JP2001502852A - 安全装置を有する電磁永久磁石システム型起重機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも一対の永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’）を有した少なくとも一つの永久磁石（６，６’）と、その上部に、垂直軸方向にその極性を向けて配設された少なくとも一つの可逆磁石（５，５’）を含む起重機であり、該永久磁石材料ブロックは、持ち上げられる荷重（１８）に接触されるようになっている少なくとも一つの強磁性体鉄心（６ｂ，６ｂ’）の横側に、水平軸方向にその極性を向けて配設されており、該強磁性体鉄心の基部（６ｃ，６ｃ’）には、該基部に近接して配設された少なくとも一つの磁気センサ（１１）を含み、且つ、実質的に、可逆磁石（５，５’）を通る磁束のみを測定するように、永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’）の上部に配設された磁気センサ（１２）を含む起重機であって、更に、二つの磁気センサ（１１，１２）より伝達される信号を処理して起重機の作動点を可逆磁石（５，５’）の磁化曲線（１４）上に得るための安全装置（１３）を含む起重機。

Description

【発明の詳細な説明】 安全装置を有する電磁永久磁石システム型起重機 本発明は磁気起重機（lifter）、特に作動点（working point）を制御するた めの安全装置を有した電磁永久磁石（electropermanent magnet）システム型起 重機に関係する。 すでに知られているように、起重機は、使用されている磁石が、永久磁石、電 磁永久磁石システム、又は電磁石かにより３タイプに分類される。各タイプの起 重機には、それぞれ利点と欠点がある。 永久磁石型起重機は、動力消費をほとんど無視でき、且つ、確実に一定で且つ 外部電力源に依存しない磁気力を生ずるという利点がある。一方、必要な場合で も磁気力を増加させることは不可能であり、重い荷重（load）を持ち上げるため には磁石がきわめて巨大になる。さらに、荷重を脱離させるためには、磁気力を 荷重の重さよりも小さな値まで減らすための相当な量の機械的動力が必要である 。また、別のやり方の例を挙げれば、磁石を荷重から遠ざけて、磁引力（magnet ic attraction）が減少するようにするために、磁石を移動可能にする必要があ る。 逆に、電磁石型起重機においては、ただ磁場を生ずる巻線中を流れる電流を調 整するだけで磁気力を自由に変えること ができる。しかしながら、たとえ非常に短くとも動力供給を中断すれば、それに よってすぐに磁気力は解除されて、荷重は脱離してしまう。したがって、連続し た動力供給を保証する安全システムが必須であることは明らかである。 電磁永久磁石システム型起重機は実質的に前述の２タイプの起重機の利点を合 わせたものである。該起重機の利点は、可逆式永久磁石、即ち、電気インパルス を与えることで容易に極性を反転できる磁石の使用による。可逆磁石は、調整可 能な磁束を生じ、その磁束は又、該可逆磁石と組合わせた従来型永久磁石の磁束 をもコントロールすることができる。したがって、起重機を作動停止させるとき は二つの磁石を短絡させ、又は起重機を作動させるためにこれらの磁石を並列に コントロールすることができる。可逆磁石の極性を反転させるためには、電気の 連続供給ではなく単に電気インパルスが必要なので、電磁石に影響を与える安全 性の問題は克服される。同時に、たとえ永久磁石が使用されていても、磁気力を 或る範囲内で変化させることができる。更に、最小の動力消費で、且つ、磁石を 動かすための複雑な構造を必要とせずに、荷重を容易に脱離できる。 しかしながら、電磁永久磁石システム型起重機は、可逆磁石が特定の磁化曲線 を有するために、他の２タイプの磁石を有する起重機に比べて作動が不安定であ るという欠点をもつ。実際に、可逆磁石は、高い磁気誘導が減少された保磁力（ co ercive force）に対応するという特徴を持つヒステリシスをもつアルミニウム− ニッケル−コバルト（アルニコ）合金で通常つくられる。この特徴のために、電 磁永久磁石システムを形成している永久磁石の磁束をコントロールすることがで きる。 しかしながら、該磁化曲線は“屈曲部（knee）”を持ち、この屈曲部を超えて も可逆磁石の磁化曲線はまだ直線的ではあるが、屈曲部の前の領域に比べるとよ り傾斜している。これは、小さな保磁力の変動に対して磁気誘導が大きく変動す ることを意味する。実際的には、電磁永久磁石システム型起重機が、持ち上げら れる荷重の動きに非常に影響されることを意味する。実際、このようなユニット により持ち上げられるプレートの振動はエアギャップを変動させ、したがって、 磁気回路の全磁気抵抗を変動させることが知られている。こうした変動は、起重 機の磁石集合体の作動点を該“屈曲部”の下部領域に移動させることができる。 この作動点の移動は持ち上げられる荷重の小さなずれにも影響されるので、わず かな湾曲部やほとんど検出できないほどの屈曲部でも、起磁力を大きく変動させ るのに十分であり、よって、起重システム（lifting system）を非常に不安定に する。 公知の起重機には磁気力を測定するためのシステムがあり、該システムはどの タイプの磁石に対しても同じである。この測定システムは、発生する磁気力を持 ち上げられる荷重の重 さと比較することによって安全操作ファクターを計算することにのみ役に立つ。 磁気力の測定は、荷重と連結した全磁束を非常に正確に測定するように、測定コ イルを荷重に接触している磁極片（又は基部）近くに配設することによっておこ なわれる。こうした測定は、起重機の作動点については明らかに何の指示も与え ないので、可逆磁石の不安定性から生ずるどのような危険も知らせることはでき ない。 本発明の一つの目的は、実際の作動条件における起重ユニット（lifting unit ）にもし不安定性があれば、それを制御できる安全装置を有する電磁永久磁石シ ステム型起重機を提供することである。 この目的は、可逆磁石の働きのみ、したがってその作動点のみを測定できるセ ンサを有する起重機により達成される。 かくして、本発明の起重機の主な利点は、全体の安全ファクター（total safe ty factor）だけでなく、不安定状態が近くなったことも示すことによって最高 の操作安全性を保証することである。 本発明の起重機のもう一つの利点は、可逆磁石の磁束を測定するセンサのデー タと、全磁束を測定するセンサのデータとを適切に組合わせることで、作用極性 と荷重との間のエアギャップが原因で荷重を通らないで隣在する磁極間で直接短 絡してしまう磁束線によって引き起こされる磁気的分散（magnetic dispersion ）による全磁束の読み取り誤差を補償で きることである。なお、該読み取り誤差は、エアギャップの大きさに比例する。 本発明の起重機の他の諸利益並びに諸特徴は、添付の図面を参照しながら次に 述べる本発明の実施態様の詳細な説明から明らかになる。 図面において： 図１は、本発明の起重機における作動停止時の正面概略図であって、左半分は 断面図であり； 図２は、図１の起重機の、対称形の半分部分における水平断面の部分図であり ； 図３は、可逆磁石及び永久磁石の磁化曲線を示した図であり；そして 図４は、図１の起重機における荷重運搬時の正面概略図である。 図１を参照して説明する。本発明の電磁永久磁石システム型起重機は、公知の ものと同じように、外部支持構造体、複数の磁石、及び、調整制御ユニットを含 む。 該支持構造体は、例えばクレーンのような持ち上げ手段を締結するためのジョ イント２を有する上部ブロック１、４つの側面３、及び、閉じるための基板４を 含んでなる。該支持構造体は、磁気回路における磁気抵抗を最小限にするため、 高磁気伝導性材料で形成されていることは明らかである。 各電磁永久磁石システムは、一つの可逆磁石５及び一つの 永久磁石６が上下に配設されて形成されている。可逆磁石５の極性は、アルニコ でできた磁心（core）５ａの水平側に配列されている。該磁心のまわりには、磁 極の反転を制御するために切り替えコイル（commuting coil）５ｂが配設されて いる。起重機が作動していないときは、図１に示すように、垂直軸方向にＮ極が 上側を向き、Ｓ極が下側を向いている。 永久磁石６は、鉄心６ｂの横側に沿って配設された複数の永久磁石材料ブロッ ク（例えばフェライトブロック）６ａを含む。鉄心６ｂは、アルニコ磁心５ａを 突き抜けている複数の棒７を介してブロック１に締結され、ナット８によって適 切なシート９に抑え付けられている。かくして、可逆磁石５も又、ブロック１の 下に固定されている。プレート４から突出していて、持ち上げられる荷重に接触 させるようになっている磁極片（又は基部）６ｃの中に、鉄心６ｂは下向きに延 びている。 フェライトブロック６ａの極性の配列は図２に明示しているが、全ての面にお いて水平軸方向にＮ極は鉄心６ｂを向き、Ｓ極は外部に向いている。 上記の記述は、図１に示した起重機の左側に配設した磁石５，６、即ち、図１ の左半分断面図に見える磁石に関するものである。矢印で示した磁気回路を閉じ るため、起重機の右半分には極性が逆向するようにもう一つの電磁永久磁石シス テムが適切に配設されている。言い換えれば、Ｓ極が上側で Ｎ極が下側である第二の可逆磁石５’が配設されている。第二の永久磁石６’も 同様に、Ｓ極が鉄心６ｂ’を向き、Ｎ極が外側を向くように配設された複数のフ ェライトブロック６ａ’を含む（図２参照）。 この磁石の配列は、実質的に図１の矢印で示した方向に向いた３束の磁束線を 含む磁場を誘導する。中央の磁束線の束は、二つの可逆磁石５，５’、二つの鉄 心６ｂ、６ｂ’、及び、二つの鉄心の間に配設されたフェライトブロック６ａ、 ６ａ'、そのほか外部支持構造体のある部分を通る。両側の二つの磁束線の束は 、可逆磁石５，５’、鉄心６ｂ、６ｂ’、及び、該鉄心と側面３との間に配設さ れたフェライトブロック６ａ、６ａ'のうちのそれぞれただ一つを通る。該磁束 線は、互いに連結しながら、起重機内部を流れるので、磁極片（又は基部）６ｃ 、６ｃ’近くに配置される強磁性の荷重は起重機には引きつけられないだろう。 調整制御回路は、切り替えコイル５ｂの少なくとも一つの制御回路１０、フェ ライトブロック６ａの上下にそれぞれ配設された第１磁気センサ１１と第２磁気 センサ１２、更に、該センサ１１及び１２から入る信号を処理するための少なく とも一つの安全装置１３を含む。下側の磁気センサ１１は、例えば、荷重と連結 した磁束を測定するために鉄心６ｂの下部を取り巻くループをもつコイルからな る。上側の磁気センサ１２は、例えば、鉄心６ｂの上部を取り巻くループをもつ もう一つのコイルからなるが、以下に説明するように、可逆磁石５の磁束線のみ を測定できることが本発明の起重機の特徴である。 ただ一対のセンサ１１と１２で電磁永久磁石システムの磁極対の作用を制御す るのに十分であるが、より正確な測定精度を達成するために、各電磁永久磁石シ ステムは、それぞれそれ自身の一対のセンサを有することが好ましい。即ち、下 部コイル及び上部コイル（図示していない）は、二対のコイルの読み取りを平均 化することによって測定誤差を減らすように、永久磁石の鉄心６ｂ’のまわりに も配設され、両方とも安全装置１３と接続されている。 図３を参照して説明する。残留誘導（residual induction）Ｂｒと保磁力強度 （coercive field intensity）Ｈｃとの比を示す磁化曲線は、起重機の磁石のタ イプにより二つの異なる特徴を示している。特に、可逆磁石５，５’の磁化曲線 １４は、永久磁石６，６’の磁化曲線１５とは異なり、“屈曲部”１７と、保磁 力強度Ｈｃのゼロレベルに対応する残留誘導Ｂｒ軸との間に極めて短い直線状部 分１６をもつ。“屈曲部”１７を超えると、磁化曲線１４は、急斜面となり、ヒ ステリシス現象を示す。よって、起重機の作動点が偶発的にその領域に入る場合 は、残留誘導Ｂｒが保磁力強度Ｈｃのわずかな変動に対して即座に変化し、また 、磁石のヒステリシスのためにこれら二つの量の間には全単射（bijection）が な いので、持ち上げる力は不安定なものになる。 図４を更に参照して説明する。強磁性体である荷重１８は、磁極片（又は基部 ）６ｃ，６ｃ’に近接して置かれ、可逆磁石５，５’の極性をそれぞれの切り替 えコイルを通して反転させることにより、本発明の起重機によって引き付けられ る。即ち、該可逆磁石の磁束線は、もはや図１に示したように永久磁石６ａ，６ ａ'の磁束線とは連結しない。かわって、特定の磁石配列により、磁気回路は磁 極片（又は基部）６ｃを出て、磁極片（又は基部）６ｃ’に戻ることになるので 、全ての磁束線は、荷重１８を通る。またこの場合、３束の磁束線を含む磁場が 誘導されるが、該磁場は実質的には図４の矢印で示した方向に向いており、よっ て同心状に誘導される。 特に、可逆磁石５，５’を通る磁束線が、フェライトブロック６ａ，６ａ'を 通らないのでフェライトブロックから生ずる磁場による影響を受けないというこ とは注目されるべきである。したがって、磁気センサ１２は、可逆磁石のみによ って生じる磁束強度を検出する。それに対して磁気センサ１１は、フェライトブ ロック６ａ，６ａ'の磁束線を検出する。 この実施態様における安全装置１３は、マイクロプロセッサにより制御される 電子回路を含むが、該マイクロプロセッサは、磁気センサ１１と１２により伝達 され且つその後増強されてディジタル形式に変換される信号を入力として受け取 るものである。安全装置１３は、磁気センサ１１と１２の信 号を処理して、電磁永久磁石システムの全磁気力を検出し且つ可逆磁石５，５’ の作動点を磁化曲線１４上に得る。これらの値を互いに比較することによって、 安全装置１３は、磁気センサ１１により測定された磁束と荷重１８を実際に通リ 抜けている磁束との差を補償する。このような差は、エアギャップΔ、即ち、荷 重１８と磁極片（又は基部）６ｃ，６ｃ’との間の距離の変動による磁束の分散 による。図４の左側はエアギャップΔ（拡大してある）を通る磁束線を実際の状 態、即ち、磁束分散がある状態を示し、図の右側は同じ磁束線を理想の状態、即 ち、磁束分散がない状態を示している。 磁気センサ１２が永久磁石上に配設されているので、安全装置１３は、可逆磁 石５，５’の作動点を図３の磁化曲線１４上に決定し、よって、エアギャップΔ の大きさ、磁気誘導Ｂｒの値、荷重１８との磁気連結、及び、最終的に荷重に作 用している有効な磁気力を次々と計算する。したがって、安全装置１３のソフト ウェアは、エアギャップΔのために生ずる磁束分散による誤差を排除するように 、磁気センサ１１の読み取りを自動的に補正できる特定のアルゴリズム（algori thm）を含む。 荷重１８に作用している有効な磁気力が荷重を持ち上げるのに不十分な場合、 あるいは、可逆磁石５，５’の作動点が磁化曲線の直線部分１６上に無い場合、 安全装置１３は、音響アラーム信号、光アラーム信号等により、オペレータに危 険状態をすぐに知らせるようになっている。 本発明の起重機における上記の実施態様は、明らかに種々の改変が可能な一つ の例にすぎない。特に、磁石の材質は起重機の必要性により異なってもよい。例 えば、永久磁石は、ネオジム、あるいは他の希土類でつくられることもできる。 同様に、本発明の起重機のもう一つの実施態様においては、磁気センサ１１及 び１２は、コイルでなくホール効果センサのような別のタイプのセンサを含んで 構成されていてもよい。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの永久磁石（６，６’）と、その上部に、垂直軸方向にその 極性を向けて配設された少なくとも一つの可逆磁石（５，５’）を含む起重機で あり、該永久磁石は、持ち上げられる荷重（１８）に接触されるようになってい る少なくとも一つの強磁性鉄心（６ｂ，６ｂ’）の横側に、水平軸方向にその極 性を向けて配設された少なくとも一対の永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’） を有し、且つ、該強磁性鉄心の基部（６ｃ，６ｃ’）に近接して配設された少な くとも一つの磁気センサ（１１）を含む起重機であって、 実質的に、可逆磁石（５，５’）を通る磁束のみを測定するように、永久磁石 材料ブロック（６ａ，６ａ’）上部に配設された少なくとも更にもう一つの磁気 センサ（１２）を含み、且つ、二つの磁気センサ（１１，１２）より伝達される 信号を処理して可逆磁石（５，５’）の磁化曲線（１４）上に起重機の作動点を 得るための安全装置（１３）を含むことを特徴とする起重機。 ２．一対の可逆磁石（５，５’）を含み、各可逆磁石は、永久磁石（６，６’） の上部に、垂直軸方向にその極性を互いに逆向きに向けて配設されており、該永 久磁石は、強磁性鉄心（６ｂ，６ｂ’）の横側に、水平軸方向にその極性を向け て配設された複数の永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’） を有しており、可逆磁石（５，５’）により誘導される磁束は互いに連結してい ることを特徴とする請求項１に記載の起重機。 ３．二つの強磁性鉄心（６ｂ，６ｂ’）の各基部に配設された磁気センサ（１１ ）を含み、且つ、二つの各可逆磁石（５，５’）の各々と該可逆磁石に組合わさ れた対応する各永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’）の各々との間に配設され た更にもう一つの磁気センサ（１２）を含むことを特徴とする請求項２に記載の 起重機。 ４．少なくとも一つの可逆磁石（５，５’）が、アルミニウム、ニッケル及びコ バルトを含む合金でつくられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに 記載の起重機。 ５．少なくとも一つの磁気センサ（１１，１２）が、強磁性鉄心（６ｂ，６ｂ’ ）の一部を取り巻くループをもつコイルを含むことを特徴とする請求項１〜４の いずれかに記載の起重機。 ６．少なくとも一つの磁気センサ（１１，１２）が、ホール効果センサを含むこ とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の起重機。 ７．可逆磁石（５，５’）及び永久磁石材料ブロック（６ａ，６ａ’）が、高磁 気伝導性の構造体（１，３，４）中に収容され、強磁性鉄心（６ｂ，６ｂ’）の 一部がその底面から突出していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記 載 の起重機。 ８．安全装置（１３）は、マイクロプロセッサにより制御される電子回路を含み 、該マイクロプロセッサは、二つの磁気センサ（１１，１２）により伝達され且 つディジタル形式に変換される信号を入力として受信することを特徴とする請求 項１〜７のいずれかに記載の起重機。 ９．安全装置（１３）が、二つの磁気センサ（１１，１２）により検出される値 の差がある場合、それに依存して、持ち上げられる荷重（１８）を通る磁束を計 算すること特徴とする請求項８に記載の起重機。 １０．安全装置（１３）がアラーム手段を含み、該アラーム手段は、起重機の作 動点が可逆磁石（５，５’）の磁化曲線（１４）におけるグラフの屈曲部（１７ ）と、保磁力強度（Ｈｃ）のゼロレベルに対応する残留誘導（Ｂｒ）軸との間の 直線状部分（１６）にない場合に、自動的に作動することを特徴とする請求項９ に記載の起重機。