JP6508853B2 - 可変速増速機の始動方法及び可変速増速機の始動制御装置 - Google Patents
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Description
本願は、2015年9月4日に出願されたPCT/JP2015/075181について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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。
定速電動機のトルクは、内歯車、遊星歯車、及び遊星歯車キャリアを介して接続されている可変速電動機のロータに伝達されるため、この現象に対応するためには、可変速電動機の容量を大きくする必要がある。
以下、本発明の第一の実施形態の可変速増速機の始動制御装置を有する可変速増速機について、図面を参照して詳細に説明する。
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。可変速増速機1は、可変速電動機71の回転数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Ao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。
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。
定速電動機51は、定速ロータ52を軸線Arの周方向の第一方向(正方向)に回転駆動させる。定速ロータ52が第一方向に回転することによって、内歯車キャリア軸37及び内歯車キャリア31は、第一方向に回転する。
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。
可変速電動機71は、可変速ロータ72を第一方向に回転させることによって発電機として機能する。可変速電動機71が発電機として機能する状態を発電機モードと呼ぶ。即ち、可変速電動機71の可変速ロータ72は、発電機モードにおいて第一方向に回転する。
可変速電動機71は、可変速ロータ72を第一方向とは反対の第二方向に回転させることによって電動機として機能する。可変速電動機71が電動機として機能する状態を電動機モードと呼ぶ。即ち、可変速電動機71の可変速ロータ72は、電動機モードにおいて第二方向に回転する。
可変速ロータ72が第一方向に回転することによって、遊星歯車キャリア軸27及び遊星歯車キャリア21は、第一方向に回転する。
可変速増速機の始動制御装置2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、可変速電動機71を電力供給状態と電力断状態とにする第一スイッチ111と、定速電動機51を電力供給状態と電力断状態とにする第二スイッチ112と、可変速電動機71の電流値を測定する第一電流値測定装置113と、定速電動機51の電流値を測定する第二電流値測定装置114と、回転数制御装置100、第一スイッチ111及び第二スイッチ112の動作を制御する制御部120と、を備えている。
周波数変換部101は、制御部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。
ωs/ωi=ωh/ωi−(1−ωh/ωi )×Zi/Zs ・・・(1)
即ち、本実施形態の変速装置10においては、定速入力軸Acに対応する内歯車17を+1500rpmで正回転させ、可変速入力軸Avに対応する遊星歯車キャリア21を−900rpmで逆回転させることによって、出力軸Aoの回転数ωsが最高回転数となる。
可変速入力軸Avの可変速範囲が−900rpmから+900rpmであるとすると、可変速入力軸Avの回転数が+900rpmに近づくに従って、出力軸Aoの回転数ωsは低くなる。
定速電動機51は、3相4極誘導電動機であり、定速電動機51が始動して電力供給状態になると、図6(b)に示すように、定速電動機51の回転数S2が漸次上昇する。始動後の時間と回転数S2とは略比例している。
定速電動機51のトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する前(時間t2)に定格トルク(100%)を超える場合がある。定格トルクよりも大きくなったトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に達する間に小さくなり、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に達すると、徐々に定格トルクに復帰する。
具体的には、定速電動機51のトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する前に、例えば、定格トルクの130%まで上昇し、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する時点(時間t3)で、例えば、定格トルクの50%まで下降した後、漸次定格トルクまで上昇する。
図6(c)は、可変速電動機71(VM)の始動後における、時間とトルクT1の関係を示すグラフであり、図6(d)は、可変速電動機71の始動後における、時間と回転数S1との関係を示すグラフである。図6(e)は、時間と圧縮機Cのロータが接続される太陽歯車軸12の回転数S3との関係を示すグラフである。
まず、可変速電動機71を電動機モードの略最小回転数で起動する可変速電動機起動工程について説明する。
可変速増速機1の始動方法おいて、制御部120は、外部から可変速増速機1の始動指示を受け付けると(S10)、第一スイッチ111に対してオン指示を出力すると共に(S11)、可変速電動機71を電動機モードの略最小回転数で回転させる(S12)。ここで、最小回転数とは、可変速電動機71に入力される周波数が、回転数制御装置100が設定可能な最小の周波数、又はオペレータ等が予め設定した最小の周波数のときの回転数である。
図7に示すように、可変速電動機71が電動機モードで回転することにより、遊星歯車15を支持する遊星歯車キャリア21は、第二方向R2に回転する。これに伴い、遊星歯車15は、軸線Ar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し、太陽歯車11が回転し始める。
次に、定速電動機51を起動し、定速ロータ52及び内歯車17の第一方向の回転数を漸次上昇させる定速電動機起動工程について説明する。
制御部120は、可変速電動機71の可変速ロータ72が回転し始め、出力軸である太陽歯車軸12が回転し始めると、第二スイッチ112に対してオン指示を出力する(S13、時間t1)。
図7に示すように、定速電動機51の回転により内歯車17が第一方向R1に回転する。即ち、内歯車17と遊星歯車キャリア21とは逆方向に回転する。
即ち、第一方向R1に回転する内歯車17に対して第二方向R2に回転する遊星歯車キャリア21が、定速電動機51のトルクに対して耐えることによって、可変速電動機71にトルクが発生する。
図6(c)に示すように、可変速電動機71のトルクT1の絶対値は、定速電動機51のトルクT2(図6(a))の上昇に伴い、大きくなる。
図6(e)に示すように、太陽歯車軸12の回転数S3は、定速電動機51の回転数S2に応じて上昇する。
次に、電動機モードの可変速電動機71を発電機モードに移行させる発電機モード移行工程について説明する。
制御部120は、第一電流値測定装置113によって測定された電流値に基づいて、可変速電動機71の電流値が、可変速電動機71の定格トルク(−100%、図6(c))に対応する最大電流値に達したか否かを判断する(S14)。可変速電動機71の電流値が最大電流値に達した場合、可変速電動機71を発電機モードにする(S15、時間t2)。
これにより、図6(d)に示すように、可変速電動機71の回転数S1は、−90rpmから、+900rpmに徐々に変化する。
可変速電動機71を発電機モードに移行させることによって、可変速ロータ72と接続された遊星歯車キャリア21が、内歯車17とが同じ方向(第一方向)に回転する。これにより、図6(c)に示すように、歯車を介して定速電動機51から可変速電動機71に伝達されるトルクが逃がされる(時間t2)。即ち、遊星歯車キャリア21が、定速電動機51のトルクに対して耐えることによって、可変速電動機71に発生するトルクが相殺される。これにより、可変速電動機71のトルクT1は、定格トルクを超えることなく、定格トルクを維持する。図6(e)に示すように、出力軸である太陽歯車軸12の回転数Sは、一旦減少する。
次に、発電機モードの可変速電動機71を電動機モードに移行させる電動機モード移行工程について説明する。
制御部120は、定速電動機51の回転数が定格回転数に達したか否かを判断する(S16)。定速電動機51の回転数が定格回転数に達した場合、可変速電動機71を電動機モードに戻す(S17、時間t3)。
そして、可変速増速機1は、可変速範囲(−7500〜−10500rpm)で制御可能となる。即ち、回転数制御装置100を用いて可変速電動機71の回転数を変えることで、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。
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8参照)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8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。
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。
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部120は、制御不能範囲速度制御を実施する。
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。
以下、本発明の第二の実施形態の可変速増速機の始動制御装置を有する可変速増速機について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の可変速増速機1は、可変速電動機71の回転数S1を測定する回転数測定装置124(図1参照)を備えている。
図10は、本実施形態の始動制御装置2による可変速電動機71の回転数S1、及び可変速電動機71を回転させるために発生させる回転磁界の回転数Smのグラフである。
図10において、横軸は時間t、縦軸は演算部123によって演算された電力の周波数fr(以下、指令周波数frと呼ぶ。)によって生じる回転磁界の回転数Sm(同期速度)、及び可変速電動機71の回転数S1(実際の回転数。以下、実回転数S1と呼ぶ。)である。
演算部123は、段階的に指令周波数frを変化させる指示を演算する。この段階的な電力の周波数の変化は、制御部120の演算サイクルに起因する。この指示がインタフェース122を介して周波数変換部101に送られる。これにより、可変速電動機71の回転磁界の回転数Smが段階的に変化するとともに、実回転数S1が段階的に変化する。
S1 > Sm ・・・(2)
発電機モード(プラス側)においては、実回転数S1の絶対値は回転磁界の回転数Smの絶対値よりも大きい。
いずれの場合においても、実回転数S1と回転磁界の回転数Smとの差はΔSである。
発明者らは、発電機モード移行工程における制御を行う場合、制御部120の演算サイクルの間隔が長く(コンピュータのクロック周波数が低く)、実回転数S1の変化に回転磁界の回転数Smが追従できない場合、実回転数S1の変化量が回転磁界の回転数Smの変化量よりも大きくなってしまい、適切に可変速電動機71の回転数の制御を行うことができなくなることを見出した。
fr=f0+Δfs+Δfc ・・・(3)
f0は、変化させる前の電力の周波数(初期周波数)である。
Δfsは、滑り速度Δsに対応する電力の周波数(滑り周波数)である。Δfsは、回転磁界の回転数Smと実回転数S1との差から算出してもよいし、可変速電動機71の仕様に基づいた既定値を用いてもよい。
Δfcは、制御遅れを考慮した指令周波数frの補正値である。Δfcは、可変速増速機1、及び圧縮機Cの装置構成に応じて、シミュレーションなどにより設定することができる。
第二の段階F2では、周波数frを式(3)を用いて算出する。即ち、滑り速度ΔS及び制御遅れを考慮して指令周波数frを算出する。これにより、回転磁界の回転数はSm1となり、実回転数はS11となる。即ち、回転磁界の回転数Smは、滑り速度ΔS及び制御遅れを考慮した回転数ΔScを加えた回転数Sm1に変化する。
以下、目標とする回転数に達するまで、制御部120の演算サイクルにて周波数frを計算する。
Claims (5)
- 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、
前記電動装置は、
前記変速装置の前記内歯車キャリア軸を第一方向に回転させ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遊星歯車キャリア軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第一方向に回転させる発電機モードにて発電機として機能するとともに、前記可変速ロータを前記第一方向とは反対方向の第二方向に回転させる電動機モードにて電動機として機能する可変速電動機と、
を有する可変速増速機の始動方法であって、
前記可変速電動機を前記電動機モードの略最小回転数で起動する可変速電動機起動工程と、
前記定速電動機を起動し、前記定速ロータ及び前記内歯車の前記第一方向の回転数を漸次上昇させる定速電動機起動工程と、
前記可変速電動機の電流値が所定の電流値に達したときに、前記可変速電動機を発電機モードに移行させる発電機モード移行工程と、
前記定速電動機の回転数が定格回転数に達したときに、前記可変速電動機を電動機モードに移行させる電動機モード移行工程と、を備える可変速増速機の始動方法。 - 前記発電機モード移行工程において、前記可変速電動機の電流値が定格電流に達したときに前記可変速電動機を発電機モードに移行させる請求項1に記載の可変速増速機の始動方法。
- 前記電動機モード移行工程において、前記定速電動機の回転数が定格回転数に達したときに前記可変速電動機を電動機モードに移行させる請求項1又は請求項2に記載の可変速増速機の始動方法。
- 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、
前記電動装置は、
前記変速装置の前記内歯車キャリア軸を第一方向に回転させ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遊星歯車キャリア軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第一方向に回転させる発電機モードにて発電機として機能するとともに、前記可変速ロータを前記第一方向とは反対方向の第二方向に回転させる電動機モードにて電動機として機能する可変速電動機と、
を有する可変速増速機の始動制御装置であって、
前記可変速電動機に供給する電力の周波数を変える周波数変換装置と、
前記可変速電動機を電力供給状態と電力断状態とにする第一スイッチと、
前記定速電動機を電力供給状態と電力断状態とにする第二スイッチと、
前記可変速電動機の電流値を測定する第一電流値測定装置と、
前記定速電動機の電流値を測定する第二電流値測定装置と、
前記周波数変換装置に対して、前記可変速電動機に供給する電力の周波数を指示すると共に、前記第一スイッチ及び前記第二スイッチに対してオン、オフを指示する制御部と、を備え、
前記制御部は、始動の指示を受け付けると、前記第一スイッチに対してオンを指示して、前記可変速電動機を前記電力供給状態にすると共に、前記周波数変換装置に対して、予め定められた最小周波数を指示し、前記可変速電動機が前記電動機モードの最小回転数で駆動し始めた後に、前記第二スイッチに対してオンを指示して、前記定速電動機を前記電力供給状態にし、
前記可変速電動機の電流値が所定の電流値に達したときに、前記可変速電動機を前記発電機モードに移行させ、
前記定速電動機の回転数が定格回転数に達したときに、前記可変速電動機を前記電動機モードに移行させる可変速増速機の始動制御装置。 - 前記制御部は、前記可変速電動機を前記発電機モードに移行させる際、前記可変速電動機の滑り、及び制御遅れを加味して周波数を算出する請求項4に記載の可変速増速機の始動制御装置。
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