巻上機
【課題】巻き下げ動作で生じる回生エネルギーを巻き上げ動作に利用することにより、回生エネルギーおよび回生エネルギーを処理する回路等を有効利用することのできる巻上機を得る。
【解決手段】本発明に係る巻上機は、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する装置を備えている。
【解決手段】本発明に係る巻上機は、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する装置を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻上機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
巻上機は、重い荷物をモータによって上方に巻き上げる装置である。巻上機の動作は、巻き上げ以外にも、荷物を上方から下方へ巻き下げる動作がある。このとき、鉛直下方向（巻き下げ方向）にＬ（ｍ）移動する質量ｍ（ｋｇ）の荷物は、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とすると、ｍ×ｇ×Ｌ（Ｊ）の重力による位置エネルギーを失う。このエネルギーは、モータから生じる回生エネルギーとなる。
【０００３】
例えば、モータを制御するためインバータを用いている場合、この回生エネルギーが素子の過電流などを引き起こし、故障の原因となる。そのため、回生エネルギーを処理する仕組みが必要である。
【０００４】
従来のインバータを用いた巻上機では、回生エネルギーを抵抗器などに供給し、ジュール熱に変換して消費させる手法が用いられている。その他、下記特許文献１では、回生エネルギーをコンバータによって交流に変換し、電源側に交流帰還させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のインバータを用いた巻上機では、巻き下げ動作で発生する回生エネルギーを消費するため、巻上機本来の動作とは関係のない抵抗器などの装置が必要となっていた。上記特許文献１においても同様に、本来の動作のために必要な回路構成とは別に、回生エネルギーを処理するためのコンバータが別途必要となる。
【０００７】
このような、本来の動作のために必要な回路構成とは別に回生エネルギーを処理するための装置等を有する構成は、巻上機の構成上非効率であるのみならず、回生エネルギーを有効利用できていない点で、巻上機の省エネルギー化の観点から課題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、巻き下げ動作で生じる回生エネルギーを巻き上げ動作に利用することにより、回生エネルギーおよび回生エネルギーを処理する回路等を有効利用することのできる巻上機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る巻上機は、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する装置を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る巻上機によれば、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を貯めておき、巻上機本来の動作である巻き上げ動作を行なうときに貯めた電力を用いることができる。これにより、回生エネルギーおよびこれを処理するための回路等を有効利用して省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るクレーン装置１０００の構成図である。
【図２】巻上横行インバータ装置１５０と走行用インバータ装置２３０の機能ブロック図である。
【図３】巻上用インバータ１５１の回路図である。
【図４】巻上用モータ１３１の動作過程を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るクレーン装置１０００の構成図である。クレーン装置１００は、重い荷物を吊り上げて縦横に移動させる装置であり、巻上機１００、走行用装置２００、入力装置３００を備える。
【００１３】
巻上機１００は、荷物を図１のｚ軸方向に巻き上げ、巻き上げた荷物を図１のｘ軸方向に移動させる装置であり、クレーンフック１１０、ワイヤロープ１２０、巻上用装置１３０、横行用装置１４０、巻上横行インバータ装置１５０を備える。
【００１４】
クレーンフック１１０は、巻き上げる荷物を取り付ける部材である。クレーンフック１１０に荷物を取り付けてワイヤロープ１２０を巻上用装置１３０で巻き取ることにより、荷物を図１のｚ軸方向に巻き上げ、または巻き下げる。
【００１５】
巻上用装置１３０は、巻上用モータ１３１を用いてワイヤロープ１２０を巻き上げ、または巻き下げる装置である。横行用装置１４０は、横行用モータ１４１を用いて巻上機１００を後述の横行用ガーダー２２０に沿って図１のｘ軸方向に移動させる装置である。
【００１６】
巻上横行インバータ装置１５０は、後述の図２で説明する巻上用インバータ１５１と横行用インバータ１５３を制御し、巻上用モータ１３１と横行用モータ１４１を駆動して上記動作を実行する。
【００１７】
走行用装置２００は、図１のｙ軸方向に巻上機１００を移動させる装置であり、走行用モータ２１０、横行用ガーダー２２０、走行用インバータ装置２３０、走行用ガーダー２４０を備える。
【００１８】
走行用モータ２１０は、走行用装置２００を走行用ガーダー２４０に沿って図１のｙ軸方向に移動させる。走行用インバータ装置２３０は、後述の図２で説明する走行用インバータ２３２を制御し、走行用モータ２１０を駆動して上記動作を実行する。
【００１９】
図２は、巻上横行インバータ装置１５０と走行用インバータ装置２３０の機能ブロック図である。以下、各装置の構成について説明する。
【００２０】
巻上横行インバータ装置１５０は、巻上用インバータ１５１、巻上・横行用インバータ制御部１５２、横行用インバータ１５３を備える。
【００２１】
巻上用インバータ１５１は、巻上用モータ１３１に周波数可変の交流電圧を印加して巻上用モータ１３１を所望の運転速度で駆動する。横行用インバータ１５３は、同様に横行用モータ１４１に周波数可変の交流電圧を印加して横行用モータ１４１を所望の運転速度で駆動する。
【００２２】
巻上・横行用インバータ制御部１５２は、巻上用インバータ１５１と横行用インバータ１５３の動作を制御することにより、巻上用モータ１３１と横行用モータ１４１を駆動制御する。また、巻上・横行用インバータ制御部１５２は、モータブレーキ１６１を稼動させ、または解除する。これにより、クレーンフック１１０に取り付けられている荷物を自由落下させることなく、安全にｚ軸方向に移動させることができる。同様に、モータブレーキ１６２を稼動させ、または解除することにより、巻上機１００を安全にｘ軸方向に移動させることができる。
【００２３】
巻上・横行用インバータ制御部１５２は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアを用いて構成することもできるし、マイコンやＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のような演算装置とその動作を規定するソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００２４】
走行用インバータ装置２３０は、走行インバータ制御部２３１、走行用インバータ２３２を備える。
【００２５】
走行用インバータ２３２は、走行用モータ２１０に周波数可変の交流電圧を印加して走行用モータ２１０を駆動する。
【００２６】
走行インバータ制御部２３１は、走行用インバータ２３２の動作を制御することにより走行用モータ２１０を所望の運転速度で駆動する。また、モータブレーキ２５０を稼動させ、または解除することにより、走行用装置２００を安全にｙ軸方向に移動させることができる。
【００２７】
走行インバータ制御部２３１は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアを用いて構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置とその動作を規定するソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００２８】
入力装置３００は、巻上・横行用インバータ制御部１５２と走行インバータ制御部２３１に対して操作指令を出力する。巻上・横行用インバータ制御部１５２と走行インバータ制御部２３１は、この操作指令に基づき各インバータを制御し、これにより各モータを駆動制御して所望の動作を実行する。
【００２９】
図３は、巻上用インバータ１５１の回路図である。巻上用インバータ１５１は、整流部３１、整流コンデンサ３２、駆動素子部３３、回生駆動スイッチ３４、回生抵抗３５、蓄電部３６、負荷判別部３７、スイッチＳＷｒ３８、スイッチＳＷｃ３９、電圧モニタ部４０を備える。
【００３０】
整流部３１と整流コンデンサ３２は、３相交流電力を直流に変換する。駆動素子部３３は、スイッチング素子などを用いて直流を交流に変換し、所望の周波数の交流電力を出力するインバータとして構成されている。
【００３１】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、入力装置３００から受け取った操作指令に基づき、インバータ駆動制御信号を駆動素子部３３に出力する。駆動素子部３３は、インバータ駆動制御信号に基づき、巻上用モータ１３１を所望の速度と回転力で駆動させるための交流電圧を、巻上用モータ１３１に印加する。巻上用モータ１３１は、印加された交流電圧によって駆動し、ワイヤロープ１２０を巻上ドラム１３２によって巻き上げ、または巻き下げて、荷物を所望の速度で上下に移動させる。
【００３２】
蓄電部３６は、例えばキャパシタなどを用いて構成され、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときに生じる回生エネルギーを電気エネルギーとして蓄電する機能を有する。巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｃ３９をＯＮ／ＯＦＦすることにより、蓄電部３６と駆動素子部３３の間の接続を切り替える。回生エネルギーを蓄電するときはスイッチＳＷｃ３９をＯＮにし、蓄電しないときはＯＦＦにする。また、蓄電部３６が蓄電している電気エネルギーを放出するときは、スイッチＳＷｃ３９をＯＮにして蓄電部３６を駆動素子部３３に接続する。
【００３３】
蓄電部３６の具体的な構成として、例えば大容量、高速充電、放電が可能な電気二重層キャパシタを用いることが考えられる。その他の蓄電機能を有するデバイス等を用いることもできる。ただし、蓄電容量、充放電するための時間などの仕様を、巻上機１００が実際に持ち上げる荷物の重量、巻き下げ動作時に発生する回生エネルギーの量などに合わせて調整する必要がある。
【００３４】
回生抵抗３５は、蓄電部３６が回生エネルギーを蓄電しないとき、回生エネルギーを熱エネルギーとして消費させるための電気抵抗である。巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をＯＮ／ＯＦＦすることにより、回生抵抗３５と駆動素子部３３の間の接続を切り替える。回生エネルギーを消費させるときはスイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をＯＮにし、消費させないときは少なくともいずれか一方をＯＦＦにする。スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４は、いずれか一方を設けずに省略してもよい。
【００３５】
負荷判別部３７は、クレーンフック１１０に取り付けられている荷物の重量を判別し、その判別結果を巻上・横行インバータ制御部１５２に出力する。荷物の重量を判別する手法には、任意の公知技術を用いることができる。また、負荷判別部３７は例えば電流などの検出値のみを巻上・横行インバータ制御部１５２に出力し、実際に荷物の重量を算出する処理は巻上・横行インバータ制御部１５２が実行するようにしてもよい。
【００３６】
電圧モニタ部４０は、直流母線間電圧Ｖｐｎを監視し、その測定値を巻上・横行インバータ制御部１５２に出力する。
【００３７】
本発明における「第１スイッチ」は、スイッチＳＷｃ３９が相当する。「第２スイッチ」は、スイッチＳＷｒ３８が相当する。「第３スイッチ」は、回生駆動スイッチ３４が相当する。
【００３８】
以上、クレーン装置１０００および巻上機１００の構成を説明した。なお、図３では蓄電部３６と回生抵抗３５を双方備える構成を説明したが、蓄電部３６の蓄電容量が必要とされる容量を満たし、充放電に要する時間が十分に短ければ、回生抵抗３５、スイッチＳＷｒ３８、回生駆動スイッチ３４を設けなくともよい。
【００３９】
以上のように、本実施の形態１に係る巻上機１００は、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときに生じる回生エネルギーを蓄電する蓄電部３６を備える。これにより、回生エネルギーを全て消費させることなく貯めておき、後に巻き上げ動作を行なうときなどのエネルギー源として貯めておいた電気エネルギーを用いることができる。すなわち、回生エネルギーを有効利用することができるので、巻上機１００の省エネルギー化の観点から好ましい。
【００４０】
また、本実施の形態１において、巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｃ３９をＯＮ／ＯＦＦすることにより、蓄電部３６に回生エネルギーを蓄電させるか否かを切り替えることができる。これにより、蓄電部３６の充電容量に合った最適な充電時間で回生エネルギーを蓄電することができる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２では、巻上機１００の動作を、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作によって生じる回生エネルギーの観点から詳細に検討する。また、蓄電部３６が必要とする容量についても併せて検討する。なお、各機器の構成は実施の形態１と同様である。
【００４２】
図４は、巻上用モータ１３１の動作過程を示すタイムチャートである。以下では、図４の各期間で生じる回生エネルギーおよび巻き上げ動作に必要となるエネルギーについて検討する。
【００４３】
（１）巻き下げ動作によって生じる回生エネルギー
巻下方向に荷物（質量ｍ）が移動すると、重力の位置エネルギーの減少分に相当する巻上用モータ１３１において回生エネルギーＥｋとして生じる。スイッチＳＷｃ３９をＯＮにすると、回生エネルギーＥｋが蓄電部３６に電荷として充電される。この充電エネルギーは、次の巻上動作に必要なエネルギー源として用いることができる。以下では、このメカニズムについて説明する。
【００４４】
図３の右下に示すように、質量ｍ（ｋｇ）の荷物が静止状態から距離Ｌ（ｍ）巻下方向に速度ｖ（ｍ／ｓ）で移動したとき、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とすれば、力学的エネルギー保存則により下記（式１）が成立する。
【００４５】
【数１】
【００４６】
上記（式１）の右辺の第１項Ｅｋは重力による位置エネルギーの変化で生じる回生エネルギー（Ｊ）の総量を表し、第２項は質量ｍ（ｋｇ）の運動エネルギー（Ｊ）を表す。
【００４７】
生じた回生エネルギーＥｋ（Ｊ）は、蓄電部３６に充電される充電エネルギーＥα（Ｊ）、機械損を含む巻上用モータ１３１の効率損失（Ｊ）、駆動素子部３３の熱損（Ｊ）などの消費エネルギーＥβ（Ｊ）、および、回生抵抗３５による熱損Ｅγ（Ｊ）に分解される。これにより、下記（式２）が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、巻上・横行インバータ制御部１５２はスイッチＳＷｒ３８をＯＦＦにする。これにより、回生抵抗３５への電流経路が遮断され、回生抵抗３５が回生エネルギーを熱エネルギーとして消費することはない。すなわち、蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、Ｅγ＝０（Ｊ）となる。
【００５０】
したがって、蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、上記（式２）に基づき下記（式３）が導かれる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
定格質量Ｍ（ｋｇ）の荷物を定格速度ｖ０（ｍ／ｓ）で時間ｔＲ（ｓ）だけ巻き下げて距離Ｌｄ（ｍ）移動させると、上記（式１）（式３）より、下記（式４）が成立する。蓄電部３６の蓄電容量は、下記（式４）のＥα（Ｊ）に基づき定めることができる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
（２）巻上加速期間で必要となるエネルギー
巻上用モータ１３１の巻上動作において、定格質量Ｍ（ｋｇ）の荷物を静止状態から速度ｖ０（ｍ／ｓ）に至るまで加速する時に必要となる巻上加速エネルギーＥａ（Ｊ）は、加速期間中の移動距離をＬａ（ｍ）とすると、下記（式５）により得られる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
加速期間の時間をｔａ（ｓ）とし、加速度が加速期間中で一定であるとすると、移動距離Ｌａ（ｍ）は下記（式６）によって得られる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）において必要となるエネルギーを蓄電部３６に蓄電されている電気エネルギーによって補うために必要な充電エネルギーＥａ（Ｊ）は、蓄電部３６の充電容量をＣ（Ｆ）、回生電圧をＶｐｎとすると、上記（式５）（式６）より、下記（式７）で算出することができる。
【００５９】
【数７】
【００６０】
蓄電部３６に必要な充電容量Ｃ（Ｆ）は、上記（式７）より、下記（式８）となる。
【００６１】
【数８】
【００６２】
例えば、定格質量Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻上加速時間ｔａ＝２（ｓ）、定格巻上速度ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、（式８）よりＣ＝０．０４５（Ｆ）となる。蓄電部３６の充電容量は、この値を満たすようにすればよい。
【００６３】
（３）巻上加速期間と定格速度巻上期間に必要となるエネルギーの合計
巻き上げ時の加速動作が完了し、定格速度ｖ０（ｍ／ｓ）で荷物を巻き上げる距離をＬｕ（ｍ）、巻上動作時間をｔｕ（ｓ）とする。この期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）の巻上動作に必要な巻上エネルギーＥｕ（Ｊ）およびＬｕ（ｍ）は、それぞれ下記（式９）（式１０）で表される。
【００６４】
【数９】
【００６５】
【数１０】
【００６６】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）および定格速度巻き上げ期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）において必要となるエネルギーを蓄電部３６に蓄電されている電気エネルギーによって補うため蓄電部３６が必要とする充電容量Ｃ（Ｆ）は、（式７）（式９）（式１０）より、下記（式１１）となる。
【００６７】
【数１１】
【００６８】
定格質量Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻上加速時間ｔａ＝２（ｓ）、定格巻上速度ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、定格速度巻上時間ｔｕ＝１０（ｓ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、（式１１）よりＣ＝０．７１（Ｆ）となる。蓄電部３６の充電容量は、この値を満たすようにすればよい。
【００６９】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）と定格速度巻上期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）の双方において必要となるエネルギーを、蓄電部３６が蓄電している電気エネルギーのみによって補おうとすると、蓄電部３６の充電容量Ｃが大きくなり、部品コストが大幅に高くなる可能性がある。そこで、例えば巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）において必要となるエネルギーのみ蓄電部３６を用いて補うなどして、蓄電部３６の充電容量Ｃを調整してもよい。
【００７０】
このとき、蓄電部３６の充電容量Ｃは比較的小さくなるので、回生エネルギーを全て充電することができない可能性がある。その場合は、回生抵抗３５を併用し、蓄電部３６が充電しきれない分を熱エネルギーとして消費させるとよい。
【００７１】
以上、本実施の形態２では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作によって生じる回生エネルギーおよび蓄電部３６が必要とする容量について説明した。
【００７２】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作期間において生じる回生エネルギーを蓄電部３６が充電する際の充電時間について検討する。なお、各機器の構成は実施の形態１と同様である。
【００７３】
一般に、巻上機１００を用いて巻き下げる荷物は毎回異なる場合がある。そのため、巻き下げ時に生じる回生エネルギーを蓄電部３６に充電させる量を各回で等しく維持するためには、巻き下げる荷物の質量差を考慮に入れて、必要な充電時間を検討しなければならない。同様に、巻き下げ速度の差も考慮に入れる必要がある。以下、その検討過程を説明する。
【００７４】
質量ｍ（ｋｇ）の荷物が速度ｖ（ｍ／ｓ）でＬｄ’（ｍ）の距離を巻下方向に移動する場合、移動時間をｔｄ（ｓ）とすれば、生じる回生エネルギーＥｄ（Ｊ）は、上記（式４）より、下記（式１２）となる。
【００７５】
【数１２】
【００７６】
このとき蓄電部３６に充電される充電エネルギーＥｄ（Ｊ）は、下記（式１３）で表される。
【００７７】
【数１３】
【００７８】
質量ｍ（ｋｇ）の荷物を巻き下げた場合において、定格質量Ｍの荷物を巻き下げた場合の充電エネルギーＥαと等しい充電エネルギーを得るために必要な充電時間ｔｄは、上記（式４）（式１２）（式１３）より、下記（式１４）で算出することができる。
【００７９】
【数１４】
【００８０】
蓄電部３６の充電容量Ｃ（Ｆ）は、（式８）または（式１１）いずれかで算出される値から選択することができる。
【００８１】
例えば、荷物質量ｍ＝Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻下速度ｖ＝ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、Ｃ＝０．０４５（Ｆ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、ｔｄ≒０．７（ｓ）となる。同様に、荷物質量ｍ＝Ｍ／２＝１５００（ｋｇ）、巻下速度ｖ＝ｖ０／２＝０．０７５（ｍ／ｓ）とした場合、ｔｄ≒２．８（ｓ）となる。 回生エネルギーを蓄電部３６に充電する時間ｔｄは、以上の手順によって求められる。
【００８２】
以上、本実施の形態３では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作期間において生じる回生エネルギーを蓄電部３６が充電する際の充電時間について説明した。
【００８３】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４では、実施の形態２〜３で説明した事項に基づき、巻上・横行インバータ制御部１５２が各スイッチを切り替える動作を説明する。各機器の構成は、実施の形態１と同様である。
【００８４】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、負荷判定部３７より荷物質量ｍを取得し、駆動素子部３３が出力する交流電圧の周波数などに基づき巻下速度ｖを取得し、さらには電圧モニタ部４０からＶｐｎを取得して、上記演算式を用いて充電時間ｔｄを算出する。
【００８５】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときは、充電時間ｔｄの間だけスイッチＳＷｃ３９をＯＮにし、蓄電部３６に回生エネルギーを充電させる。
【００８６】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、蓄電部３６の充電が完了すると、スイッチＳＷｃ３９をＯＦＦにするとともにスイッチＳＷｒ３８をＯＮにし、回生抵抗３５をいつでも接続できるようにしておく。
【００８７】
回生エネルギーによって直流母線電圧Ｖｐｎが上昇して整流コンデンサ３２に過電圧が印加されると、巻上用インバータ１５１が破損してしまう。そこで巻上・横行インバータ制御部１５２は、電圧モニタ部４０の検出値を監視し、直流母線電圧Ｖｐｎが所定の閾値まで上昇した時点で、回生駆動スイッチ３４をＯＮにする。以後は、回生エネルギーは回生抵抗３５で熱エネルギーとして消費され、直流母線間電圧Ｖｐｎは降下する。これにより、巻上用インバータ１５１の過電圧破損を防ぐことができる。
【００８８】
なお、巻上・横行インバータ制御部１５２は、より安全に巻上用インバータ１５１を動作させるため、蓄電部３６の充電が完了した時点で、スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をともにＯＮにしてもよい。
【００８９】
＜実施の形態５＞
実施の形態２〜４では、巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）または定格速度巻上期間（ｔａ＜ｔ≦ｔｕ）において必要となるエネルギーを、一定速度ｖで巻き下げるときに生じる回生エネルギーで補うことを説明した。本発明の実施の形態５では、加速巻下期間および減速巻下期間について説明する。
【００９０】
図４の「巻下動作」期間では、一定速度ｖで荷物を巻き下げる期間の前後で、加速巻下期間および減速巻下期間が存在する。加速巻下期間は、荷物が静止している状態から、巻下速度が一定速度ｖに達するまでの期間である。減速巻下期間は、一定速度ｖで荷物を巻き下げている状態から、荷物を静止させるまでの期間である。
【００９１】
減速巻下期間があまりにも長いと、オペレータが荷物の巻き下げを停止するよう指示してから実際に荷物が静止するまでの時間が長くなり、荷物が地面などに衝突する可能性があるため、危険である。そこで、減速巻下期間は例えば０．５（ｓ）程度の短い時間に設定されることが望ましい。
【００９２】
これに起因して、減速巻下期間では、巻上用モータ１３１の出力を大きくしてトルクを上げる必要がある。そのため、短い時間に大きな回生エネルギーが生じることになるので、過電圧が生じやすいといえる。
【００９３】
そこで、巻上・横行インバータ制御部１５２は、減速巻下期間では常にスイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をともにＯＮにし、回生エネルギーが回生抵抗３５で確実に消費されるようにしてもよい。
【００９４】
減速巻下期間と比較して、加速巻下期間に対する時間的制約は比較的緩いため、例えば加速巻下期間を長めに確保することにより、急激な電圧上昇を防ぐことができる。
【００９５】
また、以上の実施の形態２〜４では、一定速度ｖで巻き下げるときに生じる回生エネルギーを蓄電部３６に充電させることを説明したが、加速巻下期間または減速巻下期間で生じる回生エネルギーを充電させてもよい。
【００９６】
＜実施の形態６＞
以上の実施の形態１〜５で説明した、回生エネルギーを蓄電部３６に充電させて有効利用する手法は、走行用モータ２１０をモータブレーキ２５０で停止させるときに生じる回生エネルギーなどについても同様に適用することができる。
【００９７】
ただし、走行用装置２００は、オペレータが入力装置３００を用いて走行用装置２００を停止させるよう指示してから実際に停止するまでの時間間隔に対する制約が緩いため、巻上機１００と比較して回生エネルギーはあまり生じない。そのため回生エネルギーを有効利用する観点からは、大きな効果は得にくいといえる。
【符号の説明】
【００９８】
１００：巻上機、１１０：クレーンフック、１２０：ワイヤロープ、１３０：巻上用装置、１３１：巻上用モータ、１３２：巻上ドラム、１４０：横行用装置、１４１：横行用モータ、１５０：巻上横行インバータ装置、１５１：巻上用インバータ、１５２：巻上・横行用インバータ制御部、１５３：横行用インバータ、１６１〜１６２：モータブレーキ、２００：走行用装置、２１０：走行用モータ、２２０：横行用ガーダー、２３０：走行用インバータ装置、２３１：走行インバータ制御部、２３２：走行用インバータ、２４０：走行用ガーダー、２５０：モータブレーキ、３００：入力装置、３１：整流部、３２：整流コンデンサ、３３：駆動素子部、３４：回生駆動スイッチ、３５：回生抵抗、３６：蓄電部、３７：負荷判別部、３８：スイッチＳｗｒ、３９：スイッチＳＷｃ、４０：電圧モニタ部、１０００：クレーン装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻上機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
巻上機は、重い荷物をモータによって上方に巻き上げる装置である。巻上機の動作は、巻き上げ以外にも、荷物を上方から下方へ巻き下げる動作がある。このとき、鉛直下方向（巻き下げ方向）にＬ（ｍ）移動する質量ｍ（ｋｇ）の荷物は、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とすると、ｍ×ｇ×Ｌ（Ｊ）の重力による位置エネルギーを失う。このエネルギーは、モータから生じる回生エネルギーとなる。
【０００３】
例えば、モータを制御するためインバータを用いている場合、この回生エネルギーが素子の過電流などを引き起こし、故障の原因となる。そのため、回生エネルギーを処理する仕組みが必要である。
【０００４】
従来のインバータを用いた巻上機では、回生エネルギーを抵抗器などに供給し、ジュール熱に変換して消費させる手法が用いられている。その他、下記特許文献１では、回生エネルギーをコンバータによって交流に変換し、電源側に交流帰還させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のインバータを用いた巻上機では、巻き下げ動作で発生する回生エネルギーを消費するため、巻上機本来の動作とは関係のない抵抗器などの装置が必要となっていた。上記特許文献１においても同様に、本来の動作のために必要な回路構成とは別に、回生エネルギーを処理するためのコンバータが別途必要となる。
【０００７】
このような、本来の動作のために必要な回路構成とは別に回生エネルギーを処理するための装置等を有する構成は、巻上機の構成上非効率であるのみならず、回生エネルギーを有効利用できていない点で、巻上機の省エネルギー化の観点から課題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、巻き下げ動作で生じる回生エネルギーを巻き上げ動作に利用することにより、回生エネルギーおよび回生エネルギーを処理する回路等を有効利用することのできる巻上機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る巻上機は、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する装置を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る巻上機によれば、モータが巻き下げ動作を行なうときに生じる回生電力を貯めておき、巻上機本来の動作である巻き上げ動作を行なうときに貯めた電力を用いることができる。これにより、回生エネルギーおよびこれを処理するための回路等を有効利用して省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るクレーン装置１０００の構成図である。
【図２】巻上横行インバータ装置１５０と走行用インバータ装置２３０の機能ブロック図である。
【図３】巻上用インバータ１５１の回路図である。
【図４】巻上用モータ１３１の動作過程を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るクレーン装置１０００の構成図である。クレーン装置１００は、重い荷物を吊り上げて縦横に移動させる装置であり、巻上機１００、走行用装置２００、入力装置３００を備える。
【００１３】
巻上機１００は、荷物を図１のｚ軸方向に巻き上げ、巻き上げた荷物を図１のｘ軸方向に移動させる装置であり、クレーンフック１１０、ワイヤロープ１２０、巻上用装置１３０、横行用装置１４０、巻上横行インバータ装置１５０を備える。
【００１４】
クレーンフック１１０は、巻き上げる荷物を取り付ける部材である。クレーンフック１１０に荷物を取り付けてワイヤロープ１２０を巻上用装置１３０で巻き取ることにより、荷物を図１のｚ軸方向に巻き上げ、または巻き下げる。
【００１５】
巻上用装置１３０は、巻上用モータ１３１を用いてワイヤロープ１２０を巻き上げ、または巻き下げる装置である。横行用装置１４０は、横行用モータ１４１を用いて巻上機１００を後述の横行用ガーダー２２０に沿って図１のｘ軸方向に移動させる装置である。
【００１６】
巻上横行インバータ装置１５０は、後述の図２で説明する巻上用インバータ１５１と横行用インバータ１５３を制御し、巻上用モータ１３１と横行用モータ１４１を駆動して上記動作を実行する。
【００１７】
走行用装置２００は、図１のｙ軸方向に巻上機１００を移動させる装置であり、走行用モータ２１０、横行用ガーダー２２０、走行用インバータ装置２３０、走行用ガーダー２４０を備える。
【００１８】
走行用モータ２１０は、走行用装置２００を走行用ガーダー２４０に沿って図１のｙ軸方向に移動させる。走行用インバータ装置２３０は、後述の図２で説明する走行用インバータ２３２を制御し、走行用モータ２１０を駆動して上記動作を実行する。
【００１９】
図２は、巻上横行インバータ装置１５０と走行用インバータ装置２３０の機能ブロック図である。以下、各装置の構成について説明する。
【００２０】
巻上横行インバータ装置１５０は、巻上用インバータ１５１、巻上・横行用インバータ制御部１５２、横行用インバータ１５３を備える。
【００２１】
巻上用インバータ１５１は、巻上用モータ１３１に周波数可変の交流電圧を印加して巻上用モータ１３１を所望の運転速度で駆動する。横行用インバータ１５３は、同様に横行用モータ１４１に周波数可変の交流電圧を印加して横行用モータ１４１を所望の運転速度で駆動する。
【００２２】
巻上・横行用インバータ制御部１５２は、巻上用インバータ１５１と横行用インバータ１５３の動作を制御することにより、巻上用モータ１３１と横行用モータ１４１を駆動制御する。また、巻上・横行用インバータ制御部１５２は、モータブレーキ１６１を稼動させ、または解除する。これにより、クレーンフック１１０に取り付けられている荷物を自由落下させることなく、安全にｚ軸方向に移動させることができる。同様に、モータブレーキ１６２を稼動させ、または解除することにより、巻上機１００を安全にｘ軸方向に移動させることができる。
【００２３】
巻上・横行用インバータ制御部１５２は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアを用いて構成することもできるし、マイコンやＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のような演算装置とその動作を規定するソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００２４】
走行用インバータ装置２３０は、走行インバータ制御部２３１、走行用インバータ２３２を備える。
【００２５】
走行用インバータ２３２は、走行用モータ２１０に周波数可変の交流電圧を印加して走行用モータ２１０を駆動する。
【００２６】
走行インバータ制御部２３１は、走行用インバータ２３２の動作を制御することにより走行用モータ２１０を所望の運転速度で駆動する。また、モータブレーキ２５０を稼動させ、または解除することにより、走行用装置２００を安全にｙ軸方向に移動させることができる。
【００２７】
走行インバータ制御部２３１は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアを用いて構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置とその動作を規定するソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００２８】
入力装置３００は、巻上・横行用インバータ制御部１５２と走行インバータ制御部２３１に対して操作指令を出力する。巻上・横行用インバータ制御部１５２と走行インバータ制御部２３１は、この操作指令に基づき各インバータを制御し、これにより各モータを駆動制御して所望の動作を実行する。
【００２９】
図３は、巻上用インバータ１５１の回路図である。巻上用インバータ１５１は、整流部３１、整流コンデンサ３２、駆動素子部３３、回生駆動スイッチ３４、回生抵抗３５、蓄電部３６、負荷判別部３７、スイッチＳＷｒ３８、スイッチＳＷｃ３９、電圧モニタ部４０を備える。
【００３０】
整流部３１と整流コンデンサ３２は、３相交流電力を直流に変換する。駆動素子部３３は、スイッチング素子などを用いて直流を交流に変換し、所望の周波数の交流電力を出力するインバータとして構成されている。
【００３１】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、入力装置３００から受け取った操作指令に基づき、インバータ駆動制御信号を駆動素子部３３に出力する。駆動素子部３３は、インバータ駆動制御信号に基づき、巻上用モータ１３１を所望の速度と回転力で駆動させるための交流電圧を、巻上用モータ１３１に印加する。巻上用モータ１３１は、印加された交流電圧によって駆動し、ワイヤロープ１２０を巻上ドラム１３２によって巻き上げ、または巻き下げて、荷物を所望の速度で上下に移動させる。
【００３２】
蓄電部３６は、例えばキャパシタなどを用いて構成され、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときに生じる回生エネルギーを電気エネルギーとして蓄電する機能を有する。巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｃ３９をＯＮ／ＯＦＦすることにより、蓄電部３６と駆動素子部３３の間の接続を切り替える。回生エネルギーを蓄電するときはスイッチＳＷｃ３９をＯＮにし、蓄電しないときはＯＦＦにする。また、蓄電部３６が蓄電している電気エネルギーを放出するときは、スイッチＳＷｃ３９をＯＮにして蓄電部３６を駆動素子部３３に接続する。
【００３３】
蓄電部３６の具体的な構成として、例えば大容量、高速充電、放電が可能な電気二重層キャパシタを用いることが考えられる。その他の蓄電機能を有するデバイス等を用いることもできる。ただし、蓄電容量、充放電するための時間などの仕様を、巻上機１００が実際に持ち上げる荷物の重量、巻き下げ動作時に発生する回生エネルギーの量などに合わせて調整する必要がある。
【００３４】
回生抵抗３５は、蓄電部３６が回生エネルギーを蓄電しないとき、回生エネルギーを熱エネルギーとして消費させるための電気抵抗である。巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をＯＮ／ＯＦＦすることにより、回生抵抗３５と駆動素子部３３の間の接続を切り替える。回生エネルギーを消費させるときはスイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をＯＮにし、消費させないときは少なくともいずれか一方をＯＦＦにする。スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４は、いずれか一方を設けずに省略してもよい。
【００３５】
負荷判別部３７は、クレーンフック１１０に取り付けられている荷物の重量を判別し、その判別結果を巻上・横行インバータ制御部１５２に出力する。荷物の重量を判別する手法には、任意の公知技術を用いることができる。また、負荷判別部３７は例えば電流などの検出値のみを巻上・横行インバータ制御部１５２に出力し、実際に荷物の重量を算出する処理は巻上・横行インバータ制御部１５２が実行するようにしてもよい。
【００３６】
電圧モニタ部４０は、直流母線間電圧Ｖｐｎを監視し、その測定値を巻上・横行インバータ制御部１５２に出力する。
【００３７】
本発明における「第１スイッチ」は、スイッチＳＷｃ３９が相当する。「第２スイッチ」は、スイッチＳＷｒ３８が相当する。「第３スイッチ」は、回生駆動スイッチ３４が相当する。
【００３８】
以上、クレーン装置１０００および巻上機１００の構成を説明した。なお、図３では蓄電部３６と回生抵抗３５を双方備える構成を説明したが、蓄電部３６の蓄電容量が必要とされる容量を満たし、充放電に要する時間が十分に短ければ、回生抵抗３５、スイッチＳＷｒ３８、回生駆動スイッチ３４を設けなくともよい。
【００３９】
以上のように、本実施の形態１に係る巻上機１００は、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときに生じる回生エネルギーを蓄電する蓄電部３６を備える。これにより、回生エネルギーを全て消費させることなく貯めておき、後に巻き上げ動作を行なうときなどのエネルギー源として貯めておいた電気エネルギーを用いることができる。すなわち、回生エネルギーを有効利用することができるので、巻上機１００の省エネルギー化の観点から好ましい。
【００４０】
また、本実施の形態１において、巻上・横行インバータ制御部１５２は、スイッチＳＷｃ３９をＯＮ／ＯＦＦすることにより、蓄電部３６に回生エネルギーを蓄電させるか否かを切り替えることができる。これにより、蓄電部３６の充電容量に合った最適な充電時間で回生エネルギーを蓄電することができる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２では、巻上機１００の動作を、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作によって生じる回生エネルギーの観点から詳細に検討する。また、蓄電部３６が必要とする容量についても併せて検討する。なお、各機器の構成は実施の形態１と同様である。
【００４２】
図４は、巻上用モータ１３１の動作過程を示すタイムチャートである。以下では、図４の各期間で生じる回生エネルギーおよび巻き上げ動作に必要となるエネルギーについて検討する。
【００４３】
（１）巻き下げ動作によって生じる回生エネルギー
巻下方向に荷物（質量ｍ）が移動すると、重力の位置エネルギーの減少分に相当する巻上用モータ１３１において回生エネルギーＥｋとして生じる。スイッチＳＷｃ３９をＯＮにすると、回生エネルギーＥｋが蓄電部３６に電荷として充電される。この充電エネルギーは、次の巻上動作に必要なエネルギー源として用いることができる。以下では、このメカニズムについて説明する。
【００４４】
図３の右下に示すように、質量ｍ（ｋｇ）の荷物が静止状態から距離Ｌ（ｍ）巻下方向に速度ｖ（ｍ／ｓ）で移動したとき、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とすれば、力学的エネルギー保存則により下記（式１）が成立する。
【００４５】
【数１】
【００４６】
上記（式１）の右辺の第１項Ｅｋは重力による位置エネルギーの変化で生じる回生エネルギー（Ｊ）の総量を表し、第２項は質量ｍ（ｋｇ）の運動エネルギー（Ｊ）を表す。
【００４７】
生じた回生エネルギーＥｋ（Ｊ）は、蓄電部３６に充電される充電エネルギーＥα（Ｊ）、機械損を含む巻上用モータ１３１の効率損失（Ｊ）、駆動素子部３３の熱損（Ｊ）などの消費エネルギーＥβ（Ｊ）、および、回生抵抗３５による熱損Ｅγ（Ｊ）に分解される。これにより、下記（式２）が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、巻上・横行インバータ制御部１５２はスイッチＳＷｒ３８をＯＦＦにする。これにより、回生抵抗３５への電流経路が遮断され、回生抵抗３５が回生エネルギーを熱エネルギーとして消費することはない。すなわち、蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、Ｅγ＝０（Ｊ）となる。
【００５０】
したがって、蓄電部３６へ回生エネルギーを充電している期間では、上記（式２）に基づき下記（式３）が導かれる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
定格質量Ｍ（ｋｇ）の荷物を定格速度ｖ０（ｍ／ｓ）で時間ｔＲ（ｓ）だけ巻き下げて距離Ｌｄ（ｍ）移動させると、上記（式１）（式３）より、下記（式４）が成立する。蓄電部３６の蓄電容量は、下記（式４）のＥα（Ｊ）に基づき定めることができる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
（２）巻上加速期間で必要となるエネルギー
巻上用モータ１３１の巻上動作において、定格質量Ｍ（ｋｇ）の荷物を静止状態から速度ｖ０（ｍ／ｓ）に至るまで加速する時に必要となる巻上加速エネルギーＥａ（Ｊ）は、加速期間中の移動距離をＬａ（ｍ）とすると、下記（式５）により得られる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
加速期間の時間をｔａ（ｓ）とし、加速度が加速期間中で一定であるとすると、移動距離Ｌａ（ｍ）は下記（式６）によって得られる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）において必要となるエネルギーを蓄電部３６に蓄電されている電気エネルギーによって補うために必要な充電エネルギーＥａ（Ｊ）は、蓄電部３６の充電容量をＣ（Ｆ）、回生電圧をＶｐｎとすると、上記（式５）（式６）より、下記（式７）で算出することができる。
【００５９】
【数７】
【００６０】
蓄電部３６に必要な充電容量Ｃ（Ｆ）は、上記（式７）より、下記（式８）となる。
【００６１】
【数８】
【００６２】
例えば、定格質量Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻上加速時間ｔａ＝２（ｓ）、定格巻上速度ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、（式８）よりＣ＝０．０４５（Ｆ）となる。蓄電部３６の充電容量は、この値を満たすようにすればよい。
【００６３】
（３）巻上加速期間と定格速度巻上期間に必要となるエネルギーの合計
巻き上げ時の加速動作が完了し、定格速度ｖ０（ｍ／ｓ）で荷物を巻き上げる距離をＬｕ（ｍ）、巻上動作時間をｔｕ（ｓ）とする。この期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）の巻上動作に必要な巻上エネルギーＥｕ（Ｊ）およびＬｕ（ｍ）は、それぞれ下記（式９）（式１０）で表される。
【００６４】
【数９】
【００６５】
【数１０】
【００６６】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）および定格速度巻き上げ期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）において必要となるエネルギーを蓄電部３６に蓄電されている電気エネルギーによって補うため蓄電部３６が必要とする充電容量Ｃ（Ｆ）は、（式７）（式９）（式１０）より、下記（式１１）となる。
【００６７】
【数１１】
【００６８】
定格質量Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻上加速時間ｔａ＝２（ｓ）、定格巻上速度ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、定格速度巻上時間ｔｕ＝１０（ｓ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、（式１１）よりＣ＝０．７１（Ｆ）となる。蓄電部３６の充電容量は、この値を満たすようにすればよい。
【００６９】
巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）と定格速度巻上期間（ｔａ＜ｔ≦ｔａ＋ｔｕ）の双方において必要となるエネルギーを、蓄電部３６が蓄電している電気エネルギーのみによって補おうとすると、蓄電部３６の充電容量Ｃが大きくなり、部品コストが大幅に高くなる可能性がある。そこで、例えば巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）において必要となるエネルギーのみ蓄電部３６を用いて補うなどして、蓄電部３６の充電容量Ｃを調整してもよい。
【００７０】
このとき、蓄電部３６の充電容量Ｃは比較的小さくなるので、回生エネルギーを全て充電することができない可能性がある。その場合は、回生抵抗３５を併用し、蓄電部３６が充電しきれない分を熱エネルギーとして消費させるとよい。
【００７１】
以上、本実施の形態２では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作によって生じる回生エネルギーおよび蓄電部３６が必要とする容量について説明した。
【００７２】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作期間において生じる回生エネルギーを蓄電部３６が充電する際の充電時間について検討する。なお、各機器の構成は実施の形態１と同様である。
【００７３】
一般に、巻上機１００を用いて巻き下げる荷物は毎回異なる場合がある。そのため、巻き下げ時に生じる回生エネルギーを蓄電部３６に充電させる量を各回で等しく維持するためには、巻き下げる荷物の質量差を考慮に入れて、必要な充電時間を検討しなければならない。同様に、巻き下げ速度の差も考慮に入れる必要がある。以下、その検討過程を説明する。
【００７４】
質量ｍ（ｋｇ）の荷物が速度ｖ（ｍ／ｓ）でＬｄ’（ｍ）の距離を巻下方向に移動する場合、移動時間をｔｄ（ｓ）とすれば、生じる回生エネルギーＥｄ（Ｊ）は、上記（式４）より、下記（式１２）となる。
【００７５】
【数１２】
【００７６】
このとき蓄電部３６に充電される充電エネルギーＥｄ（Ｊ）は、下記（式１３）で表される。
【００７７】
【数１３】
【００７８】
質量ｍ（ｋｇ）の荷物を巻き下げた場合において、定格質量Ｍの荷物を巻き下げた場合の充電エネルギーＥαと等しい充電エネルギーを得るために必要な充電時間ｔｄは、上記（式４）（式１２）（式１３）より、下記（式１４）で算出することができる。
【００７９】
【数１４】
【００８０】
蓄電部３６の充電容量Ｃ（Ｆ）は、（式８）または（式１１）いずれかで算出される値から選択することができる。
【００８１】
例えば、荷物質量ｍ＝Ｍ＝３０００（ｋｇ）、巻下速度ｖ＝ｖ０＝０．１５（ｍ／ｓ）、回生電圧Ｖｐｎ＝３７０（Ｖ）、Ｃ＝０．０４５（Ｆ）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）とすると、ｔｄ≒０．７（ｓ）となる。同様に、荷物質量ｍ＝Ｍ／２＝１５００（ｋｇ）、巻下速度ｖ＝ｖ０／２＝０．０７５（ｍ／ｓ）とした場合、ｔｄ≒２．８（ｓ）となる。 回生エネルギーを蓄電部３６に充電する時間ｔｄは、以上の手順によって求められる。
【００８２】
以上、本実施の形態３では、巻上用モータ１３１の巻き下げ動作期間において生じる回生エネルギーを蓄電部３６が充電する際の充電時間について説明した。
【００８３】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４では、実施の形態２〜３で説明した事項に基づき、巻上・横行インバータ制御部１５２が各スイッチを切り替える動作を説明する。各機器の構成は、実施の形態１と同様である。
【００８４】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、負荷判定部３７より荷物質量ｍを取得し、駆動素子部３３が出力する交流電圧の周波数などに基づき巻下速度ｖを取得し、さらには電圧モニタ部４０からＶｐｎを取得して、上記演算式を用いて充電時間ｔｄを算出する。
【００８５】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、巻上用モータ１３１が巻き下げ動作を行なうときは、充電時間ｔｄの間だけスイッチＳＷｃ３９をＯＮにし、蓄電部３６に回生エネルギーを充電させる。
【００８６】
巻上・横行インバータ制御部１５２は、蓄電部３６の充電が完了すると、スイッチＳＷｃ３９をＯＦＦにするとともにスイッチＳＷｒ３８をＯＮにし、回生抵抗３５をいつでも接続できるようにしておく。
【００８７】
回生エネルギーによって直流母線電圧Ｖｐｎが上昇して整流コンデンサ３２に過電圧が印加されると、巻上用インバータ１５１が破損してしまう。そこで巻上・横行インバータ制御部１５２は、電圧モニタ部４０の検出値を監視し、直流母線電圧Ｖｐｎが所定の閾値まで上昇した時点で、回生駆動スイッチ３４をＯＮにする。以後は、回生エネルギーは回生抵抗３５で熱エネルギーとして消費され、直流母線間電圧Ｖｐｎは降下する。これにより、巻上用インバータ１５１の過電圧破損を防ぐことができる。
【００８８】
なお、巻上・横行インバータ制御部１５２は、より安全に巻上用インバータ１５１を動作させるため、蓄電部３６の充電が完了した時点で、スイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をともにＯＮにしてもよい。
【００８９】
＜実施の形態５＞
実施の形態２〜４では、巻上加速期間（ｔ≦ｔａ）または定格速度巻上期間（ｔａ＜ｔ≦ｔｕ）において必要となるエネルギーを、一定速度ｖで巻き下げるときに生じる回生エネルギーで補うことを説明した。本発明の実施の形態５では、加速巻下期間および減速巻下期間について説明する。
【００９０】
図４の「巻下動作」期間では、一定速度ｖで荷物を巻き下げる期間の前後で、加速巻下期間および減速巻下期間が存在する。加速巻下期間は、荷物が静止している状態から、巻下速度が一定速度ｖに達するまでの期間である。減速巻下期間は、一定速度ｖで荷物を巻き下げている状態から、荷物を静止させるまでの期間である。
【００９１】
減速巻下期間があまりにも長いと、オペレータが荷物の巻き下げを停止するよう指示してから実際に荷物が静止するまでの時間が長くなり、荷物が地面などに衝突する可能性があるため、危険である。そこで、減速巻下期間は例えば０．５（ｓ）程度の短い時間に設定されることが望ましい。
【００９２】
これに起因して、減速巻下期間では、巻上用モータ１３１の出力を大きくしてトルクを上げる必要がある。そのため、短い時間に大きな回生エネルギーが生じることになるので、過電圧が生じやすいといえる。
【００９３】
そこで、巻上・横行インバータ制御部１５２は、減速巻下期間では常にスイッチＳＷｒ３８と回生駆動スイッチ３４をともにＯＮにし、回生エネルギーが回生抵抗３５で確実に消費されるようにしてもよい。
【００９４】
減速巻下期間と比較して、加速巻下期間に対する時間的制約は比較的緩いため、例えば加速巻下期間を長めに確保することにより、急激な電圧上昇を防ぐことができる。
【００９５】
また、以上の実施の形態２〜４では、一定速度ｖで巻き下げるときに生じる回生エネルギーを蓄電部３６に充電させることを説明したが、加速巻下期間または減速巻下期間で生じる回生エネルギーを充電させてもよい。
【００９６】
＜実施の形態６＞
以上の実施の形態１〜５で説明した、回生エネルギーを蓄電部３６に充電させて有効利用する手法は、走行用モータ２１０をモータブレーキ２５０で停止させるときに生じる回生エネルギーなどについても同様に適用することができる。
【００９７】
ただし、走行用装置２００は、オペレータが入力装置３００を用いて走行用装置２００を停止させるよう指示してから実際に停止するまでの時間間隔に対する制約が緩いため、巻上機１００と比較して回生エネルギーはあまり生じない。そのため回生エネルギーを有効利用する観点からは、大きな効果は得にくいといえる。
【符号の説明】
【００９８】
１００：巻上機、１１０：クレーンフック、１２０：ワイヤロープ、１３０：巻上用装置、１３１：巻上用モータ、１３２：巻上ドラム、１４０：横行用装置、１４１：横行用モータ、１５０：巻上横行インバータ装置、１５１：巻上用インバータ、１５２：巻上・横行用インバータ制御部、１５３：横行用インバータ、１６１〜１６２：モータブレーキ、２００：走行用装置、２１０：走行用モータ、２２０：横行用ガーダー、２３０：走行用インバータ装置、２３１：走行インバータ制御部、２３２：走行用インバータ、２４０：走行用ガーダー、２５０：モータブレーキ、３００：入力装置、３１：整流部、３２：整流コンデンサ、３３：駆動素子部、３４：回生駆動スイッチ、３５：回生抵抗、３６：蓄電部、３７：負荷判別部、３８：スイッチＳｗｒ、３９：スイッチＳＷｃ、４０：電圧モニタ部、１０００：クレーン装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷物の巻上と巻下を行う巻上機であって、
巻上動作と巻下動作を行なうモータと、
前記モータが巻下動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する蓄電装置と、
を備えたことを特徴とする巻上機。
【請求項２】
前記蓄電装置と前記モータを接続するか否かを切り替える第１スイッチと、
前記第１スイッチを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の巻上機。
【請求項３】
前記制御部は、
前記モータが前記巻上動作を行なう期間のうち前記モータを加速する期間において、
前記第１スイッチをＯＮにして前記蓄電装置と前記モータを接続し前記蓄電装置が蓄積している電力を前記モータに供給する
ことを特徴とする請求項２記載の巻上機。
【請求項４】
前記蓄電装置は、
前記モータが前記巻上動作を行なう期間のうち前記モータを加速する期間において前記モータが必要とする電力を蓄積することができる容量を有し、
前記制御部は、
前記モータが巻下動作を行なうとき前記第１スイッチをＯＮにして前記回生電力を前記蓄電装置に蓄積する
ことを特徴とする請求項３記載の巻上機。
【請求項５】
前記モータが巻下動作を行なうときに生じる回生電力を消費する回生抵抗を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の巻上機。
【請求項６】
前記回生抵抗と前記モータを接続するか否かを切り替える第２スイッチを備え、
前記制御部は、
前記回生電力が前記蓄電装置の容量を超えて生じるときは、
前記第２スイッチをＯＮにして余剰の前記回生電力を前記回生抵抗で消費させる
ことを特徴とする請求項５記載の巻上機。
【請求項７】
前記モータを駆動するインバータと、
前記第２スイッチがＯＮになっている状態で前記回生抵抗を前記モータに接続するか否かをさらに切り替える第３スイッチと、
前記インバータの直流母線間電圧を検出する電圧モニタ部と、
を備え、
前記制御部は、
前記回生電力が前記蓄電装置の容量を超えて生じるときは、
前記第２スイッチをＯＮにするとともに前記第３スイッチをＯＦＦにして前記回生抵抗を前記モータから切断しておき、
前記直流母線間電圧が所定閾値以上となった時点で前記第３スイッチをＯＮにして余剰の前記回生電力を前記回生抵抗で消費させる
ことを特徴とする請求項６記載の巻上機。
【請求項１】
荷物の巻上と巻下を行う巻上機であって、
巻上動作と巻下動作を行なうモータと、
前記モータが巻下動作を行なうときに生じる回生電力を蓄電する蓄電装置と、
を備えたことを特徴とする巻上機。
【請求項２】
前記蓄電装置と前記モータを接続するか否かを切り替える第１スイッチと、
前記第１スイッチを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の巻上機。
【請求項３】
前記制御部は、
前記モータが前記巻上動作を行なう期間のうち前記モータを加速する期間において、
前記第１スイッチをＯＮにして前記蓄電装置と前記モータを接続し前記蓄電装置が蓄積している電力を前記モータに供給する
ことを特徴とする請求項２記載の巻上機。
【請求項４】
前記蓄電装置は、
前記モータが前記巻上動作を行なう期間のうち前記モータを加速する期間において前記モータが必要とする電力を蓄積することができる容量を有し、
前記制御部は、
前記モータが巻下動作を行なうとき前記第１スイッチをＯＮにして前記回生電力を前記蓄電装置に蓄積する
ことを特徴とする請求項３記載の巻上機。
【請求項５】
前記モータが巻下動作を行なうときに生じる回生電力を消費する回生抵抗を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の巻上機。
【請求項６】
前記回生抵抗と前記モータを接続するか否かを切り替える第２スイッチを備え、
前記制御部は、
前記回生電力が前記蓄電装置の容量を超えて生じるときは、
前記第２スイッチをＯＮにして余剰の前記回生電力を前記回生抵抗で消費させる
ことを特徴とする請求項５記載の巻上機。
【請求項７】
前記モータを駆動するインバータと、
前記第２スイッチがＯＮになっている状態で前記回生抵抗を前記モータに接続するか否かをさらに切り替える第３スイッチと、
前記インバータの直流母線間電圧を検出する電圧モニタ部と、
を備え、
前記制御部は、
前記回生電力が前記蓄電装置の容量を超えて生じるときは、
前記第２スイッチをＯＮにするとともに前記第３スイッチをＯＦＦにして前記回生抵抗を前記モータから切断しておき、
前記直流母線間電圧が所定閾値以上となった時点で前記第３スイッチをＯＮにして余剰の前記回生電力を前記回生抵抗で消費させる
ことを特徴とする請求項６記載の巻上機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１３６８３８（Ｐ２０１１−１３６８３８Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１（Ｐ２０１０−２４１）
【出願日】平成２２年１月４日（２０１０．１．４）
【出願人】（５０２１２９９３３）株式会社日立産機システム (1,140)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月４日（２０１０．１．４）
【出願人】（５０２１２９９３３）株式会社日立産機システム (1,140)
【Ｆターム（参考）】
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