JPWO2017216899A1 - 可変速増速機、及び可変速増速機の制御方法 - Google Patents

Abstract

回転駆動力を発生する電動装置と、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遊星歯車変速装置と、を備え、太陽歯車軸が駆動対象に接続される出力軸を成し、内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、電動装置は、変速装置の定速入力軸を第二方向に回転させる定速ロータを有する定速電動機と、変速装置の可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有し、可変速ロータを第二方向とは反対方向の第一方向に最大回転数で回転させることで、出力軸を最大回転数で回転させる可変速電動機と、を有し、可変速電動機に速度指令を発して可変速電動機の回転数を制御する回転数制御装置と、可変速電動機のトルクを測定するトルク測定装置と、可変速電動機のトルクの向きが第二方向となった場合に、速度指令の指令値を保持する、又は速度指令の指令値の変化率をその時点の速度指令の指令値の変化率よりも低下させる制御装置と、を備える可変速増速機。

Description

本発明は、定速電動機と可変速電動機とからなる電動装置と、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遊星歯車変速装置とを備える可変速増速機、及び可変速増速機の制御方法に関する。

圧縮機等の回転機械を駆動する装置としては、回転駆動力を発生する電動装置と、電動装置で発生した回転駆動力を変速させて回転機械に伝える変速装置と、を備えているものがある。
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遊星歯車変速装置の出力軸の回転数を変えることができる。

日本国特許第４４７２３５０号公報

ところで、可変速電動機の回転数を急に下げようとしたり、駆動対象である圧縮機の負荷が急に下がったりした際、可変速電動機のトルクの向きが通常のトルクの向きとは反対になることがある。通常のトルクの向きとは、通常のトルクの向きとは、力行状態の可変速電動機７１が、可変速増速機（変速装置）の出力軸（圧縮機）を最大回転数で回転させるときの、可変速電動機のトルクの向きである。

可変速電動機のトルクの向きが通常のトルクの向きと反対になることによって、可変速電動機によって駆動される駆動歯車を構成する歯が、この駆動歯車と噛み合う変速装置の従動歯車を構成する歯に逆当たりする。逆当たりとは、駆動歯車の歯の周方向を向く両面のうちの可変速電動機の力を伝える面が、通常のトルクの向きのときに力を伝える面とは逆になる現象である。

可変速電動機の駆動力を変速装置に伝達する駆動歯車と従動歯車とは、例えば、より大きな力を伝える構造とするため、逆当たりに適さない構造とする場合がある。よって、意図しない歯車の逆当たりを防止することが望まれている。

本発明は、定速電動機と可変速電動機とからなる電動装置と、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遊星歯車変速装置とを備える可変速増速機において、可変速電動機の駆動力を駆動力によって駆動する駆動歯車の逆当たりを防止することができる可変速増速機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、可変速増速機は、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、前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、前記電動装置は、前記変速装置の前記定速入力軸を第二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可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第二方向とは反対方向の第一方向に最大回転数で回転させることで、前記出力軸を最大回転数で回転させる可変速電動機と、を有し、前記可変速電動機に速度指令を発し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、前記可変速電動機のトルクを測定するトルク測定装置と、前記可変速電動機のトルクの向きが前記第二方向となった場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させる制御装置と、を備える。

このような構成によれば、可変速増速機の運転中において、可変速電動機によって駆動される駆動歯車と従動歯車とが逆当たりするのを防止することができる。

上記可変速増速機において、前記制御装置は、前記可変速電動機の第一方向を向くトルクを縦軸、前記可変速電動機の第一方向の回転数を横軸とした四象限運転を示す直交座標系において、前記可変速電動機の回転数及び前記可変速電動機のトルクが、前記トルクが負である第三象限及び第四象限にある場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させてよい。

このような構成によれば、可変速電動機のトルクとともに、可変速電動機の回転数も監視することによって、より確実に歯車の逆当たりを防止することができる。

上記可変速増速機において、前記可変速ロータは、前記軸線を中心として円筒状をなし、軸方向に貫通した軸挿通孔に前記定速入力軸が挿通されてよい。

本発明の第二の態様によれば、可変速増速機の制御方法は、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、前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、前記電動装置は、前記変速装置の前記定速入力軸を第二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可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第二方向とは反対方向の第一方向に最大回転数で回転させることで、前記出力軸を最大回転数で回転させる可変速電動機と、
前記可変速電動機に速度指令を発し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、を有する可変速増速機の制御方法であって、前記可変速電動機のトルクの向きが前記第二方向となった場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させる。

本発明によれば、可変速電動機の駆動力を駆動力によって駆動する駆動歯車の逆当たりを防止することができる。

本発明に係る実施形態の可変速増速機の断面図である。 本発明に係る実施形態の変速装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の電動装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の変速装置の構成を示す模式図である。 本発明に係る実施形態の変速装置における逆当たりを説明する模式図である。 本発明に係る実施形態の制御部の動作を示すフローチャートである。 可変速電動機のトルクを縦軸、可変速電動機の回転数を横軸とする四象限運転を示す直交座標系である。

以下、本発明の実施形態の可変速増速機について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の可変速増速機１は、回転駆動力を発生する電動装置５０と、電動装置５０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１０と、を備えている。可変速増速機１は、例えば、圧縮機システム等の流体機械システムに適用することができる。
本実施形態の可変速増速機１の駆動対象は圧縮機Ｃである。

変速装置１０は、遊星歯車変速装置である。
電動装置５０は、定速で回転する定速ロータ５２を有する定速電動機５１と、任意の回転数で回転する可変速ロータ７２を有する可変速電動機７１とを有している。定速ロータ５２と可変速ロータ７２は、それぞれ変速装置１０と接続されている。

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。

変速装置１０は、図２に示すように、水平方向に延在する軸線Ａｒを中心として自転する太陽歯車１１と、太陽歯車１１に固定されている太陽歯車軸１２と、太陽歯車１１と噛み合い、軸線Ａｒを中心として公転すると共に自身の中心線Ａｐを中心として自転する複数の遊星歯車１５と、軸線Ａｒを中心として環状に複数の歯が並び、複数の遊星歯車１５と噛み合う内歯車１７と、複数の遊星歯車１５を、軸線Ａｒを中心として公転可能に且つ遊星歯車１５自身の中心線Ａｐを中心として自転可能に支持する遊星歯車キャリア２１と、内歯車１７を軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する内歯車キャリア３１と、これらを覆う変速ケーシング４１と、を有している。

以下、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向とし、軸方向の一方側を出力側、出力側の反対側を入力側とする。また、軸線Ａｒを中心とする径方向を単に径方向という。本実施形態の可変速増速機１は、軸線方向の入力側に電動装置５０が配置され、電動装置５０の出力側に変速装置１０が配置されている。圧縮機Ｃは、可変速増速機１の出力側に配置されている。

太陽歯車軸１２は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、太陽歯車１１から軸方向の出力側に延びている。この太陽歯車軸１２の出力側端部には、フランジ１３が形成されている。このフランジ１３には、例えば、駆動対象としての圧縮機Ｃのロータが接続される。太陽歯車軸１２は、太陽歯車１１の出力側に配置されている太陽歯車軸受４２により、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持されている。太陽歯車軸受４２は、変速ケーシング４１に取り付けられている。

遊星歯車キャリア２１は、複数の遊星歯車１５毎に設けられている遊星歯車軸２２と、複数の遊星歯車軸２２相互の位置を固定するキャリア本体２３と、軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと、を有している。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、キャリア本体２３の径方向内側に固定されている。

遊星歯車軸２２は、遊星歯車１５の中心線Ａｐを軸方向に貫通し、遊星歯車１５をその中心線を中心として自転可能に支持する。キャリア本体２３は、複数の遊星歯車軸２２から径方向外側に延在している。

出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、キャリア本体２３から出力側に延在している。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、軸線Ａｒを中心として円筒状を成している。
出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏは、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。

変速装置１０は、可変速電動機７１の可変速ロータ７２に接続される入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉと、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転を遊星歯車キャリア２１に伝達する伝達軸２５とを、有している。
入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、軸線Ａｒを中心として円筒状を成している。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、変速装置１０の入力側に配置されており、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。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の内周側には、変速装置１０の内歯車キャリア３１を駆動する内歯車キャリア軸３７が挿通されている。
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。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの出力側端には、径方向外側に向かって延びる入力側アーム部２６が形成されている。

伝達軸２５は、軸線Ａｔを中心として自転可能に支持されている。伝達軸２５は、軸受（図示せず）を介して変速ケーシング４１に取り付けられている。伝達軸２５の両端には、入力側伝達歯車２９ｉと出力側伝達歯車２９ｏが固定されている。
入力側伝達歯車２９ｉは、入力側アーム部２６の外周に形成されている駆動歯車２６ｇと噛み合っている。出力側伝達歯車２９ｏは、キャリア本体２３の外周に形成されている歯車２３ｇと噛み合っている。これにより、入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの回転は、伝達軸２５を介して遊星歯車キャリア２１に伝達される。

内歯車キャリア３１は、内歯車１７が固定されているキャリア本体３３と、キャリア本体３３に固定され軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる内歯車キャリア軸３７と、を有する。

キャリア本体３３は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に内歯車１７が固定されている円筒部３５と、円筒部３５の入力側端から径方向内側に延びる入力側アーム部３６と、を有する。

軸線Ａｒを中心として円柱状を成す内歯車キャリア軸３７は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成す太陽歯車軸１２の入力側に配置されている。キャリア本体３３の入力側アーム部３６は、内歯車キャリア軸３７に固定されている。内歯車キャリア軸３７は、円筒状の入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉの内周側に挿通されている。

図３に示すように、定速電動機５１は、変速装置１０の内歯車キャリア軸３７を回転駆動させる。可変速電動機７１は、変速装置１０の入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉを回転駆動させる。電動装置５０は、定速電動機５１を冷却するための冷却ファン９１と、冷却ファン９１を覆うファンカバー９２と、を有する。

内歯車キャリア軸３７は、定速電動機５１の駆動力によって定速で回転する定速入力軸Ａｃである。入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉは、可変速電動機７１の駆動力によって任意の回転数で回転する可変速入力軸Ａｖである。
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。

本実施形態において、定速電動機５１は、例えば、４極の三相誘導電動機である。また、可変速電動機７１は、極数が定速電動機５１よりも多い８極の三相誘導電動機である。なお、定速電動機５１及び可変速電動機７１の仕様はこれに限ることはなく、適宜仕様を変更することができる。

定速電動機５１は、軸線Ａｒを中心として自転し、変速装置１０の定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７に接続される定速ロータ５２と、定速ロータ５２の外周側に配置されている定速ステータ６６と、定速ステータ６６が内周側に固定されている定速電動機ケーシング６１と、を有している。

定速ロータ５２は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成す定速ロータ軸５３と、定速ロータ軸５３の外周に固定されている導体５６と、を有する。定速ロータ軸５３の入力側端には、冷却ファン９１が固定されている。

定速ステータ６６は、定速ロータ５２の導体５６の径方向外側に配置されている。この定速ステータ６６は、複数のコイルで形成されている。

定速電動機ケーシング６１は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に定速ステータ６６が固定されているケーシング本体６２と、円筒状のケーシング本体６２の軸方向の両端を塞ぐ蓋６３ｉ，６３ｏとを有している。各々の蓋６３ｉ，６３ｏには、定速ロータ軸５３を、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する定速ロータ軸受６５ｉ，６５ｏが取り付けられている。各々の蓋６３ｉ，６３ｏには、定速ロータ軸受６５ｉよりも径方向外側の位置で、軸方向に貫通する複数の開口６４が形成されている。

定速ロータ軸５３の入力側端は、定速電動機ケーシング６１の入力側の蓋６３ｉから、入力側に突出している。定速ロータ軸５３の入力側端に、冷却ファン９１が固定されている。
定速ロータ５２が回転すると、冷却ファン９１も定速ロータ５２と一体的に回転する。ファンカバー９２は、冷却ファン９１の外周側に配置されている円筒状のカバー本体９３と、カバー本体９３の入口側の開口に取り付けられ、複数の空気孔が形成されている空気流通板９４と、を有する。ファンカバー９２は、定速電動機ケーシング６１の入力側の蓋６３ｉに固定されている。

可変速電動機７１は、軸線Ａｒを中心として自転し、可変速入力軸Ａｖである入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉに接続される可変速ロータ７２と、可変速ロータ７２の外周側に配置されている可変速ステータ８６と、可変速ステータ８６が内周側に固定されている可変速電動機ケーシング８１と、を有している。

可変速ロータ７２は、可変速ロータ軸７３と、可変速ロータ軸７３の外周に固定されている導体７６と、を有している。可変速ロータ軸７３は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、軸方向に貫通した軸挿通孔７４を有している。可変速ロータ軸７３の軸挿通孔７４には、定速入力軸Ａｃである内歯車キャリア軸３７が挿通されている。可変速ロータ軸７３の出力側端には、径方向外側に向かって広がる環状のフランジ７３ｏが形成されている。

可変速ステータ８６は、可変速ロータ７２の導体７６の径方向外側に配置されている。可変速ステータ８６は、複数のコイルで形成されている。

可変速電動機ケーシング８１は、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、内周側に可変速ステータ８６が固定されているケーシング本体８２と、円筒状のケーシング本体８２の出力側端を塞ぐ出力側蓋８３ｏと、可変速ステータ８６よりも入力側に配置され円筒状のケーシング本体８２の内周側に固定されている入口側蓋８３ｉと、を有している。各々の蓋８３ｉ，８３ｏには、可変速ロータ軸７３を、軸線Ａｒを中心として自転可能に支持する可変速ロータ軸受８５ｉ，８５ｏが取り付けられている。各々の蓋８３ｉ，８３ｏには、可変速ロータ軸受８５ｉ，８５ｏよりも径方向外側の位置で、軸方向に貫通する複数の開口８４が形成されている。

可変速電動機ケーシング８１の各々の蓋８３ｉ，８３ｏに形成されている複数の開口８４、及び、定速電動機ケーシング６１の各蓋６３ｉ，６３ｏに形成されている複数の開口６４により、可変速電動機ケーシング８１内の空間と定速電動機ケーシング６１内の空間とが連通している。

また、本実施形態の可変速増速機１において、定速ロータ５２と、可変速ロータ７２と、太陽歯車軸１２とは同一の軸線上に配置されている。

図４に示すように、定速電動機５１は、定速電動機５１に電力を供給することによって定速ロータ５２（内歯車１７）を軸線Ａｒの周方向の第二方向Ｒ２に回転させるように設定されている。定速ロータ５２が第二方向Ｒ２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、第二方向Ｒ２に回転する。

変速装置１０の出力軸Ａｏは、定速電動機５１の定速ロータ５２が第二方向Ｒ２に最大回転数で回転することにより、第二方向Ｒ２とは逆方向の第一方向Ｒ１に回転するように設定されている。即ち、定速電動機５１の正回転は第二方向Ｒ２であり、変速装置１０の出力軸Ａｏの正回転は、第一方向Ｒ１である。圧縮機Ｃは、出力軸Ａｏが正回転することにより、正常に作動する。
なお、以下の説明においては、第一方向Ｒ１の回転方向をプラス（正）の回転方向とし、第二方向Ｒ２の回転方向をマイナス（負）の回転方向とする。例えば、定速電動機５１の最大回転数は、−１８００ｒｐｍである。

変速装置１０は、可変速ロータ７２が第一方向Ｒ１に回転することによって、遊星歯車キャリア２１が第一方向Ｒ１に回転するように構成されている。
可変速電動機７１は、可変速ロータ７２（遊星歯車キャリア２１）を軸線Ａｒの周方向の第一方向Ｒ１及び第二方向Ｒ２に回転駆動させることができる。即ち、可変速電動機７１は、正回転及び逆回転が可能である。可変速ロータ７２の第一方向Ｒ１の回転数を上げることによって、変速装置１０の出力軸Ａｏの第一方向Ｒ１の回転数が上がる。可変速ロータ７２を第一方向Ｒ１に最大回転数で回転させることで、出力軸Ａｏは最大回転数で回転する。

可変速電動機７１は、可変速ロータ７２を外部の力で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。
可変速電動機７１は、電力が供給され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。

本実施形態の可変速増速機１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（インバータ）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可変速電動機スイッチ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定速電動機スイッチ１１２と、回転数制御装置１００、可変速電動機スイッチ１１１及び定速電動機スイッチ１１２の動作を制御する制御部１２０と、を備えている。

制御部１２０は、コンピュータで構成されている。制御部１２０は、オペレータからの指示を直接受け付ける又は上位制御装置からの指示を受け付ける受付部１２１と、可変速電動機スイッチ１１１及び回転数制御装置１００、定速電動機スイッチ１１２に指示を与えるインタフェース１２２と、受付部１２１で受け付けた指示等に応じて、可変速電動機スイッチ１１１、定速電動機スイッチ１１２及び回転数制御装置１００に対する指令値ωｈ’（周波数）を作成する演算部１２３と、を有している。

可変速電動機スイッチ１１１は、電源線１１０と回転数制御装置１００とに電気的に接続されている。回転数制御装置１００は、可変速電動機７１と電気的に接続されている。定速電動機スイッチ１１２は、電源線１１０と定速電動機５１とに電気的に接続されている。

可変速電動機スイッチ１１１は、制御部１２０からのオン指示でオンになり、制御部１２０からのオフ指示でオフになる。可変速電動機スイッチ１１１がオンになると、電源線１１０からの電力が回転数制御装置１００を介して可変速電動機７１に供給され、可変速電動機７１は電力供給状態になる。可変速電動機スイッチ１１１がオフになると、電源線１１０から回転数制御装置１００及び可変速電動機７１への電力供給が断たれ、可変速電動機７１は電力断状態になる。

定速電動機スイッチ１１２は、制御部１２０からのオン指示でオンになり、制御部１２０からのオフ指示でオフになる。定速電動機スイッチ１１２がオンになると、電源線１１０からの電力が定速電動機５１に供給され、定速電動機５１は電力供給状態になる。定速電動機スイッチ１１２がオフになると、電源線１１０から定速電動機５１への電力供給が断たれ、定速電動機５１は電力断状態になる。

回転数制御装置１００は、電源線１１０から供給される電力の周波数を変える周波数変換部１０１と、可変速電動機７１の回転方向を変更する回転方向変更部１０２と、を備えている。
周波数変換部１０１は、制御部１２０から指示された可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’に対応する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。

本実施形態の可変速増速機１は、可変速電動機７１（可変速ロータ７２）の回転数ωｈを計測する回転数センサ１３１を備えている。また、本実施形態の可変速増速機１は、可変速電動機７１（可変速ロータ７２）のトルクＴを計測するトルクセンサ１３２を備えている。これらのセンサによって測定された回転数ωｈ及びトルクＴは、制御部１２０に送信される。

ここで、変速装置１０の各歯車の歯数と、変速装置１０の各軸の回転数との関係について、図４を用いて説明する。

出力軸Ａｏとしての太陽歯車軸１２の回転数をωｓ、定速入力軸Ａｃとしての内歯車キャリア軸３７（定速電動機５１）の回転数をωｉ、可変速入力軸Ａｖとしての入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉ（可変速電動機７１）の回転数をωｈとする。また、太陽歯車１１の歯数をＺｓ、内歯車１７の歯数をＺｉとする。
また、出力軸Ａｏの回転数ωｓと定速電動機５１の回転数ωｉの比ωｓ／ωｉをＵとする。出力軸Ａｏの回転数ωｓと定速電動機５１の回転数ωｉの比Ｕは、内歯車１７の歯数Ｚｉと太陽歯車１１の歯数Ｚｓの比Ｚｉ／Ｚｓと同じである。
また、遊星歯車キャリア２１の回転数ωｃと可変速電動機７１の回転数ωｈの比ωｃ／ωｈをＰとする。

各歯車の歯数と、変速装置１０の各軸の回転数との関係は、以下の式（１）で表すことができる。
ωｓ／ωｉ＝Ｐ×ωｈ／ωｉ−（１−Ｐ×ωｈ／ωｉ ）×Ｕ ・・・（１）

仮に、定速電動機５１が４極の誘導電動機で、電源周波数が６０Ｈｚの場合、定速ロータ５２（定速入力軸Ａｃ）の回転数ωｉ（定格回転数）は１８００ｒｐｍとなる。また、可変速電動機７１が８極の誘導電動機で、電源周波数が６０Ｈｚの場合、可変速ロータ７２（可変速入力軸Ａｖ）の最高回転数ωｈ（定格回転数）は９００ｒｐｍとなる。
また、仮に、出力軸Ａｏの回転数ωｓと定速電動機５１の回転数ωｉの比Ｕ（太陽歯車１１の歯数Ｚｓと内歯車１７の歯数Ｚｉと比Ｚｉ／Ｚｓ）を４とする。
また、遊星歯車キャリア２１の回転数ωｃと可変速電動機７１の回転数ωｈの比Ｐを０．３とする。

この場合、定速ロータ５２（内歯車１７）の回転の向きを第二方向Ｒ２の回転（−１８００ｒｐｍ）とし、可変速ロータ７２（遊星歯車キャリア２１）の回転の向きが定速ロータ５２の回転と逆向き（第一方向Ｒ１の回転）の最高回転数（９００ｒｐｍ）であると、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数ωｓは、８５５０ｒｐｍとなる。この回転数（８５５０ｒｐｍ）は、太陽歯車軸１２の最高回転数である。
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−１８００ｒｐｍで回転させ、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。

本実施形態の可変速増速機１の制御部１２０は、センサによって測定された測定値（可変速電動機７１の回転数ωｈ、及びトルクＴ）に基づいて、可変速電動機７１によって駆動される駆動歯車２６ｇの逆当たりを防止する機能を有している。
図５は、駆動歯車２６ｇの逆当たりについて説明する図である。逆当たりとは、駆動歯車２６ｇの歯２６ｔの周方向を向く両面のうち、力を伝える面が、第一方向Ｒ１を向く面Ｆとは逆の面になる現象である。
換言すれば、可変速電動機７１のトルクＴの向きが通常のトルクの向きとは反対になる現象である。通常のトルクの向きとは、電動機モードの可変速電動機７１が、可変速増速機１（変速装置１０）の出力軸Ａｏ（圧縮機Ｃ）を最大回転数で回転させるときの、可変速電動機７１のトルクの向きである。

本実施形態の可変速増速機１は、通常の運転時には、駆動歯車２６ｇの歯２６ｔの第一方向Ｒ１を向く面Ｆが、従動歯車である入力側伝達歯車２９ｉに力を伝える（正当たり状態）。
しかしながら、例えば、可変速電動機７１の回転数ωｈを急に下げようとしたり、駆動対象である圧縮機Ｃの負荷が急に下がったりした際、可変速電動機７１のトルクＴの向きが通常のトルクの向きとは反対（第二方向Ｒ２）になることがある。このような場合に、逆当たりが発生する。

次に、本実施形態の可変速増速機１の制御方法について説明する。
図６に示すように、本実施形態の可変速増速機１の制御方法は、可変速電動機７１のトルクＴ、及び可変速電動機７１の回転数ωｈを監視する監視工程Ｓ１と、四象限運転を示す直交座標系において回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にあるか否かを判定する第一判定工程Ｓ２と、第一判定工程Ｓ２の条件を満たさない場合に、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’を保持する指令値保持工程Ｓ３と、四象限運転を示す直交座標系において回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にあるか否かを判定する第二判定工程Ｓ４と、第二判定工程Ｓ４の条件を満たす場合に、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’の変更を可とする指令値変更工程Ｓ５と、を有している。

回転数監視工程Ｓ１では、制御部１２０は、可変速電動機７１の回転数ωｈ、及び可変速電動機７１のトルクＴを監視する。
ここで、本実施形態の可変速電動機７１は、回転方向とトルクの向きの組合せで、４種類の運転モードがある。本実施形態の可変速電動機７１は、図７に示すような四象限運転を行う。図７は、可変速電動機７１のトルクＴを縦軸、可変速電動機７１の回転数ωｈを横軸とする、四象限運転を示す直交座標系である。

本実施形態の可変速電動機７１において、四象限運転を示す直交座標系の第一象限は、回転数ωｈが正（回転方向が第一方向Ｒ１）及びトルクＴが正（トルクの向きが第一方向Ｒ１）であり、可変速電動機７１が圧縮機Ｃを駆動している状態である。第一象限は、可変速電動機７１に電力が供給されている力行制御（電動機モード）の実施領域である。

本実施形態の可変速電動機７１において、四象限運転を示す直交座標系の第二象限は、回転数ωｈが負（回転方向が第二方向Ｒ２）及びトルクＴが正（トルクの向きが第一方向Ｒ１）であり、可変速電動機７１が正のトルクを発生させて圧縮機Ｃを制動している状態である。第二象限は、可変速電動機７１と圧縮機Ｃの回転エネルギーが充電される回生制御（発電機モード）の実施領域である。

第一象限と第二象限においては、可変速電動機７１のトルクＴの向きが正であるため、可変速電動機７１のトルクＴが、駆動歯車２６ｇの歯２６ｔ（図５参照）の第一方向Ｒ１を向く面Ｆを介して、従動歯車である入力側伝達歯車２９ｉに伝達される。即ち、駆動歯車２６ｇと入力側伝達歯車２９ｉとは正当たりする。

本実施形態の可変速電動機７１において、四象限運転を示す直交座標系の第三象限は、回転数ωｈが負（回転方向が第二方向Ｒ２）及びトルクＴが負（トルクの向きが第二方向Ｒ２）である。第三象限は、可変速電動機７１に電力が供給されている力行制御の実施領域である。

本実施形態の可変速電動機７１において、四象限運転を示す直交座標系の第四象限は、回転数ωｈが正（回転方向が第一方向Ｒ１）及びトルクＴが負（トルクの向きが第二方向Ｒ１）である。第四象限は、可変速電動機７１と圧縮機Ｃの回転エネルギーが充電される回生制御の実施領域である。

第三象限と第四象限においては、可変速電動機７１のトルクＴの向きが負であるため、可変速電動機７１のトルクＴが、駆動歯車２６ｇの歯２６ｔの第二方向Ｒ２を向く面を介して従動歯車である入力側伝達歯車２９ｉに伝達される。即ち、駆動歯車２６ｇと入力側伝達歯車２９ｉとは逆当たりする。

第一判定工程Ｓ２では、四象限運転を示す直交座標系において回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にあるか否かを判定する。回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にある場合、即ち、駆動歯車と従動歯車とが正当たりしている場合は、回転数監視工程Ｓ１に戻る。

回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にない場合、即ち、駆動歯車と従動歯車とが逆当たりしている場合は、指令値保持工程Ｓ３に移行する。
指令値保持工程Ｓ３では、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’を保持する。即ち、逆当たりしている場合、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’が大きく変更されていると考えられるため、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’を保持して、可変速電動機７１に供給される電力の周波数が変更されないようにする。
これにより、第二方向Ｒ２を向くトルクの上昇が抑えられて、変速装置１０を構成する歯車の逆当たりを防止することができる。

第二判定工程Ｓ４では、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’を保持した状態で、四象限運転を示す直交座標系において回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にあるか否かを判定する。回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にない場合は、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’を保持した状態を継続する。
回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にある場合は、指令値変更工程Ｓ５に移行する。
指令値変更工程Ｓ５では、可変速電動機７１の回転数の指令値ωｈ’の変更を可とする。

上記実施形態によれば、可変速増速機１の運転中において、可変速電動機７１の駆動歯車２６ｇと従動歯車である入力側伝達歯車２９ｉとが逆当たりするのを防止することができる。
即ち、可変速電動機７１のトルクＴの向きを監視することによって、変速装置１０の歯車が逆当たりすることを防止することができる。

また、可変速電動機７１のトルクＴのかわりに、可変速電動機７１の回転数ωｈと回転数制御装置１００（インバータ）の出力周波数も監視することによっても、歯車の逆当たりを防止することができる。

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に棒状の軸である内歯車キャリア軸３７が挿通されている。即ち、出力の大きな定速入力軸Ａｃ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。

なお、上記実施形態では、回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にない場合（駆動歯車と従動歯車とが逆当たりしている場合）に、指令値ωｈ’を保持する構成としたがこれに限ることはない。回転数ωｈ及びトルクＴが第一象限又は第二象限にない場合に指令値ωｈ’の変化率をその時点の速度指令の指令値ωｈ’の変化率よりも低下させる構成としてもよい。
例えば、指令値ωｈ’を１秒間に９００ｒｐｍから５００ｒｐｍに変化させて、可変速電動機７１のトルクＴが負になった場合、指令値ωｈ’を上記変化の変化率（４００ｒｐｍ／秒）よりも、低い変化率に変更させてもよい。

また、上記実施形態では、逆当たりを監視する対象である駆動歯車を入力側アーム部２６の外周に形成されている駆動歯車２６ｇとし、従動歯車を入力側伝達歯車２９ｉとしたがこれに限ることはない。逆当たりを監視する対象である駆動歯車は、可変速電動機７１によって駆動される歯車であればよい。

また、上記実施形態では、可変速ロータ軸７３が円筒状に形成されて、可変速ロータ軸７３の軸挿通孔７４に内歯車キャリア軸３７が挿通される構成としたがこれに限ることはなく、例えば、可変速電動機７１の可変速ロータ７２の中心軸を軸線Ａｒに対してオフセットさせてもよい。

また、上記実施形態では、圧縮機Ｃを高速回転させるために好適な定速電動機５１として、４極の三相誘導電動機を例示し、圧縮機Ｃの回転数を一定の範囲内で可変速させるために好適な可変速電動機７１として、８極の三相誘導電動機を例示している。しかしながら、駆動対象を高速回転させる必要がない場合には、定速電動機５１や可変速電動機７１として他のタイプの電動機を用いてもよい。

１ 可変速増速機
１０ 変速装置
１１ 太陽歯車
１２ 太陽歯車軸
１５ 遊星歯車
１７ 内歯車
２１ 遊星歯車キャリア
２２ 遊星歯車軸
２７ 遊星歯車キャリア軸
２７ｉ 入力側遊星歯車キャリア軸
２７ｏ 出力側遊星歯車キャリア軸
３１ 内歯車キャリア
３７ 内歯車キャリア軸
４１ 変速ケーシング
４２ 太陽歯車軸受
５０ 電動装置
５１ 定速電動機
５２ 定速ロータ
５３ 定速ロータ軸
５６ 導体
６１ 定速電動機ケーシング
６６ 定速ステータ
７１ 可変速電動機
７２ 可変速ロータ
７３ 可変速ロータ軸
７４ 軸挿通孔
７６ 導体
８１ 可変速電動機ケーシング
８６ 可変速ステータ
１００ 回転数制御装置
１０１ 周波数変換部
１０２ 回転方向変更部
１１０ 電源線
１１１ 可変速電動機スイッチ
１１２ 定速電動機スイッチ
１２０ 制御部（制御装置）
１２１ 受付部
１２２ インタフェース
１２３ 演算部
１３１ 回転数センサ
１３２ トルクセンサ
Ａｃ 定速入力軸
Ａｏ 出力軸
Ａｒ 軸線
Ａｖ 可変速入力軸
Ｃ 圧縮機
Ｒ１ 第一方向
Ｒ２ 第二方向

Claims (4)

1. 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、
   前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、
   前記電動装置は、
   前記変速装置の前記定速入力軸を第二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可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第二方向とは反対方向の第一方向に最大回転数で回転させることで、前記出力軸を最大回転数で回転させる可変速電動機と、を有し、
   前記可変速電動機に速度指令を発し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、
   前記可変速電動機のトルクを測定するトルク測定装置と、
   前記可変速電動機のトルクの向きが前記第二方向となった場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させる制御装置と、を備える可変速増速機。
2. 前記制御装置は、
   前記可変速電動機の第一方向を向くトルクを縦軸、前記可変速電動機の第一方向の回転数を横軸とした四象限運転を示す直交座標系において、
   前記可変速電動機の回転数及び前記可変速電動機のトルクが、前記トルクが負である第三象限及び第四象限にある場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させる請求項１に記載の可変速増速機。
3. 前記可変速ロータは、前記軸線を中心として円筒状をなし、軸方向に貫通した軸挿通孔に前記定速入力軸が挿通されている請求項１又は請求項２に記載の可変速増速機。
4. 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、
   前記太陽歯車軸が前記駆動対象に接続される出力軸を成し、前記内歯車キャリア軸が定速入力軸を成し、前記遊星歯車キャリア軸が可変速入力軸を成し、
   前記電動装置は、
   前記変速装置の前記定速入力軸を第二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可変速入力軸に接続されている可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第二方向とは反対方向の第一方向に最大回転数で回転させることで、前記出力軸を最大回転数で回転させる可変速電動機と、
   前記可変速電動機に速度指令を発し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、を有する可変速増速機の制御方法であって、
   前記可変速電動機のトルクの向きが前記第二方向となった場合に、前記速度指令の指令値を保持する、又は前記速度指令の指令値の変化率をその時点の前記速度指令の指令値の変化率よりも低下させる可変速増速機の制御方法。

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