制御用直流速度発電機に関する研究

制御用直流速度発電機に関する研究

著者

田中 為夫, 実成 義孝

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

8

ページ

67-73

別言語のタイトル

Study of DC tacho-generator for automatic

control

制御用直流速度発電機に関する研究

著者

田中 為夫, 実成 義孝

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

8

ページ

67-73

別言語のタイトル

Study of DC tacho-generator for automatic

control

制 御 用 直 流 速 度 発 電 機 に 関 す る 研 究

田 中 為 夫 ＊ ・ 実 成 義 孝 * ＊

（受理昭和42年５月３０日） ＳＴＵＤＹＯＦＤＣＴＡＣＨＯ−ＧＥＮＥＲＡＴＯＲＦＯＲＡＵＴＯＭＡＴＩＣＣＯＮＴＲＯＬ ＴａｍｅｏＴＡＮＡＫＡ＊ａｎｄＹｏｓｈｉｔａｋａＭＩＮＡＲＩ*＊ VariouskindsofDCtacho-generatoｒａｒｅmuseforautomaticcontrolsystems・These

tacho-generators，generallyhaverippleinvoltageduetothecommutationornonuniform

fhlxdistribution・ToobtainauniformDCsignal，itisnecessarytoaddafiltercircuithav-mgacertaintimeconstant、Thisfnitetimeconstantinjurestheperformanceofautomatic

controlsystem・

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｃｏｎｃｅｍｅｄｗｉｔｈｔｈｅＤＣｔａcho-generatorbasedonnewprinciple・Eddy

currentcirculatesmametaldiskwhenitrotatesinmagneticneld・Thiscurrentinduces anothermagneticfield,ｗｈｉｃｈｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆＨａｌｌｇｅnerator・TheHallvoltage

depends，ｉｎａｎｅａｒｌｉｎｅａｒｗａｙ，onrotatingspeedofthedisk、

Preliminarycxperimentiscarriedoutwithamodelmachine・Thelinearlityofspeed-outputvoltagecharacterisobserved，ａｎｄtherippleremainsnotreducedyet、ThisDC

tacho-generatorhasthepossibilityofpracticaluse， １ ． ま え が き 自動速度制御系に使用される直流速度発電機は，そ の出力電圧に全く脈動を含まないことが望ましい．現

在一般に用いられているものは，整流子による脈動と

かブラシ・整流子間の電圧値の変化などのために出力

電圧に脈動を含むのが普通である．この脈動を除去す

るために平滑回路が用いられるが，その時定数が制御 性に悪影響をおよぼしているのが実情である．そこで

現在，完全平滑な出力電圧を得る目的でホール整流子

を応用したもの，その他種々の研究がなされている・

木研究はすでに報告したように')，うず電流による直

流磁界をホール素子の制御磁界とし，その出力電圧を

利用し，完全平滑な直流を得ようとしたものである． この方式によれば機械的接触部がないので完全な直流 出力電圧を得ることができる．速度発電機としては， 速度一電圧特性の直線性が望ましい．この直線性の問 題を検討するために試作した直流速度発電機を用いて 実験を行なった，また試作発電機における出力電圧の 脈動，制動トルク，温度上昇についても一例を示す． Z ， 原 理 図１に示すように，回転導体円板Ａ面に界磁々極 ＊ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 電 気 工 学 教 室 。 教 授 :i:＊鹿児島大学工学部電気工学教室・助手 Ｘ 図 ］ ｐ’・ｐ２を配置し，それぞれ直流で励磁する．導体 の回転にともない磁極直下の導体に誘導される起電力 により，図のようにうず電流が分布する．磁極ｐ，． ｐ２はｏｘに対し対称的に配置され，それぞれ逆方 向に励磁されている．ゆえに各磁極によるうず電流は 中心ｃ附近では相殺され，矢印で示されたような分布 が主になる（ここで磁極近辺の電流分布は考えないこ とにする)． い ま 磁 極 Ｐ １ ． ｐ ２ の 配 置 を あ る 位 置 に 定 め た と き,ギャップの磁束密度をＢ[Ｗb/ｍ２]， 磁極直下の導体平均速度をひ[ｍ/s]， 導体の半径方向有効長をα[ｍ]， 導体の回転方向有効長を６[ｍ１， 導体の厚みを６[ｍ]，

6８ _{鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ８ 号} 導体の固有抵抗をpLg･ｍｌ とすれば，磁極直下の導体の平均電流ｉの大きさは， Ｉ Ｂ２ﾉα Ｋ１ｐα/肋 [Ａ］ と表わされる，ただし磁束は磁極の直下にのみ存在す るとし，うず電流反作用（うず電流によって生じた磁 束が界磁の主磁束に影響をおよぼす現象）は無視する ものとする，またうず電流回路の全抵抗は速度に関係 なく，磁極直下の導体抵抗のＫ，倍であると仮定す る．ここに抵抗係数Ｋ,＞１である． いま前述したようにこのうず電流の導体中の分布の うち，周辺部に存在するものだけを考え，その大きさ を磁極直下の導体電流の延倍と仮定すれば，その電 流の大きさｆ‘は

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となり，速度の一次関数として表わされる．ここに電 流係数Ｋ２＜１である． この電流分布を，同じ大きさを有する任意形状の線 状電流とみなしたとき，その微少部分奴による，回 路の中心附近Ｃ点における磁界〔Z豆は，

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で与えられる，ここに？‐は〃からＣ点に至る動径 ベクトルである．すなわち，うず電流による中心Ｃ 点の磁界は，磁極の配置を任意に定めた場合，電流回 路の形状如何にかかわらず，電流の大きさに比例し， 速度に比例した直流磁界が発生することになる．この 直流磁界を図２に示すようにホール素子の制御磁界と して導けば，素子出力電圧の磁界比例性により，速度 に比例した直流出力電圧が得られる（ＢＨは制御磁界，

1℃は制御電流，ｙＬは出力電圧，五Ｌは負荷抵抗であ

る)． 8隅 /1１ IＣ 図 ２ ３．実験装置および実験方法

試作した直流速度発電機の断面を図３に示す．界磁

磁極は直流他励磁により直流磁界を発生するものであ り，あらかじめ定められた数個の位置（図７のＦ１∼

Ｆ４）に適宜配置できるようにしてある．集束磁極は

うず電流による磁束を検出集束するもので，半径方向

に移動できる（その位置は図７にＸ・Ｙ・Ｚで示さ れている)．集束磁極の検出部は，そのギャップを変 えることができ，また集束部のギャップにホール素子 を挿入する．なお集束磁極に装備したバイアス巻線 は，漏洩磁束，残留磁束による出力電圧の零点移動を 修正するためのものである。また導体円板は，カップ リングにより被測定側電動機に直結された回転子に装

着され，界磁々極，集束磁極にはさまれたような状態

で回転する． 3 ８ ２ −

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図 ３ 次に主要部の概略仕様を表１に示す． 図４に界磁々極を，図５に集束磁極を，図６に回転 子を示す． 次に実験方法について述べる．１）界磁々極の配置

を変えた場合，２）集束磁極の位置を変えた場合，３）

集束磁極の検出部ギャップを変えた場合，４）導体円 板の材質を変えた場合，に速度に対する出力電圧の特 性がどのように変わるかを調べる．図７は各磁極の配 置 関 係 を 示 し た も の で あ る ． 界 磁 々 極 は Ｆ １ ∼ Ｆ ４ (界磁軸）上に配置することができ，集束磁極の検出 部位置はＯｘ（集束軸）上Ｘ・Ｙ・Ｚの位置をとる

田 中 ・ 実 成 ： 制 御 用 直 流 速 度 発 電 機 に 関 す る 研 究 6９ 項 ’ 三 ホ ー ル 素 子 集 束 磁 極 界 磁 磁 極 表 １ 装 置 の 主 要 部 の 仕 様 仕 様 の 慨 略 ＳＩＥＭＥＮＳ，ＳＶｌ３０−１ 出力電圧感度１０V/Ａ・ｋＧ ＩｎＡｓ素子，４×８×0.5ｔ 入 力 内 部 抵 抗 ２ ０ ０ 〃 出力内部抵抗く200ｐ 定 格 制 御 電 流 ３ ５ ｍ Ａ 定 格 制 御 磁 界 １ ０ k Ｇ 鉄 心 材 質 Ｓ Ｓ ３ ４ 鉄心断面積144ｍｍ２ 鉄心平均長191ｍｍ（検出部ギャップ ４ｍｍのとき） 検 出 部 ギ ャ ッ プ 長 ４ ∼ 1 2 ｍ ｍ 集 束 部 断 面 積 ６ ０ ｍ ｍ ２ 断面比約０．４１７ 鉄 心 材 質 Ｓ Ｓ ３ ４ 断面積400ｍｍ２，鉄心平均長212ｍｍ ギャップ部断面積360ｍｍ２ ギ ャ ッ プ 長 ６ ｍ ｍ 励 磁 巻 線 抵 抗 ８ ｐ 定 格 励 磁 電 流 ０ ． ８ Ａ ギャップの静止磁束密度lSOOG(定格 励 磁 電 流 の と き ） 導 体 円 板 材 質 固 有 抵 抗 （ 2 0 ° Ｃ ） i難鱗鼠 鷲 銅(ＣｕP） アルミｒＡ１Ｐ１ 真ちゅう（ＢＳＰ） 直径190ｍｍ． 図 ４ l厚み １．７７〃恩．ｃｍ ２．８３浬２．ｃｍ 6.2浬〃．ｃ、 ２ ｍ ｍ

鱗 灘 識 鋳

ことかできる．図８にホール発電器の制御電流の値， 使用した負荷抵抗の値を示す．〃Ｌは測定すべき出力 電圧である． ４ ． 実 験 結 果 お よ び そ の 検 討 ４．１．速度一出力電圧特性 導体円板の材質に銅をえらび，集束磁極の検出部キ ャップ長を４ｍｍとした場合の特性を図９に示す． 蝉

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図 ５ 灘 鱗 難 蕊 識 灘 灘 鍵 蕊 図 ６

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R上＝’００‘ｐ 図 ８ Ｆ １ ∼ Ｐ ４ は 界 磁 々 極 の 配 置 を 表 わ し ， Ｘ ・ Ｙ ・ Ｚ は それぞれ集束磁極の検出部の位置を表わしている．図 １０は，検,'1-1部位置をＹとし，検出部ギャップを４．８

7０ 鹿 児 鈷 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ８ 号 F ， 9０ 8０ ７０ ６０ V Ｌ (mV） §０ ４０ 3０ 2０ Ⅱ ０ ２ ４ ６ ８ １ ０ １ ２ １ ４ １ ６ １ ８ Ｚ ０ 回＃云教（ｌｏ１ｒＰ爪） 図 ９ ・１２ｍｍとした場合の特性を表わしている．導体円 板の材質は，図９の場合と同様に，銅である．図１１ は材質の違いによる特性の変化を調べたものである． 検出部位置をＹとし，検出部ギャップを８ｍｍとし てある． ｌ）界磁々極の位置が出力電圧に与える影響 図９∼１１からわかるように，集束軸Ｏｘに対して 界磁々極Ｐｌ・Ｐ２をともに界磁軸Ｆ１→Ｆ４と近 づけた場合に，同一速度における出力電圧の大きさは 増大する．以上の事実を理解するのは容易である．界 磁々極がたがいに近づくに従って，うず電流回路の長 さが短かくなり，それだけ回路の抵抗が小さくなる． さらにうず電流のまとまりがよくなり，結局うず電流 値ｉｅが大きくなる．それに応じて，発生する磁界も 強くなり，出力電圧が増大する． ２）集束磁極の位置が出力電圧に与える影響 図９からわかるように，ｐｌ・ｐ２がＦ１→Ｐ４と 移動するにしたがい，最大磁界発生点はＯｘ上を０ ＤＣ ツＣ ８０ r7C 6０ VL mv） ５０ ４０ ３０ ２０ ､ ！ 検 出 部 位 置 ）

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０ ２ ４ ６ ８ １ ０ １ ２ １ ４ 回if云教ｒＩＯｚ 図 １ ０ ｌ ６ Ｉ ｇ ２ ０ F耐） か ら ｘ に 向 っ て 移 行 す る ． そ し て ， 界 磁 軸 が 集 束 軸 に接近すればするほど，移行の割合は大きくなる． 以上の事実は，うず電流回路が最短距離を保持しよ うとすると考えれば，界磁々極ｐｌ・ｐ２の配置関係 から直ちに理解される． ３）集束磁極の検出部ギャップが出力電圧に与える 影 響 図１０によれば，検出部ギャップの狭い程出力電圧 は高いが（Ｆ４の場合を除く)，このことは磁極の磁 気 抵 抗 か ら み て 明 ら か で あ る ． 出 力 電 圧 の 高 低 に よ り，また界磁々極の配置により，ギャップ変化による 特性が異なるのは，検出部附近における二次的うず電 流磁界等の影響もあるものと思われる． ４）導体円板の材質が出力電圧に与える影響 図１１からわかるように，円板の固有抵抗が大きい 程出力電圧は低い． このことは，うず電流の強さが円板の固有抵抗に逆 比例することから自明である．

4０ 7１ ” 田 中 ・ 実 成 ： 制 御 用 直 流 速 度 発 電 機 に 関 す る 研 究 図 ５）出力電圧の直線性 図９∼１１から明らかなように，出力電圧が円板の 回転速度に比例するのは，出力電圧が低い場合に限ら れる． 以上の事実の原因としていろいろの要因が考えられ る，たとえば，１）うず電流反作用による，界磁々極 のギャップ磁束密度の変化，２）抵抗係数Ｋ,の速度 依存性，３）電流係数Ｋ２の速度依存性などが考えら れる． 4.2．出力電圧の脈動 本研究の本来の目的は，出力電圧に脈動を含まない 直流速度発電機を作ることであるが，試作発電機にお いては脈動がかなり残っている．図１２∼１５にいろい ろな速度における出力電圧の波形を示す．これらは導 体円板の材質として銅を用い，界磁々極をＦ３に配 置し，集束磁極の検出部をＹに置き，そのギャップ長 を８ｍｍとしたときのものである． 脈動の最大の原因は導体円板の振動や，磁極を含め た装置全体の振動などの機械的な要素である．ホール 素 子 の 制 御 電 流 の 脈 動 や ， 界 磁 々 極 の 励 磁 電 流 の 脈 動 肌 締跳郡位爵Ｙ 溌甜評令ｼ7.8祁州 '7０

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1４ 図 ’ ５ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 i 研 究 報 告

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田 中 ・ 実 成 ： 制 御 用 直 流 速 度 発 電 機 に 関 す る 研 究 7３ も，出力電圧脈動の原因になる．導体円板の曲りによ る振れ幅は約１ｍｍである．図より脈動の周波数が 速度の上昇にともない高くなっていることがわかる． このことは，電圧脈動の原因が主として機械的なもの

であることを意味する．図１６は界磁々極の励磁電流

波形を示したものである．励磁電流源に直流発電機が

用いられているため，多少の脈動が見られる． ４．３．制動トルク

図１７に制動トルクの一例を示す．制動トルクは磁

極下の導体電流に起因するので，磁極配置による変化

はあまりみられない．またこの程度の制動トルクは，

被測定側の容量がかなり小さい場合を除き，一般には

問題とならない． ２５ 卜２０ １レ ク ’ ５ (３．１１１） ｌＣ ■

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図 １ ７ ４．４．温度上昇 図１８に温度上昇の一例を示す．導体の温度上昇に ともなう抵抗の変化は直線性に影響をおよぼす．本装 置では温度上昇は一般の電気機器に比してかなり少な く，実用上支障はない。 ＩＣ ﾗ里 硬 上 ﾉ号ｇ (IjC:） Ｉ５００ＹＰ帆

/戸照

０ ５ １０ ョキ向 図 １ ８ ｜ ｇ (7711稲） ２０ 5 ． あ と が き １）本研究の結果得られた特性はすべて図１９に示 されるような傾向を持ち，完全な直線性は得られなか った．しかし現段階においても斜線部分に相当する範 囲ではかなり良い直線性が見られ，その範囲では本装 置は速度発電機として十分利用できる（使用速度に応 じて，設計条件を上記範囲に定めることができる)． 磁極の形状および配置の問題も含めて特性解析を進め れば，更に良好な結果が得られると期待できる． 瞳 一 ／ 一 〆 Ｏ _連７鳶 図 １ ９ ２）今回の実験は速度一電圧特性に重点をおいたの で，出力電圧にかなりの脈動が残っている．この脈動 は主として装置の機械的振動によるものであり，工作 惰度を向上させれば除かれる． ３）制動トルク，温度上昇，ともに実用上支障はな い． ４）本装置ではブラシの磨耗とか整流子の手入れ等 の問題がなく，保守の点で有利である． ５）ホール素子の安定性に留意する必要がある． 今回の実験により，本機が直流速度発電機として実 用的価値をもっていることが確かめられた． 文 献 l ） 田 中 ′ 実 成 。 西 村 ： 電 気 四 学 会 九 州 支 部 連 合 大 会 講演論文集，第１９回（昭41.11)。