JP2006042569A - 省電力電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ出力による消費電力を省略できる省電力電動アクチュエータを提供する。
【解決手段】駆動に要する負荷トルクが小さく、迅速に動かしたい場合、制御回路１３の指令と切換回路１４の制御によりモータドライバー１２によりモータ２の回転数が上昇される。この時、昇降機は出力されたモータトルクで出力駆動される。つぎに、大きい負荷トルクでゆっくり昇降機を作動させる場合、制御回路１３の指令によりまずモータ２が特性線に沿って減速される。すなわち、回転検出器１６よりフィードバックされた回転数にて、モータ１、２の駆動が、制御回路１３の指令と切換回路１４の制御によりモータドライバー１２よりモータドライバー１１に切換えられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、物体を昇降する際の変動する負荷に応じた駆動力を出力できる省電力電動アクチュエータに関する。

この種の電動アクチュエータは、駆動源となる電動機と、この電動機の回転出力を得て昇降用の回転駆動力を出力軸に減速出力する歯車で構成される。すなわち図５で示すように、駆動源としてのモータ１とこのモータ１の出力軸であるモータ軸３に一体的に固設された歯車５と、歯車５と噛み合う歯車６と、この歯車６と一体的に固設され、歯車６の回転を出力する出力軸４を備える歯車系を具備している。

歯車５はモータ軸３の軸端に回転可能に装着された軸受７により、歯車６は出力軸４の両端に装着された軸受８、９によりそれぞれ軸支されている。
この図の場合の減速部は、一対の歯車５、６で示しているが、通常、機器を駆動するのに必要な回転数を出力できる減速比を得るために、複数個の歯車列で構成される。
出力軸４には被駆動される回転駆動式の昇降機が軸継手（共に図示せず）を介して接続される。

ところで、このような昇降機駆動に要する電動アクチュエータの特性について説明すると、まず、この電動アクチュエータに使用されるモータは、機器を駆動するために要求される特性を持ったモータが選定される。その特性は複数の回転数およびトルクの組み合わせを満足するＴ−Ｎ（トルク−回転数）特性線を有している。すなわち、図４に示すように低速回転で大トルク、高速回転で小トルクを出力できる特性を有するモータが選定される。なお図４は、縦軸にトルク、横軸に回転数を示す特性図で、傾斜で示す実線がモータ１の特性線を示している。

回転駆動式の昇降機は、たとえば索状体等を巻き上げ、巻き降ろしする一連の動作の中で、負荷が定期的に変動する場合がある。このとき、モータの回転出力も負荷に応じて変化しなければならない。すなわち、モータの回転出力が低回転で大トルクが要求される点を図４においてポイントａとし、負荷が小さい時は、高回転で小トルクが要求され、この点をポイントｂとする。ポイントａの回転を過ぎたポイントをｃとし、ｃとｂの間は、ａからｂ、または、ｂからａへの移行区間であり、大きなトルクを必要とせずポイントｂと同じトルクに設定される。

図４にはこのポイントａとｃ、ｃとｂを直線で接続し示すが、これが本来モータに要求される特性である。この特性に適合するモータが選定される。
この特性およびポイントは、電動アクチュエータを設置する昇降機等の必要性能により異なる。

モータを選定する場合、図４で示された特性を満足する最適のモータを選定することになるが、要求特性が、低回転で大トルクのポイントと高回転で低トルクのポイントと広範囲で、特性が相反している。また、モータカタログに記載された特性線図より、１台のモータで図示の特性のモータを選定する場合、一方のポイントを満足させると、他方のポイントは適合しない。図４で示す選定したポイントａ、ｂ’を結ぶモータ特性線となる。このようにある必要ポイントの一方は要件を満たすが、他方は必要ポイント以上に大きな余裕を持った特性のモータが選定される。

従来における電動アクチュエータは以上のような構成であるから、モータは、電動アクチュエータ本体部を制御する制御器（共に図示せず）により駆動される。以下、作動を図４、図５とともに説明すると、昇降機はその機能を果たすため、図４に示すポイントａ、ｂ点でのトルクを必要とするが、この場合、ポイントａからｂへ、また、ポイントｂからａへの切換えは制御器で行われる。これは、ポイントａ、ｂ間をモータの特性線上に沿って移行することになる。この移行するポイントａ、ｂ間に必要なトルクはポイントｃ、ｂ間のトルクでの作動が適正な時に、図４のポイントａとポイントｂ’を結ぶモータ特性線で示すように、必要以上のトルクがモータ１より出力される。
昇降機の作動に必要なポイントａでの動作とポイントｂでの動作の間は、モータ回転数の上下操作が行われる。この間、昇降機は大きなトルクを必要としない。しかし、回転数の上下時に不必要なトルクも含めてモータ１からトルクの出力が出力されることにより電力が消費される。

モータの出力（Ｐ）は、回転数（Ｎ）とトルク（Ｔ）の積であらわされる一種の機械的エネルギーで、下記の数式で電力量に変換される。
出力（Ｐ）＝係数×回転数（Ｎ）×トルク（Ｔ）
この出力は、Ｔ−Ｎ（トルク−回転数）特性線図ではハッチングで示す面積で表される。
今回の場合、図４で示すように、選定されたモータの特性線は、必要な特性線より上部になっているが、ハッチングの面積が、余分の電力を示している。

なお、電動アクチュエータに関する先行技術文献を調査したが発見されなかった。

以上、詳述したとおり、従来の電動アクチュエータにおいては、モータに要求される特性が、低速回転で大トルクの出力ポイントと高速回転で低トルクの出力ポイントであり、その間のポイントは大きなトルクを必要としない場合、１台のモータで異なるポイントを全て満足するモータを選定するとなると、余裕を持った選定となり不必要な消費電力が大きくなる。
特に、低速回転で大トルクのポイントと高速回転で低トルクのポイントの間は、これらを結ぶモータ特性線から大きく離れ、その差が大きく作動時の消費電力が大きい。
本発明は、このような問題を解決し、消費電力の低減を計ることができる電動アクチュエータを提供するものである。

本発明が提供する省電力電動アクチュエータは、上記課題を解決するために、電動機とこの電動機の回転出力を減速して被駆動機器を駆動するための駆動力を出力軸に伝達するべく構成された電動アクチュエータにおいて、前記電動機を高トルク低速回転特性を有する第一電動機と、低トルク高速回転特性を有する第二電動機で構成するとともに、負荷の変動に応じて第一電動機と第二電動機のいずれかの回転出力を出力させるように構成したものである。
さらに、本発明が提供する省電力電動アクチュエータは、上記課題を解決するために、制御機構を両電動機のトルク―回転数特性線の交点を検出する検出機構と、この検出機構からの出力信号にて第一電動機と第二電動機のいずれかの回転出力を出力させる切換機構で構成する。

つぎの効果を挙げることができる。
不必要な消費電力が軽減される。
輸送機内など限られた電力発生部所内で昇降機等を稼働しなければならない場合、複数個のモータを使用しても消費電力を大きく削減できる。
複数個のモータを使用することで、第一のモータが高トルク低速回転の作動ポイントを第二のモータが低トルク高速回転の作動ポイントを通る好適な選定が可能になる。
複数個のモータを使用することで、第一のモータが高トルク低速回転の作動ポイントを第二のモータが低トルク高速回転の作動ポイントを通る選定がなされることで、作動ポイントでの入力対出力の効率が向上する。

本発明の特徴は、省電力電動アクチュエータとして作動するときに、１台のモータを使用するときよりも消費電力が少なくなるように、複数台のモータを使用することで駆動に必要な回転数とトルクの両ポイントを満足できるように、複数モータの出力を制御する構成としたことである。

実施例１の構成は図１に示すが、図１に示す構成要素で図５と同一符号で示される部品は図５と同一であり詳細な説明は省略する。
昇降機に実施される場合、図３に示す電動アクチュエータ本体部１７と制御器１０が別設される。

省電力電動アクチュエータには、駆動源としてのモータ１と同じく駆動源であるモータ２が外設され、モータ１は前端面よりモータ軸が突出した片軸タイプで、モータ２は両端面よりモータ軸が突出した両軸タイプである。モータ１の前端面とモータ２の後端面側のモータ軸は同一軸上に回転可能に軸継ぎ手等（図示せず）で結合配設される。
モータ１、２の出力軸であるモータ軸３には歯車５と、歯車５と噛み合う歯車６と、この歯車６と一体的に固設され、歯車６の回転を出力する出力軸４を備える歯車系を具備し、出力系を構成している。

歯車５はモータ軸３の軸端に回転可能に装着された軸受７により、歯車６は出力軸４の両端に装着された軸受８、９によりそれぞれ軸支されている。この実施例１では、減速部は、一対の歯車５、６で示しているが、通常、機器を駆動するに必要な回転数を出力できる減速比を得るために、複数個の歯車列で構成される。
モータ１は、低回転で大トルクの特性を有し、モータ２は高回転で低トルクの特性を有しているが、これらの特性の詳細は図２に示すとおりである。これらのモータ１、モータ２は図３で示す制御器１０による指令により制御、駆動される。

電動アクチュエータ本体部１７と制御器１０との関係は、図３に示される。すなわち外部よりの電源供給とＯＮ、ＯＦＦ信号が入力される制御器１０には、制御回路１３とモータ１を駆動するモータドライバー１１とモータ２を駆動するモータドライバー１２が装着され、制御回路１３にはモータドライバー１１、１２を切換える切換回路１４が内設されている。電動アクチュエータ本体部１７に外設されたモータ１は回転検出器１５をモータ２は回転検出器１６を具備し、制御器１０と結線接続される。回転検出器１５、１６で検出したモータ回転数は制御器１０にフィードバックされ制御される。また、電動アクチュエータ本体部１７は、適切な軸継ぎ手で昇降機と連結される外部に突出した出力軸４を有する。

以下、モータ特性線図に基づいて回転数とトルクについて説明する場合、これらはそれぞれのモータ１、２のモータ軸３上での値であり、電動アクチュエータ本体部１７の出力軸４での値ではない。出力軸４では、回転数は減速比分減速され、トルクは積算された値である。

次に、図２で省電力電動アクチュエータ用２個のモータ１、２の特性を説明する。
モータ１は、低回転で大トルクのポイントａをとおる特性を有し、モータ２は、高回転で低トルクのポイントｂをとおる特性を有している。この２本の特性線の交点をポイントｄとする。
モータ１の特性線は、前述の図４で述べた昇降機の駆動に必要なポイントａ、ｂ、ｃを結ぶ設計上の特性線のうち、ポイントａ、ｂを結ぶ線をカバーするように選ばれたモータの特性線であり、ポイントａを通りポイントｂにより近いポイントｄを通る線である。
モータ２の特性線は、図４で述べた昇降機の駆動に必要なポイントａ、ｂ、ｃを結ぶ設計上の特性線の内ポイントｂ、ｃを結ぶ線をカバーするように選ばれたモータの特性線であり、ポイントｂを通りポイントｃにより近いポイントｄを通る線である。いずれも右下がりの特性であり回転数が上昇するに従いトルクが減少する特性である。

本発明が提供する省電力電動アクチュエータは以上詳述したとおりであるから、外部よりのＯＮ、ＯＦＦ信号が入力された制御器１０は、制御器１０に内設された制御回路１３により、設定されたタイミングで設定された回転指示を切換回路１４によりモータドライバー１１または１２に送り、モータドライバー１１、１２からの出力電流または、電圧によりモータ１、モータ２が回転駆動され、減速部で減速され出力軸４から必要な出力回転数とモータ特性で決められたトルクを出力し、昇降機を駆動する。

制御器１０で指示制御される２個のモータ１、２による昇降装置の作動を説明すると、昇降機が省電力電動アクチュエータで駆動される場合、駆動に要する負荷トルクが小さく、迅速に動かしたい場合、制御回路１３の指令と切換回路１４の制御によりモータドライバー１２によりモータ２の回転数がポイントｂまで上昇される。この時、昇降機は出力されたポイントｂのモータトルクで出力駆動される。つぎに、大きい負荷トルクでゆっくり昇降機を作動させる場合、制御回路１３の指令によりまずモータ２がポイントｂからポイントｄまで特性線に沿って減速される。すなわち、回転検出器１６よりフィードバックされた回転数が交点のポイントｄに到達すると同時に、モータ１、２の駆動が、制御回路１３の指令と切換回路１４の制御によりモータドライバー１２よりモータドライバー１１に切換えられる。モータ２は停止するとともに、モータ１の回転数は、瞬時にポイントｄまで増速される。そして、モータ１はポイントａの回転数まで減速され、ポイントａのトルクを出力する。

上述のように、２個のモータ１、２は、制御回路１３の指令と切換回路１４の制御によりにより交互に切換えられ、低回転で大トルクが必要な時はモータ１がモータドライバー１１により、高回転で低トルクが必要な時はモータ２がモータドライバー１２により駆動される。
このように駆動機の大トルクか、小トルクかの必要動作に従応じて、２個のモータが交互に使われ、ポイントａ、ｂ間を２個のモータの特性線上で何回か往復する。その動きは、あたかも１台のモータの特性線ポイントａ、ｄ、ｂ線上を移行する形となる。

これら２個のモータの特性線は従来の１台のモータを使用した場合の特性線より下部に位置し、昇降機の駆動に必要なポイントａ、ｂ、ｃを結ぶ設計上の特性線よりも上部に位置する。したがって、２台のモータ間を移行するときの不必要なモータ出力トルクが、モータ１台の場合の不必要なモータ出力トルクを大きく下回る。これにより低減された消費電力は、これら３本の線で囲まれた斜線で引いた部分の面積となる。昇降機が作動している間、不要な電力が軽減される。本発明が提供する省電力電動アクチュエータの特徴は上述したとおりであるが、第一電動機と第二電動機を同一軸上でなく、第二電動機を歯車列の出力軸または中間軸上に、個別に配設することもできる。この場合、両電動機はクラッチ等を介して歯車軸に接続され、必要に応じて結合、分離される構成とする。また、両電動機の回転出力軸をＴ字形に配設し、ベベルギヤ１個の出力軸に断続させるようにすることもでき、したがって、上記ならびに図示例には限定されない。

本発明は、昇降装置のみならず、被駆動される回転体自体が、１回転中に１度負荷が大きく変化するような回転体の駆動用にも利用できる。また、自動車、船舶、航空機等の輸送機における回転駆動機器にも好適に使用される。

本発明が提供する省電力電動アクチュエータにおける減速部の構成を示す図である。 本発明の省電力電動アクチュエータにおけるモータの特性線を示す図である。 本発明の省電力電動アクチュエータ全体の構成を示す図である。 従来における電動アクチュエータのモータの特性線を示す図である。 従来の電動アクチュエータの構成を示す図である。

符号の説明

１、２ モータ
３ モータ軸
４ 出力軸
５、６ 歯車
７、８、９ 軸受
１０ 制御器
１１、１２ モータドライバー
１３ 制御回路
１４ 切換回路
１５、１６ 回転検出器
１７ 電動アクチュエータ本体部

Claims (2)

1. 電動機とこの電動機の回転出力を減速して被駆動機器を駆動するための駆動力を出力軸に伝達するべく構成された電動アクチュエータにおいて、前記電動機を高トルク低速回転特性を有する第一電動機と、低トルク高速回転特性を有する第二電動機で構成するとともに、負荷の変動に応じて第一電動機と第二電動機のいずれかの回転出力を出力させる制御機構を設けたことを特徴とする省電力電動アクチュエータ。
2. 制御機構を両電動機のトルク−回転数特性線の交点を検出する検出機構と、この検出機構からの出力信号にて第一電動機と第二電動機のいずれかの回転出力を出力させる切換機構で構成したことを特徴とする省電力電動アクチュエータ。

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