JP3886648B2 - Electric brake device using synchronous machine - Google Patents
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- B60L2200/00—Type of vehicles
- B60L2200/26—Rail vehicles
Description
【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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
これらの図において、同期機2の誘起電圧をES 、インバータ1の発生電圧をEC とすると、同期機2の電流Is は次のように表される。
【0008】
IS =(ES −EC )/(RO +j2πfLO ) …(1)
ここで、RO とLO 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。
【0009】
ES とIS 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EC 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、ES とIS 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EC 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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
【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。
【0014】
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。
【0015】
(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。
【0016】
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。
【0017】
抵抗器12で消費される電力は、図21(c)に示すように、
P=I2 R=E2 /R=(kφn)2 /R …(4)
と表され、回転速度nの2乗に比例する。
【0018】
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。
【0019】
TB n=P=(kφn)2 /R …(5)
従って、ブレーキトルクTB は回転速度nに比例する。
【0020】
TB =(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TB 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。
【0021】
(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。
【0022】
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。
【0023】
上記の式より
φ2 =TB R/k2 n …(7)
∴φ=(1/k)√(TB R/n) …(8)
従って、回転速度nが変化してもブレーキトルクTB 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。
【0024】
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、φmin とすると、その1/10の回転速度では√10φmin ≒3φmin とする必要がある。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
【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に基づいて、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し、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するとともに、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。
【0028】
〔2〕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に基づいて、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し、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とともに、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。
【0029】
〔3〕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に基づいて、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し、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するとともに、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。
【0030】
【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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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(RL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。
【0039】
従って、電流の振幅は|I|は次のようになる。
【0040】
|I|=E/|Z|=E/√〔R2 +(2πfL)2 〕 …(10)
ここで
n=k1 fとすると、
|I|=kk1 φf/√〔R2 +(2πfL)2 〕
f≪R/2πLのとき |I|→kk1 φf/R
f≫R/2πLのとき |I|→kk1 φ/(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=I2 R=R(kk1 φf)2 /〔R2 +(2πfL)2 〕 …(12)
となるからブレーキトルクTB は、次のように表される。
【0041】
TB =P/k1 f=(kφ)2 k1 R・f/〔R2 +(2πfL)2 〕 …(13)
従って、
f≪R/2πLのとき TB →(kφ)2 k1 ・f/R
f≫R/2πLのとき TB →(kφ)2 k1 R/(2πL)2 f
従って、f≫R/(2πL)のとき、ブレーキトルクTB は回転速度に反比例する。
【0042】
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。
【0043】
ブレーキトルクを回転周波数fで微分すると、
dTB /df
=(kφ)2 k1 R・〔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、
TB =(kφ)2 k1 /(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。
【0044】
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。
【0045】
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GR 、車輪直径をDとすると、走行速度Vは
V=(n/GR )×πD …(16)
と表され、回転速度nと走行速度Vは比例する。
【0046】
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TB と車輪周上のブレーキ力Fb 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。
【0047】
Fb =TB ×GR /(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Fb [kN]と走行速度V[km/h]/3.6の積でも表される。
【0048】
Fb =(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[km/h]を、ブレーキトルクTB のかわりにブレーキ力FB を用いて説明する。
【0049】
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fmax は600Hz、最大誘起電圧Emax は1000V、最大ブレーキ力Fbmax は4.77kN、最大ブレーキ出力Pmax は65.7kW、同期機の皮相出力Pvmax は256.4kVA、R/(2πL)は159.2Hz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=FO 〔1/(V+85)〕 …(19)
但し、Fは引張力、FO 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。
【0050】
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。
【0051】
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fmax は600Hz、最大誘起電圧Emax は1000V、最大ブレーキ力Fbmax は4.77kN、最大ブレーキ出力Pmax は124.0kW、同期機の皮相出力Pvmax は218.4kVA、R/(2πL)は413.8Hzである。
【0052】
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。
【0053】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
(1)R回路のブレーキトルクTB1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TB2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。
【0058】
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fmax は600Hz、最大誘起電圧Emax は1000V、最大ブレーキ力Fbmax は4.29kN、最大ブレーキ出力Pmax は119.2kW、同期機の最大皮相出力PVmax は207.0kVA、R/(2πL)は127.3Hzである。
【0059】
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。
【0060】
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120km/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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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43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43%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。
【0067】
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R22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。
【0068】
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。
【0069】
図8は本発明の第2実施例で抵抗R1 R2 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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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,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。
【0074】
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fmax は600Hz、最大誘起電圧Emax は1000V、最大ブレーキ力Fbmax は4.29kN、最大ブレーキ出力Pmax は119.2kW、同期機の最大皮相出力Pvmax は207.0kVA、R/(2πL)は127.3Hzである。
【0075】
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12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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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72,73,74を有している。
【0082】
このような永久磁石からなる回転子71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。
【0083】
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。
【0084】
これらの図において、81,86,91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。
【0085】
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84,89,95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。
【0086】
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。
【0087】
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、110は本発明の電気ブレーキ回路であり、リアクトル111、抵抗器112、開閉器113からなる。また、121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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
【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。
【0093】
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R1 R2 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R1 R2 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
22,30,40,50,60,82,87,92,110 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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric brake device using a synchronous machine, and in particular, a combination of a resistor and a reactor connected to a synchronous machine coupled to a shaft on which a brake is applied, and a rotational speed of a predetermined braking force without a power converter. The present invention relates to an electric brake device that obtains characteristics.
[0002]
[Prior art]
In general, an inverter is required to apply an electric brake with an AC rotating machine. Further, if the resistor is used as it is as a load, there is a problem that the braking force is proportional to the rotation speed and can be used only for a very specific purpose.
[0003]
A conventional electric brake device uses a drive motor or an inverter to change the brake torque by controlling the inverter, and can only be used in an electric vehicle equipped with the drive motor. Also, in accompanying vehicles that are not equipped with a drive motor, mechanical brakes such as disc brakes and tread brakes are used, and wear due to friction is required. Regular maintenance such as inspection and replacement of brake parts is necessary. I was trying.
[0004]
When a synchronous machine is used as an electric motor and an electric brake is used, an inverter is necessary for supplying electric power to the electric motor, and the electric brake is normally used for the electric brake.
[0005]
Then, if the synchronized three-phase AC voltage is generated by the inverter with respect to the three-phase AC induced voltage generated by the synchronous machine, it is rotated as an electric motor by adjusting the amplitude and phase of the voltage generated by the inverter. It is also possible to take out electric power as a generator.
[0006]
FIG. 18 is a circuit diagram of such a conventional power regeneration brake, and FIG. 19 is a circuit diagram of a conventional power generation resistance brake.
[0007]
In these figures, the induced voltage of the
[0008]
IS= (ES-EC) / (RO+ J2πfLO(1)
Where ROAnd LOIs the internal resistance and inductance of the
[0009]
ESAnd ISThe generated voltage E of the
[0010]
If such a conventional technique is used, the
[0011]
Further, a device for regenerating or consuming electric power is required on the direct current side of the power converter such as the
[0012]
That is, in the prior art, in order to apply the brake with the
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Furthermore, in the technology configured as described below, the following problems can be considered.
[0014]
FIG. 20 is a circuit (estimation circuit) diagram in which a resistor is connected to a synchronous generator. Here, the internal resistance and inductance of the synchronous machine are ignored. FIG. 21 is a power generation brake characteristic diagram (R).
[0015]
(1) Problems when a resistor is connected to the synchronous machine 11 (R circuit)
As shown in FIG. 20, it is considered that a brake circuit can be configured by connecting a
[0016]
However, if the magnetic flux φ of the
E = kφn (2)
Assuming that the resistance of the
I = E / R (3)
Current flows, and the brake is applied as shown in FIG.
[0017]
The power consumed by the
P = I2R = E2/ R = (kφn)2/ R (4)
And is proportional to the square of the rotational speed n.
[0018]
On the other hand, if the loss is ignored, the product of the brake torque and the rotational speed is the brake power, which is equal to the power P consumed by the
[0019]
TBn = P = (kφn)2/ R (5)
Therefore, the brake torque TBIs proportional to the rotational speed n.
[0020]
TB= (Kφ)2・ N / R (6)
If the
[0021]
(2) Problems of field control
FIG. 22 is a circuit (estimation circuit) diagram in which a resistor is connected to a synchronous generator to which a field current control circuit is added.
[0022]
In such a case, it is conceivable to adjust the field current of the
[0023]
From the above formula
φ2= TBR / k2n ... (7)
∴φ = (1 / k) √ (TBR / n) (8)
Therefore, even if the rotational speed n changes, the brake torque TBAs a method of keeping the constant, it is conceivable to change the magnetic flux φ in proportion to 1 / √n.
[0024]
To obtain a constant brake torque up to 1/10 of the maximum rotation speed, the magnetic flux isminThen, at the rotation speed of 1/10, √10φmin≒ 3φminIt is necessary to.
[0025]
The field current can be adjusted in this way, but the rotating machine must generate a magnetic flux that is three times the required magnetic flux at the maximum rotational speed, so that the iron core cross-sectional area of the magnetic path is increased accordingly. It must be done and it is disadvantageous.
[0026]
An object of the present invention is to provide an electric brake device using a synchronous machine that eliminates the above-described problems and can operate an effective brake with a simple configuration.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] Consists of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit An electric brake device that is connected to a shaft on which a brake is applied, and that the voltage and frequency generated by the synchronous machine are proportional to the rotational speed, and the value of the resistor and the impedance elementOn the basis of theAn electric brake circuit for obtaining a rotational speed characteristic of a required brake torque of the synchronous machineThen, a reactor is used as the impedance element, the resistor and the reactor are connected in series, and the frequency R / (2πL) determined by the resistance R of the resistor and the inductance L of the reactor is adjusted to correspond to the maximum rotation speed. In the circuit in which the resistor and the reactor are connected in series, a substantially constant brake torque can be obtained in a rotational speed range corresponding to the vicinity of the frequency R / (2πL) as ½ or more of the maximum frequency. A plurality of reactors and reactors can be connected in series or in parallel, and by changing the resistance and inductance of the circuit at the same rate, the brake torque is inversely proportional to the square root of the impedance of the circuit. ChangeIt is what I did.
[0028]
[2]Electricity consisting of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit A brake device based on the value of a resistor and an impedance element using a synchronous machine connected to a shaft on which a brake is applied, and the generated voltage and frequency of the synchronous machine are proportional to the rotational speed. An electric brake circuit for obtaining a rotational speed characteristic of a required brake torque of the synchronous machine,Using a reactor as the impedance element, connecting the resistor and the reactor in series,Reactor inductance L and resistor R resistanceFrequency R / (2πL) determined byTo a value well below the maximum frequencyAdjustHighRotational speed rangeInRake torqueIn addition to having a characteristic inversely proportional to the rotation speed, a plurality of resistors and reactors are provided in a circuit in which the resistor and the reactor are connected in series so that they can be connected in series or in parallel, so that the resistance and inductance of the circuit are equal. By changing the brake torque, the brake torque is changed in inverse proportion to the square root of the magnitude of the impedance of the circuit.It is what I did.
[0029]
[3]Electricity consisting of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit A brake device based on the value of a resistor and an impedance element using a synchronous machine connected to a shaft on which a brake is applied, and the generated voltage and frequency of the synchronous machine are proportional to the rotational speed. An electric brake circuit for obtaining a rotational speed characteristic of a required brake torque of the synchronous machine, wherein a first circuit including only the resistor and a second circuit including a resistor and a reactor connected in series are connected in parallel; The sum of the rotation speed characteristics of the brake torque of the first circuit and the second circuit is the rotation speed characteristic of a predetermined brake torque, and the resistance The first circuit of only the resistor and the second circuit in which the resistor and the reactor are connected in series are connected in parallel, and a plurality of resistors and reactors are provided so that they can be connected in series or in parallel. The resistance of the circuit, and the resistance of the second circuit By changing the ductance at the same rate, the brake torque is changed in inverse proportion to the square root of the impedance as seen from the synchronous machine.It is what I did.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0031]
In the present invention, when an electric brake is applied using a synchronous machine, a brake circuit is constituted only by passive circuit elements such as resistors and reactors and a switch, without using a power conversion device such as an inverter, and is necessary. Thus, an inexpensive electric brake device is provided by constructing a speed characteristic of a simple brake torque by a combination of passive circuit elements.
[0032]
As a specific application, there can be considered an inexpensive electric brake device that can be used in an accompanying vehicle that is not equipped with a driving motor among electric railway vehicles.
[0033]
The present invention eliminates the use of a mechanical brake during normal times and eliminates the need for regular maintenance of the mechanical brake device by mounting a minimum amount of electrical equipment on an associated vehicle to obtain an electric braking force. it can.
[0034]
Further, the present invention is not limited to this, and an electric brake device using the synchronous machine of the present invention can be added as a backup for an electric brake system of a motor vehicle.
[0035]
Furthermore, the conventional application of the electric brake device using the synchronous machine of the present invention will make it possible to eliminate the conventional mechanical brake.
[0036]
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric brake device (RL circuit) using a synchronous machine showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a power generation brake characteristic diagram (RL) (part 1), and FIG. It is a characteristic view (RL) (the 2).
[0037]
In FIG. 1, 21 is a synchronous machine, 22 is an electric brake circuit, and the
[0038]
As shown in this figure, when considering a power generation brake circuit (referred to as an RL circuit) in which a reactor inductance L, which is an element of the electric brake circuit of this embodiment, and a resistor R of resistors are connected in series, the impedance Z has a frequency f. As
Z = R + j2πfL (9)
It can be expressed as.
[0039]
Therefore, the current amplitude | I | is as follows.
[0040]
| I | = E / | Z | = E / √ [R2+ (2πfL)2] (10)
here
n = k1If f,
| I | = kk1φf / √ [R2+ (2πfL)2]
When f << R / 2πL | I | → kk1φf / R
When f >> R / 2πL | I | → kk1φ / (2πL) (constant) (11)
That is, the current is proportional to the rotational speed in the low speed region with the frequency f = R / (2πL) as a boundary, and is substantially constant regardless of the rotational speed in the high speed region. When the brake output is obtained from the equation of current | I |
P = I2R = R (kk1φf)2/ [R2+ (2πfL)2] (12)
Brake torque TBIs expressed as follows.
[0041]
TB= P / k1f = (kφ)2k1R · f / [R2+ (2πfL)2] (13)
Therefore,
T when f << R / 2πLB→ (kφ)2k1・ F / R
f >> R / 2πL TB→ (kφ)2k1R / (2πL)2f
Therefore, when f >> R / (2πL), the brake torque TBIs inversely proportional to the rotational speed.
[0042]
Here, the relationship between the R and L values, the point at which the brake torque becomes maximum, and the brake torque maximum value will be considered.
[0043]
When the brake torque is differentiated by the rotation frequency f,
dTB/ Df
= (Kφ)2k1R ・ [R2− (2πfL)2] / [R2+ (2πfL)2]2
... (14)
Thus, the maximum value is obtained at f = R / (2πL). The brake torque at this time is
TB= (Kφ)2k1/ (4πL) (15)
And is in inverse proportion to L regardless of the value of R. That is, when R is changed, the rotation frequency (rotation speed) at which the brake torque becomes maximum can be changed without changing the maximum value of the brake torque.
[0044]
Therefore, the RL circuit can be used when a brake torque inversely proportional to the speed and the rotational speed is required. An example of this is shown in FIG. In this figure, FIG. 2 (a) is a total current (A) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h), FIG. 2 (b) is a brake force (kN) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. (C) is the output (kW, kVA) with respect to the rotational speed (km / h), the curve a is the apparent output (kVA) of the synchronous machine, and the curve b is the brake output (kW).
[0045]
If the synchronous machine now transmits brake torque to the wheels via the gear unit, the gear ratio is set to GRWhen the wheel diameter is D, the running speed V is
V = (n / GR) × πD (16)
The rotational speed n and the traveling speed V are proportional.
[0046]
Since the induced voltage E is proportional to the rotational speed n as in the above equation (2), the induced voltage is now E [V], the traveling speed is V [km / h], and E / V is called the induced voltage ratio. I will decide. Similarly, brake torque TBAnd brake force F around the wheelbIf the gear efficiency is neglected, is proportional to the following equation.
[0047]
Fb= TB× GR/ (D / 2) (17)
Further, the brake output P [kW] is electrically expressed as a product of current I [A] and voltage / 1000 [V], and brake force FbIt is also expressed as a product of [kN] and traveling speed V [km / h] /3.6.
[0048]
Fb= (P / V) × 3.6 (18)
In the figure below, instead of the rotational speed n, the traveling speed V [km / h] is expressed as the brake torque TBInstead of brake force FBWill be described.
[0049]
Here, the number of poles P of the synchronous machine is 6, the resistance R of the resistor is 1Ω, the inductance L of the reactor is 0.001H (Henry), the induced voltage constant K is 10, and the maximum frequency fmaxIs 600 Hz, maximum induced voltage Emax1000V, maximum braking force FbmaxIs 4.77kN, maximum brake output PmaxIs the apparent output Pv of the synchronous machinemaxIs 256.4 kVA and R / (2πL) is 159.2 Hz. A possible application in this case is the braking force in line with the Shinkansen adhesion plan. this is,
F = FO[1 / (V + 85)] (19)
Where F is the tensile force and FOIs constant, V is running speed
In the high speed range, the speed is almost inversely proportional to the speed, and the RL circuit can be used.
[0050]
3, the resistance value is 2.6 times that of FIG. 2, and the rotation speed at which the brake torque is maximized is 2.6 times that of FIG. 2, which is 69% of the maximum rotation frequency. This is an example. That is, in FIG. 3, FIG. 3A is a total current (A) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. 3B is a brake force (kN) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h). FIG. 3C shows the output (kW, kVA) with respect to the rotational speed (km / h), the curve a is the apparent output (kVA) of the synchronous machine, and the curve b is the brake output (kW).
[0051]
Here, the number of poles of the synchronous machine is 6, the resistance R of the resistor is 2.6Ω, the inductance L of the reactor is 0.001H (Henry), the induced voltage constant K is 10, and the maximum frequency fmaxIs 600 Hz, maximum induced voltage Emax1000V, maximum braking force FbmaxIs 4.77kN, maximum brake output PmaxIs 124.0kW, apparent output Pv of synchronous machinemaxIs 218.4 kVA and R / (2πL) is 413.8 Hz.
[0052]
In this case, although the brake torque in the low rotational speed range is smaller, a constant braking force can be obtained over a wide rotational speed range in the high rotational speed range.
[0053]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0054]
FIG. 4 is a configuration diagram of an electric brake device (R-RL circuit) using a synchronous machine showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a power generation brake characteristic diagram (R-RL). Here, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0055]
In FIG. 4, in the
[0056]
In this embodiment, as shown in FIG. 4, an R circuit and an RL circuit are connected in parallel. In this case, the brake torque is the sum of the brake torques of the respective circuits.
[0057]
(1) R circuit brake torque TB1Is proportional to the rotational speed or rotational speed,
(2) f >> R2/ (2πL2) Brake torque T of RL circuitB2Is inversely proportional to the rotation speed, R1, R2, L2By adjusting this value, a substantially constant brake torque can be obtained over a wide rotational speed range. This is shown in FIG. In FIG. 5, FIG. 5 (a) is a total current (A) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h), FIG. 5 (b) is a current (A) characteristic diagram with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. (C) is a distribution characteristic diagram of the braking force (kN) with respect to the rotational speed (km / h), FIG. 5 (d) is a characteristic diagram of the braking force (kN) with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. The output (kW, kVA) with respect to the rotational speed (km / h), the curve a is the apparent output (kVA) of the synchronous machine, and the curve b is the brake output (kW).
[0058]
Here, the number of poles P of the synchronous machine is 6, and the resistance R of the resistor1Is 12Ω, resistor resistance R2Is 1.2Ω, the inductance L of the reactor is 0.001H (Henry), the induced voltage constant K is 10, and the maximum frequency fmaxIs 600 Hz, maximum induced voltage Emax1000V, maximum braking force Fbmax4.29kN, maximum brake output PmaxIs the maximum apparent output PV of the synchronous machinemaxIs 207.0 kVA, and R / (2πL) is 127.3 Hz.
[0059]
In this way, it was possible to show that a constant brake torque can be obtained over a wide rotational speed range without using a power converter such as an inverter, simply by keeping the magnetic flux of the
[0060]
As in the second embodiment of the present invention, there are many applications where it is desired to maintain a constant brake torque even when the rotational speed changes. For example, a railway vehicle having a maximum speed of about 120 km / h is designed to have a substantially constant braking force with respect to the brake notch even if the speed changes.
[0061]
As an application of the first and second embodiments of the present invention, it is conceivable that a resistor or a reactor is provided with a tap and switched according to a brake command to change the brake torque.
[0062]
If two sets of resistors of the first embodiment of the present invention are provided and the resistors can be switched according to the rotation speed, for example, the resistance value is increased in the high rotation speed region, and in the low rotation speed region. If the resistance value is reduced, a higher brake torque can be obtained in a wider rotational speed range than when the resistor is not switched.
[0063]
FIG. 6 is a configuration diagram of the electric brake device when the resistance can be further switched in the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a power generation brake characteristic diagram thereof. Here, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0064]
In FIG. 6A, 40 is an electric brake circuit, 41 is a reactor, 42 is a first resistor connected in series to the
[0065]
In FIG. 6B, 50 is an electric brake circuit, 51 is a reactor, 52 is a first resistor connected in series to the
[0066]
In FIG. 6A, the resistance R of the
[0067]
In the circuit configuration of FIG. 6B, the resistance R of the
[0068]
It is also possible to adjust the brake torque by switching the resistance and inductance values.
[0069]
FIG. 8 shows a resistor R according to the second embodiment of the present invention.1R2And inductance L2FIG. 9 is a diagram of the power generation brake characteristics of the electric brake device when switching is possible. Here, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0070]
In FIG. 8,
[0071]
As described above, FIG. 8 shows two sets of resistors and reactors (inductances) in the case shown in FIG. Now R11, Rtwenty one, Ltwenty oneR in FIG.1, R2, L2And a value equal to R12, Rtwenty two, Ltwenty twoR in FIG.1, R2, L2When the value is (√2-1) times the value of11+ R12, Rtwenty one+ Rtwenty two, Ltwenty one+ Ltwenty twoThe value of R in FIG.1, R2, L2√2 times that of the brake torque in the case of FIG. 5 can be obtained. Moreover, R11, Rtwenty one, Ltwenty oneIf only is used, the brake torque in the case of FIG. 5 can be obtained. This is shown in FIG.
[0072]
When the brake is applied in this way, it is conceivable to switch the values of the resistance and the inductance as described above according to the required braking force.
[0073]
FIG. 9 is a diagram of the power generation brake characteristics (two sets of R-RL), FIG. 9A is a characteristic diagram of the total current (A) with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. 9B is the rotational speed. FIG. 9 (c) shows a distribution characteristic diagram of the braking force (kN) with respect to the rotational speed (km / h), and FIG. 9 (d) shows the rotational speed (km / h). FIG. 9E is an output (kW, kVA) with respect to the rotational speed (km / h), a curve a is an apparent output (kVA) of the synchronous machine, and a curve b is a brake output (kN). kW).
[0074]
Here, the number of poles P of the synchronous machine is 6, and the resistance R of the resistor1Is 12Ω, resistor resistance R2Is 1.2Ω, the inductance L of the reactor is 0.0015H (Henry), the induced voltage constant K is 10, and the maximum frequency fmaxIs 600 Hz, maximum induced voltage Emax1000V, maximum braking force Fbmax4.29kN, maximum brake output PmaxIs 119.2kW, the maximum apparent output Pv of the synchronous machinemaxIs 207.0 kVA, and R / (2πL) is 127.3 Hz.
[0075]
FIG. 10 is a block diagram of an electric brake device when the voltage generated by the synchronous machine according to the third embodiment of the present invention is variable, FIG. 11 is a diagram of its power generation brake characteristics (part 1), and FIG. It is a figure (the 2). Here, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0076]
By controlling the field current of the synchronous machine, the induced voltage E can be changed, and the brake torque can be changed in a wide range. That is, for example, by combining the first embodiment of the present invention and the control of the field current, the magnitude of the magnetic flux is (1/2) in the case of FIG.1/2The brake torque when the field current is changed so as to become ½ of the brake torque in FIG. This is shown in FIG.
[0077]
Next, the magnetic flux is kept constant below a certain rotational speed, and when the rotational speed is exceeded, the magnetic flux is made inversely proportional to the rotational speed so that the induced voltage remains constant even if the rotational speed changes. As in the first embodiment of the invention, the brake torque can be made inversely proportional to the rotational speed.
[0078]
FIG. 12 shows a case where the speed range up to 70% of the maximum rotation speed is exactly the same as that in FIG. 3, and in the speed range higher than that, the field current is adjusted to make the induced voltage constant. Brake torque inversely proportional to the speed is obtained in the high speed range.
[0079]
Further, when the field current, that is, the magnetic flux is changed by the brake notch command, the induced voltage at the same rotational speed can be changed, and the brake torque can be changed. For example, FIG. 13 shows a case where the highest brake notch is 7 notches and the magnitude of the magnetic flux is proportional to the square root of the notch value (fourth embodiment) based on the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, a brake torque proportional to the value of the notch is obtained.
[0080]
FIG. 15 is a schematic view of a permanent magnet type synchronous machine suitable for the present invention.
[0081]
As shown in this figure, the
[0082]
By using the
[0083]
16A and 16B are schematic views showing an example of mounting the synchronous machine on the vehicle according to the embodiment of the present invention. FIG. 16A is a mounting example of a hollow shaft parallel cardan type, and FIG. 16B is a parallel cardan type. An example of attachment, FIG. 16 (c) shows an example of attachment of a right-angle cardan type.
[0084]
In these figures, 81, 86, 91 are synchronous machines, 82, 87, 92 are electric brake circuits, 83, 88, 94 are gear units, 84, 89, 95 are axles, 85, 90, 96 are wheels, 93 Is a drive shaft.
[0085]
Thus, the above-described
[0086]
FIG. 17 is a schematic diagram showing an application example to a motor vehicle showing an embodiment of the present invention.
[0087]
In this figure, 101 is a synchronous machine, 102 is an inverter, 103 is a charger, 104 is a DC power source, and 110 is an electric brake circuit according to the present invention, and includes a
[0088]
As described above, the electric brake device using the synchronous machine of the present invention can be used as a backup for driving, charging, and electric brake system of an automobile.
[0089]
By installing such a backup electric brake device, the mechanical brake for backup can be abolished in the near future, simplifying the structure, reducing the required space, facilitating maintenance, and reducing the cost. Reduction can be achieved.
[0090]
In the above-described embodiments, application to railway vehicles and automobiles has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied as, for example, an electric brake device for a hoisting device, an elevator, or a rolling mill. Yes.
[0091]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0092]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0093]
It is possible to provide a more practical electric brake device with a simple configuration, and its practical effect is remarkable. In particular, when applied as a backup electric brake device, the structure can be simplified, the required space can be reduced, the maintenance can be facilitated, and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric brake device (RL circuit) using a synchronous machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a power generation brake characteristic diagram (RL) (part 1) of the electric brake device using the synchronous machine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a power generation brake characteristic diagram (RL) (part 2) of the electric brake device using the synchronous machine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of an electric brake device (R-RL circuit) using a synchronous machine showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a power generation brake characteristic diagram (R-RL) of an electric brake device using a synchronous machine showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of an electric brake device when resistance can be switched in the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a power generation brake characteristic diagram of the electric brake device when resistance can be switched in the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a resistor R according to the second embodiment of the present invention.1R2And inductance L2It is a block diagram of an electric brake device when the switch is made possible.
FIG. 9 shows a resistor R according to the second embodiment of the present invention.1R2And inductance L2FIG. 6 is a power generation brake characteristic diagram of the electric brake device when switching is possible.
FIG. 10 is a configuration diagram of an electric brake device when a voltage generated by a synchronous machine according to a third embodiment of the present invention is variable.
FIG. 11 is a power generation brake characteristic diagram (part 1) of the electric brake device when the voltage generated by the synchronous machine according to the third embodiment of the present invention is variable.
FIG. 12 is a power generation brake characteristic diagram (part 2) of the electric brake device when the generated voltage of the synchronous machine according to the third embodiment of the present invention is variable.
FIG. 13 is a configuration diagram of an electric brake device when a voltage generated by a synchronous machine according to a fourth embodiment of the present invention is variable.
FIG. 14 is a power generation brake characteristic diagram of the electric brake device when the voltage generated by the synchronous machine according to the fourth embodiment of the present invention is variable.
FIG. 15 is a schematic view of a permanent magnet type synchronous machine suitable for the present invention.
FIG. 16 is a schematic view showing an example of attachment of the synchronous machine to the vehicle according to the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic diagram showing an application example to a motor vehicle showing an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a circuit diagram of a conventional power regenerative brake.
FIG. 19 is a circuit diagram of a conventional power generation resistance brake.
FIG. 20 is a circuit (estimation circuit) diagram in which a resistor is connected to a synchronous generator.
FIG. 21 is a power generation brake characteristic diagram (R) of a circuit in which a resistor is connected to a synchronous generator.
FIG. 22 is a circuit (estimating circuit) diagram in which a resistor is connected to a synchronous generator to which a field current control circuit is added.
[Explanation of symbols]
1,102 Inverter
11, 21, 81, 86, 91, 101 Synchronous machine
12, 23, 112 resistors
13, 25, 34, 113 Switch
22, 30, 40, 50, 60, 82, 87, 92, 110 Electric brake circuit
24, 32, 41, 51, 111 reactor
26 Axis on which brake should be applied
27 Device to actuate the brake
31, 42, 52, 61 First resistor
33, 43, 53, 62 Second resistor
44, 54, 67 First switch
45, 55, 68 Second switch
63 First reactor
64 Second reactor
65 third resistor
66 Fourth resistor
69 Third switch
71 Rotor (permanent magnet)
72, 73, 74 Field coils
83, 88, 94 gearing
84, 89, 95, 122 axle
85, 90, 96, 123 wheels
93, 121 Drive shaft
103 charger
104 DC power supply
Claims (3)
(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に基づいて、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し、
(c)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するとともに、
(d)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。Electricity consisting of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit Brake device,
(A) a synchronous machine coupled to a shaft for operating a brake;
(B) Using the fact that the generated voltage and frequency of the synchronous machine are proportional to the rotational speed, the electric speed to obtain the rotational speed characteristic of the required brake torque of the synchronous machine based on the value of the resistor and the impedance element Equipped with a brake circuit ,
(C) A reactor is used as the impedance element, the resistor and the reactor are connected in series, and the frequency R / (2πL) determined by the resistance R of the resistor and the inductance L of the reactor is adjusted to correspond to the maximum rotation speed. As a result, it is possible to obtain a substantially constant brake torque in a rotational speed range corresponding to the vicinity of the frequency R / (2πL) as 1/2 or more of the maximum frequency to be
(D) In the circuit in which the resistor and the reactor are connected in series, a plurality of resistors and reactors are provided, these can be connected in series or in parallel, and the resistance and inductance of the circuit are changed at the same ratio, thereby the circuit An electric brake device using a synchronous machine, wherein the brake torque is changed in inverse proportion to the square root of the magnitude of the impedance .
(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に基づいて、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し、
(c)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とともに、
(d)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。 Electricity consisting of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit Brake device,
(A) a synchronous machine coupled to a shaft for operating a brake;
(B) Using the fact that the generated voltage and frequency of the synchronous machine are proportional to the rotational speed, the electric speed to obtain the rotational speed characteristic of the required brake torque of the synchronous machine based on the value of the resistor and the impedance element Equipped with a brake circuit,
(C) A reactor is used as the impedance element, the resistor and the reactor are connected in series, and the frequency R / (2πL) determined by the inductance L of the reactor and the resistance R of the resistor is a value sufficiently lower than the maximum frequency. was adjusted to, and has a characteristic that the high speed range Deb Rekitoruku inversely proportional to the rotational speed,
(D) In the circuit in which the resistor and the reactor are connected in series, a plurality of resistors and reactors are provided, these can be connected in series or in parallel, and the resistance and inductance of the circuit are changed at the same ratio, thereby the circuit An electric brake device using a synchronous machine, wherein the brake torque is changed in inverse proportion to the square root of the magnitude of the impedance .
(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に基づいて、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し、
(c)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するとともに、
(d)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。 Electricity consisting of a resistor that consumes brake energy generated by the synchronous machine, an impedance element for maintaining the rotational speed characteristics of the brake torque properly, and a switch that connects them to create an electric brake circuit Brake device,
(A) a synchronous machine coupled to a shaft for operating a brake;
(B) Using the fact that the generated voltage and frequency of the synchronous machine are proportional to the rotational speed, the electric speed to obtain the rotational speed characteristic of the required brake torque of the synchronous machine based on the value of the resistor and the impedance element Equipped with a brake circuit,
(C) A first circuit of only the resistor and a second circuit in which a resistor and a reactor are connected in series are connected in parallel, and the rotational speed of the brake torque of the first circuit and the second circuit While the sum of the characteristics becomes the rotational speed characteristics of a predetermined brake torque,
(D) The first circuit including only the resistor and the second circuit in which the resistor and the reactor are connected in series are connected in parallel, and a plurality of resistors and reactors are provided so that they can be connected in series or in parallel. By changing the resistance of the first circuit and the resistance and inductance of the second circuit at the same ratio, the brake torque is changed in inverse proportion to the square root of the magnitude of the impedance viewed from the synchronous machine. An electric brake device using the characteristic synchronous machine.
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