JPWO2017037934A1 - 可変速増速機の始動方法及び可変速増速機の始動制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、変速比を正確に制御するために、電動装置として定速電動機と変速用の可変速電動機とを用い、変速装置として遊星歯車変速装置を用いたものが記載されている。この装置では、可変速電動機の回転数を変えることで、回転機械に接続される変速装置の出力軸の回転数を変えることができる。
電動装置50は、定速入力軸Acとしての内歯車キャリア軸37を定速で回転駆動させる定速電動機51と、可変速入力軸Avとしての入力側遊星歯車キャリア軸27iを任意の回転数で回転駆動させる可変速電動機71とを有している。可変速増速機1は、可変速電動機71の回転数を変えることによって、駆動対象に接続される変速装置10の出力軸Aoの回転数を変えることができる。
電動装置50は、電動装置支持部50Sによって架台90に支持されている。変速装置10は、変速装置支持部10Sによって架台90に支持されている。これら支持部により、重量物である電動装置50及び変速装置10の確実な固定が可能となる。
出力側遊星歯車キャリア軸27oは、出力側アーム部24よりも出力側に配置されている遊星歯車キャリア軸受43により、軸線Arを中心として自転可能に支持されている。遊星歯車キャリア軸受43は、変速ケーシング41に取り付けられている。出力側遊星歯車キャリア軸27oの内周側には、太陽歯車軸12が挿通されている。
入力側遊星歯車キャリア軸27iは、入力側アーム部26よりも入力側に配置されている遊星歯車キャリア軸受44により、軸線Arを中心として自転可能に支持されている。この遊星歯車キャリア軸受44は、変速ケーシング41に取り付けられている。入力側遊星歯車キャリア軸27iの入力側端には、径方向外側に向かって広がる環状のフランジ28が形成されている。
定速電動機51は、定速ロータ52を軸線Arの周方向の第一方向(正方向)に回転駆動させる。定速ロータ52が第一方向に回転することによって、内歯車キャリア軸37及び内歯車キャリア31は、第一方向に回転する。
定速ロータ延長軸55の軸方向の両端には、それぞれ、径方向外側に向かって広がる環状又は円板状のフランジ55i,55oが形成されている。定速ロータ本体軸54の出力側端には、径方向外側に向かって広がる環状又は円板状のフランジ54oが形成されている。定速ロータ延長軸55と定速ロータ本体軸54とは、それぞれのフランジ55i,55o,54oが互いにボルト等で接続されていることで、一体化している。定速ロータ本体軸54の入力側端には、冷却ファン91が固定されている。
可変速電動機71は、可変速ロータ72を第一方向に回転させることによって発電機として機能する。可変速電動機71が発電機として機能する状態を発電機モードと呼ぶ。即ち、可変速電動機71の可変速ロータ72は、発電機モードにおいて第一方向に回転する。
可変速電動機71は、可変速ロータ72を第一方向とは反対の第二方向に回転させることによって電動機として機能する。可変速電動機71が電動機として機能する状態を電動機モードと呼ぶ。即ち、可変速電動機71の可変速ロータ72は、電動機モードにおいて第二方向に回転する。
可変速ロータ72が第一方向に回転することによって、遊星歯車キャリア軸27及び遊星歯車キャリア21は、第一方向に回転する。
可変速増速機の始動制御装置2は、可変速電動機71の回転数を制御する回転数制御装置100と、可変速電動機71を電力供給状態と電力断状態とにする第一スイッチ111と、定速電動機51を電力供給状態と電力断状態とにする第二スイッチ112と、第二スイッチ112と定速電動機51との間に介在する減電圧始動器113(低電流始動装置)と、回転数制御装置100、第一スイッチ111、第二スイッチ112、及び減電圧始動器113の動作を制御する制御部120と、を備えている。
周波数変換部101は、制御部120から指示された周波数の電力を可変速電動機71に供給する。可変速電動機71の可変速ロータ72は、この周波数に応じた回転数で回転する。このように、可変速ロータ72の回転数が変化するため、可変速ロータ72に接続されている変速装置10の遊星歯車キャリア21の回転数も変化する。この結果、変速装置10の出力軸Aoである太陽歯車軸12の回転数も変化する。
回転方向変更部102は、可変速電動機71に接続されている複数(本実施形態の場合3本)の電源線を入れ替える回路を用いることによって、可変速電動機71の回転方向を変更する装置である。即ち、回転方向変更部102は、可変速ロータ72を正回転、及び逆回転させることができる。
減電圧始動器113は、第二スイッチ112と定速電動機51との間に介在している。減電圧始動器113は、定速電動機51の始動電流の低減を図るための装置である。本実施形態の減電圧始動器113は、単巻変圧器114(始動補償器)を有しているコンドルファ始動方式である。
制御部120は、定速電動機51の始動時において、減電圧始動器113の第三スイッチ124をオフにする。これにより、定速電動機51には単巻変圧器114を介して電力が供給され、定速電動機51の始動電流を低減させることができる。制御部120は、始動完了後、即ち、定速電動機51の回転数が定格回転数に達した段階で第三スイッチ124をオンにする。
また、本実施形態の可変速増速機1には、減電圧始動器を設ける必要はなく、全電圧を行ってもよい。
また、低始動電流の電動機を用いて始動時の電流を低減してもよい。即ち、始動時において定速電動機51の始動電流を低減することができればよい。
ωs/ωi=ωh/ωi−(1−ωh/ωi )×Zi/Zs ・・・(1)
即ち、本実施形態の変速装置10においては、定速入力軸Acに対応する内歯車17を+1500rpmで正回転させ、可変速入力軸Avに対応する遊星歯車キャリア21を−900rpmで逆回転させることによって、出力軸Aoの回転数ωsが最高回転数となる。
可変速入力軸Avの可変速範囲が−900rpmから+900rpmであるとすると、可変速入力軸Avの回転数が+900rpmに近づくに従って、出力軸Aoの回転数ωsは低くなる。即ち、可変速電動機71を発電機モードで運転させることによって、出力軸Aoの回転数ωsを低くし、出力軸Aoに接続される駆動対象側の負荷トルクを低減することができる。
定速電動機51は、3相4極誘導電動機であり、定速電動機51が始動して電力供給状態になると、図6(b)に示すように、定速電動機51の回転数S2が漸次上昇する。始動後の時間と回転数S2とは略比例している。
定速電動機51のトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する前に定格トルク(100%)を超える場合がある。定格トルクよりも大きくなったトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に達する間に小さくなり、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に達すると(時間t2)、徐々に定格トルクに復帰する。
具体的には、定速電動機51のトルクT2は、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する前に、例えば、定格トルクの130%まで上昇し、定速電動機51の回転数S2が定格回転数に到達する時点(時間t2)で、例えば、定格トルクの50%まで下降した後、漸次定格トルクまで上昇する。
図6(c)は、可変速電動機71(VM)の始動後における、時間tとトルクT1の関係を示すグラフであり、図6(d)は、可変速電動機71の始動後における、時間tと回転数S1との関係を示すグラフである。図6(e)は、時間tと圧縮機Cのロータが接続される太陽歯車軸12のトルクT3との関係を示すグラフであり、図6(f)は、時間tと太陽歯車軸12の回転数S3との関係を示すグラフである。
これにより、図6(d)に示すように、可変速電動機71の回転数S1は、−90rpmから、+900rpmに変化する。
図6(f)に示すように、太陽歯車軸12の回転数S3は、定速電動機51の回転数S2に応じて上昇する。
図6(e)に示すように、太陽歯車軸12の負荷トルクT3は、定速電動機51の回転数S2が100%に達している時点(t2)で、定格トルクの約50%に抑えられる。また、図6(f)に示すように、太陽歯車軸12の回転数S3は、定速電動機51の回転数S2が100%に達している時点(t2)で、定格回転数の約75%に抑えられる。
そして、可変速増速機1は、可変速範囲(−7500〜−10500rpm)で制御可能となる。即ち、回転数制御装置100を用いて可変速電動機71の回転数を変えることで、駆動対象に接続される変速装置10の出力軸の回転数を変えることができる。
制御不能範囲速度制御は、可変速電動機71を正方向の最小回転数(90rpm)で駆動する指示を発する正方向最小回転数指示P1(図7参照)と、可変速電動機71を逆方向の最小回転数で駆動する指示を発する逆方向最小回転数指示と、を繰返し交互に実行する制御である。この制御により、可変速電動機71の回転数が0rpm近傍の速度に近似される。
図7に示すように、制御不能範囲速度制御を行うと、インタフェース122は回転数制御装置100に、周波数5Hz(電源周波数の10%)で可変速ロータ72を正回転させる命令と、周波数5Hzで可変速ロータ72を逆回転させる命令と、を繰り返し交互に発する。正方向最小回転数指示P1とこれに連続する逆方向最小回転数指示P2とからなる周期Tは一定である。
正方向最小回転数指示P1と、逆方向最小回転数指示P2の時間を等しくすることにより、回転数の平均を0rpmとすることができる。即ち、可変速ロータ72を回転させながら、0rpmの回転数を近似することができる。
指示される出力軸Aoの回転数が−5700rpmである場合、演算部123によって導出される可変速電動機71の回転数は60rpmである。60rpmは可変速電動機71の制御不能範囲であるため制御部120は、制御不能範囲速度制御を実施する。
これによって、定速電動機51の容量の低減を図ることができる。また、定速電動機51の低電流にて起動することが可能となるため、減電圧始動器113や、低始動電流の電動機の使用が可能となる。
また、本実施形態では、軸挿通孔74が形成された円筒状の軸である可変速ロータ軸73に棒状の軸である定速ロータ軸53(定速ロータ延長軸55)が挿通されている。即ち、出力の大きな定速電動機51の定速ロータ軸53が定速電動機51よりも出力の小さい可変速電動機71の可変速ロータ軸73に挿通されている。これにより、定速電動機51としてより大きな出力(馬力)のあるものを採用することができる。
また、本実施形態では、定速電動機51、可変速電動機71、変速装置、圧縮機Cの順に直線状に配置していることにより、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
Claims (5)
- 回転駆動力を発生する電動装置と、
前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、
を備え、
前記変速装置は、
軸線を中心として自転する太陽歯車と、
前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、
前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、
前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、
前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、
前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、
を有し、
前記電動装置は、
前記変速装置の前記内歯車キャリア軸を第一方向に回転させる定速ロータを有する定速電動機と、
前記変速装置の前記遊星歯車キャリア軸に接続されている可変速ロータを有し、遊星歯車キャリア軸を前記第一方向に回転させる発電機モードにて発電機として機能するとともに、前記遊星歯車キャリア軸を前記第一方向とは反対方向の第二方向に回転させる電動機モードにて電動機として機能する可変速電動機と、
を有する可変速増速機の始動方法であって、
前記定速電動機を起動し、前記定速ロータ及び前記内歯車の前記第一方向の回転数を漸次上昇させる定速電動機起動工程と、
前記可変速電動機を前記発電機モードで運転して前記遊星歯車キャリアを前記第一方向に回転させる発電機モード運転工程と、を含む可変速増速機の始動方法。 - 前記定速電動機の始動時に前記可変速電動機を前記発電機モードに移行させる請求項1に記載の可変速増速機の始動方法。
- 前記定速電動機が定格回転数に達したときに前記可変速電動機を前記電動機モードに移行させる請求項1又は請求項2に記載の可変速増速機の始動方法。
- 回転駆動力を発生する電動装置と、
前記電動装置で発生した回転駆動力を変速させて駆動対象に伝える変速装置と、
を備え、
前記変速装置は、
軸線を中心として自転する太陽歯車と、
前記太陽歯車に固定され、前記軸線を中心として、軸方向に延びる太陽歯車軸と、
前記太陽歯車と噛み合い、前記軸線を中心として公転すると共に自身の中心線を中心として自転する遊星歯車と、
前記軸線を中心として環状に複数の歯が並び、前記遊星歯車と噛み合う内歯車と、
前記軸線を中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸を有し、前記遊星歯車を、前記軸線を中心として公転可能に且つ前記遊星歯車自身の中心線を中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリアと、
前記軸線を中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸を有し、前記内歯車を、前記軸線を中心として自転可能に支持する内歯車キャリアと、
を有し、
前記電動装置は、
前記変速装置の前記内歯車キャリア軸を第一方向に回転させる定速ロータを有する定速電動機と、
前記変速装置の前記遊星歯車キャリア軸に接続されている可変速ロータを有し、前記遊星歯車キャリア軸を前記第一方向に回転させる発電機モードにて発電機として機能するとともに、前記遊星歯車キャリア軸を前記第一方向とは反対方向の第二方向に回転させる電動機モードにて電動機として機能する可変速電動機と、
を有する可変速増速機の始動制御装置であって、
前記可変速電動機の回転数を制御する回転数制御装置と、
前記可変速電動機を電力供給状態と電力断状態とにする第一スイッチと、
前記定速電動機を電力供給状態と電力断状態とにする第二スイッチと、
前記回転数制御装置に対して前記可変速増速機の回転方向及び回転数を指示すると共に、前記第一スイッチ及び前記第二スイッチに対してオン、オフを指示する制御部と、を備え、
前記制御部は、始動の指示を受け付けると、第二スイッチに対してオンを指示して前記定速電動機を前記電力供給状態にし、前記第一スイッチに対してオンを指示して前記可変速電動機を前記電力供給状態にすると共に、前記回転数制御装置に対して前記可変速電動機が発電機モードの移行を指示する可変速増速機の始動制御装置。 - 前記定速電動機を低電流にて始動させる、低電流始動装置を備える請求項4に記載の可変速増速機の始動制御装置。
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