(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、
（ａ）ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、
（ｂ）該同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、
（ｃ）前記インピーダンス要素としてリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、前記抵抗器の抵抗ＲとリアクトルのインダクタンスＬで定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を調整して、最高回転速度に対応する最高周波数の１／２以上として、前記周波数Ｒ／（２πＬ）付近に対応する回転速度域で、ほぼ一定のブレーキトルクが得られるようにするとともに、
（ｄ）前記抵抗器とリアクトルを直列接続した回路において抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、前記回路のインピーダンスの大きさの平方根に逆比例してブレーキトルクを変化させることを特徴とする同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項２】
同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、
（ａ）ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、
（ｂ）該同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、
（ｃ）前記インピーダンス要素としてリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、前記リアクトルのインダクタンスＬと前記抵抗器の抵抗Ｒの値で定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を最高周波数より十分低い値に調整して、高回転速度域でブレーキトルクが回転速度に反比例する特性を有するとともに、
（ｄ）前記抵抗器とリアクトルを直列接続した回路において抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、前記回路のインピーダンスの大きさの平方根に逆比例してブレーキトルクを変化させることを特徴とする同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【請求項３】
同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、
（ａ）ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、
（ｂ）該同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、
（ｃ）前記抵抗器のみの第１の回路と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接続し、前記第１の回路と、前記第２の回路のブレーキトルクの回転速度特性の和が、所定のブレーキトルクの回転速度特性となるようにするとともに、
（ｄ）前記抵抗器のみの第１の回路と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接続し、抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記第１の回路の抵抗、及び前記第２の回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、ブレーキトルクを同期機からみたインピーダンスの大きさの平方根に逆比例して変化させることを特徴とする同期機を用いた電気ブレーキ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期機を用いた電気ブレーキ装置に係り、特にブレーキを作用させる軸に連結される同期機に抵抗器とリアクトルを組み合わせて接続し、電力変換器なしで所定のブレーキ力の回転速度特性を得るようにした電気ブレーキ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流回転機で電気ブレーキをかけるには、一般にはインバータが必要である。また、抵抗器をそのまま負荷とすると、ブレーキ力が回転速度に比例し、ごく特定の用途でしか使えないという問題点がある。
【０００３】
従来の電気ブレーキ装置は、駆動用電動機やインバータを用いて、インバータの制御によりブレーキトルクを変えており、駆動用電動機を搭載した電動車でのみ使用することができた。また、駆動用電動機が搭載されていない付随車両では、ディスクブレーキや踏面ブレーキなどの機械ブレーキが用いられ、摩擦による磨耗があり、ブレーキ部品の磨耗状態の検査や交換などの定期的な保守を必要としていた。
【０００４】
同期機を電動機として用い、しかも電気ブレーキを利用する場合、電動機に給電するためにインバータが必要であり、電気ブレーキにはそのインバータを利用するのが普通である。
【０００５】
そして、同期機の発生する三相交流誘起電圧に対して、同期した三相交流電圧をインバータにより発生させれば、そのインバータの発生する電圧の振幅と位相を調整することにより、電動機として回転させることも、発電機として電力を取り出すことも可能である。
【０００６】
図１８はかかる従来の電力回生ブレーキの回路図、図１９は従来の発電抵抗ブレーキの回路図である。
【０００７】
これらの図において、同期機２の誘起電圧をＥS 、インバータ１の発生電圧をＥC とすると、同期機２の電流Ｉs は次のように表される。
【０００８】
ＩS ＝（ＥS −ＥC ）／（ＲO ＋ｊ２πｆＬO ）                        …（１）
ここで、ＲO とＬO は同期機２の内部抵抗とインダクタンス、ｆは回転周波数である。
【０００９】
ＥS とＩS の向きが反対方向となるように、インバータ１の発生電圧ＥC を調整すると、インバータ１より同期機２に電力が供給され、同期機２は回転トルクを発生する。また、ＥS とＩS の向きが同一方向となるようにインバータ１の発生電圧ＥC を調整すると、同期機２は発電機としてインバータ１に電力を送出し、同時にブレーキトルクを発生する。インバータ１の制御により、広い範囲でブレーキトルクを調整することが可能である。
【００１０】
このような従来の技術を用いれば、同期機２は電動機としても発電機としても動作させることができるが、インバータ１のような電力変換装置が必要で、しかも、この電力変換装置は、同期機２との間で出入する電力を扱える容量でなければならない。
【００１１】
また、インバータ１等の電力変換装置の直流側には、電力を回生または消費するための機器が必要である。
【００１２】
つまり、従来の技術では、同期機２でブレーキをかけ、ブレーキトルクを制御するには、ブレーキ出力を処理できる容量のインバータなどの電力変換装置が必要であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
さらに、下記のように構成した技術では、以下に示すような問題点が考えられる。
【００１４】
図２０は同期発電機に抵抗器を接続した回路（推測回路）図であり、ここでは、同期機の内部抵抗とインダクタンスは無視されている。図２１はその発電ブレーキ特性図（Ｒ）である。
【００１５】
（１）同期機１１に抵抗を接続した場合の問題点（Ｒ回路）
図２０に示すように、同期機１１に開閉器１３を介して抵抗器１２を接続すれば、ブレーキ回路を構成することができると考えられる。
【００１６】
しかし、同期機１１の磁束φが一定であれば、同期機１１の誘起電圧Ｅは回転速度ｎに比例するので、
Ｅ＝ｋφｎ                                                          …（２）
と表すことができ、抵抗器１２の抵抗をＲとすると、同期機１１の内部抵抗とインダクタンスを無視すれば、図２１（ａ）に示すように、
Ｉ＝Ｅ／Ｒ                                                          …（３）
の電流が流れ、図２１（ｂ）に示すように、ブレーキがかかる。
【００１７】
抵抗器１２で消費される電力は、図２１（ｃ）に示すように、
Ｐ＝Ｉ2 Ｒ＝Ｅ2 ／Ｒ＝（ｋφｎ）2 ／Ｒ                              …（４）
と表され、回転速度ｎの２乗に比例する。
【００１８】
一方、損失を無視すると、ブレーキトルクと回転速度の積がブレーキパワーであり、抵抗器１２で消費される電力Ｐと等しい。
【００１９】
ＴB ｎ＝Ｐ＝（ｋφｎ）2 ／Ｒ                                        …（５）
従って、ブレーキトルクＴB は回転速度ｎに比例する。
【００２０】
ＴB ＝（ｋφ）2 ・ｎ／Ｒ                                            …（６）
抵抗器１２の切換えをしないとすると、このようにブレーキトルクＴB が回転速度ｎに比例し、特定の用途（下り勾配での抑速ブレーキ）以外は使い難い。
【００２１】
（２）界磁制御の問題点
図２２は界磁電流制御回路を加えた、同期発電機に抵抗を接続した回路（推測回路）図である。
【００２２】
このような場合に、同期機１１の界磁電流を調整して、一定のブレーキトルクとなるようにすることが考えられる。
【００２３】
上記の式より
φ2 ＝ＴB Ｒ／ｋ2 ｎ                                                …（７）
∴φ＝（１／ｋ）√（ＴB Ｒ／ｎ）                                    …（８）
従って、回転速度ｎが変化してもブレーキトルクＴB を一定に保つ方法として、磁束φを１／√ｎに比例して変化させることが考えられる。
【００２４】
最高回転速度の１／１０の回転速度まで一定ブレーキトルクを得るには、磁束は、最高回転速度の時の磁束を、φmin とすると、その１／１０の回転速度では√１０φmin ≒３φmin とする必要がある。
【００２５】
このように界磁電流を調整すればよいが、回転機としては、最高回転速度で必要な磁束の３倍の磁束を発生しなければならないので、その分、磁路の鉄芯断面積を大きくしなければならず、不利である。
【００２６】
本発明は、上記問題点を除去し、簡単な構成で、有効なブレーキを作用させることができる同期機を用いた電気ブレーキ装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、この同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、前記インピーダンス要素としてリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、前記抵抗器の抵抗ＲとリアクトルのインダクタンスＬで定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を調整して、最高回転速度に対応する最高周波数の１／２以上として、前記周波数Ｒ／（２πＬ）付近に対応する回転速度域で、ほぼ一定のブレーキトルクが得られるようにするとともに、前記抵抗器とリアクトルを直列接続した回路において抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、前記回路のインピーダンスの大きさの平方根に逆比例してブレーキトルクを変化させるようにしたものである。
【００２８】
〔２〕同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、この同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、前記インピーダンス要素としてリアクトルを用い、前記抵抗器とリアクトルを直列接続し、前記リアクトルのインダクタンスＬと前記抵抗器の抵抗Ｒの値で定まる周波数Ｒ／（２πＬ）を最高周波数より十分低い値に調整して、高回転速度域でブレーキトルクが回転速度に反比例する特性を有するとともに、前記抵抗器とリアクトルを直列接続した回路において抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、前記回路のインピーダンスの大きさの平方根に逆比例してブレーキトルクを変化させるようにしたものである。
【００２９】
〔３〕同期機にて発電されるブレーキエネルギーを消費する抵抗器と、ブレーキトルクの回転速度特性を適正に保つためのインピーダンス要素と、これらを接続して電気ブレーキ回路を作る開閉器とから構成される電気ブレーキ装置であって、ブレーキを作用させる軸に連結される同期機と、この同期機の発生電圧と周波数が回転速度に比例することを利用して、抵抗器とインピーダンス要素の値とに基づいて、前記同期機の所要のブレーキトルクの回転速度特性を得る電気ブレーキ回路を具備し、前記抵抗器のみの第１の回路と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接続し、前記第１の回路と、前記第２の回路のブレーキトルクの回転速度特性の和が、所定のブレーキトルクの回転速度特性となるようにするとともに、前記抵抗器のみの第１の回路と、抵抗器とリアクトルを直列接続した第２の回路とを並列接続し、抵抗器とリアクトルを複数個設けて、これらを直列または並列接続可能として、前記第１の回路の抵抗、及び前記第２の回路の抵抗とインダクタンスを同じ割合で変更することにより、ブレーキトルクを同期機からみたインピーダンスの大きさの平方根に逆比例して変化させるようにしたものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、同期機を用いて電気ブレーキをかける際に、インバータなどの電力変換装置を用いず、抵抗器やリアクトルなどの受動的な回路要素と開閉器のみでブレーキ回路を構成し、しかも必要なブレーキトルクの速度特性を受動的な回路要素の組み合わせで構成するようにして、安価な電気ブレーキ装置を提供するようにしている。
【００３２】
具体的な用途として、電気鉄道用車両のうち特に駆動用電動機を装着していない付随車両で使用可能な安価な電気ブレーキ装置が考えられる。
【００３３】
本発明は、付随車両に最小限の電気機器を搭載して電気ブレーキ力を得るようにすることにより、通常時に機械ブレーキの使用をなくし、定期的な機械ブレーキ装置の保守を不要にすることができる。
【００３４】
また、これに限定されるものではなく、自動車両の電気ブレーキシステムのバックアップ用として、本発明の同期機を用いた電気ブレーキ装置を付加することができる。
【００３５】
更に、このような本発明の同期機を用いた電気ブレーキ装置の付加的適用により、従来の機械的ブレーキをなくすようにすることができるようになろう。
【００３６】
図１は本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置（ＲＬ回路）の構成図、図２はその発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その１）、図３はその発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その２）である。
【００３７】
図１において、２１は同期機、２２は電気ブレーキ回路であり、その電気ブレーキ回路２２は、抵抗器２３、リアクトル２４、開閉器２５から構成されている。その同期機２１はブレーキを作用させるべき軸２６（例えば、車軸、駆動軸）に連結されており、その軸２６はブレーキを作用させるべき装置（例えば、鉄道車両用車輪、自動車の車輪）２７に連結されている。
【００３８】
この図に示すように、この実施例の電気ブレーキ回路の要素であるリアクトルのインダクタンスＬと抵抗器の抵抗Ｒを直列接続した発電ブレーキ回路（ＲＬ回路という）を考えると、インピーダンスＺは周波数をｆとして、
Ｚ＝Ｒ＋ｊ２πｆＬ                                                  …（９）
と表すことができる。
【００３９】
従って、電流の振幅は｜Ｉ｜は次のようになる。
【００４０】
｜Ｉ｜＝Ｅ／｜Ｚ｜＝Ｅ／√〔Ｒ2 ＋（２πｆＬ）2 〕                …（１０）
ここで
ｎ＝ｋ1 ｆとすると、
｜Ｉ｜＝ｋｋ1 φｆ／√〔Ｒ2 ＋（２πｆＬ）2 〕
ｆ≪Ｒ／２πＬのとき    ｜Ｉ｜→ｋｋ1 φｆ／Ｒ
ｆ≫Ｒ／２πＬのとき    ｜Ｉ｜→ｋｋ1 φ／（２πＬ）（一定）      …（１１）
つまり、周波数ｆ＝Ｒ／（２πＬ）を境として低速域で電流は回転速度に比例し、高速域で回転速度によらずほぼ一定となる。電流｜Ｉ｜の式よりブレーキ出力を求めると、
Ｐ＝Ｉ2 Ｒ＝Ｒ（ｋｋ1 φｆ）2 ／〔Ｒ2 ＋（２πｆＬ）2 〕          …（１２）
となるからブレーキトルクＴB は、次のように表される。
【００４１】
ＴB ＝Ｐ／ｋ1 ｆ＝（ｋφ）2 ｋ1 Ｒ・ｆ／〔Ｒ2 ＋（２πｆＬ）2 〕  …（１３）
従って、
ｆ≪Ｒ／２πＬのとき    ＴB →（ｋφ）2 ｋ1 ・ｆ／Ｒ
ｆ≫Ｒ／２πＬのとき    ＴB →（ｋφ）2 ｋ1 Ｒ／（２πＬ）2 ｆ
従って、ｆ≫Ｒ／（２πＬ）のとき、ブレーキトルクＴB は回転速度に反比例する。
【００４２】
ここで、ＲとＬの値とブレーキトルクが最大となる点、およびブレーキトルク最大値の関係を考察する。
【００４３】
ブレーキトルクを回転周波数ｆで微分すると、
ｄＴB ／ｄｆ
＝（ｋφ）2 ｋ1 Ｒ・〔Ｒ2 −（２πｆＬ）2 〕／〔Ｒ2 ＋（２πｆＬ）2 〕2
…（１４）
となり、ｆ＝Ｒ／（２πＬ）で最大値をとる。この時のブレーキトルクは、
ＴB ＝（ｋφ）2 ｋ1 ／（４πＬ）                                  …（１５）
となり、Ｒの値によらずＬに反比例する。すなわちＲを変えるとブレーキトルクの最大値を変えずに、ブレーキトルクが最大となる回転周波数（回転速度）を変えることができる。
【００４４】
したがって、速度や回転数に反比例するブレーキトルクが必要な時、ＲＬ回路が使える。この例を図２に示す。この図において、図２（ａ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図２（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図２（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。
【００４５】
今同期機が歯車装置を介して車輪にブレーキトルクを伝達するとすると、歯車比をＧR 、車輪直径をＤとすると、走行速度Ｖは
Ｖ＝（ｎ／ＧR ）×πＤ                                            …（１６）
と表され、回転速度ｎと走行速度Ｖは比例する。
【００４６】
上記した式（２）のように誘起電圧Ｅは回転速度ｎに比例するので、今誘起電圧をＥ［Ｖ］、走行速度をＶ［ｋｍ／ｈ］として、Ｅ／Ｖを誘起電圧比と呼ぶことにする。同様にブレーキトルクＴB と車輪周上のブレーキ力Ｆb とは歯車効率を無視すると、下式のような比例関係にある。
【００４７】
Ｆb ＝ＴB ×ＧR ／（Ｄ／２）                                      …（１７）
また、ブレーキ出力Ｐ［ｋＷ］は電気的には電流Ｉ［Ａ］と電圧の積／１０００［Ｖ］で表されると共に、ブレーキ力Ｆb ［ｋＮ］と走行速度Ｖ［ｋｍ／ｈ］／３．６の積でも表される。
【００４８】
Ｆb ＝（Ｐ／Ｖ）×３．６                                          …（１８）
以下図においては回転速度ｎのかわりに走行速度Ｖ［ｋｍ／ｈ］を、ブレーキトルクＴB のかわりにブレーキ力ＦB を用いて説明する。
【００４９】
なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗器の抵抗Ｒは１Ω、リアクトルのインダクタンスＬは０．００１Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆmax は６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅmax は１０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂmax は４．７７ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐmax は６５．７ｋＷ、同期機の皮相出力Ｐｖmax は２５６．４ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１５９．２Ｈｚである。  この場合の適用が考えられるのは、新幹線の粘着計画式にそったブレーキ力がある。これは、
Ｆ＝ＦO 〔１／（Ｖ＋８５）〕                                      …（１９）
但し、Ｆは引張力、ＦO は定数、Ｖは走行速度
とするもので、高速域ではほぼ速度に反比例しており、ＲＬ回路を使うことができる。
【００５０】
図３は図２の場合に比較して、抵抗の値を２．６倍にし、ブレーキトルクが最大となる回転速度を、図２の２．６倍である、最高回転周波数の６９％とした実施例である。つまり、図３において、図３（ａ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図３（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図３（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。
【００５１】
なお、ここで、同期機の極数は６、抵抗器の抵抗Ｒは２．６Ω、リアクトルのインダクタンスＬは０．００１Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆmax は６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅmax は１０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂmax は４．７７ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐmax は１２４．０ｋＷ、同期機の皮相出力Ｐｖmax は２１８．４ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は４１３．８Ｈｚである。
【００５２】
この場合には、低回転速度域でのブレーキトルクはより小さいが、高回転速度域で広い回転速度範囲にわたって、一定の大きさのブレーキ力を得ることができる。
【００５３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００５４】
図４は本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置（Ｒ−ＲＬ回路）の構成図、図５はその発電ブレーキ特性図（Ｒ−ＲＬ）である。ここでは、上記した第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００５５】
図４において、この実施例の電気ブレーキ回路３０は、第１の抵抗器３１と、これに並列に接続されるリアクトル３２と第２の抵抗器３３が開閉器３４を介して同期機２１に接続されている。
【００５６】
この実施例では、図４に示すように、Ｒ回路とＲＬ回路の並列接続からなる。この場合、ブレーキトルクは、各々の回路のブレーキトルクの和となる。
【００５７】
（１）Ｒ回路のブレーキトルクＴB1が回転数又は回転速度に比例することと、
（２）ｆ≫Ｒ2 ／（２πＬ2 ）の時ＲＬ回路のブレーキトルクＴB2が回転速度に反比例することを利用すれば、Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｌ2 の値を調整することにより、広い回転速度域にわたってほぼ一定のブレーキトルクを得ることができる。これを図５に示す。この図５において、図５（ａ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図５（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する電流（Ａ）特性図、図５（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）の分担特性図、図５（ｄ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図５（ｅ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。
【００５８】
なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗器の抵抗Ｒ1 は１２Ω、抵抗器の抵抗Ｒ2 は１．２Ω、リアクトルのインダクタンスＬは０．００１Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆmax は６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅmax は１０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂmax は４．２９ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐmax は１１９．２ｋＷ、同期機の最大皮相出力ＰＶmax は２０７．０ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１２７．３Ｈｚである。
【００５９】
このようにして、同期機２１の磁束を一定に保つだけで、インバータなどの電力変換装置を用いなくても、広い回転速度範囲にわたって、一定のブレーキトルクが得られることを示すことができた。
【００６０】
本発明の第２実施例のように、回転速度が変化しても一定のブレーキトルクとしたい用途は数多い。例えば、最高速度１２０ｋｍ／ｈ程度までの鉄道車両では、速度が変化してもブレーキノッチに対してほぼ一定のブレーキ力となるように設計されている。
【００６１】
なお、本発明の第１、第２実施例の応用として、抵抗器又はリアクトルにタップを設けて、ブレーキ指令に合わせて切換え、ブレーキトルクを変化させることも考えられる。
【００６２】
本発明の第１実施例の抵抗器を２組設け、抵抗器を回転速度により、切換え可能とすると、例えば、高回転速度の領域で抵抗の値が大きくなるようにし、低回転速度の領域では抵抗の値が小さくなるようにすると、抵抗器の切換えをしない場合より広い回転速度範囲で高いブレーキトルクが得られるようにすることができる。
【００６３】
図６は本発明の第１実施例で更に抵抗を切換可能にした場合の電気ブレーキ装置の構成図、図７はその発電ブレーキ特性図である。ここでは、上記した第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００６４】
図６（ａ）において、４０は電気ブレーキ回路、４１はリアクトル、４２はそのリアクトル４１に直列に接続される第１の抵抗器、４３はその第１の抵抗器４２に直列に接続される第２の抵抗器であり、第１の抵抗器４２は、第１の開閉器４４により短絡可能に接続されており、それらのリアクトル４１、第１の抵抗器４２、第２の抵抗器４３は第２の開閉器４５を介して同期機２１に接続できるようになっている。
【００６５】
図６（ｂ）において、５０は電気ブレーキ回路、５１はリアクトル、５２はそのリアクトル５１に直列に接続される第１の抵抗器、５３はその第１の抵抗器５２に並列に接続される第２の抵抗器であり、第１の抵抗器５２には第１の開閉器５４が、第２の抵抗器５３には第２の開閉器５５がそれぞれ直列に接続されている。
【００６６】
図６（ａ）において、第２の抵抗器４３の抵抗Ｒ21の値を、図２の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒと同じとし、第１の抵抗器４２の抵抗Ｒ22と第２の抵抗器４３の抵抗Ｒ21の和を図３の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒの値と同じとして、かつ抵抗器として、最高回転速度の４３％までの高回転速度域では、第２の抵抗器４３と第１の抵抗器４２の抵抗Ｒ21とＲ22を共に使用し、それ以下の速度では、第１の抵抗器４２の抵抗Ｒ22を短絡して、第２の抵抗器４３の抵抗Ｒ21のみを使用すれば、図７のブレーキトルク特性が得られ、より広い回転速度域でほぼ一定のブレーキトルクを得ることができる。
【００６７】
なお、図６（ｂ）の回路構成では、第１の抵抗器５２の抵抗Ｒ21の値を図３の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒの値と同じとし、第１の抵抗器５２と第２の抵抗器５３の抵抗Ｒ21とＲ22の並列接続時の合成抵抗が図３の場合の抵抗器２３の抵抗Ｒの値と同じになるようにして、高回転速度域で第１の抵抗器５２の抵抗Ｒ21のみを使用し、低回転速度域で第１の抵抗器５２と第２の抵抗器５３の抵抗Ｒ21とＲ22を共に使用しても、同様に図７のブレーキトルク特性が得られる。
【００６８】
抵抗とインダクタンスの値を切換えて、ブレーキトルクを調整することも可能である。
【００６９】
図８は本発明の第２実施例で抵抗Ｒ1 Ｒ2 とインダクタンスＬ2 を切換可能とした場合の電気ブレーキ装置の構成図、図９はその発電ブレーキ特性図である。ここでは、上記した第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００７０】
図８において、６０は電気ブレーキ回路であり、第１の抵抗器６１と第２の抵抗器６２が直列に接続され、その直列接続された第１の抵抗器６１と第２の抵抗器６２に並列に、第１のリアクトル６３、第２のリアクトル６４、第３の抵抗器６５、第４の抵抗器６６が直列に接続されており、第１の抵抗器６１は第１の開閉器６７により短絡可能に、第２のリアクトル６４と第３の抵抗器６５の直列回路は第２の開閉器６８により短絡可能に接続され、同期機２１には第３の開閉器６９が接続されている。
【００７１】
このように、図４に示す場合の各抵抗器とリアクトル（インダクタンス）を２組設け、各々を直列接続したのが、図８である。いま、Ｒ11，Ｒ21，Ｌ21を図５のＲ1 ，Ｒ2 ，Ｌ2 と等しい値とし、Ｒ12，Ｒ22，Ｌ22を、図５のＲ1 ，Ｒ2 ，Ｌ2 の（√２−１）倍の値とした場合に、Ｒ11＋Ｒ12，Ｒ21＋Ｒ22，Ｌ21＋Ｌ22の値は、図５のＲ1 ，Ｒ2 ，Ｌ2 の√２倍となり、図５の場合の１／２のブレーキトルクを得ることができる。しかも、Ｒ11，Ｒ21，Ｌ21のみを使用すれば、図５の場合のブレーキトルクを得ることができる。これを図９に示す。
【００７２】
このようにブレーキをかける際に、必要なブレーキ力に応じて、上記のように抵抗とインダクタンスの値を切換えることが考えられる。
【００７３】
図９は、その発電ブレーキ特性図（２組のＲ−ＲＬ）であり、図９（ａ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する全電流（Ａ）特性図、図９（ｂ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する電流（Ａ）特性図、図９（ｃ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）の分担特性図、図９（ｄ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対するブレーキ力（ｋＮ）特性図、図９（ｅ）は回転速度（ｋｍ／ｈ）に対する出力（ｋＷ，ｋＶＡ）であり、曲線ａは同期機の皮相出力（ｋＶＡ）、曲線ｂはブレーキ出力（ｋＷ）である。
【００７４】
なお、ここで、同期機の極数Ｐは６、抵抗器の抵抗Ｒ1 は１２Ω、抵抗器の抵抗Ｒ2 は１．２Ω、リアクトルのインダクタンスＬは０．００１５Ｈ（ヘンリー）、誘起電圧定数Ｋは１０、最大周波数ｆmax は６００Ｈｚ、最大誘起電圧Ｅmax は１０００Ｖ、最大ブレーキ力Ｆｂmax は４．２９ｋＮ、最大ブレーキ出力Ｐmax は１１９．２ｋＷ、同期機の最大皮相出力Ｐｖmax は２０７．０ｋＶＡ、Ｒ／（２πＬ）は１２７．３Ｈｚである。
【００７５】
図１０は本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成図、図１１はその発電ブレーキ特性図（その１）、図１２はその発電ブレーキ特性図（その２）である。ここでは、上記した第１実施例と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００７６】
同期機の界磁電流を制御すると、誘起電圧Ｅを変化させることができ、更に、ブレーキトルクを広い範囲で変えることができる。すなわち、例えば、本発明の第１実施例と界磁電流の制御とを組み合わせて、磁束の大きさが、図３の場合の（１／２）1/2 となるように界磁電流を変化させた場合のブレーキトルクは、図３のブレーキトルクの１／２の大きさになる。これを図１１に示す。
【００７７】
次に、ある回転速度以下では磁束の大きさを一定とし、その回転速度を超えると磁束の大きさを回転速度に反比例させ、回転速度が変化しても誘起電圧が一定となるようにし、本発明の第１実施例のように、ブレーキトルクを回転速度に反比例させることも可能である。
【００７８】
図１２は最高回転速度の７０％までの速度域では、図３の場合と全く同じとし、それ以上の速度域では界磁電流を調節して誘起電圧が一定となるようにした場合であり、上記高速域で速度に反比例するブレーキトルクが得られる。
【００７９】
また、ブレーキノッチ指令によって、界磁電流すなわち磁束を変化させると、同一回転速度での誘起電圧を変化させることができ、ブレーキトルクを変化させることができる。たとえば、図１３は本発明の第２実施例をもとに、最高ブレーキノッチを７ノッチとし、ノッチの値の平方根に磁束の大きさが比例するようにした場合（第４実施例）で、図１４に示すように、ノッチの値に比例するブレーキトルクが得られている。
【００８０】
図１５は本発明に好適な永久磁石型同期機の模式図である。
【００８１】
この図に示すように、回転子７１は永久磁石からなり、固定子は、電気角で１２０°の位相を持つように配置された３個の界磁コイル７２，７３，７４を有している。
【００８２】
このような永久磁石からなる回転子７１を用いることにより、構造が簡素化され、回転子７１への電力の給電のための回路やブラシ，スリップリングなどの部品が不要となり、それらのメンテナンスをフリーにすることができる。
【００８３】
図１６は本発明の実施例を示す同期機の車両への取付例を示す模式図であり、図１６（ａ）は中空軸平行カルダン式の取付例、図１６（ｂ）は平行カルダン式の取付例、図１６（ｃ）は直角カルダン式の取付例をそれぞれ示している。
【００８４】
これらの図において、８１，８６，９１は同期機、８２，８７，９２は電気ブレーキ回路、８３，８８，９４は歯車装置、８４，８９，９５は車軸、８５，９０，９６は車輪、９３は駆動軸である。
【００８５】
このように、同期機８１，８６，９１には上記した電気ブレーキ回路８２，８７，９２を接続して、ブレーキを作用させるべき軸としての車軸８４，８９，９５に同期機８１，８６，９１を連結されるようにしたので、ブレーキ装置を簡素化するとともに、メンテナンスを容易にすることができる。
【００８６】
図１７は本発明の実施例を示す自動車両への適用例を示す模式図である。
【００８７】
この図において、１０１は同期機、１０２はインバータ、１０３は充電器、１０４は直流電源、１１０は本発明の電気ブレーキ回路であり、リアクトル１１１、抵抗器１１２、開閉器１１３からなる。また、１２１は同期機１０１が連結される軸（駆動軸）、１２２は車軸、１２３は車輪（タイヤ）である。
【００８８】
このように、自動車両の駆動・充電・電気ブレーキシステムのバックアップ用として、本発明の同期機を用いた電気ブレーキ装置を用いることができる。
【００８９】
このようなバックアップ用電気ブレーキ装置を搭載することにより、近い将来には、バックアップ用の機械式ブレーキを廃止することもでき、構造の簡素化、所要スペースの縮小化、メンテナンスを容易化、コストの低減化を図ることができる。
【００９０】
なお、上記実施例においては、鉄道用車両、自動車への適用について述べたが、これに限定するものではなく、例えば、巻き上げ装置、エレベータ、圧延機の電気ブレーキ装置として適用することができることは言うまでもない。
【００９１】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００９３】
簡単な構成で、より実用的な電気ブレーキ装置を提供することができ、その実用的効果は著大である。特に、バックアップ用の電気ブレーキ装置として適用することにより、構造の簡素化、所要スペースの縮小化、メンテナンスの容易化、コストの低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置（ＲＬ回路）の構成図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その１）である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（ＲＬ）（その２）である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置（Ｒ−ＲＬ回路）の構成図である。
【図５】  本発明の第２実施例を示す同期機を用いた電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（Ｒ−ＲＬ）である。
【図６】  本発明の第１実施例で更に抵抗を切り換え可能にした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。
【図７】  本発明の第１実施例で更に抵抗を切り換え可能にした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図である。
【図８】  本発明の第２実施例で抵抗Ｒ1 Ｒ2 とインダクタンスＬ2 を切り換え可能とした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。
【図９】  本発明の第２実施例で抵抗Ｒ1 Ｒ2 とインダクタンスＬ2 を切り換え可能とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図である。
【図１０】  本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。
【図１１】  本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（その１）である。
【図１２】  本発明の第３実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図（その２）である。
【図１３】  本発明の第４実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の構成図である。
【図１４】  本発明の第４実施例を示す同期機の発生電圧を可変とした場合の電気ブレーキ装置の発電ブレーキ特性図である。
【図１５】  本発明に好適な永久磁石型同期機の模式図である。
【図１６】  本発明の実施例を示す同期機の車両への取付け例を示す模式図である。
【図１７】  本発明の実施例を示す自動車両への適用例を示す模式図である。
【図１８】  従来の電力回生ブレーキの回路図である。
【図１９】  従来の発電抵抗ブレーキの回路図である。
【図２０】  同期発電機に抵抗を接続した回路（推測回路）図である。
【図２１】  同期発電機に抵抗を接続した回路の発電ブレーキ特性図（Ｒ）である。
【図２２】  界磁電流制御回路を加えた、同期発電機に抵抗を接続した回路（推測回路）図である。
【符号の説明】
１，１０２    インバータ
１１，２１，８１，８６，９１，１０１    同期機
１２，２３，１１２    抵抗器
１３，２５，３４，１１３    開閉器
２２，３０，４０，５０，６０，８２，８７，９２，１１０    電気ブレーキ回路
２４，３２，４１，５１，１１１    リアクトル
２６    ブレーキを作用させるべき軸
２７    ブレーキを作用させるべき装置
３１，４２，５２，６１    第１の抵抗器
３３，４３，５３，６２    第２の抵抗器
４４，５４，６７    第１の開閉器
４５，５５，６８    第２の開閉器
６３    第１のリアクトル
６４    第２のリアクトル
６５    第３の抵抗器
６６    第４の抵抗器
６９    第３の開閉器
７１    回転子（永久磁石）
７２，７３，７４    界磁コイル
８３，８８，９４    歯車装置
８４，８９，９５，１２２    車軸
８５，９０，９６，１２３    車輪
９３，１２１    駆動軸
１０３    充電器
１０４    直流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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