WO2017216897A1 - 可変速増速機 - Google Patents

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WO2017216897A1
WO2017216897A1 PCT/JP2016/067764 JP2016067764W WO2017216897A1 WO 2017216897 A1 WO2017216897 A1 WO 2017216897A1 JP 2016067764 W JP2016067764 W JP 2016067764W WO 2017216897 A1 WO2017216897 A1 WO 2017216897A1
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WO
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shaft
speed
variable speed
transmission
planetary gear
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PCT/JP2016/067764
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English (en)
French (fr)
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義行 岡本
誠宏 中島
Original Assignee
三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • H02P6/04—Arrangements for controlling or regulating the speed or torque of more than one motor

Definitions

  • the present invention relates to a variable speed step-up gear provided with an electric device composed of a constant-speed electric motor and a variable-speed electric motor, and a planetary gear transmission that changes the rotational driving force generated by the electric device and transmits it to an object to be driven.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 describes a device using a constant speed motor and a variable speed motor for shifting as an electric device and using a planetary gear transmission as a transmission device in order to accurately control the gear ratio.
  • the rotational speed of the output shaft of the planetary gear transmission connected to the rotating machine can be changed by changing the rotational speed of the variable speed electric motor.
  • the planetary gear carrier shaft that constitutes the planetary gear carrier of the planetary gear transmission is a hollow shaft
  • the internal gear carrier shaft that constitutes the internal gear carrier in the hollow portion of the planetary gear carrier shaft There is a structure that allows to pass through.
  • the constant speed rotor of the constant speed motor is connected to the internal gear carrier shaft
  • the variable speed rotor of the variable speed motor that is a hollow shaft is connected to the planetary gear carrier shaft.
  • vector control with a sensor that performs vector control using a rotation speed sensor that measures the rotation speed of the variable speed electric motor is known.
  • Vector control with a sensor is a method in which the rotation speed of a variable speed motor is detected by a rotation speed sensor attached to the variable speed motor, and the magnitude of a load is calculated with high accuracy from a current flowing through the variable speed motor by vector calculation. As a result, it is possible to accurately and accurately determine the magnitude of the load and the state of the rotational speed, and to generate the target rotational speed and torque.
  • a structure for detecting the rotational speed of the variable speed motor for example, a structure in which a disk having a plurality of slits formed on the outer peripheral surface of the hollow shaft is provided and the rotational speed is detected using a light emitting element and a light receiving element is conceivable.
  • this structure has problems such as a complicated structure.
  • the present invention includes an electric device composed of a constant speed motor having a constant speed rotor and a variable speed motor having a variable speed rotor, and a planetary gear transmission that shifts the rotational driving force generated by the electric device and transmits it to a drive target.
  • a variable speed gearbox having a configuration in which a constant speed rotor is inserted into a hollow portion of a variable speed rotor that is a hollow shaft, a variable speed gearbox that can more easily detect the rotational speed of the variable speed motor is provided. The purpose is to provide.
  • a variable speed step-up gear includes: an electric device that generates rotational driving force; and a transmission that shifts the rotational driving force generated by the electric device and transmits the rotational driving force to a drive target.
  • the transmission includes a sun gear that rotates about an axis, a sun gear shaft that is fixed to the sun gear and extends in the axial direction about the axis, meshes with the sun gear, and revolves about the axis.
  • a planetary gear rotating around its own center line, a plurality of teeth arranged in an annular shape around the axis, and meshing with the planetary gear, and a planetary gear carrier shaft extending in the axial direction around the axis
  • a planetary gear carrier that is revolved and supports the planetary gear so as to be capable of rotating about the center line of the planetary gear itself, and an internal gear carrier shaft that extends in the axial direction about the axis, and the internal gear is connected to the axis.
  • An internal gear carrier that is supported to be capable of rotating as a center, wherein the sun gear shaft forms an output shaft connected to the drive target, the internal gear carrier shaft forms a constant speed input shaft, and the planetary gear A gear carrier shaft forms a variable speed input shaft, and the electric device includes a variable speed motor having a variable speed rotor connected to the variable speed input shaft of the transmission, and the constant speed input shaft of the transmission.
  • a constant-speed motor having a constant-speed rotor connected to the shaft, and the variable-speed rotor and the planetary gear carrier shaft have a cylindrical shape with the axis as a center, and an axial insertion hole penetrating in the axial direction. Formed The constant speed rotor is inserted through the shaft insertion hole, and a rotation speed sensor that measures the rotation speed of the transmission gear, and vector control of the variable speed motor based on the rotation speed measured by the rotation speed sensor. And a control device for performing.
  • the rotation speed of the transmission gear can be measured more easily by measuring the rotation speed of the transmission gear instead of the rotation speed of the cylindrical variable speed rotor and the planetary gear carrier shaft using the rotation speed sensor.
  • a number sensor can be attached.
  • control device may calculate the rotation speed of the variable speed rotor from the rotation speed of the transmission gear based on a rotation speed ratio of the transmission gear and the variable speed rotor.
  • the rotation speed of the variable speed rotor can be calculated even when the rotation speed of the transmission gear is measured instead of the rotation speed of the variable speed rotor.
  • the rotational speed sensor is more easily configured by measuring the rotational speed of the transmission gear instead of the rotational speed of the variable speed rotor and the planetary gear carrier shaft that are cylindrical using the rotational speed sensor. Can be attached.
  • variable speed step-up gear 1 includes an electric device 50 that generates a rotational driving force, and a transmission device 10 that shifts the rotational driving force generated by the electric device 50 and transmits it to a drive target.
  • the variable speed increaser 1 can be applied to a fluid mechanical system such as a compressor system, for example.
  • the driving target of the variable speed increaser 1 of the present embodiment is the compressor C.
  • the transmission 10 is a planetary gear transmission.
  • the electric device 50 includes a constant speed motor 51 having a constant speed rotor 52 that rotates at a constant speed, and a variable speed motor 71 having a variable speed rotor 72 that rotates at an arbitrary rotational speed.
  • the constant speed rotor 52 and the variable speed rotor 72 are each connected to the transmission 10.
  • the electric device 50 is supported on the gantry 90 by the electric device support portion 50S.
  • the transmission 10 is supported on the gantry 90 by the transmission support 10S.
  • the transmission 10 is in mesh with the sun gear 11 that rotates about an axis Ar that extends in the horizontal direction, the sun gear shaft 12 that is fixed to the sun gear 11, and the sun gear 11.
  • a plurality of planetary gears 15 revolving around the axis Ar and rotating around the centerline Ap; an internal gear 17 in which a plurality of teeth are arranged in an annular shape around the axis Ar and meshed with the plurality of planetary gears 15;
  • a planetary gear carrier 21 that supports a plurality of planetary gears 15 so that they can revolve around an axis Ar and that can rotate around a centerline Ap of the planetary gear 15 itself, and an internal gear 17 that can rotate around an axis Ar. It has an internal gear carrier 31 to be supported and a speed change casing 41 covering these.
  • the direction in which the axis Ar extends is the axial direction, one side of the axial direction is the output side, and the opposite side of the output side is the input side.
  • the radial direction centered on the axis Ar is simply referred to as the radial direction.
  • the electric device 50 is disposed on the input side in the axial direction
  • the transmission 10 is disposed on the output side of the electric device 50.
  • the compressor C is disposed on the output side of the variable speed gear 1.
  • the sun gear shaft 12 has a cylindrical shape centered on the axis Ar, and extends from the sun gear 11 to the output side in the axial direction.
  • a flange 13 is formed at the output side end of the sun gear shaft 12.
  • a rotor of a compressor C as a driving target is connected to the flange 13.
  • the sun gear shaft 12 is supported by a sun gear bearing 42 disposed on the output side of the sun gear 11 so as to be rotatable about the axis Ar.
  • the sun gear bearing 42 is attached to the transmission casing 41.
  • the planetary gear carrier 21 includes a planetary gear shaft 22 provided for each of the plurality of planetary gears 15, a carrier body 23 that fixes the positions of the plurality of planetary gear shafts 22, and an output that extends in the axial direction about the axis Ar. And a side planetary gear carrier shaft 27o.
  • the output planetary gear carrier shaft 27o is fixed to the inside of the carrier body 23 in the radial direction.
  • the planetary gear shaft 22 penetrates the center line Ap of the planetary gear 15 in the axial direction, and supports the planetary gear 15 so as to be rotatable about the centerline.
  • the carrier body 23 extends radially outward from the plurality of planetary gear shafts 22.
  • the output-side planetary gear carrier shaft 27o extends from the carrier body 23 to the output side.
  • the output-side planetary gear carrier shaft 27o has a cylindrical shape with the axis line Ar as the center.
  • the output side planetary gear carrier shaft 27o is supported by a planetary gear carrier bearing 43 so as to be capable of rotating about the axis Ar.
  • the planetary gear carrier bearing 43 is attached to the transmission casing 41.
  • the sun gear shaft 12 is inserted into the inner peripheral side of the output side planetary gear carrier shaft 27o.
  • the planetary gear carrier 21 includes an input-side planetary gear carrier shaft 27i connected to the variable-speed rotor 72 of the variable-speed motor 71, a first transmission unit 25 that transmits the rotation of the input-side planetary gear carrier shaft 27i to the carrier body 23, and The second transmission unit 26 is provided.
  • the input-side planetary gear carrier shaft 27i is a hollow shaft having a cylindrical shape with the axis line Ar as the center.
  • the input-side planetary gear carrier shaft 27i is disposed on the input side of the transmission 10, and is supported by the planetary gear carrier bearing 44 so as to be rotatable about the axis Ar.
  • the planetary gear carrier bearing 44 is attached to the transmission casing 41.
  • An internal gear carrier shaft 37 that drives the internal gear carrier 31 of the transmission 10 is inserted through the inner peripheral side of the input-side planetary gear carrier shaft 27i.
  • An annular flange 28 is formed on the input side end of the input side planetary gear carrier shaft 27i so as to expand outward in the radial direction.
  • a carrier shaft gear 27g that meshes with the first transmission gear 25g of the first transmission portion 25 is formed at the output side end of the input side planetary gear carrier shaft 27i.
  • the first transmission unit 25 includes a first transmission shaft 25a supported so as to be capable of rotating about the axis At1, and a first transmission gear 25g fixed to the first transmission shaft 25a.
  • the first transmission shaft 25a is attached to the transmission casing 41 via a bearing (not shown).
  • the second transmission portion 26 includes a second transmission shaft 26a supported so as to be rotatable about the axis At2, and an input-side transmission gear 29i and an output-side transmission gear 29o fixed to the second transmission shaft 26a.
  • the second transmission shaft 26a is attached to the transmission casing 41 via a bearing (not shown).
  • the input side transmission gear 29 i and the output side transmission gear 29 o are fixed to both ends of the transmission shaft 25.
  • the input side transmission gear 29i meshes with the first transmission gear 25g.
  • the output-side transmission gear 29o meshes with a gear 23g formed on the outer periphery of the carrier body 23.
  • the internal gear carrier 31 has a carrier main body 33 to which the internal gear 17 is fixed, and an internal gear carrier shaft 37 that is fixed to the carrier main body 33 and extends in the axial direction about the axis Ar.
  • the carrier body 33 has a cylindrical shape centered on the axis Ar, a cylindrical portion 35 in which the internal gear 17 is fixed on the inner peripheral side, and an input side arm portion that extends radially inward from the input side end of the cylindrical portion 35. 36.
  • the internal gear carrier shaft 37 having a cylindrical shape with the axis line Ar as the center is disposed on the input side of the sun gear shaft 12 having a cylindrical shape with the axis line Ar as the center.
  • the input side arm portion 36 of the carrier body 33 is fixed to the internal gear carrier shaft 37.
  • the internal gear carrier shaft 37 is inserted into the inner peripheral side of the cylindrical input side planetary gear carrier shaft 27i.
  • the constant speed motor 51 rotates the internal gear carrier shaft 37 of the transmission 10.
  • the variable speed motor 71 rotates the input planetary gear carrier shaft 27 i of the transmission 10.
  • the electric device 50 includes a cooling fan 91 for cooling the constant speed electric motor 51 and a fan cover 92 that covers the cooling fan 91.
  • the internal gear carrier shaft 37 is a constant speed input shaft Ac that rotates at a constant speed by the driving force of the constant speed motor 51.
  • the input-side planetary gear carrier shaft 27 i is a variable speed input shaft Av that rotates at an arbitrary rotation speed by the driving force of the variable speed motor 71.
  • the variable speed gearbox 1 can change the rotation speed of the output shaft Ao of the transmission 10 connected to the drive target by changing the rotation speed of the variable speed motor 71.
  • the constant speed motor 51 is, for example, a four-pole three-phase induction motor.
  • the variable speed motor 71 is a six-pole three-phase induction motor having more poles than the constant speed motor 51.
  • the specifications of the constant speed motor 51 and the variable speed motor 71 are not limited to this, and the specifications can be changed as appropriate.
  • the constant speed motor 51 rotates around the axis line Ar, and is disposed on the outer peripheral side of the constant speed rotor 52 and the constant speed rotor 52 connected to the internal gear carrier shaft 37 that is the constant speed input shaft Ac of the transmission 10. And a constant speed motor casing 61 in which the constant speed stator 66 is fixed on the inner peripheral side.
  • the constant-speed rotor 52 has a constant-speed rotor shaft 53 that forms a columnar shape about the axis Ar, and a conductor 56 that is fixed to the outer periphery of the constant-speed rotor shaft 53.
  • a cooling fan 91 is fixed to the input side end of the constant speed rotor shaft 53.
  • the constant speed stator 66 is disposed on the radially outer side of the conductor 56 of the constant speed rotor 52.
  • the constant speed stator 66 is formed by a plurality of coils.
  • the constant-speed motor casing 61 has a cylindrical shape centered on the axis Ar, a casing main body 62 in which a constant-speed stator 66 is fixed on the inner peripheral side, and a lid that covers both ends of the cylindrical casing main body 62 in the axial direction. 63i, 63o.
  • Constant-speed rotor bearings 65i and 65o that support the constant-speed rotor shaft 53 so as to be capable of rotating about the axis Ar are attached to the respective lids 63i and 63o.
  • Each of the lids 63i and 63o is formed with a plurality of openings 64 penetrating in the axial direction at positions radially outside the constant speed rotor bearing 65i.
  • the input side end of the constant speed rotor shaft 53 protrudes from the input side lid 63 i of the constant speed motor casing 61 to the input side.
  • a cooling fan 91 is fixed to the input side end of the constant speed rotor shaft 53. When the constant speed rotor 52 rotates, the cooling fan 91 also rotates integrally with the constant speed rotor 52.
  • the fan cover 92 includes a cylindrical cover main body 93 disposed on the outer peripheral side of the cooling fan 91, and an air circulation plate 94 attached to an opening on the inlet side of the cover main body 93 and formed with a plurality of air holes. Have.
  • the fan cover 92 is fixed to the input side lid 63 i of the constant speed motor casing 61.
  • variable speed motor 71 rotates around the axis Ar, and is disposed on the outer peripheral side of the variable speed rotor 72 and the variable speed rotor 72 connected to the input side planetary gear carrier shaft 27i that is the variable speed input shaft Av.
  • a variable speed stator 86 and a variable speed motor casing 81 in which the variable speed stator 86 is fixed on the inner peripheral side are provided.
  • the variable speed rotor 72 has a variable speed rotor shaft 73 and a conductor 76 fixed to the outer periphery of the variable speed rotor shaft 73.
  • the variable speed rotor shaft 73 is a hollow shaft having a cylindrical shape centering on the axis Ar and having a shaft insertion hole 74 penetrating in the axial direction.
  • An internal gear carrier shaft 37 that is a constant speed input shaft Ac is inserted through the shaft insertion hole 74 of the variable speed rotor shaft 73.
  • An annular flange 73o is formed at the output side end of the variable speed rotor shaft 73 so as to expand outward in the radial direction.
  • the variable speed stator 86 is disposed on the radially outer side of the conductor 76 of the variable speed rotor 72.
  • the variable speed stator 86 is formed of a plurality of coils.
  • the variable speed motor casing 81 has a cylindrical shape centered on the axis Ar, a casing main body 82 in which a variable speed stator 86 is fixed on the inner peripheral side, and an output side that closes an output side end of the cylindrical casing main body 82. It has a lid 83o and an inlet side lid 83i that is arranged on the input side of the variable speed stator 86 and is fixed to the inner peripheral side of the cylindrical casing body 82.
  • Variable speed rotor bearings 85i and 85o for supporting the variable speed rotor shaft 73 so as to be capable of rotating about the axis Ar are attached to the respective lids 83i and 83o.
  • Each of the lids 83i, 83o is formed with a plurality of openings 84 penetrating in the axial direction at positions radially outside the variable speed rotor bearings 85i, 85o.
  • the space in 81 communicates with the space in the constant speed motor casing 61.
  • variable speed increaser 1 of the present embodiment the constant speed rotor 52, the variable speed rotor 72, and the sun gear shaft 12 are arranged on the same axis.
  • the constant speed motor 51 is set to rotate the constant speed rotor 52 (internal gear 17) in the second direction R ⁇ b> 2 in the circumferential direction of the axis Ar by supplying electric power to the constant speed motor 51.
  • the constant speed rotor 52 rotates in the second direction R2
  • the internal gear carrier shaft 37 and the internal gear carrier 31 rotate in the second direction R2.
  • the output shaft Ao of the transmission 10 is rotated in the first direction R1 opposite to the second direction R2 by the constant speed rotor 52 of the constant speed motor 51 rotating in the second direction R2 at the maximum rotation speed.
  • the forward rotation of the constant speed motor 51 is the second direction R2
  • the forward rotation of the output shaft Ao of the transmission 10 is the first direction R1.
  • the compressor C operates normally when the output shaft Ao rotates forward.
  • the rotation direction of the first direction R1 is a positive rotation direction
  • the rotation direction of the second direction R2 is a negative rotation direction.
  • the maximum rotation speed of the constant speed motor 51 is ⁇ 1800 rpm.
  • the variable speed electric motor 71 can rotationally drive the variable speed rotor 72 (planetary gear carrier 21) in the first direction R1 and the second direction R2 in the circumferential direction of the axis Ar. That is, the variable speed electric motor 71 can rotate forward and backward.
  • the variable speed motor 71 functions as a generator by rotating the variable speed rotor 72 in the second direction R2.
  • a state in which the variable speed motor 71 functions as a generator is referred to as a generator mode. That is, the variable speed rotor 72 of the variable speed motor 71 rotates in the second direction R2 in the generator mode.
  • the variable speed motor 71 functions as an electric motor by rotating the variable speed rotor 72 in the first direction R1.
  • a state in which the variable speed motor 71 functions as a motor is referred to as a motor mode. That is, the variable speed rotor 72 of the variable speed motor 71 rotates in the first direction R1 in the motor mode. As the variable speed rotor 72 rotates in the first direction R1, the planetary gear carrier 21 rotates in the first direction R1.
  • the variable speed gearbox 1 of the present embodiment includes a rotation speed sensor 131 that measures the rotation speed of the second transmission shaft 26a (second transmission gear 26g). The rotational speed measured by the rotational speed sensor 131 is transmitted to the control unit 120. The control unit 120 calculates the rotation speed of the variable speed electric motor 71 (variable speed rotor 72) using the rotation speed measured by the rotation speed sensor.
  • the rotation speed sensor 131 includes a detection shaft 132 that can be connected to the second transmission shaft 26a.
  • the detection shaft 132 of the rotation speed sensor 131 is connected to the end of the second transmission shaft 26a so that the second transmission shaft 26a and the detection shaft 132 are on the same straight line.
  • the rotation speed sensor 131 is fixed to the transmission casing 41.
  • the control unit 120 calculates the rotational speed ⁇ h of the variable speed rotor 72 using the rotational speed ratio ⁇ h / ⁇ t of the rotational speed ⁇ h of the variable speed rotor 72 and the rotational speed ⁇ t of the second transmission shaft 26a.
  • the rotation speed ratio ⁇ h / ⁇ t is determined from the number of teeth of the first transmission gear 25g and the second transmission gear 26g.
  • the variable speed gearbox 1 of the present embodiment includes a rotation speed control device 100 that controls the rotation speed of the variable speed motor 71, a variable speed motor switch 111 that sets the variable speed motor 71 in a power supply state and a power cut-off state, and A constant-speed motor switch 112 that puts the constant-speed motor 51 into a power supply state and a power-off state, a control unit 120 that controls operations of the rotation speed control device 100, the variable-speed motor switch 111, and the constant-speed motor switch 112; It has.
  • the control unit 120 is composed of a computer.
  • the control unit 120 receives an instruction from the operator directly or receives an instruction from the host control device, an interface 122 that gives an instruction to the variable speed motor switch 111, the rotation speed control device 100, and the constant speed motor switch 112.
  • a calculation unit 123 that creates instructions for the variable speed motor switch 111, the constant speed motor switch 112, and the rotation speed control device 100 in accordance with the instructions received by the reception unit 121.
  • variable speed motor switch 111 is electrically connected to the power line 110 and the rotation speed control device 100.
  • the rotation speed control device 100 is electrically connected to the variable speed motor 71.
  • the constant speed motor switch 112 is electrically connected to the power line 110 and the constant speed motor 51.
  • the variable speed motor switch 111 is turned on by an on instruction from the control unit 120 and turned off by an off instruction from the control unit 120.
  • the variable speed motor switch 111 When the variable speed motor switch 111 is turned on, power from the power line 110 is supplied to the variable speed motor 71 via the rotation speed control device 100, and the variable speed motor 71 is in a power supply state.
  • the variable speed motor switch 111 When the variable speed motor switch 111 is turned off, the power supply from the power line 110 to the rotation speed control device 100 and the variable speed motor 71 is cut off, and the variable speed motor 71 enters a power cut-off state.
  • the constant speed motor switch 112 is turned on by an on instruction from the control unit 120 and turned off by an off instruction from the control unit 120.
  • the constant speed motor switch 112 When the constant speed motor switch 112 is turned on, the power from the power line 110 is supplied to the constant speed motor 51, and the constant speed motor 51 enters a power supply state.
  • the constant-speed motor switch 112 When the constant-speed motor switch 112 is turned off, the power supply from the power line 110 to the constant-speed motor 51 is cut off, and the constant-speed motor 51 enters a power cut-off state.
  • the computing unit 120 computes the frequency to be supplied to the variable speed electric motor 71 using vector control with a sensor. Specifically, feedback control is performed using the rotational speed ⁇ h of the variable speed motor 71 calculated using the rotational speed ⁇ t of the second transmission shaft 26a (second transmission gear 26g) detected by the rotational speed sensor 131.
  • the vector control is a method in which the current flowing through the electric motor is divided into a current component that generates torque and a current component that generates magnetic flux, and each current component is controlled independently.
  • the rotation speed control device 100 includes a frequency conversion unit 101 that changes the frequency of power supplied from the power line 110 and a rotation direction change unit 102 that changes the rotation direction of the variable speed motor 71.
  • the frequency conversion unit 101 supplies the variable speed electric motor 71 with electric power having a frequency instructed by the control unit 120.
  • the variable speed rotor 72 of the variable speed motor 71 rotates at a rotational speed corresponding to this frequency.
  • the rotation speed of the planetary gear carrier 21 of the transmission 10 connected to the variable speed rotor 72 also changes.
  • the rotational speed of the sun gear shaft 12 that is the output shaft Ao of the transmission 10 also changes.
  • the rotation direction changing unit 102 is a device that changes the rotation direction of the variable speed motor 71 by using a circuit that replaces a plurality of (three in the present embodiment) power lines connected to the variable speed motor 71. . That is, the rotation direction changing unit 102 can rotate the variable speed rotor 72 forward and backward.
  • the rotational speed of the sun gear shaft 12 as the output shaft Ao is ⁇ s
  • the rotational speed of the internal gear carrier shaft 37 (constant speed motor 51) as the constant speed input shaft Ac is ⁇ i
  • the input side planetary gear as the variable speed input shaft Av.
  • the rotation speed of the carrier shaft 27i (variable speed motor 71) is ⁇ h.
  • the number of teeth of the sun gear 11 is Zs
  • the number of teeth of the internal gear 17 is Zi.
  • U is the ratio ⁇ s / ⁇ i between the rotational speed ⁇ s of the output shaft Ao and the rotational speed ⁇ i of the constant speed motor 51.
  • the ratio U between the rotational speed ⁇ s of the output shaft Ao and the rotational speed ⁇ i of the constant speed motor 51 is the same as the ratio Zi / Zs of the number of teeth Zi of the internal gear 17 and the number of teeth Zs of the sun gear 11. Also, let P be the ratio ⁇ c / ⁇ h of the rotational speed ⁇ c of the planetary gear carrier 21 and the rotational speed ⁇ h of the variable speed motor 71.
  • the rotational speed ⁇ i (rated rotational speed) of the constant speed rotor 52 is 1800 rpm.
  • the maximum speed ⁇ h (rated speed) of the variable speed rotor 72 is 900 rpm.
  • the ratio U (the number of teeth Zs of the sun gear 11 and the number of teeth Zi of the internal gear 17 and the ratio Zi / Zs) of the rotational speed ⁇ s of the output shaft Ao and the rotational speed ⁇ i of the constant speed motor 51 is 4.
  • a ratio P between the rotational speed ⁇ c of the planetary gear carrier 21 and the rotational speed ⁇ h of the variable speed motor 71 is set to 0.3.
  • the rotation direction of the constant speed rotor 52 (internal gear 17) is the rotation in the second direction R2 ( ⁇ 1800 rpm)
  • the rotation direction of the variable speed rotor 72 (the planetary gear carrier 21) is the rotation of the constant speed rotor 52.
  • the maximum rotational speed (900 rpm) in the opposite direction (rotation in the first direction R1), the rotational speed ⁇ s of the sun gear shaft 12 as the output shaft Ao is 8550 rpm. This rotational speed (8550 rpm) is the maximum rotational speed of the sun gear shaft 12.
  • the internal gear 17 corresponding to the constant speed input shaft Ac is rotated at ⁇ 1800 rpm
  • the planetary gear carrier 21 corresponding to the variable speed input shaft Av is rotated at 900 rpm.
  • the rotational speed ⁇ s of the output shaft Ao is the maximum rotational speed. Assuming that the variable speed range of the variable speed input shaft Av is from ⁇ 900 rpm to +900 rpm, the rotational speed ⁇ s of the output shaft Ao decreases as the rotational speed of the variable speed input shaft Av approaches ⁇ 900 rpm.
  • the variable speed motor 71 since the rotation speed ⁇ h of the variable speed motor 71 can be calculated using the rotation speed sensor 131, the variable speed motor 71 can be controlled using the vector control with sensor. As a result, it is possible to accurately and accurately determine the magnitude of the load and the state of the rotational speed, and to generate the target rotational speed and torque.
  • the rotational speed sensor 131 is connected to the second transmission shaft 26a instead of the variable speed rotor 72, which is a hollow shaft, and the input side planetary gear carrier shaft 27i.
  • the rotational speed sensor 131 is configured to measure the rotational speed of the second transmission gear 26g, not the rotational speed of the variable speed rotor 72 and the planetary gear carrier shaft 27i having a cylindrical shape. Thereby, the rotation speed sensor 131 can be attached more easily.
  • the rotational speed of the variable speed motor 71 can be detected at low cost using a general-purpose rotational speed sensor.
  • control unit 120 of the present embodiment calculates the rotational speed ⁇ h of the variable speed rotor 72 from the rotational speed ⁇ t of the second transmission gear 26g based on the rotational speed ratio of the second transmission gear 26g and the variable speed rotor 72.
  • the rotational speed ⁇ h of the variable speed rotor 72 can be calculated even when the rotational speed ⁇ t of the second transmission gear 26g is measured instead of the rotational speed ⁇ h of the variable speed rotor 72.
  • the internal gear carrier shaft 37 that is a rod-shaped shaft is inserted into the variable speed rotor shaft 73 that is a cylindrical shaft in which the shaft insertion hole 74 is formed. That is, the constant speed input shaft Ac having a large output is inserted into the variable speed rotor shaft 73 of the variable speed motor 71 having a smaller output than the constant speed motor 51. Thereby, the thing with a bigger output (horsepower) can be employ
  • the constant speed motor 51, the variable speed motor 71, the transmission, and the compressor C are arranged in order in a straight line, the entire apparatus can be made more compact.
  • the rotational speed sensor 131 is connected to the output side end of the second transmission shaft 26a, but the present invention is not limited to this.
  • the rotation speed sensor 131 may be connected to the input side end of the second transmission shaft 26a. Further, the rotation speed sensor 131 may be connected to the first transmission shaft 25a. In other words, the rotational speed sensor 131 can be connected to a rotating shaft that rotates at a predetermined rotational speed ratio with respect to the variable speed rotor 72.
  • a four-pole three-phase induction motor is exemplified as the constant-speed motor 51 suitable for rotating the compressor C at a high speed, and the rotation speed of the compressor C is variable within a certain range. Therefore, as a suitable variable speed motor 71, a six-pole three-phase induction motor is illustrated. However, when it is not necessary to rotate the drive target at a high speed, other types of electric motors may be used as the constant speed electric motor 51 and the variable speed electric motor 71.

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Abstract

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駆動対象に伝える遊星歯車変速装置と、を備え、太陽歯車軸が駆動対象に接続される出力軸を成し、内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、電動装置は、変速装置の可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有する可変速電動機と、変速装置の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、からなり、可変速ロータ及び遊星歯車キャリア軸は、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、定速ロータは、軸挿通孔に挿通され、伝達歯車の回転数を測定する回転数センサと、回転数センサによって測定された回転数に基づいて可変速電動機のベクトル制御を行う制御装置と、を有する可変速増速機。

Description

可変速増速機
　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。
　また、可変速増速機としては、遊星歯車変速装置の遊星歯車キャリアを構成する遊星歯車キャリア軸を中空軸とするとともに、遊星歯車キャリア軸の中空部に内歯車キャリアを構成する内歯車キャリア軸を挿通させる構造のものがある。
　この可変速増速機においては、定速電動機の定速ロータが内歯車キャリア軸に接続され、中空軸とされた可変速電動機の可変速ロータが遊星歯車キャリア軸に接続される。
日本国特許第４４７２３５０号公報
　ところで、可変速増速機を構成する可変速電動機の制御方法としては、可変速電動機の回転数を計測する回転数センサを用いてベクトル制御を行う、センサ付きベクトル制御が知られている。
　センサ付きベクトル制御は、可変速電動機の回転数を可変速電動機に取り付けた回転数センサによって検出するとともに、可変速電動機を流れる電流から負荷の大きさをベクトル演算によって精度高く算出する方法である。これにより、負荷の大きさや回転数の状況を精度良く的確に判断して、目標とする回転数やトルクを発生することができる。
　可変速電動機の回転数を検出する構造としては、例えば、中空軸の外周面に複数のスリットが形成されたディスクを設け、発光素子、受光素子を用いて回転数を検出する構造が考えられる。しかしながら、この構造の場合、構造が複雑になる等の課題がある。
　本発明は、定速ロータを有する定速電動機と可変速ロータを有する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、中空軸とされた可変速ロータの中空部に定速ロータを挿通させる形態の可変速増速機において、より容易に可変速電動機の回転数を検出す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、複数の前記遊星歯車相互の位置を固定するキャリア本体、及び前記遊星歯車キャリア軸の回転を前記キャリア本体に伝達する伝達歯車を有し、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、前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内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、前記電動装置は、前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有する可変速電動機と、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、からなり、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、前記伝達歯車の回転数を測定する回転数センサと、前記回転数センサによって測定された回転数に基づいて前記可変速電動機のベクトル制御を行う制御装置と、を有する。
　このような構成によれば、回転数センサを用いて円筒状をなす可変速ロータ及び遊星歯車キャリア軸の回転数ではなく、伝達歯車の回転数を測定する構成としたことによって、より容易に回転数センサを取り付けることができる。
　上記可変速増速機において、前記制御装置は、前記伝達歯車と前記可変速ロータの回転数比に基づいて、前記伝達歯車の回転数から前記可変速ロータの回転数を算出してよい。
　このような構成によれば、可変速ロータの回転数ではなく、伝達歯車の回転数を計測する場合においても、可変速ロータの回転数を算出することができる。
　本発明によれば、回転数センサを用いて円筒状をなす可変速ロータ及び遊星歯車キャリア軸の回転数ではなく、伝達歯車の回転数を測定する構成としたことによって、より容易に回転数センサを取り付けることができる。
本発明に係る実施形態の可変速増速機の断面図である。 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。
　以下、本発明の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。
　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、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、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。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、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。
　遊星歯車キャリア２１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の回転をキャリア本体２３に伝達する第一伝達部２５及び第二伝達部２６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中空軸である。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、第一伝達部２５の第一伝達歯車２５ｇに噛み合うキャリア軸歯車２７ｇが形成されている。
　第一伝達部２５は、軸線Ａｔ１を中心として自転可能に支持されている第一伝達軸２５ａと、第一伝達軸２５ａに固定されている第一伝達歯車２５ｇを有している。第一伝達軸２５ａ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。
　第二伝達部２６は、軸線Ａｔ２を中心として自転可能に支持されている第二伝達軸２６ａと、第二伝達軸２６ａに固定されている入力側伝達歯車２９ｉ及び出力側伝達歯車２９ｏと、を有している。
　第二伝達軸２６ａ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。入力側伝達歯車２９ｉと出力側伝達歯車２９ｏとは、伝達軸２５の両端に固定されている。
　入力側伝達歯車２９ｉは、第一伝達歯車２５ｇと噛み合っている。出力側伝達歯車２９ｏは、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、第一伝達部２５及び第二伝達部２６を介してキャリア本体２３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６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。
　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を有している中空軸である。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。
　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の回転方向とし、第二方向Ｒ２の回転方向をマイナスの回転方向とする。例えば、定速電動機５１の最大回転数は、－１８００ｒｐｍである。
　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。
　可変速電動機７１は、可変速ロータ７２を第二方向Ｒ２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二方向Ｒ２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Ｒ１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一方向Ｒ１に回転する。
　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は、第一方向Ｒ１に回転する。
　本実施形態の可変速増速機１は、第二伝達軸２６ａ（第二伝達歯車２６ｇ）の回転数を計測する回転数センサ１３１を備えている。回転数センサ１３１によって測定された回転数は、制御部１２０に送信される。制御部１２０は、回転数センサによって測定された回転数を用いて、可変速電動機７１（可変速ロータ７２）の回転数を算出する。
　回転数センサ１３１は、第二伝達軸２６ａに接続可能な検出軸１３２を備えている。
　回転数センサ１３１の検出軸１３２は、第二伝達軸２６ａの端部に、第二伝達軸２６ａと検出軸１３２とが同一直線上となるように接続されている。回転数センサ１３１は、変速ケーシング４１に固定されている。
　制御部１２０は、可変速ロータ７２の回転数ωｈと第二伝達軸２６ａの回転数ωｔの回転数比ωｈ／ωｔを用いて、可変速ロータ７２の回転数ωｈを算出する。回転数比ωｈ／ωｔは、第一伝達歯車２５ｇ及び第二伝達歯車２６ｇの歯数から定まる。
　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及び回転数制御装置１００、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に対する指示を作成する演算部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。
　演算部１２０は、センサ付きベクトル制御を用いて、可変速電動機７１に供給する周波数を演算する。具体的には、回転数センサ１３１によって検出された第二伝達軸２６ａ（第二伝達歯車２６ｇ）の回転数ωｔを用いて算出された可変速電動機７１の回転数ωｈを用いてフィードバック制御をおこなう。ここで、ベクトル制御とは、電動機を流れる電流を、トルクを発生する電流成分と磁束を発生する電流成分とに分解し、それぞれの電流成分を独立に制御する方式である。
　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。
　上記実施形態によれば、回転数センサ１３１を用いて可変速電動機７１の回転数ωｈを算出することができるため、センサ付きベクトル制御を使って可変速電動機７１の制御が可能となる。これにより、負荷の大きさや回転数の状況を精度良く的確に判断して、目標とする回転数やトルクを発生することができる。
　また、回転数センサ１３１を中空軸である可変速ロータ７２や、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉではなく、第二伝達軸２６ａに接続した。換言すれば、回転数センサ１３１を円筒状をなす可変速ロータ７２及び遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転数ではなく、第二伝達歯車２６ｇの回転数を測定する構成とした。これにより、より容易に回転数センサ１３１を取り付けることができる。具体的には、汎用の回転数センサを用いて低コストで可変速電動機７１の回転数を検出することができる。
　また、本実施形態の制御部１２０は第二伝達歯車２６ｇと可変速ロータ７２の回転数比に基づいて、第二伝達歯車２６ｇの回転数ωｔから可変速ロータ７２の回転数ωｈを算出する。これにより、可変速ロータ７２の回転数ωｈではなく、第二伝達歯車２６ｇの回転数ωｔを計測する場合においても、可変速ロータ７２の回転数ωｈを算出することができる。
　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、回転数センサ１３１を第二伝達軸２６ａの出力側の端部に接続したがこれに限ることはない。回転数センサ１３１は、第二伝達軸２６ａの入力側の端部に接続してもよい。
　また、回転数センサ１３１は、第一伝達軸２５ａに接続してもよい。即ち、回転数センサ１３１は、可変速ロータ７２に対して、所定の回転数比で回転する回転軸に接続することができる。
　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、６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。
　１　可変速増速機
　１０　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
　２５　第一伝達部
　２５ｇ　第一伝達歯車
　２６　第二伝達部
　２６ｇ　第二伝達歯車
　２７　遊星歯車キャリア軸
　２７ｉ　入力側遊星歯車キャリア軸
　２７ｏ　出力側遊星歯車キャリア軸
　３１　内歯車キャリア
　３７　内歯車キャリア軸
　４１　変速ケーシング
　４２　太陽歯車軸受
　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
　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
　１３１　回転数センサ
　Ａｃ　定速入力軸
　Ａｏ　出力軸
　Ａｒ　軸線
　Ａｖ　可変速入力軸
　Ｃ　圧縮機
　Ｒ１　第一方向
　Ｒ２　第二方向

Claims (2)

  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、複数の前記遊星歯車相互の位置を固定するキャリア本体、及び前記遊星歯車キャリア軸の回転を前記キャリア本体に伝達する伝達歯車を有し、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、
    　前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内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、
    　前記電動装置は、前記変速装置の前記可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有する可変速電動機と、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、からなり、
    　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、
    　前記伝達歯車の回転数を測定する回転数センサと、
    　前記回転数センサによって測定された回転数に基づいて前記可変速電動機のベクトル制御を行う制御装置と、を有する可変速増速機。
  2. 　前記制御装置は、前記伝達歯車と前記可変速ロータの回転数比に基づいて、前記伝達歯車の回転数から前記可変速ロータの回転数を算出する請求項１に記載の可変速増速機。
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