JPH0121691B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、コンデンサ分相型単相誘導電動機
（以下「コンデンサモータ」という。）の改良され
た固定子巻線構造に関するものである。 従来技術とその問題点 コンデンサモータにおけるコンデンサの設計値
は、概して市販コンデンサの規格値と合わないた
め、特注しなければならないという不都合があつ
た。 また、巻線分布の上から平衝運転に近い動作を
実現しようとする試みとして、二相巻線の全体的
な巻線分布を算定し、固定子鉄心には勾配付スロ
ツトを配することにより、各スロツトに均等の占
積率で巻線導体を収める方式には、極数の選択性
がなく、逆に均等に配分形成されたスロツトを用
いる方式では、（特に多速度モータとして予備巻
線を巻装する場合）全スロツトを満足すべき程度
に均等な導体占積率にする上での困難性があつ
た。 このような導体配分の問題を改善するため、
Trickey及びChenの設計理論を適用できるが、
同形スロツト式多速度電動機では依然として不満
足である。 次に、コンデンサモータの変形として三相誘導
モータの二相端子を単相電源に接続し、このうち
の一相端子と他の相端子との間にコンデンサを挿
入するいわゆるコンデンサ型モノサイクリツク方
式も存在するが、この場合も多速度モータにおけ
る占積率の問題、コンデンサ容量の整合問題等が
あり、その上同期速度にきわめて近い速度（三相
運転の定格速度よりはるかに高速度）でしか平衡
回転せず、低トルクとなるため、本発明において
このようなモノサイクリツク方式は対象外とす
る。 発明の目的 本発明は、コンデンサ分相モータの巻線構造を
改良して、より高い効率と、極数選択の融通性を
可能にし、同一形状のスロツト配列においてほぼ
均等な占積率を実現しようとするものである。 発明の構成 本発明は上記の目的を達するにあたり、各々空
間的に分離しした複数の瞬間磁極或を形成するた
めの第１、第２及び第３巻線相を有するコンデン
サ分相及び非可逆回転型単相誘導電動機におい
て、 各巻線相は第１巻線相の第１のサイズの巻線導
体材料よりなる基準相巻線とし、第２巻線相を前
記第１のサイズより小さい第２のサイズの巻線導
体材料よりなるコンデンサ相巻線とし、さらに第
３巻線相を前記第１のサイズより大きい巻線導体
材料よりなる中間相巻線とし、 前記コンデンサ相巻線の実効ターン数を前記基
準相巻線又は中間相巻線の実効ターン数より多
く、前記中間相巻線の実効ターン数を前記基準相
巻線又はコンデンサ相巻線の実効ターン数より少
なくし、 前記各巻線相における巻線ターンの磁気鉄心上
の配置は、各巻線相内において形成される反対磁
性で互いに隣合つた瞬間磁極の有効中心間を鉄心
の円周に沿つて相互に180゜電気角だけで隔てると
ともに、前記第１、第２、第３巻線相がそれぞれ
形成する互いに隣合つた各一つの瞬間磁極の有効
中心間を鉄心の円周に沿つて相互に60゜電気角だ
け隔てるようにしたものである。 上記の構成によれば、二相（分相）原理を採用
した分相電動機ではあるが、巻線回路を三巻線
相とし、巻線配置を、各一相内に属する隣接した
反対磁性の磁極間が180゜電気角隔たり、各二相の
それぞれに属する隣接磁極の間隔が60゜電気角と
なるようにしたため、均等に形成されたスロツト
配置を有する鉄心であつても、極数選択の自由度
と、巻線占積率の均等性を比較的よく達成し、
巻線導体そのものは、第３相（中間相）が基準相
とコレンデンサ相の“二相”に付随する第３番目
の調整的な相として低インダクタンスとするた
め、比間的大サイズ及び小巻線とし、第２相（コ
ンデンサ相）はコンデンサの存在により普通、基
準相よりも少なくなるであろう相電流に対応して
インダクタンスを高くし、必要な巻線電圧を得る
ように、基準相巻線より小サイズ、及び同基準相
巻線または中間相巻線より多い巻数としたもので
ある。 実施例 本発明のコンデンサモータ３０の固定子巻線構
成は第６図に示すとおり、主巻線３２、中間巻線
３３及びコンデンサ巻線（補助巻線）３４からな
り、多速度運転を可能とするために予備中間巻線
３６を、バイメタル等の感熱作動スイツチ３５を
介して中間巻線３３に接続したものである。主要
三巻線３２，３３，３４はＹ型に接続され、主巻
線３２の外端は、単相電源リード線３８に接続さ
れ、補助巻線３４の外端は分相用コンデンサ３７
を介して前記リード線３８に接続される。他方の
電源端子としての通常速度リード線３９は、中間
巻線３３の外端よりバイメタル３５を介して引出
され、低速リード線４１は予備中間巻線３６の外
端より引出される。コンデンサ３７は設計理論に
よる算定値とは相違した容量値を有する市販のコ
ンデンサである。 第８図は第６図の巻線回路の通常運転における
ベクトル図であるが、このベクトル図を説明する
準備として、第４図に示した従来のコンデンサ分
相モータの巻線回路とそのベクトル図（第７図）
を概観する。第７図において、ベクトルV₂₆は主
巻線２６の両端間、すなわち線間の電圧、ベクト
ルV′₂₇は第４図の電動機２５の理想設計に従う補
助巻線２７の電圧ベクトル、そしてベクトルV′₂₈
は前記理想設計による容量値を有するものとした
コンデンサ２８の電圧である。しかし、実際に得
られたコンデンサ２８の容量が前記設計値より大
きい場合、実際のコンデンサ端子電圧はより短い
V₂₈となり、補助巻線電圧はV₂₇のごとくになる。
（ただし、ベクトルV₂₆とベクトルV₂₈とのなす角
αの変化を無視する。） 第８図に戻り、本発明の実施例における電動機
３０のベクトル図を参照すると、この電動機３０
は前記従来の電動機２５と同極数で平衡運転用に
設計され、高速時（予備巻線不使用時）に電動機
２５と比較しうる性能を発揮するものとする。 第８図において、ベクトルV_Lは第６図の電動
機３０の通常運転用リード線３８，３９間に加わ
る線間電圧で、電動機２５の線間電圧V₂₆に等し
いものとする。次にベクトルV_Lに対し角αの方
向にベクトルV₃₇を引く。ベクトルV₃₇のスカラ
ー量は理論設計値に近い値において入手可能なコ
ンデンサ３７の容量により定まる。すなわち、そ
の容量Ｃ（μF）によるリアクタンスXcは、電源
周波数をｆとして、 Xc＝10⁶／2πfc したがつて、コンデンサ３７の両端間電圧は Vc²＝XcWin／PF 但し、Winは第４図の二相モータ２５の最終設
計におけるワツト入力である。 ベクトルV₃₇のベクトル量が決まると、このベ
クトルV₃₇とV_Lの先端、及び角αの点が、１点か
ら出た新たな三つの電圧ベクトル、すなわちモー
タ巻線３２，３３，３４の各両端間電圧のベクト
ルV₃₂、V₃₃、V₃₄の各頂点を与えることになる。
ベクトルV₃₂、V₃₃、V₃₄は相互に120゜の相差角を
有するように作図し、その各スカラー量の比を各
巻線相互の有効ターン比とする（これに対応して
三つの巻線相は固定子において60゜電気角ずつず
らして配置される；第１図参照）。 ｜V₃₄｜／｜V₃₂｜＝Ｋ、｜V₃₃｜／｜V₃₂｜／＝
Ｌ したがつて、補助巻線３４の有効ターン数は主
巻線３２の有効ターン数のＫ倍、中間巻線３３の
有効ターン数は主巻線３２の有効ターン数のＬ倍
となる。また、巻線の導体サイズは主巻線３２の
導体直径をd₃₂として、補助巻線３４の導体直径
をd₃₄＝d₃₂／√、中間巻線３３のそれをd₃₃＝
d₃₂／√により決定し、各巻線導体としてこれ
らの数値に最も近い市販の導線を用いる。 なお、各巻線電流を、実測し、各巻線の電源密
度が等しくなるように導線直径を定めることがで
きる。 ここで、上記のごとく概念構成された電動機３
０を、等価二相電動機ととらえ、これを好ましい
一つの理論としてVeinott理論により補完して実
際設計に致る手順を述べる。この場合Veinottの
計算例はコンデンサ容量が市販の規格値に必ずし
も一致しない点を除き、最適の構成であるものと
する。Veinottによつて、例えばコンデンサの容
量が123.7μFに特定されると、電源周波数60Hzで
Xc＝21.43Ω、またａ比（コンデンサ相巻線ター
ン／主巻線ターンの比）は0.714と算出されてい
る。 本発明の電動機設計においては、Veinottによ
るコンデンサ容量C₁＝123.7μFに対し、経済的に
入手容易なC₂＝100μFのコンデンサを用いるもの
とすれば、 Xc₂＝10⁶／2πfC＝26.53（Ω） 第９図はVeinottの設計理論によるコンデンサ
C₁を用いた二相電動機のベクトル図であり、主
巻線電圧ベクトルV_M、補助巻線電圧ベクトル
V_A、コンデンサ端子電圧ベクトルEc₁からなつて
いる。 ターン比ａを用いれば、V_A＝V_M×（ａ）であ
り、 Ec＝V_M√１＋² 本発明の電動機３０の採用した容量C₂のコン
デンサ３７に対しても、前記C₁における同一の
ボルトアンペアを維持するとともに、V_MとE_c1と
の間には第９図の二相電動機ベクトル図のベクト
ル角αを維持するのが望ましい。すなわち、同一
のV_Aを維持するには、 （Ec₁）²／Xc₁＝（Ec₂）²／Xc₂または、

【式】 Veinottの例において、Xc₁＝21.43（Ω）Ec₁＝
141.4（Ｖ）であるから、Xc₂＝26.53（Ω）の本実
施例では、 この電圧ベクトルEc₂は点ｙ（αの頂点）からｚ
（主巻線電圧ベクトルV_Mの基点ｘから立てた垂線
とEc₂ベクトルとの交点）を越えた点z′で終わる。
次に三頂点ｘ、ｙ、z′から内向に相互に120゜の角
度で三本の線を引き、交わらせるとこれら三本の
線が第８図について前述した設計概念における三
巻線の電圧ベクトルV₃₂、V₃₃、V₃₄に対応するこ
ととなる。 実施例の数値と、その出所等は表に示すとお
りである。

【表】

【表】 上記においてdI、dFは中間巻線３３、補助巻
線３４の各巻線導体サイズを主巻線３２のサイズ
に関して求めるための係数であり、NPは第４図
の電動機がVeinott理論にもとづいて設計された
ときの主巻線２６の有効ターン数から本発明の電
動機における主巻線３２が備えるべき有効ターン
数を求めるための係数、dPは同様にVeinottによ
る主巻線の導体サイズから、本発明の電動機の主
巻線導体サイズを求めるための係数である。 以上の典型例、もしくはその他の手法により具
体的に数値決定された電動機は第１図のような巻
線分配構造を有する。ここに、４８，４９は第６
図の主巻線３２に対応して互いに逆相関係の磁極
を形成するために180゜電気角だけ隔つた主巻線コ
イル群、５２，５３は同様な相互関係を有する中
間相巻線３３に対応する中間相巻線コイル群、そ
して５６，５７はやはり同様な相互関係を有する
補助巻線３４に対応するコイル群であり、低速運
転のために予備中間巻線コイル群５８，５９が、
中間巻線コイル群５２，５３と同一のスロツト中
に分配され、異つた相巻線間で隣り合う磁極は順
次60゜電気角だけ隔つている。 各巻線相中の第１のコイル群４８，５３，５
６，５９は瞬時変化をともなう各第１の磁極（実
磁極）を形成し、第２のコイル群４９，５２，５
７，５８が形成する反対磁性の磁極は、両側で隣
接する同一相内の二つの実磁極の側端を補強し、
これに編入される“間接磁極”（consequent
poles）とみることもできる。 結局、本発明のコンデンサ分相型単相誘導電動
機の巻線構造を第１図及び第６図を参照して要約
すれば、 少くとも三つの部分巻線回路４８，４９、５
６，５７、５２，５３から成る巻線回路が、その
部分回路の一つ５６，５７にコンデンサ３７を直
列に接続したうえで単相電源で励磁した時に複数
の瞬間磁極を形成し得るように磁気鉄心４６上に
配置してなるコンデンサ分相及び非可逆回転型単
相誘導電動機において、 前記巻線回路は各々空間的に分離した複数の瞬
間磁極或を形成するための第１４８，４９、第２
５６，５７、第３巻線相５２，５３からなり、 各巻線相は第１巻線相４８，４９を第１のサイ
ズの巻線導体材料よりなる基準相巻線とし、第２
巻線相５６，５７を前記第１のサイズより小さい
第２のサイズの巻線導体材料よりなるコンデンサ
相巻線５６，５７とし、さらに第３巻線相５２，
５３を前記第１のサイズより大きい巻線導体材料
よりなる中間相巻線とし、 前記コンデンサ相巻線５６，５７の実効ターン
数を前記基準相巻線４８，４９又は中間相巻線５
２，５３の実効ターン数より多く、前記中間相巻
線５２，５３の実効ターン数を前記基準相巻線４
８，４９又はコンデンサ相巻線５６，５７の実効
ターン数より少なくし、 前記各巻線相における巻線ターンの磁気鉄心４
６上の配置は、各巻線相４８，４９、５６，５
７、５２，５３内において形成される反対磁性で
互いに隣合つた瞬間磁極の有効中心間を鉄心４６
の円周に沿つて相互に180゜電気角だけ隔てるとと
もに、前記第１、第２、第３巻線相がそれぞれ形
成する互いに隣合つた各一つの瞬間磁極の有効中
心間を鉄心の円周に沿つて相互に60電気角だけ隔
てるようにしたものである。 発明の効果 本発明の電動機の運転性能を従来技術による同
種の電動機と比較してみる。このために表には
第３，５図に示す従来のコンデンサ電動機１０に
関するデータと、第１，６図に示す本発明のコン
デンサ電動機に関するデータを並記した。なお、
これらは電動機の全負荷高速運転時のデータであ
る。 なお、第３図において、１８は主巻線、１９は
補助巻線、２０は補助巻線電流の位相を進めるた
めの分相コンデンサ、１７は主巻線１８と直列接
続されたこれと同相の低速運転用予備主巻線であ
る。

【表】 表のデータを得るにあたり、第５図に示す従
来技術の電動機と第１図に示す本発明の電動機に
は文字通り同じ構成の回転子を組込み、また固定
子鉄心も現在の技術水準から可能な限り同じ構造
となるように配慮した。 表に示すデータにつき念のため簡単に説明す
る。まず回転磁界（正相回転磁界）と逆方向回転
磁界（逆相回転磁界）の強度は、第３図（従来
例）の電動機回路１０の主巻線１８および第６図
（本発明）の電動機回路３０の主巻線３２による
もので、それぞれ磁界強度を示すデータより明ら
かなように、本発明の電動機３０では固定子に作
用する逆回転磁界の強度が非常に弱い点で、実質
上平衡運転が可能であると言える。 大量生産される電動機においては、運転性能に
関するデータにつき、電動機毎に５％程度の差異
が生じるのは珍らしいことではない。しかし単相
コンデンサ誘導電動機において、逆相回転磁界の
強度が正相回転磁界の10％もしくはそれ以下であ
れば実質上平衡運転が実現されたものと定義して
差支えない。この基準によつて表のデータを見
ると、逆相回転磁界の強度0.18Aは正相回転磁界
の強度2.32Aの7.76％で、明らかに10％以下であ
る。この点からして、本発明の電動機によれば実
質上平衡運転が実現されていることが明白であ
る。 実質上の平衡運転が可能であると、運転効率が
良くなる（表のデータでは従来の電動機が58.4
％であるのに対し、本発明の電動機は63.3％であ
る）のみならず、出力トルクの脈動が少なくなり
運転騒音も少なくなる。 運転効率に関しては、電動機の極数が少なく全
負荷トルクが大きい場合にくらべて、極数が多く
て全負荷トルクが小さいほど運転効率も低くなる
（他の条件は同一とする）。従つて、本発明により
四極分数馬力電動機を製造すれば、運転効率は70
％近くに達する。この場合、従来四極分数馬力電
動機では約67％である。 これとは別に、多速度電動機のように磁数の多
い電動機でも運転効率の良さは実証される。これ
は本発明の電動機の構成では、三つの巻線３２，
３３，３４の形成する磁極が相互に電気角60゜づ
つ隔つており、鉄心スロツト内の導体占積率が高
くかつ均等であるためであると考えられる。 第５図は、第３図に示した従来型コンデンサ電
動機１０に組込まれる固定子の構成を示すもの
で、固定子鉄心６７自体はあらゆる点で第１図の
固定子鉄心４６とできる限り一致するように形成
してある。従つて、スロツトもS₁、S₂、S₃……
S₃₆で示すように36本設けてある。補助巻線１９
はコイル群６８，６９から成り、主巻線１８、は
コイル群７１，７２から成り、予備主巻線１７は
コイル群７３，７４から成る。各コイル群のコイ
ル数、各コイル群が収容されているスロツト、コ
イル群間の配置間隔等は第５図に示す通りであ
る。そして第５図の固定子鉄心のどのスロツトに
どの巻線のコイル導体が何本収容されているかと
いう固定子鉄心上での巻線分布及びスロツト占積
率は、表−１〜表−３において固定子３１の
場合と対比して記載してある。巻線１８，１９，
１７を構成するのに銅線を用いたが、その裸の直
径はそれぞれ19.00ミル、20.10ミル、12.60ミルで
あつた。すなわち、表−１及び表−２にはそ
れぞれ第１図に示した本発明の固定子巻線及び後
に述べる第５図に示した従来例の固定子巻線の分
布状態とスロツト占積率を記し、表−３は、両
者の占積率のみを比較して示したものである。固
定子巻線の分布状態は、鉄心の各スロツトにどの
巻線の導線ターンが何本収容されているかという
形で示してある。スロツトの占積率については、
第２図を参照して次に説明する。 第２図には、ある磁気鉄心６２のスロツト６１
が図示してある。このスロツト６１の内部には
種々のサイズの巻線導体（導線）が収まつてお
り、入口６１はくさび形絶縁物６４でふさいであ
る。スロツトの内壁と絶縁物６４で囲まれた部分
が巻線導体を収容可能な有効断面積Asである。
そして、このスロツト６１の内部に収容されてい
る巻線導体の総断面積（絶縁皮覆は除く）をAw
とすると、スロツト占積率SFはAwとAsの比で
ある（SF＝Aw／As）。

【表】

【表】

【表】

【表】 積率配分の再現となるので省略した。
表より明らかなように、第１図の固定子鉄心
のスロツトS₁、S₂…S₃₆には、第５図の固定子鉄
心の場合よりもコイル導体（巻線導体）がより均
等に収容されている。第５図の固定子鉄心の場合
には、スロツトに収容されている導体数にむらが
あり、しかもスロツト占積率の極端に悪いスロツ
トすなわち「導体不足」のスロツトが多くある。
この場合、収容導体数を平均化して導体不足のス
ロツトをなくすために、導体が少なく占積率の低
いスロツトに導体を追加挿入しようとすれば、そ
れと対をなすコイル導体を対応する別のスロツト
に収めなければならないが、その別のスロツトが
すでに導体を満たしている場合は不可能である。
本発明の電動機では表に示すようにこの問題は
解決されている。 巻線導体（ターン）は一般に行われているよう
に正弦波状に分布しているため、ターン総数と実
効ターン総数とは一致しない。表の占積率を与
えるターン分布では、主巻線３２の一極当りの実
効ターン数は76.6であり、中間巻線３３の場合に
は同じく56.6、補助巻線３４では同じく110.7、
予備主巻線３６では38.0である。 図示の本発明の電動機に適した巻線構成では、
補助巻線３４の実効ターン数が最高で、主巻線３
２の実効ターン数が次いで多く、中間巻線３４の
実効ターン数は主巻線３２および補助巻線３４の
うちのいずれか一方よりも少ない。また予備主巻
線３６の実効ターン数は中間巻線３３よりもさら
に少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施して成る固定子の構成を
示す側面図、第２図はスロツト内の導体占積率を
説明するために示したスロツトの拡大部分図、第
３図は米国特許第3821602号に記載されているコ
ンデンサ電動機の巻線回路図、第４図はTrikey
氏及びVeinott氏の著書に記載されているコンデ
ンサ電動機の巻線回路図、第５図は米国特許第
3821602号の開示内容に従つて構成したコンデン
サ電動機用固定子を示す側面図、第６図は第１図
の固定子を組込んで構成した本発明電動機の巻線
回路図、第７図は従来技術になるコンデンサ電動
機における電圧ベクトルを示すベクトル図、第
８，９，１０図は本発明の電動機に係わる電圧ベ
クトルを示すベクトル図である。 ３１……固定子、３２……主巻線相、３３……
中間巻線相、３４……補助（コンデンサ）巻線
相、３６……予備主巻線相、３７……コンデン
サ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも三つの部分巻線回路から成る巻線回
   路が、その部分回路の一つにコンデンサを直列に
   接続したうえで単相電源で励磁した時に複数の瞬
   間磁極を形成し得るように磁気鉄心上に配置して
   なるコンデンサ分相及び非可逆回転型単相誘導電
   動機において、 前記巻線回路は第１、第２、第３巻線相からな
   り、 各巻線相は第１巻線相を第１のサイズの巻線導
   体材料よりなる基準相巻線とし、第２巻線相を前
   記第１のサイズより小さい第２のサイズの巻線導
   体材料よりなるコンデンサ相巻線とし、さらに第
   ３巻線相を前記第１のサイズより大きい巻線導体
   材料よりなる中間相巻線とし、 各巻線相は前記コンデンサ相巻線が前記基準相
   巻線又は中間相巻線より多い実効ターン数を有
   し、前記中間相巻線が前記基準相巻線又はコンデ
   ンサ相巻線より少ない実効ターン数を有するよう
   に構成された相互に間隔を有する複数の瞬間磁極
   を形成するための各複数の巻線ターンを含み、 これらの巻線ターンの磁気鉄心上の配置は、各
   巻線相内において形成される反対極性で互いに隣
   合つた瞬間磁極の有効中心間を鉄心中において相
   互に180゜電気角だけ隔てるとともに、前記第１、
   第２、第３巻線相がそれぞれ形成する瞬間磁極の
   うち異相間で互いに隣合つた瞬間磁極の有効中心
   間を鉄心中において相互に60゜電気角だけ隔てる
   ようにした ものであることを特徴とする単相誘導電動機。