2日目


土曜日〔10月13日、2007年)の午後1時より講座があり、中国、上海から来られ横浜国立大学を出られた若い女性の先生でした。最近の自動車メーカーの独自製品の動向などについてAVMやスーパーモーター、各種のハイブリッド車などの紹介の後、直流電動機の原理、特徴、用途などにつき講議をしていただいた。その後3時から5時まで他の先生の講義でスイッチング回路を用いた電圧や周波数の制御を回路図を用いて説明していただきました。このページの作成者金子、使用ソフト弊社商品のインスピレーションです。

  1. 電気自動車およびモータ技術
    1. スーパーモーター
      これは日産が開発した技術でモータの内部の回転軸上に内側と外側にそれぞれ回転子を配置して、電磁石にそれぞれ異なる電流を流して2軸の動力を生み出す新しいモータである。と同時に内燃機関を連結して発電機として用いることも可能である。
    2. 電気自動車(EV)
      内燃機関を持たないで、バッテリーとモータによる走行をする自動車である。この種の車に要求されるモータは一定の出力を広い走行範囲に求められる。一方ハイブリッド車はシステムの設計によって出力にEVに必要な特性を求められない。
    3. ハイブリッド(HEV)
      ハイブリッドには2つの異なるタイプがある。それは大きくわけて直列方式と並列方式である。直列式はエンジンで発電機をまわして、その電気でモータをまわして走るタイプの自動車で、並列式はモータあるいはエンジンの出力特性のもっとも効率的な回転域を走行環境により切り替えて走る自動車である。トヨタのプリウスは並列式である。
  2. 直流電動機
    直流電動機はフレミングの左手の法則にあるように電流の方向と電磁力の方向、および磁界の向きが順に左手の中指、人さし指、および親指の指し示す方向に電流の向きに対して力が発生する。磁界はN極からS極に向かうので、その中を右から左に電流が流れると電流の流れている線は手前の方向に力を受ける。この力がモーターの軸(電機子)をまわすのだが原理の説明は長くなるので、記載しない。
    1. 他励式と自励式
      それぞれの方式につき説明があり計算式が示され例題などで、電流値と回転速度などに関して説明を受けたが、自励式直巻直流電動機が低速域で高いトルクを発生するのでこの方式についてのみ学んだ計算式を紹介する。(しかしながら、これが電機自動車に最適というわけでもないようだ。同じ講座の後半で交流モータの特性について学び、直流を交流に変換して3相モータをまわす利便性についても学んだ。)
    2. この講座で解決可能な問題
      最後に問題を提起して、その回答が提供されたので、実際の設計にもそのまま応用できると思う。


  3. 直流電源の電圧の制御
    直流モータの回転や出力を制御するために電圧を変化させておこなう方法がある。当日は講座が前後に別れており、後期は3時から5時まで、前期の教授に替わって男性の教授のお話であった。先生のお話の順番は、DC-DC変換機および変換を半導体でおこなう原理、半導体内での電荷の移動方向、降圧/昇圧チョッパ回路の説明、インバータの原理、方形波形を正弦波に近付ける方法、3相交流電圧の作成などであった。実に興味深いことを4時間に渡って講議をしていただいたが、時間があっという間に過ぎる程充実した講座であった。
    1. DCーDC変換
      これ以外の変換(AC-DC, DC-AC, AC-ACなど)もあるが講議ではDCーDC変換のみ取り上げられた。この変換の目的は電力を無駄なく変換、制御する技術をパワーエレクトロニクスと呼ぶということから学んだ。この言葉は発電所のみでつかわれると今まで思っていたので、初っぱなから認識を改めさせられた。いずれにせよ、この変換と制御は半導体が実現する。
    2. 電圧の制御の原理
      直流電源をから出た電気がスイッチはいり、これ以後電池に対して並列にダイオードと負荷が設置されダイオードと負荷の間にはコイルがある回路において、スイッチを一定の周期でしかも一定の長さのONとOffを実行すると方形の波形を持った電圧となる。ここで一定の周期(ONとOFFの時間)のうちOFFがまったく無い状態は投入した電圧の高さであり、それ以上になることはない。そこで1周期の内のOFFの時間を仮に50%加えてやると、最大電圧は同じでも、多くの周期〔ちなみに周波数は周期の逆数である)の電圧の平均は50%になる。たとえば10ボルトの電圧の回路でOFFの時間を30%にすれば7ボルトに変換することが出来る。つまりスイッチ回路を用いて降圧の制御が出来る。このスイッチング機能をトランジスタに置き換えると出来上がりである。このような回路をチョッパー回路という。以上は降圧チョッパの説明でもある。また昇圧チョッパという回路もある。不思議なことに元の電圧よりも高い電圧を得ることが出来る。これは数式を見れば一目瞭然だが、小生の使用しているインスピレーションは数式を記載するには適していないので、割愛する。
      1. チョッパとは
        チョッパとは直流電源を切り刻むということからきている。
      2. 半導体とは
        半導体とは文字のとおり、電気を半分しか通さない物質である。代表的なものがシリコンやゲルマニュームである。上記のダイオードが半導体で電流は1方向しか流すことが出来ないものである。
      3. トランジスタとは
        スイッチングに利用するトランジスタは3個の端子があり、ベースの端子に電流を流すとコレクターという端子からエミッターという端子に向かって電流が流れる。このとき流れる得る最大電流はコレクター電流をベース電流で割った値でhFE(hは小文字FEは大文字だが下つき文字)であらわされる。どの程度の電流値が必要かによりトランジスタを使い分ける必要がある。どうしてこのようなことが起こるのかの説明もしていただいたが、簡単に言えば部材の荷電子の数が少なく不安安定な状態になるよう不純物をいれと、荷電子のないいわゆる穴(hole)が出来る、一方荷電子があまる不安定な物質を接合すると、安定を得るために安定を得るために荷電子を共有する。この時電子がホールに向かって流れると、その反対方向に電流がながれるということであった。

        電流が流れるようにする電流がベースに供給される電流で決定されるので、この電流をON/OFFすることでスイッチの働きをさせることが出来るのである。構造はNPNのサンドイッチ構造ベースはPとなる。

        講義の中でキルヒホッフの第2法則という言葉が使われたが、それは回路の中にある負荷にかかる電圧は云々かんぬんということで、図を描いて説明しないと先に進まないのと理解が出来ていないので、先に進むこととする。
    3. モータの制御
      モータの回転を制御するには電流の流れる方向を反対にすればよいのだが、これを実現するにもトランジスタが使われる。向きが反対のトランジスタを並列に組み込んで任意のベースに電流を流すことにより、流されたベースのトランジスタに一定方向への電流が流れる。他のトランジスタのベース電流をONにするとその反対の方向に電流が流れる。このシステムを双方向チョッパーとよぶ。
    4. 交流インバータとは
      直流から交流を作るものである。その逆はどうもコンバーターのようだ。
      1. IH加熱
        原理はコイル状の線に交流電流を流すと磁束が発生し、その磁束により誘導過熱が起こる現象を利用したので、IH炊飯器はこの原理を利用したものである。右ネジの法則ということなので、右回りに電流が流れるとネジの進行方向と同じ方向に磁束が発生し、発生した磁束により金属内に電流が発生するので、その電流により金属内の電気抵抗が熱を発生する。おそらく交流なので電圧がプラスとマイナスの間で変化する結果の電流の発生なのだと思うが、講義では聞き逃してしまった。
    5. 三相電圧
      テキストが配布されたので、ノートを取らなかった、その結果頭に残るものがすくなく、具体的なことが書けない。
    6. リンク
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