JP2019162024A - ウインチを操作する方法及びウインチを駆動するための電気駆動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電気駆動機における、制御可能な半導体スイッチやダイオード等のパワーエレクトロニクス部品に高電流が流れて、部品に対して過負荷が掛かる可能性を軽減する電気駆動機を提供すること。【解決手段】巻取可能媒体（１０）を巻き取るための、回転可能なウインチドラム（２０）と、ウインチドラムに対して動作可能に連結した電気モータ（３０）とを備えたウインチを操作する方法及びウインチを操作するための電気駆動機を提供する。電気駆動機（４０，４１）は、電気モータ（３０）を駆動することで、巻取可能媒体（１０）の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達するようにウインチドラム（２０）を駆動し、電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定し、電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定した後、電気モータ（３０）を、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動するように構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、ウインチの操作及びウインチを駆動するための電気駆動機に関する。

ウインチは、様々な用途に関連して使用できる。例えば、船舶用のムアリングウインチやランプウインチ、トーイングウインチが挙げられる。この場合の船舶は、例えば、海、海洋、湖、河、水路、運河又はこれらのいずれか一部における水運のために設計された船艦、ボート又は概して小舟であってもよい。

ウインチは、例えば、ケーブル、ロープ、ワイヤー又はチェーン等の巻取可能媒体を巻き取るために使用される、軸回転可能なウインチドラムを備えてもよい。係留に用いられるウインチの場合、例えば、巻取可能媒体は船舶と係留点とを接続する。ウインチは、船舶又は係留点のいずれに配置されてもよい。係留点は、例えば港や桟橋といった船舶上陸地点の係船柱等の船舶を係留できる場所や、あるいは錨やブイ等であってよい。こうした係留に用いられるウインチは、例えば、電気駆動機と、巻取可能媒体の巻き取り又は巻き外しの際にウインチドラムをその回転軸周りに回転させるように構成された電気モータとを更に備えてもよい。例えば、電気駆動機はＡＣ駆動機又はＤＣ駆動機であってもよく、電気モータは、非同期モータや同期モータ等のＡＣモータ又はＤＣモータであってもよい。

船舶の係留に用いられるウインチの係留機能によって、例えば、係留点の地点に船舶を保持する巻取可能媒体を、電気駆動機を用いて制御できる。船舶が係留されている際、係留に用いられるウインチの電気モータを制御する電気駆動機を適切に制御することで、船舶と係留点との間の巻取可能媒体の張力を自動的に調節することができる。船舶と係留点との間の巻取可能媒体の張力は、適当な所定のレベルに設定し維持することができる。船舶と係留点との間の巻取可能媒体が緩み過ぎていると船舶が定位置に留まらず、巻取可能媒体が張り過ぎていると巻取可能媒体が破損したり動作が不安定になったりする。このため、ムアリングウインチ等の電気駆動ウインチでは、ウインチドラムと船舶係留点との間のロープの張力を安定させて維持することが目標となりうる。

電気駆動機を制御して、巻取可能媒体を、単一値又は範囲値である所定の張力設定値に近付けるように張ったり（巻き取ったり）緩めたり（巻き外したり）することができる。所定の張力設定値に到達すると、張ったり緩めたりする動作を終了する。換言すれば、巻取可能媒体の張力設定値に到達した場合、ウインチの電気モータを、無段階でゼロ速まで減速するように制御する。そして、電気モータが回転速度をゼロ速に保ち、略一定のトルクを保持することで、巻取可能媒体の張力を安定させて維持するようにする。

上記の解決策に関連する問題には、電気モータが長時間ゼロ速に維持されると、電気モータに供給を行う電気駆動機のパワーエレクトロニクス・ハードウェアに対して有害となりうるということがある。例えば、永久磁石同期モータ又は同期リラクタンスモータの場合、電気モータが長時間ゼロ速になっている間、電気駆動機における、制御可能な半導体スイッチやダイオード等のパワーエレクトロニクス部品に高電流が流れて、部品に対して過負荷が掛かる可能性がある。

このため、本発明は、上記の問題を解決するか少なくとも軽減させるような方法及びその方法を実現する装置を提供することを目的とする。本発明の目的は、独立請求項の記載内容によって特徴付けられる方法、コンピュータプログラム製品、電気駆動機及びウインチ構造によって実現される。本発明の好適な実施例は従属請求項に記載される。

本発明は、巻取可能媒体の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達し、電気モータの駆動速度がゼロ速に設定されると、電気モータを、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動するという発想に基づく。

本発明の利点は、電気駆動機のパワーエレクトロニクス部品に過負荷が掛かることを回避、又は少なくとも軽減できることである。そして、これにより、部品の故障の虞が軽減されてウインチの動作の信頼性が向上し、電気駆動機の寿命も延ばすことができる。

以下、本発明は、好適な実施例に関連して、添付の図面を参照しながらより詳細に説明される。

一実施例に係るウインチ構造を示す。 一実施例に係る速度図を示す。

図１は、一実施例に係るウインチ構造の簡略図を示す。図１における例示的なウインチ構造は、例えば船舶の係留に用いることができる。図１は、様々な実施例を理解するのに必要な構成要素のみを示す。例示的なウインチ構造は、巻取可能媒体１０を巻き取るためのウインチドラム２０を備え、このウインチドラムは回転軸２１周りに回転可能である。巻取可能媒体１０は、例えば、ケーブル、ロープ、ワイヤー、チェーン又はこれらの組み合わせを備えてもよい。図１の例では、ウインチ構造は電気モータ３０を更に備え、電気モータ３０は、ウインチドラム２０を回転させるようにウインチドラムに対して動作可能に連結する。電気モータ３０は、ウインチドラム２０に対して直接接続されるか、又はギアボックス（不図示）等の１つ以上の他の構成要素や装置を介して接続されてもよい。ウインチドラム２０を駆動させる電気モータ３０は、誘導モータ等の非同期ＡＣモータ、同期ＡＣモータ又はＤＣモータといった任意の種類であってもよい。使用可能な非同期ＡＣモータの例として、例えば、リラクタンスモータ、ヒステリシスモータ及び永久磁石モータ等の非励モータや、励ＤＣモータが挙げられる。なお、本明細書に記載の実施例の使用は、例えば、いずれかの特定の基本周波数又はいずれかの特定の電圧レベルを採用したシステムに限定されるものではない。例示的なウインチ構造は電気駆動機を更に備え、図１の例では、電気駆動機は、ＤＣ電源５０から電気モータ３０に電力供給するためのインバータ４０を備える。インバータは、例えば、モータを制御するために用いられる装置である。本明細書において「インバータ」は、概して、直流電流を交流電流に変換することが可能な電子装置又は電子回路を指す。インバータの例は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）といった、使用される変調方式又は制御方式に従って制御される制御可能な半導体スイッチによって実現される半導体ブリッジである。電気モータ３０の制御を確実に実現するには、例えば、モータ３０が所望の速度及び／又はトルク指令を正確に実現するように、インバータ４０を用いることができる。電気駆動機を制御する方法の例には、例えば、周波数制御、流束ベクトル制御及び直接トルク制御が挙げられる。インバータ４０は、例えば、周波数変換器の一部であってもよい。図１の例示的な実施例は、インバータ４０を制御することで電気モータ３０を制御してウインチを操作するのに使用できる、電気駆動機と別体の制御構造４１を更に備える。制御構造４１は、例えば、インバータ４０若しくは他のユニットの一部又はそれらと別体のユニットであってもよい。制御構造４１は、キーボードやディスプレイユニット又は他の別体の端末ユニットといった、制御構造４１と有線又は無線で接続できる好適な入出力（Ｉ／Ｏ）手段を備えてもよい。これにより、例えば、ウインチ構造の操作者又はユーザがこうしたＩ／Ｏ手段を介してウインチを操作することができる。

図１は、例えば、船舶を係留する際に巻取可能媒体１０の端部が固定される、巻取可能媒体１０用の固定点２１０を更に示す。一実施例によれば、ウインチ構造２０、３０、４０及び４１は、船舶内に配置されて船舶の係留に用いることができる。この場合、例えば、巻取可能媒体１０用の固定点２１０は、例えば港や桟橋といった船舶上陸地点の係船柱、又は錨やブイ等、係留点に配置される。この実施例では、図１内の参照符号１００は船舶を示し、参照符号２００は係留点を示す。代替実施例によれば、ウインチ構造２０、３０、４０及び４１は、係留点、すなわち船舶の外側に配置されて船舶の係留に用いることができる。この場合、巻取可能媒体１０用の固定点２１０は船舶内に配置される。この代替実施例では、図１内の参照符号２００は船舶を示し、参照符号１００は係留点を示す。

一実施例によれば、ウインチは以下のように操作できる。巻取可能媒体１０の張力を監視する。巻取可能媒体１０の張力の監視は、ウインチの操作中、実質的に継続して行われてもよい。一実施例によれば、巻取可能媒体１０の張力は、電気モータ３０のトルク又は電気モータ３０のトルクを示す量数を監視することで監視できる。一実施例によれば、電気モータ３０のトルクは、電気モータの電流を監視することで監視できる。巻取可能媒体１０の張力の監視は、巻取可能媒体１０の張力を示す１つ又は複数の他の量数を利用することでも可能である。巻取可能媒体１０の張力の監視は、電気駆動機、つまり例えば電気駆動機の制御ユニット４１や、他の利用可能な別体の装置又はシステムによって行われてもよい。電気モータ３０によって、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達するようにウインチドラム２０を駆動し、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達すると、電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定する。電気モータ３０のトルクは、例えば、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値を有するか、所定の張力設定範囲値内となるように、略一定に維持される。そして、電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定した後、電気モータ３０を、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動する。例えば、電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定した略直後に電気モータ３０を交互の回転方向に駆動し始めてもよいし、電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定することと、電気モータ３０を交互の回転方向に駆動し始めることとの間に所定の遅延時間があってもよい。そして、電気モータ３０の交互の回転方向における駆動は、例えば、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値を有するか、所定の張力設定範囲値内となるまで継続されてもよい。

図２は、時間ｔに亘る電気モータ３０の駆動速度（回転速度、ｒｐｍ）を示した速度図の一例を示す。この例では、電気モータ３０の負の速度符号（−ｒｐｍ）が、巻取可能媒体１０がウインチドラム２０によって巻き外されていることを示し、電気モータ３０の正の速度符号（＋ｒｐｍ）が、巻取可能媒体１０がウインチドラム２０によって巻き取られていることを示す。正負の速度符号は逆に定義されてもよい。まず、上述したように、電気モータ３０によって、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達するようにウインチドラム２０を駆動し、監視している巻取可能媒体１０の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達すると、ウインチドラム２０を駆動する電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定する。これは、図２の例では時間ｔ１に行われる。なお、図２の例では速度は正の速度方向からゼロ速に向かうが、状況に応じて負の速度方向からゼロ速に向かうこともある。そして、電気モータ３０の駆動速度をゼロ速に設定した後、すなわち時間ｔ１において、電気モータ３０を、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動する。図２の例では、正方向の所定の駆動速度値がｓｐｏｓであり、負方向の所定の駆動速度値がｓｎｅｇである。電気モータ３０の速度は、システムの特徴に応じて、正方向又は負方向の所定の駆動速度に徐々に変更される。電気モータ３０の速度の変更速度は、電気駆動機４０を適切に制御することでも調節でき、すなわち、加速及び／又は減速のためのランプ時間が調節可能であってもよい。

一実施例によれば、電気モータ３０の回転方向を変更する所定の周波数は一定周波数である。他の実施例によれば、所定の周波数は可変周波数である。電気モータ３０の回転方向を変更する所定の周波数は直接的に調節可能であってもよい。電気モータ３０の回転方向を変更する所定の周波数は、例えば、正方向及び負方向の所定の駆動速度や、加速及び減速のためのランプ時間を調節することで、非直接的に調節可能であってもよい。一実施例によれば、交互の回転方向におけるそれぞれの所定の駆動速度ｓｐｏｓとｓｎｅｇとは等しい。

電気モータ３０に関する所定の周波数及び所定の駆動速度の選択は、例えば、システムの特徴に応じてもよい。これらは、交互の回転方向に駆動する電気モータ３０の駆動が及ぼす負荷、例えば巻取可能媒体１０への影響が可能な限り小さくなるように選択される。一実施例によれば、所定の周波数及び所定の駆動速度は、電気モータ３０が、電気モータ３０の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置から（正負）いずれかの回転方向に最大一回転分遠ざかるように回転するように選択される。一実施例によれば、所定の周波数及び所定の駆動速度は、電気モータ３０が、電気モータ３０の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置からいずれかの回転方向に最大半回転分遠ざかるように回転するように選択される。システムの特徴によっては、このように電気モータ３０が交互の回転方向に最大一回転又は半回転するように駆動することは、例えば、電気モータ３０と巻取可能媒体１０との間のシステム内で反動又はヒステリシス等が生じうることから、実際の巻取可能媒体の張力において目立つことは基本的にない。

上記の実施例のいずれか１つ又はそれらの組み合わせに係る制御機能を実現する装置は、様々な実施例の機能を実現するように構成された単一のユニット又は２つ以上の個別のユニットとして実現されてもよい。本明細書では、「ユニット」という用語は、概して、物理的装置若しくはその一部又はソフトウェアルーティンといった、物理的要素又は論理的要素を示す。例えば、制御構造４１等これらのユニットの１つ以上が、電気駆動機内又はインバータ４０等電気駆動機の構成要素内に存在してもよい。

制御構造４１等本実施例のいずれか１つに係る装置は、例えば、１つ以上のコンピュータ、又は好適なソフトウェアが設けられた対応するデジタル信号処理（ＤＳＰ）設備によって、少なくとも部分的に実現できる。こうしたコンピュータ又はデジタル信号処理設備は、好適には、演算処理用の記憶領域を提供する作業メモリ（ＲＡＭ）と、汎用デジタル信号処理装置等の中央処理装置（ＣＰＵ）とを少なくとも備える。ＣＰＵは、ひとまとまりのレジスタ、演算論理装置及びＣＰＵ制御装置を備えてもよい。ＣＰＵ制御装置は、ＲＡＭからＣＰＵに転送されるプログラム命令シーケンスによって制御される。ＣＰＵ制御装置は、基本動作のための多数のマイクロ命令を含んでもよい。マイクロ命令の実行は、ＣＰＵの設計に応じて変更されてもよい。プログラム命令は、ＣやＪａｖａ（登録商標）等の高水準プログラミング言語又は機械語等の低水準プログラミング言語といったプログラミング言語やアセンブラによってコーディングされてもよい。コンピュータは、プログラム命令によって書き込まれたコンピュータプログラムにシステムサービスを提供できるオペレーティングシステムも有してもよい。本発明を実現するコンピュータ若しくは他の装置又はその一部は、例えば測定データ及び／又は制御データを受信する好適な入力手段と、例えば制御データを出力する好適な出力手段とを更に備えてもよい。また、本実施例のいずれか１つに係る機能を実現するために、１つ又は複数の特定の集積回路や個別の電気部品及び装置を使用することも可能である。

本実施例のいずれか１つ又はそれらの組み合わせに係る本発明は、電気駆動機若しくはインバータや周波数変換器等の電気駆動機の構成要素といった既存のシステム要素内又は同様の装置内に実現されてもよいし、個別の専用の要素又は装置を集中的又は分散的に使用することで実現されてもよい。インバータや周波数変換器等の電気駆動機用の既存の装置は、通常、本発明の実施例に係る機能において利用できるプロセッサとメモリとを備える。このため、例えば既存の装置における、本発明の実施例を実現するのに必要な全ての変形例及び構造は、追加又は更新されたソフトウェアルーティンとして実現できるソフトウェアルーティンとして実行されてもよい。本発明の機能がソフトウェアによって実現される場合、こうしたソフトウェアは、コンピュータ上で実行される際にコンピュータ又は対応する構造によって上記の本発明に係る機能を実行させるコンピュータプログラムコードを備えた、コンピュータプログラム製品として提供されてもよい。こうしたコンピュータプログラムコードは、例えばフラッシュメモリやディスクメモリといった、プログラムコードを実行する１つ又は複数のユニットにロード可能な好適なメモリであるコンピュータ読取可能媒体に格納されるか、通常実現できる。更に、本発明を実現するこうしたコンピュータプログラムコードは、例えば、好適なデータネットワークを介してコンピュータプログラムコードを実行する１つ又は複数のユニットにロードされてもよく、存在しうるプログラムコードと交代したりそれを更新したりしてもよい。

当業者にとっては、本発明の基本的な発想を、技術の進歩に伴い様々な方法で実現できることが明らかであろう。このため、本発明及びその実施例は上記の例に限られるものではなく、請求項の範囲内で変更することが可能である。

Claims (15)

1. 船舶を係留するための巻取可能媒体（１０）を巻き取るための、回転可能なウインチドラム（２０）と、前記ウインチドラムを回転させるように前記ウインチドラムに対して動作可能に連結した電気モータ（３０）とを備えたウインチを操作する方法であって、
   船舶と係留点との間の前記巻取可能媒体（１０）の張力を監視することと、
   前記電気モータ（３０）を駆動することで、監視している前記巻取可能媒体（１０）の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達するように前記ウインチドラム（２０）を駆動し、監視している前記巻取可能媒体（１０）の張力が前記所定の張力設定値又は範囲値に到達すると、前記電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定することと、
   前記電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定した後、前記電気モータ（３０）を、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動することとを含む方法。
2. 前記所定の周波数が一定周波数又は可変周波数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記交互の回転方向におけるそれぞれの前記所定の駆動速度が等しい、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記所定の周波数及び前記所定の駆動速度が、前記電気モータ（３０）が、前記電気モータ（３０）の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置からいずれかの回転方向に最大一回転分遠ざかるように回転するように選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記所定の周波数及び前記所定の駆動速度が、前記電気モータ（３０）が、前記電気モータ（３０）の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置からいずれかの回転方向に最大半回転分遠ざかるように回転するように選択される、請求項４に記載の方法。
6. コンピュータプログラムコードを備え、前記プログラムコードをコンピュータで実行することによって、前記コンピュータに請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を実行させる、コンピュータプログラム製品
7. 巻取可能媒体（１０）を巻き取るための、回転可能なウインチドラム（２０）と、前記ウインチドラムを回転させるように前記ウインチドラムに対して動作可能に連結した電気モータ（３０）とを備えたウインチを駆動するための電気駆動機（４０，４１）であって、
   前記巻取可能媒体（１０）の張力を監視し、
   前記電気モータ（３０）を駆動することで、監視している前記巻取可能媒体（１０）の張力が所定の張力設定値又は範囲値に到達するように前記ウインチドラム（２０）を駆動し、監視している前記巻取可能媒体（１０）の張力が前記所定の張力設定値又は範囲値に到達すると、前記電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定し、
   前記電気モータ（３０）の駆動速度をゼロ速に設定した後、前記電気モータ（３０）を、所定の周波数で回転方向を変更するように、所定の駆動速度で交互の回転方向に駆動するように構成される電気駆動機。
8. 前記所定の周波数が一定周波数又は可変周波数である、請求項７に記載の電気駆動機。
9. 交互の回転方向におけるそれぞれの前記所定の駆動速度が等しい、請求項７又は８に記載の電気駆動機。
10. 前記所定の周波数及び前記所定の駆動速度が、前記電気モータ（３０）が、前記電気モータ（３０）の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置からいずれかの回転方向に最大一回転分遠ざかるように回転するように選択される、請求項７〜９のいずれか一項に記載の電気駆動機。
11. 前記所定の周波数及び前記所定の駆動速度が、前記電気モータ（３０）が、前記電気モータ（３０）の駆動速度がゼロ速に設定された時点の位置からいずれかの回転方向に最大半回転分遠ざかるように回転するように選択される、請求項１０に記載の電気駆動機。
12. 前記電気駆動機（４０，４１）が、前記電気モータ（３０）のトルク又は前記電気モータ（３０）のトルクを示す量数を監視することで、船舶と係留点との間の前記巻取可能媒体（１０）の張力を監視するように構成される、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の電気駆動機。
13. インバータ（４０）を備える、請求項１２に記載の電気駆動機。
14. 巻取可能媒体（１０）を巻き取るための、回転可能なウインチドラム（２０）と、
    前記ウインチドラム（２０）を回転させるように前記ウインチドラムに対して動作可能に連結した電気モータ（３０）と、
    前記電気モータに対して動作可能に連結した、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の電気駆動機（４０，４１）とを備えるウインチ構造。
15. 前記電気モータ（３０）が永久磁石同期モータ又は同期リラクタンスモータである、請求項１４に記載のウインチ構造。