JP4980122B2 - 被駆動装置の回転速度の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気継手を用いたポンプやファンなどの被駆動装置の回転速度の制御方法に関する。

例えば鋼材の圧延処理を行う設備には、例えば加熱炉のバーナーに燃焼ガスに混合する空気を供給する送風ファンが設けられている。従来、バーナーに送風される空気量は、モータにより送風ファンを最大速度で回転させた状態で、バーナーとの間の流路に設けられた流量調節弁により調整していた。この場合、空気の供給量が少ない場合でも、送風ファンを最大速度で回転させているため、無駄な電力を消費し、ランニングコストが高くなる。そこで、空気の供給量に応じて送風ファンの回転速度を制御して、送風ファンの省電力を図ることが望ましい。そのために、例えば送風ファンとモータとの間に、送風ファンの回転速度を制御可能な磁気継手を接続することが提案できる。

この磁気継手は、例えば非磁性導体板及び磁性板からなる回転板と、磁石板を有し、磁石板と回転板が非接触で対向配置されている。そして、例えば磁石板の回転により磁気的作用で回転板が回転して、動力を伝達することができる。この磁気継手は、通常の機械的な継手に比べてエネルギー効率がよい。また動力が非接触で伝達されるので、負荷側に振動が伝達せずに、寿命も長い。そして、磁気継手は、回転板と磁石板との距離を調整することによって、伝達される動力が可変となり、負荷側の回転速度を制御できる（特許文献１参照）。

特開平５−２５２８００号公報

しかしながら、上述のように磁気継手を用いた場合、回転板と磁石板との距離を所定の距離に設定しても、実際の回転速度が厳密に目標回転速度にならずにばらつくことがあった。これは、磁気継手の磁気的或いは機械的な要因により、回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合と回転速度を下降させて目標回転速度にする場合とで、回転板と磁石板との距離と回転速度との関係が異なる、いわゆるヒステリシス現象が生じるためであると考えられる。発明者により実際に磁気継手の運転試験を行って調べたところ、図６に示すようなヒステリシスが確認された。

このため、単に磁気継手を送風ファンなどの回転速度の制御に用いると、厳密に送風ファンの回転速度を制御することができなくなる。この結果、例えば加熱炉における加熱温度が厳格に制御されず、鋼材の材質にばらつきが生じることになる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、磁気継手を用いた動力伝達装置において送風ファンなどの被駆動装置の回転速度を厳密に制御することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明によれば、回転可能な磁石板と、その磁石板に非接触で対向配置され当該磁石板との間の磁気の作用により回転可能な回転板を備えた磁気継手を有し、その磁気継手の磁石板と回転板の一方が駆動源に接続され、他方が被駆動装置に接続されて、磁気継手を介して前記駆動源の回転動力を被駆動装置に伝達する動力伝達装置において、磁気継手の回転板と磁石板の間の距離を調整することにより、被駆動装置の回転速度を制御する方法であって、被駆動装置の回転速度を上昇させたときのその回転速度と、前記回転板と磁石板の距離との相関関係と、被駆動装置の回転速度を下降させたときのその回転速度と、前記回転板と磁石板の距離との相関関係を各々求め、前記相関関係に基づいて、被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合と、被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合とで、前記回転板と磁石板の距離を個別に設定することを特徴とする。

本発明によれば、被駆動装置の回転速度の上昇時と下降時において、回転板と磁石板の距離と回転速度の関係にヒステリシスがある場合であっても、被駆動装置の回転速度を厳格に制御することができる。

上記被駆動装置の回転速度の制御方法において、同じ目標回転速度における、被駆動装置の回転速度を上昇させたときの前記回転板と磁石板の距離と前記回転速度を下降させたときの前記回転板と磁石板の距離との差を求めておき、被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合に、被駆動装置の回転速度を上昇させた場合の前記回転板と磁石板の設定距離を前記差分補正して、前記回転板と磁石板の距離を求めるようにしてもよい。

上記被駆動装置の回転速度の制御方法において、同じ目標回転速度における、被駆動装置の回転速度を上昇させたときの前記回転板と磁石板の距離と前記回転速度を下降させたときの前記回転板と磁石板の距離との差を求めておき、被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合に、被駆動装置の回転速度を下降させた場合の前記回転板と磁石板の設定距離を前記差分補正して、前記回転板と磁石板の距離を求めるようにしてもよい。

上記被駆動装置の回転速度の制御方法において、被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合には、一旦目標回転速度より高い回転速度に設定し、その後目標回転速度に設定し、被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合には、一旦目標回転速度よりも低い回転速度に設定し、その後目標回転速度に設定するようにしてもよい。

本発明によれば、磁気継手を用いた動力伝達装置において、被駆動装置の回転速度を厳密に制御できるので、被駆動装置の回転を用いた例えば鋼材の加熱処理等を適正に行うことができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる被駆動装置の回転速度の制御が行われる動力伝達装置１の構成の概略を示す模式図である。

動力伝達装置１は、例えば駆動源としてのモータ１０と、被駆動装置（負荷体）としての送風ファン１１と、そのモータ１０と送風ファン１１を接続する磁気継手１２を有している。

送風ファン１１は、例えば鋼材の圧延設備において加熱炉のバーナーに空気を供給するために用いられる。なお、送風ファン１１の用途はこれに限定されるものではない。

磁気継手１２は、非磁性導体である例えば銅円板２０と磁性体である鉄円板２１からなる回転板２２と、永久磁石板２３を有している。回転板２２の銅円板２０と鉄円板２１は重ねられ、一体化している。永久磁石板２３は、回転板２２の銅円板２０に対向配置され、永久磁石板２３と回転板２２との間には、距離Ｄの空間が形成されている。回転板２２を回転させることにより、磁気の作用で回転板２２の銅円板２０内に渦電流が生じ、電磁力により永久磁石板２３を回転させることができる。そして、永久磁石板２３と回転板２２との距離Ｄを変えることにより、例えば原動側である回転板２２の回転速度に対し、従動側である永久磁石板２３の回転速度を変えることができる。

例えば回転板２２は、軸３０によってモータ１０に接続され、永久磁石板２３は、軸３１によって送風ファン１１に接続されている。

例えば軸３１には、永久磁石板２３を軸方向に進退させるアクチュエータなどの駆動部４０が設けられている。これにより、永久磁石板２３と回転板２２の距離Ｄを調整できる。

駆動部４０の動作は、制御部５０により制御されている。制御部５０は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータにより構成され、例えばメモリに記憶されたプログラムを実行することによって、駆動部４０の動作を制御して、送風ファン１１の回転速度が目標回転速度になるように距離Ｄを調整できる。

次に、以上のように構成された動力伝達装置１で行われる送風ファン１１の回転速度の制御について説明する。

先ず、送風ファン１１の回転速度を上昇させたときの、その回転速度と距離Ｄとの相関関係と、送風ファン１１の回転速度を下降させたときの、その回転速度と距離Ｄとの相関関係を求める。これは、例えば動力伝達装置１の運転試験時などに予め求められる。これにより、例えば図２に示すように上昇時と下降時で異なる回転速度と距離Ｄとの相関曲線Ａ、Ｂが求められる。

次に、相関曲線Ａ、Ｂに基づいて、例えば同一回転速度における上昇時の距離Ｄと下降時の距離Ｄの差Ｃが求められる。この差Ｃは、目標回転速度となり得る複数の回転速度について求められてもよいし、相関曲線Ａと相関曲線Ｂから総ての回転速度について求めてもよい。なお、例えば相関曲線Ａ、Ｂ及び差Ｃの各データは、例えば制御部５０に入力され、記憶される。

そして、動力伝達装置１において送風ファン１１の回転速度を所望の目的回転速度に変更する際には、例えば図２に示したように送風ファン１１の回転速度を現状の回転速度から上昇させて目標回転速度Ｅにする場合には、回転速度を上昇させた場合の相関曲線Ａから目標回転速度Ｅに対応する距離Ｄ１が求められる。また、送風ファン１１の回転速度を現状の回転速度から下降させて目標回転速度Ｅにする場合には、上昇させた場合の相関曲線Ａに基づいて距離Ｄ１が求められ、その距離Ｄ１に回転速度Ｅにおける差Ｃを加えて補正して、目標回転速度Ｅになる距離Ｄ２が求められる。なお、これらの設定距離Ｄの算出は、例えば制御部５０により行われる。

そして、設定距離Ｄが求められると、例えば制御部５０の指令により、駆動部４０によって永久磁石板２３が移動され、永久磁石板２３と回転板２２の距離が設定距離Ｄに設定される。こうして、送風ファン１１の回転速度が目標回転速度Ｅに設定される。

以上の実施の形態によれば、送風ファン１１の回転速度を上昇させるときのその回転速度と距離Ｄとの相関曲線Ａと、送風ファン１１の回転速度を下降させるときのその回転速度と距離Ｄとの相関曲線Ｂを予め求めておき、当該相関曲線Ａ、Ｂに基づいて、送風ファン１１の回転速度を上昇させて目標回転速度Ｅにする場合と、送風ファン１１の回転速度を下降させて目標回転速度Ｅにする場合とで、永久磁石板２３と回転板２２の距離Ｄを個別に設定した。こうすることにより、上昇時と下降時の回転速度と設定距離Ｄとの関係にヒステリシスがある場合であっても、送風ファン１１の回転速度を厳格に制御することができる。したがって、例えば送風ファン１１による加熱炉のバーナーへの空気供給量が厳格に制御され、加熱炉における加熱温度を厳密に制御できるので、所望の材質の鋼材を製造できる。

なお、以上の実施の形態において、相関曲線Ａ、Ｂは回転速度と距離Ｄの相関であったが、実質的に距離Ｄを示すものであれば、距離Ｄの代わりに例えば駆動部４０の駆動電圧値などで表されてもよい。

また、上記実施の形態では、同じ回転速度における、送風ファン１１の回転速度を上昇させたときの距離Ｄと回転速度を下降させたときの距離Ｄとの差Ｃを求めておき、送風ファン１１の回転速度を下降させて目標回転速度Ｅにする場合には、送風ファン１１の回転速度を上昇させた場合の設定距離Ｄ１に差Ｃを加えて距離Ｄ２を求めるようにした。また、送風ファン１１の回転速度を上昇させて目標回転速度Ｅにする場合には、設定距離Ｄ１がそのまま用いられる。こうすることにより、例えば回転速度を制御する際に、回転速度を上昇させる場合の片方の相関曲線Ａを基準に距離Ｄ１と距離Ｄ２の両方を算出できるので、距離Ｄの算出をより簡単に行うことができる。

なお、上記実施の形態では、送風ファン１１の回転速度を下降させて目標回転速度Ｅにする場合に、送風ファン１１の回転速度を上昇させた場合の設定距離Ｄ１から距離Ｄ２を求めるようにしていたが、逆に送風ファン１１の回転速度を上昇させて目標回転速度Ｅにする場合に、送風ファン１１の回転速度を下降させた場合の設定距離Ｄ２から距離Ｄ１を求めるようにしてもよい。この場合、設定距離Ｄ２から同じ目標回転速度Ｅの差Ｃを引いて距離Ｄ１が求められる。また、この例において送風ファン１１の回転速度を下降させて目標回転速度Ｅにする場合には、設定距離Ｄ２がそのまま用いられる。かかる場合も、回転速度を制御する際に、回転速度を下降させるときの片方の相関曲線Ｂを基準に、距離Ｄ１と距離Ｄ２を算出できるので、距離Ｄの算出をより簡単に行うことができる。

図３は、送風ファン１１の回転速度の設定を例えば４００ｒｐｍから７００ｒｐｍに変更した場合の回転速度の変動曲線を示す。このグラフから分かるように、回転速度が７００ｒｐｍに安定するまでに１０秒以上要している。このように回転速度の変更に時間がかかると、その間送風ファン１１が適正な回転速度で回転されず、例えば加熱炉における鋼材の熱処理を行うことができない。

そこで、以上の実施の形態において、送風ファン１１の回転速度を上昇させて目標回転速度Ｅにする場合には、一旦目標回転速度Ｅより高い回転速度に設定し、その後目標回転速度Ｅに設定するようにしてもよい。また、送風ファン１１の回転速度を下降させて目標回転速度Ｅにする場合には、一旦目標回転速度Ｅよりも低い回転速度に設定し、その後目標回転速度Ｅに設定するようにしてもよい。

例えば図４に示すように送風ファン１１の回転速度を現状の回転速度Ｆからそれより高い目標回転速度Ｅに変更する場合には、回転速度の設定が一旦目標回転速度Ｅよりも高い回転速度Ｈに上げられる。この回転速度Ｈは、例えば目標回転速度Ｅと現状の回転速度Ｆとの差の５％〜３０％目標回転速度Ｅよりも高い速度に定められる。例えば現状の回転速度Ｆが４００ｒｐｍで、目標回転速度Ｅが７００ｒｐｍの場合、回転速度Ｈは、７００ｒｐｍ＋３００ｒｐｍ×（０．０５〜０．３０）の７１５ｒｐｍ〜７９０ｒｐｍ程度に定められる。その後、回転速度Ｈの設定が所定時間好ましくは２〜１０秒程度維持され、その後回転速度の設定が目標回転速度Ｅに戻される。

また、図５に示すように送風ファン１１の回転速度を現状の回転速度Ｆからそれより低い目標回転速度Ｅに変更する場合には、回転速度の設定が目標回転速度Ｅよりも低い回転速度Ｌに下げられ、その後目標回転速度Ｅに戻される。回転速度Ｌは、例えば目標回転速度Ｅと現状の回転速度Ｆとの差の５％〜３０％目標回転速度Ｅよりも低い速度に定められる。また、回転速度Ｌの設定時間は、２〜１０秒程度が好ましい。

この例によれば、送風ファン１１の回転速度がより早く目標回転速度Ｅに安定するので、例えば送風ファン１１による空気供給量が早期に安定し、例えば加熱炉における加熱温度の変更を短時間で行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、上記実施の形態では、磁気継手１２の回転板２２にモータ１０が接続され、永久磁石板２３に送風ファン１１が接続されていたが、逆に回転板２２に送風ファン１１が接続され、永久磁石板２３にモータ１０が接続されていてもよい。また、被駆動装置は、送風ファンに限られず、圧延ロールの冷却などに用いられるポンプや集塵機であってもよい。

本発明は、磁気継手を用いた動力伝達装置において被駆動装置の回転速度を厳密に制御する際に有用である。

動力伝達装置の構成の概略を示す模式図である。 回転速度を上昇させる場合と下降させる場合の、回転板と永久磁石板の距離と回転速度との相関曲線を示すグラフである。 回転速度の設定変更時の回転速度の変動を示すグラフである。 回転速度を上げる場合の回転速度の設定例を示す説明図である。 回転速度を下げる場合の回転速度の設定例を示す説明図である。 回転速度を上昇させる場合と下降させる場合の回転板と磁石板の距離と回転速度との関係についてのヒステリシスを示すグラフである。

符号の説明

１ 動力伝達装置
１０ モータ
１１ 送風ファン
１２ 磁気継手
２２ 回転板
２３ 永久磁石板
Ｄ 回転板と永久磁石板の距離
Ｅ 目標回転速度

Claims (4)

1. 回転可能な磁石板と、その磁石板に非接触で対向配置され当該磁石板との間の磁気の作用により回転可能な回転板を備えた磁気継手を有し、その磁気継手の磁石板と回転板の一方が駆動源に接続され、他方が被駆動装置に接続されて、磁気継手を介して前記駆動源の回転動力を被駆動装置に伝達する動力伝達装置において、磁気継手の回転板と磁石板の間の距離を調整することにより、被駆動装置の回転速度を制御する方法であって、
   被駆動装置の回転速度を上昇させたときのその回転速度と、前記回転板と磁石板の距離との相関関係と、被駆動装置の回転速度を下降させたときのその回転速度と、前記回転板と磁石板の距離との相関関係を各々求め、
   前記相関関係に基づいて、被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合と、被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合とで、前記回転板と磁石板の距離を個別に設定することを特徴とする、被駆動装置の回転速度の制御方法。
2. 同じ目標回転速度における、被駆動装置の回転速度を上昇させたときの前記回転板と磁石板の距離と前記回転速度を下降させたときの前記回転板と磁石板の距離との差を求めておき、
   被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合に、被駆動装置の回転速度を上昇させた場合の前記回転板と磁石板の設定距離を前記差分補正して、前記回転板と磁石板の距離を求めることを特徴とする、請求項１に記載の被駆動装置の回転速度の制御方法。
3. 同じ目標回転速度における、被駆動装置の回転速度を上昇させたときの前記回転板と磁石板の距離と前記回転速度を下降させたときの前記回転板と磁石板の距離との差を求めておき、
   被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合に、被駆動装置の回転速度を下降させた場合の前記回転板と磁石板の設定距離を前記差分補正して、前記回転板と磁石板の距離を求めることを特徴とする、請求項１に記載の被駆動装置の回転速度の制御方法。
4. 被駆動装置の回転速度を上昇させて目標回転速度にする場合には、一旦目標回転速度より高い回転速度に設定し、その後目標回転速度に設定し、
   被駆動装置の回転速度を下降させて目標回転速度にする場合には、一旦目標回転速度よりも低い回転速度に設定し、その後目標回転速度に設定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか記載の被駆動装置の回転速度の制御方法。

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