大容量直流回転電機の整流特性の検証

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大容量直…充回転電機の整…充特性の検証

Verification

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大形直i充電動機の単機大容量化,低慣性･小形化を図るに当たって,大きな要因 となる整流性能に関しては電子計算機により精密な整流計算を実施し,必要な詳細 検討を行なうことができる｡今回,8,400kW二重電機子直流電動機の設計段階で, ･一連の精密な整流計算を実施して,最適補極形二状を求め,電機子巻線の最適短節度 は-をスロットピッチであること,トレッペン巻電機子では回転方向により無火花帯 の幅が大幅に異なることを明らかにした｡また,無火花帯を実機で確認した結果, 計算結果と実測値とがよく対応していることを明らかにした｡ u

緒

言 プラント産業や車両に対する可変速駆動システムに組み込ま れる直音充電動機は,過酷な運転が繰り返され,過負荷耐力, 寿命,保守及び信頼性の確保が必要となる｡近年,省力化に 対処して単機大容量化,低慣性･小形軽量化を指向してH種 絶縁の採用,機械的強度や剛性の向上が図られている｡耐熱 性が向上すれば電機子の電気装荷を大きくすることができ, 機械的強度が大きくなれば高速化が可能になるので,製作限 界を高められる｡しかし,慣性を低減するには電機子外径を 小さく _{し,軸長を長くする必要がある｡したがって,整流コ} イルのインダクタンスが大きくなr)整流は厳しくなる｡すな わち,機械寸法を決める大きな要因である整流改善技術が伴 わなければ,多くのニーズに対処することはできない｡一般

に,大形電動機の整流の難しさの指標(以下,〟値と略す)は

次式で表わされる｡

〟=定格出力(kW)×〔最高回転数(min￣1)〕2/基底回転数

(min￣1)

_{この値は,非可逆回転直流電動機では2.36∼6.0}

×106(kW･min￣1)であるといわれる1)｡これまで,整流理論は

種々の形で紹介されているが,近年,電子計算機を用いた整流 解析が報告され2)･3)設計段階で整流現象を定量的に検討できる ようになっている｡この論文は幣i充計算方法について説明する とともに,実機の補極形状,電機子巻線仕様を決定し,無火花 帯を確認した結果,計算結果とよく対応していることを明らか にした｡対象機は〟値が単電機子当たり4.6×106kW･min￣1 となる可逆回転圧延用8,400kW二重電機子直i充大形電動機で ある｡図1に日立￣製作所の大形直流電動機の〟値の推移を 示す｡ 臣l

整流解析の概要

2.1 整;充回路の構成 直流電動機の整流回路は,整i充コイルの抵抗をり,自己イン ダクタンスをエJ,整i充起電力をeノとする集中回路定数で表わ し,非整ラ充中の電機子巻線を走電流源で表わすと図2のよう に示すことができる｡同図で凡は,摺動中のブラシの接触面 積が時間的に変化し,電圧降下が電流に対して非線形である ことを考えた接触抵抗である｡各整?充コイル間の相互インダ クタンスは,インダクタンス行列で考慮する｡これより,電 i克則基本カットセット方程式,電圧則基本閉路方程式4)を求 める必要がある｡そして,整流.コイルのインダクタンス電流 ×106 6 4 (T⊂盲妄三磯} 箋

茂木正二*

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田原和雄*

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松井孝行*

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森野信幸**

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野崎暫裕**

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1960 1970 製 作 年 1980 図l 大形直;充電動機の主な製作実績 日立製作所での主な大形直 流電動機の製作実績と_単電機子当たりのM値の推移を示す｡

=上(f)〕について整理し,次式の整流方程式を得る｡

竿㌢=エー1(

F乙Vr(り十F左月〟(【fl々エよェ(∫卜J㌔ォ才′(り)

F乙月γFγ上よ上(り

ここに _{上一1:インダクタンス行列の逆行列} Fr:ダの配置行列 月r:整流コイル抵抗から成る乃×乃】欠行列 ダガエ:月ノと上ノとの接続を表わすカットセット行列 ダ化:eノと上ノとの接続を表わすカットセット行列 ダ月f:月ノと〃との接続を表わすカットセット行列 ダ比:γノとエノとの接続を表わすカットセット行列

Vy:各整流コイルの整流起電力ベクトル

月〟:各整流子片とブラシとの接触抵抗 * 日立製作所日立研究所 ** 日立製作所日立工場 21

488 日立評論 _{VOL.61No.7=979-7)} ′一一一--￣--′′ ′ ′ エ乃 エ2

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一■■■ 月”十1 ′ エ¶-1 e4 図2 整流回路 直流電動機の整流回路を閉じた回路網で表わL,整流コイ ルのコイル抵抗′ノ.自己インダクタンスし,整〉充起電力eノから成る集中定数 とL,非整流中の電機子巻線を定電)充i原Jで示す｡ 前式で右辺の第1項は整流起電力,第2項は整流子片間電 圧,第3項はコイル抵抗の電圧降下に対応する｡ 2.2 _{整流計算方法} 整流方程式は一階連立微分方程式であり,初期値を与えれ ばRunge-Kutta法などで解くことができる｡しかし,ブラ シカバリングが1以上のときは,最後の整i充コイル以外の初 期値は未知である｡そこで,整流現象の周期性から,これを 境界条件に利用する｡日立製作所は,この周期性を利用して 解く計算方法を開発した｡この方法により,整流曲線,ブラ シ接触電圧降下,整手荒子片間電圧などの時間的変化の出力 を,図表でみることができるようになった｡図3に,整i充計 仕 様,設 計 定 数 インダクタンス (周波数特性) 磁 束 分 布 (有限要素法) 整 流 計 _算 (ルンゲ･クック･ジル法) ブラシV一丁特性 (実測データ) 整 涜 曲 線 ブラシ接触電圧 無 火 花 帯 整流子片間電圧 火花限界電圧 図3 整流解析のフローチャート 整流現象を電子計算機で定壬的に 解析する場合の手順を示す｡ 22

q

l' 補極添加電流

ト=0

_暮 l ■● ′

補極添加電流の変更Il整流方程式の数値計算It

電機子電流の変更 1 tl ●

l補償電圧の計算Il火花発生限界電圧の計算l

ダl′ l l y∫p nO 且Y(励磁)側 yeS nO 上九イ減磁)側 yeS ｢■▲￣■￣■￣￣ ￣■■￣￣￣｢

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l 上p _l +____...._.__._.__+ J｡:ん

l無火花帯l

図4 _{無火花帯の計算フローチャート} 計算するときの手順を示す｡ 電子計算横により無火花帯を 算のフローチャートを示す｡ 2.き _{無火花帯計算方法} ブラシ火花は,ブラシと整i充子間の接触電圧が火花発生限

界電圧(3.2V)を超えると発生する｡図4に無火花帯計算の

フロrチャートを示す｡各補極添加電妻充での補償電圧(ge)は

整流方程式の数値計算から求める｡ここで,補償電圧(yg)は

ブラシ接触電圧降下の諸項からりアクタンス電圧の項を除い

た残りの項を表わす｡この補償電圧(ye)が火花発生限界電圧

(yざp)より小さい範囲が無火花帯の幅となる｡このようにし

て,各整流コイルについて求めて重ね合わせると,各整i充コ イルの無火花帯の重なり合った部分が総合した無火花帯とな る｡このようにして,肉眼観察と同様の無火花帯を求めるこ とができる｡ 6】

実ヰ幾による整…充計算検討

以上に述べた整流解析法を用いて8,400kW直流電動機

135/385min￣1(ブラシカバリング4.24)の整流検討を行なう｡

対象電動機はH種絶縁の採用による回転子の重量とG上)2(慣

性モーメント)の低減,d形スパイダの採用による機械的耐力 の向上,冷間一体曲げラミネートヨークの採用など,最新の 技術が折r)込まれている｡以下,設計段階で行なった補極形 状,磁束分布,電機子巻線,短節度などの検討結果について 説明する｡なお,電機子巻線のスロット中の導体配列と接続 を図5に示す｡ さ.1輔極形状と補極下の磁束分布 補極の才磁束分布は図6(a)のように実機の2次元構造図の要 点を節点とする自動要素分割を行ない5),有限要素法を用い た電磁界解析により同図(b),(c)に示すように求める｡電機子 巻線の短節度を考慮して合成した補極下の耳滋束分布から求め る整i充起電力と整流コイルのリアクタンス電圧との関係は, 整流開始側では整流起電力をリアクタンス電圧より′J､さくし, 整流終期側ではリアクタンス電圧より大きくする｡図7に図 6(b),(c)の磁束分布の計算結果から求めた強め界磁と弱め界

大容量直読回転電機の整流特性の検証 489

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(上コイル)

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■一 ■■ 二./整流子 ① _(診 ③ _(D フ 7 ゝ/ (a)重 ね _巷

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(D (卦 ③ 0) ブ ラ シ (b)トレッペン巷 図5 電機子巻線の接続図 て示す｡ 重ね巷とトレッペン巻の接続図を比j較L 磁時の補極下の電機子表面入射磁束分布を示す｡強め界磁時 は主極漏れ才滋束の影響がある｡ 3.2 _{電機子巻線方式と短節度} 電機子巻線の短節度を大きくすると,各整流コイル間の相 互インダクタンスを小さくできるので,リアクタンス電圧を 小さくできる｡そのために,大形直流電動機には短節度÷ス ロットピッチが多く用いられる｡しかし,大容量化に伴い主 極と補極間の空間的な距離が小さくなる傾向にあー),主極の (a)自動要素分割園 補極 0.3 ト†

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鉄心 補極巻線 -■､ゝ弱め界胱 ゝ ヽ強め界磁時 y _憮0･2 ヽ

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ヽ ヽ ヽ 電機子表面取掛mm)ヽ†ヽ_. ′ _軸

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笛0･-50403020100 し 整三ノー 1020血初5汁ヽ 充帯 ▲一 図7 _{補極下の磁束分布} 整流起電力を求めるための補極下の8,400kW 直流電動機の磁束分布の計算結果を示す｡ 漏れ磁束の影響が大きくなる｡通骨の重ね巻に対して短節度 ÷と÷スロットピッチにつき,補極下の整流起電力と整流計 算結果は図8に示すように求められる｡短節度を÷スロット

ピッチにした場合,リアクタンス電圧(Er)の最大値は小さい

が,整i充起電力(E｡)は主磁束の漏れの影響により,整i充開

始側と終期側でリアクタンス電圧(Er)との差が大きい｡した

がって,短節度は整享充補償の良好な÷スロットピッチを採用 すべきであることを示している｡ 次にトレッペン巻について検討する｡この巻線は,短節度 の異なる2種類のコイルから成る｡通常の重ね巻と異なる点 は,各整i充コイルの整i充起電力の大きさとインダクタンスの 求め方である｡トレッペン巻に対する整i元方程式は,通常の 重ね巻と同様に磁気回路の対称性から等価二極機の考えを通 用する｡整流起電力と整流計算結果は,図9に併記する｡ 3.3 無火花帯の比較

通常の重ね巻とトレッペン巻の短節度が,÷及び与スロッ

トピッチについてブラシ出口の無火花帯の幅を算出すると, 表1に示すように求められる｡これより,通常の重ね巻はい (b)強め界磁時の磁束分布 _{(0)弱め界礎時の磁束分布} 23 図6 補極鉄心形状と磁束分布(100%負荷時) 8′400kW直流電動機の固定子形状の暴風化に対Lて 適用した磁界解析(FEM)の自動要素分割図,磁束分布の計算結果(強め界磁,弱め界磁)を示す｡

490 日立評論 _{VOL.6INo.7(1979-了)} 巻線方式 重 ね 巻 ト レ. ッ ペ ン 巷 短節度 与スRットピッチ 与スロットピッチ 与スロットピッチ 与スロットピッチ 回転方向 _{時計,反時計方向} 時計,反時計方向 反時計方向 反時計方向 リアクタンス電圧(直線整流) 整流起電力 6 4 2 0 (>)L叫世絆ペ八≠ヘト｢-(>)U叫 ギ財制喋潮 ∂-bコイル 且r 且'√ 2 4 6 _g/r(.- 2 4 8 2 0 bコイル 2 4 6 a-bコイル C-d 2 4

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gr(コイルa-b) 整溝仙曲線 ′し 0 ハL ′ r⊥ 一 (三頼脚ミ†[ awbコイル C-d _e-f 3 6 ∠./Tr

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a"bコイル C-d e-f 3 ブラシ接触 電圧降下 5 0 5 【 (三世肘 ふ八ヽh斗＋八小ト セグメント① ③ ② 6 亡/71r

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5 0 -5 セグメント(カ ③ ② ₅ 0 -5 図8 電機子巻線方式に対する整三充計算結果 電機子巻線方式に対する整流計算結果として,直線整 涜を仮定Lたリアクタンス電圧と整流起電力の関係及び各整ン充コイルの整流曲線,フうシ接角虫電圧降下の時間的 変化を示す(図6参照)｡ 実測値 (訳)棋細長燦澄渡 0 0 ∩) 5 0----計算値 負荷電流率J乙(%) 50 100 0 5 一 冊100 注:補極添加電流(%)は,100%負荷時の無火花帯幅の 補極添加電流を100%とする｡ 図9 無火花帯の計算値と実ラ則値 8.400kW直流電動機での整流解析 に基づく.二7ラシ出口の無火花帯の計算値と実測値を比重交して示す｡ 表l 電機子巻線方式と無火花帯 8.400kW直流電動機で電機子巻線 方式と無火花帯の関係を整流計算で一求めた結果を示す｡ 電機子巻線方式 短節度(スロット) 回 転 方 向 無火花帯の幅(%) 重 ね _巻 1 ￣￣豆￣ 時計,反時計方向 10 0 3 ￣￣雪￣ 時計.反時計方向 9 5 ト _{レッペン巷} 2 時 計 方 向 0 反 時 計 方 向 8 8 :} 2 時 計 方 向 2 2 反 時 計 方 向 41 注:l.無火花帯の幅(%)は重ね巷,短節度÷スロットピッチの無火花帯の幅 を100(%)とする｡ 2.強め界磁,100%負荷時の値を示す｡ 24 ずれの短節度及び可逆回転とも無火花帯が存在し,トレッペ ン巻に比べて無火花帯が広い｡トレッペン巻は,回転方向に よr)無火花帯の幅が異なる非対称性をもつ｡また,両巻線と も短節度は-をスロットピッチのほうが,より広い無火花帯を もっている｡ 対象機の計算値と実測値の無火花帯は,図9に示すように なる｡ B

結

言 直流電動機のブラシと整流子の接触電圧の非線形性,整流 コイルのインダクタンスの変化,整流起電力の時間的変化並 びに電機子巻線のトレッペン巻及び短節度を考慮できる整流 解析に基づいて,8,400kW直i充電動機の設計段階で整流計算 を行ない,補極鉄心形状を求め,適合する電機子巻線短節度 が-をスロットピッチであることを明らかにした｡トレッペン巻 電機子では,回転方向により無火花帯の帽が大幅に相違する｡ 無火花帯を実機で確認した結果,計算結果と実測結果がよく 対応していることを明らかにすることができた｡なお,この 電動機は圧延主機駆動用として,目下順調に稼動中である｡ 参考文献

1)N.A.Tischenco et _al.:Large Direct Current Motors

and Generators,World ElectrotechnicalCongress,

21∼25(1977),Moscow

2)松田:直流機の饗流作用の一般解析法,電学論文集,94-B, 10,1∼8(昭49-10)

3)松田:ブラシ接触電圧特性を考慮した直流機の無火花帯,電 苧論文集,97,6,17∼24(昭52-6)

4)R.A.Robrer:Circuit Theory"AnIntroduction to _the

State Variable _{Approach”;McGrow-Hill,(1972)}

5)川上,原:有限要素法のための自動分割手法の開発,電学全