JPH08508634A

JPH08508634A - 非同期モータを用いてトルク出力を増大させた同期モータシステム

Info

Publication number: JPH08508634A
Application number: JP6522322A
Authority: JP
Inventors: スター，レスリー・ピイ; シュワルツ，エドワード・エル
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1996-09-10
Also published as: EP0692155B1; WO1994023484A1; EP0692155A1; AU6495194A; DE69401349D1; US5426353A; DE69401349T2

Abstract

(57)【要約】ロータリー・アクチュエータが、好ましくは出力速度が一定のＡＣモータからなる同期モータと、好ましくは負荷に付加的なトルクを供給する補助容量のＤＣモータからなる非同期モータとから駆動力を得る。ある種の非同期モータを用いて最大トルクの一部を賄う方が、その最大必要トルクを得るのに十分なサイズの同期モータを用いるより低コストになる。非同期モータ出力を同期モータ出力と結合するトルク制限クラッチを用いることにより、非同期モータを同期モータとの適合性をもって動作させることが可能である。トルク制限クラッチとしては、ヒステリシス継手型のものが好ましい。一実施の形態においては、両方のモータで、歯車列を駆動し、非同期モータはトルク制限クラッチによって該歯車列に結合する。

Description

【発明の詳細な説明】非同期モータを用いてトルク出力を増大させた同期モータシステム発明の背景モータ駆動アクチュエータは、今日広く用いられている多種多様な装置において種々の運動や動作を得るために使用される。例えば、アクチュエータは、ＨＶＡＣ（暖房・換気・空調）システムにおけるダンパや弁、製造工程における流体弁、及び自動扉開閉の動作に使用される。各動作事象の時点及び持続時間は各特定の用途によって異なるから、電子式コントローラを用いて、あらかじめプログラムされた時点で、あるいはコントローラに取り付けたセンサによりあらかじめ選択された事象の発生が検出されると同時に、動作電源をアクチュエータに供給することが行われる。アクチュエータは、直線出力または回転出力を有し、本願発明は、これらのどちらの出力設計でも実施することができる。しかしながら、本発明はロータリー・アクチュエータの形における使用を意図したものであり、以下の説明はそのような実施の形態に基づいて行う。ロータリー・アクチュエータの原理は、リニア・アクチュエータにもしばしば応用することができるということは理解できよう。さらに、機械的リンク手段またはラックピニオン歯車装置を用いて、回転運動は容易に直線運動に変換することができる。ロータリー・アクチュエータの基本設計は非常に簡単である。電動機（モータ）は、回転速度を減じてモータからのトルクを増幅する減速歯車列を介して出力エレメントを駆動する。ロータリー・アクチュエータの場合は、リンク装置は、ほぼ例外なく歯車列であり、リニア・アクチュエータの場合は、通常、最終段に直線動作を得るためのラックピニオン装置を具備した歯車列である。典型的なロータリー・アクチュエータの出力速度は、せいぜい数ＲＰＭのオーダであり、１ＲＰＭに満たない場合もある。ロータリー・アクチュエータにおける最大回転範囲は、通常、１回転以下であり、その範囲内で回転方向を制御することができる。また、１回の動作毎に１回転の一部だけ回転する不可逆ロータリー・アクチュエータもあり、それはそのような動作が適した負荷を駆動するために使用される。例えば、カム動作弁は、アクチュエータ軸の半回転毎に開閉されるようにすることができる。このような用途のアクチュエータにおいては、多くの場合、負荷の位置決めに高い精度は不要である。例えば、弁を部分的に開く用途の場合、所与の割合の弁開度に対する流量に元々ある程度の不確実性があるので、アクチュエータの角度位置に高い精度は不必要である。このような用途においては、閉ループ動作にするのは無駄なコストをかけるに等しいが、指定された位置への位置決めを達成するのに数パーセント程度の精度は必要である。アクチュエータの原動機として同期定速モータを使用すると、負荷や電圧に左右されない出力速度が得られ、もっぱら動作時間のみに基づいて、アクチュエータ位置を満足に制御することが可能なことがしばしばある。同期モータをアクチュエータの原動機として用いる場合の欠点は、所与のパワー出力に対する初期コストが、ある種の非同期モータ、特にＤＣモータに比べて比較的高いことである。この余分のコストは、開ループで動作するという同期モータが非同期モータに対して持つ長所を減殺する。また、ＤＣモータは、同期モータより電気エネルギーの機械エネルギーへの変換効率が高く、このことも一部の用途においては相当の意味を持ち得る。一部の用途に用いられるアクチュエータにおいては、安全または便宜上の理由から、停電が起こったとき、あるいはコントローラの不適切な動作によってアクチュエータの電源が失われたとき、アクチュエータが確実にその出力エレメント及び負荷を特定の安全位置またはホームポジションへ復帰させることが必要である。これらの自動復帰型のアクチュエータは、ホームポジションへのパワーリターンを図るために、何らかの方法でエネルギーを貯蔵しなければならない。このようなパワーを一般的に蓄えるには、２つの方法がある。一部のアクチュエータにおいては、パワーリターン動作が必要なときモータによって使用される電力を蓄電池によって供給する。この設計は、バッテリが経時によって劣化したり、別途充電回路が必要であり、また重量が大きく、コストが高いという短所がある。より一般的なパワーリターン型アクチュエータの設計では、エネルギーを蓄えて、復帰動作が必要なとき放出するコイルばねが用いられる。この種のアクチュエータで最も簡単なものでは、ばねが駆動歯車列に恒久的に結合されていて、モータが出力軸を外向きに、また戻り方向に駆動するのに併せて巻かれ、巻き戻されるようになっている。このような設計は、構造が簡単という利点があるが、多数の欠点もある。１つの欠点は、トルク出力が非対称で、ばねの力に抗して外向きに回転する際のトルクは、戻り方向のトルクより相当小さいということである。このトルク出力の非対称性は、コイルばねの周知の特性、すなわち、主としてばねの隣接巻き間の摩擦のために、巻き時には、巻戻し時に得られるトルクの数倍のトルクが必要になるという特性によってさらに大きくなる。さらに、多くの負荷は、トルクを対称的に加えることが要求され、どちらかの方向に過大なトルクが加わると、負荷を損傷する危険性がある。例えば、負荷が弁の場合、浴室の流しにおける各自の経験から、弁は、開くときと閉じるときでは、ほぼ同じ最大トルクを必要とするということが理解できよう。また、使用可能な開トルクより閉トルクが相当大きい場合は、アクチュエータは弁を開くことすらできないということも理解できよう。もちろん、非対称トルク出力の問題は、対称なリリーストルクを有する滑りクラッチを用いて軽減することができる。しかし、それでもこの非対称トルクのレベルは、扱おうとする負荷が要求する最大駆動力を賄うのに十分な大きさの駆動モータが必要であり、アクチュエータ自体のコスト及び必要駆動力が大きくなる。同期モータでは、コスト対出力比が比較的高いという問題は、直結ばね復帰型のアクチュエータの場合、軸の外向き移動時にばねを巻き上げるのに十分な余力を確保するために、負荷の通常動作で必要なよりもはるかに大きい出力を有する同期モータを選定することが必要なため、なお一層不具合になる。このように要求されるトルクが相当大きため、通常動作時に一定速度を保つばね復帰型アクチュエータは、比較的大きくかつ重くなり、電力消費が非効率的である上に、高コストである。直結型戻しばねには上記のような欠点があるため、本願と特許権所有者及び譲受人を同じくする「ばね復帰型ロータリー・アクチュエータ（ＳｐｒｉｎｇＲｅｔｕｒｎＲｏｔａｒｙＡｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許第５，１８２，４９８号に記載された最新の設計では、非同期モータがばねを巻くための助勢トルクを供給する特別なばね巻き動作段階ないしは期間を導入することによって、問題解決を図っている。同米国特許の発明では、アクチュエータに駆動力が加わると、センサがばねが十分に巻かれた状態にあるかどうかを決定する。ばねが十分に巻かれていなければ、ばね巻き動作段階が開始され、この間にばねが十分に巻かれた後、ブレーキによってその状態が保たれる。ばねがロックされた後、アクチュエータの動作は、ばね復帰動作が起こるまで、非復帰型のアクチュエータと全く同様に続けられる。ばね復帰動作が必要になると、ブレーキが解除されて、ばねは、歯車列を介してトルクを出力軸に加え、負荷をそのホームポジションに戻す。上記米国特許第５，１８２，４９８号に記載のアクチュエータでは、負荷、ばね及びモータを結合するのに遊星歯車装置を使用する。同米国特許第５，１８２，４９８号のアクチュエータは、ばね駆動動作時に、モータにより供給されるトルク及び駆動出力に達するためには、遊星歯車装置の特性のために、直接トルク出力がほぼモータ自体のトルク出力と同等のばねを使用することが必要である。ばねを巻くにはそれだけ余分のトルクが必要なため、この設計でも、駆動力の割にサイズが過大な同期モータが必要であった。ばねを巻く際、通常動作時以上のモータトルクを必要としないようにするために、同期モータの歯車比を増大する様々な試みが行われたが、それらの試みは、トルクに見合った適切なサイズのモータを用いるほどの効果も得られないという結果をもたらした。上記米国特許第５，１８２，４９８号のアクチュエータにおける同期モータの通常のトルク出力レベルでばねを巻くことを可能ならしめる簡単かつ安価な設計があれば、コストを削減できる可能性がある。しかしながら、そのような設計は今日まで得られていない。発明の簡単な説明本願発明者等は、ある種の非同期モータを比較的小さい同期モータと組み合わせることによって、はるかに大きい同期モータの動作と同様の同期動作を低コストで達成するよう、上記米国第５，１８２，４９８号の開示技術の応用範囲を拡大することが可能であるという知見を得た。このような動作を得るためには、同期モータと非同期モータの出力軸をトルク制限用または力制限用滑りクラッチによって結合しなければならない。本発明の本来の目的は、上記米国特許第５，１８２，４９８号に従って形成されたアクチュエータの戻しばねを、同期モータによって巻くことができるようにすることにある。しかしながら、負荷を同期駆動する一方で、同期型の単一のモータを使用することに関連するコストと効率面での不利を回避する必要性がある何らかの用途に本発明を使用することを妨げる技術的な理由は全くない。本発明は、同期モータと非同期モータとの協調作用によって上記のような同期動作を得るモータ駆動アクチュエータ装置に、第１及び第２の入力部材と、出力部材を有する出力リンク装置とを取り付けたフレームを具備したものである。同期モータは、そのフレームに取り付けられており、またトルクを出力リンク装置の第１の入力部材に供給するよう結合された出力部材を有する。入力部材及び出力部材を有するトルク制限クラッチが設けられており、入力部材から出力部材へあらかじめ選択された最大量のトルクを伝達する。このクラッチの出力部材は、トルクを出力リンク装置の第２の入力部材に供給するように結合されている。フレームには非同期モータが取り付けられており、その非同期モータは、トルクをトルク制限クラッチの入力部材に供給するよう結合された出力部材を有する。この点に関しては、非同期モータの出力エレメントを同期モータの出力エレメントに直結すると、装置の動作が不安定になるという知見が得られている。非同期モータの実効速度は、同期モータの実効速度より大きくなければならない。ここで、「実効」速度とは、非同期モータの出力部材と同期モータの出力部材の間の何らかの歯車列を介して逆方向に伝達されるトルク制限クラッチのトルク限界における非同期モータの速度を意味する。本発明の実施の形態においては、同期モータは、ＡＣ（交流）モータであり、非同期モータはＤＣ（直流）モータである。また、誘導電動機のような非同期型のＡＣモータを使用することも可能であるが、コスト及び電力効率の面での利点がＤＣモータほど大きくない。図面の簡単な説明図１は、本発明の一実施の形態のアクチュエータを示す平面図である。図２は、本発明にとって好適な動作条件を示す速度対トルクのグラフである。図３は、本発明におけるＡＣモータトルク対負荷トルクのグラフである。実施の形態の説明図１は、歯車列を出力リンク装置として用いて、軸３０よりなるそのリンク装置の出力部材を介して負荷３５にトルクを伝達するアクチュエータ１０を示す。アクチュエータ１０の個々のエレメントは、フレーム１１に取り付けられ、そのフレームは、図に象徴的に示すように、様々なアクチュエータのエレメント及び負荷３５を支持する。軸受は、矩形中に一対の“Ｘ”マークを記した記号を用いて符号２２として象徴的に示してある。一対の歯車間のかみ合いは、例えば歯車２５と２７の間におけるように、それらの歯車が交わる点に太線で示してある。軸１５には、フレーム１１に取り付けられた同期ＡＣモータ１２によって同期トルクが供給され、そのモータ１２には、標準化された周波数、例えば米国では６０ヘルツ、その他の諸国では５０ヘルツの交流電源が供給される。軸１５の速度は、モータ１２のトルク定格を超えるまでは、モータ１２に供給される電源の周波数のみによって決まる。小さいアクチュエータに使用されるモータ１２の典型的な速度は、６０ヘルツ電源で使用する場合、例えば６００ＲＰＭである。同期モータのトルク定格を超えることは、モータ１２が損傷することがあるからというより、そのトルクを受ける歯車列が、１つまたはいくつかの歯を互いに何度も打ち付けさせるトルクパルスによって損傷する危険性があるので、好ましくない。モータ１２は、磁気吸引型トルク制限クラッチ１８の入力エレメントをなす永久磁石ロータ１７に軸１５を介してトルクを供給する。クラッチ１８は、ロータ１７から出力軸１９へ設計レベルのトルクを伝達するカップ２０よりなる出力エレメントを有する。このような磁気吸引クラッチは、比較的軸速度と独立した所定量のトルクを伝達するように設計される。図１の装置においては、クラッチ１８は必ずしも不可欠ではないが、これを用いることが非常に望ましい。これを使用する場合、クラッチ１８の設計トルクはモータ１２の始動トルクより小さくすべきである。クラッチ１８は、軸受にかかるラジアル荷重によってモータ１２に損傷が生じるのを防ぎ、また過負荷になっても、負荷にモータ１２の回転磁界から生じるトルクパルスにさらすことなく、モータ１２がその同期速度で動作し続けることを可能ならしめる。適切なサイズのクラッチ１８があると、モータ１２の速度は、その出力エレメント２０に加わる負荷トルクの大小にかかわらず、その同期速度で一定に保たれる。出力エレメント２０に、クラッチの設計量よりトルクが大きい負荷が加わった場合は、出力軸１９は単に失速するだけで、モータ１２はその同期速度で動作し続ける。クラッチ１８のようなこれらの磁気吸引型クラッチは、高レベルの滑りによって不定的に動作するよう設計されている。機械式滑りクラッチは、このような滑りの許容範囲がなく、従って、高くかつ連続的なレベルの滑りが起こり得る用途においてはあまり望ましくない。軸１９は、フレーム１１に取り付けられた軸受２２及び２３中で回転するように取り付けられている。平歯車２５は、軸１９に固定されており、出力歯車２７と噛み合って、出力歯車２７が回転可能に支持されている出力軸３０にトルクを伝達する。歯車２５及び２７は、かなり減速するとともに、モータ１２によって出力軸３０に与えられるトルクを大きくする歯車列を表す。これより一般的な設計では、軸１９と３０との間に、複合歯車列をなす３つ以上の歯車が装置のコンパクト性を向上させるように配置される。ロータリー・アクチュエータにおいては、駆動モータ１５と出力軸３０との歯車比をモータ１２の速度を数１００または数１０００分の１に減速するような値にすることも珍しくない。出力軸３０は、図示のように、フレーム１１に取り付けられた軸受３２及び３３によって支持されている。軸３０は、図示のように、外部負荷３５を駆動する。同期動作時においては、負荷３５に供給される駆動力とトルクは正比例する。以下、図１の装置の動作を種々の軸に生じるトルクによって説明するが、ある特定の軸の同期動作時においては、「駆動力」という用語を「トルク」という用語の代わりに用いることが可能である。歯車２５が一定の同期速度で回転すると、軸３０はこれよりはるかに遅い一定の同期速度で駆動されるということは理解できよう。図１に示す簡単な歯車列の場合、軸３０の同期速度は、Ω₁₉Ｔ₂₅／Ｔ₂₇で与えられる。ただし、Ω₁₉は、軸１９の回転速度であり、Ｔ₂₅及びＴ₂₇はそれぞれ歯車２５及び２７の歯数である。出力軸３０が一定速度の場合、単に動作期間の持続時間を測定するだけで、軸３０の各運動の大きさを動作期間中に優れた精度で測定することができる。実際、動作時間に基づく正確な位置測定を妨げる唯一の要因は、モータ１２が同期動作に達する前に短期間だけ非同期始動巻線で動作する場合における始動時間の不確実性である。アクチュエータに用いる場合、同期モードで動作することができる小さいステッパ型のモータは、運転トルクに非常に近い始動トルクを出す。減速歯車列の始動トルクは、摩擦力が慣性力に勝ることによって、必要な同期運転トルクに非常に近いため、モータ１２は各動作期問のほんの一部の間しか非同期で動作せず、従って、軸３０の新しい位置を決定する際の精度に大きく影響することはない。非同期モータ４９は、軸４５、第２のトルク制限クラッチ４２、軸３８、及び平歯車３６を介して付加的なトルクを出力歯車２７に供給する。クラッチ３６は、クラッチ１８と同様であって、その入力エレメントとして磁気ロータ４３を、またその出力エレメントとしてカップ４１を有し、クラッチ４２の設計によって決まるトルクのレベル以上のトルクは伝達しない。軸３８は、図示のように、フレーム１１に取り付けられた軸受３９及び４０によって支持されている。モータ４９は、交流誘導モータでもよいが、好ましくは、図示のように、ＤＣ電源装置５４から経路５２を介して電源を供給されるＤＣモータを用いる。モータ４９として使用される典型的なモータは、モータ４９がＤＣモータの場合、モータ１２の同期設計の速度より相当高速で動作するとき、最大の駆動力を生じるように設計される。これら２つのモータの速度を互いにより適合した値にするために、各々のクラッチ出力軸１９及び３８と軸３０の間の歯車比が通常の設計において異なっている。例えば、図１において、歯車２５の歯数Ｔ₂₅は、図示のように、歯車３６の歯数Ｔ₃₆より約３分の１大きい。クラッチ４２は、モータ４９によって供給されるトルクを歯車列の駆動軸３０に伝えるために、必ずなければならず、また常に滑るようなサイズのものでなければならない。クラッチ４２がモータ４９に課すトルク負荷は、モータ４９の速度が、軸３８と軸３０の間の歯車比及び軸１９と軸３０の間の歯車比によって決まる同期動作に対応する軸３８の速度以上になるような大きさでなければならない。図示のような簡単な歯車列の場合、軸３８の対応同期速度Ω₃₈は、Ω₃₈＝Ｔ₂₅ ・Ω₁₂／Ｔ₃₆で与えられる。ただし、Ｔ₂₅及びＴ₃₆は、それぞれ歯車２５及び３６の歯数であり、Ω₁₂は軸１２の回転速度である。これは、モータ４９が軸３８の同期速度Ω₃₈より速く回転する場合、クラッチ４２が常に滑りをもって動作することを意味する。クラッチ４２に常に滑りがないと、モータ４９を図１の歯車列に結合して、軸３０の同期速度とモータ４９からのトルク入力とを同時に達成することはほとんど不可能である。図２は、図１の装置におけるクラッチ４２及びモータ４９の設計上の必要条件をより解り易く説明するためのグラフである。図２において、線５８は、典型的な直巻ＤＣモータ４９の仮想の速度−トルク特性を表す。この図から、モータ４９の速度は、広い動作速度範囲にわたって、軸４５の抗回転負荷トルクが増大するにつれて低下するということが解る。経路５２上の所与の電圧入力に対し、モータ４９の各トルクレベルで速度を決定することができる。もちろん、その逆も真であって、所与の入力電圧に対し、モータの軸４５の各速度においてトルクの大きさを決定することができる。クラッチ４２は、常時滑り、従って、モータ４９には常にトルク負荷がかかる。クラッチ４２が滑るよう設計されているトルクは、線５８上で、軸３０の一定速度または同期速度に等しい軸３８の速度に少なくとも相当するモータ４９の速度を生じるような値でなければならず、好ましくは、直流入力電圧の予期した変動に対応できるよう、この値より幾分大きくする。トルクをこのように幾分大き目にしないと、直流入力電圧の変動によってＤＣモータのトルクまたは速度（ＲＰＭ）がΩ₃₈とＱ₄₂の直線の交点より下に低下することがある。モータ１２の同期速度Ω₁₂に対応する軸３８の同期速度Ω₃₈は、式Ω₃₈＝Ｔ₂₅・Ω₁₂／Ｔ₃₆によって与えられる。ただし、Ｔ₂₅及びＴ₃₆はそれぞれ歯車２５及び３６の歯数である。同期速度Ω₃₈は、クラッチ４２を連続的に滑らせるモータ４９のトルク出力に対応する大きさでなければならない。図２は、実際にこの状況を示しており、モータ４９の動作点６２においては、モータ４９は軸速度Ω₄₉におけるトルクを発生し、クラッチ４２は軸３８にトルクＱ₄₂を伝達し、軸３８はΩ₃₈ＲＰＭ、すなわちその同期速度で回転する。クラッチ４２の滑り量は、簡単にΩ₄₉−Ω₃₈で与えられる。トルクはＱ₄₂のままで、モータ４９の速度がΩ₃₈、すなわち同期動作に対応する速度になったときの軸３８の動作点を６０で示す。しかしながら、図１のシステムは、ある条件の下では非同期で動作することが可能である。この条件は、負荷３５が吸収するトルクが過小あるいは過大であるときに起こり得る。このトルクが過小な場合は、ＤＣモータ４９及びクラッチ４２は、クラッチ１８が滑り、軸１９が軸１５より速く回転するような非常に大きいトルクを歯車２７に与える。負荷３５が吸収するトルクが過大な場合は、クラッチ１８が滑り、軸１９は軸１５よりゆっくり回転し、通常は失速する。ここで、まず、軸３０に負荷トルクがかかっていない状況を考えて見る。クラッチ１８のトルク伝達能力は、両回転方向とも同じであると仮定する。これは理にかなった仮定である。もし、クラッチ１８を省いたとすると、軸１５にその速度を増すように作用する能動外部トルクによる非同期化に抵抗するモータ１２の能力が制限要因になり、この場合は、増速状態においても、負荷状態においても、トルク伝達能力は同じであると仮定することはやはり妥当である。負荷トルクがない場合は、モータ４９は、クラッチ４２及び歯車列を介してトルクを軸３０及びモータ１２に加え、軸１９をモータ１２の同期速度Ω₁₂より速く回転させようとし、また、軸３０をモータ１２による同期動作に対応する同期速度Ω₁₂Ｔ₂₅ ／Ｔ₂₇より速い速度で回転させようとする。負荷３５がトルクを吸収しない状態で同期動作を維持するためには、クラッチ１８によって軸１９に加えられる抵抗トルクが、クラッチ４２により歯車列を介して軸１９に加えられる結果のトルクＱ₄₂Ｔ₂₅／Ｔ₃₆より大きくなければならない。この条件が満たされないと、軸１９は、増速ないし順方向に同期が外れる。異なる歯車列を使用する場合は、異なる式を用いて動作が同期外れになる点を決定する必要がある。同期動作を維持するためには、外部負荷３５によって軸３０から吸収される負荷トルクが、軸１９及び３８によって歯車２５、２７及び３６を介して軸３０に与えられるトルクの和より大きくないことが必要である。すなわち、出力軸３０による非同期動作を防ぐために、負荷トルクは、Ｔ₂₇［（Ｑ₄₂／Ｔ₃₆）＋（Ｑ₁₈ ／Ｔ₃₅）］より少なくなければならない。ただし、Ｑ₁₈はモータ１２から軸１９に与えられる最大トルクであり、Ｑ₄₂はモータ４９からクラッチ４２を介して与えられるトルクである。これは、この装置の過負荷状態であり、クラッチ１８は滑りを生じる。一般には、クラッチ１８及び４２によって与えられるトルクは滑りとほぼ完全に無関係であるため、過負荷は装置を完全に失速させる。負荷によって過負荷も負荷不足も生じない場合は、出力軸３０の速度は、モータ１２の同期速度Ω₁₂を歯車列の介在により減速して軸３０に伝えられる速度、すなわちはΩ₁₂Ｔ₂₅／Ｔ₂₇になる。これらの条件が満たされているとき、モータ４９の動作トルクは、クラッチ４２の滑りトルクよりほんの僅かしか大きくなく、モータ４９は、直線Ｑ₄₂がモータの動作線５８と交わる点６２で動作する。モータ４９の動作トルクは、クラッチ４２及び軸受４０の摩擦や磁気損失があるため、クラッチ４２によって軸３８に与えられるトルクより僅かに大きい。図１に示す３つの歯車からなる簡単な歯車列の場合、歯車比及びクラッチ１８及び４２によって伝達されるトルクレベルは、Ｔ₂₇［（Ｑ₄₂／Ｔ₃₆）＋（Ｑ₁₈／Ｔ₂₅）］＞Ｑ_L＞Ｔ₂₇［（Ｑ₄₂／Ｔ₃₆）−（Ｑ₁₈／Ｔ₂₅）］を満たすように選択しなければならない。負荷３５のトルクがゼロになり得る最も簡単な状況については、右側の不等式を満たすため、Ｑ₄₉Ｔ₂₇／Ｔ₃₆は、Ｑ₁₈Ｔ₂₇／Ｔ₂₅より大きくてはならない。Ｑ₁₈／Ｔ₂₅＝Ｑ₄₂／Ｔ₃₆ならば、Ｑ_Lの最大値は２Ｑ₁₈・Ｔ₂₇ ／Ｔ₂₅である。すなわち、この形の動作における制約は、最小負荷トルクがゼロであれば、同期動作を失わずに許容される最大負荷トルクが、モータ１２が歯車列を介して軸３０に供給し得る最大実効トルクの２倍であるということである。この解析を一般化して、モータ１２がクラッチ１８を介して単独で軸３０により負荷３５に供給することができる最大負荷トルクＱ_max（＝Ｑ₁₈・Ｔ₂₇／Ｔ₂₅ ）より数倍大きい最大必要トルクを有する負荷３５を同期して動作させるように、モータ１８及び４９のトルク出力、クラッチ１８及び４２のトルク限界、及び歯車列の歯車比を選択することができる。図３のグラフは、ＡＣモータ１２によりクラッチ１８を介して軸３０及び負荷３５に供給される変化するトルクと、負荷３５によって吸収されるトルクとの間の関係における上記の原理を示す。横座標は負荷３５のトルクの変化を表し、縦座標はＡＣモータのトルクの変化を表す。クラッチ１８によって伝達されるＡＣモータ１２からの同期トルクは、負荷３５が要求するトルクが最小のとき、モータ４９によって供給されるトルクから生じるオーバードライブに対してモータ１２及びクラッチ１８が与える抵抗を表す負の値から、負荷３５がクラッチ１８及び４２を介して両方のモータからの全トルクを要求しているときにおける最大値まで変化する。負荷３５によるトルク要求が小さいため、モータ４９の過速度に抵抗するモータ１２により供給されるトルクは、図３に負の値として示されている。１Ｘの符号は、クラッチ４２の滑りトルクが軸３０にＱ₄₂・Ｔ₂₇／Ｔ₃₆＝Ｑ_maxに等しいトルクを与える条件を表す負荷曲線６６を示す。負荷３５のトルクが０のときは、軸３０のＤＣモータ４２のトルクは全て、軸３０における同じ大きさのＡＣモータ１２のトルクと正確につり合い、これによって抵抗を受ける。負荷３５が全トルク（負荷曲線６６における２Ｑ_max）を要求しているときは、負荷３５には各モータからそれぞれＱ_maxのトルクが与えられる。１２及び４９の各モータによって負荷３５に供給される駆動力及びトルクは、全負荷時にのみ互いに等しくなる。動作点６８は、動作に対するモータ１２及びクラッチ１８からのトルクの寄与分がなく、負荷３５のトルクがちょうどＱ_maxで、全てモータ４９によってまかなわれる条件を規定する。動作線７０は、負荷３５が必要とする最小トルクがＱ_maxで、負荷３５が必要とする最大トルクが３Ｑ_maxである状態を示す。負荷の最大範囲は、やはり２Ｑ_m _ax である。この場合は、モータ４９は、２Ｑ_maxのトルクを軸３０に加えなければならない。一般に、同期モータ１２及びそのクラッチ１８のサイズは、負荷が必要とするトルクの範囲によって決定され、この範囲の少なくとも２分の１に対応するものでなければならない。非同期モータ４９及びそのクラッチ４２のトルク容量は、負荷３５が必要とする最大トルクと最小トルクの和の少なくとも２分の１でなければならない。もう一つの例として、軸３０の同期速度Ω₁₂・Ｔ₂₅／Ｔ₂₇で、例えば２００インチ−ポンド乃至５００インチ−ポンドのトルクが必要な応用例の場合、モータ１２及びクラッチ１８は、Ｑ₁₈・Ｔ₂₇／Ｔ₂₅（＝Ｑ_max）の値として少なくとも１５０インチ−ポンドが可能なように選択すべきであり、モータ４９及びクラッチ４２は、軸３８の速度Ω₃₈＝Ω₁₂・Ｔ₂₅／Ｔ₂₇で、Ｑ₄₂・Ｔ₂₇／Ｔ₃₆＝３５０インチ−ポンドに設定されるよう選択すべきである。ただしΩ₁₂はモータ１２の同期速度である。この構成によれば、非同期モータ４９は、モータ１２により軸３０に供給される同期トルク出力を２倍以上にすることが可能なことが解る。負荷の中には、一定の要素または最小トルクを有する多種多様な負荷がある。この種の負荷は、エアダクト・ダンパーブレードやエレベータボックスの場合は重力から生じ、ばね復帰型アクチュエータの場合はばねから生じ、軸受や歯車列においては摩擦から生じ得る。大部分の負荷は、予測可能な範囲にわたって変動するトルクまたは駆動力を必要とする。必要トルクの変動及び駆動モータが遭遇する最小トルクを適正に分析することによって、各用途において同期動作を確保するための駆動モータの適切なサイズを選択することができる。以上の説明から、本発明によれば、種々の要素を適切に選定すれば、同期ＡＣモータと非同期モータとの組合わせから得られる駆動力を用いて同期動作を達成することが可能なことが解る。その結果、より安価な装置とそのより効率的な動作を達成することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年２月３日【補正内容】補正書明細書負荷３５が全トルク（負荷曲線６６における２Ｑ_max）を要求しているときは、負荷３５には各モータからそれぞれＱ_maxのトルクが与えられる。１２及び４９の各モータによって負荷３５に供給される駆動力及びトルクは、全負荷時にのみ互いに等しくなる。動作点６８は、動作に対するモータ１２及びクラッチ１８からのトルクの寄与分がなく、負荷３５のトルクがちょうどＱ_maxで、全てモータ４９によってまかなわれる条件を規定する。動作線７０は、負荷３５が必要とする最小トルクがＱ_maxで、負荷３５が必要とする最大トルクが３Ｑ_maxである状態を示す。負荷の最大範囲は、やはり２Ｑ_m _ax である。この場合は、モータ４９は、２Ｑ_maxのトルクを軸３０に加えなければならない。一般に、同期モータ１２及びそのクラッチ１８のサイズは、負荷が必要とするトルクの範囲によって決定され、この範囲の少なくとも２分の１に対応するものでなければならない。非同期モータ４９及びそのクラッチ４２のトルク容量は、負荷３５が必要とする最大トルクと最小トルクの和の少なくとも２分の１でなければならない。もう一つの例として、軸３０の同期速度Ω₁₂・Ｔ₂₅／Ｔ₂₇で、例えば２００cm −gm乃至５００cm−gmのトルクが必要な応用例の場合、モータ１２及びクラッチ１８は、Ｑ₁₈・Ｔ₂₇／Ｔ₂₅（＝Ｑ_max）の値として少なくとも１５０cm−gmが可能なように選択すべきであり、モータ４９及びクラッチ４２は、軸３８の速度Ω₃₈ ＝Ω₁₂・Ｔ₂₅／Ｔ₂₇で、Ｑ₄₂・Ｔ₂₇／Ｔ₃₆＝３５０cm−gmに設定されるよう選択すべきである。ただしΩ₁₂はモータ１２の同期速度である。この構成によれば、非同期モータ４９は、モータ１２により軸３０に供給される同期トルク出力を２倍以上にすることが可能なことが解る。負荷の中には、一定の要素または最小トルクを有する多種多様な負荷がある。この種の負荷は、エアダクト・ダンパーブレードやエレベータボックスの場合は重力から生じ、ばね復帰型アクチュエータの場合はばねから生じ、軸受や歯車列においては摩擦から生じ得る。大部分の負荷は、予測可能な範囲にわたって変動するトルクまたは駆動力を必要とする。必要トルクの変動及び駆動モータが遭遇する最小トルクを適正に分析することによって、各用途において同期動作を確保するための駆動モータの適切なサイズを選択することができる。以上の説明から、本発明によれば、種々の要素を適切に選定すれば、同期ＡＣモータと非同期モータとの組合わせから得られる駆動力を用いて同期動作を達成することが可能なことが解る。その結果、より安価な装置とそのより効率的な動作を達成することができる。補正請求の範囲１．出力部材を有し、その出力部材に同期トルクを供給するモータ駆動アクチュエータで、そのアクチュエータの出力部材を介して所定の最小必要トルク及びその所定の最小必要トルクより大きい所定の最大必要トルクを有する負荷を駆動するよう設計されたモータ駆動アクチュエータにおいて：ａ）フレームと；ｂ）そのフレームに取り付けられていて、第１及び第２の入力部材を有し、その入力部材に供給されるトルクを前記アクチュエータの出力部材に累積的に加えるトルクリンク装置と；ｃ）前記フレームに取り付けられていて、前記トルクリンク装置の第１の入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材を有する同期モータと；ｄ）前記トルクリンク装置の第２の入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材に、入力部材からあらかじめ選択された大きさのトルクを伝達する第１のトルク制限クラッチと；ｅ）前記フレームに取り付けられていて、第１のクラッチの入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材を有する非同期モータと；を具備し、上記同期モータが、その出力部材及び上記出力リンク装置を介してその出力リンク装置の出力部材から負荷へ加えられるトルクが最大必要負荷トルクと最小必要負荷トルクとの差の２分の１以上となる最大トルク容量を有するアクチュエータ。２．前記非同期モータが、その出力部材、上記第１のクラッチ及び上記出力リンク装置の出力部材を介して負荷へ加えられるトルクが少なくとも上記所定の最小必要トルクと上記所定の最大必要トルクとの和の２分の１となるトルク容量を有する請求項１記載のアクチュエータ。３．上記非同期モータ、トルクリンク装置及びトルク制限クラッチが、同期モータの出力部材を介して供給される最大トルク以下のトルクを協調作用によって同期モータの出力部材に加える要素を有する請求項２記載のアクチュエータ。４．上記トルクリンク装置及び上記トルク制限クラッチの出力によってトルクリンク装置に与えられるトルクが、同期モータの出力部材を介して供給される最大トルク以下のトルクを協調作用によって同期モータの出力部材に加える要素を有する請求項１記載のアクチュエータ。５．上記非同期モータが、その非同期モータによりその出力部材、第１のクラッチ及び出力リンク装置の出力部材を介して負荷へ加へられるトルクが上記所定の最小必要トルクと上記所定の最大必要トルクとの和の約２分の１に等しいトルク容量を有する請求項１記載のアクチュエータ。

Claims

【特許請求の範囲】１．出力部材を有し、その出力部材に同期トルクを供給するためのモータ駆動アクチュエータにおいて：ａ）フレームと；ｂ）該フレームに取り付けられていて、第１及び第２の入力部材を有し、該入力部材に供給されるトルクを該アクチュエータの該出力部材に累積的に加えるトルクリンク装置と；ｃ）該フレームに取り付けられていて、該トルクリンク装置の第１の入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材を有する同期モータと；ｄ）該トルクリンク装置の第２の入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材に、入力部材からあらかじめ選択された大きさのトルクを伝達する第１のトルク制限クラッチと；ｅ）該フレームに取り付けられていて、該第１のクラッチの入力部材にトルクを供給するよう結合された出力部材を有する非同期モータと；を具備したモータ駆動アクチュエータ。２．上記非同期モータが、上記第１のクラッチにより伝達される最大トルクを越えるトルクを該第１のクラッチの入力部材に生じさせる形態ののモータである請求項１記載のアクチュエータ。３．上記アクチュエータの出力部材を介して少なくとも所定の最小必要トルクを有する負荷を駆動するよう設計されており、上記第１のクラッチが、上記非同期モータによりその出力部材、該第１のクラッチ、及び上記出力リンク装置を介して該出力リンク装置の出力部材から該負荷へ加えられるトルクが少なくとも該所定の最小必要トルクに等しくなるようなトルク容量を有する請求項２記載のアクチュエータ。４．上記アクチュエータの出力部材を介して上記所定の最小必要トルクより大きい所定の最大必要トルクのみを有する負荷を駆動するよう設計されており、上記同期モータが、該同期モータによりその出力部材及び上記出力リンク装置を介して該出力リンク装置の出力部材から該負荷へ加えられるトルクが該所定の最大必要負荷トルクと該最小必要負荷トルクとの差の２分の１以上となるようなトルク容量を有する請求項３記載のアクチュエータ。５．上記非同期モータが、上記第１のクラッチによって伝達される最大トルクより大きい最大トルク発生能力を有する請求項４記載のアクチュエータ。６．上記非同期モータが、上記第１のクラッチによって伝達される最大トルクより大きい最大トルク発生能力を有する請求項３記載のアクチュエータ。７．上記トルク制限クラッチが、磁気ヒステリシス継手よりなる請求項５記載のアクチュエータ。８．上記トルク制限クラッチが、磁気ヒステリシス継手よりなる請求項１記載のアクチュエータ。９．上記非同期モータが、ＤＣモータである請求項１記載のアクチュエータ。１０．上記出力リンク装置が、歯車列よりなる請求項１記載のアクチュエータ。１１．上記アクチュエータの出力部材を介して所定の最小必要トルク及び該所定の最小必要トルクより大きい所定の最大必要トルクを有する負荷を駆動するよう設計されており、上記同期モータが、該同期モータによりその出力部材及び上記出力リンク装置を介して該出力リンク装置の出力部材から該負荷へ加えられるトルクが該最大必要負荷トルクと該最小必要負荷トルクとの差の２分の１以上となるような最大トルク容量を有する請求項１記載のアクチュエータ。１２．上記非同期モータが、該非同期モータによりその出力部材、上記第１のクラッチ及び上記出力リンク装置を介して該出力リンク装置の出力部材から該負荷へ加えられるトルクが少なくとも上記所定の最小必要トルクと上記所定の最大必要トルクとの和の２分の１となるようなトルク容量を有する請求項１１記載のアクチュエータ。