JPS61139291A - サイリスタを使用して整流する直流機械 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は従来の異極直流機械におけ名整流子及び整流ブ
ラシに代えてサイリスタを使用可能とする技術に関、す
る。更に詳しくは、本発明は、サイリスタまたは同類の
半導体を使用して、電機子巻線における電気導体の整流
動作−単に整流として知られている−を可能にし、従来
の整流子または整流ブラシの必要と不便さを解消するよ
うに設計された電機子巻線を備えた、改善された異極直
流機械に関する。

Ｃ従来技術〕 その製造上、設計上の技術が既に多年にわたり一般に利
用されている従来の直流機械−「直流機械の性能と設計
ＪＡＥ、クレイトン、Ｎ。

Ｎ、ハンコック共著、参照−は、単極型と異極型の２種
類に区分される。

単極型の機械は、単一の極のみを有し、導体が一定の強
度の磁界を移動可能なように設けられている。しかし、
その究極的な目的が所要動作電圧を得ることにある電機
子巻線導体の直列接続は、磁気回路と電機子巻線の構成
方法に種々のものが可能であるとはいうものの、この種
の機械では問題があり、かつ困難である。

主としてこの問題の故に、単極型の機械は整流子および
整流ブラシを使用しなくても済むにもかかわらずほとん
ど利用されず、その用途は基本的に低電圧および高い電
機子電流の場合に限定されている。

これに対して、異極機械では磁界システムはＮ極とＳ極
が交互に設けられた複数個の極により構成されている。

直流異極型機械用に広く利用されているこの種の構成で
は、導体は、強度が周期的に変化する磁界を運動するの
で、それによってそれぞれの導体の誘導電圧が変化し、
その周波数が回転速度と極対の個数の積によって定めら
れる。

異極型機械では、電機子能動導体の直列接続については
何の問題も生じず、かつこれらの機械は所望動作電圧を
生ずるように製造可能である。

好ましくは、導体の相互接続は、同時に゛反対極にある
導体同志で行なわれ、そのため°その誘導電圧も同量の
ものが反対向きになっている。

従って、そのような導体の接続は、連続状の電機子巻線
の製造が出来るように、電機子鉄心に対して同じ側に配
置された各極端に対して行なうようにする。電機子巻線
は、回転運動中のあらゆる瞬間に、誘導起電力が機械の
外部端子での所望の電圧と所定期間だけ等しくなるよう
な一群の直列接続された導線が存在するような態様にて
、連続的に電気的に平衡がとれた形式で作成するのが望
ましい。

各群の直列接続された導体の誘導電圧が変化するので、
適切な期間中だけ前記導体と機械の外部端子との電気的
接続を可能とし、その端子で一定の電圧を得るためには
、整流装置の使用は不可欠である。

一般に直流異極型機械に用いられ、機械の寸法や用途と
は無関係にメーカーにより主として工業用直流発電機、
大型の直流圧延電動機、機関車やトロリーバス用のけん
引直流モータ用、工業用の小型直流モータその他用に使
用される整流装置は、基本的に整流子およびブラシと称
する機械的整流装置である。

電機子に対して静的な整流子は銅のような導電材料より
成る複数個の隣接する表面部分を含んでおり、相互に電
気絶縁されている。一般にセグメントと称されるこれら
の表面部分は各々直列接続された一群の電機子導体の各
端子と電気的に接続されている。

代表的にはセグメントは、電機子が磁界の極に対して適
切な角度に回転された時、各セグメントが隣接する先行
のセグメントの位置を占めるような態様にて円筒状表面
のような閉鎖円形表面に配置されている。

磁界の極に対して静的なブラシは、基本的に整流子の周
囲に、ブラシが整流子上を滑り、適宜の位置にあるセグ
メントと電気的な接触を維持するように配置されている
。例えば炭素、黒鉛および金属等の導電性材料より成る
表面部分より構成されている。

電機子が極に対して回転されると、ブラシは適切な位置
にあるセグメントと電気的な接触状態となり、適切な位
置を離れるセグメントとの電気的な接触を遮断して、こ
れにより、整流が行なわれる。

機械の動作中、明らかに整流子セグメントとブラシの間
の摩擦は両方の部品の損耗を誘発する。

その場合、整流子とブラシは、整流子の方の損耗度が少
ないように構成することが好ましい。

というのは、整流子のコストは通常高く、ブラシの方が
コストが低いからである。

さらにブラシの構造は、ブラシを交換しなければならな
くなる前の一定の動作期間中、損耗を補償できるように
設計される。

機械の動作中、例えば一般に無害な整流子表面上の薄膜
形成や、一般に有害である火花の発生等のこの種類の機
械的整流にみられる物理現象によって、整流子とブラシ
の損耗は元通させられたり緩和させられたりし、場合に
よっては永久的な損傷を受け、機械自体に対する損害を
及ぼす事故の危険をはらんでいる。

このような現象は、相互に密に関連しており、また例え
ば振動、機械的な非整列性、周囲の、または整流子やブ
ラシと接触する異物、極端な温度および湿度、高い回転
速度、電機子電流のサージ、電機子電圧内の非直流成分
の存在および整流を劣化させるその他の要因に極めて敏
感である。

より入念に設計された機械では、整流子とブラシの効率
、耐久性および信頼性を高める役割を果たす補助整流棒
のような特別な技術が一般に活用されるが、それにとも
ない製造コストも高くなる。

比較的コストが高く、例えばブラシ交換の必要性や、振
動や汚れを回避するのに特別の注意を払う必要性および
回転制限をする必要がある等のいくつかの不便さがある
にもかかわらず、整流子とブラシを使用した直流異極型
電気機械は製造され、多くの多様な用途に否定し得ない
成果をもって活用されている。

トランジスタあるいは同類の半導体を使用して、異極型
電気機械において整流子とブラシに代えるための技術も
これまでに提唱されている。

例えば「ブラシレス」または「電子整流」として知られ
る機械がこの数年間に製造されてい、るが、その用途は
限定されている。この種の機械では整流装置は、基本的
に、適宜の瞬間に一群の直列接続電機子導体を開閉可能
な方法で、同導体に接続された複数個のトランジスタな
いし同類の半導体により構成されている。代表的には、
制御電子回路が、磁界の極に対する電機子の相対位置の
関数としての信号を発して開閉動作を実行せしめる。

このような技術は必然的に、例えばベース電流が印加さ
れると導通状態になり、ベース電流が抑止されると非導
通状態になるトランジスタのような、外部から発される
制御信号によって導通状態も非導通状態も命令し得る半
導体を利用したものである。

半導体技術の水準は進歩しているにもかかわらず、これ
らの特徴を有する半導体の構造に大きく活用されている
上記の技術自体も、より高電力の部品に利用するには固
有の限界をもっている。これらの半導体の信頼性と耐久
性はより高い電流を制御するように構成されると敏感に
低下し、通常の直流機械の電流の範囲では量産が不能と
なる物理的な限界すら存在する。

整流子とブラシの代わりにトランジスタないし同類の半
導体を使用して整流装置を構成する今日までの技術に従
って製造された機械の動力範囲は、半導体自体の制約に
より比較的小さく、その用途は低動力の機械が要求され
る場合だけに限定されている。さらに、これらの整流装
置の相対的なもろさによって、要求される基準がより厳
しく、信頼性が不可欠の要件である場合には使用するこ
とが不可能である。

直流機械において従来の機械的整流装置をトランジスタ
ないし同類の部品を使用した整流装置により代替するた
めの進展がこれまでなされてきているものの−ただしそ
れは限定された用途においてのみであ名が−、ブラシと
整流子を使用した従来の機械と少なくとも同程度に頑丈
で信頼性がある非機械式整流装置を用いた直流異極型機
械に対する必要性は依然として高く、しかも、寸法や動
力およびその他の電気的要因、に無関係に広範囲な用途
で利点をもって従来の装置にとって代わり得る整流装置
に対する必要性は必須なものとなっている。

〔発明の構成及び効果〕

基本的に、本発明はサイリスタまたは同類の部品を使用
した整流装置を直流異極型電気機械にうまく応用できる
という発見にもとずくものであり、機械の電機子巻線は
特別の基準にもとすき通切に製造されているため、従来
のブラシおよび整流子を使用する必要がなくなる。特に
、電機子巻線は導体または直列接続された導体群がサイ
リスタまたは同類の部品を経て外部端子に接続され、巻
線自体は、それぞれの導体が外部端子から遮断され、導
体への電流が遮断されなければならない時、適切な瞬間
に半導体の導通状態から非導通状態への変化に相応する
ように製造されなければならない。

代表的には、サイリスタまたは同類の部品の導通状態は
、例えばトリガ電流ないしパルス電流等の、外部から発
生される制御信号による命令により行われるように構成
することが可能である。

一方、非導通状態は、外部から発生される制御信号によ
っては命令されることができず、半導体内の導通電流が
零であり、同時に導通状態になるよう命令する信号が存
在しない時だけその状態になるように構成可能である。

従って、本発明にもとずく機械の電機子巻線が設定しな
ければならない規準は、導体群の電流が遮断されなけれ
ばならない通切な瞬間に電流が正確に零になり、それ故
、それぞれのサイリスタまたは同類の部品での導通から
非導通状態への変化を可能にすることと相応する。

例えばトリガ電流またはトリガ電流パル゛スとしてサイ
リスタないし同類の部品が、導体のそれぞれの群が外部
端子に接続されなければならない適切な瞬間に非導通状
態から導通状態へと変化することを命令する信号を発す
る補助装置によってシステム全体が完結し、機械の継続
的かつ逐次的な動作を可能にする。

量産されているサイリスタないし同類の部品は分数電流
から数千アンペアの高電流におよぶ　　　　。

広範な用途に応じて製造されており、工業用に広範に利
用されて例外的な強度と信頼性を実証しているので、機
械的な整流装置を備えた従来の機械と同様に頑丈で信頼
性があり、かつ寸法、電力その他の電気的パラメタとは
無関係に利用可能であるという長所をともなって従来の
機械にとって換わることができる本発明の利点は明らか
である。

整流ブラシや整流子使用の必要性がなくなることによっ
て、従来の直流機械につきものであったブラシ交換を頻
繁に行なう必要もなくなり、さらに、従来の機械ではほ
とんどあるいは全く使用できない用途、とくに例えば機
械への水の浸入でブラシや整流子を使用できない管状井
戸の遠心ポンプの駆動のような、機械が水に漬る用途等
の多くの用途に利用できるようになる。

従って、本発明の具体化例として、複数個のサイリスタ
を使用した整流装置を装備した直流多極型モータを提供
する。

〔実施例〕

次に添付図面を参照しつつ本発明の一実施例を詳細に説
明する。

第１図に示すように、本発明においては、電機子巻線は
サイリスタを経て外部端子に接続されている各種の同一
のコイル２より成っている。

コイル２は分布巻され平衡した巻線になるように電機子
の２０フトに配置されている。各コイル２は２種類の基
本コイル、すなわち平均ピッチが極のピッチと等しい主
基本コイル３と、通常はピンチが１つの歯と等しい副基
本コイル４とにより構成されている。基本コイル３およ
び４はそれぞれ多数の巻きより成っている示、第１図で
は１巻きしか図示していない。蕃コイル２中、主基本コ
イル３は機械の電気機械的な交換に千尋する導体群を形
成しており、副基本コイル４は、電気機械的な交換に寄
与するとともに主として、各コイル２の電流が機械の端
子から遮断されなければならない適切な瞬間に正確に電
流を零にする役割を果たす導体群を形成している。この
目的のため、巻線の極ビフチのちょうど端の位置の電機
子鉄心上に配置された各副基本コイル４はコイルの導通
周期の終端にて、各コイル２の起電力を適宜に増強せし
める。

第３Ａ図において、太線で示したコイル２の１つの起電
力波形での上記の起電力の増強は点線の円により明示さ
れている。

さらに第３Ａ図には各コイル２の導通周期が示しである
。上記の増強が生ずる時は常にコイル２の起電力は導通
期間中の平均起電力よりも高いことが明白であろう。

さらに第３Ａ図から明らかなように、コイル２の起電力
の波形は周期的で同一で逐次的であり、それぞれの導通
期間は、機械の端子に接続゛されたコイル２が常にあり
、このコイルの起電力は電気機械的な交換に相応するよ
うに逐次的になっている。機械がモータとして動作する
場合、その起電力は、あらゆる整流の瞬間に平滑な変化
をともなう各導通期間中、コイル２の平均起電力に応じ
て、任意の指定の回転にて実質的に連続的な電圧レベル
を呈する。各コイル２の導通期間の始まりに、装置は補
助的に（トリガ電流−第２図）それぞれのサイリスタ１
の非導通状態から導通状態への変換を命令し、それ故コ
イル２を機械の端子に接続せしめる。

各コイル２の導通期間の終端で、その起電力は増強され
、機械の起電力を超過し、そこでコイル２を発電機に変
換し、導体上の電流の向きを転倒させる傾向になる。

そこでｂイル２の電流は零にされ、それぞれのサイリス
タは導通状態から非導通状態となり、その結果機械の端
子からコイルが遮断され、整流動作を終了させる。

第３Ｂ図に示すように、補助装置は尋れぞれの完全な導
通期間中だけ各サイリスタ１に対して次のように命令す
るトリガ電流を発する。すなわち、前記期間の終りにそ
れぞれのコイル２が機械の端子から遮断され、しかし期
間中は任意のどの瞬間にも、すなわち電機子と極がどん
、な相対位置にある場合でも導通期間に相当する間隔で
接続され得るような命令である。従って、停止状態で、
電機子と極がどのような相対位置にあっても機械が付勢
され、電流を発する補助回路が起動されると機械は常に
動作を開始する。

第２図に示されるように、補助装置はサイリスタ１に対
し、通常はホール効果またはオプトエレクトロニク部品
、磁気ピックアップその他のセンサ７により判定される
電機子と磁界の極の相対位置の関数としてトリガ電流を
発する。

サイリスタトリガに信号を適応させるため信号調整装置
を使用することも必要であろう。

第１図に示すように、補助コンデンサ５は、不利な極端
な条件下でも整流を誘発する物理現象を促進し、それが
適切な瞬間に起こることが補償されるように、本発明の
実施のために使用することができる。

動作中の整流の瞬間に、導通状態にあるサイリスタ１は
非導通状態に変化し、一方次のサイリスタ１は導通状態
に変わる。これらのサイリスタ１を相互に接続するコン
デンサ５は、先行する導通期間中に帯電され、その瞬間
に一瞬３つの成分より成る電気回路に循環電流を供給し
て、導通状態にあるサイリスタから電流を減じ、次のサ
イリスタに電流を加える。このようにして、命令信号−
トリガ電流−が次のサイリスタｌに印加され、それが導
通状態になるや否や、循環電流に導通状態にあるサイリ
スタ１の電流が零になるように促進し、同時に次のサイ
リスタ１の電流を増強せしめて、整流動作が首尾よく行
なわれるように補償する。整流のあらゆる瞬間に、それ
ぞれのコンデンサ５がコイル２を介して放電されないよ
うにし、かつ、各整流に先立つ全ての導通期間中にそれ
ぞれのコジデンサ５が適切に電気的に帯電されることを
補償するためダイオード６を゛配置するのが便利である
。

導通期間中、サイリスタ１に接続されているそれぞれの
コンデンサ５の端子はサイリスタ１に接続されている機
械の端子と同一の電圧レベルにある。第３Ａ図によれば
、この導通状態中も、次のコイルの起電力は機械の電圧
自体よりも低い絶対電圧値に達するので、第１図に示す
回路を分析することによって次のような結論を引出すこ
とができる。すなわち、コンデンサ５（これ自体がダイ
オード６を介してコイル２に接続されている）の別の端
子の電圧レベルは機械の別の端子の電圧レベルと等しい
極性を有しており、かつダイオード６の機能により、機
械の第１の端子の電圧レベルを再度得ることはできない
。従って、各導通期間中、それぞれのコンデンサ５は適
宜の極性にて帯電され、整流を達成するために整流の瞬
間にだけ放電される。

本発明のこの実施例で明らかであるように、２ないし１
０マイクロフアラツドの値を有するコンデンサ５を使用
して優れた成果をあげることができる。

第４図、第５図、第６Ａ図および第６Ｂ図に示されてい
る本発明の別な実施例では、電機子巻線と整流装置は、
サイリスタ１が各コイル２導体と機械の端子との接続を
通常の方向の他に逆転した方向にも行い、その時誘導さ
れる電圧も等しく逆転されるような構造になっている。

そのため前述した実施例と比較して、機械の回転周期ご
との各コイル２の全体的な導通期間、すなわち導通期間
の総計はより良好なものとなる。何故ならば、この場合
は誘導電圧周期の両方の期間に導体は電気機械的な変換
に千尋できるからである。

その結果、能動導体の総数は縮減可能である。

あらゆる導体の横断面積は実質上電機子スロットの活用
可能な面積によって限定されるので、導体の総数が減少
するとその横断面積が増大し、電機子のオーム抵抗の減
少ひいては機械効率の向上をもたらすことができる。

一般的に、先に述べた実施例について考察したところが
、本発明のこの別の実施例にもあてはまる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、モータの電機子巻線、サイリスタを用いた整
流装置および磁界極を示す回路図、第２図は、適宜の瞬
間に各サイリスタを非導通状態から導通状態へと変化さ
せる命令を発する補助トリガ電流発生装置の概略図、 第３Ａ図は、モータが一定の回転数で外部から駆動され
た際の、オシロスコープにて記録した電機子巻線のコイ
ルの起電力（ｅ、ｍ、ｆ、）波形図、 第３Ｂ図は、オシロスコープで記録された、補助装置に
より発されたトリガ信号電圧曲線のグラフ、であり、な
お第３Ａ図と第３Ｂ図で太線は特定のコイルのデータを
示す。 第４図は、モータの電機子巻線およびサイリスタを用い
た整流装置および磁界極の回路図、第５図は、トリガ電
流発生用補助装置の概略図、 第６Ａ図は、電機子コイルの起電力波形図、第６Ｂ図は
、補助装置により発生される信号の波形図、をそれぞれ
示す。 １・・・サイリスタ、２・・・コイル、３・・・主基本
コイル、４・・・副基本コイル、５・・・補助コンデン
サ、６・・・ダイオード、７・・・センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電気機械的なエネルギ変換を行う複数個の導体（３
   ）、（４）より成る電機子巻線と、非導通状態から導通
   状態への移行は外部の命令信号により実施可能であるが
   、逆の移行は導通電流の値が零になった場合だけ可能で
   ある形式の複数個の切換素子（１）よりなる整流装置と
   から構成され、上記切換素子（１）は整流動作を達成す
   る適宜の方法により上記導体の電流導通および非導通を
   制御するように電機子巻線に接続されていることを特徴
   とするサイリスタを使用して整流する直流機械。 ２、電気機械的な変換が電気エネルギから機械エネルギ
   への方向にも行なわれることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のサイリスタを使用して整流する直流機械
   。 ３、整流装置の切換素子（１）がサイリスタまたは同類
   の半導体であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項記載のサイリスタを使用して整流する直流
   機械。 ４、整流装置のそれぞれのサイリスタまたは同類の半導
   体の導通電流の零化がそれぞれの電機子巻線（２）の起
   電力の増大化により行われることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載のサイリスタを使用して整流する直流
   機械。 ５、整流装置のそれぞれのサイリスタまたは同類の半導
   体（１）の導通電流の零化が導通電流を減じせしめる瞬
   間的な循環電流を適宜の瞬間に発生するコンデンサ（５
   ）とダイオード（６）を使用することにより達成可能と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のサイ
   リスタを使用して整流する直流機械。 ６、コンデンサ（５）とダイオード（６）が前記導通電
   流が零化を補助と補償のため、整流装置のそれぞれのサ
   イリスタまたは同類の半導体（１）の導通電流を減じせ
   しめる瞬間的な循環電流を適宜の瞬間に発生するように
   利用されることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   のサイリスタを使用して整流する直流機械。 ７、整流装置のサイリスタまたは同類の半導体（１）を
   非導通状態から導通状態への移行を適宜の瞬間に命令す
   る信号が、電機子の導体と磁極との相対位置の関数とし
   て補助装置より発せられることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項、第４項、第５項または第６項に記載のサイ
   リスタを使用して整流する直流機械。 ８、電機子の導体と磁極との相対位置は、例えばホール
   効果センサ、オプトエレクトロニク磁気コイルなどのセ
   ンサ（７）を用いて決定されることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項記載のサイリスタを使用して整流する直
   流機械。 ９、内部の空隙には、機械が液体に沈められた状態で作
   動できるように、水または油のような液体が充填されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、
   第４項、第５項、第６項または第８項に記載のサイリス
   タを使用して整流する直流機械。