WO2017077812A1 - 電動ウインチ装置及び移動式クレーン - Google Patents

Abstract

電動ウインチ装置（１）は、ウインチドラム（２）、アキシャルギャップ型の複数の電動機（３Ａ、３Ｂ）及び駆動軸（４）を備える。ウインチドラム（２）は、作業用ロープ（Ｗ）の巻き取り又は繰り出しのために、ドラム軸（ＡＸ２）回りに回転する。複数の電動機（３Ａ、３Ｂ）は、ウインチドラム（２）を回転駆動する電動機であって、固定子（Ｓ）と、回転軸（ＡＸ１）回りに回転し前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子（Ｒ１、Ｒ２）とを備える。駆動軸（４）は、前記ドラム軸（ＡＸ２）と同じ軸上に配置され、前記複数の電動機（３Ａ、３Ｂ）の前記回転子（Ｒ１、Ｒ２）を前記回転軸（ＡＸ１）の軸上において直列に連結する。

Description

電動ウインチ装置及び移動式クレーン

　本発明は、作業用ロープの巻き取り及び繰り出しを行うウインチドラムを備えた電動ウインチ装置、及びこれを備えた移動式クレーンに関する。

　移動式クレーンは、吊荷の巻き上げ及び巻き下げを行うウインチ装置を備える。このウインチ装置としては、油圧モータ等の油圧アクチュエータにより駆動されるものが主流である。しかし、一般に油圧アクチュエータはエネルギー効率が低い。このため、省エネルギーの観点から、電動ウインチ装置の駆動源として、比較的エネルギー効率の良い電動アクチュエータを用いた電動ウインチ装置をクレーンに搭載することが提案されている。例えば、建築中の建物のフロアに固定された状態でクレーン作業を行うタワークレーンにおいては、ウインチ装置の電動化が進んでいる。

　特許文献１には、タワークレーンの一例であるクライミングクレーンが示されている。このクライミングクレーンは、ウインチドラムと、これを回転駆動する２つの電動機とを有する電動ウインチ装置を備える。この電動ウインチ装置では、ウインチドラムの入力軸又はウインチドラム自体に局所的なねじれが発生するのを防ぐために、２つの電動機がウインチドラムの軸方向の両側に分かれて配置され、その両側から各電動機のトルクがウインチドラムに入力される。

　特許文献１の電動ウインチ装置では、２つの電動機が出力するトルクでウインチドラムを回転させるため、大きな吊能力を確保できるという利点はある。しかしながら、２つの電動機をウインチドラムの軸方向の両側に配置する構成を採ると、前記軸方向における電動ウインチ装置の寸法が増大する。従って、設置スペースに制約がある場合、当該構成の電動ウインチ装置を採用できなくなる。また、このような電動ウインチ装置を移動式クレーンに搭載した場合、その車幅が大きくなってしまい、公道を経由した当該移動式クレーンの輸送の際に、法令上の車幅制限の要請から分解輸送が必要となることが生じ得る。

特開２００５－２６３４２０号公報

　本発明の目的は、大きな吊能力を確保しつつ、ウインチドラムの軸方向における幅を抑制することが可能な電動ウインチ装置及び移動式クレーンを提供することにある。

　本発明の一局面に係る電動ウインチ装置は、作業用ロープの巻き取り又は繰り出しのために、ドラム軸回りに回転するウインチドラムと、前記ウインチドラムを回転駆動する電動機であって、固定子と、回転軸回りに回転し前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子と、を備えるアキシャルギャップ型の複数の電動機と、前記ドラム軸と同じ軸上に配置され、前記複数の電動機の前記回転子を前記回転軸の軸上において直列に連結してなる駆動軸と、を備える。

　本発明の他の局面に係る移動式クレーンは、吊作業用の作動部と、上記の電動ウインチ装置と、を備え、前記作業用ロープは前記作動部に繋がるロープである。

　本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

図１は、本発明の実施形態に係る電動ウインチ装置が搭載された移動式クレーンの概略的な側面図である。 図２は、上記電動ウインチ装置の概略図である。 図３は、上記電動ウインチ装置の概略的な斜視図である。 図４は、他の実施形態に係る電動ウインチ装置の概略図である。 図５は、アキシャルギャップ型電動機の分解斜視図である。 図６は、上記電動ウインチ装置の概略的な分解斜視図である。 図７は、上記電動ウインチ装置の制御構成を示すブロック図である。 図８は、電動機を２台連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。 図９は、前記２台連結の場合の、スロット及び磁極の配置の他の例を示す図である。 図１０は、電動機を２台連結した場合の、各電動機の出力トルクと合成トルクとを示すグラフである。 図１１は、図１０の一部を拡大したグラフである。 図１２は、電動機を３台連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。 図１３は、前記３台連結の場合の、スロット及び磁極の配置の他の例を示す図である。 図１４は、電動機を３台連結した場合の、各電動機の出力トルクと合成トルクとを示すグラフである。 図１５は、図１４の一部を拡大したグラフである。

　以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電動ウインチ装置１が搭載された移動式クレーン９の概略的な側面図である。移動式クレーン９は、クローラクレーンであり、クローラ式の自走可能な下部走行体９１と、下部走行体９１上に搭載された上部旋回体９２とを備える。

　上部旋回体９２は、下部走行体９１上に縦軸回りに旋回可能となるように搭載された旋回フレーム９３と、旋回フレーム９３の前部に起伏可能となるように取り付けられたブーム９４と、ブーム９４の先端から吊ロープであるワイヤロープＷ（作業用ロープ）を介して吊り下げられたフック装置９５とを備える。フック装置９５は、吊作業用の作動部として機能する。図１では、ワイヤロープＷに繋がれたフック装置９５が、吊荷９６を吊っている状態を示している。フック装置９５及びそれに吊られた吊荷９６が、電動ウインチ装置１による巻上げ又は巻下げの対象物９７である。

　電動ウインチ装置１は、上部旋回体９２に搭載されている。その配置位置は、旋回フレーム９３におけるブーム９４の取り付け部位の後方である。電動ウインチ装置１は、フック装置９５に繋がるワイヤロープＷの巻き取り又は繰り出しを行うことにより、フック装置９５に吊作業のための昇降動作を行わせる巻上用のウインチ装置である。本実施形態の電動ウインチ装置１は、前記昇降動作の駆動源として、複数台のアキシャルギャップ型の電動機が用いられる点に特徴を有する。

　［電動ウインチ装置の構造］
　図２は、電動ウインチ装置１の概略構成を示す平面図、図３はその斜視図である。電動ウインチ装置１は、ウインチドラム２と、アキシャルギャップ型の第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂ（複数の電動機）を備える駆動源３と、これら電動機３Ａ、３Ｂに共通の駆動軸４と、駆動軸４に取り付けられるブレーキ５１と、駆動軸４とウインチドラム２との間に介在される減速機５２とを備えている。

　図４は、他の実施形態に係る電動ウインチ装置１Ａの概略構成を示す平面図である。電動ウインチ装置１Ａは、いわゆるフリーフォール運転を実現可能とする実施形態であり、図２に示された構成に加えてクラッチ５３をさらに備えている。クラッチ５３は、減速機５２と同じく、駆動軸４とウインチドラム２との間に介在される。以下、各構成について詳述する。

　ウインチドラム２は、ワイヤロープＷが巻回される円筒状の胴部２１と、この胴部２１の両端に配置された鍔部２２とを備える。ウインチドラム２は、ワイヤロープＷの巻き取り又は繰り出しのために、胴部２１の筒心であるドラム軸（図６にＡＸ２として表示）回りに回転する。なお、図２及び図４では、ウインチドラム２の内部の構成を示すため、ウインチドラム２及びワイヤロープＷがドラム軸方向に沿った断面で表されている。

　ウインチドラム２の両端には、前記ドラム軸に沿った図略の軸部が突設されている。旋回フレーム９３上には、このウインチドラム２の前記軸部を回転自在に支持するための一対の軸支持部（図略）が設けられている。前記一対の軸支持部は、旋回フレーム９３の幅方向、すなわち移動式クレーン９の車幅方向において互いに間隔を置いて配置されている。つまり、ウインチドラム２は、前記車幅方向と前記ドラム軸とが一致するように、旋回フレーム９３に搭載されている。

　ワイヤロープＷは、胴部２１から引き出されてブーム９４の先端を経由し、そのブーム９４の先端から垂下されてフック装置９５を吊り下げている。ウインチドラム２は、ドラム軸回りの一方の回転方向である巻上方向に回転することにより、ワイヤロープＷを胴部２１に巻き取り、それによってフック装置９５（対象物９７）を巻き上げる。また、ウインチドラム２は、前記巻上方向と逆の回転方向である巻下方向に回転することにより、ワイヤロープＷを繰り出し、それによって対象物９７を巻き下げる。

　駆動源３は、ウインチドラム２を回転駆動するものであって、直列的に連結された複数台のアキシャルギャップ型電動機である、第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂを含む。ここでは２台の電動機３Ａ、３Ｂが連結されている例を示しているが、駆動源３は、３台～１０台程度のアキシャルギャップ型電動機を連結したものであっても良い。第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂは、電力が供給されることによって作動し、対象物９７の巻上時にウインチドラム２を巻上方向に回転させるためのトルクを出力する。第１、第２電動機３Ａ、３Ｂは、図２及び図４に示すように、両方とも、ウインチドラム２のドラム軸方向の一方側に配置されている。

　［アキシャルギャップ型電動機の構造］
　図５は、第１、第２電動機３Ａ、３Ｂとして採用されているアキシャルギャップ型電動機の構造を示す分解斜視図であり、ここではアキシャルギャップ型ＤＣブラシレスモータを例示している。アキシャルギャップ型電動機は、円盤状の固定子Ｓと、回転中心軸ＡＸ１（回転軸）の軸回りに回転する２個の円盤状の回転子Ｒ１、Ｒ２とを含む。固定子Ｓと回転子Ｒ１、Ｒ２とは、回転中心軸ＡＸ１の軸方向に並ぶように配置されている。各回転子Ｒ１、Ｒ２は、組み立て状態において固定子Ｓに対して軸方向に間隔を空けて配置される。この間隔は、いわゆるアキシャルギャップであり、その長さは１ｍｍ～数ｍｍ程度とされる。

　このように本実施形態では、固定子Ｓの図中左方の円盤面に一方の回転子Ｒ１が対向し、固定子Ｓの右方の円盤面に他方の回転子Ｒ２が対向し、これにより一対の回転子Ｒ１、Ｒ２の間に一つの固定子Ｓが挟まれる形態の、ダブルロータ型の電動機を例示している。もちろん、アキシャルギャップ型電動機は、一の回転子が一の固定子と軸方向に対向配置されるシングルロータ型であっても良い。但し、電動機一台当たりにおいてより大きなトルクを得るという観点からは、ダブルロータ型が好ましい。

　固定子Ｓは、周方向（回転子Ｒ１、Ｒ２の回転方向）に配列された複数の電磁石ユニット６０（スロット）を含む。各電磁石ユニット６０は、扇形の磁性コア６１と、磁性コア６１に装着された励磁コイル６２とを備える。複数の磁性コア６１は、図略のコア支持部材によって支持され、回転中心軸ＡＸ１の軸回りに円環状に均等に配置されている。

　磁性コア６１は、圧粉コアであることが好ましい。圧粉コアは、電気絶縁膜で被覆された鉄粉が強固に押し固められることによって形成されたコアである。渦電流を抑制するという観点からは、この圧粉コアに加え、複数枚の電磁鋼板の積層体からなる積層コアも用い得る。圧粉コアは、前記積層コアに比べて気密性が高く、また成型の自由度も高いため、磁性コア６１としてはより好ましい。本実施形態では、磁性コア６１は、その軸方向の両端面に鍔部６１１が形成されたボビン形状を有している。

　励磁コイル６２は、ボビン形状の磁性コア６１を巻芯として絶縁電線が所要のターン数だけ巻回されてなる。励磁コイル６２への直流電流の通電によって、回転中心軸ＡＸ１と平行な方向に磁性コア６１を貫く磁束が発生する。また、励磁コイル６２への直流電流の通電方向を正逆反転させることで、前記磁束の方向を反転させることができる。各励磁コイル６２へ通電及び通電方向の切り替えは、図略のドライバ回路によって制御され、これにより回転子Ｒ１、Ｒ２を回転中心軸ＡＸ１回りに回転させる磁力線が形成される。

　回転子Ｒ１、Ｒ２は各々、円盤状の基材７１と、この基材７１に固定される複数の永久磁石７２（磁極）とを備えている。基材７１は、固定子Ｓと対向する内側面７１Ｓと、この内側面７１Ｓの反対側の外側面７１Ｒとを備える。内側面７１Ｓ及び外側面７１Ｒは、共に回転中心軸ＡＸ１と直交する円形面である。各永久磁石７２は、ネオジウム等からなり、軸方向視で扇形の平板型の磁石である。複数の永久磁石７２は、内側面７１Ｓの中心点Ｏ（回転中心軸ＡＸ１と交差する点）の周囲に、Ｓ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように、内側面７１Ｓの外周縁付近に、環状に配列されている。なお、渦電流に起因するジュール損失を低減するために、一の極を形成する永久磁石７２を、複数の磁石小片に分割された態様としても良い。

　円盤状の基材７１は、鋼材などの磁性体で形成された部材であり、上述の永久磁石７２の支持機能と、永久磁石７２のバックヨークとしての機能とを兼ねている。固定子Ｓと対向する表面がＳ極に着磁されている永久磁石７２は、その裏面がＮ極となる。これに隣接する永久磁石７２は、表面がＮ極で裏面がＳ極である。基材７１は、これら永久磁石７２の裏面側を支持すると共に、裏面側のＳ極－Ｎ極との間に磁路を形成する役目を果たす。永久磁石７２は、例えばエポキシ樹脂系接着剤のような接着剤を用いて、基材７１の内側面７１Ｓに固定される。接着剤に代えて、皿頭ネジ等の固定具を用いて、永久磁石７２を内側面７１Ｓに固定しても良い。

　回転子Ｒ１、Ｒ２の外側面７１Ｒには、それぞれボス部７３が軸方向外側に突設されている。ボス部７３は、外側面７１Ｒにおける径方向中央付近に配置された円柱状の凸部であり、回転子Ｒ１、Ｒ２の中心点Ｏ（回転中心軸ＡＸ１が外側面７１Ｒと交差する点）と同軸である。ボス部７３は、第１、第２電動機３Ａ、３Ｂを軸方向に直列に連結するために、後述する駆動軸４の一部の軸部材をインロー形式で取り付けるための突起である。

　［駆動軸］
　駆動軸４は、駆動源３の出力軸であり、この駆動軸４が回転することによってウインチドラム２が回転する。図６は、電動ウインチ装置１の概略的な斜視図及びその分解斜視図であり、駆動軸４の構成例を示す図である。駆動軸４は、第１、第２電動機３Ａ、３Ｂの回転子同士を回転中心軸ＡＸ１の軸上において直列に連結してなる軸である。この駆動軸４は、ウインチドラム２のドラム軸ＡＸ２（ウインチドラム２の回転中心軸）と同じ軸上に配置されている。

　駆動軸４は、回転中心軸ＡＸ１の軸上に直列的に配置される、第１電動機３Ａの回転軸３１Ａと、第２電動機３Ｂの回転軸３１Ｂと、回転軸３１Ａと回転軸３１Ｂとを連結する連結軸部４１と、ウインチドラム２の駆動伝達系に接続される出力軸部４２とで構成されている。回転軸３１Ａは、第１電動機３Ａの２つの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａを、固定子ＳＡを貫通して互いに連結している軸である。回転軸３１Ｂは、第２電動機３Ｂの２つの回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂを、固定子ＳＢを貫通して連結している軸である。回転軸３１Ａ、３１Ｂの軸端は、図５に示したボス部７３である。

　連結軸部４１は、第１電動機３Ａの一方の回転子Ｒ２Ａ、及び、これに対向する第２電動機３Ｂの一方の回転子Ｒ１Ｂが各々備えるボス部７３を利用して、インロー形式で両回転軸３１Ａ、３１Ｂを連結する。出力軸部４２は、根元側が第１電動機３Ａの他方の回転子Ｒ１Ａが備えるボス部７３にインロー形式で接続され、先端側がウインチドラム２の駆動伝達系、つまりブレーキ５１、減速機５２及びクラッチ５３に接続されている。なお、第２電動機３Ｂの他方の回転子Ｒ２Ｂが備えるボス部７３には、例えば回転数を計測するエンコーダが取り付けられる。

　［電動ウインチ装置の他の構成部材］
　図２に戻り、ブレーキ５１は、駆動軸４に対して制動を掛けることにより、この駆動軸４と繋がるウインチドラム２の回転を制動するものである。ブレーキ５１としては、例えば電磁ブレーキ、乾式又は湿式のメカブレーキ等を用いることができる。ブレーキ５１は、駆動源３と減速機５２との間であって、駆動軸４の出力軸部４２（図６）の周りに設けられており、該出力軸部４２に対して制動を掛ける。

　減速機５２は、ウインチドラム２の胴部２１内に配置されている。減速機５２の入力側は駆動軸４（出力軸部４２）に、出力側は胴部２１に、各々接続されている。減速機５２は、ウインチドラム２を、駆動軸４の回転速度を所定の減速比で減速させた回転速度で回転させる。また、減速機５２は、駆動軸４から入力されるその駆動軸４のトルクを増大させて、該トルクをウインチドラム２へ伝達する。なお、図２の配置に代えて、駆動源３をブレーキ５１と減速機５２との間に配置しても良い。

　図４に示す実施形態において用いられるクラッチ５３は、フリーフォール運転の実現のため、駆動軸４とウインチドラム２との間でトルクを伝達する接続状態と、前記トルクの伝達を遮断する遮断状態とに切り換える。クラッチ５３としては、例えば湿式クラッチを用いることができる。クラッチ５３は、駆動伝達経路において減速機５２とウインチドラム２との間に配置される。

　クラッチ５３は、図示していないが、減速機５２の図略の出力軸と一体的に回転する一方のクラッチ板と、ウインチドラム２と一体的に回転する他方のクラッチ板と、それらのクラッチ板同士を結合させる接続状態と互いに分離させる遮断状態とに切り換えるための切換装置とを備える。クラッチ５３を備える図４の電動ウインチ装置１Ａによれば、クラッチ５３を接続状態から遮断状態に切り換えることにより、ウインチドラム２を減速機５２とそれに繋がる駆動軸４から切り離して自由に回転させることができる。その結果、フック装置９５（図１参照）のフリーフォールを実施できる。

　［制御構成の説明］
　図７は、図４に示す電動ウインチ装置１Ａの制御構成を示すブロック図である。移動式クレーン９には、第１及び第２電動機３Ａ、３Ｂ、ブレーキ５１及びクラッチ５３を制御するために、図７に示すような電源８１と制御システムとが搭載される。この制御システムは、第１インバータ８２、第２インバータ８３、ウインチ操作レバー８５、ブレーキペダル８６及びコントローラ８４を有する。

　電源８１は、移動式クレーン９に搭載されているＤＣバッテリーである。第１インバータ８２は、電源８１が発生する直流電圧を所要の交流電圧に変換して第１電動機３Ａへ供給すると共に、当該第１電動機３Ａへ通電させる電流（モータ電流）を制御する。第２インバータ８２は、同様に前記直流電圧を所要の交流電圧に変換して第２電動機３Ｂへ供給すると共に、通電電流を制御する。

　ウインチ操作レバー８５は、作業者がウインチドラム２を巻上方向又は巻下方向へ回転させる操作を行うために用いられる。ウインチ操作レバー８５を通して受け付けられた前記操作を示す指示信号は、コントローラ８４へ出力される。ブレーキペダル８６は、作業者がブレーキ５１を操作するために用いられる。ブレーキペダル８６を通して受け付けられる前記操作を示す指示信号は、コントローラ８４へ出力される。

　コントローラ８４は、ウインチ操作レバー８５から与えられる指示信号に応じて第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂが駆動するよう、第１インバータ８２及び第２インバータ８３の動作を同期制御する。すなわち、コントローラ８４は、ウインチドラム２がウインチ操作レバー８５の操作に応じた巻上方向又は巻下方向への回転を行うように、第１及び第２電動機３Ａ、３Ｂの駆動を同期制御する。

　また、コントローラ８４は、ブレーキペダル８６から与えられる指示信号に応じて、その指示信号が示す制動を掛けるようにブレーキ５１を制御する。さらに、コントローラ８４は、クラッチ５３を、前記接続状態と前記遮断状態との間で切り替える制御を行う。具体的にはコントローラ８４は、クラッチ５３の前記切換装置に制御信号を送り、該切換装置が前記クラッチ板同士を接続状態させる、又は遮断状態させるように制御する。

　［作用効果について］
　上述の電動ウインチ装置１、１Ａによれば、ウインチドラム２の駆動源３としてアキシャルギャップ型の第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂが用いられる。これら第１、第２電動機３Ａ、３Ｂが共通の駆動軸４によって直列に接続されると共に、駆動軸４がウインチドラム２のドラム軸ＡＸ２と同じ軸上に位置するよう組み付けられる。すなわち、ウインチドラム２の一方の側面に、２つの電動機３Ａ、３Ｂが横並びする態様で配置される。

　アキシャルギャップ型電動機は、円盤状の固定子と回転子とが軸方向に配列される構成であるので、ラジアルギャップ型電動機に比べて軸方向の薄型化を図ることができる。それゆえ、ウインチドラム２の側方に複数台の電動機３Ａ、３Ｂを配置する構成を採用しても、ドラム軸ＡＸ２方向のサイズを抑制することができる。また、アキシャルギャップ型電動機は、固定子Ｓの電磁石ユニット６０と回転子Ｒ１、Ｒ２の永久磁石７２との間のエアギャップ面積を大きくすることができるため、高いトルクが得られる利点がある。このような高いトルクを発生可能な第１、第２電動機３Ａ、３Ｂが、共通の駆動軸４によって直列接続されているので、これら電動機３Ａ、３Ｂを同期駆動することで大きな合成トルクを得ることができる。従って、当該電動ウインチ装置１、１Ａによれば、大きな吊能力を確保できる。

　さらに、以上のような電動ウインチ装置１、１Ａを移動式クレーン９に搭載することで、クレーン動作に適した吊能力を確保しつつ、車幅制限の問題をクリアすることが可能となる。すなわち、移動式クレーン９の駆動源となる電動機は、低速回転で高トルクが求められる運転を行う頻度が高い。本実施形態では、アキシャルギャップ型の第１、第２電動機３Ａ、３Ｂが重連されるので、このような低速高トルクの運転に適している。また、移動式クレーン９が公道を自走する時には、移動式クレーン自体が法令で定められた車幅制限をクリアする必要がある。本実施形態では、ウインチドラム２の片側にのみ第１、第２電動機３Ａ、３Ｂが配置され、しかも、これらは軸方向に薄型の電動機であるため駆動源３をコンパクト化することができ、前記車幅制限に対応することができる。

　また、アキシャルギャップ型の電動機は、回転中心軸ＡＸ１方向に複数台を連結し易い構造であると言える。本実施形態では、２台の電動機３Ａ、３Ｂを直列に連結した例を示したが、図６に示した連結軸部４１を用いることで、回転中心軸ＡＸ１に沿って所要台数のアキシャルギャップ型電動機を連結することが可能である。従って、移動式クレーン９に求められる吊り能力に対応して、直列に連結する電動機の個数を設定することができる。このことは、吊り能力が異なる様々な移動式クレーンの機種それぞれについて電動機設計を行う必要性を省き、アキシャルギャップ型電動機の個数調整で所望の吊り能力を実現できることを意味する。さらに、複数の電動機を有するので、一つの電動機が故障したとしても、他の電動機で最低限のウインチ動作を行わせることができる等、万が一の故障時でも対応しやすい利点がある。

　加えて、図７に示した通り、コントローラ８４は、第１、第２電動機３Ａ、３Ｂに動作電流を供給する第１、第２インバータ８２、８３を独立的に制御することができる。典型的な制御としては、同じ容量の第１、第２電動機３Ａ、３Ｂに対して、同一タイミングで同一駆動電流を与えて同一トルクを出力させる同期運転を行わせ、所望の合成トルク出力を得る制御を実行させるができる。或いは、ある合成トルク出力を得る場合に、第１、第２電動機３Ａ、３Ｂから同一トルクを出力させるのではなく、両電動機の最も効率の良いトルク出力の組み合わせにより前記合成トルク出力を得るようにすることで、省エネ性を向上させることができる。また、各々の電動機３Ａ、３Ｂの使用頻度や負荷の履歴に基づき、優先的に使用する電動機をワーク毎に変更することも可能となる。これにより、一つの電動機を使う場合と比較して、電動ウインチ装置の信頼性や耐久性を高めることができる。

　［コギング対策を備えた実施形態］
　電動機は、固定子のスロットの数と回転子の磁極の数とに依存してコギング（コギングトルク）が発生する。コギングは、回転子が一回転する間に、固定子のスロット数（図５に示す電磁石ユニット６０の数）と、回転子の磁極数（永久磁石７２の数）との最小公倍数分だけ発生する。例えば、スロット数＝９、磁極数＝６の場合であれば、回転子の一回転当たりに１８回のコギング、つまり回転子が２０°だけ回転する度にコギングが発生することになる。これは、駆動軸の出力トルクの脈動を生成させることになる。アキシャルギャップ型の電動機は、高トルクを得ることができる反面、コギングの問題が顕著に発生する傾向がある。

　とりわけ、本実施形態の如く、複数台のアキシャルギャップ型電動機３Ａ、３Ｂを直列接続する場合には、各々の電動機３Ａ、３Ｂのコギングが重畳されて駆動軸４に伝達されてしまう。これにより、ウインチドラム２を低速回転させる場合や、寸送り（インチング）させる場合等において、操作性に影響を与える懸念がある。

　以下、このようなコギング問題を解消する実施形態を示す。ここでは、複数の電動機のうちの一の電動機が発生するコギングと、他の電動機が発生するコギングとを相殺させる打ち消し手段を例示する。打ち消し手段の具体例としては、
（具体例１）回転子の磁極（永久磁石７２）の固定位置を、一の電動機と他の電動機とで異ならせる、或いは、
（具体例２）固定子のスロット（電磁石ユニット６０）の配置位置を、一の電動機と他の電動機とで異ならせる、
という手法を例示する。かかる打ち消し手段を具備させることで、コギングに基づく各電動機の出力トルクの脈動が相殺されるようになる。

　＜２台の電動機の場合＞
　図８は、上記「具体例１」の一例であって、２台の電動機３Ａ、３Ｂを連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。第１電動機３Ａ及び第２電動機３Ｂは、いずれもダブルロータ型のアキシャルギャップ型電動機であり、それぞれ、第１電動機３Ａは固定子ＳＡ及び２つの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａを、第２電動機３Ｂは固定子ＳＢと２つの回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂを備えている。回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａ及び回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの磁極数＝６、固定子ＳＡ、ＳＢのスロット数＝９である。従って、上記で示した通り、コギングの発生周期は、回転子の回転角＝２０°毎である。

　第１電動機３Ａの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａは、所定の基準位置に磁極（永久磁石７２）が位置する基準回転角で駆動軸４（図２）に固定されている。基準回転角は、回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａの回転角＝０°の角度であり、このときに基準とする一つの永久磁石７２（図８において最も上側に位置している永久磁石７２）の周方向中心が、回転角＝０°のラインＬ１上に位置している。ラインＬ１は、回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａの中心点Ｏ（図５）を通るラインである。固定子ＳＡのスロット（電磁石ユニット６０）は、前記基準回転角に応じて取り付けられる。すなわち、前記回転角＝０°のラインＬ１に対向するラインＬ２上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置するように、第１電動機３Ａのケーシングに固定されている。

　これに対し、第２電動機３Ｂの回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂは、自身が発生するコギングで第１電動機３Ａが発生するコギングを打ち消すように、前記基準回転角に対して回転方向にシフトさせた位置に永久磁石７２が位置する状態で駆動軸４に固定される。具体的には、ラインＬ１に対して、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの回転方向に回転角＝１０°だけシフトしたラインＬ１１上に、基準とする一つの永久磁石７２の周方向中心が位置している。このシフト回転角＝１０°は、コギング発生周期（回転角＝２０°）を電動機台数（２台）で除算（２０°／２）して求められた回転角である。一方、固定子ＳＢは、固定子ＳＡと同じく、ラインＬ２上に基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置するように、第２電動機３Ｂのケーシングに固定されている。

　図９は、上記「具体例２」の一例であって、２台の電動機３Ａ、３Ｂを連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。この例では、第１電動機３Ａの固定子ＳＡは、上述のラインＬ２上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置（基準スロット位置）している。この状態で、固定子ＳＡは第１電動機３Ａのケーシング内において配置されている。

　これに対し、第２電動機３Ｂの固定子ＳＢは、ラインＬ２に対して、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの回転方向に回転角＝－１０°だけシフトしたラインＬ２１上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置している。このようにシフトした状態で、固定子ＳＢは第２電動機３Ｂのケーシング内において配置されている。第１電動機３Ａの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａ、及び第２電動機の回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂについては、いずれも基準回転角に対応したラインＬ１上に配置されている。

　このような第１、第２電動機３Ａ、３Ｂ間における相対的な磁極同士又はスロット同士の前記１０°又は－１０°の意図的なシフトにより、第１電動機３Ａが発生するコギングの山部に、第２電動機３Ｂが発生するコギングの谷部が位置するよう、これら電動機の出力トルクの脈動の位相を相互にずらすことができる。これにより、コギングを相殺させることができる。

　図１０は、図８に示した第１、第２電動機３Ａ、３Ｂの出力トルクＴＡ、ＴＢと、これらの合成トルクＴＭとを示すグラフ、図１１は、図１０の一部を拡大したグラフである。第１電動機３Ａの出力トルクＴＡは、２０°周期の回転角で、正弦的に脈動している。これはコギングの影響である。第２電動機３Ｂの出力トルクＴＢも、同様に２０°周期の回転角で正弦的に脈動している。しかし、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂを上述の通り回転角＝１０°だけシフトして駆動軸４に取り付けることによって、出力トルクＴＢの脈動の位相は出力トルクＴＡに対して１０°だけ遅延している。

　出力トルクＴＡの山部と出力トルクＴＢの谷部、或いはその逆の態様で両出力トルクが駆動軸４に重畳されることによって、これら出力トルクＴＡ、ＴＢの脈動は打ち消し合うようになる。従って、両者の合成トルクＴＭは、脈動のない、つまりコギングの影響を実質的に消失させた、フラットなものとなる。なお、図１０、図１１において合成トルクＴＭは、出力トルクＴＡ＝ＴＢ＝１０Ｎｍである場合の合成トルクを表示している。図９に示した第１、第２電動機３Ａ、３Ｂによっても、同じ結果を得ることができる。

　なお、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂをシフトさせる回転角度（図８）、或いは固定子ＳＢをシフトさせる回転角度（図９）は、必ずしもコギングによる脈動周期（ここでは２０°）の１／２に設定しなくても良い。例えば、前記シフトさせる角度を５°、或いは１５°程度に設定した場合であっても、出力トルクＴＡ、ＴＢの脈動をある程度は相殺させることができ、コギングを低減させることができる。

　＜３台の電動機の場合＞
　図１２は、上記「具体例１」の他の例であって、３台の電動機３Ａ、３Ｂ、３Ｃを連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。第１～第３電動機３Ａ～３Ｃは、いずれもダブルロータ型のアキシャルギャップ型電動機であり、それぞれ、第１電動機３Ａは固定子ＳＡ及び２つの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａを、第２電動機３Ｂは固定子ＳＢと２つの回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂを、第３電動機３Ｃは固定子ＳＣと２つの回転子Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃを備えている。回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａ及び回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの磁極数＝６、固定子ＳＡ、ＳＢのスロット数＝９である。従って、上記で示した通り、コギングの発生周期は、回転子の回転角＝２０°毎である。

　第１電動機３Ａの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａは、所定の基準位置に永久磁石７２が位置する基準回転角で、駆動軸４（図２）に固定されている。つまり、基準とする一つの永久磁石７２の周方向中心が、回転角＝０°のラインＬ１上に位置している。固定子ＳＡの電磁石ユニット６０は、前記回転角＝０°のラインＬ１に対向するラインＬ２上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置するように、第１電動機３Ａのケーシングに固定されている。

　これに対し、第２電動機３Ｂの回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂは、ラインＬ１に対して、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの回転方向に回転角＝６．６７°だけシフトしたラインＬ１２上に、基準とする一つの永久磁石７２の周方向中心が位置するように、駆動軸４に固定される。このシフト回転角＝６．６７°は、コギング発生周期（回転角＝２０°）を電動機台数（３台）で除算（２０°／３）して求められた回転角である。さらに、第３電動機３Ｃの回転子Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃは、ラインＬ１に対して、回転子Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃの回転方向に回転角＝１３．３３°（（２０°／３）×２）だけシフトしたラインＬ１３上に、基準とする一つの永久磁石７２の周方向中心が位置するように、駆動軸４に固定される。一方、固定子ＳＢ、ＳＣは、固定子ＳＡと同じく、ラインＬ２上に基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置するように、それぞれ第２、第３電動機３Ｂ、３Ｃのケーシングに固定されている。

　図１３は、上記「具体例２」の他の例であって、３台の電動機３Ａ、３Ｂ、３Ｃを連結する場合の、固定子のスロット及び回転子の磁極の配置の一例を示す図である。この例では、第１電動機３Ａの固定子ＳＡは、上述のラインＬ２上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置（基準スロット位置）している。この状態で、固定子ＳＡは第１電動機３Ａのケーシング内において配置されている。

　これに対し、第２電動機３Ｂの固定子ＳＢは、ラインＬ２に対して、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂの回転方向に回転角＝－６．６７°だけシフトしたラインＬ２２上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置している。このようにシフトした状態で、固定子ＳＢは第２電動機３Ｂのケーシング内において配置されている。さらに、第３電動機３Ｃの固定子ＳＣは、ラインＬ２に対して、回転子Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃの回転方向に回転角＝－１３．３３°だけシフトしたラインＬ２３上に、基準とする一つの電磁石ユニット６０の周方向中心が位置するよう、第２電動機３Ｂのケーシングに固定されている。第１～第３電動機３Ａ～３Ｃの回転子Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａ、Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂ、Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃについては、いずれも基準回転角に対応したラインＬ１上に配置されている。

　このような第１～第３電動機３Ａ～３Ｃ相互間における相対的な磁極同士又はスロット同士の前記６．６７°又は－６．６７°ずつの意図的なシフトにより、第１～第３電動機３Ａ～３Ｃの各々が発生するコギング、すなわち、これら電動機の出力トルクの脈動の位相を相互にずらすことができる。これにより、コギングを相殺させることができる。

　図１４は、図１２に示した第１～第３電動機３Ａ～３Ｃの出力トルクＴＡ、ＴＢ、ＴＣと、これらの合成トルクＴＭとを示すグラフ、図１５は、図１４の一部を拡大したグラフである。第１電動機３Ａの出力トルクＴＡは、コギングの影響によって２０°周期の回転角で、正弦的に脈動している。第２、第３電動機３Ｂ、３Ｃの出力トルクＴＢ、ＴＣも、同様に２０°周期の回転角で脈動している。しかし、回転子Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂを上述の通り回転角＝６．６７°だけシフトして駆動軸４に取り付けることによって、第２電動機３Ｂの出力トルクＴＢの脈動の位相は出力トルクＴＡに対して６．６７°だけ遅延している。また、回転子Ｒ１Ｃ、Ｒ２Ｃを上述の通り回転角＝１３．３３°だけシフトして駆動軸４に取り付けることによって、第３電動機３Ｃの出力トルクＴＣの脈動の位相は出力トルクＴＡに対して１３．３３°だけ遅延している。

　このように、位相が６．６７°ずつシフトした３つの出力トルクＴＡ、ＴＢ、ＴＣが駆動軸４に重畳されることによって、これら出力トルクＴＡ～ＴＣの脈動は互いに打ち消し合うようになる。従って、両者の合成トルクＴＭは、脈動のない、つまりコギングの影響を実質的に消失させた、フラットなものとなる。図１３に示した第１～第３電動機３Ａ～３Ｃによっても、同じ結果を得ることができる。

　以上説明した通り、本発明によれば、大きな吊能力を確保しつつ、ウインチドラム２の軸方向における幅を抑制することが可能な電動ウインチ装置１を提供することができる。従って、車幅制限や装置レイアウト上の制限など空間制約がある移動式クレーン９に、当該電動ウインチ装置１を好適に用いることができる。また、上述のコギング対策を施すことによって、ウインチドラム２を低速回転させる場合や、寸送りさせる場合等における操作性を良好なものとすることができる。

　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施形態を採ることができる。本発明に係る電動ウインチ装置１は、対象物の巻上／巻下を行う巻上用のウインチ装置に必ずしも限定されない。例えば、電動ウインチ装置１は、ブーム等の起伏部材を起伏させるための起伏用のウインチ装置であってもよい。また、本発明に係る移動式クレーン９は、クローラクレーンに限定されるものではない。例えば、ホイール式の下部走行体を有するホイールクレーンであっても、本発明を同様に適用可能である。さらに、図８、図１２他において、回転子の磁極数＝６、固定子のスロット数＝９の例を示したが、これは一例である。例えば、磁極数＝８とスロット数＝１２の組合せ、磁極数＝１０とスロット数＝１２の組合せ、或いは磁極数＝１６とスロット数＝１８の組合せなどを例示することができる。

　なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

　本発明の一局面に係る電動ウインチ装置は、作業用ロープの巻き取り又は繰り出しのために、ドラム軸回りに回転するウインチドラムと、前記ウインチドラムを回転駆動する電動機であって、固定子と、回転軸回りに回転し前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子と、を備えるアキシャルギャップ型の複数の電動機と、前記ドラム軸と同じ軸上に配置され、前記複数の電動機の前記回転子を前記回転軸の軸上において直列に連結してなる駆動軸と、を備える。

　この電動ウインチ装置によれば、ウインチドラムの駆動源として複数のアキシャルギャップ型の電動機が用いられる。そして、これら電動機が共通の駆動軸によって直列に接続されると共に、前記駆動軸がウインチドラムのドラム軸と同じ軸上に位置するよう組み付けられる。アキシャルギャップ型電動機は、ラジアルギャップ型電動機に比べて、薄型化が可能、大トルクが得られるといった利点がある。従って、上記の構成によれば、複数の電動機の連結により大トルクを得ながら、ウインチドラムのドラム軸方向のサイズを抑制した電動ウインチ装置を提供することができる。

　上記の電動ウインチ装置において、前記アキシャルギャップ型の電動機は、一つの固定子と、該固定子を軸方向に挟んで配置された一対の回転子とを有するダブルロータ型の電動機であることが望ましい。

　この電動ウインチ装置によれば、固定子の片面側のみに回転子が配置されるシングルロータ型のものに比べて、より大きなトルクを得ることができる。

　上記の電動ウインチ装置において、前記固定子は、磁性コアと励磁コイルとで構成される複数のスロットを有し、前記回転子は、永久磁石で構成される複数の磁極を有し、前記電動機の各々は、前記スロットの数と前記磁極の数とで定まるコギングを発生するものであって、前記複数の電動機のうちの一の電動機が発生するコギングと、他の電動機が発生するコギングとを相殺させる打ち消し手段をさらに備えることが望ましい。

　電動機は、固定子のスロットの数と回転子の磁極の数とに依存してコギング（Ｃｏｇｇｉｎｇ）が発生する。アキシャルギャップ型の電動機は、高トルクを得ることができる反面、コギングの問題が顕著に発生する傾向がある。上記の電動ウインチ装置によれば、前記打ち消し手段を具備させることで、コギングに基づく各電動機の出力トルクの脈動を相殺させることができる。従って、ウインチドラムを低速回転させる場合や、寸送り（インチング）させる場合等の操作性を向上させることができる。

　この場合、前記打ち消し手段は、前記複数の電動機のうちの一の電動機の回転子が、所定の基準位置に前記磁極が位置する基準回転角で前記駆動軸に固定されること、及び、他の電動機の回転子が、自身が発生するコギングで前記一の電動機が発生するコギングを打ち消すように、前記基準回転角に対して回転方向にシフトさせた位置に前記磁極が位置する状態で前記駆動軸に固定されること、を含むものとすることができる。

　この電動ウインチ装置によれば、一の電動機と他の電動機とにおいて、両者の回転子の磁極位置を回転方向において相対的に異ならせるという簡便な構成で、コギングの打ち消しを達成できる。

　あるいは、前記打ち消し手段は、前記複数の電動機のうちの一の電動機の固定子が、所定の基準スロット位置に前記スロットが位置する状態で、当該一の電動機内において配置されること、及び、他の電動機の固定子が、自身が発生するコギングで前記一の電動機が発生するコギングを打ち消すように、前記基準スロット位置に対して前記スロットを前記回転子の回転方向にシフトさせた位置関係で、当該他の電動機内において配置されること、を含むものとすることができる。

　この電動ウインチ装置によれば、一の電動機と他の電動機とにおいて、両者の固定子のスロット位置を回転方向において相対的に異ならせるという簡便な構成で、コギングの打ち消しを達成できる。

　上記の電動ウインチ装置において、前記駆動軸に対して制動を掛けるブレーキをさらに備えることが望ましい。

　この電動ウインチ装置によれば、前記ブレーキによって、駆動軸に対して自在に制動力を与えることができる。

　上記の電動ウインチ装置において、前記駆動軸と前記ウインチドラムとの間でトルクを伝達する接続状態と、前記トルクの伝達を遮断する遮断状態とに切り換えるクラッチをさらに備えることが望ましい。

　この電動ウインチ装置によれば、前記クラッチを遮断状態にすることにより、ウインチドラムを電動機から切り離して自由回転させるフリーフォール運転が可能となる。

　本発明の他の局面に係る移動式クレーンは、吊作業用の作動部と、上記の電動ウインチ装置と、を備え、前記作業用ロープは前記作動部に繋がるロープである。

　この移動式クレーンによれば、上記電動ウインチ装置を備えることにより、大きな吊能力を確保しつつ、車幅制限の問題をクリアすることが可能となる。

　以上説明した通り、本発明によれば、大きな吊能力を確保しつつ、ウインチドラムの軸方向における幅を抑制することが可能な電動ウインチ装置、及びこれが適用された移動式クレーンを提供することができる。

Claims (8)

1. 　作業用ロープの巻き取り又は繰り出しのために、ドラム軸回りに回転するウインチドラムと、
   　前記ウインチドラムを回転駆動する電動機であって、固定子と、回転軸回りに回転し前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子と、を備えるアキシャルギャップ型の複数の電動機と、
   　前記ドラム軸と同じ軸上に配置され、前記複数の電動機の前記回転子を前記回転軸の軸上において直列に連結してなる駆動軸と、を備える電動ウインチ装置。
2. 　請求項１に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記アキシャルギャップ型の電動機は、一つの固定子と、該固定子を軸方向に挟んで配置された一対の回転子とを有するダブルロータ型の電動機である、電動ウインチ装置。
3. 　請求項１又は２に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記固定子は、磁性コアと励磁コイルとで構成される複数のスロットを有し、
   　前記回転子は、永久磁石で構成される複数の磁極を有し、
   　前記電動機の各々は、前記スロットの数と前記磁極の数とで定まるコギングを発生するものであって、
   　前記複数の電動機のうちの一の電動機が発生するコギングと、他の電動機が発生するコギングとを相殺させる打ち消し手段をさらに備える、電動ウインチ装置。
4. 　請求項３に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記打ち消し手段は、
   　前記複数の電動機のうちの一の電動機の回転子が、所定の基準位置に前記磁極が位置する基準回転角で前記駆動軸に固定されること、及び、
   　他の電動機の回転子が、自身が発生するコギングで前記一の電動機が発生するコギングを打ち消すように、前記基準回転角に対して回転方向にシフトさせた位置に前記磁極が位置する状態で前記駆動軸に固定されること、を含む電動ウインチ装置。
5. 　請求項３に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記打ち消し手段は、
   　前記複数の電動機のうちの一の電動機の固定子が、所定の基準スロット位置に前記スロットが位置する状態で、当該一の電動機内において配置されること、及び、
   　他の電動機の固定子が、自身が発生するコギングで前記一の電動機が発生するコギングを打ち消すように、前記基準スロット位置に対して前記スロットを前記回転子の回転方向にシフトさせた位置関係で、当該他の電動機内において配置されること、を含む電動ウインチ装置。
6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記駆動軸に対して制動を掛けるブレーキをさらに備える電動ウインチ装置。
7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の電動ウインチ装置において、
   　前記駆動軸と前記ウインチドラムとの間でトルクを伝達する接続状態と、前記トルクの伝達を遮断する遮断状態とに切り換えるクラッチをさらに備える電動ウインチ装置。
8. 　吊作業用の作動部と、
   　請求項１～７のいずれか１項に記載の電動ウインチ装置と、を備え、
   　前記作業用ロープは前記作動部に繋がるロープである、移動式クレーン。
    

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