JPH0715900A - 同期機及び同期機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は回転子が高速で回転、移動を行った
場合に、変形又は破損等の障害を生じない電機子、回転
子構造をもつ同期機を提供することにある。 【構成】 同期機の界磁磁束を発生させる界磁巻線を電
気角１２０度ずつずらした３組の３相巻線として電機子
側に設け、電機子巻線も電気角１２０度ずつずらした３
組の３相巻線として前記電機子側に設け、その巻線間の
電気角を好ましくは９０度とした電機子構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、同期機に関するもの
であり、更に詳しくは回転形及びリニア形同期モータ並
びに同期発電機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械等に使用される同期モー
タは、回転子と電機子（または固定子）を有し、その回
転子は永久磁石で構成したり、またはコイルを巻いて直
流で励磁したものが利用されている。又、電機子はコイ
ルを単層に巻き、かつ極数は２極，４極，６極等のもの
が利用されている。回転磁界を発生させるための電流は
２相又は３相（通常は３相）の交流電流が使用されてい
る。

【０００３】また従来の発電機は、電機子（または固定
子）にコイルを巻き、回転子に永久磁石を設けたり、或
いはコイルを巻いて電磁石としたものが利用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転子に永久
磁石を設けたり、コイルを巻いたりするとそれだけ構造
が複雑となり、かつ弱くなり、高速回転した場合に変形
又は破損により種々の障害が生じるという問題がある。
また単層巻で電流を制御する方式は複数の諸特性を要求
される場合には制御方式が複雑になるという問題があ
る。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による同期機は、
同期機の界磁磁束を発生させる界磁巻線を電気角１２０
度ずつずらした３組の３相巻線として電機子側に設け、
電機子巻線も電気角１２０度ずつずらした３組の３相巻
線として前記電機子側に設け、その巻線間の電気角を好
ましくは９０度とした電機子構造である。

【０００７】

【作用】電機子に巻かれた界磁巻線の界磁電流によって
回転子が所定の方向に磁化され、電機子巻線に流れる電
機子電流はこの回転子の磁化方向と位相角が所定角度ず
れるように制御されているので、フレミングの法則によ
る回転トルク又は誘起電圧が生ずる。

【０００８】

【実施例】本願発明は回転形同期モータ、リニア形同期
モータのみならず同期発電機にも適用できるものであ
る。以下順次説明する。

【０００９】最初、本願発明を回転形同期モータに適用
した実施例について、図を参照しながら説明する。図１
は三相同期モータの電機子１１の例を示す。図におい
て、電機子コア１３には２４個のスロット１５が設けら
れてあり、各スロットには界磁磁束を発生させるための
界磁巻線１７と電機子巻線１９が二層に巻かれている。

【００１０】また、コアの半径方向内側には回転子２１
が回転自在に設けてあり、この回転子２１は断面の所定
の方向に容易に磁化されるように構成されてある。

【００１１】図中、ｗ，ｖ，ｕ，ｗ´，ｖ´，ｕ´は界
磁巻線を示し、Ｗ，Ｖ，Ｕ，Ｗ´，Ｖ´，Ｕ´は電機子
巻線を示す。界磁巻線ｗ，ｖ，ｕ及びｗ´，ｖ´，ｕ´
は位相角１２０度ずつずらして巻いてあり、同様に電機
子巻線Ｗ，Ｖ，Ｕ及びＷ´，Ｖ´，Ｕ´も位相角１２０
度ずつずらして巻いてある。また、界磁巻線と対応する
電機子巻線は位相角が９０度ずれている。

【００１２】この界磁巻線１７に、図２に示す３相界磁
巻線電流Ｉｗ，Ｉｖ，Ｉｕを流すと界磁巻線による合成
磁界Ｎ・Ｓが生じ、その磁束分布は正弦波状となる。最
大磁束をΦｍ、磁極中心をθ＝０とすると磁束は（１）
式のように表わされる。

【００１３】 Φ＝Φｍ・cos θ （１） また、この界磁巻線電流による磁界の磁極の中心が、回
転子の最も磁化容易な磁化容易軸に合致するように界磁
巻線電流を制御すると回転子は所定の方向に磁化され、
その磁束密度は近似的に（２）式のようになる。

【００１４】 Ｂ＝Ｂｍ・cos θ （２） 一方、電機子巻線に図２に示すように界磁電流Ｉｗ，Ｉ
ｖ，Ｉｕよりも所定の角度α、好ましくは９０度だけ電
気位相角の遅れた３相電流Ｉｗ，Ｉｖ，Ｉｕを流す。

【００１５】すると、フレミングの法則により、トルク
Ｔが発生し、回転子は回転する。このトルクＴは以下の
ようになる。

【００１６】巻線ｗ，ｖ，ｕの位置における磁束密度Ｂ
ｗ，Ｂｖ，Ｂｕは（３）式のようになり、電機子巻線電
流はＩｗ，Ｉｖ，Ｉｕは（４）式のように表わせる。

【００１７】 Ｂｗ＝Ｂｍ・cos β Ｂｖ＝Ｂｍ・cos （β−１２０°） Ｂｕ＝Ｂｍ・cos （β−２４０°） （３） Ｉｗ＝Ｉｍ・cos β Ｉｖ＝Ｉｍ・cos （β−１２０°） Ｉｕ＝Ｉｍ・cos （β−２４０°） （４） 従ってトルクＴは（５）式のようになる。

【００１８】 Ｔ＝Ｋ（ＢｗＩｗ＋ＢｖＩｖ＋ＢｕＩｕ） ＝Ｋ₁ ＢｍＩｍ；Ｋ₁ ＝３／２・Ｋ （５） これらの数式中、Ｂｗは最大磁束密度、Ｉｗは電機子電
流の最大値で、βは前記磁性の中心とコイルｗのなす電
気位相角である。なお、電機子電流によっても磁束Φ´
を生ずるが、その磁束方向の回転子の磁気抵抗は大きく
してあり、磁化されにくいため、その影響は小さい。

【００１９】図３は前述した関係の概略を示すものであ
る。

【００２０】図４から図７に回転子の具体的な構成例を
示す。これらは２極の場合の例であるが、４極以上の場
合も同様に構成可能である。

【００２１】図４は断面が円形の回転子３１で、磁気異
方性の磁性体３２で構成した例である。磁気異方性磁性
体の金属としては例えば、方向性けい素銅板、方向性ニ
ッケル、鉄、鋼板等がある。図４において磁気異方性磁
性体はＸ軸方向には容易に磁化されるが、Ｙ軸方向には
磁化されにくい材質から構成されている。

【００２２】図５は等方性磁性体を用いて、回転子３３
を凸極形にした場合で、Ｘ軸方向には容易に磁化される
が、Ｙ軸方向には空隙を設けてあるので磁化されにく
い。

【００２３】図６は回転子３５をセグタント形にした場
合で、断面内側を非磁性体３７で構成し、外側を磁性体
３９で構成し、外側の磁性体部分３９にはＸ軸方向にス
リット状の空隙４１又は非磁性体を設けてある。従って
Ｘ軸方向には磁気抵抗が小さいので容易に磁化される
が、Ｙ軸方向には磁化されにくい。

【００２４】図７は回転子４３をハイブリッド形にした
場合で、磁性体４５中に空隙又は非磁性体４７をＸ軸方
向へ設けてある。従ってＸ軸方向には磁化容易である
が、Ｙ軸方向には磁化しにくい。

【００２５】図８は回転子４９を４極にした場合の例で
ある。Ｘ，Ｙ方向には磁化容易であるが、Ｙ，Ｙ´軸方
向には磁化されにくい。なお、４極形の場合は磁化容易
な方向は２方向である。

【００２６】以上のように、回転子を軸方向と直角な断
面の所定方向に磁気抵抗を少なくし、電気子に２組の３
相巻線を巻いて、その電流位相角を好ましくは９０度ず
らせば、界磁巻線電流で界磁磁束を作り、電気子巻線電
流との間にフレミングの法則によるトルクを発生させる
ことができる。これにより、磁束Φと電流Ｉによる最
適、最大値トルクを発生させることができる完全ベクト
ル制御が可能となる。

【００２７】界磁電流による界磁磁束が比例関係にあれ
ばトルクＴは（６）式のようになる。

【００２８】 Ｔ＝Ｋ₂ ・界磁電流・電機子電流 （６） 上記において、電機子電流によっても磁束Φと直交する
電機子反作用磁束Φ´が生じ、界磁電流との間でトルク
を発生する。回転子が断面円形で磁気等方性の材料から
なり、エアギャップが均一であれば、発生するトルクの
総和はバランスし、回転子は回転しない。

【００２９】回転子の材質を磁束Φの方向に磁化容易軸
をもった磁気異方性回転子とすれば、断面が円形でエヤ
ギャップが均一であっても、（５）式によるトルクは発
生する。

【００３０】従って、回転子の磁化特性をΦ方向には磁
化しやすく、Φ´方向には磁化しにくい材質又は構造に
することにより、本理論にもとづく同期モータが可能と
なる。従って、本発明による回転子は、従来の同期電動
機のように回転子に界磁コイルを巻いたり、永久磁石を
取りつけたりする必要がない。また、誘導電動機のよう
に、回転子にけい素鋼板を用いその中にスロットを設
け、アルミ、銅などによるかごで形巻線をほどこしたり
する必要もないので、誘導電流による発熱がない。

【００３１】本発明による同期モータは以下のように利
用することができる。

【００３２】（５）式から、モータの出力Ｐ［ｗ］は
（７）式のように表わせる。

【００３３】 ｐ＝２πｎＴ＝√3 ＥＩ （７） （７）式において、ｎはモータの毎秒回転数［ｒｐ
ｓ］、Ｔはトルク［Ｎｍ］、Ｅは３相線間の逆起電力
［ｖ］で、Ｉは相電流［Ａ］である。また逆起電力Ｅ
［ｖ］は（８）式で表わされる。但しｋは比例定数であ
る。

【００３４】 Ｅ＝ｋ・Φ・ｎ ［ｖ］ （８） （７）および（８）式から以下の利用が可能となる。即
ち、Φを一定にして、０〜ｎ回転の間で定トルクの特性
をもつ同期モータ、Φを可変にして、約０〜ｎ回転の間
で定出力の特性をもつ同期モータ、積Φ・Ｉを最適制御
して、０〜ｎ回転の間で、任意の負荷に対してモータ損
失を最小にする高効率の同期モータ等の利用が可能であ
る。従って、本発明によるモータは産業のあらゆる分野
に利用できる。以下に具体的な適用例について述べる。

【００３５】図９は本発明の同期モータ１０１を利用し
て速度制御したＡＣサーボモータのブロック図を示す。

【００３６】モータ１０１には電機子電流Ｉ_a と界磁電
流Ｉ_f が図１に示した電機子巻線１９及び界磁巻線１７
の各々に流され、前記モータ１０１の磁極の位置及び回
転速度が第１検出器１０３により検出される。

【００３７】この第１検出器１０３は回転速度検出と磁
極位置検出が可能な検出器であって、例えば、ロータリ
エンコーダ、ロータレゾルバが利用される。

【００３８】前記電機子電流Ｉ_a 及び界磁電流Ｉ_f は各
々インバータＩ １０５、インバータII １０７によっ
て以下に説明するように制御される。即ち、同期モータ
１０１の回転速度は以下のようにして制御される。

【００３９】まず、回転速度指令Ｓ₁ により、希望する
所定の回転数が回転速度アンプ１１１に与えられる。ま
たこの回転速度アンプ１１１には前記第１検出器１０３
によって検出された同期モータ１０１の回転数Ｓ₂ がフ
ィードバックされ、電機子電流制御指令値Ｓ₃ を出力す
る。

【００４０】前記電機子電流指令値Ｓ₃ は、電機子電流
指令Ｓ₅ 及びインバータＩ １０５の出力側に設けた電
機子電流検出器１１５によって検出された電機子電流Ｓ
₇ と共に電機子電流アンプ１１３にフィードバックさ
れ、この電機子電流アンプ１１３からインバータ制御信
号Ｓ₉ が出力される。

【００４１】一方、界磁電流指令Ｓ₁₁が、界磁電流アン
プ１２１に入力されるとともにインバータIIの出力側に
設けた界磁電流検出器１１７によって検出された界磁電
流Ｓ₁₃が界磁電流アンプ１２１にフィードバックされ
る。この界磁電流アンプ１２１からインバータII １０
７を制御するインバータ制御信号Ｓ₁₅が出力される。

【００４２】さらに、前記回転速度Ｓ₂ 、電機子電流Ｓ
₇ 及び界磁電流Ｓ₁₃が電機子電流、回磁電流位相制御ア
ンプ１２３に入力され、各電流の位相、周波数を制御す
るため制御信号Ｓ₁₇，Ｓ₁₉がインバータＩ １０５及び
インバータII １０９の入力側に入力される。

【００４３】図１０は本発明による別の実施例であっ
て、同期モータ１０１を利用してモータの回転角または
負荷の移動量を制御したＡＣサーボモータの制御回路の
ブロック図を示す。図１０で図９と同じ回路については
同じ番号を附して説明を省略し、本適用の新たな回路に
ついてのみ以下に説明する。

【００４４】位置指令Ｓ₂₁により希望する所定のモータ
の回転角または負荷移動量が位置偏差アンプ２０１に入
力される、一方、負荷回転角負荷移動量検出センサー２
０３によって検出された負荷の回転角または移動量Ｓ₂₃
及び前記第１検出器１０３によって検出された回転角ま
たは回転位置の信号Ｓ₂₅が同時に前記位置偏差アンプ２
０１に入力され、この位置偏差アンプ２０１から回転速
度指令Ｓ₂₇が前述の回転速度アンプ１１１の入力側に入
力される。

【００４５】図１１は本発明による別の実施例であっ
て、同期モータを利用して、モータの損失を最少にする
高効率運転制御システムのブロック図を示す。図中の番
号、符号は図９の場合と同様である。

【００４６】前述したように、本発明のモータ出力は
（７）式で示されているように、ｐ＝２πｎＴであり、
トルクは（６）式で示されているようにＴ＝ｋ₂ ×電機
子電流×界磁電流である。従って、任意の回転数、トル
クに対して、電機子巻線抵抗Ｒ_a 、界磁巻線抵抗Ｒ_f 、
界磁電流Ｉ_f に対する界磁磁束特性、電機子、界磁電
流の周波数に対する鉄損等のモータ特性に応じて、電機
子電流Ｉ_a と界磁電流Ｉ_f をモータ損失の最も少なくな
るような比率に定めて制御すれば高効率運転が実現でき
る。

【００４７】高効率運転の一例としてモータの銅損失を
最少に制御する例について図１１を用いて説明する。

【００４８】電機子電流Ｉ_a ［Ａ］、界磁電流Ｉ
_f ［Ａ］、電機子抵抗Ｒ_a ［Ω］、界磁抵抗Ｒ_f ［Ω］
とすればモータの銅損失Ｐ_c ［ｗ］は（９）式で示され
る。またトルクＴ［Ｎｍ］は（１０）式で示される。

【００４９】 Ｐ_C ＝Ｉ_a ² ・Ｒ_a ＋Ｉ_f ² ・Ｒ_f ［ｗ］ （９） Ｔ＝Ｋ・Ｔ_a ・Ｉ_f ［Ｎｍ］ （１０） 電機子電流検出器１１５及び界磁電流検出器１１７によ
り検出された電流Ｉ_a，Ｉ_f より負荷トルクが分かるか
ら、その負荷トルク以下にならないように電流Ｉ_a ，Ｉ
_f を可変にし、Ｐ_c が最少となるようなＩ_a ^* ，Ｉ_f ^*
を決定し、これにより制御を行う。即ち、図１１におい
て、電機子電流検出器１１５によって検出された電流値
Ｉ_a と界磁電流検出器１１７によって検出された電流値
Ｉ_f をモータ損失最少制御回路２１１に入力する。ま
た、モータ損失最少制御回路２１１の電機子巻線抵抗Ｒ
_a と界磁巻線抵抗Ｒ_f を設定する。この制御回路２１１
によって決定されたＩ_a 制御指令Ｉ_a ^＊，Ｉ_f 制御指令
Ｉ_f ^＊は図９で説明した電機子電流Ｓ₇ 、界磁電流Ｓ₁₃
の代りに、電機子電流アンプ１１３及び界磁電流アンプ
１２１に入力される。

【００５０】図１２は本願発明を同期モータに適用した
別の実施例を示す。図１２に示すように、電機子電流巻
線１７は３相交流電源に直接接続されており、界磁電流
巻線１９はコンデンサー２２１及び電磁開閉器２２３を
介して前記の３相交流電源に接続されている。電磁開閉
器２２３は同期化回路２２５によってオンオフが制御さ
れている。

【００５１】まず、最初に電磁開閉器２２３をオフにし
た状態で電機子巻線１７に３相交流電流を流すと、回転
子２２７に誘導電流が流れ、電機子巻線の作る回転磁界
と誘導電流との間にフレミングの法則によるトルクが発
生し、誘導電動機としてモータは回転する。この誘導ト
ルクによってモータの回転速度が同期速度に接近した
ら、同期化回路２２５を作動して電磁開閉器２２３をオ
ンにする。界磁巻線１９にはコンデンサ２２１により９
０度位相のずれた電流が流れ、回転子に界磁極が発生す
る。この界磁極と電機子電流の作る回転磁界との間で吸
引力が働き、回転子が同期化され、同期電動機として回
転する。なお、前記コンデンサーの代りにコイル又は両
者を用いることもできる。

【００５２】図１３は本発明の別の実施例であって、回
転子２４１にさらに永久磁石２４３ａ，２４３ｂを設け
た場合である。永久磁石２４３ａ，２４３ｂによる磁束
をΦ₁ とし、界磁巻線１７（ｕ，ｖ，ｗ）による磁束を
Φとする。

【００５３】回転子２４１に図示省略の磁極位置検出器
を設けてΦ₁ とΦの方向を常に一致させるように界磁巻
線１７に流れる電流を制御する。この場合の合成界磁磁
束ΣΦはΣΦ＝Φ₁ ＋Φとなり、界磁磁束が増大する。

【００５４】図１４は本発明の同期モータの電機子を２
分割し、モータの組立を容易にした実施例である。分割
は２分割に限らず適当な数の複数個に分割してもよい。
図１４において、分割された電機子２６１ａ，２６１ｂ
には巻線２６３ａ，２６３ｂは別々に巻いてある。

【００５５】従って、モータを機械に組付けるために生
ずる組立上の制約が少なくなる。即ち、分割された電機
子２６１ａ，２６１ｂを図の矢印の方向に突合せて電機
子を一体とすることができ、モータの組立に関係なくベ
アリング２６５を回転軸２６７に取付けることができ
る。

【００５６】図１５は工作機械の主軸とモータの回転子
軸とを一体として形成した実施例である。即ち、工作機
械の主軸２８１が磁性体で構成されている場合は、その
端部２８３を適宜加工して、本発明による回転子を構成
し、その外側に電機子巻線及び界磁巻線を巻いた電機子
２８５を設けることにより、工作機械とモータを一体的
に製作することができる。なお、図中刃物２８７は工具
２８９に取付けられており、前記工具２８９は主軸２８
１に取付けられていて、この主軸２８１はベアリング２
９１に回転自在に支持されている。

【００５７】図１６及び図１７は界磁巻線３０１と電機
子巻線３０３を別々の電機子コア３０５，３０７に巻
き、位相角が好ましくは９０度異なるように基準軸３０
９と３１１を合わせて、軸方向に組立可能にした実施例
を示す。図１６において、回転シャフト３１３に非磁性
体３１５と磁性体部３１７により回転子３１９を構成す
る。各々の巻線を巻いた電機子コア３０５，３０７を回
転子３１９の外側に設け、さらに電機子コア３０５，３
０７の外側に磁気回路を構成するため接続用磁性体３２
１を設ける。これによって一点鎖線３２２で示す閉じた
磁気回路が形成され、前述した複巻同期機と同様の性能
を発揮することができる。本実施例を使用すると、電機
子が２つに分割されているため、電機子の直径方向の寸
法を小さくでき、細長いモータが必要な機械には有効で
ある。

【００５８】図１８は、本発明をリニアモータに適用し
た実施例である。図１８に示すリニアモータ４０１は図
１に示す２極，２４スロットの３相電機子をそのままリ
ニア電機子４０３の構造としたものであり、可動子４０
５は図６示す磁極がセグメント構造のものを示す。

【００５９】図１８において、電機子４０３は、くし形
の電機子コア４０７に巻線ｕ，ｖ，ｗからなる界磁巻線
４０９と巻線Ｕ，Ｖ，Ｗからなる電機子巻線４１１を２
層に巻いて構成されている。また、可動子４０５は、鉄
等の磁性体からなる磁極４１３を所定の間隔毎に隙間４
１５を置いてアルミニウム等の非磁性体からなる取付板
４１７に設けた構成である。これらの巻線４０９，４１
１に図２に示した３相交流を流すと、回転モータの場合
と同一の原理によって、水平方向の力が電機子と可動子
の間に発生する。従って、電機子を固定すれば可動子が
動き、可動子を固定すれば電機子が動き、リニアモータ
が構成される。

【００６０】本実施例においては２極２４スロットとし
たが、これに限るものではなく、また、電機子と可動子
の組合せもこれに限るものではなく、前述した構成が全
て適用できるものである。

【００６１】図１９は本発明の同期発電機への適用例の
原理を説明するための図である。同図において、電機子
コア５０１に界磁巻線５０３と電機子巻線５０５が二層
に巻かれている。また回転子５０７は凸極形に構成され
ており、図の上下方向には磁化され易いが、左右方向に
は磁化され難い構成になっている。また、前記巻線５０
３，５０５はいずれも２極３相用巻線であって、好まし
くは９０度位相がずれるように配置されている。今、巻
線ｕ，ｖ，ｗから構成される界磁巻線５０３に３相電流
を流し、それによって発生される磁界磁束５０９の磁極
中心軸５１１方向と回転子の磁化容易軸５１３とを常に
一致させるように界磁巻線電流を制御する。回転子は常
に一定方向に磁化されているので、これを回転するとフ
レミングの法則により、巻線ｕ，ｖ，ｗからなる電機子
巻線５０５に三相電圧が誘起され、発電機となる。

【００６２】発電機の出力電圧Ｖ、出力周波数ｆは各々
（１１）式，（１２）式のように与えられる。

【００６３】 Ｖ＝Ｋ₁ ・Φ・ｎ ［ｖ］ （１１） ｆ＝Ｋ₂ ・ｎ・ｐ ［ＨＺ］ （１２） 上式中、Ｋ₁ ，Ｋ₂ は比例定数、Φは界磁磁束［ＭＡＸ
ＷＥＬＬ］、ｎは毎秒回転数［ｒｐｓ］である。また、
界磁電流Ｉ_f が界磁磁束Φに比例するとすれば（１３）
式が成立する。

【００６４】 Φ＝Ｋ₃ ・Ｉ_f ［ＭＡＸＷＥＬＬ］ （１３） 以上の如く本発明による同期発電機は、従来の同期発電
機と異なり、回転子にコイルを接続したり、永久磁石を
取り付けたりする必要がない。従って、回転子が極めて
簡単、かつ堅牢な同期発電機が構成できる。

【００６５】図２０は本発明による同期発電機を使用し
て、負荷変動に対して出力電圧を一定に保つための制御
回路のブロック図を示すものである。

【００６６】図２０において、同期発電機５２１の回転
子５２３にはタービン、エンジン、水車等からなる原動
機５２５が連結されており、定速回転されている。ま
た、電機子巻線５０５には負荷５２７が接続されてい
る。また、回転子５２３にはロータリエンコーダ等から
なる磁極位置検出器５３１が設けられており、磁極の位
置信号Ｓ₅₁が出力されている。電機子巻線５０５には計
器用変圧器５３５が設けてあり、出力電圧Ｓ₅₂が検出さ
れている。

【００６７】希望する所定の電圧が電圧指令Ｓ₅₃として
電機子電圧アンプ５３７に入力され、同時に計器用変圧
器５３５によって検出された出力電圧Ｓ₅₂が電機子電圧
アンプ５３７に入力される。前記電機子電圧アンプ５３
７は界磁電流指令Ｓ₅₅を界磁電流アンプ５３９に入力す
る。界磁電流アンプ５３９にはまた界磁電流検出器５４
１によって検出された界磁電流Ｓ₅₇がフィードバックさ
れている。

【００６８】界磁電流アンプ５３９から出力される界磁
電流値指令Ｓ₅₉は界磁電流位相制御アンプ５４１に入力
される。またこの界磁電流位相制御アンプ５４１には前
記磁極位置検出器から検出された磁極位置信号Ｓ₅₁が入
力されている。界磁電流位相制御アンプ５４１は界磁電
流を制御するインバータ５４３にインバータ制御信号Ｓ
₆₁を出力する。

【００６９】本実施例は以上のように構成されているの
で、発電機に負荷が接続されていない無負荷運転であれ
ば、誘起電圧がそのまま出力電圧となり、発電機に負荷
が接続されていれば、電機子巻線ｕ，ｖ，ｗに電流が流
れ、電機子巻線のインピーダンスにより電圧降下が生
じ、出力電圧は小さくなる。従って、この電圧降下分を
補償して出力電圧を一定とするために計器用変圧器５３
５によって出圧電圧Ｓ₅₂が電機子電圧アンプ５３７にフ
ィードバックされている。この電機子電圧アンプ５３７
は電圧指令Ｓ₅₃と発電機出力電圧Ｓ₅₂の偏差を増幅し
て、界磁電流アンプ５３９界磁電流指令Ｓ₅₅を出力す
る。界磁電流アンプ５３９はこの界磁電流指令Ｓ₅₅と界
磁電流検出器５４１からの界磁電流Ｓ₅₇との偏差を増幅
し、界磁電流指令Ｓ₅₉を界磁電流位相制御アンプ５４１
に出力する。界磁電流位相制御アンプ５４１は磁性位置
信号Ｓ₅₁と界磁電流指令Ｓ₅₉に基づいて、回転子５２３
がどの位置にあっても、界磁電流が正しく界磁巻線に流
れるようにインバータ制御信号Ｓ₆₁を作る。この信号に
より、インバータ５４３は界磁電流を作り、その値を制
御し、負荷変動があっても出力電圧が一定となる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電機子側には２組のコイルを巻いてあるが回転子側には
永久磁石を取付けたり、またはコイルを巻いたりする必
要がないので、回転子の構造が簡単で、かつ堅牢にする
ことができるので高速運転においても容易に破損するこ
とがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例に係る電機子の構造を
示す図である。

【図２】界磁巻線と電機子巻線に流れる電流の位相関係
を示す図である。

【図３】第１実施例における界磁電流による磁気密度の
状態を示す図である。

【図４】磁気異方性の磁性体で構成した回転子の例を示
す図である。

【図５】凸極形にした回転子の例を示す図である。

【図６】セグメント形にした回転子の例を示す図であ
る。

【図７】ハイブリッド形に構成した回転子の例を示す図
である。

【図８】４極の場合の凸極形に構成した回転子の例を示
す図である。

【図９】本発明を利用した同期モータを速度制御する制
御装置のブロック図を示す。

【図１０】本発明を利用した同期モータを位置制御する
制御装置のブロック図を示す。

【図１１】本発明を利用した同期モータをモータ損失最
小に制御する制御装置のブロック図を示す。

【図１２】本発明を利用した同期モータの位相遅れをリ
アクトルで構成した１例を示す図である。

【図１３】回転子にさらに永久磁石を設けた実施例を示
す図である。

【図１４】電機子を２分割に分割・組立を可能にした実
施例を示す図である。

【図１５】回転子の主軸と工作機械のモータの主軸を一
体に形成した例を示す図である。

【図１６】界磁巻線と電機子巻線を別々に構成し並設し
た例を示す図である。

【図１７】図１６の実施例で界磁巻線と電機子巻線の配
置関係を示す図である。

【図１８】本発明をリニア形モータに適用した実施例の
構成を示す図である。

【図１９】本発明を同期発電機に適用した実施例の原理
を説明する図である。

【図２０】図１９の発電機で出力電圧を一定にする制御
装置の実施例のブロック図を示す。

【符号の説明】

１１ 電機子 １３ 電機子コア １５ スロット １７ 界磁巻線 １９ 電機子巻線 ２１ 回転子 ３１ 円形回転子 ３３ 凸極形回転子 ３５ セグメント形回転子 ４３ ハイブリット形回転子 ４９ ４極回転子 １０１ 同期モータ １０３ 第１検出器 ３０１ 界磁巻線 ３０３ 電機子巻線 ３０５，３０７ 電機子コア ３１３ 回転軸 ３１５ 非磁性体 ３１７ 磁性体部 ４０１ リニアモータ ４０３ 電機子 ４０５ 可動子 ４０７ 電機子コア ４０９ 界磁巻線 ４１１ 電機子巻線 ４１３ 磁極 ５０１ 電機子コア ５０３ 界磁巻線 ５０５ 電機子巻線 ５０７ 回転子 ５２１ 同期発電機 ５３１ 磁極位置検出器

【手続補正書】

【提出日】平成５年３月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 同期機及び同期機の制御方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、同期機に関するもの
であり、更に詳しくは回転形及びリニア形同期モータ並
びに同期発電機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械等に使用される同期モー
タは、電機子（固定子）と回転子を有し、界磁極を作る
ために回転子に永久磁石を設けたり、またはコイルを巻
いて直流電流で励磁して界磁極を作る。極数は２極〜８
極等のものが多く利用されている。

【０００３】また従来の発電機は、前記同期モータと同
様電機子（固定子）、回転子を有し回転子に永久磁石を
設けたり、コイルを巻いて電磁石として界磁極を作った
ものが利用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転子に永久
磁石を設けたり、コイルを巻いたりするとそれだけ構造
が複雑となり、かつ弱くなり、高速回転した場合に変形
又は破損により種々の障害が生じるという問題がある。
また、この様な構造で工作機械等の主軸に要求される、
広い回転範囲での定出力特性、トルク脈動の少ない回
転、回転子の発熱による熱変形がない等の複数の諸特性
が要求される場合は問題がある。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による同期機は、
同期機の界磁磁束を発生させる界磁巻線を電気角１２０
度ずつずらした３組の３相巻線として電機子側に設け、
電機子巻線も電気角１２０度ずつずらした３組の３相巻
線として前記電機子側に設け、その巻線間の電気角を好
ましくは９０度とした電機子構造である。

【０００７】

【作用】電機子に巻かれた界磁巻線の界磁電流によって
回転子が所定の方向に磁化され、回転子がどの位置にあ
っても回転子、電機子電流、界磁電流、の位相角は所定
の角度に制御されているので、電機子巻線に流れる電機
子電流との間にフレミングの法則による回転トルクを生
じる。また、回転子を外力により回せば誘起電圧を生じ
る、回転磁界磁極形同期機となる。

【０００８】

【実施例】本願発明は回転形同期モータ、リニア形同期
モータのみならず同期発電機にも適用できるものであ
る。以下順次説明する。

【０００９】最初、本願発明を回転形同期モータに適用
した実施例について、図を参照しながら説明する。図１
は三相同期モータの電機子１１の例を示す。図におい
て、電機子コア１３には２４個のスロット１５が設けら
れてあり、各スロットには界磁磁束を発生させるための
界磁巻線１７と電機子巻線１９が二層に巻かれている。
また、コアの半径方向内側には回転子２１が回転自在に
設けてあり、この回転子２１は断面の所定の方向に容易
に磁化されるように構成されてある。

【００１０】図中、ｕ，ｖ，ｗ，ｕ´，ｖ´，ｗ´は界
磁巻線を示し、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕ´，Ｖ´，Ｗ´は電機子
巻線を示す。界磁巻線ｕ，ｖ，ｗ，ｕ´，ｖ´，ｗ´は
位相角１２０度ずつずらして巻いてあり、同様に電機子
巻線Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕ´，Ｖ´，Ｗ´も位相角１２０度ず
つずらして巻いてある。また、界磁巻線と対応する電機
子巻線は位相角が９０度ずれている。

【００１１】この界磁巻線１７に、図２に示す３相界磁
巻線電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流すと界磁巻線による合成
磁界Ｎ・Ｓが生じ、その磁束分布は正弦波状となる。最
大磁束をΦｍ、磁極中心をθ＝０とすると磁束は（１）
式のように表わされる。

【００１２】 Φ＝Φｍ・cos θ （１） また、この界磁巻線電流による磁界の磁極の中心が、回
転子の最も磁化容易な磁化容易軸に合致するように界磁
巻線電流を制御すると回転子は所定の方向に磁化され、
その磁束密度は近似的に（２）式のようになる。

【００１３】 Ｂ＝Ｂｍ・cos θ （２） 一方、電機子巻線に図２に示すように界磁電流Ｉｕ，Ｉ
ｖ，Ｉｗよりも所定の角度α、好ましくは９０度だけ電
気位相角の進んだ３相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを流す。

【００１４】すると、フレミングの法則により、トルク
Ｔが発生し、回転子は回転する。このトルクＴは以下の
ようになる。

【００１５】ここで、トルクＴを説明しやすくするため
に、磁化された回転子の磁極にあわせて電機子電流Ｉ
Ｕ，ＩＶ，ＩＷの位相を制御した場合のトルクＴについ
て式を下記に示す。電機子巻線のＵ，Ｖ，Ｗの各コイル
位置での磁束密度ＢＵ，ＢＶ，ＢＷとすると、 ＢＵ＝Ｂｍ・cos θ ＢＶ＝Ｂｍ・cos （θ−１２０°） ＢＷ＝Ｂｍ・cos （θ−２４０°） （３） となり、電機子電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは磁極位置に合わ
せて制御するので ＩＵ＝Ｉｍ・cos θ ＩＶ＝Ｉｍ・cos （θ−１２０°） ＩＷ＝Ｉｍ・cos （θ−２４０°） （４） となる。従ってトルクＴは（５）式のようになる。

【００１６】 Ｔ＝Ｋ（ＢＵ・ＩＵ＋ＢＶ・ＩＶ＋ＢＷ・ＩＷ） ＝３／２ＫＢｍ・Ｉｍ （５） これらの数式中、Ｂｍは最大磁束密度、Ｉｍは電機子電
流の最大値で、θは前記磁極の中心とコイルＵのなす電
気位相角である。なお、電機子電流によっても磁束Φ´
を生ずるが、その磁束方向の回転子の磁気抵抗は大きく
してあり、磁化されにくい磁気異方性回転子のため、そ
の影響は少ない。

【００１７】図３は前述した関係の概略を示すものであ
る。

【００１８】図４から図７に磁気異方性回転子の具体的
な構成例を示す。これらは２極の場合の例であるが、４
極以上の場合にも構成可能である。

【００１９】図４は断面が円形の回転子３１で、磁気異
方性の磁性体３２で構成した例である。磁気異方性磁性
体の金属としては例えば、方向性けい素鋼板、方向性ニ
ッケル鉄鋼板等がある。図４において磁気異方性磁性体
はＸ軸方向には容易に磁化されるが、Ｙ軸方向には磁化
されにくい材質から構成されている。

【００２０】図５は等方性磁性体を用いて、回転子３３
を凸極形にした場合で、Ｘ軸方向には容易に磁化される
が、Ｙ軸方向には空隙を設けてあるので磁化されにく
い。

【００２１】図６は回転子３５をセグタント形にした場
合で、断面内側を非磁性体３７で構成し、外側を磁性体
３９で構成し、外側の磁性体部分３９にはＸ軸方向にス
リット状の空隙４１又は非磁性体を設けてある。従って
Ｘ軸方向には磁気抵抗が小さいので容易に磁化される
が、Ｙ軸方向には磁化されにくい。

【００２２】図７は回転子４３をハイブリッド形にした
場合で、磁性体４５中に空隙又は非磁性体４７をＸ軸方
向へ設けてある。従ってＸ軸方向には磁化容易である
が、Ｙ軸方向には磁化しにくい。

【００２３】図８は回転子４９を４極にした場合の例で
ある。Ｘ，Ｘ´方向には磁化容易であるが、Ｙ，Ｙ´軸
方向には磁化されにくい。なお、４極形の場合は磁化容
易な方向は２方向である。

【００２４】以上のように、回転子を軸方向と直角な断
面の所定方向に磁気異方性をもたせ、電機子に２組の３
相巻線を巻いて、その電流位相角を好ましくは９０度ず
らせば、界磁巻線電流で界磁磁束を作り、電機子巻線電
流との間にフレミングの法則によるトルクを発生させる
ことができる。これにより、磁束Φと電流Ｉによる最
適、最大値トルクを発生させることができる完全ベクト
ル制御が可能となる。

【００２５】界磁電流による界磁磁束が比例関係にあれ
ばトルクＴは（６）式のようになる。

【００２６】 Ｔ＝Ｋ₂ ・界磁電流・電機子電流 （６） 上記において、電機子電流によっても磁束Φと直交する
電機子反作用磁束Φ´が生じ、界磁電流との間でトルク
を発生する。回転子が断面円形で磁気等方性の材料から
なり、エアギャップが均一であれば、回転子は回転しな
い。

【００２７】回転子の材質を磁束Φの方向に磁化容易軸
をもった磁気異方性回転子とすれば、断面が円形でエヤ
ギャップが均一であっても、（５）式によるトルクは発
生する。

【００２８】従って、回転子の磁化特性をΦ方向には磁
化しやすく、Φ´方向には磁化しにくい材質又は構造に
することにより、本理論にもとづく同期モータが可能と
なる。

【００２９】従って、本発明による回転子は、従来の同
期電動機のように回転子に界磁コイルを巻いたり、永久
磁石を取りつけたりする必要がない。また、誘導電動機
のように、回転子にけい素鋼板を用いその中にスロット
を設け、アルミ、銅などによるかご形巻線をほどこした
りする必要もなく、誘導電流による発熱もない同期機が
本発明の回転磁界磁極形同期機である。

【００３０】本発明による同期モータは以下のように利
用することができる。

【００３１】（５）式から、モータの出力Ｐ［ｗ］は
（７）式のように表わせる。

【００３２】 ｐ＝２πｎＴ＝√3 ＥＩ （７） （７）式において、ｎはモータの毎秒回転数［ｒｐ
ｓ］、Ｔはトルク［Ｎｍ］、Ｅは３相線間の逆起電力
［ｖ］で、Ｉは相電流［Ａ］である。また逆起電力Ｅ
［ｖ］は（８）式で表わされる。但しｋは比例定数であ
る。

【００３３】 Ｅ＝ｋ・Φ・ｎ ［ｖ］ （８） （７）および（８）式から以下の利用が可能となる。即
ち、Φを一定にして、０〜ｎ回転の間で定トルクの特性
をもつ同期モータ、Φを可変にして、約０〜ｎ回転の間
で定出力の特性をもつ同期モータ、積Φ・Ｉを最適制御
して、０〜ｎ回転の間で、任意の負荷に対してモータ損
失を最小にする高効率の同期モータ等の利用が可能であ
る。従って、本発明によるモータは産業のあらゆる分野
に利用できる。以下に具体的な適用例について述べる。

【００３４】図９は本発明の同期モータ１０１を利用し
て速度制御したＡＣサーボモータのブロック図を示す。

【００３５】モータ１０１には電機子電流Ｉ_a と界磁電
流Ｉ_f が図１に示した電機子巻線１９及び界磁巻線１７
の各々に流され、前記モータ１０１の電機子巻線，界磁
巻線に対する磁極の位置及び回転速度が第１検出器１０
３により検出される。

【００３６】この第１検出器１０３は回転速度検出と磁
極位置検出が可能な検出器であって、例えば、ロータリ
エンコーダ、ロータリレゾルバが利用される。

【００３７】前記電機子電流Ｉ_a 及び界磁電流Ｉ_f は各
々インバータＩ １０５、インバータII １０７によっ
て以下に説明するように制御される。即ち、同期モータ
１０１の回転速度は以下のようにして制御される。

【００３８】まず、回転速度指令Ｓ₁ により、希望する
所定の回転数が回転速度アンプ１１１に与えられる。ま
たこの回転速度アンプ１１１には前記第１検出器１０３
によって検出された同期モータ１０１の回転数Ｓ₂ がフ
ィードバックされ、電機子電流制御指令値Ｓ₃ を出力す
る。

【００３９】前記電機子電流指令値Ｓ₃ は、電機子電流
指令Ｓ₅ と共に電機子電流アンプ１１３に与えられイン
バータＩ １０５の出力側に設けた電機子電流検出器１
１５によって検出された電機子電流Ｓ₇ は電機子電流ア
ンプ１１３にフィードバックされる。この電機子電流ア
ンプ１１３からインバータ制御信号Ｓ₉ が出力される。

【００４０】一方、界磁電流指令Ｓ₁₁が、界磁電流アン
プ１２１に入力されるとともにインバータIIの出力側に
設けた界磁電流検出器１１７によって検出された界磁電
流Ｓ₁₃が界磁電流アンプ１２１にフィードバックされ
る。この界磁電流アンプ１２１からインバータII １０
７を制御するインバータ制御信号Ｓ₁₅が出力される。

【００４１】さらに、磁極位値Ｓ₄ 、電機子電流Ｓ₇ 及
び界磁電流Ｓ₁₃が電機子電流、界磁電流位相制御アンプ
１２３に入力され、各電流の位相、周波数を制御するた
め制御信号Ｓ₁₇，Ｓ₁₉がインバータＩ １０５及びイン
バータII １０９の入力側に入力される。よって、電流
Ｉａ，Ｉｆが制御され本発明同期モータはＡＣサーボモ
ータとして動作し、希望する所定の回転速度が得られ
る。

【００４２】図１０は本発明による別の実施例であっ
て、同期モータ１０１を利用してモータの回転角または
負荷の移動量を制御したＡＣサーボモータの制御回路の
ブロック図を示す。図１０で図９と同じ回路については
同じ番号を附して説明を省略し、本適用の新たな回路に
ついてのみ以下に説明する。

【００４３】位置指令Ｓ₂₁により希望する所定のモータ
の回転角または負荷移動量が位置偏差アンプ２０１に入
力される、一方、負荷回転角負荷移動量検出センサー２
０３によって検出された負荷の回転角または移動量Ｓ₂₃
及び前記第１検出器１０３によって検出された回転角ま
たは回転位置の信号Ｓ₂₅が同時に前記位置偏差アンプ２
０１に入力され、この位置偏差アンプ２０１から回転速
度指令Ｓ₂₇が前述の回転速度アンプ１１１の入力側に入
力されモータが回転し回転角、移動量を制御する。

【００４４】図１１は本発明による別の実施例であっ
て、同期モータを利用して、モータの損失を最少にする
高効率運転制御システムのブロック図を示す。図中の番
号、符号は図９の場合と同様である。

【００４５】前述したように、本発明のモータ出力は
（７）式で示されているように、ｐ＝２πｎＴであり、
トルクは（６）式で示されているようにＴ＝ｋ₂ ×電機
子電流×界磁電流である。従って、任意の回転数、トル
クに対して、電機子巻線抵抗Ｒ_a 、界磁巻線抵抗Ｒ_f 、
界磁電流Ｉ_f に対する界磁磁束特性、電機子、界磁電
流の周波数に対する鉄損等のモータ特性に応じて、電機
子電流Ｉ_a と界磁電流Ｉ_f をモータ損失の最も少なくな
るような比率に定めて制御すれば高効率運転が実現でき
る。

【００４６】高効率運転の一例としてモータの銅損失を
最少に制御する例について図１１を用いて説明する。

【００４７】電機子電流Ｉ_a ［Ａ］、界磁電流Ｉ
_f ［Ａ］、電機子抵抗Ｒ_a ［Ω］、界磁抵抗Ｒ_f ［Ω］
とすればモータの銅損失Ｐ_c ［ｗ］は（９）式で示され
る。またトルクＴ［Ｎｍ］は（１０）式で示される。

【００４８】 Ｐ_C ＝Ｉ_a ² ・Ｒ_a ＋Ｉ_f ² ・Ｒ_f ［ｗ］ （９） Ｔ＝Ｋ・Ｉ_a ・Ｉ_f ［Ｎｍ］ （１０） 電機子電流検出器１１５及び界磁電流検出器１１７によ
り検出された電流Ｉ_a，Ｉ_f より負荷トルクが分かるか
ら、その負荷トルク以下にならないように電流Ｉ_a ，Ｉ
_f を可変にし、Ｐ_c が最少となるようなＩ_a ^* ，Ｉ_f ^*
を決定し、これにより制御を行う。即ち、図１１におい
て、電機子電流検出器１１５によって検出された電流値
Ｉ_a と界磁電流検出器１１７によって検出された電流値
Ｉ_f をモータ損失最少制御回路２１１に入力する。ま
た、モータ損失最少制御回路２１１の電機子巻線抵抗Ｒ
_a と界磁巻線抵抗Ｒ_f をモータによって定まる固有値に
設定する。この制御回路２１１によって決定されたＩ_a
制御指令Ｉ_a ^＊，Ｉ_f 制御指令Ｉ_f ^＊は図９で説明した
電機子電流Ｓ₇ 、界磁電流Ｓ₁₃の代りに、電機子電流ア
ンプ１１３及び界磁電流アンプ１２１に入力され、モー
タ銅損失最少制御、高効率運動が実現できる。

【００４９】図１２は本願発明を同期モータに適用した
別の実施例を示す。図１２に示すように、電機子電流巻
線１９は３相交流電源に直接接続されており、界磁電流
巻線１７はコンデンサー２２１及び電磁開閉器２２３を
介して前記の３相交流電源に接続されている。電磁開閉
器２２３は同期化回路２２５によってオンオフが制御さ
れている。

【００５０】まず、最初に電磁開閉器２２３をオフにし
た状態で電機子巻線１９に３相交流電流を流すと、回転
子２２７に誘導電流が流れ、電機子巻線の作る回転磁界
と誘導電流との間にフレミングの法則によるトルクが発
生し、誘導電動機としてモータは回転する。この誘導ト
ルクによってモータの回転速度が同期速度に接近した
ら、同期化回路２２５を作動して電磁開閉器２２３をオ
ンにする。界磁巻線１７にはコンデンサ２２１により９
０度位相のずれた電流が流れ、回転子に界磁極が発生す
る。この界磁極と電機子電流の作る回転磁界との間で吸
引力が働き、回転子が同期化され、同期電動機として回
転する。なお、前記コンデンサーの代りにコイル又は両
者を用いることもできる。

【００５１】図１３は本発明の別の実施例であって、回
転子２４１にさらに永久磁石２４３ａ，２４３ｂを設け
た場合である。永久磁石２４３ａ，２４３ｂによる磁束
をΦ₁ とし、界磁巻線１７（ｕ，ｖ，ｗ）による磁束を
Φとする。

【００５２】回転子２４１に図示省略の磁極位置検出器
を設けてΦ₁ とΦの方向を常に一致させるように界磁巻
線１７に流れる電流を制御する。この場合Φ₁ とΦが同
位相なら合成界磁磁束ΣΦはΣΦ＝Φ₁ ＋Φとなり、界
磁磁束が増大する。またΦ₁とΦが逆位相ならばΣΦ＝
Φ₁ −Φとなり界磁磁束は減少する。

【００５３】図１４は本発明の同期モータの電機子を２
分割し、モータの組立を容易にした実施例である。分割
は２分割に限らず適当な数の複数個に分割してもよい。
図１４において、分割された電機子２６１ａ，２６１ｂ
には巻線２６３ａ，２６３ｂは別々に巻いてある。

【００５４】従って、モータを機械に組付けるために生
ずる組立上の制約が少なくなる。即ち、分割された電機
子２６１ａ，２６１ｂを図の矢印の方向に突合せて電機
子を一体とすることができ、モータの組立に関係なくベ
アリング２６５を回転軸２６７に取付けることができ
る。

【００５５】図１５は工作機械の主軸とモータの回転子
軸とを一体として形成した実施例である。即ち、工作機
械の主軸２８１が磁性体で構成されている場合は、その
端部２８３を適宜加工して、本発明による回転子を構成
し、その外側に電機子巻線及び界磁巻線を巻いた電機子
２８５を設けることにより、工作機械とモータを一体的
に製作することができる。なお、図中刃物２８７は工具
２８９に取付けられており、前記工具２８９は主軸２８
１に取付けられていて、この主軸２８１はベアリング２
９１に回転自在に支持されている。

【００５６】図１６及び図１７は界磁巻線３０１と電機
子巻線３０３を別々の電機子コア３０５，３０７に巻
き、位相角が好ましくは９０度異なるように基準軸３０
９と３１１を合わせて、軸方向に組立可能にした実施例
を示す。図１６において、回転シャフト３１３に非磁性
体３１５と磁性体部３１７により回転子３１９を構成す
る。各々の巻線を巻いた電機子コア３０５，３０７を回
転子３１９の外側に設け、さらに電機子コア３０５，３
０７の外側に磁気回路を構成するため接続用磁性体３２
１を設ける。これによって一点鎖線３２２で示す閉じた
磁気回路が形成され、前述した複巻同期機と同様の性能
を発揮することができる。本実施例を使用すると、電機
子が２つに分割されているため、電機子の直径方向の寸
法を小さくでき、細長いモータが必要な機械には有効で
ある。

【００５７】図１８は、本発明をリニアモータに適用し
た実施例である。図１８に示すリニアモータ４０１は図
１に示す２極，２４スロットの３相電機子をそのままリ
ニア電機子４０３の構造としたものであり、可動子４０
５は図６示す磁極がセグメント構造のものを示す。

【００５８】図１８において、電機子４０３は、くし形
の電機子コア４０７に巻線ｕ，ｖ，ｗからなる界磁巻線
４０９と巻線Ｕ，Ｖ，Ｗからなる電機子巻線４１１を２
層に巻いて構成されている。また、可動子４０５は、鉄
等の磁性体からなる磁極４１３を所定の間隔毎に隙間４
１５を置いてアルミニウム等の非磁性体からなる取付板
４１７に設けた構成である。これらの巻線４０９，４１
１に図２に示した３相交流を流すと、回転モータの場合
と同一の原理によって、水平方向の力が電機子と可動子
の間に発生する。従って、電機子を固定すれば可動子が
動き、可動子を固定すれば電機子が動き、リニアモータ
が構成される。

【００５９】本実施例においては２極２４スロットとし
たが、これに限るものではなく、また、電機子と可動子
の組合せもこれに限るものではなく、前述した構成が全
て適用できるものである。

【００６０】図１９は本発明の同期発電機への適用例の
原理を説明するための図である。同図において、電機子
コア５０１に界磁巻線５０３と電機子巻線５０５が二層
に巻かれている。また回転子５０７は凸極形に構成され
ており、図の上下方向には磁化され易いが、左右方向に
は磁化され難い構成になっている。また、前記巻線５０
３，５０５はいずれも２極３相用巻線であって、好まし
くは９０度位相がずれるように配置されている。今、巻
線ｕ，ｖ，ｗから構成される界磁巻線５０３に３相電流
を流し、それによって発生される磁界磁束５０９の磁極
中心軸５１１方向と回転子の磁化容易軸５１３とを常に
一致させるように界磁巻線電流を制御する。回転子は常
に一定方向に磁化されているので、これを回転するとフ
レミングの法則により、巻線ｕ，ｖ，ｗからなる電機子
巻線５０５に三相電圧が誘起され、発電機となる。

【００６１】発電機の出力電圧Ｖ、出力周波数ｆは各々
（１１）式，（１２）式のように与えられる。

【００６２】 Ｖ＝Ｋ₁ ・Φ・ｎ ［ｖ］ （１１） ｆ＝Ｋ₂ ・ｎ・ｐ ［ＨＺ］ （１２） 上式中、Ｋ₁ ，Ｋ₂ は比例定数、Φは界磁磁束［ＭＡＸ
ＷＥＬＬ］、ｎは毎秒回転数［ｒｐｓ］である。また、
界磁電流Ｉ_f が界磁磁束Φに比例するとすれば（１３）
式が成立する。

【００６３】 Φ＝Ｋ₃ ・Ｉ_f ［ＭＡＸＷＥＬＬ］ （１３） 以上の如く本発明による同期発電機は、従来の同期発電
機と異なり、回転子にコイルを接続したり、永久磁石を
取り付けたりする必要がない。従って、回転子が極めて
簡単、かつ堅牢な同期発電機が構成できる。

【００６４】図２０は本発明による同期発電機を使用し
て、負荷変動に対して出力電圧を一定に保つための制御
回路のブロック図を示すものである。

【００６５】図２０において、同期発電機５２１の回転
子５２３にはタービン、エンジン、水車等からなる原動
機５２５が連結されており、定速回転されている。ま
た、電機子巻線５０５には負荷５２７が接続されてい
る。また、回転子５２３にはロータリエンコーダ等から
なる磁極位置検出器５３１が設けられており、磁極の位
置信号Ｓ₅₁が出力されている。電機子巻線５０５には計
器用変圧器５３５が設けてあり、出力電圧Ｓ₅₂が検出さ
れている。

【００６６】希望する所定の電圧が電圧指令Ｓ₅₃として
電機子電圧アンプ５３７に入力され、同時に計器用変圧
器５３５によって検出された出力電圧Ｓ₅₂が電機子電圧
アンプ５３７に入力される。前記電機子電圧アンプ５３
７は界磁電流指令Ｓ₅₅を界磁電流アンプ５３９に入力す
る。界磁電流アンプ５３９にはまた界磁電流検出器５４
１によって検出された界磁電流Ｓ₅₇がフィードバックさ
れている。

【００６７】界磁電流アンプ５３９から出力される界磁
電流値指令Ｓ₅₉は界磁電流位相制御アンプ５４１に入力
される。またこの界磁電流位相制御アンプ５４１には前
記磁極位置検出器５３１から検出された磁極位置信号Ｓ
₅₁が入力されている。界磁電流位相制御アンプ５４１は
界磁電流を制御するインバータ５４３にインバータ制御
信号Ｓ₆₁を出力する。

【００６８】本実施例は以上のように構成されているの
で、発電機に負荷が接続されていない無負荷運転であれ
ば、誘起電圧がそのまま出力電圧となり、発電機に負荷
が接続されていれば、電機子巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに電流が流
れ、電機子巻線のインピーダンスにより電圧降下が生
じ、出力電圧は小さくなる。従って、この電圧降下分を
補償して出力電圧を一定とするために計器用変圧器５３
５によって出圧電圧Ｓ₅₂が電機子電圧アンプ５３７にフ
ィードバックされている。この電機子電圧アンプ５３７
は電圧指令Ｓ₅₃と発電機出力電圧Ｓ₅₂の偏差を増幅し
て、界磁電流アンプ５３９に界磁電流指令Ｓ₅₅を出力す
る。界磁電流アンプ５３９はこの界磁電流指令Ｓ₅₅と界
磁電流検出器５４１からの界磁電流Ｓ₅₇との偏差を増幅
し、界磁電流指令Ｓ₅₉を界磁電流位相制御アンプ５４１
に出力する。界磁電流位相制御アンプ５４１は磁極位置
信号Ｓ₅₁と界磁電流指令Ｓ₅₉に基づいて、回転子５２３
がどの位置にあっても、界磁電流が正しく界磁巻線に流
れるようにインバータ制御信号Ｓ₆₁を作る。この信号に
より、インバータ５４３は界磁電流を作り、その値を制
御し、負荷変動があっても出力電圧が一定となる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電機子側には２組のコイルを巻いてあるが回転子側には
永久磁石を取付けたり、またはコイルを巻いたりする必
要がないので、回転子の構造が簡単で、かつ堅牢にする
ことができるので高速運転においても容易に破損するこ
とがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例に係る電機子の構造を
示す図である。

【図２】界磁巻線と電機子巻線に流れる電流の位相関係
を示す図である。

【図３】第１実施例における界磁電流による磁気密度の
状態を示す図である。

【図４】磁気異方性の磁性体で構成した回転子の例を示
す図である。

【図５】凸極形にした回転子の例を示す図である。

【図６】セグメント形にした回転子の例を示す図であ
る。

【図７】ハイブリッド形に構成した回転子の例を示す図
である。

【図８】４極の場合の凸極形に構成した回転子の例を示
す図である。

【図９】本発明を利用した同期モータを速度制御する制
御装置のブロック図を示す。

【図１０】本発明を利用した同期モータを位置制御する
制御装置のブロック図を示す。

【図１１】本発明を利用した同期モータをモータ損失最
小に制御する制御装置のブロック図を示す。

【図１２】本発明を利用した同期モータの位相遅れをリ
アクトルで構成した１例を示す図である。

【図１３】回転子にさらに永久磁石を設けた実施例を示
す図である。

【図１４】電機子を２分割に分割・組立を可能にした実
施例を示す図である。

【図１５】回転子の主軸と工作機械のモータの主軸を一
体に形成した例を示す図である。

【図１６】界磁巻線と電機子巻線を別々に構成し並設し
た例を示す図である。

【図１７】図１６の実施例で界磁巻線と電機子巻線の配
置関係を示す図である。

【図１８】本発明をリニア形モータに適用した実施例の
構成を示す図である。

【図１９】本発明を同期発電機に適用した実施例の原理
を説明する図である。

【図２０】図１９の発電機で出力電圧を一定にする制御
装置の実施例のブロック図を示す。

【符号の説明】 １１ 電機子 １３ 電機子コア １５ スロット １７ 界磁巻線 １９ 電機子巻線 ２１ 回転子 ３１ 円形回転子 ３３ 凸極形回転子 ３５ セグメント形回転子 ４３ ハイブリット形回転子 ４９ ４極回転子 １０１ 同期モータ １０３ 第１検出器 ３０１ 界磁巻線 ３０３ 電機子巻線 ３０５，３０７ 電機子コア ３１３ 回転軸 ３１５ 非磁性体 ３１７ 磁性体部 ４０１ リニアモータ ４０３ 電機子 ４０５ 可動子 ４０７ 電機子コア ４０９ 界磁巻線 ４１１ 電機子巻線 ４１３ 磁極 ５０１ 電機子コア ５０３ 界磁巻線 ５０５ 電機子巻線 ５０７ 回転子 ５２１ 同期発電機 ５３１ 磁極位置検出器

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図１３】

【図１４】

【図１５】

【図１９】

【図１６】

【図１７】

【図１８】

【図２０】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｐ 9/14 Ａ 9178−5Ｈ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期機の界磁磁束を発生させる界磁巻線
   を電気角１２０度ずつずらした３組の３相巻線として電
   機子側に設け、電機子巻線も電気角１２０度ずつずらし
   た３組の３相巻線として前記電機子側に設け、その巻線
   間の電気角を好ましくは９０度とした電機子構造である
   ことを特徴とする同期機。
2. 【請求項２】 前記電機子構造において、相数、極数は
   任意の数とし、上記２巻線間の電気位相角を９０度とし
   たことを特徴とする請求項１記載の同期機。
3. 【請求項３】 前記電機構造において、回転子を任意形
   状の磁性体で構成したことを特徴とする請求項１記載の
   同期機。
4. 【請求項４】 機械、器具の負荷軸そのものを前記電機
   子構造の回転子としたことを特徴とする請求項１記載の
   同期機。
5. 【請求項５】 前記同期機において、電機子に電気角９
   ０度位相の２組の３相電流を流し、その周波数と電流を
   制御してモータのトルク、回転数，負荷の回転角又は移
   動量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記
   載の同期機。
6. 【請求項６】 前記同期機において、電機子に任意の電
   気角の位相をもつ２組の３相電流を流し、その周波数と
   電流を制御してモータのトルク、回転数，負荷の回転角
   又は移動量を制御するようにしたことを特徴とする請求
   項１記載の同期機。
7. 【請求項７】 前記同期機において、電機子に巻かれた
   ２組の３相電流を最適制御して任意の回転、任意の負荷
   においてモータ損失最小の高効率制御したことを特徴と
   する同期機。
8. 【請求項８】 請求項１記載の同期機の電機子巻線に直
   接３相交流電源を接続し、誘導電流トルクで同期回転数
   近くまで回転させ、界磁巻線にコンデンサ、又はリアク
   トルを通して３相電源に接続し、９０度位相電流で回転
   子に界磁極を作り、同期させる行程を含むことを特徴と
   する同期機の同期方法。
9. 【請求項９】 前記同期方法において、任意の位相の電
   流で回転子に界磁極を作ることを特徴とする請求項８記
   載の同期化方法。
10. 【請求項１０】 前記同期機において、回転子に永久磁
    石を取り付け、永久磁石による磁束と界磁電流による磁
    束の総和で界磁極を作ることを特徴とする請求項１記載
    の同期機。
11. 【請求項１１】 前記同期機において、固定子を２以上
    の複数個に分割できるように２組の３相巻線を巻いて、
    回転子を機械に取付後に、固定子を組付けることができ
    るように分割電機子としたことを特徴とする請求項１記
    載の同期機。
12. 【請求項１２】 前記同期機において、機械の軸そのも
    のをモータの回転子とし、前記モータに前記分割電機子
    を固定子として組付けたことを特徴とする請求項１１記
    載の同期機。
13. 【請求項１３】 前記同期機において、前記２組の３相
    巻線を別々の電機子コアに巻き、軸方向にこの２組の電
    機子を組立てて、その３相巻線の電気位相角を９０度と
    した電機子構造であることを特徴とする同期機。
14. 【請求項１４】 前記同期機において、電機子構造をリ
    ニア状にしたことを特徴とする請求項１記載の同期機。
15. 【請求項１５】 前記同期機は発電機としたことを特徴
    とする請求項１記載の同期機。