JP3977657B2 - チューブエキスパンダ用電動モータのコントローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブエキスパンダ用電動モータのコントローラに関する。より詳細には、本発明は、熱交換機やボイラ等のチューブシートに挿入されたチューブの拡管加工作業に用いられるチューブエキスパンダ用の電動モータにおいて、その電動モータを制御するためのコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
チューブエキスパンダは、熱交換器やボイラ等のチューブシートに挿入されたチューブの拡管加工作業に用いられる。例えば、特開平１１−５１２８５号公報に記載されるように、チューブエキスパンダは、マンドレルのテーパ面を公転するローラを備えている。前進するマンドレルのテーパ面をローラが公転することで、ローラの外接円が拡大する。チューブは、内周を転動するローラによって徐々に拡管する。チューブエキスパンダは駆動装置であるモータに接続される。このモータは、自動電圧調整器及びコントローラで制御される。
【０００３】
図５は、従来のチューブエキスパンダの使用例を示している。自動電圧調整器５０は電源から電力の供給を受け、コントローラ５２に一定電圧の電力を供給する。コントローラ５２は、自動電圧調整器から一定電圧の電力の供給を受け、電動モータ５４に設定値の電流を供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の自動電圧調整器及びコントローラでチューブエキスパンダ用電動モータを制御すると、以下の問題が生じる。
（１）従来の自動電圧調整器は、巻き線抵抗を利用したサーボモータの電圧調整方式であるため、急激な供給電圧変化に対して瞬時に対応できない。このため、一定電圧をコントローラに供給できず、拡管寸法制御の精度に悪影響を及ぼしていた。
（２）コントローラは、物理的な設定スイッチによって電流値を設定しているので、その電流値の検出応答が遅く、検出精度のバラツキの要因となる。チューブエキスパンダを電動モータにより駆動する場合、従来のコントローラでは十分な管径精度を得ることができない。
（３）また、モータの回転速度を電流値の設定で変更するので、変速設定を行うことができない。そのため、種々チューブ寸法や材質に適合した拡管条件に柔軟に対応することが困難であり、拡管精度に問題を生じていた。
ここで、拡管精度とはチューブの肉厚減少率または内径増加率により求められる拡管の度合いの精度のことである。チューブ寸法（外径、肉厚）、チューブ材質、管板穴径ごとに拡管条件の適正範囲が異なり、拡管精度に影響を及ぼす。
（４）コントローラは電源電圧に応じた専用の自動電圧調整器を必要とする。そのため、供給電源が異なると、専用の自動電圧調整器を準備した上で、その自動電圧調整器をコントローラに接続しなければならない。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決し、管径精度の良好なコントローラを提供することにある。
本発明の他の目的は、省スペースでチューブ拡管作業を行うことができるコントローラを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、効率よく高精度なチューブ拡管作業を行うことができるコントローラを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、チューブ外周面をチューブシートに接触させてチューブを拡管するチューブエキスパンダを駆動する電動モータのコントローラにおいて、ケース内に電圧制御部及び電流制御部を備え、前記電圧制御部は、供給電源の電圧を検知する電圧検出部と供給電源の電圧を所定の電圧に変圧するトランスと電圧検出部によって検知された電圧に基づき電動モータへの供給電圧を設定する電圧設定スイッチとを有し、前記電流制御部は、前記電圧制御部の電圧設定スイッチによってチューブ外周面がチューブシートに接触しているか否かに応じて段階的に設定された一定の電圧状態で電動モータの回転速度を制御することを特徴とするチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラにより前記課題を解決する。
【０００７】
本発明は、従来では別体であった電圧制御部をケースに内蔵することで、省スペースを図りながら、拡管作業中においても片手でコントローラを操作ができるように構成されている。その上で、入力電圧を一定にすること、及び、出力電圧を段階的に設定することにより、電動モータの回転速度の制御を行う。
【０００８】
電動モータの回転速度は、一定の設定電圧状態で電流を調整することで、拡管作業の適正化を図ることができる。すなわち、チューブの拡管作業では、チューブ外周面がチューブシート（管板穴の内周面）に接触するまでエキスパンダを高速回転することで、作業の効率化を図ることができ、チューブシートに接触した後は、低速回転することで、チューブおよびチューブシートのスプリングバック量が安定し管径精度の向上が見込まれる。また、作業完了後にエキスパンダを外す際にも、エキスパンダを高速回転することで、作業の効率化を図ることができる。
【０００９】
このように、電動モータの回転速度を電圧によって制御するのではなく、まず、電圧を一定に保った状態で電流によって制御するので、供給される入力電圧の変化によって電動モータの回転速度が影響を受けることが極めて少ない。チューブエキスパンダの拡管作業用に、微妙な回転速度の変化が管径に大きく影響を与える用途では、供給される入力電圧の変化が電動モータの回転速度に影響を与えないようにすることが重要であり、本発明では、上記構成により、チューブの拡管精度の向上を図っている。
【００１０】
コントローラの電流制御部は、前記電圧制御部で設定された一定の電圧状態で電動モータの回転速度を制御する。電流を制御すること、具体的には、出力電流をフィードバックして、一定電圧状態で電流を制御することにより、均一なトルクで電動モータを駆動し、管径を緩徐に大きくすることができる。特に、薄肉のチューブを拡管する際、管径にばらつきが出やすい。また、急激に拡管するとスプリングバックによって、管径にばらつきが出やすい。したがって、電圧を設定した状態で、電流を制御し、電動モータの回転速度を一定に保つことにより、拡管精度を向上させることができる。
【００１１】
電流制御部が、電動モータの回転速度を段階的に制御することが好ましい。上述のように、拡管作業ではチューブエキスパンダに負荷が作用しない作業も含まれる。すなわち、チューブ外周面がチューブシートに接触する前、エキスパンダを管から外す際では、電動モータを高速回転させて作業の効率化を図ることが望まれる。例えば、チューブ外周面がチューブシートに接触する前において、電動モータを高速回転させ、電流センサによってチューブ外周面がチューブシートに接触したことを検知させ、その後、電流値を緩徐に上昇させることで、効率的に拡管作業を行うことができる。
【００１２】
コントローラが、出力電流を検知する電流センサを備え、出力電流が閾値を越えたとき、電流制御部が電流を遮断することが好ましい。
拡管作業中、チューブ外周面がチューブシートに接触すると、本発明のコントローラは均一な回転速度を維持するために電流制御部が電流値を大きくする。そのまま拡管作業を継続すると、過電流が生じて電動モータを損傷する恐れがある。本発明では、電流により電動モータの回転速度を制御するため出力電流が閾値の越えた際には、これを遮断することが望まれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラの一実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、チューブエキスパンダの一実施形態を示している。チューブエキスパンダ１０は、フレーム１２内に回転自在に支持されたマンドレル１４を備えている。また、チューブエキスパンダ１０は、マンドレル１４のテーパ部１６を公転する複数のローラ１８を備えている。マンドレル１４が回転すると、ローラ１８は自転しながら、マンドレル１４のテーパ部１６上を公転する。さらに、マンドレル１４が前進すると、複数のローラ１８の外接円が拡大する。
チューブエキスパンダ用電動モータはチューブエキスパンダ１０の後端においてマンドレル１４に接続される。電動モータがマンドレル１４を回転駆動することで、ローラ１８は自転及び公転しながら外接円を拡大させる。
【００１５】
チューブの拡管精度は、ローラ１８の外接円の増分と密接な関係にある。すなわち、ローラ１８の外接円の増分を小さくし及び均一にすることにより、拡管精度が向上する。ローラ１８の外接円の増分を小さくするには、マンドレル１４の回転数を小さくすることが好ましく、ローラ１８の外接円の増分を均一にするには、マンドレル１４の回転速度を一定にすることが好ましい。
その一方で、拡管作業では、チューブに負荷が作用しない工程も存在する。チューブエキスパンダをチューブに挿入した後、ローラがチューブに接するまでの工程では、チューブに作用する負荷は小さい。また、チューブエキスパンダをチューブから外す工程でも、チューブに作用する負荷は比較的小さい。拡管作業を効率的に行うには、これらの工程において、マンドレル１４を比較的高速で回転させることが好ましい。
【００１６】
図２は、電源と電動モータとの間の接続例を示している。電源と電動モータとの間に本発明のコントローラＣが電気的に接続される。電源は、単相の１００Ｖ又は２００Ｖの交流電源である。電動モータ２０はチューブエキスパンダ１０に結合される。コントローラＣは、供給電源の電圧を検知し、電動モータに拡管作業に適した所定電圧及び所定電流を供給する。電動モータ２０は、コントローラＣによって制御された電圧及び電流によって、チューブエキスパンダ１０を駆動する。
【００１７】
図３は、コントローラＣの回路図を示している。コントローラＣは、電力供給側から、入力端子、電圧検出部２２、トランス２４、整流回路２６、平滑回路２８、電流アンプ３０、定電圧回路３２、定電流回路３４、電圧センサ３６、電流センサ３８、出力端子を備えている。一方、コントローラＣは、インターフェイスとして、電圧設定スイッチ４０、電流設定スイッチ４２、表示部４４を備えている。また、コントローラＣは、半導体回路を内蔵する制御部４６を備えている。
【００１８】
電圧検出部２２は、供給電源の電圧検知する。一般的に、電源は１００Ｖ又は２００Ｖであり、電圧検出部２２は、供給電源の電圧が１００Ｖであるか２００Ｖであるかを検知し、制御部４６にその信号を送る。
【００１９】
トランス２４は、供給電源の電圧を所定の電圧に変圧する。例えば、電源投入時に２００Ｖの電力供給があったとき、トランス２４は電圧を１００Ｖに降圧し、電源投入時に１００Ｖの電力供給があったとき、トランス２４は変圧を行わない。もっとも、電圧センサ３６及び電圧設定スイッチ４０の信号を受け、制御部４６が他の電圧へ変圧するようにトランス２４を制御してもよい。
【００２０】
整流回路２６は交流を直流に変換し、平滑回路２８は整流された電流を完全な直流に変換する。
【００２１】
電流アンプ３０は、電動モータ２０への出力電流を制御する。制御部４６は、電流センサ３８及び電流設定ボリューム４２の信号を受け、チューブエキスパンダが拡管作業に適した回転速度で回転するように出力電流を制御する。
【００２２】
定電圧回路３２及び定電流回路３４は、電源側の内部抵抗に起因する電圧降下を補正し、電動モータ端子間に一定の電圧及び電流を供給する素子である。定電圧回路３２及び定電流回路３４は、制御部４６によって制御される。
【００２３】
電圧センサ３６は電動モータ端子間の電圧を検知し、その信号を制御部４６に送る。電流センサ３８は電動モータ端子間の電流を検知し、その信号を制御部４６に送る。
【００２４】
一方、インターフェース側の電圧設定スイッチ４０は、作業者が操作し、電動モータ２０への供給電圧を設定するスイッチである。作業者が電圧を設定することにより、電動モータ２０の回転速度が設定される。制御部４６は、電圧設定スイッチ４０の信号を受けて、定電圧回路３２を制御する。
【００２５】
電流設定ボリューム４２は、作業者が操作し、電動モータ２０への供給電流を設定するスイッチである。電流設定ボリューム４２は、主として、電流上昇傾度を設定する。
【００２６】
表示部４４は、設定電圧値・電流値・拡管作業終了等を表示する。また、制御部４６が過大電流等の異常を察知した際、表示部４４はアラーム等で作業者に注意を喚起する。
【００２７】
次に、拡管作業に即して本発明による制御部４６の制御フローを説明する。コントローラＣの電源をＯＮにすると、電圧検出部２２が電源電圧を検知して制御部４６に電圧に関する信号を送る。作業者が電圧設定スイッチ４０を操作して電動モータが所望の回転速度となるように電圧を設定する。制御部４６は、電圧検出部２２からの信号を電圧設定スイッチ４０からの信号によってトランス２４に電圧を昇圧又は降圧する信号を送る。トランス２４は制御部４６によって制御され、供給電圧を所定電圧に変圧する。
【００２８】
作業者は、電流設定スイッチ４２を操作して電動モータが所望の電流上昇傾度を得るように電流を設定する。その後、作業者は、拡管作業の対象となるチューブにチューブエキスパンダを挿入する。作業者が電動モータに設けられたチイッチを操作すると、制御部４６は所定電圧の電流を出力端子に供給する。
【００２９】
トランス２４によって所定の電圧に変圧された電力は、整流回路２６及び平滑回路２８を通じて電流アンプ３０に送られる。電流アンプ３０は、電動モータに供給する電流を所定傾度に設定する。所定電圧及び所定電流の電力は、定電圧回路３２、定電流回路３４、電圧センサ３６及び電流センサ３８を通じて出力端子に印加される。
【００３０】
定電圧回路３２及び定電流回路３４は、内部抵抗によって変動する電圧及び電流を一定に維持する。電圧センサ３６及び電流センサ ３８は、電動モータへ供給される電力の電圧及び電流を検出し、制御部４６にその信号を送る。制御部４６は、出力端子に印可される電力を一定に維持するため、トランス２４及び電流アンプ３０に信号を送る。
【００３１】
電動モータ２０は、コントローラＣの出力端子から電力の供給を受けて起動し、チューブエキスパンダ１０を作動させる。図４は、電動モータ２０に供給される電流（アンペア）、電圧、電動モータ２０の回転速度、電動モータ２０のトルクを示している。電動モータ２０の回転速度は安定して供給される段階的な電圧に対応し、トルクは供給される電流（アンペア）に対応して変化する。
電動モータ２０は、所定電圧において、コントローラＣによって所定上昇傾度の電流を供給されて起動する。拡管されるチューブ外周面がチューブシートに接触するまで、コントローラＣは、所定上昇傾度で電動モータに電流を供給する。電動モータは、チューブ外周面がチューブシート管板穴の内周面に接触するまで高速で回転する。
【００３２】
チューブ外周面がチューブシートに接触すると、チューブエキスパンダが仕事を行うので、コントローラＣは電流を上昇させるが、回転速度は低速とする。高速と低速の切り替えは、電流センサ３８が検知する電流値によって、又は、回転速度及び時間によってコントローラＣが制御する。低速で回転する電動モータ２０は、ローラの外接円直径を緩徐に増大させる。
【００３３】
チューブの内径が所定値に達すると、コントローラＣは電動モータへの電力を供給を止める。あるいは、作業者が電動モータのスイッチをＯＦＦにする。
その後、コントローラＣが電動モータ２０を逆転するように電力を供給するか、作業者が電動モータを逆転するようにスイッチを操作する。この場合、コントローラＣは、出力端子に電動モータを高速で回転させるように電流を制御する。電動モータ２０は、ローラの外接円直径を急速に縮小させ、チューブエキスパンダを初期状態に復帰させる。
【発明の効果】
【００３４】
以上のように、本発明によるチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラは、以下の特有の効果を奏する。
（１）コントローラ内に供給電源を検知し、所定電圧に変圧する機能を備えているので、電源電圧に拘らず電動モータを制御することができる。したがって、従来では、電動モータを制御するために専用の電源調整器が必要であったが、本発明のコントローラを利用することで、省スペースで拡管作業を行うことができる。
（２）本発明のコントローラは、所望の電圧で電動モータに電力を供給できるので、低電圧を印加して電動モータを低速で回転させ、電動モータの回転速度を所定電流値で制御し、拡管作業中の管径を緩徐に増加させる。したがって、拡管精度が向上し、薄肉のチューブであっても高精度に拡管作業を行うことができる。また、緩徐に拡管作業を行うことができるので、いわゆるスプリングバック量を抑えることができ、固着力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、チューブエキスパンダの一実施形態を示す断面図である。
【図２】は、電源、コントローラ及び電動モータの接続例を示す概略図である。
【図３】は、コントローラの回路図である。
【図４】は、電動モータの挙動（時間−アンペア−電圧−回転速度−トルクの関係）を示すグラフである。
【図５】は、従来の接続例の概略図である。
【符号の説明】
１０ チューブエキスパンダ
１２ フレーム
１４ マンドレル
１６ テーパ部
１８ ローラ
２０ 電動モータ
２２ 電圧検出部
２４ トランス
２６ 整流回路
２８ 平滑回路
３０ 電流アンプ
３２ 定電圧回路
３４ 定電流回路
３６ 電圧センサ
３８ 電流センサ
４０ 電圧設定スイッチ
４２ 電流設定スイッチ
４４ 表示部
４６ 制御部

Claims (3)

1. チューブ外周面をチューブシートに接触させてチューブを拡管するチューブエキスパンダを駆動する電動モータのコントローラにおいて、
   ケース内に電圧制御部及び電流制御部を備え、
   前記電圧制御部は、供給電源の電圧を検知する電圧検出部と供給電源の電圧を所定の電圧に変圧するトランスと電圧検出部によって検知された電圧に基づき電動モータへの供給電圧を設定する電圧設定スイッチとを有し、前記電流制御部は、前記電圧制御部の電圧設定スイッチによってチューブ外周面がチューブシートに接触しているか否かに応じて段階的に設定された一定の電圧状態で電動モータの回転速度を制御することを特徴とするチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラ。
2. 前記電流制御部が、チューブ外周面がチューブシートに接触しているか否かに応じて電動モータの回転速度を段階的に制御する請求項１記載のチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラ。
3. 前記コントローラが、出力電流を検知する電流センサを備え、出力電流が閾値を越えたとき、電流制御部が電流を遮断する請求項１又は請求項２のいずれかに記載のチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラ。

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