ｎと共に増大する電流Ｊ３の
減少、即ち界磁弱めを意味する。上述の装置は、界磁弱
めが所定の回転数ｎにおいてはじめて行なわれるという
利点を有する。この所定の回転数ｎは場合１−よっては
直列抵抗３２および／または絶縁変圧器３４．３５およ
び／またはコンデンサ３３の可変により調整することが
できる。

励磁巻線３７．．３７ａにより１肋磁される第９図によ
る同期゛電動機の場合には、これらに直列の抵抗を回避
することができる。モータの電機子巻線３８は殆ど一定
の可変周波数三相電圧の端子Ｒ１Ｓ、Ｔに接続されてい
る。直列接続の励磁巻線３７．３７ａは端子Ｎ、　Ｐを
介して一定の直流電圧を、例えばモータに給電する変換
器の直流中間回路から供給される。界磁弱めを生せしめ
る電流回路を動作電流１’ＦＪ路から絶縁するためζ二
、固定子に付加的な三相交流巻線３９が設けられ、これ
が回転数に比例する周波数のほぼ一定の電圧を供給し、
コンデンサ４０を介して転流器４１に給電する。この装
置の動作は第３図による回路装置に対応する。整流器４
１の出力側は励磁巻線３７ａに接続されている。端子Ｎ
およびＰに供給される電流が励磁巻線３７ａに生じさせ
る電圧降下が整流器４１の出力電圧よりも大きいかぎり
、整流器４１は無電流であって、モータは一定励磁で動
作する。ある周波数からやっと、即ちある回転数以上で
、整流器電圧が上記電圧降下に打ち勝って、励磁巻線３
７ａにおける電流が増大し、その結果励磁巻線３７にお
ける電流が減少する。励磁巻線３７ａの抵抗が励磁巻線
３７に対する巻数比に相当するよりも大きく選定される
ならば、この場合にも、ある回転数にて開始されてそれ
から回転数と共に増す界磁弱めが生じる。励磁巻線３７
ａの必要な抵抗増大は、例えば巻線材の相応に小さくさ
れた断面積および／またはこの巻線と端子Ｐとの間にお
ける直列抵抗によって得られる。

第１０図は永久磁石界磁の同期電動機の回路を示す。回
転子に配設された永久磁石４２は、一方では三相交流端
子Ｒ，Ｓ、Ｔに接続されている固定子巻線４３に鎖交す
る有効磁束を発生し、他方では直流磁束として別の固定
子巻線４４に鎖交する側路磁束を発生する。米国特許第
２，８０２，９５９号明細書から知られているように、
この別の固定子巻線４４と鎖交する側路磁束は増方向励
磁または減方向励磁により相応に割肌することができる
。

このようにして有効磁束が間接的に制碗される。

側路磁束の減−滋によるこの種の有効磁束利口が第】０
図に示された同期電動機Ｃ二おいて適用される。運転中
はぼ一定と仮定された可変周波数端子電圧が誘導性無効
インピーダンス４５を介して整流器４６に給電され、こ
の整流器はモータの巻線４４に電、俺Ｊを流す。この装
置は、第１図による原理回路図にしたがって動作し、つ
まり周波数Ｆ昇にともなって電流Ｊが減少し、それ―よ
り側路磁束の減磁が低下し、該側路磁束は増大し、この
ことが有効磁束の減少をもたらす。

第１１囚Ｃおいては、広い回転数範囲にわたって少なく
ともほぼ一定の電圧を供給する三相同期′這動磯の回路
が示されている。これは、例えば整流器で動作する風力
発電機や軸発電機にとって有利である。／Ｊぜならば、
この場合には整流器は小さい制卸範囲しから要としない
が、あるいは場合によっては非制イ印に保たれてもよい
かの゛いずれがであるからである。固定子の電機子巻線
４８に誘導な起こす励磁巻線４７は整流器５２の出力側
に接続されている。この整流器５２はこれに並列接続さ
れたコンデンサ５Ｉと共に、回転子４９内の連結された
永久磁石励磁の補助機の巻線５ｏがら給′電される。巻
線５０のインダクタンスによってコンデンサ５１と共に
第４図による原理回路図の動作が生じる。したがって、
共振周波数以上において、発電機巻線４８に誘起される
電圧の一定保持に必要であるような第１２図に示されて
いる回転数ｎに対する励磁電流Ｊの”　ｍｉｎとｎｍａ
ｘとの間の範囲における双曲線状の変化が得られる。整
流器５２をコンデンサ５】と共に発電機巻線４８自身に
接続するか、あるいは（より高い電圧を得るなどのため
（ニ）発電機固定子における補助巻線に接続するかのい
ずれかにより、補助機を省略することもできる。

第】３図は、例えば車両の駆動モータに給電し回転数の
僅かな変化の際にも同方向の強い電圧変化を有する直流
発電機の回路を示す。かかる発電機が一定トルク（二で
、例えばディーゼルエンジン５４により一定保持シリン
ダ容積でもって駆動されるならば、上述の電圧特性は殆
ど一定に保たれる出力を生じる。発電機の電機子巻線５
３はタップを介して回転数に比例する周波数の交流電圧
を供給し、この交流電圧はりアクドル５６およびコンデ
ンサ５７を介して整流器５８に作用する。電機子巻線５
３およびリアクトル５６のインダクタンスはコンデンサ
５７と共に、共振周波数以下において一定の発電機電圧
でも励磁電流Ｊの急傾斜の同方向の周波数依存性が得ら
れるという第３Ｎの原理回路（２）の作用を生じる。し
かし、電流Ｊとともに発電機電圧も増大するために、こ
れは付加的な帰還作用を生じさせ、この帰還作用は回転
数上昇時において電圧増大をはっきりと増幅し、発電機
の飽和範囲を包含する。したがって、回転電機は従来技
術に比べて十分に利用される。励磁回路の共振周波数、
したがって発電機の運転回転数を変化できるようにする
ため（二、リアクトル５６は可変インダクタンスでもっ
て構成されている。

第＋４図は再び同期発電機の回路を与え、これは同様に
僅かの回転数変化でも強い電圧」二昇をαし、したが−
って整流器６２を介してモータに給電し第１３肉による
直流発電機と同じ働きをする。

内燃機関５９によ１）一定のトルクでもって駆動される
発電機の励磁巻線６０は固定子巻線６Ｊに誘起電圧を発
生させ、この固定子巻線の出力は整流器６２を介して取
り出される。結合されている回転子６３における永久磁
石励磁される補助機はそれの固定子巻線６４に大きさお
よび周波数が回転数イニ比例する三相電圧を発生する。

この電圧は固定子巻線６４のインダクタンスを介して整
流器６６および並列接続されたコンデンサ６５に第６図
の原理回路図にしたがって作用する。それによって共振
周波数以下（二おいて回転数上昇時に急傾斜の励磁電流
Ｊの増大およびこれによる発電機電圧の増大が得られる
。この作用は固定子巻線６４に誘起される電圧も回転数
とともに増大することによつて増幅される。コンデン−
９′６５のキャパシタンスの可変によって共振周波数が
調整でき、これにより運転回転数が調整できる。

【図面の簡単な説明】

第】図ないし第６図はそれぞれ本発明（：よる互いに異
なる実施例についての原理回路図、第７図ないし第１１
図および第１３肉並びに第１４図はそれぞれ本発明の互
いに異なる適用例を示す回路図、第１２図は第１１図の
回路の動作特性図である。］、　７．１１．１６．１９．４．８．　］２．１５．
２０・、・周波数依存性インピーダンス、２．５．９．
３３．　］７、２１・・、整流器、：’ｌ、　６．１０
．　］４．１８．２２・・・回転電機巻線、２７．３３
〜３５．３９．４０；　４５．ｓ。、５］、、５６，５７．６５・・周波数依存性インピー
ダンス、２８，３６，４１，４６，５２，５８．６６・
・・　整流器、２５，３７，３９，４４，４７，５５．
６０・・・　回転電機巻線、３２・・・直列抵抗。ＩＧ　ＩＩＧ　３ＩＧ　５ＩＧ　２ＩＧ　４ＩＧ　６

Claims

【特許請求の範囲】〕）可変速回転電機の有効磁束の少なくとも一部を発生
または制御する巻線（２５）またはこれに直列接続され
た抵抗（３２）が、少なくとも１つの場合によっては可
変の、周波数依存性インピーダンス（２”７もしくは３
３゜３４．３５）を介して回転電機回転数に比例する周
波数の交流電圧を供給される整流器（２８もしくは３６
）に接続されていることを特徴とする可変速回転電機。２）前記交流電圧は回転電機の巻線（３９もしくは５３
）において誘起されることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の可変速回転電機。３）前記交流電圧は回転電機に結合された補助機におい
て誘起されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の可変速回転電機。４）周波数依存性インピーダンスとして誘導性無効イン
ピーダンス（４５）が設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の
可変速回転電機。５）周波数依存性インピーダンスとして容量性無効イン
ピーダンス（２７）が設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の
可変速回転電機。６）周波性依存性インピーダンスとして誘導性無効イン
ピーダンス（３４，３９）と容量性無効インピーダンス
（３３，１１０）との組合わせが設けられていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かに記載の可変速回転電機。７）周波数依存性インピーダンスは誘導性無効インピー
ダンス（３４，３９）とこれに直列の容量性無効インピ
ーダンス（３３，４＋１）とからなることを特徴とする
特許請求の範囲第６項記載の可変速回転電機。８）周波数依存性インピーダンスは誘導性無効インピー
ダンス（１］）とこれに並列接続された容量性無効イン
ピーダンス（］２）とからなることを特徴とする特許請
求の範囲第６項記載の可変速回転電機。９）整流器（５２もしくは６６）の入力側には少なくと
も１つの容量性無効インピーダンス（５１もしくは６５
）が並列接続されていることを特徴とする特許請求の範
囲第４項記載の可変速回転電機。】０）整流器（１７）の入力側には少なくとも１つの誘
導性無効インピーダンス（１６）が並列接続されている
ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の可変速回
転電機。１】）誘導性無効インピーダンスの少なくとも一部が回
転電機巻線（３９もしくは５０）によって形成されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項
および第６項ないし第１０項のいずれかに記載の可変速
回転電機。】２）無効インピーダンスのうちの少なくとも１つに抵
抗が並列接続されていることを特徴とする特許請求の範
囲第４項ないし第１１項のいずれかに記載の可変速回転
電機。】３）少なくとも１つの減磁巻線（２５）が整流器（２
８）に接続され、該整流器は入力側に無効インピーダン
スが直列接続且つ場合によっては並列接続されており、
電機子巻線（２３）のタップから給電されていることを
特徴とする特許請求の範囲第５項、第６項、第７順。第１０項のうちのいずれかに記載の可変速２回転電機。１４）　励磁巻線（３０）の少なくとも一部は直列抵抗
（３２）を介して励磁直流電圧を印加され、この直列抵
抗（３２）は整流器（３６）に接続されており、この整
流器は電機子巻線（２９）のタップから少なくとも１つ
のコンデンサ（３３）および絶縁変圧器（３４，３５）
を介して給電されていることを特徴とする特許請求の範
囲第７項記載の可変速回転電機。】５）外部給電される励磁巻線（３７）の一部が整流器
（４］）に接続され、該整流器の入力側は少なくとも１
つのコンデンサ（４０）を介して回転電機の誘導巻線（
３９）と接続されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１】項記載の可変速回転電機。１６）　飽和または起磁力により生せしめられる側路磁
束によって有効磁束を制御する巻線（４４）を備え、こ
の巻線は整流器（４６）に接続され、該整流器は入力側
に無効インピーダンス（４５）が直列接続且つ場合によ
っては並列接続され、回転電機の端子電圧によって給電
されていることを特徴とする特許請求の範囲第４項ない
し第９項のいずれかに記載の可変速回転電機。１７）　回転電機の励磁巻線（４７）は連結されたでき
るだけ一定励磁の補助機の誘導巻線（５ｏ）によって少
なくとも１つのコンデンサ（５］）および整流器（５２
）を介して給電されることを特徴とする特許請求の範囲
第３頃または第６項記載の可変速回転電機。３８）　回転電機の励磁巻線（５５）は整流器（５８）
に接続され、該整流器は入力側に無効インピーダンス（
５６，５７）が直列接続且つ場合によっては並列接続さ
れ、電機子巻線（５３）のタップから給電されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項、第６項、第７項
。第１０項のうちのいずれかに記載の可変速回転電機。】９）回転電機の励磁巻線（６０）は連結されたできる
だけ一定励磁の補助機の誘導巻線（６４）によって整流
器（６６）を介して給電され、該整流器の入力側にはコ
ンデンサ（６５）が並列接続されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第３項、第９項および第１１項のいず
れかに記載の可変速回転電機。