(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チェーンに設けられ複数のビットにより地中を掘削するチェーンコンベアカッタの駆動部を駆動する駆動装置であって、
発電機が生成した供給電力を変換するインバータと、
前記インバータの出力側に接続され、前記チェーンコンベアカッタの駆動部に駆動力を付与する電動機とを備え、
前記電動機の停動トルクをＬ１とし、前記インバータの過負荷定格電流時の前記電動機のトルクをＬ２とし、前記電動機の定格トルクに１より大なる希望比を乗じたトルクをＬ３とするとき、
Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１なる関係を満たし、
硬地層の掘削のため、Ｌ３以上のトルク領域を使用し、定常状態よりも前記チェーンの張力を高めると共に、前記複数のビットの移動速度を低下させることを特徴とする電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置。
【請求項２】
前記電動機の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサが検出した温度が一定条件を満たす際、前記電動機を停止させる保護回路とをさらに備える請求項１記載の電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置。
【請求項３】
前記インバータの適用容量は、前記電動機の容量よりも大である請求項１または２記載の電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置。
【請求項４】
前記希望比は、２である請求項１から３のいずれかに記載の電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビットを用いて地中を掘削する電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、先に土砂等の搬出性能に優れたチェーンコンベアカッタを提案した（特許文献１：特許第４５０４０９５号公報）。
【０００３】
さて、ビットを用いるチェーンコンベアカッタは、長尺の装置であり、通常、縦長垂直に上端部を杭打機又はクレーン等で吊り下げ、カッタの下端部が地中を切削し上下に移動するようにして使用される。
【０００４】
チェーンコンベアカッタの上部には、一定無端軌道を周回するチェーンであって、ビットが取り付けられたものを回転させるスプロケットホイールが回転自在に軸支され、さらにこのスプロケットホイールを駆動する駆動部が設けられる。      
【０００５】
さて、このようなチェーンコンベアカッタが、地中へ向けて掘削作業を続けるためには、チェーンの最下端部において、チェーンに取り付けられるビットが絶えずその下方に位置する箇所を掘削しなければならない。
【０００６】
ここで、地中の成分は、砂等の軟地層だけでなく、岩石等からなる硬地層もある。当然のことながら、ビットによる掘削に対する抵抗は、このような地層の硬軟により著しく変化する。このことは、駆動部側から見ると、負荷の抵抗が大きく変動することを意味する。
【０００７】
このような負荷変動に対応するため、駆動部の駆動方式として、油圧駆動方式が採用されることが多い。しかしながら、この方式では、地上に設置される装置の規模が拡大し、狭い現場には対応しがたいし、しかも、もし油圧駆動系が故障すると、その交換部品を現場付近で見つけることは事実上不可能であり、現場作業が遅滞することは避けられない。
【０００８】
油圧駆動方式の欠点に鑑みれば、電動機駆動方式を採用したいものであるが、従来技術によると、詳細は後述するが、負荷変動に実質的に対応することが困難である。
【０００９】
特に、地層が硬地層となり、負荷抵抗が上昇した際に、取り出せるトルクが不足し、掘削作業が困難となりやすい。つまり、一言で言えば瞬発力が不足しがちである。
【特許文献１】特許第４５０４０９５号公報
【特許文献２】特開２００２−１３８７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、負荷変動に対して柔軟に対応できる電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置は、チェーンに設けられ複数のビットにより地中を掘削するチェーンコンベアカッタの駆動部を駆動する駆動装置であって、発電機が生成した供給電力を変換するインバータと、インバータの出力側に接続され、チェーンコンベアカッタの駆動部に駆動力を付与する電動機とを備え、電動機の停動トルクをＬ１とし、インバータの過負荷定格電流時の電動機のトルクをＬ２とし、電動機の定格トルクに１より大なる希望比を乗じたトルクをＬ３とするとき、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１なる関係を満たす。
【００１２】
この構成において、Ｌ２＜Ｌ１であるから、インバータに接続された電動機は停動することはないし、電動機がストールしてからインバータがトリップするような事態が発生しない。
【００１３】
また、Ｌ３＜Ｌ２であるから、電動機が希望比倍だけ通常よりも大きなトルクを発生しても、インバータは未だ過負荷電流定格まで至っておらず、インバータは保護されるべき状態とはならない。
【００１４】
結局、電動機は、軟地層等通常の負荷に対して支障なく動作できるというのみならず、硬地層等負荷の抵抗が大きくなった際に、通常の駆動装置では、インバータが保護されるべき状態となり、電動機がより大きなトルクを事実上発生できなくなる状態においても、本願発明のインバータは未だ保護されるべき状態になく、電動機は、この大きなトルクを発生でき、言い換えれば、瞬発力を発揮することにより、掘削作業を支障なく継続することができる。
【００１５】
第２の発明に係る電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置では、電動機の温度を検出する温度センサと、温度センサが検出した温度が一定条件を満たす際、電動機を停止させる保護回路とをさらに備える。
【００１６】
この構成により、電動機が瞬発力を発揮する状態において、電動機が過負荷状態となり、温度上昇すると、保護回路が作動して、電動機が保護される。
【００１７】
第３の発明に係る電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置では、インバータの適用容量は、電動機の容量よりも大である。
【００１８】
この構成により、瞬発力を発揮する状態においても、インバータが未だ保護されるべき状態にないようにすることができる。
【００１９】
第４の発明に係る電動機駆動チェーンコンベアカッタの駆動装置では、希望比は、２である。
【００２０】
この構成により、電動機に、電動機の定格容量と等しい定格容量のインバータを接続する場合に比べ、電動機は、実質的に２倍の最大トルクを発生することができ、事実上十分な瞬発力を発揮できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、抵抗が大きくなった際、通常の駆動装置では、インバータが保護されるべき状態となり、電動機がより大きなトルクを発生できない状態においても、電動機は、この大きなトルクを発生し、瞬発力を発揮して掘削作業を支障なく継続できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるチェーンコンベアカッタの側面図であり、図１（ｂ）は、同正面図である。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態のチェーンコンベアカッタは、チェーン２５、２６に設けられ複数のビット３０により地中を掘削するチェーンコンベアカッタである。
【００２５】
特に、このチェーンコンベアカッタは、油圧駆動方式によるものではなく、電動機駆動方式によるものである。
【００２６】
駆動部２０は、チェーンコンベアカッタの一端部に設けられ、かつ駆動力をチェーンに伝達する。
【００２７】
また、駆動部２０は、チェーンコンベアカッタの上端部に位置するが、チェーンコンベアカッタの下端部には、チェーン２５、２６を折り返すリターンローラ３１を有し、複数のビット３０により地中を掘削するリターン部が設けられる。
【００２８】
このようなチェーンコンベアカッタは、図１（ａ）に示すように、通常、杭打機３２又はクレーンにより下向きに吊り下げられる。
【００２９】
図２は、本発明の一実施の形態における駆動装置のブロック図である。
【００３０】
図２において、発電機４０は、定格周波数５０Ｈｚ、電圧４００Ｖクラスのインバータ及び電動機に給電可能なら任意である。即ち、現場で故障したとしても、周囲から代用品を容易に調達できる筋合いの装備である。
【００３１】
インバータ４１は、発電機４０が生成した供給電力を変換し、その出力側は、電動機４２に接続される。
【００３２】
電動機４２は、チェーンコンベアカッタの駆動部２０に駆動力を付与する。即ち、電動機４２は、減速機４５を回転させ、減速機４５に連結されるスプロケットホイール２４が回転自在に軸支され、それによりチェーン２５、２６が所定軌道を周回する。
【００３３】
チェーン２５、２６の外側には、複数のビット３０が取り付けられており、これらのビット３０は、チェーンコンベアカッタの最下部において、地層を破壊しながら、掘削作業が進行する。
【００３４】
また、電動機４２には、電動機４２の温度を検出する温度センサ４３と、温度センサが検出した温度が一定条件を満たす際、電動機４２を停止させる保護回路４４とが、それぞれ設けられる。
【００３５】
通常、電動機４２には、これらの要素が設けられているが、本願発明は、温度センサ４３あるいは保護回路４４そのものに骨子を有するものではなく、これらの要素は、周知手段を適用できるから、その詳細な説明は省略する。要するに、温度センサ４３と保護回路４４とは、電動機４２を過剰な過負荷電流による損傷から保護できるものであれば任意に構成して差し支えない。
【００３６】
電動機４２としては、４４０Ｖ程度の高圧で、水冷型のものが好ましい。コンパクトで強力であるからである。水冷型とするのが望ましいのは、同じ出力であれば、空冷型の電動機はより大型になり重くなるので、収納が困難になりやすく、駆動部２０をコンパクトに構成しにくくなるからである。電動機４２は、インバータ制御対応のものを使用する。
【００３７】
次に、図３を参照しながら、電動機の特性曲線について説明する。図３の横軸は、回転数Ｎ（ｒｐｍ）であり、左側縦軸は、トルクＴ（％）、右側縦軸は、電流Ａ（アンペア）である。
【００３８】
図３における２つの曲線（電流ＡとトルクＴ）は、それぞれ電動機（本例では、１８０ＫＷの三相誘導電動機）の裸の特性を示す。電動機のトルクＴは、１００％を定格とし、そのときの電流Ａは３００（アンペア）であるものとする。
【００３９】
通常の直接起動方式による場合、電動機の動作を開始すると、回転数Ｎが０（ｒｐｍ）から上昇を続け（過渡応答）、点Ａに到達する。
【００４０】
このとき、トルクＴは１００（％）つまり、定格となる。このとき、負荷の抵抗が小さければ、点Ｂまで至る。以降、負荷の抵抗が小さい状態であれば、負荷変動に応じて、点Ａと点Ｂとの間の領域を行き来する（定常状態）。
【００４１】
インバータ方式による駆動装置では、電動機とインバータとは、同じ定格容量（ｋＷ）のものが使用される。通常、インバータには、過負荷過電流定格が定められており、それは、１５０（％）で６０（秒）のような条件となる。
【００４２】
ここで、負荷の抵抗が大きくなった場合を考えると、負荷抵抗の上昇に伴い、電動機は、より大きなトルクを発生しなければならなくなる。
【００４３】
しかしながら、トルクＴが１００（％）を超え、さらに上昇する場合、電流が１５０％に達すると、インバータが過負荷電流状態となり、インバータが停止する。
【００４４】
その結果、電動機は、本来さらに大きなトルクを発生しなければならないにもかかわらず、停止してしまう。このような場合、衝撃力、騒音振動あるいはチェーンの破損などが発生しやすく問題がある。
【００４５】
この点を、掘削作業に照らすと、硬地層等のように抵抗が大である箇所にビットが至ると、発生するトルクが不足して、掘削作業が停止してしまうという結果になる。
【００４６】
この点を打破すべく、本発明者は、創意工夫をこらし、本発明を案出するに至ったものである。
【００４７】
例えば、１８０ＫＷの電動機と１８０ＫＷのインバータを使用すると、過負荷定格電流一杯まで使用して、約３７ｔ程度のチェーン張力を発生できる。しかしながら、硬地層等を掘削するには、４０ｔ以上のチェーン張力が必要となる場合があり、約３７ｔ程度では不足であり、掘削が停止あるいは難航する。
【００４８】
図３を再度注意深く参照されたい。トルクＴの曲線の最大値は、１００％あるいは１５０％ではない。そこで、本形態では、希望比下限を「２．０」（つまりそのときのトルクＴ＝２００％）とし、希望比上限を「２．５」（つまりそのときのトルクＴ＝２５０％）とする。なお、希望比は、通常１．５乃至２．５程度に設定される。
【００４９】
即ち、図３に斜線を付した領域のトルクを使用可能とする。これが可能であるならば、５０ｔを上回るチェーン張力が得られ、硬地層等をも掘削可能となる。但し、そのとき、図３から明らかなように回転数Ｎは、定常状態に比べ大幅に小さくなり、ビットは強力な張力を得ながらゆっくり硬地層等を掘削することとなる。
【００５０】
上記領域を使用するための条件は、次の通りである。
【００５１】
（１）まず、インバータの適用容量を、電動機の容量よりも大とする。ここで、本形態では、係数ｋを導入し、ｋ＝１．５とする。そして、電動機の定格１８０ＫＷに対し、これに係数ｋを乗じた程度の容量、具体的には、２８０ＫＷの容量を有するインバータを使用する。勿論、これらの数値は例示にすぎない。
【００５２】
（２）次に、電動機の停動トルクをＬ１とし、インバータの１５０％電流（過負荷定格電流）時の電動機のトルクをＬ２とし、電動機の定格トルクに１より大なる希望比を乗じたトルクをＬ３とするとき、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１なる関係を満たす。
【００５３】
ここで、上述したように、本形態では、希望比下限を「２．０」とし、希望比上限を「２．５」とする。
【００５４】
Ｌ２＜Ｌ１であることにより、電動機は停動することはないし、電動機がストールしてからインバータがトリップするような事態が発生しない。
【００５５】
Ｌ３＜Ｌ２であることにより、電動機が希望比倍だけ通常よりも大きなトルクを発生しても、インバータは未だ過負荷電流定格まで至っておらず、インバータは保護されるべき状態とはならない。
【００５６】
図４は、本発明の一実施の形態における各トルクの周波数特性例を示すグラフである。図４を見れば、周波数５０（Ｈｚ）を超えても、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１なる関係が満たされている点が理解されよう。
【００５７】
図４は、実特性例を示すものであり、電動機及びインバータの選択に留意すれば、上記領域を実際に使用可能となる点が明らかである。
【００５８】
ここで、インバータの適用容量は、電動機の容量よりも大とすべきであるが、インバータの容量を過大とするのは好ましくない。例えば、１８０ＫＷの電動機に対し、３１５ＫＷのインバータを接続すると、電動機がストールしてからインバータがトリップする範囲が広くなり、インバータ、電動機、発電機、あるいはこれらを接続するケーブル等に、大電流が流れ、機器の破損のおそれがある。
【００５９】
勿論、上述した各数値は例示にすぎないのであって、本願発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々変更しても差し支えない。
【００６０】
本形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）インバータ制御により、汎用発電機を動力源とし、スムーズな切削作業が可能である。
（２）設備費が安価で、施工費用を低減できる。
（３）油圧制御方式に比べ、効率が良く省エネルギーを達成できる。
（４）全ての速度領域で高トルクを発生でき、強力な掘削能力を発揮できる。
（５）起動・停止がスムーズで、安全かつ高能率な切削作業が可能となる。
（６）組み立て・解体時において、チェーンにビットを取り付けたまま、巻き付け・取り外しが可能であり、作業時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】（ａ）本発明の一実施の形態におけるチェーンコンベアカッタの側面図  （ｂ）本発明の一実施の形態におけるチェーンコンベアカッタの正面図
【図２】本発明の一実施の形態における駆動装置のブロック図
【図３】本発明の一実施の形態における電動機の特性曲線図
【図４】本発明の一実施の形態における各トルクの関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００６２】
２０  駆動部
２４  スプロケットホイール
２５、２６  チェーン
３０  ビット
３１  リターンローラ
３２  杭打機
４０  発電機
４１  インバータ
４２  電動機
４３  温度センサ
４４  保護回路
４５  減速機
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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