JP2005037389A - 電気モータのトルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクを回転数に依存して簡単かつ正確な方法により求めることができるトルク測定装置を提供する。
【解決手段】 ステータ及びロータを備えている電気モータのトルク測定装置が提案され、当該トルク測定装置においては、電気モータ試験体のステータを保持するための保持装置と、ロータのための駆動装置と、当該駆動装置に連結されたトルクセンサとが備えられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータ及びロータを備えている電気モータのトルク測定装置に関する。

回転数に依存するトルクは、電気モータの重要な特性量である。

以上を前提とする本発明の課題は、トルクを回転数に依存して簡単かつ正確な方法により求めることができるトルク測定装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、電気モータ試験体のステータを保持するための保持装置と、ロータのための駆動装置と、当該駆動装置に連結されたトルクセンサと、が備えられていることによって解決される。

このトルク測定装置においては、ステータを回転不能に保持することができ、モータの動作時又はモータへの通電が無いときに、駆動装置を介してロータに回転運動を強制し、又は、ロータを外部から駆動することができる。さらに、トルクセンサを通じて、ロータを駆動するのに必要なトルクを測定することができる。それにより、出力回転数に依存してトルクが得られる。このように、特に、電気モータ試験体の始動トルクやコギングトルクを測定することができる。

特に、モータが動作するときのロータの回転方向と同じ向きの運動を、駆動装置によって与えることが可能であることが意図され、即ち、駆動装置によってロータが回転方向に駆動され、又は、これに準ずる回転運動がロータに強制される。

駆動装置によって、毎分１回転から毎分２００００回転までの間の回転数を実現可能であると、非常に好ましい。それにより、電気モータのトルクを広い回転数範囲で測定することができる。

駆動装置がコアレス駆動モータを備えていると、非常に好ましい。コアレス駆動モータは、非常に低い機械的な時定数を有しているので、トルク測定時に高い精度を得ることができ、その上、磁気的なコギングトルクを有していないので、測定がコギングトルクによる影響を受けることがない。

コアレス駆動モータによって、例えば毎分５００回転及びそれ以上の回転数を実現することができる。その場合、特に、駆動装置がベルト駆動装置を含んでいると好ましい。そうすれば、毎分５００回転以下の回転数も得ることができるので、広い回転数範囲をカバーすることができる。

ロータの回転運動をベルト駆動装置とコアレス駆動モータとにより選択的に駆動することが可能であり、それによって、回転数を広い回転数範囲で調整可能であると、好都合である。

特に、コアレス駆動モータによって駆動する場合には、ベルト駆動装置が連結解除され、それにより、ベルト駆動装置の機械的な損傷が回避される。

ベルト駆動装置によって駆動する場合に、コアレス駆動モータのモータシャフトがベルト駆動装置を介して駆動されると、本装置の簡素な構造を実現することができる。それにより、コアレス駆動モータを離反旋回させる必要がなくなる。駆動モータがコアレスなので、そのモータシャフトを外部から駆動することができる。

特に、トルクセンサは、コアレス駆動モータに連結され、及び／又は、コアレス駆動モータによって構成される。前者の場合、トルクセンサは、コアレス駆動モータのモータシャフトに連結される。それにより、全回転数範囲の測定においてこの連結を変更する必要がないので、装置の簡素な構造を具現化することができる。

特に、トルクセンサは、コアレス駆動モータと電気モータ試験体のロータとの間で位置決めされ、そのようにしてトルクを測定できるようにする。

この場合、駆動装置が現在駆動されている回転数を判定するために、特に、コアレス駆動モータのモータシャフトが回転している回転数を判定するために、駆動装置に回転数測定部が設けられているとよい。

同様に、回転数測定部及び／又は角度位置測定部がロータに設けられていると好都合である。それにより、ロータの回転数及び／又は角度位置を所定の方法により求めることができる。

少なくとも一つの補償継手が駆動装置とロータの固定装置との間に設けられていると、トルク測定時の高い精度を実現することができる。測定装置の軸がずれると、トルク測定に影響が及ぼされる可能性がある。補償継手を介してそのような軸のずれを補正することができ、それにより、トルクの高い精度を実現することができる。

コアレス駆動モータが空気軸受を用いて支持されることが意図されていてよく、そのようにして、システム内の振動を最低限に抑制する。

特に、本発明に係る装置を通じて、ロータの回転数に依存してトルクを測定することが可能である。また、モータの摩擦も回転数に依存して測定することが可能である。

ステータの保持プレートは、空気軸受を用いて支持されているのが好ましい。それにより、ステータが低振動で支持されるので、測定結果への、対応する影響が最低限に抑制される。

コアレス駆動モータのモータ電流を通じてトルクを測定可能であることが意図され得る。その場合、コアレス駆動モータは、全体としてトルクセンサとして機能する。コアレス駆動モータは、磁気的なコギングトルクを有していないので、電気モータ試験体の（固有）トルクを求めることができる。コアレス駆動モータのモータ定数が既知であれば、コアレス駆動モータのモータ電流からトルクを算出することができる。

駆動装置が電気モータ試験体よりも高い出力を有していると、特に、明らかに高い出力を有していると、非常に好ましい。そうすると、電気モータ試験体のモータ動作時に駆動装置によって、駆動装置により規定される回転運動が電気モータ試験体に強制される。それにより、特に低い回転数でもトルクを正確に測定し、特に始動トルクを高い精度で測定する可能性が得られる。

有利な実施の形態についての以下の説明は、図面との関連において本発明を詳細に説明するためのものである。

図１に模式的に示され、同図において全体として符号１０が付されている本発明に係るトルク測定装置の実施の一形態は、電気モータ試験体１４の保持装置１２を含んでいる。ここで、電気モータは、ステータ１６と、当該ステータ１６に対して相対的に回転可能なロータ１８と、を備えている。図１では、ロータ１８がロータハブ２０を有している電気モータの実施の形態が示されている。

保持装置１２は、例えば保持プレート２２を備えており、これに対してステータ１６が例えばクリップ（図示せず）を介して回転不能に固定される。ステータ１６は、ロータ１８の回転が妨げられないように、保持プレート２２に対して固定される。

電気モータ試験体１４を低振動でトルク測定装置１０に支持するために、保持プレート２２自体が空気軸受を用いて支持されることが意図され得る。

ロータ１８は、モータの動作時に回転軸２４を中心として回転する。本発明によれば、ロータ１８に連結可能な、全体として符号２６が付されている駆動装置が設けられる。駆動装置２６は、電気モータ試験体１４よりも明らかに高い出力を有している。それにより、モータの動作時には、駆動装置２６によって設定される回転数での回転運動が「強制され」、又は、モータ１４の通電がないときには、ロータ１８を外部から駆動することができる。

駆動装置２６は、ロータ１８を回転不能に固定することができる固定装置２８を含んでいる。固定装置２８は、例えば、ロータハブ２０を挿入することが可能であり、かつ、その際にロータハブをクランプ固定することが可能なチャックとして構成される。特に、このようなチャックの開口幅は調整可能であり、それによって直径の異なるロータハブ２０を挟み込むことが可能になる。

固定装置２８はシャフト３０と回転不能に結合されており、さらに、当該シャフトが駆動装置２６によって駆動される。このとき、シャフト３０が多数の部分から構成され、一つ又は複数の補償継手３２ａ、３２ｂが存在することが意図され得る。これらの補償継手３２ａ、３２ｂは、ロータ１８の回転軸２４に対してシャフト３０の軸がずれた場合に、これを補正することを可能にする。シャフト３０は、回転軸２４に対して同軸に位置しているのが好ましい。しかし、シャフト３０がロータ１８に固定されると、ずれが生じる可能性がある。このようなずれは、駆動装置２６の配置によっても生じる場合がある。補償継手３２ａ、３２ｂにより、このようなずれを補正することが可能である。

ロータ１８に対しては、回転数測定部が設けられている。場合により、角度位置の測定部も設けられる。そのためにシャフト３０には、例えば適当なコーディング符号が付されているコーディング円板３４が連結されている。エンコーダ３５を介してこのコーディング符号を読み取ることによって、ロータ１８の回転数、及び、場合により角度位置をシャフト３０を通じて判定することができる。

駆動装置２６は、コアレス駆動モータ３６を備えている。コアレスのロータを備えているコアレス駆動モータは、機械的な時定数を有していない。特に、コアレスのロータを備えているモータは、磁気的なコギングトルクを有していない。

このコアレス駆動モータ３６のモータシャフト３８は、トルクセンサ４０に連結されており、このトルクセンサ４０は、さらにシャフト３０に連結されている。トルクセンサ４０は、例えばコアレス駆動モータ３６自体によるトルク測定を行うべく連結解除ができるようにするために、旋回可能に配置されているとよい。

トルクセンサ４０は、保持プレート２２に対して、トルク測定装置１０に回転不能に配置されている。

コアレス駆動モータ３６も、同じく回転不能に配置されている。

モータシャフト３８の回転数は、測定される。そのために、例えば別のコーディング円板４２と、このコーディング円板４２から回転数情報を読み取るためのエンコーダ４４とが設けられる。

モータシャフト３８は、回転軸４６がロータ１８の回転軸２４と同軸にアライメントされている。上述したように、対応するずれを補正するために、補償継手３２ａ、３２ｂを利用することができる。

コアレス駆動モータ３６を介して、特に毎分５００回転を超える回転数、例えば毎分最大約２００００回転の回転数を得ることができる。

モータシャフト３８の回転数は、コアレス駆動モータ３６への適当な通電によって制御される。コアレス駆動モータ３６のモータ電流の測定部が設けられている。

コアレス駆動モータ３６は、可能な限り低振動のロータ１８の駆動を実現するために、空気軸受を用いて支持されているとよい。

特に毎分５００回転を下回る比較的低い回転数を得るために、本発明によれば、駆動装置２６は、さらに別の駆動部、特にベルト駆動装置４８を含んでいる。そのために、コアレス駆動モータ３６のモータシャフト３８にベルト車５０が着座している。このベルト車５０は、モータシャフト３８と回転不能に結合されている。

さらに、ベルト駆動装置４８は、別のベルト車５６を駆動するモータシャフト５４を備えた駆動モータ５２を含んでいる。ベルト５８を介して、モータシャフト３８を駆動モータ５２により駆動することが可能である。

駆動モータ３６はコアレスなので、駆動モータ３６に電流が流れていない状態のときでもモータシャフト３８を外部から駆動することができ、即ち、ベルト駆動装置４８を介して駆動することができる。

モータシャフト３８がコアレス駆動モータ３６により駆動され、特にモータシャフトの回転数が毎分５００回転を超えるように設定されているときは、ベルト車５０は、モータシャフト３８から連結解除される。そのために、適当な連結解除装置が設けられている。

コアレス駆動モータ３６とベルト駆動装置４８とを備えている本発明に係る駆動装置２６により、毎分１回転から毎分２００００回転までの間の回転数を設定することができるので、電気モータ試験体１４のトルク及び摩擦モーメントをこの回転数範囲において測定することができる。

測定は、次のようにして行われる。

電気モータ試験体１４をトルク測定装置１０にクランプ固定した後、電気モータ１４を所定の回転数で動作させる。特に、電気モータ１４のモータ電流を測定するとともに、そのモータ電流と、モータ制御回路６０を通って流れる電流とを合計した総電流が測定されることが意図され得る。さらに、モータ制御回路６０に印加される電圧が測定される。

さらに、電気モータ１４の相電圧も算出される。

モータ定数、電気モータ１４の外部の漏れ磁束、ロータ１８のロータ巻線のインダクタンス等、上記以外の角度依存的な量も測定することができる。

駆動装置２６のモータシャフト３８は、電気モータ試験体１４の回転方向と同じ向きの回転数で動作する。このとき、駆動装置２６の本発明に係る構成によって、毎分１回転から毎分２００００回転までの間の広い回転数範囲が可能である。

エンコーダ３５を介して、ロータ１８の回転数を算出することができる。そして、トルクセンサ４０により、その結果として得られるトルクが読み取られる。従って、このトルクは、ロータ１８の回転数に依存している。

モータシャフト３８は、関連のある回転数に応じて、ベルト駆動装置４８により駆動するか、又は、コアレス駆動モータ３６により駆動する。

このとき、原則として、コアレス駆動モータ３６の無負荷曲線、即ち、特性曲線を記録して保存することが意図され得る。そうすると、コアレス駆動モータ３６によるトルク測定を行うことができる。このような測定時には、トルクセンサ４０を離反旋回させる。

トルクは、コアレス駆動モータ３６のモータ電流と、そのモータ定数との積として算出される。モータ定数は、特性曲線から読み取られる。

前述したような構成により、例えば、電気モータ試験体１４が外部駆動されるときに特定の回転数において発生する誘導電圧を測定することも可能である。そのために、電気モータ１４自体は動作しない状態、即ち、通電のない状態に保持される。駆動装置２６を介してロータ１８を回転させ、その際に、対応する電圧測定を実施する。

ロータ１８が駆動装置２６によって外部からのみ駆動されるときも、原則としてトルク測定が可能である。

本発明に係るトルク測定装置の実施の一形態を示す模式図である。

符号の説明

１０ トルク測定装置
１２ 保持装置
１４ 電気モータ試験体
１６ ステータ
１８ ロータ
２０ ロータハブ
２２ 保持プレート
２４ 回転軸
２６ 駆動装置
２８ 固定装置
３０ シャフト
３２ａ 補償継手
３２ｂ 補償継手
３４ コーディング円板
３５ エンコーダ
３６ コアレス駆動モータ
３８ モータシャフト
４０ トルクセンサ
４２ コーディング円板
４４ エンコーダ
４６ 回転軸
４８ ベルト駆動装置
５０ ベルト車
５２ 駆動モータ
５４ モータシャフト
５６ ベルト車
５８ ベルト
６０ モータ制御回路

Claims (20)

1. ステータ（１６）及びロータ（１８）を備えている電気モータ（１４）のトルク測定装置であって、電気モータ試験体（１４）のステータ（１６）を保持するための保持装置（１２）と、ロータ（１８）のための駆動装置（２６）と、前記駆動装置（２６）に連結されたトルクセンサ（４０）と、を備えていることを特徴とするトルク測定装置。
2. モータが動作するときのロータ（１８）の回転方向と同じ向きの運動を、前記駆動装置（２６）によって与えることが可能であることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定装置。
3. 前記駆動装置（２６）によって、毎分１回転から毎分２００００回転までの間の回転数を実現可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク測定装置。
4. 前記駆動装置（２６）は、コアレス駆動モータ（３６）を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
5. 前記駆動装置（２６）は、ベルト駆動装置（４８）を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
6. 前記ベルト駆動装置（４８）によって、毎分最大５００回転の回転数を実現可能であることを特徴とする請求項５に記載のトルク測定装置。
7. ロータ（１８）の回転運動を、前記ベルト駆動装置（４８）又は前記コアレス駆動モータ（３６）により選択的に駆動することが可能であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
8. 前記コアレス駆動モータ（３６）によって駆動する場合には、前記ベルト駆動装置（４８）が連結解除されることを特徴とする請求項７に記載のトルク測定装置。
9. 前記ベルト駆動装置（４８）によって駆動する場合には、前記コアレス駆動モータ（３６）のモータシャフト（３８）が前記ベルト駆動装置（４８）を介して駆動されることを特徴とする請求項７又は８に記載のトルク測定装置。
10. 前記トルクセンサ（４０）は、前記コアレス駆動モータ（３６）に連結されており、及び／又は、前記コアレス駆動モータ（３６）により構成されていることを特徴とする請求項３乃至９のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
11. 前記トルクセンサ（４０）は、前記コアレス駆動モータ（３６）と電気モータ試験体（１４）のロータ（１８）との間で位置決めされることを特徴とする請求項１０に記載のトルク測定装置。
12. 前記駆動装置（２６）に回転数測定部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
13. 回転数測定部及び／又は角度位置測定部がロータ（１８）に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
14. 少なくとも一つの補償継手（３２ａ、３２ｂ）が、前記駆動装置（２６）とロータ（１８）の固定装置（２８）との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
15. コアレス駆動モータ（３６）が、空気軸受を用いて支持されていることを特徴とする請求項３乃至１４のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
16. ロータ（１８）の回転数に依存してトルクを測定可能であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
17. モータの摩擦を回転数に依存して測定可能であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
18. ステータ（１６）の保持プレート（２２）が、空気軸受を用いて支持されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
19. コアレス駆動モータ（３６）のモータ電流を介してトルクを測定可能であることを特徴とする請求項４乃至１８のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
20. 前記駆動装置（２６）は、電気モータ試験体（１４）よりも高い出力を有していることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のトルク測定装置。

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