JP6548101B2 - 可変速増速機 - Google Patents

Description

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増速機に関する。

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、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を変えることで、回転機械に接続される遊星歯車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

上記可変速増速機において、例えば、過電圧、過電流などが原因で電動装置がトリップ（停止）することがある。このような場合は、定速電動機及び可変速電動機の両方を停止させる。この際、変速装置を介して定速電動機と接続されている可変速電動機は、定速電動機の回転数や圧縮機の慣性によって過回転する可能性がある。

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増速機において、可変速電動機を過回転させることなく停止させることができる可変速増速機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、可変速増速機は、回転駆動力を発生する電動装置と、前記電動装置から定速入力軸及び可変速入力軸に伝達される回転駆動力を変速させて出力軸を介して駆動対象に伝える遊星歯車変速装置と、を備え、前記電動装置は、前記遊星歯車変速装置の前記定速入力軸を回転させる定速ロータを有する定速電動機と、前記遊星歯車変速装置の前記可変速入力軸を回転させる可変速ロータを有する可変速電動機と、を有し、前記定速ロータの回転を前記定速入力軸に伝達したり遮断したりする定速用クラッチと、前記可変速ロータの回転を前記可変速入力軸に伝達したり遮断したりする可変速用クラッチのうち少なくとも一方を有するクラッチ装置と、前記可変速電動機がトリップした場合に、前記クラッチ装置を用いて前記定速ロータと前記可変速ロータのうち少なくとも一方の回転を遮断する制御装置と、を備える。

このような構成によれば、電動装置を構成する定速電動機と可変速電動機の少なくとも一方がトリップした場合に、クラッチ装置を用いて定速ロータの回転を遮断することにより、可変速電動機が過回転するのを防止することができる。

上記可変速増速機において、前記制御装置は、前記定速電動機のみがトリップした場合に、前記可変速電動機の回転数を下げる制御を行ってよい。

このような構成によれば、定速電動機のみがトリップした場合は、クラッチ装置の制御を行うことなく、可変速電動機の制御のみで可変速増速機を停止することができる。

上記可変速増速機において、前記遊星歯車変速装置は、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歯車キャリア軸を有し、前記歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する歯車キャリアと、を有し、前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、前記可変速ロータ及び前記遊星歯車キャリア軸は、前記軸線を中心として円筒状を成し、軸方向に貫通した軸挿通孔が形成され、前記定速ロータは、前記軸挿通孔に挿通されていてもよい。

上記可変速増速機において、前記歯車は、内歯車であって、前記歯車キャリア軸は、内歯車キャリア軸であってもよい。

上記可変速増速機において、前記歯車は、外歯車であって、前記歯車キャリア軸は、外歯車キャリア軸であって、前記遊星歯車は、前記外歯車に噛み合う一次歯車と、前記太陽歯車に噛み合う二次歯車と、を含み、前記遊星歯車キャリアは、前記一次歯車と前記二次歯車とを同軸に支持していてもよい。

本発明によれば、電動装置を構成する定速電動機と可変速電動機の少なくとも一方がトリップした場合に、クラッチ装置を用いて定速ロータの回転を遮断することにより、可変速電動機が過回転するのを防止することができる。

本発明に係る第一実施形態の可変速増速機の断面図である。 本発明に係る第一実施形態の変速装置の断面図である。 本発明に係る第一実施形態の電動装置の断面図である。 本発明に係る第一実施形態の変速装置の構成を示す模式図である。 本発明に係る第一実施形態の可変速増速機の可変速増速機停止方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る第二実施形態の可変速増速機の断面図である。 本発明に係る第二実施形態の変速装置の断面図である。 本発明に係る第三実施形態の変速装置の構成を示す模式図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の可変速増速機について、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増速機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。可変速増速機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。
本実施形態の可変速増速機１の駆動対象は圧縮機Ｃである。

変速装置１０は、遊星歯車変速装置である。
電動装置５０は、定速で回転する定速ロータ５２を有する定速電動機５１と、任意の回転数で回転する可変速ロータ７２を有する可変速電動機７１とを有している。定速ロータ５２と可変速ロータ７２は、それぞれ変速装置１０と接続されている。

また、可変速増速機１は、電動装置５０の回転を変速装置１０に伝達したり遮断したりするクラッチ装置３を備えている。即ち、可変速増速機１は、変速装置１０と電動装置５０とを切り離ことができる。

本実施形態のクラッチ装置３は、定速電動機５１の回転を定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７に伝達したり遮断したりする定速用クラッチ５７である。

電動装置５０は、電動装置支持部５０Ｓを介して架台９０に支持されている。変速装置１０は、変速装置支持部１０Ｓを介して架台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、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（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（歯車キャリア）３１と、これらを覆う変速ケーシング４１と、を有している。

以下、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向とし、軸方向の一方側を出力側、出力側の反対側を入力側とする。また、軸線Ａｒを中心とする径方向を単に径方向という。本実施形態の可変速増速機１は、軸線方向の入力側に電動装置５０が配置され、電動装置５０の出力側に変速装置１０が配置されている。圧縮機Ｃは、可変速増速機１の出力側に配置されている。

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遊星歯車キャリア本体２３と、軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと、を有している。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、遊星歯車キャリア本体２３の径方向内側に固定されている。

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。遊星歯車キャリア本体２３は、複数の遊星歯車軸２２から径方向外側に延在している。

出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、遊星歯車キャリア本体２３から出力側に延在している。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、軸線Ａｒを中心として円筒状を成している。

出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、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。

変速装置１０は、可変速電動機７１の可変速ロータ７２に接続される入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉと、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転を遊星歯車キャリア２１に伝達する伝達軸２５と、を、有している。

入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、軸線Ａｒを中心として円筒状を成している。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、変速装置１０の入力側に配置されており、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。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の内周側には、変速装置１０の内歯車キャリア３１を駆動する内歯車キャリア軸（歯車キャリア軸）３７が挿通されている。

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。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの出力側端には、径方向外側に向かって延びる入力側アーム部２６が形成されている。

伝達軸２５は、軸線Ａｔを中心として自転可能に支持されている。伝達軸２５は、軸受（図示せず）を介して変速ケーシング４１に取り付けられている。伝達軸２５の両端には、入力側伝達歯車２９ｉと出力側伝達歯車２９ｏが固定されている。

入力側伝達歯車２９ｉは、入力側アーム部２６の外周に形成されている駆動歯車２６ｇと噛み合っている。出力側伝達歯車２９ｏは、遊星歯車キャリア本体２３の外周に形成されている歯車２３ｇと噛み合っている。これにより、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転は、伝達軸２５を介して遊星歯車キャリア２１に伝達される。

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。

軸線Ａｒを中心として円柱状を成す内歯車キャリア軸３７は、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。

図３に示すように、定速電動機５１は、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を冷却するための冷却ファン９１と、冷却ファン９１を覆うファンカバー９２と、を有する。

内歯車キャリア軸３７は、定速電動機５１の駆動力によって定速で回転する定速入力軸Ａｃである。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、可変速電動機７１の駆動力によって任意の回転数で回転する可変速入力軸Ａｖである。
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。

本実施形態において、定速電動機５１は、例えば、４極の三相誘導電動機である。また、可変速電動機７１は、極数が定速電動機５１よりも多い８極の三相誘導電動機である。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に定速用クラッチ５７を介して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、軸線Ａｒを中心として円柱状を成す定速ロータ軸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。定速ロータ軸５３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、定速ロータ軸５３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。各々の蓋６３ｉ，６３ｏには、定速ロータ軸受６５ｉ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。

定速ロータ軸５３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。定速ロータ軸５３の入力側端に、冷却ファン９１が固定されている。

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。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。

定速用クラッチ５７は、定速ロータ５２（定速ロータ軸５３）から定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７に伝達される回転を伝達したり遮断したりする装置である。定速用クラッチ５７としては、機械式のみならず、電磁力を用いる方式など、二つの動力伝達軸の間で用いるものであれば際限なく採用可能である。

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、を有している。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を有している。可変速ロータ軸７３の軸挿通孔７４には、定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７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。

可変速ステータ８６は、可変速ロータ７２の導体７６の径方向外側に配置されている。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。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。

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。

本実施形態の可変速増速機１は、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を備えている。

また、本実施形態の可変速増速機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。

図４に示すように、定速電動機５１は、定速電動機５１に電力を供給することによって定速ロータ５２（内歯車１７）を軸線Ａｒの周方向の第二方向Ｒ２に回転させるように設定されている。定速ロータ５２が第二方向Ｒ２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、第二方向Ｒ２に回転する。

変速装置１０の出力軸Ａｏは、定速電動機５１の定速ロータ５２が第二方向Ｒ２に最大回転数で回転することにより、第二方向Ｒ２とは逆方向の第一方向Ｒ１に回転するように設定されている。即ち、定速電動機５１の正回転は第二方向Ｒ２であり、変速装置１０の出力軸Ａｏの正回転は、第一方向Ｒ１である。圧縮機Ｃは、出力軸Ａｏが正回転することにより、正常に作動する。

なお、以下の説明においては、第一方向Ｒ１の回転方向をプラス（正）の回転方向とし、第二方向Ｒ２の回転方向をマイナス（負）の回転方向とする。例えば、定速電動機５１の最大回転数は、−１８００ｒｐｍである。

変速装置１０は、可変速ロータ７２が第一方向Ｒ１に回転することによって、遊星歯車キャリア２１が第一方向Ｒ１に回転するように構成されている。
可変速電動機７１は、可変速ロータ７２（遊星歯車キャリア２１）を軸線Ａｒの周方向の第一方向Ｒ１及び第二方向Ｒ２に回転駆動させることができる。即ち、可変速電動機７１は、正回転及び逆回転が可能である。可変速ロータ７２の第一方向Ｒ１の回転数を上げることによって、変速装置１０の出力軸Ａｏの第一方向Ｒ１の回転数が上がる。可変速ロータ７２を第一方向Ｒ１に最大回転数で回転させることで、出力軸Ａｏは最大回転数で回転する。

可変速電動機７１は、可変速ロータ７２を外部の力で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。
可変速電動機７１は、電力が供給され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。

本実施形態の可変速増速機１は、可変速電動機７１の回転数を制御する回転数制御装置１００（インバータ）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可変速電動機スイッチ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定速電動機スイッチ１１２と、回転数制御装置１００、可変速電動機スイッチ１１１及び定速電動機スイッチ１１２の動作を制御する制御部１２０と、を備えている。

制御部１２０は、コンピュータで構成されている。制御部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、可変速電動機スイッチ１１１、回転数制御装置１００、及び定速電動機スイッチ１１２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、可変速電動機スイッチ１１１、定速電動機スイッチ１１２、及び回転数制御装置１００に対する指令値ωｈ’（周波数）を作成する演算部１２３と、を有している。

可変速電動機スイッチ１１１は、電源線１１０と回転数制御装置１００とに電気的に接続されている。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。定速電動機スイッチ１１２は、電源線１１０と定速電動機５１とに電気的に接続されている。

可変速電動機スイッチ１１１は、制御部１２０からのオン指示でオンになり、制御部１２０からのオフ指示でオフになる。可変速電動機スイッチ１１１がオンになると、電源線１１０からの電力が回転数制御装置１００を介して可変速電動機７１に供給され、可変速電動機７１は電力供給状態になる。可変速電動機スイッチ１１１がオフになると、電源線１１０から回転数制御装置１００及び可変速電動機７１への電力供給が断たれ、可変速電動機７１は電力断状態になる。

定速電動機スイッチ１１２は、制御部１２０からのオン指示でオンになり、制御部１２０からのオフ指示でオフになる。定速電動機スイッチ１１２がオンになると、電源線１１０からの電力が定速電動機５１に供給され、定速電動機５１は電力供給状態になる。定速電動機スイッチ１１２がオフになると、電源線１１０から定速電動機５１への電力供給が断たれ、定速電動機５１は電力断状態になる。

回転数制御装置１００は、電源線１１０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、可変速電動機７１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、制御部１２０から指示された可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’に対応する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（定速電動機５１）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（可変速電動機７１）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。

また、出力軸Ａｏの回転数ωＳと定速電動機５１の回転数ωｉの比ωＳ／ωｉをＵとする。出力軸Ａｏの回転数ωＳと定速電動機５１の回転数ωｉの比Ｕは、内歯車１７の歯数Ｚｉと太陽歯車１１の歯数ＺＳの比Ｚｉ／ＺＳと同じである。

また、遊星歯車キャリア２１の回転数ωｃと可変速電動機７１の回転数ωｈの比ωｃ／ωｈをＰとする。

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＝Ｐ×ωｈ／ωｉ−（１−Ｐ×ωｈ／ωｉ ）×Ｕ ・・・（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６０Ｈｚ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１８００ｒｐｍとなる。また、可変速電動機７１が８極の誘導電動機で、電源周波数が６０Ｈｚ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、出力軸Ａｏの回転数ωＳと定速電動機５１の回転数ωｉの比Ｕ（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。
また、遊星歯車キャリア２１の回転数ωｃと可変速電動機７１の回転数ωｈの比Ｐを０．３とする。

この場合、定速ロータ５２（内歯車１７）の回転の向きを第二方向Ｒ２の回転（−１８００ｒｐｍ）とし、可変速ロータ７２（遊星歯車キャリア２１）の回転の向きが定速ロータ５２の回転と逆向き（第一方向Ｒ１の回転）の最高回転数（９００ｒｐｍ）であると、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数ωＳは、８５５０ｒｐｍとなる。この回転数（８５５０ｒｐｍ）は、太陽歯車軸１２の最高回転数である。

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−１８００ｒｐｍで回転させ、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。

本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、定速電動機５１と可変速電動機７１の少なくとも一方がトリップした場合に、可変速電動機７１の過回転を防止する機能を有している。

本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、電動装置５０がトリップした場合に、図５に示すような可変速増速機停止方法を実行する。

（１）定速電動機がトリップした場合
制御部１２０は、常時、電動装置５０の状態を監視している。
図５に示すように、本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、故障、停電などにより定速電動機５１がトリップした場合、クラッチ装置３を作動させず、定速電動機停止工程Ｓ２と、可変速電動機状態判定工程Ｓ３と、可変速電動機減速工程Ｓ４と、可変速電動機回転数判定工程Ｓ５と、を実行する。

定速電動機停止工程Ｓ２では、制御部１２０は、定速電動機スイッチ１１２をオフにして、定速電動機５１を電力断状態とする。
可変速電動機状態判定工程Ｓ３では、制御部１２０は、可変速電動機７１がトリップしているか（可変速電動機７１が故障又は停電しているか）否かを判定する。可変速電動機７１がトリップしていない場合、即ち、可変速電動機７１が制御可能な場合は、可変速電動機減速工程Ｓ４を実行する。

可変速電動機減速工程Ｓ４では、制御部１２０は、回転数制御装置１００（インバータ）を制御することにより、可変速電動機７１の回転数を下げる。即ち、可変速ロータ７２を減速させる。ここで、減速スピードが遅いと、定速ロータ５２又は出力軸Ａｏが逆回転する可能性があるため、可変速電動機７１の回転数は、定速電動機５１及び出力軸Ａｏの回転数が０ｒｐｍへ到達するよりも早く、０ｒｐｍまで減速する必要がある。

可変速電動機回転数判定工程Ｓ５では、制御部１２０は、可変速電動機７１の回転数が０ｒｐｍまで下がったか否かを判定する。可変速電動機７１の回転数が０ｒｐｍまで下がっていない場合は、減速を続行する。
可変速電動機７１の回転数が０ｒｐｍまで下がった時点で、可変速増速機１の停止が完了する。

以上の可変速増速機停止方法によれば、定速電動機５１がフリーラン（惰性で回転する）するとともに、可変速電動機７１の回転数が制御により下がることによって、可変速増速機１を停止することができる。
即ち、定速電動機５１のみがトリップした場合は、クラッチ装置３の制御を行うことなく、可変速電動機７１の制御のみで可変速増速機１を停止することができる。

（２）可変速電動機がトリップした場合
制御部１２０は、常時、電動装置５０の状態を監視している。
図５に示すように、本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、故障、停電などにより可変速電動機７１がトリップした場合、インバータトリップ工程Ｓ１と、定速電動機停止工程Ｓ２と、可変速電動機状態判定工程Ｓ３と、クラッチ装置作動工程Ｓ６と、を実行する。

インバータトリップ工程Ｓ１では、制御部１２０は、回転数制御装置１００（インバータ）及び可変速電動機７１の異常又は故障を検知し、可変速電動機７１の回転数制御装置１００をトリップ（停止）させる。

定速電動機停止工程Ｓ２では、制御部１２０は、定速電動機スイッチ１１２をオフにして、定速電動機５１を電力断状態とする。定速電動機５１を電力断状態とすることによって、定速電動機５１（定速ロータ５２）はフリーラン（惰性で回転する）となる。

可変速電動機状態判定工程Ｓ３では、制御部１２０は、可変速電動機７１がトリップしているか否かを判定する。可変速電動機７１はトリップしるため、クラッチ装置作動工程Ｓ６を実行する。

クラッチ装置作動工程Ｓ６では、制御部１２０は、クラッチ装置３である定速用クラッチ５７を用いて定速ロータ５２から内歯車キャリア軸３７に伝達される回転を遮断する。これにより、慣性モーメントの大きな定速ロータ５２の回転が内歯車キャリア軸３７及び変速装置１０を介して可変速電動機７１に伝達しなくなる。
これにより、工程Ｓ７に示すように、定速電動機５１、可変速電動機７１、及び出力軸Ａｏがフリーランとなる。

以上の可変速増速機停止方法によれば、定速ロータ５２、可変速ロータ７２、及び出力軸Ａｏが惰性で回転して、徐々に回転数が低下することによって、可変速増速機１を停止することができる。
即ち、可変速電動機７１がトリップした場合は、クラッチ装置３の制御を行うことによって可変速増速機１を停止することができる。

上記実施形態によれば、電動装置５０を構成する定速電動機５１と可変速電動機７１の少なくとも一方がトリップした場合に、可変速電動機７１が過回転するのを防止することができる。

即ち、可変速電動機７１がトリップした場合に、クラッチ装置３を用いて定速ロータ５２から内歯車キャリア軸３７に伝達される回転を遮断する。これにより、慣性モーメントの大きな定速ロータ５２の回転が変速装置１０を介して可変速電動機７１に伝達しなくなり、可変速電動機７１が過回転するのを防止することができる。

また、定速電動機５１のみがトリップした場合は、クラッチ装置３の制御を行うことなく、可変速電動機７１の制御のみで可変速増速機１を停止することができる。

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に棒状の軸である内歯車キャリア軸３７が挿通されている。即ち、出力の大きな定速入力軸Ａｃ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、クラッチ装置３を用いて定速ロータ５２の回転を遮断する前に、定速電動機５１を電力断状態にしたが、これに限ることはなく、定速電動機５１をトリップすることなく、クラッチ装置３を用いて定速ロータ５２の回転を遮断してもよい。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態の可変速増速機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一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。
本実施形態のクラッチ装置３は、可変速電動機７１の回転を伝達したり遮断したりする可変速用クラッチ３８である。

図６に示すように、本実施形態の可変速増速機１の変速装置１０は、伝達軸２５上に設けられている可変速用クラッチ３８を有している。
図７に示すように、可変速用クラッチ３８は、可変速ロータ７２の回転を可変速入力軸Ａｖである遊星歯車キャリア軸２７に伝達したり遮断したりする装置である。本実施形態の可変速用クラッチ３８は、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉから遊星歯車キャリア２１に伝達される回転を伝達したり遮断したりする。
可変速用クラッチ３８としては、定速用クラッチ５７と同様のクラッチである。

なお、変速装置１０内に設けられている可変速用クラッチ３８の設置位置は、伝達軸２５上に限ることはない。可変速用クラッチ３８は、可変速ロータ７２（可変速ロータ軸７３）の回転を可変速入力軸Ａｖである遊星歯車キャリア軸２７に伝達したり遮断したりできればよく、例えば、可変速用フレキシブルカップリングをクラッチとしてもよい。

本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、第一実施形態の可変速増速機１の制御部１２０と同様に、定速電動機５１と可変速電動機７１の少なくとも一方がトリップした場合に、可変速電動機７１の過回転を防止する機能を有している。
本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０が実行する可変速増速機停止方法は、クラッチ装置３として可変速用クラッチ３８を制御する点を除いて、第一実施形態の可変速増速機停止方法と同様である。

本実施形態の可変速増速機１によれば、第一実施形態の可変速増速機１と同様に、電動装置５０を構成する定速電動機５１と可変速電動機７１の少なくとも一方がトリップした場合に、可変速電動機７１の過回転を防止することができる。

なお、第一実施形態にはクラッチ装置３として定速用クラッチ５７が記載され、第二実施形態にはクラッチ装置３として可変速用クラッチ３８が記載されているが、可変速増速機１に定速用クラッチ５７と可変速用クラッチ３８の両方を設けてもよい。

〔第三実施形態〕
次に、図８を参照して第三実施形態の変速装置１０Ａについて説明する。
第三実施形態においては第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第三実施形態の変速装置１０Ａの内部構造が第一実施形態と相違する。

第三実施形態の変速装置１０Ａでは、第一実施形態で内歯車であった歯車が、外歯車となっている。したがって、第一実施形態で内歯キャリア軸であった歯車キャリア軸が、外歯車キャリア軸となっている。

具体的には、第三実施形態の変速装置１０Ａは、図８に示すように、太陽歯車１１と、太陽歯車軸１２と、遊星歯車１５Ａと、外歯車（歯車）１７Ａと、遊星歯車キャリア２１Ａと、外歯車キャリア（歯車キャリア）３１Ａと、これらを覆う変速ケーシング４１と、を有している。

第三実施形態の遊星歯車１５Ａは、複数の第一遊星歯車（一次歯車）１５１Ａと、複数の第二遊星歯車（二次歯車）１５２Ａとを有している。

第一遊星歯車１５１Ａは、外歯車１７Ａと噛み合っている。第一遊星歯車１５１Ａは、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。

第二遊星歯車１５２Ａは、太陽歯車１１と噛み合っている。第二遊星歯車１５２Ａは、軸線Ａｒを中心として公転すると共に、第一遊星歯車１５１Ａと同じ自身の中心線Ａｐを中心として自転する。第二遊星歯車１５２Ａは、第一遊星歯車１５１Ａよりも軸方向の出力側に配置されている。第二遊星歯車１５２Ａは、その一つが第一遊星歯車１５１Ａの一つと一体に回転可能とされている。即ち、一つの第二遊星歯車１５２Ａに対して一つの第一遊星歯車１５１Ａが対になるように配置されている。

第三実施形態の遊星歯車キャリア２１Ａは、遊星歯車軸２２Ａと、遊星歯車キャリア本体２３Ａと、遊星歯車キャリア軸２７Ａと、を有する。

遊星歯車軸２２Ａは、遊星歯車１５Ａ毎に設けられている。遊星歯車軸２２Ａは、中心線Ａｐを中心として互いに接続された第一遊星歯車１５１Ａ及び第二遊星歯車１５２Ａを自転可能としている。遊星歯車軸２２Ａは、一つの第一遊星歯車１５１Ａに対して一つの第二遊星歯車１５２Ａを接続している。具体的には、遊星歯車軸２２Ａの軸方向の入力側に第一遊星歯車１５１Ａが接続され、遊星歯車軸２２Ａの軸方向の出力側に第二遊星歯車１５２Ａが接続されている。遊星歯車軸２２Ａは、第一遊星歯車１５１Ａ及び第二遊星歯車１５２Ａを軸方向に貫通している。したがって、遊星歯車軸２２Ａの軸方向の入力側の端部は、第一遊星歯車１５１Ａよりも軸方向の入力側に位置している。また、遊星歯車軸２２Ａの軸方向の出力側の端部は、第二遊星歯車１５２Ａよりも軸方向の出力側に位置している。

遊星歯車キャリア本体２３Ａは、複数の遊星歯車軸２２Ａの相互の位置を固定している。遊星歯車キャリア本体２３Ａは、遊星歯車出力側アーム部２４Ａと、遊星歯車入力側アーム部２６Ａと、を有する。

遊星歯車出力側アーム部２４Ａは、複数の遊星歯車軸２２Ａの軸方向の出力側の端部を回転可能に支持している。遊星歯車入力側アーム部２６Ａは、複数の遊星歯車軸２２Ａの軸方向の入力側の端部を回転可能に支持している。このように、遊星歯車キャリア本体２３Ａを介して遊星歯車軸２２Ａを支持することで、遊星歯車キャリア２１Ａは、第一遊星歯車１５１Ａと第二遊星歯車１５２Ａとを同軸に支持している。

遊星歯車キャリア軸２７Ａは、遊星歯車キャリア本体２３Ａを固定している。遊星歯車キャリア軸２７Ａは、軸線Ａｒを中心として軸方向に延びている。遊星歯車キャリア軸２７Ａは、遊星歯車出力側アーム部２４Ａから出力側に延びる出力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｏと、遊星歯車入力側アーム部２６Ａから入力側に延びる入力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｉと、を有する。出力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｏと入力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｉとは、いずれも、軸線Ａｒを中心として円筒に形成されている。

出力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｏは、遊星歯車キャリア軸受４３により、変速ケーシング４１に対して軸線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、遊星歯車出力側アーム部２４Ａよりも出力側に配置されている出力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｏ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２７Ａｉは、遊星歯車キャリア軸受４４により、変速ケーシング４１に対して軸線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４４は、遊星歯車入力側アーム部２６Ａよりも入力側に配置されている。入力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｉの内周側には、後述する外歯車キャリア軸３７Ａが挿通されている。

外歯車キャリア３１Ａは、外歯車１７Ａを、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持している。外歯車キャリア３１Ａは、外歯車１７Ａに接続された外歯車キャリア軸３７Ａを有する。

外歯車キャリア軸３７Ａは、軸線Ａｒを中心として外歯車１７Ａに固定されて軸方向に延びている。外歯車キャリア軸３７Ａは、軸線Ａｒを中心とする円柱状に形成されている。外歯車キャリア軸３７Ａは、外歯車１７Ａから軸方向の入力側に延びている。外歯車キャリア軸３７Ａの入力側の部分は、円筒状の入力側遊星歯車キャリア軸２７Ａｉの内周側に挿通されている。

上記のような変速装置１０Ａを備える可変速増速機１であっても、第一実施形態と同様に、電動装置５０を構成する定速電動機５１と可変速電動機７１の少なくとも一方がトリップした場合に、可変速電動機７１が過回転するのを防止することができる。

なお、遊星歯車１５、１５Ａと噛み合う歯車は、第一実施形態のような内歯車１７や第三実施形態のような外歯車１７Ａのいずれであっても良いだけでなく、その個数も本実施形態のような構成に限定されるものではない。したがって、例えば、遊星歯車１５と噛み合う歯車は、第一実施形態のような内歯車１７が二つ以上設けられた構成であってもよい。また、遊星歯車１５Ａと噛み合う歯車は、第三実施形態のような外歯車１７Ａが一つのみ又は三つ以上設けられた構成であってもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、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極の三相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、８極の三相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、変速装置１０の可変速入力軸Ａｖと電動装置５０の可変速ロータ７２とは、本実施形態のように同軸で接続されていることに限定されるものではない。例えば、可変速入力軸Ａｖに対して可変速ロータ７２が別の歯車等の接続構造を介して接続されていてもよい。したがって、本実施形態の可変速増速機１は、一つの変速装置１０に対して一つの可変速電動機７１が接続されている構造に限定されるものではない。例えば、一つの変速装置１０に対して複数の可変速電動機７１が接続されるように、一つの可変速入力軸Ａｖに対して複数の可変速ロータ７２が接続されていてもよい。

１ 可変速増速機
３ クラッチ装置
１０、１０Ａ 変速装置
１１ 太陽歯車
１２ 太陽歯車軸
１５、１５Ａ 遊星歯車
１７ 内歯車（歯車）
２１、２１Ａ 遊星歯車キャリア
２２、２２Ａ 遊星歯車軸
２３、２３Ａ 遊星歯車キャリア本体
２７、２７Ａ 遊星歯車キャリア軸
２７ｉ、２７Ａｉ 入力側遊星歯車キャリア軸
２７ｏ、２７Ａｏ 出力側遊星歯車キャリア軸
３１ 内歯車キャリア（歯車キャリア）
３７ 内歯車キャリア軸（歯車キャリア軸）
３８ 可変速用クラッチ
４１ 変速ケーシング
４２ 太陽歯車軸受
４３、４４ 遊星歯車キャリア軸受
５０ 電動装置
５１ 定速電動機
５２ 定速ロータ
５３ 定速ロータ軸
５６ 導体
５７ 定速用クラッチ
６１ 定速電動機ケーシング
６６ 定速ステータ
７１ 可変速電動機
７２ 可変速ロータ
７３ 可変速ロータ軸
７４ 軸挿通孔
７６ 導体
８１ 可変速電動機ケーシング
８６ 可変速ステータ
１００ 回転数制御装置
１０１ 周波数変換部
１０２ 回転方向変更部
１１０ 電源線
１１１ 可変速電動機スイッチ
１１２ 定速電動機スイッチ
１２０ 制御部（制御装置）
１２１ 受付部
１２２ インタフェース
１２３ 演算部
Ａｃ 定速入力軸
Ａｏ 出力軸
Ａｒ 軸線
Ａｖ 可変速入力軸
Ｃ 圧縮機
１７Ａ 外歯車（歯車）
３１Ａ 外歯車キャリア（歯車キャリア）
３７Ａ 外歯車キャリア軸（歯車キャリア軸）
２４Ａ 遊星歯車出力側アーム部
２６Ａ 遊星歯車入力側アーム部
１５１Ａ 第一遊星歯車（一次歯車）
１５２Ａ 第二遊星歯車（二次歯車）

Claims (5)

1. 回転駆動力を発生する電動装置と、
   前記電動装置から定速入力軸及び可変速入力軸に伝達される回転駆動力を変速させて出力軸を介して駆動対象に伝える遊星歯車変速装置と、
   を備え、
   前記電動装置は、
   前記遊星歯車変速装置の前記定速入力軸を回転させる定速ロータを有する定速電動機と、
   前記遊星歯車変速装置の前記可変速入力軸を回転させる可変速ロータを有する可変速電動機と、を有し、
   前記定速ロータの回転を前記定速入力軸に伝達したり遮断したりする定速用クラッチと、前記可変速ロータの回転を前記可変速入力軸に伝達したり遮断したりする可変速用クラッチのうち少なくとも一方を有するクラッチ装置と、
   前記可変速電動機がトリップした場合に、前記クラッチ装置を用いて前記定速ロータと前記可変速ロータのうち少なくとも一方の回転を遮断する制御装置と、を備える可変速増速機。
2. 前記遊星歯車変速装置は、
   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歯車キャリア軸を有し、前記歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する歯車キャリアと、
   を有し、
   前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、
   前記可変速ロータ及び前記遊星歯車キャリア軸は、前記軸線を中心として円筒状を成し、軸方向に貫通した軸挿通孔が形成され、
   前記定速ロータは、前記軸挿通孔に挿通されている請求項１に記載の可変速増速機。
3. 前記歯車は、内歯車であって、
   前記歯車キャリア軸は、内歯車キャリア軸である請求項２に記載の可変速増速機。
4. 前記歯車は、外歯車であって、
   前記歯車キャリア軸は、外歯車キャリア軸であって、
   前記遊星歯車は、前記外歯車に噛み合う一次歯車と、前記太陽歯車に噛み合う二次歯車と、を含み、
   前記遊星歯車キャリアは、前記一次歯車と前記二次歯車とを同軸に支持している請求項２に記載の可変速増速機。
5. 前記制御装置は、前記定速電動機のみがトリップした場合に、前記可変速電動機の回転数を下げる制御を行う請求項１から請求項４の何れか一項に記載の可変速増速機。

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