JPH01177848A - 複数固定子誘導電動機 - 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】 〔産業上の利用分野） 本発明は複数固定子誘導電動機の変速装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

誘導電動機の速度を制御する方法の一つとして、電源周
波数を変える方法がある。この方法は連続的かつ広範囲
な速度制御が可能である反面、高価な周波数変換装置を
必要とし、また、周波数変換装置により交流を直流に変
換して再度交流に変換する過程において、一般に高調波
および電波が発生し、これらによってコンピューター、
その他の各種電気制御機器の誤動作あるいはコンデンサ
ーの過熱等の損害を招くことがある。このうち高調波障
害に対しては、フィルターを設置することにより対策を
講じることもできるが、フィルターの設置にはコストが
かかる。また、電源周波数を変える方法は、低速時にお
いて一般に性能が不十分となる等の欠点を有するもので
ある。

電源の電圧を変えて速度を制御する更に他の方法では、
速度制御が連続的に行える反面、特に低速度領域におい
て効率が悪くなる欠点がある。

巻線型電動機においは、二次抵抗を変化させ、すべりを
変えて速度制御を行う方法がある。この方法は、比較的
簡単に連続的な速度制御が可能である反面、外部からブ
ラシとスリップリングを介して回転子巻線回路へ抵抗を
挿入するために、ブラシの消耗による保守点検を必要と
する。なお、かご形誘導電動機では、二次抵抗を変化さ
せて速度制御を行うことはできない。

極数変換電動機は段階的速度制御を行えるものであり、
同一鉄心上に極数の異なる二組以上の独立した巻線を巻
装するか、又は同一巻線の接続切換によって異なる極数
を得て変速するものである。このものは、多極数を設け
ることにより、段階的に変速することはできるが、任意
の速度に連続的に変速で門ない。また、極数切換時にト
ルク変動による衝撃を生じること、多極数とするために
大型化すること等の問題点を有するものであった。

上記の如き問題点に対処する技術は、例えば、特開昭５
４−２９００５号公報に開示されているものがある。こ
のものは、同軸上に設置された２組の回転子鉄心と、２
組の回転子鉄心に対向してそれぞれ独立する固定子巻線
を有する２組の固定子と、２組の回転子鉄心に跨って共
通に設置され、かつ両端にてそれぞれ短絡環を介して相
互間を短絡したかご形導体と、２組の回転子鉄心間にお
けるかご形導体の中央箇所にてかご形導体の相互間を短
絡する高抵抗体とを備え、始動時には固定子巻線の相互
間の位相を１８０℃ずらせ、始動後の運転時には位相を
合わせて給電することを特徴とした双鉄心かご彫型動機
である。この電動機は、始動時に固定子巻線の相互間の
位相を１８０℃ずらすことにより始動トルクを大にして
始動特性を向上し、運転時には固定子巻線の相互間の位
相を合わせて通常のトルク特性で運転できる点に特徴を
有するものである。したがって、この電動機は回転磁界
の位相のずれを０°と１８０°に設定できるものであっ
て、始動特性の向上効果は認められても、本来、可変速
電動機ではないから変速を必要とする負荷に対する動力
源としては適さないものである。

なお、上記特開昭５４−２９００５号公報において、起
動から定常運転への移行に伴うトルクの急激な変動によ
るショックを緩和する目的で一時的に両固定子巻線の給
電回路への接続を直列接続とする中間ステップを設ける
ことが１例として記載されているが、これによって、変
速制御ができるようになる訳ではない。しかも、直列に
切換えたことにより固定子に加わる電圧は半減されるの
でトルクは１／４に減殺されることも相俟って変速制御
が全く不可能になることは、この公報に開示する要旨が
変速を目的としていないことからも明白なところである
。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来技術の欠点を解消し、トルク特性に優
れ、速度制御領域を広範囲にかつ任意の所望速度に設定
保持可能にすると共に衝撃のない変速を可能とした複数
固定子誘導電動機を提供することを目的とする。

なお、本発明の複数固定子誘導動電動機は、単相または
３相電源等に接続して使用され、回転子の形態は、普通
かご形、二重かご形、深溝かご形、特殊かご形等のいず
れの型式のものにも適用できるものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記技術的課題を達成するために、本発明は、同一回転
軸に任意の間隔を設けて軸着した複数個の回転子コアを
有し、前記複数個の回転子コアのそれぞれを貫通して装
設した複数個の導体のそれぞれを両端において短絡する
と共に、前記複数個の回転子コア間において、前記複数
個の導体を抵抗材によって連結して一体的に形成した回
転子と、前記複数個の回転子コアにそれぞれ対峙する外
周部に設けた複数種の極数に切換可能な巻線を施した複
数個の固定子と、前記複数個の固定子のうち少なくとも
１個の固定子に設けた前記回転子と同心的に回動する回
動装置と、前記巻線の極数を切換える極数切換装置と、
を有し前記回動装置と前記極数切換装置とを制御装置を
介して連結して解決の手段とした。

〔作　用〕

本発明は複数個の固定子のうち少なくとも１個の固定子
に回動装置を設けて回動し、任意の固定子と他の固定子
のそれぞれに対峙する回転子の導体部分に誘起する電圧
に位相のずれを生じさせて回転子導体に誘起する電圧を
増減に制御できることにあわせ、複数個の回転子コア間
において複数個の導体を抵抗材を介して連結しであるか
ら前記位相のずれに応じて前記複数個の導体から抵抗材
へ電流が流れ強力な回転トルクを出すことができる。ま
た、それぞれの固定子に複数種の極数に切換可能な巻線
を施してあり、極数切換装置と制御装置とを回動装置に
連結しであるから、多極数で、固定子間の回動量の多い
位置、すなわち位相差の大きい位置で始動し、次第に回
動量を少なくして加速し、位相差０°に至らしめる。そ
して、位相差０°の回動位置が少極数に切換られた時に
は位相差が１８０°近辺であり、しかも、電動機に加え
られている負荷による反抗トルクに関し、多極数から少
極数に切換える時点で電動機の出力トルクをほぼ同等に
設定するので増速時に衝撃がなく減速時にも同様に衝撃
がないので滑らかに変速されるものである。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図〜第７図に基づき説明する。

第１図〜第３図により本発明の１実施例を説明する。符
号１は本発明による複数固定子誘導電動機であり、該複
数固定子誘導電動機１は以下のような構成を有する。磁
性材料からなる回転子コア２．３を任意の間隔を設けて
回転子軸４に装着し、回転子コア２，３間は非磁性体コ
ア５を介設するか、または空間とする。そして、漏れリ
アクタンスを重視しない場合には連続した回転子コアと
し、固定子（２４，２５）と対峙しない回転子コア部を
導体と絶縁することで目的を達成することができる。回
転子コア２゜３に装設した複数個の導体６・・・のそれ
ぞれを回転子コア２，３に貫通して連結し一体的な回転
子７を形成し、その直列に連結した複数個の導体６・・
・の両端部は短絡環８．８により短絡される。また、回
転子コア２．３および非磁性体コア５に回転子７の両側
部１０．１１に連絡する複数個の通［１２・・・を設け
、通風胴１２・・・から直交状に回転子７の外周部に貫
通する複数個の通気孔１３・・・を穿設しである。回転
子７に装設された導体・・・６は回転子コア２，３間の
非磁性体コア５部において、それぞれを任意のベクトル
の差の電流が流れると通電する抵抗材９を介して、即ち
ニクロム線、炭素混入鋼１通電性セラミック等からなる
抵抗材を介して連結する。

円筒状の機枠１４の両側部に設けた軸受！Ｉｉ！１５゜
１６を連結棒１７・・・にナツト１８・・・を締めるこ
とにより一体的に組付ける。回転子７の両側部に冷却用
翼車１９．２０を装着し、回転子軸４の両端部を軸受盤
１５．１６に嵌装した軸受２１．２１に軸支し、回転子
７を回転自在としである。

回転子コア２，３に対峙する外側部に巻線２２．２３を
施した第１固定子２４と第２固定子２５を機枠１４に並
設し、機枠１４と第１固定子２４との間にすべり軸受２
７を装設し、すべり軸受２７を機枠１４に嵌装したスト
ップリング２６によって固定し、第２固定子２５は固定
環２８により機枠１４に固定する。第１固定子２４の一
側外周面にはギヤー２９を嵌着しである。機枠１４の外
周部に固設した小型モーター３０に駆動用歯車３１を軸
着し、該駆動用歯車３１は第１固定子２４に嵌着したギ
ヤー２９に係合される。このように構成することにより
、第１固定子２４は小型モーター３０の作動によって回
転子７と同心的に回動して回動固定子を構成し、そうし
て、第１固定子２４の回動と第２固定子２５とによって
電圧移相装置が構成される。

機枠１４の外周部に送風口３４と排風口３５を穿設し、
排風口３５にはモーター３７を有する排風機３６を固着
し、空間部３８の空気を機枠１４外に流通させる。また
、回転子軸４と一体的に回転する冷却用藺車１９．２０
を通風口３２より空気を取り入れて側部１０，１１、通
風胴１２、通気口１３に空気を流通させるために設けで
ある。３３は空気流通のための通気口で、機枠１４の第
１固定子２４と、第２固定子２５に対峙する部分に穿設
しである。

次に、第２図を参照して、第１固定子２４の回動位置を
検出する手段の構成について説明する。回動する第１固
定子２４の外周に磁気体３９を固設し、磁気体３９に対
向する機枠１４の任意の部位に複数の磁気センサー４０
８〜４０ｄ等よりなる回動位置検出器４０・・・を設け
、第１固定子２４の回動位置を表示する回動位置表示器
４１を備える制御装置４２と連絡する。４３は第１固定
子２４の回動の開放またはロックを行うためのソレノイ
ドであるが、固定子の回動の開放およびロックは公知の
任意の作動機構により行うことができる。

回動機構および回動位置検出装置の別実施例を第３図を
参照して説明する。

機枠１４に固着した軸受４４には回動軸４５と一体的に
回転するウオームギヤ４６を設けた回動軸４５が回転自
在に設けられ、ウオームギヤー２９に係合する。該回動
軸の一端には正逆に回転する回動用のパルスモータ−４
７を回動軸４５と同心に設けて該パルスモータ−４７は
機枠１４に固着される。

次に、第４図により複数個の固定子に巻装した複数種の
極数に切換可能な巻線と、極数切換スイッチにより極数
を切換える極数切換装置の接続につき説明する。

第１．第２固定子２４．２５のそれぞれに施した巻線２
２．２３にそれぞれ２つの極数に変換する端子を設けで
ある。第１．第２固定子２４．２５の巻線２２．２３の
それぞれには、端子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋およびＵ２．Ｖ２
．Ｗ２とＸ＋、Ｙ＋、Ｚ＋とを設け、巻線２３の端子Ｕ
２、Ｖ２．Ｗ２の端子は極数切換スイッチＳ１を介し、
また、端子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋は極数切換スイッチＳ４を
介してそれぞれ商用３相電源に接続し、巻線２３の端子
Ｕ１とＸ＋、端子■１とＹ＋、端子Ｗ１と７１を極数切
換スイッチＳ２を介してそれぞれを短絡接続し、巻線２
２と巻線２３とを直列に接続する。

即ら、巻線２３の端子Ｘ＋、Ｙ＋、Ｚ＋を巻線２２の端
子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋に極数切換スイッチＳ７を介して接
続し、巻線２２の端子Ｕ１とＸｌ、端子Ｖ１とＹ＋、端
子Ｗ１と７１を極数切換スイッチＳ３を介してそれぞれ
短絡接続し、その短絡接続された各端子は極数切換スイ
ッチＳ６を介して短絡可能としである。

さらに、巻線２３の端子Ｘ＋、Ｙ＋、Ｚ＋を巻線２２の
端子Ｕ２．Ｗ２．Ｖ２に極数切換スイッチＳ５を介して
接続し、巻線２２の端子Ｘ＋、Ｙ＋、Ｚ＋を極数切換ス
イッチＳ８を介して商用３相電源に接続しである。

以下に、上記構成における作用を図面を参照しながら説
明する。

第１固定子２４の巻線２２に商用３相電源から通電する
と、固定子２４．２５に回転磁界が生じて回転子７に電
圧が誘起され、回転子７の導体６・・・に電流が流れて
回転子７は回転する。

第２固定子２５に対して第１固定子２４の回動ωをゼロ
としたときには、それぞれの固定子２４．２５により、
回転子７の導体６・・・部分に誘起する電圧には位相の
ずれがなく、抵抗材９には電流が流れないので、この状
態では一般の誘導電動機と同一のトルク特性を持つもの
である。

次に、小型モーター３０を作動して、第１固定子２４を
電気的位相角でＰθだけ回動した場合について説明する
。ここでＰは極対数、θは固定子の機械的な回動角度で
ある。第１固定子２４と第２固定子２５が作る回転磁界
の磁束φ１、φ２の位相は回転子７の任意の導体６に関
してはＰθだけずれており、そのため第１固定子２４と
第２固定子２５とにより回転子７の導体６・・・に誘起
される電圧６＋、ｈの位相はＰθだけずれることになる
。今、第２固定子２５によって回転子７の導体６・・・
に誘起される電圧ωを基準とし、該電圧をω＝ＳＥとす
る。ここでＳはすべり、Ｅはすべり　１のときの誘起電
圧である。このとき、第１固定子２４によって導体６・
・・に誘起される電圧０１は、６＋　＝　３　Ｅ　６”
’となり、回転子コア間において抵抗材９を設けである
ので、抵抗材９には電圧の位相差に起因するベクトル差
分の電流が必然的に流れることになる。

これは巻線型誘導電動機の二次挿入抵抗を変化させた場
合と同等の第５図に示すような特性を持つことになる。

第５図において横軸Ｓはすべりを表し、Ｓ＝０は極対数
Ｐの場合の同期速度を表す。そして、極対数Ｐ＋　　（
Ｐ＋＝　２Ｐ）の場合の同期速度は５１−０である。縦
軸Ｔはトルクを表す。第５図の曲線Ｌ１は極対数Ｐで運
転する場合の回動角度θ＝０におけるトルク特性曲線で
ある。この場合には、第１固定子２４と第２固定子２５
に対峙する転子の導体６・・・の誘起電圧の位相が一致
するので両回転子電流の位相も一致して、回転子電流は
抵抗材９に分流することなしに両回転子導体を貫流して
流れる。従って、公知のかご形誘導電動機と全く同様の
トルク特性である。曲線Ｌ４は極対数Ｐで回動角度θ＝
π／Ｐで運転する場合のトルク特性曲線である。この場
合には、両固定子に対峙するかご形回転子の導体６・・
・の誘起電圧の位相が逆向きになるので両回転子電流の
位相も逆向きになって、回転子電流は、両方の回転子導
体を貫流することなく両方の回転子電流はすべて抵抗材
９を通って流れる。従って、公知の巻線形誘導電動機に
二次抵抗を挿入した場合の特性、すなわち公知のがご形
誘導電動機の回転子導体の抵抗を大きくした場合の特性
と同じになり、抵抗材９の抵抗値を所定の値にすると、
曲１１Ｌ４はほぼ直線になる。極対数Ｐでθ＝０、およ
びθ＝π／Ｐ以外の場合の特性曲線は、例えば０くθ１
くθ２〈π／Ｐなるθ１およびθ２に対する特性曲線は
、曲線Ｌ１と１４の中間の曲線Ｌ２とＬ３のようになる
。この曲線Ｌ１から曲線Ｌ４への変化は、公知の巻線形
誘導電動機の二次挿入抵抗の抵抗値をゼロから増大させ
た場合または公知のかご形誘導電動機の導体の抵抗値を
増大変化させた場合のトルク特性の変化と同じである。

第６図に示すものはＰ＝　２の場合のθを変化させた場
合のθとトルク曲線の関係を示す。第６図の１１ないし
Ｌ４は回転角度０．θ１．θ２．π／Ｐなどにおけるこ
れに対応する第５図のトルク曲線Ｌ１ないしＬ４を示す
位置である。

極対数Ｐ＋＝２Ｐに切換えた場合の速度対トルク特性曲
線は、前述と全く同じ理由で、θ＝０およびθ＝２π／
Ｐ＋に対しては［５で示す曲線に、θ＝π／Ｐ＋および
θ＝３π／Ｐ＋に対してはＬ８で示す曲線になる。また
、０〈θ１くθ２くπ／Ｐ１′なるθ１およびθ２に対
する曲線は、Ｌ６とＬ７で示す形状になる。第７図は第
６図に対応するＰ＋　＝　４（＝　２Ｐ）の場合のθを
変化させた場合のθのトルク曲線の関係を示し、Ｌ５な
いしＬ８は各回転角におけるこれに対応する第５図のト
ルク曲線Ｌ５ないしＬ８を示す回動位置である。

第５図に一点鎖線で示す負荷の速度対トルク特性曲線と
極対数Ｐ１でθ＝２π／Ｐ＋　　（＝π／Ｐ）の電動機
のトルク曲線Ｌ５との交点りを通るように、極対数Ｐで
θ＝π／Ｐのときの電動機のトルク曲線Ｌ４を設計する
。これは抵抗材９の抵抗値を調整することによって容易
に行うことができる。このようにして、起動時にはθ＝
３π／ＰＩにして極対数をＰｌに設定する。

起動して後回動角度を減少して速度を上昇し、θ＝２π
／Ｐ＋でＤ点に達する。速度を第５図のＤ点より上昇さ
せる場合にはＤ点で極対数をＰｌからＰに切換え、Ｄ点
より速度を下降させる場合にはＤ点で極対数をＰからＰ
ｌに切換えることにより、電動機のトルク曲線をＬ５か
ら１４に、またはＬ４から１５に切換えることになり、
極数変換に伴うトルク変動を全く無くすることができる
。

Ｐ＝　２でＰ１＝４の場合について、第４．第５図を参
照して具体的に速度を上昇させる場合について説明する
と、まず、起動時にはθ−３π／４で極数切換スイッチ
３４．　Ｓｙ、Ｓｓを投入して他を開放し、極対数４に
設定する。そうすると、速度はＡ点に達する。θを３π
／４から順次減少させてθ＝π／２＋θ２にすると速度
はＢ点に達し、π／２＋６１にすると速度は０点に達し
、θ−π／２にすると速度はＤ点に達する。ここで極数
切換スイッチＳ４．Ｓ７゜Ｓ８を開放し、同時に極数切
換スイッチＳ＋。

Ｓ２，８３，８５．３６を投入して極対数を２に切換え
る。極対数のみを切換えても、速度はＤ点に留まる。次
にθをさらに順次減少させ、θ＝θ２にすると速度はＥ
点に達し、θ＝θ１にすると速度は１点に達し、θ＝０
とすると速度はＧ点まで上昇することになる。そして、
減速する場合は全く逆の操作を行うことにより、同様の
作用が実施できる。

本発明を実施する際には、電動機および負荷のトルク特
性の変動および設計誤差を考慮し、また、極数変換に伴
う多少のトルク変動がＡ点の近傍で生じるために起こる
頻繁な極数変換を防止するために、曲線Ｌ４のトルクを
第５図に図示するよりもやや低く設計する方がよい。こ
うすると、極数変換時に多少のトルク変動を生じること
にはなるが、頻繁な極数変換を避けることができる。

上記回転子７の回転により、軸受盤１５．１６に穿設し
た通風口３２から冷却用翼車１９゜２０により機枠１４
内に外気を吸引し、冷却用翼車１９，２０により第１．
第２固定子２４゜２５、巻線２２．２３に通風して冷却
し、また通風胴１２・・・を介し通気孔１３・・・に流
通させる風により回転子コア２．３、導体６・・・、抵
抗材９・・・等を冷却してそれぞれの機能を安定的に作
用させる。また、第１．第２固定子２４．２５の回動は
小型モーター３０をスイッチにより正・逆回転させて行
うが、小型モーター３０に限定されるものではなく他の
正逆転モータでも、また気体、液体シリンダー等による
サーボ機構等任意の駆動装置を転用できるものである。

そして、固定子を回動する駆動装置の作動速度に関連し
て、固定子の回動を任意の回動速度にすれば、回転子７
の回転速度の変化速度を制御することができる。

第３図に示す駆動装置はパルスモータ−４７とギヤー２
９に係合したウオームギヤ４６とから成り、パルスモー
タ−４７に制御装置４２から送るパルス数とパルス間隔
で回動量と回動速度が制御できる。この実施例ではウオ
ームギヤ４６が回動の固定の機能をも持つものである。

また、本発明の複数固定子誘導電動ｔａ１に従来公知の
スターデルタ−起動装置を組合せることも可能であり、
電動機の始動・運転の速度範囲を拡大するとともに、高
効率域での使用が可能となる。

本発明においては複数個の固定子のそれぞれに複数種の
極数に切換可能な巻線を施すがこれには単一巻線の結線
切換によって複数種の極数に切換える場合もあれば、あ
らかじめそれぞれ独立した多重巻線を施しておいて巻線
を切換えることにより複数種の極数に切換える場合もあ
る。

また、回転子コア間は磁性体で構成する場合もあれば非
磁性体あるいは空間で構成する場合もあり、抵抗材を使
用する場合には抵抗材は任意の電圧が加わると通電する
連結材、たとえばダイオードのようなものであってもよ
い。

〔発明の効果〕

上記に説明した如く、本発明によれば、複数個の固定子
のうち少なくとも１個の固定子に回動装置を設けて電圧
位相装置を形成した任意の固定子と他の固定子のそれぞ
れに対応する導体部分に誘起する電圧に位相差を生じさ
せるようにし、複数個の固定子に複数種の極数に切換可
能な巻線を施し、極数切換装置と制御装置とを回動装置
に連結したので、増速時である多極数から少極数への切
換え時点で、負荷トルクに関して、電動機の出力トルク
をほぼ同等に設定できるので衝撃がなく、減速的にも同
様に衝撃のない滑らかな変速を可能とし、単一極数に比
べて広い変速範囲を得ることができるなどの顕著な効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は、本発明の実施例図であり、第１図は
複数固定子誘導電動機の側断面図、第２図は固定子の回
動機構と回動位置検出機構を示す側断面図、第３図は回
動機構にパルスモータ−を用い回動位置検出を記憶演算
回路で行う実施例図、第４図は複数個の固定子に複数種
の巻線を施し極数を切換える場合の結線図、第５図は複
数極数の結線におけるすべりとトルク特性を示すグラフ
、第６図、第７図は第５図の特性曲線Ｌ１〜Ｌ８と回動
角度との関係を示す概念図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、同一回転軸に任意の間隔を設けて軸着した複数
   個の回転子コアを有し、前記複数個の回転子コアのそれ
   ぞれを貫通して装設した複数個の導体のそれぞれを両端
   において短絡すると共に、前記複数個の回転子コア間に
   おいて、前記複数個の導体を抵抗材によって連結して一
   体的に形成した回転子と、 前記複数個の回転子コアにそれぞれ対峙する外周部に設
   けた複数種の極数に切換可能な巻線を施した複数個の固
   定子と、 前記複数個の固定子のうち少なくとも１個の固定子に設
   けた前記回転子と同心的に回動する回動装置と、前記巻
   線の極数を切換える極数切換装置と、 を有し前記回動装置と前記極数切換装置とを制御装置を
   介して連結したことを特徴とする複数固定子誘導電動機
   。
2. （２）、特許請求の範囲第（１）項記載の複数固定子誘
   導電動機において、前記回動装置は回動角度検出装置を
   有し、前記制御装置は前記回動角度検出装置の検出値に
   基づいて、前記極数切換装置に極数を切換える信号を出
   力するものである複数固定子誘導伝導機。
3. （３）、特許請求の範囲第（１）項記載の複数固定子誘
   導電動機において、前記巻線を、一方の極数に対し他方
   の極数を２倍とすると共に、前記制御装置は始動時には
   ２倍の極数で、かつ回動角度は、円周率の３倍を大きい
   極数の極対数で除した角度とし、極数切換時点は回動角
   度が円周率の２倍を大きい極数の極対数で除した角度、
   としたものである複数固定子誘導電動機。