JPS59172963A - 直流機の整流補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、整流子及びブラシを備えた電動機及び発電機
の如き直流機の整流補償装置に係り、特に補極起磁力を
調整する補極補助巻線を有するものに関する。

〔発明の背景〕

直流機には回転速度に応じて無火花帯が移動する現象が
あり、この無火花帯移動量が太きいと無火花整流で運転
することが不可能となる。この対策として、従来、第１
図〜第３図に示すような手段が採用されている。

即ち、第１図は直流機の要部を示したもので、１は継鉄
、２は界磁鉄心、３は界磁巻線、４は補償巻線、５は補
極鉄心、６は補極巻線、７は補極補助巻線、８は電機子
鉄心、９はスロット、１０は電機子巻線である。補極巻
線６は、電流が供給されると補極鉄心５を磁化し、出猟
空隙を介して電榛、・子巻線１０に整流補償用の補極磁
束を供給する。補極補助巻線７は、補極巻線６に対して
差動的に巻装されており、補極巻線６による整流補償用
の補極磁束の量を調整する。

第２図（イ）、（ロ）は直流機における回転数の変化に
よる無火花帯の移動の様子を示す。同図（イ）は低い回
転速度で運転した場合の無火花帯（斜線部分）を示す。

Ａは上限、Ｂは下限である。無火花帯の中心が電機子電
流の負荷軸０−Ｐ線上にあるので、直流機は無火花整流
となる。同図（ロ）は高い回転数で運転した場合の無火
花帯（斜線部分）を示す。

この場合は無火花帯の中心が負荷軸０−Ｐ線から変位し
ているので、無火花帯の上限Ａと負荷軸Ｏ−Ｐとの交点
Ｃ以上の電機子電流で運転すると、ブラシから火花が発
生し、無火花整流が得られない。このため一般の直流機
は、回転速度と電機子電流に応じて補極補助巻ａ７に供
給する電流量を制御することにより補極起磁力を調整し
、これによって負荷軸を同図（ロ）の０−　Ｐｌａ上に
移動させて無火花整流を達成している。

第３図は上記のような制御を行う回路のブロック図な示
す。同図において、３は界磁巻線、４は補償巻線、６は
補極巻線、７は補極補助巻線、１１は整流子、１２はブ
ラシ、１３は回転速度検出器、１４は電機子電流検出器
、１５は掛算器、１６はゲート信号発生器、１７は電流
制御回路、１８は平滑リアクトル、１９は直流電源であ
る。つまりこの回路では、回転速度検出器１３と電機子
電流検出器１４の出力Ｖｎ、Ｖｉを掛算器１５に入力し
、掛算器１５の出力Ｖｅをゲート信号発生器１６に入力
し、ゲート信号発生器１６の出力により電流制御回路１
７内のスイッチング素子のスイッチング周波数及び通流
率等を制御することにより、外部直流電源１９から補極
補助巻線７に供給する電流ｉｐを調整するようにしてい
る。なお、平滑リアクトル１８は補極補助巻線７に流れ
る電流の脈動率を低減するためのものである。

上記の構成により、補極補助巻線７の電流ｉｐは回転速
度と電機子電流の増大に応じて増加し、このため補極起
磁力が変化して、第２図（ロ）に示すように負荷軸は無
火花帯中心の０−Ｐ１線上に移動するようになる。この
結果、直流機は無火花整流で運転できることになる。

ところで、一般に＠流機においては、ブラシの入口側で
の火花の発生が問題となることは殆んどなく、火花の発
生といえばブラシの出口側だけが問題とされてきた。こ
のため上述のような従来の整流補償方式においても、ブ
ラシの出口側に着目して無火花整流の条件が定められて
いた。ところが最近、直流機の小型化傾向に伴ない、電
機子電圧が高（なるとか、回転速度が高（なるとか、あ
るいは磁気装荷が大になるなど、整流を困難にする要因
が増大しており、このためブラシの出口側だけでなく入
口側でも火花の発生が問題となってきている。しかしな
がら従来の整流補償方式では、上述のようにブラシの出
口側に着目して無火花整流の条件を定めているため、ブ
ラシの出口側の火花の発生は防止できても、入口側の火
花の発生は防止できないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、ブ
ラシの出口側だけでなく、入口側でも火花の発生を防止
することのできる直流機の整流補償装置を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

上記目的を連成するため、本発明は、電機子及び整流子
を有する回転子と、界磁鉄心及び界磁巻線から成る正極
、補極鉄心、補極巻線及び補極補助巻線から成る補極並
びにブラシを有する固定子とを備え、前記電機子への電
力の授受を前記プラン及び榮流子を介して行５　ｉＭ流
機の整流補償装置において、前記補極補助巻線の電流を
、電機子電流の負荷軸が無火花帯の下限近傍にくるよう
に調整する調整手段を設けたことを特徴とする。

補極補助巻線の電流を上記のように調整する理由は次の
とおりである。

第４図は、整流期間中に整流コイルに誘起されるリアク
タンス電圧の山積値ｅｒ（直線整流の場合）と、補極が
作る整流補償用の補極磁束によって整流コイルに誘起さ
れる整流起電力ｅｃの、形と大きさを示す。ｅｅｌはブ
ラシ出口側の火花の有無で設定した無火花帯の上限（補
極起磁力を増加した場合）における整流起電力、ｅ（２
は同じ無火花帯の下限（補極起磁力を減じた場合）にお
ける整流起電力である。Ｔｌは整流開始側、Ｔ２は整流
終了側である。整流聞漏側Ｔ１に着目すると、無火花帯
の上限では過整流となり、整流起電力ｅｃ１がリアクタ
ンス電圧の山積値ｅｒより太き（なるので、ブラシ入口
側で火花が発生する。これに対し、無火花帯の下限では
不足整流となり、整流起電力ｅｃ２がリアクタンス電圧
の山積値ｅｆとほぼ一致するので、ブラシ入口側で火花
が発生することはない。

第５図はブラシ出口側を基準にして設定した無火花帯の
上限及び下限におけるブラシ入口側での火花の発生状況
を示す。ＳＰｌは電機子電流の負荷軸を無火花帯の上限
に設定した場合におけるブラシ入口側での火花号数を示
している（１号は無火花、２号以上は火花発生）。この
場合にはブラシ入口側で火花が常に発生しており、電機
子電流の増加と共にその号数が大きくなる傾向にある。

これに対し、ＳＦ３は電機子電流の負荷軸を無火花帯の
下限に設定した場合におけるブラシ入口側での火花号数
を示しており、この場合にはブラシ入口側での火花発生
はない。これは第４図で説明したように無火花帯の下限
では、整流起電力ｅｃ２とリアクタンス電圧の山積値ｅ
ｒがほぼ一致していることに符合する。

以上の検討結果から、第６図に示すように、電機子電流
の負荷軸が、無火花帯の上限Ａと下限Ｂの間で、しかも
下限Ｂ近傍の０２−Ｐ２線上にくるように、補極起磁力
を調整するならば、ブラシの出口側のみならず入口側に
おいても火花の発生のない整流を行い得ることが理解で
きる。補極起磁力の調整は補極補助巻線の電流を調整す
ることにより行うことができる。

〔発明の実施例〕

第７図は本発明の一実施例に係る直流機の整流補償装置
のブロック回路図である。同図において第３図に対応す
る部分には第３図と同一符号を付しである。新たに設け
たものは、符号２０のパターン信号発生回路、２１の動
作設定回路、２２のアナログスイッチである。

パターン信号発生回路２０の詳細は第８１３￥１に示す
。同図において、２３ａ　、　２３ｂ・・・・・・はア
ナログスイッチ、　２４ａ、２４ｂ・・・・・・はパタ
ーン発生器である。

パターン発生器２４ａ　、　２４ｂ・・・・・・は回転
速度■。の大きさに応じてそれぞれ電機子電流Ｖｉに比
例した電圧■ｐのパターンを出力する。即ち、パターン
信号発生回路２０は、回転速度検出器１３の検出値Ｖｎ
によってアナログスイッチ２３ａ　、　２３ｂ・・・・
・・のうちの１つを動作させてそれに応じたパターン発
生器２４ａ　、　２４ｂ・・・・・・のうちの１つを選
択し、選択されたパターン発生器から電機子電流検出器
１４の検出値Ｖｉに比例した電圧■ｐを出力する。

動作設定回路２１は、負荷が小さい場合（例えば電機子
電流が零のとき）もしくは停止している場合を検出して
アナログスイッチ２２の接点を開く働きをする。

次にこの装置の動作を説明する。

まず、負荷が小さい場合又はＮ転子が停止している場合
には、火花の発生は問題とならないので、動作設定回路
２１がそれを検出し、アナログスイッチ２２を切ってゲ
ート信号発生器１６への信号の入力をストップする、こ
のためゲート信号発生器１６は動作せず、補極補助巻線
７には電流は流れない。

補極補助巻線７の電流により補極起磁力の調整を行うの
は、回転子が回転していて、負荷がかかつている場合で
ある。パターン信号発生回路２０は、回転速度の検出値
■ｎが入力されると、前述のようにしてそれに応じたパ
ターンで電機子電流検出値■ｎに対する電圧■ｐを出力
する。例えば回転速度が低い場合には第９図（イ）のよ
うなパターン出力となる。即ち回転速度が低い場合、パ
ターン信号発生回路２０から■ｌの信号電圧が出力され
ると、補極補助巻線７の起磁力で電機子電流の負荷軸が
無火花帯の下限に設定されるものとすれば、パターン信
号発生回路２０はそれより若干小さいパターンの電圧ｖ
ｐを出力する。その結果ゲート信号発生器１６及び電流
制御回路１７はこのパターンに沿って補極補助巻線７の
電流を制御するので、電機子電流の負荷軸は第］０因（
イ）に示すように無火花帯の下限近傍である０３−Ｐ３
線上に設定される。

このためブラシの出口側だけでなく入口側でも火花の発
生のない整流を行うことができる。また、回転速度が高
い場合にはパターン信号発生回路２０の出力は例えば第
９肉（ロ）のようなパターンとなる。

即ち回転速度が高い場合、パターン信号発生回路２０か
らＶ２の信号電圧が出力されると、補極補助巻線７の起
磁力により電機子電流の負荷軸が無火花帯の下限に設定
されるものとすれは、パターン信号発生回路２０はそれ
より若干小さいパターンの電圧Ｖｐを出力する。その結
果補極補助巻線７の電流はこのパターンに沿って開側ｊ
されるので、電機子電流の負荷軸は第１０図（ロ）に示
すように無火花帯の下限近傍である０４−　Ｐ４線上に
設定され、ブラシ入口側でも火花の発生を防止できる。

第１１図は本発明の他の実施例を示すブロック回路図で
ある。同図において第３図に対応する部分には第３図と
同一符号を付しである。新たに設けたものは、符号２１
の動作設定回路、２２のアナログスイッチ、２５の検出
ブラシ、２６の絶縁アンプ、２７の関数発生器、２８の
加算器である。

動作設定回路２１及びアナログスイッチ２２は第７図の
実施例で説明したものと同じである。

検出ブラシ２５は、ブラシ１２の出口側に設置され、ブ
ラシ１２と同じ整流子１１０表面に摺接して、整流コイ
ルの接続された整流子片がブラシ１２から離れるときの
ブラシ１２に対する電圧ｖｂ（以下、ブラシ電圧という
。）を検出するものである。

関数発生器２７は、ブラシ電圧を火花発生限界電圧の±
３ｖ以内に抑えてやれば無火花整流となるので、指令値
■ｓを正の２．５〜２．８Ｖ（無火花帯の下限近傍）に
設定し、第１２図に示すように、検出したブラシ電圧Ｖ
ｂが、指令値■ｓの範囲内にあるときは出力を零とし、
指令値Ｖｓより低いときはその大きさに比例した正の信
号電圧Ｖｋｔを、高いときはその大きさに比例した負の
信号電圧Ｖｋ２を出力するものである。負の信号電圧Ｖ
ｋ２は正の信号電圧Ｖｋｔより傾きを大にしである。

加算器２８は掛算器１５の出力と関数発生器２７の出力
を加算し、その結果をゲート信号発生器１６へ入力する
ものである。

次にこの装置の動作を説明する。

いま、直流機は低い回転速度で回転していて負荷がかか
つているものとする。このため掛算器１５には電機子電
流検出器１４の検出値Ｖｉと回転速度検出器１３の検出
値■ｎが入力される。しかし、掛算器１５は低い回転速
度では動作しないように設定されているので、信号を出
力しない。一方、検出ブラシ２５により検出したブラシ
電圧ｖｂは絶縁アンプ２６を介して関数発生器２７に入
力されている。検出したブラシ電圧■ｂが指令値Ｖｓ（
＋２．５〜２．８Ｖ）の範囲にあるときは負荷軸が無火
花帯の下限（＋３Ｖ）近傍にあるのでそのままでよいが
、ブラシ電圧Ｖｂが指令値Ｖｓより小さい場合には、関
数発生器２７は、第１２図に示すようにその大きさに応
じた正の信号電圧Ｖｋ□を加算器２８及びアナログスイ
ッチ２２を通してゲート信号発生１６へ入力するので、
これにより電流制御回路１７がされる。この結果、低い
回転速度においても、補ル起磁力が変化し、第１０図＠
）に示すように、電機子電流の負荷軸が無火花帯の下限
近傍のｏ、−ｐ３線上に移動する。したがって前述した
理由により、ブラシ入口側及び出口側での火花発生を防
止できる。また、直流機に負荷がかかつていない場合は
、動作設定回路２１が動作してアナログスイッチ２２の
接点を開くので、補極補助巻線７には電流が供給されな
い。

次に、直流機が高い回転速度で回転していて負荷がかか
つている場合について舵、明する。この場合は、掛算器
１５が電機子電流の検出値Ｖｉと回転速度の検出値■ｎ
を掛算した信号電圧ｖｅを出力するので、ゲート信号発
生器１６及び電流制御回路１７が動作して、補極補助巻
線７に電流が供給される。

この制御は従来と同じであるから、この結果は負荷軸を
第２図（ロ）に示すように無火花帯中心のＯ−Ｐ工線上
妊移動させる。本実施例ではこれに加えてさらに次のよ
うな制御が行われる。即ち、検出ブラシ２５の検出電圧
Ｖｉが指令値■ｓより小さいと、関数発生器２７は第１
２図に示すように正の信号電圧Ｖ　ｋ　１を出力する。

この信号電圧Ｖｋｘは加算器２８において掛算器１５の
出力■ｅと加算され、加算された信号電圧Ｖ、がゲート
信号発生器１６に入力されるので、補極補助巻線７に流
れる電流が増加する。この結果、負荷軸は第１０図←）
に示すように無火花帯の下限近傍のＯ，−Ｐ４線上に移
動し、ブラシの出口側及び入口側における火花発生を防
止できる。なお、負荷がかかつていない場合は、動作設
定回路２１が動作し、補極補助巻＃Ｊ７には電流が供給
されない。

ところで、直流機を運転していると、運転時間の経過等
によってブラシの皮膜生成状態が変化し、無火花帯の位
置が移動するために、無火花整流ができなくなることが
ある。このような現象に対しては本実５殉例は次のよう
に対処できる。即ち、ブラシの皮膜生成状態が変化して
無火花帯の位置が移動し、検出ブラシ２５による検出電
圧Ｖｂが正の２．８■以−ヒつまり火花発生領域になっ
た場合は、関数発生器２７は、第１２図に示すよ５にそ
の大きさに応じた負の信号電圧Ｖｋ２を発生する。しか
もこの負の信号電圧Ｖｋ２は正の信号電圧ｖｋ□よりも
ブラシ電圧■ｂに対する変化率が太き（なっているので
、ゲート信号発生器１６に入力される信号電圧Ｖｏの減
少程度が太き（なる。このため補極補助巻線７の電流が
太き（減少し、負荷軸を無火花帯の下限近傍に自動的に
設定するようになる。

このように本実施例によれば、無火花帯の位置が回転速
度あるいはブラシの皮膜生成状態によって変化しても、
常に負荷軸を無火花帯の下限近傍にくるように調整する
ので、ブラシの出口側のみならず入口側における火花発
生をも防止することができる。また、負荷軸を無火花帯
の下限近傍に位置させることは不足整流にすることでも
あるので、整流コイルの電機子反作用により主磁束が増
加し、弱め界磁時に生じる速度のしり上がり特性を防止
できるという利点もある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、電機子電流の負荷
軸が無火花帯の下限近傍に（るように補極補助巻線の電
流を調整するようにしたので、ブラシの出口側はもちろ
んのこと、入口側においても火花の発生を防止できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は直流機の固定子及び回転子の一部を示す断面図
、第２図（イ）、（ロ）は無火花帯の移動に対する従来
の補償方法を示すグラフ、第３図は従来の直流機の整流
補償装置を示すブロック回路図、第４図は整流期間中に
おけるリアクタンス電圧の山積値と整流起電力の関係を
示すグラフ、第５図は無火花帯の上限及び下限における
ブラシ入口側での火花発生状況を示すグラフ、第６図は
無火花帯における電機子電流の負荷軸の好ましい設定位
置を示すグラフ、第７図は本発明の一実施例に係る直流
機の整流補償装置を示すブロック回路図、第８図は同装
置におけるパターン信号発生回路の具体例を示すブロッ
ク回路図、第９図（イ）、（ロ）は同パターン信号発生
回路の出力の例を示すグラフ、第１０図（イ）、（すは
同出力により設定された電機子電流の負荷軸の位置を示
すグラフ、第１１図は本発明の他の実施例に係る装置を
示すブロック回路図、第１２図は同装置における関数発
生器の出力の一例を示すグラフである。 ３・・・・・・界磁巻線、４・・・・・・補償巻線、６
・・・・・・補極巻線、７・・・・・・補極補助巻線、
１０・・・・・・電機子巻線、１１・・・・・・整流子
、１２・・・・・・ブラシ、１３・・・・・・回転速度
検出器、１４・・・・・・電機子電流検出器、１５・・
・・・・掛算器、１６・・・・・・ゲート信号発生器、
１７・・・・・・電流制御回路、２０・・・・・・パタ
ーン信号発生回路、２１・・・・・・動作設定回路、２
２・・・・・・アナログスイッチ、２５・・・・・・検
出ブラシ、２６・・・・・・関数発生器、２８・・・・
・・加算器。 ３３８− 第　３　口 第　４　口 第　５　目 第　６　凹 第　　７　　日 第　８　」 臀 第　９　囚 第　１０　　Ｉｌｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、　電機子及び整流子を有する回転子と、界Ｗ＋’鉄
   心及び界磁巻線から成る′Ｅ極、補極鉄心、補極巻線及
   びこの補極％線とは差動的に巻装された補極補助巻線か
   ら軟る補極並びにブラシを有する固定子とを備え、前記
   電機子への電力の授受を前記ブラシ及び橢流子を介して
   行うものにおいて、前記補極補助巻線の電流を、電機子
   電流の負荷軸が無火花帯の下限近傍にくるように、調整
   する調整手段を設けたことを特徴とする直流機の整流補
   償装置。 ２、特許請求の範囲第１頓において、前記調整手段は、
   回転速度の検出値に応じて予め設定したパターンを選択
   し、電機子電流の朽１出値に比例した出力信号を発生す
   るパターン信号発生的］路を有し、このパターン信号発
   生回路の出力信号に基づいて前記補極補助巻線の電流を
   調整するようにしたことを特徴とする直流機の整流補償
   装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記調整手段は、
   回転速度検出手段、電機子電流検出手段及び整流状態検
   出手段を有し、それらの検出値に応じて前記補極補助巻
   線の電流を調整するようにしたことを特徴とする直流機
   の整流補償装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記整流状態検出
   手段は、前記ブラシの出口側近傍に設けられたブラシー
   整流子片間の電圧を検出する検出ブラシを有することを
   特徴とする直流機の整流補償装置。 ５、特許請求の範囲第３項において、前記整流状態検出
   手段は、前記ブラシの出口側におけるブラシー整流子片
   間電圧を検出する検出ブラシと、その検出電圧が指令値
   以下のときは正、以上のときは負の電圧を出力する関数
   発生器とを有し、前記調整手段は、前記回転速度検出手
   段の出力と電機子電流検出手段の出力の積を求める掛算
   器と、この掛算器の出力と前記関数発生器の出力の和を
   求める加算器とを有し、この加算器の出力に応じて前記
   補極補助巻線の電流を調整するようにしたこを特徴とす
   る直流機の整流補償装置。