JP5334785B2 - 無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機を有する巻上機等で用いられる無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置及び方法に関する。

従来、無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。無励磁作動型電磁ブレーキの制御では、ブレーキを締結状態にする非励磁状態において、ばね力により可動鉄心が押され、可動鉄心とブレーキディスクとの間及びブレーキディスクと反可動鉄心との間に発生する摩擦力によってブレーキトルクを発生している。また、ブレーキを開放状態にする励磁状態では、可動鉄心が磁気吸引力によって固定鉄心の方に吸引されてブレーキディスクがフリー状態になり、ブレーキトルクがなくなる。ブレーキを開放状態にするために可動鉄心を固定鉄心の方に吸引するときには大きな電力を必要とするが、可動鉄心を固定鉄心に吸引した後に可動鉄心を吸引した状態に保持するための電力、すなわち、ブレーキを開放状態にした後に保持状態にするための電力は、ブレーキを開放するときに必要とする電力より少なくてもよい。

図６は、従来の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置の回路図である。図６に示す無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置１は、交流電源２と、ブレーキコイル３と、三角電圧波生成部４と、比較電圧波生成部５と、比較部６と、スイッチ７，８と、制御電源部９と、ダイオード１０，１１と、を有する。

ブレーキコイル３は、外部からの指示によってスイッチ８がオンになると交流電源２から電流Ｉが供給されることによって磁気吸引力を生成し、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）を締結状態から開放状態にする。この際、電流Ｉは、ブレーキコイル３からダイオード１１のアノード側に流れる。また、スイッチ８がオンになるのと同時にタイマ（３８）が計測を開始する。スイッチ８がオンになってから所定の時間経過したことがタイマ（３８）によって計測され、一定時間経過すると、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）を開放状態から保持状態にする。

三角電圧波生成回路４は、同一角度を有する谷部及び山部を交互に配置して形成された三角電圧波を生成する。このために、三角電圧波生成回路４は、図７に示すように、コンパレータ２１と、コンパレータ２１の非反転入力部に接続されたＣＲ部２２と、三角電圧波生成回路４の入力部に接続された抵抗部２３と、一端が三角電圧波生成回路４の出力部及びコンパレータ２１の非反転入力部に接続され、他端がコンパレータ２１の出力側及び抵抗部２３に接続された抵抗２４と、を有する。

ＣＲ部２２は、一端がコンパレータ２１の非反転入力側に接続され、他端が接地された抵抗２５と、抵抗２５に並列に接続されたコンデンサ２６と、一端がコンパレータ２１の反転入力側に接続され、他端が抵抗２５の他端に接続されたコンデンサ２７と、を有する。抵抗部２３は、一端が三角電圧波生成回路４の入力部に接続され、他端がコンパレータ２１の非反転入力側に接続された抵抗２８と、一端が三角電圧波生成回路４の入力部に接続され、他端がコンパレータ２１の出力側に接続された抵抗２９と、一端が抵抗２８の他端に接続され、他端が抵抗２９の他端に接続された抵抗３０と、を有する。

コンデンサ２７に電荷が充電されていないときには、コンパレータ２１の非反転入力側の電位が反転入力側の電位より高いので、コンパレータ２１の出力はハイとなる。一方、コンデンサ２７に電荷が充電され、コンパレータ２１の反転入力側の電位が非反転入力側の電位を超えると、コンパレータ２１の出力はローとなる。コンデンサ２７の充放電の時間は、ＣＲ部２２のＣＲ値及び抵抗部２３の抵抗値によって決定される。

比較電圧波生成部５は、電流Ｉに基づいて比較電圧波を生成する。このために、比較電圧波生成部５は、電流Ｉを検出し、検出した電流Ｉを電圧に変換して比較電圧波を生成するシャント抵抗３１を有する。

比較部６は、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態であるときに三角電圧波値と比較電圧波値とを比較する。このために、比較部６は、コンパレータ３２と、コンパレータ３２の出力側にゲートが接続されたｎｐｎ型トランジスタ及びｐｎｐ型トランジスタからなるスイッチング部３３と、を有する。

切替部としてのスイッチ７は、三角電圧波値が比較電圧波値より大きいときにブレーキコイル３への電流Ｉの供給を行い、三角電圧波値が比較電圧波値以下であるときにブレーキコイル３への電流Ｉの供給を中断するよう切替を行い、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態であるときにブレーキコイル３に流れる平均電流を小さくする。このために、スイッチ７は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar transistor)、ダーリントントランジスタ、サイリスタ、トライアック（登録商標）等の半導体素子によって構成される。

制御電源部９は、コンパレータ３２の起動、スイッチ７のオンオフ等のための電力を供給する。このために、制御部９は、制御電源３４と、４個のダイオードからなる整流部３５と、制御電源３４の一端と整流部３５の一端との間に接続された抵抗３６と、整流部３５に接続されたトランス３７と、を有する。

図８は、図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置のブレーキコイルに流れる電流の時間変化を示すグラフである。無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が開放状態である時間ｔ１の間には、ブレーキコイル３には交流電源２からの電流Ｉ１が継続的に供給される。それに対し、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態である時間ｔ２の間には、後に説明するように、スイッチ７によりブレーキコイル３への電流の供給の継続及び中断が三角電圧波のキャリア周期ごとに切り替えられる。したがって、時間ｔ１の間にブレーキコイルに流れる電流Ｉ１に比べて、時間ｔ２の間にブレーキコイルに流れる平均電流Ｉ２は小さくなる。

図９は、図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で発生する三角電圧波及び比較電圧波の時間変化を示すグラフである。無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が開放状態である間には、三角電圧波生成部４のコンデンサ２６，２７を充電するとともに比較電圧波を上げるために制御電源部９により制御電圧を生成する。一方、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態になると、制御電源部９による制御電圧を低下することによって比較電圧波を下げ、比較部６による比較電圧波と三角電圧波との比較を行う。三角電圧波の１キャリア周期Ｔのうち、三角電圧波が比較電圧波より高い時間ＯＮｄｕｔｙの間にトランジスタ７はオンになり、三角電圧波が比較電圧波以下の時間ＯＦＦｄｕｔｙの間にトランジスタ７はオフになる。

このように無励磁作動型電磁ブレーキの保持状態において、三角電圧波値が比較電圧波値より大きいときにスイッチ７をオンにしてブレーキコイル３への電流Ｉの供給を行い、三角電圧波値が比較電圧波値以下であるときにスイッチ７をオフにしてブレーキコイル３への電流Ｉの供給を中断することによって、ブレーキコイル３に流れる平均電流を小さくすることができる。

特開２００９−１４１９６号公報

図６に示す無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で生成される三角電圧波のキャリア周波数が低い（例えば、３ｋＨｚ以下）場合、振動騒音が生じるという不都合がある。したがって、三角電圧波のキャリア周波数を所定の値以上（例えば、４ｋＨｚ以上）にする必要がある。

キャリア周波数を高くし、三角電圧波の比較電圧波より高い時間を短くするために高精度な比較電圧波を形成し、三角電圧波の１キャリア周期Ｔのうちの時間ＯＦＦｄｕｔｙに対する時間ＯＮｄｕｔｙの割合を小さくし、トランジスタ７がオンする時間が短くなり、ブレーキコイル３に流れる平均電流を更に小さくすることができる。しかしながら、三角電圧波のキャリア周波数が高くなるに従って、トランジスタ７のスイッチングが頻繁に生じるようになり、トランジスタ７を構成する半導体素子の損失が生じやすくなる。

本発明の目的は、無励磁作動型電磁ブレーキの保持状態において、振動騒音及び頻繁なスイッチングが生じることなくブレーキコイルに流れる平均電流を更に小さくすることができる無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置及び方法を提供することである。

本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置は、無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置であって、磁気吸引力を発生させて無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態から開放状態にするブレーキコイルと、第１の角度を有する谷部及び第１の角度より小さい第２の角度を有する山部を交互に配置して形成された段付の先鋭化三角電圧波を生成する先鋭化三角電圧波生成部と、ブレーキコイルに流れる電流に基づいて比較電圧波を生成する比較電圧波生成部と、無励磁作動型電磁ブレーキが保持状態であるときに先鋭化三角電圧波値と比較電圧波値とを比較する比較部と、比較部により前記先鋭三角電圧波値が前記比較電圧波値より大きいと判断されたときにブレーキコイルへの電流の供給を行い、比較部により先鋭三角電圧波値が比較電圧波値以下であると判断されたときにブレーキコイルへの電流の供給を中断するよう切替を行う切替部と、を有する。

本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御方法は、無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御方法であって、ブレーキコイルに磁気吸引力を発生させて無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態から開放状態にするステップと、第１の角度を有する谷部及び第１の角度より小さい第２の角度を有する山部を交互に配置して形成された段付の先鋭化三角電圧波を生成するステップと、ブレーキコイルに流れる電流に基づいて比較電圧波を生成するステップと、無励磁作動型電磁ブレーキが保持状態であるときに先鋭化三角電圧波値と比較電圧波値とを比較するステップと、先鋭三角電圧波値が比較電圧波値より大きい場合にはブレーキコイルへの電流の供給を行い、先鋭三角電圧波値が比較電圧波値以下である場合にはブレーキコイルへの電流の供給を中断するステップと、を有する。

本発明によれば、無励磁作動型電磁ブレーキの保持状態において、振動騒音及び頻繁なスイッチングが生じることなくブレーキコイルに流れる平均電流を更に小さくすることができる。

本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置が用いられる巻上機の概略図である。 本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置の回路図である。 図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で用いられる先鋭化三角電圧波生成部の回路図である。 図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置のブレーキコイルに流れる電流の時間変化を示すグラフである。 図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で発生する三角電圧波及び比較電圧波の時間変化を示すグラフである。 従来の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置の回路図である。 図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で用いられる先鋭化三角電圧波生成部の回路図である。 図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置のブレーキコイルに流れる電流の時間変化を示すグラフである。 図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で発生する三角電圧波及び比較電圧波の時間変化を示すグラフである。

本発明による巻上機用制御装置及び方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面中、同一構成要素には同一符号を付すものとする。
図１は、本発明による巻上機用制御装置が用いられる巻上機の概略図である。図１において、巻上機１００は、矢印ａ又はｂ方向に移動可能な横行装置１０１に取り付けられており、３相電源のような電源１０２から電力が供給される。

巻上機１００は、矢印ｃ方向の巻上げ又は矢印ｄ方向の巻下げ（回転）を行う誘導電動機１０３と、誘導電動機１０３を制動する無励磁作動型電磁ブレーキ１０４と、誘導電動機１０３で発生したトルクを増幅する減速器１０５と、ワークを取り付け可能なフック１０６と、フックを接続したワイヤロープ１０７と、トルク増幅した減速器１０５でワイヤロープ１０７を巻上げ又は巻下げる胴巻１０８と、を有する。また、巻上機１００には、操作部１０９の操作に応じて無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置１１０が設けられている。

図２は、本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置の回路図である。図２に示す無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置１１０は、交流電源２と、ブレーキコイル３と、先鋭化三角電圧波生成部１１１と、比較電圧波生成部５と、比較部６と、スイッチ７，８と、制御電源部９と、ダイオード１０，１１と、を有する。

先鋭化三角電圧波生成回路１１１は、第１の角度を有する谷部及び第１の角度より小さい第２の角度を有する山部を交互に配置して形成された段付の先鋭化三角電圧波を生成する。このために、先鋭化三角電圧波生成回路１１１は、図３に示すように、コンパレータ１２１ａ，１２１ｂと、コンパレータ１２１ａ，１２１ｂの非反転入力部に接続されたＣＲ部１２２ａ，１２２ｂと、先鋭化三角電圧波生成回路１１１の入力部に接続された抵抗部１２３ａ，１２３ｂと、一端が先鋭化三角電圧波生成回路１１１の出力部及びコンパレータ１２１ａ，１２１ｂの非反転入力部に接続され、他端がコンパレータ１２１ａ，１２１ｂの出力側及び抵抗部１２３ａ，１２３ｂに接続された抵抗１２４ａ，１２４ｂと、を有する。

ＣＲ部１２２ａは、一端がコンパレータ１２１ａの非反転入力側に接続され、他端が接地された抵抗１２５ａと、抵抗１２５ａに並列に接続されたコンデンサ１２６ａと、一端がコンパレータ１２１ａの反転入力側に接続され、他端が抵抗１２５ａの他端に接続されたコンデンサ１２７ａと、を有する。抵抗部１２３ａは、一端が先鋭化三角電圧波生成回路１１１の入力部に接続され、他端がコンパレータ１２１ａの非反転入力側に接続された抵抗１２８ａと、一端が先鋭化三角電圧波生成回路１１１の入力部に接続され、他端がコンパレータ１２１ａの出力側に接続された抵抗１２９ａと、一端が抵抗１２８ａの他端に接続され、他端が抵抗１２９ａの他端に接続された抵抗１３０ａと、を有する。

ＣＲ部１２２ｂは、一端がコンパレータ１２１ｂの非反転入力側に接続され、他端が接地された抵抗１２５ｂと、抵抗１２５ｂに並列に接続されたコンデンサ１２６ｂと、一端がコンパレータ１２１ｂの反転入力側に接続され、他端が抵抗１２５ｂの他端に接続されたコンデンサ１２７ｂと、を有する。抵抗部１２３ｂは、一端が先鋭化三角電圧波生成回路１１１の入力部に接続され、他端がコンパレータ１２１ｂの非反転入力側に接続された抵抗１２８ｂと、一端が先鋭化三角電圧波生成回路１１１の入力部に接続され、他端がコンパレータ１２１ｂの出力側に接続された抵抗１２９ｂと、一端が抵抗１２８ｂの他端に接続され、他端が抵抗１２９ｂの他端に接続された抵抗１３０ｂと、を有する。

コンデンサ１２７ａに電荷が充電されていないときには、コンパレータ１２１ａの非反転入力側の電位が反転入力側の電位より高いので、コンパレータ１２１ａの出力はハイとなる。一方、コンデンサ１２７ａに電荷が充電され、コンパレータ１２１ａの反転入力側の電位が非反転入力側の電位を超えると、コンパレータ１２１ａの出力はローとなる。コンデンサ１２７ａの充放電の時間は、ＣＲ部１２２ａ及び抵抗部１２３ａの抵抗値によって決定される。

同様に、コンデンサ１２７ｂに電荷が充電されていないときには、コンパレータ１２１ｂの非反転入力側の電位が反転入力側の電位より高いので、コンパレータ１２１ｂの出力はハイとなる。一方、コンデンサ１２７ｂに電荷が充電され、コンパレータ１２１ｂの反転入力側の電位が非反転入力側の電位を超えると、コンパレータ１２１ｂの出力はローとなる。コンデンサ１２７ｂの充放電の時間は、ＣＲ部１２２ｂ及び抵抗部１２３ｂの抵抗値によって決定される。

図３において、抵抗部１２３ａの抵抗値を抵抗部１２３ｂの抵抗値より低く、ＣＲ部１２２ａのＣＲ値をＣＲ部１２２ｂのＣＲ値より低くしている。このように抵抗部１２３ａ，１２３ｂの抵抗値及びＣＲ部１２２ａ，１２２ｂのＣＲ値を設定することにより、ＣＲ部１２２ａの放充電の時間がＣＲ部１２２ｂの放充電の時間と異なるようになる。その結果、三角電圧波の谷の部分は、コンパレータ１２１ａ、ＣＲ部１２２ａ、抵抗部１２３ａ及び抵抗１２４ａから構成される回路部から生成されて先鋭化三角電圧波生成回路１１１から出力され、三角電圧波の山の部分は、コンパレータ１２１ｂ、ＣＲ部１２２ｂ、抵抗部１２３ｂ及び抵抗１２４ｂから構成される回路部から生成されて先鋭化三角電圧波生成回路１１１から出力される。なお、コンパレータ１２１ｂ、ＣＲ部１２２ｂ、抵抗部１２３ｂ及び抵抗１２４ｂから構成される回路部から生成される三角電圧波の山の部分は、コンパレータ１２１ａ、ＣＲ部１２２ａ、抵抗部１２３ａ及び抵抗１２４ａから構成される回路部から生成される三角電圧波の谷の部分より小さい角度を有する。

図４は、図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置のブレーキコイルに流れる電流の時間変化を示すグラフである。無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が開放状態である時間ｔ１の間には、図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置の場合と同様にブレーキコイル３には交流電源２からの電流Ｉ１が継続的に供給される。一方、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態である時間ｔ２の間にブレーキコイルに流れる平均電流Ｉ３は、後に説明するように平均電流Ｉ２より小さくなる。

図５は、図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置で発生する三角電圧波及び比較電圧波の時間変化を示すグラフである。無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が開放状態である間には、三角電圧波生成部４のコンデンサ２６，２７を充電するとともに比較電圧波を上げるために制御電源部９により制御電圧を生成する。一方、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態になると、制御電源部９による制御電圧を低下して比較電圧波を下げ、比較部６による比較電圧波と先鋭化三角電圧波との比較を行う。三角電圧波の１キャリア周期Ｔのうち、三角電圧波が比較電圧波より高い時間ＯＮｄｕｔｙの間にトランジスタ７はオンになり、三角電圧波が比較電圧波以下の時間ＯＦＦｄｕｔｙの間にトランジスタ７はオフになる。

同一キャリア周期の場合、先鋭化三角電圧波生成部１１１によって生じた先鋭化三角電圧波が比較電圧波より高い時間Ｔｂは、三角電圧波生成部４によって生じた三角電圧波が比較電圧波より高い時間Ｔａよりも短くなるので、図２の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置における１キャリア周期Ｔのうちの時間ＯＦＦｄｕｔｙに対する時間ＯＮｄｕｔｙの割合は、図６の無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置に比べて小さくなる。したがって、本実施の形態によれば、無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）が保持状態であるときに、１キャリア周期Ｔのうちの時間ＯＦＦｄｕｔｙに対する時間ＯＮｄｕｔｙの割合を、キャリア周波数を変更することなく小さくすることができるので、振動騒音及び頻繁なスイッチングが生じることなくブレーキコイル３に流れる平均電流を更に小さくすることができる。すなわち、平均電流Ｉ３は、平均電流Ｉ２より小さくなる。このように頻繁なスイッチングが生じなくなるので、頻繁なスイッチングによるスイッチ７（半導体素子）の損失を抑制し、頻繁なスイッチングによる発熱を防止するためのフィン等の冷却装置を小さくし又は省略することができる。

また、１キャリア周期Ｔのうちの時間ＯＦＦｄｕｔｙに対する時間ＯＮｄｕｔｙの割合を小さくするために先鋭化三角電圧波を用いることによって、交流電源２の電圧変化により比較電圧波が変化しても比較電圧波に自動的にフィードバックがかかるようになる。その結果、交流電源２の電圧変化により無励磁作動型電磁ブレーキ（図示せず）の制動タイミングがずれることがなくなる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置を巻上機で用いる場合について説明したが、無励磁作動型電磁ブレーキが用いられる他の機器においても本発明による無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置を用いることができる。

２ 交流電源
３ ブレーキコイル
５ 比較電圧波生成部
６ 比較部
７，８ スイッチ
９ 制御電源部
１１０ 無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置
１１１ 先鋭化三角電圧波生成部

Claims (2)

1. 無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置であって、
   磁気吸引力を発生させて前記無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態から開放状態にするブレーキコイルと、
   第１の角度を有する谷部及び前記第１の角度より小さい第２の角度を有する山部を交互に配置して形成された段付の先鋭化三角電圧波を生成する先鋭化三角電圧波生成部と、
   前記ブレーキコイルに流れる電流に基づいて比較電圧波を生成する比較電圧波生成部と、
   前記無励磁作動型電磁ブレーキが保持状態であるときに前記先鋭化三角電圧波値と前記比較電圧波値とを比較する比較部と、
   前記比較部により前記先鋭三角電圧波値が前記比較電圧波値より大きいと判断されたときに前記ブレーキコイルへの電流の供給を行い、前記比較部により前記先鋭三角電圧波値が前記比較電圧波値以下であると判断されたときに前記ブレーキコイルへの電流の供給を中断するよう切替を行う切替部と、
   を有する無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置。
2. 無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態、開放状態又は保持状態に制御する無励磁作動型電磁ブレーキ制御方法であって、
   ブレーキコイルに磁気吸引力を発生させて前記無励磁作動型電磁ブレーキを締結状態から開放状態にするステップと、
   第１の角度を有する谷部及び前記第１の角度より小さい第２の角度を有する山部を交互に配置して形成された段付の先鋭化三角電圧波を生成するステップと、
   前記ブレーキコイルに流れる電流に基づいて比較電圧波を生成するステップと、
   前記無励磁作動型電磁ブレーキが保持状態であるときに前記先鋭化三角電圧波値と前記比較電圧波値とを比較するステップと、
   前記先鋭三角電圧波値が前記比較電圧波値より大きい場合には前記ブレーキコイルへの電流の供給を行い、前記先鋭三角電圧波値が前記比較電圧波値以下である場合には前記ブレーキコイルへの電流の供給を中断するステップと、
   を有する無励磁作動型電磁ブレーキ制御方法。

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