JP2010178541A - 回転電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】同期機を設計変更することなく正側ブラシと負側ブラシの磨耗寿命をほぼ同一とすることが可能な回転電機システムを提供する。
【解決手段】ブラシ４２、４３及びスリップリング４４、４５を介して界磁巻線４１に励磁電流が与えられる回転界磁型の同期機４と、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換して界磁巻線４１に励磁電流を供給する励磁装置とで回転電機システムを構成する。励磁装置は、当該励磁装置の外部または内部から励磁切替指令が与えられたとき、その直流出力の極性を反転するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機システムに係り、特に同期機の界磁巻線を直流励磁するための励磁装置を備えた回転電機システムに関する。

同期電動機または同期発電機は通常は界磁が回転する回転界磁型の構造としている。この界磁に永久磁石を用いない場合は、界磁巻線を励磁装置から励磁するためにブラシとスリップリングから成る給電装置を同期機に取付ける。

ブラシには励磁装置の正側出力から正側スリップリングに給電するための正側ブラシと、負側スリップリングから励磁装置の負側に電流を戻すための負側ブラシがある。通常の場合は正側ブラシと負側ブラシは同一寸法の同一構造とするが、ブラシの磨耗速度は負側ブラシの方が速い。これは負側ブラシの場合、負側スリップリングからブラシに電流が流れるとき、熱電子がブラシからスリップリング面に衝突し、その反動でブラシにスリップリングの金属イオンが付着し、結果として摩擦係数の大きい同種金属同士の摩擦動作となるためと考えられる。これに対しブラシの材料であるカーボンはイオン化し難くいため、正側ブラシと正側スリップリング間の磨耗係数は大きくならない。

ブラシが磨耗して使用限界になると同期機を停止してブラシ交換作業を行なう必要があり、そのため同期機の稼働率が低下する。上述したように負側ブラシの磨耗速度が正側に比べて速いとブラシ交換までの期間が短縮され、回転電機システムの稼働率の低下を招くことになる。

このため、正側ブラシと負側ブラシの寸法、組成、あるいはスリップリングへの押圧力を互いに異ならせるようにして正側ブラシと負側ブラシの磨耗速度すなわち磨耗寿命をほぼ同一に設定する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００７−１１０７８５号公報（全体）

特許文献１に示された手法は、同期機のブラシ廻りの設計緒元を変更することによって正側ブラシと負側ブラシの磨耗寿命をほぼ同一にしようとするものであるが、設計変更に伴い構造が複雑となるばかりでなく、回転電機システムに標準の同期機を採用することができなくなり、設計、製造及び保守の全般に亘ってその手間が煩雑となってしまう。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、同期機を設計変更することなく正側ブラシと負側ブラシの磨耗寿命をほぼ同一とすることが可能な回転電機システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の回転電機システムは、ブラシ及びスリップリングを介して界磁巻線に励磁電流が与えられる回転界磁型の同期機と、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換して前記界磁巻線に励磁電流を供給する励磁装置とを具備し、前記励磁装置は、当該励磁装置の外部または内部から励磁切替指令が与えられたとき、その直流出力の極性を反転するように構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、同期機を設計変更することなく正側ブラシと負側ブラシの磨耗寿命をほぼ同一とすることが可能な回転電機システムを提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る回転電機システムの構成図。 本発明の実施例２に係る回転電機システムの構成図。 本発明の実施例３に係る回転電機システムの構成図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る回転電機システムの構成図である。

交流電源１から得られる３相または単相の交流を励磁用コンバータ２で直流に変換し、極性切替装置３を経由して同期機４の界磁巻線４１に給電する。ここで励磁用コンバータ２と極性切替装置３は回転電機システムの励磁装置を形成している。同期機４は模式的に記してあるが、界磁巻線４１に給電するためのブラシ４２及び４３、スリップリング４４、４５、固定子巻線４６を具備している。同期機４が３相電動機の場合には、固定子巻線４６に与えられる３相交流が発生する回転磁界と直流励磁された回転子の界磁巻線４１が作る界磁磁束との間にトルクが発生し、回転子は回転磁界に同期して回転する。

励磁用コンバータ２は通常スイッチング素子をブリッジ接続して構成されている。尚、この励磁用コンバータ２のスイッチング素子を制御して所望の直流出力を安定して得るための制御回路についてはその図示を省略している。

極性切替装置３は双投式機械スイッチ３１及び３２から構成され、双投式機械スイッチ３１が励磁用コンバータ２の正電位側を選択したとき、双投式機械スイッチ３２が励磁用コンバータ２の負電位側を選択し、双投式機械スイッチ３１が励磁用コンバータ２の負電位側を選択したとき、双投式機械スイッチ３２が励磁用コンバータ２の正電位側を選択するように互いにインターロックが取られている。尚、極性切替装置３の上記切替用スイッチには必ずしも双投式機械スイッチを用いる必要は無く、通常のスイッチを４個使用する構成としても良い。

極性切替装置３の双投式機械スイッチ３１及び３２は、励磁装置の内部または外部に設けられた切替制御回路５からの切替信号によって選択切替されるようになっている。

以上の構成から成る回転電機システムの作用効果について以下説明する。

今、図１において双投式機械スイッチ３１が励磁用コンバータ２の正電位側を選択し、双投式機械スイッチ３２が励磁用コンバータ２の負電位側を選択している状態を考える。このままの状態で同期機４を運転すると、前述したようにこの運転状態で正側ブラシであるブラシ４２に比べて負側ブラシであるブラシ４３の磨耗度合が大きくなる。

そこで、所定のタイミングで切替制御回路５から切替指令を発し、双投式機械スイッチ３１が励磁用コンバータ２の負電位側を選択し、双投式機械スイッチ３２が励磁用コンバータ２の正電位側を選択するように切替える。このようにすると今度は逆にブラシ４２が負側、ブラシ４３が正側となるので、ブラシ４２の磨耗度合が大きくなる。このように所定のタイミングで切替制御回路５から切替指令を発し、これを繰り返すようにすれば、ブラシ４２とブラシ４３の磨耗度合をほぼ均等にすることが可能となる。

上記説明における切替指令を発する所定のタイミングについて以下考察する。

まず、上記の切替指令は同期機４または励磁装置を運転中に行なわないことが好ましい。一方、ブラシの寿命は年オーダーの長期となるので、励磁装置が計画的に停止するタイミングで上記の切替指令を発するようにすれば切替のために態々励磁装置あるいは全体の回転電機システムを停止することが不要となり全体の稼働率の低下を防止できる。

そこで一案として励磁装置を停止し、再度運転するタイミングすなわち励磁装置のオンオフ指令のタイミングで上記切替信号を発するようにする。この励磁装置のオンオフが頻繁な場合にはこのオンオフが所定の複数回繰り返されたとき、上記切替信号を発するようにすれば良い。

他の案としては、励磁装置の保守のタイミングで上記切替信号を発するようにする。このとき、手動によって上記切替信号を発するようにしても良いが、励磁装置の保守を行なうには励磁装置の制御電源の入力に設けられたスイッチをオフして行なうので、この制御電源がオフして再びオンしたときに上記切替信号を発する。これを自動で行なうには、例えば上記スイッチの出力電圧を監視し、その変化を検出してトリガ信号とすれば良い。

図２は本発明の実施例２に係る回転電機システムの構成図である。

この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る回転電機システムの構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、励磁用コンバータ２及び極性切替装置３に代え、第１の励磁用コンバータ２Ａと、これと逆並列に接続された第２の励磁用コンバータ２Ｂとで励磁装置を構成した点である。

第２の励磁用コンバータ２Ｂは、第１の励磁用コンバータ２Ａと並列接続され、第１の励磁用コンバータとは逆極性の直流電圧を出力する。また、第１の励磁用コンバータ２Ａと第２の励磁用コンバータ２Ｂは、例えばこれらを構成するスイッチング素子のゲート信号をオフすることによって停止することが可能であるので、各々独立して運転選択可能な構成となっている。

この実施例２においては、切替制御回路５Ａからの切替指令によって第１の励磁用コンバータ２Ａを選択するか第２の励磁用コンバータ２Ｂを選択するかを切替える構成となっている。従って、回転電機システムの作用効果としては実施例１で説明したものと全く同様となる。

図３は本発明の実施例３に係る回転電機システムの構成図である。

この実施例３の各部について、図２の本発明の実施例２に係る回転電機システムの構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、交流電源１Ａを入力とし、同期機４の固定子巻線４６に交流電圧を与えて同期機４を駆動するための電力変換装置７を設けた点、電力変換装置７に対して切替制御回路５Ｂから切替指令と並列に位置情報反転信号を発する構成とした点である。

電力変換装置７は同期機４の回転子の回転位置情報を直接または間接的に検出し、その回転位置情報に基づいて制御される変換装置であり、例えば無整流子電動機用の変換装置、或いは位置制御用のインバータ装置がこれに該当する。切替制御回路５Ｂから切替指令が発せられると、界磁巻線４１に流れる電流の向きが反転し、同期機４の界磁磁束が反転する。従ってこれに応じて電力変換装置７が用いている回転位置情報を反転、すなわち電気角で１８０度シフトする必要が生じることになる。

１、１Ａ 交流電源
２、２Ａ、２Ｂ 励磁用コンバータ
３ 極性切替装置
４ 同期機
５、５Ａ、５Ｂ 切替制御回路
６ 電力変換装置
３１、３２ 切替スイッチ
４１ 界磁巻線
４２、４３ ブラシ
４４、４５ スリップリング
４６ 固定子巻線

Claims (6)

1. ブラシ及びスリップリングを介して界磁巻線に励磁電流が与えられる回転界磁型の同期機と、
   交流電源の交流電圧を直流電圧に変換して前記界磁巻線に励磁電流を供給する励磁装置と
   を具備し、
   前記励磁装置は、当該励磁装置の外部または内部から励磁切替指令が与えられたとき、その直流出力の極性を反転するように構成されていることを特徴とする回転電機システム。
2. 前記励磁装置は、
   交流電圧を直流電圧に変換する励磁用コンバータと、この励磁用コンバータの直流出力をそのまま出力するか極性を反転させて出力するかを選択可能な極性切替装置から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機システム。
3. 前記励磁装置は、
   交流電圧を直流電圧に変換する第１の励磁用コンバータと、
   前記第１の励磁用コンバータと並列接続され、前記第１の励磁用コンバータとは逆極性の直流電圧を出力する第２の励磁用コンバータ
   を備え、
   前記励磁切替指令によって前記第１の励磁用コンバータ及び前記第２の励磁用コンバータの何れかが運転選択されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機システム。
4. 前記同期機の磁極回転位置情報を直接または間接的に検出して前記同期機を駆動する電力変換装置を備え、
   前記励磁切替指令が前記励磁装置に与えられたとき、
   前記電力変換装置はその磁極回転位置情報を電気角で１８０度シフトするようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の回転電機システム。
5. 前記励磁切替指令は、
   前記励磁装置の制御電源の入力に設けられたスイッチをオフし、再びオンしたとき発せられるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の回転電機システム。
6. 前記励磁切替指令は、
   前記励磁装置の運転指令がN回（Nは自然数）オンオフしたとき発せられるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の回転電機システム。

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