JP2023526906A - リンクを巻き取る／巻き出すための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体の輸送またはエネルギーおよび／もしくは信号の伝達に適合したリンクを巻き取る／巻き出すための装置であって、巻かれた形態で上記リンクを受け入れるように適合されたリール（２）と、回転ジョイントとリールとの間の上記リンクまたは流体の通過に適合した中空の貫通シャフト（３）であって、上記シャフトの長手方向軸（Ｘ）を中心として上記リールを回転駆動するためにリール（２）と一体化されている、中空の貫通シャフト（３）と、電気的に三相給電されるように適合された巻線（１０）を担持する固定子と、固定子の巻線（１０）に面する永久磁石（１１）を担持する回転子とを備える、少なくとも１つの永久磁石同期直接駆動モータとを備える装置。

Description

本発明は、流体の輸送またはエネルギーおよび／もしくは信号の伝達に適合したリンクを巻き取る／巻き出すための装置に関する。

第１の要素と、第１の要素に対して移動可能な第２の要素との間の回転接続を介してエネルギーおよび／または信号（例えば、電流、光信号、機械的張力、流体など）を伝達する必要がある産業用途は多く存在する。例えば、第１の要素は、地面に固定されたキャビネット、ロボットのフレームなどであり得、第２の要素は、地面上のキャリッジまたは走行ガントリ、ロボットのアームなどであり得る。

前述のエネルギーおよび／または信号は、電気ケーブル、光ファイバまたは光ファイバの束、機械ケーブル、油圧または空気圧導管、または本明細書では概して「リンク」と表記されると呼ばれる任意の他の適切な手段を介して伝達される。

第１の要素に対する第２の要素の変位中にリンクが無秩序に展開されるのを防止するために、第１の要素または第２の要素に取り付けられ、第１の要素に対する第２の要素の変位と同期して上記リンクを巻き戻すまたは巻き取るようにリールを回転駆動するように適合された駆動ユニットを備えるワインダのリールにリンクを配置することが知られている。このような巻取り装置は、例えば、欧州特許第３００８００５号明細書に記載されている。

ワインダは、それが使用される用途に可能な限り合わせたものでなければならず、用途は非常に多様である。リンク、設備の高さ、第１の要素に対する第２の要素の変位の速度および加速度に応じて、駆動ユニットのサイズを適合させなければならない。

ワインダの特殊性は、リールの回転速度が低くても、かなりのトルクを供給する必要があることである。

これらの技術的制約に対応するように意図された異なるタイプの駆動ユニットがある。

第１のタイプの駆動ユニットは、例えば仏国特許発明第２１０２６００号明細書、仏国特許発明第２６０７３３３号明細書、および仏国特許発明第２８９９３９９号明細書に記載されているような、磁気カプラとモータとの関連付けを含む。この概念は、用途に応じてトルクを調整するためにいくつかのモータカプラセットを同じギアボックスに取り付けることができるという点で、同一のモータおよびカプラからの特定のモジュール性を認めるものである。

第２のタイプの駆動ユニットは、可変周波数モータと電子制御ユニットとの関連付けを含む。このタイプの駆動ユニットは、用途に必要な電力を有するモータが選択されなければならないという点で、第１のタイプのモジュール性から利益を得ない。別のタイプの駆動ユニットは、例えば欧州特許第３０７２２２０号明細書に記載されているような軸方向磁束モータである。

本発明の目的は、低速で高トルクを得ることができる、ワインダのための新しいタイプの駆動装置を設計することである。

この趣旨で、本発明は、流体の輸送またはエネルギーおよび／もしくは信号の伝達に適合したリンクを巻き取る／巻き出すための装置であって：
－ 巻かれた形態で上記リンクを受け入れるように適合されたリールと、
－ 回転ジョイントとリールとの間の上記リンクまたは流体の通過に適合した中空の貫通シャフトであって、上記シャフトの長手方向軸を中心として上記リールを回転駆動するためにリールと一体化されている、中空の貫通シャフトと、
－ 電気的に三相給電されるように適合された巻線を担持する固定子と、固定子の巻線に面する永久磁石を担持する回転子とを備える、少なくとも１つの永久磁石同期直接駆動モータと
を備える装置を提案する。

いくつかの実施形態では、上記少なくとも１つのモータ少なくとも１つの回転子は、リールの中央ディスクによって形成される。

他の実施形態では、上記少なくとも１つの同期モータの少なくとも１つの回転子は、シャフトと堅固に一体化されている。いくつかの実施形態では、永久磁石は、それぞれが上記回転子の一方の側に北面を有し、同じ回転子の反対側に南面を有するように、上記少なくとも１つの回転子を貫通して配置される。

いくつかの実施形態では、各永久磁石は、台形の形状を有し、各永久磁石の高さは、長手方向軸に対して半径方向に延在する。特に有利には、磁石は、クラウンを形成するために並置される。

いくつかの実施形態では、磁石のクラウンの半径方向の延在は、巻線の高さに実質的に等しい。

好ましい実施形態では、モータは、軸方向磁束を有する。

装置は、固定子の巻線の供給電流を変化させるように適合された電子速度バリエータをさらに含むことができる。装置は、有利には、リールとは反対側の中空シャフトの端部に結合された回転ジョイントと、特にワインダの位置および動作段階にしたがって各モータを制御するために電子速度バリエータに結合または一体化された処理ユニットを備える制御／コマンドシステムとをさらに備える。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明に記載されるものとする。
本発明の一実施形態による巻取り／巻出し装置の全体図である。 図１の巻取り／巻出し装置の断面図である。 モータの第１の実施形態による、モータの部分断面を有する図１の巻取り／巻出し装置の斜視図である。 モータの第２の実施形態を有する、図３と同様の図である。 モータの第３の実施形態を有する、図３および図４と同様の図である。 本発明の別の実施形態による巻取り／巻出し装置の断面図である。 固定子の部分断面図を有する、本発明の別の実施形態による巻取り／巻出し装置の斜視図である。 ２つの並置されたモータを有する、図７と同様の図である。 ３つの並置されたモータを有する、図７および図８と同様の図である。 ４つの並置されたモータを有する、図７～図９と同様の図である。

ワインダの説明に必要な要素のみが示されている。図面間で同一の参照符号は、同一の要素または同じ機能を果たす要素を示すものであり、したがって、必ずしも再度詳細に説明されない。

図１は、本発明の一実施形態による、リンクを巻き取る／巻き出すための装置の全体図である。

リンクは、電気ケーブル、光ファイバもしくは光ファイバの束、機械ケーブル、油圧または空気圧の導管、またはエネルギーおよび／もしくは信号を伝達するための任意の他の適切な手段であり得る。

図面を見やすくするために、回転ジョイント、制御／コマンド装置、およびリンクによって接続される要素は示されていない。

これらの要素の１つは、特に、しかし非限定的に、地面に固定されたキャビネットまたはロボットのフレームであり得る。

これらの要素の他方は、特に、しかし非限定的に、地上のキャリッジもしくは走行ガントリ、またはロボットのアームであり得る。

巻取り／巻出し装置（本明細書の残りの部分では「ワインダ」とも呼ばれる）は、要素の１つと堅固に一体化されるように適合された支持体を備える。

ワインダはまた、巻かれた形態でリンクを受け入れるように適合されたリール２を備える。

リールは、以下を備える：
－ リールの回転軸に沿って延在するマンドレル２０、および
－ マンドレル２０の両側に固定された、上記リンクのターンを横方向に収容するように適合された、リンクの巻線量を定義する２組の横方向アーム２１ａ、２１ｂ。アームの各組はフランジを形成する。

代替的に（図示せず）、リールのフランジは中実であってもよく、各組のアームは、同等の直径のディスクで置き換えられる。

リールの構造は、マンドレルまたはフランジの一体部分であり得るフェルール、すなわち以下、によって剛性化される：
－ マンドレルから第１の距離に位置する内部フェルール２２、および
－ 一対の外部フェルール２３ａ、２３ｂ、ここで、各フェルールは、第１の距離よりも大きい、マンドレルからの第２の距離で、それぞれのフランジの少なくとも１つのアームに固定される。

リールは、リンクのターンを受け入れるように適合された軸受面を備え、内部のターンは、上記軸受面と接触状態にある。上記軸受面は、特に、マンドレルまたは内部フェルールの一部であり得る。

フランジ間の空間、すなわち２つのフランジ間の距離は、リールに巻き取られるリンクの幅にしたがって定義される。リンクの正確な巻取り／巻出しを可能にするために、特にシングルターンリールの場合、フランジ間の空間は、フランジ間の距離がアームの近位端および遠位端で巻き取られるリンクに適合するように調整される。リールの容量を定義するフランジ間の空間およびアームの長さは、リールに巻き取られやすいリンクの最大長さにしたがって選択される。用途に応じて、リールの外径は典型的には約３～８ｍであり得る。

リール２は、軸受３０を介して支持体に対して回転移動可能に取り付けられたシャフト３の端部と堅固に一体化されている。

図２でより良く分かるように、シャフト３は、リール２と、リールとは反対側のシャフトの側部に位置する回転ジョイント（図示せず）との間のリンクの通過を可能にするように、中空である。したがって、リンクは、ワインダを取り囲む要素に対して保護され、それらによって損傷を受ける危険はない。

リンクが流体を輸送する場合、中空シャフト自体が流体用の導管となることができ、リンクとの結合部（union）はシャフトの端部に設けられる。

リールとは反対側の中空シャフトの端部は、中空シャフト３と同軸の回転ジョイント（図示せず）の中空シャフトに結合される。

シャフトおよびリールは、少なくとも１つの永久磁石同期直接駆動モータによって、シャフト３の長手方向軸Ｘを中心として回転駆動される。このタイプのモータは、「直接駆動モータ」とも呼ばれる。

上記少なくとも１つのモータは、支持体と堅固に一体化された固定子１を備える。図では、固定子１は支持体と一体に形成されているが、支持体に堅固に接続された別個の部品から形成することもできる。

好ましい実施形態によれば、固定子１は、巻線を通過する電流の方向にしたがって極性が交互に変わる軸Ｘに沿った磁場を作り出すために、軸Ｘを中心として配置された三相電力を有する複数の巻線１０を支持する。より正確には、固定子１は、半径方向のノッチによって互いに分離された複数の配向された電気シート１００を備え、各巻線は、上記ノッチ内に滑り込ませた導電性ワイヤの一組のターン１０１から構成される。

モータはまた、固定子１に対して回転移動可能な回転子を備える。回転子は、複数の永久磁石１１を支持する。

巻線１０のターンは、回転子の永久磁石１１に面する軸方向の磁場を作り出すように、実質的に半径方向に配置される。

いくつかの実施形態では、図２～図５を参照すると、回転子は、永久磁石が固定されたリールと一体のディスク２４によって構成される。有利には、上記ディスクは、マンドレル２０と一致することができる。

磁石によって覆われる表面を最適化するために、磁石は、有利には、軸Ｘに対して半径方向に配向された高さを有する実質的に台形の形状を有し、最も狭い底部（base）は、最も広い底部よりも軸Ｘの近くに配置される。磁石の底部は、直線であっても湾曲していてもよい。したがって、永久磁石は、巻線に面して、軸Ｘと同軸のクラウンを形成するために並置され得る。したがって、図３～図５に示すように、固定子１は、異なる高さの巻線１０を含み、回転子は、磁石の高さに対応する幅が好ましくは巻線の高さ（巻線の高さは、軸Ｘに対して半径方向に測定される）以下であるクラウンにしたがって配置された台形の永久磁石１１を含む。

他の実施形態では、図６～図１０を参照すると、回転子４１、４２は、永久磁石１１がその面上に固定されたディスクを備え、上記ディスクは、リール２の一部ではなく、中空シャフト３と堅固に一体化されている。特に、回転子は、中空シャフトと一体に形成されるか、または、例えば、溝、ピン、または他の任意の固定手段によって、中空シャフトに堅固に締結することができる。固定子１は、固定子１に対する回転子４１，４２および中空シャフトの回転を可能にする軸受３０を介して、回転子４１，４２および中空シャフト３の周りに配置されている。固定子１は、永久磁石を担持する回転子の面に面する表面を備え、上記表面は、軸Ｘを中心として配置された三相電力を有する複数の巻線１０１～１０４を支持して、巻線を通過する電流の方向にしたがって極性が交互に変わる軸Ｘに沿った磁場を作り出す。

より正確には、固定子１は、半径方向のノッチによって互いに分離された複数の電気鋼板を備え、各巻線１０１～１０４は、上記ノッチに滑り込ませた導電性ワイヤの一組のターンから構成される。

特に有利には、この回転子と固定子の配置により、軸Ｘに沿っていくつかのモータを並置することができ、各モータは、永久磁石を担持する回転子の面と、巻線に面し、巻線を支持する固定子の面とを関連付ける。したがって、各回転子は、２つの隣接するモータに共通であり得、第１の面は、第１のモータに属する永久磁石を担持し、第２の面は、第１の面とは反対側にあり、同様に、第２のモータに属する永久磁石を担持する。この原理によれば、固定子のそれぞれの面と組み合わされてそれぞれが２つの追加のモータに寄与する他の回転子を追加することができる。

したがって、図６は、２つの面上に永久磁石１１１～１１４を支持する２つの回転子４１、４２を備える４つのモータ５１～５４を有する実施形態を示し、回転子の各面は、巻線１０１～１０４を含む固定子のそれぞれの面に面する。

図６のアーキテクチャは、永久磁石が設けられた回転子４１、４２の面および巻線が設けられたそれぞれの固定子面の数に応じて、モータの数を１～４の間で変更することを可能にする。当然ながら、回転子４１、４２と同軸の１つまたは複数の追加の回転子と、それぞれの追加の固定子面とを設けることによって、追加のモータを追加することができる。

図７は、回転子４１が、巻線１０１を含む固定子１の表面に面する面上に磁石１１１を備えて、モータ５１を形成している実施形態を示す。回転子４１は、シャフト３と堅固に一体化され、リールと同軸である。

図８は、回転子４１が、巻線１０1を含む固定子１の表面に面する面に磁石１１１を備えて、モータ５１を形成し、巻線１０２を含む固定子１の第２の表面に面する回転子４１の反対側の面に磁石１１２を備えて、第２のモータ５２を形成している実施形態を示す。

磁石は、例えば、回転子４１の表面に接着することができる。

代替的に、単一の組の磁石を２つの隣接するモータに使用することができる。この場合、磁石は、磁石が回転子４１の第１の側に北面を有し、同じ回転子４１の他方の側に南面を有するように、かつ、隣接する磁石が回転子４１の第１の側に南面を有し、回転子４１の他方の側に北面を有するように、回転子４１内に配置される。言い換えれば、北面と南面は、回転子４１の両側で交互になっている。

したがって、回転子４１によって形成される第１のモータは、交互に北面と南面とを有する磁石をクラウン上に備える。同じ回転子４１の反対側の面には、反対の極性を有する磁石のクラウンがある。回転子の両側に位置する固定子の巻線を磁石のピッチだけオフセットすることによって、片側で使用される磁石のクラウンに対して倍のトルクを発生させる。

したがって、各磁石は、第１のモータ５１によって使用される面を有し、その反対側の面は、第２のモータ５２によって使用される。例えば、回転子４１は、磁石の形態の留保部（reservation）を有する金属板から作製することができ、磁石１１１～１１４は、回転子４１を貫通するように配置される。

図７および図８の実施形態では、回転子４２は、モータを形成するために使用されず、したがって永久磁石を担持しない。装置のコンパクト性を高めるために、この回転子４２を抑制することは当然可能である。

図９は、モータ５１および５２に加えて、第２の回転子４２が、巻線１０３を含む固定子１の表面に面する面上に磁石１１３を備えて、第３のモータ５３を形成している実施形態を示す。

図１０は、モータ５１および５２に加えて、第２の回転子４２が、巻線１０３を含む固定子１の第３の表面に面する面上に磁石１１３を備えて、第３のモータ５３を形成し、巻線１０４を含む固定子１の第４の表面に面するその反対側の面上の磁石１１４を備えて、第４のモータ５４を形成している実施形態を示す。

代替的に、モータ５３および５４は、回転子の各側で隣接する磁石の北面と南面とを交互にすることによって、それぞれが回転子４２の一方の側に北面を有し、同じ回転子４２の他方の側に南面を有するように、回転子４２を通して配置された同じ組の磁石によって形成することができる。

回転子の数は、純粋に例示を目的としたものであり、限定するものではなく、当業者であれば、巻取り装置のパラメータおよび必要なトルクに応じてどのように適合させるかが分かるであろう。

永久磁石１１１～１１４を担持する１つまたは複数の回転子４１～４２を備える実施形態では、永久磁石１１１～１１４は、有利には、軸Ｘに対して半径方向に配向された高さを有する実質的に台形の形状を有し、最も狭い底部は、最も広い底部よりも軸Ｘの近くに配置される。磁石の底部は、直線であっても湾曲していてもよい。したがって、永久磁石は、巻線に面して、軸Ｘと同軸のクラウンを形成するように並置され得る。

各モータは、固定子１の巻線の電圧、周波数、および供給電流を変化させるように適合された電子速度バリエータ（図示せず）によって制御される。上記巻線は、供給周波数に比例する速度で回転する磁場を作り出し、永久磁石が磁場を作り出す１つまたは複数の回転子の回転を発生させる。有利なことに、巻線に供給する電流は、磁場を変化させ、したがってモータによって発生したトルクを適合させるように制御することができる。

電子速度バリエータは、ワインダの制御／コマンドシステムの一部であり、これは、特にワインダの位置および動作段階にしたがってモータを制御するためのバリエータに結合または一体化された処理ユニットをさらに備える。

上記制御／コマンドシステムは、モータの巻線を通って流れる電流を測定するように適合されたセンサをさらに備える。

処理ユニットは、特にセンサによって供給される入力データを考慮して計算アルゴリズムを実施するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、アルゴリズムの実行に必要なパラメータが記録されるメモリとを備える。

いくつかの実施形態では、処理ユニットは、バリエータに直接統合され、他の実施形態では、処理ユニットは、バリエータの外部のプログラマブルロジックコントローラ（例えば、ワインダが接続される機械のもの）に統合される。

処理ユニットおよびバリエータは、ワインダの近傍に位置するキャビネットの内部に配置され得る。

このような直接駆動モータまたは一組の直接駆動モータの利点は、ギアボックスなどの任意の伝達要素の使用を回避することを可能にし、したがって、このようなギアボックスによって発生するすべての問題、特にギアボックスの任意の故障および動作クリアランス、ならびにその降伏（yield）によって引き起こされる損失などを克服することである。

さらに、このようなモータでは、回転子と固定子１とが接触しない。したがって、機械的な摩耗がなく、優れた信頼性および長い耐用年数をもたらす。

他方では、そのようなモータまたは一組のモータは、現在の非同期モータ技術よりも実質的な（substantial）短い持続時間のトルクを発生させることを可能にし、これは、（モータの一定の電力の場合）緊急時にワインダの制動持続時間を短縮すること、またはワインダの供給点の上方をより迅速に通過することを可能にするために重要であり、このためには、一般的な使用で発生するトルクと比較して、短期間（典型的には５秒未満）にわたって強いオーバートルクが必要である。

さらに、本発明によるワインダは、リールのサイズを大きくすることで、永久磁石を多数配置し、および、上記磁石を軸Ｘからかなりの距離に配置することができ、所望のトルクを発生させることができる。

例えば、典型的に、磁石を配置するために、約１．５ｍの直径が利用可能である。リールの回転速度は、典型的には約３０ｒｐｍであるが、より一般的には、実質的に０～１００ｒｐｍの速度であってもよい。モータによって発生するトルクは、８０００Ｎｍに達することができる。

図３～図１０で分かるように、本発明によるワインダアーキテクチャは、巻線のサイズおよび／または数に関してならびに永久磁石のサイズに関して、特定のモジュール性に適している。

したがって、図３の実施形態では、固定子１は、高さｈ１を有する巻線１０を含み、半径方向の巻線の上部は、軸Ｘから距離ｄであり、磁石１１の高さは、巻線の全厚に実質的に等しく、磁石は、巻線に面して配置される。

図４の実施形態では、固定子１は、ｈ１よりも小さい高さｈ２を有する巻線１０を含む。好ましくは、半径方向における巻線の上部は、図３の巻線と同じく軸Ｘから距離ｄであり、磁石１１の広い底部は、生成されるトルクを最大にするために、軸Ｘから、図３の回転子の磁石と同じ距離に位置する。

図５の実施形態では、固定子１は、ｈ２よりも小さい高さｈ３を有する巻線１０を含む。好ましくは、半径方向における巻線の上部は、図３および図４の巻線と同じく軸Ｘから距離ｄであり、磁石１１の幅広の底部は、発生するトルクを最大にするために、軸Ｘから、図３および図４の回転子の磁石と同じ距離に位置する。

利用可能な空間、特にリールの寸法にしたがって、軸Ｘに対する磁石および巻線の位置を調整することが可能である。

任意選択で、高さの合計が磁石の全高を形成するように、半径方向に並置された２つ以上の台形部分の形態で各磁石を形成することによって、特定のモジュール性を得ることが可能である。

用途に応じて、台形部分のアセンブリを使用することによって最大高さの磁石を形成すること、または台形部分の一部のみを使用し、それらをクラウンに配置することによって最小高さまたは中間高さの磁石を形成することが可能である。

当然のことながら、図示の実施形態は、例示の目的でのみ与えられており、当業者であれば、巻線に任意の他のターンを使用することができ、その結果、用途およびトルクおよび所要の速度にしたがって、磁石のサイズおよび数を定めることができる。当業者は、さらに、図６～図１０に示されるような、１つまたは複数の回転子４１、４２がシャフト３と一体である実施形態と同様に、巻線１０１～１０４のためのターンを適合させ、磁石１１１～１１４のサイズおよび数を定めることができる。さらに、そのような実施形態では、巻線１０１～１０４のためのターンのサイズおよび数ならびに磁石１１１～１１４の数は、回転子および固定子１の表面によって形成されるいくつかのモータ５１～５４について、異なっていても同一であってもよい。

さらに、軸方向磁束モータを参照して説明したが、モータは、代替形態によれば、半径方向磁束モータであってもよい。この実施形態では、回転子は、永久磁石を担持するマンドレル２０と一体のドラムを備え、固定子１は、磁場を半径方向に配向する三相電力を有する巻線を担持する。磁石は、巻線の内側または外側に配置することができる。

Claims (10)

1. 流体の輸送またはエネルギーおよび／もしくは信号の伝達に適合したリンクを巻き取る／巻き出すための装置であって、
   － 巻かれた形態で前記リンクを受け入れるように適合されたリールと、
   － 回転ジョイントと前記リールとの間の前記リンクまたは流体の通過に適合した中空の貫通シャフトであって、前記シャフトの長手方向軸を中心として前記リールを回転駆動するために前記リールと一体化されている、中空の貫通シャフトと、
   － 電気的に三相給電されるように適合された巻線を担持する固定子と、前記固定子の前記巻線に面する前記永久磁石を担持する回転子とを備える、少なくとも１つの永久磁石同期直接駆動モータと
   を備える装置。
2. 前記少なくとも１つの同期モータの少なくとも１つの回転子は、前記リールの中央ディスクによって形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの同期モータの少なくとも１つの回転子は、前記シャフトと堅固に一体化されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記永久磁石は、それぞれが前記回転子の一方の側に北面を有し、同じ回転子の反対側に南面を有するように、前記少なくとも１つの回転子を貫通して配置される、請求項３に記載の装置。
5. 各永久磁石は、台形の形状を有し、各永久磁石の高さは、前記長手方向軸に対して半径方向に延在する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記磁石は、クラウンを形成するために並置される、請求項５に記載の装置。
7. 前記磁石のクラウンの前記半径方向の延在は、前記巻線の高さに実質的に等しい、請求項６に記載の装置。
8. 前記モータは、軸方向磁束モータである、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記固定子の前記巻線の前記供給電流を変化させるように適合された電子速度バリエータをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記リールとは反対側の前記中空シャフトの端部に結合された回転ジョイントと、特に前記ワインダの位置および前記動作段階にしたがって各モータを制御するために前記電子速度バリエータに結合または一体化された処理ユニットを備える制御／コマンドシステムとをさらに備える、請求項９に記載の装置。

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