JPH0221216B2

JPH0221216B2 -

Info

Publication number: JPH0221216B2
Application number: JP55059072A
Authority: JP
Inventors: Fukuo Shibata
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-02
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1990-05-14
Also published as: JPS56156420A

Description

【発明の詳細な説明】電磁継手と固定子を持つた回転電気機械の機械
的且つ電気的結合によつて原動機より負荷へ動力
を伝達する装置が既に昭和53年特許出願公告第62
号や特許出願公開昭53−35848号に示されている。
これらの装置では機械的歯車装置を用いないで、
動力伝達減速機構を造りうるので、信頼性が高
く、トルク変動の大きいデイーゼル機関から減速
して負荷を駆動するような動力伝達装置には適し
ているように思われる。然しこのような従来の動
力伝達装置にも大きい欠点がある。それは負荷の
回転速度が低い場合、電磁継手と結合する回転電
気機械の寸法が非常に大きくなることにより不経
済な装置になるだけではなく、効率が悪くなると
云う欠点である。殊に回転電気機械が誘導電動機
のような場合、負荷側の回転速度が特に低く
50rpmなどとなれば容量の大きい誘導電動機、例
えば5000KWのようなものは製作不可能又は製作
困難であり、効率も極めて悪い。

今船舶の推進を例に考える。エネルギーの節約
のため、船舶推進機関の主力はデイーゼル機関に
なつたが、デイーゼル機関には400rpm程度の４
サイクル機関と100rpm程度の２サイクル機関が
現在の大容量デイーゼル機関の二種類としてあげ
られる。このようなデイーゼル機関により駆動さ
れる船舶のプロペラ回転速度はその船舶推進効率
を上げるため、従来100rpm程度であつたのを
50rpm程度に下げることが最近の傾向である。こ
のような場合に前述の特許出願公告昭和53年第62
号や特許出願公開昭53−第35848号に示された従
来の電磁的動力伝達装置では前記の不都合を生じ
る。従来公知のこの特許出願公開昭53−35848号
の場合、前述のように電磁継手と電気的且つ機械
的に結合した固定子を持つ回転電気機械の寸法が
大きくなる欠点があるが、それよりも固定子を持
つ回転電気機械の軸方向の長さが長いため、特許
出願公開昭53−35848号に示した配列のように電
磁継手と負荷の間に固定子式回転電気機械を挿入
配列した場合、原動機と負荷の間の動力伝達装置
全体の長さが長くなる。そこで船舶の機関室の長
さを長くせざるを得ないと云うように、配置上の
不都合を生じる結果にもなる。

一方、特許出願公開昭53−35848号において突
発的負荷変動を生じたような場合、乱調を生じる
可能性がある。すなわち固定子を持つ回転電気機
械が同期電動機の場合を例にとつて考えると、一
定の負荷では同期電動機の負荷角δ₁及び電磁継手
の負荷角δ₂が共に一定の状態で運転するが、負荷
が変化すると同期電動機の負荷角δ₁も電磁継手の
負荷角δ₂も共に変化する。今負荷が急に増すと、
同期電動機の負荷角δ₁が増すが、同期電動機の負
荷角δ₁の増加はそれ自身だけで増加するのではな
く、電磁継手の負荷角δ₂の増加する結果となるの
である。この場合の電磁継手の負荷角δ₂は電磁継
手を同期電動機と考えた場合の負荷角δ₂である。
すなわち電磁継手は原動機側の回転速度と負荷側
の回転子の回転速度との間の速度差を回転速度と
した同期電動機と考えた場合の無負荷誘導起電力
と端子電圧との間の位相差を負荷角と考えるので
ある。

今同期電動機と結合した電磁継手の負荷が急に
過負荷となる場合を考える。その場合、同期電動
機の負荷角がδ₁より増す時、同期電動機としての
電磁継手の負荷角δ₂も第３図のように増す。この
ように負荷が急激に過負荷状態になると、同期電
動機及び同期発電機としての電磁継手の負荷角が
増そうとするが、新負荷に応じる新負荷角に直ち
に落ち付かず、回転体の慣性のために、その点を
中心に負荷角の周期的変動をくり返す。このよう
な乱調現象を生じ、不安定な運転状態となる。乱
調が甚はだしくなり、負荷角の変動範囲が大きく
なると、遂に同期期電動機は電源との同期を脱出
して停止するようになり、同期発電機としての電
磁継手も同期の脱出により停止するようになる。
第３図ではそのような負荷角の変動範囲の限界域
をδ₃で表わし、それ以上の負荷角になると、上記
の脱出状態になることが示される。

本発明の目的は電磁継手と固定子を持つ回転電
気機械の電気的且つ機械的結合による動力伝達装
置において以上述べた公知の特許出願公告昭和53
年第62号や特許出願公開昭53−35848号の欠点を
除き、固定子を持つ回転電気機械の寸法重量を小
形化し、且つその動力伝達装置の長さ方向の寸法
を短かくし、それにより配列を短縮すると共に、
他方、負荷の急変時に乱調から脱出に到るのを防
ぎ、動力伝達装置の過渡的安定度を高めることに
ある。

以上の号的を達成せしめるため、本発明では第
１図の具体的接続図例と第２図の部分構成図例に
示すように、相対的に回転し、相対向する二つの
回転子１と２を有し、少なくともその一方の回転
子１に電機子巻線２２を有する電磁継手１８の負
荷側回転子１と大歯車９を結合し、一方固定子を
持つ回転電気機械７の回転子と結合した小歯車１
０を上記大歯車９とかみ合わせて減速歯車装置８
を造ることにより、上記固定子を持つ回転電気機
械７の回転子の出力軸１７から上記減速歯車装置
８を経て負荷６へ減速動力伝達しうるように配列
し、一方電磁継手１８の負荷側回転子１により直
接負荷６を駆動すべく、電磁継手１８の負荷側回
転子１と負荷６の間を機械的に結合すると共に、
この電磁継手１８の他方の回転子２を原動機５で
回転駆動せしめるように配列し、而も上記固定子
を持つ回転電気機械７と上記電磁継手１８の電機
子巻線間を電気接続することによつて上記固定子
を持つ回転電気機械７が電磁継手１８の電気出力
端子より電力を受けるように配列し、原動機５の
出力軸１１からの出力を電磁継手１８を経て、一
方は直接に機械力として負荷６を駆動し、他方は
電磁継手１８の電気出力としてこれを固定子を持
つ回転電気機械７へ興え、それから変換された機
械出力を上記減速歯車装置８を経て負荷６へ動力
伝達するように配列し、上記電磁継手１８の回転
子２の界磁極２３の極表面に制動巻線２１を設
け、籠形誘導機の回転子巻線のように制動巻線２
１相互間を短絡することを特長とするのである。

以上の電磁継手１８の場合、回転子１と２の
中、回転子１に電機子巻線２２を設け、その電機
子巻線２２と外部機器との接続のためにスリツプ
リング３を設け、回転電気機械７の電機子巻線と
の間の電気接続は電線１４でおこなう。回転子１
と云うのは負荷６との間で軸１２によつて結合さ
れる回転子を示すものであつて、電機子巻線が原
動機５を出力軸１１と結合される回転子２に設け
られる場合も考えられる。歯車装置８は電磁継手
１８の回転子中、負荷６と結合される回転子１と
結合される。第１図の場合、歯車装置８はピニオ
ン１０と大歯車９とより成る一段式であり、回転
電気機械７の出力軸１７から負荷６の方へ見て歯
車装置８は一段減速となる。図では電磁継手１８
の回転子２に直流励磁電流が供給される界磁巻線
２０が設けられるが、その外部接続のための端子
としてスリツプリング４が設けられ、定常運転時
にはその電機子巻線２２からスリツプリング３、
交流電気接続電線１５、整流器１３、直流電気接
続電線１６を経てスリツプリング４へ励磁電流が
供給される。然し、必らずしも界磁巻線用の励磁
電流をそのような自励式に供給する必要はなく、
他の直流電源からも供給しうる。特に始動時には
そのような他励方式とすることもある。回転電気
機械７は同期電動機でもよく、籠形誘導電動機で
も良い。負荷６の回転速度が50rpmであり、歯車
装置８の減速比が８であるとすれば、回転電気機
械７の回転速度を400rpmとなしうるので、
50rpmの場合にくらべると、かなり製作しやすく
なるし、又安価にもなる。更に効率も良くなる。
例えば籠形誘導電動機5000KW出力で50rpmの回
転速度の定格の効率を90％とするならば、
5000KW，400rpmのそれを94％とすることが出
来、歯車装置の効率をそこで99.2％とすると、総
合効率は93％程度となり、明らかに３％程度の向
上を期しうることになる。この歯車装置を二段結
合とし、例えば36対１の減速を得るとすれば、回
転電気機械７の回転速度を1800rpmとし、回転電
気機械７の大きさを更にコンパクトにし、効率を
更に上げることが出来る。回転電気機械７の効率
をその場合98％にすることは容易であるし、歯車
装置の効率を98.5％とすると、総合効率は96％と
なる。回転電気機械７として巻線形誘導電動機を
用い、その一次又は二次回路に周波数変換装置を
接続することも出来る。第１図で電気接続線１４
の回路に正逆の相順変換開閉装置を設け、相の接
続を正方向にも逆方向にもなるように配列しう
る。それにより原動機５の回転方向と負荷６の回
転方向を互いに同方向とすることも出来るし、相
互に逆方向にすることも出来る。

回転電気機械７を直流機とし、その電機子巻線
と電磁継手１８の電機子巻線との間を整流器を経
て電気接続することも出来る。回転電気機械７を
無整流子電動機とすることも出来る。

本発明の動作を説明する。原動機５によつて電
磁継手１８の一方の回転子２を回転速度n₀rpmで
駆動すると、他方の回転子１はn₂rpmcm²回転し、
n₀−n₂なる速度差n₁により電磁継手１８は発電電
力をスリツプリング３の外部へ出し、その電力を
回転電気機械７が受ける。第１図では回転子１の
電機子巻線２２に電流が流れ、回転子２の界磁極
２３との間で電磁継手の作用が成立ち、原動機５
の回転速度n₀の中のn₂分だけ直接負荷６の方に軸
１２を通し、電磁継手１８の負荷側回転子１から
トルクが伝達され、n₁分が電磁継手１８より回転
電気機械７へ電力供給される。

いま、回転電気機械７を同期電動機とすれば、
次の関係が成立つ。

n₁＝n₀−n₂ (1) 120f＝p₁n₁ (2) n₂＝n₃／ｒ (3) n₃p₂＝120f (4) たゞし、ｆは電気接続線１４における交流電力
の周波数、p₁，p₂はそれぞれ電磁継手１８及び回
転電気機械７の極数、n₃は回転電気機械７の回転
速度、ｒは歯車８の減速比である。

(3)式を(4)式に代入して(2)式と比較すると、n₂×
ｒ×p₂＝p₁n₁となり、 n₁＝n₂×ｒ×p₂／p₁ (5) (1)式と(5)式より n₀＝n₂（ｒ×p₂／p₁＋１） (6) 電気接続線１４で電磁継手１８と回転電気機械
７の両電機子巻線間を逆相順に接続すると、原動
機５の回転方向と負荷６の回転方向が互いに逆方
向となり、(1)式はn₁＝n₀＋n₂となつて、(6)式はn₀
＝n₂（ｒ×p₂／p₁−１）となる。

いま第１図で原動機５の回転速度を100rpm、
負荷６の回転速度を50rpmとすると、上記(6)式に
おいてｒ＝８、p₁＝32、p₂＝４とすれば成立つ。
すなわち低速原動機５から低速負荷６へ動力伝達
する場合、電磁継手１８だけを多極機にして、回
転電気機械７を少極機として造りやすく、安価高
効率機となしうる。

この場合、重要なことは例えばデイーゼル機関
のような原動機５から負荷のプロペラ６へ動力伝
達する時、その動力伝達機構の中に機械式歯車装
置を設けることはトルク変動を歯面に受けて信頼
性上好ましくないと考えられるのが一般的であ
る。然し本発明では電磁継手１８の負荷側に歯車
装置８が接続されるので、原動機５の出力軸１１
におけるトルク変動は電磁継手１８に充分吸収さ
れ、歯車装置８へは伝達されない。つまり電磁継
手１８は単に減速的機構を持つだけではなく、歯
車装置８の保護装置にもなるのである。そしてこ
の歯車装置８の容量は回転電気機械７のそれに対
応し、原動機５の容量のn₁／n₀分で良い。例え
ば、１万KWの原動機出力を動力伝達するとき、
原動機出力軸１１の回転速度を100rpm，負荷６
の回転速度を50rpmとすれば、歯車装置８の容量
は５千KWで良い。

第２図の電磁継手１８における一方の回転子２
は界磁巻線２０が巻かれた界磁回転子であり、界
磁極２３を結合部１９で結合する。この界磁極２
３の極表面に設けられた制動巻線２１は籠形誘導
機の回転子巻線のように制動巻線相互間を短絡す
る。原動機５の出力軸１１にトルク変動が起ると
そのような変動は電磁継手の空隙のため負荷側つ
まり歯車装置８の方へ伝わるのを防ぐのである。
換言すれば伝達するトルク変動の振幅を減衰させ
るのである。

以上、本発明を公知特許出願公開昭53−35848
号と比較し、構造上次の基本的相異点がある。す
なわちａ固定子を持つ回転電気機械の出力軸と電
磁継手の負荷側回転子の間に小歯車と大歯車のか
み合わせになる歯車装置が結合される。ｂ電磁継
手の界磁極に制動巻線が設けられる。本発明では
このような構造上の特長によつて公知特許出願公
開昭53−35848号とは異なる次のような作用効果
の特長を持つのである。

(1) 歯車装置８を設けることにより前記(6)式で
n₀／n₂＝ｒ×p₂／p₁＋１の値を８にしたい場
合、回転電気機械７の極数p₂と電磁継手１８の
極数p₁をそれぞれ28極と４極にすれば、ｒ＝１
となる。これをｒ＝７とすれば、p₂もP₁も共に
４極になる。ｒ＝１は歯車装置８を設けない場
合であり、ｒ＝７は歯車装置の減速比である。
この両者を比較し、歯車装置８のない特許出願
公開昭53−35848号の場合、回転電気機械７の
極数が28極に対し、本発明の場合、回転電気機
械７の極数が４極でよいことになる。(1)(2)式に
おいてn₁＝420rpm、n₀＝480rpm、n₂＝60rpm
とし、p₁＝４とすると、ｆ＝４×420／120＝14
Hz、そこで(4)式においてp₂＝４の場合、n₃＝
420rpm、又p₂＝28の場合、n₃＝60rpm、従つ
て両者が同一容量で例えば10000KWとすると、
歯車装置８のある場合とない場合の定格はそれ
ぞれ次のようになる。すなわち10000KW、14
Hz、420rpm、４極に対し、10000KW、14Hz、
60rpm、28極である。同一出力、同一周波数の
もとに、一方が420rpm、４極に対し、他方が
60rpm、28極であるから、出しうるトルクを比
較すると、前者は後者のトルクの1/7ですむ。
回転電気機械の寸法と重量を決定するものはそ
の出しうるトルクによると云うのが公知の事で
ある。そこで本発明のように歯車装置８がある
場合では、ない場合にくらべて固定子を持つ回
転電気機械の寸法重量は小形軽量になることが
判る。配列上の点を考えると、特許出願公開昭
53−35848号では電磁継手の回転子から負荷に
到る間に固定子式回転電気機械があり、その寸
法が大形となるから、原動機から電磁継手を経
て固定子を持つ回転電気機械を経て負荷に到る
所謂長さ或いは軸方向の寸法は非常に大きくな
らざるを得ない。本発明ではこのような大形の
回転電気機械の代りに歯車装置８が介在し、そ
れが明らかに上記特許出願公開昭53−35848号
における回転電気機械の寸法にくらべて小形で
あり、動力伝達装置の軸方向の寸法が大きく節
約され、配列上極めて有利な結果になると云う
著しい作用効果の特長が得られる。このことは
船舶の機関室内の配列を考慮する場合などに極
めて重要な作用効果の特長と云える。

(2) 電磁継手の界磁極に制動巻線を設ける構造上
の特長によつて本発明では次のような作用効果
の特長が得られる。同期電動機としての電磁継
手の負荷が変化すると、その負荷角δが変化す
る。例えば第３図に示すように、電磁継手の同
期電動機としての定格以下の出力のもとで、負
荷角δ₂で運転している時、負荷が次第に増加し
た場合、新らしい負荷角δ₄に落ちつく。然し負
荷が角激に増すと、回転子の慣性のために、す
ぐにはδ₄に移ることが出来ない。したがつて新
負荷に対して回転電気機械７と電磁継手１８の
負荷側回転子１の発生トルクが不足し、それら
電動機の面から見て回転子が減速し、その負荷
角を増すが、それと同時に、発電機としての電
磁継手の発生電力が不足するので、電磁継手１
８の原動機側回転子２はその面からも減速して
発電機としての電磁継手１８の負荷角δは次第
に増加する。第３図では横軸に時間ｔを縦軸に
負荷角δを示す。

電磁継手１８の発電機としての負荷角δと電磁
継手１８の両回転子１と２の回転速度差すなわち
(1)式におけるn₁＝n₀−n₂との関係はdδ／dt＝n₁₀−n₁ となる。この場合、n₁₀は両回転子１と２の回転
速度差の同期回転速度であり、n₁はその瞬時値で
ある。第３図の曲線Ａの上に沿い、δがδ₂から変
化して行き、原動機側回転子２の減速により、回
転速度差n₁を減少し、δは次第に増加するが、δ₄
に達したときはdδ／dtは最大、すなわち回転速度
差n₁は最小になつているためδ₄に落ちつくことが
できず、さらに慣性のためδは増し続ける。δ₄以
上になると、電磁継手１８の発電機としての発生
出力が負荷出力よりも大になるので、回転子間の
回転速度差n₁は大きくなり、原動機側回転子２は
加速され、δ₂からδ₄に達するまでに回転子２が放
出した運動エネルギーをふたたび吸収して、n₁が
両回転子１と２の回転速度差の同期回転速度n₁₀
に回復し、dδ／dt＝０となつた時、負荷角δ₅に達
し、発生出力は負荷出力よりはるかに大きくなつ
ている。このため回転子２は同期速度以上にな
り、ふたたびδ₄を通過するときは回転子２の回転
速度は最大となり、dδ／dt＝n₁₀−n₁は大きく負
の値をとり、最初の負荷角δ₂近くまでもどること
になる。このようにしてδはδ₄を中心として前後
に周期的な変動を起こし、電気的および機械的損
失のため、振幅が次第に減衰してδ₄に落ち着くま
でにしばらく時間がかゝる。結果として回転子２
は加速と減速の振動を繰り返すことになる。然
し、このような最終的な落ち付きを得る場合は良
いが、この変動が助長されて、激しい振動が起こ
る現象があり、これを乱調と云い、乱調が激しく
なると、同期はずれを起こすことがある。第３図
でＢなる曲線は安定限界の曲線を示し、その時の
δはδ₃であり、この値を越えるＣなる曲線の場合
は不安定で、同期はずれとなる。乱調が起これ
ば、界磁巻線を設けた回転子２は電機子電流のつ
くる回転磁界に対して前後に動揺するから、磁極
面にうず電流が流れ、この振動を制動するように
働らくが、この効果をさらに強めるために、磁極
片に制動巻線を設け、本発明のようにするのであ
る。この巻線はδが一定のときには何の作用もし
ないが、δが変動すると、回転磁束を切ることに
よつて電流が流れ、回転磁束との間に制動トルク
を生じ、δを一定に保つように作用するのであ
る。それにより安定度を高めうる。

【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り、
第２図はその部分接続図である。第３図は本発明
の装置の動作図である。次の図の主要な部分をあ
らわす符号には下記のようなものがある。１：電磁継手の一方の回転子、２：電磁継手の
他方の回転子、３：スリツプリング、４：スリツ
プリング、５：原動機、６：負荷、７：回転電気
機械、８：歯車装置、９：大歯車、１０：ピニオ
ン、１１：原動機５の出力軸、１２：電磁継手１
８の出力軸、１３：整流装置、１４：電気接続電
線、１５：整流装置の交流側接続電線、１６：整
流装置の直流接続電線、１７：回転電気機械の出
力軸、１８：電磁継手、１９：界磁極の結合部、
２０：界磁巻線、２１：制動巻線、２２：電磁継
手の電機子巻線、２３：界磁極。

Claims

【特許請求の範囲】

１相対的に回転し、相対向する二つの回転子を
有し、少なくともその一方の回転子に電機子巻線
を有する電磁継手の負荷側回転子と大歯車を結合
し、一方固定子を持つ回転電気機械の回転子と結
合した小歯車を上記大歯車とかみ合わせて減速歯
車装置を造ることにより、上記固定子を持つ回転
電気機械の回転子の出力軸から上記減速歯車装置
を経て負荷へ減速動力伝達しうるように配列し、
一方電磁継手の負荷側回転子により直接負荷を駆
動すべく、電磁継手の負荷側回転子と負荷の間を
機械的に結合すると共に、この電磁継手の他方の
回転子を原動機で回転駆動せしめるように配列
し、而も上記固定子を持つ回転電気機械と上記電
磁継手の電機子巻線間を電気接続することによつ
て上記固定子を持つ回転電気機械が電磁継手の電
気出力端子より電力を受けるように配列し、原動
機の出力軸からの出力を電磁継手を経て、一方は
直接に機械力として負荷を駆動し、他方は電磁継
手の電気出力としてこれを固定子を持つ回転電気
機械へ興え、それから変換された機械出力を上記
減速歯車装置を経て負荷へ動力伝達するように配
列し、上記電磁継手の回転子の界磁極の極表面に
制動巻線を設け、籠形誘導機の回転子巻線のよう
に制動巻線相互間を短絡することを特長とする原
動機駆動動力伝達装置。