JP2016516647A - 高効率ウインチのための改良版プーリー - Google Patents

Abstract

作用負荷とつながっている入口部（１１）と最小又はゼロの張力の出口部（１２）間に含まれるロープ（１）の少なくとも一の部分と接触している改良されたプーリー（２）であって、周囲支持体（３）から構成される運動鎖を含むウインチ用の改良されたプーリー（２）。【選択図】 図１

Description

本発明は高効率ウインチのための改良版プーリーに関するものである。 それは、移動荷重につながれたロープに作用させる牽引力の手段で、機械的エネルギーを伝達させる際に使われるタイプのものである。

高効率ウインチはいくつかの用途に使われる。たとえば、荷物を持ち上げるあるいは移動させるために、あるいは、巻くのに適したロープを用いて、ロープを引っ張ってエネルギーを伝達させるためなどである。

近年、エネルギー伝達のためのウインチの利用は、風力エネルギー運用の分野で重要になってきた。そこでは、交流発電機や電力装置に接続したウインチは、風から運動エネルギーを取り出し、生産された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために使われる。

移動荷重につながれたロープから機械エネルギーを回収する際に、稼働ウインチの効率は重要である。すなわち、エネルギーのわずかのパーセントが稼働ウインチとロープを強く加熱するからである。

風からエネルギーを引き出す過程は、高耐力のロープの使用を伴う。該ロープの張力は移動する風により飛ぶ凧の上昇によって発生する。該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。機械動力は、ロープの機械的張力と、プーリーが巻き戻される際にロープが引き伸ばされる速度との合成で発生する。

該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。この過程において、風の運動エネルギーは、ロープとプーリーまたはドラムの間の摩擦のおかげで、最初には機械的エネルギーに変換される。次いで、それはウインチにつながれた交流発電機によって電気エネルギーに変換される。

その変換の間に、エネルギーロスが発生して熱となり、プーリーの表面を加熱し、ロープの内部温度を上昇させ、過温度上昇により機械的性質を危うくする。

従来のウインチは、その低い効率のため、大きなエネルギーの伝達には適していない。高耐力のロープを持つ高出力のウインチの場合、損失動力の相対的に小さな部分が、クリティカルになり得る。 たとえば、９７％の効率を持つウインチがあって、1.5MWの動力を扱うために使われた場合、45kWの熱流を発生するので、ロープが過剰に加熱されないためには、それを適当に消散しなければならない。回転部分のベアリングにより発生する損失とともに、熱流は主としてロープとプーリーの間の摩擦よって生じる。

ロープ内部の摩擦は、ロープを構成する異なる線とブレイドの相対的な変位と歪みによって発生する。また、ロープはこれらが相互にこすり合うような形状に配置されている。他方、ロープとプーリー間の摩擦はロープからエネルギーを取り出すためには必要な要素であるが一方ロープとプーリー間の相対的な変位による摩擦は最小に減らさなければならない。

高効率ウインチの構造は二つのコンセプトに適合していなければならない。ウインチに沿って動く該ロープは、ロープを構成する材料の特性に基づく歪みの勾配に伴う張力の勾配にさらされることであり、もう一つは、プーリーに一回転以上巻かれたロープは、プーリーがその縦軸に対して回転すると仮定すると、その主たる伝達力の方向に直角にー−それはたとえば、プーリーの縦軸の方向であるがー−移動する必要があることである。それはロープの一部が異なる曲率となり 重なり合わないためである。

W02011121272は第一のコンセプトに関する応用を開示している。すなわち、歪みの勾配を均一にしてロープにかかるストレスを少なくしその影響を減じることを目的としている。この問題は二つの相互に貫通するプーリーによって解決される。それらのプーリーはロープとドラムの間の接触が不連続な面であることを特徴としている。

FR1105165は第二のコンセプトを扱っている配置を開示している。そこでは、ロープに沿って異なる歪みの状態にあることに適合するように直径が徐々に減少または増加する円形の溝を持つプーリーで構成され、大きい直径の溝は高張力の状態のロープに接触し、逆の場合はその逆となっている。

本発明の目的は、高効率なウインチのための改良されたプーリーと提供することにより、上記の従来技術の問題点を解決することにある。そこでは、より高いエネルギーの生産性、摩擦現象による動力の損失の減少及びロープの摩耗の減少が見込まれる。

本発明の上記あるいはそれ以外の目的と利点は、以下の記述で明らかになるが、請求項1に請求された改良型プーリーが仕事側の負荷につながる一端と、抵抗側負荷につながる一端の間にあるロープの一部分と接触することによって得られる。当該改良型プーリーは少なくとも一の主たる慣性軸と弾性的に反応する一連の周囲支持体から構成されている。本発明の好もしい実施態様と重要なバリエーションは従属の請求項に示してある。

すべての含まれる請求項は、本記述の重要な部分であるが、本発明は本記述に限定されるものではない。 多数のバリエーションや改良が（たとえば、同等な作用を持つ、形状や、大きさや、配置や部品などである。）ここに記載された請求項に示された発明の範囲から逸脱することなく、記述されたものに対して作られ得るのは明らかでありこれらはすべて本発明に含まれる。

本発明はいくつかの好もしい実施態様で――実施例に請求の範囲が限定されないことを条件に、含まれる図を参考にして――うまく記述できるであろう。

図１は、本発明による周囲支持体の運動鎖を構成として含むロープに接続されたプーリーの不等角投影図である。 図２，２ｂと２ｃは、図１の前記プーリーの前記各周囲支持体に対応する３つの接続され隣り合った関節接合機構の変化の側面図である 図３は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の不等角投影図である。 図４は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の不等角投影図である。 図５は、図４の部品の正面図である。 図６は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の不等角投影図である。 図７は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の不等角投影図である。 図８は，図１のプーリーの正面図である。 図９は、図８のＩＸ−ＩＸ断面における図１のプーリーを示している。 図１０は、図８のＸ部の拡大図を示している。 図１１は、図９のＸＩ部の拡大図を示している。

図１によれば、入り口部分１１と出口部分１２の間に含まれるロープ１の少なくとも一部分が、プーリー２の上に３回転巻かれている。
プーリー２は、高効率ウインチ（図示せず）に接続するシャフト（図示せず）に軸合わせし、結合するための中心穴２２を装備する少なくとも一のディスク２１を構成として含む。

ロープ１の入口部１１と出口部１２はそれぞれ作用負荷（図示せず）と蓄電負荷（図示ぜず）に繋がっていて、入口部１１で最大の張力値、出口部１２で最小あるいはゼロの張力値となるような張力勾配となっている。

周に沿って均一に繋がれかつ分配されている周囲支持体３で形成される運動鎖によってディスク２１はロープ１のコイルを支持している。

図３から７によれば、各周囲支持体は以下によって構成される
―：少なくとも一のフレーム３１、それはＵ字断面の引き抜き材から得られ、少なくとも二対のブッシュ穴３１１と３１２を有している。
―：少なくとも一のクランク３２、それは首輪タイプの偏芯体３２１で形成され、その内部軸にはその端にふたまた３２３と３２４が置かれたピン３２２が嵌っている。
―：少なくとも一の搖動棒３３、そこには二つのブッシュ穴３３１と３３２が設けられている。
―：少なくとも一の連接棒３４、それはＴ字断面の引き抜き材から得られ、少なくとも二個のブッシュ穴３４１と３４２を有している。

図８〜１１に示すように、各周囲支持体３はディスク２１の外周とフレーム３１を通して一体となっている。クランク３２は一対の共通軸穴３１１にはめ込まれたピン３２２を通してフレーム３１と接続している。搖動棒３３はピン３５を通してフレーム３１に結合しているが、ピン３５は一対の共通軸穴３１２及び穴３３１にはめ込まれている。連接棒３４はクランク３２とは偏心体３２１が孔３４１にはめ込まれて、また搖動棒３３とはピン３６が穴３４２と孔３３２にはめ込まれてそれぞれ結合している。

クランク３２に属するふたまた３２３と３２４はピン３２２の軸に直角な平面で、ある程度のオフセットTを持つ幾何学的な形状をしている（たとえば図５から気づくことが出来る）。

ロープ１は各連接棒３４の背面に接触してプーリー２に３回巻かれている。
各々の周囲支持体３はクランク３２と一体になっているふたまた３２３と３２４の継手を介して二つの隣り合う支持体と動的に接続している。つまりそれぞれに第一の隣のクランク３２aと一体の第一のふたまた３２４a、第二の隣のクランク３２bと一体の第二のふたまた３２４ｂに接続している（たとえば図１０からわかる）。

各周囲支持体３は首輪タイプの偏芯体３２１、搖動棒３３と連接棒３４からなる関節接合の四辺形と運動としては等価である関節接合の機構をなしている。このなかで連接棒３４にロープ１の当該部分が接触している。

各偏芯体３２１と一体のふたまた３２３と３２４に接続している周囲支持体３からなる運動鎖はロープ１とプーリー２の間に不連続な接触を作り出し、端１１と１２の間に含まれるロープ１の当該部分にそっての張力勾配を離散的にすることができる。
ふたまた３２３と３２４に接続している周囲支持体３からなる運動鎖はロープ１とプーリー２の間に不連続な接触を作り出していることに加えて適当なアクチュエイター（図示せず）によって動作する往復動則に従う移動的接触を作り出すことが出来る。

各周囲支持体３の前記往復動は前記隣接する周囲支持体３の往復動に対してオフセットになっている。
各周囲支持体３の前記ふたまた３２３と３２４間の前記オフセットは0度から360度の任意の値を持ちうる。

周囲支持体３から形成される前記運動鎖と一緒になって前記プーリー２は本発明の目的である数回にわたってプーリー２の周囲に巻かれたロープ１の張力勾配の離散を達成させる。
特に本採用の解決策は以下を可能にする
―：周囲支持体３との接触が少ないときはロープの各部分に沿っての張力勾配をなくする。
―：各連接棒３４の接触面によって形成される母線に沿ってロープ１は螺旋に巻かれる。
―：関節接合の四辺形と運動として等価である機構によって各周囲支持体３の往復動的かつオフセット的運動が得られるがそれは偏芯ローターと連接棒によって得られる好もしい実施例である（図２a,２bと２c）。

本発明の解決策のバリエーションと考えられるさらなるアレンジメントを下記する。
前記各周囲支持体３の往復動的かつオフセット的運動は関節接合の五辺形のデバイスと動的に等価な機構の手段で得られるが、そこでは追加の棒（図示せず）がさらなる腕木的運動を重ね合わせることによって概略四角な形状の軌跡をなす動作が可能となる。

関節接合の五辺形のデバイスと動的に等価な前記機構は5本の棒（図示ぜず）のうち2本がベアリングを備える偏芯ローターを通して機械的に作られ、前記偏芯ローターは独立した回転速度とあらかじめ定められた位相を有し、前記独立した回転速度の一つは好ましくは他速度の３倍であるようなタイプである。

各周囲支持体３の半径方向のプロファイルはＸ−Ｚ平面（図９）で計測した場合、ロープ１に沿っての前記張力勾配変化量に適合した指数関数に従う。
各連接棒３４の背面はロープ１の一部分と接触するが、Ｘ−Ｙ平面（図８）で測った場合円形の丸い形状のプロフィルを持つ（図示せず）。

周囲支持体３によって形成される前記動的鎖はカルダンジョイントあるいは同等なものによって結合される。
前記往復運動はカムあるいはメカニカルなアクチュエイターによって動作させ得る。
前記往復運動はまた電気モーターあるいは電磁的なアクチュエイターによって動作させ得る。

前記往復運動を利用して、デバイス（図示せず）を備えたウインチでは、張力をかける間に、高張力の１１部分や低張力の１２部分からロープ１のある量を蓄えたり急速に放出したりすることができる。
前記往復運動はデバイス（図示せず）を備えたウインチでは高張力の部分１１あるいは低張力の部分１２からのロープ１の張力を規定したり制限したりすることに利用ができる。

周囲支持体３を装備するすくなくとも一のプーリー２からなるウインチは回転によって巻きつけられたロープ１を支持しガイドするが、好ましくは3回転にわたって、前記ロープ１は低い張力状態で蓄えられる。
ウインチは周囲支持体３を装備するn個のプーリー２からなりそれらのプーリーのうち少なくとも２つがモーターを備えている。
ウインチは周囲支持体３を装備する４個のモーター付きプーリー２からなり該プーリー２は理想的な長方形の頂点に配置されている。
ウインチは周囲支持体３を装備する４個のモーター付きプーリー２からなり該プーリー２は相互に非平行な回転軸に沿って配置されている。

Claims (8)

1. 作用負荷とつながっている入口部（１１）と最小又はゼロの張力の出口部（１２）間に含まれるロープ（１）の少なくとも一の部分と接触している改良されたプーリー（２）であって、かつ周囲支持体（３）から形成される運動鎖を含み、該周囲支持体（３）の各々は関節接合の四辺形であり、少なくとも一のディスク（２１）と一体の少なくとも一のフレーム（３１）、少なくとも一のクランク（３２）、少なくとも一の搖動棒（３３）と前記ロープ（１）の前記部分と接触する少なくとも一の連接棒（３４）を構成に含むウインチ用の改良されたプーリー（２）において
   前記周囲支持体（３）の各々は前記隣接する周囲支持体（３）の二つと前記クランク（３２）と一体になったふたまた（３２３，３２４）の継手を通して、つまりそれぞれに第一の隣接クランク(３２a)と一体になった第一のふたまた(３２４a)と、第二の隣接クランク(３２b)と一体になった第二のふたまた（３２３b）を通して、前記クランク（３２）に接続していることを特徴とするウインチ用の改良されたプーリー（２）。
2. 前記周囲支持体（３）の各々が往復動則にしたがうモーターによって作動されることを特徴とする請求項１に記載の改良されたプーリー（２）。
3. 前記クランク（３２）はその端部に前記ふたまた（３２３，３２４）が置かれ、前記ふたまた（３２３，３２４）は前記ピン（３２２）の前記軸直角の平面においてオフセット（T）の幾何学的形状をしており、内部軸にピン（３２２）が嵌まっている首輪タイプの偏芯体（３２１）を構成として含むことを特徴とする請求項１に記載の改良されたプーリー（２）。
4. 前記周囲支持体（３）の各々の前記往復動でオフセットな動作は関節接合の五辺形のデバイスと動的に等価なメカニズムよってなされることを特徴とする請求項３に記載の改良されたプーリー（２）。
5. 前記関節接合の五辺形のデバイスを構成する5本の棒のうち2本は偏心ローターを通して機械的に作られていて、独立の回転速度とあらかじめ定められた位相を有し前記独立した回転速度の一つは他の速度の3倍であることを特徴とする請求項４に記載の改良されたプーリー（２）。
6. 前記プーリー（２）の回転軸に対して平行なＸ−Ｚ平面で測定した場合前記
   周囲支持体（３）の各々の半径方向のプロファイルが前記ロープ（１）に沿っての張力勾配変化量に適合した指数関数に従うことを特徴とする前記すべての請求項に記載の改良されたプーリー（２）。
7. 前記ロープ（１）の一部に接触している前記連接棒（３４）の各々の背面は前記回転軸に直角なＸ−Ｙ平面で測定したとき円形の丸い形状のプロファイルを有することを特徴とする前記すべての請求項に記載の改良されたプーリー（２）。
8. 前記周囲支持体（３）から形成される前記運動鎖はカルダンジョイントあるいは同等なものに結合されそして／又は前記往復動はカム、メカニカルアクチュエイター、電気的又は電磁的アクチュエイターによって作動させられることを特徴とする前記すべての請求項に記載の改良されたプーリー（２）。

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