JP6681301B2 - 切替え装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータの電磁式の保持ブレーキを解除するための駆動電圧と、当該開放された保持ブレーキを保持するための、この駆動電圧に比べて減少された電圧とを、当該保持ブレーキに供給するための切替え装置に関する。

モータの軸が、駆動されていなくて、外部から供給された回転トルクの下でも回転されてはならない間に、電磁式の保持ブレーキは、この軸を保持するために使用される。このような保持ブレーキの安全な状態は、当該保持ブレーキが掛けられていて、この軸が保持されている状態である。それ故に、電磁式の保持ブレーキが、そのブレーキシューを開放するために駆動電圧が印加される電磁石によって解除されるように、当該電磁式の保持ブレーキは構成されている。或る人が、この駆動電圧を遮断するか、又は、当該駆動電圧が、その他の理由から消失するときに、当該ブレーキシューが、機械ばねによって当該軸に対して再び押し付けられる。

電磁式の保持ブレーキは、リニアモータと協働しても使用される。この場合、電磁式の保持ブレーキは、非通電状態で走行子を固定子に固定する。

保持ブレーキを解除するために、解放された状態にある当該ブレーキを保持するためよりも高い駆動電圧を使用することが、米国特許第３６１４５６５号明細書から公知である。これにより、一方では、当該ブレーキが、より早く開放され、他方では、電磁石中に発生する熱が、モータの駆動中に十分に減少される。

欧州特許第２５０３６８２号明細書には、切替え装置が記載されている。この切替え装置の場合、異なる複数の電圧が、ブレーキを開放するために又は既に開放されたブレーキを保持するためにパルス幅変調によって設定される。この場合、当該保持ブレーキの電磁石の電圧は、印加される電圧パルスの時間平均値に相当する。この明細書では、駆動制御装置及び切替え装置が、当該保持ブレーキを制御するためにモータ内に直接に配置されているか又はモータに直接に配置されていることが、分散駆動技術において有益であることが開示されている。この構成では、当該駆動制御装置が、当該保持ブレーキのパルス幅変調された供給のために、信号を当該駆動制御装置で生成する。しかし、多くの技術分野では、従来では、中央駆動制御が、例えば多軸工作機械の数値制御によって要求されている。この欧州特許第２５０３６８２号明細書によれば、このとき、ブレーキ電圧を送電するための給電線に加えて、電圧又は電流を当該保持ブレーキで直接に測定し、中央制御装置へ伝送するセンサ線が必要である。これにより、例えば電圧降下が、当該給電線で認識され得、パルス幅変調時の適合されたデューティー比によって補償され得る。しかしながら、このような追加のセンサ線は、駆動解決手段の導線の敷設時の増大する経費を意味し、追加の誤差源も意味する。

米国特許第３６１４５６５号明細書 欧州特許第２５０３６８２号明細書

本発明の課題は、電気モータの電磁式の保持ブレーキを解除するための駆動電圧と、当該保持ブレーキを開放するために必要な当該駆動電圧だけが中央制御装置から供給される必要がある当該開放された保持ブレーキを保持するための、この駆動電圧に比べて減少された電圧とを、当該保持ブレーキに供給するために分散式に配置された切替え装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の切替え装置によって解決される。この切替え装置の好適な詳細は、請求項１に従属する請求項に記載されている。

電気モータの電磁式の保持ブレーキを解除するための駆動電圧と、当該開放された保持ブレーキを保持するための、この駆動電圧に比べて減少された保持電圧とを、当該保持ブレーキに供給するための切替え装置が開示される。この切替え装置は、従来の技術に比べて、当該駆動電圧が、上流側に配置された、モータと保持ブレーキとから分離されて配置された１つの制御装置によって供給されていること、当該切替え装置が、当該モータ内に若しくは当該モータに又は当該保持ブレーキ内に若しくは当該保持ブレーキに配置されていて、当該保持ブレーキの解除後に減少された電圧を、当該駆動電圧に左右されずに１つの一定値に調整するように設けられている１つの電圧レギュレータを有することを特徴とする。

この場合、モータ及び保持ブレーキが、１つのユニットを構成し、本発明の切替え装置が、このユニット内に又はこのユニットに配置されている。当該保持ブレーキを操作するための駆動電圧が、独立して離れて配置された上流側又は中央の制御装置によって外部から供給される。この場合、個々の中央制御装置が、例えば１つの工作機械で複数のモータ及びこれらのモータの保持ブレーキを制御し得る。

当該保持ブレーキが解除されなければならないときに、駆動電圧だけが、中央制御装置によって当該モータ若しくは当該モータ内又は当該保持ブレーキ若しくは当該保持ブレーキ内に配置された切替え装置に印加される必要がある。この駆動電圧が、再び遮断されると、この保持ブレーキが、新たにかかる。当該中央制御装置が、パルス幅変調された駆動電圧を生成する必要もなく、駆動電圧用の給電線上の電圧降下が、当該制御装置に知らせられる必要もない。上記の従来の技術のこれらの欠点が、当該中央の駆動制御用の本発明にしたがって解決されている。

本発明の切替え装置は、当該保持ブレーキが、早く（すなわち、全部の駆動電圧によって）解除されること、及び、エネルギー損失を十分に減少させるように、当該ブレーキが、別の行程中に、当該保持ブレーキの給電線上の電圧降下に左右されない減少された電圧（保持電圧）で開放されて保持されることを分散式に提供する。さらに、当該切替え装置は、当該駆動電圧の遮断後に当該保持ブレーキを早く掛けることを保証する。

当該ブレーキを開放するために必要なこの保持ブレーキ用の駆動電圧が、当該中央制御装置によって提供されるだけで済むように、当該モータ（若しくはこのモータのハウジング）内又は当該モータ（若しくはこのモータのハウジング）に、すなわち当該保持ブレーキのすぐ近くに分散式に配置された当該切替え装置が、ヒステリシスコンバータとして使用される組み込まれた１つの比較器に起因して自励発振式に構成されている。このとき、当該切替え装置は、最初に、全部の駆動電圧が、当該保持ブレーキの電磁石に印加され、したがって当該ブレーキが早く開放されることを提供する。したがって、当該保持ブレーキ上に印加されている平均電圧が、保持電圧に完全に一致するように、当該駆動電圧が、適合するデューティー比でパルス式に印加されることによって、パルス幅変調を用いて減少された電圧が、当該ブレーキを開放された状態で保持するために当該切替え装置によって生成される。

電圧制御が実行されるので、様々な種類の保持ブレーキ、特に異なる電力消費を伴う保持ブレーキが、当該切替え装置に接続され得る。

保持電圧に切り替えられる前の、当該保持ブレーキの解除時の経時変化、すなわち当該保持ブレーキが全部の駆動電圧によって開放される第１段階の期間が、当該切替え装置の個々の構成要素の仕様によって予め設定されていて、上流側に配置された制御装置によるどんな介入も必要としない。当該経時変化は、いわば既に当該切替え装置内で確定されている。

本発明のその他の利点及び詳細が、図面に基づく１つの実施の形態の以下の説明に記載されている。

切替え装置の第１部分を示す。 切替え装置の第２部分を示す。

図１及び２は、第１の実施の形態による本発明の切替え装置の完全な回路図である。この回路図は、駆動技術の分野に関する、特に駆動技術の構成素子をドライブするための電子回路に関する専門家に本発明を包括的に既に開示している。以下で、これらの詳細の多くが、明細書において明確になるが、これらの図に開示された切替え装置のその他の詳細を後で参照すると、当該切替え装置は明確になる。

モータＭの保持ブレーキＢが、当該切替え装置の電極端子＋Ｖｂ，−Ｖｂに接続されている。十分な電圧が、これらの電極端子＋Ｖｂ，−Ｖｂに印加されると、保持ブレーキＢが、モータＭの軸を解除する。

したがって、駆動電圧ＵＢが、外部から当該切替え装置の電極端子０Ｖ，２４Ｖに印加されると、保持ブレーキＢが、スイッチング素子Ｍ１及びＭ４を通じてこの駆動電圧によって印加されている。図１には、モータＭと保持ブレーキＢとから離れて配置された中央制御装置Ｓが概略的に示されている。この中央制御装置Ｓは、ブレーキＢを解除するために供給電圧ＵＢを投入でき、ブレーキＢを掛けるために供給装置ＵＢを遮断できる。

駆動電圧ＵＢが印加されると、スイッチング素子Ｍ４が、継続して投入されている。これに対して、スイッチング素子Ｍ１は、希望通りに減少した保持電圧を生成するために当該ブレーキの開放後にスイッチング動作される。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴとしてのこのようなスイッチング素子Ｍ１は、ｐチャネルを有するスイッチング素子よりも有益である（ｎチャネルが、同じオン抵抗の場合により速いスイッチングを可能にする）ので、当該切替え装置の全体が、より高い正の電位２４Ｖにプルアップされていて、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのように電位０Ｖにプルダウンされない。

複数のスイッチング素子Ｑ３及びＱ４から構成された１つのコンプリメンタリドライバが、スイッチング素子Ｍ１をドライブするために使用される。同様に、このコンプリメンタリドライバも、スイッチング素子Ｑ１によってドライブされる。この場合、スイッチング素子Ｑ１は、レベルシフタとして使用される。このレベルシフタは、２４Ｖにプルアップされている比較器Ｕ１のスイッチングパルスｖ４を、０Ｖにプルダウンされている当該複数のスイッチング素子Ｑ３及びＱ４に伝達する。それ故に、複数の電圧パルスが、スイッチング素子Ｑ１に供給される必要がある。必要な電圧が、保持ブレーキＢに常に印加されるように、最終的には保持ブレーキＢの前方のスイッチング素子Ｍ１が、当該複数の電圧パルスに基づいて開閉される。

したがって、保持ブレーキＢが、確実に開放されるまで、駆動電圧ＵＢが、この駆動電圧ＵＢの投入後の特定の期間に対してこの保持ブレーキＢに完全に印加されなければならない。約１秒の時間間隔が、当該特定の期間に対して適することが実証されている。その後に、保持ブレーキＢ上に印加されている当該電圧が、例えば当該駆動電圧ＵＢの半分に相当し得るより低い保持電圧に設定されなければならない。このため、スイッチング素子Ｍ１が、例えば５０％のデューティー比でパルス駆動される必要がある。したがって、パルスパターンが、スイッチング素子Ｑ１の入力部で既に設定される必要がある。

このため、比較器Ｕ１が使用される。基準電圧ｖ２が、この比較器Ｕ１の一方の入力部に印加される。この基準電圧は、ツェナーダイオードＤ６と抵抗Ｒ１５とによって駆動電圧ＵＢの上電位＋２４Ｖから引き出される。このツェナーダイオードＤ６のおかげで、この基準電圧ｖ２が、場合によっては起こり得る駆動電圧ＵＢの導線上の電圧降下に左右されない。このことは、当該切替え装置の入力部の駆動電圧ＵＢの小さい降下が、基準電圧ｖ２を低下させないことを意味する。

保持ブレーキＢから取り出される電圧ｖ３が、比較器Ｕ１の第２入力部に印加される。当該切替え装置が、上電位２４Ｖにプルアップされているので、この電圧ｖ３は、負の端子−Ｖｂによって取り出され、抵抗Ｒと抵抗Ｒ１２とから構成された１つの分圧器によって基準電圧ｖ２に適合するように設定される。矩形波形信号が、電極端子−Ｖｂで直接に取り出される。しかしながら、この矩形波形信号は、比較器Ｕ１の当該入力部で平滑コンデンサＣ１によって三角波形電圧に変換される。

保持ブレーキＢで取り出され、平滑された電圧ｖ３が、基準電圧ｖ２の下方に低下すると、比較器Ｕ１が、スイッチング素子Ｑ１を遮断する電圧ｖ４を出力する。次いで、スイッチング素子Ｍ１が、コンプリメンタリドライバＱ３，Ｑ４によって遮断され、保持ブレーキＢ上に印加されている電圧が上昇する。さらに、比較器Ｕ１の出力電圧ｖ４が、抵抗Ｒ２によって基準電圧ｖ２にフィードバックされる。これにより、比較器Ｕ１が電圧ｖ３の上昇時に再び遮断する閾値が、例えば上方にシフトされる。その結果、スイッチングヒステリシスが発生する。このヒステリシスの値、すなわち比較器Ｕ１のスイッチング周波数が、抵抗Ｒ２を選択することによって制御され得る。ここでは、１〜１０ｋＨｚの範囲内のスイッチング周波数が適することが実証されている。このようにしてパルス化されたスイッチング素子Ｍ１の駆動によって、及び、駆動電圧ＵＢの供給時の導線の電力損失からの、基準電圧ｖ２の非依存性によって、保持電圧が、保持ブレーキＢで確実に決定され得、且つ良好な動作点の近くに設定され得る。当該動作点では、この保持ブレーキが、依然として確実に開放されているが、不要な損失電力が、当該ブレーキＢの電磁石中で変換されない。さらに、当該駆動電圧が、より低い保持電圧から遮断されるときでも、ブレーキＢが、より早く再起動する。

しかし、当該切替え装置は、保持ブレーキＢを開放するために、最初に、全部の駆動電圧ＵＢを保持ブレーキＢに印加しようともするので、スタートコンデンサＣ８が、当該駆動電圧ＵＢの印加後の短い期間中はスイッチング素子Ｍ１のパルス駆動を依然として実行させないようにする。すなわち、当該駆動電圧の印加の直後は、ｖ３が、依然としてｖ２よりも低い。したがって、比較器Ｕ１が切り替わり、全部の駆動電圧ＵＢが、スイッチング素子Ｍ１の上流側の保持ブレーキＢに供給される。したがって、保持ブレーキＢの−Ｖｂで取り出される電位も上昇する。このとき、スタートコンデンサＣ８を充電する電流が、このスタートコンデンサＣ８の方向へ流れる。この充電が、約１秒後に終了するまで、ｖ３が、基準電圧ｖ２の下に保持され続ける。すなわち、パルス駆動が依然として実行されず、スイッチング素子Ｍ１が継続して閉じられているままであり、保持ブレーキＢが、全部の駆動電圧ＵＢによって供給される結果、可能な限り早く開放される。

スタートコンデンサＣ８が、この１秒後に完全に充電されているときに初めて、ｖ３が、ｖ２を超えて上昇し、上記のパルス駆動が開始する。このとき、保持ブレーキＢ上に印加されている電圧が、当該保持電圧に減少される。

説明したように、駆動電圧ＵＢが印加されると、スイッチング素子Ｍ４が常に導通されている。保持ブレーキＢの上電極端子＋Ｖｂが、このスイッチング素子Ｍ４を通じて上電位２４Ｖに接続されている。当該パルス駆動が、スイッチング素子Ｍ１によって得られる。このスイッチング素子Ｍ１は、保持ブレーキＢの下電極端子−Ｖｂを下電位０Ｖに接続させる。Ｍ１の遮断ごとのフライホイール動作が、フライホイールダイオードＤ１によって実行される。

駆動電圧ＵＢの遮断後に、保持ブレーキＢが、可能な限り早く、数ミリ秒以内に起動しなければならない。このため、保持ブレーキＢ内の電磁石のコイルのインダクタンスが非常に高いので、フライホイール経路を能動的に遮断することが有益である。このことは、スイッチング素子Ｍ４によって達成される。当然に、このスイッチング素子Ｍ４は、駆動電圧ＵＢの印加時に導通されていて、それ故に駆動電圧ＵＢの消失時に遮断する。このとき、保持ブレーキＢ内に蓄勢されたエネルギーが、スイッチング素子Ｍ４に並列接続されているサプレッサダイオードＤ４内で熱的に消滅される。したがって、このスイッチング素子は、フライホイールスイッチング素子Ｍ４とも記され得る。

駆動電圧ＵＢの遮断による保持ブレーキＢの遮断時に、放電ダイオードＤ２がさらに使用される。保持ブレーキＢの新たな解除時に、当該切替え装置の全ての機能が、短期間後に再び提供されるように、この放電ダイオードＤ２が、コンデンサＣ１と、特にＣ８とを放電する。このため、駆動電圧ＵＢの投入後のスタートコンデンサＣ８の充電のための所要時間が、上記のように重要である。スタートコンデンサＣ８の残留電荷が、この所要時間を短縮しうる、すなわち全ての駆動電圧ＵＢが保持ブレーキＢに依然として印加されている期間を短縮しうる。

バリスタＲ２１が、当該切替え装置の入力部で干渉パルスに対する絶縁耐力を向上させる。このバリスタＲ２１は、コンデンサＣ４と一緒に当該入力電圧を安定させる。当該切替え装置のパルス駆動に起因して、可能な限り高い静電容量が、Ｃ４のために望ましい。しかしながら、電解コンデンサの耐熱性が、非常に劣るので、電解コンデンサは、この箇所−モータの近く−では使用され得ない。この代わりに、セラミックコンデンサが使用される。

当該切替え装置を可能な限り丈夫に構成するさらなる対策として、２４Ｖから０Ｖへの低インピーダンス接続が、比較器Ｕ１に影響しないことが配慮される。Ｒ２３及びＲ１６が、急激に上昇する供給電圧の場合に大電流を防ぐ。

Ｍ モータ
Ｂ 保持ブレーキ
Ｓ 中央制御装置
ＵＢ 駆動電圧、供給電圧
Ｍ１ スイッチング素子
Ｍ４ スイッチング素子、フライホイールスイッチング素子
Ｑ１ スイッチング素子
Ｑ３ スイッチング素子
Ｑ４ スイッチング素子
Ｕ１ 比較器
Ｄ１ フライホイールダイード
Ｄ２ 放電ダイオード
Ｄ４ サプレッサダイオード
Ｄ６ ツェナーダイオード
Ｒ２ 抵抗
Ｒ４、Ｒ１２ 分圧器
Ｒ１５ 抵抗
Ｒ２１ バリスタ
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ８ スタートコンデンサ
ｖ２ 基準電圧
ｖ３ 保持ブレーキＢから取り出される電圧
ｖ４ パルス幅変調信号、スイッチングパルス
＋Ｖｂ 上電極端子
−Ｖｂ 下電極端子

Claims (8)

1. 電気モータ（Ｍ）の電磁式の保持ブレーキ（Ｂ）を解除するための駆動電圧（ＵＢ）と、当該開放された保持ブレーキ（Ｂ）を保持するための、この駆動電圧に比べて減少された保持電圧とを、前記保持ブレーキ（Ｂ）に供給するための切替え装置において、
   前記駆動電圧（ＵＢ）が、上流側に配置された、モータ（Ｍ）と保持ブレーキ（Ｂ）とから分離されて配置された１つの制御装置（Ｓ）によって供給されていること、
   前記切替え装置が、前記モータ（Ｍ）内に若しくは前記モータ（Ｍ）に又は前記保持ブレーキ（Ｂ）内に若しくは前記保持ブレーキ（Ｂ）に配置されていて、前記保持ブレーキ（Ｂ）の解除後に減少された電圧を、前記駆動電圧（ＵＢ）に左右されずに１つの一定値に調整するように設けられている１つの電圧レギュレータを有すること、
   前記切替え装置は、１つの比較器（Ｕ１）を有し、この比較器（Ｕ１）は、１つの基準電圧（ｖ２）を、前記保持ブレーキ（Ｂ）で取り出され、１つの分圧器（Ｒ４，Ｒ１２）によって提供された電圧（ｖ３）と比較し、パルス幅変調された信号（ｖ４）をこの比較器（Ｕ１）の出力部で生成するように、前記比較器（Ｕ１）は設けられていて、１つのスイッチング素子（Ｍ１）が、前記パルス幅変調された信号（ｖ４）によって制御可能であり、前記駆動電圧（ＵＢ）が、前記スイッチング素子（Ｍ１）によってパルス化されて前記保持ブレーキ（Ｂ）に印加可能である結果、前記保持電圧が、その平均値で発生すること、及び
   １つのスタートコンデンサ（Ｃ８）が、十分に充電されているときに初めて、パルス幅変調された信号（ｖ４）が、前記比較器（Ｕ１）の出力部に出力されるように、前記比較器（Ｕ１）が、前記取り出される電圧（ｖ３）用の入力部で前記スタートコンデンサ（Ｃ８）に接続されていること、及び
   前記切替え装置への前記駆動電圧（ＵＢ）の印加後にまず、全部の前記駆動電圧（ＵＢ）が、前記保持ブレーキ（Ｂ）に印加されていて、前記スタートコンデンサ（Ｃ８）の十分な充電までの期間が、前記保持ブレーキ（Ｂ）を解除するために十分であるように、このスタートコンデンサ（Ｃ８）は設計されていることを特徴とする切替え装置。
2. 前記保持ブレーキ（Ｂ）で取り出される電圧（ｖ３）は、１つの平滑コンデンサ（Ｃ１）によって三角波形電圧に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の切替え装置。
3. 前記比較器（Ｕ１）の出力が、前記基準電圧（ｖ２）にフィードバックされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の切替え装置。
4. 前記基準電圧（ｖ２）は、１つのツェナーダイオード（Ｄ６）によって前記駆動電圧（ＵＢ）から取り出されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の切替え装置。
5. 駆動電圧（ＵＢ）が、前記切替え装置に印加されないときに、１つの放電ダイオード（Ｄ２）が、前記スタートコンデンサ（Ｃ８）を放電することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の切替え装置。
6. 前記切替え装置は、基準電位として前記駆動電圧（ＵＢ）のより高い電位（２４Ｖ）を使用すること、及び
   前記スイッチング素子（Ｍ１）は、前記保持ブレーキ（Ｂ）の負の電極端子を前記駆動電圧（ＵＢ）の下電位（０Ｖ）に接続するｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の切替え装置。
7. 駆動電圧（ＵＢ）が、前記切替え装置に印加されないときに、１つのフライホイールスイッチング素子（Ｍ４）が、前記保持ブレーキ（Ｂ）に通電するフライホイール電流を遮断することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の切替え装置。
8. １つのサプレッサダイオード（Ｄ４）が、前記フライホイールスイッチング素子（Ｍ４）に並列接続されていることを特徴とする請求項７に記載の切替え装置。

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