JPS5821393B2 - セイリユウシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気機械に使用するための整流子であって、
カーボンファイバブラシを用いた分数馬力機械に特に適
用しうる整流子に係る。

整流の目的は、電機子巻線のコイルが成る点を過ぎて動
く時にこれらの次々のコイルに流れる電流の方向を反転
しそしてこの点の右側に存在する電機子巻線部分に流れ
る電流の一定方向と、この点の左側に存在する電機子巻
線部分に流れる電流の一定方向とを維持する事である。

電機子巻線は、電機子シャフトに装着された一連の接近
して離間された導電性セグメントに接続されていて、外
部回路に接続されたカーボンブロック形態のブラシとス
ライド接触が外される様になっている。

いかなる瞬間に於いてもブラシが接触しているところノ
のセグメントは、電流反転過程についての基準点となる
。

セグメントは、通常はドラムの円筒状表面に装着され、
この場合には、セグメントの絶縁の境界は、回転軸に対
して平行な直線である。

或いは又整流子は、回転軸に対して直角な平面内に、存
在する面板から成ってもよく、この場合にはセグメント
の境界は、半径方向の線である。

電機子か回転する時には、ブラシは単１のセグメントと
交互に、そしてそのセグメントと次に続くセグメントと
同時に接触する。

これらの第２の期間中は、理想的には、ブラシの後縁に
於ける電流密度は、スパーキングが生じる臨界レベルよ
り下に常に保持されそして接触が遮断される前に零に下
がるという様に構成されねばならない。

これらの条件を決定するファクタの１つは２つのセグメ
ントの各々とブラシとの間の接触抵抗の変化率である。

従来型の固体カーボンブラシを使用する場合には、この
抵抗は、ブラシ表面上の２，３のランダムに分布された
点に於ける接触に基くものであり、変化率を何らかの正
確さを以って制御する事はできない。

然し乍ら、カーボンファイバブラシ（或いは又可撓性素
子を有するその他の形式のブラシ）は、数多くの均一に
分布された接触点を有していて、ブラシの抵抗は、その
接触面積に反比例してより正確な程度に変化する。

従って、ブラシ面に於ける電流密度を最適にする様に抵
抗の変化を制御することが実際にできる様になりそして
これが本発明の目的である。

本発明の第１の見地に依れば、整流子は、互いに電気的
に分離された複数個の導電性セグメントから成り、該セ
グメント各々は、整流子が所定の方向に回転しそしてこ
れにブラシが均一に支持される時にはブラシとセグメン
トとの間の接触面積が最初は実質的にステップ状に増加
しそしてその後は漸次下降する平均の割合で増加すると
いう様な形にされている。

本発明の第２の見地に依れば、整流子は、互いに電気的
に分離された複数個の導電性セグメントから成り、該セ
グメント各々は、整流子が所定の方向に回転しそしてこ
れにブラシが均一に支持される時には、ブラシとセグメ
ントとの間の接触面積が最初は実質的にステップ状に増
加し、そしてそれに続いて実質的にリニアに増加すると
いう様な形にされている。

好ましくは各々の場合に於いて、接触面積の最初のステ
ップ状の増加は、０．２５乃至最大接触面積である０、
７５の範囲内にある。

本発明の第１の見地に依る整流子を組み込んだ電気機械
は、指定の回転速度に対しては、整流中のセグメントと
ブラシの後縁との間の接触面積についての平均電流密度
が実質的に一定である様に構成される。

本発明の第２の見地に依る整流子を組み込んだ電気機械
は、指定の回転速度に対しては、整流中のセグメントと
ブラシの後縁との間の接触面積についての電流密度の初
期値と最終値とが実質的に等しい様に構成される。

本発明の実施例及び作動態様を以下添付図面を参照とし
て説明する。

第１図を参照すれば、面板整流子１は中心穴３に依って
分数馬力電動機（図示せず）のスピンドルに装着する様
に構成された絶縁材のディスク２を含んでいる。

該ディスク２の表面に与えられた導電性材料の５つのセ
グメント４は、ディスク２の有効面域の内部縁５と外部
縁６との間で中心穴３のまわりに均一に配置されている
。

これらのセグメント４は互いに電気的に分離されている
が接近して離間されており且つ形状が相補的であり、セ
グメント４の各々の隣接対は、絶縁境界１に依って分離
されている。

各々の境界７は、縁５と６との間の距離の半分に対して
は縁５から半径方向に外に延び、そしてこの初めの半径
方向から６０゜変位した縁６に於ける点８で終わる曲線
上を滑かに時計方向に続いている。

この曲線上のいかなる点の半径方向位置も初めの半径方
向からの角度変位にリニアに関係している。

点８０反時計方向へ１０°にある縁６上の点９からは、
境界７と縁６との間の導体のわず〃・な面積を除去する
様に半径方向に切り込みがなされている。

陰影を付けられ各々の面域１０は、厳密には、縁５と６
との間の半径方向に大部分の寸法を有するところの傾斜
されたカーボンファイバブラシ（図示せず）の接触面積
のみを示しているが、便宜上ブラシ自体を指す様に用い
る。

ブラシの寸法は、整流子１０回転中にブラシ１０の接触
面積がセグメント４の各々に対し順次瞬間的に制限され
そして回転中に２つより多くのセグメント４に延びる点
はないという様なものである。

整流子１が２．５ｃｒｒＩ直径のものについては、ブラ
シ１０の接触面積の大きさは０．８σｘ’ ０．２ｃｍ
である。

セグメント４の形態は、反時計方向の回転以外の整流子
１の使用を妨げるものであるが、セグメント４の形態は
、時計方向の回転が出来る様に同様に設計する事もでき
るという事が理解さえよう。

面板整流子は、その寸法が電動機の寸法に依って決定さ
れるのではなくセグメントパターンの必要な明確さ程度
をブラシの寸法に関して与える様に選ぶ事ができるとい
う場合に特に好都合である。

円筒状の整流子についても面板形式のものに類似した方
法で変更したセグメントパターンを等しく持たす事がで
きる。

いずれの場合に於いても、パターンは、プリント回路板
の製造業者に知られた技術に依って作成されるという事
は明らかである。

この明細書に説明されたセグメントパターンの案出を理
解するためには、整流のメカニズムを簡単に考える事が
必要である。

さて第２図を参照すれば、整流子１の２つの隣接セグメ
ン）４ａ及び４ｂが電機子巻線の区分１１に閉路接続さ
れた基本的な機械が示されている。

半径方向に装着されたカーボンファイバブラシ１０は、
整流子１０反時計方向回転中にブラシ１０がセグメント
４ｂと接触する前の瞬間に於いてセグメン）４ａと完全
に接触して示されている。

この瞬間に於けるセグメン）４ａの電流は、■で示され
、そしてブラシ１０の全面積についての定常電流密度は
、Ｊｏで示される。

ブラシ１０は、整流子１の狭いセクタ内でセグメン）４
ａのみと完全に接触状態にありブラシ１０がこの位置か
らセグメン）４ｂの対応位置へと通過する時間が整流時
間Ｔ。

である。この整流時間Ｔ。

中にブラシ１０とゼグメン）４ａとの間の接触面積が減
少するにつれて変化する電流密度は、Ｊａで示される。

巻線１１のインダクタンスは、Ｌで示され、そしてブラ
シ１０の全面積に対する接触抵抗は、Ｒで示される。

〃抵抗〃という語は、カーボンブラシと通電回路の導電
性表面との間の接触に対して適用される時には電流に対
する電圧降下の増分的比率を指しそして定在電圧降下は
何ら考慮していないという事を理解すべきである。

ブラシ１０として使用されるカーボンファイバの如き材
料の特性は、従来型の固体ブラシでは達成されにくいと
ころの微視的な規模でも一定の接触が維持されるという
事である。

従って、整流子が回転されるにつれて、ブラシ１０の抵
抗Ｒは、各々の接触面積に反比例してセグメント４ａと
４ｂとの間に繰返し分布され、そしてインダクタンスＬ
がない場合には、電流■は、各接触面積に正比例して、
セグメント４ａと４ｂとの間に対応的に繰返し分布され
る。

インダクタンスＬの作用は、セグメント４ａに対する電
流の減衰とセグメン）４ｂに対する電流の増加とを共に
遅延する事である。

明らかに、回転速度が高い場合には、セグメント４ａと
の接触面積は、急速に減少り、 一方、このセグメント
に対する電流は、ゆっくりと減少しそして不所望に高い
電流密度の値Ｊａが生。

しる。

一般的に、回転速度は、整流時間Ｔ。が比率Ｌ／Ｒに等
しいところの誘導特定数Ｔに少くとも匹敵する様に選択
され、巻線１１の抵抗は、無視できるものとする。

色々の形のセグメントに対して整流時間Ｔｃ中。

のＪａ／Ｊｏの値の計算がなされ、そして、その結果は
、第３図に一般的に示されている。

曲線Ａは半径方向の初めのステップが縁５と６との間の
全半径方向距離の半分である様な第１図及び２図の実施
例のセグメントの形の場合を表わす。

この・比率をｒ＝０．５ｒｏと示すならば、同様にして
曲線Ｂはｒ ＝０．７５ ｒＯの状態を指し、曲線Ｃは
１７＝０．２５ｒｏの状態を指しそして曲線りはｒ＝ｏ
の状態を指し、この場合には初めのステップは存在せず
境界はすぐに曲がり始める。

各々の場合に於いて、境界の曲線部分は、半径方向と角
度変位とがリニアに関係するところの同一の法則に従い
、そして各々の場合に於いて、時定数ＴはＴｃに等しい
。

再び第２図を参照すれば、ブラシ１０７５ζ初めに示さ
れた位置から、セグメント４ａからセグメン）４ｂへ至
る境界７を頂度横切る位置１２へと至った時に生じる状
態を考える。

ブラシ１０の面域の１方の半分（先縁）は、今やセグメ
ント４ｂと接触しており、然して他方の半分（後縁）は
、セグメント４ａと接触したままである。

瞬間的にはセグメン）４ｂの電流の増加はないが、セグ
メン）４ａの電流■は、その最大値のままであり、従っ
て電流密度Ｊａば２Ｊｏに上昇する。

この状態は、第３図に於ける曲線Ａの初期値（Ｊ ａ
／Ｊｏ）−２に相当する。

その他のセグメントの形状に対する初期値Ｊａ／Ｊｏの
導出は、同様にして表わされ、その関係は、（Ｊａ／Ｊ
ｏ）１＝１／（１−ｒ／ｒｏ ）として簡単に表わされ
る。

ブラシ１０の先縁に於ける電流密度は、Ｊｏを越える事
ができず、解決すべき問題は、後縁に於ける値Ｊｔｙ’
Ｊｏを安全レベルに限定することであるという事は明ら
かであろう。

一般的にセグメントの形状のゆっくりとした変化は、Ｊ
ａ／Ｊｏを整流時間の初期には低く保持せしめるが、こ
れは接触を遮断する点に於ける高い値を犠牲にするもの
であり、急激な半径方向ステップ、例えばｒ ＝ ０．
７５ ｒｏは、初めは高い値のＪａ／Ｊｏを生じるが整
流時間の後期では低い値を生じなければならず、従って
ｒ＝ｏ或いはｒ＝０．２５ｒｏの状態のいずれかが好ま
しいものであるという事は明らかである。

比率Ｔ／Ｔ、が２又は３に上昇したとしても、ｒ ＝０
．７５ ｒＯの状態を用いる事に依って過剰な電流密度
が避けられる。

整流時間の終りに於ける電流密度は、 （Ｊａ／Ｊｏ ）２ ＝１／（１（Ｔ／Ｔｃ） （１ｒ
／ｒｏ ） ）という式で定義され、従って（Ｔ／Ｔ、
） （１−ｒ／ｒＯ）が１に接近する時には非常に高
い値になるという事を示す事ができる。

従って半径方向ステップのより大きい値は、（Ｊａ／Ｊ
ｏ ）２の値を制限するだめのＴ／Ｔｅのより大きい値
に対して適当である。

然し乍ら、１を越えないＴ／Ｔｃの値については、ｒ＝
０．５ｒｏの場合のセグメントの形が、考えられる設計
のうちで最も有用な性能を発揮し、Ｊａ／Ｊｏの最初と
最後の値は充分に低いレベルに於いて等しい。

特定の大きさの電動機の回転速度と電力定格とは、従来
式の半径方向型式或いは曲線りの型式のいずれでもなく
て曲線Ａの型式の設計のセグメントを使用する事に依り
、端子電流を増加せずに２倍にする事ができるという事
が実験的な試みに於いて実証されている。

セグメントの形の特定の類のうちの幾つかの詳が第３図
の曲線を説明する際に他の群に対して望ましいものとし
て示されたが、第１図、２図及び３図を参照して説明さ
れた本発明の見地は、これら群或いはこの類に限定され
るものではなく、ブラシとセグメントとの間の接触面積
が最初はステップ状に増加し次いで構造の大きさに関し
て実際的にリニアである様にして増加し続ける全ての場
合まで拡張されるという事が理解されよう。

この種のセグメントは、従来の形態に勝る実質的な運転
中の効果を与え然して構造が簡単であるという事がわか
った。

然し乍ら以下の説明は、第４ａ図及び４ｂ図に関連して
本発明の広範な見地を考慮するだめの基礎を与えるもの
である。

第１図の面板整流子の類似のものとして、第４ａ図には
円筒状整流子１４の展開された表面の１部が示されてい
る。

端面１５と１６との間の軸方向距離は、ここではｒ。

とさへ隣接セグメント１８と１９との間の絶縁境界部１
７は、端部１５の点２０から軸方向に距離ｒだけ延びて
いる。

この境界は、次いで軸に対して成る角度でリニアな路２
１をたどり、セグメント１９の根元中以内の点２２に於
いて端面１６に達する。

ｒ ／ ｒ ｏ ＝０．５であり且つ回転速度がＴ／Ｔ
ｃ−１となっている場合には第３図の曲線Ａを適用でき
る。

この曲線は、電流密度の比率Ｊａ／Ｊｏの最初と最後の
値が等しく然して中間点のＪａ／Ｊｏが減少されている
という事を示している。

従って、Ｊａ／Ｊｏを全整流時間に亘って均一にさせて
おく様に構成する事に依って機械の効率を改良する事が
できるという可能性が生じる。

この結果は、電流密度が増加されねばならない様な境界
１１を通過した後にブラシ２３に依って掃引さるべきセ
グメント１８の面積を局所的に減少する事に依って第４
ｂ図に示す様に達成される。

面積の必要な減小は、リニアな境界２１の路を凸状の形
態２４に変える事に依って得られる。

ｙが点２０に於ける原点から軸方向に測定されるところ
の、必要とされる曲線２４上の何らかの点の座標（ｘ
、ｙ）は・ シー（ｒ／ｒｏ）２＋ （１−（ｒ／ｒｏ ）２）工・
・・・・・・・・（１）という式に依って与えられると
いう事を示す事ができる。

前記した様に整流巻線１１（第２図）が無視できる様な
抵抗であるとすれば、曲線２４が；後に続くところのス
テップ１７を有するセグメントは、 Ｔ／Ｔｃ＝（２ｒ／ｒｏ）／（１（ｒ／ｒｏ）２．ｌ”
””（２）という速度での整流中に一定の電流密度を与
える３従って、ｒ／ｒｏ＝０．５については第４ａ図の
セグメントの形態は、第３図の曲線Ａに従うものであっ
て、Ｔ／Ｔｃ−１という様な速度に対して最大電流密度
Ｊ ａ ／ Ｊ ｏ ＝ ２を与え、同一の値ｒ／ｒ（
に対して第４ｂ図の境界２４は、Ｔ／Ｔｃ＝４／３とい
う様な速度に於いて一定の電流密度Ｊａ、／Ｊ。

−２を与え、従って、速度を安全に３３％だけ増加させ
る事ができる。

軸方向の長さ２５ｍ７１１に対する、路２１と２４との
間の寸法の差の指示としては、最大の偏差は約１ｍｍで
あり、これはこの点に於けるセグメント１８の軸方向寸
法の１５％の減小に相当する。

従って、設計者は、第１の近似として、計算さるべき機
械巻線の部分に対する時定数Ｔの値と指定された回転速
度とを（２）式に代入する事に依って、電流密度が一定
であるところのｒ ／ ｒ ｏの値を算出する事ができ
る。

この値ｒ／ｒｏから、（１）式を適用する事に依って対
応曲線２４を構成する事ができる。

巻線１１（第２図）の抵抗は、無視できるものとしたが
、実際には、この抵抗は相当なものであり、その結果の
時定数Ｔの減少に対して補正がなされねばならない。

その作用は、セグメント１８の狭い部分を更に減少させ
つつ一定の電流密度を選択された速度で保持する事であ
るよいう事を示す事ができる。

これまで利用できなかった一般的な設計手順が得られ、
次の段階１乃至９に説明されている。

この手順は、巻線の抵抗及びその他の機械回路パラメー
タを考慮に入れて修正された境界２５を決定する事がで
きる。

セグメント１８及び１９は、第２図に示したように巻線
１１間に接続されるものとする。

α）ブラシの後縁に於ける電流密度Ｊ８に対する値が指
定され、整流中のセグメント１８に於いて、スパーキン
グを生じるとわかっている密度のすぐ下のレベルに維持
される。

（２）予備計算に対してステップの比率ｒ／ｒＯ＝ａが
選択される。

（３）セグメント１９に於いては、セグメント１８の整
流中は先縁の初期電流密度は零であり、最終電流密度は
Ｊｏ＝Ｊａ （１ａ）である。

ブラシ（巾はｒＱで均一の厚みの）とセグメント材料と
の間の電圧降下Ｖは、電流密度０（Ｖｌ）Ｊ ｏ （Ｖ
２ ）及びＪ ａ （Ｖ ｓ ）に対して実験的に確立
される。

差の抵抗に対して類似なファクタＲは、（ｖ２−Ｖｌ）
／Ｊｏ−ｒｏとしてグラフによって決定される。

（４）巻線１１のインダクタンスＬは、特定数Ｔ−！
Ｌ／Ｒを与えるように決定される。

（５）巻線１１の抵抗Ｒｗは、比率Ｒ１＝Ｒｗ／Ｒを与
えるように決定される。

（６）整流を助勢するように、或いは又打ち消したりす
るように生じる電圧は、 （ｊ）Ｅｏ ＝Ｖｓ−Ｖ１であり、そしてｑｌ）整流コ
イル１１に作用する電圧の正味の値Ｅである。

この値は、自己誘導の打ち消し作用力ζブラシを機械の
磁界に置くことによって打ち勝つならば正であるが、成
る運転モード及び成る型式の機械に対しては負である。

整流されるべき電流を１とすれば、ｅ＝（Ｅ。

±Ｅ）／ＲＩに対して値が導出される。

１７）関係を簡単にするだめに Ｃ＝ （１＋ａ ）Ｒ１／２＋（１＋ａ ）ｅ −１ｄ
＝ （Ｃ２＋４ ａＲｌ ）’とする。

次いで曲線２５上の成る点の座標ＸＩ 、 ｙｌは、と
いう式に依って与えられ、これは という式に依って表わされる。

（８）上記（３）式は、 という速度に於いてＪａが一定に保持されるところのセ
グメントの形を定める。

（９）最初に選択された値ｒｏ及びａに対しては、（３
）式及び（４）式に対する解はなくそして満足な値ｒＱ
及びａが見つかるまで試行錯誤ベースで計算を繰り返す
ことが必要であるということがわかっている。

上記段階（３）に於いて考慮される更に別の可能性は、
セグメント材料が抵抗の不均一な状態で作ることができ
るという事である。

或いは又、接触抵抗が接触面積に対して逆の比率で正確
に変わる様な、カーボンファイバ又はその他の可撓性素
子で構成されたブラシの通常必要とする特性を変更して
もよい。

先ず初めにセグメントと接触をなす先縁に於いてブラシ
の抵抗ができるだけ低くされそしてその他の場所では比
較的高くされる場合には更に別の効果があると考えられ
る。

第６図を参照すれば、カーボンファイバブラシ３０は、
導電性ブラシケース３３に固定されたファイバの均一の
束３２ａ乃至３２ｅの行を含んでおり、上記ケース３３
は、外部差線用の装着及び接続点３４を有する。

使用中、このブラシ３０は、端部の束３２ａ付近のファ
イバ束が先縁を形成し、そして端部の束３２ｃ付近のフ
ァイバ束が後縁を形成するように装着されている。

端部の束３２ａに最も近いブラシ３０の部分に於けるフ
ァイバは、導電性ブラシケース３３と直接接触をなすよ
うに配置される。

然し乍ら端部の束３２ｅの付近のファイバは、ケース３
３のその端部と揃っている絶縁層３５に依ってケース３
３と直接接触をなすことを防いでいる。

従って端部の束３２ｅ付近の面域からケース３３の対向
端に至るブラシ３０を通る電流路はファイバ間の横方向
の接触に基くものであり、これに対する抵抗は、ファイ
バに沿った抵抗よりも非常に高い。

セグメントの形は、円筒状の整流子に対して導き出され
そして第４ｂ図に示されており、これは。

均一の電流密度に於いて出来るだけ速度を高くすること
ができる。

境界の方程式は、もちろん面板整流子に対する半径方向
座標に変換することができ、この整流子を組み込んだ基
本的な機械は境界７が第４ｂ図に示した境界２５の方程
式を満足するように変更された第２図のものと非常によ
く似ているように思われる。

セグメント１９０表面の状態は、傾斜された絶縁境界２
５を横切った後にブラシ２３に依って掃引された面域と
ステップ状境界１γを横切った後にブラシ２３に依って
掃引された面域との間で異るということがわかった。

この表面の状態は、ブラシの摩耗と相互関係して。

いると思われ、そして、これは、境界２５を一連の小さ
なステップ状の境界として構成することによってより均
一にすることができ且つブラシの寿命を延ばすことがで
きる。

第５図は、曲線２５が平均位置を示すところのこのよう
なステップ状の、境界２６を示している。

第５図は又、セグメント１８の延張部として、境界２５
からの突出部を形成するように縁１６から軸方向に延び
た狭いス） ＩＪツブ２７をも示している。

このストリップ２１の目的は、フ゛ラシ２３、の後縁が
セグメント１８を去る時にスパーキングが生じようとす
る作用をこの位置に於ける電流を広い面域に亘って分布
することによって減じることである。

ストリップ２７ば、代表的にはその巾がブラシ２３に等
しく且つ又ブラシ２３の長さの％乃至％に等しい。

第５図のステップ状境界２６とストリップ２１とに対し
て同様の変更が、第１図の整流子のセグメントの境界７
のリニアな部分の如き境界に対して等しく適用できる。

ν 最も一般的に表現する場合には、本発明は、所与の
電流をスパーキングすることなく最小の時間即ち最高の
速度で反転する能力を有する形式の整流子、並びに該整
流子を組み込んだ機械の構造に関する。

この能力は、ブラシの後縁についての電；流密塵が、ス
パーキングを開始する限界値のすぐ下の実質的に一定の
値に維持されるように整流子のセグメントを整形するこ
とにより本発明の成る見地に基いて得られる。

この理想的な状態により近く接近させることのできるセ
グメントの形は、第４図を参照して説明され、そして、
この理想的な状態に近似できるところの実際の値の形は
第１図、２図及び３図を参照して説明されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の成る見地に依る面板整流子の端面の略
図、第２図は関連巻線に接続された第１図に示した種類
の面板整流子の１部の略図、第３図は整流子のセグメン
トの形に関連した、調流中のブラシの電流密度の変化を
示すグラフ、第４ａ図及び第４ｂ図は本発明の更に別の
見地による整流子のセグメントの形態の略図、第５図は
第１図又は第４ａ図及び第４ｂ図のセグメントの形態に
対する変形を示す図、及び第６図は第１図乃至５図に示
した種類の整流子に使用するだめのカーボンファイバブ
ラシの略図である。 １・・・整流子、４・・・セグメント、１０・・・ブラ
シ、１４・・・整流子、１８・・・セグメント、２３・
・・ブラシ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 互いに電気的に分離された複数個の導電性セグメン
   トからなる整流子と、これに対するブラシとを組み込ん
   だ電気機械において、前記セグメントの各々は、前記整
   流子１．１４が所定の方向に回転しそしてその回転方向
   と直角な方向に延長する細長い矩形状をなしているブラ
   シ１０，２３が前記整流子に一様に対している時、その
   結果中ずる前記ブラシとセグメント４，１８との間の接
   触面積か初めは実質的にステップ状に増加し、そしてそ
   の後、漸次下降する平均の割合で増加するような形状と
   されていることを特徴とする電気機械１