JP4557612B2 - 駆動回路、特に巻き上げ機および／または走行装置用の駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２種類の異なった駆動速度用の巻線をもつ極切換可能な三相モータを有し、三相モータと電源とを繋いでおり三相モータの駆動速度を変えるための極切換スイッチ要素を有する、巻き上げ機および／または走行装置用の駆動回路に関するものである。

水平または垂直方向に荷重を移動させるために、例えば走行または巻き上げ駆動において変換スイッチを使って三相電流の２つの位相を入れ替えることにより移動方向を転換できるような電気的に極切換のできる三相非同期モータを使用することは、従来技術として一般的に知られている。加えて、この三相非同期モータには種々の極を有する多数の巻線を設けることがある。それにより、種々のモータ巻線間でいわゆる極切換することによりモータ回転数を変えることができる。そして、回転数割合はモータ巻線の極数割合により決まる。極切換スイッチングや方向変換スイッチングを行う一般的な解決手段では、手動または電磁駆動で働かせるスイッチ接点を設けている。後者はリレーとも呼ばれる。その場合、方向変換のときだけでなく極切換のときでも、モータの受電容量に応じて電流が流れる。リレーの全ての接点は、回転方向および／または回転数が変化するときに、フルのモータ電流が流れる。モータ巻線によりできる誘導的な負荷での電流遮断により、接点で火花が形成される。素早く火花を消してその時に発生する高い温度を損傷なしで接点自体が対応できるように、接点のスイッチ間隔を選ばねばならない。それにより全ての制御リレーはこの種の使用条件に合わせて設計せねばならない。方向変換リレーおよび極切換リレーは上記した種類の使用条件に相当して寸法が決められる。

公知の解決手段、例えば下記特許文献１に記載されているような方法では、方向変換のために少なくとも６つの電気接点を有する２つのリレーと、極切換のために少なくとも４つの電気接点を有する少なくとも他の１つのリレーとが設けられている。リレーのために必要なスペースとコストは、接続する電力に比例して増大する。制御リレーの代わりに、エレクトロニクスによる半導体スイッチを使用することもできるが、コスト的に問題となる。

下記特許文献２では既に、共通のスイッチハウジングに入った方向変換スイッチを一緒にしたオンオフスイッチの組合せスイッチが公開されており、そこでは、電動モータを制御するための方向変換スイッチはオンオフスイッチとは隔離している。この隔離の目的は、オンオフスイッチがまだオンの状態にあり電動モータにエネルギーが供給されている時に、電動モータの回転方向を変換するための変換スイッチが押されることを防止することである。それにより変換スイッチは電流が流れていない時のみ切り替えることができ、それにより変換スイッチの接点の損傷や破損を防ぐようにする。このスイッチの組合せは例えば航空機での電動モータのスイッチに使用される。

このような機械的な解決手段では、スイッチの組合せの切換時間が制限されるので、当然、使用範囲も制限される。

下記特許文献３では空調装置が公開されており、そのブロワーには切換可能な交流モータが設けられており、切り替え要素を使って２つの速度のいずれかにその駆動速度を変えられる。切り替え要素の前に電力スイッチが接続されており、それを通じてブロワーモータは速度を変換する間に電流が流れない状態で切り替えることができる。

ドイツ特許公開第３９０７８５３号公報 ドイツ特許公開第４０２６３７６号公報 米国特許第５０４１７７５号公報

本発明の課題は、三相モータの制御に関してスイッチング挙動を最適化した極切換可能な三相モータ付き巻き上げ機および／または走行装置の駆動回路を提供することにある。

本発明によれば、お互いに異なった少なくとも２つの駆動速度用巻線のある極切換可能な三相モータの駆動速度を変換するために、三相モータと電源と繋ぐ極切換スイッチ要素の付いた巻き上げ機および／または走行装置の駆動回路において、極切換スイッチ要素の前に電力スイッチ要素を接続し、極切換スイッチ動作のために三相モータを電力スイッチ要素により電源から分離できるようにして構成しており、それにより極切換スイッチ要素を電流が流れない状態でスイッチングすることができる。モータ電流をスイッチする接点の寿命はスイッチングされる電流の大きさにより決まるので、これによりスイッチ接点の耐久時間が延びる。本発明によれば、電流が流れない状態でスイッチングされるので、極切換スイッチおよび方向変換用のスイッチ要素は対応して寸法を小さくすることができる。必要とするのは僅かなスイッチング能力、即ち、少ない必要接触力および少ない接触間隔でよく、スイッチ接点がコスト的にも有利になる。

本発明の基本的な考えは、極切換可能な三相同期モータにおいて、回転方向と速度の切換のための接点切換ロジックと電力スイッチング機能を分離した点にある。

好適な実施形態においては、極切換スイッチ要素の前に方向変換スイッチ要素を接続し、それにより公知の方法で三相モータの回転方向を変えることができる。本発明によれば、方向変換のためのこの方向変換スイッチ要素を、電力スイッチ要素により供給電源から切り離すことができ、スイッチ動作は電流が流れない状態で行われる。

特に好適な実施形態では、電力スイッチ要素および極切換スイッチ要素、或いは、電力スイッチ要素、極切換スイッチ要素および方向変換スイッチ要素は制御ロジックと繋がっており、制御ロジックにより電力スイッチ要素および極切換スイッチ要素、或いは、電力スイッチ要素、極切換スイッチ要素および方向変換スイッチ要素を連続的に制御して、極切換スイッチ要素、或いは極切換スイッチ要素および方向変換スイッチ要素を各スイッチ動作の前に対応する電力スイッチ要素を制御して電源から切り離し、スイッチ動作の後で再び電力スイッチ要素を通じて電源と繋ぐように構成している。これにより簡単に、電力スイッチ要素、極切換スイッチ要素、方向変換スイッチ要素を連続的に制御することができる。スイッチロジックにより、極切換スイッチ要素、或いは、極切換スイッチ要素および方向変換スイッチ要素で、２００ｍｓ以下、好ましくは５０ｍｓ以下の切換時間を達成することができる。切換時間が短いので、電流が流れていない切換時間に電動モータ磁界が切れて例えば負荷が滑るようなこともなく、巻き上げ機または走行装置の極切換可能な三相モータ制御にも本発明による駆動制御を使用することができる。

設計的に簡単な構成において、電力スイッチ要素は３つの電力スイッチ接点を備えており、そのうちの２つは２極の方向変換スイッチ要素の変換スイッチ接点と繋がっている。別の電力スイッチ接点は直接、巻線の１つと繋がっており、方向変換スイッチ接点は出力側で、２極の極切換スイッチ要素の２つの極切換スイッチ接点の１つとそれぞれ繋がっている。

別の実施形態では、制御ロジックにより電力スイッチ要素および／または方向変換スイッチ要素の制御を行い、その切換動作を三相モータの回転数と同期させる。モータの状態が“停止”、“緩速運転”、または“急速運転”になって初めて、操作者が行った対応するスイッチ動作を実行する。

これにより、種々の速度間の弊害のない切り替えが可能となる。停止状態からモータを加速するときに、少ないスタート電流でこれが達成される。このためにまず、高次極巻線に接続され、必要な定格回転数に達したときに高速用の低次極巻線に切り替えられる。逆に、速い速度からモータを遅くするためには、同期回転数に達したときに高次極巻線に接続することにより弊害のない減速が達成される。以上のようにして停止状態までの減速、そして反対方向への加速ないし再スタートして方向転換が行われる。

その他に、負荷が変動するときも、そして両方の回転方向に対して最適なスイッチング時点を制御することが可能である。加速ないし必要な定格回転数に達するまでの加速時間は、負荷や回転方向によって決まる。それで、巻上げ時の重い荷重体のときには長い加速時間となり、下降時の重い荷重体のときには短い加速時間となる。同期化によりこの影響を回避ないし補償することができる。

１つの実施例においては、ブレーキ、特に電気的機械的ブレーキを設けていることがあり、その制御はブレーキ動作において三相モータの回転数に従って行う。ブレーキ時においても、スイッチング動作を三相モータの回転数と同期させることができる。好ましい方法では、同期化を三相モータおよび制御ロジックを使ったその制御により構成する。それで、発電機能を使ったブレーキ動作または反対方向の電流を使ったブレーキ動作を必要な回転数時に遮断することが可能である。加えて、機械的なブレーキ、特にモータ軸上に設けることがある機械的なブレーキの磨耗を少なくして長い耐久時間を得るために、まず“急速運転”状態から三相モータの発電運転を使ってまたは反対方向の電流を与えることにより“緩速運転”状態にブレーキをかけることができる。“停止”までの連続して減速ないし発電運転時のブレーキを維持するために、高次極巻線を遮断して機械的なブレーキを機能させる。反対方向電流を使うブレーキでは、電気的にも停止状態にまで減速ないしブレーキをかけることができ、後で反対方向に再びスタートすることを防止するために、電力スイッチ要素を停止状態で遮断せねばならない。

電力スイッチ要素が３つの電力スイッチ接点および１つの補助接点を備えており、そのうちの２つが２極の方向変換スイッチ要素の変換スイッチ接点と、別の１つが直接的に巻線の１つと繋がり、方向変換スイッチ接点が出力側でそれぞれ２極の極切換スイッチ要素の両方の極切換スイッチ接点の１つと繋がっており、補助接点が機械的なブレーキと繋がっていると好ましい。

この実施形態においてもスイッチ回路の種類により、電力スイッチ要素が遮断し再接続する間の時間を設定する。極切換では例えば５０ｍｓ〜１００ｍｓの時間が特に適している。位相切換（方向変換）では１５０ｍｓ以上の時間が適している。時間を種々に選択することで、機械的ブレーキが外れることの防止に役立つ。その他に、スイッチ時のアークによる位相切換での短絡を防ぐことができる。

スイッチング動作を三相モータの回転数に同期させるために、電力スイッチ要素および／または方向変換スイッチ要素を制御する制御ロジックに回転数信号を供給するパルス発生器を備えていると好ましい。

次に、本発明の特徴、利点、詳細について、以下に図面を使って説明する。

図１に示している第１の実施例を使って、以下に本発明を詳細に説明する。図１は、極切換できる三相モータ２、特に三相非同期モータ用の駆動回路を示している。三相モータ２には種々の極を有する２つの三相巻線があり、それらを識別文字１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗで示している。

駆動回路１、それにより三相モータ２も、導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で図示している三相電源を通じてエネルギーが供給される。このとき基本的に駆動回路１には電力スイッチ要素３を設けており、その後方に（導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から三相モータ２の方向に見て）方向変換スイッチ要素４、極切換スイッチ要素５が接続されている。

電力スイッチ要素３には従来からの電力リレーとして３つ電力スイッチ接点３ａ、３ｂ、３ｃが備わっており、対応する手段により入力側でエネルギーを供給する３つの導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と関係付けて配置されている。この機械的にお互いに繋がっている３つの電力スイッチ接点３ａ、３ｂ、３ｃを通じて、三相モータ２はスイッチング動作により全ての極で導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から切り離すことができる。

導線Ｌ１と関連配置した第１の電力スイッチ接点３ａが、出力側で三相モータ２の巻線１Ｕと直接に繋がっている。導線Ｌ２と関連配置した第２の電力接点３ｂは、出力側で対応する導線を通じて２極の方向変換スイッチ要素４の方向変換接点４ａと繋がっており、導線Ｌ３と関連配置した第３の電力スイッチ接点３ｂは方向変換スイッチ要素４の第２の方向変換接点４ｂと繋がっている。両方の電力スイッチ接点３ａ、３ｂは、一緒に第１の接続位置“右方運転”から第２の接続位置“左方運転”に移動できる。第１の接続位置“右方運転”において、第１の方向変換接点４ａは出力側で２極の極切換スイッチ要素５にある第１の極切換スイッチ接点５ａの入力側と繋がっており、第２の方向変換接点４ｂは出力側で第２の極切換スイッチ接点５ｂの入力側と繋がっている。接続位置“左方運転”では、両方の導線Ｌ２とＬ３はお互いに入れ替わるので、第１の方向変換接点４ａは出力側で第２の極切換スイッチ接点５ｂの入力側と、第２の方向変換接点４ｂは出力側で第１の極切換スイッチ接点５ａの入力側と繋がっている。

極切換スイッチ要素５は、出力側で極切換スイッチ接点５ａ、５ｂにより極切換スイッチ接点５ａ、５ｂの位置に従い、巻線１Ｖ、１Ｗ、２Ｖ、２Ｗと電気的に繋がっている。接続位置“緩速運転”において、第１の極切換スイッチ接点５ａが巻線１Ｖと、そして第２の極切換スイッチ接点５ｂは巻線１Ｗと繋がっている。別の接続位置“急速運転”においては、第１の極切換スイッチ接点５ａは巻線２Ｖと、そして第２の極切換スイッチ接点５ｂは巻線２Ｗと繋がっている。

電力スイッチ要素３を通じて三相モータ２を全極で三相電源の導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から切り離せることにより、２つの方向変換スイッチ接点４ａ、４ｂを有する方向変換スイッチ要素４および２つの極切換スイッチ接点５ａ、５ｂを有する極切換スイッチ要素５を、電流が流れない状態に接続したまますることが可能になる。これにより、方向変換スイッチ要素４の２つの方向変換スイッチ接点４ａ、４ｂおよび極切換スイッチ要素５の２つの極切換スイッチ接点５ａ、５ｂは、運転時に電気的な接触損耗受けることがなく、電力負荷の下で接続するような大きさの構造で設計する必要がない。これにより構造の大きさが対応して小さくなり、スモールリレー、リレー、あるいは半導体スイッチを使用することができる。

電力スイッチ要素３、方向変換スイッチ要素４、極切換スイッチ要素５は、制御導線６ａ、６ｂ、６ｃを通じてスイッチロジック７と繋がっている。スイッチロジック７は、図示していないが制御機能“停止”、“右方運転”、“左方運転”、“急速運転”、“緩速運転”を行うスイッチと入力側で繋がっている。スイッチの１つが押されると、まずスイッチロジック７が働いて、三相モータ２が電力スイッチ要素３により導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から切り離され、そして押されたスイッチと関連する運転モードが、対応する方向変換スイッチ要素４および／または極切換スイッチ要素５をスイッチングすることにより選択される。引き続いて電力スイッチ要素３が再び機能し、それにより三相モータ２には選択された運転モードで再び、電力スイッチ要素３、方向変換スイッチ要素４、および／または極切換スイッチ要素５を通じて、導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から電流が供給される。このように方向変換スイッチ要素４および／または極切換スイッチ５は、本発明に従い完全に電流が流れない状態でスイッチングされる。それによりスイッチロジック７は基本的に、制御機能を実行するためにスイッチ動作の時間的なシーケンスを制御する機能を有しており、短い切換時間での達成を可能する。三相モータ２を巻き上げ機に使う場合、切換時間は例えば５０ｍｓ以下である。それにより確実に荷重体の落下が防止される。三相モータ２を走行装置に使用する場合には、切換時間は例えば２００ｍｓ以下である。

その他に好ましい実施例ではスイッチロジック７は、電力スイッチ要素３の作動を三相電源の周波数または三相モータ２の回転数に同期させるように構成される。これを前提にすると、電力スイッチ要素３のオンオフ時点を最適に選ぶことができ、これにより好ましいことには、接点および機械的な駆動部品の損耗が少なくなる。スイッチロジック７内部でシーケンスを制御することにより、ブレーキをかける時点も最適に制御することができる。またスイッチロジック７を使って、好ましくない操作を行った操作者の指示を回避することもできる。

スイッチロジック７をプログラマブルＩＣ（例えば、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサー、ＰＧＡ）で構成すると好ましい。本発明による駆動接続のために既にあるスイッチロジック７を、更に別の機能、例えば、高次極の巻数による電気的なブレーキ、高次極の巻数によるスタート、“連続押し防止”、および／または回転数検知を行うためにも使用することができる。

“連続押し”という言葉から、制御盤ボタン“右方運転”ないし“左方運転”を操作者が速く繰り返して行うボタン操作を思い浮かべる。回路網に接続されている三相モータの回転スタート時間は最大でも１ｓ以下の範囲にある。１ｓ以下の繰り返し時間で素早く押すことにより、モータがスタートするための電流が繰り返し流れたり切れたりする。回路網に接続されている三相モータのスタート電流は、定格電流の何倍にもなることが知られている（代表的な係数：６〜７）。連続押しによりスイッチ接点にはスタート電流が繰り返しオンオフされ、これがスイッチ接点の早期損耗をもたらす。“連続押し防止”は、モータの回転スタート時間以下で繰り返すボタン押しの弊害を排除する。すなわち、回転スタート時間以内のボタン押しをロジックが無視するので、スタート電流が繰り返しオンされることはない。

三極電力スイッチ要素３のスイッチングアークによる不具合を防がねばならないような使用条件では、僅かな手間でこれを半導体スイッチに置き換えることができる。これにより本発明による駆動回路の寿命が何倍も伸びる。

図２に示す実施例が前述の実施例と違う点は基本的に、機械的なブレーキ８、パルス発生器９、およびそれに合わせたスイッチであり、同一の要素に対しては図１と同じ参照番号を使用している。

ブレーキ８は三相モータ２の軸１０に配置されている。パルス発生器９は、モータ２の回転数を決めるための専門家には公知の装置である。これも同様にモータの軸１０に配置されており、モータ２の回転数を決めるためのパルスをスイッチロジック７に供給する（上記を参照）。

この実施例においても電力スイッチ要素３は、従来の電力リレーとして３つの電力スイッチ接点３ａ、３ｂ、３ｃを備えており、先の実施例と同様に入力側でエネルギー供給の３つの導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と関連配置されている。機械的にお互いに繋がっている３つの電力スイッチ接点３ａ、３ｂ、３ｃにより、スイッチ動作で三相モータ２は全極で導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から切り離すことができる。加えてブレーキ８と繋がっている補助接点３ｄがあり、ブレーキのオンオフを行う。

機械的なブレーキ８は、一方の側で対応する導線を通じて直接的に第２の極切換スイッチ接点５ａの入力側と、他方の側で補助接点３ｄの出力側と繋がっている。補助接点３ｄは入力側で第１の極切換スイッチ接点５ａの入力側と繋がっている。

“停止”、“右方運転”、“左方運転”、“急速運転”、“緩速運転”のすべての状態において、電力接点３ａ、３ｂ、３ｃおよび補助接点３ｄが繋がり電流がブレーキ８を流れると直ぐに、ブレーキ８は制動作動するとともに換気される。それにより確実にモータ２がブレーキに抵抗してスタートしない又は回転しない。さらに、モータ２への電流が電力スイッチ接点（および補助接点）が開くことにより遮断すると直ぐに、ブレーキ８は例えばバネが働いて自動的に解除される。また、ブレーキ８の制御はスイッチロジック７を通じて三相モータ２の回転数と同期させる。

図２の実施例でのその他に点ついては、図１の実施例と同様である。

極切換スイッチのできる三相モータ用駆動回路の実施例を示す概略回路図である。 機械式ブレーキ付きで極切換可能な三相モータ用駆動回路の別の実施例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 駆動回路
２ 三相モータ
３ 電力スイッチ要素
３ａ、３ｂ、３ｃ 電力スイッチ接点
３ｄ 補助接点
４ 方向変換スイッチ要素
４ａ、４ｂ 方向変換スイッチ接点
５ 極切換スイッチ要素
５ａ、５ｂ 極切換スイッチ接点
６ａ、６ｂ、６ｃ 制御導線
７ スイッチロジック
８ ブレーキ
９ パルス発生器
１０ モータ軸
１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ 巻線
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ 巻線
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 導線

Claims (9)

1. お互いに異なった少なくとも２つの駆動速度用巻線（１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ）のある極切換可能な三相モータ（２）の駆動速度を変換するために、三相モータ（２）と電源とを繋ぐ極切換スイッチ要素（５）の付いた巻き上げ機および／または走行装置の駆動回路であって、電源と極切換スイッチ要素（５）との間に電力スイッチ要素（３）を接続し、極切換動作のために三相モータ（２）を電力スイッチ要素（３）により電源から分離できるように構成したことを特徴とする駆動回路。
2. 電力スイッチ要素（３）と極切換スイッチ要素（５）との間に方向変換スイッチ要素（４）をさらに接続し、それにより三相モータ（２）の回転方向を変えることができ、方向変換動作のために三相モータ（２）を、電力スイッチ要素（３）により供給電源から切り離すことができるように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の駆動回路。
3. 電力スイッチ要素（３）および極切換スイッチ要素（５）、或いは、電力スイッチ要素（３）、極切換スイッチ要素（５）および方向変換スイッチ要素（４）は制御ロジック（７）と繋がっており、制御ロジック（７）により電力スイッチ要素（３）および極切換スイッチ要素（５）、或いは、電力スイッチ要素（３）、極切換スイッチ要素（５）および方向変換スイッチ要素（４）を連続的に制御して、極切換スイッチ要素（５）、或いは極切換スイッチ要素（５）および方向変換スイッチ要素（４）を各スイッチ動作の前に対応する電力スイッチ要素（３）を制御して電源から切り離し、スイッチ動作の後で再び電力スイッチ要素（３）を通じて電源と繋ぐことを特徴とする、請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 極切換スイッチ要素（５）、或いは、極切換スイッチ要素（５）および方向変換スイッチ要素（４）の切換時間が２００ｍｓ以下、好ましくは５０ｍｓ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の駆動回路。
5. 電力スイッチ要素（３）は３つの電力スイッチ接点（３ａ、３ｂ、３ｃ）を備えており、そのうちの２つは２極の方向変換スイッチ要素（４）の変換スイッチ接点（４ａ、４ｂ）と、別の１つは直接的に巻線（１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ）の１つと繋がっており、方向変換スイッチ接点（４ａ、４ｂ）は出力側で、２極の極切換スイッチ要素（５）の２つの極切換スイッチ接点（５ａ、５ｂ）の１つとそれぞれ繋がっていることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載の駆動回路。
6. 三相モータ（２）をブレーキ制御するための電気的機械的ブレーキを備えていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の駆動回路。
7. 電気的機械的ブレーキを制御ロジック（７）により制御することを特徴とする、請求項６に記載の駆動回路。
8. 機械的ブレーキ（８）を、特にモータ軸（１０）に備えていることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の駆動回路。
9. 電力スイッチ要素（３）が３つの電力スイッチ接点（３ａ、３ｂ、３ｃ）および１つの補助接点（３ｄ）を備えており、３つの電力スイッチ接点（３ａ、３ｂ、３ｃ）のうちの２つが２極の方向変換スイッチ要素（４）の方向変換スイッチ接点（４ａ、４ｂ）と、別の１つが直接的に巻線（１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ）の１つと繋がり、方向変換スイッチ接点（４ａ、４ｂ）が出力側でそれぞれ２極の極切換スイッチ要素（５）の両方の極切換スイッチ接点（５ａ、５ｂ）の１つと繋がっており、補助接点（３ｄ）が機械的なブレーキ（８）と繋がっていることを特徴とする、請求項８に記載の駆動回路。

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