JP4521148B2 - 回転部材の不釣合いを測定するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ＤＥ ４１ ２４ ２５８ Ａ１から知られるように、請求項１の前提部分に記載された装置に関する。
【０００２】
（従来技術）
既知の装置は、機械ハウジング内に回転可能に装着され且つ釣り合わせられる回転部材、特に自動車の車輪を固定できる主軸を有している。主軸は、単相交流モータによって駆動される。モータは、単相の主巻線と、位相が電気的にシフト（偏移）した補巻線、特に位相が９０°シフトした補巻線とを有している。単相交流モータの場合に生じる振り子振動、特に負荷が殆ど無い状態で動作する時に生じる振り子振動は、補巻線が組み込まれた振動回路によって低減される。測定速度に達した後にドライブ（駆動）がＯＦＦされる即ち接続が解除される装置とは異なり、車輪が無い場合であっても、主軸及び／又はクランプ手段の不釣り合いをチェックすること、すなわち、測定することが可能である。装置の調整に加え、測定時間および測定精度は制限されない。
【０００３】
（発明の目的）
本発明の目的は、特に負荷が殆ど無い動作モードで、所定の幅広い測定速度にわたって振り子振動を抑制できる明細書の冒頭部分に記載されたタイプの装置を提供することである。
【０００４】
本発明において、この目的は、請求項１の特徴部分によって達成される。従属する請求項は、本発明を発展させた形を示している。
【０００５】
測定速度に達した時に、モータのトルクが完全にＯＦＦされずに第１の低トルクに切換えられることが好ましい。この第１の低トルクの大きさは、特にドライブにおける摩擦によって引き起こされる速度の低下、または、回転する回転部材、特に自動車の車輪の空気抵抗によって引き起こされる速度の低下が補償されるような大きさである。この点において、低トルクは、上限速度に達するまで速度が僅かに上昇するような大きさを持っている。上限速度に達すると、トルクは、速度がゆっくりと降下する若干低い第２の値まで減少し、あるいは、ＯＦＦされる。また、下限速度に達すると、第１の減トルクが再びＯＮされる。このように、所望の間、測定速度を維持することができる。インクリメンタル・ジェネレータまたは既知の方法で構成された回転速度センサにより、主軸の速度を検出することができるとともに、２段階制御により、モータ電流を適切に設定して減トルクを形成し、上限値と下限値との間で測定速度を維持することができる。この点に関し、２段階制御により、モータ電流は、上限速度および下限速度に応じてモータにより第１および第２の減トルク値を形成する２つの適切な値に調整される。測定処理後、主軸は、逆最大モータトルクにより既知の方法で制動されて停止される。モータは、停止状態に達する直前に、小電流状態に切換えられる。
【０００６】
測定速度に達する時にモータによって形成されるトルクを様々な方法で低減することができる。例えば、主巻線および補巻線の供給ラインに接続される電気抵抗（レジスタ）、または、供給ラインの電圧を下げることによって達成することができる。レジスタは、リアクタンスまたはオーム抵抗の形態を成すことができる。チョークの形態を成す誘導抵抗を使用することが好ましい。このようなレジスタは、低レベルの固有の加熱効果を有し、調和が本線に重ね合わされる場合であっても、正弦波電流引き込みを生じる。リレーにより、レジスタを橋絡させることができ、または、全供給電圧を再び印加することができる。これにより、減モータトルクと全モータトルクとの間で切換えることができる。また、パルス幅変調によって制御される特に半導体から成る交流電圧コントローラを使用することができる。また、更に別のモータ巻線を切換えることにより、減トルクを達成することができる。
【０００７】
本発明は、本線から供給される４極単相交流モータ、特にキャパシタ・モータを使用することができる。モータによって形成されるトルクは、適当なトランスミッションにより、釣り合い試験機の主軸に伝達される。主軸は、例えば８０〜２１０ｒｐｍの間の限界内で、所定の測定速度まで加速され、その測定速度に維持され得る。この場合、測定速度に達したモータの振り子振動は、トルクの低減および前述した２段階制御によって回避される。これは、特に、モータが低レベルのトルクだけを供給し、トルクの低減に伴って振り子振動が低減されるという事実に起因する。本線の周波数は、実際には、測定速度に影響を及ぼさない。特に誘導抵抗を使用する時に、モータは、常に、主巻線の電流経路中に正弦波電流引き込みを伴っているため、電流消費すなわちモータの温度上昇が低減する。
【０００８】
モータトルクを逆にすることによって、主軸を制動することができる。これにより、別個の作動ブレーキが不要となる。この場合、１つの釣り合い面内の所望の釣り合い位置で制動することができ、その後、他の釣り合い面内の釣り合い位置へと回転部材を回転させることができる。そのため、主巻線および補巻線に関しては、同一の巻線を使用することが好ましい。車輪やフライホイールマスが無くても、任意の測定時間で、主軸やクランプ手段の不釣り合いを測定することができる。減トルクを用いた２点制御により、限界値（上限速度および下限速度）付近内で、所望の時間だけ、測定速度を維持することができる。
【０００９】
（実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態には、特に車輪釣り合い試験機（ｗｈｅｅｌ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）の形態を成す釣り合い試験機の主軸１が概略的に示されている。主軸１には、釣り合いが取られる自動車の車輪であっても良い回転部材２がクランプされている。不釣合いを確認するため、主軸は、知られた方法で評価回路に接続された測定センサ（図示せず）と協働する。
【００１０】
主軸のための駆動部は、単相交流モータ３（図１〜図３）または単相交流モータ２１（図４）を有している。モータ３によって形成されるトルクは、トランスミッション１２によって主軸１に伝えられる。ベルト伝動（ベルト・トランスミッション）、特にＶリブベルトを使用することが好ましい。そのような伝動では、ベルトの張力を変化させることができ、これにより、ベルト伝動で生じる摩擦を増大させたり減少させたりすることができる。これは、特に測定速度付近での２段階制御の場合に、測定速度の立ち上がり率に影響を与えることができる。
【００１１】
単相交流モ−タ３は、モータの主巻線４に相当する４極ステータ巻線を有していることが好ましい。モータを始動させるため、モータは位相偏移（特に位相が９０°偏移）した補巻線５を有している。モータ３は、単相交流本線１４によって動作させることができる。ほぼ等しいトルクが両方の回転方向で形成されるように、主巻線４および補巻線５は、同じ巻数であることが好ましい。また、このようにして、モータは、測定動作後に回転部材２を制動するために使用することもできる。モータ３は、メインスイッチ１３を介して、本線に接続されている。電源装置は、以下で詳細に説明するモータ制御装置１７によって駆動される。
【００１２】
モータ制御装置１７は、リレーの形態を成すことができる切換素子Ｋ１〜Ｋ４を備えた切換装置８を有している。また、様々な切換素子Ｋ１〜Ｋ４を操作または作動させることができる切換制御装置１１が設けられている。その作動は、回転速度センサ１０（インクリメンタルセンサ）によって検出される主軸１の速度に応じて行なわれる。回転速度センサ１０は２段階コントローラ９に接続されており、２段階コントローラ９は、２段階制御のために回転速度センサ１０によって供給される測定値を評価するマイクロコントローラ１８に接続されている。
【００１３】
切換装置８の切換素子Ｋ１，Ｋ４は、巻線４，５に繋がる供給ラインを開閉する。切換素子Ｋ２によってモータのトルクを逆にすることができる。始動コンデンサ１６は、切換素子Ｋ３によって、回路内に組み込まれ、あるいは、回路から外される。また、各切換接点位置に応じて、オーム抵抗またはリアクタンス（キャパシタンス、インダクタンス）であっても良いレジスタ（抵抗）６は、切換素子Ｋ４により、巻線４，５に繋がる供給ラインに直列に接続でき、あるいは、供給ラインから分離できる（図１）。図２の実施形態においては、切換素子Ｋ４の各切換接点位置に応じて、フル作動電圧（位置ａ）または減作動電圧（位置ｂ）をモータ３の主巻線４に印加することができる。減作動電圧は、変圧器７のセンタータップから引き出される。
【００１４】
図１および図２に示される２つの装置の動作モードは以下の通りである。なお、約１００ｒｐｍ以下の上限速度を持つ低速ロータとして、また、約２１０ｒｐｍ以上の上限速度を持つ高速ロータとして、動作を説明する。
【００１５】
スタートボタンの作動時には、まず最初に、切換素子（リレー）Ｋ１，Ｋ３がＯＮされる。したがって、図１の実施形態においては、レジスタ６が２つの巻線４，５に繋がる供給ライン内にある。図２の実施形態においては、切換素子Ｋ４が切換位置ｂとなる。その結果、巻線４，５に減供給電圧が印加される。この場合、両方の実施形態における巻線５には、始動コンデンサおよび動作コンデンサ１５により、位相が偏移（シフト）された状態で電流が供給される。最初に、減少したトルクにより、主軸が駆動される。回転部材が主軸にクランプされているか否かが制御電子回路において分かっていない場合には、速度が急激に大きくなる。回転部材が主軸にクランプされているか否かが、回転速度センサによって供給される信号によりマイクロコントローラ１８で検出される場合には、フルパワーに切り換えること、すなわち、切換素子Ｋ４を閉じてレジスタ６を橋絡させることが不要となる。したがって、図１の実施形態において、切換素子Ｋ４は、図示された開位置のままである。図２の実施形態において、切換素子Ｋ４は、最初の切換位置ｂのままである。
【００１６】
供給電流を逆にして主軸１を制動した場合にも、切換素子Ｋ４は依然として最初の位置のままである。すなわち、図１では、切換素子Ｋ４が開位置のままであり、図２では、切換素子Ｋ４が切換位置ｂのままである。
【００１７】
駆動された主軸１の速度が、ゆっくりと大きくなる場合、あるいは、全く大きくならない場合、図１の実施形態では、切換素子Ｋ４が閉じられて、レジスタ６が橋絡される。これにより、巻線４，５に電力が供給されて、フルモータ出力が得られる。所定の速度（定格回転数）に達すると、切換素子Ｋ３が開かれることによって、始動コンデンサ１６のスイッチが切られ、これにより、それ以上の速度の増大がコンデンサによって妨げられる。回転体（例えば自動車の車輪）がクランプされた主軸は、ほぼ一定のトルクで加速され、短時間で測定速度に達する。トランスミッション１２の伝達率（変速率）、特にベルト伝動の伝送速度は、同期速度に近付き且つそれに密接に関連するトルクの減少を引き起こす前に、測定速度に達するべく設定される。
【００１８】
低速ロータの形態を成す釣り合い試験機が１００ｒｐｍを下回る低速で不釣合いを測定すると、測定速度に達する時に、図１の実施形態の切換素子Ｋ４が開かれる。これにより、レジスタ６は、巻線４，５への供給ラインに接続される。高速ロータの形態を成す釣り合い試験機が２１０ｒｐｍを超える高速で不釣合いを測定すると、対応する測定速度に達する時に、図１の実施形態の切換素子Ｋ１が開かれる。これにより、レジスタ６は、巻線４，５への供給ラインにある。
【００１９】
図２の実施形態において、回転部材２が主軸にクランプされる状況では、切換素子Ｋ４が切換位置ａへと移動され、全供給電圧が巻線４，５に印加される。低速ロータの場合および高速ロータの場合の両方において測定速度に達すると、切換素子Ｋ４が再び切換位置ｂへと戻され、モータ３の巻線４，５に減供給電圧が印加される。
【００２０】
特にチョーク（誘導抵抗）の形態を成す図１のレジスタ６により、また、変圧器７のセンタタップから得ることができる図２の減供給電圧により、モータ３によって測定速度に達する時に、減トルクが形成される。これにより、振り子振動が実質的に減少する。レジスタ６または減供給電圧の適当な大きさにより、供給されるトルクは、ドライブに存在する摩擦および回転部材２が回転する時に生じる空気抵抗を補償する時に速度が僅かに上昇するような大きさである。この速度の上昇は、比較的ゆっくりであり、例えば低速ロータの場合には１００ｒｐｍとなり得る上限速度まで生じる。この上限速度は、マイクロコントローラ１８内に比較値として記憶される。不釣合い測定装置が高速ロータ（約２１０ｒｐｍの測定速度）として動作する場合、上限速度はこの値を僅かに上回っている。大抵の場合、上限速度に達する前に、不釣合いを測定するために必要な回転数に達する。これにより、後述するように、逆モータトルクによって、制動位相から始めることができる。
【００２１】
上限速度に達した時に依然として測定処理に必要な回転数に達していない場合には、図１および図２に示されるように、切換素子Ｋ１が開かれ、速度が低下する。下限速度に達すると直ぐに、切換素子Ｋ１が再び閉じられ、動作中、再び、レジスタ６により電力供給が制限される。すなわち、巻線４，５への電圧供給が減少する。このような状況においては、モータは減トルクだけを供給するため、結果として生じる振り子振動はかなり減少する。
【００２２】
各測定速度の直ぐ近くにおける上限速度と下限速度との間での制御は、速度センサ１０によって測定され且つマイクロコントローラ１８によって評価される主軸１の速度に基づいて、２段階コントローラ９によって行なわれ、切換設定装置１１が適切に作動される。切換制御装置１１は、リレーの形態を成すことが好ましい対応する切換素子Ｋ１〜Ｋ４を作動すなわち操作する。
【００２３】
したがって、長期にわたる測定処理および主軸１に低フライホイールマスを有する測定処理を実行することが可能である。
【００２４】
不釣合いを測定するために必要な回転数に達すると、切換素子Ｋ１がＯＦＦされ、すなわち、切換素子Ｋ１が開かれ、その後直ぐに、切換素子Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４がＯＮされる。この場合、主軸１を制動するために、モータの全逆トルクが作用するようになる。主軸１が停止する直前に、全ての切換素子Ｋ１〜Ｋ４がＯＦＦされる。
【００２５】
本発明によれば、不釣合い測定処理中に、主軸１が滑らかに動作する。不釣合い測定中にモータが低レベルのトルクだけを出力するため、トルクの低下に関連して、振り子振動が減少する。特に主軸１およびクランプ手段の不釣合いを測定する時、つまり、フライホイールマスすなわち回転部材２が無い時、多数の測定処理を実行することができる。この不釣合い測定処理は、任意の測定時間で行なうことができる。マイクロコントローラ１８と２段階コントローラ９と回転速度センサ１０との協働によって可能となる２段階制御により、任意の時間、測定速度を限界値の近傍内に維持することができる。
【００２６】
モータトルクを逆にすることにより、別個の制動操作を必要とすることなく、主軸１の制動を行なうことができる。ある程度の摩擦を形成するベルトドライブを使用することができる。これにより、僅かな静不釣り合いによって主軸が移動してしまうことがなくなる。前述したように、モータによって供給される減トルクにより測定速度付近で２段階回転速度制御を行なうことで、摩擦が解消される。また、ベルト伝導を使用すると、ベルトの張力を調整することにより、２段階制御中におけるポストドライブ位相での測定速度の上昇率に影響を与えることができる。
【００２７】
トルクを減少するために、モータ３と直列を成すレジスタ６（図１）としてチョークを使用すると、装置は、以下の利点を有する。すなわち、レジスタとしてのチョークは、低レベルの固有の加熱効果を有し、したがって、電子システム（単純な配線）のケーシング内に配置することができる。チョークは、本線に重ね合わされる可能性があるどのような調和をも低減する。これにより、測定処理中、モータ３は、最適な滑らかさをもって動作する。適切なチョークは、蛍光灯の電源装置として数多く形成され、したがって、安価に販売できる。
【００２８】
図３は本発明の他の実施形態を示している。この実施形態において、モータ電流を減少させるための装置は、特に半導体から成る交流電圧コントローラ２０を有している。交流電圧コントローラ２０は、回転部材２の各速度に基づいて、コントローラ１９によって制御される。速度コントローラ１９は、パルス幅変調器の形態を成していることが好ましい。交流電圧コントローラ２０は、図１および図２の実施形態の電気抵抗６または変圧器７および切換素子Ｋ４の機能に取って代わる。図３の実施形態の他の構成部品は、図１および図２のそれに対応しており、そのため、同じ参照符号が付されている。
【００２９】
以下、図３に示される実施形態の動作モードについて、図５および図６を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
交流電圧コントローラの動作モードは、例えば、シュプリンガー出版の第１１版のＵ・ティッツェ、Ｃ・シェンクによる「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」の第９７９頁〜９８２頁に記載されているように、交流電圧を減少するために使用されるダウンワード・コンバータの動作モードである。本線の電圧１４（図５および図６のＵｅ）は、パルス変調ＰＷＭの占有率で、以下の方程式にしたがって、出力電圧Ｕａに変換される。
Ｕａ＝ｐＵｅ
ｐ＝パルス幅変調の占有率
【００３１】
したがって、関連する各占有率に基づいてその平均値が入力電圧Ｕｅ（本線の電圧）と０との間にある出力電圧Ｕａを形成することができる。回転速度に達した時にモータの全トルクと減トルクとの間で切換えを行なうことができるように、パルス幅変調の占有率を変えることができる。図１および図２の実施形態の場合と同様に、回転部材２の速度は、回転速度センサ１０によって検出され、また、パルス幅変調を形成する回転速度調整器１９は、回転速度の評価後、マイクロコントローラ１８によって実行される。パルス幅変調の占有率を変化させるための制御電圧Ｕｓは、回転速度センサ１０によって検出される回転部材の速度に基づいて設定される。図１および図２の実施形態の場合と同様に、測定装置は、低速ロータまたは高速ロータの形態を成して動作することができる。各測定速度に達すると、パルス幅変調の占有率は、モータが減トルクを形成する程度まで変化すなわち減少する。この場合、パルス幅変調によって設定される供給電流の値、すなわち、モータによって供給される減トルクの値は、回転速度が上限速度までゆっくりと上昇した後再び減少して下限速度に達するような大きさとなり得る。これら２つの限界値間で回転速度を調整するため、パルス幅変調の占有率が適切に変更される。これにより、ＰＩＤ−レギュレータを具現化することができる。
【００３２】
特に図５から分かるように、交流電圧コンバータの基本的な構成要素は、以下のように形成される。電源スイッチＳは、半導体から成る電源スイッチによって形成されることが好ましい。蓄電チョークＬおよび消費体Ｒがモータによって形成される。動作コンデンサは、同時に、平滑コンデンサＣとして機能する。図６は、消費体Ｒに関し、設計構成が同一の２つの巻線４，５（Ｌ１，Ｌ２）を有するモータ３の回路図を示している。
【００３３】
動作中、パルス幅変調によってモータ３における電圧を調整することができるため、本線の周波数および本線の電圧がモータ３のトルクに与える影響を補償することができる。本線電圧の半波長の間だけ、交流電圧コントローラ２０を用いて、振幅を調整することができる脈動直流電圧をモータに印加することができる。このように、モータが回転している時に、制動トルクを形成することができる。モータが停止している時には、トルクが形成されない。このように、切換動作の前に、交流電圧コントローラの出力電圧を０にすることができ、また、スパークを引き起こすことなくリレーＫ１，Ｋ２を切換えることができるため、追加の費用を要することなく、釣り合い位置を簡単に見つけることができる位置制動、すなわち、釣り合い位置で回転部材を回転させることができる位置制動を行なうことができる。また、巻線の温度を検出することにより、モータへの過負荷を避けることができる。これは、一方のモータ巻線に直流電圧を印加してそのオーム抵抗を検出することにより行なうことができる。
【００３４】
同一の形態で動作する構成部品が前述した実施形態と同じ参照符号で示されている図４に示される実施形態において、装置は、別の巻線２２，２３を有する単相交流モータを使用する。巻線２２は、主巻線４と直列に接続することができる。また、巻線２３は、補巻線５と直列に接続することができる。前述した実施形態と同様、モータを測定速度まで加速するために、最初に、巻線４，５に電力が供給される。測定速度に達すると直ぐに、別個の巻線２２，２３を割り込ませることにより、減トルクが形成される。その後、図１の実施形態と同じ方法で、具体的には、２段階コントローラ２の２段階制御動作によって別個の巻線２２，２３を回路中に割り込ませたり回路中から外したりすることにより、測定速度領域における速度調整が行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態を示す図である。
【図２】 第２の実施形態を示す図である。
【図３】 第３の実施形態を示す図である。
【図４】 第４の実施形態を示す図である。
【図５】 図３の実施形態で使用される構成部品を示すブロック回路図である。
【図６】 図３の実施形態を更に示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１ 主軸
２ 回転部材
３ モータ
４ 主巻線
５ 補巻線
６ 電気抵抗
７ 変圧器
８ 切換装置
９ ２段階コントローラ
１０ 回転速度センサ
１１ 切換制御装置
１２ トランスミッション
１３ メインスイッチ
１４ 本線
１５ 動作コンデンサ
１６ 始動コンデンサ
１７ モータ制御装置
１８
１９ 速度コントローラ
２０ 交流電圧コントローラ
２１ 別個の巻線を有するモータ
２２ 別個のモータ巻線
２３ 別個のモータ巻線

Claims (10)

1. 機械のハウジング内に回転可能に装着され且つ測定される回転部材を固定することができる主軸と、主軸を駆動させるための単相交流モータであって、主軸（１）を測定速度まで駆動させることができる位相関係で配置される単相の主巻線（４）および補巻線（５）を有する単相交流モータと、モータ電流を調整する制御装置（１７）とを備えた、回転部材の不釣合い測定装置において、制御装置（１７）は、測定速度に達する時にモータ（３，２１）の両方の巻線（４，５）に供給される供給電流を減少させるモータ電流減少装置（８，６；７；２０；２２，２３）を有し、これにより、モータは、摩擦および空気抵抗によって生じる速度低下を実質的に補償する減トルクを形成することを特徴とする回転部材の不釣合い測定装置。
2. 前記モータ電流減少装置（８，６；７；２０；２２，２３）は、
   測定速度に達する時に、上限速度まで速度を上昇させるため、第１の減トルクを形成するための第１の値にモータ電流を調整し、
   上限速度に達する時に、下限速度まで速度を低下させるため、第２の減トルクを形成するための第２の値にモータ電流を調整し、
   下限速度に達する時に、モータ電流を第１の値に調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転部材の不釣合い測定装置。
3. 前記モータ電流減少装置（８，６；７；２０；２２，２３）は、各回転部材の速度に応じて設定される２段階コントローラ（９）によって制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転部材の不釣合い測定装置。
4. 前記主巻線および前記補巻線（４，５）が略同一の巻線であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転部材の不釣合い測定装置。
5. 供給電流を減少するための装置（６）がオーム抵抗またはリアクタンスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転部材の不釣合い測定装置。
6. リアクタンスは、インダクタンス、特にチョークであることを特徴とする請求項５に記載の回転部材の不釣合い測定装置。
7. 供給電流を減少するための装置（７）は、変圧器の形態を成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転部材の不釣合い測定装置。
8. 供給電流を減少するための装置（２０）は、交流電圧コンバータの形態を成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転部材の不釣合い測定装置。
9. 交流電圧コンバータ（２０）は、回転部材の速度に応じてパルス幅変調によって制御される半導体交流電圧コンバータであることを特徴とする請求項８に記載の回転部材の不釣合い測定装置。
10. 測定速度に達する時に、別個の巻線（２２，２３）が主巻線および補巻線に加えられることにより、モータ（２１）によって形成されるトルクが減少されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転部材の不釣合い測定装置。

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