JP3434602B2 - 変速装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原動機の回転エネルギ
ーを、独立した回転軸を持つ負荷に伝達する変速継手に
係り、特に、異なる回転数で回転エネルギーを伝達可能
とした変速装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械的な回転力を別の機械的な回転力に
変換して伝達するものとして継手があり、このとき、回
転数の変化を伴う継手を変速装置、或いは変速継手など
と呼称している。

【０００３】最も単純な変速装置はギアであり、変速比
はギアの歯数比で規定され固定される。また、変速比が
可変のものとして、流体継手が用いられており、ゼロ速
度から規定速度まで任意の速度に変換することができ、
４〜５ＭＷクラスの大容量の継手が製作可能であるため
種々の産業に利用されている。

【０００４】これらに対し、電磁エネルギーを介して動
力を伝達する電気式の継手として、渦電流継手や磁気継
手などの変速装置が用いられている。これら電気式の変
速装置は、機械式や流体式と比較して機構が簡単で保守
点検が容易であり、取り扱いが簡単であること、機械的
な結合がないため振動に対し絶縁効果があること、更
に、回転軸の多少のずれ、たわみに対して自由度があり
弾性継手としても作用することなどが特徴としてあげら
れ、種々の用途に利用されている。

【０００５】電気式の変速装置の代表的な例として、渦
電流継手の概要を図５に示す。図５において、原動機１
の回転軸が渦電流継手３の一方の回転軸に結合され、渦
電流継手３の他方の回転軸は負荷２の回転軸に結合され
ている。渦電流継手３は、一方の回転軸に、スリップリ
ングを介して供給される直流電流により磁界を発生する
電磁コイルを有する第１回転子を備え、他方の回転軸
に、上記磁界に結合し相対回転速度差によって生じる渦
電流によってトルクを発生する第２回転子を備えてい
る。そして、直流電流を制御し磁界の強さを制御するこ
とでトルクを可変制御し、原動機１の回転数とは異なる
回転数で負荷２を駆動する。

【０００６】この原理はアラゴの円盤で知られる基本原
理を利用したものであり、ＥＣブレーキや誘導電動機の
原理としても良く知られている。また、この方式は減速
方向の変速であり、増速ができない特性を有している。
また原動機１と負荷２の回転速度差は誘導電動機で言う
すべりに相当し、誘導電動機のトルク特性が示すよう
に、すべりが大きくなるにしたがい伝達トルクは小さく
なる。また、このような電磁結合は双方の回転子のトル
クは同じであり、トルクコンバータとしての機能は持っ
ていない。このことは低速で大きなトルクを必要とする
用途には適さないことを意味している。また、双方のト
ルクは同じであるために回転速度差がエネルギー差にな
り、回転速度差が大きい低速での運転では大きなエネル
ギーが渦電流損として消費される短所を有し、可変速範
囲が狭く、小容量の範囲で利用されている。

【０００７】上記短所をなくし、可変速範囲が広く、大
容量の可変速継手として用いられる可変速駆動システム
を図６に示す。同図において、原動機１は発電機４を駆
動し、発電機４は機械的エネルギーを電気的エネルギー
に変換する。電力変換装置６は発電機４から出力される
電力で電動機５を可変速駆動し、電動機５が負荷を駆動
する。この方式は、継手として、電力ケーブルを用いた
理想的な変速装置でありゼロ速度から逆転、さらに増速
まで可能であり、トルクコンバータとしての機能を持っ
ている。トルクコンバータ機能は双方の回転軸でエネル
ギーを等しくするようにトルク変換する機能であり、こ
れにより低速でも中間でエネルギー消費のない効率の良
いエネルギー伝達が可能となる。この方式は、事業用ガ
スタービンのスタータや水車発電機のスタータ、船舶の
電気推進用などに用いられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した流体継手のよ
うな機械式の継手装置では、取り扱いが複雑で保守点検
に大きな労力が必要である。また、渦電流継手では可変
速範囲が狭く大容量で実現するのが難しく、可変速駆動
システムを用いた変速システムは機能性能は充分だが、
発電機４、電力変換装置６、電動機５の３つの機器があ
るためシステムとしては非常に大きくなり、経済性が問
題となり、数千ＫＷクラス以上での実現は難しいのが現
状である。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、機械式継手を上回る大
容量で、電気式の簡便さを有し、且つ可変速駆動システ
ム相当の機能性能を持った経済的な変速装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明として、
一方の回転軸に結合され界磁極を有する第１回転子と、
他方の回転軸に結合され回転磁界を発生させる電機子巻
線を有する第２回転子と、他方の回転軸に結合され固定
子巻線と回転子巻線を有する回転トランスと、交流電力
を前記固定子巻線に供給する電力変換装置とを備えた変
速装置において、前記電力変換装置は、前記第１回転子
と前記第２回転子との回転速度差に応じた周波数の交流
電力を出力し、前記第１回転子の回転速度と前記電機子
巻線より発生する回転磁界の回転速度との相対速度がゼ
ロとなるように制御して、一方の回転軸の回転数を他方
の回転軸に伝達する。

【００１４】請求項２の発明として、更に、前記電力変
換装置は、前記第１回転子と前記第２回転子との回転位
置誤差に応じた位相の交流電力を出力し、前記第１回転
子の回転位置と前記電機子巻線により発生する回転磁界
の回転位置との相対角度差が最大トルクを発生する角度
以下になるように制御する。 請求項３の発明として、更
に、前記電力変換装置は、所定の出力電流に制限する手
段を備え、相互の回転軸間で伝達する最大トルクを任意
に設定可能とする。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【作用】 請求項１の発明は、前記電力変換装置から、前
記第１回転子と前記第２回転子との回転速度差に応じた
周波数の交流電力を出力されると、前記第１回転子の回
転速度と前記電機子巻線より発生する回転磁界の回転速
度との相対速度がゼロとなり、一方の回転軸のトルクが
他方の回転軸に伝達され、他方の回転軸の回転数は一方
の回転軸の回転数と異なる速度で回転する。

【００１９】請求項２の発明は、前記電力変換装置か
ら、前記第１回転子と前記第２回転子との回転位置誤差
に応じた位相の交流電力を出力されると、前記第１回転
子の回転位置と前記電機子巻線により発生する回転磁界
の回転位置との相対角度差が最大トルクを発生する角度
以下になるように制御され、脱調することなく他方の回
転軸の回転数は一方の回転軸の回転数と異なる速度で回
転する。

【００２０】請求項３の発明は、前記電力変換装置か
ら、所定の値に制限された出力電流が供給されると、相
互の回転軸間で伝達する最大トルクが所定値に設定さ
れ、他方の回転軸に伝達されるトルクを所定値に制限す
ることが可能となる。

【００２１】本発明の第１の実施例を図１に示す。図１
において、１はディーゼルエンジン或いは商用電源で駆
動される電動機等の一定速度で回転する駆動側の原動
機、２はファン或いはポンプ等の回転エネルギーを動力
源とする負荷、１４は可変電圧可変周波数の交流電力を
出力する電力変換装置、１５は一方の回転軸が原動機１
に結合され、他方の回転軸が負荷２に結合され、電力変
換装置１４から供給される可変電圧可変周波数の交流電
力により負荷２の回転数を可変制御する可変速継手装置
である。

【００２２】可変速継手装置１５は、一方の回転軸に結
合された永久磁石の界磁極を有する界磁回転子（第１回
転子）１０、界磁回転子１０にオーバーハングし、他方
の回転軸に結合された電機子回転子（第２回転子）１
１、他方の回転軸に結合された回転トランス１２、一方
の回転軸を支える軸受け１３A 、他方の回転軸を支える
軸受け１３B を主要部として構成される。

【００２３】電機子回転子１１は回転磁界を発生させる
電機子巻線を備えている。また、回転トランス１２は、
固定子巻線と回転子巻線を有し、電力変換装置１４から
可変電圧可変周波数の交流電力が固定子巻線に供給され
たとき、回転子巻線に発生する可変電圧可変周波数の交
流電力を電機子回転子１１の電機子巻線に供給し、ブラ
シレスで電機子回転子１１に交流電力を供給する。

【００２４】電力変換装置１４は、ＧＴＯ或いはＩＧＢ
Ｔなどの自己消弧形スイッチデバイスを用い、交流出力
の周波数と電圧を自由に可変できるとともに電力回正機
能を有している。

【００２５】なお、界磁極は、永久磁石の代わりに電磁
石を用いることもでき、この場合、スリップリングを介
して直流電流を供給することは言うまでもない。上記構
成において、原動機１を２極の交流電動機、界磁回転子
１０、電機子回転子１１、回転トランス１２とも２極と
し、負荷２をファンと仮定し、２極の交流電動機１が周
波数５０Ｈｚの交流（商用）電源により３０００ｒｐｍ
の一定速度で駆動され、ファン２がゼロ速度で停止して
いる状態から最大速度１５００ｒｐｍまで加速する場合
の例について説明する。

【００２６】この場合、ファン２が停止している状態
で、電力変換装置１４は、最初に周波数５０Ｈｚの交流
低電圧で回転トランス１２を励磁する。これにより、回
転トランス１２の回転子巻線に周波数５０Ｈｚの小さな
交流電圧が誘起し、電機子回転子１１の電機子巻線が交
流低電圧で励磁される。この交流励磁により、電機子回
転子１１の回転磁界が界磁回転子１０の回転速度と同じ
３０００ｒｐｍの一定速度で回転するが、磁界の強さが
小さいので、その間に発生するトルクは小さく、ファン
２は停止したまま、交流電動機１は無負荷の状態で運転
される。

【００２７】次に、電力変換装置１４の出力電圧を徐々
に増大させて、電機子回転子１１の電機子巻線の交流励
磁を徐々に強めると、界磁回転子１０と電機子回転子１
１の間の電磁結合が徐々に強化され、その間にトルクが
発生し、ファン２は回転を開始する。

【００２８】この場合、回転トランス１２の固定子巻線
が発生する回転磁界の回転方向を、回転子巻線の回転方
向の逆方向に励磁するようにしておくと、ファン２の回
転とともに回転トランス１２の回転子巻線が回転するの
で、回転子巻線に誘起する交流電圧の周波数は、回転ト
ランス１２の固定子巻線が発生する回転磁界の回転速度
と回転トランス１２の回転子巻線の回転速度との相対回
転速度で決定される。この関係を、回転トランス１２の
固定子巻線を励磁する交流電圧の（１次）周波数ｆ1 を
パラメータとし、回転子巻線に誘起する交流電圧の（２
次）周波数ｆ2と回転速度Ｎとの関係を図３の特性図で
示す。

【００２９】図３の特性図に示すように、回転速度Ｎ＝
０の状態において、回転トランス１２の固定子巻線を励
磁する交流電圧の周波数ｆ1 、即ち、電力変換装置１４
の出力周波数ｆ1 を５０Ｈｚにすると、回転子巻線に誘
起する交流電圧の周波数ｆ2も５０Ｈｚとなり、トルク
は発生せず、ファン２の回転速度Ｎはゼロのままとな
る。

【００３０】次に、電力変換装置１４の出力周波数ｆ1
を徐々に減少させて、電機子回転子１１の電機子巻線が
発生する回転磁界の回転速度を徐々に減少させると、界
磁回転子１０と電機子回転子１１との間に加速トルクが
発生し、ファン２は界磁回転子１０の回転方向と同方向
に徐々に回転を始め、回転磁界の回転速度が減少した分
だけファン２の回転速度が増加する。

【００３１】即ち、電機子回転子１１の回転磁界の回転
速度は、常に、界磁回転子１０の界磁極の回転速度３０
００ｒｐｍと同期するように制御されるので、電力変換
装置１４の出力周波数の低下によって、電機子回転子１
１の回転磁界の回転速度が低下した減少分だけファン２
の回転速度が増加する。

【００３２】例えば、電機子回転子１１の電機子巻線を
励磁する交流電圧の周波数ｆ2 を５０Ｈｚから４５Ｈｚ
に低下させると、電機子回転子１１の回転磁界の回転速
度は３０００ｒｐｍから２７００ｒｐｍに減少し、ファ
ン２は界磁回転子１０の回転方向と同方向に３００ｒｐ
ｍで回転する。この場合、回転トランス１２の回転子巻
線に誘起する交流電圧の周波数ｆ2 を増加させる方向に
回転するので、周波数ｆ2 を４５Ｈｚに低下させるため
に、電力変換装置１４の出力周波数ｆ1 を４０Ｈｚに減
少させる。

【００３３】このようにして、電力変換装置１４の出力
周波数ｆ1 を５０Ｈｚ〜０Ｈｚの間で可変すれば、電機
子回転子１１の電機子巻線を励磁する交流電圧の周波数
ｆ2は５０Ｈｚ〜２５Ｈｚの間で変化し、ファン２の回
転速度を０〜１５００ｒｐｍの範囲で、界磁回転子１０
の回転方向と同方向に駆動制御することができる。

【００３４】従って、ファン２を最大速度１５００ｒｐ
ｍで駆動する場合、電力変換装置１４の出力周波数ｆ1
を０Ｈｚまで減少させ直流励磁して、電機子回転子１１
の電機子巻線を周波数ｆ2 ＝２５Ｈｚの交流電圧で励磁
して運転する。

【００３５】このように構成した継手は減速比１／２の
減速継手として機能する。また、一般に、ファンやポン
プ等のトルク特性は速度の２乗に比例し、負荷特性は速
度の３乗に比例するので、本実施例の場合、原動機側の
軸トルク出力は、負荷と同じトルクで回転数が一定であ
るから速度の２乗に比例する出力特性となる。図４は、
０〜１５００ｒｐｍにおける負荷特性をａ、原動機の出
力特性をｂとして示した例である。

【００３６】同図に示した特性ｃは、負荷特性ａと原動
機の出力特性ｂとの出力差を示したもので、電力変換装
置１４が処理する電力に対応し、余分なエネルギーは電
力として電源に回生することを表している。そして回生
電力の大きさは定格速度（１５００ｒｐｍ）の６７％速
度で定格容量の１５％の大きさとなる。

【００３７】本実施例によれば、回転電機の大きさは概
略そのトルクで決定されるので、可変速継手装置１５
は、図６の可変速駆動システムにおける電動機５とほぼ
同じ大きさで、電力変換装置１４の容量は可変速継手装
置１５の定格容量の１５％で良く、更に、発電機４は不
要となる。そして、ゼロ速度から最大速度まで、渦電流
継手のようなエネルギー損失を伴うことなく、効率の良
い動力伝達が可能となる。 即ち、従来の可変速駆動シ
ステムにおける電力変換装置は、変換するエネルギー全
てを通過させているため、装置容量は負荷の最大容量ま
で必要としたが、本実施例によれば負荷の最大容量の１
５％程度で良く、また、従来の渦電流継手のように、駆
動側と負荷側の速度差によるエネルギーが全て損失とし
て消費されることがなくなり、効率の良い運転が可能と
なる。

【００３８】また、電力変換装置１４の容量は、駆動軸
側と負荷軸側の出力差の電力を処理すれば良い。即ち、
駆動側の出力をＰ1 、回転速度をｎ1 、負荷側の出力を
Ｐ2、回転速度をｎ2 、伝達トルクをτ、とすると、伝
達トルクをτは駆動側と負荷側が同じになるので、Ｐ1
＝τ・ｎ1 、Ｐ2 ＝τ・ｎ2 となる。

【００３９】従って、電力変換装置は１４は、出力差Δ
Ｐ＝Ｐ1 −Ｐ2 のエネルギーを処理するが、伝達トルク
をτが負荷側の回転速度ｎ2 の２乗に比例し、定格速度
で駆動側と負荷側の出力が一致するように設定するの
で、速度比ｎ2 ／ｎ1 ＝２／３でΔＰが最大となり、Δ
Ｐmax ＝０．１５・τmax ・ｎ2 max となる。即ち、定
格速度の６７％で最大出力差となりその量は定格容量の
１５％となる。

【００４０】本発明の第２の実施例を図２に示す。図２
において、１６Ａ と１６Ｂ は原動機１と負荷２の回
転速度（位置）ω１とω２とをそれぞれ検出する速度
（位置）検出器、１７は電力変換装置１４の出力電圧の
最大値を制限するための最大値を設定する設定器、１８
は係数器、１９は減算器である。

【００４１】減算器１９は、速度（位置）検出器１６A
を介して検出された原動機１の回転速度ω1 から、速度
（位置）検出器１６B を介して検出された負荷２の回転
速度ω2 を係数器１８によって２倍にした値を減じ、そ
の差分値ωa を周波数基準として出力する。電力変換装
置１４は、周波数基準ωa に対応した周波数の交流電力
を可変速継手装置１５へ供給する。この場合、回転トラ
ンス１２の固定子巻線が発生する回転磁界の回転方向
が、回転子巻線の回転方向の逆方向になるように交流電
力を供給する。

【００４２】上記構成において、運転を開始すると、最
初に負荷２が停止しているので、電力変換装置１４から
原動機１の回転速度ω1 と同じ周波数の交流電力が可変
速継手装置１５へ供給される。この場合、電力変換装置
１４は、界磁回転子１０と電機子回転子１１との回転位
置誤差に応じた位相の交流電力を出力し、界磁回転子１
０の回転位置と電機子回転子１１により発生する回転磁
界の回転位置との相対角度差が最大トルクを発生する角
度以下になるように制御し、原動機１側から負荷２側へ
トルクが伝達され、負荷２は回転を始める。

【００４３】負荷２が回転を始めると、電力変換装置１
４は、原動機１の回転速度ω1 から負荷２の回転速度ω
2 を２倍にした値を減じた値の周波数ωa の交流電力を
出力するとともに、界磁回転子１０の回転速度と電機子
回転子１１により発生する回転磁界の回転速度との相対
速度がゼロとなるように制御して、原動機の回転数を負
荷に伝達する。

【００４４】これにより、負荷２の回転速度ω2 が上昇
し、電力変換装置１４の出力周波数ωa が減少する。そ
して、負荷２の回転速度ω2 が原動機１の回転速度ω1
の１／２に達すると、周波数基準ωa がゼロになり、電
力変換装置１４は、相回転を逆転させることなく直流電
力を出力し、回転トランス１２の固定子巻線は直流励磁
され、回転トランス１２の回転子巻線から負荷２の回転
速度ω2 に等しい周波数の交流電力が電機子回転子１１
に供給される。これにより、電機子回転子１１により発
生する回転磁界の回転速度は負荷２の回転速度ω2 と等
しくなり、界磁回転子１０の回転速度と電機子回転子１
１により発生する回転磁界の回転速度との相対速度がゼ
ロとなるように制御される。

【００４５】これらの制御は、電力変換装置１４の内部
に備えたＰＩコントローラでなる速度（回転位置）制御
系により、ω1 を速度（回転位置）基準、ω2 を速度
（回転位置）フィードバックとして制御される。

【００４６】このようにして、界磁回転子１０の回転速
度と電機子回転子１１により発生する回転磁界の回転速
度を完全に同期させることができ、負荷２の回転速度ω
2 を原動機１の回転速度ω1 の１／２に自制的に制御す
ることができる。

【００４７】また、伝達トルクの最大値は、設定器１７
の設定値で電力変換装置１４の最大出力電圧を制限する
ことにより定めることができる。なお、以上の説明で
は、速度検出信号を用いる例で示したが、同期電動機の
ベクトル制御と同様に回転子の角度を自制制御するの
で、シンクロレゾルバのような位置検出信号を用いる構
成とすることができる。

【００４８】更に、図１では説明し易いように、可変速
継手装置１５は一般の同期電動機の構造で説明したが、
界磁回転子１０と電機子回転子１１を２枚の回転円盤を
向かい合わせた構造の同期電動機を用いても同様に実施
することができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、流体継手などの機械式
継手を上回る大容量で、電気式の簡便さを有し、且つ、
可変速駆動システム相当の機能性能を有し、しかも小形
化した経済的な変速装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図。

【図２】本発明の第２の実施例の構成図。

【図３】図１及び図２の可変速継手装置１５で用いる回
転トランス１２の作用を説明するための特性図。

【図４】上記実施例の、原動機１と負荷２の出力と、電
力変換装置１４が処理する電力の特性図。

【図５】従来の渦電流継手の構成図。

【図６】従来の可変速駆動システムによる可変速継手の
構成図。

【符号の説明】

１・・原動機 ２・・負荷 １０・・界磁回転子（第１回転子） １１・・電機
子回転子（第２回転子） １２・・回転トランス １３・・軸受
け １４・・電力変換装置 １５・・可変
速継手装置 １６・・速度検出器 １７・・電圧
設定器 １８・・係数器 １９・・減算
器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の回転軸に結合され界磁極を有する第
   １回転子と、他方の回転軸に結合され回転磁界を発生さ
   せる電機子巻線を有する第２回転子と、他方の回転軸に
   結合され固定子巻線と回転子巻線を有する回転トランス
   と、交流電力を前記固定子巻線に供給する電力変換装置
   とを備えた変速装置において、 前記電力変換装置は、前記第１回転子と前記第２回転子
   との回転速度差に応じた周波数の交流電力を出力し、前
   記第１回転子の回転速度と前記電機子巻線より発生する
   回転磁界の回転速度との相対速度がゼロとなるように制
   御して、一方の回転軸の回転数を他方の回転軸に伝達す
   ることを特徴とする変速装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の変速装置において、前記
   電力変換装置は、前記第１回転子と前記第２回転子との
   回転位置誤差に応じた位相の交流電力を出力し、前記第
   １回転子の回転位置と前記電機子巻線により発生する回
   転磁界の回転位置との相対角度差が最大トルクを発生す
   る角度以下になるように制御することを特徴とする変速
   装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の変速装置において、前記
   電力変換装置は、所定の出力電流に制限する手段を備
   え、相互の回転軸間で伝達する最大トルクを任意に設定
   可能とすることを特徴とする変速装置。