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    公开号:WO1986005337A1
    申请号:PCT/JP1986/000102
    申请日:1986-02-28
    公开日:1986-09-12
    发明作者:Shigeki Kawada；Kousei Nakamura
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:H02P27-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 多相かご形誘導電動機
    [0002] 技術分野
    [0003] 本発明は、 多相かご形誘導電動機に閬し、 特にパルス巾変 調形式の可変周波数電源によつて例えば Ι Ο , Ο Ο Ο Γ Ρ ΙΒ 以上の高 速領域までの運転を可能にし、 工作機械の主軸に取付けられ て切削加工を行うスピン ドルモータなどとして用いられる多 相かご形誘導電動機に関する。 なおこの種の誘導電動機は非 常に高速度の運転領域を含んでおり、 したがって卷線形の電 動機は使甩されない。 背景技術
    [0004] 第 1図は、 この種の用途に用いられる多相かご形誘導電動 機 （一般には三相かご形誘 電動機） と駆動電源 1 との接続 例を示す図であって、 21 , 22 , 23は該誘導電動機に設けられ た各相固定子巻線であって、 該駆勳電源 1 の各出力端子 U , V , W間に所定の接続がなされる。 ここで該駆動電源 1 とし て、 一般にば、 ト ラ ンジスタのオ ン. オフ動作により第 2図 に示されるようなパルス巾変調形式の波形を有し可変周波数 の出力電圧を発生するイ ンバータが用いられており、 これに より毎分数十回転から数千回転程度の速度範囲で該誘導電動 機が運転される。
    [0005] 第 3図は、 このよう な可変周波数電源により駆動される三 相かご形誘導電動機の速度-出力特性を示すもので、 領域 A は、 駆動電源の周波数を増大させて電動機の速度を上昇させ るに伴ってその出力がほぼ比例的に増大する領域である。 な おこの領域では一極当りの磁束 および電動機の トルクはほ ぼ一定であり、 E t - 2. 22 1^ · f ♦ ø · N 1 (1) (ここ で Id ば巻線係数、 f は周波数、 は各相固定子巻線 21 , 22および 23の直列鬈体数） で決まる電動機の 1次誘起電圧 E！ もほぼ直線的に增加する。
    [0006] このようにして電動機の速度が n (通常 4極電動機で 1500 rpm)に達すると、 上記 1次誘起電圧 E t が該電動機に印加さ れる端子電圧 （例えば 200 V ) に達し、 該 1次誘起電圧 をそれ以上に増加させることはできなく なる。
    [0007] したがって該速度 n以上に電動機の速度が上昇される領域 Bにおいては、 電源周波数 f の増大に伴って、 励磁電流が減 り磁束 Φが減少される。 そしてこの領域 Bに入ると電動機の トルクば速度の上昇に伴って減少し、 その出力は速度の上昇 に拘らずほぼ一定となって該電鼽機は定出力特性を示す。 更に電動機の回転数がほぼ 3 nを超えると電動機の トルク 減少の度合が一層著し く なり、 電動機'の出力ば速度の上昇に 伴つて低下するようになる。
    [0008] ここで上記速度 -出力特性が A領域すなわち定 トルク領域 から B領域すなわち定出力領域に移亍する速度 （第 3図にお ける速度 ri ) (すなわち電源周波数を次第に上舁させて電動機 の 1次誘起電圧 が該電動機に印加される端子電圧、 例え ば 200 Vに達するときの速度） を通常その電動機の規定速度 (Bas e Speed)と称している。 以上述べたようにこの種のかご形誘導電動機はその回転数 が該電動機の規定速度に達するまではその出力が速度に比例 て增大するが、 その速度が該電動機の規定速度に達するとそ れ以降は速度の増加に拘らず出力が一定となる。
    [0009] 一方従来より この種の電動機の出力は通常その外形の大き さに応じて決められており、 その場合、 該可変周波数電源の 周波数を商用周波数とした場合の該電動機の速度 n (例えば 該電動機の極数を 4極として 1500rpn を規定速度（Bas e Speed) に設定するのが通例である。 したがって、 所定の外形を有す るこの種電動機の出力を任意に増大させることは全く考慮さ れていないという問題点があった。 発明の開示
    [0010] これに対し本発明の百的は、 該可変周波数電源の周波数を 商用周波数より高く したときの該電動機の速度が上記規定速 度となるように、 該電動機の固定子側の直列導体数を設定す る （すなわち電動機の形状を同一として、 上記従来形の電動 機に比しその直列導体数を少ぐする） ことにより、 その電動 機形状 （その外形および内部形状を含め） を従来形電動機と 同一の寸法とした場合において、 上記従来形の電動機より も 一層大きな出力を生じさせることにある。
    [0011] かかる問題点を解決するために、 本発明によればパルス巾 変調形式の可変周波数電源により駆動され、 所定の規定速度 以下においては定トルク特性を示し、 該規定速度以上におい ては定出力特性を示す可変速度の多相かご形誘導電動機であ つて、 該可変周波数電源の周波数を商用周波数より高く した とき 0該電動機の速度が上記規定速度となるように、 該電動 機の固定子側の直列導体数が設定されている多相かご形誘導 電動機が提供される。
    [0012] 上記構成によれば、 電動機形状を従来形電動機と同一の寸 法としたままで上記従来形電動機に比し所定形状のスロ ツ ト に収納される固定子卷線の直列 ¾体数が少く されることによ り、 それだけ該電動機を流れる電流が增加し、 更に該電動機 の速度-出力特性における上記規定速度も上昇して、 該電動 機の出力が増大することになる。 図面の簡単な説明
    [0013] 第 1図は、 この種の用途に用いられる三相かご形誘導電動 機と駆動電源との接繞例を示す図、
    [0014] 第 2図は、 この種の誘導電動機を駆動する可変周波数電源 の出力電圧波形の 1例を示す図、
    [0015] 第 3図は、 該可変周波数電源で躯動される従来の誘導電動 機の速度-出力特性を示す図、
    [0016] 第 4図ば、 この種の誘導電動機における速度に対する出力 および電流の関係を説明する図、
    [0017] 第 5図は、 この種の誘導電動機における速度に対する トル ク、 出力および損失の関係を説明する図、
    [0018] 第 6図（a)，（b) ば、 それぞれこの種の誘導電動機における 同一形状のス口 ッ ト内に、 4本の導体および 2本の導体 （す なわち直列導体数が半分とされる） が収納される状態を示す 図、
    [0019] 第 7図は、 本発明の 1実施例としての電動機 I と従来形の 電動機 H との速度-出力特性を比較して示す図、
    [0020] 第 8図は、 本発明の 1実施例としての電動機 I と従来形の 電動機 Π とにおける速度と損失との関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0021] 以下、 本発明の実施例を詳細に説明する。
    [0022] いまこの種誘導電動機の外形寸法 D X L (ただし Dは該 電動機の外径、 Lは該電動機の軸方向の長さ） が与えられて いるとすると、 該電動機を構成するコア材料の許容磁束密度 (例えば 2 0 キロガウス） にもとづいて、 その靣定子側に所 要の磁束を通すに必要なヨーク巾、 回転子外径、 更には該回 転子および固定子側に設けられる各スロ ッ トの断面積が決定 される。
    [0023] 次に該電動機の規定速度（Ba s e S peed )の値を決めると、 該 電動機の固定子側の直列導体数 N i は、 上記（1 ) 式より
    [0024] E I
    [0025] ! = (2 )
    [0026] 2 . 22 K！ ' ί · Φ
    [0027] (ただし は一次誘起電圧であって規定速度においては該 電動機に印加される端子電圧、 例えば 200 Vに等し く 、 f は 該規定速度に対応する駆動電源の周波数であって、 該電動機
    [0028] P
    [0029] の極数を P とすると X (規定速度） に等しい） となる
    [0030] 120
    [0031] このようにして該直列導体数 が定まれば、 上記したよ うに回転子および固定子側のス口 ッ ト断面積が決定されてい ることから、 該電動機の 1次抵抗 および 1次漏れリァクタ ンス X , 、 更にはかご形回転子側の 2次抵抗 r 2 および 2次 漏れリ アクタ ンス x 2 が決まる。 すなわち該電動機の外形寸 法と規定速度（Bas e Speed)を決めることによって、 該電動機 の一次抵抗 rい 一次漏れリ アクタ ンス x t 、 二次抵抗 r 2 、 二次漏れリ ア ク タ ンス x 2 の諸定数が決まることになる。 し たがって該電動機の等価回路が決定され、 該等価回路を流れ る各電流値も決定される。
    [0032] 次に上記第 3図に示され！）ような速度 -出力特性を有する 誘導電動機の一次電流値 I i および二次電流値 1 2 と該電動 機の速度との関係を考える。
    [0033] この場合先ず、 該電動機が規定速度 ηに達するまでの （上 記 A領域の） トルクを T , とすると、
    [0034] T！ oc B · I 2 - & X R (3) (ただし Βは磁束密度 i 2 は二次電流、 は直列導体全体の長さ、 Rば回転子外径） であって、 該磁束密度 Bおよび導体長 は一定値であるから、 上記一定トルク を出すための二次電流 1 2 は、 該 A領域 において一定となる。 したがって励磁電流を無視すれば一次 電流 I t も一定となる。
    [0035] また、 該電動機が規定速度 n以上になる （上記 B領域に入 る） と、 磁束 ø (磁束密度 B ) は速度上昇に伴って低下し電' 動機 ト ルク も同様に低下するが、 上記（3) 式に示される二次 電流【 2 は規定速度のときと同じ値であり、 一次電流 I i も 同じ値である。 以上の関係は第 4図に示されるとおりである。 更に該電動機において生ずる損失について考えると、 上述 したようにして該電動機の一次抵抗、 二次抵抗、 一次電流、 二次電流が決まることによつてその銅損は該電動機の速度に 拘らず一定であり、 一方鉄損は （ or f + ^ ί 2 ) B 2 (ただし cc ♦ ^は定 Ϊ で表わされることから、 該電動機が規定速度 ηに達するまでの磁束一定 （したがって磁束密度 Β—定） 領 域では速度上昇 （すなわち駆動電源周波数 f の上昇） ととも に鉄損は增加し、 該電動機が規定速度 ri以上となって磁束が 次第に減少する領域では速度上昇とともに鉄損は減少する。 なお機械損は速度上昇と共に漸增するものであり、 結局これ ら各損失および全損失と電動機速度との関係は第 5図に示さ れるとおりである。 このようにして、 ある外形寸法の電動機 が該第 5図に示されるような速度一出力特性を有する場合に おいて、 その全損失は電動機速度に拘らずほぼ一定となり、 該電動機の温度上异は該全損失を電動機外形寸法 （換言すれ ば電動機重量に対応し、 これによりその熱容量が決る） で除 した値に比例することになる。
    [0036] 以上のことを要約すると、 該電動機の外形寸法と規定速度 (Bas e Spe ed )とを決めることにより、 該電動機の諸定数 （ r : r 2 , X , , x 2 )が定まり、 一方該電動機の外形寸法 （熱容 量に対応する） と許容温度上昇とから許容損失が定まる。 そ してそのような許容損失が定まることにより一次および二次 電流が決まり、 更に出力が定まることになる。
    [0037] そこでいま、 所定の外形寸法 （外径 D、 軸方向長さ L ) を 有し、 電源周波数を商用周波数とした場合の該電動機の速度 a ( 4極電動機で 1500rpm)を規定速度とする従来形電動機の 固定子側の各相の直列導体数を とすると、 本発明では、 この電動機の外形寸法を変えることなく、 その直列導体数が
    [0038] 1
    [0039] 上記従来形電動機より少く され （例えば一 x N t とされ） 、
    [0040] 2
    [0041] その規定速度が上記従来形電動機より高く される。 （例えば 2 nとされる。 ）
    [0042] このようにして規定速度が 2 nとなつた電動機 （以下電動 機 I という） は、 上記規定速度 nの従来形電動機 （以下電動 機 Π という） に比し、 その直列導体数が半分となったことに より、 第 6図（b) に例示するように同一形状のスロ ッ ト S中 に収納される導体 d の断面積は第 6図（a) に示される導体 C 2 の断面積の 2倍となる。 なお第 6図（a) , (b) ではそれぞ れスロ ッ ト S中に収納される導体数をそれぞれ 4本および 2 本として示しているが実際には例えば数十本の導体が収納さ れる。
    [0043] したがって該電動機 Iの一次抵抗 および二次抵抗 （一次
    [0044] - a r 2
    [0045] 換算値) r ' z をそれぞれ '一" - および N , r 2 (ただし i P
    [0046] 5 r
    [0047] は直列導体の全長、 は該導体の断面積、 N t は巻数比） とすれば、 該電動機 I の一次抵抗 Γ ι および二次抵抗 （一次 π
    [0048] 6 r N 1 換 値） r ' 2 はそれぞれ / S rおよび（ —— ) 2 x r
    [0049] 2 2 .
    [0050] 1
    [0051] となり、 ともに電動機 IIにおける値の となる。 したが
    [0052] 4
    [0053] つて一般に I 2rで決る鋼損を一定とすれば、 該電動機 I は一 次 I 'よび二次電流 I ！ , I 2 を該電動機 Hの 2倍流しう るこ になり、 2倍の出力がえられる。'すなわち該直列導体数を
    [0054] X N , にすることにより、 その電動機の形状を従来形電動 2
    [0055] 機 II と同一寸法として、 その出力を 2倍とすることができる。
    [0056] (第 7図参照。 ） なお該電動機 I の規定速度が 2 nであるこ とから、 電動機 I の鉄損は該規定速度付近で電動機 Πより增 加し、 それに伴って該鉄損と鋼損との和としてみた電動機 I の全損失ば電動機 Πより多少增加する （第 8図参照） が、 そ れ以上の速度では磁束密度 Bが低下するので鉄損は問題とな らない。
    [0057] 以上のようにして固定子側の直列導体数を変更することに よって、 該電動機の外形寸法を変えないで任意のパワーを出 力しう る。 すなわち、 本発明においてば、 該可変周波数電源 の周波数を商用周波数より高く したときの該電動機の速度が 規定速度となるように、 該電動機の固定子側の直列導体数を 設定する （すなわち従来形の電動機よりその直列導体数を少 くする） ことによって、 該電動機の形状をく 該従来形の電動 機と同一の寸'法としたままで、 上記従来形に比しその規定速 度を上昇させそれに伴って一層大きな出力をとり出すことが でき る。
    [0058] そして従来形のこの種電動機の規定速度 i 4極で 1500rpm ( 2極で 3000rpn とされていたのに対し、 本発明電動機にお いてはその規定速度を 4極で 3000rP m 乃至 4500rpm (上記従来
    [0059] 1
    [0060] 形に比し上記直列導体数を ——乃至 ：する） とするの
    [0061] 2 が好適であり、 それ以上高速にしても実際の切削加工を行う 上で現在ば力 ッター-の摩耗などの問題が残っている。 なおこ のように直列導体数を減らすことによって電動機に流れる電 流が増大することは上述したとおりであり、 したがって該電 勖機に上記增大した出力を生じさせるためには、 それに見合 つた電流容量の駆動電源と組合せることが必要である。
    [0062] なお前記電動機 I (同一形状の従来形電動機辽に比し直列 導体数を半分とし規定速度を 2倍とした電動機） においては、 該電動機 Πに比し鉄損分の增加によりその全損失が多少增加 している。 したがって、 この增加が無視できない場合には、 その一欠電流 I , を 2倍としないで 1. 8倍 （出力も 1, 8倍） 程度とすれば、 その銅損を含めた全損失は電動機 Π と同一と なる。
    [0063] また上述した第. 3図に示されるように、 この種の従来形電 動機の速度-岀カ特性は電動機の速度がほぼ 3 η (規定速度 の 3倍） を超えると、 その出力が次第に低下するようになる。 このことは誘導電動機における最大出力の式
    [0064] 2
    [0065] m I V 1
    [0066] P m =
    [0067] 2 { ( r , + r ' 2 ) + (r , + r r 2 ) 2" + ( X l + x ' 2 " } (ただし は相数） において、 電動機速度が 3 n付近を超 えるようになると、 + x ' 2) 2 が增加し出力が低下する ことを意味している。 この点、 上記本発明にかかる電動機 I (規定速度が 2 n となっている） においては、 従来形の電動 機 Πに比し直列導体数が半分 （各導体の断面積は 2倍） とさ れていることから、 上記各抵抗およびリ アクタンス r t , 1
    [0068] r ' 2 , x i , x ' 2 が ~~ - となり、 上記最大出力 P mは 4倍
    [0069] 4
    [0070] となる。 これにより出力が低下する速度を、 理論的には 3 n X 4 = 1 2 nまで増加させることができる。
    [0071] 本発明によれば、 上記バルス巾変調形式の可変周波数電源 により躯動される多相かご形誘導電動機において、 その電動 機の形状を従来形電動機と同一寸法としたままで従来形電動 機より も大きな出力をとり出すことができる。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 西
    1. パルス巾変調形式の可変周波数電源により駆動され、 所定の規定速度以下においては定 トルク特性を示し、 該規定 速度以上においては定出力特性を示す可変速度の多相かご形 誘導電動襪であって、.該可変周波数電源の周波数を商用周波 数より高く したときの該電動機の速度が上記規定速度となる ように、 該電動機の固定子側 1の直列導体数が設定されている
    2
    多相かご形誘導電動機。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1986-09-12| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): KR US |
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    1986-10-07| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1986901516 Country of ref document: EP |
    1987-03-18| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1986901516 Country of ref document: EP |
    1988-02-08| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1986901516 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP60038918A|JPS61199445A|1985-03-01|1985-03-01|Polyphase squirrel-cage induction motor|
    JP60/38918||1985-03-01||KR1019860700753A| KR870700178A|1985-03-01|1986-02-28|다상 농형 유도 전동기|
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