JP4811952B2 - 無励磁作動型電磁ブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、ブレーキ開放状態を保持するための電力損失を小さくして発熱を抑制するようにした無励磁作動型電磁ブレーキに関するものである。

サーボモータなどにおいて使用されている無励磁作動型電磁ブレーキでは、非励磁状態において、ばね力によってアーマチュアがモータ回転軸の側に付勢されてブレーキ力が作用している。励磁すると、アーマチュアが磁気吸引力によってヨークの側に吸引されてモータ回転軸に作用しているブレーキ力が解除される。アーマチュアをヨークに吸引する際には大きな電力が必要であるが、アーマチュアがヨークに吸引した後は、アーマチュアを吸引状態に保持するため必要な電力は少なくてよい。すなわち、ブレーキフリーの状態を保つためのアーマチュアの吸引保持状態を維持するための電力は少なくてよい。

特許文献１においては、無励磁作動型電磁ブレーキの励磁コイルを二組設けて直列に接続し、一方をブレーキ開放初期の短時間に大電流が流れる瞬時吸引用低抵抗コイルとし、他方を吸引後長時間保持させるための小電流を流す保持用高抵抗コイルとすることにより、ブレーキの開放中に無駄な電流を流さないようにしている。特許文献２では、交流インダクションモータに用いられる電磁ブレーキにおいて、交流電源から直流電源を得る整流回路が、アーマチュアを吸引する際の短時間だけ全波整流した直流を電磁ブレーキのコイル巻線に流し、アーマチュア吸引後は半波整流した直流を流すように構成されており、電磁ブレーキのアーマチュアを吸引した後の供給電力が吸引時の供給電力より小さくなるようにしている。
特開２０００−３０４０７３号公報 特開２００１−３４９３５８号公報

特許文献１に開示の電磁ブレーキでは、２つの励磁コイルを備えているので構造上小型にできず、コストが高い。特許文献２に開示の電磁ブレーキでは、交流電源を用いることを前提としており、ブレーキのトルク立ち上がり時間が電源周波数の１／２よりも短い場合には、半波整流された直流では十分に機能しない。

本発明の課題は、このような点を解消可能な無励磁作動型電磁ブレーキを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、ばね力によって回転部材に押し付けられているアーマチュアを、励磁コイルに通電することにより発生する磁気吸引力によってヨークに吸引して、前記回転部材に作用しているブレーキ力を開放する無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、
所定の周期および所定のデューティ比でオンオフするスイッチング信号を発生するスイッチング信号発生手段と、
ブレーキ電源がオンすると、前記アーマチュアを前記ヨークに吸引するために、前記励磁コイルに一定電圧の直流電流を一定時間だけ連続通電する連続通電手段と、
一定時間の経過後に、前記アーマチュアが前記ヨークに吸引されたブレーキ開放状態を保持するために、前記励磁コイルに対して、前記スイッチング信号を用いて前記一定電圧の直流電流をスイッチング通電するスイッチング通電手段とを有していることを特徴としている。

ブレーキ電源がオンした後にアーマチュアをヨークに吸引するまでの間は一定電圧がそのまま励磁コイルに印加される。アーマチュアをヨークに吸引した後は吸引保持状態に移行させるために、印加電圧をスイッチングにより連続してオンオフして平均電圧を下げることにより消費電力を小さくしている。この結果、アーマチュア吸引保持状態における電力損失を低減させ、発熱を抑制できる。

また、本発明の無励磁作動型電磁ブレーキでは、ブレーキ電源の瞬間停止時（瞬停時）に電力を供給するための瞬停時電源回路と、ブレーキ電源の瞬間停止の時間幅が予め定めた停止時間幅を超えると、連続通電手段による連続通電を行わせる瞬停検出回路とを有し、停止時間幅は、アーマチュアをヨークから釈放する時間幅よりも短いことを特徴としている。

アーマチュア吸引保持状態においてブレーキ電源の瞬停が発生すると、アーマチュアがヨークから釈放されてしまうことがある。瞬停の時間幅がアーマチュアを釈放するために要する時間幅よりも短ければ、瞬停に影響されることなくアーマチュア吸引保持状態を維持できる。瞬停時間幅がアーマチュアを釈放するために要する時間幅より長ければ、アーマチュア吸引保持状態を維持できず、アーマチュアを釈放してしまう。本発明では、アーマチュアを釈放するために要する時間幅より長い瞬停が起こったときには、ブレーキが釈放されても、再度アーマチュアを吸引する動作が行われ、アーマチュア吸引保持状態に移行できる。

次に、本発明の無励磁作動型電磁ブレーキにおいては、ブレーキ電源が交流ブレーキ電源の場合には、当該交流ブレーキ電源から直流電流を生成する整流回路を内蔵していることが望ましい。

本発明の無励磁作動型電磁ブレーキでは、アーマチュアをヨークに吸引する際には励磁コイルに連続通電して大きな磁気吸引力を一時的に発生させる。アーマチュアがヨークに吸引された後は、アーマチュアがヨークに吸引された状態を保持するために必要とされる電圧が印加されるように、所定の周期および所定のデューティ比で励磁コイルにスイッチング通電が行われる。

アーマチュアを吸引状態に保持するための励磁電流の周期およびデューティ比を適切に設定することにより、電磁ブレーキのブレーキ解除状態における電力損失を低減させ、発熱を抑制できる。また、励磁電流のオンオフ周期を適切に設定することにより、ブレーキのトルク立ち上がり時間が電源周波数の１／２よりも短い場合にも機能させることができる。

さらに、ブレーキ電源の瞬停時において、瞬停の時間が長い場合に連続通電を行ってアーマチュアをヨークに再吸引するようにしている場合には、瞬停しブレーキが釈放されても、再度アーマチュアを吸引し、アーマチュア吸引保持状態にすることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した無励磁作動型電磁ブレーキの実施の形態を説明する。なお、無励磁作動型電磁ブレーキの機構部分の基本構成は一般的に使用されているものと同様であり、モータ回転軸と一体回転するディスクと、このディスクにばね力によって押し付けられているアーマチュア（摩擦板）と、ヨークおよび励磁コイルからなる電磁石とを備えている。無励磁状態では、ばね力によってモータ回転軸にブレーキ力が作用している。励磁コイルに通電することにより発生する磁気吸引力によって、アーマチュアをばね力に逆らってヨークに吸引すると、ブレーキ力が解除される。

図１（ａ）は無励磁作動型電磁ブレーキを備えた駆動システムの全体構成図である。駆動システムＡは、アクチュエータ１と、ここに取り付けた無励磁作動型電磁ブレーキ２とを有している。アクチュエータ１は、モータ３、モータ３の前端側に取り付けた減速機４、および、モータ３の後端側に取り付けたエンコーダ５を備えている。無励磁作動型電磁ブレーキ２は、モータ３とエンコーダ５の間に位置するモータ回転軸（図示せず）の後端側の部分に配置されている。

無励磁作動型電磁ブレーキ２の制御装置１０は、アーマチュア吸引／保持切替回路１１、電圧制御回路１２、および電源回路１３を備えている。外部のブレーキ電源１４からブレーキを解除するために供給される交流は、電源回路１３を介して、一定電圧の直流電流に変換されて各回路１１、１２に供給される。

アーマチュア吸引／保持切替回路１１は、ブレーキ電源１４がオンすると、予め定めた一定時間だけ、アーマチュア吸引時用信号Ｓ１を電圧制御回路１２に供給する。一定時間経過後は、アーマチュア保持用信号Ｓ２を電圧制御回路１２に供給する。

電圧制御回路１２は、アーマチュア吸引時用信号Ｓ１が供給されている間は、無励磁作動型電磁ブレーキ２の励磁コイルに一定電圧の直流電流を連続通電してアーマチュアをばね力に抗してヨークに吸引するのに必要な磁気吸引力を発生させる。電圧制御回路１２は、アーマチュア保持用信号Ｓ２が供給されると、励磁コイルに所定周期および所定デューティ比でスイッチング通電を行い、アーマチュアがヨークに吸引された状態を保持するのに必要な磁気吸引力を発生させる。

図１（ｂ）には電圧制御回路１２から励磁コイルに供給される励磁電流の電圧波形の例を示してある。この図に示すように、ブレーキ電源１４がオンして電源回路１３のブレーキ直流電源電圧がオンすると（時点ｔ１）と、アーマチュアがヨークに吸引されるのに要する時間、例えば１００ｍｓだけ、一定電圧の直流を供給して大きな磁気吸引力でアーマチュアを吸引してヨークに吸着させ、ブレーキ力を解除する（時点ｔ１から時点ｔ２）。この後は、所定周期、所定デューティ比、例えば、１４ｋＨｚ、オンデューティ比が４０％の励磁電流を励磁コイルに流して、アーマチュアがヨークに吸引保持された状態を維持するために必要な磁気吸引力を発生させる。このようなスイッチング通電を行うことにより印加電圧の平均値を下げて、供給電力を必要とされる電力量となるように低減させることができる。

図２は制御装置１０の回路ブロック図である。この図を参照して説明すると、制御装置１０の電源回路１３は、ブレーキ電源入力端子２１ａ、２１ｂを介して供給される交流をダイオードブリッジ回路からなる整流回路２２を介して全波整流し、しかる後に、定電圧化回路２３を介してブレーキ駆動用の一定電圧（例えば５Ｖ）の直流電流を生成する。アーマチュア吸引／保持切替回路１１は、瞬停時電源回路２５、電源電圧監視／瞬停検出回路２６、初期起動回路（吸引時用信号発生回路）２７、パルス制御部（スイッチング信号発生回路）２８、およびＯＲ回路２９を備えている。

電源電圧監視／瞬停検出回路２７はブレーキ電源のオンオフを監視し、ブレーキ電源１４がオンすると、初期起動回路２７から一定時間だけ吸引時用信号Ｓ１を出力する。パルス制御部２８は一定周期、一定のデューティ比のスイッチング信号（保持用信号）Ｓ２を出力する。吸引時用信号Ｓ１およびスイッチング信号Ｓ２はＯＲ回路２９に供給される。

電圧制御回路１２はスイッチング素子３０を備えている。スイッチング素子３０は、ＯＲ回路２９の出力信号によって駆動制御される。ブレーキ用端子３１ａ、３１ｂを介して、図１（ｂ）に示すように、アーマチュア吸引時には一定電圧の電流が励磁コイルに供給され、吸引後にはスイッチング素子３０によるスイッチングによってパルス状の直流電流が励磁コイルに供給される。

ここで、電源電圧監視／瞬停検出回路２６は瞬停時電源回路２５から電力の供給を受けて動作して、ブレーキ電源１４の瞬停を検出すると共に瞬停の時間幅をカウントする。瞬停の時間幅が予め設定されている時間幅を超えた時には、初期起動回路２７に再吸引要求信号Ｓ３を出力する。この時間幅は、アーマチュアをヨークから釈放するために要する時間幅よりも短い時間幅に設定されている。

初期起動回路２７は再吸引要求信号Ｓ３を受け取ると吸引時用信号Ｓ１を出力する。この結果、励磁コイルに対する通電が、スイッチング通電から一定電圧の連続通電に切り替わり、アーマチュアを吸引するために必要な大きな磁気吸引力が発生してアーマチュアがヨークに再吸引される。

また、電源電圧監視／瞬時検出回路２６は、瞬停の時間幅が、瞬停時電源回路２５による電力供給可能時間を超えると、初期起動回路２７にリスタート信号Ｓ４を出力する。リスタート信号によって初期起動回路２７はブレーキ電源オン前の状態に戻る。瞬停後の電源再投入時にはアーマチュア吸引時用信号Ｓ１が出力され、アーマチュアの吸引動作が行われる。

以上説明したように、本実施の形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ２では、ブレーキ電源１４が入ると、整流回路２２および定電圧化回路２３を介して一定電圧の直流電流が生成され、当該直流電流によって初期起動回路２７が動作し、ＯＲ回路２９にハイレベルの吸引時信号Ｓ１を設定時間（図１（ｂ）の時点ｔ１から時点ｔ２までの間）に亘って連続して出力する。この結果、アーマチュアをばね力に抗してヨークに吸引するアーマチュア吸引動作が行われる。この後は、初期起動回路２７の吸引時信号Ｓ１がローレベルになり、ＯＲ回路２９の出力が、パルス制御回路２８からのスイッチング信号Ｓ２に切り替わる。この結果、スイッチング素子３０がオンオフを繰り返して、励磁コイルに対する供給電力を低減した状態で、アーマチュア吸引保持状態を維持する。これにより、アーマチュア吸引保持状態（ブレーキ開放状態）での電力損失を低減でき発熱も抑制される。

ここで、ブレーキ開放状態において、アーマチュアを釈放する時間よりも短い時間幅の瞬停が発生した場合には、アーマチュアの吸引保持状態が解除されるおそれがないので、スイッチング信号Ｓ２によるスイッチング通電が継続される。これに対して、アーマチュアを釈放する時間よりも長い時間幅の瞬停が発生した場合には、電源電圧監視／瞬停検出回路２６は瞬停時電源回路２５によって動作して、吸引要求信号Ｓ３を初期起動回路２７に出力する。この結果、初期起動回路２７からハイレベルの吸引時信号Ｓ１が出力され、アーマチュアを再吸引する動作が行われる。これにより、瞬停が発生しブレーキが釈放されても、アーマチュアを再吸引することができる。

なお、本例の制御装置１０では、ダイオードブリッジ回路からなる整流回路２２を用いて交流電源からブレーキ駆動用の直流電流を生成しているが、ブレーキ用電源として、電圧変動が２０％以内の直流電源や全波整流された直流を直接用いることもできる。また、制御装置１０は無励磁作動型電磁ブレーキに組み込まれているが、モータ３に内蔵してもよく、モータ３に外付けしてもよい。

本発明を適用した無励磁作動型電磁ブレーキを備えた駆動システムを示す概略構成図、および、励磁電流の電圧波形図である。 図１の無励磁作動型電磁ブレーキの制御装置の回路ブロック図である。

符号の説明

Ａ 駆動システム
１ アクチュエータ
２ 無励磁作動型電磁ブレーキ
３ モータ
４ 減速機
５ エンコーダ
１０ 制御装置
１１ アーマチュア吸引／保持切替回路
１２ 電圧制御回路
１３ 電源回路
１４ ブレーキ電源
２１ａ、２１ｂ ブレーキ電源入力端子
２２ 整流回路
２３ 定電圧化回路
２５ 瞬停電源回路
２６ 電源電圧監視／瞬停検出回路
２７ 初期起動回路
２８ パルス制御部
２９ ＯＲ回路
３０ スイッチング素子
３１ａ、３１ｂ ブレーキ端子

Claims (2)

1. ばね力によって回転部材に押し付けられているアーマチュアを、励磁コイルに通電することにより発生する磁気吸引力によってヨークに吸引して、前記回転部材に作用しているブレーキ力を開放する無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、
   所定の周期および所定のデューティ比でオンオフするスイッチング信号を発生するスイッチング信号発生手段と、
   ブレーキ電源がオンすると、前記アーマチュアを前記ヨークに吸引するために、前記励磁コイルに一定電圧の直流電流を一定時間だけ連続通電する連続通電手段と、
   一定時間の経過後に、前記アーマチュアが前記ヨークに吸引されたブレーキ開放状態を保持するために、前記励磁コイルに対して、前記スイッチング信号を用いて前記一定電圧の直流電流をスイッチング通電するスイッチング通電手段と、
   前記ブレーキ電源の瞬間停止時に電力を供給するための瞬停時電源回路と、
   前記ブレーキ電源の瞬間停止の時間幅が予め定めた停止時間幅を超えると、前記連続通電手段による前記連続通電を行わせる電源電圧監視／瞬停検出回路とを有し、
   前記停止時間幅は、前記アーマチュアを前記ヨークから釈放する時間幅よりも短いことを特徴とする無励磁作動型電磁ブレーキ。
2. 請求項１に記載の無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、
   前記ブレーキ電源は交流ブレーキ電源であり、
   当該交流ブレーキ電源から直流電流を生成するための整流回路を有していることを特徴とする無励磁作動型電磁ブレーキ。

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