JP2013106480A - コンベヤ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減して納期の短縮化とコストダウンを図り得ると共に、効率を高めて省エネルギ化とコンパクト化を図ることができ、更に外観向上をも図り得るコンベヤ駆動装置を提供する。
【解決手段】コンベヤ１の駆動軸２をダイレクトドライブ方式で回転駆動する永久磁石同期モータ３が、低保持力の永久磁石である可変磁石を備えた可変磁束モータ３ａであり、回転数に応じて可変磁石に磁化電流を供給し磁束を制御することにより、可変磁束モータ３ａが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンベヤ駆動装置に関するものである。

一般に、空港、郵便局、配送センター、トラックターミナル等の物流施設では荷物を運搬するためのベルトコンベヤやローラコンベヤ等のコンベヤが設置されている。これらの物流施設では、一つ一つの搬送物（ワーク）については、人が運べる重さ及び容積程度のものを運搬する。

従来、コンベヤを駆動するためのモータとしては、構造や取扱いの簡便さ、安価なこと及び民生用として多種多容量の品揃えがあることから、インダクションモータ（誘導電動機）が汎用的に使用される。通常、前記の物流施設における前記コンベヤを駆動するためのインダクションモータの容量としては、０．２［ｋｗ］、０．４［ｋｗ］、０．７５［ｋｗ］、１．５［ｋｗ］、２．２［ｋｗ］、３．０［ｋｗ］、３．７［ｋｗ］である七種類のモータが、その必要搬送トルクにより選定されるよう用意され、コンベヤの能力に応じて所望の容量のモータが選定されるようになっている。

コンベヤを駆動する駆動源であるモータは、搬送するワークの速さ、必要な力に合わせて出力、つまりモータ容量を選定するが、一般に搬送するワークの速度に対して、電動機の回転速度は速く、回転力（トルク）は小さいものである。駆動源の出力Ｐ（Ｗ）は次式で表される。
[数１]
Ｐ＝（Ｔ・Ｎ）／９７．３
ここで、Ｐ：出力（Ｗ）、Ｔ：トルク（ｋｇｆ・ｃｍ）、９７．３：定数、Ｎ：回転数（ｒｐｍ） ・・・（１）

そして、前記コンベヤの駆動軸に対し減速機を介して前記選定されたモータが接続されるようになっている。（１）式によって、出力一定とすると、回転数Ｎを減らすと、トルクＴを増加させることができ、つまり減速機は、速度を減速しながらトルクを増幅するのである。これにより、搬送するワークの速度や搬送必要力に対して、出力一定においては使いやすいインダクションモータを適用させることができる。

尚、前述の如きコンベヤを駆動するモータと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１、２がある。

特開平０６−２８０９４６号公報 特開２００５−２６３３８６号公報

しかしながら、前述の如き従来のインダクションモータを適用したコンベヤ駆動装置においては、各種施設における様々なワークの搬送に適応させる、搬送するワークの速度や搬送必要力をカバーするため、モータ出力とその回転数に応じて、必要トルクと回転数から網羅していくと、前記容量の異なるモータ毎にそれぞれ減速比の異なる八種類前後の減速機を必要としていた。

インダクションモータの場合、前述のように搬送するワークの速度に対して、電動機の回転速度は速く、回転力（トルク）は小さいものであり、たとえインバータにより電源周波数を変化させて周波数を小さくすることで電動機回転速度を遅くできても、トルクも小さくなってしまう。又、電動機の極数を増やすと回転速度は小さくできるが、スペースも小さくなって各極でのコイル巻きに制限ができ基本的にトルクも小さくなるし、トルクを変えないままで極数可変とするのは無理である。このように搬送力の確保ができないため、どうしてもトルクを増幅できる減速機を必要とするからである。

このため、前記コンベヤの駆動部における構成部品も相当数の種類が必要となり、部品点数が増えて納期が長引くと共に、コストアップにもつながるという欠点を有していた。

又、前記モータからコンベヤの駆動軸に至る回転力伝達経路中に減速機が設けられているため、効率が低下すると共に、装置全体をコンパクト化することが難しく、外観も悪くなるという不具合があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、インバータ装置によって通電制御する永久磁石モータについてその制御を工夫することでコンベヤ駆動装置に利用し、搬送するワークの速度に対して、電動機の回転速度をマッチングさせ、且つ、必要回転力（トルク）の確保可能なダイレクトドライブ駆動装置として適用することで、少品種のモータに限定できて、部品点数を削減して納期の短縮化とコストダウンを図り得ると共に、効率を高めて省エネルギ化とコンパクト化を図ることができ、更に外観向上をも図り得るコンベヤ駆動装置を提供しようとするものである。

本発明は、コンベヤの駆動軸をダイレクトドライブ方式で回転駆動する、三相電源がベクトル制御インバータ装置から供給され、回転軸に固定された永久磁石回転子とその周囲外側に位置するステータとからなるインナーロータ型永久磁石同期モータを備えたコンベヤ駆動装置であって、
前記永久磁石同期モータは、前記回転子に設ける永久磁石の一部に低保持力の永久磁石で、かつ前記回転子鉄心中に回転子の径方向に平行に設ける可変磁石を備えた可変磁束モータであり、
前記ベクトル制御インバータ装置は、前記ステータの巻線に駆動電流を供給するインバータ主回路と、トルク一定制御器からなり、
前記トルク一定制御器は、
前記ステータの巻線に電流を通電する配線に配設された電流センサ、及び該電流センサにより検出された電流信号を変換して磁界と平行なＤ軸電流とこれに直交するＱ軸電流とに分離する座標変換部とで作成したベクトル電流計測値を、前記コンベヤの駆動軸の設定回転数から演算された電流設定値とともに電圧指令演算部に入力し、該電圧指令演算部で演算され出力されたＤ軸電圧とＱ軸電圧を、２相／３相変換し３相電圧信号を形成し、前記配線を介して各ステータ巻線に供給する直流電流のスイッチングを制御するＰＷＭ回路へ与えてステータに供給する電流をベクトル制御し、
前記コンベヤの駆動軸の設定回転数に応じた強度のＤ軸電流を、前記ステータの巻線を介して誘起電圧を発生する電流として前記可変磁石に供給し、前記回転子の径方向の磁束を制御することにより、
前記可変磁束モータが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成したことを特徴とするコンベヤ駆動装置にかかるものである。

本発明のコンベヤ駆動装置は、
前記トルク一定制御器には、
前記可変磁石に供給するための、前記ステータの巻線を介して誘起電圧を発生するＤ軸電流、及びＱ軸電流は、磁化モードとして段階的に設定されていることを特徴とするコンベヤ駆動装置にかかるものである。

本発明のコンベヤ駆動装置において、
段階的に設定される前記磁化モードを切り替えるフラグは、
前記永久磁石同期モータの回転数として、３００ｒｍｐから８００ｒｐｍの何れかの数値を所定の設定回転数として立てることを特徴とするコンベヤ駆動装置にかかるものである。

本発明のコンベヤ駆動装置は、
前記可変磁束モータは、回転子鉄心の中に高保磁力の永久磁石と低保磁力の永久磁石とを組合わせて配置するＩＰＭモータであり、
前記可変磁石である低保磁力の永久磁石は、前記回転子鉄心の前記ステータ巻線発生の磁界による磁極部の両側に、回転子鉄心の中に埋め込まれ、磁極間の中心軸になるＱ軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、
高保磁力の永久磁石は、回転子鉄心内に埋め込まれ、２個の可変磁石により回転子内周側で挟まれるように回転子のほぼ周方向に配置され、回転子の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されていることを特徴とするコンベヤ駆動装置にかかるものである。

本発明のコンベヤ駆動装置は、
回転軸に固定された前記永久磁石回転子に固定された回転軸が中空のいわゆるホローシャフトになっていることを特徴とするコンベヤ駆動装置にかかるものである。

前記コンベヤ駆動装置においては、単位長さ当りの搬送物重量の上限が５０［ｋｇ／ｍ］、
コンベヤ速度の上限が２００［ｍ／ｍｉｎ］、
コンベヤ機長の上限が１０［ｍ］である一般物流用のコンベヤに適用することが有効となる。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述の如く、ココンベヤの駆動軸をダイレクトドライブ方式で回転駆動する、三相電源がベクトル制御インバータ装置から供給され、回転軸に固定された永久磁石回転子とその周囲外側に位置するステータとからなるインナーロータ型永久磁石同期モータを備え、永久磁石同期モータは、前記回転子に設ける永久磁石の一部に低保持力の永久磁石で、かつ前記回転子鉄心中に回転子の径方向に平行に設ける可変磁石を備えた可変磁束モータであり、電圧指令演算部で演算され出力されたＤ軸電圧とＱ軸電圧を、２相／３相変換し３相電圧信号を形成し、前記配線を介して各ステータ巻線に供給し、コンベヤの駆動軸の設定回転数に応じた強度のＤ軸電流を、前記ステータの巻線を介して誘起電圧を発生する電流として前記可変磁石に供給し、前記回転子の径方向の磁束を制御することにより、
前記可変磁束モータが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成すると、一般物流用のコンベヤであれば、該コンベヤの能力にかかわらず、一種類か二種類程度の容量の永久磁石同期モータを用意することで対応が可能となり、減速機も不要となる。

この結果、従来のコンベヤ駆動装置に比べて、容量の異なるモータ毎にそれぞれ減速比の異なる複数種類の減速機を必要としなくなるため、前記コンベヤの駆動部における構成部品も最小限で済み、部品点数が増えず納期が短くなると共に、コストアップも避けられる。

又、前記永久磁石同期モータからコンベヤの駆動軸に至る回転力伝達経路中に減速機が設けられていないため、効率が良くなると共に、装置全体をコンパクト化することが可能となり、外観も良くなる。

本発明のコンベヤ駆動装置によれば、部品点数を削減して納期の短縮化とコストダウンを図り得ると共に、効率を高めて省エネルギ化とコンパクト化を図ることができ、更に外観向上をも図り得るという優れた効果を奏し得る。

本発明のコンベヤ駆動装置の実施例を示す概要構成図で、一部ケーシングを切除して内部断面を示す図でもある。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。 本発明におけるトルク一定制御器のブロック図である。 永久磁石同期モータである可変磁束モータの回転子の断面図である。 図４の可変磁束モータの回転子に備えた固定磁石と可変磁石の磁気特性を示す特性図である。 本実施例のＤ軸電流による着磁磁界を作用させる前の初期状態における永久磁石の磁束を示す図である。 着磁磁界を作用させたときの永久磁石の磁束を示す図である。 本発明のコンベヤ駆動装置の実施例における可変磁束モータの回転数−トルク特性を示す線図である。 本発明のコンベヤ駆動装置の実施例における可変磁束モータをコンベヤに装着した状態を示す斜視図である。 本発明のコンベヤ駆動装置の実施例における可変磁束モータをコンベヤに装着した取り付け部の拡大斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図７は本発明のコンベヤ駆動装置の実施例であって、コンベヤ１の駆動軸２をダイレクトドライブ方式で回転駆動する永久磁石同期モータ３を備えたコンベヤ駆動装置である。

コンベヤ１は、例えば、ベルトコンベヤであって、その駆動軸２は頭部プーリに固定された駆動プーリ中心軸である場合でもよいし、例えば、ローラコンベヤであり、並列されている駆動ローラの親に当たる駆動ローラの中心軸を駆動軸２として他の駆動ローラをタイミングベルトやチェーンを介して回転させるように連動する場合でもよいし、例えばその他の形式例として、チェーン駆動で駆動部を駆動する元のスプロケットの中心軸を駆動軸２としたコンベヤの場合などでもよい。何れも、コンベヤ１の機側フレーム外側などから突出している駆動軸２を駆動する駆動源の技術である。

前記永久磁石同期モータ３は、コンベヤ１の機側に設置しても可動部がむき出しのため触れると巻込み事故が発生するという問題のない、インナーロータ型の永久磁石同期モータ（一部の形式は一般にブラシレスＤＣモータといわれるものも含む）である。そして、この形式の永久磁石同期モータ３では、回転子表面に磁石が配置されたＳＰＭモータ（Surface Permanent Magnet motor）、或いは回転子の中に磁石が埋め込まれたＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet motor）として公知のものであるが、本実施例の場合、円筒状のケーシング４の軸線方向両端面には側板５，６が設けてあり、コンベヤ機側に近いほうの側板５の中心部に穿設された中心軸孔７ａを介して前記永久磁石同期モータ３の内部の回転子１２の同心中心に固定されケーシング４に軸受４２を介して回動自在に支持される中空軸（ホローシャフト）４１の中央孔部７に前記コンベヤ１の駆動軸２を挿入し、図示していないキーを駆動軸２と中空軸４１それぞれの溝に打ち込んで固定することにより、該コンベヤ１の駆動軸２をダイレクトドライブ方式で回転駆動するようになっている。尚、コンベヤ機側に近いほうの側板５には周方向外側（下側）に突出したトルクアーム部５ａが形成されており、該トルクアーム部５ａは、図１、図２に示す如く、そのトルクアーム部５ａに穿設された係止孔８にボルト９を僅かの隙間を介して挿入し、図１０に示す如く、該ボルト９をコンベヤ１側のフレームに固定することで、コンベヤ一フレーム１に固定された前記ボルト９に対し係止孔８を介して係合されるようになっており、前記永久磁石同期モータ３が回転している際に、駆動軸２側のトルクに負けて該永久磁石同期モータ３自体が回転してしまうことを阻止し、且つ、前記永久磁石同期モータの始動時には、トルクアーム部５ａの係止孔８とボルト９との隙間により、強大な始動トルクを一旦いなしてから回転させることで、駆動軸側や永久磁石同期モータ側の回転部分への無理な力がかかるのを分散するようになっている。
図１では側板５のみにトルクアーム部５ａを備えた場合について示しているが、側板５，６の両方にトルクアーム部を備えていてもよい。

前記永久磁石同期モータ３は、モータ回転軸である中空軸２１に固定された回転子１２と、その周囲外側に位置し各極ごとに巻線４３を施すステータ４４とからなるインナーロータ型である。

前記永久磁石同期モータ３は、図１に示す如く、交流電源４５に対し、直流電源１７、分圧回路４６及びインバータ主回路１１を介して接続されており、特に回転子１２の回転位置を検知して位置信号を出力するホールＩＣなどの物理的位置検知手段は設けられていない。

そして、本実施例では、前記永久磁石同期モータ３を、低保持力の永久磁石である可変磁石を備えた可変磁束モータ３ａとし、回転数に応じて前記可変磁石に磁化電流を供給し磁束を制御することにより、前記可変磁束モータ３ａが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成した点を特徴としている。

このように構成した理由は、本発明者の研究の結果、単位長さ当りの搬送物重量の上限が５０［ｋｇ／ｍ］、コンベヤ速度の上限が２００［ｍ／ｍｉｎ］、コンベヤ機長の上限が１０［ｍ］である一般物流用のコンベヤの場合、下記の［表１］に示されるように、所定の回転数範囲内でトルク一定となるモータであれば、従来のように、複数種類の容量のモータを用意する必要がなくなることが判明したためである。

前記可変磁束モータ３ａは、図１、図３に示すトルク一定制御器１０によりインバータ主回路１１を介してトルク一定に制御されるよう構成されているが、この構成を説明するのに先立って、可変磁束モータ３ａについて説明する。

図４は、本発明における可変磁束モータ３ａの回転子の断面図であり、この回転子１２は、回転子鉄心１３に、高保磁力の永久磁石である固定磁石１５と低保磁力の永久磁石である可変磁石１４を組み合わせて備えており、１６は回転子鉄心１３の磁極部を示している。

永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指し、このような永久磁石を本発明では固定磁石と言う。一方、前述の磁束密度が可変であるつまり、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを可変磁石と言う。

このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。従って、固定磁石としては、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きいネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）が用いられる。

一方、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石として用いる。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石による固定磁石の磁束密度（磁束量）は略一定であるが、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。

図４に示すように、前記可変磁石１４は回転子鉄心１３の中に埋め込まれ、該可変磁石１４は磁極間の中心軸になるＱ軸と一致する回転子１２の半径方向に沿って配置され、半径方向に対して直角方向に磁化される。固定磁石１５は回転子鉄心１３内に埋め込まれ、該固定磁石１５は、２個の可変磁石１４により回転子１２内周側で挟まれるように回転子１２のほぼ周方向に配置されている。固定磁石１５は回転子１２の周方向に対してほぼ直角方向に磁化される。つまり、回転子鉄芯１３の磁極部の両側に、それぞれ隣接する磁極部との境界域に径方向に可変磁石１４が配置され、固定磁石１５は、回転子鉄芯１３の磁極部において回転子１２の径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石１４はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。

図５は、前記可変磁石としてのアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）、可変磁石としてのＦｅＣｒＣｏ磁石、固定磁石としてのＮｄＦｅＢ磁石の磁気特性を示す図である。アルニコ磁石の保磁力（磁束密度が０になる磁界）は６０〜１２０ｋＡ／ｍであり、ＮｄＦｅＢ磁石の保磁力９５０ｋＡ／ｍに対して１／１５〜１／８になる。また、ＦｅＣｒＣｏ磁石の保磁力は約６０ｋＡ／ｍであり、ＮｄＦｅＢ磁石の保磁力９５０ｋＡ／ｍに対して１／１５になる。アルニコ磁石とＦｅＣｒＣｏ磁石は、ＮｄＦｅＢの高保磁力磁石と比較してかなり低保磁力であることがわかる。本実施の形態では、可変磁石１４の８〜１５倍の保磁力を有する固定磁石１５が用いられている。

図４の回転子鉄心１３の磁極部１６は、２個の可変磁石１４と１個の固定磁石１５で取り囲まれるようにして形成されている。回転子鉄心１３の磁極部１６の中心軸方向がＤ軸、磁極間の中心軸方向がＱ軸となる。したがって、可変磁石１４は磁極間の中心軸となるＱ軸方向に配置され、可変磁石１４の磁化方向はＱ軸に対して９０°、又は−９０°方向となっている。隣り合う可変磁石１４において、互いに向かい合う磁極面は同極になるようにしてある。また、固定磁石１５は磁極部１６の中心軸となるＤ軸に対して直角方向に配置され、その磁化方向はＤ軸に対して０°、又は１８０°の方向となっている。隣り合う固定磁石１５において、互いに磁極部１６の向きは逆極性にしてある。

このように構成された回転子１２における可変磁石１４であるＦｅＣｒＣｏ磁石又はアルニコ磁石の保磁力は６０〜１２０ｋＡ／ｍで小さく、これらの低保磁力の可変磁石１４は２００〜３００ｋＡ／ｍの磁界で磁化できる。固定磁石１５であるＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は９５０ｋＡ／ｍと高く、約２４００ｋＡ／ｍの磁界で磁化できる。つまり、可変磁石１４は固定磁石１５の約１／１０の磁界で着磁できる。

本実施の形態の回転子１２を採用した永久磁石同期モータ３としての可変磁束モータ３ａでは、固定子巻線に通電時間が極短時間（１００μｓ〜１ｍｓ程度）となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁石１４に磁界を作用させる。着磁磁界を２５０ｋＡ／ｍとすると、理想的には可変磁石１４には十分な着磁磁界が作用し、固定磁石１５には着磁による不可逆減磁はない。

図６は、本実施の形態のＤ軸電流による着磁磁界を作用させる前の初期状態における永久磁石の磁束を示す図であり、図７は着磁磁界を作用させたときの永久磁石の磁束を示す図である。尚、図６、図７での磁束分布は１極のみを示している。着磁磁界を形成するパルス電流は固定子の電機子巻線のＤ軸電流成分である。

図７において、負のＤ軸電流による磁界は永久磁石にとっては減磁界となり、回転子１２の磁極中心から可変磁石１４と固定磁石１５に対して磁化方向とほぼ逆方向に作用する。本実施の形態の回転子１２を採用した可変磁束モータ３ａにおいては、Ｄ軸電流による磁界は固定磁石１５では永久磁石２個分（Ｎ極とＳ極の２個の永久磁石）に作用することになり、固定磁石１５に作用する磁界は可変磁石１４に作用する磁界の約半分になる。したがって、本実施の形態の回転子１２を採用した可変磁束モータ３ａでは、Ｄ軸電流による磁界は可変磁石１４を磁化し易くなる。

可変磁石１４の保磁力は固定磁石１５の１／１０程度であり、さらに前述のように可変磁石１４には固定磁石１５の２倍の着磁磁界が作用することになる。可変磁石１４は着磁磁界の方向に磁化され、図６の初期の磁化方向とは逆方向に磁化されている。そして、 Ｄ軸電流の大きさを変えて着磁磁界の強さを変化させることにより、可変磁石１４の磁化状態を調整することが可能となる。すなわち、可変磁石１４の磁力を低下させる状態、可変磁石１４の磁束を０にさせる状態、可変磁石１４の磁束を逆方向にさせる状態の３つの状態を作り出すことができる。一方、固定磁石１５は保磁力が可変磁石１４より１０倍以上大きく、また、本実施の形態では固定磁石１５に作用する着磁磁界は可変磁石１４の１／２になる。したがって、可変磁石１４を着磁する程度の磁界であれば固定磁石１５は可逆減磁状態であり、着磁後でも固定磁石１５は初期の状態の磁束を維持できる。

上記本実施の形態の回転子１２を採用した可変磁束モータ３ａでは、回転子１２のＤ軸電流により可変磁石１４の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできる。すなわち、固定磁石１５の鎖交磁束を正方向とすると、可変磁石１４の鎖交磁束を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。したがって、本実施の形態の回転子１２では、可変磁石１４をＤ軸電流で着磁することにより可変磁石１４と固定磁石１５を合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。

従って、可変磁石１４は固定磁石１５の鎖交磁束と同方向（初期状態）で最大値になるようにＤ軸電流で磁化することにより、永久磁石によるトルクは最大値になるので、可変磁束モータ３ａのトルク及び出力は最大に調整することができ、また、可変磁石１４の磁束量を低下させ、全鎖交磁束量を下げることにより、可変磁束モータ３ａのトルク及び出力は低下するよう調整することができる。

次に、図１、図３に示すベクトル制御インバータ装置４７は、前記ステータの巻線に駆動電流を供給するインバータ主回路１１と、トルク一定制御器１０からなり、該インバータ主回路１１を制御するトルク一定制御器１０について説明する。

図３に示す直流電源１７の直流電力を交流電力に変換して可変磁束モータ３ａを回転駆動するインバータ主回路１１は、トルク一定制御器１０により制御されている。トルク一定制御器１０は、任意の設定回転数１８が入力された指令制御部１９、回転角度センサ２０、回転数制御器２１、電流検出器２２ａ，２２ｂ、座標変換部２３、ＰＷＭ回路２４、座標変換部２５、擬似微分器２６、電圧指令演算部２７、電流基準演算部２８、磁化モード管理部２９、磁束指令演算部３０、及び磁化電流指令演算部３１で構成されている。

可変磁束モータ３ａは、永久磁石同期モータ３であり、低保持力の永久磁石である可変磁石１４（例えばアルニコ磁石）を有する。

インバータ主回路１１から可変磁束モータ３ａに供給される電流Ｉｕ，Ｉｗは、電流検出器２２ａ，２２ｂにより検出され、座標変換部２３に入力され、この座標変換部２３でＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑに変換され、電圧指令演算部２７に入力される。また、インバータ主回路１１は、本発明の磁化部にも対応し、可変磁束モータ３ａの有する可変磁石１４の磁束を制御するための磁化電流を供給する。

可変磁束モータ３ａのロータ回転角度は、回転角度センサ２０により検出され、擬似微分器２６に出力される。

設定回転数１８が入力された指令制御部１９には、擬似微分器２６からの回転子回転周波数ωＲが入力されており、指令制御部１９ではインバータ主回路１１の出力周波数を認識することができる。ここで、擬似微分器２６は、回転角度センサ２０により検出された角度を微分して得た回転子回転周波数ωＲを、前記指令制御部１９と、回転数制御器２１及び電圧指令演算部２７に出力する。又、前記指令制御部１９は、設定回転数１８を電圧指令演算部２７及び電流基準演算部２８に出力する。

回転数制御器２１は、設定回転数１８と、擬似微分器２６により出力された回転子回転周波数ωＲに基づき、可変磁束モータ３ａが所望のトルク（一定トルク）になるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。

磁束指令演算部３０は、設定回転数１８に基づき可変磁石１４の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。磁化部であるインバータ主回路１１は、磁束指令演算部３０により生成された磁束指令に応じた磁化電流を可変磁石１４に供給して磁束を制御する。

電流基準演算部２８は、回転数制御器２１により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３０により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。ここで、トルクの一般式は、次式であり、Ｉｄ，Ｉｑを解くことにより決定される。
［式１］
トルク＝φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ…（１）

ここで、φは、総磁束（＝固定磁石磁束＋可変磁石磁束）を示す。また、Ｌｄは、Ｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑは、Ｑ軸インダクタンスである。したがって、（１）式は、磁束量やトルクの関数となる。実際には、Ｌｄ、Ｌｑの非線形性があるため、電流基準演算部２８は、トルクと磁束に応じたテーブルデータを有することによりＩｄ、Ｉｑを求める。その際、電流基準演算部２８は、最小な電流値（√（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２））にて、所定トルクが得られるような関係を選ぶ。

磁化電流指令演算部３１は、回転数制御器２１により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３０により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令ＩｄＭ，ＩｑＭを生成する。一般に、磁化電流は、可変磁石１４のそれに至るまでの過去の磁化の履歴に依存するものである。そこで、磁化電流指令演算部３１は、例えば過去の磁化の履歴と要求する磁束とに対する磁化電流をテーブル情報として有することにより、必要な磁化電流を算出することができる。磁化電流指令演算部３１は、今回の磁束指令Φ＊と可変磁石の磁化特性とに基づき、磁化電流目標値ＩｄＭ＊を算出して磁化モード管理部２９に出力する。磁化電流を流すためには、高速かつ精度よく流すことが必要であるため、ＰＩ制御に代わりヒステリシスコンパレータなどで実現してもよい。

電圧指令演算部２７は、電流基準演算部２８により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるよう、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。その際、電圧指令演算部２７は、電流偏差にＰＩ制御を施し、ＤＱ軸電圧指令を求める。

ここで、磁化する際には、磁化部であるインバータ主回路１１は、可変磁束モータ３ａに過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが必要である。上述した電圧指令演算部２７によるＰＩ制御は、応答性が十分でなく、可変磁束モータ３ａに過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが困難となることも考えられる。そこで、電圧指令演算部２７は、例えば、磁化電流指令演算部３１により算出された磁化電流に基づき、それぞれのＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑが一致するように、例えば、ヒステリシスコンパレータ方式等の瞬時比較制御方式を利用して、ＤＱ軸電圧指令を算出することもできる。

なお、磁化モード管理部２９により磁化モードのフラグが立っている場合には、電圧指令演算部２７は、磁化電流指令演算部３１により生成されたＤ軸磁化電流指令ＩｄＭとＱ軸磁化電流指令ＩｑＭとに基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるよう、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。

座標変換部２５は、電圧指令演算部２７により出力されたＤ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換し、ＰＷＭ回路２４に出力する。ＰＷＭ回路２４は、入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ１１のスイッチング素子をオンオフ制御する。

磁化モード管理部２９は、指令制御部１９からの磁化要求に応じて、磁化電流指令演算部３１及び電圧指令演算部２７を制御して、可変磁束モータ３ａのトルクを一定に保持する。

磁化モード管理部２９により磁化モードのフラグを立てる条件として、段階的に設定される磁化モードを切り替えるフラグは、可変磁束モータ３ａの回転数として、３００ｒｍｐから８００ｒｐｍの何れかの数値を所定の設定回転数として立てることが好適である。コンベヤ駆動装置としては、この所定の設定回転数で磁化モードを段階的に切り替えるとトルク一定制御がやりやすい。

即ち、回転数に応じて前記可変磁石１４に磁化電流を供給し磁束を制御することにより、図８に示す如く、前記可変磁束モータ３ａが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成することが可能となる。

次に、上記実施例の作用を説明する。

前述の如く、コンベヤ１の駆動軸２をダイレクトドライブ方式で回転駆動する永久磁石同期モータ３に、低保持力の永久磁石である可変磁石１４を備えて可変磁束モータ３ａとし、トルク一定制御器１０を用いて、回転数に応じて前記可変磁石１４に磁化電流を供給し磁束を制御することにより、前記可変磁束モータ３ａが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成すると、一般物流用のコンベヤ１であれば、該コンベヤ１の能力にかかわらず、一種類か二種類程度の容量の可変磁束モータ３ａで対応することが可能となり、減速機も不要となる。

この結果、従来のコンベヤ駆動装置に比べて、容量の異なるモータ毎にそれぞれ減速比の異なる複数種類の減速機を必要としなくなるため、前記コンベヤの駆動部における構成部品も最小限で済み、部品点数が増えず納期が短くなると共に、コストアップも避けられる。

又、前記可変磁束モータ３ａからコンベヤ１の駆動軸２に至る回転力伝達経路中に減速機が設けられていないため、効率が良くなると共に、図９、図１０に示す如く、装置全体をコンパクト化することが可能となり、外観も良くなる。

因みに、インバータ入力電源を２００［Ｖ］−５０［Ｈｚ］とし、インバータ出力周波数を５０［Ｈｚ］とした電源条件のもと、０．４［ｋＷ］の可変磁束モータ３ａ（本発明）と、０．４［ｋＷ］のインダクションモータ（従来）とを用いた負荷試験を行ったところ、試験結果は下記の［表２］に示されるようなものとなり、効率が約２０［％］向上することが確認された。

更に、前記可変磁束モータ３ａによれば、部品点数を削減して納期の短縮化とコストダウンを図り得ると共に、効率を高めて省エネルギ化とコンパクト化を図ることができ、更に外観向上をも図り得る。

尚、本発明のコンベヤ駆動装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ コンベヤ
２ 駆動軸
３ 永久磁石同期モータ
３ａ 可変磁束モータ
１０ トルク一定制御器
１１ インバータ主回路
１２ 回転子
１３ 回転子鉄心
１４ 可変磁石
１５ 固定磁石
２１ 回転軸
２３ 座標変換部
２４ ＰＷＭ回路
２７ 電圧指令演算部
４３ 巻き線
４４ ステータ
４７ ベクトル制御インバータ装置

Claims (6)

1. コンベヤの駆動軸をダイレクトドライブ方式で回転駆動する、三相電源がベクトル制御インバータ装置から供給され、回転軸に固定された永久磁石回転子とその周囲外側に位置するステータとからなるインナーロータ型永久磁石同期モータを備えたコンベヤ駆動装置であって、
   前記永久磁石同期モータは、前記回転子に設ける永久磁石の一部に低保持力の永久磁石で、かつ前記回転子鉄心中に回転子の径方向に平行に設ける可変磁石を備えた可変磁束モータであり、
   前記ベクトル制御インバータ装置は、前記ステータの巻線に駆動電流を供給するインバータ主回路と、トルク一定制御器からなり、
   前記トルク一定制御器は、
   前記ステータの巻線に電流を通電する配線に配設された電流センサ、及び該電流センサにより検出された電流信号を変換して磁界と平行なＤ軸電流とこれに直交するＱ軸電流とに分離する座標変換部とで作成したベクトル電流計測値を、前記コンベヤの駆動軸の設定回転数から演算された電流設定値とともに電圧指令演算部に入力し、該電圧指令演算部で演算され出力されたＤ軸電圧とＱ軸電圧を、２相／３相変換し３相電圧信号を形成し、前記配線を介して各ステータ巻線に供給する直流電流のスイッチングを制御するＰＷＭ回路へ与えてステータに供給する電流をベクトル制御し、
   前記コンベヤの駆動軸の設定回転数に応じた強度のＤ軸電流を、前記ステータの巻線を介して誘起電圧を発生する電流として前記可変磁石に供給し、前記回転子の径方向の磁束を制御することにより、
   前記可変磁束モータが所定の回転数範囲内でトルク一定となるよう構成したことを特徴とするコンベヤ駆動装置。
2. 前記トルク一定制御器には、
   前記可変磁石に供給するための、前記ステータの巻線を介して誘起電圧を発生するＤ軸電流、及びＱ軸電流は、磁化モードとして段階的に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のコンベヤ駆動装置。
3. 段階的に設定される前記磁化モードを切り替えるフラグは、
   前記永久磁石同期モータの回転数として、３００ｒｍｐから８００ｒｐｍの何れかの数値を所定の設定回転数として立てることを特徴とする請求項２に記載のコンベヤ駆動装置。
4. 前記可変磁束モータは、回転子鉄心の中に高保磁力の永久磁石と低保磁力の永久磁石とを組合わせて配置するＩＰＭモータであり、
   前記可変磁石である低保磁力の永久磁石は、前記回転子鉄心の前記ステータ巻線発生の磁界による磁極部の両側に、回転子鉄心の中に埋め込まれ、磁極間の中心軸になるＱ軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、
   高保磁力の永久磁石は、回転子鉄心内に埋め込まれ、２個の可変磁石により回転子内周側で挟まれるように回転子のほぼ周方向に配置され、回転子の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のコンベヤ駆動装置。
5. 前記回転子に固定された回転軸が中空のいわゆるホローシャフトになっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のコンベヤ駆動装置。
6. 単位長さ当りの搬送物重量の上限が５０［ｋｇ／ｍ］、
   コンベヤ速度の上限が２００［ｍ／ｍｉｎ］、
   コンベヤ機長の上限が１０［ｍ］である一般物流用のコンベヤに適用するようにした請求項１記載のコンベヤ駆動装置。

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