(57)【要約】【課題】リフティングマグネットの励磁期間における消費エネルギーを低減することが可能なリフティングマグネット制御システムを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るリフティングマグネット制御システム１は、発電機４と、発電機４の発電電力を変換してリフティングマグネット２へ供給する電力変換部５と、リフティングマグネット２の励磁期間において電力変換部５の出力電力を次第に低下させるように、発電機４の回転数を制御する制御部７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
前記発電機の発電電力を変換してリフティングマグネットへ供給する電力変換部と、
前記リフティングマグネットの励磁期間において、前記電力変換部の出力電力を次第に低下させるように、前記発電機の回転数を制御する制御部と、
を備える、
リフティングマグネット制御システム。
【請求項２】
前記制御部は、
前記リフティングマグネットの励磁期間におけるオーバーシュート期間、オーバーエキサイト期間、定格励磁期間の順に段階的に低下する目標電力パターンを有し、
前記電力変換部の出力電力が前記目標電力パターンとなるように、前記発電機の回転数を制御する、
請求項１に記載のリフティングマグネット制御システム。
【請求項３】
前記電力変換部は、
前記発電機の発電電力を直流電力に変換する直流変換部と、
前記直流変換部の直流電力を受けて、前記リフティングマグネットの励磁及び消磁を制御するＨブリッジ回路部と、
を有し、
前記Ｈブリッジ回路部におけるスイッチング素子は、有接点スイッチである、
請求項１に記載の制御回路。
【請求項４】
発電機と、前記発電機の発電電力を変換してリフティングマグネットへ供給する電力変換部と、前記電力変換部の出力電力を制御する制御部とを備えるリフティングマグネット制御システムを用いたリフティングマグネット制御方法であって、
前記リフティングマグネットの励磁期間において、前記電力変換部の出力電力を次第に低下させるように、前記発電機の回転数を制御する、
リフティングマグネット制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リフティングマグネット制御システム及びリフティングマグネット制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、荷役作業や建設作業等において鉄片を持ち上げるためのリフティングマグネットが知られている。リフティングマグネットとしては、工場等の設備となっているもののほか、車両に搭載されるものもある。リフティングマグネットを使用する際には、リフティングマグネットを励磁し、鉄片を吸着させて持ち上げる。そして、鉄片を解放する際には、リフティングマグネットを消磁する。
【０００３】
特許文献１には、リフティングマグネットを備える作業機械が記載されている。この作業機械では、リフティングマグネットの励磁及び消磁を制御するリフティングマグネット制御システムとして、発電機（１７）と、この発電機（１７）の発電電力をリフティングマグネットへ供給するマグネット制御器（２０）と、発電停止手段（２５）とを備える。この発電停止手段は、リグティングマグネットによる吸着作用の停止時に、すなわち、リフティングマグネットの励磁停止時に、油圧モータ（１６）を介して発電機（１７）の発電作用を停止させ、無駄な運転を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４８０８７号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のリフティングマグネット制御システムでは、リフティングマグネットの励磁期間において、リフティングマグネットに一定の電圧を供給するために、発電機の回転数を一定に保持していた。また、従来のリフティングマグネット制御システムでは、リフティングマグネットと発電機との間に電力変換部を備え、この電力変換部においてＰＷＭ制御を行うことによってリフティングマグネットに供給する電圧を制御していた。そのために、電力変換部におけるＰＷＭ制御を考慮して、発電機の回転数を大きめに設定していた。その結果、リフティングマグネットの励磁期間における消費エネルギーが大きかった。
【０００６】
そこで、本発明は、リフティングマグネットの励磁期間における消費エネルギーを低減することが可能なリフティングマグネット制御システム及びリフティングマグネット制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のリフティングマグネット制御システムは、発電機と、発電機の発電電力を変換してリフティングマグネットへ供給する電力変換部と、リフティングマグネットの励磁期間において電力変換部の出力電力を次第に低下させるように、発電機の回転数を制御する制御部とを備える。
【０００８】
本発明のリフティングマグネット制御方法は、発電機と、発電機の発電電力を変換してリフティングマグネットへ供給する電力変換部と、電力変換部の出力電力を制御する制御部とを備えるリフティングマグネット制御システムを用いたリフティングマグネット制御方法であって、リフティングマグネットの励磁期間において、電力変換部の出力電力を次第に低下させるように、発電機の回転数を制御する。
【０００９】
ここで、電力変換部の出力電力を次第に低下させるとは、その過程において、外部環境変動等の意図しない要因により、電力変換部の出力電力が上昇してしまうことも含む概念である。また、電力変換部の出力電力とは、出力電力、出力電圧、出力電流を含む概念であり、リフティングマグネットの制御方法により、すなわち、電力制御、電圧制御又は電流制御により、出力電力、出力電圧及び出力電流のうちの何れか一つを示すものとする。
【００１０】
リフティングマグネットの励磁期間は、例えば、リフティングマグネットへの励磁電流を短時間で立ち上げるオーバーシュート期間、吊荷を容易に捕捉できるようにリフティングマグネット２の磁力を一時的に高めるオーバーエキサイト期間、及び、リフティングマグネット２の定格電力付近の電力を供給しつつ励磁状態を維持する定格励磁期間に分けることができ、これらの順に必要な電力が小さくなる。なお、リフティングマグネットの励磁期間は、オーバーエキサイト期間を有さないこともある。
【００１１】
この発明によれば、リフティングマグネットの励磁期間において、電力変換部の出力電力を次第に低下させるように発電機の回転数を制御するので、発電機の回転数が次第に低下することとなる。したがって、発電機の回転数を一定制御していた従来に比して、リフティングマグネットの励磁期間における消費エネルギーを低減することができる。
【００１２】
上記した制御部は、リフティングマグネットの励磁期間におけるオーバーシュート期間、オーバーエキサイト期間、定格励磁期間の順に段階的に低下する目標電力パターンを有し、電力変換部の出力電力が目標電力パターンとなるように、発電機の回転数を制御することが好ましい。ここで、目標電力パターンは、目標電力パターン、目標電圧パターン、目標電流パターンを含む概念であり、リフティングマグネットの制御方法により、すなわち、電力制御、電圧制御又は電流制御により、目標電力パターン、目標電圧パターン及び目標電流パターンのうちの何れか一つを示すものとする。
【００１３】
また、上記した電力変換部は、発電機の発電電力を直流電力に変換する直流変換部と、直流変換部の直流電力を受けて、リフティングマグネットの励磁及び消磁を制御するＨブリッジ回路部とを有し、Ｈブリッジ回路部におけるスイッチング素子は、有接点スイッチであることが好ましい。
【００１４】
このように、従来の電力変換部のＨブリッジ回路部におけるＰＷＭ制御による電力制御に代えて、発電機の回転数制御による電力制御を行うことによって、電力変換部のＨブリッジ回路部におけるスイッチング素子として、比較的高速なトランジスタやＩＧＢＴなどの無接点スイッチに代えて、比較的低速な機械式スイッチなどの有接点スイッチを用いることができる。その結果、低価格化を実現することができる。また、メンテナンス性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、リフティングマグネットの励磁期間における消費エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るリフティングマグネット制御システムの電気的な構成を示す図である。
【図２】図１に示す電力変換部の電気的な構成を示す。
【図３】図１に示す目標値供給部の目標電圧パターンを示す図である。
【図４】リフティングマグネットの両端に印加される電圧、及び、リフティングマグネットに供給される電流の時間波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係るリフティングマグネット制御システムの電気的な構成を示す図である。図１には、リフティングマグネット車両（作業機械）に搭載されるリフティングマグネット制御システムを例示する。このリフティングマグネット制御システム１は、リフティングマグネット車両におけるエンジンからのエネルギーを受ける発電機駆動部３から駆動力を受け、リフティングマグネット２の励磁及び消磁を制御する。リフティングマグネット制御システム１は、発電機４と、電力変換部（制御盤）５と、目標値供給部６と、制御部７とを備える。
【００１９】
発電機４は、発電機駆動部３から回転駆動力を受けて発電する。本実施形態では、発電機４は、発電電力として三相交流電力を電力変換部５へ供給する。ここで、発電機駆動部３としては、油圧モータが例示される。本実施形態の発電機駆動部３では、制御部７からの制御信号に応じて、回転駆動力の制御が行われる。
【００２０】
電力変換部５は、発電機４の発電電力を変換してリフティングマグネット２へ供給する。図２に、電力変換部５の電気的な構成を示す。電力変換部５は、リフティングマグネット２の励磁及び消磁を行う回路であって、直流変換部３０と、Ｈブリッジ回路部４０と、消磁用エネルギー吸収部５０とを備える。
【００２１】
直流変換部３０は、発電機４から供給される交流電圧ＶＡＣ１〜ＶＡＣ３を直流電圧ＶＤＣに変換する。直流変換部３０は、正側出力端３０ａ及び負側出力端３０ｂを有しており、生成した直流電圧ＶＤＣを正側出力端３０ａと負側出力端３０ｂとの間に提供する。本実施形態では、正側出力端３０ａが高電位側電源として機能し、負側出力端３０ｂが低電位側電源として機能する。なお、直流変換部３０は、単相交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する形態であってもよい。また、発電機４が直流発電機である場合、直流変換部３０は必ずしも設けられる必要はない。
【００２２】
本実施形態の直流変換部３０は、６個のダイオード３１ａ〜３１ｆを含むブリッジ回路によって構成されており、三相全波整流を行う。具体的には、ダイオード３１ａ〜３１ｆのうち、ダイオード３１ａ及び３１ｂが直列に接続され、ダイオード３１ｃ及び３１ｄが直列に接続され、ダイオード３１ｅ及び３１ｆが直列に接続されている。また、ダイオード３１ａ及び３１ｂからなる組と、ダイオード３１ｃ及び３１ｄからなる組と、ダイオード３１ｅ及び３１ｆからなる組とは、互いに並列に接続されている。そして、これらのダイオードの組のカソード側の一端は正側出力端３０ａに電気的に接続されており、アノード側の他端は負側出力端３０ｂに電気的に接続されている。
【００２３】
また、ダイオード３１ａとダイオード３１ｂとの間には、発電機４における一相の電源端子から延びる交流電源ライン４ａが電気的に接続されている。ダイオード３１ｃとダイオード３１ｄとの間には、発電機４における他の一相の電源端子から延びる交流電源ライン４ｂが電気的に接続されている。ダイオード３１ｅとダイオード３１ｆとの間には、発電機４における更に他の一相の電源端子から延びる交流電源ライン４ｃが電気的に接続されている。なお、直流変換部は、これ以外にも例えばサイリスタを用いた純ブリッジ回路や、ダイオード及びサイリスタを用いた混合ブリッジ回路によって構成されてもよい。直流変換部が純ブリッジ回路や混合ブリッジ回路によって構成される場合、サイリスタは、図示しない位相制御回路によって所定の制御角で位相制御される。
【００２４】
Ｈブリッジ回路部４０は、リフティングマグネット２の励磁及び消磁を制御する。Ｈブリッジ回路部４０は、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄと、該第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄそれぞれの両端間に電気的に接続された第１〜第４のダイオード４２ａ〜４２ｄとを含むＨブリッジ回路によって構成されている。
【００２５】
具体的には、第１のスイッチング素子４１ａの一端は直流変換部３０の正側出力端３０ａに接続されており、第１のスイッチング素子４１ａの他端は第２のスイッチング素子４１ｂの一端に接続されている。第２のスイッチング素子４１ｂの他端は直流変換部３０の負側出力端３０ｂに接続されている。一方、第３のスイッチング素子４１ｃの一端は、直流変換部３０の正側出力端３０ａに接続されており、第３のスイッチング素子４１ｃの他端は第４のスイッチング素子４１ｄの一端に接続されている。第４のスイッチング素子４１ｄの他端は直流変換部３０の負側出力端３０ｂに接続されている。また、第１〜第４のダイオード４２ａ〜４２ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄの他端に接続されており、第１〜第４のダイオード４２ａ〜４２ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄの一端に接続されている。そして、第１のスイッチング素子４１ａの他端及び第２のスイッチング素子４１ｂの一端はリフティングマグネット２の一端に接続されており、第３のスイッチング素子４１ｃの他端及び第４のスイッチング素子４１ｄの一端はリフティングマグネット２の他端に接続されている。
【００２６】
第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄ各々の制御端子は図示しない制御回路に接続されており、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄ各々における一端−他端間の導通状態は、該制御回路から提供される制御電圧（または制御電流）によって制御される。なお、本実施形態では、Ｈブリッジ回路部４０の出力電圧の調整は、後述するように、発電機４の回転数によって行われるために、制御回路におけるＰＷＭ制御のデューティは固定である。
【００２７】
第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄは有接点スイッチである。有接点スイッチとしては、機械的に接触する接点を有するスイッチであって、電磁接触器（ＭＣスイッチ）などの機械式スイッチが適用可能である。
【００２８】
消磁用エネルギー吸収部５０は、リフティングマグネット２の消磁を行う際にリフティングマグネット２に蓄積されたエネルギーを吸収するための回路部分である。消磁用エネルギー吸収部５０は、直流変換部３０の正側出力端３０ａと負側出力端３０ｂとの間に接続されている。本実施形態では、消磁用エネルギー吸収部５０は、容量素子５１を有している。なお、消磁用エネルギー吸収部５０としては、様々な回路構成が適用可能である。
【００２９】
図１に戻り、目標値供給部６は、リフティングマグネット２による吸着、すなわち、リフティングマグネット２の励磁のための目標電圧パターンを有しており、制御部７へ供給する。図３に、目標電圧パターンを示す。この目標電圧パターンは、リフティングマグネット２の励磁期間を３つの期間に分け、次第に電圧を低下させるように設定されている。
【００３０】
まず、オーバーシュート期間（ＯＳ期間）ＴＯＳは、リフティングマグネット２への励磁電流Ｉ１（図２参照）を短時間で立ち上げるための期間であり、最も大きな目標電圧ＶＯＳが設定される。次に、オーバーエキサイト期間（ＯＥ期間）ＴＯＥは、吊荷を容易に捕捉できるようにリフティングマグネット２の磁力を一時的に高める期間であり、目標電圧ＶＯＥ（ＶＯＥ＜ＶＯＳ）が設定される。次に、定格励磁期間（ＲＡ期間）ＴＲＡは、リフティングマグネット２の定格電力付近の電力を供給しつつ励磁状態を維持する期間であり、目標電圧ＶＲＡ（ＶＲＡ＜ＶＯＥ）が設定される。
【００３１】
なお、目標値供給部６は、種々のリフティングマグネットのそれぞれに対応した複数の目標電圧パターンを有し、使用するリフティングマグネットに対応した１つの目標電圧パターンを選択出力してもよい。また、目標値供給部６は必ずしも設けられる必要はない。この場合、制御部７へは、外部から目標電圧パターンが供給される。
【００３２】
制御部７は、目標値供給部６から目標電圧パターンを受けると共に、リフティングマグネット２の駆動電圧、すなわち、電力変換部５の出力電圧を受ける。制御部７は、リフティングマグネット２の励磁期間において、電力変換部５の出力電圧を次第に段階的に低下させるように、発電機駆動部３を介して発電機４の回転数を制御する。本実施形態では、制御部７は、誤差増幅器を有しており、目標電圧パターンと電力変換部５の出力電圧との差分に応じて発電機４の回転数を制御し、電力変換部５の出力電圧が目標電圧パターンと一致するように制御する。
【００３３】
一例を示すと、制御部７は、電力変換部５の出力電圧を目標電圧ＶＯＳ＝ＤＣ２９０Ｖ、ＶＯＥ＝ＤＣ２４０Ｖ、ＶＲＡ＝ＤＣ２００Ｖにするために、発電機４の回転数をそれぞれ１８００ｒｐｍ、１６００ｒｐｍ、１４００ｒｐｍに制御する（図３）。
【００３４】
次に、リフティングマグネット制御システム１の動作を説明すると共に、本発明の実施形態に係るリフティングマグネット制御方法について説明する。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、リフティングマグネット２の両端に印加される電圧、及び、リフティングマグネット２に供給される電流の時間波形を示す図である。なお、図４（ａ）においては、パルス電圧を時間的に平均化して得られる実効電圧の値を示している。また、図４（ａ），（ｂ）における電圧及び電流の符号については、図１に示した励磁電流Ｉ１の向きを正としている。
【００３５】
まず、或る時刻ｔ０において、発電機４が駆動されることにより、電力変換部５の直流変換部３０に３相の交流電源電圧ＶＡＣ１〜ＶＡＣ３が提供される。交流電源電圧ＶＡＣ１〜ＶＡＣ３は、直流変換部３０によって直流電源電圧ＶＤＣに変換される。その後、リフティングマグネット２の励磁を開始するために（時刻ｔ１）、Ｈブリッジ回路部４０のスイッチング素子４１ａ及び４１ｄが導通される。これにより、リフティングマグネット２に励磁電流Ｉ１が流れる。
【００３６】
制御部７は、最初のＯＳ期間Ｔ１において、励磁電圧（実効値）、すなわち電力変換部５の出力電圧が目標電圧ＶＯＳとなるように発電機４の回転数を大きく設定し、リフティングマグネット２への励磁電流Ｉ１を短時間で立ち上げる。次に、制御部７は、ＯＥ期間Ｔ２において、励磁電圧（実効値）がＶＯＥ（＜ＶＯＳ）となるように発電機４の回転数を低下させ、吊荷を容易に捕捉できるようにリフティングマグネット２の磁力を一時的に高める。次に、制御部７は、ＲＡ期間Ｔ３において、励磁電圧（実効値）がＶＲＡ（＜ＶＯＥ）となるように発電機４の回転数を更に低下させ、リフティングマグネット２の定格電力付近の電力を供給しつつ励磁状態を維持する。この定格励磁期間Ｔ３は、次の釈放動作へ移行するまで継続される。
【００３７】
このような励磁電力をリフティングマグネット２へ供給することにより、リフティングマグネット２が励磁され、鉄片等の吊荷を吸着して持ち上げることが可能となる。
【００３８】
次に、リフティングマグネット２から鉄片等を釈放（解放）するべく、リフティングマグネット２の消磁を開始するために（時刻ｔ２）、Ｈブリッジ回路部４０のスイッチング素子４１ａ及び４１ｄが非導通とされ、スイッチング素子４１ｂ及び４１ｃが導通される。これにより、リフティングマグネット２の電流の向きが反転し、釈放電流Ｉ２が流れる（期間Ｔ４）。この釈放電流Ｉ２は、リフティングマグネット２のインダクタンスの影響から或る時定数でもって所定値に近づく。これにより、リフティングマグネット２および吊荷が消磁され、吊荷が開放される。
【００３９】
その後、Ｈブリッジ回路部４０のスイッチング素子４１ｂ及び４１ｃが非導通とされ、電力回生のためスイッチング素子４１ａ及び４１ｄが一定時間だけ導通された後（期間Ｔ５）、全てのスイッチング素子４１ａ〜４１ｄが非導通とされて電力供給が停止される。
【００４０】
ところで、従来のリフティングマグネット制御システムでは、リフティングマグネットの励磁期間において、リフティングマグネットに一定の電圧を供給するために、発電機の回転数を一定に保持していた。また、従来のリフティングマグネット制御システムでは、電力変換部におけるＰＷＭ制御を考慮して、発電機の回転数を大きめに設定していた。例えば、発電機の回転数を大きめの２０００ｒｐｍに設定していた（図３参照）。
【００４１】
しかしながら、本実施形態のリフティングマグネット制御システム１及びリフティングマグネット制御方法によれば、リフティングマグネット２の励磁期間において、電力変換部５の出力電圧を次第に低下させるように発電機４の回転数を制御するので、発電機４の回転数が次第に低下することとなる。したがって、発電機４の回転数を一定制御していた従来に比して、リフティングマグネット２の励磁期間における消費エネルギーを低減することができる。例えば、図３において、斜線領域Ａに相当する消費エネルギーを低減することができる。
【００４２】
このように、従来の電力変換部のＨブリッジ回路部におけるＰＷＭ制御による電圧制御に代えて、発電機の回転数制御による電圧制御を行うことによって、電力変換部５のＨブリッジ回路部４０におけるスイッチング素子４１ａ〜４１ｄのデューティを固定することができる。換言すれば、スイッチング素子４１ａ〜４１ｄには、リフティングマグネット２の励磁及び消磁のための電圧変化に対する高速応答性が要求されない。したがって、電力変換部５のＨブリッジ回路部４０におけるスイッチング素子４１ａ〜４１ｄとして、比較的高速なトランジスタやＩＧＢＴなどの無接点スイッチに代えて、比較的低速な機械式スイッチなどの有接点スイッチを用いることができる。その結果、低価格化を実現することができる。また、メンテナンス性を向上することができる。
【００４３】
更に、有接点スイッチは、無接点スイッチＩＧＢＴと比較して、比較的内部抵抗が小さいので発熱が小さいという利点を有する。また、有接点スイッチは、ＩＧＢＴのようにドライブ回路や煩雑な制御回路が不要となり、信頼性を向上することができる。また、有接点スイッチは、ノイズを発生させないため、ＥＭＣ対策が容易に、もしくは不要になる。また、有接点スイッチは、部品の入手性がよく、交換も非常に簡単である。このように、有接点スイッチを用いることによって、高性能、高信頼性、低価格が実現可能である。また、有接点スイッチでは、アークレス回路（微小アーク有）使用により接点消耗を飛躍的に減少することができ、メンテナンス性を大幅に向上することができる。
【００４４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。また、本実施形態では、制御部７は、リフティングマグネット２の励磁期間Ｔ１〜Ｔ３において発電機４の回転数を制御したが、リフティングマグネット２の励磁期間Ｔ１〜Ｔ３以外において、発電機４の動作を停止することが好ましい。これによって、リフティングマグネット２の励磁期間Ｔ１〜Ｔ３以外の期間における消費エネルギーをも低減することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、電力変換部５のＨブリッジ回路部４０におけるスイッチング素子４１ａ〜４１ｄとして有接点スイッチを用いたが、無接点スイッチが用いられてもよい。無接点スイッチとしては、機械的に接触する接点を有さないスイッチであって、トランジスタなどの半導体スイッチやＩＧＢＴなどが適用可能である。無接点スイッチは、比較的内部抵抗が大きいので発熱が大きい反面、スイッチング速度が比較的速いという特徴を有する。
【符号の説明】
【００４６】
１…リフティングマグネット制御システム、２…リフティングマグネット、３…発電機駆動部、４…発電機、５…電力変換部、６…目標値供給部、７…制御部、３０…直流変換部、３１ａ〜３１ｆ…ダイオード、４０…Ｈブリッジ回路部、４１ａ〜４１ｄ…スイッチング素子、４２ａ〜４２ｄ…ダイオード、５０…消磁用エネルギー吸収部、５１…容量素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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