JP6666090B2

JP6666090B2 - アクチュエータシステム

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Publication number: JP6666090B2
Application number: JP2015167845A
Authority: JP
Inventors: 仁大依
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: JP2017046484A

Description

本発明は、電動アクチュエータを制御するアクチュエータシステムに関する。

宇宙機の船体の姿勢制御や、宇宙機に搭載された観測機器の方向制御を行う機構として電動アクチュエータが用いられることがある。そして電動アクチュエータは、その駆動時に瞬間的に大きな電流を必要とすることが知られている。このような瞬間的に大きな電流を電動アクチュエータに供給するためには、大型の電源装置を備えなければならず、また電源電圧に変動を生じさせやすいという課題があった。

この課題に対し特許文献１に開示された先行技術は、電力を運動エネルギーに変換して保存し運動エネルギーを再度電力に変換することで、電源装置を大型化することなく瞬間的に大きな電流をアクチュエータに供給することができる。より詳しくは、特許文献１に開示された先行技術は、発電用モータと充電用モータとの回転軸を一体に形成し、小型で軽量な電源装置から充電用モータに供給する電力をその回転軸の運動エネルギーとして保存する。そして回転軸を減速させることにより放出したエネルギーを電力に変換してアクチュエータに供給する。これにより特許文献１に開示された先行技術は、電源装置からの比較的小さい電力によりモータの回転軸を加速していき、アクチュエータの駆動時に回転軸を減速させることで瞬間的に大きな電流をアクチュエータに供給することができる。

特開２０１２−２５３９２８号公報

上述のような宇宙機に用いられる電動アクチュエータは、制御の正確性や故障に対する信頼性が高いレベルで要求される。電動アクチュエータを正確に制御するための１つの手段は、その電動アクチュエータを三相交流電力でインバータ駆動することである。インバータ駆動は、その三相交流電力の電圧、周波数、及びそれらの時間的変化といった各種パラメータを制御できるため、電動アクチュエータの可動部を正確に制御するために有効である。このため特許文献１に開示された先行技術においても、三相交流電力によるインバータ駆動により電動アクチュエータを制御する手段が採用されている。しかしながら故障に対する信頼性について特許文献１に開示された先行技術は、例えば電源装置に何らかの異常が生じた場合には充電用モータへの電力供給が遮断されるため、アクチュエータを駆動させることができなくなる可能性がある。

このような状況への対策として、例えばアクチュエータに電力を供給する電源装置を複数の電源装置から継電器を介して選択的に切り替え可能な構成とすることによって、電源の冗長系を構成する方法が考えられる。すなわちアクチュエータに電力を供給している電源装置が故障した場合であっても、継電器を切り替えることによって他の正常な電源装置からアクチュエータに電力を供給することができる。しかし宇宙機は、内部のスペースが制限されるため継電器の搭載が困難な場合がある。また電源装置を切り替える当該方法は、電源装置の故障を検知して継電器を切り替える必要がある。このとき継電器の切り替えは、接続した複数の電源装置間を跨いで行われる。このため切り替え機構自体に故障が生じた場合には正常な電源装置に切り替えることができず、やはりアクチュエータを駆動させることができなくなる虞が生ずる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、故障に対する信頼性が高いアクチュエータシステムを提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、第１励磁コイル及び第２励磁コイルを含み、前記第１励磁コイル又は前記第２励磁コイルの少なくとも一方に電力を印加することにより回転する電動機と、前記第１励磁コイルに電力を印加する第１電源装置と、前記第２励磁コイルに電力を印加する第２電源装置と、前記電動機の駆動力により回転するフライホイールと、第１誘導コイルを含み、前記フライホイールの回転運動エネルギーにより前記第１誘導コイルに電力が発生する発電機と、前記第１誘導コイルに発生した電力で駆動される第１アクチュエータと、を備え、前記第１電源装置及び前記第２電源装置が供給する電力は、前記第１アクチュエータの慣性負荷に対して消費される電力よりも小さい、アクチュエータシステムである。

第１電源装置は、第１励磁コイルに電力を印加する。また第２電源装置は、第２励磁コイルに電力を印加する。そして第１励磁コイル及び第２励磁コイルを含む電動機は、これらの少なくとも一方に電力が印加されることにより回転する。このときフライホイールは、電動機の駆動力により回転する。一方、第１誘導コイルを含む発電機は、フライホイールの回転運動エネルギーにより第１誘導コイルに電力を発生させる。そして第１アクチュエータは、第１誘導コイルに発生する電力によって駆動される。

上述の構成により本発明に係るアクチュエータシステムは、電動機で電力を運動エネルギーに変換して徐々にフライホイールに運動エネルギーを蓄積し、発電機により運動エネルギーを電力に変換して、瞬間的に大きな電力を第１アクチュエータに供給することができる。ここで電動機は、第１励磁コイル又は第２励磁コイルの少なくとも一方に電力を印加することにより回転する。そのため第１電源装置又は第２電源装置のいずれか一方が故障した場合においても、第１アクチュエータの駆動に要する電力は、第１電源装置又は第２電源装置のうち故障していない方の電源装置から供給されることになる。よって本発明に係るアクチュエータシステムは、継電器を使用することなく電源の冗長系を構成することができるので、第１電源装置又は第２電源装置のいずれか一方が故障した場合においても第１アクチュエータを駆動することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、継電器を使用することなく電源の冗長系を構成することができるので、故障に対する信頼性が高いアクチュエータシステムを提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記第１電源装置から前記第１励磁コイルへ供給される電力と、前記第２電源装置から前記第２励磁コイルへ供給される電力とは、給電路が互いに独立して形成されている、アクチュエータシステムである。

電動機が含む第１励磁コイル及び第２励磁コイルのうち、第１励磁コイルへは第１電源装置から電力が供給され、第２励磁コイルへは第２電源装置から電力が供給される。電動機に電力が供給されるこれらの給電路は、互いに独立して形成されている。このため電動機に供給される電力は、第１電源装置又は第２電源装置の少なくとも一方から供給される。またこれらの給電路が互いに独立していることにより、第１電源装置又は第２電源装置のいずれか一方の電源装置が故障した場合においても、他方の電源装置に故障が波及することなく第１アクチュエータを駆動することができる。

これにより本発明の第２の態様によれば、一方の電源装置の故障が他方の電源装置に波及せず、故障に対する信頼性がより高いアクチュエータシステムを提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１又は２の態様において、前記発電機が発電する電力を変換して前記第１アクチュエータに供給する第１電力変換装置をさらに備え、前記第１アクチュエータは、前記第１アクチュエータが必要とする電力を示す第１電力要求情報を前記第１電力変換装置に送信する第１アクチュエータ制御装置を含み、前記第１電力変換装置は、前記第１アクチュエータ制御装置から受信した前記第１電力要求情報に基づいて前記発電機の発電量を制御する第１発電制御装置を含む、アクチュエータシステムである。

第１アクチュエータ制御装置は、第１アクチュエータの駆動に必要な電力値を第１電力要求情報として算出し、その第１電力要求情報を第１電力変換装置に送信する。また第１発電制御装置は、第１アクチュエータ制御装置から受信した第１電力要求情報に基づいて発電機の発電量を制御する。このため発電機は、第１アクチュエータの駆動に必要な電力を発電することができる。

この一連の発電制御において、第１アクチュエータの制御は、第１アクチュエータに内蔵された第１アクチュエータ制御装置によって行われる。また第１電力変換装置の制御は、第１電力変換装置に内蔵された第１発電制御装置によって行われる。さらに第１アクチュエータ制御装置及び第１発電制御装置は、第１電源装置及び第２電源装置から電動機に電力が供給される充電動作に対して直接関与しない。このため本発明に係るアクチュエータシステムは、システム内部の制御対象ごとに制御装置を備えるいわゆる分散制御システムを構成することになる。

ここでもし仮にシステム全体を１つの制御装置により統括制御するいわゆる集中制御システムを採用した場合には、その制御装置の故障がシステム全体の稼働停止につながる虞がある。これに対し本発明に係るアクチュエータシステムは、個々の制御対象に生じる故障が他の制御対象に波及する虞を低減することができる。したがって例えば、第１電源装置又は第２電源装置が故障した場合においても、その故障が第１アクチュエータに波及する虞を低減することができる。

これにより本発明の第３の態様によれば、いわゆる分散制御システムを構成するため、故障に対する信頼性がより高いアクチュエータシステムを提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、前述した本発明の第１〜３のいずれかの態様において、前記発電機は、前記フライホイールの回転運動エネルギーにより電力が発生する第２誘導コイルをさらに含み、前記アクチュエータシステムは、前記第２誘導コイルに発生した電力で駆動される第２アクチュエータをさらに備える、アクチュエータシステムである。

第１アクチュエータ及び第２アクチュエータには、電動機で電力を運動エネルギーに変換して徐々にフライホイールに運動エネルギーを蓄積し、発電機により運動エネルギーを電力に変換して瞬間的に大きな電力を供給することができる。よって本発明に係るアクチュエータシステムは、継電器を使用することなくアクチュエータの冗長系を構成することができるので、第１アクチュエータ又は第２アクチュエータのいずれか一方が故障した場合においても他方のアクチュエータを駆動することができる。

これにより本発明の第４の態様によれば、継電器を使用することなくアクチュエータの冗長系を構成することができるので、故障に対する信頼性がさらに高いアクチュエータシステムを提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、前述した本発明の第４の態様において、前記第１誘導コイルから前記第１アクチュエータへ供給される電力と、前記第２誘導コイルから前記第２アクチュエータへ供給される電力とは、給電路が互いに独立して形成されている、アクチュエータシステムである。

発電機が含む第１誘導コイル及び第２誘導コイルのうち、第１誘導コイルは第１アクチュエータへ電力を供給し、第２誘導コイルは第２アクチュエータへ電力を供給する。発電機から電力が供給されるこれらの給電路は、互いに独立して形成されている。このため第１アクチュエータ又は第２アクチュエータのいずれか一方が故障した場合においても、他方のアクチュエータに故障が波及することなくそのアクチュエータを駆動することができる。

これにより本発明の第５の態様によれば、一方のアクチュエータの故障が他方のアクチュエータに波及せず、故障に対する信頼性がより高いアクチュエータシステムを提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、前述した本発明の第４又は５の態様において、前記発電機が発電する電力を変換して前記第２アクチュエータに供給する第２電力変換装置をさらに備え、前記第２アクチュエータは、前記第２アクチュエータが必要とする電力値を示す第２電力要求情報を前記第２電力変換装置に送信する第２アクチュエータ制御装置を含み、前記第２電力変換装置は、前記第２アクチュエータ制御装置から受信した前記第２電力要求情報に基づいて前記発電機の発電量を制御する第２発電制御装置を含む、アクチュエータシステム。

第２アクチュエータ制御装置は、第２アクチュエータの駆動に必要な電力値を第２電力要求情報として算出し、その第２電力要求情報を第２電力変換装置に送信する。また第２電力変換装置の第２発電制御装置は、第２アクチュエータ制御装置から受信した第２電力要求情報に基づいて発電機の発電量を制御する。このため発電機は、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの駆動に必要な電力を発電することができる。

この一連の発電制御において、第２アクチュエータの制御は、第２アクチュエータに内蔵された第２アクチュエータ制御装置によって行われる。また第２電力変換装置の制御は、第２電力変換装置に内蔵された第２発電制御装置によって行われる。さらに第２アクチュエータ制御装置及び第２発電制御装置は、第１電源装置及び第２電源装置から電動機に電力が供給される充電動作に対して直接関与しない。このため本発明に係るアクチュエータシステムは、システム内部の制御対象ごとに制御装置を備えるいわゆる分散制御システムを構成することになる。

ここでもし仮にシステム全体を１つの制御装置により統括制御するいわゆる集中制御システムを採用した場合には、その制御装置の故障がシステム全体の稼働停止につながる虞がある。これに対し本発明に係るアクチュエータシステムは、個々の制御対象に生じる故障が他の制御対象に波及する虞を低減することができる。したがって例えば、第１アクチュエータ又は第２アクチュエータが故障した場合においても、その故障が第１電源装置又は第１電源装置に波及する虞を低減することができる。

これにより本発明の第６の態様によれば、いわゆる分散制御システムを構成するため、本発明の第３の態様と同様の作用効果が得られる。

本発明に係るアクチュエータシステムのブロック図である。本発明に係る電動発電機の構成図である。本発明に係る電動機の水平断面図である。本発明に係る発電機の水平断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るアクチュエータシステム１のブロック図である。
アクチュエータシステム１は、第１電源装置２、第１充電電力変換装置３、電動発電機４、第２電源装置５、第２充電電力変換装置６、「第１電力変換装置」としての第１発電電力変換装置７、第１アクチュエータ８、「第２電力変換装置」としての第２発電電力変換装置９、第２アクチュエータ１０、制御用電源装置１１、電源回路１２を備える。

第１電源装置２は、数百ボルトの電力を供給可能である小型で軽量な電源装置であり、本実施例では直流電力を供給するものとする。

第１充電電力変換装置３は、第１充電制御装置３１、充電用インバータ３２を備える。
第１充電制御装置３１は、公知のマイコン制御回路であり、後述するように電動発電機４の回転状態検出センサ４０により電動発電機４の内部に設けられたフライホイール４５（図１では図示を省略）の回転状態を監視する。そして第１充電制御装置３１は、回転状態検出センサ４０からの情報に基づいて、充電用インバータ３２が変換する電力の電圧及びまたは周波数を制御する。充電用インバータ３２は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）インバータであり、第１電源装置２から受電した直流電力を第１充電制御装置３１の制御に基づいて三相交流電力に変換する。そして充電用インバータ３２は、変換した三相交流電力を電動発電機４に印加する。

電動発電機４は、詳細を後述するように、フライホイール４５（図１では図示を省略）を含み、第１充電電力変換装置３及び第２充電電力変換装置６の両方から電力を受電するとともに、電力を運動エネルギーに変換してフライホイール４５に保存する。そして必要に応じて運動エネルギーを電力に変換し、第１発電電力変換装置７と第２発電電力変換装置９の両方に電力を供給する。ここで電動発電機４は、第１充電電力変換装置３又は第２充電電力変換装置６の少なくとも一方から電力を受電することにより稼働することができる。

電動発電機４は、回転状態検出センサ４０を含む。回転状態検出センサ４０は、電動発電機４に内蔵されたフライホイール４５（図１では図示を省略）の回転状態を検出するレゾルバである。また回転状態検出センサ４０は、検出した回転状態に基づいてフライホイール４５が保存するエネルギー量を算出することもできる。

第２電源装置５は、数百ボルトの電力を供給可能である小型で軽量な電源装置であり、本実施例では直流電力を供給するものとする。

第２充電電力変換装置６は、第２充電制御装置６１、充電用インバータ６２を備える。
第２充電制御装置６１は、公知のマイコン制御回路であり、電動発電機４の回転状態検出センサ４０からの情報に基づいて、充電用インバータ６２が変換する電力の電圧及び周波数を制御する。充電用インバータ６２は、ＰＷＭインバータであり、第２電源装置５から受電した直流電力を第２充電制御装置６１の制御に基づいて三相交流電力に変換する。そして充電用インバータ６２は、変換した三相交流電力を電動発電機４に印加する。

第１発電電力変換装置７は、第１発電制御装置７１、発電用双方向インバータ７２を備える。
第１発電制御装置７１は、公知のマイコン制御回路であり、電動発電機４の回転状態検出センサ４０からの情報に基づいて発電用双方向インバータ７２の動作を制御する。発電用双方向インバータ７２は、ＰＷＭインバータであり、直流電力と交流電力とを相互に変換可能である。また発電用双方向インバータ７２は、第１発電制御装置７１の制御に基づいて、電動発電機４の発電量を制御するための励磁電力を電動発電機４に印加するとともに、電動発電機４から受電した交流電力を直流電力に変換する。そして発電用双方向インバータ７２は、変換した直流電力を第１アクチュエータ８に供給する。

第１アクチュエータ８は、第１アクチュエータ制御装置８１、駆動用インバータ８２、駆動用モータ８３、可動部８４を備える。

第１アクチュエータ制御装置８１は、公知のマイコン制御回路であり、第１アクチュエータ８を駆動するための外部からの駆動指令を受信する。また第１アクチュエータ制御装置８１は、当該駆動指令に基づいて可動部８４を動作させるために必要な電力値を第１電力要求情報として計算する。そして第１アクチュエータ制御装置８１は、第１発電電力変換装置７の第１発電制御装置７１へ第１電力要求情報を送信するとともに、駆動用インバータ８２へ制御信号を送信する。ここで第１電力要求情報は、単なる電力値に限られるものではなく、例えば可動部８４の駆動計画に則して必要となる発電開始から発電終了までの電力の供給計画、すなわち電力値の時間パターンであってもよい。

駆動用インバータ８２は、発電用双方向インバータ７２から供給される直流電力を受電し、第１アクチュエータ制御装置８１から受信した制御信号に基づいてその直流電力を三相交流電力に変換する。そして駆動用インバータ８２は、変換した三相交流電力により駆動用モータ８３をインバータ駆動する。

駆動用モータ８３は、駆動用インバータ８２からの三相交流電力によりインバータ駆動され、可動部８４に動力を伝える。

可動部８４は、駆動用モータ８３の駆動力により、例えばボールスクリュー機構を介してノズルを伸縮させる等の動きが可能な可動構造として形成されている。ただし第１アクチュエータ８は、可動部８４の動作が直線運動であるリニアアクチュエータに限定されるものではなく、例えば可動部８４の動作が回転運動であるロータリアクチュエータであってもよい。

第２発電電力変換装置９は、第２発電制御装置９１、発電用双方向インバータ９２を備える。
第２発電制御装置９１は、公知のマイコン制御回路であり、電動発電機４の回転状態検出センサ４０からの情報に基づいて発電用双方向インバータ９２の動作を制御する。発電用双方向インバータ９２は、ＰＷＭインバータであり、直流電力と交流電力とを相互に変換可能である。また発電用双方向インバータ９２は、第２発電制御装置９１の制御に基づいて、電動発電機４の発電量を制御するための励磁電力を電動発電機４に印加するとともに、電動発電機４から受電した交流電力を直流電力に変換する。そして発電用双方向インバータ９２は、変換した直流電力を第２アクチュエータ１０に供給する。

第２アクチュエータ１０は、第２アクチュエータ制御装置１０１、駆動用インバータ１０２、駆動用モータ１０３、可動部１０４を備える。

第２アクチュエータ制御装置１０１は、公知のマイコン制御回路であり、第２アクチュエータ１０を駆動するための外部からの駆動指令を受信する。また第２アクチュエータ制御装置１０１は、当該駆動指令に基づいて可動部１０４を動作させるために必要な電力値を第２電力要求情報として計算する。そして第２アクチュエータ制御装置１０１は、第２発電電力変換装置９の第２発電制御装置９１へ第２電力要求情報を送信するとともに、駆動用インバータ１０２へ制御信号を送信する。ここで第２電力要求情報は、単なる電力値に限られるものではなく、例えば可動部１０４の駆動計画に則して必要となる発電開始から発電終了までの電力の供給計画、すなわち電力値の時間パターンであってもよい。

駆動用インバータ１０２は、発電用双方向インバータ９２から供給される直流電力を受電し、第２アクチュエータ制御装置１０１から受信した制御信号に基づいてその直流電力を三相交流電力に変換する。そして駆動用インバータ１０２は、変換した三相交流電力により駆動用モータ１０３をインバータ駆動する。

駆動用モータ１０３は、駆動用インバータ１０２からの三相交流電力によりインバータ駆動され、可動部１０４に動力を伝える。

可動部１０４は、駆動用モータ１０３の駆動力により、例えばボールスクリュー機構を介してノズルを伸縮させる等の動きが可能な可動部分である。ただし第２アクチュエータ１０は、可動部１０４の動作が直線運動であるリニアアクチュエータに限定されるものではなく、例えば可動部１０４の動作が回転運動であるロータリアクチュエータであってもよい。

制御用電源装置１１は、アクチュエータシステム１が内部に備える各制御装置に電力を供給するための電源装置である。具体的には制御用電源装置１１からの電力は、第１充電制御装置３１、第２充電制御装置６１、第１発電制御装置７１、第１アクチュエータ制御装置８１、第２発電制御装置９１、第２アクチュエータ制御装置１０１に供給される。

電源回路１２は、制御用電源装置１１から電力を受電し、上述の各制御装置に適合した電力に変換して各制御装置に配電する。

次に電動発電機４の内部構成について説明する。
図２は、本発明に係る電動発電機４の構成図である。図３は、本発明に係る電動機４１の水平断面図である。図４は、本発明に係る発電機４２の水平断面図である。

電動発電機４は、電動機４１、発電機４２、ロータシャフト４３、ベアリング４４を備える。本実施例において電動発電機４は、アウターロータ型の永久磁石同期式モータジェネレータである。

電動機４１は、電動機ロータ４１１、電動機永久磁石４１２、電動機ステータコア４１３、３つの第１励磁コイル４１４、３つの第２励磁コイル４１５を含む。

電動機ロータ４１１は、電動機４１の回転子であり本実施例では有底円筒形に形成されている。ただし電動機ロータ４１１の形状は、これに限定されるものではなく種々の変更が可能である。

電動機永久磁石４１２は、電動機ロータ４１１の内周面に周方向に沿って形成された永久磁石であり、Ｎ極とＳ極が隣接して交互に配置されている。また電動機永久磁石４１２は、電動機ロータ４１１と一体に形成されており、電動機４１の回転子の一部である。

電動機ステータコア４１３は、電動機４１の固定子であり、電動機永久磁石４１２の内側に配置されている。

３つの第１励磁コイル４１４はそれぞれ、電動機４１の回転中心から放射状に配置され、電動機永久磁石４１２に対向するように電動機ステータコア４１３に巻回されている。そして第１励磁コイル４１４は、第１充電電力変換装置３の充電用インバータ３２に接続され、充電用インバータ３２から印加される三相交流電力により電動機４１を回転駆動する。

３つの第２励磁コイル４１５はそれぞれ、電動機４１の回転中心から放射状に配置され、電動機永久磁石４１２に対向するように電動機ステータコア４１３に巻回されている。そして第２励磁コイル４１５は、第２充電電力変換装置６の充電用インバータ６２に接続され、充電用インバータ６２から印加される三相交流電力により電動機４１を回転駆動する。

発電機４２は、発電機ロータ４２１、発電機永久磁石４２２、発電機ステータコア４２３、３つの第１誘導コイル４２４、３つの第２誘導コイル４２５を含む。

発電機ロータ４２１は、発電機４２の回転子であり本実施例では有底円筒形に形成されている。ただし発電機ロータ４２１の形状は、これに限定されるものではなく種々の変更が可能である。

発電機永久磁石４２２は、発電機ロータ４２１の内周面に周方向に沿って形成された永久磁石であり、Ｎ極とＳ極が隣接して交互に配置されている。また発電機永久磁石４２２は、発電機ロータ４２１と一体に形成されており、発電機４２の回転子の一部である。

発電機ステータコア４２３は、発電機４２の固定子であり、発電機永久磁石４２２の内側に配置されている。

３つの第１誘導コイル４２４はそれぞれ、発電機４２の回転中心から放射状に配置され、発電機永久磁石４２２に対向するように発電機ステータコア４２３に巻回されている。そして第１誘導コイル４２４は、第１発電電力変換装置７に接続され、第１誘導コイル４２４に発生した三相交流電力を第１発電電力変換装置７に出力する。

３つの第２誘導コイル４２５はそれぞれ、発電機４２の回転中心から放射状に配置され、発電機永久磁石４２２に対向するように発電機ステータコア４２３に巻回されている。そして第２誘導コイル４２５は、第２発電電力変換装置９に接続され、第２誘導コイル４２５に発生した三相交流電力を第２発電電力変換装置９に出力する。

ロータシャフト４３は、電動機４１及び発電機４２が共有する回転軸であり、電動機４１及び発電機４２とそれぞれの重心において一体に形成されている。

ベアリング４４は、ロータシャフト４３を支持する軸受である。尚、ロータシャフト４３を支持するために、磁気軸受のような他の機構を採用してベアリング４４の代替構成としてもよい。また空気抵抗による回転の損失を低減するために、電動発電機４の内部の気圧を低下させる機構を別途設けてもよい。

フライホイール４５は、電動機永久磁石４１２が形成された電動機ロータ４１１、発電機永久磁石４２２が形成された発電機ロータ４２１、ロータシャフト４３が一体となって構成され、回転することにより運動エネルギーを保存する。

以下、本発明の実施形態における制御動作について図１及び図２を参照して説明する。
まず電動発電機４は、以下の充電方法によりエネルギーを蓄積して保存する。
第１充電電力変換装置３は、第１電源装置２が出力する直流電力を三相交流電力に変換して電動機４１が含む３つの第１励磁コイル４１４に印加する。このとき第１充電制御装置３１は、回転状態検出センサ４０が検出したフライホイール４５の回転状態を監視しながら、充電用インバータ３２が出力する三相交流電力の周波数を徐々に上昇させる制御を行う。

電動機４１において、第１励磁コイル４１４に印加される三相交流電力の周波数が徐々に上昇すると、それに伴い電動機ロータ４１１の回転速度も徐々に上昇する。そのため電動機ロータ４１１と一体に形成されたフライホイール４５の回転速度も上昇し、フライホイール４５に運動エネルギーが蓄積されていくことになる。

これと並行して第２充電電力変換装置６は、第２電源装置５が出力する直流電力を三相交流電力に変換して電動機４１が含む３つの第２励磁コイル４１５に印加する。このとき第２充電制御装置６１は、回転状態検出センサ４０が検出したフライホイール４５の回転状態を監視しながら、充電用インバータ６２が出力する三相交流電力の周波数を徐々に上昇させる制御を行う。

電動機４１において、第２励磁コイル４１５に印加される三相交流電力の周波数が徐々に上昇すると、それに伴い電動機ロータ４１１の回転速度も徐々に上昇する。そのため電動機ロータ４１１と一体に形成されたフライホイール４５の回転速度も上昇し、フライホイール４５に運動エネルギーが蓄積されていくことになる。

このようにフライホイール４５の運動エネルギーは、第１電源装置２から充電用インバータ３２を介して第１励磁コイル４１４に印加される電力と、第２電源装置５から充電用インバータ６２を介して第２励磁コイル４１５に印加される電力とによって蓄積される。これらの給電路は、互いに独立して形成されているのが好ましい。それによって一方の電源装置からの電力供給が停止した場合においても、もう一方の電源装置でフライホイール４５の運動エネルギーを蓄積することができる。

フライホイール４５の回転速度が上昇して、運動エネルギーが十分に蓄積されると、充電用インバータ３２及び充電用インバータ６２は、電動機４１に印加する三相交流電力の周波数を一定にすることでフライホイール４５の回転速度を一定に維持する。このとき充電用インバータ３２及び充電用インバータ６２は、電力供給を一時的に停止してフライホイール４５を自由回転状態にしてもよい。ただしこのときフライホイール４５は、摩擦や空気抵抗等に伴う僅かな自然放電により回転速度が緩やかに低下していく。そのためフライホイール４５の回転速度がある程度低下した場合には、充電用インバータ３２及び充電用インバータ６２は、電力供給を再開してフライホイール４５の回転速度を回復するのが好ましい。

次に電動発電機４は、以下の発電方法によりエネルギーを放出する。
第１アクチュエータ８が含む第１アクチュエータ制御装置８１は、外部からの制御指令を受信する。そして第１アクチュエータ制御装置８１は、外部からの制御指令に基づいて第１アクチュエータ８の可動部８４を動作させるために必要な電力を算出する。また第１アクチュエータ制御装置８１は、算出した電力の情報を第１発電電力変換装置７が含む第１発電制御装置７１に送信する。

第１発電制御装置７１は、第１アクチュエータ制御装置８１から必要な電力の情報を受信するとともに、回転状態検出センサ４０が検出したフライホイール４５の回転状態を監視しながら、これらの情報に基づいて発電用双方向インバータ７２を制御する。また第１発電制御装置７１は、発電用双方向インバータ７２が電動発電機４に励磁電力を印加できるようにするために、電源回路１２から供給される直流電力の一部を発電用双方向インバータ７２に供給する。

尚、第１アクチュエータ制御装置８１から第１発電制御装置７１へ必要な電力の情報を送信する手段の代替えとして、第１発電制御装置７１は、第１アクチュエータ８の内部抵抗（図示せず）の電圧を監視する機構を設けてもよい。この場合に第１発電制御装置７１は、その内部抵抗の電圧低下をもって第１アクチュエータ８に対する供給電力が不足していることを判断し、発電用双方向インバータ７２への制御に反映させる。

発電用双方向インバータ７２は、第１アクチュエータ８の駆動に要する電力を発電機４２に発電させるために、フライホイール４５の回転速度に相当する周波数よりも低い周波数の三相交流電力を瞬間的に第１誘導コイル４２４に印加してフライホイール４５を減速させる。これにより発電機４２は、第１誘導コイル４２４においてフライホイール４５の回転速度の低下幅に相当する運動エネルギーを電力に変換する。そのため発電機４２は、瞬間的に比較的大きな電力を発電用双方向インバータ７２に供給することができる。また発電用双方向インバータ７２は、第１誘導コイル４２４から供給される交流電力を直流電力に変換して第１アクチュエータ８が含む駆動用インバータ８２に供給する。

つづいて第１アクチュエータ８は、以下の制御方法により、電動発電機４が発電した電力で駆動される。
駆動用インバータ８２は、発電用双方向インバータ７２から供給される直流電力を第１アクチュエータ制御装置８１の制御に基づいて三相交流電力に変換して駆動用モータ８３をインバータ駆動する。このとき駆動用インバータ８２は、第１アクチュエータ８の可動部８４が制御指令に従って正確に動作しているかどうかを確認しながら、変換する三相交流電力を制御する。これにより駆動用モータ８３は、駆動用インバータ８２による三相交流電力でインバータ駆動され、可動部８４を正確に制御することができる。

発電機４２は、発電した電力を第２発電電力変換装置９に対しても必要に応じて供給することができる。すなわち第２アクチュエータ１０が含む第２アクチュエータ制御装置１０１は、外部からの制御指令を受信する。そして第２アクチュエータ制御装置１０１は、外部からの制御指令に基づいて第２アクチュエータ１０の可動部１０４を動作させるために必要な電力を算出する。また第２アクチュエータ制御装置１０１は、算出した電力の情報を第２発電電力変換装置９が含む第２発電制御装置９１に送信する。

第２発電制御装置９１は、第２アクチュエータ制御装置１０１から必要な電力の情報を受信するとともに、回転状態検出センサ４０が検出したフライホイール４５の回転状態を監視しながら、これらの情報に基づいて発電用双方向インバータ９２を制御する。また第２発電制御装置９１は、発電用双方向インバータ９２が電動発電機４に励磁電力を印加できるようにするために、電源回路１２から供給される直流電力の一部を発電用双方向インバータ９２に供給する。

尚、第２アクチュエータ制御装置１０１から第２発電制御装置９１へ必要な電力の情報を送信する手段の代替えとして、第２発電制御装置９１は、第２アクチュエータ１０の内部抵抗（図示せず）の電圧を監視する機構を設けてもよい。この場合に第２発電制御装置９１は、その内部抵抗の電圧低下をもって第２アクチュエータ１０に対する供給電力が不足していることを判断し、発電用双方向インバータ９２への制御に反映させる。

発電用双方向インバータ９２は、第２アクチュエータ１０の駆動に要する電力を発電機４２に発電させるために、フライホイール４５の回転速度に相当する周波数よりも低い周波数の三相交流電力を瞬間的に第２誘導コイル４２５に印加してフライホイール４５を減速させる。これにより発電機４２は、第２誘導コイル４２５においてフライホイール４５の回転速度の低下幅に相当する運動エネルギーを電力に変換する。そのため発電機４２は、瞬間的に比較的大きな電力を発電用双方向インバータ９２に供給することができる。また発電用双方向インバータ９２は、第２誘導コイル４２５から供給された交流電力を直流電力に変換して第２アクチュエータ１０が含む駆動用インバータ１０２に供給する。

駆動用インバータ１０２は、発電用双方向インバータ９２から供給される直流電力を第２アクチュエータ制御装置１０１の制御に基づいて三相交流電力に変換して駆動用モータ１０３をインバータ駆動する。このとき駆動用インバータ１０２は、第２アクチュエータ１０の可動部１０４が制御指令に従って正確に動作しているかどうかを確認しながら、変換する三相交流電力を制御する。これにより駆動用モータ１０３は、駆動用インバータ１０２による三相交流電力でインバータ駆動され、可動部１０４を正確に制御することができる。

ここまで第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０の駆動に必要な瞬間的に大きな電力を供給する制御機構を中心に説明してきた。より厳密にはこの瞬間的に大きな電力は、停止している可動部８４、１０４が動作を開始する瞬間に必要となるものであり、その慣性負荷に対して消費される電力である。

一方、可動部８４、１０４の動作の過渡状態や静止状態においても、可動部８４、１０４は、電力を必要とする場合がある。例えば可動部８４、１０４を変位させる動作において、その変位に対する抵抗力を外部から受ける場合には、可動部８４、１０４は、その抵抗力に応じた電力を過渡状態において消費することになる。また例えば可動部８４、１０４の静止状態において、駆動用モータ８３、１０３に保持電力を印加し続けることで静止状態をより確実に維持する場合には、その静止状態の期間に電力を消費することになる。

これらの状況で必要とされる電力は、先述の慣性負荷に対する電力と比較して僅かであるため、第１電源装置２及び第２電源装置５から電動発電機４を介してその都度第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０に供給することができる。具体的には例えば、可動部８４の過渡状態において第１アクチュエータ制御装置８１は、不足した電力の情報を第１発電制御装置７１に送信する。そして発電用双方向インバータ７２は、第１発電制御装置７１の制御に従って不足分の電力を発電機４２から受電して第１アクチュエータ８に供給する。このとき充電制御として第１充電制御装置３１及び第２充電制御装置６１は、回転状態検出センサ４０からの情報に基づいてフライホイール４５が放電状態であることを検知することができる。さらに第１充電制御装置３１及び第２充電制御装置６１は、フライホイール４５の放電量が先述した摩擦や空気抵抗による自然放電よりも多いこと、及び慣性負荷に対して消費される電力よりも少ないことをもって、可動部８４が電力を必要とする過渡状態又は静止状態であることを把握することができる。そして充電用インバータ３２及び充電用インバータ６２はそれぞれ、第１充電制御装置３１及び第２充電制御装置６１からの制御に基づいて、フライホイール４５の回転速度を維持するための電力を電動発電機４に印加する。このように第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０は、慣性負荷に対する瞬間的に大きな電力以外の電力も必要に応じて受電することができる。

上記説明したようにアクチュエータシステム１は、第１電源装置２及び第２電源装置５が供給する電力を電動機４１で運動エネルギーに変換して徐々にフライホイール４５に蓄積する。そして発電機４２によりその運動エネルギーを電力に変換して、第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０にその電力を供給する。このためアクチュエータシステム１は、第１電源装置２及び第２電源装置５が小型で軽量な電源装置であっても、第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０の駆動に必要となる瞬間的に大きな電力を供給することができる。このとき第１電源装置２及び第２電源装置５から電動機４１への電力供給は、電動機４１が含む第１励磁コイル４１４及び第２励磁コイル４１５において行われる。そして電動機４１は、第１電源装置２又は第２電源装置５の少なくとも一方が電力を供給することで駆動する。このため第１電源装置２又は第２電源装置５のいずれか一方に故障が生じても、アクチュエータシステム１は、第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０を駆動することができる。

またアクチュエータシステム１は、継電器が不要であり、第１電源装置２及び第２電源装置５が電力を供給する給電路を切り替える必要がないため電源装置の故障を検出して継電器を切り替える機構も不要である。したがってアクチュエータシステム１は、継電器に関わる故障のリスクを排除した電源の冗長系を構成することができる。

さらにアクチュエータシステム１は、第１電源装置２及び第２電源装置５が電力を供給する給電路が互いに独立しているのが好ましい。それによって一方の電源装置に生じる故障が他方の電源装置に波及する虞を低減することができる。

また電動発電機４が発電する電力についても、発電機４２から第１発電電力変換装置７及び第２発電電力変換装置９への電力供給は、発電機４２が含む第１誘導コイル４２４及び第２誘導コイル４２５のそれぞれにおいて行われる。そして発電機４２は、第１発電電力変換装置７を介して第１アクチュエータ８へ電力を供給することができ、第２発電電力変換装置９を介して第２アクチュエータ１０へ電力を供給することができる。このため第１アクチュエータ８又は第２アクチュエータ１０のいずれか一方に故障が生じても、アクチュエータシステム１は、他方のアクチュエータを駆動することができる。

またアクチュエータシステム１は、第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０に電力が供給される給電路が互いに独立しているのが好ましい。それによって一方のアクチュエータに生じる故障が他方のアクチュエータに波及する虞を低減することができる。

さらにアクチュエータシステム１は、制御の方式としていわゆる分散制御システムを構成している。すなわち第１充電電力変換装置３、第２充電電力変換装置６、第１発電電力変換装置７、第２発電電力変換装置９、第１アクチュエータ８、第２アクチュエータ１０は、これらの各制御対象が内蔵する制御装置によってそれぞれ自律的に制御される。このためいずれかの制御対象に故障が生じた場合であっても、他の制御対象に故障が波及する虞を低減することができる。

このようにして本発明によれば、故障に対する信頼性が高いアクチュエータシステム１を提供することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施例では、２つの電源装置（第１電源装置２及び第２電源装置５）を備えるアクチュエータシステム１を例示しているが、より多くの電源装置を備えてもよい。また上記実施例では、２つのアクチュエータ（第１アクチュエータ８及び第２アクチュエータ１０）を備えるアクチュエータシステム１を例示しているが、より多くのアクチュエータを備えてもよい。

１アクチュエータシステム
２第１電源装置
３第１充電電力変換装置
４電動発電機
５第２電源装置
６第２充電電力変換装置
７第１発電電力変換装置
８第１アクチュエータ
９第２発電電力変換装置
１０第２アクチュエータ
４１電動機
４２発電機
４５フライホイール
４１４第１励磁コイル
４１５第２励磁コイル
４２４第１誘導コイル
４２５第２誘導コイル

Claims

第１励磁コイル及び第２励磁コイルを含み、前記第１励磁コイル又は前記第２励磁コイルの少なくとも一方に電力を印加することにより回転する電動機と、
前記第１励磁コイルに電力を印加する第１電源装置と、
前記第２励磁コイルに電力を印加する第２電源装置と、
前記電動機の駆動力により回転するフライホイールと、
第１誘導コイルを含み、前記フライホイールの回転運動エネルギーにより前記第１誘導コイルに電力が発生する発電機と、
前記第１誘導コイルに発生した電力で駆動される第１アクチュエータと、を備え、
前記第１電源装置及び前記第２電源装置が供給する電力は、前記第１アクチュエータの慣性負荷に対して消費される電力よりも小さい、アクチュエータシステム。
請求項１に記載のアクチュエータシステムにおいて、前記第１電源装置から前記第１励磁コイルへ供給される電力と、前記第２電源装置から前記第２励磁コイルへ供給される電力とは、給電路が互いに独立して形成されている、アクチュエータシステム。
請求項１又は２に記載のアクチュエータシステムにおいて、前記発電機が発電する電力を変換して前記第１アクチュエータに供給する第１電力変換装置をさらに備え、
前記第１アクチュエータは、前記第１アクチュエータが必要とする電力を示す第１電力要求情報を前記第１電力変換装置に送信する第１アクチュエータ制御装置を含み、
前記第１電力変換装置は、前記第１アクチュエータ制御装置から受信した前記第１電力要求情報に基づいて前記発電機の発電量を制御する第１発電制御装置を含む、アクチュエータシステム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータシステムにおいて、前記発電機は、前記フライホイールの回転運動エネルギーにより電力が発生する第２誘導コイルをさらに含み、
前記アクチュエータシステムは、前記第２誘導コイルに発生した電力で駆動される第２アクチュエータをさらに備える、アクチュエータシステム。
請求項４に記載のアクチュエータシステムにおいて、前記第１誘導コイルから前記第１アクチュエータへ供給される電力と、前記第２誘導コイルから前記第２アクチュエータへ供給される電力とは、給電路が互いに独立して形成されている、アクチュエータシステム。
請求項４又は５に記載のアクチュエータシステムにおいて、前記発電機が発電する電力を変換して前記第２アクチュエータに供給する第２電力変換装置をさらに備え、
前記第２アクチュエータは、前記第２アクチュエータが必要とする電力を示す第２電力要求情報を前記第２電力変換装置に送信する第２アクチュエータ制御装置を含み、
前記第２電力変換装置は、前記第２アクチュエータ制御装置から受信した前記第２電力要求情報に基づいて前記発電機の発電量を制御する第２発電制御装置を含む、アクチュエータシステム。