JP2000037002A

JP2000037002A - 同期機を用いた電気ブレーキ装置

Info

Publication number: JP2000037002A
Application number: JP10201669A
Authority: JP
Inventors: Asaki Watanabe; 朝紀渡邉
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP3886648B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で、有効なブレーキを作用させる
ことができる同期機を用いた電気ブレーキ装置を提供す
る。【解決手段】ブレーキを作用させる軸２６に連結され
る同期機２１と、この同期機２１の発生電圧と周波数が
回転速度に比例することを利用して、抵抗器２３とリア
クトル２４の値との組み合わせを選定することにより、
前記同期機２１の所要のブレーキトルクの回転速度特性
を得る電気ブレーキ回路２２を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期機を用いた電
気ブレーキ装置に係り、特にブレーキを作用させる軸に
連結される同期機に抵抗器とリアクトルを組み合わせて
接続し、電力変換器なしで所定のブレーキ力の回転速度
特性を得るようにした電気ブレーキ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】交流回転機で電気ブレーキをかけるに
は、一般にはインバータが必要である。また、抵抗器を
そのまま負荷とすると、ブレーキ力が回転速度に比例
し、ごく特定の用途でしか使えないという問題点があ
る。従来の電気ブレーキ装置は、駆動用電動機やインバ
ータを用いて、インバータの制御によりブレーキトルク
を変えており、駆動用電動機を搭載した電動車でのみ使
用することができた。また、駆動用電動機が搭載されて
いない付随車両では、ディスクブレーキや踏面ブレーキ
などの機械ブレーキが用いられ、摩擦による磨耗があ
り、ブレーキ部品の磨耗状態の検査や交換などの定期的
な保守を必要としていた。

【０００３】同期機を電動機として用い、しかも電気ブ
レーキを利用する場合、電動機に給電するためにインバ
ータが必要であり、電気ブレーキにはそのインバータを
利用するのが普通である。そして、同期機の発生する三
相交流誘起電圧に対して、同期した三相交流電圧をイン
バータにより発生させれば、そのインバータの発生する
電圧の振幅と位相を調整することにより、電動機として
回転させることも、発電機として電力を取り出すことも
可能である。

【０００４】図１８はかかる従来の電力回生ブレーキの
回路図、図１９は従来の発電抵抗ブレーキの回路図であ
る。これらの図において、同期機２の誘起電圧をＥ_S、
インバータ１の発生電圧をＥ_Cとすると、同期機２の電
流Ｉ_sは次のように表される。Ｉ_S＝（Ｅ_S−Ｅ_C）／（Ｒ_O＋ｊ２πｆＬ_O） …（１）ここで、Ｒ_OとＬ_Oは同期機２の内部抵抗とインダクタ
ンス、ｆは回転周波数である。

【０００５】Ｅ_SとＩ_Sの向きが反対方向となるよう
に、インバータ１の発生電圧Ｅ_Cを調整すると、インバ
ータ１より同期機２に電力が供給され、同期機２は回転
トルクを発生する。また、Ｅ_SとＩ_Sの向きが同一方向
となるようにインバータ１の発生電圧Ｅ_Cを調整する
と、同期機２は発電機としてインバータ１に電力を送出
し、同時にブレーキトルクを発生する。インバータ１の
制御により、広い範囲でブレーキトルクを調整すること
が可能である。

【０００６】このような従来の技術を用いれば、同期機
２は電動機としても発電機としても動作させることがで
きるが、インバータ１のような電力変換装置が必要で、
しかも、この電力変換装置は、同期機２との間で出入す
る電力を扱える容量でなければならない。また、インバ
ータ１等の電力変換装置の直流側には、電力を回生また
は消費するための機器が必要である。

【０００７】つまり、従来の技術では、同期機２でブレ
ーキをかけ、ブレーキトルクを制御するには、ブレーキ
出力を処理できる容量のインバータなどの電力変換装置
が必要であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】さらに、下記のように
構成した技術では、以下に示すような問題点が考えられ
る。図２０は同期発電機に抵抗器を接続した回路（推測
回路）図であり、ここでは、同期機の内部抵抗とインダ
クタンスは無視されている。図２１はその発電ブレーキ
特性図（Ｒ）である。

【０００９】（１）同期機１１に抵抗を接続した場合の
問題点（Ｒ回路）図２０に示すように、同期機１１に開閉器１３を介して
抵抗器１２を接続すれば、ブレーキ回路を構成すること
ができると考えられる。しかし、同期機１１の磁束φが
一定であれば、同期機１１の誘起電圧Ｅは回転速度ｎに
比例するので、Ｅ＝ｋφｎ …（２）と表すことができ、抵抗器１２の抵抗をＲとすると、同
期機１１の内部抵抗とインダクタンスを無視すれば、図
２１（ａ）に示すように、Ｉ＝Ｅ／Ｒ …（３）の電流が流れ、図２１（ｂ）に示すように、ブレーキが
かかる。

【００１０】抵抗器１２で消費される電力は、図２１
（ｃ）に示すように、Ｐ＝Ｉ²Ｒ＝Ｅ²／Ｒ＝（ｋφｎ）²／Ｒ …（４）と表され、回転速度ｎの２乗に比例する。一方、損失を
無視すると、ブレーキトルクと回転速度の積がブレーキ
パワーであり、抵抗器１２で消費される電力Ｐと等し
い。

【００１１】Ｔ_Bｎ＝Ｐ＝（ｋφｎ）²／Ｒ …（５）従って、ブレーキトルクＴ_Bは回転速度ｎに比例する。Ｔ_B＝（ｋφ）²・ｎ／Ｒ …（６）抵抗器１２の切換えをしないとすると、このようにブレ
ーキトルクＴ_Bが回転速度ｎに比例し、特定の用途（下
り勾配での抑速ブレーキ）以外は使い難い。

【００１２】（２）界磁制御の問題点図２２は界磁電流制御回路を加えた、同期発電機に抵抗
を接続した回路（推測回路）図である。このような場合
に、同期機１１の界磁電流を調整して、一定のブレーキ
トルクとなるようにすることが考えられる。

【００１３】上記の式より φ²＝Ｔ_BＲ／ｋ²ｎ …（７） ∴φ＝（１／ｋ）√（Ｔ_BＲ／ｎ） …（８）従って、回転速度ｎが変化してもブレーキトルクＴ_Bを
一定に保つ方法として、磁束φを１／√ｎに比例して変
化させることが考えられる。

【００１４】最高回転速度の１／１０の回転速度まで一
定ブレーキトルクを得るには、磁束は、最高回転速度の
時の磁束を、φ_minとすると、その１／１０の回転速度
では√１０φ_min≒３φ_minとする必要がある。このよ
うに界磁電流を調整すればよいが、回転機としては、最
高回転速度で必要な磁束の３倍の磁束を発生しなければ
ならないので、その分、磁路の鉄芯断面積を大きくしな
ければならず、不利である。

【００１５】本発明は、上記問題点を除去し、簡単な構
成で、有効なブレーキを作用させることができる同期機
を用いた電気ブレーキ装置を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費
する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に
保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電
気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレ
ーキ装置であって、ブレーキを作用させる軸に連結され
る同期機と、この同期機の発生電圧と周波数が回転速度
に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要
素の値との組み合わせを選定することにより、前記同期
機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブ
レーキ回路を具備するようにしたものである。

【００１７】〔２〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記インピーダンス要素とし
てリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接
続し、前記抵抗器の抵抗Ｒとリアクトルのインダクタン
スＬで定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を調整して、最高回
転速度に対応する最高周波数の１／２以上として、前記
周波数Ｒ／（２πＬ）付近に対応する回転速度域で、ほ
ぼ一定のブレーキトルクが得られるようにしたものであ
る。

【００１８】〔３〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記インピーダンス要素とし
てリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接
続し、前記リアクトルのインダクタンスＬと前記抵抗器
の抵抗Ｒの値で定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を最高周波
数より十分低い値に調整して、高回転速度域でブレーキ
トルクが回転速度に反比例する特性を有するようにした
ものである。

【００１９】〔４〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記抵抗器のみの第１の回路
と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを
並列接続し、前記第１の回路と、前記第２の回路のブレ
ーキトルクの回転速度特性の和が、所定のブレーキトル
クの回転速度特性となるようにしたものである。〔５〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電気ブレーキ装
置において、リアクトルと直列に抵抗器を接続し、この
抵抗器を複数個設けて、これらの複数個の抵抗器を前記
リアクトルに直列または並列接続可能にして、高速度域
ではより高い抵抗値となるように、また低速度域ではよ
り低い抵抗値となるように、前記回路の抵抗値を特定速
度にて切換え可能としたものである。

【００２０】〔６〕上記〔２〕又は〔３〕記載の同期機
を用いた電気ブレーキ装置において、前記抵抗器とリア
クトルを直列接続した回路において抵抗器とリアクトル
を複数個設けて、これらを直列または並列接続可能とし
て、前記回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更
することにより、前記回路のインピーダンスの大きさの
平方根に逆比例してブレーキトルクを変化させるように
したものである。

【００２１】〔７〕上記〔４〕記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記抵抗器のみの第１の回路
と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを
並列接続し、抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これ
らを直列または並列接続可能として、前記第１の回路の
抵抗、及び前記第２の回路の抵抗とインダクタンスを同
じ割合で変更することにより、ブレーキトルクを同期機
からみたインピーダンスの大きさの平方根に逆比例して
変化させるようにしたものである。

【００２２】〔８〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記同期機の界磁電流を調整
して誘起電圧を変更可能としたものである。

〔９〕上記〔８〕記載の同期機を用いた電気ブレーキ装
置において、前記同期機のある回転速度以上で、前記同
期機の界磁電流を調整して誘起電圧が一定となるように
したものである。

【００２３】〔１０〕上記〔８〕記載の同期機を用いた
電気ブレーキ装置において、前記同期機の同一回転速度
において、ブレーキトルクが誘起電圧の平方根に比例す
ることを利用して、界磁電流を調整することにより、所
定のブレーキトルクを得るようにしたものである。〔１１〕上記〔１〕記載の同期機を用いた電気ブレーキ
装置において、前記同期機は回転子として永久磁石を具
備するようにしたものである。

【００２４】〔１２〕上記〔１〕記載の同期機を用いた
電気ブレーキ装置において、前記ブレーキを作用させる
軸は、車両の車輪の回転軸である。〔１３〕上記〔１２〕記載の同期機を用いた電気ブレー
キ装置において、前記車両は、駆動電動機が搭載されて
いない付随車両である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。本発明は、同期機を用いて電気ブレ
ーキをかける際に、インバータなどの電力変換装置を用
いず、抵抗器やリアクトルなどの受動的な回路要素と開
閉器のみでブレーキ回路を構成し、しかも必要なブレー
キトルクの速度特性を受動的な回路要素の組み合わせで
構成するようにして、安価な電気ブレーキ装置を提供す
るようにしている。

【００２６】具体的な用途として、電気鉄道用車両のう
ち特に駆動用電動機を装着していない付随車両で使用可
能な安価な電気ブレーキ装置が考えられる。本発明は、
付随車両に最小限の電気機器を搭載して電気ブレーキ力
を得るようにすることにより、通常時に機械ブレーキの
使用をなくし、定期的な機械ブレーキ装置の保守を不要
にすることができる。

【００２７】また、これに限定されるものではなく、自
動車両の電気ブレーキシステムのバックアップ用とし
て、本発明の同期機を用いた電気ブレーキ装置を付加す
ることができる。更に、このような本発明の同期機を用
いた電気ブレーキ装置の付加的適用により、従来の機械
的ブレーキをなくすようにすることができるようになろ
う。

【００２８】図１は本発明の第１実施例を示す同期機を
用いた電気ブレーキ装置（ＲＬ回路）の構成図、図２は
その発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その１）、図３はそ
の発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その２）である。図１
において、２１は同期機、２２は電気ブレーキ回路であ
り、その電気ブレーキ回路２２は、抵抗器２３、リアク
トル２４、開閉器２５から構成されている。その同期機
２１はブレーキを作用させるべき軸２６（例えば、車
軸、駆動軸）に連結されており、その軸２６はブレーキ
を作用させるべき装置（例えば、鉄道車両用車輪、自動
車の車輪）２７に連結されている。

【００２９】この図に示すように、この実施例の電気ブ
レーキ回路の要素であるリアクトルのインダクタンスＬ
と抵抗器の抵抗Ｒを直列接続した発電ブレーキ回路（Ｒ
Ｌ回路という）を考えると、インピーダンスＺは周波数
をｆとして、Ｚ＝Ｒ＋ｊ２πｆＬ …（９）と表すことができる。

【００３０】従って、電流の振幅は｜Ｉ｜は次のように
なる。｜Ｉ｜＝Ｅ／｜Ｚ｜＝Ｅ／√〔Ｒ²＋（２πｆＬ）²〕 …（１０）ここでｎ＝ｋ₁ｆとすると、｜Ｉ｜＝ｋｋ₁φｆ／√〔Ｒ²＋（２πｆＬ）²〕ｆ≪Ｒ／２πＬのとき｜Ｉ｜→ｋｋ₁φｆ／Ｒｆ≫Ｒ／２πＬのとき｜Ｉ｜→ｋｋ₁φ／（２πＬ）（一定） …（１１）つまり、周波数ｆ＝Ｒ／（２πＬ）を境として低速域で
電流は回転速度に比例し、高速域で回転速度によらずほ
ぼ一定となる。電流｜Ｉ｜の式よりブレーキ出力を求め
ると、Ｐ＝Ｉ²Ｒ＝Ｒ（ｋｋ₁φｆ）²／〔Ｒ²＋（２πｆＬ）²〕…（１２）となるからブレーキトルクＴ_Bは、次のように表され
る。

【００３１】Ｔ_B＝Ｐ／ｋ₁ｆ＝（ｋφ）²ｋ₁Ｒ・ｆ／〔Ｒ²＋（２πｆＬ）²〕 …（１３）従って、ｆ≪Ｒ／２πＬのときＴ_B→（ｋφ）²ｋ₁・ｆ／Ｒｆ≫Ｒ／２πＬのときＴ_B→（ｋφ）²ｋ₁Ｒ／（２πＬ）²ｆ従って、ｆ≫Ｒ／（２πＬ）のとき、ブレーキトルクＴ
_Bは回転速度に反比例する。

【００３２】ここで、ＲとＬの値とブレーキトルクが最
大となる点、およびブレーキトルク最大値の関係を考察
する。ブレーキトルクを回転周波数ｆで微分すると、ｄＴ_B／ｄｆ＝（ｋφ）²ｋ₁Ｒ・〔Ｒ²−（２πｆＬ）²〕／〔Ｒ²＋（２πｆＬ）²〕² …（１４）となり、ｆ＝Ｒ／（２πＬ）で最大値をとる。この時のブレーキトルクは、Ｔ_B＝（ｋφ）²ｋ₁／（４πＬ） …（１５）となり、Ｒの値によらずＬに反比例する。すなわちＲを
変えるとブレーキトルクの最大値を変えずに、ブレーキ
トルクが最大となる回転周波数（回転速度）を変えるこ
とができる。

【００３３】したがって、速度や回転数に反比例するブ
レーキトルクが必要な時、ＲＬ回路が使える。この例を
図２に示す。この図において、図２（ａ）は回転速度
（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図２（ｂ）
は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特
性図、図２（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力
（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力
（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。

【００３４】今同期機が歯車装置を介して車輪にブレー
キトルクを伝達するとすると、歯車比をＧ_R、車輪直径
をＤとすると、走行速度ＶはＶ＝（ｎ／Ｇ_R）×πＤ …（１６）と表され、回転速度ｎと走行速度Ｖは比例する。上記し
た式（２）のように誘起電圧Ｅは回転速度ｎに比例する
ので、今誘起電圧をＥ［Ｖ］、走行速度をＶ［ｋｍ／
ｈ］として、Ｅ／Ｖを誘起電圧比と呼ぶことにする。同
様にブレーキトルクＴ_Bと車輪周上のブレーキ力Ｆ_bと
は歯車効率を無視すると、下式のような比例関係にあ
る。

【００３５】Ｆ_b＝Ｔ_B×Ｇ_R／（Ｄ／２） …（１７）また、ブレーキ出力Ｐ［ｋＷ］は電気的には電流Ｉ
［Ａ］と電圧の積／１０００［Ｖ］で表されると共に、
ブレーキ力Ｆ_b［ｋＮ］と走行速度Ｖ［ｋｍ／ｈ］／
３．６の積でも表される。Ｆ_b＝（Ｐ／Ｖ）×３．６ …（１８）以下図においては回転速度ｎのかわりに走行速度Ｖ［ｋ
ｍ／ｈ］を、ブレーキトルクＴ_Bのかわりにブレーキ力
Ｆ_Bを用いて説明する。

【００３６】なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗
器の抵抗Ｒは１Ω、リアクトルのインダクタンスＬは
０．００１Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最
大周波数ｆ_maxは６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅ_maxは１
０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂ _maxは４．７７ｋＮ、最
大ブレーキ出力Ｐ_maxは６５．７ｋＷ、同期機の皮相出
力Ｐｖ_maxは２５６．４ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１５
９．２Ｈｚである。この場合の適用が考えられるのは、
新幹線の粘着計画式にそったブレーキ力がある。これ
は、Ｆ＝Ｆ_O〔１／（Ｖ＋８５）〕 …（１９）但し、Ｆは引張力、Ｆ_Oは定数、Ｖは走行速度とするも
ので、高速域ではほぼ速度に反比例しており、ＲＬ回路
を使うことができる。

【００３７】図３は図２の場合に比較して、抵抗の値を
２．６倍にし、ブレーキトルクが最大となる回転速度
を、図２の２．６倍である、最高回転周波数の６９％と
した実施例である。つまり、図３において、図３（ａ）
は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、
図３（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力
（ｋＮ）特性図、図３（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に
対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の
皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）で
ある。

【００３８】なお、ここで、同期機の極数は６、抵抗器
の抵抗Ｒは２．６Ω、リアクトルのインダクタンスＬは
０．００１Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最
大周波数ｆ_maxは６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅ_maxは１
０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂ_maxは４．７７ｋＮ、最
大ブレーキ出力Ｐ_maxは１２４．０ｋＷ、同期機の皮相
出力Ｐｖ_maxは２１８．４ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は４
１３．８Ｈｚである。

【００３９】この場合には、低回転速度域でのブレーキ
トルクはより小さいが、高回転速度域で広い回転速度範
囲にわたって、一定の大きさのブレーキ力を得ることが
できる。次に、本発明の第２実施例について説明する。
図４は本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気ブ
レーキ装置（Ｒ−ＲＬ回路）の構成図、図５はその発電
ブレーキ特性図（Ｒ−ＲＬ）である。ここでは、上記し
た第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付して
それらの説明は省略する。

【００４０】図４において、この実施例の電気ブレーキ
回路３０は、第１の抵抗器３１と、これに並列に接続さ
れるリアクトル３２と第２の抵抗器３３が開閉器３４を
介して同期機２１に接続されている。この実施例では、
図４に示すように、Ｒ回路とＲＬ回路の並列接続からな
る。この場合、ブレーキトルクは、各々の回路のブレー
キトルクの和となる。

【００４１】（１）Ｒ回路のブレーキトルクＴ_B1が回転
数又は回転速度に比例することと、（２）ｆ≫Ｒ₂／
（２πＬ₂）の時ＲＬ回路のブレーキトルクＴ_B2が回転
速度に反比例することを利用すれば、Ｒ₁，Ｒ₂，Ｌ₂
の値を調整することにより、広い回転速度域にわたって
ほぼ一定のブレーキトルクを得ることができる。これを
図５に示す。この図５において、図５（ａ）は回転速度
（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図５（ｂ）
は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する電流（Ａ）特性図、図
５（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力
（ｋＮ）の分担特性図、図５（ｄ）は回転速度（ｋｍ／
ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図５（ｅ）は
回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）で
あり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂは
ブレーキ出力（ｋＷ）である。

【００４２】なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗
器の抵抗Ｒ₁は１２Ω、抵抗器の抵抗Ｒ₂は１．２Ω、
リアクトルのインダクタンスＬは０．００１Ｈ（ヘンリ
ー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆ_maxは６０
０Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅ_maxは１０００Ｖ、最大ブレー
キ力Ｆｂ_maxは４．２９ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐ_ma _x
は１１９．２ｋＷ、同期機の最大皮相出力ＰＶ_maxは２
０７．０ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１２７．３Ｈｚであ
る。

【００４３】このようにして、同期機２１の磁束を一定
に保つだけで、インバータなどの電力変換装置を用いな
くても、広い回転速度範囲にわたって、一定のブレーキ
トルクが得られることを示すことができた。本発明の第
２実施例のように、回転速度が変化しても一定のブレー
キトルクとしたい用途は数多い。例えば、最高速度１２
０ｋｍ／ｈ程度までの鉄道車両では、速度が変化しても
ブレーキノッチに対してほぼ一定のブレーキ力となるよ
うに設計されている。

【００４４】なお、本発明の第１、第２実施例の応用と
して、抵抗器又はリアクトルにタップを設けて、ブレー
キ指令に合わせて切換え、ブレーキトルクを変化させる
ことも考えられる。本発明の第１実施例の抵抗器を２組
設け、抵抗器を回転速度により、切換え可能とすると、
例えば、高回転速度の領域で抵抗の値が大きくなるよう
にし、低回転速度の領域では抵抗の値が小さくなるよう
にすると、抵抗器の切換えをしない場合より広い回転速
度範囲で高いブレーキトルクが得られるようにすること
ができる。

【００４５】図６は本発明の第１実施例で更に抵抗を切
換可能にした場合の電気ブレーキ装置の構成図、図７は
その発電ブレーキ特性図である。ここでは、上記した第
１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそれ
らの説明は省略する。図６（ａ）において、４０は電気
ブレーキ回路、４１はリアクトル、４２はそのリアクト
ル４１に直列に接続される第１の抵抗器、４３はその第
１の抵抗器４２に直列に接続される第２の抵抗器であ
り、第１の抵抗器４２は、第１の開閉器４４により短絡
可能に接続されており、それらのリアクトル４１、第１
の抵抗器４２、第２の抵抗器４３は第２の開閉器４５を
介して同期機２１に接続できるようになっている。

【００４６】図６（ｂ）において、５０は電気ブレーキ
回路、５１はリアクトル、５２はそのリアクトル５１に
直列に接続される第１の抵抗器、５３はその第１の抵抗
器５２に並列に接続される第２の抵抗器であり、第１の
抵抗器５２には第１の開閉器５４が、第２の抵抗器５３
には第２の開閉器５５がそれぞれ直列に接続されてい
る。

【００４７】図６（ａ）において、第２の抵抗器４３の
抵抗Ｒ₂₁の値を、図２の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒと同
じとし、第１の抵抗器４２の抵抗Ｒ₂₂と第２の抵抗器４
３の抵抗Ｒ₂₁の和を図３の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒの
値と同じとして、かつ抵抗器として、最高回転速度の４
３％までの高回転速度域では、第２の抵抗器４３と第１
の抵抗器４２の抵抗Ｒ₂₁とＲ₂₂を共に使用し、それ以下
の速度では、第１の抵抗器４２の抵抗Ｒ₂₂を短絡して、
第２の抵抗器４３の抵抗Ｒ₂₁のみを使用すれば、図７の
ブレーキトルク特性が得られ、より広い回転速度域でほ
ぼ一定のブレーキトルクを得ることができる。

【００４８】なお、図６（ｂ）の回路構成では、第１の
抵抗器５２の抵抗Ｒ₂₁の値を図３の場合の抵抗器２３の
抵抗Ｒの値と同じとし、第１の抵抗器５２と第２の抵抗
器５３の抵抗Ｒ₂₁とＲ₂₂の並列接続時の合成抵抗が図３
の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒの値と同じになるようにし
て、高回転速度域で第１の抵抗器５２の抵抗Ｒ₂₁のみを
使用し、低回転速度域で第１の抵抗器５２と第２の抵抗
器５３の抵抗Ｒ₂₁とＲ ₂₂を共に使用しても、同様に図７
のブレーキトルク特性が得られる。

【００４９】抵抗とインダクタンスの値を切換えて、ブ
レーキトルクを調整することも可能である。図８は本発
明の第２実施例で抵抗Ｒ₁Ｒ₂とインダクタンスＬ₂を
切換可能とした場合の電気ブレーキ装置の構成図、図９
はその発電ブレーキ特性図である。ここでは、上記した
第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそ
れらの説明は省略する。

【００５０】図８において、６０は電気ブレーキ回路で
あり、第１の抵抗器６１と第２の抵抗器６２が直列に接
続され、その直列接続された第１の抵抗器６１と第２の
抵抗器６２に並列に、第１のリアクトル６３、第２のリ
アクトル６４、第３の抵抗器６５、第４の抵抗器６６が
直列に接続されており、第１の抵抗器６１は第１の開閉
器６７により短絡可能に、第２のリアクトル６４と第３
の抵抗器６５の直列回路は第２の開閉器６８により短絡
可能に接続され、同期機２１には第３の開閉器６９が接
続されている。

【００５１】このように、図４に示す場合の各抵抗器と
リアクトル（インダクタンス）を２組設け、各々を直列
接続したのが、図８である。いま、Ｒ₁₁，Ｒ₂₁，Ｌ₂₁を
図５のＲ₁，Ｒ₂，Ｌ₂と等しい値とし、Ｒ₁₂，Ｒ₂₂，
Ｌ₂₂を、図５のＲ₁，Ｒ₂，Ｌ₂の（√２−１）倍の値
とした場合に、Ｒ₁₁＋Ｒ₁₂，Ｒ₂₁＋Ｒ₂₂，Ｌ₂₁＋Ｌ₂₂の
値は、図５のＲ₁，Ｒ₂，Ｌ₂の√２倍となり、図５の
場合の１／２のブレーキトルクを得ることができる。し
かも、Ｒ₁₁，Ｒ₂₁，Ｌ₂₁のみを使用すれば、図５の場合
のブレーキトルクを得ることができる。これを図９に示
す。

【００５２】このようにブレーキをかける際に、必要な
ブレーキ力に応じて、上記のように抵抗とインダクタン
スの値を切換えることが考えられる。図９は、その発電
ブレーキ特性図（２組のＲ−ＲＬ）であり、図９（ａ）
は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、
図９（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する電流（Ａ）
特性図、図９（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブ
レーキ力（ｋＮ）の分担特性図、図９（ｄ）は回転速度
（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図９
（ｅ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋ
ＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、
曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。

【００５３】なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗
器の抵抗Ｒ₁は１２Ω、抵抗器の抵抗Ｒ₂は１．２Ω、
リアクトルのインダクタンスＬは０．００１５Ｈ（ヘン
リー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆ_maxは６
００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅ_ma _xは１０００Ｖ、最大ブレ
ーキ力Ｆｂ_maxは４．２９ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐ
_maxは１１９．２ｋＷ、同期機の最大皮相出力Ｐｖ_max
は２０７．０ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１２７．３Ｈｚ
である。

【００５４】図１０は本発明の第３実施例を示す同期機
の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成
図、図１１はその発電ブレーキ特性図（その１）、図１
２はその発電ブレーキ特性図（その２）である。ここで
は、上記した第１実施例と同じ部分については、同じ符
号を付してそれらの説明は省略する。同期機の界磁電流
を制御すると、誘起電圧Ｅを変化させることができ、更
に、ブレーキトルクを広い範囲で変えることができる。
すなわち、例えば、本発明の第１実施例と界磁電流の制
御とを組み合わせて、磁束の大きさが、図３の場合の
（１／２）^1/2となるように界磁電流を変化させた場合
のブレーキトルクは、図３のブレーキトルクの１／２の
大きさになる。これを図１１に示す。

【００５５】次に、ある回転速度以下では磁束の大きさ
を一定とし、その回転速度を超えると磁束の大きさを回
転速度に反比例させ、回転速度が変化しても誘起電圧が
一定となるようにし、本発明の第１実施例のように、ブ
レーキトルクを回転速度に反比例させることも可能であ
る。図１２は最高回転速度の７０％までの速度域では、
図３の場合と全く同じとし、それ以上の速度域では界磁
電流を調節して誘起電圧が一定となるようにした場合で
あり、上記高速域で速度に反比例するブレーキトルクが
得られる。

【００５６】また、ブレーキノッチ指令によって、界磁
電流すなわち磁束を変化させると、同一回転速度での誘
起電圧を変化させることができ、ブレーキトルクを変化
させることができる。たとえば、図１３は本発明の第２
実施例をもとに、最高ブレーキノッチを７ノッチとし、
ノッチの値の平方根に磁束の大きさが比例するようにし
た場合（第４実施例）で、図１４に示すように、ノッチ
の値に比例するブレーキトルクが得られている。

【００５７】図１５は本発明に好適な永久磁石型同期機
の模式図である。この図に示すように、回転子７１は永
久磁石からなり、固定子は、電気角で１２０°の位相を
持つように配置された３個の界磁コイル７２，７３，７
４を有している。このような永久磁石からなる回転子７
１を用いることにより、構造が簡素化され、回転子７１
への電力の給電のための回路やブラシ，スリップリング
などの部品が不要となり、それらのメンテナンスをフリ
ーにすることができる。

【００５８】図１６は本発明の実施例を示す同期機の車
両への取付例を示す模式図であり、図１６（ａ）は中空
軸平行カルダン式の取付例、図１６（ｂ）は平行カルダ
ン式の取付例、図１６（ｃ）は直角カルダン式の取付例
をそれぞれ示している。これらの図において、８１，８
６，９１は同期機、８２，８７，９２は電気ブレーキ回
路、８３，８８，９４は歯車装置、８４，８９，９５は
車軸、８５，９０，９６は車輪、９３は駆動軸である。

【００５９】このように、同期機８１，８６，９１には
上記した電気ブレーキ回路８２，８７，９２を接続し
て、ブレーキを作用させるべき軸としての車軸８４，８
９，９５に同期機８１，８６，９１を連結されるように
したので、ブレーキ装置を簡素化するとともに、メンテ
ナンスを容易にすることができる。図１７は本発明の実
施例を示す自動車両への適用例を示す模式図である。

【００６０】この図において、１０１は同期機、１０２
はインバータ、１０３は充電器、１０４は直流電源、１
１０は本発明の電気ブレーキ回路であり、リアクトル１
１１、抵抗器１１２、開閉器１１３からなる。また、１
２１は同期機１０１が連結される軸（駆動軸）、１２２
は車軸、１２３は車輪（タイヤ）である。このように、
自動車両の駆動・充電・電気ブレーキシステムのバック
アップ用として、本発明の同期機を用いた電気ブレーキ
装置を用いることができる。

【００６１】このようなバックアップ用電気ブレーキ装
置を搭載することにより、近い将来には、バックアップ
用の機械式ブレーキを廃止することもでき、構造の簡素
化、所要スペースの縮小化、メンテナンスを容易化、コ
ストの低減化を図ることができる。なお、上記実施例に
おいては、鉄道用車両、自動車への適用について述べた
が、これに限定するものではなく、例えば、巻き上げ装
置、エレベータ、圧延機の電気ブレーキ装置として適用
することができることは言うまでもない。

【００６２】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００６３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。簡単
な構成で、より実用的な電気ブレーキ装置を提供するこ
とができ、その実用的効果は著大である。特に、バック
アップ用の電気ブレーキ装置として適用することによ
り、構造の簡素化、所要スペースの縮小化、メンテナン
スの容易化、コストの低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気
ブレーキ装置（ＲＬ回路）の構成図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気
ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その１）
である。

【図３】本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気
ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その２）
である。

【図４】本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気
ブレーキ装置（Ｒ−ＲＬ回路）の構成図である。

【図５】本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気
ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（Ｒ−ＲＬ）であ
る。

【図６】本発明の第１実施例で更に抵抗を切り換え可能
にした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。

【図７】本発明の第１実施例で更に抵抗を切り換え可能
にした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図で
ある。

【図８】本発明の第２実施例で抵抗Ｒ₁Ｒ₂とインダク
タンスＬ₂を切り換え可能とした場合の電気ブレーキ装
置の構成図である。

【図９】本発明の第２実施例で抵抗Ｒ₁Ｒ₂とインダク
タンスＬ₂を切り換え可能とした場合の電気ブレーキ装
置の発電ブレーキ特性図である。

【図１０】本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧
を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。

【図１１】本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧
を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特
性図（その１）である。

【図１２】本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧
を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特
性図（その２）である。

【図１３】本発明の第４実施例を示す同期機の発生電圧
を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。

【図１４】本発明の第４実施例を示す同期機の発生電圧
を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特
性図である。

【図１５】本発明に好適な永久磁石型同期機の模式図で
ある。

【図１６】本発明の実施例を示す同期機の車両への取付
け例を示す模式図である。

【図１７】本発明の実施例を示す自動車両への適用例を
示す模式図である。

【図１８】従来の電力回生ブレーキの回路図である。

【図１９】従来の発電抵抗ブレーキの回路図である。

【図２０】同期発電機に抵抗を接続した回路（推測回
路）図である。

【図２１】同期発電機に抵抗を接続した回路の発電ブレ
ーキ特性図（Ｒ）である。

【図２２】界磁電流制御回路を加えた、同期発電機に抵
抗を接続した回路（推測回路）図である。

【符号の説明】

１，１０２インバータ１１，２１，８１，８６，９１，１０１同期機１２，２３，１１２抵抗器１３，２５，３４，１１３開閉器２２，３０，４０，５０，６０，８２，８７，９２，１
１０電気ブレーキ回路２４，３２，４１，５１，１１１リアクトル２６ブレーキを作用させるべき軸２７ブレーキを作用させるべき装置３１，４２，５２，６１第１の抵抗器３３，４３，５３，６２第２の抵抗器４４，５４，６７第１の開閉器４５，５５，６８第２の開閉器６３第１のリアクトル６４第２のリアクトル６５第３の抵抗器６６第４の抵抗器６９第３の開閉器７１回転子（永久磁石）７２，７３，７４界磁コイル８３，８８，９４歯車装置８４，８９，９５，１２２車軸８５，９０，９６，１２３車輪９３，１２１駆動軸１０３充電器１０４直流電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同期機にて発電されるブレーキエネルギ
ーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性
を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接
続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される
電気ブレーキ装置であって、（ａ）ブレーキを作用させ
る軸に連結される同期機と、（ｂ）該同期機の発生電圧
と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器
とインピーダンス要素の値との組み合わせを選定するこ
とにより、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速
度特性を得る電気ブレーキ回路を具備することを特徴と
する同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項２】請求項１記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記インピーダンス要素としてリア
クトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、
前記抵抗器の抵抗ＲとリアクトルのインダクタンスＬで
定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を調整して、最高回転速度
に対応する最高周波数の１／２以上として、前記周波数
Ｒ／（２πＬ）付近に対応する回転速度域で、ほぼ一定
のブレーキトルクが得られるようにしたことを特徴とす
る同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項３】請求項１記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記インピーダンス要素としてリア
クトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、
前記リアクトルのインダクタンスＬと前記抵抗器の抵抗
Ｒの値で定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を最高周波数より
十分低い値に調整して、高回転速度域でブレーキトルク
が回転速度に反比例する特性を有するようにしたことを
特徴とする同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項４】請求項１記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記抵抗器のみの第１の回路と、抵
抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接
続し、前記第１の回路と、前記第２の回路のブレーキト
ルクの回転速度特性の和が、所定のブレーキトルクの回
転速度特性となるようにしたことを特徴とする同期機を
用いた電気ブレーキ装置。
【請求項５】請求項１記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、リアクトルと直列に抵抗器を接続
し、該抵抗器を複数個設けて、該複数個の抵抗器を前記
リアクトルに直列または並列接続可能にして、高速度域
ではより高い抵抗値となるように、また低速度域ではよ
り低い抵抗値となるように、前記回路の抵抗値を特定速
度にて切換え可能としたことを特徴とする同期機を用い
た電気ブレーキ装置。
【請求項６】請求項２又は３記載の同期機を用いた電
気ブレーキ装置において、前記抵抗器とリアクトルを直
列接続した回路において抵抗器とリアクトルを複数個設
けて、これらを直列または並列接続可能として、前記回
路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することに
より、前記回路のインピーダンスの大きさの平方根に逆
比例してブレーキトルクを変化させることを特徴とする
同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項７】請求項４記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記抵抗器のみの第１の回路と、抵
抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接
続し、抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直
列または並列接続可能として、前記第１の回路の抵抗、
及び前記第２の回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合
で変更することにより、ブレーキトルクを同期機からみ
たインピーダンスの大きさの平方根に逆比例して変化さ
せることを特徴とする同期機を用いた電気ブレーキ装
置。
【請求項８】請求項１記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記同期機の界磁電流を調整して誘
起電圧を変更可能としたことを特徴とする同期機を用い
た電気ブレーキ装置。
【請求項９】請求項８記載の同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置において、前記同期機のある回転速度以上で、
前記同期機の界磁電流を調整して誘起電圧が一定となる
ようにしたことを特徴とする同期機を用いた電気ブレー
キ装置。
【請求項１０】請求項８記載の同期機を用いた電気ブ
レーキ装置において、前記同期機の同一回転速度におい
て、ブレーキトルクが誘起電圧の平方根に比例すること
を利用して、界磁電流を調整することにより、所定のブ
レーキトルクを得るようにしたことを特徴とする同期機
を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項１１】請求項１記載の同期機を用いた電気ブ
レーキ装置において、前記同期機は回転子として永久磁
石を具備することを特徴とする同期機を用いた電気ブレ
ーキ装置。
【請求項１２】請求項１記載の同期機を用いた電気ブ
レーキ装置において、前記ブレーキを作用させる軸は、
車両の車輪の回転軸であることを特徴とする同期機を用
いた電気ブレーキ装置。
【請求項１３】請求項１２記載の同期機を用いた電気
ブレーキ装置において、前記車両は、駆動電動機が搭載
されていない付随車両であることを特徴とする同期機を
用いた電気ブレーキ装置。