JP6326128B2 - 高効率ウインチのための改良版プーリー - Google Patents

Description

本発明は、高効率ウインチのための改良版プーリーに関するものである。 それは、移動荷重につながれたロープに作用させる牽引力の手段で、機械的エネルギーを伝達させる際に使われるタイプのものである。

高効率ウインチはいくつかの用途に使われる。たとえば、荷物を持ち上げるあるいは移動させるために、あるいは、巻くのに適したロープを用いて、ロープを引っ張ってエネルギーを伝達させるためなどである。

近年、エネルギー伝達のためのウインチの利用は、風力エネルギー運用の分野で重要になってきた。そこでは、交流発電機や電力装置に接続したウインチは、風から運動エネルギーを取り出し、生産された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために使われる。

移動荷重につながれたロープから機械エネルギーを回収する際に、稼働ウインチの効率は重要である。すなわち、エネルギーのわずかのパーセントが稼働ウインチとロープを強く加熱するからである。

風からエネルギーを引き出す過程は、高耐力のロープの使用を伴う。該ロープの張力は移動する風により飛ぶ凧の上昇によって発生する。該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。機械動力は、ロープの機械的張力と、プーリーが巻き戻される際にロープが引き伸ばされる速度との合成で発生する。

該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。この過程において、風の運動エネルギーは、ロープとプーリーまたはドラムの間の摩擦のおかげで、最初には機械的エネルギーに変換される。次いで、それはウインチにつながれた交流発電機によって電気エネルギーに変換される。

その変換の間に、エネルギーロスが発生して熱となり、プーリーの表面を加熱し、ロープの内部温度を上昇させ、過温度上昇により機械的性質を危うくする。

従来のウインチは、その低い効率のため、大きなエネルギーの伝達には適していない。高耐力のロープを持つ高出力のウインチの場合、損失動力の相対的に小さな部分が、クリティカルになり得る。 たとえば、９７％の効率を持つウインチがあって、1.5MWの動力を扱うために使われた場合、45kWの熱流を発生するので、ロープが過剰に加熱されないためには、それを適当に消散しなければならない。回転部分のベアリングにより発生する損失とともに、熱流は主としてロープとプーリーの間の摩擦よって生じる。

ロープ内部の摩擦は、ロープを構成する異なる線とブレイドの相対的な変位と歪みによって発生する。また、ロープはこれらが相互にこすり合うような形状に配置されている。他方、ロープとプーリー間の摩擦はロープからエネルギーを取り出すためには必要な要素であるが一方ロープとプーリー間の相対的な変位による摩擦は最小に減らさなければならない。

高効率ウインチの構造は二つのコンセプトに適合していなければならない。ウインチに沿って動く該ロープは、ロープを構成する材料の特性に基づく歪みの勾配に伴う張力の勾配にさらされることであり、もう一つは、プーリーに一回転以上巻かれたロープは、プーリーがその縦軸に対して回転すると仮定すると、その主たる伝達力の方向に直角にー−それはたとえば、プーリーの縦軸の方向であるがー−移動する必要があることである。それはロープの一部が異なる曲率となり 重なり合わないためである。

W02011121272は第一のコンセプトに関する応用を開示している。すなわち、歪みの勾配を均一にしてロープにかかるストレスを少なくしその影響を減じることを目的としている。この問題は二つの相互に貫通するプーリーによって解決される。それらのプーリーはロープとドラムの間の接触が不連続な面であることを特徴としている。

FR1105165は第二のコンセプトを扱っている配置を開示している。そこでは、ロープに沿って異なる歪みの状態にあることに適合するように直径が徐々に減少または増加する円形の溝を持つプーリーで構成され、大きい直径の溝は高張力の状態のロープに接触し、逆の場合はその逆となっている。

本発明の目的は、高効率なウインチのための改良されたプーリーと提供することにより、上記の従来技術の問題点を解決することにある。そこでは、より高いエネルギーの生産性、摩擦現象による動力の損失の減少及びロープの摩耗の減少が見込まれる。

本発明の上記あるいはそれ以外の目的と利点は、以下の記述で明らかになるが、請求項1に請求された改良型プーリーが仕事側の負荷につながる一端と、抵抗側負荷につながる一端の間にあるロープの一部分と接触することによって得られる。当該改良型プーリーは少なくとも一の主たる慣性軸と弾性的に反応する一連の周囲支持体から構成されている。本発明の好もしい実施態様と重要なバリエーションは従属の請求項に示してある。

すべての含まれる請求項は、本記述の重要な部分であるが、本発明は本記述に限定されるものではない。 多数のバリエーションや改良が（たとえば、同等な作用を持つ、形状や、大きさや、配置や部品などである。）ここに記載された請求項に示された発明の範囲から逸脱することなく、記述されたものに対して作られ得るのは明らかでありこれらはすべて本発明に含まれる。

本発明はいくつかの好もしい実施態様で――実施例に請求の範囲が限定されないことを条件に、含まれる図を参考にして――うまく記述できるであろう。

図１は、ロープに接続された本発明によるプーリーの斜視図である。 図２は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の斜視図である。 図３は、図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の斜視図である。 図４は、図１のプーリーの正面図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ断面の断面図である。 図６は、図４のＶＩ部の拡大図である。 図７は、図５のＶＩＩ部の拡大図である。 図８は，図１のプーリーに接続された各周囲支持体に属するエレメント間の接続の異なる構成a, b , c を、図5のＸ−Ｚ平面に沿って示している。 図９は、図８の構成a, b , cの線図を示している。 図１０は、図1に示すタイプのいくつかのプーリーを結合したシステムを示している。 図１１は、本発明の第二の態様に属する周囲支持体の斜視図である。 図１２は、前図の周囲支持体の正面図である。 図１３は、図１２のＸＩＩＩ―ＸＩＩＩに沿った断面図である。 図１４は、図１１の周囲支持体の動作ダイヤグラムの側面図である。 図１５は、図１１の周囲支持体に属する角柱状インサートの斜視図である。 図１６は、図１５の該インサートの側面図である。 図１７は、本発明の第三の態様に属する周囲支持体の斜視図である。 図１８は、前図の一部品の斜視図である。 図１９は、図１７の周囲支持体の正面図である。 図２０は、図１９のＸＸ−ＸＸ断面図である。 図２１は、図１７の周囲支持体のバリエーションの斜視図である。 図２２は、図２１の一部品の斜視図である。

図１に示すように、入口部１１と出口部１２の間のロープ１の少なくとも一部分が、部分回転によってプーリー２の周囲に巻きつけられるということができる。
プーリー２は、高効率ウインチ（図示せず）に接続するシャフト（図示せず）に軸合わせし、結合するための中心穴２２を装備するディスク２１で構成されている。

ロープ１の入口部１１と出口部１２はそれぞれ作用負荷（図示せず）と蓄電負荷（図示ぜず）あるいは他の抵抗負荷に繋がって、入口部で最大の張力値、出口部で最小あるいはゼロの張力値となる。

有利なのは、ウインチのための本発明による改良されたプーリー２は、作用負荷とつながっている入口部１１と抵抗負荷とつながっている出口部１２間に含まれるロープ１の少なくとも一の部分と接触していて、前記張力の勾配によるロープの当該部分の長さの変化に従って変形可能な一連の周囲支持体３，４，５，６から構成される。

図１，２，３によれば、ディスク２１は該ディスク２１の外周に沿って一様に配置された一連の周囲支持体３によって、ロープ１の一部を支持しているといえる。
各周囲支持体は以下によって構成される
―：少なくとも一のチップからなる構造体３１、それは第一の慣性軸に対しては薄く柔軟であり、第二の慣性軸に対しては厚く剛であるようにテーパを持っていて、その両端部で穴３１１（隠れている）と３１２に取り付けられている。
―：少なくとも一の角柱状インサート３２、それは横断する溝３２１とめくら穴３２２とからなり、適当なテーパをつけた背部面３２３を持っている。

図４〜７から、各周囲支持体３はディスク２１の外周とチップ３１を通して一体となっていることが分かる。チップ３１は、ディスク２１に、前記穴３１１とディスク２１の外周壁面の穴２３にピン３３を挿入することで繋がれている（たとえば図５に示されている）。前記角柱状インサート３２はチップ３１にピン３４を孔３１２と孔３２２に挿入することで繋がれている（たとえば図７に示されている）。

ロープ１は、部分回転でプーリー２上に、各角柱状インサート３２の背部面３２３に接触して巻かれる。
図８，９で示すように、チップ３１と角柱状インサート３２の結合の方法によって、各周囲支持体３は柔軟な結合a, 剛結合b, 機構的結合cにすることができる。

本発明の前記第一の実施態様バリエーションによれば、各周囲支持体３は、隣接する支持体と緩衝器３５，３６を通して弾性的に繋がれる。緩衝器３５，３６は円形螺旋状のバネで出来ていて、（図２に例示するように）各角柱状インサート３２のそれぞれの壁に収納され、（図４に例示するように）プーリー２の回転軸に直角なＸ−Ｙ平面の接線方向に作用し、プーリー２に周囲支持体３の弾性的鎖が装備されているようになる。

当該実施態様バリエーションによれば常に、当該チップ３１はその端部のはめ込みの関係で弾性的に変形しまっすぐになろうとするのに適した少なくとも一の傾斜ロッドを構成として含む。
各角柱状インサート３２の前記背部面３２３には少なくとも一の円周状溝３２７がロープ１をガイドするため付けられている（たとえば図７参照）。

本発明の第二の実施態様を以下に記述する。
図１１から図１６によれば、ディスク２１（図示せず）は該ディスク２１の外周に沿って一様に配置され一連の周囲支持体４によって、ロープ１（図示せず）の一部を支持していることが理解できる。

ディスク２１は、フランジ２５で囲まれた円筒状のバンド２４からなる周囲リングから構成される。フランジ２５には、プーリー２の回転軸を中心軸として円周状に一様に並べた円筒孔２５１が横切っている。
当該フランジ２５の側壁２５２，２５３には、一連の溝２５４が均一に配置されている。その溝は前記円筒孔２５１を中心とする半円の部分とそれに接し、フランジ２５の円周端に抜ける一対の直線の部分からできている（図１４参照）。

前記周囲支持体４の各々は以下の通り構成されている
―： 構造体４１は傾斜したハーモニック線の一対のUベンドを構成として含み、それは前記溝２５４内に端部がはめ込まれていて弾性的に変形するため半径方向に整列するのに適している。
―：側壁４２１，４２２で限られた角柱状インサート４２は、前記の適正にブロックされたハーモニック線端部を収める直線状の溝４２３一対を有している。

前記角柱状インサート４２はロープ１の当該部分の伸びに合わせるように可動なエレメントである。その伸びは、プーリー２の入り口と出口の間に含まれる部分に発生する張力の勾配により引き起こされるものである。
これは、ロープ１と前記角柱状インサート４２の間の相対すべり速度の減少によって発生し、各角柱状インサート４２の背部面４２４内の弧の長さによって制限される最大値内に抑えられる。

ロープ１に接触している角柱状インサート４２は前記背部面４２４を通して前記ハーモニック線４１に負荷を伝える。ハーモニック線はその両端部が前記溝２５４、４２３にはまっているので、両端を二重に拘束された円形断面の 梁（はり）のように変形することになる。
ロープ１による負荷の伝達と、直線２５５上に置かれている各ハーモック線４１の傾きのため、各角柱状インサート４２はプーリー２の中心から離れる軌道に沿って動く。該軌道は接線方向の移動と半径方向の移動の合成によって与えられる。

具体的には、各角柱状インサート４２の半径方向の移動成分の合計は、プーリー２に巻かれたロープ１の当該部分の伸長に等しくなる。
したがって、前記個々の角柱状インサート４２は周方向だけでなく半径方向にも、かかる負荷の増加により移動し、ロープに接触する部分を増加させ、非接触部分を減少させる螺旋状の軌道を発生させる。

前記溝２５４，４２３にはめこまれたU―ベントのハーモニック線の各一対は負荷のかかった状態で、前記角柱状インサート４２が回転と平行移動ができるようにする相対的発散性を持っている。それは、プーリーの中心に対する回転ずれを補償して、接触面とそれに伴う粘着を損ねることなく前記背部面４２４とロープ１との一定の接線方向のアラインメントを保証する。

本発明の前記実施態様での好ましい形状では、プーリー２は１２０個の角柱状インサートからなり、前記溝２５４はプーリー２の周方向の中心からの半径に対して１７．５°の傾きを持っている。
前記角柱状インサートのセットはロープ１の負荷でプーリー２が破壊されるのをその配置が最小直径になることで防ぐ。該最小直径の配置では、各角柱状インサート４２の前面壁４２５が次の角柱状インサートの後面壁４２６に正確に接するので、予測よりも高い負荷がかかった場合の機械的安全リミットスイッチを作り出している。

具体的には、前記前面壁４２５には横切る溝４２７があって、そこには弾性材料で作られた緩衝器４３が入れることができるようになっている。
各周囲支持体４は前記隣接する二つの支持体に前記弾性要素４３を介して接線方向につながっていて、弾性的な鎖を形成している。
前記緩衝器４３は、ロープ１から離れたのちのプーリー２のフリーな部分においても、また、プーリー２の負荷のかかった部分においても前記角柱状インサート４２間の接触を保つことを可能にするとともに、ロープ１からプーリー２が離れる間に、振動や衝撃がないように、形状を徐々に調節することを可能にする。

無負荷の状態では、前記ハーモニック線４１に反対側にプレロードをかけておくことによって、前記緩衝器４３は前記角柱状インサート４２を少し分離し、前記最小半径でなくすることを可能にする。
負荷の掛かった状態では、前記緩衝器４３は前記角柱状インサート４２の離れる動きと半径方向に動きを可能にする。
前記ハーモニック線４１のプレロードは、前記角柱状インサート４２の溝４２３とフランジ２５の溝２５４の直線部の間の２度のずれによって得られる。

前記角柱状インサート４２はロープ１と接触する背部面４２４を、エラストマー材料で覆うか、あるいはそのような材料を混ぜて構成することができ、その結果、ロープ１と角柱状インサート４２の間の摩擦係数を増加できる。それゆえ、付着状態はその変形が起こっている間、保証され、個々の角柱状インサート４２にロープ１が何らかの理由で生じさせた小さな伸びが回復される。

第三の実施態様を以下に述べる。
図１７から図２０を見れば、ディスク２１（示していない）はロープ１（図示せず）のある部分をディスク２１の周囲に沿って均一に配置された一連の周囲支持体５によって支持されていることが分かる。
ディスク２１は円柱状のバンド２６からなる周囲リングで構成されていて、該バンド２６はプーリー２の回転軸に対して円周状に中心を持って均等に配置された円柱状の穴２７１が横切るように開けられているフランジ２７で囲われている。

該フランジ２７の各側壁２７２，２７３は前記周囲支持体５の各々の角度を持った動きを規定する溝２７４を持ち、その動きの規定はプーリーの中心を通る半径に対しある角度を持って傾斜した橋脚歯２７５によって行われる（たとえば図１７に示されている）。
前記周囲支持体５の構成は
―：構造体５１は傾斜した一組の連結棒を構成として含み、該連結棒は前記穴２７１の中にピン５１１を通じて回転端に対しての回転によって半径方向に整列するのに適している、そしてそれはピン５１１を軸に沿って作用する弾性バネ５１２によって前記橋脚歯２７５に押し付けられている。
―：角柱状のインサート５２は前記連結棒５１の自由端にピン５２１で接続されている。
前記角柱状インサート５２は前記角柱状インサート４２と同様にプーリー２の上に巻かれたロープ１の部分の同様な伸びを許容するように作用する。

前記連結棒５１は、半径方向に対して傾いていて、前記ロープに張力がかかった時には前記ピン５１１を支点として回転できるので、前記角柱状インサート５２が動くことができ、プーリー中心からの距離を増加させ、それでロープの伸びに追従できる。
前記ピン５２１の回転軸は前記角柱状インサート５２の背部面５２４に対するロープ１の接触点より上に位置する。
このためロープ１の圧力の下、前記背部面５２４と接触しているロープの当該部の長さを一定に保つため前記角柱状インサート５２の回転が起きる。

ロープ張力を生じさせるのは、前記事前にプレロードされた弾性バネ５１２の剛性による。
前記外周支持体５は一対の緩衝器４３を包含し、それは前記緩衝器４３と同じ作用をする。

図２１，２２を参照すれば、本発明の前記実施態様の一つのバリエーションが一対の連結棒６１のオフセット点におかれたピン６１３の軸に沿って作用するプレロードされた弾性体バネ６１２が含まれる周囲支持体６にあるということが出来るであろう。それにより、ピン６１１に対して前記連結棒６１が回転している間に直線的でなく増加していく弾性応答を持つ機会が与えられる。

角柱状インサート６２は強い弧の形の背部面６２４からなり、そこにはロープ１への密着把握を増すための穴が設けられている。
エラストマー材料で作られた緩衝器６３はネジで角柱状インサートに締結されている。

前記一連の周囲支持体３，４，５及び６は、ロープ１とプーリー２の間に非連続的な接触を作り出し、その結果前記端部１１と１２を含むロープ１の各部分に沿って離散した張力勾配を作り出すことが出来る。
前記プーリー２は前記一連の周囲支持体３，４，５及び６と一緒になって、本発明の目的を達成している。それはプーリー２の周囲上に巻きつけられたロープ１の張力勾配を分散させることである。

特に、前記採用された解においては前記周囲支持体３，４，５、及び６と接触不十分でロープの各々の部分に沿っての張力勾配がなくなるのも許容される。
各周囲支持体３，４，５、及び６のＸ−Ｚ平面（図５に例として示されている）で計測した半径方向のプロファイルはロープ１に沿って変化する張力の勾配に適合し指数関数に従っている。
各周囲支持体３，４，５、及び６には歪み状況を計測し前記ロープ１により生じた負荷曲線を計算するロードセルをつけることができる

前記プーリー２上の前記周囲支持体３，４，５、及び６に生じた弾性動作を利用して、デバイス（図示せず）を備えたウインチでは、張力をかける間に、高張力の１１部分や低張力の１２部分からロープ１のある量を蓄えたり急速に放出したりすることができる。
前記弾性動作はデバイス（図示せず）を備えたウインチでは高張力の部分１１あるいは低張力の部分１２からのロープ１の張力を規定したり制限したりすることに利用ができる。

周囲支持体３，４，５、及び６を装備する、すくなとも一のプーリー２からなるウインチは回転によって巻きつけられたロープ１を支持しガイドするが、そのロープ１は低い張力状態で蓄えられる。
ウインチは周囲支持体３，４，５、及び６を装備する、n個のプーリー２からなり、それらのプーリーのうち少なくとも２つがモーターを備えている。
ウインチは周囲支持体３，４，５、及び６を装備する、４個のモーター付きプーリー２からなり、該プーリー２は理想的な長方形の頂点に配置されている（例として図１０参照）。
ウインチは周囲支持体３，４，５、及び６を装備する、４個のモーター付きプーリー２からなり、該プーリー２は相互に非平行な回転軸に沿って配置されている。

Claims (4)

1. 作用負荷とつながっている入口部（１１）と抵抗負荷とつながっている出口部（１２）間に含まれるロープ（１）の少なくとも一の部分と接触しているプーリー（２）において、
   前記ロープ（１）の前記部分の長さの変化に従って変形可能な一連の周囲支持体（４）を備え、
   前記周囲支持体（４）の各々が前記ロープ（１）の前記部分に付着する少なくとも一の角柱状インサート（４２）を支持する少なくとも一の構造体（４１）を備え、
   前記構造体（４１）ははめ込み端部に対して弾性的に変形するため半径方向に整列する少なくとも一の傾斜した一対のU−ベンドのハーモニック線を構成として含むことを特徴とするプーリー（２）。
2. 前記構造体（４１）の各々は接線方向と半径方向の組み合わせに従って動くように前記角柱状インサート（４２）を拘束するような形になっていることを特徴とする請求項１に記載のプーリー（２）。
3. 前記周囲支持体（４）の各々は弾性鎖を形成するため緩衝器（４３）を通して隣接する2つの前記周囲支持体に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプーリー（２）。
4. 前記各周囲支持体（４）は歪み状況を計測し前記ロープ（１）により生じた負荷曲線を計算するロードセルが一体となってつけられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプーリー（２）。

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