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モーターのしくみ2 - 直流整流子電動機2
[EDIT]
最初の「モーターのしくみ」で、直流電動機が回転する原理と簡単な回路を学びました。
前回学んだのは永久磁石界磁形電動機の概念図でした。今回は電磁石界磁巻線の回路について学んでいきます。

電磁石界磁巻線形電動機は、基本的に回転子巻線に繋がっていて電気を共有しています。そのため界磁巻線と回転子巻線の繋ぎ方次第で電動機の特性が変わってきます。その繋ぎ方は次のようなものがあります。
・直列  直巻電動機
・並列  分巻電動機
・直並列 複巻電動機
また、界磁巻線に供給する電気を回転子巻線とは別の電源とする他励界磁電動機というものもあります。

直巻電動機

直巻整流子電動機概念図
界磁巻線と回転子巻線が直列接続になっているものを直巻(ちょくまき)電動機と呼び、構造が単純でありながら電気車の制御に最適な特性(大きな始動トルク、回転数の上昇に伴ってトルクが減少、電流を流すだけで速度が上がる「特性領域」が広い)を持っています。交流電源でも使用できるため、ユニバーサルモーターとも呼ばれます。
直巻電動機で回生制動を実現するには、基本的に高価で装置も大きな電機子チョッパ制御か界磁添加励磁制御でなければなりません。
しかしながら実際のところはかなり古くから回生制動が使われています。制動時に電動機を分巻電動機として動作させることで回生効率を向上していました。
日本初の回生制動搭載車両は1928年に製造された高野山電気鉄道(南海電鉄の前身)のデ101形です。この電車は吊り掛け駆動の抵抗制御電車でした。
ほかにも小田急2600形などが抵抗制御で回生制動を実現していました。

制御方式

抵抗制御
 ・バーニア抵抗制御
 ・界磁添加励磁制御
  ・バーニア界磁添加励磁制御
電機子チョッパ制御
 ・自動可変界磁チョッパ制御(AVF: Auto Variable Field)
・界磁位相制御
・変圧器タップ制御
 ・高圧タップ制御
 ・低圧タップ制御
 ・無電弧タップ制御
・サイリスタ位相制御

下図左は上の図を真上から見た回路図、同図右は正面から見た回路図です。以下同様です。
直巻整流子電動機回路概念図

分巻電動機・他励界磁電動機

分巻整流子電動機概念図
界磁巻線と回転子巻線が並列接続になっているものは分巻(ぶんまき)電動機と呼びますが、営団が高周波分巻制御用に用いたほかに採用例はほとんどなかったようです。前述の通り力行ではなく制動時に分巻接続とする車両はいました。
回転数にかかわらずほぼ一定のトルクが得られるほか、負荷が変わっても回転数が変わらないという特性を持っています。

制御方式

・高周波分巻チョッパ制御
分巻整流子電動機回路概念図
一方、界磁電流を別電源から得る他励界磁(たれいかいじ)電動機は分巻電動機の一種ととられることが多いようです。新交通システムに多く使われています。

制御方式

・ワードレオナード制御
 ・静止レオナード(サイリスタレオナード)制御
  ・可逆運転サイリスタレオナード制御
他励界磁整流子電動機回路概念図

複巻電動機

界磁巻線を複数用い、直列と並列繋ぎになるようにした複巻(ふくまき)電動機は、構造が複雑で架線電圧の変動に弱いなど数々の欠点を持っていますが、安価に、そしてあらゆる制御方式で簡単に回生制動を実現することが可能なので私鉄を中心に普及しました。とくに、起動時からの抵抗制御域では直巻電動機が適し、弱め界磁を行うには分巻電動機が適しています。その両方を持ち合わせた複巻電動機はまさにうってつけというわけです。
基本的には直巻電動機と分巻電動機の中間的な特性を持っていますが、鉄道では直巻電動機に近い特性を確保しています。これは単純に分巻巻線と直巻巻線をどのように接続するかで調整できるからなんですね。つまり複巻電動機は何種類か存在します。全部挙げると
・内分巻形和動複巻電動機
・内分巻形差動複巻電動機
・外分巻形和動複巻電動機
・外分巻形差動複巻電動機
があります。難しい単語ばかりで何が何やらわからないかもしれませんが、わかりやすく解説していきます。
まず内分巻(うちぶんまき)ですが、これは分巻界磁電流と電機子電流が等しく、直巻界磁だけ電流が大きくなるように接続されたものです。つまり、先に直巻巻線があって、そこから分巻巻線と回転子が並列に分岐しているものです。
外分巻(そとぶんまき)はすべての巻線の電流が等しいものです。こちらはまず回転子と分巻巻線とに分岐しています。そして回転子を通った後で直巻巻線が回転子を取り囲んでいます。
和動複巻というのは、直巻界磁と分巻界磁の磁束が足し合わさるようになっていて、直巻電動機と分巻電動機の中間的な特性になります。
差動複巻はその逆で、直巻界磁と分巻界磁の磁束が打ち消し合うようになっています。始動トルク(回転した瞬間のトルク)が小さいためあまり用いられないようです。
とまあ色々ありますが、そういう分類のしかたがあるということで、あまり気にしなくても大丈夫です。
構造上回転子は並列となってしまうため、回転子にかかる電圧は電源電圧の半分になってしまいます。一方で界磁電圧も下がるのため、弱め界磁制御がやりやすいといったメリットもあります。

制御方式

・抵抗制御
 ・界磁チョッパ制御
  ・バーニア界磁チョッパ制御
・界磁位相制御
・自動界磁励磁チョッパ制御(AFE: Auto Field Excite)
複巻整流子電動機回路概念図
 

 
直流電動機にはもうひとつ、永久石磁界形整流子電動機というものもあります。前回概念図に示したものですね。これは固定子を永久磁石(U字型磁石、マグネットクリップなど、普段見かける磁石のこと)としたものです。小型で性能も低いため電気車には使われていません。

さらにもうひとつ、直流無整流子電動機(ブラシレス直流モーターとも)と呼ばれるものもあります。これは直流電動機に必要だった、回転子に通電するための接点を取り払ったもので、インバーター技術の進歩、半導体や装置の小型化に伴って実現したものです。主に既存の回路はそのままに、直流電動機をメンテナンスフリーにするために用いられています。電気車で使われることはありませんが、後々解説する予定です。

今回はここまで。モーターのしくみ第3回では交流電動機と直流無整流子電動機を解説する予定です。
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最近反核運動に偏ってるのを反省したいけど
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