JP4610216B2 - チェーン巻き上げ装置における円環チェーン静粛走行のため、殊に円環チェーンの共振形成を防ぐための方法およびそのためのチェーン巻き上げ装置 - Google Patents

Description

本発明は、円環チェーンが不均等分割（辺の長さが一定でない）の多角形チェーンホイールを介して案内されモータで駆動されるチェーン巻き上げ装置において、円環チェーン静粛走行のため、殊に円環チェーンの共振形成を防ぐための方法に関するものである。また、本発明は多角形チェーンホイールを介して案内されるチェーンおよびチェーンホイールを動かすモータ付きチェーン巻き上げ装置に関するものである。

下記特許文献１でモータ駆動付きチェーン巻き上げ装置が公知となっている。チェーン巻き上げ装置は基本的にモータで駆動されるチェーンホイールを含んでおり、それを介してチェーン、殊に円環鉄製チェーンを案内して、荷重負荷部材（重量物）を持ち上げる。このときチェーンホイールは所謂ポケット付きホイールとして構成しており、そのポケットが引き上げ力を伝達するためにチェーンの各チェーンリンクを形状に合わせて収容する。そのとき横向きのチェーンリンクと縦向きのチェーンリンクはチェーンホイールの走行に伴い入れ替わる。チェーンの曲がり挙動に対応して、チェーンホイールは不均等な多角形の外周を有している。このチェーンホイールの多角形外周が原因となって、チェーンホイールによりチェーンが走行する時に、チェーンホイールの有効半径が角度によって変わり、それによりチェーンの速度が対応して周期的に変動する。そして周期的変動はモータが一定の回転数の時にも現れる。それと関連する問題は、騒音を伴うチェーン走行、チェーン巻き上げ装置での絶え間ない荷重増加、不意に発生し障害となる共振作用である。

チェーンホイールによりチェーンが走行する速度の変動を減らすために、モータに配置した駆動歯車およびこれと噛み合うチェーンホイールの被駆動歯車をそれぞれ、円形から外れた形状、即ち非円形に設計することが知られており、それにより前に記述した多角形効果を相殺するようにチェーンホイールの回転数を変化させることができる。

この機械的に働かせるバランスシステムは、多角形効果では数学的に低次の部材のみを考慮するので、チェーン巻き上げ装置におけるチェーン走行速度の滑らかさをもたらすことができるのは条件付でのみである。その他に、この機械的に働かせるバランスシステムでは手間のかかる構造が必要となる。

さらに下記特許文献２では、人を輸送する装置、殊にエスカレーターや動く歩道の方向転換領域で多角形効果を減らす方法および装置が公開されている。人を輸送する装置にはエンドレスで循環する側板付きチェーンである所謂ガルシェチェーンが用いられ、二つの方向転換ホイールの間を循環し、そして少なくとも上部範囲で転がりながら力から放たれる。側板付きチェーンないしガルシェチェーンおよび方向転換ホイールも均等な分割を特徴としている。二つの方向転換ホイールの一つは電気的な駆動方法により駆動される。側板付きチェーン循環時に方向転換ホイールに現れる多角形効果を減らすために、方向転換ホイールの回転数に別の種類の回転数を重ね合わせる。結果として、一定ではない回転数で循環するように、電気による駆動が変圧整流器を通じて制御される。変圧整流器と関連つけた制御装置がインプット信号として方向転換ホイールの位相位置および／またはチェーンの速度を処理する。

人を輸送する装置、殊にエスカレーターや動く歩道の方向転換領域で多角形効果を減らすための前述の装置を更に発展させたものが、下記特許文献３で公開されている。そこでは、基本的に一定の回転周波数での駆動時にチェーンに現れる速度変動を調べることで、位置によって決まるチェーン速度制御を行う。調べた速度変動をバランスさせるには、方向転換ホイールを不均一な回転周波数で駆動し、運転状態で方向転換ホイールの角度位置とだけ同期させることにより達成する必要がある。

ドイツ特許公開DE 1 531 307 A1 ドイツ特許公開DE 199 58 709 A1 ドイツ特許公報DE 101 20 767 C2

人を輸送する装置の方向転換領域で多角形効果を減らすための前述の方法と装置は、エンドレスで循環する側板付きチェーンに関するものである。この側板付きチェーンでは、各チェーンリンクが一般的に一定の長さを有しており、均等な分割であり、少なくとも上部範囲で支持されている。それにより、現れる多角形効果はチェーンホイールの等形状分割によって決まる。側板付きチェーンは、強い緩衝作用を受ける。その他に、出現しそして減らすべき多角形効果は側板付きチェーンのリンク長さが一定であることにより簡単に抑えられる。

上記従来技術を前提に、本発明の課題は、チェーン巻き上げ装置における円環チェーンが静粛に走行するため、殊に円環チェーンの共振形成を防ぐための方法、およびそれによりチェーン巻き上げ装置を最適化することである。

この課題を、チェーン装置、殊に巻き上げ装置での多角形効果を減らすための請求項１の特徴を有する方法、および請求項７に記載の特徴を有し、殊に巻き上げ装置用のチェーン装置により解決する。従属請求項２〜６ないし８〜１１の特徴により好ましい方法でさらに本発明を構成している。

本発明によれば、不均等形状分割した多角形のチェーンホイールにより円環チェーンを案内しモータで駆動するチェーン巻き上げ装置の円環チェーンを静粛に走行させるための、殊に円環チェーンの共振形成を防ぐための方法において、チェーンホイールの速度に周期的および／または統計学的な緩衝コントロール量を重ね合わせ、共振形成を防ぐように緩衝コントロール量をチェーン速度変化に働かせることにより、共振の回避を達成する。この方法により、変化する有効長さや種々の荷重体に対して引き上げ経路の範囲で自己励振を誘起することを防ぐ。

緩衝された力学的モデルを実現するために、エレクトロニクスダンパーによりモータを制御する。

好ましい実施例においては、エレクトロニクスダンパーに第一インプット量としてチェーンホイールの必要回転数、そして第二インプット量としてチェーンホイールの現在回転角度を与え、そしてエレクトロニクスダンパーで両方のインプット量から緩衝された回転数の形態でモータに伝えられる緩衝コントロール量を計算するようにしている。

緩衝コントロール量として、荷重の速度変動の大きさに比例しセンサーで把握した現在回転角度から計算される緩衝力をエレクトロニクスダンパーで計算すると好ましい。

積みあがる共振の作用をセンサーにより把握し必要に応じて緩衝コントロール量を変えるという好ましい手段により、この方法では自己監視している。

チェーン巻き上げ装置を一定の荷重体に適用すると、モータの制御を簡単にすることができる。そして、円環チェーンの共振形成を防ぐために、速度前制御において経路に合わせてチェーン速度にプログラム可能な速度マスターを重ねあわせる。

その他に、多角形のチェーンホイールで案内するチェーンおよびチェーンホイールを動かすモータの付いたチェーン巻き上げ装置では、円環チェーンの共振形成を抑えるようにモータ制御に作用するエレクトロニクスダンパーをモータの前に接続して、多角形効果が働くことを抑えている。

好ましい方法によれば、エレクトロニクスダンパーによりチェーンの静粛な運転が得られ、チェーン巻き上げ装置での荷重増加が少なく障害となる共振効果が殆ど現れない。エレクトロニクスダンパーを緩衝パラメータ変更に合わせることができると特に好ましい。

特に利点があるのは、エレクトロニクスダンパーに第一インプット量としてチェーンホイールの必要回転数、そして第二インプット量としてチェーンホイールの現在回転角度を関連付けることである。現在回転角度をパルス的に調べるためにパルス発生器の形でセンサーをチェーンホイールに配置することが好ましく、それによりチェーンホイール回転当り少なくとも一つの角度同期したパルスを発生させる。そして、瞬間的な角度位置は二つの前後するパルス間で補完して決める。

オープン制御回路の構成部分である前制御要素としてエレクトロニクスダンパーを構成することが好ましい。この解決手段により、可能性としての状況コントローラの付いたクローズの制御回路と較べて工数がかからない。

好ましい実施例においては、緩衝するコントロール量の経験的最適化を、積みあがる共振を少なくとも一つのセンサーが把握し必要に応じて緩衝コントロール量を変更することにより達成する。

以下、本発明を図面に基づき説明する。

図１は、荷重６を引き上げたり下ろしたりするためのチェーン巻き上げ装置１に使用する本発明により構成したチェーン駆動ユニットのブロック図であり、同図においてモータ２、図示していない駆動軸と接続するギア３、さらに図示していない駆動軸と接続するチェーンホイール４が概略的に示されている。チェーンホイール４は、円環チェーン５において、交互に向きが変化するチェーンリンクを収容するための、従来手段による多角形外周および不均等形状分割したポケット付きホイールを構成している。チェーンホイール４の不均等形状分割に対応して、チェーン５を構成する個々のリンクは交互に縦向きと横向きとが入れ替り、チェーンホイール４のポケット（チェーンの各リンクの形状に対応する凹部になっている）と噛み合うようにチェーンホイール４の周りにガイドされる。円環チェーン５は丸い鉄製チェーンとして構成しており、一般的な手段でチェーン５の下方終端に吊り下げられている引き上げ、ないしは引き下ろし荷重体６のための支持機構の役割をする。

支持機構としてフリー状態で吊られているチェーン５は機械的にはガイドされておらず、横方向へ外れることに関して殆ど緩衝されない。チェーン５の有効長さは荷重体６の垂直位置により変化する。また、運転時にはチェーン巻き上げ装置１が処理する荷重体６も変化することがある。チェーン巻き上げ装置１の固有振動数は、チェーン５のバネ定数の関数であり、それには変化するチェーン５の有効長さ、荷重体６およびチェーン５の質量も含まれる。変化する荷重体６の質量およびチェーン５の有効長さ変化により、チェーン巻き上げ装置１には固有振動数帯が現れる。チェーン５の有効長さと質量の変化に伴い、チェーン巻き上げ装置の固有振動数およびチェーン５に沿った共振場所の位置も変わる。そのため、チェーン巻き上げ装置１は明確な共振点のある可振動構造体を構成する。付属する機械的なモデルは緩衝効果のない振動体に相当する。

固有周波数の範囲でチェーン巻き上げ装置１が励起すると共振効果を招くことは公知である。この種の共振効果には予期しない結果が伴い、チェーン５に緩衝効果が少ないと著しく横方向にチェーン５が動くことになる。

チェーン巻き上げ装置１が励起するための励起周波数はチェーンホイール４の形状と回転数により決まる。前述のようにチェーンホイール４は不均等形状分割をしているので、少なくとも二つの励起周波数が発生し、それは、チェーンホイール４の回転軸に関して形状的に異なって配置されチェーン５の縦向きおよび横向きリンクと噛み合うポイントにより決まる。この二つの励起周波数は重ね合わせることができる。

経路変動量（チェーンの長さ変動量）ｙ_polは次式で表される。

速度変動量ｙ′_polは、次式で表される。

案内のない円環チェーン５では、垂直方向速度変動のほかに、低次で水平方向の速度変動も現れる。それに対して側板付きチェーンではチェーンホイール４が均一形状であることにより発生するのは一つだけの励起周波数である。この励起周波数により、チェーン装置１がチェーン５の使用可能な引き上げ経路の少なくとも二箇所で期待しない自己励振に陥るようになる。荷重体６の引き上げ経路に沿って共振位置を通過すると、荷重体６は激しい振動に陥る。自己励振によるチェーン５の速度変動およびそれに伴うチェーン力変動の振動強度は、多角形効果により引き起こされる速度およびチェーン力変動より何倍も大きい。自己励振により引き起こされる振動とは対照的に、多角形効果によるものはチェーン巻き上げ装置１を運転する時に殆ど障害にはならない。

チェーンホイール４の不均等形状分割は、多角形効果としても知られているチェーンホイール４によるチェーン５の走行速度変動を引き起こし、それがチェーン巻き上げ装置１の騒音走行を招くが、前述の共振効果と比べると小さい。

力学的観点で考慮されるチェーン巻き上げ装置１のシステムにおいて実際には緩衝が欠けているという状況を前提に、この欠けている緩衝をエレクトロニクスにより実現するという基本的な考えに本発明は基づいている。このために、電力供給ユニット７を通じてエネルギーを供給するモータ２の前にエレクトロニクスダンパー８を接続する。エレクトロニクスダンパー８の課題は、電力供給ユニット７を通じてモータ２を制御ないしコントロールして、チェーン有効長さが変化する引き上げ経路の範囲で、そして種々の荷重体のために自己共振の励起を防ぐように、チェーンホイール４上を走行するチェーン５が引き起こす多角形効果を変える。チェーン５、すなわち荷重体６の静粛な運転がそれによる直接の結果である。

エレクトロニクスダンパー８に適したコントロール量は、次の力学的基礎を前提に求められる。

実際に緩衝のないチェーン巻き上げ装置１に対する運動方程式は次のとおり。

チェーン巻き上げ装置１の運転で望まれる緩衝付きシステムと比較して、上記運動方程式では、緩衝付きシステムで一般的である項ｃｙ′_mが欠けている。本発明においてはエレクトロニクスによる緩衝力Ｆ_Dによりこの項を実現している。必要な緩衝力Ｆ_Dは、エレクトロニクスダンパー８でそれぞれの実際の角度位置Ψ_radを連続的にセンサーで把握することにより経路変動量ｙ_polから調べる。

エレクトロニクスダンパー８により緩衝するチェーン巻き上げ装置１に対する運動方程式は次式のとおりである。

微分方程式ｙ″_mを解くことにより、質量ｍに関する速度変動量ｙ′_mが次式により得られる。

チェーンホイール４の範囲での速度変動量ｙ′_polの方程式を質量ｍの範囲での速度変動量ｙ′_mの方程式と比較することにより、緩衝コントロール量はＶ₁、Ｖ₂だけ強化され、φ₁、φ₂だけ位相がずれた修正信号であるということが得られる。Ｖ₁、Ｖ₂およびφ₁、φ₂の大きさは微分方程式を解くことにより決めることができる。Ｖ₁、Ｖ₂およびφ₁、φ₂の大きさを簡単に変えることができ、これによりチェーン装置における慣性またはガタによって決まる無駄時間を考慮することが簡単にできる。それによりエレクトロニクスダンパー８をチェーン装置１の現状に簡単に最適化することができる。緩衝コントロール量を最適に設定しないと共振振動は充分に緩衝されず、具合の悪い場合には寧ろ大きくなる。

調べた緩衝コントロール量はエレクトロニクスダンパー８に送られ、多角形効果に反対に働き大きくなるチェーンホイール４の回転数変化に作用する。このために、エレクトロニクスダンパー８には第一インプット量としての必要回転数ｎ_sollが与えられる。別のインプット量の役割をするのはチェーンホイール４の現在角度Ψ_radであるが、それは前述の実施例ではチェーンホイール４、場合によってはモータ２あるいはギア３のところでパルス発生器９の形式でセンサーを通じて把握する。パルス発生器９は光学、磁気、またはインダクションであっても良く、それによりチェーンホイール４の回転あたり少なくとも一つの角度同期したパルスを発生する。そして、瞬間的な角度位置Ψ_radは前後して続く二つのパルス間で補完することにより決められる。基本的には、別の好ましくは、例えばモータ２の電流、チェーン速度またはチェーン力のような簡単に把握できる量により多角形効果を決めることも可能である。

エレクトロニクスダンパー８は前述の実施例では前制御要素として構成しており、現在角度Ψ_radの第二インプット量を高次の数学的関数ｙ′_m（Ψ_rad）により必要回転数ｎ_sollの第一インプット量のための修正値に換算し、合計ポイントにおいて必要回転数ｎ_sollと重ねあわせる。それによりアウトプット量として、エレクトロニクスダンパー８は再び電力供給ユニット７用のインプット量としての必要量ｎ^* _sollを出す。

エレクトロニクスダンパー８を状況制御器として構成し、それにより前述の前制御要素付き制御回路に対比してクローズの制御回路を形成することも可能である。

加えて、モータ電流、チェーン速度またはチェーン力をエレクトロニクスダンパー８にフィードバックすることにより、緩衝コントロール量の最適化が達成される。この測定可能な量は与えた共振により対応する重なった振動を受け、それによりまだ存在する共振ないしは残留共振への逆推論ができる。そして、これを前提にエレクトロニクスダンパー８の緩衝コントロール量ｙ′_mを最適化することができる。

簡単にしたエレクトロニクスダンパー８の実施例において容易にチェーン速度を調整することができるので、速度を変更することにより危険な励起が防がれる。それにより、励起周波数を絶えず変えることにより、チェーン巻き上げ装置１の励起設定に狙いをつけて反対に作用させる。また、一定の荷重体６の場合に速度前制御を使って、経路によってチェーン速度とプログラム可能な速度マスターを重ね合わせることも可能であり、それにより共振を防ぐ。

また、上述したモータ電流、チェーン速度またはチェーン力をエレクトロニクスダンパー８へフィードバックすることにより共振位置を固定することができ、あるいは公知の荷重体６では速度に依存してチェーン巻き上げ装置１のシステム量から決めることができるので、共振位置に近づくことを決めるためにはチェーン巻き上げ装置での位置把握で充分である。

図２は、従来技術によるチェーン巻き上げ装置における多角形励起のチェーン振動の力・時間グラフである。これと対比して図３は、本発明によるチェーン巻き上げ装置における多角形励起のチェーン振動の力・時間グラフである。テスト的に荷重体６の引き上げを行っている横軸に示した０から約１１秒までの時間に亘って、縦軸に記載された最大約±７００Ｎのチェーン力強度（図２）は、本発明によるエレクトロニクスダンパー８により約±７０Ｎ（図３）に減少できることが分かる。これにより、チェーンの静粛な運転およびチェーン巻き上げ装置の少ない荷重増大が達成される。

本発明に従って構成したエレクトロニクスダンパー付きのチェーン巻き上げ装置のブロック図である。 従来技術によるチェーンの多角形励起チェーン振動を示す力・時間グラフである。 本発明によるチェーンの多角形励起チェーン振動を示す力・時間グラフである。

符号の説明

１ チェーン巻き上げ装置
２ モータ
３ ギア
４ チェーンホイール
５ 円環チェーン
６ 荷重体
７ 電力供給ユニット
８ エレクトロニクスダンパー
９ パルス発生器
Ψ_rad 現状角度
ｎ_soll 規定回転数
ｎ^* _soll 緩衝コントロール量

Claims (8)

1. 不均等形状分割した多角形のチェーンホイールにより円環チェーンを案内しモータで駆動するチェーン巻き上げ装置の円環チェーンを静粛に走行させるための、殊に円環チェーンの共振形成を防ぐための方法であって、
   チェーンホイール（４）の速度に緩衝コントロール量を重ね合わせ、共振形成を防ぐように緩衝コントロール量をチェーン速度変化に働かせ、
   共振の作用をセンサーにより把握し必要に応じて緩衝コントロール量を変えることにより、前記緩衝コントロール量が、増幅されかつ位相がずれた修正信号であること、
   を特徴とする方法。
2. エレクトロニクスダンパー（８）を通じてモータ（２）を制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. エレクトロニクスダンパー（８）に第一インプット量としてチェーンホイール（４）の必要回転数（ｎ_soll）、そして第二インプット量としてチェーンホイール（４）の現在回転角度（Ψ_rad）を与え、そしてエレクトロニクスダンパー（８）で両方のインプット量から緩衝された回転数（ｎ^* _soll）の形態でモータ（２）に伝えられる緩衝コントロール量を計算するようにしていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 緩衝コントロール量として荷重体（６）の速度変動量（ｙ′_m）に比例しセンサーで把握した現在回転角度（Ψ_rad）から計算される緩衝力（Ｆ_D）をエレクトロニクスダンパー（８）で計算することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の方法を実施するために多角形のチェーンホイール上で案内されるチェーンとチェーンホイールに働くモータの付いたチェーン巻き上げ装置であって、
   円環チェーン（５）の共振形成を抑えるようにモータ（２）制御に作用するエレクトロニクスダンパー（８）をモータ（２）の前に接続すること、を特徴とするチェーン巻き上げ装置。
6. エレクトロニクスダンパー（８）に第一インプット量としてチェーンホイール（４）の必要回転数（ｎ_soll）、そして第二インプット量としてチェーンホイール（４）の現在回転角度（Ψ_rad）を関連付けていることを特徴とする、請求項５に記載のチェーン巻き上げ装置。
7. 現在回転角度（Ψ_rad）をパルス的に調べるためにパルス発生器（９）の形でセンサーをチェーンホイール（４）に配置していることを特徴とする、請求項５または６に記載のチェーン巻き上げ装置。
8. エレクトロニクスダンパー（８）を前制御要素として構成していることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一つに記載のチェーン巻き上げ装置。

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