∪.D.C･る21.313.2.02る.447:〔る21.771:る21.31る.718〕

ダイバークレス大形直流電動機Dive爪erlessLargeDC Motors

可変速範囲の広い圧延機駆動用大形直流電動機は,ブラシから火花を発生し

ない領域である無火花帯の位置が,回転速度の増加によって移動する無火花帯

移動現象があるため,従来,外部補償装置を設けて補償していた｡今回,直流

電動機の磁気回路をくふうすることにより,無火花帯移動現象を直流電動機自

体で補償できる外部補償装置不要のダイバータレス大形直流電動機を開発した｡

その構成は,主極と補極間の補極鉄心先端側に磁性体から成る磁気ブリッジを

設けるもので,きわめて単純な構成である｡470kW機および1,200kW機に適用

して検証した結果,計算どおり無火花帯移動現象を補イ賞できることを明らかに

した｡

n 緒 言

圧延機用を主体とした大形直流電動機は,年々,単機大容

量化,高速化,小形･軽量化が図られ,また制御技術の進歩

によって電気的,機械的限界まで使用されるようになった｡

この結果,整流的には厳しい運転条件となり,全運転領域で

ブラシから火花を発生しない無火花整流を達成することが困

難となってきている｡直流電動機のよりいっそうの高性能･

高信頼性化を図るには,整流性能の向上が必須(す)条件とな

る｡このため,すでに本誌にも述べたが,設計段階で整流性

能を定量的に評価できる整流計算方法,個々の整流コイルの

整流性能を等しくできるリアクタンス電圧均一化電機子,お

よび摩耗の少ない低抵抗ブラシを開発し,整流性能の向上を

図ってきた1),2)｡一方,可変速範囲の広い大形直流電動機には,

固有の問題として低速運転時と高速運転時の無火花帯の位置

が異なる｢無火花帯移動現象+を生じることが知られてい

る3),4)｡その発生原割こついては,実験および理論解析上から

検討されてきたが,結果的には従来外部補償装置を付加して

対処している5),6)｡

本稿では直流電動機システムの省スペース,省メンテナン

スおよび低コスト化を目的に,外部補償装置を省略するため

直流電動機自体で無火花帯移動現象を補償できる新補極構造

を考案した｡また,計算および実機を通してその動作原理を

明らかにし良好な結果を得たので,以下にその概要とともに

述べる7)｡

小原木春雄* 肋r"0〟0力βタ噂オ

田原和雄** ∬αZ〟0乃ゐα和

江藤哲生*** 乃f∫"〃gJ♂

凶 無火花帯移動現象とその補償方式

2.1概 要

大形直流電動機では,図】(a)に示すように低速運転時の無

火花帯の位置に対し,高速運転時の無火花帯の位置があたか

も補極が強〈なるように下側(減励磁側)へ移動する現象が発

生する｡これを無火花帯移動現象と称している｡何ら補償を

行わない場合,低速運転時には負荷電流の横軸上に無火花借

が存在するので,ブラシから火花を発生しない｡しかし,高

速運転時では,負荷電流の横軸上から無火花帯が外れる同図

(a)のA点以上の負荷電流では,ブラシから火花を発生する｡ブ

ラシからの火花の発生は,ブラシ摩耗を増加してメンテナン

スの時期を早めるとともに,ブラシ周りの整流トラブルを発

生しやすくなるなどの問題を生じる｡なお,無火花帯を回転

速度を横軸にとって表すと,同図(b)のようになる｡

無火花帯移動現象の補償方法については,種々提案され,

最近実用された方式を代表例として図2に示す｡従来の直流

電動機は同凶(a)に示すように,補極の根元に補極巻線とは差

動に作用する補助補極巻線を設け,これに外部補償装置から

電流を供給する構成である｡外部補償装置は,無火花帯の中

心線に沿って補助補極巻線電流勿を供給し,無火花整流を達

成する｡これに対し,外部補償装置を不要化した直流電動機

を便宜+L｢ダイバータレス直流電動機+と呼称する｡

ダイバータレス直流電動機は,同図(b)に示すように,主極

と補極間の補極鉄心先端側に磁性体から成る磁気ブリッジを

設けるもので,きわめて単純な構成である｡磁気ブリッジは

界磁巻線と補極巻線の起磁力差を利用し,主極と補極間の漏

*H立製作所日立研究所 **口立製作所H立研究所工学博_卜 ***H立製作所 日立工場

77

662 日立評論 VOL.72 No.7(朋0-7)

(＋)

0

胤媒絆⊂月慣澄渡

(-)

時転運速監

士凡戦荷負

時転運速舌同

(a)負荷電流に対する無火花帯

＋

0

棟侭田岩崎澄渡

(-)

度速転[且

(b)回転速度に対する無火花帯

図I無火花帯移動現象 回転速度に対して,無火花帯の位置が移動する無火花帯移動現象の説明図を示す｡

項目 (a)従来の直流電動機 (b)ダイバークレス直流電動機

補助補極巻線

極､王 爪粉矧凶

阿州U[㈲〓U

阿州U爪び 外部

補償装置主極蔭閻

補極

囲⑳

磁気ブリッジ

成

,仲＋

無

火

-化

帯 0

喋伊喪神螢鮭奄軽

(-)血

rlP

注:ル(補助補極巻線電流)

回転速度

･JP＋

棋伊渡瀬螢檻奄簿

(-)わ

度速転回

ふ

図2 無火花帯移動現象とその補償方式 外部補償装置を用いた従来の直流電動機と,磁気ブリッジにより外部補償装置を省略できる

ダイバークレス直流電動機の構成比較を示す｡

78

れ磁束を変化させて補極ギャップ磁束を調整し,無火花帯を

回転速度の横軸上に存在させるように作用する｡したがって,

ダイバータレス直流電動機は,従来方式に対し補助補極巻線

や外部補償装置を省けることから,省スペース,省メンテナ

ンスによる高信頼性および低コスト化を達成することができ

る｡

2.2 ダイバークレス直流電動機の原理

無火花帯移動現象を補償するには,回転速度の増加に応じ

て補極磁束を減少させればよい｡そこで,大形直流電動機で

は低速運転から高速運転までの速度変化を,界磁巻線起磁力

の大きさで調整することに着目し,磁気ブリッジを設けた新

補極構造を考案した｡新補極構造から成るダイバータレス直

流電動機の原理を図3に示す｡ここで,同極の主極と補極間

に設けた磁気ブリッジを磁気ブリッジⅠ,異極間に設けた磁

気ブリッジを磁気ブリッジⅡとする｡

その原理は図3中に示すように,全界磁の低速運転時には

界磁巻線起磁力A71を補極巻線起磁力ATよりも大きく設定

する｡これにより,鎖線で示す界磁鉄心中を通る主磁束の一

部が磁気ブリッジⅠ側を通って補極磁束となり,補極ギャッ

プ磁束¢′ゞが増加する｡弱め界磁の高速運転時には,起磁力

Aちを起磁力ATよりも小さく設定する｡これにより,鎖線で

示す補極鉄心中を通る補極磁束の一部が,磁気ブリッジⅠ側

ダイバークレス大形直流電動機 663

を通って主磁束となり,補極ギャップ磁束かが減少する｡す

なわち,ダイバータレス直流電動機は,界磁巻線起磁力と補

極巻線起磁力の大小の関係を利用して,磁気ブリッジⅠ側を

通る漏れ磁束の方向と大きさを変化させることにより,補極

ギャップ磁束の大きさを調整して無火花帯移動現象を補償す

るものである｡

磁気ブリッジを通る漏れ磁束の調整は,磁気ブリッジの厚

みや磁気ブリッジと界磁鉄心間のギャップ長を変化して行う｡

最適な漏れ磁束を得る磁気ブリッジの設計定数は,磁路仮定

法による磁界計算では高精度の漏れ磁束算出が難しいことか

ら,二次元の有限要素法による磁界解析を行って決定した｡

2,000kW機および470kW機の磁束分布の計算結果を図4

に示す｡磁気ブリッジⅠ側を通過する漏れ磁束の方向は,同図

(1)の2,000kW機およ川2)の470kW機とも,同図(a)の低速運転

時(仝界磁)の場合は主趣から補極へ,同図(b)の高速運転時(弱

め界磁)の場ノ釧ま補極から主極へとなっていることがわかる∂

以上述べたダイバータレス直流電動機の原現,および動作

を磁界解析で明らかにしたので,実機に適用して検証した｡

B 実機確認結果

ダイバータレス直流電動機は,すでに多数台に適用してい

る｡ここでは,表1に示す仕様の470kWおよび1,200kW直流

補極鉄心

■■-一一一-■

補極巻線

磁束流れ図 紛

磁気ブリッジⅠ

補極∩

■■一-----■

日ー

■■-･■■

電機子

ノ

ソ′

(U

補極ギャップ磁束如

界磁巻線

界磁鉄心

/

磁気ブリッジⅠⅠ

如>如

､三極N(紗回

-愉悼川ト [=日

-J■･､

八嘲/

､■ Jl

補極ギャップ磁束如

/

′王極巳

/

項 目 低速運転時(全界磁) 高速運転時(弱め界磁)

ダイバータレス化の条件(1)低速運転時:界磁巻線起磁九4丁ン>補極巻線起磁力Ar

高速運転時:界磁巻線起磁力.4乃<補極巻線起磁九471

(2)磁気ブリッジの厚み 1

磁気ブリッジと界磁鉄心間ギャップ長lの最適化

図3 ダイバータレス直流電動機の原理 低速遷幸云時と高速運転時での磁気ブリッジⅠ,Ⅱを通る漏れ磁束の流れ方向を利用した,ダイバーク

レス直流電動機の原理説明図を示す｡

79

664 日立評論 VOL.72 No.7=990--7)

項目 (a)低速運転時(全界磁) (b)高速運転時(弱め界磁)

1､半

磁気ブリッジⅠ

(1)

2,000

kW機

リー･.〓＼い1し･■.＼1〓､1.＼ヰ

磁束の流れ方向

磁気ブリッジⅠⅠ

→

/

′′′(＼＼=＼

磁気ブリッジⅠ

イ←･･-

よ

磁気ブリッジⅠⅠ

一---一寸ト

ノ

L

磁気ブリッジⅠ

→

(2)

470

kW磯

≧:ぢ磁気ブリッジⅠⅠ

----一寸ト

磁気ブリッジⅠ

イー

〓〓〕〆.→

-.い､＼

＼＼

試酬

磁気ブリッジⅠⅠ

一---一寸ト

==二二二=二二こ=ニ)

図4 ダイバークレス直流電動機の磁束分布(100%負荷時) 磁気ブリッジを設けた2′000kW磯および470kW機の磁界解析による磁束分布を示

す｡

表l 対象機の主な仕様と設計定数 磁気ブリッジは470kW機

が厚み6mm,l′200kW機が厚み9mmと比較的薄いもので,軟鉄で構成

した｡

項 目 470kW機 l′200kW機

出 力 (kW) 470 し200

電 圧 (〉) 440 l′200

電 流 (A) l.200 し川0

回 転 速 度(｢/min) 400/し525 210/860

極 数 6 6

磁気ブリ ッジの厚み(mm) 6 9

磁気ブリッジギャップ長(mm) ll 10

80

電動機への適用結果を示す｡磁気ブリッジは図5(a)に示すよ

うに,補極鉄心先端部に数個所ボルトで固定し,同図(b)に示

すように主極と補極間に配置した｡

3.1補極飽和特性

470kW直流電動機の補極飽和特性を図6に示す｡ここで,

実線は実測値,鎖線は計算値である｡同図から磁気ブリッジ

のない原設計機の場合は,実測値および計算値とも仝界磁と

弱め界磁の補極ギャップ磁束量がほぼ同じであることがわか

る｡これに対し,磁気ブリッジを設けたダイバータレス直流

電動機の場合には,実測値および計算値とも全界磁よりも弱

め界磁での補極ギャッ70磁束量が負荷電流の増加に比例して

ダイバークレス大形直流電動機 665

磁気ブリッジ

(a)補極

図5 470kWダイバークレス直流電動機の磁気ブリッジの取付状況

の固定子組込状況を示す｡

×10`3

10

5

(∈＼コ主)

榊僻頒0卜>キ恥骨楚

注:一実測値

--一計算値

原設計磯

＼グ

7

○

′

′

/

/′

/

7

7

/

y

/

′

′

/

′

′

′

/

♂

劾′

/

//

笥/

全界磁弱め界磁 の場合

全界磁の場合

弱め界磁の場合

ダイバークレス直流電動機

50 100

負荷電流率(%)

図6 470kW直涜電動機の補極飽和特性 磁気ブリッジのない原設

計機と磁気ブリッジを設けたダイバータレス直流電動機の補極磁束量の

実測値と計算値を比較して示す｡

小さくなる｡磁気ブリッジを通過する漏れ磁束による磁気ブ

リッジ先端の磁束密度を図7に示す｡ここで,磁束密度は主

極Nから補極nおよび補極nから主極Sへ通過する漏れ磁束を正

として示している｡同図(a)の全界石盗の場合は,磁気ブリッジ

Ⅰ,Ⅱの先端の磁束密度がともに正である｡これに対し,同

(b)固定子

補極鉄心先端への磁気ブリッジの取付状況,磁気ブリッジを言引ナた補極

50

(ト)雌軸状瑠G背ポヘヽニート蝦讃

0.5

0

(←)雌僻鵬瑠G強ボヘ>｢r卜蝦櫻

0.5

一一一一一■一一

磁気ブリッジ1I

｡_J⊥0一一一一一‾‾‾

二≡㌣もー-､-､､､､磁気ブリッジⅠ

---一計募債

50 100 150

負荷電流率(%)

(a)全界磁の場合

磁気ブリッジⅠⅠ

ム妄一一一一

一一一一一一一′

一一一一

＼或5｡1｡｡15｡磁気ブリッジⅠ

＼＼

＼＼

＼

＼

＼

注:-実測値 ＼

＼

負荷電流率(%)

ヽ､

---一計算値＼＼

ヽ､

ヽ､

ヽ､

ヽヽ

(b)弱め界磁の場合

図7 470kWダイバークレス直流電動機の磁気ブリッジ先端の磁束密度 仝界磁と弱め界磁の場合での負荷電流に対する磁気ブリッジ先

端の磁束密度の変化を示す｡

81

666 日立評論 VOL.72 No.7(1990-7)

60

04

02

(訳)併蝶柳眉慣滑津

-20

＼

●

q

＼＼

＼

＼

＼

＼＼

＼＼

＼

＼

500＼＼●

注:-実測値

--一計算値

ダイバークレス直流電動機

ヽ､

ヽく

1,000 ○--01,500

回転速度(r/min)＼＼

覧(100%負荷時)

＼ヽ､

こ=二二こ:､

原設計機

｢■ ､

図8 470kW直流電動機の無火花帯 磁気ブリッジのない原設計機

と,磁気ブリッジを設けたダイバークレス直流電動機の無火花帯を比較

して示す｡

図(b)の弱め界磁の場合の磁束密度は,磁気ブリッジⅡ側につ

いては正のままであるが,磁気ブリッジⅠ側については負荷

電流の増加とともに正から負へ方向反転していることが確認

できた｡なお,計算値と実測値はよく一致している｡

3.2 無火花帯

470kW直流電動機の無火花帯を図8に示す｡無火花帯の計

算値は整流計算を行って求めた｡原設計機の場合は,回転速

度の増加に伴って無火花帯の位置が減励磁側へ移動するため,

無火花整流を達成するには外部補償装置を必要とする｡これ

に対し,磁気ブリッジを設けたダイバータレス直流電動機の

場合は,無火花帯が回転速度の横軸上に存在する｡また,無

火花帯の計算値は実測値とよく一致している｡1,200kWダイ

バータレス直手先電動機の無火花帯の実測結果を図9に示す｡

1,200kW機でも磁気ブリッジを設けることにより,無火花帯

が回転速度の横軸上に存在する｡これにより,ダイバータレ

ス直流電動機は,外部補償装置を省略できることが検証でき

た｡

S2

80

04

0

(訳)煉棋紆□弔悼螢建

04一

-80

○---､

○

＼回転速度(｢仙∩)

､○-･

＼0■

200 400 6

｡/｡/

三L一一瞥○‾1･000

(100%負荷時)

図9l′200kWダイバータレス直涜電動機の無火花帯の実測結果

磁気ブリッジを設けたl′200kW機の無火花帯の実測結果を示す｡

山 緒 言

無火花帯移動現象を補償するための外部補償装置を省略で

きるダイバータレス直流電動機の原理を述べるとともに,470kW

機および1,200kW機に適用し,その有効性を明らかにした｡

なお,この電動機はすでに多機種,多数台に適用され,現在

順調に稼動中である｡

参考文献

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61,7,487～490(昭54-7)

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電気学会論文誌,103-B,1(昭58-1)

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10,897～900(昭44-10)

5)小原木,外:直流機の整流特性補償装置,電気学会論文誌D,

108,942(昭63-10)

6)仲村,外:大形直流機における整流改善のインテリジェント化

について,電気学会論文誌D,110,534(平2,5)

7)小原木,外:ダイバータレス直流機の実用化検討,電気学会全

国大会,700(平2-3)