JPH08131802A

JPH08131802A - 電動調節式撹拌装置

Info

Publication number: JPH08131802A
Application number: JP27627194A
Authority: JP
Inventors: Susumu Watanabe; 進渡辺
Original assignee: Nippon Gear Co Ltd
Current assignee: Nippon Gear Co Ltd
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 1996-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】撹拌液の性状に応じて、撹拌翼の回転を適正
に制御する。【構成】撹拌液中に沈漬した撹拌翼１２を、三相交流
誘導電動機９により駆動し、回転速度を検出する速度検
出手段１７と、撹拌翼１２の負荷トルクを検出するトル
ク検出手段２０とを備え、検出された回転速度と負荷ト
ルクに基づいて、あらかじめ定めたプログラムにしたが
って、電動機の適正出力を求め、その適正出力となるよ
うに、電動機９を制御することにより、撹拌液の性状に
応じて、撹拌翼１２を、一方向に連続回転させて、又は
検出したトルクが設定したトルクに達する毎に、撹拌翼
１２の回転方向を反転させるようにして、効率よく撹拌
処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合撹拌槽や反応槽な
どに付設された電動機により撹拌翼を回転駆動するよう
にした撹拌装置に関し、特に、撹拌液の性状に応じて、
電動機を適正に制御しうるようにした電動調節式撹拌装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】混合、混練、撹拌などの操作は、各種の
プロセス産業や、環境保全の分野などで広く使用されて
おり、それらの操作の良否は、結果の品質に大きく影響
するために、操作における計測・制御が重要視されてい
る。

【０００３】従来、混合、混練、撹拌などを行う装置と
しては、機械的な要素で構成されたものが、多く用いら
れてきた。

【０００４】また、駆動源としてパルスモータもしくは
サーボモータを用い、電子的に制御するようにしたもの
も知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】機械的に構成された装
置は、構造上の制約や、周辺機器との関係で小型化を図
るのに困難があり、かつ、設定や調整に手間がかかるな
どの問題がある。

【０００６】電子的制御による装置は、上記の機械的な
装置における不都合を改善するためのものであるが、パ
ルスモータやサーボモータが、経済的には比較的小出力
のものに限られる問題がある。

【０００７】また、撹拌トルクを監視して適切に制御す
ることは、モータ電流を検出して測定することにより可
能ではあるが、測定結果が、モータ及び減速機における
機械的なロスを含んだものになるため、正確な撹拌トル
クの監視・制御が不可能であるという問題がある。

【０００８】本発明は、撹拌液の性状に応じて、また、
経時的に変化する処理条件に応じて、撹拌翼の回転数を
適正に制御できるようにして、コンピュータ・プログラ
ムによる自動化や最適制御を行い得るようにした電動調
節式撹拌装置を提供することを目的とする。また、本発
明は、電動機を適正に制御することに関連して、スラジ
等の沈殿物を多量に含む撹拌液の撹拌に際し、撹拌液が
沈殿物中に沈浸している場合でも、安全かつ効率よく撹
拌しうるようにした電動調節式撹拌装置を提供すること
を目的としている。さらに、本発明は、構造が簡単で、
かつ経済性及び実用性のよい電動調節式撹拌装置を提供
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は次のようにして解決される。

【００１０】(１) 撹拌液を収容した撹拌槽と、撹拌槽
に装着された出力可変式の電動機と、減速機構を介して
前記電動機に連係され、かつ少なくとも先端部が前記撹
拌液内に沈漬された回転軸と、回転軸の先端部に設けら
れ、撹拌液を撹拌させる撹拌翼と、回転軸又は回転軸と
連動して回転する部材に連係され、回転軸の回転数を検
出するエンコーダと、回転軸又は回転軸から電動機まで
の動力伝達機構の途中に設けられ、撹拌翼の負荷トルク
を検出するトルク検出センサと、エンコーダの出力とト
ルク検出センサの出力とを入力し、それらの入力値に基
づいて、記憶手段に予め記憶させておいたプログラムに
従って、電動機の適正出力を決定し、電動機の出力が前
記適正出力となるように電動機を制御する制御装置とを
備えるものとする。

【００１１】(２) 上記(１)項において、制御装置に、
撹拌液の性状を入力する入力手段を設けるとともに、記
憶手段に予め記憶させておくプログラム中に、前記性状
の変化を制御因子として予め定めておくようにする。

【００１２】(３) 上記(２)項において、入力手段に入
力する撹拌液の性状を、撹拌液の比重、粘度、液レベル
のいずれかを含むものとする。

【００１３】(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、トルク検出センサを、回転軸の表面に貼着されたス
トレインゲージとする。

【００１４】(５) 上記(４)項において、ストレインゲ
ージに接続した信号線を、回転軸の内部を通して、回転
軸の上端部に設けたスリップリングの可動側端子に接続
し、かつスリップリングの固定側端子を、制御装置の入
力端子に接続する。

【００１５】(６) 上記(１)〜(５)項のいずれかにおい
て、記憶手段の中に予め記憶されたプログラムの中に、
トルク検出センサの出力値が予め定めた設定値に達する
ことにより、電動機の回転方向を反転させるようにした
プログラムを含むものとする。

【００１６】(７) 上記(１)〜(６)項のいずれかにおい
て、記憶手段の中に予め記憶されたプログラムの中に、
トルク検出センサの出力値が予め定めた設定値に達する
ことにより、警報手段を作動させるようにしたプログラ
ムを含むものとする。

【００１７】(８) 上記(１)〜(７)項のいずれかにおい
て、電動機を、三相交流誘導電動機とする。

【００１８】(９) 上記(８)項において、制御装置が、
三相交流誘導電動機をベクトル制御方式によりインバー
タ制御するインバータ制御回路を備えているものとす
る。

【００１９】(10) 撹拌液を収容した撹拌槽と、撹拌槽
に装着された出力可変式の電動機と、減速機構を介して
前記電動機に連係され、かつ少なくとも先端部が前記撹
拌液内に沈漬された回転軸と、回転軸の先端部に設けら
れ、撹拌液を撹拌させる撹拌翼と、回転軸又は回転軸か
ら電動機までの動力伝達機構の途中に設けられ、撹拌翼
の負荷トルクを検出するトルク検出センサと、トルク検
出センサの出力が入力され、かつ入力値が予め定めた設
定トルク値に達することにより、電動機の回転方向を反
転させる制御装置とを備えるものとする。

【００２０】

【作用】電動機の作動により撹拌翼が回転させられ、そ
れによって撹拌液が撹拌される。そのときの撹拌液の性
状により、撹拌翼の負荷トルクが変動するが、その負荷
トルクはトルク検出センサにより検出され、またそのと
きの回転軸の回転数がエンコーダにより検出され、それ
らの検出値が制御装置に入力されて、それらの値に基づ
いて、予め定めたプログラムに従って、電動機の適正出
力が決定され、電動機はその適正出力となるように制御
される。

【００２１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の概略構成図であ
る。

【００２２】フレーム(１)の中に、回転軸の一部とな垂
直な主軸(２)がベアリング(３)により、回転可能に支承
されている。

【００２３】主軸(２)に固着された歯車(４)は、中間歯
車(５)及び(６)を介して駆動側歯車(７)に噛み合い、駆
動側歯車(７)は、カップリング(８)を介して電動機(９)
の出力軸に結合されている。

【００２４】電動機(９)としては、低価格で、保守が容
易な汎用三相誘導モータを用いている。

【００２５】主軸(２)の下部には、カップリング(10)を
介して回転軸(11)が連結され、その下端には、撹拌翼(1
2)が装着されている。

【００２６】撹拌翼(12)は、フレーム(１)の下方に設置
された撹拌槽(13)内の撹拌液の中に浸漬されている。

【００２７】主軸(２)の下端付近に、後述するトルク検
出センサ(14)が付設され、その出力信号は、主軸(２)の
上端に付設されたスリップリング(15)及び増幅器(16)を
介して、制御装置(18)に入力する。

【００２８】また、中間歯車(５)(６)の軸には、ロータ
リーエンコーダ(17)が付設され、その出力は、同じく制
御装置(18)に入力する。ロータリーエンコーダ(17)は、
電動機(９)の軸又は主軸(２)等に付設してもよい。

【００２９】図２は、トルク検出手段を示す概略図で、
主軸(２)に付設されたトルク検出センサ(14)は、カバー
リング(19)を嵌着した主軸(２)のくびれ部に装着された
ストレインゲージ・エレメント(20)で構成されている。

【００３０】ストレインゲージ・エレメント(20)は、４
個の周知の抵抗線歪み計を主軸(２)の面に貼り付けて、
図４に示すようなホイートストン・ブリッジ回路を形成
し、主軸(２)にトルクが加わって生じるねじれ歪みを検
出して、信号を出力する。

【００３１】ストレインゲージ・エレメント(20)に接続
された信号線(20a)は、主軸(２)の内部を通って、主軸
(２)の上端部に設けられた公知のスリップリング(15)に
おける可動側端子(15a)に接続されている。スリップリ
ング(15)における固定側端子(15b)は、アンプ(16)に接
続されている。トルク検出センサ(14)より出力された信
号は、信号線(20a)及びスリップリング(15)を介して制
御装置(18)に送られる。

【００３２】制御装置(18)には、ストレインゲージ・エ
レメント(20)からの信号に加えて、撹拌液の比重、粘
度、液レベルなどを検知する外部センサ又は、それらの
数値を入力する手動入力手段(図示省略)からの信号
(Ｓ₁)が入力される。

【００３３】図３は、制御装置(18)の構成を示すブロッ
ク図で、外部センサ等からの信号(Ｓ₁)は、マイクロプ
ロセッサ(21)に入力する。

【００３４】マイクロプロセッサ(21)は、あらかじめ設
定されたプログラムに基づいて、信号(Ｓ₁)の値に応じ
た適正速度(適正出力)(Ｖ₀)を演算して、ＡＣサーボア
ンプ(22)の減算回路(23)に入力させる。

【００３５】一方、ロータリーエンコーダ(17)の出力信
号は、ＡＣサーボアンプ(22)の速度演算回路(24)に入力
し、電動機(９)の実際の回転速度信号(Ｖ)を演算して、
減算回路(23)に入力させる。

【００３６】減算回路(23)は、両信号(Ｖ₀)と(Ｖ)との
差値に基づいて、速度偏差値(Ｖe)を演算し、トルク指
令演算回路(25)に入力してトルク指令信号(Ｉt)を出力
させ、ベクトル演算回路(26)に入力させる。

【００３７】ベクトル演算回路(26)は、トルク指令信号
(Ｉt)と、外部から初期設定値として与えられる励磁電
流指令信号(Ｉ₀)と、速度演算回路(24)からの回転速度
信号(Ｖ)とに基づいて、電動機(９)の１次電流値(Ｉ₁)
(Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流指令信号(Ｉu)(Ｉv)(Ｉw))
を演算する。この演算については、後述する。

【００３８】１次電流値(Ｉ₁)は、減算回路(27)に入力
され、減算回路(27)においては、この１次電流値(Ｉ₁)
と、後述する最大値選択回路(32)からの信号(Ｉmax)と
に基づいて、電流偏差値(Ｉe)を演算し、この値(Ｉe)
は、給電制御回路(28)に入力される。

【００３９】給電制御回路(28)には、上記の電流偏差値
(Ｉe)が入力して、電流偏差値(Ｉe)に応じた電圧指令信
号(Ｅu)(Ｅv)(Ｅw)を出力する。

【００４０】これらの電圧指令信号を、電動機(９)に、
整流器(29)を経て供給される三相交流電源の各相に設置
されたパワートランジスタ(30)に入力させることによ
り、電動機(９)の回転速度を制御することができる。

【００４１】各相の給電線には、電流検出器(31)が付設
され、それらの検出値は、最大値選択回路(32)により、
３つの電流値の中の最大値(Ｉmax)が選択されて、減算
回路(27)に送られる。

【００４２】給電制御回路(28)には、マイクロプロセッ
サ(21)からの回転方向切換え指令信号(Ｓd)と、トルク
判断器(33)からのトルクリミット信号(ＴL)とが入力す
る。

【００４３】トルク判断器(33)は、トルク検出センサ(1
4)から増幅器(16)を経て入力するトルク検出信号(Ｔ₁)
と、マイクロプロセッサ(21)からのトルク設定値(Ｔ₀)
が入力して、トルク検出信号(Ｔ₁)がトルク設定値(Ｔ₀)
に達すると、トルクリミット信号(ＴL)を出力するよう
に構成されている。

【００４４】トルクリミット信号(ＴL)は、マイクロプ
ロセッサ(21)に入力して、電動機(９)の回転方向切換え
指令信号(Ｓd)を出力させる。

【００４５】ベクトル演算回路(26)は、トルク指令演算
回路(25)からのトルク指令信号(Ｉt)、速度演算回路(2
4)からのモータ回転速度(Ｖ)に基づいて求めた回転角速
度(ωm)、及びＡＣサーボアンプ(22)の外部設定値とし
て与えられた励磁電流指令信号(Ｉ₀)に基づいて、下記
の演算を行って、１次電流値(Ｉ₁)、位相角(φ)、すべ
り周波数(ωs)及び出力周波数(ω₀)をそれぞれ求める。

【００４６】

【数１】

【００４７】

【数２】

【００４８】

【数３】

【００４９】

【数４】

【００５０】１次電流値(Ｉ₁)であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相
の各電流指令信号(Ｉu)(Ｉv)(Ｉw)は、(1)〜(4)式の値
から、次の各式によって演算される。

【００５１】

【数５】

【００５２】すなわち、ベクトル演算回路(26)では、ト
ルク指令信号(Ｉt)を指令することにより、(1)〜(4)式
から１次電流値(Ｉ₁)、１次電流の位相角(φ)、すべり
周波数(ωs)を演算するとともに、実回転速度に応じた
角周波数(ωm)を検出し、これらの(ωs)(ωm)(φ)(Ｉ₁)
を用いて、(5−1)、(5−2)、(5−3)各式により、３相の
１次電流指令信号(Ｉu)(Ｉv)(Ｉw)を演算するものであ
る。

【００５３】電動機(９)は、これらの電流指令信号(Ｉ
u)(Ｉv)(Ｉw)により制御されて、所要の回転方向及び回
転角度範囲で駆動される。

【００５４】マイクロプロセッサ(21)には、プログラム
を、例えば検出トルク値(Ｔ₁)が設定トルク値(Ｔ₀)に達
する毎に、電動機(９)の回転方向を反転させる連続反転
態様と、検出トルク値(Ｔ₁)が設定トルク値(Ｔ₀)に達す
ることにより、電動機(９)の回転を停止させる一方向直
線回転態様とに切換える切換手段(図示略)が設けられて
いる。

【００５５】次に、プログラムを、連続反転態様に切換
えている場合について説明する。図５は、この態様で制
御したときの一例を示すもので、横軸は経過時間、また
縦軸は回転角度を示す。

【００５６】時間軸上の点(０)で起動すると、電動機
(９)は、マイクロプロセッサ(21)からの回転方向指令信
号(Ｓd)により、一方向(たとえば正方向)に回転を始め
る。

【００５７】主軸(２)の回転にともない、撹拌槽(13)内
の撹拌液に浸漬されている撹拌翼(12)に加わる抵抗によ
り、トルク検出センサ(14)からトルク検出値(Ｔ₁)が出
力する。

【００５８】回転速度の増加にともない負荷トルクが増
加して、マイクロプロセッサ(21)からの設定トルク値
(Ｔ₀)に達すると、トルク判断器(33)からトルクリミッ
ト信号(ＴL)がマイクロプロセッサ(31)及び給電制御回
路(28)に入力して、マイクプロセッサ(21)から回転方向
切換え指令信号(Ｓd)が出力し、電動機(９)の回転を正
方向から逆方向に切り換える。

【００５９】逆方向の回転についても、同様に負荷トル
クが増加して、設定トルク値(Ｔ₀)に達すると、マイク
ロプセッサ(21)から回転方向切換え指令信号(Ｓd)が出
力して、電動機(９)の回転を再び正方向に切り換える。

【００６０】すなわち、主軸(２)の負荷トルクが設定ト
ルク値(Ｔ₀)に達するごとに、電動機(９)の回転方向
が、交互に正逆に反転されて、撹拌槽(13)内の撹拌液を
撹拌する。

【００６１】撹拌の進行にともなって、撹拌液の粘度が
低下して、撹拌翼(12)に加わる抵抗が小さくなるため、
負荷トルクが設定トルク値(Ｔ₀)に達するまでの時間が
長くなり、図５に示すように、電動機(９)の回転角度量
が経過時間にほぼ比例的に増加して、撹拌液を効率よく
撹拌することができる。

【００６２】さらに撹拌処理が進行して、撹拌液の粘度
が充分に低下すると、負荷トルクは、設定トルク値
(Ｔ₀)を超えなくなり、正方向あるいは逆方向の一方向
のみの回転により、撹拌が行われる。

【００６３】プログラムを、一方向連続回転態様に切換
えて制御する場合は、撹拌液の粘度が異常に高かった
り、量が過大であったりして、負荷トルクが設定トルク
値(Ｔ₀)をオーバーしたときには、マイクロプロセッサ
(21)から警告信号(Ｓe)を外部プロセス装置に出力さ
せ、アラームを発生させたり、撹拌槽(13)への撹拌液の
送入を停止させる等の処置を行わさせる。

【００６４】

【発明の効果】

(ａ) 回転軸の回転数と撹拌翼の負荷トルクとを常に監
視しながら、それらの値に最適な電動機の適正出力を、
記憶手段に予め記憶させておいたプログラムにより求
め、電動機の出力がその適正出力となるように電動機を
制御するようにしたので、撹拌翼の回転を常時所望通り
に確実かつ安全に制御することができる(請求項１)。

【００６５】(ｂ) 請求項２及び３記載のような構成と
すると、撹拌液の性状に即したよりきめ細かい制御が可
能になる。

【００６６】(ｃ) 請求項４及び５記載のような構成と
すると、構造を簡素化できるとともに、従来の撹拌機構
を、若干の変更を加えるだけで、そのまま使用すること
ができる。

【００６７】(ｄ) 請求項６及び１０記載のような構成
とすると、撹拌液がスラジ等の沈殿物を多量に含んでお
り、しかもその沈殿物中に撹拌翼が埋設している場合で
も、トルク検出センサの検出トルク値が設定トルク値に
達する毎に、撹拌翼の回転方向が反転し、撹拌翼の負荷
トルクが過大になることなく、撹拌液を撹拌翼に近い部
分から徐々に広い範囲にわたって安全に撹拌することが
できる。

【００６８】(ｅ) 請求項７記載のような構成とする
と、トルク検出センサの検出トルク値が設定トルク値に
達したことを警報手段の作動によって知ることができる
ので、安全性がさらに増す。

【００６９】(ｅ) 請求項８及び９記載のような構成と
すると、電動機として、従来のようなバルスモータやサ
ーボモータ等の高価なモータを用いる必要がなく、安価
でしかも高出力の三相交流誘導電動機を用いることがで
きるので、経済的に有利であり、かつ実用性が増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】同じく、要部の拡大概略図である。

【図３】同じく、制御装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図４】同じく、トルク検出センサの電気系統を示すブ
ロツク図である。

【図５】同じく、連続反転態様での一制御例を示す図で
ある。

【符号の説明】

(１) フレーム (２) 主軸(回転軸) (３) ベアリング (４) 主軸歯車 (５)(６) 中間軸歯車 (７) モータ軸歯車 (８) カップリング (９) 電動機（三相交流誘導モータ） (10) カップリング (11) 回転軸 (12) 撹拌翼 (13) 撹拌槽 (14) トルク検出センサ (15) スリップリング (16) アンプ (17) ロータリーエンコーダ (18) 制御装置 (19) カバーリング (20) ストレインゲージ・エレメント (20a) 信号線 (21) マイクロプロセッサ (22) ＡＣサーボアンプ (23) 減算回路 (24) 速度演算回路 (25) トルク指令演算回路 (26) ベクトル演算回路 (27) 減算回路 (28) 給電制御回路 (29) 整流器 (30) パワートランジスタ (31) 電流検出器 (32) 最大値選択回路 (33) トルク判断器 (Ｓ₁) 外部センサからの入力 (Ｓe) 外部プロセス装置への出力 (Ｓd) 回転方向切換え指令信号 (Ｖ) 回転速度値 (Ｖ₀) 適正速度 (Ｖe) 速度偏差値 (Ｉ₀) 勵磁電流指令信号 (Ｉ₁) １次電流 (Ｉt) トルク指令信号 (Ｉe) 電流偏差値 (Ｉu,Ｉv,Ｉw) 三相の各相の電流指令値 (Ｔ₀) 設定トルク値 (Ｔ₁) 検出トルク値 (ＴL) トルクリミット値 (Ｅu,Ｅv,Ｅw) 電圧指令信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撹拌液を収容した撹拌槽と、撹拌槽に装着された出力可変式の電動機と、減速機構を介して前記電動機に連係され、かつ少なくと
も先端部が前記撹拌液内に沈漬された回転軸と、回転軸の先端部に設けられ、撹拌液を撹拌させる撹拌翼
と、回転軸又は回転軸と連動して回転する部材に連係され、
回転軸の回転数を検出するエンコーダと、回転軸又は回転軸から電動機までの動力伝達機構の途中
に設けられ、撹拌翼の負荷トルクを検出するトルク検出
センサと、エンコーダの出力とトルク検出センサの出力とを入力
し、それらの入力値に基づいて、記憶手段に予め記憶さ
せておいたプログラムに従って、電動機の適正出力を決
定し、電動機の出力が前記適正出力となるように電動機
を制御する制御装置とを備えることを特徴とする電動調
節式撹拌装置。
【請求項２】制御装置に、撹拌液の性状を入力する入
力手段を設けるとともに、記憶手段に予め記憶させてお
くプログラム中に、前記性状の変化を制御因子として予
め定めておくようにした請求項１記載の電動調節式撹拌
装置。
【請求項３】入力手段に入力する撹拌液の性状が、撹
拌液の比重、粘度、液レベルのいずれかを含んでいる請
求項２記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項４】トルク検出センサが、回転軸の表面に貼
着されたストレインゲージである請求項１〜３のいずれ
かに記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項５】ストレインゲージに接続した信号線を、
回転軸の内部を通して、回転軸の上端部に設けたスリッ
プリングの可動側端子に接続し、かつスリップリングの
固定側端子を、制御装置の入力端子に接続した請求項４
記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項６】記憶手段の中に予め記憶されたプログラ
ムの中に、トルク検出センサの出力値が予め定めた設定
値に達することにより、電動機の回転方向を反転させる
ようにしたプログラムを含んでいる請求項１〜５のいず
れかに記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項７】記憶手段の中に予め記憶されたプログラ
ムの中に、トルク検出センサの出力値が予め定めた設定
値に達することにより、警報手段を作動させるようにし
たプログラムを含んでいる請求項１〜６のいずれかに記
載の電動調節式撹拌装置。
【請求項８】電動機を、三相交流誘導電動機とした請
求項１〜７のいずれかに記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項９】制御装置が、三相交流誘導電動機をベク
トル制御方式によりインバータ制御するインバータ制御
回路を備えている請求項８記載の電動調節式撹拌装置。
【請求項１０】撹拌液を収容した撹拌槽と、撹拌槽に装着された出力可変式の電動機と、減速機構を介して前記電動機に連係され、かつ少なくと
も先端部が前記撹拌液内に沈漬された回転軸と、回転軸の先端部に設けられ、撹拌液を撹拌させる撹拌翼
と、回転軸又は回転軸から電動機までの動力伝達機構の途中
に設けられ、撹拌翼の負荷トルクを検出するトルク検出
センサと、トルク検出センサの出力が入力され、かつ入力値が予め
定めた設定トルク値に達することにより、電動機の回転
方向を反転させる制御装置とを備えたことを特徴とする
電動調節式撹拌装置。