WO2012132777A1 - 可変速巻上機 - Google Patents

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和弘 西川
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株式会社キトー
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    • B66DCAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D3/00Portable or mobile lifting or hauling appliances
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    • B66D3/20Power-operated hoists with driving motor, e.g. electric motor, and drum or barrel contained in a common housing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66DCAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D5/00Braking or detent devices characterised by application to lifting or hoisting gear, e.g. for controlling the lowering of loads
    • B66D5/02Crane, lift hoist, or winch brakes operating on drums, barrels, or ropes
    • B66D5/24Operating devices
    • B66D5/30Operating devices electrical

Definitions

  • the present invention relates to a variable speed hoisting machine such as an electric chain block or an electric hoist that uses a motor provided with a pull rotor type brake as a hoisting motor, and drives the motor by supplying electric power from an inverter to control the speed.
  • Some hoisting motors of hoisting machines such as electric chain blocks and electric hoists use an electric motor equipped with a pull rotor type brake.
  • the motor stator coil when the motor stator coil is not energized, the motor operates when the motor stator coil is not energized, and the motor shaft is in a restrained state (braking state).
  • the brake When energized, the brake is released by the action of the magnetic flux generated in the motor stator and the pull rotor, the motor shaft is unconstrained, and the motor rotor rotates.
  • An electric motor equipped with a pull rotor type brake as described above has the advantage that the brake can be released and the electric motor can be operated simply by energizing the motor stator coil. It is necessary to supply a sufficient current to the motor stator in order to open the circuit. In the case of a variable speed hoist that starts slowly using an inverter, the motor stator is not supplied with sufficient current to instantly release the brake when starting the motor, so the brake cannot be released or the brake is being dragged There are problems such as driving in a state of starting and shortening the life due to brake overheating.
  • the present invention has been made in view of the above points, and uses an electric motor equipped with a pull rotor type brake for an electric motor that drives a variable speed hoisting machine, without lowering the output frequency at the start of overvoltage application to the electric motor,
  • An object of the present invention is to provide a variable speed hoisting machine capable of energizing a current that can reliably release a pull rotor brake at the start of operation even with a variable speed hoisting machine such as an electric chain block having a short acceleration time.
  • the present invention provides an electric motor having a pull rotor type brake that drives a variable speed hoist, an inverter that drives by supplying electric power to the electric motor, and controls the speed of the electric motor slowly.
  • the inverter is set to operate with a predetermined voltage-frequency (VF) pattern, and the voltage-frequency (VF) pattern supplies power to the motor.
  • the minimum frequency to be output is f1, the maximum frequency to output an overvoltage is f2, the maximum output frequency is f3 (f1 ⁇ f2 ⁇ f3), and the voltages output by the inverter corresponding to the frequencies f1, f2, and f3 are V1, V2, Assuming V3, V2 is equal to or lower than voltage V1 (V2 ⁇ V1), and as the frequency increases from f1 to f2, the output voltage decreases from V1 to V2, and the frequency increases from f2 to f3. Accordingly, the output voltage increases approximately proportionally from V2 to V3.
  • variable speed hoisting machine is a hoisting machine operated at a low speed and a high speed at a second speed, and the frequency f2 is equal to or lower than an output frequency for low speed operation of the inverter. It is characterized by that.
  • variable speed hoisting machine is an electric chain block.
  • the section where the frequency is f1 to f2 is the section where the overvoltage is applied, and by reducing the acceleration (inverter output frequency increase rate) in this section, the time required for the frequency to increase from f1 to f2 becomes longer, As a result, a sufficient overvoltage application time can be taken.
  • a variable speed hoist can be provided.
  • the overvoltage is not output to the motor during the low-speed operation, so that the low-speed continuous operation is possible.
  • the electric chain block is described as an example of the variable speed hoisting machine.
  • the present invention is driven by an electric motor having a pull rotor type brake, and the electric motor is controlled at a variable speed by the output power of the inverter.
  • the present invention can be widely applied to a variable speed hoist with a short acceleration time.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a schematic configuration of an electric motor provided with a pull rotor type brake.
  • An electric motor (induction motor) 1 provided with the pull rotor type brake includes a motor stator 11 fitted into a motor frame 10, and a motor rotor 13 is rotatably disposed in a cylindrical hollow portion of the motor stator 11. is there.
  • Reference numeral 14 denotes a motor shaft disposed through the central portion of the motor rotor 13, and both end portions of the motor shaft 14 are rotatably supported by bearings 16 and 17.
  • a pull rotor (suction iron core) 19 is coupled to the motor shaft 14 so as to be slidable in the axial direction by spline coupling.
  • a brake drum 21 is attached to the brake drum base 19.
  • a brake plate 22 is attached to the outer periphery of the brake drum 21.
  • Reference numeral 24 denotes a motor end cover, and an inner peripheral surface 24a of the motor end cover 24 is a braking surface on which the brake plate 22 is slidably contacted.
  • Reference numeral 25 denotes a brake spring interposed between the brake drum base 19 and the pull rotor 18, and when the coil 11 a of the motor stator 11 is not energized, the elastic force of the brake spring 25 causes the pull rotor 18 and the brake drum base 19 to be interposed. A gap G is formed.
  • Reference numeral 27 denotes a fan attached to one end of the motor shaft 14, and 29 denotes a fan cover.
  • the pull rotor type electric motor 1 configured as described above, when the coil 11a of the motor stator 11 is not energized, the gap G is formed between the pull rotor 18 and the brake drum base 19 by the elastic force of the brake spring 25 as described above.
  • the brake plate 22 attached to the brake drum 21 is pressed against the inner peripheral surface 24a of the motor end cover 24, and the motor shaft 14 is in a restrained state (a braked state).
  • a large current is applied to the coil 11a of the motor stator 11 (the current is applied by applying an overvoltage to the coil 11a)
  • the brake drum base 19 is brought into the elastic force of the brake spring 25 via the pull rotor 18 by the magnetic flux generated in the motor stator 11.
  • the brake plate 22 sucked against and attached to the brake drum 21 is separated from the inner peripheral surface 24a of the motor end cover 24, the restraint of the motor shaft 14 is released, and the motor rotor 13 can be rotated.
  • An electric motor having a pull rotor type brake as described above has an advantage that the brake can be released and the electric motor can be operated simply by energizing the coil 11a of the motor stator 11, but the electric current is supplied to the electric motor from the inverter.
  • the motor In the case of a variable speed hoist that is supplied and slowly activated to control the speed, the motor is activated at a low frequency at the start of operation, accelerated to the operation frequency at a predetermined acceleration, and operated at a constant speed. Since the current value during this period is controlled according to a voltage-frequency (VF) pattern as shown in FIG. 3, in the case of a low frequency, a low voltage is output to the motor, and a large starting current such as a commercial power source is generated. Not flowing. Therefore, at the start of operation, a sufficient current for releasing (releasing) the brake cannot be applied to the electric motor, and the brake is operated in a half-open state, causing the brake to overheat and shortening the life.
  • VF voltage-frequency
  • the air gap G between the pull rotor 18 and the brake drum base 19 is set small so that the pull rotor type brake can be opened even at a low voltage, the air gap G will not spread beyond a specified value even if the brake plate 22 is worn. Therefore, there is a problem that the structure needs to be adjustable, the structure is complicated, and maintenance is required.
  • the frequency starts from f1, and overvoltages V1 to V2 are output between the frequencies f1 and f2.
  • This overvoltage V1 to V2 allows a current sufficient to open the pull rotor brake to flow.
  • there is a method of enlarging the overvoltage section by increasing the frequency f2 but since the operation cannot be performed steadily in the overvoltage section, the minimum frequency of the low speed operation is increased, and the positioning performance of the hoisting machine is impaired.
  • the voltage-frequency (VF) pattern outputs f1 as the minimum output frequency that the inverter outputs to the motor of the variable speed hoist, and outputs overvoltage. If the maximum frequency is f2, the maximum output frequency is f3, and the output voltages corresponding to the frequencies f1, f2, and f3 are V1, V2, and V3, V2 is V1 or less (V2 ⁇ V1), and the frequency is changed from f1 to f2. As the voltage increases, the output voltage decreases from V1 to V2, and as the frequency increases from f2 to f3, the output voltage increases approximately proportionally from V2 to V3.
  • the frequencies f1, f2, and f3 shown in FIG. 5 correspond to the frequencies f1, f2, and f3 shown in FIG. 4, respectively.
  • the output frequency f of the inverter is output to the motor while increasing the frequency by the output frequency increase rate (acceleration) ⁇ from f1 to f2, and the frequency f is from f2 to f3.
  • the output frequency increase rate (acceleration) ⁇ is smaller than the output frequency increase rate (acceleration) ⁇ ( ⁇ ⁇ ) and is accelerated gradually.
  • the acceleration time from f1 to f2 is started when starting from the frequency f1 and accelerating to the frequency f3. Becomes t2'-t1.
  • t2-t1 is obtained, and the overvoltage time can be made longer than in the case where the acceleration is constant.
  • the overvoltage time is adjusted to t2-t1, the frequency f2 ′ at that time becomes larger than f2, and when operating in a low speed region below f2 ′, it becomes overvoltage operation and it is not preferable to continuously operate in that state. .
  • the speed at which continuous operation can be performed up to the frequency f2 can be reduced.
  • a current sufficient to open the pull rotor brake can be supplied without sacrificing the inverter power cycle (inverter life) and the hoisting machine positioning performance (low speed operation performance).
  • the present invention is applied, the time required until the frequency becomes f3 is delayed by t2-t2 ′, but this delay time t2-t2 ′ (several tens of msec) does not cause a problem in the case of an electric chain block. .
  • FIG. 6 is a block circuit diagram showing the system configuration of the variable speed hoist according to the present invention.
  • Reference numeral 1 denotes an electric motor (induction motor) equipped with the pull rotor type brake, which converts a three-phase alternating current from a three-phase alternating current power supply 31 into a direct current by a rectifier circuit 32 and a smoothing capacitor 33, and further a predetermined frequency by an inverter main circuit Is converted into a three-phase alternating current and supplied to the electric motor 1.
  • the inverter main circuit 34 is configured by connecting six transistors to three-phase alternating current and connecting two transistors in pairs and being bridge-connected.
  • the inverter main circuit 34 is controlled by the inverter control unit 36 and input to the inverter main circuit 34.
  • the direct current is converted into a three-phase alternating current with a predetermined frequency.
  • the six transistors of the inverter main circuit 34 are controlled by a PWM signal supplied from a pulse width modulation signal (hereinafter referred to as “PWM signal”) generation circuit (not shown) from the inverter control unit 36.
  • PWM signal pulse width modulation signal
  • the inverter control unit 36 In order to output the controlled output frequency and output voltage power of the inverter main circuit 34, the inverter control unit 36 outputs an output voltage-output frequency pattern (hereinafter referred to as "voltage-frequency (V- F) (referred to as “pattern”) is set, and the inverter main circuit 34 is controlled in accordance with the voltage-frequency (VF) pattern. Thereby, each transistor of the inverter main circuit 34 is controlled by the inverter control part 36, outputs the three-phase alternating current corresponding to the said PWM signal, and rotates the electric motor as a load.
  • V- F voltage-frequency
  • FIG. 41 is a normally-open two-stage push-in switch for hoisting operation, and when pushed down to the first stage, the push button switch 41a1 is closed, and when pushed into the second stage, the push button switch 41a2 is closed.
  • Reference numeral 42 denotes a normally-open two-stage push-in switch for lowering operation. When the push-button switch 42a1 is pushed down to the first stage, the push-button switch 42a1 is closed, and when the push-down switch 42 is pushed into the second stage, the push-button switch 42a2 is closed.
  • Pushbutton switch 41a1 is closed when the hoist command signal U S is inputted to the inverter control unit 36, the push-button switch 42a1 is closed, the winding under command signal D S is inputted to the inverter control unit 36, the push button switch 41a2 or push button switch 42a2 either it closes the high-speed command signal H S is adapted to be inputted to the inverter control unit 36.
  • the operation of the slow start 2 speed variable speed hoist with the above system configuration will be described with reference to FIGS.
  • the acceleration pattern indicating the slow start control in FIG. 5 is registered, and the output frequency and voltage of the inverter main circuit 34 are controlled in accordance with the push switch input.
  • the push switch 41a1 is closed.
  • the push-in switch 41a2 is further closed.
  • the constant speed operation (high speed operation) is continued at the frequency f3. If the push switch 41a2 is opened from the state where the push switches 41a1 and 41a2 are closed, the speed is decelerated from the frequency f3 to the frequency f2 at the deceleration ⁇ , and the operation (low speed operation) is continued at the frequency f2.
  • the constant speed operation high speed operation
  • the inverter main circuit 34 outputs while decelerating from the frequency f3 to the frequency f2 at the deceleration ⁇ , and then decelerating to the frequency f2.
  • the pull rotor brake is braked.
  • region is preferable to set it as the frequency f2, it can set suitably to a frequency higher than the frequency f2.
  • the acceleration in the region exceeding the frequency f2 can be appropriately set to the acceleration ⁇ or the acceleration ⁇ .
  • the lowering operation is substantially the same as the above-described hoisting operation, and thus the description thereof is omitted.
  • the inverter power cycle and the hoisting machine positioning performance can be improved.
  • the pull rotor brake can be reliably released without sacrificing. As a result, the pull rotor type brake is operated in a half-open state, and the problem that the brake is overheated and the life is shortened is eliminated.
  • the inverter is set to operate with a predetermined voltage-frequency (VF) pattern, the frequency when the inverter output power at the start of operation is output to the motor is f1, the voltage is V1, and the voltage V1 Is a voltage that allows a sufficient current to open the pull rotor type brake, and in order to sufficiently secure the overvoltage application time (t2-t1), the frequency acceleration at the time of overvoltage application is made gentler than other frequency sections. .
  • the pull rotor type brake can be reliably used at the start of operation without sacrificing the inverter power cycle of the motor or the positioning performance of the hoisting machine. It can be used as a variable speed hoisting machine that can be energized with a releasing current, operates with the brake half open, and does not overheat and shorten its life.
  • SYMBOLS 1 Electric motor provided with pull rotor type brake 10 Motor frame 11 Motor stator 13 Motor rotor 14 Motor shaft 16 Bearing 17 Bearing 18 Pull rotor (suction core) 19 Brake drum base (iron core) DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Brake drum 22 Brake plate 24 Motor end cover 25 Brake spring 27 Fan 29 Fan cover 31 Three-phase alternating current power supply 32 Rectifier circuit 33 Smoothing capacitor 34 Inverter main circuit 36 Inverter control part 41 Normally-open two-stage push switch for hoisting operation 42 Winding Normally open 2-stage push-in switch for lower operation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

 電動機にプルロータ式のブレーキを備えた電動機を用い、該電動機に過電圧印加開始時の出力周波数を下げることなく、加速度時間が短い電気チェーンブロック等の可変速巻上機でも運転開始時にプルロータ式のブレーキを確実に開放できる電流を通電できる可変速巻上機を提供する。 プルロータ式のブレーキを備えた電動機と、インバータとを備えた、電動機の速度を緩起動制御する可変速巻上機において、インバータを所定の電圧-周波数(V-F)パターンで運転するように設定し、電動機を起動するときには、周波数がf1からf2に達するまでの加速度(出力周波数増加率)を、周波数がf2からf3に達するまでの加速度(出力周波数増加率)よりも小さくし、プルロータ式ブレーキを開放できる十分な電力を通電する。

Description

可変速巻上機
 本発明は巻上電動機にプルロータ式ブレーキを備えた電動機を用い、該電動機にインバータから電力を供給して駆動し、速度を制御する電気チェーンブロックや電気ホイスト等の可変速巻上機に関する。
 電気チェーンブロックや電気ホイスト等の巻上機の巻上電動機にはプルロータ式ブレーキを備えた電動機を用いたものがある。該プルロータ式ブレーキを備えた電動機は後に詳述するように、モータステータのコイルに通電しないときはブレーキが作動し、モータ軸は拘束された状態(制動された状態)となり、モータステータのコイルに通電すると、モータステータに発生する磁束とプルロータの作用によってブレーキが開放され、モータ軸の拘束が解除され、モータロータが回転するように構成されている。
 上記のようにプルロータ式ブレーキを備えた電動機では、モータステータのコイルに電流を通電するだけでブレーキを開放し、電動機を運転することができるという利点があるが、電動機を起動するときに、ブレーキを開放するにはモータステータに十分な電流を通電する必要がある。インバータを用いて緩起動する可変速巻上機の場合、電動機を起動するときにブレーキを瞬時に開放するための十分な電流をモータステータに通電しないので、ブレーキを開放できない、又はブレーキを引きずりながら起動するなどの状態で運転し、ブレーキ過熱により寿命が短くなる等の課題がある。
 上記問題を解決する対策として特許文献1に記載されているインバータ駆動の可変速巻上機の技術を適用することが考えられる。該可変速巻上機の電動機はプルロータ式ブレーキを備えたものではないが、巻上げ運転開始時、図1の点線で示すように、インバータを所定電圧V0で周波数0の状態から所定の電圧-周波数(V-F)パターンで運転し、出力周波数が周波数f1になったら周波数f2に達するまでの間、実線に示すように出力電圧を所定の過電圧V3として電動機及びブレーキに出力し、ブレーキコイルにブレーキを開放させるに十分な吸引力を発生する電流を通電すると共に、出力周波数が周波数f2になった後は、過電圧V3を解消し、前記所定の電圧-周波数(V-F)パターンに従って電圧及び周波数を上昇させて加速運転するようにしている。
 上記技術をプルロータ式ブレーキを有する電動機を備えた可変速巻上機に適用し、巻上げ運転開始時にインバータから電動機に過電圧V3の出力を一定時間供給することにより、プルロータ式ブレーキを開放するのに必要な吸引力を発生するのに十分な電力を通電する。これによりブレーキの開放は可能となるが、巻上機の加速度が大きい場合はインバータの出力周波数がf1からf2に到達する時間が短く、電動機にプルロータ式ブレーキを開放するのに必要な電力を供給できないという問題がある。例えば、下記に示すようにf1=5Hzからf2=8Hzになる加速度時間が電気ホイスト40msecに対して電気チェーンブロックは20msecと短く、電気チェーンブロックでは運転開始時にインバータから過電圧の電力を供給する時間が短くブレーキを開放するまでには至らないという問題がある。
〔電気ホイスト〕
・加速時間0.8sec(0→60Hz)
・低速周波数10Hz(図6の周波数f3)
・過電圧区区間5Hz→8Hz(図1のf1→f2)
・過電圧(図2のV4)印加時間40msec
〔電気チェーンブロック〕
・加速時間0.4sec(0→60Hz)
・低速周波数10Hz(図6の周波数f3)
・過電圧区区間5Hz→8Hz(図1のf1→f2)
・過電圧(図2のV4)印加時間20msec
 上記のようにプルロータ式ブレーキを開放するのに必要な電流を通電する時間を十分に確保することができないという問題を解決するために、特許文献2に開示されているインバータ制御装置のように、過電圧印加開始周波数を下げる(図1の周波数f1を下げる)ことにより、プルロータ式ブレーキの開放維持電流を確保する方法も考えられるが、過電圧印加開始時の出力周波数f1を下げるとインバータを構成するスイッチング素子(IGBT)のパワーサイクルに悪影響を与える(スイッチング素子の寿命を短縮する)という問題がある。
特開平5-97399号公報 特開平5-344774号公報
 本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、可変速巻上機を駆動する電動機にプルロータ式のブレーキを備えた電動機を用い、該電動機に過電圧印加開始時の出力周波数を下げることなく、加速度時間が短い電気チェーンブロック等の可変速巻上機でも運転開始時にプルロータ式のブレーキを確実に開放できる電流を通電できる可変速巻上機を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するため本発明は、可変速巻上機を駆動するプルロータ式のブレーキを備えた電動機と、前記電動機に電力を供給して駆動し、前記電動機の速度を緩起動制御するインバータとを備えた、可変速巻上機において、前記インバータを所定の電圧-周波数(V-F)パターンで運転するように設定し、該電圧-周波数(V-F)パターンは、前記電動機に電力を出力する最低周波数をf1、過電圧を出力する最大周波数をf2、最高出力周波数をf3(f1<f2<f3)とし、周波数f1、f2、f3に対応する前記インバータが出力する電圧をV1、V2、V3とすると、V2は電圧V1以下(V2≦V1)で、周波数がf1からf2に増加するのに伴って出力電圧はV1からV2に減少し、周波数がf2からf3に増加するのに伴って出力電圧はV2からV3に概略比例的に増加するようになっており、前記電動機を起動するときには、周波数がf1からf2に達するまでの加速度(出力周波数増加率、図5のα参照)を、周波数がf2からf3に達するまでの加速度(出力周波数増加率、図5のβ参照)よりも小さくし、プルロータ式ブレーキを開放できる十分な電力を通電することを特徴とする。
 また、本発明は上記可変速巻上機において、可変速巻上機は低速と高速の2速運転される巻上機であって、前記周波数f2を前記インバータの低速運転用出力周波数以下としたことを特徴とする。
 また、本発明は上記可変速巻上機において、前記可変速巻上機が電気チェーンブロックであることを特徴とする。
 上記のように周波数がf1~f2の区間を過電圧を印加する区間とし、この区間の加速度(インバータ出力周波数増加率)を小さくすることで、周波数がf1からf2まで増加する所要時間が長くなり、その結果、過電圧印加時間を十分にとることができる。換言すると、始動時にプルロータ式ブレーキを開放するのに必要な電力をモータステータに供給することができるので、ブレーキが半開放の状態で運転され、ブレーキが過熱し、寿命が短くなるという問題のない可変速巻上機を提供することができる。
 また、過電圧を出力する周波数f2を低速用インバータ出力周波数以下とすることで、低速運転時には過電圧を電動機に出力しないので、低速連続運転が可能となる。
従来の可変速巻上機の始動時におけるインバータ出力周波数と出力電圧の関係を示す図である。 本発明に係る可変速巻上機のプルロータ式ブレーキを備えた電動機の構成例を示す図である。 従来のインバータ駆動の可変速巻上機のV-Fパターンを示す図である。 本発明に係る可変速巻上機の運転開始時のV-Fパターンを示す図である。 本発明に係る可変速巻上機の緩起動制御の加速度パターンを示す図である。 本発明に係る巻上機のシステム構成例を示す回路図である。 本発明に係る可変速巻上機の運転開始時のV-Fパターンの他の例を示す図である。
 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施形態例では可変速巻上機として電気チェーンブロックを例に説明するが、本発明はプルロータ式のブレーキを備えた電動機で駆動され、該電動機をインバータの出力電力により可変速で制御し、且つ加速時間の短い可変速巻上機に広く適用できる。
 先ず、初めに本発明に係る可変速巻上機のプルロータ式のブレーキを備えた電動機について説明する。図2はプルロータ式ブレーキを備えた電動機の概略構成を示す断面図である。本プルロータ式ブレーキを備えた電動機(誘導電動機)1は、モータフレーム10に嵌入されたモータステータ11を備え、該モータステータ11の円筒状中空部にはモータロータ13が回転自在に配置された構成である。14はモータロータ13の中心部を貫通して配置されたモータ軸であり、該モータ軸14の両端部は軸受16、17で回転自在に支持されている。
 18はプルロータ(吸引鉄心)であり、モータ軸14に取付けられている。19はブレーキドラム基部(鉄心)であり、モータ軸14にスプライン結合により軸方向にスライドできるように結合されている。21はブレーキドラムであり、ブレーキドラム基部19に取付けられている。22はブレーキ板であり、ブレーキドラム21の外周部に取付けられている。24はモータエンドカバーであり、該モータエンドカバー24の内周面24aはブレーキ板22が摺接する制動面となっている。25はブレーキドラム基部19とプルロータ18の間に介在するブレーキバネであり、モータステータ11のコイル11aに通電しないときは、該ブレーキバネ25の弾性力により、プルロータ18とブレーキドラム基部19の間にはギャップGが形成されるようになっている。27はモータ軸14の一端に取付けたファンであり、29はファンカバーである。
 上記構成のプルロータ型の電動機1において、モータステータ11のコイル11aに通電しないときは、上記のようにブレーキバネ25の弾性力により、プルロータ18とブレーキドラム基部19の間にはギャップGが形成され、ブレーキドラム21に取付けられたブレーキ板22はモータエンドカバー24の内周面24aに押付けられ、モータ軸14は拘束された状態(制動された状態)になる。モータステータ11のコイル11aに大きい電流を通電(コイル11aに過電圧を印加して電流通電)すると、モータステータ11に発生する磁束によりプルロータ18を介してブレーキドラム基部19がブレーキバネ25の弾性力に抗して吸引され、ブレーキドラム21に取付けられたブレーキ板22はモータエンドカバー24の内周面24aから離間し、モータ軸14の拘束は解除され、モータロータ13は回転できるようになる。
 上記のようにプルロータ式ブレーキを備えた電動機では、モータステータ11のコイル11aに電流を通電するだけでブレーキを開放し、電動機を運転することができるという利点があるが、電動機にインバータから電流を供給して緩起動駆動し、速度を制御する可変速巻上機の場合には、運転開始時は低周波数で電動機を起動し、所定の加速度で運転周波数まで加速させ、一定速度運転する。この間の電流値は図3に示すような電圧-周波数(V-F)パターンに従って制御されるため、低周波数の場合には、電動機に低電圧が出力され、商用電源のような大きな起動電流が流れない。そのため、運転開始時、電動機にブレーキを解除(開放)する十分な電流を通電できず、ブレーキが半開放の状態で運転し、ブレーキが過熱し寿命が短くなるという等の問題がある。
 特許文献1、2のように、周波数fが起動時周波数f1からf2に上昇する間に過電圧(過電流)V3を出力するようにしただけでは(図1参照)、加速時間が短い巻上機においては、過電圧V3を出力する時間を確保するために周波数f2を大きくしなければならず、低速運転を過電圧で運転しなければならないという問題がある。或いは、起動時に出力を開始するときの周波数f1を低くして、過電圧を出力する時間を長くしたり、或いは過電圧印加時間が短くてもプルロータ式ブレーキを開放できるようにさらに高い電圧を出力すると、インバータのパワー素子(IGBT)のパワーサイクル(寿命)が短くなるという問題がある。
 また、低電圧でもプルロータ式ブレーキを開放できるように、プルロータ18とブレーキドラム基部19間のエアギャップGを小さく設定すると、ブレーキ板22が磨耗してもエアギャップGが規定値以上に広がらないように調整可能な構造とする必要があり、構造が複雑で、且つメンテナンスを要するという問題を有している。
 そこで上記問題を解決するため本発明に係る可変速巻上機では、図4に示すように、周波数がf1から始動するようにし、周波数がf1~f2間で過電圧V1~V2を出力する。この過電圧V1~V2によりプルロータ式ブレーキを開放するだけの十分な電流を流すことができる。反対に、周波数f2を大きくして、過電圧区間を拡大する方法もあるが、過電圧区間では定常的に運転ができないため、低速運転の最低周波数が大きくなり、巻上機の位置決め性能が損なわれる。
 本発明はこれらの問題を省みたもので、図4に示す通り、電圧-周波数(V-F)パターンは、インバータが可変速巻上機の電動機に出力する最低出力周波数をf1、過電圧を出力する最大周波数をf2、最大出力周波数をf3とし、周波数f1、f2、f3に対応する出力電圧をV1、V2、V3とすると、V2はV1以下(V2≦V1)で、周波数がf1からf2に増加するのに伴って出力電圧はV1からV2に減少し、周波数がf2からf3に増加するのに伴って出力電圧はV2からV3に概略比例的に増加するようになっている。
 次に、緩起動制御の加速パターンを図5に示す。図5に示す周波数f1、f2、f3は、図4に示す周波数f1、f2、f3にそれぞれ対応している。可変速巻上機の電動機を起動すると、インバータの出力周波数fはf1~f2までは出力周波数増加率(加速度)αで周波数を増加させながら電動機に電力を出力し、周波数fがf2~f3までは出力周波数増加率(加速度)βで周波数を増加させながら電動機に電力を出力する。図示するように、出力周波数増加率(加速度)αは出力周波数増加率(加速度)βより小さく(α<β)緩やかに加速するようになっている。
 図5に破線で示すように、周波数がf1からf3に達するまでの間の加速度が一定(β)の場合に、周波数f1から始動し、周波数f3まで加速した場合、f1~f2までの加速時間はt2’-t1となる。一方、本発明の場合には、t2-t1となり加速度一定の場合より、過電圧時間を長くすることができる。また、過電圧時間をt2-t1に合わせると、そのときの周波数f2’はf2より大きくなり、f2’以下の低速領域で運転した場合、過電圧運転となりその状態で連続して運転するのは好ましくない。しかし、本発明によれば、周波数f2まで連続運転できる速度を下げることができる。
 上記のように、本発明によれば、インバータパワーサイクル(インバータ寿命)や巻上機位置決め性能(低速運転性能)を犠牲にすることなく、プルロータ式ブレーキの開放に十分な電流を流すことができる。なお、本発明を適用した場合、周波数がf3になるまでの所要時間が、t2-t2’だけ遅れるが、この遅れ時間t2-t2’(数十msec)は電気チェーンブロックの場合、問題とならない。
 図6は本発明に係る可変速巻上機のシステム構成を示すブロック回路図である。1は上記プルロータ式のブレーキを備えた電動機(誘導電動機)であり、三相交流電源31からの三相交流を整流回路32及び平滑コンデンサ33により直流に変換し、更にインバータ主回路34により所定周波数の三相交流に変換し、電動機1に供給するようになっている。インバータ主回路34は6個のトランジスタを三相交流に対応させて、2個ずつ対にしてブリッジ接続して構成されたもので、インバータ制御部36の制御により制御され、インバータ主回路34に入力される直流を所定周波数の三相交流に変換する。インバータ主回路34の6個のトランジスタは、インバータ制御部36からのパルス幅変調信号(以下「PWM信号」と称する)発生回路(図示せず)から与えられるPWM信号により制御される。
 上記インバータ制御部36には、インバータ主回路34の制御された出力周波数及び出力電圧の電力を出力するために、予めインバータを運転する出力電圧-出力周波数のパターン(以下「電圧-周波数(V-F)パターン」と称する)が設定されており、インバータ主回路34は該電圧-周波数(V-F)パターンに従って制御されるようになっている。これにより、インバータ主回路34の各トランジスタはインバータ制御部36により制御され、上記PWM信号に対応する三相交流を出力し、負荷としての電動機を回転させる。
 41は巻上運転用常開2段押込みスイッチで1段目まで押し込むと押釦スイッチ41a1が閉じ、2段目まで押し込むと押釦スイッチ41a2が閉じる。42は巻下運転用常開2段押込みスイッチで1段目まで押し込むと押釦スイッチ42a1が閉じ、2段目まで押し込むと押釦スイッチ42a2が閉じる。押釦スイッチ41a1が閉じると巻上指令信号Uがインバータ制御部36に入力され、押釦スイッチ42a1が閉じると巻下指令信号Dがインバータ制御部36に入力され、押釦スイッチ41a2又は押釦スイッチ42a2のいずれかが閉じると高速指令信号Hがインバータ制御部36に入力されるようになっている。
 上記システム構成の緩起動2速可変速巻上機の運転動作を図5及び6に基づいて説明する。インバータ制御部36には、図5の緩起動制御を示す加速パターンが登録されており、押し込みスイッチ入力に応じて、インバータ主回路34の出力周波数、電圧を制御する。低速運転したい場合には、押し込みスイッチ41a1を閉じる。すると巻上げ指令信号Usがインバータ制御部36に入力され、インバータ制御部36によりインバータ主回路34から周波数f1で、電圧V1の電力が出力され、加速度α(=((f2-f1)/(t2-t1)))で周波数f2まで加速し、この間に過電流が流れ、プルロータ式ブレーキは開放され、周波数f2まで加速した後は、周波数f2にて一定速運転(低速運転)を続ける。その後、スイッチ41a1が開いた場合には、インバータ制御部36は速やかに出力遮断することで、プルロータ式ブレーキは制動する。
 また、周波数f2にて一定速運転(低速運転)中に高速運転したい場合には、さらに押し込みスイッチ41a2を閉じる。これにより巻上げ指令信号Us、高速指令信号Hsが入力されると、インバータ制御部36は、加速度β(=((f3-f2)/(t3-t2)))にて、周波数f3まで加速した後、周波数f3で一定速運転(高速運転)を続ける。押し込みスイッチ41a1、41a2が閉じた状態から押し込みスイッチ41a2を開いた場合には、周波数f3から減速度βで周波数f2まで減速し、周波数f2で運転(低速運転)を続ける。
 また、起動時に一気に押し込みスイッチ41a1、41a2を閉じた場合には、インバータ主回路34から周波数f1、電圧V1が出力され、加速度α(=((f2-f1)/(t2-t1)))で周波数f2まで加速する。この間に過電流が流れ、プルロータ式ブレーキは開放される。周波数f2に到達後は、加速度β(=((f3-f2)/(t3-t2)))にて、周波数f3まで加速を続け、周波数f3で一定速運転(高速運転)を続ける。
 周波数f3で一定速運転(高速運転)中に、押し込みスイッチ41a1、41a2を一気に開くと、インバータ主回路34は、周波数f3から減速度βで周波数f2まで減速しながら出力し、周波数f2まで減速したら出力を遮断することで、プルロータ式ブレーキは制動する。なお、低速領域での低速運転は、周波数f2とすることが好ましいが、周波数f2より高い周波数に適宜設定することができる。その場合、周波数f2を超える領域の加速度は、加速度βないし加速度β以下とすることも適宜可能である。なお、巻下げ運転動作は上記巻上げ運転動作と略同じであるのでその説明は省略する。
 以上により、巻上機の低速運転周波数より低い周波数で、過電圧を印加し、且つ過電圧印加時の加速度αをその他の周波数の加速度βより小さくすることで、インバータパワーサイクルと巻上機位置決め性能を犠牲にすることなく、プルロータ式ブレーキを確実に開放できる。これによりプルロータ式のブレーキが半開放の状態で運転され、ブレーキが過熱し寿命が短くなるという等の問題がなくなる。
 以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば図4の電圧-周波数(V-F)パターンにおいて周波数f=f1~f2の期間の電圧値Vが図7のAに示すようにV1’の一定の電圧値であっても、B、Cに示すようにf1~f2’,f2"の期間の電圧値Vが所定の割合で降下してもこの期間の巻上機の加速度が緩和され、プルロータ式ブレーキの開放に必要な電流と開放を維持するのに必要な電流通電時間を確保することが可能である。また、可変速巻上機として電気チェーンブロックを例に説明したが、本願発明は加速度時間の短い巻上機に広く利用できる。
 本発明は、インバータを所定の電圧-周波数(V-F)パターンで運転するように設定し、運転開始時のインバータ出力電力を電動機に出力するときの周波数をf1、電圧をV1とし、電圧V1はプルロータ式ブレーキを開放できる十分な電流を流せる電圧とし、且つその過電圧印加時間(t2-t1)を十分確保するために、過電圧印加時の周波数加速度を、他周波数区間より緩やかにしたものである。例えば、電気チェーンブロックのように短時間で加速する可変速巻上機においても、電動機のインバータパワーサイクルや、巻上機の位置決め性能を犠牲にすることなく、運転開始時にプルロータ式ブレーキを確実に開放する電流を通電できると共に、ブレーキが半開放の状態で運転し、ブレーキが過熱して寿命を短くするという等のない可変速巻上機として利用できる。
  1  プルロータ式のブレーキを備えた電動機
  10  モータフレーム
  11  モータステータ
  13  モータロータ
  14  モータ軸
  16  軸受
  17  軸受
  18  プルロータ(吸引鉄心)
  19  ブレーキドラム基部(鉄心)
  21  ブレーキドラム
  22  ブレーキ板
  24  モータエンドカバー
  25  ブレーキバネ
  27  ファン
  29  ファンカバー
  31  三相交流電源
  32  整流回路
  33  平滑コンデンサ
  34  インバータ主回路
  36  インバータ制御部
  41  巻上運転用常開2段押込みスイッチ
  42  巻下運転用常開2段押込みスイッチ

Claims (3)

  1.  可変速巻上機を駆動するプルロータ式のブレーキを備えた電動機と、前記電動機に電力を供給して駆動し、前記電動機の速度を緩起動制御するインバータとを備えた、可変速巻上機において、
     前記インバータを所定の電圧-周波数(V-F)パターンで運転するように設定し、該電圧-周波数(V-F)パターンは、前記電動機に電力を出力する最低周波数をf1、過電圧を出力する最大周波数をf2、最高出力周波数をf3(f1<f2<f3)とし、周波数f1、f2、f3に対応する前記インバータが出力する電圧をV1、V2、V3とすると、V2は電圧V1以下(V2≦V1)で、周波数がf1からf2に増加するのに伴って出力電圧はV1からV2に減少し、周波数がf2からf3に増加するのに伴って出力電圧はV2からV3に概略比例的に増加するようになっており、
     前記電動機を起動するときには、周波数がf1からf2に達するまでの加速度(出力周波数増加率)を、周波数がf2からf3に達するまでの加速度(出力周波数増加率)よりも小さくし、プルロータ式ブレーキを開放できる十分な電力を通電することを特徴とする可変速巻上機。
  2.  請求項1に記載の可変速巻上機において、
     可変速巻上機は低速と高速の2速運転される巻上機であって、前記周波数f2を前記インバータの低速運転用出力周波数以下としたことを特徴する可変速巻上機。
  3.  請求項1又は2に記載の可変速巻上機において、
     前記可変速巻上機が電気チェーンブロックであることを特徴とする可変速巻上機。
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