JPH0986741A

JPH0986741A - ロールスタンドブレーキ

Info

Publication number: JPH0986741A
Application number: JP7284307A
Authority: JP
Inventors: Chaatoku Aran; アラン・チャートク
Original assignee: Certek Corp
Current assignee: Certek Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】取付けが容易でかつ顕著なコストの低減が可
能なブレーキをロールスタンドアームに取付ける方法を
提供する。【解決手段】ブレーキ（２６）はロール用スタンド
（１０）のウェブ張力を制御するのに使用され、発電機
として作用する。その発電機のローターの軸（３８）は
ロール用スタンドの芯棒（１６）に装着されている。ロ
ーター（３６）は発電機のステーター組立体（５２）に
支持されており、芯棒（１６）は発電機全体を支持す
る。従って、可撓性カップリングや発電機の過度な軸方
向突出がなくなる。別の形態では、発電機のステーター
（５２）はロールスタンドアーム（１２）に直接装着さ
れていて発電機のローター及びステーターの間の芯合わ
せがアーム（１２）の芯棒（１６）の軸受け部分で設定
される。発電機負荷の制御について電流フィードバック
により正確なウェブ張力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロール用スタンド
に支持されているロールのウェブに張力をかけるブレー
キに関し、特定すると、負荷に連結された発電機として
作用する形式のブレーキであって、回転するロールによ
り駆動されたとき、ロールに牽引力を作用しロールから
巻戻されるウェブ材料に張力を付与するブレーキに関す
る。

【従来の技術】シート状材料を最終的な物品に変換する
多くの工業的な工程は、ロール用スタンドに支持されて
いてロール状になった材料から始まり、ロールからシー
ト状材料が巻戻されることにより開始される。かかる工
程の殆どにおいて、その制御が重要となる工程上の変数
はウェブの張力である。このため、ロールが巻戻される
ときのロール用スタンドにかかるブレーキ力はロールの
回転に抵抗し、それ故にウェブに張力をかける。この目
的に使用される殆どのブレーキは空気圧、液圧又は電磁
気力により作動する摩擦ブレーキである。摩擦ブレーキ
が使用される場合、ブレーキパッド及びローターのディ
スク又はドラムは摩耗を生じ、頻繁な点検を必要とす
る。また、これらは作業場や生産品を汚染する塵埃を発
生する。更に、幾つかの設備では、ブレーキの温度を安
全な程度に維持しかつブレーキの摩耗の割合を低減する
ために、空気圧又は水による洗浄を必要とする。摩擦ブ
レーキと比較して、発電機式のブレーキは顕著な長所を
有することは明らかである。即ち、発電機式のブレーキ
は摩擦ブレーキと比較して、それほど摩耗や塵埃を発生
しない。その上、発電機により発生する動力は電気の形
態であり、遠隔バラスト抵抗へ容易に伝えて大気に安全
に散逸させるか、又は他のプロセスに使用することがで
きる。空気圧式又は液圧式に対する発電機式ブレーキの
別の長所は、そのトルクを直接電子的手段により迅速に
変化させることができることであり、従って、張力制御
装置は、ある意味ではブレーキキャリパーのような機械
的部品の動作に依存する電子−空気圧式又は電子−油圧
式の変調器を使用する場合より、潜在的に応答性がよ
い。従って、この目的に発電機式ブレーキを使用するべ
く多数の提案が長年に亙りなされてきたことは驚くには
当たらない。しかしながら、そのような多くの提案にも
拘わらず、全てのウェブ張力制御に使用される形式のも
のは、排他的ではないにしても大型のロールには、摩擦
式ブレーキが広く使用されている。発電機式ブレーキを
使用する大型の装置においてさえ、幾つかの場合におい
ては摩擦ブレーキと比較してコストの節約という点で不
利であった。ブレーキが摩擦式であるか発電機式である
かとは無関係に、制御装置は、例えばウェブ材が引出さ
れるにつれてロールの半径が変化するにもかかわらず、
張力を所望の大きさに維持するように作動しなければな
らない。かかる制御装置の初期の例としては、ミラー
（Ｍｉｌｌｅｒ）に付与された米国特許第２、０５２、
７８８号に記載されたものがある。これは、一定のウェ
ブ速度でブレーキ力を一定に保持することにより、一定
のウェブ張力を発生させるという認識に基づいている。
動力はトルクと角速度の産物であるから、ミラーは発電
機の負荷回路に誘導子を設けて、ウェブがロールから引
出されるにつれて発生するロール半径の減少に伴い、ロ
ールの角速度−従って発電機の出力周波数−が増加する
につれて、発電機の出力電流−従って発電機のトルク−
が減少するようになっている。摩擦ブレーキにおける類
似の方法は、ロール半径を監視する検出アーム又は超音
波センサーを使用して、監視される半径が減少するにつ
れてブレーキトルクを減少させ、張力の増加を回避する
ような制御装置で行われている。ミラーの発明及びロー
ル半径検出装置は双方とも、開ループブレーキトルク制
御装置である。それほど高い張力精度が必要でない場合
に使用されるものであれば、これらの装置は発電機電流
及びロールの半径のような計測値に基づくものであり、
比較的低価格で製作できる。しかしながら、高い張力制
御が必要とされる場合は、張力をより直接的に制御する
装置が注目されている。かかる解決方法の一つはダンサ
ーロールを使用する方法、即ち、重力又は例えば空気圧
シリンダー等により負荷がかけられていて、上下に又は
前後に移動するロールを使用する方法であり、この方法
は、ダンサーロールが作動範囲の中央点に維持される限
り、ウェブに一定の張力を作用させる。ダンサーロール
装置におけるブレーキトルク制御方法はダンサーロール
の位置を検知しかつブレーキトルクを制御してダンサー
ロールの位置を実質的に一定保持することである。

【発明が解決しようとする課題】ダンサーロール装置
は、かなり緩やかな装置において変動する場合には比較
的正確であるが、通常はある装置においては、ロールの
効率により生じる外乱のような広帯域の外乱に対する応
答性を低くする遅延の問題がある。更に、特別な装置の
ための場所がないため、ダンサーロールを取付ける改装
が必要なため、かかる装置の使用を非実用的なものにす
る可能性がある。設備に当初から取付ける場合でも、こ
の方法は高価なものとなる。ダンサーロール、支持軸受
及び軸ハンガーは高価である。このことは幅広のウェブ
の場合に特に言えることである。その理由は、ダンサー
ロールが大幅な変形を避けるため相当に大きな径のダン
サーロールが必要とされるからである。高価であるとい
う問題点は、必要な精度を得るために必要な巻付け角度
がアイドラーローラを更に設けることによってのみ確保
されるという状況のもとで、重大になっている。ロール
の慣性にかなり由来するダンサーロールの遅延という問
題点を減少するため、幾つかの装置では、アイドラーロ
ーラ及びウェブ張力から生じるアイドラーロールの軸受
の半径方向負荷を計測するロードセルを使用することに
より張力を直接計測している。最終的な出力は目標値と
比較されて、付与されるブレーキ力が比較による誤差出
力に基づいて決定される。かかる装置は少なくとも高い
精度をもたらすという利点を有しており、それらはダン
サーロール機構より応答が早い。しかしながら、それら
の装置はダンサーロール機構と同じ改装上の困難性を有
しており、少なくとも通常は高い費用が必要である。

【課題を解決するための手段】本発明は、ブレーキをロ
ール用スタンドアームに取付ける方法を改良することに
より受け入れ易さや利便性の顕著な増加及び顕著なコス
トの低減ができる、という認識に基づいている。本発明
の一つの形態は、発電機のローターがロールスタンドア
ームそれ自身に直接装着されかつそれにより支持されて
いる。これは、軸方向凹部を有する発電機のローターを
設けることで達成される。この軸方向凹部はロールスタ
ンドアームの軸を受入れており、従って、ローターはこ
の軸に装着されかつこの軸で支持される。このような装
着方法を採用することにより、本発明では発電機と軸を
自動的に芯合わせする。これにより、発電機式のロール
用スタンドに取付けるブレーキの広範な採用に対する大
きな障壁として認識されていたものが解消される。特
に、慣用的な軸を有する発電機式ブレーキをロール用ス
タンドの軸に連結する場合は、これまでは高トルク可撓
性カップリングを使用していた。このことは高価である
ばかりでなく寸法が長すぎるような構造となり、作業用
通路に突出た状態となっていた。一方、本発明による
と、発電機式ブレーキは、可撓性カップリングを必要と
するというこの形式の芯合わせ問題を自動的に解消し、
かつ作業用通路に軸方向への突出しを最小限に止めるよ
うな取付け方法となっている。本発明の別の態様では、
改装するのにより適用可能なものであり、ローター軸は
前述のとおり中央の凹所でロールスタンドアームを受入
れるが、ステーターはローターに回転可能に装着され
て、発電機が軸のユニットとして装着される。それによ
り、別の装置に関連してシャフトハング（ｓｈａｆｔ−
ｈｕｎｇ）形状として知られているように、軸はステー
ター及びローターの双方を支持する。この場合も芯合わ
せは可撓性カップリングなしで自動的に行われる。本発
明の態様の双方とも、改良されたブレーキ制御装置であ
る本発明の別の態様からの恩恵を受けている。この態様
は、ブレーキ制御装置について注目されている高い精度
を得るためダンサーロール又は張力測定装置のような高
価な方法に頼る必要はないという認識に基づいている。
制動力がかかったロールからウェブを引出すのに費やさ
れる動力は、ロールのトルクと角速度の積として又はウ
ェブの速度と張力の積として計算されるという原理を使
用する。ある意味では、上述のメラーの発明のような開
ループトルク方法のあるものはかかる原理を使用してい
る。しかし本発明は、これら２つの積を等式化すること
により、他の３つの数値からウェブ張力を推定でき、そ
の決定は張力を直接計測するのと比較して極めて安価で
あるという利点を十分に利用する。特に、本発明はトル
クを表示するものとして低価格で計測できる発電機電流
を検知する。また、ウェブ速度と発電機の角速度の直接
計測は、例えば角度エンコダーを使用して低価格で得る
ことができるため、双方を直接計測することも、ロール
の半径を計測して他の数値から一つの数値を推定するこ
ともできる。次に、電流の測定値をフィードバックさせ
て、計測された電流値レベルと目標電流値レベルの間の
差異に応答して発電機の負荷を制御し、他の計測表示は
所望の張力を達成するのに必要とされる。この数値は正
確に決定できる。それは、一般的に、発電機電流はウェ
ブがロールに与えるトルクに対し簡単な比例関係にない
けれども、発電機電流からトルクを想定するのに必要な
数値は安価に計測できるからである。このことは以下の
記載から明らかとなるであろう。

【発明の実施の形態】本発明が採用する形式のロールを
支持するロール用スタンド（以下ロールスタンドと呼
ぶ）１０はベース１１を備え、このベース１１は望まし
くはアクチュエータ１４により概ね水平方向に伸長する
ロールスタンドアーム１２を支持しており、アクチュエ
ータ１４はアーム１２を上げ下げするのに使用される。
このアーム１２は軸受ブロックを備えており、軸受ブロ
ックは、伸縮自在のコアチャック１８の軸１６又はコア
軸と係合するコレットのような他のコア連結具が設けら
れていて、ウェブ材のロール２２の芯部を支持しかつそ
れと捩り方向に係合する。ロールスタンド１０がロール
スタンドアーム１２を支持するためにアクチュエータ１
４のような作動装置を使用する場合、図１及び図２に点
線で示すように工程が停止したがロールがまだ排出され
ないとき、通常はアームが下方に枢動することが可能に
なり、その結果、テール（ｔａｉｌ）ロールが床面上で
静止し、転がすことにより取除くことができる。ウェブ
の張力を制御するため、本発明においてロールの回転に
より駆動される発電機の形態をしたブレーキ２６が使用
される。図１ないし図４に示す実施例では、ブレーキは
軸に保持された状態で装着されていて、以下により詳細
に説明するように、芯棒１６の外側突出部２８により支
持されている。図１ないし図４に示す実施例では芯棒１
６はブレーキ２６を完全に支持しているが、発電機のス
テーターは回転しないようにしなければならず、従っ
て、発電機のハウジングは、アーム１２のピン３２が係
合する非回転アーム３０の形状をしている。突出部２８
にブレーキを装着したことにより、複雑かつ高価な可撓
性カップリングを使用する必要が有るという潜在的な芯
合わせ問題が解消される。かかる装着方法により、従来
の装置においてよく見受けられる過剰に軸方向に長い発
電ブレーキ装置のような配置をせずにすむ。それによ
り、フォークリフト又は搬送機械が頻繁に通る作業通路
にブレーキが突出するのを最小限にする。図３に示すよ
うに、ブレーキ２６は発電機として設けられており、そ
のローター３６は半径方向に伸長するディスク４０内に
開口する中空軸３８を備えている。鋳鋼の如き磁力線透
過性の円筒状磁石である「バッキロン（ｂａｃｋｉｒｏ
ｎ）」リング４２がディスク４０の外端部から軸方向に
延び永久磁石４４を支持する。軸取付け式の構造は中空
軸３８で形成される凹部が芯棒の突出部２８を受けるこ
とにより可能となる。図示された実施例では、中空軸の
軸方向外側部分は半径方向内側に傾斜した面４６を形成
し、その傾斜面に対してボルト４８が固定コレットをく
さび止めしてローター３６を芯棒１６に固着する。これ
は図３に示されており、ロールスタンドアーム１２によ
り形成された軸受ブロックのベアリング５１で支持され
ている。発電機のステータはステーター組立体５２を備
えており、ステーター組立体５２は外側ハウジング並び
にベアリング５８を担持する発電機の軸受ブロックのハ
ブ部分５６を形成し、ベアリング５８により中空のロー
ター軸３８がステーター内で支持される。このように、
ローターはステーターを支持しかつコアチャックの芯棒
１６はローターを支持する。図３及び図４を同時に参照
することにより理解されるように、ステーター組立体５
２は更にコア積層体６２が嵌合する発電機の軸受ブロッ
クフレーム部分６０を備えている。電機子巻線６４がコ
ア積層体の周りを取巻いている。図１ないし図４の軸取
付け構造は、設備改装の場合に特に有利であり、新たな
ブレーキは、当初は異なった形式で構成された既存のロ
ールスタンドに取付けられるが、本発明の軸取付け構造
は、複雑なカップリングを不要にする利点を提供するよ
うな配置のみに限られない。図５は、アームが発電機式
ブレーキの取付け又は取替えのため構成されたロールス
タンドを想定した別の構成を示している。図５の配置に
おいて、ローター３６’は、図１ないし図４の実施例の
ローターのように、芯棒１６’で支持されている。しか
しながら、この実施例の芯棒１６’はステーター組立体
５２’を付加的に支持するのではなく、ローター軸３
８’はステーター内で支持されない。そのかわり、ステ
ーター組立体５２’は芯棒１６’を介するのではなく直
接アームで支持されており、この実施例ではアームの軸
受箱が設けられた交換可能な軸受カートリッジ６６に装
着されていてボルト６８によりアームの本体に固定され
ることが望ましい。発電機及びカートリッジはこの実施
例では、できれば伸縮自在なコアチャック及び芯棒を含
めて、一緒に製作される。発電機及びカートリッジをユ
ニットとして工場組立することにより、必要なローター
とステーターの芯合わせがなされ、ステーターは分離し
て支持されるため、図３のベアリング５８に対応する分
離用ベアリングは、発電機のステーターの電機子及びロ
ーターの磁石の軸方向位置決めには必要とされない。即
ち、発電機のローターは芯棒のアーム軸受５１’で担持
される。双方の実施例において、ローターは、ステータ
ーに装着された電機子巻線の半径方向外方に配設された
永久磁界源を備えている。本発明のより広い教示によれ
ば、このような配置は必要ではないが、この配置は一定
の効果を有する。永久磁石は回路を幾分簡素化させ、銅
損を減少させ、比較的コンパクトな磁界源を構成する。
図示の実施例のように、このコンパクトな磁界源が電機
子巻線の外側に配設されているときは、発電機の間隙
は、界磁石が同じ大きさの発電機の電機子巻線の軸方向
内側に配設された場合より大きい半径で設定される。フ
ィールドギャップ（ｆｉｅｌｄ−ｇａｐ）領域、従って
牽引力は、規定のステーター組立体の全直径、軸方向長
さ、及び許容できる銅損の割に大きくすることができ
る。牽引力は半径の大きさに関係し、更に、それにより
生じるトルクはより大きい牽引力のみならずより大きい
モーメントアームにより増加する。その結果、電機子の
銅損及び要求されるトルクに見合うように発生するブレ
ーキ温度上昇は減少する。従って、この構成は、所定の
トルク要請と銅損の制約に対して比較的簡潔な設備を与
える。設備の簡潔さはチャックが解放する前に床上にテ
ールロール載置するように計画された装置に適用すると
特に都合がよい。小さな発電機により、発電機のハウジ
ングと干渉することなく床上により小さなテールロール
を載せることができる。図示の発電式ブレーキの別の効
果は、ステーターの鉄芯の積層体の最大寸法が減少し
て、これらの部品を製作することにより発生する使用さ
れない材料の量を少なくすることである。これら要素の
双方は鉄芯を製造する原価を著しく減少させる。一方、
本実施例は最小限の設備の大きさと銅損で最大限のトル
クを発生させる。交流発電機体系を使用することができ
る。例えば、界磁石を電導性の棒に置き換えて積層され
たローターのスロット内にバッキロンリング（ｂａｃｋ
ｉｒｏｎｒｉｎｇ）を設置してリス籠型の誘導発電機の
ローターを形成することができる。発電機式ブレーキを
使用する作用効果は大部分が安価でかつ正確な制御によ
るものである。この制御は発電機の出力に付与される負
荷を変動することで行われる。負荷は負荷回路のインピ
ーダンスを変えることにより、発電機電圧のパルス幅変
調により、又は当業者には公知の他の機械的方法により
変化させることができる。負荷回路の型式は、本発明を
実施するに当たり原理的には困難ではなく、図６に一例
が示されている。この図は、三相が与えられた電機子巻
線６４を示しているが、それらの相の他の番号は本発明
の実施例で使用されている番号と同じである。図６は安
定抵抗Ｒ１に付与される前に出力を同期させて整流する
ために接続された巻線６４を示している。安定抵抗は通
常は離れた場所に配設されていて、そこでは放散された
電力が空気、又は例えば加熱されるべき流体に伝達され
て除去される。無論、発電機の出力を安定抵抗に付与す
る前に整流することが必要とされる理由はないが、通常
の設備では、発電機の電力を変換させプラントの電源ラ
インに供給することにより発電機電力を回収することが
必要になる可能性があるため整流装置が備わっている。
更に、直流電力源を付加しインバーターとして同期整流
装置を作動させることにより、ブレーキはモーターとし
て作用して「プラグブレーキング（ｐｌｕｇｂｒａｋ
ｉｎｇ）」モードを与え、停止又は緊急停止命令に応答
してロールの減速を強化する。この作動モードは以下で
より詳細に述べる。これらの理由のため、それぞれのフ
リーホイール用ダイオードＤ１ないしＤ６と並列になっ
ている制御トランジスターＱ１ないしＱ６が備わってい
て、高圧側駆動回路７４、７６及び７８から低圧側駆動
回路８０、８２及び８４へ信号に応答して高圧及び低圧
直流供給レール７０、７２への付与する相電圧を制御す
る。これらの駆動回路は整流制御ロジック８６で制御さ
れる。制御ロジック８６は、発電機のローターの位置φ
により各種の相を何時、どちら側の負荷に接続するかを
決定する。ローターの位置φは角度位置検出器８８によ
り得られる。角度位置検出器８８は別の従来型のエンコ
ーダーであってもよいが、角度位置はその代わりに電機
子巻線信号から簡単に想定することができる。整流制御
ロジック８６は、同期整流に普通使用される型式のもの
であってもよいが、発電機負荷を変えるのに便利な機構
を備えるようにデユーテイサイクルを制御できる型式の
ものが望ましい。かかる理由から、図６は、整流制御ロ
ジック８６に付与する負荷制御信号を有するものとして
示している。発電機負荷を制御する方法について説明す
る。図７ないし図９に示された制御装置は、従来の装置
と同様に、閉ループ制御により高い張力精度を達成す
る。しかしながら、従来の装置とは異なり、図示の装置
は安価な方法で計測できるある数量、即ち発電機の負荷
電流をフィードバックすることにより回路ループを閉鎖
する。このフィードバック量とウェブ張力との間にはは
それ自身直接関係はないが、この装置はウェブ速度及び
発電機のエアギャップでの磁束密度のような、他の安価
な方法で計測される数量を使用して、正確な制御を阻害
する効果を負荷−電流フィードバックで補償する。図７
は制御装置を図解的に示している。この制御装置は操作
員用制御部位８９を備えており、この操作員用制御部位
８９において以下で述べる目的のための指令及び各種の
作動パラメーターを入力する。図７に示すように典型的
な指令は、「始動」、「運転」、「停止」、「緊急停
止」である。これらの指令は異なった所望のウェブ張力
を発生するのに簡便であると考えられる。通常は始動順
序の終わりで自動的に発せられる「運転」指令により生
じるモードのみを詳細に説明する。制御部位はパラメー
ターと指令を使用者から処理回路９０まで伝送する。こ
の処理回路９０はマイクロプロセッサー、適合したメモ
リー、及び周辺機器の形態を取っている。また、これは
使用者が入力したパラメーター及び以下に記載する各種
の検出器の入力値から必要なトルクレベルを決定する。
概念的に理解するため、ブレーキ電流制御器９２は分離
したブロックで示されているが、通常はトルク計算処理
９０を行う同一のマイクロプロセッサーで実行される。
ブレーキ電流制御器９２は安定抵抗Ｒ１を介して同期整
流器６８で駆動される電流を制御することを目的とす
る。本発明によると、この制御は、例えば電流検出器９
４からの電流表示信号のフィードバックに基づいてい
る。上述のように、ブレーキ電流制御器９２を例えば可
変インピーダンスとすることができ、この可変インピー
ダンスをフィードバック信号及びトルク計算回路９０か
らのトルク指令に応答して制御する。しかしながら、最
も多い例としては、ブレーキ・発電機負荷電流は、負荷
−電流指令Ｌにより同期整流のデユーテイサイクルを変
えることにより制御される。この負荷電流指令Ｌは、通
常は同じマイクロプロッセサー及び必要なトルクを計算
する他の回路により発生される。図８は適当な負荷−電
流指令Ｌの計算法を示している。負荷−電流指令Ｌはこ
の目的に使用される慣用された方法のいずれかにおける
誤差信号Ｅから発生する。計算は簡便な比例関係で行っ
てもよく、また、比例＋積分＋微分関数のような他の線
形変換関数を適用するか、又は概念的にはより精巧な処
理を行ってもよい。いずれにしても、誤差信号Ｅは目標
発電電流又はトルクと計測された発電電流又はトルクと
の間の相違を意味する。ブロック９６はこの処理を表し
ている。制御装置の電流フィードバックの本質を強調す
るため、図８は目標電流ｉ_ｂから電流検出器９４の出力
ｉを減算して誤差信号Ｅを発生する減算処理９８を示
す。図８に示すように、目標電流ｉ_ｂは目標ブレーキト
ルクτ_Ｂからステップ１００で計算される。正確に等価
な電流フィードバック作用は、ステップ１００で計算さ
れる関数の逆数を電流検出器出力ｉに与え、その結果を
τ_ｂから減算して誤差値Ｅを得ることにより行われる。
これは図示された方法で得られる誤差値Ｅとは相違する
が、図示された方法で得られる誤差値Ｅに比例するであ
ろう。本発明の幾つかの実施例では、τ_ｂに比例定数を
乗じて簡便に目標ブレーキトルクから目標ブレーキ電流
ｉ_ｂを計算することで十分である。しかし、この方法は
磁気的回路飽和の効果を考慮していない。この磁気的回
路飽和は電流とトルクとの間に非線形的な関係を作りだ
す。また、この方法は電流とトルクとの関係における不
確実性を考慮していない。この不確実性は気温の変化、
ブレーキ材料の特質における通常の変量、寸法、及びあ
る範囲での経年効果により生じる。これらの効果は全て
目標上一定の設計値からのエアーギャップ界磁束密度の
乖離を生じる傾向をう有し、この乖離により、トルクー
電流の比例性が成り立たなくなる結果となる。これらの
要素を補償するため、本発明の幾つかの実施例では、発
電機フレームとロールスタンドアームの間にロードセル
を使用し、かつブレーキトルクの指標として使用するこ
とができる。多くの要素は実際にはかかる計測値を濾過
させ又は平均化させることが必要であろう。従って、そ
れらは単独では十分に速い応答に対しては役立たない。
この問題を解決するため、サンプルトルク値を同時に採
取された計測値と共に照合表の中に収納することがで
き、この照合表を使用して、目標ブレーキ電流ｉ_ｂに対
してより正確に目標ブレーキトルクτ_ｂを変換するか、
又はその代わりに図８には示していないが、目標ブレー
キトルクτ_ｂから減算して求められる検知（ｓｅｎｓｅ
ｄ）トルク値τに検知電流を変換し誤差信号Ｅを得るよ
うにできる。しかし、本発明は、電流−トルク関係の線
形性及び再現性の欠如を矯正するより簡単な方法を使用
することを提案する。特に、この矯正は磁束密度の計測
に基礎を置いている。図９は、交差−磁化電機子反応の
消磁効果による発電機トルクの典型的な低下を示してお
り、これは当業者には公知である。温度、製作誤差、エ
アーギャップ磁束密度の時間的変化によるトルク−電流
関係の不確実性１０１の帯域を示している。電機子電流
に対するトルク低下及び概念上の一定エアーギャップ磁
束密度特性からのずれから生じる不確実性帯域が図１０
に示されている。電機子のリアクション、温度、製作誤
差、及び経年変化による電機子電流の理想的な値からの
ずれは、エアーギャップの磁束密度Ｂの知識から決定で
きる。エアーギャップの磁束密度は電機子の鉄芯スロッ
ト内に検出巻線セット（Ｓｅｎｓｅｗｉｎｄｉｎｇ
ｓｅｔ）で、又はエアーギャップの界面での電機子鉄芯
の表面に載置されたホール効果検出器のような他の手段
で監視できる。例えば、一つ又はそれ以上の電機子相で
巻かれた小型の負荷がかけられていない多数の検出巻線
−又は単一の巻線であっても−磁気的な磁束密度と角速
度との積に比例した出力電圧を発生する。それ故、発生
した電圧出力Ｖをブレーキ発電機の角速度ωで割ること
により、磁気的な磁束密度に比例した数値を生ずる。こ
の数値と計測された電機子電流とを掛合せるとブレーキ
トルクに比例した数値が得られる。このように、トルク
と電流の間の関係が典型的に非線形であるか、又はドリ
フトがある場合でも、これらの欠点を有しないトルク示
度を安価に得ることができる。このため、図８はトルク
対電流変換ブロック１００を示しており、このトルク対
電流変換ブロック１００はブレーキー発電機の角速度ω
と磁束検出巻線の出力電圧Ｖを受入れる。図７の信号ラ
イン１０２及び１０４はこれらの入力を表している。磁
束密度アナログ電圧Ｖ’を与えるホール効果検出器のよ
うな非速度検出装置を使用してエアーギャップ磁束密度
が得られる場合には、図１１に示されたブロック１０
０’が使用され、角速度入力は必要とされない。目標ブ
レーキトルクτ_ｂの計算は目標引張力Ｔ_Ｔの決定から開
始される。これは、図７の説明文「張力」で表示されて
いるように、通常使用者からの入力である。しかし、多
くの場合ではもっと好都合な既知のパラメーターは張力
ではなくむしろユニット幅当たりの張力である。現に、
入力は明示された数値ではなくむしろウェブ材料の名称
の形態を取ってもよく、それは予め入力されたデータベ
ースを基準にしてユニット幅当たりの張力値に変換され
る。図８のブロック１０６は、操作員により入力された
そのようなパラメーター及びロールの幅Ｗから目標張力
Ｔ_Ｔを計算する方法を表している。所望のウェブ張力Ｔ
_Ｔから、ウェブがロールに作用すべきロールトルクの目
標値τ_Ｔを決定し又はその逆を行うために、ブロック１
０８に示すように、所望の張力をロール半径Ｒと単に掛
け合わせる。ロール半径は超音波、光学検出器又はフィ
ーラーローラーで直接検出される。（そうでない場合は
ロールの偏心により生じる可能性の有る不正確性を回避
するため、ロール半径Ｒはウェブがロールを離れる箇所
で計測しなければならない。）しかしながら、必要なこ
とは、図７に示すように、駆動ロール１１０、ウェブ１
１３を駆動するニップロール１１２及びこれらのロール
の一つに設けられた角度−位置エンコーダーのような形
式のセンサーを有することであり、このセンサーは他の
目的でウェブ速度表示を与えるべく既に設けられている
ものである。従って、半径の値Ｒは、ブロック１１４に
示す通り、得られた速度値をブレーキの角速度で単に割
ることで決定される。ロールは幾分偏心していてもよ
い。それにより、各回転ごとに発生するロール半径の変
化はウェブ巻戻しにより生じるロール半径の長周期の変
動に重ね合わされる。これらの変動はトルクに著しく影
響するため、正確に半径を計測することが重要である。
半径を計算するのに使用される電子回路は、通常実時間
で計算するのに必要な早さ以上に早いが、例えばウェブ
の振動及び駆動ロールの滑りによる、ウェブ速度とロー
ルの角速度の計測値に小さな誤差がある。かかる理由に
より、本発明の幾つかの実施例では以前の回転において
観察された偏心率を記録しこれを前方に（介在するウェ
ブの取外しのため適当な補正を付して）与えて実時間的
な半径のより正確な見積り値を割出す。この方法を実現
するものとして、図７はウェブ取外しの補正に使用され
るべき「ウェブ厚さ」の入力を示している。しかし、図
８はブロック１１４での「フィードフォワード」による
確定を明確に示していない。半径Ｒが決定される方法と
は関係なく、ブロック１０８で表される動作の出力τ_Ｔ
は所望のウェブ張力を生じさせるロールトルクを表示す
る。ある適用例では、ロールトルク−即ち、ウェブ張力
とロール半径との積−はブレーキトルクと同じ値でなく
てもよい。特に、ロールトルクはブレーキトルクと慣性
トルクとの和であって、 τ_Ｔ＝τ_ｂ＋Ｊα，であり、ここで、Ｊはロールの慣性モーメント、αは角
加速度である。角加速度は、ウェブ速度が一定の大きな
値を維持する場合、ロールの〜半径が増加するに従って
ロールの角速度が増加する結果生じるものであるが、通
常は、この角加速度は無視できる。しかし、例えばロー
ルの偏心により生じる慣性トルクへの影響は顕著であ
る。ウェブ速度が正確に一定であると仮定すると、幾ら
かの偏心がある場合はロールは角加速度及び角減速度を
受けるはずである。適当な制御をしない場合はこれは問
題とはならず、加速度及び減速度は、大きなロール慣性
のない場合にロールの偏心率が生じさせる加速度及び減
速度より小さく、ウェブ張力及び多分ウェブ速度は不具
合な周期的振動を受ける結果となる。そこで、張力がか
かる偏心にも拘わらず一定値を維持することが必要な場
合には、補償されなければならず、このことがブロック
１１５で表される動作を設けた理由である。このブロッ
クの動作は目標ロールトルクτ_Ｔから慣性トルクＪαを
減じて目標ブレーキトルクτ_ｂを与える。角速度ωをそ
の直ぐ前方で微分１１６することにより、慣性トルクＪ
αを計算するのに必要な角加速度αが求まる。慣性モー
メントＪはＲの関数であって、Ｊ（Ｒ）＝（１／２）πρＷ（Ｒ^４−Ｒｃ^４），ここで、ρは質量密度、Ｗはロールの幅、Ｒｃはロール
の芯棒の半径である。操作員は通常ロール幅Ｗを明確に
入力しかつ、当初の質量Ｍｇ、当初の直径Ｄｉ、その半
分である当初の半径Ｒｉ及び芯棒の直径Ｄｃ、その半分
である芯棒の半径Ｒｃを入力することにより密度ρを入
力する。該当初の質量Ｍｇは、Ｍｇ＝πρＷ（Ｒｉ^２−Ｒｃ^２），で与えられる。この式から、質量密度は容易に求められ
て、となる。ブロック１１７及び１１８はこれらの計算を行
う。実用的には、前式においてＲｃを省略することによ
り僅かな誤差が生じ、かつこの実用式は芯棒の直径を操
作員が入力する必要性をなくすため採用される。これに
より、運転指令に対する応答動作の説明が完了する。他
の指令に対する応答は殆ど同様である。主な相違点は、
操作員が明確に入力する張力とは異なり時間変化特性を
有する目標張力Ｔ_Ｔの数値を使用することである。しか
しながら、停止又は緊急停止動作の間に、最低作動速度
を下まわるロール角速度で得られる発電式ブレーキトル
クは、過度の惰行やウェブ材の湾曲なしに完全に停止す
るに必要とされるトルクより少ない。発電モード作動で
は、ブレーキの出力値は不均一に速度と共に減衰し、ウ
ェブの破損による緊急停止の場合に生じ得るようなウェ
ブ張力がなければ、ロールの速度はエキスポネンシャル
曲線状に減衰することが見られるであろう。例えば、図
示の８０インチ（約２０３．２ｃｍ）幅及び６０インチ
（約１５２．４ｃｍ）直径のロールは、ウェブ張力なく
して、ウェブ破断緊急停止の状態で普通約１０秒でゼロ
速度になり、ロールが作動速度にありロール直径が完全
なときに停止指令が発せられるという最悪の場合には、
ウェブ材が約５８フィート（約１７．４ｍ）湾曲するで
あろう。しかし、幾つかの設備では、停止又は緊急停止
指令に応答して、より強力なブレーキ作用が必要とされ
る。モード切換えスイッチ１１８（図７）及び電力供給
１２０が「プラグブレーキ（ｐｌｕｇｂｒａｋｉｎ
ｇ）」のために設けられる。このプラグブレーキにおい
て、ブレーキはロールの回転に抗するモーターとして作
用し、かつ同期して整流器がインバーターとして作用す
ることにより、極めて低いロール速度でもブレーキトル
クを発生させる。前述の実施例において、プラグブレー
キトルクを適用する場合はロール速度の減衰のエキスポ
ーネンシャル曲線状の末端部を切捨てて、ほんの１４フ
ィート（約４．２ｍ）の材料を湾曲させるだけで、ほん
の２．７秒で完全に停止させるようにすることができ
る。上述から、本発明の装置を使用することにより、ロ
ールスタンド周辺の広い範囲で発電式ブレーキの利点を
活用できる可能性が高くなることは明白である。その
上、ブレーキを制御するために電流フィードバックを使
用することにより、ウェブ張力を直接計測する高価な方
法を使用せずに正確で高い応答性を有する張力制御を得
ることが可能である。従って、本発明は顕著な作用効果
をもたらすものであることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるブレーキが設けられたロールスタ
ンドの側面図である。

【図２】スタンドのベースとアクチュエーターを取除い
た状態で図１のロールを示す正面図である。

【図３】本発明の実施例のロールスタンドの芯棒に位置
決めされた状態のブレーキの断面図である。

【図４】図３の４−４線で切取ったブレーキの部分断面
図である。

【図５】図３と同様に本発明の他の実施例を示す断面図
である。

【図６】発電機の負荷回路の図解ダイヤグラムである。

【図７】図１ないし図４に示されたブレーキを制御する
ために使用する制御装置のブロックダイヤグラムであ
る。

【図８】制御装置の処理回路で行われる計算を表したブ
ロックダイヤグラムである。

【図９】発電機トルクと電機子電流の間の関係を示すグ
ラフである。

【図１０】発電機エアーギャップの磁束密度と電機子電
流の間の関係を示すグラフである。

【図１１】図８の目標発電機電流を確定する動作の別の
実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０ロール用スタンド１１ベース１２ロ
ールスタンドアーム１４アクチュエーター１６芯棒１８コ
アチャック２２ロール２４床２６ブ
レーキ２８突出部３０回転防止アーム３２
ピン３６ローター３８中空軸４０デ
ィスク４４永久磁石５２ステーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｐ 15/00 Ｈ０２Ｐ 15/00 Ｈ (71)出願人 595154568 359 ＮｏｒｔｈＲｏａｄ，Ｂｅｄｆｏｒｄ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ 01730，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓｏｆＡｍｅｒｉｃａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロールを保持するロール用スタンドであ
って、ベースと、前記ベースに装着されかつアームの軸受ブロックを備え
たロールスタンドアームと、ロールのコア連結具内で終端しかつ前記アームの軸受ブ
ロック内でロールスタンドアームにより支持される芯棒
と、永久磁石式発電機と、を備え、前記永久磁石式発電機が、発電機軸受ブロックを備えたステーターと、前記発電機軸受ブロック内で支持された中空のローター
軸を有していて前記ローター軸で前記ステーターを支持
し、かつ前記芯棒を受入れ前記芯棒に固定されていて前
記芯棒で発電機を支持する軸方向に伸長する凹部を形成
するローターと、を備えてなるロール用スタンド。
【請求項２】請求項１記載のロール用スタンドであっ
て、前記ローターが前記ローターの回転に伴ってステーター
内に時間的変動性の磁界を生じる永久磁石を有し、前記ステーターがローターの回転により生じる時間的変
動性の磁界内に配置された電機子巻線を有していること
を特徴とするロール用スタンド。
【請求項３】請求項２記載のロール用スタンドであっ
て、前記永久磁石が前記電機子巻線の半径方向外側に配
設されていることを特徴とするロール用スタンド。
【請求項４】請求項１記載のロール用スタンドであっ
て、前記ロールのコア連結具がコアチャックを備えてい
ることを特徴とするロール用スタンド。
【請求項５】ロールを保持するロール用スタンドであ
って、ベースと、前記ベースに装着されかつアームの軸受ブロックを備え
たロールスタンドアームと、ロールのコア連結具内で終端しかつ前記アームの軸受ブ
ロック内で前記ロールスタンドアームにより支持される
芯棒と、前記アームの軸受ブロックから軸方向に離れて配置され
た永久磁石発電機とを備え、前記永久磁石発電機が、前記ロールスタンドアームに装着され支持されているス
テーターと、前記芯棒で支持されるように前記芯棒に軸方向に堅固に
固定されたローター軸を有するローターと、を備えてな
るロール用スタンド。
【請求項６】請求項５記載のロール用スタンドであっ
て、前記ローターが前記ローターの回転に伴ってステーター
内に時間的変動性の磁界を生じる永久磁石を有し、前記ステーターがローターの回転により生じる時間的変
動性の磁界内に配置された電機子巻線を有していること
を特徴とするロール用スタンド。
【請求項７】請求項６記載のロール用スタンドであっ
て、前記永久磁石が前記電機子巻線の半径方向外側に配設さ
れていることを特徴とするロール用スタンド。
【請求項８】請求項５記載のロール用スタンドであっ
て、前記ロールのコア連結具がコアチャックを備えてい
ることを特徴とするロール用スタンド。
【請求項９】請求項５記載のロール用スタンドであっ
て、前記ローター軸が、前記芯棒を受入れかつ前記芯棒
に固定されていて、軸方向に剛性のある連結具を与える
軸方向に伸長する凹部を形成することを特徴とするロー
ル用スタンド。
【請求項１０】ウェブ材のロールを回転可能に支持す
るロール用スタンドにおいて使用され、前記ロール用ス
タンドに回転可能に装着されたロールの回転により駆動
される発電機の形態のロール用スタンドに取付けるブレ
ーキを制御する制御装置であって、発電機により駆動されるように連結されかつ負荷制御信
号を付与することにより可変となる可変負荷と、発電機が負荷に伝える電流を検出しそれを表示する電流
−検出器出力を発生させる電流検出器と、前記発電機の角速度とロールの半径との組合せ、発電機
の角速度とウェブ速度との組合せ、及びウェブ速度とロ
ール半径とロール半径を表示する別の検出器の出力との
組合せの内の少なくとも１つの組合せを検出する検出器
回路と、ウェブ張力を別個に計測することなく前記別の検出器出
力から目標ブレーキトルクを確定し、目標ブレーキトル
クと電流検出器の出力で表示されたブレーキトルクとの
間の差に比例した誤差値を計算する誤差量定回路と、前記誤差値に応答して誤差値を減少させる方向に負荷を
制御する負荷制御装置と、を備えてなる制御装置。
【請求項１１】請求項１０記載の制御装置であって、前記発電機が、負荷電流が流れる電機子巻線を有し、前記検出器回路が磁束密度検出器を有していて、前記電
機子巻線により影響を受ける磁束密度を計測し、そして
前記誤差量定回路が、電流検出器出力に比例した数値
を、磁束密度検出器で計測された磁束密度で目標ブレー
キトルクを割ることにより得られた数値に比例した数値
と比較して誤差数値を計算する、ことを特徴とする制御
装置。
【請求項１２】請求項１０記載の制御装置であって、前記発電機が、負荷電流が流れる電機子巻線を有し、前記別の検出器が電機子巻線により発生する磁束密度を
計測する磁束密度検出器を有し、そして前記誤差量定回
路が、目標ブレーキトルクに比例した数値と、磁束密度
検出器により計測された磁束密度に電流検出器出力を掛
けた結果に比例した数値とを比較して誤差数値を計算す
ることを特徴とする制御装置。
【請求項１３】請求項１０記載の制御装置であって、前記誤差量定回路が、前記別の検出器からのロール半径
値を決定しかつ目標張力とロール半径値との積に比例し
た目標トルク値を計算することにより目標ブレーキトル
クを決定することを特徴とする制御装置。
【請求項１４】請求項１３記載の制御装置であって、前記別の検出器がウェブ速度及び発電機角速度を検出
し、そして前記誤差量定回路が、前記検出された角速度
に対する前記検出されたウェブ速度の比に比例した数値
を計算することによりロール半径値を決定することを特
徴とする制御装置。
【請求項１５】請求項１０記載の制御装置であって、前記誤差量定回路が、前記別の検出器の出力からロール
の慣性トルクを決定し、目標ロールトルクと慣性トルク
の間の差を計算することにより目標ブレーキトルクを決
定することを特徴とする制御装置。
【請求項１６】請求項１０記載の制御装置であって、前記別の検出器がウェブ速度と発電機角速度を検出し、
そして前記誤差量定回路が、検出された発電機角速度に
対する検出されたウェブ速度に比例した数値計算するこ
とによりロール半径値を決定し、前記検出された発電機
角速度を微分することにより角加速度の数値を決定し、
そしてロール半径と前記決定された角加速度の値からロ
ールの慣性トルクを決定することを特徴とする制御装
置。
【請求項１７】ロール用スタンドに取付けるブレーキ
組立体にして、アーム軸受ブロックを形成するようにロールスタンドア
ームの本体に装着するための軸受カートリッジと、ロールのコア連結具内で終端しかつ軸受カートリッジ内
で支持され、前記軸受カートリッジが前記ロールスタン
ドアームに装着されたとき、ロールスタンドアームによ
り支持される芯棒と、アームの軸受ブロックから軸方向に隔置された永久磁石
式発電機とを備え、前記永久磁石式発電機が、前記軸受カートリッジがロールスタンドアームに装着さ
れたとき、前記ロールスタンドアームにより前記軸受カ
ートリッジに装着されるステーターと、前記芯棒により支持されるように前記芯棒に軸方向に堅
く固定されたローター軸を有するローターと、を備えて
いるロール用スタンドに取付けるブレーキ組立体。
【請求項１８】請求項１７記載のロール用スタンドに
取付けるブレーキ組立体にして、前記ローターは、前記ローターが回転するにつれて前記
ステーターに時間変動する界磁を発生する永久磁石を有
し、前記ステーターは、前記ローターの回転により生じる時
間変動界磁内に配置された電機子巻線を有していること
を特徴とするロール用スタンドに取付けるブレーキ組立
体。
【請求項１９】請求項１８記載のロール用スタンドに
取付けるブレーキ組立体にして、前記永久磁石が前記電
機子巻線の軸方向外方に配設されていることを特徴とす
るロール用スタンドに取付けるブレーキ組立体。
【請求項２０】請求項１７記載のロール用スタンドに
取付けるブレーキ組立体にして、前記ロールのコア連結
具がコアチャックを備えていることを特徴とするロール
用スタンドに取付けるブレーキ組立体。
【請求項２１】請求項１７記載のロール用スタンドに
取付けるブレーキ組立体にして、前記ローター軸が前記
芯棒を受る軸方向に伸長する凹部を形成し、かつ前記凹
部に固定されて軸方向に剛性を有する連結具を提供する
ことを特徴とするロール用スタンドに取付けるブレーキ
組立体。
【請求項２２】軸から張出した形態で使用される発電
機であって、永久磁石式発電機の軸受ブロックを有するステーター
と、前記永久磁石式発電機の軸受ブロックで支持された中空
のローター軸を備えていて、前記ローター軸で支持され
かつ前記発電機を支持するように固定された軸を受るべ
く形成された軸方向に伸長する凹部を形成するローター
と、を備えてなる発電機。
【請求項２３】請求項２２記載の発電機であって、前記ローターは、前記ローターが回転するにつれて前記
ステーターに時間変動する界磁を発生する永久磁石を有
し、前記ステーターは、前記ローターの回転により生じる時
間変動界磁内に配置された電機子巻線を有していること
を特徴とする発電機。
【請求項２４】請求項２３記載の発電機であって、前
記永久磁石が前記電機子巻線の軸方向外方に配設されて
いることを特徴とする発電機。
【請求項２５】電機子電流を伝導する電機子巻線を備
えた発電機又はモーターの目標トルクを達成する方法に
して、前記電機子巻線により発生した磁束密度を計測すること
と、電機子電流を計測することと、目標トルクと、計測された磁束密度並びに計測された電
機子電流の積に比例した数値との差に比例した誤差値を
計算することと、前記誤差値を低減するように電機子電流を制御すること
と、を備えた方法。