JP2006220497A

JP2006220497A - コギングトルク測定装置及びコギングトルクの測定方法

Info

Publication number: JP2006220497A
Application number: JP2005033299A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ito; 恭史伊藤
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】高速回転で安定してモータのコギングトルクを測定することが可能なコギングトルク測定装置及びコギングトルクの測定方法を提供する。
【解決手段】コギングトルク測定装置１は、予め決定される機械的な構造に基づく最大次数を超える周波数成分をカットし、各周波数成分が予め基準コギングトルク信号の周波数成分に対して設定された減衰率となるように周波数特性が設定されているフィルタ１３を備えている。高速で回転する被測定モータ２のトルクを測定するトルク計１１から出力される信号はフィルタ１３を通過してコントローラ１４に入力される。
【選択図】図１

Description

本発明はモータの製造ラインなどでモータのコギングトルクを測定するコギングトルク測定装置及びコギングトルクの測定方法に関する。

通電されていないモータのロータを指で回すと周期的な抗力を感じるときがある。このロータの回転に伴う周期的な抗力はコア鉄心と永久磁石との作用によっておこるものであり、コギングトルクと呼ばれている。コギングトルクは、モータの特性を示す指標の一つであり、例えば特許文献１に開示された測定装置を用いてモータの製造ラインの最終段階において個々のモータについて測定され、規格内に収まっているか判断される。図６にその測定装置の構成を示す。

図６に示すコギングトルク測定装置は、被測定モータ２０の回転角度を検出するためのエンコーダ２１と、被測定モータ２０に発生するトルクを検出するためのトルク計２２と、被測定モータ２０を回転させるための駆動用モータ２３とを備える。コントローラ２４は、エンコーダ２１及びトルク計２２の信号に基づき図７に示すような被測定モータ２０の回転角度ΘとトルクＴとの関係を示すトルク波形Ｗ４によりコギングトルクを測定する。
特開２００４−３２５４４７号公報

ところで、被測定モータ２０を高速で回転させ、コギングトルクの最大次数周波数（図７に示すトルク波形Ｗ４を周波数変換した周波数成分の最大値）が測定系（被測定モータ等の回転軸）の共振周波数に近づくと、被測定モータ２０やトルク計２２などの機械的構造の共振成分がコギングトルク波形に混入し、コギングトルクの測定が困難となる。そのため、上述したコギングトルク測定装置においては回転軸の不要な振動を避けるため回転軸の回転速度は通常１ｒｐｍ程度の低速に設定されている。よって、一つあたりのモータのコギングトルクを測定するために必要な時間が長くなる。

通常、モータの製造ラインでは、生産性を向上させるために複数個のモータを同時に測定することによってモータ一つあたりに必要とされるコギングトルクの測定時間を短くする。そのため、多くのコギングトルク測定装置が必要となるため設備が大型化し設備費が高額となる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速回転で安定してモータのコギングトルクを測定することが可能なコギングトルク測定装置及びコギングトルクの測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、被検出モータのコギングトルクを測定するコギングトルク測定装置であって、前記被検出モータの出力軸を回転駆動する駆動手段と、前記出力軸に接続され、該出力軸に発生するトルクを検出するトルク検出手段と、前記出力軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、予め設定された周波数特性を有し、前記トルク検出手段の出力信号をフィルタ処理するフィルタと、前記フィルタの出力信号と前記回転角度検出手段の出力信号とに基づいて前記被検出モータのコギングトルクを測定する測定手段とを備え、前記フィルタは、予め決定される機械的な構造に基づく最大次数を超える周波数成分をカットし、各周波数成分が予め基準コギングトルク信号の周波数成分に対して設定された減衰率となるように周波数特性が設定されている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコギングトルク測定装置において、前記減衰率は、前記フィルタに入力される信号から得られる検出コギングトルク波形と前記基準コギングトルク信号から得られる基準トルク波形とを周波数解析することによって次数成分ごとの比として算出される。

また、請求項３に記載の発明は、被検出モータのコギングトルクを測定するコギングトルクの測定方法であって、前記被検出モータの出力軸を回転させ前記出力軸に作用するトルク及び前記出力軸の回転角度から検出される検出コギングトルク信号に対して、予め決定される機械的な構造に基づく最大次数を超える周波数成分をカットし、各周波数成分が予め基準コギングトルク信号の周波数成分に対して設定された減衰率となるになるように周波数特性が設定されたフィルタを用いたフィルタ処理をおこなう。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のコギングトルクの測定方法において、前記減衰率は、前記フィルタに入力される信号から得られる検出コギングトルク波形と前記基準コギングトルク信号から得られる基準トルク波形とを周波数解析することによって回転次数成分ごとの比として算出される。

（作用）
請求項１に記載の発明によれば、フィルタ処理を行うことにより、出力軸が高速で回転されている状態で検出された検出コギングトルク信号から、機械的な構造の有する共振周波数に近づくにつれて増加する共振成分が排除される。また、共振の影響によって実際の値よりも大きく検出されるトルクも予め決定された減衰率となるように補正される。よって、ロータを高速で回転させた状態においてロータを低速で回転させた状態でえられる基準コギングトルク波形と同等のコギングトルク波形（測定コギングトルク波形）を得ることが可能となり、短時間でモータのコギングトルクを測定することができる。また、一つあたりのモータを測定するために必要な時間が短くなるため、複数個のモータを同時に測定する必要がなくなり製造ライン全体の小型化に貢献することができる。

請求項２に記載の発明によれば、被検出モータが高回転数で回転するときの検出コギングトルク信号から得られる検出コギングトルク波形と、被検出モータが低回転数で回転するときの基準コギングトルク信号から得られる基準コギングトルク波形と、から減衰率を算出することができる。よって、減衰率を周波数成分ごとに予め決定することができる。

請求項３に記載の発明によれば、フィルタ処理を行うことにより、出力軸が高速で回転されている状態で検出された検出コギングトルク信号から、機械的な構造の有する共振周波数に近づくにつれて増加する共振成分が排除される。また、共振の影響によって実際の値よりも大きく検出されるトルクも予め決定された減衰率となるように補正される。よって、ロータを高速で回転させた状態においてロータを低速で回転させた状態でえられる基準コギングトルク波形と同等のコギングトルク波形（測定コギングトルク波形）を得ることが可能となり、短時間でモータのコギングトルクを測定することができる。また、一つあたりのモータを測定するために必要な時間が短くなるため、複数個のモータを同時に測定する必要がなくなり製造ライン全体の小型化に貢献することができる。

請求項４に記載の発明によれば、被検出モータが高回転数で回転するときの検出コギングトルク信号から得られる検出コギングトルク波形と、被検出モータが低回転数で回転するときの基準コギングトルク信号から得られる基準コギングトルク波形と、から減衰率を算出することができる。よって、減衰率を周波数成分ごとに予め決定することができる。

本発明によれば、高速回転で安定してモータのコギングトルクを測定することが可能なコギングトルク測定装置及びコギングトルクの測定方法を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るコギングトルク測定装置１の概略構成図である。
図１に示すようにコギングトルク測定装置１は、被測定モータ２を回転させる駆動手段としての駆動モータ１０と、トルク検出手段としてのトルク計１１と、回転角度検出手段としてのエンコーダ１２と、を備えている。また、コギングトルク測定装置１は予め設定された周波数特性を有するフィルタ１３と測定手段としてのコントローラ１４とを備えている。なお、被測定モータ２の出力軸２ａは第１カップリング１５によってトルク計１１の回転軸１１ａと一体回転可能に連結され、該トルク計１１の回転軸１１ａは第２カップリング１６により駆動モータ１０の出力軸１０ａと一体回転可能に連結されている。

駆動モータ１０は、コントローラ１４からの指令に基づいて駆動し、その駆動によって第２カップリング１６、トルク計１１及び第１カップリング１５を介して通電されていない被測定モータ２の出力軸２ａを高速で回転させる。そして、トルク計１１は、被測定モータ２に発生するトルクを検出し、そのトルク検出信号を出力する。検出信号はフィルタ１３に出力される。フィルタ１３は、トルク計１１から出力される検出信号に対して後述するフィルタ処理を行い、その処理後の信号をコントローラ１４に出力する。

エンコーダ１２は、駆動モータ１０に取着されており、駆動モータ１０の図示しない駆動軸の回転角度を測定することによって被測定モータ２の回転角度を検出し、その角度検出信号をコントローラ１４に出力する。

コントローラ１４は、トルク計１１からフィルタ１３を介して入力されたトルク検出信号とエンコーダ１２から入力された角度検出信号に基づいて被測定モータ２のコギングトルクを測定する。

まず、被測定モータ２を低速で回転させたときにトルク計１１から出力されるトルク検出信号の波形（基準コギングトルク波形Ｗ１（図２参照））と、被測定モータ２を高速で回転させたときのトルク検出信号の波形（検出コギングトルク波形Ｗ２（図３参照））について説明する。

なお、説明の簡略化のため以後の説明においては、基準コギングトルク波形Ｗ１の信号（基準コギングトルク信号）が出力されるときの回転速度を基準回転速度とし、検出コギングトルク波形Ｗ２の信号（検出コギングトルク信号）が検出される測定時の駆動モータ１０の回転速度を測定回転速度とする。

図２（ａ）は基準コギングトルク波形Ｗ１の波形図であり、同図（ｂ）は基準コギングトルク波形Ｗ１を周波数解析したものである。また、図３（ａ）は検出コギングトルク波形Ｗ２の波形図であり、同図（ｂ）は検出コギングトルク波形Ｗ２を周波数解析したものである。ここで、図２（ａ）からわかるように本実施形態においては基準回転速度はノイズの少ないコギングトルク波形を得ることができる回転速度であり、例えば従来例と同様な回転数（１ｒｐｍ）としている。また、図５は回転次数ごとの基準コギングトルク波形と測定コギングトルク波形との各回転次数成分ごとの比率（ゲイン）とフィルタ１３の周波数特性図である。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）からわかるように、回転軸１１ａが高速で回転されると、回転軸１１ａの共振周波数に近づくほど増加する共振成分がコギングトルク波形に混入する。また、図５において一点鎖線で示されるよう、回転軸１１ａの回転次数が回転軸１１ａの共振周波数に近づくほど、共振の影響が大きくなりゲインが増加する。そのため、図２（ａ）と図３（ａ）とからわかるように、高速で回転された回転軸１１ａから測定される測定コギングトルク波形Ｗ３にはノイズが多く、検出コギングトルク波形Ｗ２からコギングトルクを測定することは困難である。よって、検出コギングトルク波形Ｗ２に対して予め設定された周波数特性を有するフィルタ１３を用いたフィルタ処理を行うことにより、被測定モータ２を高速で回転させた状態でコギングトルクの測定を可能とする。

次に、本実施形態で用いられるフィルタ１３の周波数特性について図２〜図５に基づいて説明する。なお、図４（ａ）は測定コギングトルク波形Ｗ３の波形図であり、同図（ｂ）は測定コギングトルク波形Ｗ３を周波数解析したものである。

フィルタ１３は、回転軸１１ａを測定回転速度で回転させたときに見られる図３（ｂ）に示されるような共振成分をカットするとともに、図５において一点鎖線で示されるようなコギングトルクのゲインの増加を減衰させる周波数特性を持つよう設定されている。

このような周波数特性を有するフィルタ１３を通過させることにより検出コギングトルク波形Ｗ２（図３参照）からノイズが除去され、基準コギングトルク波形Ｗ１（図２参照）と同等のコギングトルク波形（測定コギングトルク波形Ｗ３（図４参照））を持つ信号が得られる。よって、回転軸１１ａを高速で回転させた状態でコギングトルクの測定が可能となる。

次に、フィルタ１３の周波数特性の設定方法について説明する。
前述したようにフィルタ１３は、回転軸１１ａを測定回転速度で回転させたときに混入する共振成分をカットするように設定されている。この共振成分は回転軸１１ａが高速回転することにより機械的構造の有する共振周波数に最大次数ｉｍａｘが近づくことに起因している。よって、基準回転速度においては共振成分が存在しないと考えられ、基準コギングトルク波形Ｗ１の周波数特性から読み取れる最大の回転次数を最大次数ｉｍａｘとし、最大次数ｉｍａｘを越える信号を共振成分としてカットする。なお、機械的構造とは駆動モータ１０、被測定モータ２、エンコーダ１２、トルク計１１、第１カップリング３、第２カップリング４、及び回転軸１１ａを指し、これらによって決定される機械的特性（例えば、回転軸１１ａの慣性モーメントやねじりばね定数等）によって共振周波数が変化する。

また、前述したようにフィルタ１３は、次数に従って大きくなるコギングトルクのゲインを減衰させるように回転次数成分ごとに設定された周波数特性を持つ。すなわち、フィルタ１３は、回転次数ｉに応じた減衰率Ｇｉが設定されており、入力された信号の値を補正する。

次に、減衰率Ｇｉの決定方法について説明する。
まず、基準コギングトルク波形Ｗ１と検出コギングトルク波形Ｗ２とをそれぞれ周波数解析し、回転次数ｉごとの低速回転時コギングトルク波形のトルクＦｉＬと検出コギングトルク波形Ｗ２のトルクＦｉＨとを求める（図２（ｂ）及び図３（ｂ）参照）。

次に、回転次数ｉにおける基準コギングトルク波形Ｗ１のトルクＦｉＬと検出コギングトルク波形Ｗ２のトルクＦｉＨとの比Ｇｉ（Ｇｉ＝ＦｉＬ／ＦｉＨ）を算出する。なお、比Ｇｉは回転次数ｉごとに算出され、この比Ｇｉが回転次数ｉに応じた減衰率Ｇｉとなる。

以上のようにして得られた最大次数ｉｍａｘと回転次数成分ごとの減衰率Ｇｉとから、図３（ｂ）に示される最大次数ｉｍａｘ以上の周波数成分をカットするとともに、図５において実線で示されるような回転次数の上昇にともなって増加するコギングトルクを減衰させる周波数特性をもつフィルタ１３を得る。

なお、回転軸１１ａの共振周波数は、回転軸１１ａの機械的特性によって決定されるため、同型の被測定モータ２を順次取り替えて測定する測定装置において、最大次数成分は変化しない。すなわち、一定の規格を満足するように製造されるモータの製造ラインにおいては、予め設定された一定の周波数特性を有するフィルタ１３を用いることができる。

上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）トルク計１１から出力されるトルク検出信号に対してフィルタ１３にてフィルタ処理を行うことによって、機械的な構造が有する共振周波数に近づくにつれてコギングトルク波形に混入する共振成分（図３（ｂ）参照）が排除される。また、共振の影響によって実際の値よりも大きく検出されたトルク（図３（ａ）参照）も予め決定された減衰率で補正される。よって、駆動モータ１０を高速で回転させた状態においても低速回転時と同等のコギングトルク波形を持つ信号を得ることが可能となり、高速回転で安定してモータのコギングトルクを測定することができる。このため、短時間でモータのコギングトルクを測定することができる。また、一つあたりのモータを測定するために必要な時間が短くなるため、複数個のモータを同時に測定する必要がなくなり製造ライン全体の小型化に貢献することができる。

（２）被測定モータ２０が高回転数で回転するときの検出コギングトルク波形Ｗ２と被検出モータが低回転数で回転するときの基準コギングトルク波形Ｗ１とから減衰率を算出することができる。よって、各回転次数の減衰率を予め決定することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
○上記実施形態では、トルク計１１から出力された信号はフィルタ１３を通過してコントローラ１４に入力されたがこのような態様に限定されない。例えば、フィルタ処理をコントローラ１４にてＡ／Ｄ変換した後にソフトウエア的な信号処理によって実現することもできる。また、コントローラ１４はパソコンなどのコンピュータによって実現することもできる。

○上記実施形態では、回転角度検出手段はエンコーダ１２に限定されず、例えば、ホール素子によって回転角度を検出することもできる。また、トルク計１１及び駆動モータ１０の接続はカップリングによるものに限定されず被測定モータ２に作用するトルクとそのときの回転角度が検出できる構成であれば適宜変更である。

本実施の形態に係るコギングトルク測定装置の概略構成図。（ａ）低速回転時の検出波形図、（ｂ）低速回転時の周波数特性図。（ａ）高速回転時の検出波形図、（ｂ）高速回転時の周波数特性図。（ａ）フィルタ処理後の波形図、（ｂ）フィルタ処理後の周波数特性図。高速回転時のコギングトルクのゲインとフィルタの周波数特性を示す説明図。従来のコギングトルク測定装置を示す概略構成図。従来の検出波形図。

符号の説明

Ｇｉ…回転次数成分ｉにおける基準コギングトルク波形Ｗ１のトルクＦｉＬと検出コギングトルク波形Ｗ２のトルクＦｉＨとの比（減速率）、ＦｉＨ…検出コギングトルク波形Ｗ２のトルク、ＦｉＬ…基準コギングトルク波形Ｗ１のトルク、ｉｍａｘ…最大次数、Ｗ１…基準コギングトルク波形、Ｗ２…検出コギングトルク波形、Ｗ３…測定コギングトルク波形、１…コギングトルク測定装置、２…被測定モータ、２ａ…被測定モータ２の出力軸、１０…駆動手段としての駆動モータ、１０ａ…駆動モータ１０の出力軸、１１…トルク検出手段としてのトルク計、１２…回転角度検出手段としてのエンコーダ、１３…フィルタ、１４…測定手段としてのコントローラ。

Claims

被検出モータのコギングトルクを測定するコギングトルク測定装置であって、
前記被検出モータの出力軸を回転駆動する駆動手段と、
前記出力軸に接続され、該出力軸に発生するトルクを検出するトルク検出手段と、
前記出力軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
予め設定された周波数特性を有し、前記トルク検出手段の出力信号をフィルタ処理するフィルタと、
前記フィルタの出力信号と前記回転角度検出手段の出力信号とに基づいて前記被検出モータのコギングトルクを測定する測定手段とを備え、
前記フィルタは、予め決定される機械的な構造に基づく最大次数を超える周波数成分をカットし、各周波数成分が予め基準コギングトルク信号の周波数成分に対して設定された減衰率となるように周波数特性が設定されている
ことを特徴とするコギングトルク測定装置。
請求項１に記載のコギングトルク測定装置において、
前記減衰率は、前記フィルタに入力される信号から得られる検出コギングトルク波形と前記基準コギングトルク信号から得られる基準トルク波形とを周波数解析することによって次数成分ごとの比として算出される
ことを特徴とするコギングトルク測定装置。
被検出モータのコギングトルクを測定するコギングトルクの測定方法であって、
前記被検出モータの出力軸を回転させ前記出力軸に作用するトルク及び前記出力軸の回転角度から検出される検出コギングトルク信号に対して、
予め決定される機械的な構造に基づく最大次数を超える周波数成分をカットし、各周波数成分が予め基準コギングトルク信号の周波数成分に対して設定された減衰率となるになるように周波数特性が設定されたフィルタを用いたフィルタ処理をおこなう
ことを特徴とするコギングトルクの測定方法。
請求項３に記載のコギングトルクの測定方法において、
前記減衰率は、前記フィルタに入力される信号から得られる検出コギングトルク波形と前記基準コギングトルク信号から得られる基準トルク波形とを周波数解析することによって回転次数成分ごとの比として算出される
ことを特徴とするコギングトルクの測定方法。