JPH0564399A - 二固定子誘導電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二固定子誘導電動機の二個の固定子による回
転磁界間に位相差を発生する電圧移相装置の開閉スイッ
チを半導体素子で構成し、位相差の切換えと高トルクで
の起動をスムーズにする。 【構成】 二個の固定子巻線１０，１１を直列デルタ結
線にして電圧調整装置２０を介して電源に接続し、同相
直列にした巻線と巻線の間と他相の電源とを短絡スイッ
チ２１を介して接続して構成すると共に、前記、電圧調
整装置２０と短絡スイッチ２１を半導体素子により構成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単一の回転子と二個の
固定子とを有し、二個の固定子に対峙する回転子導体の
周囲に生じる回転磁界間に位相差を生じさせて、変速可
能でしかもスムーズな起動と低速から高速にかけて高ト
ルクを発生させることができる二固定子誘導電動機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】複数固定子構成の誘導電動機のトルク制
御、速度制御は公知技術により知られる固定子間の位相
差を変化させる方法があり、例えば本出願人の発明であ
る特願昭６１−１２８３１４号もその例である。この位
相差を変化させる方法には、機械的なものとして固定子
を回動させて位相差を設けるもの、電気的なものとして
固定子巻線の結線を変えて何種かの位相差を設けるも
の、更にこれらにスターデルタ切換を組み合せたものな
ど多種多様である。

【０００３】以上の方法は誘導電動機のトルクと速度を
自在に変化させて負荷に対応する場合と、始動時の速度
上昇をスムーズに行う場合等とその負荷または用途に応
じて様々の手法を用いることになる。本発明は、位相差
を設けて負荷に対応するものであり、前記従来技術によ
り区別すると電気的手法といえる。

【０００４】更に従来技術を詳説する。前記電気的手法
において、固定子巻線の結線を切換えて行う位相差は電
気角で 0°，60°， 120° 180°が実施可能であるが、
その切換に要する開閉器は十数個に及ぶものであり高価
となっていた。

【０００５】更に一般の誘導電動機は始動性改善の目的
でスターデルタ切換装置を設けたものがある。これは単
一の固定子にもかかわらずその配線は複雑なものである
と共に、スターデルタ切換時における負荷電流の一時的
な切断によるトルク変動を発生し、更には切換後の負荷
電流の急激な変化と発生トルクの急激な変動によるショ
ックは避けられないものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は上記の従来
技術を鑑み、特願平１−２６１４４６によって、最少数
の切換スイッチで各位相差に結線を切換えたものと同等
のトルク特性を有し、しかも無段階に変速可能であり負
荷電流の急激な増加と負荷トルクの急激な変動の少ない
二固定子誘導電動機を提供することができた。しかしな
がら切換スイッチの切換えによる位相差の変更と共に二
個の固定子の巻線の結線がスター結線からデルタ結線
へ、あるいはデルタ結線からスター結線へ切換わるた
め、各巻線の分担電圧が変化し、この分担電圧の変化
と、位相差の変化とによりトルク特性の切換え時に少な
からずショックが発生するものであった。また位相差の
切換幅が60°と少ないこともトルクの多様化という面か
ら難があった。

【０００７】本発明は上記のように位相差を切換えても
固定子の巻線の分担電圧が変化せず位相差の切換えによ
るショックが発生しない二固定子誘導電動機を提供しよ
うとするものである。

【０００８】また位相差の変化と共に起動時に全電圧を
固定子巻線に印加すればこのためのショックの発生は避
けられない。このため電源電圧を起動時に徐々に昇圧す
る手法がとられるが、スライダック等の機器の使用は装
置の大型化を伴い、小型化のために半導体素子を多用す
れば高価となる。したがって電圧調整を行う装置の小型
化と低廉化が望まれる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、同一回転軸上に任意間隔をおいて二個の回
転子コアを設け、該二個の回転子コアに連通した複数個
の導体を設けて該導体の両端を短絡環で連結した回転子
と、前記各回転子コアにそれぞれ対向して周設した二個
の固定子と、前記二個の固定子のうち一方の固定子がこ
れに対峙する回転子の周囲に生じる回転磁界と、他の固
定子がこれに対峙する回転子の周囲に生じる回転磁界と
の間に位相差を生じさせる電圧移相装置とを有する二固
定子誘導電動機において、前記電圧移相装置は、二個の
固定子の巻線を直列のデルタ結線にして半導体素子から
なる電圧調整装置を介して電源に接続し、同相に接続さ
れた前記二個の固定子の巻線と巻線の間と、他相の電源
とを半導体素子からなる短絡スイッチを介し連絡して構
成した。

【００１０】更に、電圧調整装置はダイオードとサイリ
スタとの逆並列回路を電源の各相に介在させて構成し
た。

【００１１】

【作 用】本発明の二固定子誘導電動機は二個の固定子
巻線を直列にしてデルタ結線としてある。この時の２個
の固定子間における回転磁界の位相差は 180°，120
°，60°，0 °のいずれかが可能である。ここで仮に２
つの固定子の回転磁界間に位相差が生じない位相差 0°
の直列デルタ結線とした場合について作用を説明する。

【００１２】位相差 0°の直列デルタ結線として電源に
接続した回路で、同相に接続された二個の固定子の巻線
と巻線の間と他相の電源との間に短絡スイッチを設けて
短絡すると、二個の固定子の巻線は並列のデルタ結線と
なり、同時に２つの固定子の回転磁界の位相差は 120°
に切換わることになる。

【００１３】以上のことから起動時に同相に接続された
固定子の巻線と巻線の間と他相の電源とを短絡スイッチ
で短絡して、この場合位相差 120°のトルク特性で起動
し、その後短絡スイッチを開放して位相差 0°として汎
用の誘導電動機と同様のトルク特性で運転することが可
能となる。この時前述の短絡から開放への動作を単純な
開閉スイッチで行うと位相差 120°のトルク特性から位
相差 0°のトルク特性へと急激な変化するので設備への
ショックは避けられない。したがって本発明ではこの短
絡から開放への動作を半導体素子を利用して行うように
した。つまり半導体で短絡スイッを構成すると半導体の
スイッチング素子は点弧角の調節（ 180°→ 0°）によ
って導通を 0から1 まで無段階に制御できるから、同相
に接続された固定子の巻線と巻線の間と他相の電源とを
半導体素子からなる短絡スイッチを介して接続すれば、
位相差 120°から 0°への位相差の移相つまり短絡から
開放への変化は緩かになり、位相差の変化でトルク特性
が変化しても設備へのショックは解消することが可能と
なった。

【００１４】更に本発明においては、二個の固定子の巻
線を直列のデルタ結線にして半導体素子からなる電圧調
整装置を介して電源に接続してある。これは、前述の位
相差の切換えの際、二個の固定子の巻線の結線は並列デ
ルタ結線（位相差 120°）と直列デルタ結線（位相差
0 °）とに切換わるが、各固定子の各巻線の分担電圧は
並列デルタ結線の時、線間電圧の全電圧がかかり、直列
デルタ結線の時は線間電圧の１／２の電圧がかかるよう
になる。したがってトルクは電圧の２乗に比例するか
ら、直列デルタ結線のトルクは並列デルタ結線の１／４
のトルクとなる。この分担電圧の差を解消するために本
発明では電源と固定子巻線との間に電圧調整装置を設け
てある。つまり、並列デルタ結線時の各巻線の分担電圧
が直列デルタ結線時の各巻線の分担電圧と同じ値となる
ように、並列デルタ結線時には電圧調整装置で電圧を降
下させる。

【００１５】短絡スイッチと、電圧調整装置を半導体の
スイッチング素子、たとえばサイリスタ、トライアック
等で構成するとその調節を無段階にできるので、位相差
の変化も巻線の電圧の変化も緩かとなり全体として位相
差 120°から位相差 0°へのトルク特性の変化も緩かで
急激な変化のない運転が可能となる。ところで短絡スイ
ッチと電圧調整装置は、並列デルタ結線時の巻線の分担
電圧が直列デルタ結線時の巻線の分担電圧と同じ値とな
るような電圧調整装置の半導体の点弧角（δ°）が既知
であれば、短絡スイッチの点弧角の調整（0°→ 180
°）と電圧調整装置の点弧角の調整（δ°→ 0°）とを
機械的にあるいは電気的に同時に目標点に到達するよう
に構成すると調整は簡単になる。

【００１６】これまで直列デルタ結線で位相差 0°を中
心に説明してきたが、並列デルタ結線で 0°とすること
も可能で、この場合、短絡スイッチの半導体の点弧角を
180°→ 0°に変化させることにより、直列デルタ結線
から巻線と巻線の間と他相の電源とを短絡して並列デル
タ結線に変化すると共に位相差も 120°から 0°に変化
することになる。当然のことながら電圧調整装置の半導
体スイッチの点弧角も0°→δ°に調整して直列デルタ
結線の分担電圧と並列デルタ結線の分担電圧が同じ値と
なるようにする。

【００１７】また電圧調整装置の構成は固定子巻線と電
源との間の各相に、ダイオードとサイリスタとの逆並列
回路を設けることにより安価に且つ小型にすることがで
きる。通常このような半導体素子による電圧調整装置は
最も単純な構成としてはサイリスタの逆並列回路であっ
たが、電源部分に使用するサイリスタでもありその許容
量と各相に逆並列回路で２個ずつ使用するための個数と
により安価であるとは言いがたい装置となっていた。し
たがって本発明においては三相交流の場合６個のサイリ
スタに代えて３個のサイリスタと３個のダイオードとで
構成することにより電圧調整装置はダイオードが安価な
だけ価格の低下を計ることができる。

【００１８】

【実施例】本発明は主としてかご形回転子をもつ２固定
子誘導電動機として詳細を説明するが、これに限定され
ないことは言うまでもない。巻線型回転子をもつ二固定
子誘導電動機の場合もあり、リニアモータとしても応用
できるものである。また固定子巻線のスター結線、デル
タ結線の切換えを併用してトルク特性をより多様化する
場合もあり、回転子コア間の構成も、非磁性体、磁性体
等を使用する場合がある。

【００１９】すでに本出願は、特願昭６１−１２８３１
４号として本発明の構成の一部である複数固定子からな
る誘導電動機の構成、作用の詳細な説明を行っている。

【００２０】図１により本発明の構成の一部をなす電動
機の１実施例を説明する。符号１は本発明に係る二固定
子誘導電動機であり、該誘導電動機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に装着する。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。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に連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。また本実施例に
おいては回転子７に装設されたそれぞれの導体６は回転
子コア２，３間の非磁性体コア５部において、任意のベ
クトルの差の電流を流すための抵抗材９を介し連結して
ある。

【００２１】回転子コア２，３に対持する外側部に巻線
１０，１１を施した第１固定子１２と第２固定子１３を
機枠１４に並設し、第１固定子１２と第２固定子１３は
機枠１４に固定する。また第１固定子１２と第２固定子
１３の巻線１０，１１の結線の形態は一実施例として電
気的位相差 0°の直列デルタ結線としている。

【００２２】次に本発明の実施例を図２以降に示す。図
２に示すものは電圧移相装置１５と固定子巻線１０，１
１の結線図である。

【００２３】以下固定子巻線１０，１１を三相の場合に
ついて説明する。固定子巻線１０の各相の巻線をＵ２−
Ｘ２，Ｖ２−Ｙ２，Ｗ２−Ｚ２とし固定子巻線１１の各
相の巻線をＵ１−Ｘ１，Ｖ１−Ｙ１，Ｗ１−Ｚ１とす
る。この固定子巻線１０，１１の各相は機械的に同じ位
置つまりＵ１−Ｘ１とＵ２−Ｘ２とは同じ位置に配置さ
れている。

【００２４】次に結線について説明すると、まず固定子
巻線１１の端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１をそれぞれ３相交流電
源Ｒ，Ｓ，Ｔに半導体素子からなる電圧調整装置２０を
介して接続し、固定子巻線１０，１１の端子Ｘ１とＵ
２，Ｙ１とＶ２，Ｚ１とＷ２を接続し、さらに固定子巻
線１０の端子Ｘ２をＶ１，Ｙ２をＷ１，Ｚ２をＵ１に接
続する。この状態において２組の固定子巻線が直列デル
タ結線されて、前記電圧調整装置２０を介して電源に接
続されたことになる。

【００２５】更に巻線Ｕ１−Ｘ１と巻線Ｕ２−Ｘ２の間
と、他相のＴ相（Ｗ１）とを半導体からなる短絡スイッ
チ２１を介して接続し、以下同様にして巻線Ｖ１−Ｙ１
と巻線Ｖ２−Ｙ２の間と他相のＲ相（Ｕ１），巻線Ｗ１
−Ｚ１と巻線Ｗ２−Ｚ２の間と他相のＳ相（Ｖ１）とを
それぞれ短絡スイッチ２１を介して接続してある。この
図２の結線を更にわかり易く図３に示す。ここで短絡ス
イッチ２１の半導体の点弧角を 180°つまりＯＦＦと
し、電圧調整装置２０の半導体の点弧角を 0°つまりＯ
Ｎとすると、固定子巻線１０，１１の分担電圧Ｅ１，Ｅ
１′は図３のようになる。この場合の固定子巻線１０，
１１のそれぞれの分担電圧の大きさは線間電圧の 1/2と
なりＥ１とＥ１′との位相差はなく位相差 0°を発生す
る。他の巻線についても同様で位相差 0°を発生する。
この場合のトルク特性は汎用の誘導電動機と同じトルク
特性となっている。これは定格回転域の運転用トルク特
性としている。

【００２６】次に短絡スイッチ２１の半導体の点弧角を
0°つまりＯＮとすると巻線Ｕ１−Ｘ１と巻線Ｕ２−Ｘ
２の間と、他相の電源Ｔとの間が短絡され、同様に他の
２つの巻線の接続点と電源間もそれぞれ短絡されること
になり、この短絡した状態を図４に示す。この場合の固
定子巻線１０，１１のそれぞれの分担電圧の大きさは電
源の線間電圧であり、Ｅ１′とＥ１は 120°の位相差を
発生する。他の巻線についても同様の位相差を発生す
る。ところでこの場合の各巻線の分担電圧は線間電圧そ
のものであり、位相差 0°の時の２倍の分担電圧となっ
ている。トルクは電圧の２乗に比例して変化するから電
圧の影響をなくするため電圧調整装置２０の半導体の点
弧角を 0°から任意の点弧角δ°として巻線の分担電圧
が位相差 0°と同じ線間電圧の 1/2となるようにする。
これは短絡スイッチ２１の点弧角と同時に電圧調整装置
２０の半導体の点弧角を調節する。この場合、位相差 0
°の分担電圧と同じ分担電圧に調整した位相差 120°の
トルク特性となり、起動用トルク特性としている。すな
わち固定子巻線に印加される電圧は位相差 0°と同じ電
圧でしかも位相差 120°の状態であるため本発明にかか
る二固定子誘導電動機の特性から高力率となりトルクの
大きい起動となる。

【００２７】以上の構成による起動から運転までの調整
を説明する。まず、短絡スイッチ２１の点弧角を 0°
（ＯＮ）として、固定子巻線の分担電圧が線間電圧の 1
/2となるように電圧調整装置２０の点弧角を 180°（Ｏ
ＦＦ）から徐々にδ°に変化させる。このようにすると
図４のように電動機は２個の固定子間で位相差 120°を
発生し、このトルク特性で起動する。この時電圧調整装
置２０により供給される電圧は徐々に上昇するので、起
動はソフトスタートとなる。次に位相差 120°で起動
後、短絡スイッチ２１の点弧角を 0°（ＯＮ）から徐々
に点弧角 180°（ＯＦＦ）に変化させると同時に、電圧
調整装置２０の点弧角をδ°から徐々に点弧角 0°に変
化させる。このようにすると図３のようになり、電動機
の２個の固定子間で位相差 0°を発生し、いわゆる汎用
モータと同様のトルク特性に切換わることになる。この
ように調整するので、スイッチの開閉と異なり負荷電流
の遮断がないためにトルク及び電流の特性に急激な変化
がなく全体的に連続した変化によってスムーズに起動し
運転に至らしめることが可能となった。しかも２個の固
定子間の位相差は 120°から 0°まで広範囲の切換えが
可能となったことと、巻線の分担電圧を常に一定にする
ようにしたことによりトルク特性の変化も理想的な比例
推移に近くしかも位相差 120°という低回転域で高トル
クを有するトルク特性から起動できるようになった。こ
れらのトルク特性の一例を図５に示す。

【００２８】次に電圧調整装置２０について図６、図７
を参照しながら説明する。図６に示す回路は基本的な三
相制御回路を示し従来技術である。これは電源の各相に
逆並列にした２個のサイリスタを挿入し計６個のサイリ
スタを使用したものである。

【００２９】ここで端子ＲからＴへとサイリスタＣＲ２
２とサイリスタＣＲ２７とを通じて電流ｉが流れる瞬時
を考えると、この電流を制御するのにサイリスタＣＲ２
２とサイリスタＣＲ２７の２個のサイリスタで行うこと
になる。ここでこの制御はサイリスタＣＲ２２とサイリ
スタＣＲ２７のどちらか一方でも可能であるから残る１
個はダイオードで代用可能と考えられ、このように回路
を考えると図６のサイリスタＣＲ２３、サイリスタＣＲ
２５、サイリスタＣＲ２７はダイオードＤ３１，３２，
３３に置き換えても支障がないことになる。つまり図７
のようにサイリスタＣＲ２２，ＣＲ２３の逆並列回路を
ダイオードＤ３１とサイリスタＣＲ２８との逆並列回路
に置き換えても三相交流の電力制御機能はサイリスタ６
個を使用する場合と同様である。このようにするとダイ
オードＤはサイリスタＣＲと比較して安価であるから図
６の従来例に比して図７の回路は安価となる。

【００３０】ところで電圧移相装置１５と回転速度ある
いは負荷電流または巻線の分担電圧を検出するセンサー
とを制御装置を介して接続し、センサーの信号によって
半導体素子の点弧角等を制御することも考えられる。

【００３１】なお、直列デルタで起動し、並列デルタへ
と移行しても本発明を実施できる。また、２個の固定子
間の位相差を起動時に位相差 180°とすることも可能で
ある。

【００３２】

【発明の効果】以上のよう二固定子誘導電動機のトルク
の設定は本発明の電圧移相装置により無段階に設定可能
となり、これらのトルク特性は起動時において起動電流
は小さく起動トルクが大きく、低トルク特性及び二乗低
減トルク特性の始動性の改善、起動時間の低減を達成し
た可変速電動機となり、インバータ等の高価な制御装置
を必要としない。したがってトルクの多様化を図り低速
から定格回転域まで高トルクを発生することのできる二
固定子誘導電動機の用途の拡大と起動時に高トルクを必
要とするあらゆる分野に更に貢献できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明にかかる二固定子誘導電動機の側
断面図。

【図２】図２は二固定子誘導電動機の電圧移相装置の結
線図を示し、本発明の一実施例を示す図である。

【図３】図３は直列デルタ結線を示し、図２を書き変え
た結線図である。

【図４】図４は並列デルタ結線を示し、実施例の位相差
120°の結線図である。

【図５】図５は起動時の位相差 120°と運転時の位相差
0°のトルク特性曲線の一例を示す図である。

【図６】図６はサイリスタ２個を逆並列回路にした基本
三相制御回路である。

【図７】図７はサイリスタとダイオードによる逆並列回
路で構成した三相制御回路図である。

【符号の説明】

１ 二固定子誘導電動機 ２ 回転子コア ３ 回転子コア ４ 回転子軸 ５ 非磁性体コア ６ 回転子導体 ７ 回転子 ８ 短絡環 ９ 抵抗材 １０ 固定子巻線 １１ 固定子巻線 １２ 第１固定子 １３ 第２固定子 １４ 機枠 １５ 電圧移相装置 ２０ 電圧調整装置 ２１ 短絡スイッチ ２２ サイリスタＣＲ ２３ サイリスタＣＲ ２４ サイリスタＣＲ ２５ サイリスタＣＲ ２６ サイリスタＣＲ ２７ サイリスタＣＲ ２８ サイリスタＣＲ ２９ サイリスタＣＲ ３０ サイリスタＣＲ ３１ ダイオードＤ ３２ ダイオードＤ ３３ ダイオードＤ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一回転軸上に任意間隔をおいて二個の
   回転子コアを設け、該二個の回転子コアに連通した複数
   個の導体を設けて該導体の両端を短絡環で連結した回転
   子と、前記各回転子コアにそれぞれ対向して周設した二
   個の固定子と、前記二個の固定子のうち一方の固定子が
   これに対峙する回転子の周囲に生じる回転磁界と、他の
   固定子がこれに対峙する回転子の周囲に生じる回転磁界
   との間に位相差を生じさせる電圧移相装置とを有する二
   固定子誘導電動機において、前記電圧移相装置は、二個
   の固定子の巻線を直列のデルタ結線にして半導体素子か
   らなる電圧調整装置を介して電源に接続し、同相に接続
   された前記二個の固定子の巻線と巻線の間と、他相の電
   源とを半導体素子からなる短絡スイッチを介し連絡して
   構成したことを特徴とする二固定子誘導電動機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の二固定子誘導電動機であ
   って、電圧調整装置は、ダイオードとサイリスタとの逆
   並列回路を電源の各相に介在させ構成したことを特徴と
   する二固定子誘導電動機。