JP5566464B2 - 電磁ブレーキを有する輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提要件部による特徴を有する輸送システムに関する。

従来技術から人又は物を第１の高さレベルから第２の高さレベルへ運ぶことができる種々の輸送システムが知られている。エレベータ又はクレーンは、純粋に垂直方向の移動経路を持つ。これに対して、例えばアプト式鉄道のような登山鉄道は、高低差を克服する際にかなりの水平距離も移動する。純粋に垂直方向の移動経路も、前述の高低差を克服すべく有限な勾配（但し、主目的が上述の高低差の克服にある有限な勾配）を有する移動経路も、本出願では、「本質的に垂直方向の移動経路」なる概念に包含される。

上述の輸送システムの大部分は、現在、回転動作をする電動機と鋼索システムとを装備しており、鋼索システムによって電動機の回転運動が相応の輸送装置の並進運動に変換される。この種のシステムは、構造的にかなり複雑であり、嵩張ったものとなる。

これに対して、同期リニアモータを有する乗客輸送システムが、特許文献１から公知である。このような乗客輸送システムを簡単にかつ低コストで構成するために、ここでは次のことが提案されている。即ち、乗客輸送システムは、駆動のためにラック形の永久磁石なしの２次側部分を有する同期リニアモータを装備しており、その同期リニアモータの１次側部分が、乗客輸送を可能にする輸送装置に取り付けられている。その１次側部分は、磁界を発生するためのコイルおよび永久磁石を含み、これらの磁界が、リニアモータ、従って輸送装置を推進するために相互作用をする。２次側部分は、永久磁石なしであり、従って汚れに対して頑強となっている。この種のリニアモータはシステム上の制約により、ショートステータモータとして実施されている。前記の特許文献１ならびに本出願全体においては、リニアモータにおけるステータなる概念は、そのステータが移動するかそれとも静止しているかに関係なく、電機子電流を流し得る要素のことを意味する。この種のリニアモータは、永久磁石が二次側部分に配置されている通常のリニアモータに比べて、明らかに低コストである。このコスト上の利点は、特に、２次側部分に大きな空間的な広がりが要求される長い移動経路の場合に顕著である。

リニアモータ駆動される輸送システムの場合には、回転形システムの場合に必要とされる鋼索駆動装置を省略できることによって、鋼索駆動装置に部分的に結合される運転・安全制動装置も、必然的に不要となる。

独国特許出願公開第１０２００５０１７５００号明細書

本発明の本質的な課題は、リニアモータによって駆動される輸送システムの運転安全性を高めることにある。

この課題は、請求項１による特徴を有する輸送システムによって解決される。それに基づいて、輸送システムは、
ほぼ垂直方向の移動経路に沿って移動可能である輸送装置と、
その輸送装置に配置された１次側部分および前記移動経路に沿って配置された２次側部分を有するリニアモータとを含み、
１次側部分が１次巻線と少なくとも１つの永久磁石とを有し、
２次側部分が前記移動経路の方向に交互に配置された溝部および歯部を含む形状を有し、
制動巻線が前記永久磁石との相互作用によって前記輸送装置を制動するための制動力を発生し得るように、２次側部分に当該制動巻線が配置されている。

有利な実施形態は、従属請求項に記載されているとおりである。

本発明は、永久磁石励磁式モータにおいても存在する巻線を短絡することで、外部エネルギを供給することなしに制動力を発生させ得るという、永久磁石励磁式モータの特性を有効に利用する。通常運転時に可能な限り高い電気効率を得るために、従来の永久磁石励磁モータの巻線は、巻線短絡によって引き起こされる制動力がモータの最大推力の約１／５〜１／３しか達しないように設計されている。これは、回転動作形のモータにも、またここでの関心の的であるリニアモータにも当てはまる。輸送装置がほぼ垂直方向の移動経路に沿って移動可能である輸送システムのための駆動システムの経済的な設計の場合には、この制動力は一般的に十分でない。このことは、純粋に垂直方向の移動経路を持つエベレータの場合に特に当てはまる。

本発明による輸送システム内の駆動装置のために用意するリニアモータの２次側部分は、ラック形状を有する。この２次側部分は、永久磁石なしに構成され、かつ鉄損低減のために互いに電気的に絶縁された個別の電磁鋼板から構成されていることが好ましい。永久磁石励磁の１次側部分が移動する際に、２次側部分に交流磁束が生じる。

この交流磁束は、輸送システムが完全な停電の影響下にあるときにも生じる。何故ならば１次側部分に配置された永久磁石は励磁磁界を発生するための電源を必要としないからである。このような停電は故障であり、その際の人的損害および／又は物的損害を回避するために、輸送装置は制動されなければならない。本発明によれば、これは２次側部分に制動巻線が次のように配置されていることによって実現される。即ち、自重および積載重量に基づいて下方に向けられた輸送装置の移動中に永久磁石の磁界が前述の制動巻線中に電圧を誘起するように配置されていることによって、実現される。制動巻線が電気的に短絡されるか、又は他の方法で活性化されると、誘起電圧が循環電流（渦電流）を発生させ、それが誘起電圧の原因に対抗するように、即ち輸送装置の下降移動に対抗するように作用する。このようにして、渦電流ブレーキのような制動力が発生し、しかもそれは完全に駆動装置のエネルギ供給とは関係なく発生する。従って、制動巻線によって電磁的な方法にて所望の制動力が発生させられ、その制動力により、故障時（例えば停電時）における輸送装置の無制御の落下が回避される。

２次側部分に配置された制動巻線は、リニアモータの駆動のためには全く使用されない付加的なモータ構成要素である。従って、１次巻線および永久磁石は、制動巻線に全く関係なく、最適なモータ運転を考慮して例えば高い効率又は１次側部分の最小重量に関して設計することができる。

２次側部分のラック状の形状は、本発明の好ましい実施形態において、制動巻線が２次側部分の少なくとも幾つかの歯部の上に個別の歯コイル又は直列接続された歯コイルの形で配置されている非常に簡単な構造を可能にする。歯コイルは、通常の多相ステータ巻線のように星形又は三角形に結線してもよく、それによって、具体的な既存設備において、制動巻線の接続のための配線費用が低減可能である。

リニアモータが制動運転中でない場合には、望まれない制動力を発生させないように、制動巻線は開路状態で運転されなければならない。本発明の有利な実施形態では、制動運転に切り替えるために、輸送システムは、制動巻線を短絡するための又は制動巻線をコンデンサに接続するための開閉器を含んでおり、特に、そのコンデンサには、並列又は直列に制動抵抗器が配置されている。この場合、開閉器は、輸送システムの無電流状態において制動巻線が短絡されているように、又はコンデンサ若しくはコンデンサと制動抵抗器との並列又は直列回路に接続されているように、構成されていることが好ましい。これによって、如何なる故障時にも、リニアモータが「制動」運転状態へ移行することが保証される。例えば、輸送システムが完全に電源を喪失した際に、開閉器の上述の構成によって、短絡された制動巻線又はコンデンサ若しくはコンデンサと制動抵抗器との並列又は直列回路に接続された制動巻線の制動力が常に存在し、これにより、輸送装置が無制御で自重又は積載重量によって下方に落下しないことを保証することができる。

開閉器が故障時に閉路されるや否や、制動巻線は、速度に依存した制動力を発生する。この制動力は、力−速度特性曲線に従う。この力−速度特性曲線は、制動システムの適切な設計によって、輸送装置ができるだけ制御されて緩やかに減速するように構成されていることが好ましい。例えば、最適な制動特性曲線を得るためには、輸送装置の所望の速度においてコンデンサが制動巻線のインダクタンスと共に共振周波数を形成するように、そのコンデンサの選定を行なうことが有利である。この種の好ましいコンデンサ選定を行なった場合には、その速度において制動巻線およびそのコンデンサのインピーダンスが互いにちょうど打ち消し合うので、コンデンサおよび制動抵抗器に接続された制動巻線の交流インピーダンスは、ただ制動抵抗器だけによって決まる。この運転状態においては、誘導電圧の全体が制動抵抗器に印加される。従って、制動抵抗器において最大のエネルギが熱に変換される。

本発明による電磁制動システムは、その作用を１次側部分の移動時にのみ発揮する。何故ならば、１次側部分の移動時にのみ制動巻線中に誘導作用が発生するからである。従って輸送システムは、緩衝要素によって輸送装置を完全停止状態まで機械的に制動するように構成され、かつその緩衝要素は、前記の本質的に垂直方向の移動経路における、下端に配置されていることが好ましい。本発明のこの有利な実施形態の場合には、輸送装置が常に移動経路の下端位置において停止状態となる。これは、例えばエレベータ、特に乗用エレベータとして構成されている輸送システムの場合に格別に有利である。何故ならば、この場合には乗客は常に最下階における規定個所で降りることができるからである。従来技術から公知の乗用エレベータの場合には、乗客室が故障時に一般にシャトル内の任意の位置に止まるので、乗客が降りることができるのは、サービスマンが乗客室をエレベータドアまで移動させたときだけである。

本発明による電磁ブレーキは、受動的に、無接触で、確実に、摩耗のないかつメンテナンスフリーにて動作し、従って、安全性関連課題に関して傑出している。制動システムは、非常に頑強な高信頼性の２つのハードウェア構成要素だけから、即ち固定の巻線である制動巻線と、無電流状態で閉路される短絡開閉器とだけから構成されているとよい。更に、この種の制動システムの有効性は、常に自動的に摩耗なしに正規のエレベータ運転中に、例えば空走行時に、検査および検証することができる

以下において図示の実施例に基づいて本発明を更に詳細に記載して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に従って構成されたエレベータシステムの概略図を示す。 図２は、本発明の一実施形態による輸送システムの輸送装置の下降速度に対する制動力の依存性を示す。 図３は、本発明による他の実施形態に従って構成された他のエレベータシステムの概略図を示す。

図１は、本発明の一実施形態に従って構成されたエレベータシステムの概略図を示す。この特別な輸送システムは、乗客輸送室として構成されている輸送装置１を含む。この輸送装置１には、リニアモータの１次側部分２が配置されている。それに付加される２次側部分３は、エレベータシャフト内に設けられている。２次側部分３は、この特別な用途においては、純粋に垂直方向の移動経路に沿って配置されている。２次側部分３は、ラック構造を有する。即ち、歯部６と、それぞれ２つの歯部６の間に配置されている溝部とが、移動経路に沿って見ると交互に現れるようになっている。２次側部分３は、２次側部分３における鉄損をできるだけ少なくするために、電気的に互いに絶縁された個別の電磁鋼板から構成されている。更に、２次側部分３は、完全に永久磁石なしに構成されている。推力を発生するための磁界は、唯一かつ単独に、１次側部分２によって発生させられる。

このために１次側部分２は、同様に歯コイルの形で実施されていて、その１次側部分２の歯部の上に取り付けられている１次巻線４を含む。１次側部分２の各歯部の中心には、永久磁石５がある。これらの永久磁石５は、それぞれ各歯コイルのコイル軸線に沿って配置されている。モータ原理は、永久磁石５の「励磁磁界」と、通電される１次巻線４の「電機子磁界」とに基づいており、それら両者と２次側部分の歯の付いた構造との相互作用によって、リニアモータの磁気的な推力が発生する。

如何なる永久磁石も２次側部分３の内部には配置されていないことによって、図示のリニアモータは、環境の及ぼす影響に対して格別に頑強である。２次側部分３が、空間的に長い距離に亘って、つまり全移動経路に沿って延在しているので、従来の永久磁石が２次側部分３に配置されていて１次側部分２には１次巻線４のコイルだけが配置されているリニアモータの２次側部分よりも、遥かに低コストで製造することができる。

リニアモータによって、特に故障時にも制動作用を得ることを可能にするために、その２次側部分３には、制動巻線７が取り付けられている。それは、２次側部分３の歯部６に装着された個別の歯コイルからなる。歯コイル７は、個別に又は直列に接続され、若しくは複数グループで直列に接続されている。歯コイルのこの直列回路内には、要素装置１を制動するためにのみ接続されている開閉器８が存在する。輸送装置１の障害のない運転中には、制動巻線７の歯コイルは開路状態にある。

開閉器８は、能動的に開路されなければならず、従ってまた、無電流状態では閉路されるように構成されている。これによって、例えば停電時には制動巻線７が如何なる場合にも短絡され、従って、輸送装置１は無制御に落下し得ないことが保証される。

輸送装置１が制動巻線７によって制動されなければならないときには、開閉器８が閉路される。永久磁石５は、輸送装置１の下降速度およびそれに伴う１次側部分の並進運動に対応した電圧を制動巻線７中に誘起する。これによって制動巻線７中に電流が誘導され、その電流が磁界を発生し、その磁界が永久磁石５の磁界と相互作用する。この相互作用は、その原因、即ち輸送装置１の下降速度に反抗するように構成されている。換言するならば、制動巻線７の磁界が、輸送装置１を制動する。

しかし、上述の電磁制動作用は、当然に、輸送装置１が移動中であるときにのみ発生する。輸送装置１の停止状態への最終的な制動のために、図示の輸送システムは、更にここには図示されていない緩衝要素を含み、その緩衝要素が輸送装置を完全停止状態まで機械的に制動する。これらの緩衝要素は、移動経路の下部領域、即ちエレベータシャフトの下端に配置される。

図２は、本発明の一実施形態による輸送システムの輸送装置の下降速度Ｖ_Bへの制動力Ｆ_Bの依存性を示す。制動巻線の制動最適化のための設計および接続構成によって、必要な制動力若しくは必要な制動特性曲線Ｆ（Ｖ）を達成し、それを負荷に関係なく常に一定の規定下降速度で以て輸送装置の危険のない緩やかな下降が保証されるように、調整することができる。所望の下降速度を達成するための制動巻線の設計は、所望の推力を発生させるためのリニアモータの設計に全く依存しない。それゆえ、リニアモータを最適な効率に調整すると同時に所望の制動力に関して最適化することができる。

図３は、本発明の他の実施形態に従って構成された、他のエレベータシステムの概略図を示す。図１の構成要素と対応する構成要素には、矛盾なく同じ符号が付されている。

使用されるリニアモータのモータ原理およびその配置は、図１のそれに対応する。図１とは異なり、２次側部分３が、互いに直列接続された４つの統一的な縦モジュールから構成されている。各縦モジュールは、制動巻線７を有する。各縦モジュールは、所望の速度−制動力特性曲線が達成されるように設計されている。このようにして一度設計されたシステムは、モジュール構成として種々のシャトル長に利用することができ、その制動力の展開は、シャトル長に関係なく、同一の力−速度特性曲線に従うこととなる。

各縦モジュールは、開閉器８を含んでおり、この開閉器８は、コンデンサ９と制動抵抗器１０とからなる直列回路に付属の制動巻線７を接続することを可能にする。エレベータシステムの通常運転時には、開閉器８が開路されているので、制動巻線７は開路状態にある。故障時には、開閉器８が制動巻線７を図示の直列回路に接続する。この場合、コンデンサ９は、そのコンデンサが故障時におけるエレベータ乗客室の所望の下降速度において制動巻線７のインダクタンスをちょうど打ち消すように設計されている。従って、誘起された電圧の全体が制動抵抗器１０に印加される。それゆえ、輸送装置１の下降によって存在する運動エネルギは、制動抵抗器１０において完全に熱に変換される。

制動巻線７の１つの代替的な巻線形態として、制動抵抗器１０がコンデンサ９に並列に接続される制動巻線７の接続構成も、考えられ得る。

本発明による２次側部分における制動巻線の配置は、「励磁磁界」を発生するための永久磁石が従来のリニアモータと違って１次側部分に配置されている、この出願で提案されているリニアモータ原理によってのみ、その制動巻線の働きを発揮することとなる。何故なら、そういう場合にのみ、故障時に望みどおりに誘導される制動作用が発明記されるだけだからである。通常のリニアモータの場合にそうであるように永久磁石を２次側部分に配置する場合には、故障時に事実上全く制動作用が生じない。従って、ここに提案されているモータ原理は、従来のリニアモータに比べて、システム上の利点を有する。

本発明による制動システムの利点は、特に、純粋に垂直方向に動作する輸送システムにおいて顕著である。何故なら、その場合には、安全な制動が特に乗客安全性を考慮して極めて重要だからである。しかし、有限の勾配によって高低差を克服する輸送装置においてもまた、この種の制動システムを極めて有利に装備することができる。例えば、本発明には、急峻ではあるが有限の勾配を有する移動経路に沿って人又は物を輸送する登山鉄道にも、図示の駆動および制動システムを装備することが考えられ得るのであって、これも本発明に包含される。

１ 輸送装置
２ １次側部分
３ ２次側部分
４ １次巻線
５ 永久磁石
６ 歯部
７ 制動巻線
８ 開閉器
９ コンデンサ
１０ 制動抵抗器

Claims (6)

1. 垂直方向又は斜め上下方向の移動経路に沿って移動可能である輸送装置（１）と、前記輸送装置（１）に配置された１次側部分（２）および前記移動経路に沿って配置された２次側部分（３）を有するリニアモータとを含み、前記１次側部分（２）が、１次巻線（４）と少なくとも１つの永久磁石（５）とを有し、前記２次側部分（３）が、前記移動経路の方向に沿って交互に配置された溝部と歯部（６）とを含む形状を有する輸送システムにおいて、
   前記永久磁石（５）との相互作用によって前記輸送装置（１）を制動するための制動力を発生し得るように、制動巻線（７）が、前記２次側部分（３）に配置されており、
   前記制動巻線（７）をコンデンサに接続するための、又は前記制動巻線（７）を短絡するための、前記開閉器（８）を有し、かつ、前記コンデンサには、並列又は直列に制動抵抗器（１０）が設けられており、
   当該輸送システムの無電流状態の際に、前記制動巻線（７）が、前記開閉器（８）を介して前記コンデンサ（９）又は前記短絡のための回路に接続されて、前記制動力を発生するように設定されている
   ことを特徴とする輸送システム。
2. 請求項１記載の輸送システムにおいて、
   前記２次側部分（３）が、永久磁石なしに構成されている
   ことを特徴とする輸送システム。
3. 請求項１又は２記載の輸送システムにおいて、
   前記制動巻線（７）が、前記２次側部分（３）の少なくとも幾つかの歯部に、個別の歯コイル又は複数の直列接続された歯コイルの形で、配置されている
   ことを特徴とする輸送システム。
4. 請求項１から３の１つに記載の輸送システムにおいて、
   前記コンデンサ（９）および制動抵抗器（１０）は、前記輸送装置（１）の所望の速度において前記制動巻線（７）のインダクタンスと共に共振周波数を形成するように選定されている
   ことを特徴とする輸送システム。
5. 請求項１から４の１つに記載の輸送システムにおいて、
   前記輸送装置（１）を機械的に完全停止するための緩衝要素を有し、当該緩衝要素が、前記移動経路の下端に配置されている
   ことを特徴とする輸送システム。
6. 請求項１から５の１つに記載の輸送システムにおいて、
   当該輸送システムが、乗用エレベータとして実施されている
   ことを特徴とする輸送システム。
   

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