JP2982307B2 - 同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導電動機の作用で起
動して永久磁石で同期運転に引き込む永久磁石型同期電
動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に係る従来技術として、ブラシレ
ス構造の同期電動機がある。これは、回転子を１組の誘
導電動機のかご形導体と、１組の永久磁石の回転子コア
とにより構成し、起動時には固定子の回転磁界と誘導電
動機のかご形導体との電磁誘導作用により起動し、誘導
電動機の非同期速度から同期速度に近づいた時、つまり
すべりが零に近づいた時、固定子の回転磁界と永久磁石
の磁極とが吸引し合って同期速度に至るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術の同期電
動機は、固定子の回転磁界と電磁誘導作用のある一組の
誘導電動機のかご形導体と、固定子の回転磁界と吸引し
合う一組の永久磁石の回転子コアとにより構成し、起動
時は、固定子の回転磁界と誘導電動機のかご形導体との
電磁誘導作用により起動するために、非同期速度におけ
る前記永久磁石の磁極と固定子の回転磁界との吸引・反
撥が同時に作用する起動障害に十分打ち勝つだけの電磁
誘導作用を有するかご形導体を必要とする。したがっ
て、誘導電動機のかご形導体は永久磁石の回転子コアに
よる起動障害を無視でき得るだけの十分な大きさに構成
する必要があり、このため永久磁石のブラシレス同期電
動機はその出力に比較して大型になっていた。

【０００４】一方、本来必要とされる同期トルクは、誘
導電動機のかご形導体による起動トルクを永久磁石に十
分打ち勝つだけの大きさにするため、逆に永久磁石は小
形になり同期トルクに比較して同期電動機は大形になっ
ていた。つまり目標とする同期トルクに必要とする永久
磁石の回転子コアから、その永久磁石の非同期時に作用
する起動障害に十分打ち勝つ誘導電動機のかご形導体と
なるよう設計するためである。

【０００５】以上の永久磁石型のブラシレス同期電動機
は小型の特にＷＯＷ（ワウ）を嫌う録音録画機やその再
生機に使用されるが、前述の理由によりこれらの機器の
小型化への限界となり、同出力で小型の同期電動機の開
発が望まれている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、固定子の回転
磁界との電磁誘導作用により非同期速度で回転する第１
の回転子部分と、前記回転磁界との吸引により同期速度
で回転する永久磁石で形成した第２の回転子部分とによ
り１組に形成される回転子を、同一回転軸上に任意間隔
を設けて独立して２組装設した回転子と、前記２組の回
転子それぞれに対向して周設した２個の固定子と、該２
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、相対位置に
おける電気的位相に位相差０°と位相差 180°とを生じ
させる電圧移相装置とを備え、前記位相差０°または位
相差 180°の回転磁界において、前記一方の固定子の回
転磁界と一方の固定子に対峙する第２の回転子部分とが
吸引し合い、且つ前記他の固定子の回転磁界と他の固定
子に対峙する第２の回転子部分とが反撥し合って、同一
回転軸上で前記吸引と反撥とで相殺するよう、一方の固
定子に対峙する第２の回転子部分と他方の固定子に対峙
する第２の回転子部分とを配設し、起動時は、電圧移相
装置によって前記位相差０°または位相差 180°の回転
磁界で起動し、同期引き入れ時には、電圧移相装置によ
って前記位相差を 180°変化させることにより前記課題
を解決するための手段とした。

【０００７】更に前記永久磁石で形成した２組の第２の
回転子部分の同一回転軸上への配設は、２組の回転子の
同一位置でそれぞれの磁極の中心位置を一致させること
でより容易に配設可能となる。

【０００８】また、前記電圧移相装置を２個の固定子の
うち一方の固定子の固定子巻線の端子を逆極性に切り換
えるスイッチで構成することも有効な手段となる。

【０００９】また、固定子を励磁する電源は商用周波数
の交流電源かまたはインバータを利用した可変周波数電
源を用いることあるいは単相交流電源かまたは多相交流
電源を用いることも有効な手段となる。

【００１０】

【作 用】本発明の同期電動機の作用を説明する。まず
固定子の回転磁界との電磁誘導作用により非同期速度で
回転する第１の回転子部分、たとえば誘導電動機のかご
形導体と、固定子の回転磁界との吸引により同期速度で
回転する永久磁石で形成した第２の回転子部分、つまり
永久磁石の回転子コアと、により１組に形成される回転
子を、同一回転軸上に任意間隔を設けて独立して２組装
設した回転子と、該２組の回転子にそれぞれ対峙して周
設した２個の固定子と、２個の固定子間における回転磁
界の位相を位相差０゜と 180゜とに切換可能にした電圧
移相装置とにより構成し、位相差０゜もしくは 180゜に
おいて、一方の固定子の回転磁界と該固定子に対峙する
第２の回転子部分とが吸引し合うように、且つ他の固定
子の回転磁界と該固定子に対峙する第２の回転子部分と
が反撥し合うように、それぞれの第２の回転子部分（永
久磁石の回転子コア）を配設したので、位相差０゜もし
くは 180゜による本発明の同期電動機の起動は、第１の
回転子部分、たとえば誘導電動機のかご形導体と固定子
の回転磁界との電磁誘導作用により、前記位相差に関係
なく個々の第１の回転子部分がそれぞれ誘導電動機とし
て起動することになる。これは、２組の回転子が同一回
転軸上に独立して設けてあることと、第２ の回転子部分
となる永久磁石の回転子コアのそれぞれを、２個の固定
子の回転磁界に対し、一方を吸引するように、他方を反
撥するように同一回転軸上に配設してあるので、永久磁
石の回転子コアの起動時の障害は打ち消されて非同期時
の障害になりえない。

【００１１】さらに詳説すると、たとえば起動時に電圧
移相装置によって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の間に、２個の固定
子の相対位置において電気的位相に位相差 180°を生じ
させた場合、同一回転軸上に任意間隔をおいて設けたそ
れぞれの第２の回転子部分、つまり２個の永久磁石の回
転子コアの磁極を次のように配設した。

【００１２】まず一方の永久磁石の回転子コアのＮ極と
他方の永久磁石の回転子コアのＮ極とを同一位置に配置
し、さらに一方の永久磁石の回転子コアのＳ極と他方の
永久磁石の回転子コアのＳ極とを同一位置に配置させ
る。このようにして、２個の固定子の相対位置における
電気的位相に 180°の位相差を生じさせて起動すると、
個々の固定子の回転磁界は個々の第１の回転子部分に作
用して電磁誘導により回転を始める。このとき個々の永
久磁石の回転子コアは同一位置で同極性としてあり、一
方、２個の固定子は位相差 180°のため相対位置で磁極
は異極性となるから、一方の固定子と一方の永久磁石の
回転子コアとは同極性で反撥し、他方の固定子と他方の
永久磁石の回転子コアとは異極性で吸引して、同一回転
軸上においてその作用は一方の反発と他方の吸引で相殺
される。したがって起動時には第２の回転子コアとなる
永久磁石の回転磁界との反発あるいは吸引による影響を
受けることなく起動障害なくスムーズな誘導電動機での
起動となる。

【００１３】ところで、電圧移相装置によって２つの回
転磁界の位相差を 0°として起動する場合には、個々の
永久磁石の磁極を、一方の永久磁石の回転子コアのＮ極
と他方の永久磁石の回転子コアのＳ極とを同一位置に配
置し、さらに一方の永久磁石の回転子コアのＳ極と他方
の永久磁石の回転子コアのＮ極とを同一位置に配置する
ことで、前記と同じく起動時に永久磁石の影響を受けず
スムーズな誘導電動機での起動となる。

【００１４】次に同期速度に引き入れる場合の作用を、
位相差 180゜で起動した場合と位相差０゜で起動した場
合について説明する。誘導電動機で起動して回転子のす
べりＳがＳ＝ 0に近づいた時、つまりＳ＝ 0.05 付近に
おいて、前記電圧移相装置によって電気的位相を変化さ
せる。より具体的には位相差を 180°変化させると、２
つの回転磁界間の位相差は 180°から 0°または 0°か
ら 180°にそれぞれ変化することになる。このようにす
ると、前述の２個の永久磁石の回転子コアを同一位置で
同極性となるよう配設している場合、つまり位相差 180
゜で起動した場合、２個の固定子の位相差を 180°から
0°に変化させて相対位置で回転磁界の磁極を同極性と
するから、一方と他方の対峙する固定子と永久磁石の回
転子コアとは吸引となり同期速度に至る。また前述の２
個の永久磁石の回転子コアを同一位置で異極性となるよ
う配設してある場合、つまり位相差０゜で起動した場
合、２個の固定子の位相差を 0°から 180°に変化させ
て相対位置で回転磁界の磁極は異極性となるから、一方
と他方の対峙する固定子と永久磁石の回転子コアとは吸
引となり同期速度に至る。ところで同期速度に引き入れ
るため電圧移相装置によって位相差を 180°変化させた
瞬間、２個の永久磁石の回転子コアの磁極と、２個の固
定子の回転磁界の磁極とがそれぞれ同磁極に位置してい
た場合、それらは同磁極のため反撥し合うが、２個の固
定子の磁界が回転磁界の由に反撥の次の瞬間には回転子
コアの磁極と異なる異極性の回転磁界と吸引し合って同
期速度に至る。

【００１５】

【実施例】本発明の好適な実施例を図１と図２によって
その構成を示す。まず図１において本発明の同期電動機
の正断面図を、図２に回転子の軸方向の中心から見た一
部を破断した回転子の側断面図を示す。

【００１６】鋼板を積層した回転子コア２に回転子導体
３と前記回転子コア２の両側に短絡環４とを装設して形
成した第１の回転子部分となるかご形回転子６と、永久
磁石コアで形成した第２の回転子部分となる永久磁石回
転子７とを一体にして一組とした回転子８を、同一回転
軸９に独立して２組設けると共に、２組の回転子８にそ
れぞれ対峙して巻線１３を装設した２組の固定子１０を
機枠１１に固設してある。また前記回転子８を２組設け
た回転軸９は機枠１１に嵌挿した軸受１２，１２により
回転自在に軸支されている。

【００１７】なお、冷却用ファンを設けること、短絡環
４に冷却作用を持たせること、機枠１１と固定子１０お
よび回転子８の任意箇所に冷却用通風路を設けることな
ど任意に選択可能である。

【００１８】また第１の回転子部分となるかご形回転子
６と永久磁石コアで形成した第２の回転子部分となる永
久磁石回転子７とは図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のよう
に構成することも可能であり本実施例に限定されない。
また第１の回転子部分をかご形導体で説明したが、巻線
形導体を使用することもある。

【００１９】次に電圧移相装置１４について図４により
説明する。固定子１０Ａ，１０Ｂに巻装した巻線１３
Ａ，１３Ｂを三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔに並列に接続すると共
に他方の固定子１０Ｂはスイッチ１５からなる電圧移相
装置１４を介して接続してある。ここで本実施例におい
ては巻線１３Ａ，１３Ｂを並列に接続した例を示してい
るが直列に接続することもある。さて電圧移相装置１４
は、巻線１３Ａと１３Ｂとの電気的位相差を位相差 0°
と位相差 180°に切り換えるものであり、本実施例では
固定子１０Ｂの巻線の端子をスイッチ１５により切り換
え可能にしてあり、図４においてスイッチ１５が（１）
側にあるとき位相差 0°、スイッチが（２）側にあると
き位相差 180°となるように構成してある。この電圧移
相装置１４は起動時にスイッチ１５を（１）側、つまり
位相差 0°に、同期運転時にスイッチ１５を（２）側、
つまり位相差 180°に切り換えるものとする。

【００２０】前記電圧移相装置１４の、起動時に位相差
0°、同期運転時に位相差 180°に 切り換えることを受
けて、前述の第２の回転子部分の永久磁石回転子７につ
いて更に説明する。起動時に位相差 0°であるから２個
の固定子の同一位置における磁極は常に同極性となる。
したがって、起動時に一方の固定子１０Ａの回転磁界と
前記一方の固定子１０Ａに対峙する永久磁石回転子７Ａ
とが吸引し合うように且つ他の固定子１０Ｂの回転磁界
と前記他方の固定子１０Ｂに対峙する永久磁石回転子７
Ｂとが反撥し合うようにするために、永久磁石回転子の
同一位置における磁極を、永久磁石回転子７ＡのＮ極と
永久磁石回転子７ＢのＳ極とが相対するように同一回転
軸９に永久磁石回転子７を配設してある。つまり図５に
示すように回転子７と固定子１０の同一位置における磁
極は、たとえば２個の固定子１０Ａ，１０Ｂの瞬時の磁
極をＳ極とＳ極とした場合、回転子８の永久磁石回転子
７Ａ，７ＢはＮ極とＳ極になり一方は吸引であり他方は
反撥となって、同一回転軸９上で相殺される。

【００２１】以上の構成における作用を説明する。説明
は起動から同期運転に至る順序で行う。まず起動時に
は、電圧移相装置１４のスイッチ１５を（１）側にして
電源Ｒ、Ｓ、Ｔを投入する。固定子１０Ａ，１０Ｂには
それぞれ電気的位相差 0°の回転磁界を発生する。そし
て回転磁界とかご形回転子６との電磁誘導作用により回
転軸９は回転を始める。この時永久磁石回転子７Ａ，７
Ｂは回転子の同一位置における磁極の極性が異なるの
で、前述の通り回転磁界と永久磁石とは、一方で吸引、
他方で反撥という同一回転軸上での作用の相殺により、
従来の起動時の永久磁石と回転磁界による起動障害は発
生しない。したがって従来の技術にあるような永久磁石
回転子コアによる起動障害を考慮した大型のかご形回転
子とする必要はなくなった。

【００２２】次に固定子１０とかご形回転子６との電磁
誘導作用による回転子８の回転速度が上昇して、すべり
ＳがＳ＝0.05に近づいた時に同期運転に引き入れる。こ
れは次にようにして行う。

【００２３】先ず電圧移相装置１４によって固定子１０
Ａ，１０Ｂの回転磁界の電気的位相差 180°を生じるよ
うにする。つまり電圧移相装置１４のスイッチ１５を
（２）側に切り換えると、図６に示すように、固定子１
０Ａ，１０Ｂの回転磁界の位相差が 180°となっている
ので、２個の固定子１０Ａ，１０Ｂの同一位置における
瞬時の磁極は常に異極性、つまりＳ極とＮ極になってい
る。したがって、永久磁石回転子７Ａ、７Ｂのそれぞれ
の磁極Ｎ極とＳ極は前記の回転磁界と吸引し合って永久
磁石回転子７は同期速度に至る。またかご形回転子６は
永久磁石回転子７の同期により回転磁界との電磁誘導作
用は無くなり同期速度への影響は全くなくなる。

【００２４】ところで前記同期引き入れの瞬間の回転磁
界と永久磁石回転子コアの磁極との位置関係が図６のよ
うに双方が吸引する位置にあれば最良であるが、たとえ
ば図７のように固定子１０と永久磁石回転子７の磁極が
同極性で近づいていた場合は、永久磁石回転子７ＡのＳ
極と固定子１０ＡのＳ極とが反撥し、同様に永久磁石回
転子７ＢのＮ極と固定子１０ＢのＮ極とが反撥し、回転
子８の位置が瞬間に図６の位置に引き入れられすべての
Ｎ，Ｓ極が吸引する状態で安定して同期速度に至る。

【００２５】以上のようにかご形回転子と永久磁石回転
子とを１組として同一回転軸に２組を独立して設けた回
転子と、それに対峙した２個の固定子及び、２個の固定
子の電気的位相差を 0°と 180°に切り換える簡単なス
イッチによる構成で、起動時には同期トルクを発生する
永久磁石回転子による起動障害を相殺により無視できる
から、永久磁石回転子の影響を無視し起動トルクだけを
考慮したかご形回転子の設計を行うことができ従来技術
のように大型になることはない。逆に起動時に起動障害
を与えない永久磁石回転子は、起動時は無視して同期ト
ルクに応じた永久磁石回転子の設計を行うことができ同
期トルクを大きくとることができる。

【００２６】ところで本発明の同期電動機はその起動を
誘導電動機で行うので、一般的に誘導電動機で使用され
る電源を利用できる。つまり商用周波数の交流電源やイ
ンバータを利用した可変周波数電源を利用できる。また
単相、多相においても利用可能である。

【００２７】以上の実施例の説明は電圧移相装置１４に
よって２個の固定子の回転磁界の電気的位相に位相差 0
°と 180°とを設け、位相差 0°で起動して位相差 180
°で同期に引き入れる旨説明したが、逆に位相差180 °
で起動して位相差 0°で同期に引き入れることも可能で
ある。この場合、永久磁石回転子７Ａ，７Ｂの同一位置
における磁極の極性を、永久磁石回転子７ＡのＮ極と永
久磁石回転子７ＢのＮ極とが相対するように同一回転軸
９に配設すればよく、その場合にも本実施例と同様の性
能を有するものとなる。

【００２８】ところで前記電圧移相装置１４を本実施例
ではスイッチ１５により構成したが、一方の固定子に対
し、他方の固定子を回動させる、回動固定子に構成する
ことも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の構成から本発明の同期電動機は、
起動時は従来の誘導電動機と同様のトルク特性で行い、
すべりＳがたとえばＳ＝0.05付近から同期速度に移行し
て同期電動機のトルク特性で運転するものである。この
同期電動機は、起動機やブラシを必要としないからその
構造、構成が簡単となるだけでなく、従来の誘導電動機
と同様のトルク特性で起動できるので重負荷がかかった
ままで起動と同期運転が可能となる。

【００３０】更に起動時には同期トルクを発生する永久
磁石回転子による起動障害を相殺により無視できるから
永久磁石回転子の影響を無視した起動トルクだけを考慮
したかご形回転子の設計を行えばよく、逆に起動時に起
動障害を与えない永久磁石回転子は起動時を無視して同
期トルクに応じた永久磁石回転子の設計を行うことがで
き、総じて小型で同期トルクの大きい同期電動機とする
ことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の同期電動機の正断面図を示した図であ
る。

【図２】同期電動機の回転子の構造を回転子の軸方向の
中心から見た一部を破断した回転子の側面図である。

【図３】回転子の他の実施例を示す構造図である。

【図４】同期電動機の固定子巻線の接続と電圧移相装置
とを簡単に表した結線図である。

【図５】同期電動機の起動時における固定子と永久磁石
回転子の磁極の状態を示す図である。

【図６】同期電動機が同期トルクを発生するときの磁極
の状態を示す図である。

【図７】同期電動機を同期に引き入れる過程を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 同期電動機 ２ 回転子コア ３ 回転子導体 ４ 短絡環 ５ 第１の回転子部分 ６ かご形回転子 ７ 永久磁石回転子 ８ 回転子 ９ 回転軸 １０ 固定子 １１ 機枠 １２ 軸受 １３ 固定子巻線 １４ 電圧移相装置 １５ スイッチ

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子の回転磁界との電磁誘導作用により
   非同期速度で回転する第１の回転子部分と、前記回転磁
   界との吸引により同期速度で回転する永久磁石で形成し
   た第２の回転子部分とにより１組に形成される回転子
   を、同一回転軸上に任意間隔を設けて独立して２組装設
   した回転子と、前記２組 の回転子それぞれに対向して周設した２個の固
   定子と、 該２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、相対位
   置における電気的位相に位相差０°と位相差 180°とを
   生じさせる電圧移相装置とを備え、 前記位相差０°または位相差 180°の回転磁界におい
   て、前記一方の固定子の回転磁界と一方の固定子に対峙
   する第２の回転子部分とが吸引し合い、且つ前記他の固
   定子の回転磁界と他の固定子に対峙する第２の回転子部
   分とが反撥し合って、同一回転軸上で前記吸引と反撥と
   で相殺するよう、一方の固定子に対峙する第２の回転子
   部分と他方の固定子に対峙する第２の回転子部分とを配
   設し、起動時は、電圧移相装置によって前記位相差０°または
   位相差 180°の回転磁界で起動し、同期引き入れ時に
   は、電圧移相装置によって 前記位相差を 180°変化させ
   ることを特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】一方と他方の第１の回転子部分をかご型回
   転子とし、一方と他方の第２の回転子部分を、２組の回
   転子の相対する同一位置で、その磁極の中心位置を一致
   させて配置したことを特徴とする請求項１記載の同期電
   動機。
3. 【請求項３】前記電圧移相装置は、一方の固定子巻線の
   端子を逆極性に切換えるスイッチで構成したことを特徴
   とする請求項１または２記載の同期電動機。
4. 【請求項４】固定子を励磁する電源は、商用周波数の交
   流電源かまたはインバータを利用した可変周波数電源で
   あることを特徴とする請求項１または２記載の同期電動
   機。
5. 【請求項５】固定子を励磁する電源は、単相交流電源か
   または多相交流電源であることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の同期電動機。