JP6162287B1 - ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキコイルへの電力遮断時に、ブレーキ動作遅延を生じることなく、速やかにブレーキを動作させることができるブレーキ装置を得る。【解決手段】交流電源からの電力が、１つのスイッチによってモータおよびブレーキ装置に供給されるシステムにおいて、モータの回転を制動するブレーキ装置であって、モータの回転軸の回転を制動する制動部と、制動部による制動力を通電により解除するブレーキコイルと、ブレーキコイルに供給する電力を制御するブレーキ制御部と、を備え、ブレーキ制御部は、交流電源からの交流電圧を整流する整流器と、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続された放電抵抗とからなり、ブレーキコイルへの電力遮断時に、放電抵抗を介してブレーキコイルに蓄積されたエネルギーを放出する放電部と、を有し、放電抵抗は、モータおよび整流器を通る経路に接続されるものである。【選択図】図１

Description

この発明は、例えばクレーンに適用されるモータに設けられるブレーキ装置に関する。

従来から、クレーン用のブレーキ装置として、単相交流電源により直流電磁石を動作させる無電圧作動のブレーキ装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図５は、クレーンシステムにおける従来のブレーキ装置を周辺機器とともに示す回路構成図である。図５において、このクレーンシステムは、交流電源５０からの電力が、１つのコンタクタスイッチ６０によってモータ７０およびブレーキ装置８０に供給されるシステムである。モータ７０は、モータコイルおよびモータコイルの抵抗成分を有しており、抵抗値Ｒｍとして表される。

ブレーキ装置８０は、モータ７０の回転を制動する装置であって、モータ７０の回転軸の回転を制動する制動部８１と、制動部８１による制動力を通電により解除するブレーキコイル８２と、ブレーキコイル８２に供給する電力を制御するブレーキ制御部９０とを備えている。ブレーキコイル８２は、抵抗値Ｒｂの抵抗成分を有している。

一般的に、クレーンシステムにおけるブレーキ装置８０は、ブレーキコイル８２に通電しない状態では、モータ７０の回転軸に取り付けられたブレーキドラムに対して、ばねの機械力により、制動部８１であるブレーキシューが押し付けられて、回転軸の回転を制動する制動力が働くようになっている。

また、このブレーキ装置８０は、ブレーキコイル８２に通電した状態では、ブレーキコイル８２に発生する電磁力により、ばねの機械力に抗して、ブレーキシューを吸引してブレーキドラムから離間させることにより、回転軸への制動力が解放されて、ブレーキが解除されるようになっている。なお、ブレーキ機構は、ドラムブレーキに限定されず、ディスクブレーキやその他のブレーキ機構であってもよい。

ブレーキ制御部９０は、交流電源５０からの交流電圧を整流する整流器であるサイリスタ９１と、逆流防止のダイオード９２と、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９３およびＩＧＢＴ９３に並列に接続された放電抵抗９４からなる放電部と、サイリスタ９１およびＩＧＢＴ９３の駆動を制御する制御回路９５を有している。

放電抵抗９４は、抵抗値Ｒを有している。また、放電部は、ブレーキコイル８２への電力遮断時に、放電抵抗９４を介してブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギー（残留電圧）を放出する。また、ブレーキ制御部９０は、抵抗値ｒの配線抵抗を有している。なお、ブレーキ制御部９０は、交流電源５０からの交流電圧の位相に応じて、サイリスタ９１を点弧制御することで、ブレーキコイル８２に供給する電力を制御する。

以下、上記構成のブレーキ装置８０の動作について説明する。まず、コンタクタスイッチ６０がオンされるブレーキ解除時について説明する。コンタクタスイッチ６０がオンである場合には、制御回路９５に交流電源５０から電力が供給され、制御回路９５は、ＩＧＢＴ９３に対して、ＩＧＢＴ動作信号をオンで出力する。

また、制御回路９５は、交流電源５０からの正弦波形を有する交流電圧の位相に応じて、正の電圧が供給される任意のタイミングで、サイリスタ９１を点弧させる、すなわちオンとなるサイリスタ点弧信号を出力する。

なお、制御回路９５は、ブレーキ解除時には、ブレーキコイル８２に大電流を流して早く動作させるために、例えば０．５ｓｅｃ程度の期間、強励磁状態になるようにサイリスタ点弧信号を出力する。具体的には、制御回路９５は、ＩＧＢＴ動作信号がオフになった次のタイミングで、強励磁状態になるようにサイリスタ点弧信号を出力する。

また、制御回路９５は、ブレーキ解除後には、ブレーキ解除状態を保持すべく、ブレーキ解除時よりも小さな電流をブレーキコイル８２に流すために、弱励磁状態になるようにサイリスタ点弧信号を出力する。

ここで、サイリスタ点弧信号がオンである場合には、図６に示した破線の経路でブレーキコイル８２に励磁電流が流れ、ブレーキが解除される。これに対して、サイリスタ点弧信号がオフである場合には、図７に示した破線の経路で、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。

次に、コンタクタスイッチ６０がオフされるブレーキ動作時について説明する。コンタクタスイッチ６０がオフされた直後は、交流電源５０からの電力の供給はなくなるものの、モータコイルに蓄積されたエネルギー（残留電圧）により、制御回路９５に電力が供給される。

そのため、制御回路９５は、ＩＧＢＴ９３に対して、ＩＧＢＴ動作信号をオンで出力する。その後、モータコイルに蓄積されたエネルギーが低減し、制御回路９５に印加される電圧がＩＧＢＴ９３の動作に係る所定の最低電圧を下回ると、ＩＧＢＴ動作信号はオフとなる。

また、制御回路９５は、モータコイルに蓄積されたエネルギーによる交流電圧の位相に応じて、正の電圧が供給される任意のタイミングで、サイリスタ点弧信号を出力する。なお、制御回路９５は、モータコイルに蓄積されたエネルギーが低減し、制御回路９５に印加される電圧がサイリスタ９１の動作に係る所定の最低電圧を下回ると、サイリスタ点弧信号は出力されなくなる。

ここで、コンタクタスイッチ６０がオフされた直後において、サイリスタ点弧信号がオンである場合には、モータコイルおよびブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーにより、図８に示した破線の経路でブレーキコイル８２に励磁電流が流れ、ブレーキの解除状態が維持される。これに対して、サイリスタ点弧信号がオフである場合には、上記図７に示した破線の経路で、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。

なお、ＩＧＢＴ動作信号がオフになると、図９に示した破線の経路で、放電抵抗９４を介してブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れ、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーが放出される。その後、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーの放出が完了すると、ブレーキが閉動作（制動動作）する。

このとき、ブレーキコイル８２の放電時定数Ｔは、ブレーキコイル８２のインダクタンスをＬとすると、次式で表される。

Ｔ＝Ｌ／（Ｒ＋Ｒｂ）

続いて、図１０のタイミングチャートを参照しながら、コンタクタスイッチ６０がオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態について説明する。図１０では、横軸に、コンタクタスイッチ６０がオフされてからの時間を示し、縦軸に、上からサイリスタ点弧信号、ＩＧＢＴ動作信号およびブレーキコイル両端電圧を示している。なお、ブレーキコイル両端電圧には、制御回路９５に印加される電圧を破線で併せて示している。

図１０において、コンタクタスイッチ６０がオフされた後、制御回路９５に印加される電圧が次第に低減する。このとき、ＩＧＢＴ動作信号がオフするまでは、サイリスタ点弧信号のオンまたはオフに応じて、上記図８または図７に示した破線の経路で電流が流れ、ブレーキの解除状態が維持される。

次に、ＩＧＢＴ動作信号がオフになると、上記図９に示した破線の経路で、放電抵抗９４を介してブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。このとき、放電抵抗９４を放電電流が流れることにより、ブレーキコイル８２の両端には、放電抵抗９４の電圧とは逆の電圧が現れる。

その後、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーが放出され、ブレーキコイル８２に発生する電磁力が、ばねの機械力よりも小さくなると、ばねの機械力により、ブレーキシューがブレーキドラムに押しつけられて、ブレーキが動作する。

三菱電機エンジニアリング株式会社カタログ、「三菱クレーン用電機品」、２０１５年２月作成、ｐ３８

しかしながら、従来のブレーキ装置において、コンタクタスイッチ６０をオフするタイミングによっては、モータコイルに蓄積されたエネルギーにより、ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後に、サイリスタ点弧信号がオンになることがある。

ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後に、サイリスタ点弧信号がオンになると、モータコイルおよびブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が、放電抵抗９４よりもインピーダンス（抵抗値）の低い（Ｒｍ＋ｒ＜＜Ｒ）モータコイルを経由して、上記図８に示した破線の経路で流れることになる。

この場合、サイリスタ９１は、上記図８に示した破線の経路で流れる電流が、保持電流以下になるまでターンオフせず、継続して点弧した状態になり、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が、放電抵抗９４を流れなくなる。そのため、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーの放出が完了するまでに長時間を要するという問題がある。

このとき、ブレーキコイル８２から見ると、放電抵抗９４とモータコイルの抵抗成分とが並列になっており、その合成抵抗値は、次式で表される。

Ｒｇ＝（Ｒｍ＋ｒ）・Ｒ／（Ｒｍ＋ｒ＋Ｒ）

この結果、ブレーキコイル８２の放電時定数Ｔは、ブレーキコイル８２のインダクタンスＬを用いて、次式で表される。

Ｔ＝Ｌ・（Ｒｍ＋ｒ＋Ｒ）／｛（Ｒｍ＋ｒ）・Ｒ＋Ｒｂ（Ｒｍ＋ｒ＋Ｒ）｝

続いて、図１１のタイミングチャートを参照しながら、この場合において、コンタクタスイッチ６０がオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態について説明する。図１１では、横軸に、コンタクタスイッチ６０がオフされてからの時間を示し、縦軸に、上からサイリスタ点弧信号、ＩＧＢＴ動作信号およびブレーキコイル両端電圧を示している。なお、ブレーキコイル両端電圧には、制御回路９５に印加される電圧を破線で併せて示している。

図１１において、コンタクタスイッチ６０がオフされた後、制御回路９５に印加される電圧が次第に低減する。このとき、ＩＧＢＴ動作信号がオフするまでは、サイリスタ点弧信号のオンまたはオフに応じて、上記図８または図７に示した破線の経路で電流が流れ、ブレーキの解除状態が維持される。

次に、ＩＧＢＴ動作信号がオフになると、上記図９に示した破線の経路で、放電抵抗９４を介してブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。このとき、放電抵抗９４を放電電流が流れることにより、ブレーキコイル８２の両端には、放電抵抗９４の電圧とは逆の電圧が現れる。

その後、サイリスタ点弧信号が再びオンになると、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーの放出が中断され、再度上記図８に示した破線の経路で電流が流れ、ブレーキの解除状態が維持されることになる。なお、このタイミングでは、強励磁状態になるようにサイリスタ点弧信号が出力される。

続いて、サイリスタ点弧信号がオフになった後も、サイリスタ９１がターンオフせず、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流は、放電抵抗９４を流れない。そのため、ブレーキ動作遅延が生じ、ブレーキコイル８２に発生する電磁力が、ばねの機械力よりも小さくなり、ブレーキが動作するまでに長時間を要することになる。

なお、ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後に、サイリスタ点弧信号がオンになる場合以外にも、サイリスタ９１の点弧信号が、ＩＧＢＴ動作信号がオフになる前の僅かな時間までに出力された場合（例えば、図１０において、ＩＧＢＴ動作信号がオフになる直前までにサイリスタ点弧信号がオンされた場合）にも、ブレーキコイル８２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が、モータコイルを経由して、上記図７に示した破線の経路で流れることになる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ブレーキコイルへの電力遮断時に、ブレーキ動作遅延を生じることなく、速やかにブレーキを動作させることができるブレーキ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るブレーキ装置は、交流電源からの電力が、１つのスイッチによってモータおよびブレーキ装置に供給されるシステムにおいて、モータの回転を制動するブレーキ装置であって、モータの回転軸の回転を制動する制動部と、制動部による制動力を通電により解除するブレーキコイルと、ブレーキコイルに供給する電力を制御するブレーキ制御部と、を備え、ブレーキ制御部は、交流電源からの交流電圧を整流する整流器と、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続された放電抵抗とからなり、ブレーキコイルへの電力遮断時に、放電抵抗を介してブレーキコイルに蓄積されたエネルギーを放出する放電部と、を有し、放電抵抗は、放電時において、放電電流が放電抵抗、モータの巻線、整流器の順で流れる経路に接続されるものである。

この発明に係るブレーキ装置によれば、モータの回転軸の回転を制動する制動部と、制動部による制動力を通電により解除するブレーキコイルと、ブレーキコイルに供給する電力を制御するブレーキ制御部と、を備え、ブレーキ制御部は、交流電源からの交流電圧を整流する整流器と、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続された放電抵抗とからなり、ブレーキコイルへの電力遮断時に、放電抵抗を介してブレーキコイルに蓄積されたエネルギーを放出する放電部と、を有し、放電抵抗は、モータおよび整流器を通る経路に接続されている。
そのため、ブレーキコイルへの電力遮断時に、ブレーキ動作遅延を生じることなく、速やかにブレーキを動作させることができる。

この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置を周辺機器とともに示す回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置おける電流経路を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置おける電流経路を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置において、コンタクタスイッチがオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態を示すタイミングチャートである。 従来のブレーキ装置を周辺機器とともに示す回路構成図である。 従来のブレーキ装置における電流経路を示す説明図である。 従来のブレーキ装置における電流経路を示す説明図である。 従来のブレーキ装置における電流経路を示す説明図である。 従来のブレーキ装置における電流経路を示す説明図である。 従来のブレーキ装置において、コンタクタスイッチがオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態を示すタイミングチャートである。 従来のブレーキ装置において、コンタクタスイッチがオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態を示すタイミングチャートである。

以下、この発明に係るブレーキ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、この発明に係るブレーキ装置は、クレーンに適用されるモータに設けられるものに限定されず、エレベータの巻上機に適用されるモータに設けられてもよい。

実施の形態１．
図１は、クレーンシステムにおけるこの発明の実施の形態１に係るブレーキ装置を周辺機器とともに示す回路構成図である。図１において、このクレーンシステムは、交流電源１からの電力が、１つのコンタクタスイッチ２によってモータ３およびブレーキ装置４に供給されるシステムである。モータ３は、モータコイルおよびモータコイルの抵抗成分を有しており、抵抗値Ｒｍとして表される。

ブレーキ装置４は、モータ３の回転を制動する装置であって、モータ３の回転軸の回転を制動する制動部１１と、制動部１１による制動力を通電により解除するブレーキコイル１２と、ブレーキコイル１２に供給する電力を制御するブレーキ制御部２０とを備えている。ブレーキコイル１２は、抵抗値Ｒｂの抵抗成分を有している。

ブレーキ制御部２０は、交流電源１からの交流電圧を整流する整流器であるサイリスタ２１と、逆流防止のダイオード２２と、自己消弧型のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ２３）およびＩＧＢＴ２３に並列に接続された放電抵抗２４からなる放電部と、サイリスタ２１およびＩＧＢＴ２３の駆動を制御する制御回路２５を有している。なお、スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されず、自己消弧型であれば、他のスイッチング素子であってもよい。

放電抵抗２４は、抵抗値Ｒを有している。また、放電部は、ブレーキコイル１２への電力遮断時に、放電抵抗２４を介してブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギー（残留電圧）を放出する。ここで、放電抵抗２４は、モータ３およびサイリスタ２１を通る経路に接続されている。

また、ブレーキ制御部２０は、抵抗値ｒの配線抵抗を有している。なお、ブレーキ制御部２０は、交流電源１からの交流電圧の位相に応じて、サイリスタ２１を点弧制御することで、ブレーキコイル１２に供給する電力を制御する。

制御回路２５は、交流電源１から電力が供給され、ＩＧＢＴ２３に対して、ＩＧＢＴ動作信号を出力する。また、制御回路２５は、交流電源１からの正弦波形を有する交流電圧の位相に応じて、正の電圧が供給される任意のタイミングで、サイリスタ２１を点弧させる、すなわちオンとなるサイリスタ点弧信号を出力する。

以下、上記構成のブレーキ装置４の動作について説明する。なお、コンタクタスイッチ２がオンされるブレーキ解除時、およびコンタクタスイッチ２がオフされるブレーキ動作時における通常の動作は、上述した従来のブレーキ装置と同等であるので、説明を省略する。ここでは、ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後に、サイリスタ点弧信号がオンになる場合について説明する。

ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後に、サイリスタ点弧信号がオンになると、モータコイルおよびブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が、図２に示した破線の経路で流れることになる。このとき、この放電電流は、ブレーキコイル１２の抵抗成分および放電抵抗２４を流れることにより、ブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーが速やかに放出される。

その後、サイリスタ点弧信号がオフになると、ブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が、図３に示した破線の経路で流れることになる。このとき、この放電電流は、ブレーキコイル１２の抵抗成分および放電抵抗２４を流れることにより、ブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーが速やかに放出される。

続いて、図４のタイミングチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置４において、コンタクタスイッチ２がオフされてから、ブレーキが動作するまでの状態について説明する。図４では、横軸に、コンタクタスイッチ２がオフされてからの時間を示し、縦軸に、上からサイリスタ点弧信号、ＩＧＢＴ動作信号およびブレーキコイル両端電圧を示している。なお、ブレーキコイル両端電圧には、制御回路２５に印加される電圧を破線で併せて示している。

図４において、コンタクタスイッチ２がオフされた後、制御回路２５に印加される電圧が次第に低減する。このとき、ＩＧＢＴ動作信号がオフするまでは、サイリスタ点弧信号のオンまたはオフに応じて、ブレーキコイル１２に電流が流れ、ブレーキの解除状態が維持される。

次に、ＩＧＢＴ動作信号がオフになると、上記図３に示した破線の経路で、放電抵抗２４を介してブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。このとき、放電抵抗２４を放電電流が流れることにより、ブレーキコイル１２の両端には、放電抵抗２４の電圧とは逆の電圧が現れる。

その後、サイリスタ点弧信号が再びオンになった場合であっても、上記図２に示した破線の経路で、放電抵抗２４を介してブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーに応じた放電電流が流れる。そのため、ブレーキコイル両端電圧は、サイリスタ点弧信号がオフの場合と同様に低減され、ブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーの放出が完了すると、ブレーキが閉動作（制動動作）する。

すなわち、この発明の実施の形態１に係るブレーキ装置では、ＩＧＢＴ動作信号がオフになった後、サイリスタ点弧信号がオンになった場合であっても、必ず放電電流を放電抵抗２４に流すことで、従来のブレーキ装置か部品点数を増やすことなく、ブレーキコイル１２に蓄積されたエネルギーが速やかに放出することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、モータの回転軸の回転を制動する制動部と、制動部による制動力を通電により解除するブレーキコイルと、ブレーキコイルに供給する電力を制御するブレーキ制御部と、を備え、ブレーキ制御部は、交流電源からの交流電圧を整流する整流器と、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続された放電抵抗とからなり、ブレーキコイルへの電力遮断時に、放電抵抗を介してブレーキコイルに蓄積されたエネルギーを放出する放電部と、を有し、放電抵抗は、モータおよび整流器を通る経路に接続されている。
そのため、ブレーキコイルへの電力遮断時に、ブレーキ動作遅延を生じることなく、速やかにブレーキを閉動作（制動動作）させることができる。

１ 交流電源、２ コンタクタスイッチ、３ モータ、４ ブレーキ装置、１１ 制動部、１２ ブレーキコイル、２０ ブレーキ制御部、２１ サイリスタ、２２ ダイオード、２３ ＩＧＢＴ、２４ 放電抵抗、２５ 制御回路。

Claims (4)

1. 交流電源からの電力が、１つのスイッチによってモータおよびブレーキ装置に供給されるシステムにおいて、前記モータの回転を制動する前記ブレーキ装置であって、
   前記モータの回転軸の回転を制動する制動部と、
   前記制動部による制動力を通電により解除するブレーキコイルと、
   前記ブレーキコイルに供給する電力を制御するブレーキ制御部と、を備え、
   前記ブレーキ制御部は、
   前記交流電源からの交流電圧を整流する整流器と、
   スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続された放電抵抗とからなり、前記ブレーキコイルへの電力遮断時に、前記放電抵抗を介して前記ブレーキコイルに蓄積されたエネルギーを放出する放電部と、を有し、
   前記放電抵抗は、放電時において、放電電流が前記放電抵抗、前記モータの巻線、前記整流器の順で流れる経路に接続される
   ブレーキ装置。
2. 前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである
   請求項１に記載のブレーキ装置。
3. 前記整流器は、サイリスタである
   請求項１または請求項２に記載のブレーキ装置。
4. 前記ブレーキ制御部は、前記交流電源からの交流電圧の位相に応じて、前記サイリスタを点弧制御することで、前記ブレーキコイルに供給する電力を制御する
   請求項３に記載のブレーキ装置。

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