JP4700138B1 - 直流回生電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】出力効率を高め、かつ給電停止直後の回生制動を、給電操作手段の操作で簡易に行うことや、回生制動で得られた電力を、蓄電器や二次電池に効率的に蓄電してエネルギー効率を高めることが可能な直流回生電動機を提供する。
【解決手段】回転子と、固定子と、指令信号を出力する指令信号生成手段と、給電信号を出力する給電信号生成手段と、回転子の磁極を検出する検出手段と、界磁巻線対それぞれに供給される負荷電流の方向を切換える切換手段と、回生信号を出力する回生信号生成手段と、界磁巻線対に誘起される交流電力を蓄電する回生電力制御手段とを備え、指令信号生成手段は、受けた力の大きさが所定の閾値を越えた場合は、該閾値を越える力の大きさに比例してデューティ比が変化する第一指令信号を生成し、受けた力の大きさが該閾値以下の場合は、該閾値を下回る力の大きさに反比例してデューティ比が変化する第二指令信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源により直流駆動し、駆動後の余剰な運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、蓄電器等に蓄電する直流回生電動機に関するものである。

近年、地球環境保全、石油依存からの脱却、エネルギー効率に関する意識の高まりを背景に、エンジンとモータを併用するハイブリッド車や、蓄電池や燃料電池に蓄積された電気エネルギーでモータを駆動し走行する電気自動車が脚光を浴びている。特に、小型・高出力のモータ、蓄電池や燃料電池の開発が急速に進展したことも、その実用化に拍車をかけている。
一般に、直流モータ（ブラシ付きＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータなど）は、急速な加速性、印加電圧に対する直線的な回転特性、入力電流に対する出力トルクの直線性など、優れた性能を有する。しかしながら、ブラシ付きのものは、ブラシやコミュテータ等の磨耗が激しく、高速、大トルクを要するものはその傾向が顕著となり、寿命が短い。そこで、回転子の磁極位置を検出するセンサや固定子に回転磁界を形成する駆動回路を用いて機械的な接触部分を排除したブラシレスＤＣモータが、ＯＡ機器、ＡＶ機器、ＰＣ周辺機器などで多用されている。
電気自動車駆動用のモータは、エネルギー効率を勘案すると、直流式の方が有利である。しかし、トルクと回転数が逆比例するため、回転数の可変範囲が狭く、回転速度を広範囲に変えるのが難しいとされている。他方、交流モータ（インダクションモータ、同期モータなど）は、直流電源で駆動するには、インバータで交流に変換する必要があり、直流モータに較べてエネルギー効率は劣る。そのうえ、三相交流に変換して駆動する場合には、トルクリップルが多い上、入力が１／√２に減少するので出力が制約されてしまう。反面、構造が簡単で、寿命が長く、回転数の範囲を０ｒｐｍから、例えば１５０００ｒｐｍまで、幅広く制御できるので、変速機を必要としない。
そこで、従来、低速走行の超小型電気自動車は、主に直流モータを使用し、高速走行を要する乗用電気自動車などは、交流モータを駆動制御して使用する。
しかしながら、エネルギー効率の観点などから、直流モータを普通自動車などに使用するのに必要な技術開発も多々行われ、多くの改善提案がなされている。
例えば、ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させてトルク制御を行うブラシレスＤＣモータの、ＰＷＭ信号の搬送周波数を複数段階に切換える手段を備え、その切換えやデューティ比の変化をプログラム制御して低負荷・低回転数においてもモータが振動を起こさないようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
また、二つの界磁用磁石を同軸に並置し、低回転時には、異なる極性の磁極を並ばせ、回転上昇時には、その遠心力でガバナが働き、一の界磁用磁石に相対回転力を付与し、同じ極性の磁極を並ばせて磁束を強め、弱め界磁制御を行わずに、従来の３倍近い回転数まで高いトルクで変換効率よく使用できるブラシレスＤＣモータが提案されている（特許文献２参照）。
さらに、二つのロータを備え、その位相差を指令値と推定値との偏差を減少するようにフィードバック制御することにより、弱め界磁制御を行い、電動機の回転数を高める方法が提案されている（特許文献３参照）。
一方、エネルギーの消費を抑えて走行距離を延ばすことやエネルギー効率を高めるため、走行時の余剰な運動エネルギーを電気変換して二次電池に充電する方法や、減速時の余剰な運動エネルギーを電気変換して回収・消費する、いわゆる回生制動に関する開発も行われている。
例えば、回生制動で生じた電力をバッテリに充電する小型電動車において、長い下り坂でバッテリが過充電にならないように初期充電の容量制限値を満充電未満に設定するとともに、走行中に過充電になったら、車速の上限値を下方に設定する方法が提案されている（特許文献４参照）。
また、モータの巻線が過熱するのを防止する必要があることから、トルクを積算処理することにより、基準値以上となる高トルクを出力した後は回生トルクの使用を制限又は禁止し、モータ出力が制限される高温状態発生を効果的に防止する一方、十分な動力性能を確保する一方、降坂時の回生制動で巻線温度が上昇し電流が制限され、その後の登坂時に必要なトルクが得られなくなるという不都合を解消する方法が提案されている（特許文献５参照）。
さらに、燃費をよくするため、ブレーキペダルの操作による要求制動力が回生制動力よりも小さいときは、回生制動のみを使用し、要求制動力が回生制動力よりも大きいときは回生制動と摩擦制動を併用し、急制動が必要なときは、回生制動力の比率を小さくする方法などが提案されている（特許文献６参照）。

特開平８−９８５７７号公報 特開平１１−６９７４３号公報 特開２００９−２５４０７９号公報 特開２００８−５４４４１号公報 特開２００８−１６７５９９号公報 特開２００１−８３０６号公報

一般に、ブラシレスＤＣモータは、回転子の磁極位置を検出するセンサと回転子の駆動回路とを用いて連続的な回転磁界を形成し、高速で、長寿命のモータを実現している。しかし、間欠的な通電を行うことや駆動回路でも電力を消費するため、ブラシ付モータに較べて出力効率が低下する。
そこで、間欠的な通電において、通電されないタイミングで界磁巻線に誘起される交流電力を回転磁界の形成に活用して、出力効率を高める必要がある。また、モータを自動車の駆動に用い、エネルギー効率や燃費向上を図るには、回生制動の活用が不可欠となるが、長年エンジン自動車に慣れた運転者に対する、人間工学的見地からの配慮が必要である。すなわち、エンジンブレーキと同様の感覚を期待してアクセルペダルを緩めたり、解放しても、回生制動が機能しなければ、慌ててブレーキペダルを踏み込んだり、不安を感ずることがある。そこで、アクセルペダルを緩めたり、解放しただけで回生制動が働くように構成する一方、得られた電気エネルギーを効率的に回収する必要がある。
本発明は、上記事情に鑑み、従来のブラシレスＤＣモータに較べて、出力効率を高め、かつ給電停止直後の回生制動を、給電操作手段の操作で簡易に行うことや、回生制動で得られた電力を、蓄電器や二次電池に効率的に蓄電してエネルギー効率を高めることが可能な直流回生電動機を提供することを目的とする。

本発明の直流回生電動機は、回転軸のまわりに磁石が配置された回転子と、上記回転子を挟んで対置された直流で励磁される界磁極それぞれに巻回された界磁巻線を直列又は並列に接続した界磁巻線対が複数配備された固定子と、所定の指令を受けて指令信号を出力する指令信号生成手段と、上記指令信号生成手段から出力される第一指令信号に応じたデューティ比の給電信号を出力する給電信号生成手段と、上記界磁巻線が巻回された上記界磁極の近傍で、上記回転子の磁極を検出する検出手段と、上記給電信号に基づいて上記界磁巻線対それぞれに電力を供給する直流電源と、上記検出手段により検出された上記磁極に応じて、上記直流電源から上記界磁巻線対それぞれに供給される負荷電流の方向を切換える切換手段と、上記指令信号生成手段から出力される第二指令信号に応じたデューティ比の回生信号を出力する回生信号生成手段と、上記直流電源から上記界磁巻線対への給電を停止後、上記回生信号に応じて該界磁巻線対に誘起される交流電力を倍電圧整流して蓄電器に蓄電する回生電力制御手段と、を備え、上記指令信号生成手段は、力の大きさによる指令を受けたとき、受けた力の大きさが所定値を超えた場合は、該所定値を超える力の大きさに比例して線形素子の特性値が変化する上記第一指令信号を生成し、受けた力の大きさが該所定値以下の場合は、該所定値を下回る力の大きさに比例して線形素子の特性値が変化する上記第二指令信号を生成することを特徴とする。
このように、指令信号生成手段は、それぞれ線形素子の特性値が変化する二つの指令信号を生成できるので、電動機を駆動する際の加速と制動とを一つの操作手段で行うことができる。また、界磁巻線対と検出手段とを配置し、各検出手段で回転子の磁極を検出した位置から、トルクが出来るだけ大きくなる位置の界磁巻線対に、第一指令信号に応じたデューティ比の給電信号による磁束を生じさせてトルクを出来るだけ大きくする一方、界磁巻線対への給電中（非通電時）に界磁巻線対に誘起される交流電力も切換手段を介して他の界磁巻線対に供給することにより、従来のブラシレスＤＣモータに比べてより出力効率を高め、より大きなトルクを得ることができる。さらに、給電停止後の界磁巻線対に誘起される交流電力を倍電圧に整流して大容量キャパシタなどの蓄電器に蓄電するので、低速回転時における誘起電力も活用できると共に、充電する際の適正電圧が確保され、エネルギー効率を高めることができる。
また、上記指令信号生成手段は、ばねで付勢され、押圧力に応じて踏込量が自在に変化するペダルと、該踏込量に応じて抵抗値が変化する抵抗器とを備え、上記給電信号生成手段及び上記回生信号生成手段は、上記抵抗器の抵抗値の変化に応じて、入力された信号のデューティ比を変化させ、上記給電信号及び上記回生信号を生成することにすれば、例えば電気自動車のアクセルペダル等に適用して、エンジンブレーキと同様の感覚を得ることができる。

さらに、上記負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、上記負荷電流検出手段により検出された上記負荷電流が閾値を超えたとき、上記給電信号生成手段から出力される上記給電信号のデューティ比を減少させる過負荷電流制限手段を備えたこと、あるいは上記直流電源から上記界磁巻線対への給電を停止後、上記界磁巻線対を流れる回生電流を検出する回生電流検出手段と、上記回生電流検出手段により検出された上記回生電流が閾値を超えたとき、上記回生信号生成手段から出力される上記回生信号のデューティ比を減少させる過電流制限手段と、を備えたことも好ましい。
このように構成すれば、給電中に異常な負荷電流が流れたときでも、直ちに給電信号のデューティ比を減少させて負荷電流を抑制し、給電停止後に異常な回生電流が流れたときでも、直ちに回生信号のデューティ比を減少させて回生電流を抑制し、界磁巻線対の焼損を防止することができる。
そして、上記給電信号生成手段は、上記閾値を超えた上記負荷電流が該閾値以下に低下したときは、上記過負荷電流制限手段により減少させた上記給電信号のデューティ比を上記第一指令信号に応じたデューティ比まで増加させ、あるいは上記回生信号生成手段は、上記閾値を超えた上記回生電流が該閾値以下に低下したときは、上記過電流制限手段により減少させた上記回生信号のデューティ比を上記第二指令信号に応じたデューティ比まで増加させることにすれば、界磁巻線対に流れる負荷電流あるいは回生電流が再び正常な数値に戻ったときに、再び正常な給電や蓄電器への蓄電を行い、過電流による影響を軽微に止めることができる。
また、上記検出手段は、上記給電信号が入力される入力端子と、該入力手段から入力された該給電信号を、検出された上記磁極に応じた極性で出力する出力端子と、を備えたホール素子を有し、上記切換手段は、上記ホール素子から出力される上記給電信号の極性に応じて上記負荷電流を通電し、該給電信号のデューティ比に応じて該負荷電流の通電時間を変える二組のスイッチング素子を有することが好ましい。
このように構成すれば、回転子の回転に合わせて各界磁巻線対に流れる負荷電流の方向を変える一方、各ホール素子による回転子の磁極検出に応じて、その検出位置から、トルクが極力大きくなる位置の界磁巻線対に、通電による回転磁界を生成させる一方、非通電時の誘起電力を他の界磁巻線対に供給することにより、従来のブラシレスＤＣモータに比べてより出力効率を高め、より大きなトルクを得ることができる。
更に、上記直流電源は、二次電池を有し、上記回生電力制御手段は、上記交流電力を倍電圧整流した電荷を蓄電する大容量キャパシタを有するものであって、上記大容量キャパシタに蓄電された電荷を上記二次電池に充電する充電手段を備えたことも好ましい。
このように倍電圧整流した電荷を蓄電する大容量キャパシタを備えれば、充電直後に発生する回生電力にも対応できる上、二次電池に充電する際の電圧を適正に保持することができる。
また、上記切換手段、上記負荷電流検出手段及び上記検出手段を個別に具備したセグメントを備えることも好ましい。
このように、セグメント化すれば、部品の製造、組み立てに便利である。

本発明の直流回生電動機は、固定子の界磁巻線が回転子を挟んで対称な位置に配置され、各ホール素子などの検出手段で回転子の磁極を検出した検出位置から、トルクが極力大きくなる位置の界磁巻線対に、スイッチング素子を介して直流電源から間欠的に回転磁界を生成させる一方、非通電時の誘起電力をスイッチング素子等を介して界磁巻線対に供給するので、従来のブラシレスＤＣモータに比べてより出力効率を高め、より大きなトルクを得ることができる。
また、駆動中に界磁巻線対に異常な電流が流れても給電を停止することなく焼損が防止され、さらに短時間で正常に戻れば、通常通りの給電に復旧するので、本電動機を用いるシステム全体への影響を軽微に止めることができる。また給電停止直後の回生制動を、給電操作手段と同じ操作手段で、簡易に行うことができるので、例えば電気自動車のアクセルペダルに適用すれば、エンジンブレーキと同様の感覚を得ることができる。さらに、回生制動で得られた電力を倍圧整流して、大容量キャパシタに蓄電し、二次電池を適正電圧で充電することができるので、エネルギー効率を高めることができる。

図１は、本発明の直流回生電動機の実施形態を示す機能ブロック図である。 図２は、本実施形態の直流回生電動機の回転子を示す断面図及び側面図である。 図３は、本実施形態の直流回生電動機の固定子の界磁鉄心を示す断面図及び側面図である。 図４は、本実施形態の指令信号生成手段の一例を示すコントロールペダルの側面図である。 図５は、コントロールペダルに結合された摺動抵抗器を展開した図である。 図６は、本実施形態のチョッパ信号生成手段の一例を示すチョッパ信号発振器である。 図７は、本実施形態の給電信号生成手段の一例を示すパワーコントローラである。 図８は、本実施形態の回生信号生成手段の一例を示す回生ブレーキコントローラである。 図９は、本実施形態の過負荷電流制限手段の一例の過負荷制限器を示す図である。 図１０は、本実施形態のセグメントの一例を示す図である。 図１１は、本実施形態の回生電力制御手段の一例を示す回生電力制御器である。 図１２は、本実施形態の充電手段の一例を示すバッテリチャージ電圧コントローラである。

図１は、本発明の直流回生電動機の実施形態を示す機能ブロック図である。
図１に示す本実施形態の直流回生電動機は、回転子１及び固定子２と、セグメント３と、各電子回路に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ４と、チョッパ信号生成手段５と、給電信号生成手段６と、回生信号生成手段７と、指令信号生成手段８と、回生電力制御手段９と、直流電源１０と、回生電流検出手段１２と、過負荷電流制限手段１３と、過電流制限手段１４と、充電手段１５と、を備えている。
本実施形態の直流回生電動機は、固定子２の内部に回転子１が配置されたインナーロータ型で、回転子１は、ＮＳ二極の永久磁石が回転軸のまわりに固定配置されている。固定子２は、回転子１を挟んで対称な位置に形成された８つの界磁極（４組の界磁極対）それぞれに界磁巻線が巻回されている。そしてそれら８つの界磁巻線のうち、対置された２つの界磁巻線が並列に接続されて界磁巻線対２０が構成され、４組の界磁巻線対２０それぞれは、対応するセグメント３から個別に回転磁界を形成するための直流の負荷電流（以下「負荷電流」と称する）が直流電源１０から供給される。
ここで、本実施形態の回転子１及び固定子２は、回転子１の磁石の磁極の数が２で、固定子２の界磁極の数が８としているが、必ずしもこの構成に限定されない。但し、回転子１の磁極の数が２の倍数、固定子２の界磁極の数が２の倍数で、回転子１の磁極の数よりも大きいことが好ましい。また、界磁巻線対２０は、対置された２つの界磁巻線が並列に接続されているが、必ずしも並列接続に限定する必要はなく、直列に接続してもよい。

セグメント３は、回転磁界を得る一つの界磁巻線対２０とその界磁巻線対２０に負荷電流を供給する系統の単位であり、固定子２の界磁極対のうちの何れか一方の界磁極の近傍で回転子の磁極を検出する検出手段１６と、負荷電流の向きを切換える切換手段１７と、異常な負荷電流を検出する負荷電流検出手段１１と、からなる。
検出手段１６は、固定子の界磁極の近傍または界磁極の中央に配置され、回転子の磁石の磁極を検出するホール素子１８を有する。
ホール素子１８は、給電信号の入力端子と、入力端子から給電信号が入力したとき、検出された磁石の磁極に応じて正負何れかの極性の給電信号を出力する出力端子と、を備えている。
切換手段１７は、ホール素子１８の出力端子から出力される給電信号の極性が正のときに、その給電信号のデューティ比に応じて通電時間を変えるスイッチング素子と、給電信号の極性が負のときに、その給電信号のデューティ比に応じて通電時間を変えるスイッチング素子とを有し、界磁巻線対に供給される負荷電流の向きを磁石の磁極に応じて切換える一方、間欠的に通電する負荷電流の通電時間をデューティ比に応じて変化させる。
負荷電流検出手段１１は、界磁巻線対２０を双方向に流れる負荷電流を検出する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、直流電源１０の電圧を降圧し、各電子回路に必要な電圧の直流電力を供給する。
チョッパ信号生成手段５は、所定の周期で矩形波を生成し、生成された矩形波を全波整流してチョッパ信号を生成する。
指令信号生成手段８は、力の大きさによる指令を受けたとき、その受けた力の大きさが閾値（ニュートラル）を越えた場合に、その閾値を越える力の大きさに比例して抵抗値が変化する第一指令信号と、その受けた力の大きさが閾値以下の場合に、その閾値を下回る力の大きさに反比例して抵抗値が変化する第二指令信号を生成する。
給電信号生成手段６は、指令信号生成手段８から出力される第一指令信号に応じたデューティ比の給電信号を出力する。
回生信号生成手段７は、指令信号生成手段８から出力される第二指令信号に応じたデューティ比の回生信号を出力する。
回生電力制御手段９は、直流電源１０から界磁巻線対２０への給電が停止した後、その界磁巻線対２０に誘起される交流電力を回生信号に基づいて倍電圧整流して蓄電する大容量キャパシタと、界磁巻線対２０に流れる回生電流が過剰にならないよう、その回生電流を検出する回生電流検出手段１２とを備えている。
ここで、本実施形態の大容量キャパシタには、例えば電解液を含浸させた一対の電極と、その一対の電極を隔てるセパレータと、集電電極と、ガスケットとを有する電気二重層キャパシタを使用することができる。
直流電源１０は、二次電池を有し、給電信号に基づいて界磁巻線対２０それぞれに電力を供給するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ４で降圧された電力を、各電子回路に供給する。
過負荷電流制限手段１３は、負荷電流検出手段１１で検出された負荷電流が閾値を超えたとき、給電信号生成手段６における給電信号のデューティ比を減少させる。
過電流制限手段１４は、直流電源１０から界磁巻線対２０への給電が停止した後、回生電流検出手段１２で検出された回生電流が閾値を超えたとき、回生信号生成手段７における回生信号のデューティ比を減少させる。
充電手段１５は、回生電力制御手段９の大容量キャパシタに蓄電された電荷を直流電源１０の二次電池に充電する。
ここで、本実施形態の検出手段は、回転子の磁石の磁極をホール素子１８で検出するが、必ずしもホール素子１８である必要はない。

ここで、本実施形態の直流回生電動機の作用について説明する。
直流電源１０は、電源がＯＮになると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４で降圧して、チョッパ信号生成手段５に所定電圧の直流電力を供給するとともに、セグメント３の切換手段１７を経由して固定子２の界磁巻線対２０に駆動用の負荷電流を供給する。
指令信号生成手段８は、力の大きさによる指令を受けると抵抗値が変化する指令信号を生成し、その指令信号を給電信号生成手段６及び回生信号生成手段７に送る。
一方、チョッパ信号生成手段５は、矩形波を生成し、給電信号生成手段６及び回生信号生成手段７に送り、給電信号生成手段６は、チョッパ信号生成手段５から出力される矩形波のデューティ比を、指令信号の抵抗値に応じて変え、給電信号を生成し、回生信号生成手段７は、チョッパ信号生成手段５から出力される矩形波のデューティ比を、指令信号の抵抗値に応じて変え、回生信号を生成する。その場合、給電信号が生成されるときは、回生信号が生成されることはなく、同様に、回生信号が生成されるときは、給電信号が生成されることはない。
生成された給電信号は、各セグメント３のホール素子１８に入力される。切換手段１７においては、給電信号が正のときは、正の給電信号で導通するスイッチング素子が、給電信号のデューティ比に応じた時間だけ通電し、その間、対応する界磁巻線対２０に負荷電流が供給される。また、給電信号が負のときは、負の給電信号で導通するスイッチング素子が、給電信号のデューティ比に応じた時間だけ通電し、その間、対応する界磁巻線対２０に負荷電流が供給される。なお、給電信号は停止せず、スイッチング素子のデューティ比による非通電時間に、界磁巻線対２０に誘起される交流電力は、各スイッチング素子とは導通方向が逆向きに、各スイッチング素子とは並列に接続されたダイオードを経由して他の界磁巻線対２０の給電に活用される。これにより、本実施形態の直流回生電動機の出力効率やトルクを高めることができる。

なお、例えば回転子１のＮ極と向き合う固定子２の界磁極にホール素子１８が配置されている場合に、その界磁極から、モータの回転方向に９０度回転した位置の界磁巻線と、さらに１８０度回転した位置の界磁巻線によって構成する界磁巻線対２０に対応するセグメント３の切換手段１７に、そのホール素子１８から正または負の給電信号が送られる。すなわち、各セグメント３に対応する界磁巻線対２０に配置されたホール素子１８から、回転子１の回転方向に隣接する界磁巻線対２０乃至一つ又は複数飛ばした界磁巻線対２０に正または負の給電信号が送られる。
生成された回生信号は、回生電力制御手段９に送られる。回生電力制御手段９は、一対のスイッチング素子を有し、それぞれのスイッチング素子が、回生信号の電圧に応じて導通する一方、回生信号のデューティ比に応じて導通時間を変更するので、給電信号が停止した直後、なお回転子１が回転することにより界磁巻線対２０に誘起される交流電力を倍電圧整流して大容量キャパシタ９８に蓄電し、充電手段１５が、大容量キャパシタ９８に蓄電された電荷を直流電源１０の二次電池に充電する。
このように、回生電力制御手段９は、給電停止後の界磁巻線対に誘起される交流電力を倍電圧に整流して大容量キャパシタ９８に蓄電するので、回転子１が低速で回転する際の誘起電力も有効に蓄電して活用することができると共に、充電手段１５が二次電池に充電する際の適正電圧が確保されるので、エネルギー効率を高めることができる。
一方、界磁巻線に過電流が流れると焼損する恐れがあるので、負荷電流検出手段１１で負荷電流を検出し、検出された負荷電流が閾値を超えたときは、過負荷電流制限手段１３が、給電信号生成手段６から出力される給電信号のデューティ比を減少させるので、界磁巻線対２０に供給される電力が抑制される。
また、界磁巻線対への給電が停止した後、界磁巻線対２０に誘起される交流電力により界磁巻線対２０を流れる回生電流が過剰にならないよう、回生電流検出手段１２がその回生電流を検出し、検出された回生電流が閾値を超えたときは、過電流制限手段１４が回生信号生成手段７から出力される回生信号のデューティ比を減少させるので、大容量キャパシタに蓄電する際に界磁巻線対２０を流れる回生電流が抑制される。
なお、負荷電流検出手段１１により検出される負荷電流が閾値以下に低下したときは、給電信号生成手段６は、過負荷電流制限手段１３により減少させた給電信号のデューティ比を第一指令信号に応じたデューティ比まで増加させる。
また回生電流検出手段１２により検出される回生電流が閾値以下に低下したときは、回生信号生成手段７は、過電流制限手段１４により減少させた回生信号のデューティ比を第二指令信号に応じたデューティ比まで増加させる。

図２は、本実施形態の直流回生電動機の回転子を示す断面図及び側面図であり、図３は、本実施形態の直流回生電動機の固定子の界磁鉄心を示す断面図及び側面図である。
図２に示す回転子１は、Ｎ、Ｓ二極からなる円筒状磁石１ａの中央に回転軸１ｂを挿入し、接着して一体化すると共に、滑り止めのロックピン１ｃで磁石と回転軸が滑らないようにしている。また、円筒状磁石１aの外周の対称な位置に、長手方向の溝1dが形成されている。ホール素子によって磁石1aの磁極を検出する際に、ホール素子は、検出休止となる溝1dの通過を境に磁極の変化を検出する。
回転子1の直径が小さい、高速回転のモータの場合には、磁性体を円筒状に成形して全体を磁石として形成することができる。また、大型モータの場合には、電磁鋼板を打ち抜いたものを積層して円筒状に成形し、その外周に永久磁石を取り付けて形成することができる。
ここで、本実施形態の回転子の磁石１aは、Ｎ、Ｓ二極からなるが、磁石１aは必ずしも二極である必要はなく、極数が偶数であればよい。ただし、極数が多いほどトルクリップルが少なくなるが、製造コストが高くなる。

図３に示す固定子２の界磁鉄心２aは、無方向性電磁鋼板を打ち抜いたものを積層して成形したものである。外周には、界磁鉄心をケースに固定し、回転を防止するためのロック溝２bが４つ設けてある。また、界磁鉄心２aで囲まれた界磁鉄心断面中央には、回転子が回転する円筒空間２ｃがあり、円筒空間２ｃの周囲には、界磁巻線を埋め込む８つのスロット２ｄと、８つのスロットで仕切られた８つの界磁極２eがあり、２つずつ、４組の界磁極２eは、円筒空間2cを挟んで対称な位置に設けられている。４組の界磁極２eそれぞれに、巻線（コイル）が巻回され、各組の界磁極に形成された界磁巻線それぞれを並列に接続して界磁巻線対２０を構成する。
ここで、本実施形態の固定子２は、円筒空間２ｃを挟んで対称な位置に４組の界磁極（８つの界磁極）２eを設けているが、極数は、必ずしも８つである必要はなく、偶数であればよい。また、界磁巻線は、一つの界磁極２eに巻回する、いわゆる１極巻である必要はなく、二つの界磁極２eに跨る２極巻や複数の界磁極２eに跨る多極巻きにしてもよい。２極巻にすれば、１極巻に較べてトルクリップルを小さくすることができる。
また、ホール素子１８は、回転子が回転する際、その磁石の磁極が順次検出できるように、各セグメントに対応させて、界磁極の組数分（ここでは４個）用意し、円筒空間２ｃ周囲に連続配置された界磁極（ここでは４個）２eのそれぞれの中央に設置する。ただし、界磁巻線が２極巻の場合には、２極に挟まれたスロット2dにそれぞれ設置することができる。
ホール素子18の出力は、そのホール素子１８が設置されている界磁極から、例えば回転子が2極の場合には概ね90度（180度／回転子の極数）回転した位置の界磁巻線と、そこからさらに１８０度回転した位置に配置されている界磁巻線とからなる界磁巻線対２０の所属セグメント３に送られる。
ここで、本実施形態のホール素子１８は、界磁極２eの中央に設置されているが、必ずしもこれに限定する必要はなく、界磁極２eの近傍に設置すればよい。

以下に、図１で説明した本実施形態の直流回生電動機の機能を実現する電子回路の一例について説明する。
図４は、本実施形態の指令信号生成手段の一例を示すコントロールペダルの側面図であり、図５は、コントロールペダルに結合された摺動抵抗器を展開した図である。
図４に側面図を示すコントロールペダル８０は、ドラム外周の、ニュートラルゾーンを挟んでの両周縁に設けられた摺動抵抗器８２と、自在に回転するドラム回転軸８３と、回転軸８３が回転するのに合わせて回転して摺動抵抗器８２をスライドするスライドリード８４と、一端は棒状体８５に結合され、中間はフレキシブルチューブ８６で支持され、ドラムの巻取ガイド８１に巻き取られた他端は、スライドリード８４に接続されたワイヤ８７と、を備えている。そして、回転軸８３は、図に現れないスプリングで反時計回りに付勢され、棒状体８５は、中間を支点８８で支持され、他端には、外力を受けるペダル８９が設けてある。
ペダル８９が矢印方向に押されて力を受けると、受けた力の大きさに応じてワイヤ８７が引き出され、スライドリード８４と回転軸８３とが時計回りに回転してスライドリード８４が摺動抵抗器８２をスライドする。そのとき、スライドリード８４のリード線８４a、８４ｂと摺動抵抗器８２のリード線８２a、８２ｂとの間の抵抗値が変化する。ここで、図５におけるリード線８２ｂは、リード線８２aと異なり、摺動面８２ｄの左端に接続されている。従って、スライドリード８４がニュートラルゾーンを挟んで移動するときのリード線８４a、８４ｂとリード線８２a、８２ｂとの間の抵抗値は、一方が増加するときは、他方が減少する。なお、ここではドラムが固定され、回転軸８３がスライドリード８４とともに回転するように構成されているが、ドラム自体が回転するように構成してもよい。また、摺動抵抗器８２は、必ずしもドラム外周に設ける必要はない。

図５に展開図を示す摺動抵抗器８２は、ニュートラルゾーン８２ｃを挟んで両側の一方の辺縁それぞれに、抵抗体を有する帯状の摺動面８２ｄが設けられ、スライドリード８４が摺動面８２ｄをスライドすることにより、スライドリード８４のリード線８４a、８４ｂと摺動抵抗器８２のリード線８２a、８２ｂとの間の抵抗値が変化するように構成されている。図の上側の摺動面８２ｄは、第一指令信号を生成し、図の下側の摺動面８２ｄは、第二指令信号を生成するためのものである。上側の摺動面８２ｄには、ニュートラルゾーン８２ｃまでは、抵抗体が形成されておらず、ニュートラルゾーン８２ｃから右方には、抵抗体が形成されている。一方、下側の摺動面８２ｄには、ニュートラルゾーン８２ｃまでは、抵抗体が形成され、ニュートラルゾーン８２ｃから右方には、抵抗体が形成されていない。
図において、スライドリード８４が右方（矢印方向）に移動すると、上側の摺動面８２ｄは、ニュートラルゾーン８２ｃまでは、抵抗値は最大値となり、ニュートラルゾーン８２ｃからさらに右方に移動すると、抵抗値は最大値から次第に小さくなり、０になる。一方、下側の摺動面８２ｄは、ニュートラルゾーン８２ｃまでは、抵抗値は０から次第に大きくなり、ニュートラルゾーン８２ｃ以降は最大値になる。次に、スライドリード８４が右方から左方に移動すると、上側の摺動面８２ｄは、抵抗値がゼロから次第に大きくなり、ニュートラルゾーン８２ｃ付近で最大値となり、ニュートラルゾーン８２ｃを超えても抵抗値は最大値のまま変わらない。一方、下側の摺動面８２ｄは、ニュートラルゾーン８２ｃまでは、抵抗値が最大値のままで、ニュートラルゾーン８２ｃからさらに左方に移動すると、抵抗値が次第に小さくなり、０になる。
上側の摺動面８２ｄの抵抗値の変化は、給電信号生成手段６に反映され、出力される給電信号のデューティ比が変化する。また、下側の摺動面８２ｄの抵抗値の変化は、回生信号生成手段７に反映され、出力される回生信号のデューティ比が変化する。
ここでは、受けた力の大きさを摺動抵抗器８２の抵抗値の変化に変換しているが、必ずしも抵抗値の変化に変換する必要はなく、キャパシタンスの変化、インダクタンスの変化、電圧の変化などに変換して給電信号生成手段６や回生信号生成手段７に反映させることもできる。

図６は、本実施形態のチョッパ信号生成手段の一例を示すチョッパ信号発振器である。
図６に示すチョッパ信号発振器５０は、入力端子ＩＮと、出力端子ＯＵＴと、マルチバイブレータ５１と、パルストランス５２と、全波整流器５３とを備えている。直流電源１０の電圧を周知のＤＣ−ＤＣコンバータ４で降圧した直流電力が入力端子ＩＮに供給される。マルチバイブレータ５１で生成された矩形波は、パルストランス５２で、正負両方の領域を有する矩形波に合成され、その合成された矩形波が全波整流器５３で整流され、出力端子ＯＵＴにチョッパ信号が出力される。

図７は、本実施形態の給電信号生成手段の一例を示すパワーコントローラである。
図７に示すパワーコントローラ６０は、ＳＣＲ（サイリスタ）６１と、サージ電圧をバイパスするフリーホイールダイオード６２と、ＳＣＲ６１のゲート電圧を得る抵抗器６３と、ＳＣＲ６１によるチョッパ信号のデューティ比をコントロールするＰＵＴ（プログラマブルユニジャンクショントランジスタ）６４と、分圧抵抗器６５と、ダミー負荷抵抗器６６と、ＰＵＴの立ち上がり時間をコントロールする時定数回路６７と、時定数回路６７に供給される電圧を調整する可変抵抗器（コントロールペダルの摺動抵抗器）６８と、チョッパ信号発振器から出力されたチョッパ信号を入力する入力端子ＩＮと、回転子の回転方向を変換するための正逆スイッチ６９と、所定のデューティ比のチョッパ信号（給電信号）を出力する出力端子ＯＵＴと、界磁巻線を流れる負荷電流が過剰であることを知らせる過負荷信号電圧の入力端子ＳＩＮと、により構成されている。
コントロールペダル８０のペダル８９に一定以上の力が加わると、摺動抵抗器８２の抵抗値が変化する第一指令信号が出される。それによって、可変抵抗器６８の抵抗値が変化すると、時定数回路６７の電圧が変化し、ＰＵＴ６４の立ち上がり時間も変化するので、ＳＣＲ６１によるチョッパ信号のデューティ比が変化する。その結果、出力端子ＯＵＴから第一指令信号に応じたデューティ比のチョッパ信号（給電信号）が出力される。
また、入力端子ＳＩＮから過負荷信号電圧が入力すると、ＰＵＴ６４の作動電圧が上昇するので、第一指令信号で設定されたＰＵＴ６４の立ち上がり電圧が上昇し、デューティ比が減少する。その結果、出力端子ＯＵＴからはデューティ比が減少した給電信号が出力される。

図８は、本実施形態の回生信号生成手段の一例を示す回生ブレーキコントローラである。
図８に示す回生ブレーキコントローラ７０は、入力端子ＩＮからチョッパ信号が入力されると、第二指令信号に応じたデューティ比の高圧チョッパ信号（高圧回生信号）を第一出力端子ＨＯＵＴに、低圧チョッパ信号（低圧回生信号）を第二出力端子ＬＯＵＴにそれぞれ出力する、パワーコントローラ６０に類似の回路である。パワーコントローラ６０と較べると、ダミー抵抗器６６に接続されている正逆スイッチ６９に換えて、パルストランス７９が接続される点、過負荷信号入力端子ＳＩＮは、回生電流が過剰であることを知らせる過電流信号入力端子ＲＩＮである点はパワーコントローラ６０と相違するが、それ以外の点は共通する。したがって、共通する回路部品については、６０番台を７０番台に代え、一桁の数字は共通の番号を付して説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
パルストランス７９は、一次側に、所定のデューティ比のチョッパ信号（回生信号）が入力され、二次側に、高圧の回生信号と低圧の回生信号とを別個に出力する。なお、二次側には、逆流を阻止するダイオード７９ａが接続されている。また、過電流信号入力端子ＲＩＮから過電流信号電圧が入力したときの回生ブレーキコントローラ７０の作用は、パワーコントローラ６０に過負荷信号電圧が入力したときの作用と同じであり、説明を省略する。

図９は、本実施形態の過負荷電流制限手段の一例の過負荷制限器を示す図である。
本実施形態の過電流制限手段の一例の過電流制限器は、ここに示す過負荷制限器と同じなので、両者を同時に説明する。
図９に示す過負荷制限器１３０（又は過電流制限器）は、セグメント３の負荷電流検出手段１１（又は回生電流検出手段１２）で検出された過負荷信号電圧（又は過電流信号電圧）が入力する入力端子ＩＮと、全波整流器１３１と、分圧抵抗器１３２と、ツェナーダイオード１３３と、逆流阻止用ダイオード１３４と、出力端子ＯＵＴとを備えている。
入力端子に過負荷信号電圧（又は過電流信号電圧）が入力すると、全波整流器１３１で全波整流され、分圧抵抗器１３２で分圧される。そしてその分圧がツェナーダイオード１３３の作動電圧（本発明の閾値に相当する。）を超えると、ツェナーダイオード１３３が通電する。そして、逆流阻止用ダイオード１３４を経由して、出力端子ＯＵＴに過負荷信号（又は過電流信号）が出力される。
なお、パワーコントローラ６０（又は回生ブレーキコントローラ７０）の入力端子ＳＩＮ（又は入力端子ＲＩＮ）に過負荷信号（又は過電流信号）が入力すると、パワーコントローラ６０（又は回生ブレーキコントローラ７０）のＰＵＴ６４（又はＰＵＴ７４）の作動電圧が上昇するので、第一指令信号（又は第二指令信号）で設定されたＰＵＴ６４（又はＰＵＴ７４）の立ち上がり電圧が上昇し、デューティ比が減少する。その結果、パワーコントローラ６０（又は回生ブレーキコントローラ７０）の出力端子ＯＵＴ（又は第一出力端子ＨＯＵＴ、第二出力端子ＬＯＵＴ）からはデューティ比が減少した給電信号（又は回生信号）が出力されるので、界磁巻線対の負荷電流（又は回生電流）が抑制される。
一方、過負荷又は過電流が解消し、入力端子に正常な負荷信号電圧（又は電流信号電圧）が入力すると、分圧抵抗器１３２の分圧はツェナーダイオード１３３の作動電圧以下となり、出力端子ＯＵＴからは過負荷信号（又は過電流信号）が出力されない。したがって、パワーコントローラ６０（又は回生ブレーキコントローラ７０）の入力端子ＳＩＮ（又は入力端子ＲＩＮ）のＰＵＴ６４（又はＰＵＴ７４）の作動電圧は、第一指令信号（又は第二指令信号）で設定されたＰＵＴ６４（又はＰＵＴ７４）の立ち上がり電圧に復帰し、第一指令信号（又は第二指令信号）に応じたデューティ比の給電信号（又は回生信号）が出力される。

図１０は、本実施形態のセグメントの一例を示す図である。
図１０に示すセグメント３は、直流電源１０から電力を得る電源端子ＰＩＮと、回転子１を挟んで対置する２つの界磁巻線により構成され、負荷電流が流れると一方がＮ極、他方がＳ極に磁化する界磁巻線対２０と、４つのスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄと、磁石の磁極を検出し、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとを有するホール素子１８と、ホール素子１８の出力端子ＯＵＴに接続されて給電信号に含まれる不平衡電流をカットし、スイッチング素子３１の駆動に必要な電圧の給電信号を出力するパルストランス３２と、界磁巻線対２０を流れる負荷電流を検出する負荷電流検出トランス３３と、検出した負荷電流を出力する出力端子ＣＯＵＴと、界磁巻線対２０に誘起される交流電力の出力端子ＲＯＵＴと、を備え、各スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄには、サージ電圧等をバイパスするフリーホイールダイオード３５が並列に接続されている。
負荷電流検出トランス３３は、スイッチング素子３１が間欠的に導通するのに合わせて、界磁巻線対２０を両方向に流れる負荷電流を検出し、過負荷制限器１３０に送る。
セグメント３の界磁巻線対２０に対し、回転子１の回転方向とは反対側に９０度回転した位置にある界磁極中央に設置されているホール素子１８から、検出された回転子１の磁極に応じて、正負何れかが付与された給電信号がパルストランスを経由して送られてくる。一方、セグメント３の界磁巻線対２０の界磁極近傍に設置されたホール素子により回転子の磁極が検出された給電信号は、回転子の回転方向に９０度回転した位置の界磁巻線対に送られる。
今、このセグメント３の界磁巻線対２０に正の給電信号が送られてくると、スイッチング素子３１ａ、３１ｃが作動し、回転子１が回転し磁石の磁極が反転してホール素子１８から負の給電信号が送られてくると、スイッチング素子３１ｂ、３１ｄが作動する。その結果、界磁巻線対２０には、給電信号のデューティ比に対応する通電時間だけ、同方向の負荷電流が間欠的に流れ、回転子１にトルクが生じる。また、通電時間と通電時間との間の非通電時間は、界磁巻線対２０に交流電力が誘起されるので、並列に接続されたフリーホイールダイオード３５を経由して、他の界磁巻線対の負荷電流として活用される。
一方、界磁巻線対２０に対する給電が停止した直後に、界磁巻線対２０に誘起される交流電力（回生電力）は、出力端子ＲＯＵＴから出力される。

図１１は、本実施形態の回生電力制御手段の一例を示す回生電力制御器である。
図１１に示す回生電力制御器９０は、各セグメント３から入力する回生電力を倍電圧整流して出力するもので、セグメント３の出力端子ＲＯＵＴから出力される回生電力が入力される入力端子ＲＩＮと、回生ブレーキコントローラ７０の出力端子ＨＯＵＴ、ＬＯＵＴから出力される高圧回生信号と低圧回生信号とを入力する入力端子ＨＩＮ、ＬＩＮと、回生電流を検出する検出トランス９２と、検出された回生電流を出力する出力端子ＲＯＵＴと、高圧回生信号及び低圧回生信号それぞれにより導通する一対のスイッチング素子９３、９４と、一対のスイッチング素子９３、９４それぞれのゲートとカソードの電流をコントロールする安全抵抗器９５と、回生電力の正負それぞれの回生電流を全波整流する４つのダイオード９６と、整流された正負それぞれの電流を個別にチャージする一次コンデンサ９７と、一次コンデンサ９７にチャージされた電荷により倍電圧の電荷を得る大容量キャパシタ９８と、倍電圧の出力端子ＶＯＵＴと、を備えている。
一対のスイッチング素子９３、９４は、高圧回生信号及び低圧回生信号が入力すると、回生信号のデューティ比に応じて間欠的に導通し、導通したときだけ交流電力が一次コンデンサ９７にチャージされる。そして、一次コンデンサ９７にチャージされた電荷は、ダイオード９９ａ、９９ｂを経由して大容量キャパシタ９８に蓄えられる。
ここで、出力を倍電圧にしているのは、大容量キャパシタ９８の電荷を直流電源１０の二次電池に充電する際、充電電圧を二次電池の電圧よりも高い、適正電圧とするためである。
本実施形態の指令信号生成手段８における押圧部材８９を一定以上に踏み込んだ後、押圧部材８９に加わる力を弱めると、第二指令信号が出され、回生ブレーキが作用する。回生ブレーキの強弱は、回生電力の消費量に応じて変化するので、スイッチング素子９３、９４が間欠的に導通する時間が短いとき（デューティ比が小さいとき）は、弱く作用し、間欠的に導通する時間が長いとき（デューティ比が大きいとき）は、強く作用するので、電気自動車のアクセルペダルに適用すれば、エンジンブレーキと同様の感覚が得られる。

図１２は、本実施形態の充電手段の一例を示すバッテリチャージ電圧コントローラである。
図１２に示すバッテリチャージ電圧コントローラ１５０は、回生電力制御器９０の出力端子ＶＯＵＴから倍電圧が入力される入力端子ＶＩＮと、二次電池に接続する出力端子ＢＡＴと、２つのスイッチング素子１５１、１５２と、第一のスイッチング素子１５１のゲート電圧を０に保つ抵抗器１５３、１５４と、二次電池の電圧を分圧し、充電電圧を設定する分圧抵抗器１５５、１５６と、ツェナーダイオード１５７と、ツェナーダイオード１５７がＯＦＦのときに第二のスイッチング素子１５２のゲート電圧を０に保つ抵抗器１５８と、負荷変動に対応する電荷を蓄える大容量キャパシタ１５９と、を備えている。
二次電池の電圧が上昇し、分圧抵抗器１５５、１５６の電圧が充電完了電圧になり、ツェナーダイオード１５７が通電すると、第二のスイッチング素子１５２が導通し、第一のスイッチング素子１５１のゲート電圧が０になり、充電が停止する。

本発明の直流回生電動機は、電気自動車のみならず、ＯＡ機器、ＡＶ機器、ＰＣ周辺機器、家電機器、産業用機器などに幅広く利用可能である。

１ 回転子
１ａ 磁石
１ｂ、８３ 回転軸
１ｃ ロックピン
１ｄ 溝
２ 固定子
２ａ 界磁鉄心
２ｂ ロック溝
２ｃ 円筒空間
２ｄ スロット
２ｅ 界磁極
３ セグメント
４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５ チョッパ信号生成手段
６ 給電信号生成手段
７ 回生信号生成手段
８ 指令信号生成手段
９ 回生電力制御手段
１０ 直流電源
１１ 負荷電流検出手段
１２ 回生電流検出手段
１３ 過負荷電流制限手段
１４ 過電流制限手段
１５ 充電手段
１６ 検出手段
１７ 切換手段
１８ ホール素子
２０ 界磁巻線対
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、９３、９４ スイッチング素子
３２、５２、７９ パルストランス
３３ 負荷電流検出トランス
３５、６２、７２ フリーホイールダイオード
５０ チョッパ信号発振器
５１ マルチバイブレータ
５３、１３１ 全波整流器
６０ パワーコントローラ
６１、７１ ＳＣＲ
６３、７３、１５３、１５４、１５８ 抵抗器
６４、７４ ＰＵＴ
６５、７５、１３２、１５５、１５６ 分圧抵抗器
６６、７６ 負荷抵抗器
６７、７７ 時定数回路
６８、７８ 可変抵抗器
６９ 正逆スイッチ
７０ 回生ブレーキコントローラ
７９ａ、９６、９９ａ、９９ｂ ダイオード
８０ コントロールペダル
８１ 巻取ガイド
８２ 摺動抵抗器
８２ａ、８２ｂ 摺動抵抗器のリード線
８２ｃ ニュートラルゾーン
８２ｄ 抵抗面
８４ スライドリード
８４ａ８４ｂ スライドリードのリード線
８５ 棒状体
８６ フレキシブルチューブ
８７ ワイヤ
８８ 支点
８９ ペダル
９０ 回生電力制限器
９２ 検出トランス
９５ 安全抵抗器
９７ 一次コンデンサ
９８、１５９ 大容量キャパシタ
１３０ 過負過制限器（又は過電流制限器）
１３３、１５７ ツェナーダイオード
１３４ 逆流阻止用ダイオード
１５０ バッテリチャージ電圧コントローラ
１５１ 第一のスイッチング素子
１５２ 第二のスイッチング素子

Claims (7)

1. 回転軸のまわりに磁石が配置された回転子と、前記回転子を挟んで対置された界磁極それぞれに巻回され、直流で励磁される界磁巻線を直列又は並列に接続した界磁巻線対が複数配備された固定子とを有するブラシレスの直流回生電動機であって、
   力の大きさによる指令を受け、受けた力が所定値を超える場合は、該所定値を超える力の大きさに比例して線形素子の特性値が変化する第一指令信号を生成し、該受けた力が該所定値以下の場合は、該所定値を下回る力の大きさに比例して線形素子の特性値が変化する第二指令信号を生成する指令信号生成手段と、
   前記第一指令信号に応じたデューティ比の給電信号を出力する給電信号生成手段と、
   前記第二指令信号に応じたデューティ比の回生信号を出力する回生信号生成手段と、
   前記給電信号に基づいて前記界磁巻線対それぞれに直流の負荷電流を供給する直流電源と、
   前記界磁巻線対を構成する前記界磁極の何れか一方の近傍で、前記回転子の磁極を検出し、前記給電信号に正負何れかの極性を付与して出力する検出手段、該検出手段から出力された該給電信号の極性に応じて該界磁巻線対に供給される前記負荷電流の方向を切換える一方、該負荷電流を該給電信号のデューティ比に応じて間欠的に通電する切換手段、及び該界磁巻線対を流れる該負荷電流の大きさを検出する負荷電流検出手段を有し、該界磁巻線対それぞれに配備されるセグメントと、
   前記界磁巻線対に誘起される交流電力を前記回生信号のデューティ比に応じて倍電圧整流し、蓄電器に蓄電する回生電力制御手段と、を備え
   前記第一指令信号のデューティ比に応じて回転駆動され、前記第二指令信号のデューティ比に応じて回生制動されることを特徴とする直流回生電動機。
2. 前記回生信号生成手段は、同じデューティ比で電圧のみが異なる二つの回生信号を生成するものであって、
   前記回生電力制御手段は、前記回生信号それぞれの電圧により間欠的に通電する一対のスイッチング素子と、該スイッチング素子それぞれが通電した電力を蓄電する一対のコンデンサと、該一対のコンデンサに蓄電された電荷により倍電圧の電荷を得る大容量キャパシタとを有することを特徴とする請求項１記載の直流回生電動機。
3. 前記指令信号生成手段は、並設された帯状の摺動面に抵抗体が形成され、該摺動面双方を長さ方向にスライドするスライド部材により抵抗値が変化する摺動抵抗器、及び力の大きさによる指令を受けたとき、受けた力に応じて該スライド部材をスライドさせるコントロール部材を有するものであって、該受けた力が前記所定値を超える場合には、該所定値を超える力の大きさに比例して抵抗値が減少する第一の抵抗体により前記第一指令信号を生成し、該受けた力が該所定値以下の場合には、該所定値を下回る力の大きさに比例して抵抗値が減少する第二の抵抗体により前記第二指令信号を生成することを特徴とする請求項1又は２記載の直流回生電動機。
4. 一の前記セグメントの前記検出手段は、検出された前記磁極に応じて、前記給電信号に正負何れかの極性を付与して出力するものであって、出力された該給電信号は、他の一の前記セグメントの前記切換手段に入力されることを特徴とする請求項１から３のうちの何れか１記載の直流回生電動機。
5. 前記負荷電流検出手段により検出された前記負荷電流が閾値を超えたとき、過負荷信号を出力する過負荷電流制限手段を備え、
   前記給電信号生成手段は、前記過負荷信号が入力すると前記給電信号のデューティ比を減少させ、該過負荷信号が解消すると、減少させた該給電信号のデューティ比を、前記第一指令信号に応じたデューティ比まで増加させることを特徴とする請求項１から４のうちの何れか１項記載の直流回生電動機。
6. 前記直流電源から前記界磁巻線対への給電を停止後、前記界磁巻線対を流れる交流の回生電流を検出する回生電流検出手段と、
   前記回生電流検出手段により検出された前記回生電流が閾値を超えたとき、過電流信号を出力する過電流制限手段とを備え、
   前記回生信号生成手段は、前記過電流信号が入力すると前記回生信号のデューティ比を減少させ、該過電流信号が解消すると、減少させた該回生信号のデューティ比を、前記第二指令信号に応じたデューティ比まで増加させることを特徴とする請求項１から５のうちの何れか１項記載の直流回生電動機。
7. 前記検出手段は、前記給電信号を入力する入力端子、及び該入力手段から入力された該給電信号を、検出された前記磁極に応じた極性で出力する出力端子を備えたホール素子を有し、
   前記切換手段は、前記ホール素子から出力される前記給電信号の極性が正のときには第一の方向に通電する第一スイッチング素子、及び該給電信号の極性が負のときには第二の方向に通電する第二スイッチング素子を有することを特徴とする請求項４記載の直流回生電動機。