(57)【要約】　　　（修正有）【課題】舗装路面円形切断装置の駆動装置において、切削径の広範囲の仕様変更に対して適正な回転数と負荷トルクとが維持でき、かつ切削効率の低下なしに対応できる駆動装置を提供する。【解決手段】立設した主軸６の一端に複数の伸縮可能な切削ビーム７を連結し、それらの切削ビーム７の先端部に切削刃９をそれぞれ取り付けた送り装置１０を設け、主軸６を誘導電動機２１で回転駆動してその切削刃９で舗装路面を円形に切削する舗装路面円形切断装置の駆動装置１において、誘導電動機２１の速度を検出する速度検出器と、トルク特性を決定する滑り周波数演算器と、インバータ２３の周波数を決定する周波数演算器と、電圧演算器とを備え、前記周波数演算器と電圧演算器とからの演算出力をそれぞれ前記インバータ２３の周波数指令値及び電圧指令値とする可変周波数インバータ２３で駆動される誘導電動機２１とする。【選択図】　図１
2004137854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立設した主軸の一端に複数の伸縮可能な切削ビームを連結し、それらの切削ビームの先端部にそれぞれ切削刃を取り付けた送り装置を設け、主軸を誘導電動機で回転駆動してその切削刃で舗装路面を円形に切削する舗装路面円形切断装置の駆動装置において、誘導電動機の速度を検出する速度検出器と、トルク特性を決定する滑り周波数演算器と、インバータの周波数を決定する周波数演算器と、前記誘導電動機の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値が予め回路中に入力されている電圧演算器とを備えており、そして使用条件によって最高速度の周波数を設定し舗装路面切断装置の広範囲の切削径に対して切削刃面の適正周速に対応できる周波数設定器を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算器で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度とを加え合わせる加算器を設け、その加算器からの加算値と前記周波数設定器で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器と電圧演算器とに入力するように構成し、前記周波数演算器と電圧演算器とからの演算出力をそれぞれ前記インバータの周波数指令値および電圧指令値とする可変周波数インバータで駆動される高速回転の誘導電動機と、その減速機とを設けていることを特徴とする舗装路面円形切断装置の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マンホール等の舗装路面占有物の周辺を円形に切断する舗装路面円形切断装置の駆動装置に関し、特に、切削径の広範囲の仕様変更に対し、切削効率の低下なしに対応できるように可変周波数インバータを介して誘導電動機を駆動する舗装路面円形切断装置の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の円形切断装置としては、特開平６−１５８６１２号公報及び特開２００２−４２１５号公報が開示されている。そして、それらの切断装置の駆動装置としては、通常ガソリンエンジンまたは回転数制御無しの誘導電動機等が採用されていた。
【０００３】
しかしながら、マンホールのサイズはその種類によって異なるため、切削径の大小に拘わらず回転数を一定で切削すれば、マンホールのサイズが大きくなるにつれ切削効率が低下し、消費電力も増大するので効率的でないという問題があった。また、コンクリート着地時には過大な負荷が掛かるので大容量のモータが必要となるという問題もあった。
【０００４】
【所見】
上記問題点を解決するために、この種の円形切断装置の性能特性を実験により確認した。図８に、本発明による駆動装置である３相２００Ｖ、１０Ａ、減速比１／１４０の誘導電動機（以下、タイプ１と記す）を搭載して、切削径１０００ｍｍ、回転数５６ｒ／ｍｉｎで、かつ、切削刃送り速度を変えて負荷トルクを変化させた場合の実験結果を示す。
図で、●印は実験によって計測した点をプロットしたものである。また、後記する刃先面に作用する押圧力が小さい場合（例えば、１００ｋｇ以下の場合）には、押圧力不足のため運転中に振動を引起こし、架台の浮き上がり現象がみられた。しかし、押圧力を上げ、ある所定値（例えば１２０ｋｇ）に達すると、この現象は無くなって切削音も良くなり、順調に切削できるようになった。
また、切削速度は、回転数が一定の場合には、押圧力に比例して増加することも確認した。なお、上記押圧力は、負荷トルクと押圧力との関係を示す下記の式により、計測した負荷トルクの値から算出したものである。
Ｔ＝μＰ　Ｄ／２　・・・・・・・・・・・・・　（１）
ここで、　Ｔ：負荷トルク
μ：切削刃面とコンクリートとの摩擦係数
Ｐ：切削刃の垂直方向への押圧力（全切削刃面）
Ｄ：切削径
（１）式において、押圧力Ｐを一定（１５０ｋｇ）として、切削径Ｄを代入すれば、各切削径に対する負荷トルクＴが計算出来る。また、切削刃の周速は、早いほど切削速度は速くなるが、上げ過ぎれば運転上からの安全性と消費動力及び切削刃の寿命等の点から好ましくない。
次に、回転数Ｎと周速ｖおよび切削径Ｄとの関係は下記の式により算出される。
Ｎ＝ｖ×６０／πＤ　・・・・・・・・・・・　（２）
したがって、上記（１）および（２）式より、出力に比例する相当仕事量（Ｔ×Ｎ）を一定に保つためには、押圧力Ｐと周速ｖとを一定にすればよいことになる。上記検討結果から、この種の円形切断装置では、性能特性上で最も効率的な駆動を行うには、周速一定（例えば３〜５ｍ／ｓｅｃ）の回転数で、かつ押圧力が一定の場合には、切削径に比例する負荷トルクＴを選べば良いことになる。
【０００５】
図９に、以上の考察に基づいて作成した、回転数：負荷トルクの特性曲線を示す。図において、符号４０、４１、４２で示す曲線は、それぞれ、周速３、４おおよび５ｍ／ｓｅｃの場合の特性曲線である。回転数Ｎは上記（２）式より、負荷トルクＴは上記（１）式より算出したものである。この図に、切削径１０００ｍｍ、１３００ｍｍ及び１５００ｍｍの時のテストデータ（●印）をプロットしたが、曲線４０の近傍で、ほぼ、同じ傾向であることが理解できる。
【０００６】
一方、本出願によるコアドリルの駆動装置が、特許第２７８３５１８号公報に開示されている。これは、誘導電動機の速度を検出する速度検出器と、トルク特性を決定する滑り周波数演算器と、インバータの周波数を決定する周波数演算器と、前記電動機の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値が予め回路中に入力されている電圧演算器とを有するコアドリルの駆動装置において、使用条件によって最高速度の周波数を設定してコアドリルの広範囲のビットサイズに対してビット刃面の適正周速に対応できる周波数設定器を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度を加え合わせる加算器を設け、その加算器からの加算値と前記周波数設定器で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器と電圧演算器とに入力するように構成し、前記周波数演算器と電圧演算器からの演算出力を前記インバータの周波数指令値および電圧指令値とする可変周波数インバータで駆動される高速回転の誘導電動機と、その減速機とが設けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の問題点を解決すべく提案されたものである。すなわち、切削径の広範囲の仕様変更に対して適正な回転数と負荷トルクとが維持でき、かつ切削効率の低下なしに対応でき、また、過負荷にも耐えてモータの損傷を少なくすることができると共に、コンクリート面への接地時に電流を低く保って駆動することができる舗装路面円形切断装置の駆動装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、立設した主軸の一端に複数の伸縮可能な切削ビームを連結し、それらの切削ビームの各先端部に切削刃を取り付けた送り装置を設け、主軸を誘導電動機で回転駆動してその切削刃で舗装路面を円形に切削する舗装路面円形切断装置の駆動装置において、誘導電動機の速度を検出する速度検出器と、トルク特性を決定する滑り周波数演算器と、インバータの周波数を決定する周波数演算器と、前記誘導電動機の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ（印加電圧／周波数）値が予め回路中に入力されている電圧演算器とを備えており、そして使用条件によって最高速度の周波数を設定し舗装路面円形切断装置の広範囲の切削径に対して切削刃面の適正周速に対応できる周波数設定器を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算器で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度とを加え合わせる加算器を設け、その加算器からの加算値と前記周波数設定器で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器と電圧演算器とに入力するように構成し、前記周波数演算器と電圧演算器とからの演算出力をそれぞれ前記インバータの周波数指令値および電圧指令値とする可変周波数インバータで駆動される高速回転の誘導電動機と、その減速機とを設けている。
【０００９】
上記のように構成された舗装路面円形切断装置の駆動装置では、速度検出器で検出された電動機速度が、滑り周波数演算器に入力され、そして、希望する直巻トルク特性に類似したトルク特性となるように滑り周波数が出力される。次に、加算器においてその滑り周波数と前記電動機速度の周波数換算値とが加算され、周波数演算器と電圧演算器とに入力される。その加算値が、最高速度の周波数設定器の設定値以下ではそのままとし、設定値を超える場合はその設定値として出力する。そして、前記周波数演算器と電圧演算器との演算出力を前記インバータの周波数指令値及び電圧指令値としてインバータに入力し、インバータにより高速回転の誘導電動機が駆動される。
このようにして、切削径の仕様変更に対して適正な回転数と負荷トルクとが維持され、切削効率を低下させることなく対応することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
始めに、舗装路面円形切断装置について、その概要を説明する。図１は、その舗装路面円形切断装置の全体構成を示す正面図である。
図において、舗装路面円形切断装置の駆動装置１は、架台２上に設置され、減速機付高速誘導電動機２１と、その制御を行う可変周波数インバータ２３とによって構成されており、架台２に鉛直方向に軸支された主軸６を電動機２１により減速機５を介して回転駆動し、その主軸６の一端に連結した伸縮可能な２組の切削ビーム７を切削径の増減に伴って伸縮し、回転させている。各切削ビーム７の先端部には送り装置８が設けられ、その送り装置８には、切削刃９が取り付けられており、その切削刃９が、送り用駆動装置１０を介して切削面に送ることによって切削が行われる構造となっている。
【００１１】
図２に、本発明の実施形態を示す構成ブロック図を示す。図中の各符号は、２０は減速機、２１は高速回転の誘導電動機、２２は速度検出器、２３はインバータ、２４は周波数演算器、２５は電圧演算器、２６は滑り周波数演算器、２７は最高速度の周波数設定器、２８は加算器をそれぞれ示している。また、ＶＩＮＶはインバータ電圧指令値、ＦＩＮＶはインバータ周波数指令値であり、ＶＦＭは誘導電動機の速度、ＶＦＳは滑り周波数、ＶＦＴは使用条件によって決まる最高速度の周波数、ＶＦ０は誘導電動機の速度ＶＦＭの周波数換算値と滑り周波数ＶＦＳとの加算値である。
かかる構成において、誘導電動機２１から速度検出器２２により電動機速度ＶＦＭが検出されて滑り周波数演算器２６に入力され、希望するトルク特性となるような滑り周波数ＶＦＳが出力されている。次に、加算器２８で電動機速度の周波数換算値ＶＦＭとその滑り周波数ＶＦＳとが加算され、周波数演算器２４と電圧演算器２５とに入力される。
一方、最高速度の周波数設定器２７において使用条件により決まる最高速度の周波数ＶＦＴが設定され、周波数演算器２４と電圧演算器２５とに入力されており、その最高速度の周波数ＶＦＴと加算値ＶＦ０とからインバータの周波数指令値ＦＩＮＶおよび電圧指令値ＶＩＮＶがそれぞれインバータ２３に出力され、インバータによって誘導電動機２１が駆動されている。
【００１２】
図３および図４は本発明の実施形態の説明図である。図３は誘導電動機の等価回路で、符号ｒ１は１次抵抗、ｒ２は１次換算の２次抵抗、Ｌ１は１次漏れインダクタンス、Ｌ２は１次換算の２次漏れインダクタンス、Ｌ０は励磁インダクタンス、Ｓはスリップ、Ｉ１は電動機電流、Ｖ１は端子電圧、ｆは周波数、Ｅ２は２次回路に印加される電圧をそれぞれ示している。
図４は誘導電動機２１の各周波数におけるトルク特性を示す。符号３０〜３３で示すトルク特性曲線は、励磁インダクタンスによって作られる磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値とした時の各周波数における特性曲線である。また、符号３４で示す特性曲線は希望するトルク特性曲線、すなわち直巻トルク特性に類似したトルク特性曲線であり、上記特性曲線３０〜３３とそれぞれ点３５〜３８で交差し、その時の滑り周波数はそれぞれｆｓ１〜ｆｓ４である。
【００１３】
図２において、電動機速度ＶＦＭが滑り周波数演算器２６に入力され、この時滑り周波数演算器２６は、図４において、希望されるトルク特性即ち直巻トルク特性に類似したトルク特性が得られるように滑り周波数ＶＦＳが出力される。
例えば速度ＶＦＭが交差点３７にあるためには、ｆｓ３の滑り周波数だけ加算して出力する必要がある。かくて、加算器２８によって速度ＶＦＭの周波数換算値と滑り周波数ＶＦＳとが加算され、その加算値ＶＦ０が周波数演算器２４と電圧演算器２５とに入力される。周波数演算器２４の回路は一種のリミッタ回路として作用するので、上記加算値ＶＦ０が、最高速度の周波数設定器２７により設定される最高速度の周波数ＶＦＴ以下の場合は、そのまま通過させ、最高速度の周波数ＶＦＴを超える場合は、最高速度の周波数ＶＦＴをそのまま出力する。電圧指令値ＶＩＮＶは低速時においてもトルクが減少しないように、図３の１次抵抗ｒ１と１次漏れインダクタンスＬ１から計算される１次インピータンス（ｒ１＋ｊωＬ１）による電圧降下を補償するように、予め電圧演算器２５に入力されているＶ／ｆ値によりインバータ指令値を演算する。
そうすると、励磁インダクタンスＬ０によってつくられるギャップ磁束数は如何なる周波数においてもー定になるので、低速時においてもトルクは低下しない。演算した値はインバータ２３へ電圧指令値ＶＩＮＶとして出力される。インバータ２３は前記周波数指令値ＦＩＮＶ、電圧指令値ＶＩＮＶを受け誘導電動機２１を駆動する。
上記の動作は連続的に行われるので、図４における直巻トルク特性に類似したトルク特性が得られる。この特性は、高速（例えば２００００ｒｐｍの）誘導電動機の場合、トルク特性曲線の高速域を使用することにより、舗装路面円形切断機の負荷曲線に合ったものとなる。その理由は、励磁電流が低速時の様に充分確保できないためと思われる。
【００１４】
図５は、本発明の第１実施例で、前記タイプ１（３相２００Ｖ、１０Ａ、減速比１／１４０）駆動装置の場合の各回転数におけるトルク、回転数、入口電流および出口（モータ）電流の関係を示す実験データを示している。この図で、実線は特性曲線、２点鎖線４３は入口設定電流１０Ａ、出口電流が定格値以下であるという条件、すなわち、連続運転可能な点を結ぶ曲線を示す。図に見られるように、負荷トルクの変化に拘わらず、回転数を一定に保つ事が出来るという特徴を持つ。また、低速（例えば１０ｒ／ｍｉｎ）においても連続運転可能な特性を持ち、コンクリートに着地時など、モータのオーバーロード無しで運転出来る。
【００１５】
図６は、本発明の第２実施例で、前記タイプ１と同様の方法でテストした駆動装置：３相２００Ｖ、１５Ａ、減速比１／７０（以下、タイプ２と記す）の場合の各回転数におけるトルク、回転数、入口電流及び出口（モータ）電流の関係を示す実験データを示している（駆動装置はパワーアップされている）。図で、実線は特性曲線、２点鎖線４４は前記図５の曲線４３と同じ条件での結果を示している。
【００１６】
次に、本発明の上記第１及び第２実施例について、図５および図６に示したトルク特性曲線４３および４４を図９上にプロットしたのが図７である。
図７において、右側の切削径１５００、１３００、１０００、８００および６００ｍｍのトルクラインは、押圧力一定（１５０ｋｇ）の時の負荷トルクの値を示している。例えば、図に示す切削径１０００ｍｍの時、回転数は、前記第１実施例の曲線４３では６２ｒ／ｍｉｎ（周速３．３ｍ／ｓｅｃ）、第２実施例の曲線４４では１１０ｒ／ｍｉｎ（周速５．９ｍ／ｓｅｃ〉を達成できることを示している。そして、切削径１５００〜６００ｍｍの何れの切削径においても、切削刃面の押圧力は常に一定（すなわち面圧一定）のため切削刃面摩耗も少なく、周速も駆動装置タイプ１またはタイプ２の選択により、約３〜６ｍ／ｓｅｃと増加できるので穿孔速度の上昇が期待できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の舗装路面円形切断装置の駆動装置は、切削径の広範囲の仕様変更に対し適正な回転数と負荷トルクを維持でき、かつ切削効率の低下無しに対応でき、また、過負荷にも耐えてモータの損傷も少なく、接地時の電流も低く保って駆動できるという効果がある。また、切削径が変わっても、常に入口設定電流を変えず連続運転できるという効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】舗装路面円形切断装置の全体配置を示す正面図。
【図２】本発明の実施形態を示す構成ブロック図。
【図３】本発明の実施形態を説明するための誘導電動機の等価回路図。
【図４】本発明の実施形態を説明するための誘導電動機の各周波数におけるトルク特性図。
【図５】本発明の第１実施例の回転数と負荷トルク・入力電流・出力電流の関係を示す特性図。
【図６】本発明の第２実施例の回転数と負荷トルク・入力電流・出口電流の関係を示す特性図。
【図７】本発明の回転数と負荷トルクと切削径の関係を示す特性図。
【図８】切削刃面の押圧力と切削速度の関係を示す実験データ。
【図９】予想特性曲線と実験データとを比較した円形切断装置の回転数と負荷トルクとの比較図。
【符号の説明】
１・・・駆動装置
２・・・架台
５・・・減速機
６・・・主軸
７・・・切削ビーム
８・・・送り装置
９・・・切削刃
１０・・・送り用駆動装置
２０・・・減速機
２１・・・高速回転の誘導電動機
２２・・・速度検出器
２３・・・インバータ
２４・・・周波数演算器
２５・・・電圧演算器
２６・・・滑り周波数演算器
２７・・・最高速度の周波数設定器
２８・・・加算器
３０〜３３・・・各周波数のトルク特性曲線
３４・・・希望するトルク特性曲線
３５〜３８・・各周波数のトルク特性曲線と希望するトルク特性曲線との交点
４０〜４２・・・トルク特性曲線
４３、４４・・・第１および第２実施例のトルク特性曲線
ＶＩＮＶ・・・インバータ電圧指令値
ＦＩＮＶ・・・インバータ周波数指令値
ＶＦＭ・・・誘導電動機の速度
ＶＦＳ・・・滑り周波数
ＶＦＴ・・・最高速度の周波数
ＶＦ０・・・　ＶＦＭ＋ＶＦＳ
ｒ１・・・１次抵抗
ｒ２・・・２次抵抗
Ｌ１・・・１次漏れインダクタンス
Ｌ２・・・１次抵抗の２次漏れインダクタンス
Ｌ０・・・励磁インダクタンス
Ｓ・・・スリップ
Ｉ１・・・電動機電流
Ｖ１・・・端子電圧
ｆ・・・周波数
Ｅ２・・・２次回路に印加される電圧
ｆｓ１〜ｆｓ４・・・滑り周波数
【図１】
2004137854.tif 000003
【図２】
2004137854.tif 000004
【図３】
2004137854.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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