WO2017145377A1

WO2017145377A1 - 可変速増速機及び可変速増速機の制御方法

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Publication number: WO2017145377A1
Application number: PCT/JP2016/055875
Authority: WO
Inventors: 義行岡本
Original assignee: 三菱重工コンプレッサ株式会社
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31
Also published as: US20190048979A1; US10605339B2

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変速装置と、を備え、変速装置は、太陽歯車と、太陽歯車と噛み合う遊星歯車と、遊星歯車と噛み合う内歯車と、遊星歯車キャリア軸を有する遊星歯車キャリアと、内歯車キャリア軸を有する内歯車キャリアと、を有し、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一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、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定速入力軸が挿通されている可変速ロータを有し、可変速ロータを第一方向とは反対方向の第二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、可変速電動機と交流電源とを、可変速電動機が第二方向に回転するように接続する電源線と、電源線上に設けられて可変速電動機の回転数を制御する回転数制御装置と、電源線上に設けられた第一スイッチと、可変速電動機と交流電源とを、可変速電動機が第一方向に回転するように接続するバイパス電源線と、バイパス線上に設けられた第二スイッチと、を備える可変速増速機を提供する。

Description

可変速増速機及び可変速増速機の制御方法

　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変速装置の出力軸の回転数を変えることができる。可変速電動機の回転数は、インバータを用いて交流電源の周波数を変えることによって変えることができる。

日本国特許第４４７２３５０号公報

　上記装置において、インバータが故障した場合、定速電動機及び駆動対象である回転機械は自然に回転数が落ちる。一方、可変速電動機は、定速電動機の回転数や回転機械の慣性によって回転数が決まってしまう場合がある。これにより、可変速電動機の回転数が定格回転数よりも大きくなってしまうという課題がある。

　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、インバータが故障した場合においても可変速電動機の過回転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可変速入力軸に接続され、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可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第一方向とは反対方向の第二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、前記可変速電動機と交流電源とを、前記可変速電動機が前記第二方向に回転するように接続する電源線と、前記電源線上に設けられ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、前記電源線上に設けられた第一スイッチと、前記可変速電動機と前記交流電源とを、前記可変速電動機が前記第一方向に回転するように接続するバイパス電源線と、前記バイパス線上に設けられた第二スイッチと、を備える。

　このような構成によれば、回転数制御装置の故障時において、バイパス電源線を介して可変速電動機に電力を供給することによって、出力軸の回転数を所定の回転数で保持するとともに、可変速電動機が過回転するのを防止することができる。

　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、上記可変速増速機の制御方法であって、前記回転数制御装置の故障を検知する故障検知工程と、前記回転数制御装置の故障を検知した場合に前記電源線を切る電源断工程と、前記出力軸の回転数又は前記可変速電動機の回転数が閾値に達した場合に前記バイパス電源線を介して前記交流電源から前記可変速電動機に電力を供給するバイパス電力供給工程と、を有する。

　上記可変速増速機の制御方法において、前記閾値は、前記可変速電動機の最大回転数に基づいて設定されてよい。

　このような構成によれば、バイパス電源線からの電源供給によって可変速電動機が過回転になるのを防止することができる。

　本発明によれば、回転数制御装置の故障時において、バイパス電源線を介して可変速電動機に電力を供給することによって、出力軸の回転数を所定の回転数で保持するとともに、可変速電動機が過回転するの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可変速増速機の保護システムの系統図である。本発明に係る実施形態の制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明に係る実施形態の定速電動機の回転数、可変速電動機の回転数、及び太陽歯車軸の回転数を示すグラフである。

　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は、電動装置５０を構成する可変速電動機７１の回転数制御装置１００（インバータ）が故障した際に、可変速電動機７１を保護する保護システム２（図５参照）を備えている。
　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。本実施形態の可変速増速機１は、圧縮機Ｃの回転数を測定する回転数測定装置１１３を備えている。

　変速装置１０は、遊星歯車変速装置である。この変速装置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、を有する。

　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。

　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、キャリア本体２３に固定され軸線Ａｒを中心として軸方向に延びる遊星歯車キャリア軸２７と、を有する。

　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びる出力側アーム部２４と、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し出力側アーム部２４の径方向外側端から入力側に延びる円筒部２５と、円筒部２５の出力側端から径方向内側に延びる入力側アーム部２６と、を有する。

　遊星歯車キャリア軸２７は、出力側アーム部２４から出力側に延びる出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと、入力側アーム部２６から入力側に延びる入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉと、を有する。出力側遊星歯車キャリア軸２７ｏと入力側遊星歯車キャリア軸２７ｉとは、いずれも、軸線Ａｒを中心として円筒状を成す。
　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。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。

　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の入力側の部分は、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。

　電動装置５０は、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、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。
　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。
　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。

　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。

　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６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。
　定速電動機５１は、定速ロータ５２（内歯車１７）を軸線Ａｒの周方向の第一方向Ｒ１（図４参照、正方向）に回転駆動させる。定速ロータ５２が第一方向Ｒ１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Ｒ１に回転する。

　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及び第一方向Ｒ１とは反対方向の第二方向Ｒ２（図４参照）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。
　可変速電動機７１は、可変速ロータ７２を第一方向Ｒ１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Ｒ１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Ｒ１とは反対の第二方向Ｒ２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Ｒ２に回転する。
　可変速ロータ７２が第一方向Ｒ１に回転することによって、遊星歯車キャリア軸２７及び遊星歯車キャリア２１は、第一方向Ｒ１に回転する。

　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、を有する。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。

　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ＳＷ１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、第一スイッチＳＷ１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、第一スイッチＳＷ１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、第一スイッチＳＷ１、定速電動機スイッチ１１２及び回転数制御装置１００に対する指示を作成する演算部１２３と、を有する。

　第一スイッチＳＷ１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。

　第一スイッチＳＷ１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。第一スイッチＳＷ１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。第一スイッチＳＷ１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。

　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。

　この場合、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＝ωｈ／ωｉ－（１－ωｈ／ωｉ）×Ｚｉ／Ｚｓ　・・・（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５０Ｈｚ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１５００ｒｐｍとなる。また、可変速電動機７１が６極の誘導電動機で、電源周波数が５０Ｈｚ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、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。

　この場合、定速ロータ５２（内歯車１７）の回転の向きを正回転（第一方向の回転）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（第二方向の回転）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、－１０５００ｒｐｍとなる。この回転数（－１０５００ｒｐｍ）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＋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。

　定速ロータ５２の回転の向きを正回転とし、可変速ロータ７２の回転の向きが定速ロータ５２の回転と逆向きの最小回転数（－９０ｒｐｍ）であると、太陽歯車軸１２の回転数は、－６４５０ｒｐｍとなる。

　仮に、定速ロータ５２の回転数（定格回転数）が＋１５００ｒｐｍで、周波数変換部１０１による周波数制御で、電動機モードの可変速ロータ７２の回転数を－３００～－９００ｒｐｍの範囲で制御する場合、言い換えると、可変速電動機７１に供給する電力の周波数を１６．７Ｈｚ～５０Ｈｚの範囲で制御する場合、出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の回転数を－７５００～－１０５００ｒｐｍの範囲に制御することができる。この範囲は、可変速増速機１の出力軸Ａｏである太陽歯車軸１２の可変速範囲であり、可変速増速機１は、通常この可変速範囲で出力軸Ａｏを回転させる。

　次に、本実施形態の可変速増速機１の保護システム２について説明する。保護システム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が故障した際に、可変速電動機７１の過回転を防止して可変速電動機７１を保護するシステムである。

　図５に示すように、本実施形態の可変速増速機１は、交流電源ＡＣと可変速電動機７１とを接続する電源線１１０と、電源の周波数を変換する回転数制御装置１００と、保護システム２と、を備えている。
　保護システム２は、交流電源ＡＣと可変速電動機７１とを接続する電源線１１０上に設けられた第一スイッチＳＷ１と、電源線１１０とは別に、交流電源ＡＣと可変速電動機７１とを接続するバイパス電源線１３０と、バイパス電源線１３０上に設けられた第二スイッチＳＷ２と、を備えている。

　上述したように、可変速電動機７１は三相誘導電動機である。可変速電動機７１は、Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子の３つの端子を備えている。
　交流電源ＡＣは三相交流電源である。電源線１１０は、３本の電源線１１０Ｒ，１１０Ｓ，１１０Ｔから構成されている。バイパス電源線１３０は、３本のバイパス電源線１３０Ｒ，１３０Ｓ，１３０Ｔから構成されている。

　上述したように、回転数制御装置１００は回転方向変更部１０２を有している。回転方向変更部１０２は、圧縮機Ｃを最大回転数で運転するために、可変速電動機７１が第二方向に回転するように回転数制御装置１００よりも交流電源ＡＣ側の電源線１１０と、回転数制御装置１００よりも可変速電動機７１側の電源線１１０とを接続する。
　回転方向変更部１０２は、可変速電動機７１を第二方向に回転させるために、電源線１１０ＲとＵ端子を接続し、電源線１１０ＳとＶ端子を接続し、電源線１１０ＴとＷ端子を接続する。

　電源線１１０Ｒから分岐するバイパス電源線１３０Ｒは、Ｖ端子に接続されている。電源線１１０Ｓから分岐するバイパス電源線１３０Ｓは、Ｕ端子に接続されている。電源線１１０Ｔから分岐するバイパス電源線１３０Ｔは、Ｗ端子に接続されている。
　即ち、バイパス電源線１３０は、交流電源ＡＣから供給される電力によって可変速電動機７１を第一方向Ｒ１に回転させるように接続されている。

　なお、バイパス電源線１３０の接続方法は、可変速電動機７１を第一方向Ｒ１に回転させることができればこれに限ることはない。例えば、バイパス電源線１３０ＲをＵ端子し、バイパス電源線１３０ＳをＷ端子に接続し、バイパス電源線１３０Ｔは、Ｖ端子に接続してもよい。
　バイパス電源線１３０は、電源線１１０から分岐している。分岐点１３１は、回転数制御装置１００及び第一スイッチＳＷ１よりも交流電源ＡＣ側に設けられている。

　次に、本実施形態の可変速増速機１の保護方法（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の保護方法は、回転数制御装置１００の故障を検知する故障検知工程Ｓ１と、回転数制御装置１００の故障を検知した場合に電源線１１０を切る電源断工程Ｓ２と、圧縮機Ｃの回転数を監視する圧縮機監視工程Ｓ３と、圧縮機Ｃの回転数が閾値に達した場合にバイパス電源線１３０を介して交流電源ＡＣから電力を供給するバイパス電力供給工程Ｓ４と、を有している。

　図７に示すように、可変速増速機の通常運転時（時間ｔ１より前）においては、定速電動機５１は、第一方向に１００％の回転数Ｓ２（例えば、１５００ｒｐｍ）で回転し、可変速電動機７１は、第二方向に１００％の回転数Ｓ１（例えば、９００ｒｐｍ）で回転している。これにより、可変速増速機１は、最大回転数（例えば、１０５００ｒｐｍ）で運転される。

　故障検知工程Ｓ１において、可変速増速機１の制御装置（図示せず）が回転数制御装置１００の故障を検知すると（時間ｔ１）、制御装置は、電源断工程Ｓ２として第一スイッチＳＷ１を開状態にして可変速電動機７１に供給される電力を断つ。
　可変速電動機７１に供給される電力を断つことにより、図７に示すように、可変速電動機７１の第二方向の回転数Ｓ１が徐々に減少する（時間ｔ１より後）。定速電動機５１には電力が供給されているため、定速電動機５１の回転数Ｓ２は維持される。
　さらに、可変速電動機７１は、一端回転数Ｓ１が０となる。次いで、圧縮機Ｃの慣性により、可変速電動機７１の第一方向の回転数Ｓ１は徐々に増加する。
　一方、出力軸の回転数、即ち、圧縮機Ｃの第二方向の回転数Ｓ３は、徐々に減少する。

　圧縮機監視工程Ｓ３では、制御装置は圧縮機Ｃの回転数Ｓ３を監視する。制御装置は、圧縮機Ｃの回転数Ｓ３が最大回転数の７５％（閾値）に達した段階で（時間ｔ２）、第二スイッチＳＷ２を閉状態にしてバイパス電源線１３０を介して可変速電動機７１に電力を供給する。圧縮機Ｃの最大回転数の７５％の回転数Ｓ３は、定速電動機５１の第一方向の回転数Ｓ２が１００％であり、可変速電動機７１の第一方向の回転数Ｓ１が１００％であるときの回転数である。

　本実施形態の圧縮機監視工程Ｓ３においては、制御装置は、圧縮機Ｃの回転数Ｓ３を監視したがこれに限ることはなく、可変速電動機７１の回転数Ｓ１を監視してもよい。即ち、閾値を可変速電動機７１の第一方向の最大回転数としてもよい。
　バイパス電源線１３０は、可変速電動機７１を第一方向に回転させるように接続されているため、可変速電動機７１の回転数Ｓ１は、第一回転の１００％を維持する。これにより、可変速電動機７１が過回転することはない。

　次に、可変速増速機１の復旧方法について説明する。
　可変速増速機１の復旧方法は、故障した回転数制御装置１００と正常な回転数制御装置１００とを入れ替える回転数制御装置入れ替え工程と、電源線１１０を介して可変速電動機７１に電力を供給する電力供給工程と、正常な回転数制御装置１００の電源をＯＮにする回転数制御装置稼働工程と、を有する。

　回転数制御装置稼働工程では、制御装置は、電力の電流の位相を監視して、回転数制御装置１００から供給される電力によって可変速電動機７１が第一回転の回転数１００％で回転するように回転数制御装置１００を制御する。次いで、制御装置は、第二スイッチＳＷ２を開状態にしてバイパス電源線１３０を切断するとともに、回転数制御装置１００を稼働させる。

　上記実施形態によれば、回転数制御装置１００の故障時において、バイパス電源線１３０を介して可変速電動機７１に電力を供給することによって、可変速電動機７１が過回転するのを防止することができる。また、可変速増速機１の回転数を所定の回転数に保持することができる。
　また、バイパス電源線１３０からの電源供給を可変速電動機７１の第一方向Ｒ１の最大回転数にて行うことによって、バイパス電源線１３０からの電源供給によって可変速電動機７１が過回転になるの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、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、６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
　２　保護システム
　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
　１１２　定速電動機スイッチ
　１２０　制御部
　１２１　受付部
　１２２　インタフェース
　１２３　演算部
　１３０　バイパス電源線
　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
　ＳＷ１　第一スイッチ
　ＳＷ２　第二スイッチ
　Ｓ１　故障検知工程
　Ｓ２　電源断工程
　Ｓ３　圧縮機監視工程
　Ｓ４　バイパス電力供給工程

Claims

　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可変速入力軸に接続され、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可変速ロータを有し、前記可変速ロータを前記第一方向とは反対方向の第二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、
　前記可変速電動機と交流電源とを、前記可変速電動機が前記第二方向に回転するように接続する電源線と、
　前記電源線上に設けられ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、
　前記電源線上に設けられた第一スイッチと、
　前記可変速電動機と前記交流電源とを、前記可変速電動機が前記第一方向に回転するように接続するバイパス電源線と、
　前記バイパス線上に設けられた第二スイッチと、
　を備える可変速増速機。
　請求項１に記載された可変速増速機の制御方法であって、
　前記回転数制御装置の故障を検知する故障検知工程と、
　前記回転数制御装置の故障を検知した場合に前記電源線を切る電源断工程と、
　前記出力軸の回転数又は前記可変速電動機の回転数が閾値に達した場合に前記バイパス電源線を介して前記交流電源から前記可変速電動機に電力を供給するバイパス電力供給工程と、を有する可変速増速機の制御方法。
　前記閾値は、前記可変速電動機の最大回転数に基づいて設定される請求項２に記載の可変速増速機の制御方法。