WO1999000890A1 - Moteur a induction - Google Patents

Description

明 細 書

誘導電動機

技 術 分 野

本発明は 、 3 相交流電源によっ て駆動さ れる誘導電動 機に関し 、 特に工作機械の主軸を駆動する ス ピ ン ドルモ —タ に適し た誘導電動機に関する 。

背 景 技 術

電動機の巻線形態を変え る こ と によ つ て電動機の特性 を変え る方法が従来か ら公知である 。 図 6 a 及び図 6 b は 、 電動機の巻線を Y結線か Δ結線かに変え る こ と によ つ て電動機の特性を変え る方法を示す 。 各相卷線の回数 が多いほ ど低速高 ト ルク を発生でき るか ら 、 低速高 ト ル ク を必要 とする と き には 、 図 6 a の よ う に Y結線 （ 端子 X ， Υ , Z を接続し 、 端子 U ， V , Wに 3 相の各々 の動 力線を接続 ） にする （ 以下低速巻線と い う ） 。 高速回転 を必要 とする と き には図 6 b に示すよ う に Δ結線 （ 端子 U と Z 、 端子 V と X 、 端子 Wと Yを接続し各端子接続点 に動力線を接続 ） にする （ 以下高速巻線と い う ） 。 . また 、 図 7 a 及び図 7 b に示すよ う に 、 電動機の巻線 を Y結線にして 、 各相の巻線の中間に端子 U 2 ， V 2 , W 2 を取 り だし 、 低速回転時には図 7 a に示すよ う に ( 使用卷線を太線で示す ） 各相の全巻線を使用する よ う に端子 U 1 , V I , W 1 に各相の動力線を接続し （ 以下 低速卷線とい う ） 、 高速回転時には中間端子 U 2， V 2 , W 2 に各相の動力線を接続する （ 以下高速卷線と い う ） 方法も 公知であ る 。

さ ら に 、 図 8 a 及び図 8 b に示すよ う に 、 各相の巻線 の中間に中間端子 X 2 ， Y 2 ， Z 2 を設け 、 低速回転の と き には図 8 a に示すよ う に 、 各相巻線の一方の端子 X Υ , Z を接続し他方の端子 U , V , Wを 3 相の各動力線 に夫々 接続し て各相の卷線をすベて使用する （ 図 8 にお いても 使用卷線を太線で示す ） Y結線 とする （ 以下低速 巻線と い う ） 。 高速回転時には図 8 b に示すよ う に 、 端 子 U と 中間端子 Z 2 を接続し 、 端子 V と 中間端子 X 2 を 接続し 、 端子 Wと 中間端子 Y 2 を接続し 、 端子 U , V , Wに夫々 3 相の対応する動力線を接続し各相の巻線を一 部しか使用 しない Δ結線とする （ 以下高速巻線と い う ） 以上の よ う にして 、 各相の巻線回数を変え る こ と によ つ て 、 電動機の特性を変え る が 、 図 9 に示す卷線回数比 と 出力カーブの関係に示すよ う に 、 こ の切換え によ り 、 巻線形態の間で巻線回数比が大きいほ ど低速で高 ト ルク が出せ 、 高速で高出力が出せる こ と になる 。

なお 、 図 9 において 、 Μは卷線回数比 1 ： Μの関係を 示す値である 。

図 6 に示す切換え方法では 、 Δ結線 、 Υ結線の卷線回 数比が 1 ： 3 である こ と カゝ ら （ Μ = Γ 3 ) 、 これ以外 の巻線回数比を と る こ と ができ なレ、 。

また 、 図 7 a 、 図 7 b 、 図 8 a 及び図 8 b に示す切換 え方法では 、 高速卷線での使用卷線回数を選択する こ と によ っ て （ 中間端子の取 り だし位置によ っ て高速卷線に おけ る使用巻線回数を決め る ） 、 卷線回数比を任意に決 め る こ と ができ る 。 しかし 、 高速卷線において使用巻線 ( 太線 ） に電圧をかける と未使用巻線に誘起電圧が生じ る 。 こ の時の入力電圧 と誘起電圧の和が絶縁限界電圧を 越えては 、 巻線間に絶縁不良が生じ る ため 、 こ の絶縁限 界を こ えない範囲で最大の卷線回数比及び入力電圧が存 在する こ と にな り 、 自ずか ら最大巻線回数比が決ま る 。

さ ら に 、 卷線回数比を大き く 取る こ と がで き て も 、 低 速巻線か ら 高速巻線に切換え る 際 、 図 9 に示すよ う に 、 出力特性に落ち込みが生じ広範囲の高出力特性が得られ ない 。

マシユングセンタ な どの工作機械においては 、 低速重 切削が可能で 、 かつ 、 切削加工効率の向上のため に 、 主 軸回転数の増加が望まれる 。 そのため 、 主軸を駆動する ス ピ ン ドルモー タ の低速高 ト ルク 出力化 、 高速化 、 高出 力化求め られ 、 これに対し て卷線切換えで対応する場合 大き な巻線回数比が と れ 、 かつ 、 誘起電圧の影響を除去 する 必要がある 。 さ ら に 、 大き な卷線回数比が とれた.と しても 、 低速巻線か ら高速巻線への切換え時に出力特性 の落ち込みが少な く 出力 ト ルク 不足が生じ ない よ う なス ムーズな切換えが望まれる 。

発 明 の 開 示

本発明の 目 的は 、 誘起電圧の発生も な く 、 広範囲の高 出力特性が得られる誘導電動機を提供する こ と にある 。

本発明の誘導電動機は 、 同一卷回数の部分卷線を 3 相 各相毎 2 以上備え 、 各相の部分巻線を直列に接続し た Y 結線か 、 各相の部分巻線を直列に接続し た Δ結線か 、 各 相の部分卷線を並列に接続した Y結線か 、 各相の部分卷 線を並列に接続した Δ結線かの内の 3 種類の結線のいず れかに若し く は 4 種類の内のいずれかに選択的に切換え る切換え回路を備え 、 低速でも 高 ト ルク が出せ高速で高 出力を得る 広範囲の高出力特性を得る こ と ができ る よ う にした 。

図面の簡単な説明

図 1 は 本発明の誘導電動機の巻線形態を説明する説 明図 、

図 2 は 本発明の一実施形態におけ る 各卷線形態の説 明図 、

図 3 は 同実施形態における卷線形態切替の回路図 、 図 4 は 巻線形態切替の別の実施形態の回路図 、 図 5 は 本発明の巻線切換によ る 出力特性のグラ フ 、 図 6 は 従来の巻線形態切換の一例の説明図 、 図 7 は 従来の巻線形態切換の他の例の説明図 、 - 図 8 は 従来の巻線形態切換の さ ら に他の例の説明図 図 9 は 従来の卷線切換によ る 出力特性のグラ フであ る 。

発明を実施する ための最良の形態 図 1 は 、 本発明の誘導電動機の巻線形態を説明する説 明図である 。 本発明においては 、 交流 3 相の各相毎の巻 線を同一卷回数で構成さ れる nつ （ n は 2 以上 ） の部分 卷線で構成してお り 、 高速高出力を必要 とする と き には 図 1 a に示すよ う に各相の部分卷線をすベて直列に接続 し 、 Y結線とする （ 以下低速巻線と い う ） 。 また 、 低速 高 ト ルク を必要とする と き には 、 図 1 b に示すよ う に各 相の部分卷線をすベて並列に接続し 、 Δ結線とする （ 以 下高速卷線とい う ） 。

なお 、 図 1 において 、 U , V ， Wの各相の卷線の第 1 の部分巻線の一方の端子を U , V , W と し 、 他方の端子 を X I ， Y 1 ， Z 1 と し 、 第 2 番 目 の部分巻線の一方の 端子を U 2 ， V 2 ， W2 、 他方の端子を X 2 , Y 2 , Z 2 、 第 （ n — 1 ) 番 目 の部分卷線の一方の端子を U n - 1， V n-1 ， Wn-1 、 他方の端子を X n- 1 , Yn- 1 ， Ζ η- 1、 第 η番 目 の部分卷線の一方の端子を U n ， V n ， Wn 、 他方の端子を X , Y , Z と している 。

さ ら に 、 本願発明においては 、 こ の低速卷線と 高速巻 線の間にさ ら に中間の巻線形態を得る よ う にしてい る 。 本実施形態では 、 低速巻線を図 1 a に示すよ う に 、 各相 の部分巻線を直列に接続し Y結線とする 。 さ ら に中低速 卷線と し て 、 各相の部分卷線を直列に接続し Δ結線とす る 。 また 、 中高速卷線と し て各相の部分卷線を並列に接 続し Y結線とする 。 そ して高速卷線と し て 、 各相の部分 巻線を並列に接続し Δ結線 とする 。

こ の点を各相卷線が 2 つの部分巻線で構成されている と きの例で説明する と 図 2 a 〜 2 d の よ う になる 。

図 2 a は 、 各相 2 つの部分卷線を直列に接続し 、 直列 巻線の一方の端子 X , Y , z を接続し 中性点 と し 、 他方 の端子 U , V , Wを動力線に接続する こ と によ っ て Y結 線の低速卷線とする例である 。 また 、 図 2 b に示すよ う に 、 各相の部分卷線を直列に接続し各相の直列卷線の端 子を相互に接続し Δ結線と して中低速巻線 とする 。 図 2 b で示す例では 、 端子 U と Z 、 端子 X と V 、 端子 Y と W を接続し こ の接続点を動力線に接続し Δ結線と し てレ、る 図 2 c は 、 各相の部分卷線を並列に接続し 、 並列接続 さ れた一方の端子をすベて接続し 中性点 と して各相の部 分巻線が並列に接続された Y結線と し 、 他方の並列接続 端子を動力線に接続する こ と によ っ て中高速巻線とする 例である （ 端子 U と U 2 、 端子 V と V 2 、 端子 Wと W2 を接続し 、 他方の端子 X , X I , Y , Y 1 , Z , Z 1 を すべて接続し 中性点 とする ） 。

図 2 d は 、 高速巻線の例で 、 各相部分巻線を並列に接 続し 、 並列接続された端子を他の相の並列接続された端 子に接続する こ と によ っ て 、 各相の部分巻線が並列に接 続された Δ結線と し 、 各相の端子の接続点に動力線を接 続する こ と によ っ て高速巻線と してい る （ 図 2 d の例で は 、 端子 U , U 2 ， Z , Z 1 を接続し 、 端子 V , V 2 , X ， X I を接続し 、 端子 W， W2 , Υ , Y 1 を接続し て いる ） 。

上述した巻線形態において 、 各相の部分巻線の卷線回 数が同一 と しているか ら 、 図 2 d の高速卷線の卷線回数 を 1 とする と 巻線回数比は次の よ う になる 。 高速卷線 ： 中高速卷線 ： 中低速巻線 ： 低速巻線 = 1 ： 3 ： 2 ： 2 3

また 、 各相部分卷線の数を η とする と 巻線回数比は次 の よ う になる 。

高速卷線 ： 中高速卷線 ： 中低速巻線 ： 低速巻線 = 1 ： ^ 3 ： η ： η V" 3

図 5 は 、 こ の巻線切換によ る 出力特性をグラ フ に表し たも のであ り 、 低速巻線か ら 高速卷線へ順次切換え る こ と によ り 出力の落ち込みをカバー し 、 広範囲の高出力特 性が得られる こ と を示し てい る 。

図 3 は 、 図 2 a 〜図 2 d に示し た各相の部分巻線が 2 つ と し た と き の巻線形態切替の回路図であ る 。 電動機を 駆動する ア ンプ 1 か ら の 3 相の各動力線を リ ア ク ト ル 2 を介して 、 電動機 3 の U , V ， Wの端子に夫々接続し 、 電磁接触機 M C C 1 を端子 U ， V , W と 端子 U 2 ， V 2 , W2 間に夫々 対応する端子が接続さ れる よ う に接続し 、 電磁接触機 M C C 2 を端子 U 2 ， V 2 , W2 と 端子 X I， Y 1 ， Z 1 間に夫々 対応する端子が接続される よ う に接 続し 、 電磁接触機 M C C 3 を端子 X I , Y 1 , Z 1 と 端 子 X , Υ , Z 間に夫々 対応する端子が接続される よ う に 接続し 、 端子 X ， Y , Z がすべて接続さ れる よ う に電磁 接触機 M C C 4 を接続し 、 電磁接触機 M C C 5 を端子 X Y , Z と 端子 U , V ， W間に夫々 対応する端子が接続さ れる よ う に接続されている 。

そ して 、 電磁接触機 M C C 1 〜 M C C 5 の O N 、 O F F を次の よ う に切換えて 、 低速巻線か ら 高速巻線を選択 する 。

MCC 1 MCC 2 CC 3 CC 4 CC 5 低速巻線 OFF ON OFF ON OFF 中低速巻線 OFF ON OFF OFF ON 中高速卷線 ON OFF ON ON OFF 高速卷線 ON OFF ON OFF ON 低速高 ト ルク を必要 とする場合には 、 低速卷線が選択 さ れ電磁接触機 M C C 2 と M C C 4 を O N に 、 他の電磁 接触機は O F F に切換え る 。 そ の結果 、 電磁接触機 M C C 2 の O N によ っ て 、 電動機 3 の部分卷線の端子 X I と U 2 、 Y 1 と V 2 、 Ζ 1 と W 2 が接続さ れ 、 図 2 a に示 すよ う に各相の部分巻線が直列に接続さ れる 。 また電磁 接触機 M C C 4 の O N によ っ て端子 X ， Υ , Z が接続さ れ 、 図 2 a に示す各相の部分巻線が直列に接続された Y 結線の巻線形態が形成さ れ低速巻線形態が得られる 。

中低速巻線を選択する場合には 、 電磁接触機 M C C 2 と M C C 5 を O N に 、 他の電磁接触機は O F F に切換え る 。 電磁接触機 M C C 2 の O N によ っ て前述し たよ う に 各相の部分巻線は直列に接続さ れる 。 また 、 電磁接触機 M C C 5 の O N によ っ て 、 端子 U と Z 、 V と X 、 W と Y が接続される 。 その結果 、 図 2 b に示す各相の部分巻線 が直列に接続された Δ結線の中低速巻線の形態が形成さ れる 。

中高速巻線が選択する場合には 、 電磁接触機 M C C 1 M C C 3 及び M C C 4 を O N に 、 他の電磁接触機は O F F に切換え る 。 電磁接触機 M C C 1 の O N によ り 電動機 の部分巻線の端子 U と U 2 、 V と V 2 、 W と W2 が接続 され 、 電磁接触機 M C C 3 の O Nによ り 部分巻線の端子 X I と X 、 Y 1 と Y 、 Z 1 と Z が接続さ れ 、 図 2 c に示 すよ う に各相の部分卷線が並列に接続さ れる 。 また 、 電 磁接触機 M C C 4 の O N によ っ て端子 X ， Y ， Z が接続 さ れ 、 図 2 c に示すよ う に各相の部分巻線が並列に接続 さ れた Y結線の 中高速巻線の形態が形成さ れる 。

高速巻線が選択する場合には 、 電磁接触機 M C C 1 、 M C C 3 及び M C C 5 を O N に 、 他の電磁接触機は O F F に切換え る 。 電磁接触機 M C C 1 と M C C 3 の O N に よ り 前述し たよ う に 、 各相の部分巻線が並列に接続され る 。 そ し て 、 電磁接触機 M C C 5 の O N によ り 端子 と Z 、 V と X 、 W と Yが接続され 、 図 2 d に示すよ う に各 相の部分巻線が並列に接続さ れた Δ結線の高速巻線の形 態が形成される 。

上記図 3 に示し た実施形態では 、 リ ア ク ト ル 2 をァ.ン プの出力 に接続し低速巻線か ら高速巻線まで 、 どの卷線 形態でも リ ア ク ト ル 2 を作用 させたが 、 低速回転時には リ ア ク ト ルは必ずし も 必要がな く 高速時のみ必要であ る そ こで 、 中高速巻線、 高速巻線の形態の と き のみ リ ア ク ト ルを挿入する も の と し た例を図 4 に示す 。 こ の図 4 で 2 a , 2 b は リ ア ク ト ルを示すも ので 、 中高速巻線 ， 高 速巻線の と き こ の 2 a ， 2 b を挿入すればよいも のであ る 。 ただし 、 2 a , 2 b は同 じ イ ンダ ク タ ンスでなけれ ばな ら ない 。 すなわち 、 中高速巻線 、 高速巻線を選択し た と き には電磁接触機 M C C 1 及び M C C 3 が O N と な り 、 低速卷線 、 中低速巻線を選択し た時には O F F であ る 。 そのため 、 電磁接触機 M C C 1 と 電磁接触機 M C C 3 の両方に同 じ イ ンダ ク タ ンス の リ ア ク ト ルを接続すれ ばよレヽも のであ る 。

なお 、 上記実施形態では 、 低速巻線 、 中低速巻線 、 中 高速巻線 、 高速巻線と 低速か ら 高速まで 4 段階の巻線形 態を得る よ う にしたが 、 4 段階の切替を必要 と し なけれ ば 、 4 つの巻線形態の内 1 つを省略し 3 つの巻線形態の 1 つを選択する よ う にし ても ょレ、 こ と はも ち ろんであ る 以上の通 り 、 本実施形態では卷線回数が同一の部分巻 線を各相毎同一数設け 、 各相の部分卷線を直列か並列か に接続し て各相巻線とする と 共に 、 Δ結線か Y結線かに 結線する こ と によ っ て巻線回数比の異なる卷線形態を得 る よ う にする 。 しかも 、 どの巻線形態でも 、 すべての部 分巻線を使用する こ と か ら 、 従来のも の と 比較し 、 小.さ な抵抗の巻線が作られ 、 高出力でエネルギー ロ ス の少な い 、 低発熱の誘導電動機を得る こ と ができ る 。 また 、 す ベての部分巻線を使用する こ と によ っ て大き な卷線回数 比の卷線形態を得る こ と ができ 、 低速で高 ト ルク が出せ 高速で高出力が得られる 。 そ し て 、 未使用巻線がないか ら誘起電圧は生ぜず信頼性が向上する 。 さ ら に 、 卷線形 態を 3 段階も し く は 4 段階に切換え る こ と ができ る こ と に よ っ て 、 切換時の 出力の落ち 込みを少な く 若し く はな く す こ と がで き 、 広範囲の高出力特性を得る こ と がで き る 。 そ のため 、 こ の誘導電動機を 工作機械の主軸を駆動 する ス ピ ン ド ルモータ と し て使用すれば 、 重切削が可能 と な る と 共に高速切削も で き 切削加工効率の向上が図 ら れる 。

本発明 に よ れば 、 従来の電動機 と 比較 し 高圧下で高い 信頼性を持ち 、 高速 、 高出力 、 高 ト ルク 、 低発熱の誘導 電動機を得る こ と ができ 、 し かも 、 巻線形態の切換を 3 段 ， 4 段 と する こ と に よ っ て切換時の 出力の落ち 込みを 少な く 若 し く はな く し 、 広範囲の高 出力特性を得る こ と がで き る

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 同一巻回数の部分巻線を 3 相各相毎 2 以上備え 、 各 相の部分卷線を直列に接続し た Y結線か 、 各相の部分卷 線を 直列 に接続し た Δ 結線か 、 各相の部分巻線を並列 に 接続し た Y結線か 、 各相の部分卷線を並列に接続し た Δ 結線かのいずれかに切換え る 切換え 回路を備え た誘導電 動機 。