JP4411451B2 - 回転ドラムのバランス調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、内容物を収納して回転する回転ドラムの軸回りのバランスを調整する方法に関するもので、たとえば洗濯物の遠心脱水機の回転ドラムのバランスを調整する方法に関するものである。

衣類その他の繊維製品を洗濯した後の脱水装置として、周面に透孔を有する回転ドラムを備えた遠心脱水機が広く用いられている。業務用の装置では、脱水のみを行う専用の脱水機と、洗濯ドラムをそのまま回転して脱水を行う洗濯脱水機とがあるが、いずれにしても、洗濯物を収容した回転ドラムが高速回転して脱水を行う。このとき回転ドラムの重心を偏心させないように洗濯物を収納することは実際上不可能であり、特に洗濯脱水機では洗濯が終了した後そのまま洗濯ドラムを回転させるので、洗濯物が偏在した状態になるのを避けることができない。

回転ドラム内に洗濯物が偏在すると、回転時に当然アンバランスが生ずる。このような収容物の偏在に起因する回転ドラムのアンバランスを修正する手段として、３個以上の貯留室を回転ドラムの円周を等分する位置に配置し、収容物が偏在する側と反対の側の貯留室に液体（通常は水）を供給して、収容物の偏在を貯留室に供給した水の質量でバランスさせるという技術が提唱されている（特許文献１、２）。

上記技術を用いて回転ドラムをバランスさせるためには、アンバランスの大きさと方向（位相）を検出したり、貯留室に液体を供給したときのアンバランスの増減やアンバランスが閾値以下になったかどうかを検出する手段が必要である。このための手段として、従来は振動センサや加速度センサを用いており（特許文献３）、また回転ドラムの位相を検出する位置センサを設けていた。
特開昭４８−３７９６９号公報 特開平１１−１６９５９５号公報 特願平５−１０２３４８号公報

しかし、このようなセンサを設けると、当然装置コストが上昇し、センサの保守点検も必要になる。この発明は、装置に加速度センサや位置センサを設けることなく回転ドラムをバランス回転させる技術手段を得ることを課題としている。

上記課題を解決した本願請求項１の発明に係る回転ドラムのバランス調整方法は、円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室２（２ａ、２ｂ、２ｃ）に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸８回りの回転ドラム１のアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、所定の貯留室に所定質量の液体を供給する前と後の回転ドラムの１回転中の負荷トルク変動を検出し、前記供給した液体の質量と前記検出した液体供給前後の負荷トルク変動の検出値から当該回転ドラムをバランス回転させるのに必要な複数の貯留室２への液体の供給質量を演算し、演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給するというものである。

本願の請求項２の発明は、上記手段を備えたバランス調整方法における前記負荷トルク変動を、回転ドラム駆動電動機２１の回転数を制御するインバータ、実用上好ましくはベクトル制御インバータ２２の内部で既知のインバータ出力電流値に基づく演算により検出することを特徴とするものである。

また、上記課題を解決した本願請求項３の発明に係る回転ドラムのバランス調整方法は、円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室２（２ａ、２ｂ、２ｃ）に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸８回りの回転ドラム１のアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、所定の貯留室２ａに所定質量Ｗ１の液体を供給し、当該供給前後の回転ドラムの１回転中のトルク変動の位相差φを検出し、前記供給した液体の質量と検出した最大負荷トルク及び位相差とから残る複数の貯留室２ｂ、２ｃへ供給する質量Ｗ２、Ｗ３を演算し、演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給するというものである。

また上記課題を解決した本願請求項４の発明に係る回転ドラムのバランス調整方法は、円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室２（２ａ、２ｂ、２ｃ）に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸回りの回転ドラム１のアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、所定の貯留室２ａに所定質量Ｗ１の液体を供給し、当該供給後の回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、前記供給した液体の質量と前記供給前後の最大負荷トルクとから、残る複数の貯留室２ｂ、２ｃへ供給する質量Ｗ２、Ｗ３を演算し、演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給するというものである。

回転ドラムの負荷トルクは、回転ドラムを駆動する電動機の電流変化によって検出することができる。特に回転ドラムの回転数を可変にするためのインバータを備えている装置では、回転ドラム駆動電動機２１の回転数を制御する既知のベクトル制御インバータ２２の出力電流値から、電動機２１に作用している負荷トルクの変動波形が正確に検出できる。この波形をコンピュータに送って後述するような演算を行うことによって、複数の貯留室のそれぞれに供給すべき流体の質量を演算することができる。また、貯留室２（２ａ、２ｂ、２ｃ）に流体を供給しながらトルク波形の変化を検出することにより、貯留室２に液体を供給することによってアンバランス状態が改善されているかどうかや、所望の閾値以下のバランス状態に達したかどうかを確認することができる。

この発明の方法によれば、装置に加速度センサや位置センサを設ける必要が全くなくなり、これらのセンサを設けることによる機械コストの上昇や保守点検作業の必要を回避することができる。また、回転ドラム１をバランスさせるのに必要な各貯留室２への供給液量を演算により求めることができるので、バランス調整を速やかに行うことが可能になる。

この発明は、偏在することのある内容物を収容して回転する各種のドラムのバランス調整に採用できるが、バランスの調整に液体を用いることから、水や油などの液体の処理を行うための装置、例えば脱水機などの回転ドラムのバランス調整に特に好適である。

以下この発明を洗濯脱水機に採用した例を図１ないし図３を参照して説明する。
図の洗濯脱水機の回転胴１は、洗濯水槽を形成する外胴９に収容されており、外胴９には洗濯物を出し入れするための開口１０が設けられている。この開口には図に想像線で示す形状のドアが設けられる。回転胴１の軸方向一側はこの開口１０部分で開口しており、他側に回転軸８が固定されている。回転軸８は外胴９の後壁を貫通して延び、その背後に配置した２個のベアリング１１、１２でフレーム１３に軸支されている。回転軸８の後端には、Ｖベルトプーリ１４が固定されている。Ｖベルトプーリ１４は、Ｖベルト２０で電動機２１の出力軸に連結されている。図には示してないが、外胴９には洗濯水の供給及び排出配管が接続されており、また回転ドラム１の周面は金網ないし多孔板で、洗濯水が自由に流通する。

電動機２１の回転数は、インバータ２２の周波数変換により変更可能で、洗濯時の低速回転ないし揺動と、バランス検出時の中速回転（ドラム周面での遠心力が１Ｇを僅かに越える程度の回転）と、脱水時の高速回転とに変換される。インバータ２２の出力周波数は、制御用コンピュータ２３の指令により制御されており、またインバータ２２の出力電流値は、電動機２１のトルク波形を示す信号として、インタフェース回路２４を介してコンピュータ２３に入力されている。

回転胴１の内周には、その円周を三等分する位置に、断面三角形状の３個のビータ１５が設けられており、このビータの内部がバランス液体を貯留する貯留室２となっている。貯留室２のそれぞれは、回転ドラム１に添設した放射状の配管３及び回転ドラム１の中心部に設けた継手４を介してバランス液配管５に接続されており、各バランス配管５には、コンピュータ２３で各別に制御される開閉弁１６及び流量計１７が設けられている。流量計１７の検出信号は、フィードバック信号としてコンピュータ２３に入力されている。なお、各貯留室２内の水は、回転ドラム１が１Ｇ以下で回転したときに重力で排出される。

コンピュータ２３には、入力されたトルク波形からピーク値を検出するピーク値検出手段と、２つのトルク波形の位相差を検出する位相差検出手段と、貯留室２に供給する液体の質量を演算する質量演算手段とがプログラムとして登録されており、また回転ドラム１の半径ｒが定数として登録されている。

上記装置において、低速での洗濯回転が終了した後、外胴９内の洗濯水が排出され、回転ドラム１が１Ｇを若干越える回転数でバランス回転される。貯留室２内の水は、洗濯回転中に排出されている。この状態で、コンピュータ２３のピーク値検出手段が負荷トルク変動のピーク値Ｔpeakを検出し、演算手段が、演算式
Ｗ＝Ｔpeak／ｒ
から偏心質量Ｗを算出する。

次に、予め定めた任意の貯留槽２ａに算出された偏心質量Ｗよりも少ない質量Ｗ１の水を注入する。すると、インバータ２２がら入力される波形が図４の３０から３１のように変化するので、元の波形３０のピーク値のときの回転ドラム１の回転角（位相）を原点として記憶しておいて、変化した波形３１のピーク値Ｔ１が生ずるときの位相φを位相差検出手段で検出して、次式

から、貯留室２ａの角度を基準とする偏心質量の位置θを演算手段で演算する。

なお、他の演算方法として、変化後の波形３１のピーク値Ｔ１と既知の質量Ｗ、Ｗ１とを用いて、次式

から偏心質量の位相θを演算することもできる。本願発明者らの試験によれば、位相差φを用いる演算による方が精度の高い結果が得られた。

そして、上記で求めたＷとθから次式

Ｗ２＝Ｗ３・cos６０＋Ｗ１・sin３０＋Ｗ・sin（３０＋θ）・・・・・（１１）
から残る２つの貯留室２ｂ、２ｃに注入する水の質量Ｗ３及びＷ２を求め、当該質量の水を貯留室２ｂ及び２ｃに注入する。

もし、求めたＷ３及び／又はＷ２が負の値となったときは、その負の値（両方が負のときは絶対値が大きい方）の絶対値に相当する質量を加えた値をＷ３、Ｗ２の値とし（どちらかが０になる）、最初に水を供給した貯留室２ａに前記絶対値に相当する質量の水を追加供給する。

以上の操作で回転ドラム１のアンバランスが修正されるので、インバータ２２を高速側に切替え、回転ドラム１を高速回転して脱水工程に移る。

上述した演算処理で回転ドラム１のバランスをとることができる理由を以下に示す。

１．偏心質量とその位置の計算
回転ドラム１の動きを鉛直円運動とし、偏心質量をＷ、ドラム半径ｒとすると、偏心質量によるトルクＴは次式で示される。
Ｔ＝Ｗ・ｒ・sinωｔ・・・・・・・・・・・・（１）
ここでωは角速度、ｔは時間である。ωｔが０〜１８０°の領域ではＴは正の数で、電動状態、１８０°〜３６０°では負の数で、回生状態となる。偏心質量Ｗはトルクのピーク値から（１）式で求められる（Ｗ＝Ｔpeak／ｒ）。

バランス回転時のある時点からトルクの瞬時値の計測を始め、最大トルクとなる時間ｔ１を求めてその時刻を基準点とする。以降、モータの回転数が分っているので、最大になる時間は計算可能となる。

次に、予め定めた任意の貯留室２ａに水をＷ１注入したときのトルクＴ１は次式で示される。
Ｔ１＝Ｗ・ｒ・sinωｔ＋Ｗ１・ｒ・sin（θ＋ωｔ）・・・・（２）
この式を変形すると、

すなわち、Ｗ１を注入することで振幅がＷから次式となり、位相がφ進むことになる（図４参照）。

（４）式において、φは位相差検出手段で、Ｗ及びＴ１はピーク値検出手段で検出され、Ｗ１は既知であるから、偏心質量Ｗの位置θを求めることができる。

２．注入する水量の計算
偏心質量Ｗが存在する状態で、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に水を注いだときの状態を図５に示す。回転ドラムの回転角αを図のようにとり、このときにそれぞれの質量Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３により回転ドラム１に作用する図で時計回りのトルクを計算すると、
Ｗによるトルク：‐Ｗ・cos（３０＋θ‐α）
Ｗ１によるトルク：‐Ｗ１・cos（３０‐α）
Ｗ２によるトルク：Ｗ２・sinα
Ｗ３によるトルク：Ｗ３・sin（６０‐α）
これらのトルクを合成したトルクＴは、
Ｔ＝‐Ｗ・cos（３０＋θ‐α）‐Ｗ１・cos（３０‐α）＋Ｗ２・sinα＋Ｗ３・sin（６０‐α）・・・・（５）
（５）式を展開して整理すると、
Ｔ＝｛Ｗ２−Ｗ３・cos６０−Ｗ１・sin３０−Ｗ・sin（３０＋θ）｝sinα＋｛ｗ３・sin６０−ｗ１・cos３０−Ｗcos（３０＋θ）｝cosα・・・・・・（６）

Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３がどの回転位置にいても、すなわちαの値に関係なく常に合成トルクＴが０になればドラムはバランスを取ることができる。従って、（６）式のsinα、cosαの係数がそれぞれ０になるようなＷ２、Ｗ３の組合せを求めればよい。

以上から、
Ｗ２−Ｗ３・cos６０−Ｗ１・sin３０−Ｗ・sin（３０＋θ）・・・・・（７）
Ｗ３・sin６０−ｗ１・cos３０−Ｗcos（３０＋θ）・・・・・・・・・（８）
（８）式からＷ３は

（７）式からＷ２は
Ｗ２＝Ｗ３・cos６０＋Ｗ１・sin３０＋Ｗ・sin（３０＋θ）・・・・・（１１）
となり、これらの質量の水を各貯留室２ｂ、２ｃに注入すれば、回転ドラム１のバランスを取ることができる。

上式でＷ２又はＷ３が負の値となることが起こりうる。図の例では、貯留槽２ａ、２ｂ、２ｃを等間隔で配置しているので、総ての貯留槽に同量の水を注入してもバランス状態は崩れない。そこで注入する水の量が負の値となったときは、負の値となった貯留室に注入する質量が０となる量の水を他の貯留室に追加注入してやれば良いこととなる。

なお、以上の例は、３個の貯留室２を等間隔に設けた例である。バランス調整のみの観点からいえば、これが必要十分でかつ構造及び制御が簡単になるから最も好ましい。しかし他の条件から、４個以上の貯留室を設けても、また極端でなければ、貯留室を不等間隔に設けても、上記と同様な装置及び方法で回転ドラムのバランスを取ることができる。

この発明の方法を実施する装置の一例を示すブロック図 回転ドラムの一例を示す断面図 回転ドラムのアンバランスを示す模式図 トルク変動波形の例を示す線図 回転ドラムのバランスを示す模式図

符号の説明

2(2a,2b,2c) 貯留室
８ 回転軸
21 電動機
22 インバータ
W1,W2,W3 質量
φ 位相差

Claims (4)

1. 円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室(2,(2a,2b,2c))に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸(8)回りのアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、
   回転ドラムの１回転中の負荷トルク変動を検出し、所定の貯留室に所定質量の液体を供給し、当該供給後の回転ドラムの１回転中の負荷トルク変動を検出し、
   前記供給した液体の質量と前記検出した液体供給前後の負荷トルク変動の検出値から当該回転ドラムをバランス回転させるのに必要な複数の貯留室(2)への供給質量を演算し、
   演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給する、
   回転ドラムのバランス調整方法。
2. 前記負荷トルク変動を、回転ドラム駆動電動機(21)の回転数を制御するインバータ(22)の出力電流から演算により検出する、請求項１記載のバランス調整方法。
3. 円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室(2,(2a,2b,2c))に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸(8)回りのアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、所定の貯留室(2a)に所定質量(W1)の液体を供給し、当該供給前後の回転ドラムの１回転中のトルク変動の位相差(φ)を検出し、前記供給した液体の質量と検出した最大負荷トルク及び位相差とから残る複数の貯留室(2b,2c)へ供給する質量(W2,W3)を演算し、演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給する、回転ドラムのバランス調整方法。
4. 円周方向に所定間隔を隔てて配置された複数の貯留室(2(2a,2b,2c))に液体を供給して各室に供給した液体の質量差によりドラム回転軸回りのアンバランスをバランスさせる回転ドラムのバランス調整方法において、
   回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、所定の貯留室(2a)に所定質量(W1)の液体を供給し、当該供給後の回転ドラムの１回転中の最大負荷トルクを検出し、
   前記供給した液体の質量と液体供給前後の最大負荷トルクから残る複数の貯留室(2b,2c)へ供給する質量(W2,W3)を演算し、
   演算された質量の液体をそれぞれの貯留室に供給する、
   回転ドラムのバランス調整方法。

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