(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ出力軸の回転速度を減じてしゃ断棹のしゃ断棹軸を回転させる複数軸による回転伝達機構で構成された減速機構部であって、前記しゃ断棹軸より高速に回転する前記モータ出力軸を含む複数の高速軸を有する減速機構部と、
前記モータ出力軸を回転させて前記しゃ断棹を昇降動作させるブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータの駆動が停止されて前記しゃ断棹が所定の上昇位置又は所定の下降位置に位置した際に作動して前記モータ出力軸或いは前記モータ出力軸以外の高速軸（以下包括して「制動用高速軸」という）の回転を制動させる非接触式の電磁ブレーキと、
前記ブラシレスモータの駆動を制御して前記しゃ断棹を昇降動作させるモータ駆動制御部であって、昇降動作中に前記制動用高速軸の回転によって前記電磁ブレーキに発生する励磁電圧の周期的変化を用いて、前記ブラシレスモータの駆動を制御するモータ駆動制御部と、
を備えた踏切しゃ断機。
【請求項２】
前記電磁ブレーキは、前記制動用高速軸とともに回転する複数極の永久磁石が備えられた回転子を、複数の電磁石用コイルが通電されることで非接触に制動する回転電気機械であり、
前記モータ駆動制御部は、前記ブラシレスモータの極・相・スロットの構成と前記電磁ブレーキの極・相・スロットの構成との関係を用いて、前記電磁ブレーキに発生する励磁電圧の周期的変化から前記ブラシレスモータの制御用回転角を検出して、前記ブラシレスモータの駆動を制御する、
請求項１に記載の踏切しゃ断機。
【請求項３】
前記モータ出力軸と前記制動用高速軸とは同軸であり、
前記ブラシレスモータは３相であり、
前記電磁ブレーキは２相である、
請求項１又は２に記載の踏切しゃ断機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、踏切しゃ断機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の踏切しゃ断機１００の制御ブロックの一例を図５に示す。なお、図５中に示す矢印は、しゃ断棹の昇降動作時の信号の流れを示している。例えば図５に示すように、従来の踏切しゃ断機１００は、不図示のしゃ断棹を昇降動作させるモータ３００と、しゃ断棹を所定の上昇位置（垂直状態）又は所定の下降位置（水平状態）で保持するためのブレーキ５００と、モータ３００の駆動（三相駆動電力）を制御するモータドライバ６００と、しゃ断棹を上昇動作又は下降動作させるための制御入力を行うしゃ断機回路７００とを含んで構成される。
【０００３】
モータ３００には、例えばホール素子、ロータリーエンコーダ、レゾルバ等の回転検出用のセンサ４００が付設されており、センサ４００は、モータ３００の出力軸（モータ出力軸）の回転を検出する。センサ４００の検出信号はモータドライバ６００の回転角検出部６０５に出力され、モータ３００の駆動制御に用いられる。
【０００４】
ブレーキ５００は、しゃ断棹の停止時にはしゃ断機回路７００により通電状態（ＯＮ）とされ、モータ出力軸の回転を制動させる。一方、図５に示すように、しゃ断棹の昇降動作時には、ブレーキ５００は断電状態（ＯＦＦ）とされ、その制動を解除するように構成されている。
【０００５】
モータドライバ６００は、モータ３００を駆動するモータ駆動部６０１と、モータ駆動部６０１を制御するモータ制御部６０３と、センサ４００から入力される検出信号に基づきモータ出力軸の回転角を検出する回転角検出部６０５とを備える。モータ制御部６０３は、しゃ断機回路７００からの上昇指令又は下降指令を受けてモータ３００をしゃ断棹の上昇方向又は下降方向に駆動させ、しゃ断棹を昇降動作させる。そしてその際に、回転角検出部６０５が随時検出しているモータ出力軸の回転角（回転数を含む）を用いてモータ駆動部６０１を制御し、上昇動作時であればしゃ断棹が所定の上昇基準位置に達したこと、下降動作時であればしゃ断棹が所定の下降基準位置に達したことを検知してモータ駆動部６０１によるモータ３００の駆動を停止させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２０１２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５に例示したように、従来の踏切しゃ断機１００では、モータの駆動制御のために回転検出用のセンサ４００を設けてモータ出力軸の回転角（回転数を含む）を検出していた。
【０００８】
本発明は、回転角検出用センサといったモータの駆動制御のための回転検出用の専用装置を不要とし、モータ出力軸の回転角に相応する信号を何らかの方法で取得してモータの駆動制御を行う技術を実現することを目的として考案されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための第１の発明は、
モータ出力軸を高速軸とし、しゃ断棹のしゃ断棹軸を低速軸とする複数軸で構成された減速機構部（例えば、図１のモータ出力軸３３１、しゃ断棹軸１１、回転伝達機構２０）と、
前記モータ出力軸を回転させて前記しゃ断棹を昇降動作させるブラシレスモータ（例えば、図１のブラシレスモータ３０）と、
前記ブラシレスモータの駆動が停止されて前記しゃ断棹が所定の上昇位置または所定の下降位置に位置した際に作動して前記モータ出力軸或いは他の高速軸（以下包括して「制動用高速軸」という）の回転を制動させる非接触式の電磁ブレーキ（例えば、図１の電磁ブレーキ５０）と、
前記ブラシレスモータの駆動を制御して前記しゃ断棹を昇降動作させるモータ駆動制御部であって、昇降動作中に前記制動用高速軸の回転によって前記電磁ブレーキに発生する励磁電圧の周期的変化を用いて、前記ブラシレスモータの駆動を制御するモータ駆動制御部（例えば、図１のモータドライバ６０）と、
を備えた踏切しゃ断機である。
【００１０】
第１の発明によれば、しゃ断棹の昇降動作時は、ブラシレスモータが駆動されてモータ出力軸が回転する。一方、昇降動作の停止にあたっては非接触式の電磁ブレーキが作動され、モータ出力軸或いはモータ出力軸の回転をしゃ断棹軸に伝達する他の高速軸である制動用高速軸の回転が制動される。そして、このような構成の踏切しゃ断機において、昇降動作中は、制動用高速軸の回転によって電磁ブレーキに励磁電圧が発生し、その励磁電圧が周期的に変化する。そこで、電磁ブレーキの励磁電圧の信号を、モータ出力軸の回転に相応する信号として利用することで、ブラシレスモータの駆動を制御することができる。従来の踏切しゃ断機のような、モータ出力軸の回転検出用の装置は不要である。
【００１１】
第２の発明は、
前記電磁ブレーキは、前記制動用高速軸とともに回転する複数極の永久磁石が備えられた回転子を、複数の電磁石用コイルが通電されることで非接触に制動する回転電気機械であり、
前記モータ駆動制御部は、前記ブラシレスモータの極・相・スロットの構成と前記電磁ブレーキの極・相・スロットの構成との関係を用いて、前記電磁ブレーキに発生する励磁電圧の周期的変化から前記ブラシレスモータの制御用回転角を検出して、前記ブラシレスモータの駆動を制御する、
第１の発明の踏切しゃ断機である。
【００１２】
第２の発明によれば、ブラシレスモータの極・相・スロットの構成と、電磁ブレーキの極・相・スロットの構成との関係を用いて、電磁ブレーキに発生する励磁電圧の周期的変化からブラシレスモータの制御用回転角を検出できる。
【００１３】
第３の発明は、
前記モータ出力軸と前記制動用高速軸とは同軸であり、
前記ブラシレスモータは３相であり、
前記電磁ブレーキは２相である、
第１又は第２の発明の踏切しゃ断機である。
【００１４】
第３の発明によれば、制動用高速軸をモータ出力軸とすることができ、ブラシレスモータを３相とし、電磁ブレーキを２相とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】踏切しゃ断機の制御ブロック例を示す図。
【図２】ブラシレスモータの構成例を示す模式図。
【図３】電磁ブレーキの構成例を示す模式図。
【図４】ブレーキ励磁波形変換部の信号処理過程を説明する図。
【図５】従来の踏切しゃ断機の制御ブロック例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付する。
【００１７】
図１は、本実施形態の踏切しゃ断機１の制御ブロックの一例を示す図であり、（ａ）ではしゃ断棹１０の昇降動作時の信号の流れを、（ｂ）ではしゃ断棹１０の停止時の信号の流れを矢印で示している。また、踏切しゃ断機１を構成するブラシレスモータ３０の構成例を図２に示し、電磁ブレーキ５０の構成例を図３に示す。
【００１８】
本実施形態の踏切しゃ断機１は、モータ出力軸３３１を回転させてしゃ断棹１０を昇降動作させる三相のブラシレスモータ３０と、直流のブレーキ作動信号が入力されることで作動して、しゃ断棹１０を所定の上昇位置（垂直状態）又は所定の下降位置（水平状態）で保持するための非接触式の電磁ブレーキ５０と、ブラシレスモータ３０の駆動を制御するモータ駆動制御部としてのモータドライバ６０と、しゃ断棹１０を上昇動作又は下降動作させるための制御入力を行うしゃ断機回路７０とを備える。
【００１９】
モータ出力軸３３１の回転は、回転伝達機構２０を介してしゃ断棹１０の支持軸（しゃ断棹軸）１１に伝達される。具体的には、回転伝達機構２０は、複数の歯車等を有する減速機構部を構成しており、少なくとも高速軸であるモータ出力軸３３１および低速軸であるしゃ断棹軸１１を備える。そして、この減速機構部によってモータ出力軸３３１の回転速度が減じて伝達され、しゃ断棹軸１１を回転させる。これにより、しゃ断棹１０は、ブラシレスモータ３０の回転方向に応じて下降又は上昇する。
【００２０】
また、回転伝達機構２０の減速機構部が有する高速軸の１つが、電磁ブレーキ５０の制動対象の軸（制動用高速軸）とされている。電磁ブレーキ５０により制動用高速軸が制動されると、伝達機構の回転伝達が制止されるため、ブラシレスモータ３０によるモータ出力軸３３１の回転やしゃ断棹軸１１の回転も制止されたロック状態となる。ここで、高速軸とは、しゃ断棹軸１１の回転に対して高速に回転する軸をいう。また、本実施形態では、電磁ブレーキ５０の制動用高速軸と、モータ出力軸３３１とを同軸とする。すなわち、制動用高速軸は、モータ出力軸３３１である。なお、制動用高速軸は高速軸であればよく、モータ出力軸３３１とは別の高速軸としてもよい。
【００２１】
ブラシレスモータ３０は、例えばインナーロータ型の構造を有した三相駆動の電動機であり、その構造の例を概略的に図２に示す。回転子３３は、回転軸であるモータ出力軸３３１の周方向にＮ極の永久磁石とＳ極の永久磁石とが交互に配置された４極の永久磁石３３３を備え、モータ出力軸３３１を軸中心として回転する。一方、固定子３１には、１２０°毎の等角度間隔で３つのスロットが画成されており、各スロットに配置された三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル３１１，３１３，３１５を備える。各相のコイル３１１，３１３，３１５は、中性点において相互に接続されている。
【００２２】
電磁ブレーキ５０は、構造的にはブラシレスモータ３０と同様の回転電気機械であり、その構造の例を概略的に図３に示す。電磁ブレーキ５０において、回転子５３は、モータ出力軸３３１と同軸となる回転軸５３１と一体に構成され、４極の永久磁石５３３が回転軸５３１とともに回転するように構成されている。一方、固定子５１は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のスロットのうちの２相にコイル（電磁石用コイル）５１１，５１３を配置して備え、各コイル５１１，５１３を直列接続して構成される。
【００２３】
この電磁ブレーキ５０の作動時は、しゃ断機回路７０からのブレーキ作動信号（ＤＣ）の入力によってコイル５１１，５１３が通電されることで固定子５１と回転子５３との間に制動力が生じ、モータ出力軸３３１の回転を非接触に制動する（図１（ｂ））。一方で、電磁ブレーキ５０の解除時（ＯＦＦ）は、モータ出力軸３３１の回転に伴って回転子５３が回転することから、電磁ブレーキ５０に励磁電圧が発生する。すなわち、電磁ブレーキ５０の励磁電圧の信号は、モータ出力軸３３１の回転に相応する信号と言える。但し、発生した励磁電圧そのものは振幅が大きい交流信号であるため、本実施形態では種々の信号処理を施した上で、ブラシレスモータ３０の駆動制御に用いることとする。まず、発生した励磁電圧信号（ＡＣ）は、図１（ａ）に示すように、モータドライバ６０を構成するブレーキ励磁波形変換部６５の降圧回路部６５１に出力される。
【００２４】
なお、ブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成は図２に例示した構成に限らない。また、電磁ブレーキ５０についても同様に、図３に例示した極・相・スロットの構成に限定されない。ブラシレスモータ３０および電磁ブレーキ５０のいずれも、極数、相数、およびスロット数を適宜選択して構成してよい。
【００２５】
モータドライバ６０は、ブラシレスモータ３０を駆動するモータ駆動部６１と、モータ駆動部６１を制御するモータ制御部６３と、昇降動作中に電磁ブレーキ５０に発生する励磁電圧波形の変化周期を検出するブレーキ励磁波形変換部６５と、励磁電圧波形の変化周期に基づきブラシレスモータ３０の回転角（制御用回転角。回転数を含む。）を検出する回転角検出部６７とを備える。
【００２６】
モータ制御部６３は、しゃ断機回路７０からの上昇指令又は下降指令を受けてブラシレスモータ３０をしゃ断棹１０の上昇方向又は下降方向に駆動させ、しゃ断棹１０を昇降動作させる。その際、モータ制御部６３は、回転角検出部６７が随時検出しているブラシレスモータ３０の制御用回転角を用いてブラシレスモータ３０の駆動を制御する。そして、上昇動作時であればしゃ断棹１０が上昇基準位置に達したこと、下降動作時であればしゃ断棹１０が下降基準位置に達したことを検知してブラシレスモータ３０の駆動を停止させる。例えば、モータ制御部６３は、検出された制御用回転角を用いてブラシレスモータ３０の回転速度制御を行う。また、制御用回転角を用い、昇降動作開始時からのブラシレスモータ３０の回転数を計数する等して上昇基準位置／下降基準位置に達したことを検知する。昇降動作を開始してから上昇基準位置／下降基準位置に達するまでのブラシレスモータ３０の回転数は既知であるため、予め設定しておくことが可能である。
【００２７】
ブレーキ励磁波形変換部６５は、降圧回路部６５１と、整流回路部６５３と、電圧検出部６５５とで構成される。降圧回路部６５１は、しゃ断棹１０の昇降動作中に電磁ブレーキ５０から入力される励磁電圧信号を降圧し、整流回路部６５３に出力する。整流回路部６５３は、降圧回路部６５１からの入力電圧信号を全波整流し、電圧検出部６５５に出力する。電圧検出部６５５は、整流回路部６５３からの入力電圧信号を所定の閾値Ｄｔｈ（図４（ｂ）を参照）を境に２値の論理信号に変換し、回転角検出部６７に出力する。
【００２８】
図４（ａ）に、励磁電圧波形の概略例を示す。また、（ａ）に示す励磁電圧波形の励磁電圧信号を降圧回路部６５１で降圧し、整流回路部６５３で整流した電圧波形を（ｂ）に、これを電圧検出部６５５で変換した論理信号を（ｃ）に示す。
【００２９】
電磁ブレーキ５０の回転子５３はモータ出力軸３３１の回転に伴って回転することから、電磁ブレーキ５０が解除（ＯＦＦ）され、モータ出力軸３３１が回転し始めると発生する励磁電圧は、図４（ａ）に示すように、電磁ブレーキ５０の回転に合わせて周期的に変化する。本実施形態では、回転子５３の永久磁石５３３が４極であり、固定子５１が二相・２スロットであることから、励磁電圧波形の１回の変化周期で回転軸５３１（本実施形態ではモータ出力軸３３１）が半回転していることを示す。したがって、励磁電圧波形を図４（ｂ）に示すように降圧・整流し、（ｃ）に示すように論理信号に変換することで回転軸５３１の回転を１８０°単位で検出でき、その変化周期から、回転軸５３１の回転角すなわちモータ出力軸３３１の回転角を知ることができる。
【００３０】
なお、図４の波形の変化具合を補足的に説明すると、しゃ断棹１０の昇降動作を開始した直後は、ブラシレスモータ３０が回転開始した直後であるため励磁電圧波形がゆっくり変化しているが、すぐに定常回転速度となるため、励磁電圧波形が一定周期の波形となって表れる。
【００３１】
また、モータ出力軸３３１（および制動対象軸である回転軸５３１）は高速軸であり、低速軸であるしゃ断棹軸１１に比べて十分に高い回転比（例えば１０倍以上）である。そのため、励磁電圧波形の変化周期から判別されるモータ出力軸３３１の回転角に誤差が生じたとしても、しゃ断棹１０の昇降位置が大きくずれることはなく、制御上、問題とはならない。
【００３２】
また、ブラシレスモータ３０と電磁ブレーキ５０とでは、極・相・スロットの構成が異なる。そこで、回転角検出部６７は、このブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成と電磁ブレーキ５０の極・相・スロットの構成との関係を用いて励磁電圧波形の変化周期をブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成に応じた変化周期に変換し、ブラシレスモータ３０の回転角を制御用回転角として検出する。
【００３３】
次に、踏切しゃ断機１の動作を説明する。踏切しゃ断機１において設置先の踏切に列車が接近した旨の通知を外部から受けると、図１（ａ）に示すように、しゃ断機回路７０の制御のもと、不図示の電源部がモータ電源を供給してモータドライバ６０を起動（ＯＮ）し、しゃ断棹１０の下降動作を指示する下降指令を出力する。また、電磁ブレーキ５０を解除（ＯＦＦ）する。そして、モータドライバ６０においてモータ制御部６３が、下降指令に応答してブラシレスモータ３０をしゃ断棹１０の下降方向に駆動させ、しゃ断棹１０を下降動作させる。
【００３４】
下降動作中は、ブレーキ励磁波形変換部６５が、電磁ブレーキ５０に発生した励磁電圧波形の変化周期を随時検出する。そして、回転角検出部６７が、励磁電圧波形の変化周期からブラシレスモータ３０の制御用回転角を随時検出する。モータ制御部６３は、この制御用回転角を用いてモータ駆動部６１の駆動を制御するとともに、しゃ断棹１０が下降基準位置に達したことを検知してモータ駆動部６１によるブラシレスモータ３０の駆動を停止させる。その後は、しゃ断機回路７０が、モータ電源のモータドライバ６０への供給を停止するとともに、電磁ブレーキ５０を作動させてしゃ断棹１０を下降位置で保持させる。
【００３５】
続いて、列車が踏切を通過し終えた旨の通知を受けると、図１（ａ）に示すように、しゃ断機回路７０は、再びモータ電源を供給させてモータドライバ６０を起動し、しゃ断棹１０の上昇動作を指示する上昇指令を出力するとともに、電磁ブレーキ５０を解除（ＯＦＦ）する。そして、モータドライバ６０においてモータ制御部６３が、上昇指令に応答してブラシレスモータ３０をしゃ断棹１０の上昇方向に駆動させ、しゃ断棹１０を上昇動作させる。
【００３６】
上昇動作中は、ブレーキ励磁波形変換部６５が電磁ブレーキ５０に発生した励磁電圧波形の変化周期を随時検出し、回転角検出部６７が励磁電圧波形の変化周期からブラシレスモータ３０の制御用回転角を随時検出する。そして、モータ制御部６３は、制御用回転角を用いてモータ駆動部６１の駆動を制御するとともに、しゃ断棹１０が上昇基準位置に達したことを検知してモータ駆動部６１によるブラシレスモータ３０の駆動を停止させる。その後は、しゃ断機回路７０が、モータ電源のモータドライバ６０への供給を停止するとともに、電磁ブレーキ５０を作動させてしゃ断棹１０を上昇位置で保持させる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、しゃ断棹１０の昇降動作中に電磁ブレーキ５０に発生する励磁電圧波形の変化周期を用いてブラシレスモータ３０の制御用回転角を検出することができる。そして、この制御用回転角を用いてブラシレスモータ３０の駆動制御を行う。したがって、従来の踏切しゃ断機のような、モータ出力軸の回転検出用の装置は不要となる。
【００３８】
また、制御用回転角の検出に際し、ブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成と、電磁ブレーキ５０の極・相・スロットの構成との関係を用いて、励磁電圧波形の変化周期をブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成に応じた変化周期に変換することができる。したがって、ブラシレスモータ３０と電磁ブレーキ５０とで極数や相数、スロット数が異なる場合であっても、制御用回転角を適正に検出してブラシレスモータ３０を駆動制御できる。
【００３９】
なお、本発明を適用した実施形態の一例を説明したが、本発明を適用可能な形態は上述した実施形態に限らない。
例えば、電磁ブレーキ５０の制動対象軸は、高速軸であればモータ出力軸３３１でなくともよい。
【００４０】
また、上述した実施形態におけるブラシレスモータ３０及び電磁ブレーキ５０の極・相・スロットの構成は一例であり、他の構成でもよい。何れにせよ、ブラシレスモータ３０の極・相・スロットの構成と、電磁ブレーキ５０の極・相・スロットの構成との関係が既知であれば、その関係を用いて、励磁電圧波形の周期的変化から制御回転角を検出できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  踏切しゃ断機
１０  しゃ断棹
１１  しゃ断棹軸
２０  回転伝達機構
３０  ブラシレスモータ
３１  固定子
３１１，３１３，３１５  コイル
３３  回転子
３３１  モータ出力軸
３３３  永久磁石
５０  電磁ブレーキ
５１  固定子
５１１，５１３  コイル
５３  回転子
６０  モータドライバ
６１  モータ駆動部
６３  モータ制御部
６５  ブレーキ励磁波形変換部
６５１  降圧回路部
６５３  整流回路部
６５５  電圧検出部
６７  回転角検出部
７０  しゃ断機回路
【図１】
0006643033.tif 000002
【図２】
0006643033.tif 000003
【図３】
0006643033.tif 000004
【図４】
0006643033.tif 000005
【図５】
0006643033.tif 000006