JP2013523059A - 支持用ホイールに交流発電機を備える選別機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、地上に設置された推進装置と、電力を供給する交流発電機を有する支持用ホイールが取り付けられた運搬台が互いに接続された運搬台列とを備える選別機械において、交流発電機がホイールの中に収容されていて、そのホイールが、そのホイールを支持するフォーク状部材と一体化した固定子のコイルを支持する固定された内側リングと、永久磁石を収容し、コイルの前でシャフトのまわりを回転する外側リングと、を備える選別機械に関する。発電ホイールは、選別機械が動くことによって駆動されると小さな寄与の電力を供給する。その電力は足し合わされて、選別機械の互いに接続されたすべての運搬台に共通するケーブルである分配バスに入る。小さな寄与は足し合わされて利用可能な数ｋｗの電力となるため、運搬台のサーボは利用可能なその電力を利用してベルトユニットを作動させ、物品を載せて選別して目的地に届ける。

Description

本発明は、支持用ホイールに交流発電機を備える選別機械に関する。

「クロスベルト」式の選別機または選別機械は、円形トラックに沿って移動する連続した１つの列を形成するために連結された複数の運搬台で構成されている。どの運搬台にも、直交するコンベアベルトが設けられている。そのベルトが作動することで、物品がそのベルトの上に載せられて目的地で降ろされる。

図１は、選別機１と、物品をその選別機の直交するベルトの上に移動させる自動搭載ステーション２と、対応する目的地で降ろされた物品を受け取るシュート３からなる典型的なソーティングシステムを示している。

図２は、動的クロスベルト式選別機の基本要素を示している。
運搬台は、２つの支持用ホイール１と、２つの側部ガイド用ホイールにより、平行な２本のレール（図示せず）に沿って走る。

それぞれの運搬台には鉛直な向きのブレード２が設けられていて、運搬台は、そのブレードにより、選別機のトラックに沿って配置したプロペラによって発生する推進力を受け止める。推進力は、選別機が一定速度で走るように制御される。

運搬台は関節式ジョイント５によって互いに接続され、連続した１つの列を形成する。
直交するベルトコンベア６が支持体４に取り付けられていて、やはり運搬台の上に設置されたサーボドライバ３によって制御される直流モータ８によって操作される。

それぞれの運搬台にはコネクタ付きケーブル（図示せず）が設けられていて、運搬台のケーブルを共通する１つの電力分配バスに接続している。

サーボドライバは、命令を受け取って変調するための電子回路と、モータのトルクと速度を制御するための別の電子回路を備えているため、物品が、その重量と物理的特性に関係なく、あらかじめ設定された巡回可能な軌跡に従って選別される。物品を載せて降ろす操作を実行するため、運搬台上で電気的エネルギーを利用できる必要がある。

以下に示すのは、クロスベルト式選別機のほか、電動モータを利用して傾きを制御する傾斜トレイ式選別機に電気エネルギーを伝えるためにこれまでに実現された技術的解決法である。
第１の解決法は、選別機のトラックに沿って設置されていて、滑り接触部を通じて選別機に電力を供給する導電性レールシステムに基づいている。
導電性レールには、直流電流と約７０Ｖの電圧が供給される。

一般に、一対の滑り接触部がいくつかの運搬台に電力を供給する。利用可能な解決法のうちで滑り接触部と導電性レールに基づく方法が、単純で、故障に強く、初期投資が最も少ない方法である。しかしこの方法は、すり減った接触部の交換と、導電性レール上を接触部が滑っている間に発生する埃の除去のために定期的なメンテナンスを必要とする。

第２の解決法により、磁気誘導の原理を利用してエネルギーを接触なしに伝えることができる。誘導は、運搬台上にある 「ピックアップ」と呼ばれる特別なコイルの中で起こり、一対の電線の近くを通る。これらの電線は選別機のトラックに沿って配設されていて変圧器の一次コイルを形成するのに対し、ピックアップはその変圧器の二次コイルとなる。高周波数（例えば２０ｋＨｚ）の大きな電流が電線の中を流れ、高周波数の変化する磁束を発生させる。

磁束は、二次コイル内の磁気誘導にとって、したがって無接触のエネルギー伝達にとって重要である。

この解決法が現在のところ選別機にとって好ましいと考えられている。なぜならこの方法では、摩耗部品なしにエネルギーが伝達されるからである。

しかしこの方法は高価でやや複雑であるため、経験者が設置と操作に関与する必要がある。

電線内と、その電線の近くに取り付けられる導電体内におけるエネルギー損失が原因で、この解決法のエネルギー効率は比較的低い。

これは一般に非常にロバストで信頼性のある技術だが、可能な故障モードがいくつかあり、メンテナンスが幾分か複雑である。

第３の解決法は、これまでほんのいくつかのケースにしか適用されてこなかった。この解決法は、選別機の運搬台のホイールから力学的エネルギーを得る発電機によって選別機上で電気エネルギーを直接発生させることからなる。これまでに主に２通りの設備が実現されている。

この機械は、自動速度制御システムを備える駆動システムによって一定速度に維持されるため、発電機のブレーキ力を原因とする力学的エネルギーの損失に迅速に反応することができる。

これまでに実現された解決法は非常に複雑でメンテナンスに費用がかかることがわかった。

第１の設備は、Crisplant社によって特許文献１に開示されている設備である。
それぞれの運搬台には、１つの支持用ホイールに接続された発電機が取り付けられている。ホイールは、トラックとの摩擦によって回転が維持され、選別機は、駆動ユニットによって駆動されて一定速度で移動する。

発電機は、サイズと滑りの閾値が限られているためわずかな電力（例えば２０Ｗ）しか発生させることができないが、運搬台は、物品を選別するため、その物品の重量に応じて３００Ｗ〜１０００Ｗのピーク電力を短時間必要とする。

したがってCrisplant社の特許は、発電機によって連続的に供給されるエネルギーを蓄積するため、それぞれの運搬台に設置される低電圧自動タイプのエネルギー蓄積装置を備えている。このようにすると、必要なときにピーク電力を供給することが可能になる。
しかしこの解決法では、エネルギー蓄積装置から提供される電圧を大きくするために運搬台に追加の電子回路を取り付ける必要がある。
さらに、化学的エネルギー蓄積装置を利用すると、メンテナンスと汚染の問題が発生する。

第２の設備は、特許文献２に開示されている設備である。この設備では、電気化学装置にエネルギーを蓄積することを回避するため、関節式アームによって1つのホイールを選別機のトラックに押し付けることで大きな電力を取り出すことができる。

この特許に報告されているいくつかの構成では、ホイールが滑るのを回避すること、したがって大きな力学的エネルギーを得ることができる。供給される力学的エネルギー（したがってホイールに作用して滑りを引き起こすブレーキ用トルク）が大きくなるにつれて、ホイールをトラックに押し付ける（ホイールが滑るのに逆らう）経方向の力も大きくなる。

上記の特許文献１と関係する特許文献３には、選別機が必要とする約８ｋｗというピーク電力を電気蓄積装置なしですべて供給するためいくつかの発電機をどのように利用するかが提示されている。

欧州特許出願公開第０７３９８３１号明細書 欧州特許出願公開第１３５２８５５号明細書 欧州特許出願公開第１３５２８５７号明細書

発電機は、出力電圧を高い精度で調節する同数の安定な電力供給ユニットに接続されているため、電力供給ユニットを並列に接続して各ユニットの寄与を等しくすることができる。

一群の発電機を用意するのは複雑でコストがかかる。なぜなら関節式アームと伝達装置は、機械の精度が高い必要があるからである。

さらに、大きなエネルギーを取り扱うというのは、運搬台によってトラックに加えられる力が危険な程度まで大きくなることで生じる可能性のある１つの故障モードの影響から保護するため、安全装置を追加することでさらに高価かつ複雑になることを意味する。

本発明により、上記の制約と問題なしに選別機上で電気エネルギーを利用できるようにする１つの解決法が提供される。

以前の解決法におけるのと同様、電気エネルギーは、選別機の運搬台の運動から力学的エネルギーを取り出すホイールによって駆動される交流発電機によって供給される。しかし、この新しい解決法により、選別機の数百のホイールからの小さくて調節されていない電力の寄与を足し合わせて１つの共通する電力供給システムに集め、搭載されているモータが要求する全電力をその電力供給システムから供給することの利点を十分に生かすことが可能になる。選別機の多数の支持用ホイール（図２の参照符号１）は、電力を発生させることのできる特殊なホイール（図３）で置き換えられる。

各ホイールによって供給されるわずかな電力を、選別用モータのサーボ増幅器を作動させる個別の電子調節回路なしに簡単な方法で足し合わせることができるため、広い範囲で変化する供給電圧の受け入れが改善される。

この新しい考え方により、搭載された選別用モータにエネルギーを供給する簡単で低コストでロバストな解決法が可能になる。この解決法は、エネルギーの蓄積を必要とせず、電圧を大きくするための変圧器も、並列操作を可能にする調節装置も必要としない。

この解決法は、クロスベルト式選別機以外にもより一般に、搭載されたモータその他のアクチュエータを断続的に操作するのに電気エネルギーを必要とする相互に接続された運搬台列を含むあらゆる機械に適用することができる。

特に、この解決法は、電動モータを利用してトレイを傾けることで運ばれてきた物品を目的地に向けて滑らせる傾斜トレイ式選別機にも適用することができる。

典型的な選別システムの図である。 クロスベルト式選別機の基本部品を示している。 本発明による支持用ホイールの全体図である。 本発明による支持用ホイールの全体図である。 本発明による支持用ホイールの全体図である。 図３に示したホイールの部品を示す図である。 リング内の磁石と固定子内のコイルの配置を示す詳細図である。 選別機を２．５ｍ/秒で走らせているときに測定した実験データの表である。 ２つの交流発電ホイールを接続する例を示す図である。 発電ホイールの数Ｎが異なる３つの用途での、電圧と消費電力の関係についての結果を例示する図である。 発電ホイールを備えた選別機の１つの運搬台の電子ユニットのブロック図である。 運搬台列の電気回路の模式図である。

（発明の簡単な説明）
本発明により、上記の制約と問題なしに選別機上で電気エネルギーを利用できるようにする１つの解決法が提供される。

以前の解決法におけるのと同様、電気エネルギーは、選別機の運搬台の運動から力学的エネルギーを取り出すホイールによって駆動される交流発電機によって供給される。しかしこの新しい解決法により、選別機の数百のホイールからの小さくて調節されていない電力の寄与を足し合わせて１つの共通する電力供給システムに集め、搭載されているモータが要求する全電力をその電力供給システムから供給することの利点を十分に生かすことが可能になる。選別機の多数の支持用ホイール（図２の参照番号１）は、電力を発生させることのできる特殊なホイール（図３）で置き換えられる。

各ホイールによって供給されるわずかな電力を、選別用モータのサーボ増幅器を作動させる個別の電子調節回路なしに簡単な方法で足し合わせることができるため、広い範囲で変化する供給電圧の受け入れが改善される。

この新しい考え方により、搭載された選別用モータにエネルギーを供給する簡単で低コストでロバストな解決法が可能になる。この解決法は、エネルギーの蓄積を必要とせず、電圧を大きくするための変圧器も、並列操作を可能にする調節装置も必要としない。

この解決法は、クロスベルト式選別機以外にもより一般に、搭載されたモータその他のアクチュエータを断続的に操作するのに電気エネルギーを必要とする相互に接続された運搬台列を含むあらゆる機械に適用することができる。

特に、この解決法は、電動モータを利用してトレイを傾けることで運ばれてきた物品を目的地に向けて滑らせる傾斜トレイ式選別機にも適用することができる。

（発明の詳細な説明）
交流発電ホイールの基本的特性は、回転速度が小さいにもかかわらず高周波数の三相高電圧を発生させうることである。ホイールの接線方向の速度は選別機の速度と等しい。なぜならホイールは、速度増倍装置をまったく備えていないからである。

メンテナンスの必要がなくて設備よりも寿命が長い解決法を得るため、速度を大きくするのに歯車変速を考慮しなかった。

選別機が２ｍ/秒で走っているとき、直径２０ｍｍの１つのホイールは、わずかに５Ｈｚ、すなわち３００ｒｐｍという小さな回転周波数である。それにもかかわらず、整流ダイオードだけを用いてリップルの小さな直流電圧が得られるようにするため、発生する交流電圧は、より大きな周波数、すなわち約５０Ｈｚでなければならない。

さらに、交流発電ホイールは、回転速度が小さいにもかかわらず大きな電圧も発生させるので、搭載されたサーボ増幅器にその電圧を直接供給することができる。サーボ増幅器は、所定の電力に対する電流値を小さくするため、約７０Ｖという高電圧を必要とする。したがってモータのサイズと電力の損失が小さくなる。

これらの目的を達成するため、交流発電ホイールは、高性能モータの製造で利用できるノウハウを利用して図３と図４に示したように設計した。

ホイールは、ポリウレタン・ラバー（１）のライニングを有する鋼鉄構造からなり、外側リングが、図５のように磁極を交互に配置した多数の永久磁石を収容している。

図４を参照すると、磁石付きのリング（２）が回転子であり、多数の磁極を有する固定子（３）のまわりを回転する。固定子（３）は、ブラケット（４）を通じてホイールを支持しているフォーク状部材（５）と一体化される。

２つのベアリングを通じてホイールがシャフト（６）のまわりを回転すると回転子の磁石が固定子のコイルの前を通過し、固定子のコイルを通過する磁束を変化させる。

固定子のコイルに鎖のように巻き付いた変化する磁束により、コイルを横断する誘導電圧が発生する。

電気負荷が固定子のコイルに接続される場合には、誘導される電圧によってその中を電流が流れるため仕事が発生する。

交流発電ホイールは、運搬台の支持用ホイールと同じ機能も果たす。ホイールを支持しているフォーク状部材（５）は、曲線に沿って移動しているとき、運搬台のフレーム（７）に対してピボット（８）のまわりを回転する。

交流発電ホイールは、静的負荷抵抗が通常の支持用ホイールと同じであり、他のホイールとまったく同様に弾性材料で覆われた同じベアリングを備えている。

図５に詳しく示してあるように、１２個の希土類元素系永久磁石（２）を用いて大きな磁気誘導ベクトルにできるようにするとともに、１６個の磁極およびそれと同数のコイルを有する１つの固定子（３）を用いることで、小さな回転速度にもかかわらず大きな電圧と周波数という条件を満たしている。

外側リング（１）と内側リング（４）は、透磁率が大きな鋼でできていて、磁気抵抗の小さな磁気回路を形成する。

図５からわかるように、リング内の磁石の配置と固定子内のコイルの配置により、回転子が９０゜変化するごとに同じ磁性条件が繰り返される。すなわち誘導される電圧が、コイルの中で９０゜離れて同じように繰り返される（１つの相）。

磁極（５）、（６）、（３）によって同定される３つの相のそれぞれについて、４つのコイルが存在することになる。すなわち各相に対応するコイルは直列に接続されて、三相出力の電圧値を大きくする。

例として、実際の一実施態様における２ｍ/秒では、交流発電ホイールは周波数４２Ｈｚの三相電圧を発生させることができ、その電圧は全波ダイオード・ブリッジによって整流されて８０Ｖという開回路電圧を発生させる。そのため負荷に接続された交流発電ホイールは、その負荷に６０Ｖで約２０Ｗの電力を供給することができる。

２．５ｍ/秒だと、交流発電ホイールは約１００Ｖという開回路電圧を発生させる。交流発電ホイールは負荷に接続されているため、その負荷に約７０Ｖで３０Ｗの電力を供給する。

より多くの電力を必要とするソーティングの用途では、通常は２．５ｍ/秒で動作する。図６は、選別機が２．５ｍ/秒で走っているときに測定した実験データの表（１）を示している。この表には、さまざまな値の負荷抵抗、したがってさまざまな値の供給電力に対応する電圧、電流、電力の値が掲載されている。

０．８Ａよりも小さい電流値の範囲では、交流発電ホイール（２）は単純な線形モデル（３）と電気的に同等であり、内部抵抗が約７０オーム、開回路電圧が約１００Ｖである。

電流値が約１Ａよりも大きくなると、線形モデルはもはや正確ではない。なぜなら誘導される全磁束の減少が大きくなるため、供給される電力は、単純な線形モデルが予測するように電流の増加とともに線形には増加しなくなるからである。電流が増加すると負荷の電力が小さくなる一方で、ホイールによって消費される全力学的エネルギーは一定に留まる。

しかし、この用途では単純化した線形モデルが有効である。なぜなら多数のホイールを用いて選別機に必要な電力を供給していて、各ホイールはそのホイールの制限領域外で動作するからである。

出力電流の増加に伴う磁束の減少が原因でホイールから得られる電力が本来的に制限されていることに合うように用途を単純にした。なぜなら短絡による故障や負荷のインピーダンスが小さいという動作条件の際にはホイールが自然に保護されるからである。

ホイールが必要とする可能性のある力学的エネルギーの最大値は本来的に制限されているため、極端な条件下でさえ、機械部品（特にホイールのポリウレタン製被覆）の寿命も保証される。

実際、消費電力が本来的に制限されていることは、ホイールに作用する最大ブレーキ力が制限されることにも反映される。すなわち短絡条件においてさえ、ホイールはまったく滑ることがない。滑るとホイールのポリウレタン製被覆の寿命が短くなると考えられる。

ホイールによって消費される可能性のある約60Wという最大電力では、接線方向のブレーキ力は約22Nである。物品が最も軽い用途を考える場合でさえ、運搬台の重量が原因で通常は少なくとも１５０Ｎという力に対応する重量がホイールにかかる。したがってホイールは決して滑ることができないと考えられる。なぜならポリウレタンとトラックの摩擦係数を考慮すると、滑りを阻止するのに必要な力よりも3倍大きい力によってホイールがトラックに押し付けられるからである。

交流発電ホイールの電気的特性は、１００個の交流発電ホイールからの電力の寄与が非常に簡単な方法で足し合わされるように選択した。すなわち各交流発電ホイールの三相コイルは、直流電圧を得るために全波ダイオード整流ブリッジに接続されていて、出力は直接1つの電力分配バスに並列に接続されている。

バス上の全負荷が必要とする電流は、並列に接続されたすべての交流発電機によって供給される。各交流発電機の寄与は、高電圧と、大きな直列抵抗と、電力を損傷閾値よりもはるかに低い値に自己制限する発電ホイールの特性のおかげで、ほぼ等しい。

交流発電ホイールは低コストで工業的に製造できるため、数百個のホイールを並列に接続された交流発電ホイールで置き換えるだけで、これまで利用されてきたどの解決法と比較しても、運搬台上で必要な電力を非常に簡単に利用できる可能性が生まれる。

この方法では、いくつかの独立した発電機を並列に接続することで必然的に多くの故障が許容されるようにするため、製品全体のライフサイクルの延長と動作の安全性の両方に関して非常に好都合である。

数百個の発電ホイールを並列に接続することで得られる電力供給源により、調節されていない電圧が供給されるとともに、無視できない残留直列抵抗が生じる。したがってベルトの電動モータを制御するサーボ・ドライバは、供給電圧の大きな変動の存在下で適切に動作するように設計されていることが重要である。選別機の動作中に必要とされる大きな電力変動（例えば１０００Ｗ〜８０００Ｗ）により、以下の分析で説明するように、実際にバスに大きな電圧の変動が生じる。

図７の（２）には、交流発電ホイールの単純な線形モデルを利用し、２つの発電機を並列に接続して１つの負荷抵抗ＲＬに電力を供給する場合が示されている。

両方の発電機が、同じ電気的特性と、同じ速度単位当たりの電圧と、同じ内部抵抗を持つと仮定すると、すなわち図７の（３）ようにＶ１＝Ｖ２かつＲ１＝Ｒ２であると仮定すると、並列に接続した２つの発電機は、電圧が同じで、内部抵抗が各発電機の抵抗の半分に等しい１つだけの発電機とちょうど同じになる。

（２）に示した関係により、両方の発電機の電気的パラメータが同じでない場合の寄与を見積もることができる。発電ホイールの製造中には、電気的パラメータの値に関して約5％の変動を考える。

線形モデルを利用すると、これらの変動が、単純に発電機の消費電力に比例した変動になることを確認できる。

したがって複数の発電機の並列な接続は、図７のスキーム（４）に示してあるように、開回路の電圧値と、１つの製造ロットでの測定を平均して得られる内部抵抗値とを持つ複数の同じ発電機の並列な接続に等しいと考えることは合理的である。

図８は、さまざまな電力を必要とする可能性のある用途での単純な線形モデルの結果を示している。表（１）は、２．５ｍ/秒で移動していて少なくとも８０００Ｗのピーク電力を必要とする重い物品に関する大容量の選別の用途で250個の発電ホイールを並列に接続した場合である。

表（２）と表（３）は、必要なピーク電力がより小さい用途を示している。

これらの表を見ると、分配バス上の電圧は、負荷の消費電力に依存することに注目すべきである。表（１）では、電圧は、消費電力が１０００Ｗのときの約１００Ｖから、８０００Ｗのピーク電力が消費されるときの６６Ｖへと変化する。

この例は、交流発電ホイールが、さまざまな用途での要求に合致した簡単な解決法を提供できることを証明している。ただし、サーボドライバが、ほぼ１００％という電圧の変動が伴うにもかかわらず、ソーティングの精度を低下させることなく利用可能な電力を利用できることが条件である。

搭載されている電気負荷が大きく変動することは、ソーティングの用途における特殊性である。各サーボドライバは、待機状態では約２Ｗの電力を消費し、物品を降ろすために作動させるときにはピーク電力を短時間消費する。電力のピークは物品の重さに応じて変化し、重さ５０ｋｇの物品では１０００Ｗに達する。

分配バス上の電気負荷の平均値は、選別機を形成する運搬台の数と、待機モードにおける選別機の生産性の平均値に依存する。物品に関する実際の用途では、電力の平均値は約２５００Ｗになろう。

電気負荷は、選別される物品の重量（数グラムから５０ｋｇまでの範囲になる可能性がしばしばある）と、物品の目的地のランダムな組み合わせに応じて同時に起こる起動の回数に依存する。

しかし、選別機のレイアウトは円形トラックであるため、同時に選別機を起動させる回数が安全係数を超えるときには制御システムが物品を再度循環させて次の回に選別することができる。

物品に関する実際の用途では、電力のピークは約８０００Ｗに制限される。この値は十分に大きいため、選別機のスループットに対する実質的な影響はない。

電力のこのように大きな変動は、バスの電圧の大きな変動に反映される。大きな電圧変動に対するサーボドライバの感度を小さくするには、各運搬台において供給電圧の瞬間的な変動に迅速に反応できる機能を基本的な閉ループ速度制御に付加することで、モータの電流に対する効果、したがってトルクに対する効果を小さくする必要がある。

図９に示してあるように、分配バスには１つのサーボ駆動ユニットが接続されているため、交流発電ホイールから電力を回収して分配バスに供給するのにもサーボ駆動ユニットを直接使用できる。

図９は、選別用ベルトを作動させるモータ（２）の制御に用いられる電子ユニットの簡単化したブロック図である。モータは各運搬台に取り付けられていて、分配バス（５）から電力を受け取る。

運搬台に交流発電ホイール（３）が取り付けられている場合には、ホイールの三相出力は電子ユニットに直接接続される。

ホイールによって発生する三相電圧はダイオード・ブリッジ（９）によって整流され、直流電圧出力がダイオード（４）を通じて分配バス（５）に印加される。

図９には、選別機が高速で走っていて搭載物の電力消費が非常に少ないときに交流発電ホイールによって供給される電圧値を制限する過電圧保護ユニット（１０）が示されている。

交流発電ホイールによって発生し、蓄積用キャパシタで均された整流された電圧が１００Ｖを超えたとき、ヒステリシスを有する比較回路が発電機を負荷から一時的に分離し、固体スイッチ（８）を作動させる。

キャパシタ（１０）にかかる電圧が減少して比較器の最低閾値よりも小さくなると、発電機が再びオンになって新たなサイクルが始まる。それに伴う電力消費がある場合には、バス上の電圧は減少し、コンデンサ・ヘッドにおける電圧は着実に減少して閾値よりも小さくなるとともに上記の条件を下回り、スイッチ（８）は常にオンの状態が維持される。

図９の上部には、サーボドライバのブロック図を示してあり、そこには速度フィードバック調節ループ（６）と電流フィードバック調節ループ（７）が含まれている。この図は直流ブラシモータの制御を示しているが、ブラシなし同期モータまたは非同期誘導モータにも以下の注意を適用することができる。

図９のブロック図では、電流の現在値は調節装置によって変化するため、その値は、速度ソーティングプロファイルの参照値をセンサーによって検出されるモータの現在の速度と比較すること（６）で得られる。

現在の速度のエラーは適切に増幅され、それによって電流値が決定される。したがって、モータの速度が必要な速度プロファイルに正確に従う上で必要なトルクが決定される。

増幅器（６）には、図示されていないが位相相殺回路が含まれている。この回路は、速度のエラーの変化率と平均値に比例した補正も行なう。

位相の相殺が必要とされるのは、主として、要求される精度を得るのに必要な大きな増幅値の存在下で安定化させるためである。

説明した閉ループ調節装置により、電源の電圧値に対する依存性がすでに小さくなる。例えば電源の電圧値の低下によって電流が低下し、したがってトルクが低下する。その結果、モータは速度プロファイルに正確には従わず、調節装置の速度エラーが増大し、それが、電流とトルクを大きくすることを決定する。

発電ホイールの用途では、供給電圧の非常に大きな変動にもかかわらず正確である必要がある。したがって電源の電圧の現在のいかなる変動にも瞬時に対応するため追加の調節ループ（７）が付加されている。速度を制御するために（６）によって生成される必要な電流プロファイルは、モータ内の（電源の電圧からの影響を直接受ける）現在の電流値と比較され、エラー信号が増幅され、それが、必要な位相相殺がなされたＰＷＭ（パルス幅変調）のフル／エンプティ関係を変化させる。

エラー信号は、フィードバック項を得るための電流測定値以外に、応答時間を改善するフィードフォワードの寄与を得るための電圧変動の測定値も含んでいる。

この例では、電源の電圧値が低下すると、モータの電流が低下し、電流ループ内のエラーが増加するため、ＰＷＭ開／閉比の関係が大きくなる、これは、電圧がより長時間モータに印加されることを意味する。その結果、電圧の値は小さくなるにもかかわらず電流は一定に維持される。この結果は、モータのコイルのインピーダンスが主に誘導性であるために電流は印加される電圧の積分関数によって与えられるという事実によって可能になる。したがって電流は、電圧の値と、電圧が印加されている時間の両方に依存する。

したがって電圧の値が小さくなるとき、電圧がモータに印加されている時間に比例して増加する電流を一定に維持することができる。これは、図９の参照符号（１）に示した直流モータのサーボ増幅器にすでに存在するＰＷＭ（パルス幅変調）技術を利用すると可能である。電流は、モータの固定子のコイルを通過する電流の向きと強度を設定するためモータを電源に接続している固体スイッチを周期的に開閉するのに用いるパルスの持続時間の変調を通じて制御される。現在の電流値を感知することにより、電圧の変動を相殺し、電源の電圧とは独立にサーボドライバを操作することができる。

もちろん最小電圧値が存在していて、その値よりも小さいと重い物品を適切に選別するのに必要な電流値を得ることができない。それが理由でサーボドライバには、分配バス上の電圧がこの最小閾値よりも小さいときには新たな選別命令が出されるのを阻止する回路（１２）が設けられている。

この制御によってすでに実行中の選別命令が中断されることはないが、実行を開始すべき新たな命令はすべて阻止される。

クロスベルトのようなカルーセルタイプの選別機では、ある物品の選別を飛ばして「再度循環させ」、選別機の次の巡回でその物品を選別することが可能である。

システムのスループットは物品を再度循環させることによって低下するが、実際の効果は発生頻度に依存する。そのためこのようにできることをうまく利用し、多数のソーティングが同時に実行されるという稀な事態によって起こるバスの電圧の過剰な低下を阻止できる。

回路（１２）は、ｓｗの保護に関して相補的な作用をする。ｓｗは、同時に作動させる最大の回数を制限するが、実際の電力ピーク値に有効に作用することはできない。なぜならそれぞれの作動に必要な電力は、一般には知ることのできない物品の重量に依存するからである。

回路（１２）によって実行される制御を付加することにより、バスが必要とする電力が自動的に制限されて、バスの電圧が過度に低下することが阻止される。

バスの電圧が閾値よりも低いときには、回路（１２）は、新たな選別命令だけを飛ばすが、物品が載っている間はセル・ベルトを走らせる作動命令を飛ばすことはない。さもないとセルの上に間違った物品を置くことでその物品を損傷させる可能性がある。物品が載せられたときにベルトを作動させるには小さな電力しか必要とされないため、全電力は実質的に一定の値になり、選別作業のときのような統計的な組み合わせに対する大きな電力ピークにはならない。

物品が載せられたときにセルベルトを作動させることは、利用できるバスの電圧が低いときでも可能である。なぜならベルトに必要な速度は非常に小さいからである。

さらに、重い物品は、載せられたときにエネルギーを必要とするよりもエネルギーを与える。なぜならモータ制御装置は再生タイプであるため、物品が載ったときのベルトの作動が電力源になるからである。モータサーボは、セルベルト上の重い物品を停止させねばならない。そのためモータサーボは、物品の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することによってブレーキをかけ、バスの電圧を大きくすることによって分配バスにその電気エネルギーを伝える必要がある。

回路（１２）は、（バスの電圧が閾値よりも小さいときに飛ばされる）選別命令を、（損傷の可能性があるため飛ばすことができない）物品が載ったときのベルト作動命令から区別することができる。なぜなら後者は、パルスの時間変調が異なることを特徴としているからである。

選別命令は、持続時間が少なくとも１００ミリ秒の周波数変調された単一のパルスである。

物品が載ったときの作動命令は、約５〜２０ミリ秒という短いパルスの時間変調によって形成されていて、各パルスは、周波数変調信号を含んでいる（パルスの時間変調を利用して物品が載ったときのベルトの速度を正確に調節する）。

したがって、回路（１２）は、短いパルスを検出することにより、物品が載ったときの作動命令を同定することができる。

最後に、サーボドライバのＰＷＭ制御というリソースを利用することにより、実際のケースにおける直流約５５Ｖから直流１００Ｖ超という電圧の大きな変動にもかかわらず、選別の精度に影響を与えることなく、並列な交流発電ホイールという簡単な解決法の恩恵を受けることができる。

図１０は、分配バス（３）から電力を供給される運搬台列を示している。運搬台は、選別用ベルトのモータを制御するとともに、交流発電ホイールがバスに与える電力の寄与を足し合わせるサーボ・ドライバ（１）を備えている。交流発電ホイールは、ベルトのモータ（２）専用のサーボドライバと交互に配置されている。

以下のセクションには、故障の可能性の分析と修復法の分析が含まれている。

新しい電力供給システムは、並列な交流発電ホイールがいくつか故障していてもそれを容易に許容することができ、選別機の動作に影響が及ぶことはない。

メンテナンスを簡単にするため、システムは、遠隔診断手段によって動作状態を自動的にチェックする手段を備えている。最小閾値よりも大きな電圧が存在していると、変調された赤外光を放射することができる（図９の参照符号（１１））。

地上に設置されていて選別機の制御システムに接続された１つの受信機により、うまく機能していない発電機を同定し、別にメンテナンスを行なうことができる。制御システムは、すべての運搬台が赤外信号の受信機に対してどの位置にあるかをいつでも知っている。交流発電ホイールを備える運搬台が１つの赤外信号を見逃した場合には、その出来事が記録されて別にメンテナンスが行なわれる。

電力供給システムは、分配バスのケーブルが中断される可能性のある出来事に対してだけ弱みがある。なぜならその場合には交流発電ホイールがもはや並列に接続されていないため、必要な電力に従う分配の根拠がもはや有効でないからである。

分配バスは、機械のメンテナンスが容易になるようそれぞれの運搬台にコネクタを備えているため、コネクタのペアが意図せず接続されない状態になって分配バスが中断される可能性がある。

分配バス用ケーブルで第３のワイヤを用いると、このような中断を検出することができる。
ケーブルの第３のワイヤは、運搬台列の最後の運搬台のプラス極に接続する。
運搬台列の第１の運搬台を試験するとき、第3のワイヤにプラスの極性が存在していると、すべてのコネクタが適切に接続されていることが証明される。

この状態は遠隔操作される。なぜなら第１の運搬台の電子ユニットが第３のワイヤ上のプラスの極性を検出し、変調された赤外信号を発生させるからである。その赤外信号は、制御システムに接続されたモニタステーションによって検出される。

赤外信号が適切な時間ウインドウの範囲内に受信されないときには（制御システムは、運搬台列の第１の運搬台がいつモニタステーションの上方にあるかを知っている）、制御システムは警告を受けて運搬台列の分配バスが中断される。

しかしモニタステーション単独では、中断の位置を特定するための有用な手がかりは与えられない。なぜなら運搬台列のすべてのコネクタは直列になっているからである。
運搬台列に沿った接続されていないコネクタの位置を特定することのできる方法は、相互固定接続部を有する第2のピンが設けられた各運搬台のバスコネクタを用いると可能になる。

したがって、１つの運搬台のサーボドライバは、その運搬台のコネクタが接続されていない状態のときには供給される電力を受け取らない。

バスが中断された場合には、接続されていないコネクタは、選別機の選別用ベルトの正確な動作を系統的にチェッックする試験ステーションによって故障として検出される運搬台に挟まれた位置にあることが容易に特定される。追加の診断機能は、分配バスの電圧をモニタしてその値を実際の選別活動と相関させることによって実現される。この制御機能は、市場において低コストで入手できる無線送信機という手段を利用して分配バスの電圧測定値を定期的に受け取る選別機制御システムによって実行される。

電源からの電力の分配は、故障分析にも影響を与える最適化問題である。すでに議論したように、選別機の用途では一般に例えば３ｋｗという小さな平均電力が必要とされるが、より大きな８ｋｗまでの電力ピークになる可能性を考慮する必要がある。電力のピークは互いに分離される。すなわち制御システムが、第１のピークから数秒で第２の電力ピークが繰り返されることを阻止できる。第１のピークから数秒後に第２の電力ピークが来る可能性は実際には極めて少ない。したがって制御システムは、物品を再循環させることによって第２のピークを阻止するが、スループットの実際的な損失はない。

１つの明らかな解決法は、並列な発電ホイールを必要な数だけ利用してシステム全体をピーク電力に合わせることである。この解決法では、ケーブルとコネクタは、動作条件のほぼ三倍である最大短絡電流の定格にする必要がある。
この解決法は経済的に採算が合わず、部品のサイズが原因で運搬台の設計にマイナスの効果がある。

よりよい１つの解決法は、システム全体を、例えば４ｋｗという平均電力消費よりも大きいが８ｋｗというピーク電力よりははるかに低い電力消費に合わせ、市場で入手できる「ウルトラキャパシタ」という新技術を利用した電解キャパシタに蓄えられているエネルギーを通じて必要な電力ピークを得る可能性をそこに加えるというものである。

すでに説明したように、供給電圧が広い範囲で変化するときにサーボ増幅器が正確に動作できる場合には、キャパシタに蓄えられたエネルギーを放電中にサーボ増幅器に移すことができる。

ウルトラキャパシタは、表面積を大きくするため誘電率が非常に大きい材料をキャパシタの端子とカルボニウム端子の壁部の間に用いる新技術のおかげで非常に大きな容量を提供する電解タイプのキャパシタである。市販されているウルトラキャパシタの直列接続と並列接続を組み合わせることにより、選別機の1つの運搬台に容易に設置することのできるコンパクトかつ軽量のユニットにして１ファラド、８０Ｖのキャパシタパックを得ることができる。

実際のケースでは、このユニットは、放電によって８０Ｖから７０Ｖになる間に１秒間にわたって５００Ｗを超えるピーク電力を供給することができる。このユニットをいくつか分配バスに並列に追加することにより、電力ピークの分離を可能にした状態で、選別機の平均電力消費よりも大きな電力消費の供給システムにすることができる。

ケーブルとコネクタは、最大動作電力よりもわずかに大きな定格のものにすることができる。なぜならバスが短絡する場合には、安定した短絡電流は小さいからである。

この解決法は、経済的な観点とエネルギー効率の観点からして最良である。負荷の電流を制限し、キャパシタにかかる電圧をバランスさせて安定化させ、キャパシタの温度を制御するために電子式制御ユニットをキャパシタに付加することにより、ウルトラキャパシタの寿命を選別機の寿命より長くすることができる。

Claims (17)

1. 地上に設置された推進装置と、電力を供給する交流発電機を有する複数の支持用ホイールが取り付けられた運搬台が互いに接続された運搬台列と、を備える選別機械において、 交流発電機がホイールの中に収容され、
   ホイールが、
   ホイールを支持するフォーク状部材と一体化した固定子のコイルを支持する固定された内側リングと、
   永久磁石を収容し、コイルの前でシャフトのまわりを回転する外側リングと、
   を備えることを特徴とする選別機械。
2. 発電機が共通する１つの分配ケーブルに並列に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の選別機械。
3. 外側リングの周囲にポリマー材料からなるライナーが設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の選別機械。
4. 外側リングが１２個の希土類系永久磁石を支持し、内側リングが１２個の磁極およびそれと同数のコイルを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の選別機械。
5. 三相のそれぞれが直列に接続された４つのコイルを有することを特徴とする請求項４に記載の選別機械。
6. 運搬台が、交流発電機に接続された選別用電動モータによって作動する選別用ベルトと傾斜トレイを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の選別機械。
7. 運搬台が、交流発電機が設けられた側方ガイド用ホイールを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の選別機械。
8. ホイールが、消費される力学的エネルギーを閾値未満に自己制限する設計にされていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の選別機械。
9. 運搬台がサーボドライバを搭載していて、サーボドライバが、選別用モータを作動させ、ホイールのエネルギーの寄与を分配ケーブルに加え、最大限度を超える電圧を発生させたホイールの発電機を一時的に遮断することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の選別機械。
10. サーボドライバが、選別用ベルトの速度プロファイルの精度を低下させることなく、分配ケーブルから利用できる６０〜１００Ｖの電圧を利用して選別用モータを制御することを特徴とする請求項９に記載の選別機械。
11. 搭載されているサーボドライバに、物品が載せられたときに選別命令をベルト作動命令から区別できる電子回路が設けられていて、電子回路は、分配バスの電圧が所定の閾値よりも低いときには選別命令の実行を飛ばすことが可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の選別機械。
12. 分配バスの電圧が閾値よりも低くなったとき、電子回路がすでに実行中の選別命令を中断しないことを特徴とする請求項１１に記載の選別機械。
13. 交流発電ホイールがうまく動作していることを遠隔診断によってチェックするため、サーボドライバが赤外変調信号の発生手段を有することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の選別機械。
14. 交流発電機の三相電圧を整流するダイオードブリッジを備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の選別機械。
15. 支持用ホイールの交流発電機が、外側リングの中に配置された複数の永久磁石と、複数の極コイルで構成され、ホイールを支持するフォーク状部材と一体化した固定子と、を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の選別機械。
16. 接線方向の速度を２ｍ/秒にして駆動するとき、個々のホイールが、４０Ｈｚを超える周波数と、６０Ｖを越える整流された電圧を有する三相電圧を発生させ、２０Ｗ以上の電力を供給することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の選別機械。
17. システムの電力消費を要求される分離した電力ピーク値よりもはるかに少なくするため、分配ケーブルに並列に接続されたキャパシタユニットをさらに備えることによってピーク間の短い時間に利用できる電力を増やすことを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の選別機械。

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