JPH0828425A - 発電用水車のガイドベーン駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の設置スペースが小さく、しかも電動方
式でありながら、中容量機以上にも利用でき、制御応答
性にも優れたものを得ることを目的とする。 【構成】 ガイドリング２１に設けたガイドベーン１６
の開度で主軸１３の回転速度を制御する水車において、
渦巻きケーシング１１側にモータの１次固定子３６を設
け、ガイドリング２１側に回転子を設け、このモータ
は、ガイドリング２１の外周に同心円状に複数個を配置
し、略目標値までは駆動用誘導型リニアモータにより行
ない、誤差範囲を越えているときに位置制御用パルス型
モータにより微小移動を行なう。目標値の開度を小さく
するときには、駆動用モータの電流値を減少することに
より、ガイドベーン１６は水圧による自己閉鎖力で、ま
たは逆駆動用モータの電流値を増加させて徐々に閉鎖
し、目標値に達したら前記同様の微小移動を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フランシス水車、プロ
ペラ水車などのガイドベーンの開度を制御するための発
電用水車のガイドベーン駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の水車に設けられてい
るガイドベーンを操作する操作方式には、油圧式と電動
式が知られている。油圧式は、大容量機から小容量機ま
で広範囲に使用され、また電動式は、小容量機に使用さ
れている。

【０００３】電動式のガイドベーン駆動装置を図９によ
りさらに詳しく説明する。ダムから高速で送りこまれた
水は、渦巻きケーシング１１に案内され、ガイドベーン
１６の間を通り、吸い出し管１５へ吸い出されるが、こ
のとき、ランナ１４の付いた主軸１３が高速で回転して
発電をする。ここで、水量の変動、消費電力の変動など
により、主軸１３の回転数を設定値に即座に制御するこ
とが必要である。そのため、前記ガイドベーン１６の開
度が制御される。

【０００４】ガイドベーン１６は、カバー１２に、ベー
ン軸１７によって回動可能に軸支され、このベーン軸１
７の外部への突出部分は、第１リンク１８、軸２０、第
２リンク１９に順次連結され、第２リンク１９の他端
は、ガイドリング２１に軸２２によって軸支されてい
る。前記渦巻きケーシング１１の外側には、電動式の駆
動装置３０が設けられ、駆動アーム２３を介して連結さ
れている。この電動式の駆動装置３０は、モータ２５の
回転を減速機２６で減速し、ボールねじ、ボールナット
などからなる回転を往復動に変換する手段２７を介して
スライド軸２９に伝達し、駆動軸２４によって、駆動ア
ーム２３に連結したものである。

【０００５】ガイドベーン１６の開閉制御信号により、
モータ２５は、正転または逆転して減速機２６、回転を
往復動に変換する手段２７を介してスライド軸２９を進
退し、駆動アーム２３に連結されたガイドリング２１を
正方向または逆方向に回動してガイドベーン１６の開度
を所定値に制御するものである。なお、電動式の駆動装
置３０は、スライド軸２９の進退により揺動するので、
基端部に回動自在に取付けた揺動吸収手段２８が設けら
れている。前記スライド軸２９の駆動源として油圧シリ
ンダなどからなる圧油装置に連結すれば、油圧方式にな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

電動式の問題点 （１）電動式の駆動装置３０が渦巻きケーシング１１の
外側に離れて設けられているため、装置が大型化し、か
つ電動式の駆動装置３０を設置するための大きなスペー
スを必要とする。 （２）電動式の駆動装置３０が渦巻きケーシング１１の
外側に離れて設けられているため、モータ２５の容量に
限度があり、中容量機以上には使用できない。 （３）減速機２６の歯車、回転を往復動に変換する手段
２７におけるボールねじ、ボールナット、揺動吸収手段
２８などは、機械的接触による金属疲労などのため、使
用期間に限度がある。 （４）減速機２６の歯車、回転を往復動に変換する手段
２７におけるボールねじ、ボールナットなどは、摩耗、
錆び付きによる一定期間毎の交換、グリースの取替え、
トルクギャップの校正など面倒な定期点検が必要であ
る。 （５）機械的な伝達であるため、制御応答性をよくする
には精密な加工精度が要求される。また、機構各部にが
たつきが生じると、制御応答性に悪影響を及ぼす場合が
ある。

【０００７】油圧式の問題点 （１）ポンプ、タンク、調圧装置などからなる圧油装置
を必要とするので、電動式よりさらに装置が大型化し、
かつ駆動装置を設置するための大きなスペースを必要と
する。 （２）油交換、オーリング交換、油洩れなどに対する定
期的な保守管理に手間がかかる。 （３）油を使用するので、資源や環境に対する問題があ
る。 （４）電動式と同様、機械的な伝達であるため、制御応
答性をよくするには精密な加工精度が要求される。ま
た、機構各部にがたつきが生じると、制御応答性に悪影
響を及ぼす場合がある。

【０００８】本発明は、装置の設置スペースが小さく、
しかも電動方式でありながら、中容量機以上にも利用で
き、さらに制御応答性にも優れたものを得ることを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ランナ１４つ
き主軸１３を、渦巻きケーシング１１から吸い出し管１
５への水流により回転し、ガイドリング２１に設けたガ
イドベーン１６の開度で主軸１３の回転速度を制御する
ようにした水車において、前記渦巻きケーシング１１側
にモータの１次固定子３６を設け、ガイドリング２１側
にこのモータの回転子を設け、このモータは、１ないし
複数の駆動用誘導型リニアモータと、１ないし複数の位
置制御用パルス型モータとからなり、ガイドリング２１
の外周に同心円状に配置して前記ガイドベーン１６の開
閉を制御するようにしたことを特徴とする発電用水車の
ガイドベーン駆動装置である。

【００１０】

【作用】開度８０％にせよとの指令が入力したものとす
ると、第１駆動用モータ３３に交流電流が流れ、誘導型
回転子部４０と一体のガイドリング２１が移動を開始す
るので、ガイドベーン１６を徐々に開放する。ガイドベ
ーン１６の開度が目標値に達したら、その開度を保持す
る。このとき、第１駆動用モータ３３と第２駆動用モー
タ３４はともにオンして、正逆バランスしている状態で
開度を保持するとともに、位置制御用モータ３５にも電
流を流す。開度が位置精度誤差範囲内かどうかを判断
し、誤差範囲を越えているとき、位置制御用モータ３５
により０．５または１ステップずつ時計方向に移動す
る。逆に、すでに目標値を越えているときには、０．５
または１ステップずつ反時計方向に移動する。

【００１１】ガイドベーン１６を開度７０％にせよの信
号が入力したものとすると、第１駆動用モータ３３と第
２駆動用モータ３４の電流値を減少するか、または第２
駆動用モータ３４の電流値を増加することにより、ガイ
ドベーン１６は水圧による自己閉鎖力、または自己閉鎖
力とモータとの合力で徐々に閉鎖する。変更後の目標値
７０％に達したら、微小移動の制御をする。

【００１２】停止信号が入力したときは、１段閉鎖また
は２段閉鎖により閉鎖し、ガイドベーン１６の開度が０
％になると、水車は停止する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１において、１１は渦巻きケーシングで、この渦
巻きケーシング１１の中心部分には、カバー１２が固定
的に取付けられている。このカバー１２の中心には、吸
い出し管１５が設けられるとともに、ランナ１４付きの
主軸１３が回動自在に設けられ、この主軸１３の他端に
は、図示しない発電装置が設けられている。

【００１４】前記カバー１２の外周縁近くの全周囲に、
複数個のガイドベーン１６、例えば２０度の中心角の間
隔で１８個のガイドベーン１６がベーン軸１７によって
回動自在に設けられている。前記ベーン軸１７には、第
１リンク１８が連結固定され、この第１リンク１８の他
端には、軸２０によって第２リンク１９が回動自在に連
結され、この第２リンク１９の他端は、前記カバー１２
の外周に回動自在に設けられたガイドリング２１に軸２
２によって軸支されている。

【００１５】前記渦巻きケーシング１１の外側の前記ガ
イドリング２１に臨ませた位置に、モータの１次固定子
３６を設け、またガイドリング２１側にこのモータの回
転子を設ける。このモータには、駆動用と、位置制御用
とがあり、図１（ａ）の例では、４５度と１３５度の位
置に誘導型リニアモータからなる第１駆動用モータ３３
が設けられ、２２５度と３１５度の位置に誘導型リニア
モータからなる第２駆動用モータ３４が設けられ、０度
と１８０度の位置にパルス型リニアモータからなる位置
制御用モータ３５が設けられている。

【００１６】前記第１駆動用モータ３３と第２駆動用モ
ータ３４は、図２に示すように、固定台３７が渦巻きケ
ーシング１１に固着され、この固定台３７に鉄心３８が
取付けられ、この鉄心３８に巻線３９が巻かれて、これ
ら固定台３７、鉄心３８、巻線３９によって１次固定子
３６が構成されている。また、前記鉄心３８の端面にわ
ずかな間隙をおいて誘導型回転子部４０が設けられてい
る。この誘導型回転子部４０は、ガイドリング２１の左
右に揺動する範囲が例えば１０度であるとすると、巻線
３９よりも１０度分だけ長く形成する。前記第１駆動用
モータ３３は正転用であり、また第２駆動用モータ３４
は逆転用であるから、図示例ではそれぞれの巻線３９の
巻き方向を互いに逆にしたが、両方共に同じ方向とし、
３相電源のＵ、Ｖ、Ｗの切換で正転と逆転を切換えるよ
うにしてもよい。

【００１７】前記位置制御用モータ３５は、図３および
図５に示すように、１次固定子３６は、固定台３７、鉄
心３８、巻線３９の他に永久磁石４２からなり、鉄心３
８の端面は歯車形をなし、また鉄心３８と対峙するパル
ス型回転子部４１も歯車形をなしている。前記パルス型
回転子部４１は０．１〜１ｍｍ程度の等間隔で構成され
るが、説明の都合上１ｍｍ間隔とする。このパルス型回
転子部４１の凸部と凹部に図５のようにＮｏ．０から１
２０までの番号付けたものとすると、前記鉄心３８の凸
部は、ガイドベーン１６の開度０％のとき、パルス型回
転子部４１のＮｏ．０、２、７、９、１４．５、１６．
５、２１．５、２３．５に対応させる。整数は、凸部ま
たは凹部に全部対応し、０．５は、凸部または凹部に半
分だけ対応しているものとする。

【００１８】図６は、制御回路のブロック図であり、配
電盤４５、演算部４６、入力部４７、メモリ４８、ガイ
ドリングの位置センサ４９、下限目標値の比較器５０、
速度検出部５１、目標値の検出部５２、モータ電流値の
比較器５３からなる。

【００１９】以上のような構成によるガイドベーン１６
の開操作と閉操作の動作順序を図７および図８を用いて
説明する。 ・スタートから目標値に達するまでは、ループ１により
制御する。水車停止、ガイドベーン１６の開度０％の状
態で配電盤４５から「開度８０％にせよ」との指令が入
力部４７に入力したものとする。すると、演算部４６を
介して第１駆動用モータ３３の巻線３９に３相交流電流
が流れ、巻線３９をある方向、例えば図１（ａ）の時計
方向に励磁し、誘導型回転子部４０と一体のガイドリン
グ２１が移動を開始するので、第２リンク１９、第１リ
ンク１８を介してベーン軸１７を回動し、ガイドベーン
１６を徐々に開放する。

【００２０】ガイドリング２１が時計方向に回り出し、
ガイドベーン１６が開き始めると、ガイドリングの位置
センサ４９によりガイドリング２１の周動速度が検出さ
れ、速度検出部５１で制御信号として出力される。同時
に水圧の上昇、主軸１３の回転数も検出される。ガイド
リング２１の速度が速い場合、モータ電流値の比較器５
３からの出力で第２駆動用モータ３４に電流を流し、ガ
イドリング２１を反時計方向の力を与えてガイドリング
２１の速度を調整する。ガイドリング２１の速度が遅い
場合、モータ電流値の比較器５３からの出力で第１駆動
用モータ３３の電流を増加し、ガイドリング２１の時計
方向の速度を速める。

【００２１】・目標値での微小制御は、ループ２によ
る。ガイドベーン１６の開度が目標値（例えば８０％）
に達したら、その開度を保持する。このとき、第１駆動
用モータ３３と第２駆動用モータ３４はともにオンし
て、正逆バランスしている状態で、位置制御用モータ３
５にも電流を流す。開度を検出した後、位置精度誤差範
囲内かどうかを判断する。開度が誤差範囲を越えている
とき、例えば、図５の状態（鉄心３８のＮｏ．０と２が
パルス型回転子部４１のＮｏ．８０と８２に対峙状態）
で、まだ目標値まで達していないときには、鉄心３８の
Ｎｏ．１４．５と１６．５を励磁してパルス型回転子部
４１のＮｏ．９４と９６に対峙させる。さらに移動しよ
うとするときには、鉄心３８のＮｏ．７と９を励磁して
パルス型回転子部４１のＮｏ．８６と８８に対峙させ
る。このように、鉄心３８のＮｏ．１４．５と１６．
５、Ｎｏ．７と９、Ｎｏ．２１．５と２３．５、Ｎｏ．
０と２の順序で励磁すれば０．５ステップずつ時計方向
に移動する。

【００２２】逆に、図５の状態（鉄心３８のＮｏ．０と
２がパルス型回転子部４１のＮｏ．８０と８２に対峙状
態）で、すでに目標値を越えているときには、鉄心３８
のＮｏ．２１．５と２３．５を励磁してパルス型回転子
部４１のＮｏ．１０２と１０４に対峙させる。さらに移
動しようとするときには、鉄心３８のＮｏ．７と９を励
磁してパルス型回転子部４１のＮｏ．８８と９０に対峙
させ、以下、鉄心３８のＮｏ．１４．５と１６．５、Ｎ
ｏ．０と５の順序で励磁すれば０．５ステップずつ反時
計方向に移動する。検出流量が変化しない限り、位置制
御用モータ３５をオンして開度がよいかどうかを常に監
視する。

【００２３】・目標値を変更するときは、ループ３とル
ープ４による。流量の変化に対応した信号が配電盤４５
から入力部４７に常に送られてくる。ガイドベーン１６
を開く場合には、スタート直後に戻り、起動時と同様の
制御をする。「ガイドベーン１６を開度７０％にせよ」
の信号が入力したものとすると、第１駆動用モータ３３
と第２駆動用モータ３４の電流値を減少することによ
り、ガイドベーン１６は水圧による自己閉鎖力、または
自己閉鎖力とモータ３４との合力により徐々に閉鎖す
る。閉鎖速度が速いときには、第２駆動用モータ３４を
オフし、また遅いときには、第１駆動用モータ３３をオ
フする。

【００２４】・変更後の目標値７０％に達したら、前記
ループ２により微小移動の制御をする。

【００２５】・配電盤４５から停止信号が入力したとき
は、入力ループ３を経てループ４で制御する。第１駆動
用モータ３３の電流値を減少すると、ガイドベーン１６
は水圧に基づく自己閉鎖力、または自己閉鎖力とモータ
３４との合力により閉鎖する。このとき、前記同様、閉
鎖速度が速いときには、第２駆動用モータ３４をオフ
し、また遅いときには、第１駆動用モータ３３をオフす
る。ここで、ガイドベーン１６を一定速度で一気に閉鎖
する、いわゆる１段閉鎖と、途中までは高速閉鎖し、途
中からゆっくりと閉鎖する、いわゆる２段閉鎖があり、
負荷遮断時の回転上昇率と水圧上昇率の関係により定め
られる。

【００２６】・ガイドベーン１６の開度が０％になる
と、水車は停止する。

【００２７】前記図１の実施例では、２台の第１駆動用
モータ３３、２台の第２駆動用モータ３４、２台の位置
制御用モータ３５を設けた場合について説明したが、さ
らに大きな容量機に使用する場合には、図４に示すよう
に、ガイドリング２１をさらに直角に延長して誘導型回
転子部４０とパルス型回転子部４１を形成し、かつ、固
定台３７もそれに応じて延長して１次固定子３６を多重
に取付けるようにしてもよい。また、渦巻きケーシング
１１の同一面だけでなく、ガイドベーン１６の他面のベ
ーン軸１７側にもガイドリング２１を設けて、第１リン
ク１８、第２リンク１９を介して連結し、このガイドリ
ング２１に誘導型回転子部４０とパルス型回転子部４１
を取付け、この１次固定子３６に対峙して１次固定子３
６を設けるようにしてもよい。

【００２８】前記実施例では、モータは、駆動用として
誘導型リニアモータを用い、また位置制御用としてパル
ス型リニアモータを用いたが、駆動用として同期型リニ
アモータを用いよく、また位置制御用として直流型リニ
アモータを用いてもよい。

【００２９】前記実施例では、駆動用としての第１駆動
用モータ３３と第２駆動用モータ３４は、巻線３９の巻
き方向により正転用と逆転用としたが、同一方向に巻い
て、３相電源の切換により正転用と逆転用として作用せ
しめるようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したので、
電動式の駆動装置３０でありながら以下の特有な効果を
有する。 （１）電動式の駆動装置３０が渦巻きケーシング１１に
直接取付けられているため、装置の小型化が可能とな
り、かつ電動式の駆動装置３０を設置するための余分な
スペースを必要としない。ポンプ、タンク、調圧装置な
どの圧油装置を必要としないので、特に、油圧式に比較
して効果が大きい。 （２）モータを渦巻きケーシング１１の外側に直接、か
つ多数個設けることができるため、水車の容量に応じて
設置でき、小容量機はもちろん、中容量機以上にも充分
使用できる。

【００３１】（３）機械的可動部分がほとんどないの
で、長期間の使用に耐えられる。 （４）摩耗したり、錆びついたりする部分がなく、また
油交換、オーリング交換、油洩れなどもないので、定期
点検その他のメンテナンスが不必要である。 （５）機械的な伝達がないので、制御応答性がよい。 （６）油を使用しないので、資源や環境に対する問題が
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発電用水車のガイドベーン駆動装
置の一実施例を示すもので、（ａ）は一部省略した正面
図、（ｂ）は縦断面図である。

【図２】第１駆動用モータ３３、第２駆動用モータ３４
の説明図である。

【図３】位置制御用モータ３５の説明図である。

【図４】本発明による発電用水車のガイドベーン駆動装
置の他の実施例を示す縦断面図である。

【図５】位置制御用モータ３５の展開説明図である。

【図６】制御回路のブロック図である。

【図７】本発明による作用の流れ図である。

【図８】ガイドベーン１６の動作説明図である。

【図９】従来の電動式の駆動装置３０の正面図である。

【符号の説明】

１１…渦巻きケーシング、１２…カバー、１３…主軸、
１４…ランナ、１５…吸い出し管、１６…ガイドベー
ン、１７…ベーン軸、１８…第１リンク、１９…第２リ
ンク、２０…軸、２１…ガイドリング、２２…軸、２３
…駆動アーム、２４…駆動軸、２５…モータ、２６…減
速機、２７…回転を往復動に変換する手段、２８…揺動
吸収手段、２９…スライド軸、３０…電動式の駆動装
置、３３…第１駆動用モータ、３４…第２駆動用モー
タ、３５…位置制御用モータ、３６…１次固定子、３７
…固定台、３８…鉄心、３９…巻線、４０…誘導型回転
子部、４１…パルス型回転子部、４２…永久磁石、４５
…配電盤、４６…演算部、４７…入力部、４８…メモ
リ、４９…ガイドリングの位置センサ、５０…下限目標
値の比較器、５１…速度検出部、５２…目標値の検出
部、５３…モータ電流値の比較器。

フロントページの続き (72)発明者 生田目 修三 神奈川県横浜市港北区新吉田町2940番地 日本工営株式会社横浜事業所内 (72)発明者 松井 真 神奈川県横浜市港北区新吉田町2940番地 日本工営株式会社横浜事業所内 (72)発明者 小池 秀明 神奈川県横浜市港北区新吉田町2940番地 日本工営株式会社横浜事業所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ランナ１４つき主軸１３を、渦巻きケー
   シング１１から吸い出し管１５への水流により回転し、
   ガイドリング２１に設けたガイドベーン１６の開度で主
   軸１３の回転速度を制御するようにした水車において、
   前記渦巻きケーシング１１側にモータの１次固定子３６
   を設け、ガイドリング２１側にこのモータの回転子を設
   けて前記ガイドベーン１６の開閉を制御するようにした
   ことを特徴とする発電用水車のガイドベーン駆動装置。
2. 【請求項２】 モータは、１ないし複数の駆動用誘導型
   リニアモータと、１ないし複数の位置制御用パルス型モ
   ータとからなり、ガイドリング２１の外周に同心円状に
   配置してなることを特徴とする請求項１記載の発電用水
   車のガイドベーン駆動装置。
3. 【請求項３】 モータは、駆動用としての誘導型リニア
   モータまたは同期型リニアモータと、位置制御用として
   のパルス型リニアモータまたは直流型リニアモータとか
   らなり、ガイドリング２１の外周に同心円状に配置して
   なることを特徴とする請求項２記載の発電用水車のガイ
   ドベーン駆動装置。
4. 【請求項４】 複数の駆動用誘導型リニアモータは、正
   転用と逆転用からなることを特徴とする請求項１記載の
   発電用水車のガイドベーン駆動装置。
5. 【請求項５】 複数の駆動用誘導型リニアモータは、３
   相電源の切換により正転用と逆転用として作用せしめる
   ようにしたことを特徴とする請求項２記載の発電用水車
   のガイドベーン駆動装置。
6. 【請求項６】 モータは、位置制御用としてのパルス型
   リニアモータまたは直流型リニアモータとからなること
   を特徴とする請求項１記載の発電用水車のガイドベーン
   駆動装置。