JP2021017861A - ハイブリッドサーボモータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の油圧サーボモータを用いなくてもガイドリングを急速に駆動することが可能なハイブリッドサーボモータシステムを提供する。【解決手段】一実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムは、水車のガイドベーンに連結されたガイドリングを駆動する油圧サーボモータと、油圧サーボモータを駆動する双方向ポンプと、双方向ポンプを駆動する電動機と、電動機の動作を制御するサーボアンプと、油圧サーボモータを介してガイドリングに連結され、油圧サーボモータの油圧よりも高圧の高圧水でガイドリングを駆動する水圧サーボモータと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ハイブリッドサーボモータシステムに関する。

水車に流れ込む水の流量を調整し、水車の回転数や周波数の調整を行うガイドベーンの駆動システムには、メンテナンスが容易で使用油量の少ないハイブリッドサーボが注目されている。

従来のハイブリッドサーボモータでは、１つのポンプで油を油圧サーボモータへ送り、この油圧サーボモータがガイドベーンに連結されたガイドリングを駆動している。このガイドリングを急速に駆動するためには大容量の油圧サーボモータが必要になる。しかし、ポンプの容量には制限があるため、大容量の油圧サーボモータを駆動するのは困難である。

特開２０１９−６５７６２号公報 特開平９−３１０６７号公報

本発明が解決しようとする課題は、大容量の油圧サーボモータを用いなくてもガイドリングを急速に駆動することが可能なハイブリッドサーボモータシステムを提供することである。

一実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムは、水車のガイドベーンに連結されたガイドリングを駆動する油圧サーボモータと、油圧サーボモータを駆動する双方向ポンプと、双方向ポンプを駆動する電動機と、電動機の動作を制御するサーボアンプと、油圧サーボモータを介してガイドリングに連結され、油圧サーボモータの油圧よりも高圧の高圧水でガイドリングを駆動する水圧サーボモータと、を備える。

本実施形態によれば、大容量の油圧サーボモータを用いなくてもガイドリングを急速に駆動することが可能となる。

第１実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムの系統図である。 第２実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムの系統図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムの系統図である。図１に示すハイブリッドサーボモータシステム１は、油圧サーボモータ１０と、双方向ポンプ２０と、電動機３０と、サーボアンプ４０と、油圧回路５０と、水圧サーボモータ６０と、集油槽７０と、電磁弁８０ａ〜８０ｅと、を備える。

油圧サーボモータ１０は、ピストン１１およびシリンダ１２を有する。ピストン１１は、ガイドリング１００に連結されている。ガイドリング１００には、水車のガイドベーン（不図示）が連結されている。ガイドベーンは、ガイドリング１００の回転動作によって開閉する。

シリンダ１２は、ピストン１１によって２つの領域１２ａ、１２ｂに仕切られている。油が領域１２ａに流入すると、図１に示すように、ピストン１１は、油圧によって領域１２ｂ側へ直線移動する。その結果、ガイドリング１００に連結されたガイドベーンは閉鎖する。

領域１２ｂ側には、２つの開口部１３ａ、１３ｂが形成されている。そのため、油圧サーボモータ１０がガイドリング１００を閉方向に駆動するとき、領域１２ｂに溜まった油は、最初に開口部１３ａから排出される。その後、ピストン１１が開口部１３ａまで到達すると、残りの油は、開口部１３ｂから排出される。開口部１３ａの口径は、開口部１３ｂよりも広いため、ピストン１１の移動速度（ストローク）は、終盤に緩和される。

一方、油が領域１２ｂに流入すると、ピストン１１は、領域１２ａ側へ直線移動する。これにより、上記ガイドベーンは開放する。このように、ピストン１１が油圧で往復直線運動することによって、ガイドリング１００に連結されたガイドベーンの開度を制御することができる。

双方向ポンプ２０は、油圧サーボモータ１０を駆動する。電動機３０は双方向ポンプ２０を駆動する。サーボアンプ４０は、制御信号によって電動機３０の回転動作を制御する。サーボアンプ４０が電動機３０の回転方向を切り替えると、双方向ポンプ２０の回転方向も切り替わる。これにより、油圧サーボモータ１０における給油と排油の向き、換言すると双方向ポンプ２０と油圧サーボモータ１０との間で油の流れ方向が切り替わる。油の流れ方向を切り替えることによって、油圧サーボモータ１０のピストン１１を水平方向に往復直線運動させることができる。

油圧回路５０は、双方向ポンプ２０と油圧サーボモータ１０との間に設けられ、リリーフ弁５１ａ、５１ｂと、チェック弁５２ａ、５２ｂと、チェック弁５３ａ、５３ｂと、を有する。以下、各弁について説明する。

まず、リリーフ弁５１ａ、５１ｂについて説明する。リリーフ弁５１ａ、５１ｂは、水車運転中に油圧サーボモータ１０で異常な油圧上昇が発生した場合、系統を保護する役割を果たす。例えば油圧サーボモータ１０が、ガイドベーンを全開させる方向にガイドリング１００を駆動すると、油圧が予め設定された値を超える場合がある。この場合、リリーフ弁５１ａが開状態となる。その結果、油はリリーフ弁５１ａを通じて集油槽７０に誘導される。

また、油圧サーボモータ１０が、ガイドベーンを全閉させる方向にガイドリング１００を駆動したときにも油圧が上記値を超える場合がある。この場合には、リリーフ弁５１ｂが開状態となり、油はリリーフ弁５１ｂを通じて集油槽７０に誘導される。このように、リリーフ弁５１ａ、５１ｂは、油圧回路５０内が高圧状態になったときに安全装置として機能する。

次に、チェック弁５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂについて説明する。油圧サーボモータ１０では、ピストン１１がシリンダ１２の中間に位置した状態のときに、製造誤差によって、シリンダ１２の領域１２ａと領域１２ｂとの間で容量差が生じる場合がある。

例えば領域１２ａの容量が領域１２ｂの容量よりも大きい場合、油圧サーボモータ１０がガイドリング１００を閉方向に駆動するときに、双方向ポンプ２０が領域１２ｂから全ての油を排出して領域１２ａに供給してもピストン１１を駆動する油圧が不足する。そこで、チェック弁５３ａが開状態となることによって、領域１２ａには、集油槽７０に貯蔵された油がチェック弁５３ａを通じて補充される。これにより、ピストン１１の駆動に必要な油圧を確保することができる。

反対に、領域１２ａの容量が領域１２ｂの容量よりも小さい場合、油圧サーボモータ１０がガイドリング１００を閉方向に駆動するときに、双方向ポンプ２０は領域１２ｂから排出した油の全を領域１２ａに供給できない。双方向ポンプ２０が駆動し続けると、領域１２ａ側の圧力が上昇してチェック弁５２ａが開状態となる。これにより、余剰の油がチェック弁５２ａを通じて集油槽７０に送られる。

なお、チェック弁５２ｂは、領域１２ａの容量が領域１２ｂの容量よりも大きい場合に、余剰の油を集油槽７０に送るために用いられる。また、チェック弁５３ｂは、領域１２ａの容量が領域１２ｂの容量よりも小さい場合に集油槽７０から油を補充するために用いられる。

水圧サーボモータ６０は、ピストン６１およびシリンダ６２を有する。ピストン６１は、油圧サーボモータ１０のピストン１１と同軸に連結されている。シリンダ６２は、ピストン１１によって２つの領域６２ａ、６２ｂに仕切られている。２つの領域６２ａ、６２ｂでは、ピストン６１の往復直線運動に連動して給水および排水が電磁弁８０ｄを介して繰り返される。また、油圧サーボモータ１０の油圧よりも高圧の高圧水が電磁弁８０ｃを介して領域６２ａに流入する場合には、領域６２ｂに溜まった水は、電磁弁８０ｅを通じて排出される。この高圧水には、例えば、水車を回転させるために所定の高低差によって加圧された鉄管水の分水を用いることができる。

電磁弁８０ａおよび電磁弁８０ｂは、油圧回路５０と、油圧サーボモータ１０との間に設置されている。電磁弁８０ａおよび電磁弁８０ｂが励磁状態のときに、給油と排油が油圧回路５０を介して双方向ポンプ２０と油圧サーボモータ１０との間で繰り返される。一方、電磁弁８０ａおよび電磁弁８０ｂが消磁状態のときには、油圧サーボモータ１０に供給または排出される油が集油槽７０へ送られるように油の経路が切り替わる。すなわち、電磁弁８０ａおよび電磁弁８０ｂは、油の経路を油圧回路５０から集油槽７０に切り替える排油弁として機能する。

電磁弁８０ｃは、上記高圧水を水圧サーボモータ６０に給水する給水路に設置されている。本実施形態では、電磁弁８０ｃが消磁状態のときに高圧水が水圧サーボモータ６０に給水される。すなわち、電磁弁８０ｃは、高圧水を水圧サーボモータ６０に給水するか否かを切り替える給水弁として機能する。

電磁弁８０ｃが励磁状態のときに電磁弁８０ｄおよび電磁弁８０ｅも励磁状態となる。電磁弁８０ｄが励磁状態になると、領域６２ａおよび領域６２ｂが電磁弁８０ｄを介して連通するので、ピストン６１の往復直線運動に連動して給水および排水が繰り返される。また、電磁弁８０ｃが消磁状態のときには電磁弁８０ｄもおよび電磁弁８０ｅも消磁状態となる。この場合、高圧水が領域６２ａに供給される一方で、領域６２ｂに溜まった水が電磁弁８０ｅを通じて排水される。

上記のように構成されたハイブリッドサーボモータシステム１では、平常時には、油圧サーボモータ１０がガイドリング１００を駆動することによって、ガイドリング１００に連結されたガイドベーンの開度が制御される。このとき、水圧サーボモータ６０では、ピストン６１が、油圧サーボモータ１０のピストン１１に連動して動作し、シリンダ６２の水が電磁弁８０ｄを通じて給水または排水される。

一方、ハイブリッドサーボモータシステム１または水車で何かしらの異常が発生すると、ガイドベーンを急閉鎖するために、ガイドリング１００を最大速度で閉方向に駆動する必要がある。そこで、本実施形態では、異常が発生すると、電磁弁８０ａ〜８０ｅが消磁状態になる。すると、高圧水が水圧サーボモータ６０に給水されるので、ガイドリング１００は水圧サーボモータ６０によって急速に閉方向に駆動される。このとき、油圧サーボモータ１０の駆動経路を流れる油は、電磁弁８０ａ、８０ｂを通じて集油槽７０に送られる。

以上説明した本実施形態によれば、水圧サーボモータ６０が、油圧サーボモータ１０を介してガイドリング１００に接続されている。水圧サーボモータ６０は、油圧サーボモータ１０の油圧よりも大きな水圧でガイドリング１００を駆動する。よって、大容量の油圧サーボモータを用いなくてもガイドリングを急速に駆動することが可能となる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステムの系統図である。ここでは、上述した第１実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステム２は、図２に示すように、第１実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステム１の構成要素に加えて、第１絞り弁９１および第２絞り弁９２をさらに備える。第１絞り弁９１は、電磁弁８０ａと集油槽７０との間に設置されている。一方、第２絞り弁９２は、電磁弁８０ａと油圧サーボモータ１０との間に設置されている。

本実施形態に係るハイブリッドサーボモータシステム２では、異常が発生すると、第１実施形態と同様に、水圧サーボモータ６０が油圧サーボモータ１０を介してガイドリング１００を駆動する。具体的には、水圧サーボモータ６０のピストン６１が閉方向に移動する。このとき、油圧サーボモータ１０では、ピストン６１に連結されたピストン１１も閉方向に移動するので、油がシリンダ１２の開口部１３ａから排出される。

排出された油は、第１絞り弁９１を通じて集油槽７０に送られる。そのため、第１絞り弁９１の開度を調整することによって、集油槽７０へ流入する油量を調整することができる。この油量は、ピストン１１に連結されたピストン６１の移動速度に影響する。ピストン６１の移動速度は、ガイドリング１００の閉鎖速度に対応する。よって、第１絞り弁９１の開度を調整することによって、ガイドリング１００の閉鎖速度を調整することができる。

また、ピストン１１が開口部１３ａに到達すると、油はシリンダ１２の開口部１３ｂから排出される。排出された油は、第２絞り弁９２を通じて集油槽７０に送られる。そのため、第２絞り弁９２の開度を調整することによって、油圧サーボモータ１０の領域１２ｂから排出される油量を調整することができる。この油量は、ピストン６１の移動速度、すなわちガイドリング１００の閉鎖速度に影響する。よって、第２絞り弁９２の開度を調整することによって、ガイドリング１００の閉鎖速度を調整することができる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、水圧サーボモータ６０が、油圧サーボモータ１０の油圧よりも大きな水圧でガイドリング１００を駆動するので、大容量の油圧サーボモータを用いなくてもガイドリングを急速に駆動することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、油圧サーボモータ１０から集油槽７０までの排油経路に第１絞り弁９１および第２絞り弁９２が設置されている。これにより、ガイドリングの閉鎖速度を調整することも可能となる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。罫線

１，２：ハイブリッドサーボモータシステム、１０：油圧サーボモータ、２０：双方向ポンプ、３０：電動機、４０：サーボアンプ、５０：油圧回路、６０：水圧サーボモータ、７０：集油槽、８０ａ〜８０ｅ：電磁弁、９１：第１絞り弁、９２：第２絞り弁

Claims (9)

1. 水車のガイドベーンに連結されたガイドリングを駆動する油圧サーボモータと、
   前記油圧サーボモータを駆動する双方向ポンプと、
   前記双方向ポンプを駆動する電動機と、
   前記電動機の動作を制御するサーボアンプと、
   前記油圧サーボモータを介して前記ガイドリングに連結され、前記油圧サーボモータの油圧よりも高圧の高圧水で前記ガイドリングを駆動する水圧サーボモータと、
   を備えるハイブリッドサーボモータシステム。
2. 前記高圧水を前記水圧サーボモータに給水するか否かを切り替える給水弁をさらに備え、
   前記高圧水が給水されると、前記水圧サーボモータは前記ガイドベーンを閉鎖する閉方向に前記ガイドリングを駆動する、請求項１に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
3. 前記双方向ポンプと前記油圧サーボモータとを接続する油圧回路と、
   前記油圧サーボモータから排出された前記油を貯蔵する集油槽と、
   前記水圧サーボモータが前記ガイドリングを前記閉方向に駆動するときに、前記油の経路を前記油圧回路から前記集油槽に切り替える排油弁と、
   をさらに備える、請求項２に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
4. 前記集油槽と前記排油弁との間に設置され、前記集油槽へ流入する油量を調整する第１絞り弁をさらに備える、請求項３に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
5. 前記油圧サーボモータと前記排油弁との間に設置され、前記油圧サーボモータから排出される油量を調整する第２絞り弁をさらに備える、請求項４に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
6. 前記油圧回路は、前記水圧サーボモータが前記ガイドリングを前記閉方向に駆動するときに、前記集油槽から前記油圧サーボモータに油を補充する経路に切り替えるかまたは前記油圧サーボモータから排出された油を前記集油槽に送る経路に切り替えるチェック弁を有する、請求項３から５のいずれか１項に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
7. 前記油圧回路内で油圧が予め設定された値を超えると、前記油を前記集油槽に誘導するリリーフ弁を有する、請求項３から６のいずれか１項に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
8. 前記水圧サーボモータで給水および排水を繰り返すか否かを切り替える弁と、
   前記水圧サーボモータから前記水を排出するか否かを切り替える排水弁と、
   をさらに備える、請求項１から７のいずれか１項に記載のハイブリッドサーボモータシステム。
9. 前記高圧水が、前記水車を回転させるための鉄管水の分水である、請求項１から８のいずれか１項に記載のハイブリッドサーボモータシステム。

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