JP6489628B2 - 可変速電動機システムの制御方法及び可変速電動機システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変速電動機システムの制御方法及び可変速電動機システムの制御装置に関する。

圧縮機等の回転機械を駆動する装置としては、回転駆動力を発生する電動装置と、この電動装置で発生した回転駆動力を変速させて回転機械に伝える変速装置と、を備えているものがある。
特許文献１には、変速比を正確に制御するために、電動装置として定速電動機と変速用の可変速電動機とを用い、変速装置として遊星歯車変速装置を用いたものが記載されている。この装置では、可変速電動機の回転数（回転速度）を変えることで、回転機械に接続される変速装置の出力軸の回転数を変えることができる。

日本国特許第４４７２３５０号公報

可変速電動機として、例えば、３相誘導電動機を用いた場合は、例えば、接続される電源線を入れ替える回路を用いることによって、可変速電動機を正回転及び逆回転させることが可能である。即ち、可変速電動機の回転数を変えると共に、回転方向を変更することによって、可変速電動機の回転数を正方向の最大回転数から、逆方向の最大回転数まで変化させることができる。これにより、可変速電動機を有する可変速電動機システムの可変速範囲を大きくすることができる。

ところで、指示される出力軸の回転数によっては可変速電動機の回転数を０ｒｐｍ近傍にする必要があるが、可変速電動機として誘導電動機を用いた場合は、回転数を０ｒｐｍ近傍に保持することができない。よって、指示された出力軸の回転数を実現することができない場合がある。

本発明は、定速電動機と可変速電動機とからなる電動装置と、電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える遊星歯車変速装置とを備える可変速電動機システムにおいて、変速装置の出力軸の回転数の自由度をより高くすることができる可変速電動機システムの制御方法及び可変速電動機システムの制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、可変速電動機システムの制御方法は、回転駆動力を発生する電動装置と、前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、を備え、前記変速装置は、軸線を中心として自転する太陽歯車と、前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、を有し、前記太陽歯車軸と前記遊星歯車キャリア軸と前記内歯車キャリア軸とのうち、いずれか一つの軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、他の一つの軸が定速入力軸を成し、残りの一つの軸が可変速入力軸を成し、前記電動装置は、前記変速装置の前記定速入力軸に接続されている定速ロータを有する定速電動機と、前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されて正方向及び逆方向の回転数を制御可能な可変速ロータを有し、前記正方向の最小回転数と前記逆方向の最小回転数との間の範囲が制御不能な制御不能範囲である可変速電動機と、を有する可変速電動機システムの制御方法であって、前記出力軸の回転数の指示を受け付ける工程と、前記出力軸の回転数に基づいて前記可変速電動機が回転数を演算する工程と、演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であるか判定する工程と、演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であった場合に、前記可変速電動機を前記正方向の最小回転数で駆動する正方向最小回転数指示と、前記可変速電動機を前記逆方向の最小回転数で駆動する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する制御不能範囲速度制御工程と、を含む。

このような構成によれば、可変速電動機システムの出力軸の回転数を制御するにあたって、より回転数の自由度を高めることができる。即ち、可変速電動機の制御不能範囲に回転数を設定する場合においても、平均回転数がその回転数となるように、可変速電動機を回転駆動させることによって、出力軸の回転数を所望の回転数に近似することができる。

上記可変速電動機システムの制御方法において、前記正方向最小回転数指示の長さと前記逆方向最小回転数指示との割合を可変とすることによって、前記制御不能範囲における前記可変速電動機の回転数を制御してもよい。

本発明の第二の態様によれば、可変速電動機システムの制御装置は、回転駆動力を発生する電動装置と、前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、を備え、前記変速装置は、軸線を中心として自転する太陽歯車と、前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、を有し、前記太陽歯車軸と前記遊星歯車キャリア軸と前記内歯車キャリア軸とのうち、いずれか一つの軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、他の一つの軸が定速入力軸を成し、残りの一つの軸が可変速入力軸を成し、前記電動装置は、前記変速装置の前記定速入力軸に接続されている定速ロータを有する定速電動機と、前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されて正方向及び逆方向の回転数を制御可能な可変速ロータを有し、前記正方向の最小回転数と前記逆方向の最小回転数との間の範囲が制御不能な制御不能範囲である可変速電動機と、を有する可変速電動機システムの制御装置であって、指示された前記出力軸の回転数に基づいて演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であった場合に、前記可変速電動機を前記正方向の最小回転数で駆動する正方向最小回転数指示と、前記可変速電動機を前記逆方向の最小回転数で駆動する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する。

本発明によれば、可変速電動機システムの出力軸の回転数を制御するにあたって、より回転数の自由度を高めることができる。即ち、可変速電動機の制御不能範囲に回転数を設定する場合においても、平均回転数がその回転数となるように、可変速電動機を回転駆動させることによって、出力軸の回転数を所望の回転数に近似することができる。

本発明に係る実施形態の可変速電動機システムの断面図である。 本発明に係る実施形態の変速装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の電動装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の変速装置の構成を示す模式図である。 本発明に係る実施形態の制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る実施形態の可変速電動機の制御不能範囲速度制御における回転数指示値を示すグラフである。 本発明に係る実施形態の可変速電動機の制御不能範囲速度制御における回転数指示値を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態の可変速電動機システムについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の可変速電動機システム１は、回転駆動力を発生する電動装置５０と、電動装置５０で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置１０と、を備えている。可変速電動機システム１は、例えば、圧縮機システム等の流体機械システムに適用することができる。
電動装置５０は、定速入力軸Ａｃとしての内歯車キャリア軸３７を定速で回転駆動させる定速電動機５１と、可変速入力軸Ａｖとしての入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉを任意の回転数で回転駆動させる可変速電動機７１とを有している。可変速電動機システム１は、可変速電動機７１の回転数（回転速度）を変えることによって、駆動対象に接続される変速装置１０の出力軸の回転数を変えることができる。
電動装置５０は、電動装置支持部５０Ｓによって架台９０に支持されている。変速装置１０は、変速装置支持部１０Ｓによって架台９０に支持されている。これら支持部により、重量物である電動装置５０及び変速装置１０の確実な固定が可能となる。

変速装置１０は、遊星歯車変速装置である。この変速装置１０は、図２に示すように、水平方向に延在する軸線Ａｒを中心として自転する太陽歯車１１と、太陽歯車１１に固定されている太陽歯車軸１２と、太陽歯車１１と噛み合い、軸線Ａｒを中心として公転すると共に自身の中心線Ａｐを中心として自転する複数の遊星歯車１５と、軸線Ａｒを中心として環状に複数の歯が並び、複数の遊星歯車１５と噛み合う内歯車１７と、複数の遊星歯車１５を、軸線Ａｒを中心として公転可能に且つ遊星歯車１５自身の中心線Ａｐを中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリア２１と、内歯車１７を、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する内歯車キャリア３１と、これらを覆う変速ケーシング４１と、を有する。

ここで、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向とし、この軸方向の一方側を出力側、この出力側の反対側を入力側とする。また、以下では、この軸線Ａｒを中心とする径方向を単に径方向という。

太陽歯車軸１２は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、太陽歯車１１から軸方向の出力側に延びている。この太陽歯車軸１２の出力側端部には、フランジ１３が形成されている。このフランジ１３には、例えば、駆動対象としての圧縮機Ｃのロータが接続される。太陽歯車軸１２は、太陽歯車１１の出力側に配置されている太陽歯車軸受４２により、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持されている。太陽歯車軸受４２は、変速ケーシング４１に取り付けられている。

遊星歯車キャリア２１は、複数の遊星歯車１５毎に設けられている遊星歯車軸２２と、複数の遊星歯車軸２２相互の位置を固定するキャリア本体２３と、キャリア本体２３に固定され軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸２７と、を有する。

遊星歯車軸２２は、遊星歯車１５の中心線Ａｐを軸方向に貫通し、遊星歯車１５をその中心線を中心として自転可能に支持する。キャリア本体２３は、複数の遊星歯車軸２２から径方向外側に延びる出力側アーム部２４と、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し出力側アーム部２４の径方向外側端から入力側に延びる円筒部２５と、円筒部２５の出力側端から径方向内側に延びる入力側アーム部２６と、を有する。

遊星歯車キャリア軸２７は、出力側アーム部２４から出力側に延びる出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと、入力側アーム部２６から入力側に延びる入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉと、を有する。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉとは、いずれも、軸線Ａｒを中心として円筒状を成す。
出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、出力側アーム部２４よりも出力側に配置されている遊星歯車キャリア軸受４３により、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持されている。遊星歯車キャリア軸受４３は、変速ケーシング４１に取り付けられている。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏの内周側には、太陽歯車軸１２が挿通されている。
入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、入力側アーム部２６よりも入力側に配置されている遊星歯車キャリア軸受４４により、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持されている。この遊星歯車キャリア軸受４４は、変速ケーシング４１に取り付けられている。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの入力側端には、径方向外側に向かって広がる環状のフランジ２８が形成されている。

内歯車キャリア３１は、内歯車１７が固定されているキャリア本体３３と、キャリア本体３３に固定され軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸３７と、を有する。

キャリア本体３３は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に内歯車１７が固定されている円筒部３５と、円筒部３５の入力側端から径方向内側に延びる入力側アーム部３６と、を有する。

内歯車キャリア軸３７は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、同じく軸線Ａｒを中心として円柱状を成す太陽歯車軸１２の入力側に配置されている。キャリア本体３３の入力側アーム部３６は、内歯車キャリア軸３７に固定されている。内歯車キャリア軸３７の入力側端には、径方向外側に向かって広がる環状又は円板状のフランジ３８が形成されている。内歯車キャリア軸３７の入力側の部分は、円筒状の入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの内周側に挿通されている。内歯車キャリア軸３７のフランジ３８と、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉのフランジ２８とは、軸方向における位置がほぼ一致している。

図３に示すように、定速電動機５１は、定速ロータ延長軸５５を介して変速装置１０の内歯車キャリア軸３７を回転駆動させる。可変速電動機７１は、変速装置１０の入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉを回転駆動させる。電動装置５０は、定速電動機５１及び可変速電動機７１を冷却するための冷却ファン９１と、この冷却ファン９１を覆うファンカバー９２と、を有する。

本実施形態において、定速電動機５１は、例えば、３相４極の誘導電動機である。また、可変速電動機７１は、極数が定速電動機５１よりも多い６極の誘導電動機である。なお、定速電動機５１及び可変速電動機７１の仕様はこれに限ることはなく、適宜仕様を変更することができる。

定速電動機５１は、軸線Ａｒを中心として自転し、変速装置１０の定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７に接続される定速ロータ５２と、定速ロータ５２の外周側に配置されている定速ステータ６６と、定速ステータ６６が内周側に固定されている定速電動機ケーシング６１と、を有している。

定速ロータ５２は、定速ロータ軸５３と、定速ロータ軸５３の外周に固定されている導体５６と、を有する。また、定速ロータ軸５３は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、その外周に導体５６が固定されている定速ロータ本体軸５４と、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、定速ロータ本体軸５４の出力側に固定されている定速ロータ延長軸５５と、を有する。
定速ロータ延長軸５５の軸方向の両端には、それぞれ、径方向外側に向かって広がる環状又は円板状のフランジ５５ｉ，５５ｏが形成されている。定速ロータ本体軸５４の出力側端には、径方向外側に向かって広がる環状又は円板状のフランジ５４ｏが形成されている。定速ロータ延長軸５５と定速ロータ本体軸５４とは、それぞれのフランジ５５ｉ，５５ｏ，５４ｏが互いにボルト等で接続されていることで、一体化している。定速ロータ本体軸５４の入力側端には、冷却ファン９１が固定されている。

定速ステータ６６は、定速ロータ５２の導体５６の径方向外側に配置されている。この定速ステータ６６は、複数のコイルで形成されている。

定速電動機ケーシング６１は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に定速ステータ６６が固定されているケーシング本体６２と、円筒状のケーシング本体６２の軸方向の両端を塞ぐ蓋６３ｉ，６３ｏとを有している。各々の蓋６３ｉ，６３ｏには、定速ロータ本体軸５４を、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する定速ロータ軸受６５ｉ，６５ｏが取り付けられている。また、各々の蓋６３ｉ，６３ｏには、定速ロータ軸受６５ｉ，６５ｏよりも径方向外側の位置で、軸方向に貫通する複数の開口６４が形成されている。

定速ロータ本体軸５４の入力側端は、定速電動機ケーシング６１の入力側の蓋６３ｉから、入力側に突出している。この定速ロータ本体軸５４の入力側端に、前述の冷却ファン９１が固定されている。このため、定速ロータ５２が回転すると、冷却ファン９１も定速ロータ５２と一体的に回転する。ファンカバー９２は、冷却ファン９１の外周側に配置されている円筒状のカバー本体９３と、カバー本体９３の入口側の開口に取り付けられ、複数の空気孔が形成されている空気流通板９４と、を有する。このファンカバー９２は、定速電動機ケーシング６１の入力側の蓋６３ｉに固定されている。

可変速電動機７１は、軸線Ａｒを中心として自転し、可変速入力軸Ａｖである入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉに接続される可変速ロータ７２と、可変速ロータ７２の外周側に配置されている可変速ステータ８６と、可変速ステータ８６が内周側に固定されている可変速電動機ケーシング８１と、を有している。

可変速ロータ７２は、可変速ロータ軸７３と、可変速ロータ軸７３の外周に固定されている導体７６と、を有する。可変速ロータ軸７３は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、軸方向に貫通した軸挿通孔７４が形成されている。可変速ロータ軸７３の軸挿通孔７４には、定速ロータ延長軸５５が挿通されている。可変速ロータ軸７３の出力側端には、径方向外側に向かって広がる環状のフランジ７３ｏが形成されている。可変速ロータ軸７３のフランジ７３ｏと、定速ロータ延長軸５５の出力側端に形成されているフランジ５５ｏとは、軸方向における位置がほぼ一致している。

可変速ステータ８６は、可変速ロータ７２の導体５６，７６の径方向外側に配置されている。この可変速ステータ８６は、複数のコイルで形成されている。

可変速電動機ケーシング８１は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に可変速ステータ８６が固定されているケーシング本体８２と、円筒状のケーシング本体８２の出力側端を塞ぐ出力側蓋８３ｏと、可変速ステータ８６よりも入力側に配置され円筒状のケーシング本体８２の内周側に固定されている入口側蓋８３ｉと、を有している。各々の蓋８３ｉ，８３ｏには、可変速ロータ軸７３を、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する可変速ロータ軸受８５ｉ，８５ｏが取り付けられている。また、各々の蓋８３ｉ，８３ｏには、可変速ロータ軸受８５ｉ，８５ｏよりも径方向外側の位置で、軸方向に貫通する複数の開口８４が形成されている。

以上のように、可変速電動機ケーシング８１の各々の蓋８３ｉ，８３ｏに形成されている複数の開口８４、及び、定速電動機ケーシング６１の各蓋６３ｉ，６３ｏに形成されている複数の開口６４により、可変速電動機ケーシング８１内の空間と定速電動機ケーシング６１内の空間とが連通している。

また、本実施形態の可変速電動機システム１において、定速ロータ５２と、可変速ロータ７２と、太陽歯車軸１２とは同一の軸線上に配置されている。

本実施形態の可変速電動機システム１は、さらに、可変速入力軸Ａｖである入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉと可変速ロータ７２との間に配置され、両者を接続する可変速用フレキシブルカップリング９５と、定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７と定速ロータ５２との間に配置され、両者を接続する定速用フレキシブルカップリング９７と、を備えている。

可変速電動機システム１は、可変速電動機７１の回転数を制御する回転数制御装置１００と、回転数制御装置１００の動作を制御する制御装置１２０と、を備えている。回転数制御装置１００は、可変速電動機７１と電気的に接続されている。

制御装置１２０は、コンピュータで構成されている。制御装置１２０は、オペレータからの指示を直接受け付ける又は上位制御装置からの指示を受け付ける受付部１２１と、回転数制御装置１００に指示を与えるインタフェース１２２と、受付部１２１で受け付けた指示等に応じて、回転数制御装置１００に対する指示を作成する演算部１２３と、を有する。

回転数制御装置１００は、図示しない電力原から供給される電力の周波数を変える周波数変換部１０１と、可変速ロータ７２の回転方向を変更する回転方向変更部１０２と、を備えている。
周波数変換部１０１は、制御装置１２０から指示された周波数の電力を可変速電動機７１に供給する。可変速電動機７１の可変速ロータ７２は、この周波数に応じた回転数で回転する。このように、可変速ロータ７２の回転数が変化するため、可変速ロータ７２に接続されている変速装置１０の遊星歯車キャリア２１の回転数も変化する。この結果、変速装置１０の出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数も変化する。
回転方向変更部１０２は、可変速電動機７１に接続されている複数（本実施形態の場合３本）の電源線を入れ替える回路を用いることによって、可変速電動機７１の回転方向を変更する装置である。即ち、回転方向変更部１０２は、可変速ロータ７２を正回転、及び逆回転させることができる。

ここで、変速装置１０の各歯車の歯数と、変速装置１０の各軸の回転数との関係について、図４を用いて説明する。

出力軸Ａｏとしての太陽歯車軸１２の回転数をωｓ、定速入力軸Ａｃとしての内歯車キャリア軸３７の回転数をωｉ、可変速入力軸Ａｖとしての入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転数をωｈとする。また、太陽歯車１１の歯数をＺｓ、内歯車１７の歯数をＺｉとする。

この場合、各歯車の歯数と、変速装置１０の各軸の回転数との関係は、以下の式（１）で表すことができる。
ωｓ／ωｉ＝ωｈ／ωｉ−（１−ωｈ／ωｉ ）×Ｚｉ／Ｚｓ ・・・（１）

仮に、定速電動機５１が４極の誘導電動機で、電源周波数が５０Ｈｚの場合、定速ロータ５２（定速入力軸Ａｃ）の回転数ωｉ（定格回転数）は１５００ｒｐｍとなる。また、可変速電動機７１が６極の誘導電動機で、電源周波数が５０Ｈｚの場合、可変速ロータ７２（可変速入力軸Ａｖ）の最高回転数ωｈ（定格回転数）は９００ｒｐｍとなる。
また、仮に、太陽歯車１１の歯数Ｚｓと内歯車１７の歯数Ｚｉと比Ｚｉ／Ｚｓを４とする。

この場合、定速ロータ５２の回転の向きを正回転とし、可変速ロータ７２の回転の向きが定速ロータ５２の回転と逆向きの最大回転数（−９００ｒｐｍ）であると、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数ωｓは、−１０５００ｒｐｍとなる。

定速ロータ５２の回転の向きを正回転とし、可変速ロータ７２の回転の向きが定速ロータ５２の回転と同じ向きの最大回転数（９００ｒｐｍ）であると、太陽歯車軸１２の回転数は、−１５００ｒｐｍとなる。

このため、仮に、定速ロータ５２の回転数（定格回転数）が＋１５００ｒｐｍで、周波数変換部１０１による周波数制御で、可変速ロータ７２の回転数を９００ｒｐｍ（正回転）〜−９００ｒｐｍ（逆回転）の範囲で制御できる場合、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数を−１５００〜−１０５００ｒｐｍの範囲に制御することができる。この範囲は、可変速電動機システム１の出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の可変速範囲であり、可変速電動機システム１は、通常この可変速範囲で出力軸Ａｏを回転させる。

電動装置５０を構成する定速電動機５１及び可変速電動機７１が、上述した仕様である場合、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数を−６０００ｒｐｍとするためには、可変速ロータ７２の回転数を０ｒｐｍにする必要がある。換言すれば、可変速電動機システム１を構成する可変速電動機７１の回転数の変動範囲が、正の回転数から負の回転数に及ぶ場合、指示される出力軸Ａｏの回転数によっては、可変速電動機７１の回転数を０ｒｐｍにする必要が生じる。

ここで、本実施形態の可変速電動機７１は、６極の相誘導電動機であり、回転数を０ｒｐｍ近傍に制御することはできない。本実施形態の可変速電動機７１は、例えば、定格回転数の１０％以下である−９０ｒｐｍから９０ｒｐｍの範囲が、回転数が制御不能である制御不能範囲である。即ち、本実施形態の可変速電動機７１の最小回転数は９０ｒｐｍである。最小回転数９０ｒｐｍにおいて可変速電動機７１に供給される電力は、電源周波数（５０Ｈｚ）の１０％の５Ｈｚである。

次に、本実施形態の可変速電動機システム１の制御方法について、図５に示すフローチャート、図６、図７に示すグラフに従って説明する。
可変速電動機７１の始動後、即ち、定速電動機５１が定格回転数の１５００ｒｐｍで回転駆動し、可変速電動機７１が、例えば、最小回転数の９０ｒｐｍで回転駆動している状態で、制御装置１２０の受付部１２１は、外部から出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数の指示を受け付ける（Ｓ１０）。出力軸Ａｏの可変速範囲は、−１５００ｒｐｍ〜−１０５００ｒｐｍである。

受付部１２１が出力軸Ａｏの回転数の指示を受け付けると、演算部１２３は演算を実施して、出力軸Ａｏの回転数に対応する可変速電動機７１の回転数を導出する（Ｓ１１）。即ち、指示された出力軸Ａｏの回転数を実現するための可変速電動機７１の回転数を演算する。

次に、制御装置１２０は、導出された可変速電動機７１の回転数が可変速電動機７１の制御不能回転数か否かを判断する（Ｓ１２）。
例えば、指示された出力軸Ａｏの回転数が−１０５００ｒｐｍであるとすると、出力軸Ａｏの回転数を−１０５００ｒｐｍとするための可変速電動機７１の回転数は−９００ｒｐｍであるという演算結果が導出される。

−９００ｒｐｍは、制御不能回転数ではないため、インタフェース１２２は、演算結果の回転数を回転数制御装置１００に指示する（Ｓ１４）。
回転数制御装置１００は、周波数変換部１０１を用いて可変速電動機７１に供給する電力の周波数を９００ｒｐｍに対応する５０Ｈｚにするとともに、回転方向変更部１０２を用いて可変速電動機７１の回転方向を逆方向に設定する。これにより、可変速電動機７１の回転数が−９００ｒｐｍとなり、太陽歯車軸１２の回転数が−１０５００ｒｐｍとなる。

次に、演算部１２３により導出された可変速電動機７１の回転数が、可変速電動機７１の制御不能範囲であった場合の制御方法について説明する。
例えば、制御装置１２０の受付部１２１が、太陽歯車軸１２の回転数を−６０００ｒｐｍとする指示を受け付けると、演算部１２３は演算を実施し、太陽歯車軸１２の回転数を−６０００ｒｐｍとするための可変速電動機７１の回転数が０ｒｐｍであるという演算結果を導出する。

０ｒｐｍは可変速電動機７１の制御不能範囲である。即ち、可変速電動機７１は、可変速ロータ７２を０ｒｐｍに維持することができない。
制御装置１２０は、演算結果が可変速電動機７１の制御不能範囲であると判断すると、制御不能範囲速度制御を実施する（Ｓ１３）。
制御不能範囲速度制御は、可変速電動機７１を正方向の最小回転数（９０ｒｐｍ）で駆動する指示を発する正方向最小回転数指示Ｐ１（図６参照）と、可変速電動機７１を逆方向の最小回転数で駆動する指示を発する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する制御である。この制御により、可変速電動機７１の回転数が０ｒｐｍ近傍の速度に近似される。

図６、図７は、横軸を時間、縦軸を可変速電動機７１に供給される周波数（５０Ｈｚに対する割合、逆回転の場合マイナスで示す）、及び可変速電動機７１の回転数としたグラフである。
図６に示すように、制御不能範囲速度制御を行うと、インタフェース１２２は回転数制御装置１００に、周波数５Ｈｚ（電源周波数の１０％）で可変速ロータ７２を正回転させる命令と、周波数５Ｈｚで可変速ロータ７２を逆回転させる命令と、を繰り返し交互に発する。正方向最小回転数指示Ｐ１とこれに連続する逆方向最小回転数指示Ｐ２とからなる周期Ｔは一定である。

周期Ｔにおける、正方向最小回転数指示Ｐ１と、逆方向最小回転数指示Ｐ２の時間（パルス幅）は等しい。これにより、可変速電動機７１の回転数は、一点鎖線で示すように、サインカーブ状に変動する。即ち、正回転と逆回転を繰り返す。
正方向最小回転数指示Ｐ１と、逆方向最小回転数指示Ｐ２の時間を等しくすることにより、回転数の平均を０ｒｐｍとすることができる。即ち、可変速ロータ７２を回転させながら、０ｒｐｍの回転数を近似することができる。

次に、可変速電動機７１の回転数が制御不能範囲であって、０ｒｐｍ以外である場合の制御方法について説明する。
指示される出力軸Ａｏの回転数が−５７００ｒｐｍである場合、演算部１２３によって導出される可変速電動機７１の回転数は６０ｒｐｍである。６０ｒｐｍは可変速電動機７１の制御不能範囲であるため制御装置１２０は、制御不能範囲速度制御を実施する（Ｓ１３）。

図７に示すように、制御装置１２０は、６０ｒｐｍを近似するために、正方向最小回転数指示Ｐ１と、逆方向最小回転数指示Ｐ２の時間を異ならせる。具体的には、可変速電動機７１の回転数の平均値が６０ｒｐｍとなるように、正方向最小回転数指示Ｐ１の時間を長くすると共に、逆方向最小回転数指示Ｐ２の時間を短くする。

ここで、例えば、Ｐ１：Ｐ２＝５：５とすれば、回転数０ｒｐｍを近似することができ、Ｐ１：Ｐ２＝１００とすれば、回転数は９０ｒｐｍとなる。このように、正方向最小回転数指示Ｐ１と逆方向最小回転数指示Ｐ２の割合を可変とすることによって、制御不能範囲の回転数を近似することができる。正方向最小回転数指示Ｐ１の割合を多くすることによって、近似される可変速電動機７１の回転数（可変速電動機７１の平均回転数）は、９０ｒｐｍに近づき、逆方向最小回転数指示Ｐ２の割合を多くすることによって、近似される可変速電動機７１の回転数は、−９０ｒｐｍに近づく。

上記実施形態によれば、定速電動機５１と可変速電動機７１とからなる電動装置５０と、電動装置５０で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える遊星歯車変速装置１０とを備える可変速電動機システム１の出力軸の回転数を制御するにあたって、より回転数の自由度を高めることができる。
即ち、可変速電動機７１の制御不能範囲に回転数を設定する場合においても、平均回転数がその回転数となるように、可変速電動機７１を回転駆動させることによって、出力軸の回転数を所望の回転数に近似することができる。

この制御不能範囲速度制御は、誘導電動機の可変速制御において、Ｖ／Ｆ制御（ＶＶＶＦ制御）を行う際により効果的である。Ｖ／Ｆ制御は、一般的に、ベクトル制御やＤＴＣ（ダイレクトトルクコントロール）制御と比較して、トルクリップルが小さいという利点がある反面、電動機の制御不能範囲が大きくなってしまうという欠点がある。本実施形態の制御不能範囲速度制御を用いることによって、Ｖ／Ｆ制御を実施する場合においても可変速電動機の制御範囲を大きくすることができる。

また、本実施形態では、変速装置１０の軸線Ａｒ上に定速電動機５１の定速ロータ５２及び可変速電動機７１の可変速ロータ７２を配置しているので、変速装置１０の軸線Ａｒから径方向に離れた位置に定速ロータ５２及び可変速ロータ７２を配置する場合よりも、全体として小型化を図ることができる。さらに、本実施形態では、変速装置１０の軸線Ａｒから径方向に離れた位置に定速ロータ５２及び可変速ロータ７２を配置する場合のように、ベルトやプーリー等の伝達機構を設ける必要がないため、この観点からの装置の小型化、さらに部品点数の減少による製造コストの低減を図ることができる。また、本実施形態では、変速装置１０の軸線Ａｒから径方向に離れた位置に定速ロータ５２及び可変速ロータ７２を配置する場合のように、ベルトやプーリー等の伝達機構を設ける必要がないため、変速装置１０の軸線Ａｒ上に位置する軸に対してベルト等から曲げ荷重がかからず、振動の低減も図ることができる。

本実施形態では、電動装置５０の定速ロータ５２と変速装置１０の定速入力軸Ａｃとを定速用フレキシブルカップリング９７で接続しているので、定速ロータ５２と定速入力軸Ａｃとの間の偏芯・偏角・振れを許容することができる。さらに、本実施形態では、電動装置５０の可変速ロータ７２と変速装置１０の可変速入力軸Ａｖとを可変速用フレキシブルカップリング９５で接続しているので、可変速ロータ７２と可変速入力軸Ａｖとの間の偏芯・偏角・振れを許容することができる。このため、本実施形態では、電動装置５０に対する変速装置１０の芯出し作業の手間を最小限に抑えることができると共に、電動装置５０から変速装置１０への軸振れの伝達、変速装置１０から電動装置５０への軸振れの伝達を抑制することができる。

本実施形態では、定速電動機ケーシング６１に対して可変速電動機ケーシング８１が固定されている。このため、本実施形態では、可変電動機システムの製造工場からの出荷前に、定速ロータ５２に対して、可変速ロータ７２を正確に位置決め（芯出し）を行うことができる。よって、本実施形態では、設置現場において、定速ロータ５２に対する可変速ロータ７２の位置決め作業を省くことができる。

本実施形態では、定速ロータ５２が回転すると、この定速ロータ５２の端に設けられている冷却ファン９１も回転する。この冷却ファン９１の回転により、外部の空気が定速電動機ケーシング６１内に流入して、定速ロータ５２や定速ステータ６６等を冷却する。さらに、本実施形態では、定速電動機ケーシング６１と可変速電動機ケーシング８１とが連通しているため、定速電動機ケーシング６１内に流入した空気が可変速電動機ケーシング８１内にも流入して、可変速ロータ７２や可変速ステータ８６等を冷却する。よって、本実施形態では、一つの冷却ファン９１で、二つの電動機を冷却することができ、この観点から、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態では、定速ロータ５２と、可変速ロータ７２と、太陽歯車軸１２とが同一の軸線上に配置されていることによって、可変電動機システムの据え付けスペース（設置空間）を少なくすることができる。また、回転を伝達するための部品（かさ歯車など）が不要となり、部品点数の増加を抑制、製造コストの低減を図ることができる。
また、本実施形態では、軸挿通孔７４が形成された円筒状の軸である可変速ロータ軸７３に棒状の軸である定速ロータ軸５３（定速ロータ延長軸５５）が挿通されている。即ち、出力の大きな定速電動機５１の定速ロータ軸５３が定速電動機５１よりも出力の小さい可変速電動機７１の可変速ロータ軸７３に挿通されている。これにより、定速電動機５１としてより大きな出力（馬力）のあるものを採用することができる。
また、本実施形態では、定速電動機５１、可変速電動機７１、変速装置、圧縮機Ｃの順に直線状に配置していることにより、装置全体をよりコンパクトにすることができる。

なお、上記実施形態では、定速ロータ５２と、可変速ロータ７２と、太陽歯車軸１２とを同一の軸線上に配置しているがこれに限ることはない。例えば、可変速電動機７１を、可変速ロータ７２の軸線が定速ロータ５２の軸線と平行であって異なる位置となるように配置してもよい。

また、上記実施形態の可変電動機システムは、いずれも、駆動対象を圧縮機Ｃとし、この圧縮機Ｃを７５００ｒｐｍ以上の高速回転させるものである。以上の各実施形態の可変電動機システムは、このように駆動対象を高速回転させるため、変速装置１０により、定速電動機５１の回転数を増速させている。このため、上記実施形態の変速装置１０では、太陽歯車軸１２を出力軸Ａｏとし、内歯車キャリア軸３７を定速入力軸Ａｃとし、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉを可変速入力軸Ａｖとしている。

しかしながら、本発明における変速装置は、例えば、定速電動機５１の回転数を減速するためのものであってもよい。この場合、太陽歯車軸１２を定速入力軸Ａｃとし、遊星歯車キャリア軸２７を可変速入力軸Ａｖとし、内歯車キャリア軸３７を出力軸Ａｏとしてもよい。また、例えば、太陽歯車軸１２を以上の実施形態と同様に出力軸Ａｏとし、内歯車キャリア軸３７を可変速入力軸Ａｖとし、遊星歯車キャリア軸２７を定速入力軸Ａｃとしてもよい。以上のように、太陽歯車軸１２、遊星歯車キャリア軸２７、内歯車キャリア軸３７のうち、いずれか一の軸を出力軸Ａｏとし、他の軸を定速入力軸Ａｃとし、残りの軸を可変速入力軸Ａｖとするかは、入力に対して出力を増速させるか否か、出力の増減速の変化範囲等により、適宜設定される。

また、上記実施形態では、圧縮機Ｃを高速回転させるために好適な定速電動機５１として、４極の誘導電動機を例示し、圧縮機Ｃの回転数を一定の範囲内で可変速させるために好適な可変速電動機７１として、６極の誘導電動機を例示している。しかしながら、駆動対象を高速回転させる必要がない場合には、定速電動機５１や可変速電動機７１として他のタイプの電動機を用いてもよい。

また、上記実施形態では、可変速ロータ７２に軸挿通孔７４が形成され、軸挿通孔７４に定速ロータ５２が挿通されるが、定速ロータに軸挿通孔が形成され、この軸挿通孔に可変速ロータが挿通される構成としてもよい。

また、上記各実施形態では、可変速ロータ７２と可変速入力軸Ａｖとを接続する可変速用フレキシブルカップリング９５が第一フレキシブルカップリングを成し、定速ロータ５２と定速入力軸Ａｃとを接続する定速用フレキシブルカップリング９７が第二フレキシブルカップリングを成している。しかしながら、定速用フレキシブルカップリングが可変速用フレキシブルカップリングの外周側に配置される場合、定速用フレキシブルカップリングが第一フレキシブルカップリングを成し、可変速用フレキシブルカップリングが第二フレキシブルカップリングを成すことになる。

本発明の一態様では、可変速電動機システムの可変速範囲の自由度を高めることができる。

１：可変速電動機システム、１０：変速装置（遊星歯車変速装置）、１１：太陽歯車、１２：太陽歯車軸、１５：遊星歯車、１７：内歯車、２１：遊星歯車キャリア、２２：遊星歯車軸、２３：キャリア本体、２７：遊星歯車キャリア軸、２７ｉ：入力側遊星歯車キャリア軸、２８：フランジ、３１：内歯車キャリア、３３：キャリア本体、３７：内歯車キャリア軸、３８：フランジ、４１：変速ケーシング、５０：電動装置、５１：定速電動機、５２：定速ロータ、５３：定速ロータ軸、５４：定速ロータ本体軸、５５：定速ロータ延長軸、５６：導体、６１：定速電動機ケーシング、６２：ケーシング本体、６３ｉ，６３ｏ：蓋、６４：開口、６６：定速ステータ、７１：可変速電動機、７１Ｓ：可変速電動機支持部、７２：可変速ロータ、７３：可変速ロータ軸、７３ｏ：フランジ、７４：軸挿通孔、７６：導体、８１：可変速電動機ケーシング、８２：ケーシング本体、８３ｉ，８３ｏ：蓋、８４：開口、８６：可変速ステータ、９１：冷却ファン、１００：回転数制御装置、１０１：周波数変換部、１０２：回転方向変更部、１１６：キャリア本体、１１７：伝達部、１１８：キャリア軸歯車、１１９：キャリア本体歯車、１２０：制御装置、Ａｐ：中心線、Ａｒ：軸線

Claims (3)

1. 回転駆動力を発生する電動装置と、
   前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、
   を備え、
   前記変速装置は、
   軸線を中心として自転する太陽歯車と、
   前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、
   前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、
   前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、
   前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、
   前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、
   を有し、
   前記太陽歯車軸と前記遊星歯車キャリア軸と前記内歯車キャリア軸とのうち、いずれか一つの軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、他の一つの軸が定速入力軸を成し、残りの一つの軸が可変速入力軸を成し、
   前記電動装置は、
   前記変速装置の前記定速入力軸に接続されている定速ロータを有する定速電動機と、
   前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されて正方向及び逆方向の回転数を制御可能な可変速ロータを有し、前記正方向の最小回転数と前記逆方向の最小回転数との間の範囲が制御不能な制御不能範囲である可変速電動機と、
   を有する可変速電動機システムの制御方法であって、
   前記出力軸の回転数の指示を受け付ける工程と、
   前記出力軸の回転数に基づいて前記可変速電動機が回転数を演算する工程と、
   演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であるか判定する工程と、
   演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であった場合に、前記可変速電動機を前記正方向の最小回転数で駆動する正方向最小回転数指示と、前記可変速電動機を前記逆方向の最小回転数で駆動する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する制御不能範囲速度制御を行う工程と、を含む可変速電動機システムの制御方法。
2. 前記正方向最小回転数指示の長さと前記逆方向最小回転数指示との割合を可変とすることによって、前記制御不能範囲における前記可変速電動機の回転数を近似する請求項１に記載の可変速電動機システムの制御方法。
3. 回転駆動力を発生する電動装置と、
   前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、
   を備え、
   前記変速装置は、
   軸線を中心として自転する太陽歯車と、
   前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、
   前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、
   前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、
   前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、
   前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、
   を有し、
   前記太陽歯車軸と前記遊星歯車キャリア軸と前記内歯車キャリア軸とのうち、いずれか一つの軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、他の一つの軸が定速入力軸を成し、残りの一つの軸が可変速入力軸を成し、
   前記電動装置は、
   前記変速装置の前記定速入力軸に接続されている定速ロータを有する定速電動機と、
   前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されて正方向及び逆方向の回転数を制御可能な可変速ロータを有し、前記正方向の最小回転数と前記逆方向の最小回転数との間の範囲が制御不能な制御不能範囲である可変速電動機と、
   を有する可変速電動機システムの制御装置であって、
   指示された前記出力軸の回転数に基づいて演算された前記可変速電動機の回転数が前記制御不能範囲であった場合に、前記可変速電動機を前記正方向の最小回転数で駆動する正方向最小回転数指示と、前記可変速電動機を前記逆方向の最小回転数で駆動する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する可変速電動機システムの制御装置。

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