JP2012044771A - 電動機駆動トルク制御装置及び電動機駆動トルク制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体による所要の処理が可能であるか否かを確実に判定することができる電動機駆動トルク制御装置又は電動機駆動トルク制御方法を提供する。
【解決手段】トルク検出部４１は、インバータ４０がモータ２０へ出力する出力電流によりモータ２０のトルクを検出する。トルク値算出部７３は、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを収集して統計値を算出する。統計値は、例えば、検出したピーク値の平均値あるいは最大値などとすることができる。判定部７２は、トルク値算出部７３算出した駆動トルクの統計値が許容トルク範囲内であるか否かに応じて粉砕の可否を判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、商用電源の周波数を変換する周波数変換器と、周波数変換器で駆動される電動機と、電動機の電動機軸の回転数を減速する減速機と、減速機で減速された回転数で回転する１又は複数の回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置及び電動機駆動トルク制御方法に関する。

環境汚染あるいは産業廃棄物の増加などの問題を解決するため、循環型社会の形成が益々重要になってきている。例えば、プラスチックに代表される合成樹脂を用いて成形品又は成形部品を製造する成形工場では、成形時に発生するスプルランナと称される不要部分あるいは成形不良品などを回収して樹脂素材の資源再利用率を向上させることが行われている。

樹脂素材のリサイクルには、回収したスプルランナを粉砕機で所定の大きさの粉砕材にしてリサイクル原資としている。このような粉砕機は、投入ホッパから投入されたスプルランナ（被粉砕物）を粉砕刃に食い込み易くするため、一例として、まず粗砕刃で粗砕し、粗砕された材料を粉砕刃で所定の粒形状の粉砕材に粉砕している。粗砕刃及び粉砕刃などの回転刃を１つの回転軸に固定した１軸式の粉砕機は、回転軸を駆動する駆動部品が少なく構造もシンプルであるため、工場内リサイクルを目指す多くの事業所で利用されている。

このような粉砕機では、投入される被粉砕物が多種多用であり、被粉砕物によっては、異なる大きさの粉砕片に粉砕したい場合がある。そこで、粉砕機のモータの電流を検出し、検出した電流の大小に応じてインバータの周波数を変更し、モータの回転数を変更することにより、所望の大きさの粉砕片に粉砕することができる粉砕機が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０００−７０７４９号公報

従来の粉砕機では、投入される被粉砕物の形状または材質が様々であり、粉砕あるいは破砕の切断プロセスも、くさびの押込み、圧延、せん断、引張りなどの複合で過渡的な衝撃荷重が発生するため、粉砕機の最大切断力を想定することは容易ではなかった。このため、被粉砕物の粉砕時における過負荷から粉砕機を保護するために、モータが出力することができる最大トルクに対して十分な安全率を設けること、電気的なサーマル保護を設けること、モータを駆動する電流に対する過電流保護装置（例えば、ショックリレーなど）を設けること、ユーザには粉砕機の最大切断力を提示することなど様々な対策が講じられているにもかかわらず粉砕衝撃負荷による減速機や粉砕刃の破損が後を絶たない。また、粉砕実績のない新たな被粉砕物を粉砕する場合には、実際に被粉砕物を粉砕してみて判断せざるを得ず、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は変速機などの部品の破損が生ずるリスクを抱えるという問題もあった。また、このような問題は、粉砕機に限らず、回転軸に回転体を備え、回転体で所定の処理を行う電気機器も同様である。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、回転体による所要の処理が可能であるか否かを確実に判定することができる電動機駆動トルク制御装置及び電動機駆動トルク制御方法を提供することを目的とする。

第１発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、商用電源の周波数を変換する周波数変換器と、該周波数変換器で駆動される電動機と、該電動機の電動機軸の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する１又は複数の回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、前記周波数変換器を商用周波数よりも低い低周波数域で動作させ、前記回転体で所要の処理を行って、該回転体による処理の可否を判定する判定部を備えることを特徴とする。

第２発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明において、前記電動機の駆動トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、該検出部で検出した特徴量を収集して統計値を算出する統計値算出部とを備え、前記判定部は、前記統計値算出部で算出した特徴量の統計値に基づいて前記処理の可否を判定するように構成してあることを特徴とする。

第３発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第２発明において、前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備えることを特徴とする。

第４発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第２発明において、前記周波数変換器を前記低周波数域から商用周波数付近までの間で動作させて前記検出部で検出した特徴量に基づいて、前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を特定する特定部と、該特定部で特定した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備えることを特徴とする。

第５発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第２発明において、前記周波数変換器を前記低周波数域の任意の一の周波数で動作させて前記統計値算出部で算出した統計値に基づいて、前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を特定する特定部と、該特定部で特定した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備えることを特徴とする。

第６発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第３発明乃至第５発明のいずれか１つにおいて、前記補正部で補正した特徴量及び所定の閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御する回転数制御部を備えることを特徴とする。

第７発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第６発明において、前記回転数制御部は、前記電動機の定出力範囲において前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より大きい場合、前記回転軸の回転数を下げるように構成してあることを特徴とする。

第８発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第７発明において、前記回転数制御部は、前記電動機の定出力範囲において前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より大きい場合、補正した特徴量が前記閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げるように構成してあることを特徴とする。

第９発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第６発明から第８発明までのいずれか１つにおいて、前記回転数制御部は、前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より小さい場合、前記回転軸の回転数を上げるように構成してあることを特徴とする。

第１０発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第９発明において、前記回転数制御部は、所定時間の間、前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げるように構成してあることを特徴とする。

第１１発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第６発明から第１０発明までのいずれか１つにおいて、前記判定部は、所定の判定時間の間に前記処理の可否を判定し、前記回転数制御部は、前記判定部で前記処理が可であると判定した場合、前記回転軸の回転数を制御するように構成してあることを特徴とする。

第１２発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第１１発明までのいずれか１つにおいて、前記処理の可否を判定するための操作を受け付ける受付部を備え、前記判定部は、前記受付部で操作を受け付けた場合、前記処理の可否を判定するように構成してあることを特徴とする。

第１３発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第１２発明までのいずれか１つにおいて、前記判定部で前記処理が否であると判定した場合、その旨を通知する通知部を備えることを特徴とする。

第１４発明に係る電動機駆動トルク制御方法は、商用電源の周波数を変換する周波数変換器と、該周波数変換器で駆動される電動機と、該電動機の電動機軸の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する１又は複数の回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置による電動機駆動トルク制御方法において、前記周波数変換器を商用周波数よりも低い低周波数域で動作させ、前記回転体で所要の処理を行って、該回転体による処理の可否を判定するステップを含むことを特徴とする。

第１発明又は第１４発明にあっては、１又は複数の回転軸を有する電気機器（例えば、粉砕機）において、周波数変換器を商用周波数よりも低い低周波数域で動作させ、回転体で所要の処理（例えば、回転刃で被粉砕物の粉砕）を行って、モータ（電動機）の許容トルク範囲内での処理（例えば、当該被粉砕物の粉砕）の可否を判定する判定部を備える。周波数変換器の商用周波数は、例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、低周波数域は、例えば、数Ｈｚから２０Ｈｚ程度の周波数である。好ましくは商用周波数の１０％程度であり、５Ｈｚ又は６Ｈｚ±数Ｈｚとすることができる。周波数変換器の出力周波数を商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）で周波数変換器を動作させ、所要の処理、例えば、被粉砕物を粉砕した場合、過渡的な過負荷が発生し、回転刃（回転軸）には大きな負荷がかかる。回転軸に比べて高速で回転するモータ軸（電動機軸）の慣性が大きいので、回転軸に過負荷が加わった場合、高速で回転しているモータ軸の大きな慣性により、モータの駆動トルク（モータの駆動電流により出力するトルク）を遥かに上回る慣性付加トルク（慣性モーメントと角加速度の乗算値）が生じ、実トルク（実際に負荷に与えるトルク）は、モータの駆動トルクと慣性付加トルクの合計値となる。すなわち、周波数変換器を商用周波数で動作させた場合、実トルクは、モータの駆動トルクだけではなく、駆動トルクに慣性付加トルクが加わった、駆動トルクよりも大きなトルクになる。このため、従来のように、駆動トルクが許容範囲内にあるか否かで被粉砕物の粉砕の可否を判定した場合、実際には予期しない大きなトルクが負荷に与えられているため、実トルクが許容範囲を超えている事態が起こり得る。

一方、負荷に与えるトルク（実トルク）、すなわち被粉砕物を切断する力は、回転軸（回転刃）の回転数（周波数変換器の出力周波数）の大小にかかわらず同じである。そこで、周波数変換器を、出力周波数が低周波数域内にある状態で動作させて、モータ軸の回転数を小さくして（下げて）、慣性付加トルクの影響を極力少なくすることで、駆動トルクが実トルクに近づく状態で被粉砕物を粉砕させる。この場合に駆動トルクが許容範囲内であるか否か判定することで、当該被粉砕物を粉砕した場合に、実トルクが許容範囲内であるかを近似的に判定することができる。これにより、周波数変換器の出力周波数を商用周波数、商用周波数以上又は商用周波数以下にした場合であっても、実トルクが許容範囲内にあるか否かを判定しているので、過渡的な過負荷が発生した場合でも実トルクが許容範囲を超えることがなく、当該被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。なお、駆動トルクに代えて、モータのトルク電流又はモータの負荷電流などを用いることもできる。

第２発明にあっては、モータ（電動機）の駆動トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、検出部で検出した特徴量を収集して統計値を算出する統計値算出部とを備える。モータの駆動トルクに関連する特徴量は、例えば、モータの駆動トルクの他、モータのトルク電流又はモータの負荷電流などである。統計値は、例えば、特徴量（例えば、駆動トルクなど）のピーク値を複数回検出し、検出したピーク値の平均値あるいは最大値などとすることができる。判定部は、算出した特徴量の統計値が許容範囲内（例えば、許容トルク範囲内）であるか否かに応じて所要の処理、例えば、粉砕の可否を判定する。特徴量として、モータのトルク電流又はモータの負荷電流を検出する場合には、検出したトルク電流又はモータの負荷電流を駆動トルクに変換すればよい。統計値を用いることにより、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する特徴量（例えば、駆動トルクなど）のバラツキを考慮した上で、特徴量が許容範囲内であるか否かを判定するので、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

第３発明にあっては、周波数変換器の出力周波数とモータ（電動機）の負荷率との対応関係を記憶する記憶部と、記憶部に記憶した対応関係に基づいて、検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備える。周波数変換器の出力周波数が大きく（高く）なるに応じて、モータ軸の回転数が大きく（高く）なるので、実トルクに占める慣性付加トルクの割合が大きくなる。すなわち、実トルクに占める駆動トルクの割合（モータの定格トルクに対する負荷率と称する）が小さくなる。そこで、対応関係として、周波数変換器の出力周波数に対する負荷率（モータの定格トルクに対する負荷率）を記憶しておき、検出した特徴量が実トルクとほぼ同程度になるように、検出した特徴量を補正する。これにより、モータの駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクを補正駆動トルク値として求めることができる。

第４発明にあっては、周波数変換器を低周波数域から商用周波数付近までの間で動作させて、検出部で検出した特徴量に基づいて、周波数変換器の出力周波数とモータ（電動機）の負荷率との対応関係を特定する特定部と、特定部で特定した対応関係に基づいて、検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備える。周波数変換器の出力周波数が大きく（高く）なるに応じて、モータ軸の回転数が大きく（高く）なるので、実トルクに占める慣性付加トルクの割合が大きくなる。すなわち、実トルクに占める駆動トルクの割合（モータの定格トルクに対する負荷率と称する）が小さくなる。そこで、対応関係として、周波数変換器の出力周波数に対する負荷率（モータの定格トルクに対する負荷率）を特定し、検出した特徴量が実トルクとほぼ同程度になるように、検出した特徴量を補正する。これにより、モータの駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクを補正駆動トルク値として求めることができる。

第５発明にあっては、周波数変換器を低周波数域の任意の一の周波数で動作させて、統計値算出部で算出した統計値に基づいて、周波数変換器の出力周波数とモータ（電動機）の負荷率との対応関係を特定する特定部と、特定部で特定した対応関係に基づいて、検出部で検出した特徴量を補正する補正部とを備える。周波数変換器の出力周波数が大きく（高く）なるに応じて、モータ軸の回転数が大きく（高く）なるので、実トルクに占める慣性付加トルクの割合が大きくなる。すなわち、実トルクに占める駆動トルクの割合（モータの定格トルクに対する負荷率と称する）が小さくなる。そこで、低周波数域の任意の一の周波数における特徴量の統計値を算出し、算出した統計値に基づいて出力周波数での特徴量を推定することにより、対応関係として、周波数変換器の出力周波数に対する負荷率（モータの定格トルクに対する負荷率）を特定し、検出した特徴量が実トルクとほぼ同程度になるように、検出した特徴量を補正する。これにより、モータの駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクを補正駆動トルク値として求めることができる。

第６発明にあっては、補正部で補正した特徴量及び所定の閾値（例えば、トルク閾値など）の大小に応じて回転軸の回転数を制御する回転数制御部を備える。周波数変換器で制御されるモータの出力特性は、基底回転数（例えば、周波数変換器の商用周波数と、モータの極数とによって決定される同期回転数である）以下の回転数では定トルク特性を有し、基底回転数以上の回転数では定出力特性を有する。回転数制御部は、モータを基底回転数以上の回転数で動作させた場合、すなわち、定出力領域で動作させた場合、補正部で補正した補正駆動トルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて回転軸の回転数を制御する。例えば、補正駆動トルクが閾値より小さい場合、軽負荷であるので回転数を上げてトルクを減らし粉砕処理能力を高める。また、補正駆動トルクが閾値より大きい場合、重負荷であるので回転数を下げることによりトルクを増やし過負荷停止を防止する。これにより、負荷特性に応じたトルク特性を実現し、かつ最大の処理能力を得ることができ、負荷変動に応じてトルクを変更することができる。また実トルクに相当する補正駆動トルクを用いて回転数の制御を行うので、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって過渡的な過負荷が発生した場合でも、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を防止することができる。

第７発明にあっては、回転数制御部は、モータ（電動機）の定出力範囲において補正部で補正した特徴量が閾値（例えば、トルク閾値など）より大きい場合、回転軸の回転数を下げる。例えば、負荷変動により補正駆動トルクがトルク閾値を超えた場合、回転軸の回転数を下げることによりトルクを増加させる。これにより、重負荷になった場合でも、必要なトルクが得られ、負荷変動に対応させて過負荷停止を防止することができる。

第８発明にあっては、回転数制御部は、モータ（電動機）の定出力範囲において補正部で補正した特徴量が閾値（例えば、トルク閾値など）より大きい場合、補正した駆動トルクがトルク閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げる。回転数制御部は、定出力範囲において、すなわちモータを基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、補正駆動トルクがトルク閾値より大きい場合、補正駆動トルクがトルク閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げる。所定の減速勾配は、例えば、１秒間で周波数変換器の周波数を５Ｈｚだけ減少させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。

第９発明にあっては、回転数制御部は、補正部で補正した特徴量が閾値（例えば、トルク閾値など）より小さい場合、回転軸の回転数を上げる。回転数制御部は、モータを基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、補正駆動トルクがトルク閾値より小さい場合、回転軸の回転数を上げる。例えば、負荷変動により補正駆動トルクがトルク閾値を下回る場合、回転軸の回転数を上げることによりトルクを減少させる。これにより、軽負荷になった場合でも、必要なトルクを維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。

第１０発明にあっては、回転数制御部は、所定時間の間、補正部で補正した特徴量（例えば、補正駆動トルク）が閾値（例えば、トルク閾値など）より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げる。回転数制御部は、モータを基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、所定時間の間、補正駆動トルクがトルク閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げる。所定時間は、例えば、１０分、５分など予め設定しておくことができる。また、所定の加速勾配は、例えば、１秒間で周波数変換器の周波数を５Ｈｚだけ増加させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。

第１１発明にあっては、判定部は、所定の判定時間の間に所要の処理、例えば、被粉砕物の粉砕の可否を判定し、回転数制御部は、判定部で粉砕が可であると判定した場合、回転軸の回転数を制御する。判定時間は、例えば、５分、１０分などの時間とすることができる。判定時間の間、粉砕機に被粉砕物を投入して、投入した被粉砕物が粉砕可能であるか否かを判定し、粉砕可能であると判定した場合に、回転軸の回転数を制御して実運転（実際に被粉砕物を粉砕する運転）を行う。判定時間の間に、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する駆動トルクのバラツキを考慮した上で、粉砕の可否を判定するので、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

第１２発明にあっては、所要の処理、例えば、被粉砕物の粉砕の可否を判定するための操作を受け付ける受付部を備え、判定部は、受付部で操作を受け付けた場合、被粉砕物の粉砕の可否を判定する。これにより、実運転を行う前に被粉砕物の粉砕の可否を確認するための判定運転を行うことができるので、ユーザの利便性が向上する。

第１３発明にあっては、判定部で所要の処理、例えば、被粉砕物の粉砕が否であると判定した場合、その旨を通知する通知部を備える。これにより、粉砕時に破損を与えかねない被粉砕物を事前に確認することができ、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を未然に防止することができる。

第１発明及び第１４発明によれば、周波数変換器の出力周波数を商用周波数、商用周波数以上又は商用周波数以下にした場合であっても、実トルクが許容範囲内にあるか否かを判定しているので、過渡的な過負荷が発生した場合でも実トルクが許容範囲を超えることがなく、当該被粉砕物の粉砕などの回転体による所定の処理が可能であるか否かを確実に判定することができる。

第２発明によれば、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する特徴量（例えば、駆動トルクなど）のバラツキを考慮した上で、駆動トルクが許容範囲内であるか否かを判定するので、所要の処理、例えば、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

第３発明によれば、モータの駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクを補正駆動トルク値として求めることができる。

第４発明及び第５発明によれば、モータの駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクを補正駆動トルク値として求めることができる。

第６発明によれば、負荷特性に応じたトルク特性を実現し、かつ最大の処理能力を得ることができ、負荷変動に応じてトルクを変更することができる。また実トルクに相当する補正駆動トルクを用いて回転数の制御を行うので、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって過渡的な過負荷が発生した場合でも、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を防止することができる。

第７発明によれば、重負荷になった場合でも、必要なトルクが得られ、負荷変動に対応させて過負荷停止を防止することができる。

第８発明によれば、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。

第９発明によれば、軽負荷になった場合でも、必要なトルクを維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。

第１０発明によれば、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。

第１１発明によれば、判定時間の間に、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する駆動トルクのバラツキを考慮した上で、粉砕の可否を判定するので、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

第１２発明によれば、実運転を行う前に被粉砕物の粉砕の可否を確認するための判定運転を行うことができるので、ユーザの利便性が向上する。

第１３発明によれば、粉砕時に破損を与えかねない被粉砕物を事前に確認することができ、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を未然に防止することができる。

実施の形態１に係る粉砕機の構成の一例を示す外観斜視図である。 実施の形態１に係る粉砕機本体の一例を示す要部平面図である。 実施の形態１の粉砕機の回路構成の一例を示すブロック図である。 インバータの出力電流波形の一例を示すタイムチャートである。 インバータの出力周波数が６Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図である。 インバータの出力周波数が２０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図である。 インバータの出力周波数が４０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図である。 インバータの出力周波数が６０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図である。 インバータの出力周波数と負荷率との対応関係の一例を示す説明図である。 駆動トルク値の補正の一例を示す説明図である。 従来の粉砕機の回転軸の回転数とインバータの周波数との関係を示す説明図である。 従来のインバータ制御されたモータの出力特性の一例を示す説明図である。 実施の形態１の粉砕機のモータの出力特性の一例を示す説明図である。 実施の形態１の粉砕機のトルク閾値の一例を示す説明図である。 実施の形態２の粉砕機の回路構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態３の粉砕機本体の一例を示す要部断面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。なお、以下では、電気機器として粉砕機を例に挙げて説明するが、電気機器は粉砕機に限定されるものではない。

図１は実施の形態１に係る粉砕機１００の構成の一例を示す外観斜視図である。粉砕機１００は、筐体を備える粉砕機本体５０、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなどの商用電源から供給される交流電源の周波数を変換し、変換した周波数の交流電圧を出力する周波数変換器としてのインバータ４０、インバータ４０が出力する交流電圧により駆動されるモータ２０、モータ２０のモータ軸の回転数を減速する減速機３０、粉砕機１００の動作を制御する制御部７０などを備える。粉砕機１００は、筐体内に横置きされた回転軸を有し、回転軸は、減速機３０で減速された回転数で回転する。粉砕機１００は、筐体内の回転軸に取り付けられた回転刃と筐体内に配置された固定刃との協働により被粉砕物を粉砕する。

粉砕機本体５０は、上側と下側が開口した筐体を備える。粉砕機本体５０は、中央部が開口した金属製の支持台１にボルト等で固定されている。支持台１の下側には、粉砕機本体５０の下部に取り付けられた材料受部が配置されている。

粉砕機本体５０の上方には、略Ｓ字状の投入ホッパ６０を設けている。投入ホッパ６０の下側縁部には、開閉用の軸（不図示）を設けてあり、軸回りに約９０度投入ホッパ６０を回転させることにより、粉砕機５０の上方を開放することができる。投入ホッパ６０の内部は開放され、投入口６１から投入された被粉砕物（スプルランナ）は粉砕機本体５０へ供給される。

図２は実施の形態１に係る粉砕機本体５０の一例を示す要部平面図である。図２に示すように、支持台１の上面には、適長離隔した１対の金属製の固定側壁２、２を対設してあり、固定側壁２、２の両側部には、１対の金属製の揺動側壁３、３が固定側壁２、２で挟まれるように配置してあり、固定側壁２、２、及び揺動側壁３、３により筐体を構成している。そして、粉砕機本体５０の筐体は、上側及び下側が開口している。

一方の固定側壁２の略中央部には、軸受１０が取り付けられてあり、他方の固定側壁２には、モータ２０、減速機３０を取り付けてある。なお、図２においてインバータ４０、制御部７０は省略している。減速機３０は、ピニオン及びホイール（ギア）などを備え、モータ２０のモータ軸の回転数を減速し、減速した回転数で粉砕機本体５０の回転軸（不図示）を回転させる。回転軸は、固定側壁２、２の間に横置きに配置されている。これにより、モータ２０のモータ軸に連動して粉砕機本体５０の回転軸が回転する。

固定側壁２、２、及び揺動側壁３、３で囲まれる空間には、回転軸に嵌装された回転刃としての粗砕刃４、４、及び粉砕刃６、６、６が収容される。粗砕刃４、４は、回転軸の周面から円弧状に突出している。すなわち、粗砕刃４、４は、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなし回転軸の軸方向に適長離隔して配置されている。粉砕刃６、６、６は、固定側壁２と粗砕刃４との間、及び粗砕刃４、４の間に配置され、回転軸方向に所定の間隔で環状溝が形成され、隣接する環状溝間の環状突起部の外周面を鋸歯状に形成している。

揺動側壁３、３は、回転軸に平行な揺動軸（不図示）の回りに揺動可能であり、揺動側壁３、３を開くことにより、筐体内部が上向きに開放される。一方の揺動側壁３の内側には、各粗砕刃４、及び各粉砕刃６との協働により被粉砕物（スプルランナ）を粉砕するための矩形の板状の第１固定刃７ａ、…、及び第２固定刃７ｂで構成される固定刃７が、内側に向かって下方向に傾斜するように固定されている。

第１固定刃７ａは、長手方向の寸法が粉砕刃６の軸方向の寸法と略同一であり、長辺側の一方の縁部は、粉砕刃６の刃先と噛み合うように凹凸状に形成された歯部を有し、ボルト９、…で揺動側壁３の内側に固定されている。また、第１固定刃７ａの短辺側であって粗砕刃４と近接する縁部には、粗砕刃４との協働により被粉砕物を粉砕する歯部を形成している。

第２固定刃７ｂは、長手方向の寸法が揺動側壁３の軸方向の寸法と略同一であり、長辺側の一方の縁部であって、粗砕刃４と近接する箇所には、粗砕刃４との協働により被粉砕物を粉砕する歯部を形成している。第２固定刃７ｂは、ボルト（不図示）により第１固定刃７ａ、…の長辺側の他方の縁部に当接するように揺動側壁３の内側に固定されている。

揺動側壁３の内側であって固定刃７の下側には、粗砕刃４、４で粗砕され、所定の大きさに粉砕されていない被粉砕物が排出されることを防止するため、粗砕刃カバー（不図示）が設けられている。粗砕刃カバーは、粗砕刃４、４の回転軌道を覆うように内側に円弧状の溝加工が施されている。

他方の揺動側壁３の内側には、粉砕刃６、６、６で所定の大きさ（粒形状）に粉砕された粉砕材を掻き落とし、筐体の下側の材料受部へ排出するための略矩形の板状のスクレーパ５が、ボルト８、８、８により内側に向かって下方向に傾斜するように固定されている。

スクレーパ５は、粗砕刃４、４が回転する部分に矩形状の切り込みを形成してあり、長辺側の一方の縁部であって、粉砕刃６、６、６と近接する箇所には、粉砕刃６の刃先と噛み合うように凹凸状に形成された掻き落とし部を形成している。

揺動側壁３の内側であってスクレーパ５の下側には、粗砕刃４、４で粗砕され、未だ所定の大きさに粉砕されていない被粉砕物が排出されることを防止するため、粗砕刃カバーが設けられている。粗砕刃カバーは、粗砕刃４、４の回転軌道を覆うように内側に円弧状の溝加工が施されている。両方の揺動側壁３、３を閉じた場合、各粗砕刃カバーは、一端部でお互いに当接して、粗砕刃４、４の回転軌道を覆う空間を形成し、未粉砕の被粉砕物が排出されることを防止する。

各固定側壁２、及び各揺動側壁３で構成される筐体の４隅には、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定するため一面がテーパ状のロック部材１３、…が取り付けられるようになっており、テーパ状の一面で固定側壁２、揺動側壁３の端部を挟み込み、ロック部材１３に螺合したレバー１２を締め付けることにより、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定する。各揺動側壁３は、揺動側壁３に固定されたハンドル１４を持って開閉することができる。

被粉砕物を粉砕する場合、レバー１２を締め付けることにより、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定する。筐体の上部に配置された投入ホッパ６０に被粉砕物を投入し、インバータ４０の電源をオンにすると、回転軸が所定の回転数で回転し、粗砕刃４、粉砕刃６が回転する。回転方向は、粗砕刃４、及び粉砕刃６が上側から下側に向かって固定刃７と噛み合うとともに、下側から上側に向かってスクレーパ５と噛み合う方向である。

これにより、被粉砕物は、まず粗砕刃４と固定刃７との協働により粗砕され、粉砕刃６に食い込み易い大きさに細断される。粗砕された被粉砕物は、粉砕刃６と第１固定刃７ａとの協働により所定の大きさの粉砕材に粉砕され、粉砕刃６の回転に伴って筐体の下側に送られ、材料受部に排出される。また、所定の大きさに粉砕された粉砕材のうち、静電気で粉砕刃６の側面に付着したものは、粉砕刃６とスクレーパ５との協働によりスクレーパ５の下面で掻き落とされ、材料受部に排出される。

粗砕刃４により粗砕された被粉砕物の一部は、粗砕刃４の回転により固定刃７の下側に送られるが、粗砕刃カバーで受け止められ、再び各粉砕刃６の上側に送られるとともに、材料受部に誤って排出されることを防止する。

図３は実施の形態１の粉砕機１００の回路構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、インバータ４０は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を所要の周波数に変換し、変換した周波数の出力電圧をモータ２０へ供給する。モータ２０は、例えば、誘導電動機であり、インバータ４０から供給された周波数の交流電圧に応じて駆動される。モータ２０のモータ軸の回転数は減速機３０で減速され、粉砕機本体５０の回転軸は減速機３０により減速された回転数で回転する。

インバータ４０は、モータ２０の駆動トルクＴｍを検出するトルク検出部４１を備える。トルク検出部４１は、例えば、インバータ４０がモータ２０へ出力する出力電流（インバータ４０がモータ２０に接続されている場合、モータ負荷電流という。）によりモータ２０の駆動トルクＴｍを検出する。より具体的には、インバータ４０の出力電流から無負荷電流を減算した負荷状態での電流に力率などを考慮したトルク電流にさらに効率などを考慮して駆動トルクＴｍを求めることができる。トルク検出部４１は、検出した駆動トルクを制御部７０へ出力する。

図４はインバータ４０の出力電流波形の一例を示すタイムチャートである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は出力電流を示す。インバータ４の出力電流は、粉砕機本体５０が被粉砕物を粉砕していない無負荷の状態での「無負荷電流」と、被粉砕物を粉砕している負荷状態の「負荷状態での電流」との合計で表すことができる。図４の例では、「負荷状態での電流」が時間の経過とともに変動しており、被粉砕物が粉砕される過程で生じる駆動トルクが変動している様子がわかる。なお、出力電流の波形は一例であって、図４の例に限定されるものではない。

インバータ４０を使用する場合、インバータの出力周波数とモータ軸の回転数との関係は、Ｖｆ＝１２０×ｆ／Ｐで表すことができる。ここで、Ｖｆはモータ軸の回転数で、Ｐは極数で、ｆはインバータの出力周波数である。例えば、モータ２０が４極であり、インバータ４０の出力周波数ｆが１００Ｈｚの場合、モータ軸の回転数Ｖｆは３０００ｒｐｍとなる。

減速機３０の減速比は、例えば、１／１６０であり、従来の減速機の減速比よりも大きくしている。

制御部７０は、インバータ４０が出力する交流電源の周波数を制御することにより、粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する回転数制御部７１、駆動トルクがモータ２０の許容トルク範囲内（例えば、トルク閾値以下）にあって被粉砕物を粉砕可能であるか否かを判定する判定部７２、トルク検出部４１で検出した駆動トルクの統計値を算出するトルク値算出部７３、インバータ４０の出力周波数とモータ２０の駆動トルクとの対応関係としてのインバータ４０の出力周波数に対する負荷率（モータ２０の定格トルクに対する負荷率）を特定する負荷率特定部７４、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを負荷率に基づいて補正して補正駆動トルクを算出するトルク値補正部７５、被粉砕物の粉砕の可否を判定する判定運転及び実運転などの操作を受け付ける操作部７６、判定運転の結果を通知するための表示部７７、モータ２０の定格トルクに対する負荷率などの所定の情報を記憶する記憶部７８などを備える。

判定部７２は、インバータ４０の定格周波数（例えば、商用周波数とすることができる）よりも低い低周波数域で動作させ、被粉砕物を実際に粉砕して、モータ２０の許容トルク範囲内での当該被粉砕物の粉砕の可否を判定する。許容トルクは、例えば、モータ２０の連続出力可能トルクから、短時間出力可能な最大瞬間出力可能トルクまでの範囲内の所望のトルク閾値以下であれば、許容範囲内とすることができる。

インバータ４０の定格周波数は、例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、低周波数域は、例えば、数Ｈｚから２０Ｈｚ程度の周波数である。好ましくは定格周波数の１０％程度であり、５Ｈｚ又は６Ｈｚ±数Ｈｚとすることができる。以下、粉砕可否の判定方法について具体的に説明する。

図５はインバータ４０の出力周波数が６Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図であり、図６はインバータ４０の出力周波数が２０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図であり、図７はインバータ４０の出力周波数が４０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図であり、図８はインバータ４０の出力周波数が６０Ｈｚの場合の定格トルクに対する負荷率の実測値の一例を示す説明図である。

図５〜図８において、横軸は、被粉砕物（例えば、厚みが３ｍｍのポリプロピレンの板片である）の粉砕時間を示し、縦軸はモータ２０の定格トルクに対する負荷率を示す。定格トルクに対する負荷率は、実トルクＴ（実際に負荷に与えるトルク）に対する駆動トルクＴｍの割合である。なお、図５〜図８において、被粉砕物は同一のものを使用した。図５〜図８に示すように、インバータ４０の出力周波数が大きく（高く）なるに応じて、負荷率は小さくなる。

図９はインバータ４０の出力周波数と負荷率との対応関係の一例を示す説明図である。図９において、横軸はインバータ４０の出力周波数を示し、縦軸はモータ２０の定格トルクに対する負荷率を示す。図９は、図５〜図８に示す実測値を平均化してプロットしたものである。

図９から分かることは、同一の負荷を与えた場合でも、インバータ４０の出力周波数が大きく（高く）なると、すなわち被粉砕物の切断速度が増加すると、回転軸等の慣性による追加慣性トルク成分Ｊ×ｄｗ／ｄｔ（モータ２０が慣性で出力するトルク）が増加し、モータ２０の駆動トルクＴｍの実トルクＴに占める割合が減少する。すなわち、モータ２０の定格トルクに対する負荷率が減少する。そして、実トルクＴは、Ｔ＝（Ｊ×ｄｗ／ｄｔ）＋Ｔｍで表すことができる。ここで、Ｊは回転軸等の慣性モーメントであり、ｗは回転軸の角速度である。したがって、（ｄｗ／ｄｔ）は回転軸等の角加速度である。

すなわち、モータ２０の定格トルク（実トルク）Ｔに対する負荷率Ｌとインバータ４０の出力周波数ｆとの間に図９に示すような対応関係が存在する。例えば、図９に示す対応関係は、Ｌ＝８７−１．２×ｆで近似することができる。なお、図９に示す対応関係は一例であって、被粉砕物の形状又は材質で変動する。例えば、硬材質の場合、軟質材に比べて対応関係を示す直線（又は曲線）は、傾きが大きくなるとともに低周波数域の負荷率が大きくなる。

図９において、インバータ４０の出力周波数が６０Ｈｚの場合、負荷率Ｌが２０％で近似することができたとすると、トルク検出部４１で検出した駆動トルクＴｍが実トルクＴに占める割合が２０％ということであり、実際にモータ２０が負荷に与える実トルクＴは、駆動トルクＴｍの４倍の大きさであることがわかる。そして、従来は、追加慣性トルクがモータ２０の駆動電流に現れてこないので、この実トルクＴを検出することができず、駆動トルクＴｍが負荷に与えるトルクであると考えられてきたのである。

つまり、インバータ４０の出力周波数を定格周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）にしてインバータ４０を動作させ、被粉砕物を粉砕した場合、過渡的な過負荷が発生し、回転刃（回転軸）には大きな負荷がかかる。回転軸に比べて高速で回転するモータ軸の慣性が大きいので、回転軸に過負荷が加わった場合、高速で回転しているモータ軸の大きな慣性により、モータ２０の駆動トルク（モータの駆動電流により出力するトルク）を遥かに上回る慣性付加トルク（慣性モーメントと角加速度の乗算値）が生じ、実トルク（実際に負荷に与えるトルク）は、モータ２０の駆動トルクと慣性付加トルクの合計値となる。すなわち、インバータ４０を、例えば、定格周波数で動作させた場合、実トルクは、モータ２０の駆動トルクだけではなく、駆動トルクに慣性付加トルクが加わった、駆動トルクよりも大きなトルクになる。このため、従来のように、駆動トルクが許容範囲内にあるか否かで被粉砕物の粉砕の可否を判定した場合、実際には予期しない大きなトルクが負荷に与えられているため、実トルクが許容範囲を超えている事態が起こり得る。

一方、負荷に与えるトルク（実トルク）Ｔ、すなわち被粉砕物を切断する力は、回転軸（回転刃）の回転数（インバータ４０の出力周波数）の大小にかかわらず同じである。そこで、インバータ４０を、出力周波数が低周波数域内にある状態で動作させて、モータ軸の回転数を小さくして（下げて）、慣性付加トルクの影響を極力少なくすることで、駆動トルクが実トルクＴに近づく状態で被粉砕物を粉砕させる。この場合に駆動トルクＴｍが許容範囲内であるか否か判定することで、当該被粉砕物を粉砕した場合に、実トルクＴが許容範囲内であるかを近似的に判定することができる。

これにより、インバータ４０の出力周波数を定格周波数、定格周波数以上又は定格周波数以下にした場合であっても、実トルクＴが許容範囲内にあるか否かを判定しているので、過渡的な過負荷が発生した場合でも実トルクＴが許容範囲を超えることがなく、当該被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

トルク値算出部７３は、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを収集して統計値を算出する。統計値は、例えば、図５〜図８に示すような、駆動トルクのピーク値を複数回検出し、検出したピーク値の平均値あるいは最大値などとすることができる。

判定部７２は、トルク値算出部７３で算出した駆動トルクの統計値が許容トルク範囲内であるか否かに応じて粉砕の可否を判定する。統計値を用いることにより、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する駆動トルクのバラツキを考慮した上で、駆動トルクが許容範囲内であるか否かを判定するので、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

図９に示すような対応関係は、種々の材料についてデータを収集して予め定めておくことができる。そして、記憶部７８にインバータ４０の出力周波数とモータ２０の駆動トルクとの対応関係を材料毎に記憶しておくことができる。

トルク値補正部７５は、記憶部７８に記憶した対応関係に基づいて、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを補正する。なお、この場合、いずれの材料について駆動トルクを補正するかをユーザが設定することができるようにすればよい。インバータ４０の出力周波数が大きく（高く）なるに応じて、モータ軸の回転数が大きく（高く）なるので、実トルクＴに占める慣性付加トルクの割合が大きくなる。すなわち、実トルクＴに占める駆動トルクＴｍの割合（モータの定格トルクに対する負荷率と称する）が小さくなる。そこで、対応関係として、インバータ４０の出力周波数に対する負荷率（モータの定格トルクに対する負荷率）を記憶しておき、検出した駆動トルクＴｍが実トルクＴとほぼ同程度になるように、検出した駆動トルクを補正する。これにより、モータ２０の駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクＴを補正駆動トルク値として求めることができる。

なお、インバータ４０の出力周波数と負荷率との対応関係を記憶部７８に記憶する構成に代えて、対応関係をリアルタイムで特定することもできる。

負荷率特定部７４は、インバータ４０を低周波数域から定格周波数付近までの間で動作させて、トルク検出部４１で検出した駆動トルクに基づいて、インバータ４０の出力周波数とモータ２０の駆動トルクとの対応関係（周波数毎の負荷率）を特定する。

なお、負荷率特定部７４は、インバータ４０を低周波数域から定格周波数付近までの間で動作させて、対応関係を特定する方法に代えて、別の方法を用いることもできる。

例えば、インバータ４０を低周波数域の任意の一の周波数で動作させて、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを収集する。収集した駆動トルクを用いてトルク値算出部７３で駆動トルクの統計値（例えば、平均値、中央値、最頻値など）を算出する。算出した統計値に基づいて、負荷率特定部７４は、インバータ４０の出力周波数（前述の一の周波数以外の他の周波数）に対するモータ２０の駆動トルクを推定して、インバータ４０の出力周波数とモータ２０の駆動トルクとの対応関係（周波数毎の負荷率）を特定する。

より具体的には、例えば、予めインバータ４０の出力周波数に対するモータ２０の負荷率との関係が直線近似（又は曲線近似）され、当該直線の傾き又は曲線の近似式等が分かっている場合に、近似した直線又は曲線が、収集した統計値に対応する座標を通るように直線又は曲線を補正し、補正した直線又は曲線の点（座標）をインバータ４０の出力周波数に対するモータ２０の駆動トルクとして求めることができる。

トルク値補正部７５は、負荷率特定部７４で特定した対応関係に基づいて、トルク検出部４１で検出した駆動トルクを補正する。対応関係として、インバータ４０の出力周波数に対する負荷率（モータの定格トルクに対する負荷率）を特定し、検出した駆動トルクＴｍが実トルクＴとほぼ同程度になるように、検出した駆動トルクＴｍを補正する。これにより、モータ２０の駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルクを加味した実トルクＴを補正駆動トルク値として求めることができる。

図１０は駆動トルク値の補正の一例を示す説明図である。図１０において、横軸はインバータ４０の出力周波数ｆを示し、縦軸は補正した補正駆動トルク値Ｋ（ｆ）×Ｔｍを示す。図１０に示すように、低周波数域（例えば、６Ｈｚ）での駆動トルクをＴｍとすると、任意の周波数ｆにおける補正駆動トルクは、Ｋ（ｆ）×Ｔｍで求めることができる。ここでＫ（ｆ）は、周波数ｆを変数とする関数であり、周波数ｆが大きくなるに応じて補正駆動トルク値は、駆動トルクＴｍより大きくなる。なお、Ｋ（ｆ）＞１である。これにより、モータ２０の駆動電流値には現れないモータ軸の慣性による慣性付加トルク成分に応じて、駆動トルクＴｍを実トルクＴに近似する補正をすべての周波数域で行うことができる。

回転数制御部７１は、補正駆動トルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて、インバータ４０の周波数を制御して粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する制御部の機能を有する。ここで、モータ２０のモータ軸は、減速機３０を介して回転軸に繋がっているので、回転軸の回転数を制御することは、インバータ４０の出力周波数を変えて、モータ２０のモータ軸の回転数を制御することと同義である。

また、回転数制御部７１は、トルク検出部４１で検出したトルクに基づいて、あるいは自身の周波数の指令でモータ２０が定トルク特性で動作しているか定出力特性で動作しているかを予測することができる。

回転数制御部７１は、例えば、モータ２０を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、補正駆動トルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて、粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する。インバータ４０で制御されるモータ２０の出力特性は、基底回転数以下の回転数では定トルク特性を有し、基底回転数以上の回転数では定出力特性を有する。回転数制御部７１は、モータ２０を基底回転数以上の回転数で動作させた場合、すなわち、定出力領域で動作させた場合、補正駆動トルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する。

例えば、補正駆動トルクが閾値より小さい場合、軽負荷であるので回転数を上げてトルクを減らし粉砕処理能力を高める。また、補正駆動トルクが閾値より大きい場合、重負荷であるので回転数を下げることによりトルクを増やし過負荷停止を防止する。これにより、負荷特性に応じたトルク特性を実現し、かつ最大の処理能力を得ることができ、負荷変動に応じてトルクを変更することができるので、予め大容量（大定格）のモータを設ける必要がなく、また大容量のモータを低い負荷率で動作させる必要もないので、低価格で低容量のモータを用いることができるとともに省エネを図ることができる。

また実トルクに相当する補正駆動トルクを用いて回転数の制御を行うので、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって過渡的な過負荷が発生した場合でも、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を防止することができる。

図１１は従来の粉砕機の回転軸の回転数とインバータの周波数との関係を示す説明図であり、図１２は従来のインバータ制御されたモータの出力特性の一例を示す説明図である。図１１に示すように、従来、減速機の減速比は、１／８０程度のものが用いられていた。インバータの出力電圧の基底周波数を５０Ｈｚとした場合、４極のモータの回転数（基底回転数）は１５００ｒｐｍとなり、減速比１／８０で減速された粉砕機の回転軸の回転数は、１８．７５ｒｐｍである。また、インバータの出力電圧の基底周波数を６０Ｈｚとした場合、４極のモータの回転数（基底回転数）は１８００ｒｐｍとなり、減速比１／８０で減速された粉砕機の回転軸の回転数は、２２．５ｒｐｍである。

図１２において、横軸はインバータの周波数と粉砕機の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータの出力トルクを示す。図１２に示すように、インバータの周波数を６０Ｈｚ（基底周波数）とした場合に基底回転数が１８００ｒｐｍに対応する粉砕機の回転軸の回転数である２２．５ｒｐｍを境にしてモータの出力特性が変わる。基底回転数（回転軸の回転数２２．５ｒｐｍに相当）以下では、定トルク特性となり、基底回転数以上では定出力特性となる。従来の粉砕機にあっては、粉砕処理能力を高めるために回転軸の回転数をある程度以上維持しつつ、多種多様な負荷による負荷変動に対応するため、十分な大きさのトルクが得られるように減速機の減速比を１／８０程度のものとしていた。減速比を仮にさらに大きくした場合には、モータの基底回転数に対応する粉砕機の回転軸の回転数が小さくなり、定トルク特性が得られる周波数範囲が狭くなるとともに、回転軸の回転数を上げたときには、定出力特性となって十分なトルクが得られないという事態になるからである。

図１３は実施の形態１の粉砕機１００のモータ２０の出力特性の一例を示す説明図である。図１３において、横軸はインバータ４０の周波数と粉砕機１００の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータ２０の出力トルクを示す。図１３中、実線は本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０の出力特性を示し、破線は図１２で例示した従来の粉砕機のモータの出力特性を示す。

図１３中の破線で示すように、従来の粉砕機のモータは、粉砕機の回転軸の回転数が２２．５ｒｐｍ以下では定トルク特性であり、２２．５ｒｐｍ以上では定出力特性となり、トルクは回転数の増加に伴って減少する。従来の粉砕機は、負荷変動を見込んで最大のトルクが常に得られるように定トルク特性で運転されるが、ある程度の余裕を有して動作する設計になっている。このため、大容量（例えば、０．７５ｋＷ）のモータを低い負荷率で運転することになり、十分な省エネ運転になっていない。

一方、図１３中の実線で示すように、本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０は、減速機３０の減速比が、従来の１／８０より大きい１／１６０であるので、インバータ４０の基底周波数６０Ｈｚでモータ２０のモータ軸が１８００ｒｐｍの基底回転数で回転した場合、粉砕機１００の回転軸の回転数は１１．２５ｒｐｍとなる。すなわち、本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０は、粉砕機１００の回転軸の回転数が１１．２５ｒｐｍ以下では定トルク特性であり、従来の粉砕機と同じトルクを出力することができ、回転数が１１．２５ｒｐｍ以上では定出力特性となり、トルクは回転数の増加に伴って減少する。また、本実施の形態のモータ２０の容量（定格）は０．４ｋＷであり、従来の粉砕機で用いられたモータの容量よりも小さい。

図１３中のＡで示す領域内のように重負荷で大きいトルクを必要とする場合、すなわち、補正駆動トルクがトルク閾値より大きい場合、回転数制御部７１は、インバータ４０の周波数を小さくすることにより粉砕機本体５０の回転軸の回転数を下げる。例えば、負荷変動により補正駆動トルクがトルク閾値を超えた場合、回転軸の回転数を下げることによりトルクを増加させる。これにより、重負荷になった場合でも、必要なトルクが得られ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。

また、図１３中のＢで示す領域内のように軽負荷で大きいトルクを必要としない場合、すなわち、補正駆動トルクがトルク閾値より小さい場合、回転数制御部７１は、インバータ４０の周波数を大きくすることにより粉砕機本体５０の回転軸の回転数を上げる。例えば、負荷変動により補正駆動トルクがトルク閾値を下回る場合、回転軸の回転数を上げることによりトルクを減少させる。これにより、軽負荷になった場合でも、必要なトルクを維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。また、本実施の形態では、インバータ４０として周波数可変の汎用のインバータを用いることができる。

回転数制御部７１は、補正駆動トルクがトルク閾値より大きい場合、補正駆動トルクがトルク閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げる。所定の減速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ減少させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。なお、減速勾配は、上述の５Ｈｚに限定されるものではない。

回転数制御部７１は、所定時間の間、補正駆動トルクがトルク閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げる。所定時間は、例えば、１０分、５分など予め設定しておくことができる。また、所定の加速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ増加させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。なお、加速勾配は、上述の５Ｈｚに限定されるものではない。

図１３の破線で示すように、従来の粉砕機にあっては、減速機の減速比を、例えば、１／８０程度にすることにより、モータの基底回転数が１８００ｒｐｍ（インバータの基底周波数が６０Ｈｚ）では粉砕機の回転軸の回転数が２２．５ｒｐｍ程度まで定トルク特性が得られるようにしていた。また、モータの基底回転数が１５００ｒｐｍ（インバータの基底周波数が５０Ｈｚ）では粉砕機の回転軸の回転数が１８．７５ｒｐｍ程度まで定トルク特性が得られるようにしていた。

実施の形態１では、減速機３０の減速比を従来のものより大きくし（例えば、１／１６０など）、モータ２０を基底回転数の回転数で動作させた場合、粉砕機１００の回転軸の回転数が１８ｒｐｍ以下となるようにする。なお、図１３の例では、インバータ４０の基底周波数が６０Ｈｚの場合、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、１１．２５ｒｐｍとなり、インバータ４０の基底周波数が５０Ｈｚの場合、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、９．３７５ｒｐｍとなり、いずれも１８ｒｐｍ以下である。これにより、モータ２０の定トルク領域の範囲を従来のものより狭くし、定出力領域の範囲を広くすることができ、負荷変動に対応して広い範囲で回転数及びトルクの調整を行うことができるので、より大きな負荷変動に対応することができる。なお、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、図１３に例示する１１．２５ｒｐｍに限定されるものではなく、１８ｒｐｍ以下であれば、従来に比べて回転軸の回転数の広い範囲で定出力特性を活用することができる。

図１４は実施の形態１の粉砕機１００のトルク閾値の一例を示す説明図である。図１４において、横軸は粉砕機１００の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータ２０の出力トルクを示す。図１４中実線は、モータ２０の連続出力可能トルク特性を示し、いわゆる定格（１００％）でのトルク特性を表す。また、図１４中一点鎖線は、短時間であれば出力可能な電気機器の回転体の慣性を含めた最大瞬間出力可能トルク特性を示し、例えば、定格の２００％程度の出力である。また、破線はトルク閾値を示し、例えば、定格の１２０％〜２００％程度の値を設定することができる。トルク閾値は、予め記憶部７８に記憶しておくことができる。

判定部７２は、所定の判定時間の間に被粉砕物の粉砕の可否を判定し、回転数制御部７１は、判定部７２で粉砕が可であると判定した場合、回転軸の回転数を制御する。判定時間は、例えば、５分、１０分などの時間とすることができる。判定時間の間、粉砕機に被粉砕物を投入して、投入した被粉砕物が粉砕可能であるか否かを判定し、粉砕可能であると判定した場合に、回転軸の回転数を制御して実運転（実際に被粉砕物を粉砕する運転）を行う。判定時間の間に、被粉砕物の粉砕、破砕状態によって変化する駆動トルクのバラツキを考慮した上で、粉砕の可否を判定するので、被粉砕物の粉砕が可能であるか否かを確実に判定することができる。

操作部７６は、被粉砕物の粉砕の可否を判定するための操作（例えば、粉砕可否判定運転の開始の操作）を受け付ける受付部としての機能を有する。判定部７２は、操作部７６で操作を受け付けた場合、被粉砕物の粉砕の可否を判定する。これにより、実運転を行う前に被粉砕物の粉砕の可否を確認するための判定運転を行うことができるので、ユーザの利便性が向上する。

表示部７７は、判定部７２で被粉砕物の粉砕の可否を通知する通知部としての機能を有する。例えば、判定部７２で被粉砕物の粉砕が否であると判定した場合、表示部７７は、その旨を通知する。これにより、粉砕時に破損を与えかねない被粉砕物を事前に確認することができ、回転刃、固定刃、回転軸、ギア又は減速機などの破損を未然に防止することができる。

従来、粉砕機を運転させて被粉砕物を粉砕する場合、投入した被粉砕物が粉砕機の能力を超えないか否かは、モータの駆動トルクを表す電流信号（駆動電流）で判断していた。しかし、上述のとおり、モータの回転軸等の慣性による追加慣性トルクが駆動電流には現れない状態で駆動トルクに加算されていることがわかった。すなわち、従来のトルク検出機構では、全く検出することができない追加慣性トルクが発生していたため、粉砕機の能力内で被粉砕物を粉砕していると考えられた場合にも、回転刃、固定刃、回転軸、ギア、減速機などの部品の破損に至ることがあった。本実施の形態によれば、追加慣性トルクという要因を発案するとともに、実トルクが、駆動トルクと追加慣性トルクの合計であることを発案し、モータの定格トルクに対する負荷率を考慮することにより、検出した駆動トルクを、従来では計測できなかった実トルクに近似することができる。これにより、従来のように駆動トルクを検出するだけで、インバータの動作周波数全域に亘って実トルクを求めることができ、負荷に与えるトルクを把握することができるので、粉砕機の能力を超えることなく様々な形状又は材質の被粉砕物を粉砕することができ、粉砕機の信頼性を飛躍的向上させることができる。

また、従来であれば、被粉砕物の粉砕時に粉砕機の能力を超えないようにするため、機械的トルクリミッタなどの保護装置を設ける必要があった。しかし、トルクリミッタが滑っているか否かは非常に短時間で発生するため、確認することができない場合が多く、クラッチフェーシング部の摩滅又は焼付きなどの問題も生じる。さらに滑りを検出して粉砕機を停止させるには、設置スペースの増加、コスト上昇などの問題もあった。本実施の形態によれば、保護装置が不要となりコスト低減及び粉砕機の大型化を抑制して小型化を図ることができる。

（実施の形態２）
上述の実施の形態１では、モータ２０の駆動トルクを検出する構成であったが、駆動トルクに限定されるものではない。すなわち、モータ２０の駆動トルクに関連する特徴量として、駆動トルクＴｍに代えて、モータ２０のトルク電流Ｉｒ又はモータ２０の負荷電流Ｉなどを用いることもできる。

図１５は実施の形態２の粉砕機２００の回路構成の一例を示すブロック図である。図１５に示すように、図３に示す構成との相違点は、トルク検出部４１に代えて、電流検出部２１を備える点である。

電流検出部２１は、モータ２０のトルク電流Ｉｒを検出する構成でもよく、あるいはモータ２０の負荷電流を検出する構成でもよく、いずれもモータ２０の駆動トルクＴｍの代用特性としての特徴量を検出するものである。

モータ２０の入力電圧と入力電流との位相角をθとすると、トルク電流Ｉｒ＝負荷電流Ｉ×ｃｏｓθの関係がある。ｃｏｓθは力率である。力率ｃｏｓθは、負荷状態に応じて、例えば、２０％〜８０％程度の値を用いることができる。

また、駆動トルクＴｍとトルク電流Ｉｒとの関係は、例えば、Ｔｍ＝ｋ×Ｐｗ／Ｖｆ、Ｐｗ＝Ｖ×Ｉｒ×ηと関係付けることができる。ここで、ｋはモータ２０により決定される定数、Ｐｗは出力電力、Ｖｆはモータ２０の回転数、Ｖは入力電圧、ηは効率である。すなわち、モータ２０のトルク電流Ｉｒ又はモータ２０の負荷電流Ｉを検出することにより、モータ２０の駆動トルクＴｍを求めることができる。

電流検出部２１で検出したモータ２０のトルク電流Ｉｒ、あるいはモータ２０の負荷電流Ｉを、前述の変換式に基づいて、モータ２０の駆動トルクＴｍに変換することができる。なお、駆動トルクＴｍへの変換処理は、制御部７０で行うことができる。これにより、実施の形態２においても実施の形態１と同様に各処理を行うことができる。

（実施の形態３）
上述の実施の形態では、いわゆる１軸式の粉砕機を例に挙げて説明したが、粉砕機は１軸式に限定されるものではなく、複数の回転軸と、各回転軸に回転刃が設けられた粉砕機であってもよい。

図１６は実施の形態３の粉砕機本体１５０の一例を示す要部断面図である。実施の形態１、２との相違点は、回転刃が固定された回転軸を２つ備える点である。図１６において、シャーシ１７０の内側に横向きに２つの回転軸１５１、１６１を平行に配設してある。なお、回転軸１５１、１６１それぞれに減速機、モータ（不図示）を備えてもよく、あるいは、１つのモータ及び減速機で２つの回転軸１５１、１６１を回転するようにしてもよい。なお、回転軸１５１、１６１は、図１６中の矢印で示す向きに同一速度で同期回転する。

回転軸１５１には、複数枚の大径の回転刃１５３が、回転軸１５１の軸方向に沿って所定の離隔寸法を設けて並べて嵌着されている。隣り合う回転刃１５３の間には、小径のカラー１５２を固定してある。回転刃１５３の周囲には、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなした刃部１５４を突設してある。

また、同様に、回転軸１６１には、複数枚の大径の回転刃１６３が、回転軸１６１の軸方向に沿って所定の離隔寸法を設けて並べて嵌着されている。隣り合う回転刃１６３の間には、小径のカラー１６２を固定してある。回転刃１６３の周囲には、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなした刃部１６４を突設してある。

シャーシ１７０の内壁には、案内壁１５６、１６６が設けられている。案内壁１５６の下側にはスクレーパ１５５を設けてある。スクレーパ１５５は、カラー１５２の外周と摺動可能に当接してあり、回転刃１５３の回転軌道に合わせて先端が櫛形状をなす。また、案内壁１６６の下側にはスクレーパ１６５を設けてある。スクレーパ１６５は、カラー１６２の外周と摺動可能に当接してあり、回転刃１６３の回転軌道に合わせて先端が櫛形状をなす。

実施の形態３の粉砕機本体１５０は、図３又は図１５で示した場合と同様の構成により稼働させることができる。

シャーシ１７０上方の開口部１７１から被粉砕物を投入した場合、回転中の回転刃１５３、１６３、刃部１５４、１６４により被粉砕物をシャーシ１７０の中央部に引き込むことができ、被粉砕物を刃部１５４、１６４により粉砕（切断）することができる。粉砕された粉砕片は、回転刃１５３、１６３の回転に伴ってシャーシ１７０の下方へ排出される。

回転刃１５３、１６３の回転に伴って一緒に上方へ移動する粉砕片は、スクレーパ１５５、１６５により下方へ掻き落すことができる。

上述の実施の形態では、粉砕機について説明したが、上述の実施に形態は、粉砕機に限定されるものではなく、回転軸（回転体）を回転させて所定の処理を行う装置であれば、粉砕機に限らず産業機械に用いられる電気機器にも適用することができる。すなわち、本実施の形態は、粉砕機に限定されるものではなく、他の電気機器も含む。このような電気機器としては、回転軸に回転体を備えるものであり、例えば、工作機械、圧延機、フォーミング加工機、鉄鋼機械、エレベータ、巻き上げクレーンなどである。

すなわち、このような電気機器においても、インバータを定格周波数よりも低い低周波数域で動作させ、回転体で所要の処理（例えば、負荷が過渡的に変動するような処理）を行って、モータの許容トルク範囲内での回転体による処理の可否を判定する判定部を具備させる。インバータの定格周波数は、例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、低周波数域は、例えば、数Ｈｚから２０Ｈｚ程度の周波数である。好ましくは定格周波数の１０％程度であり、５Ｈｚ又は６Ｈｚ±数Ｈｚとすることができる。インバータの出力周波数を定格周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）でインバータを動作させ、回転体を回転させた場合、過渡的な過負荷が発生し、回転体（回転軸）には大きな負荷がかかる。仮に回転軸に比べて高速で回転するモータ軸の慣性が大きい場合、回転軸に過負荷が加わったときには、高速で回転しているモータ軸の大きな慣性により、モータの駆動トルク（モータの駆動電流により出力するトルク）を遥かに上回る慣性付加トルク（慣性モーメントと角加速度の乗算値）が生じ、実トルク（実際に負荷に与えるトルク）は、モータの駆動トルクと慣性付加トルクの合計値となる。すなわち、インバータを定格周波数で動作させた場合、実トルクは、モータの駆動トルクだけではなく、駆動トルクに慣性付加トルクが加わった、駆動トルクよりも大きなトルクになる。このため、従来のように、駆動トルクが許容範囲内にあるか否かで回転体による処理の可否を判定した場合、実際には予期しない大きなトルクが負荷に与えられているため、実トルクが許容範囲を超えている事態が起こり得る。

一方、負荷に与えるトルク（実トルク）、すなわち回転体が負荷に与える力は、回転軸（回転体）の回転数（インバータの出力周波数）の大小にかかわらず同じである。そこで、インバータを、出力周波数が低周波数域内にある状態で動作させて、モータ軸の回転数を小さくして（下げて）、回転体の慣性による慣性付加トルクの影響を極力少なくすることで、駆動トルクが実トルクに近づく状態で処理させる。この場合に駆動トルクが許容範囲内であるか否か判定することで、当該処理を行った場合に、実トルクが許容範囲内であるかを近似的に判定することができる。これにより、インバータの出力周波数を定格周波数、定格周波数以上又は定格周波数以下にした場合であっても、実トルクが許容範囲内にあるか否かを判定しているので、過渡的な過負荷が発生した場合でも実トルクが許容範囲を超えることがなく、当該処理が可能であるか否かを確実に判定することができる。

２０ モータ（電動機）
３０ 減速機
４０ インバータ（周波数変換器）
４１ トルク検出部（検出部）
５０ 粉砕機本体（電気機器）
７０ 制御部
７１ 回転数制御部
７２ 判定部
７３ トルク値算出部（統計値算出部）
７４ 負荷率特定部（特定部）
７５ トルク値補正部（補正部）
７６ 操作部（受付部）
７７ 表示部（通知部）
７８ 記憶部

Claims (14)

1. 商用電源の周波数を変換する周波数変換器と、該周波数変換器で駆動される電動機と、該電動機の電動機軸の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する１又は複数の回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、
   前記周波数変換器を商用周波数よりも低い低周波数域で動作させ、前記回転体で所要の処理を行って、該回転体による処理の可否を判定する判定部を備えることを特徴とする電動機駆動トルク制御装置。
2. 前記電動機の駆動トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、
   該検出部で検出した特徴量を収集して統計値を算出する統計値算出部と
   を備え、
   前記判定部は、
   前記統計値算出部で算出した特徴量の統計値に基づいて前記処理の可否を判定するように構成してあることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動トルク制御装置。
3. 前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動トルク制御装置。
4. 前記周波数変換器を前記低周波数域から商用周波数付近までの間で動作させて前記検出部で検出した特徴量に基づいて、前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を特定する特定部と、
   該特定部で特定した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動トルク制御装置。
5. 前記周波数変換器を前記低周波数域の任意の一の周波数で動作させて前記統計値算出部で算出した統計値に基づいて、前記周波数変換器の出力周波数と前記電動機の負荷率との対応関係を特定する特定部と、
   該特定部で特定した対応関係に基づいて、前記検出部で検出した特徴量を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動トルク制御装置。
6. 前記補正部で補正した特徴量及び所定の閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御する回転数制御部を備えることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
7. 前記回転数制御部は、
   前記電動機の定出力範囲において前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より大きい場合、前記回転軸の回転数を下げるように構成してあることを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動トルク制御装置。
8. 前記回転数制御部は、
   前記電動機の定出力範囲において前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より大きい場合、補正した特徴量が前記閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げるように構成してあることを特徴とする請求項７に記載の電動機駆動トルク制御装置。
9. 前記回転数制御部は、
   前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より小さい場合、前記回転軸の回転数を上げるように構成してあることを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
10. 前記回転数制御部は、
    所定時間の間、前記補正部で補正した特徴量が前記閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げるように構成してあることを特徴とする請求項９に記載の電動機駆動トルク制御装置。
11. 前記判定部は、
    所定の判定時間の間に前記処理の可否を判定し、
    前記回転数制御部は、
    前記判定部で前記処理が可であると判定した場合、前記回転軸の回転数を制御するように構成してあることを特徴とする請求項６から請求項１０までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
12. 前記処理の可否を判定するための操作を受け付ける受付部を備え、
    前記判定部は、
    前記受付部で操作を受け付けた場合、前記処理の可否を判定するように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に電動機駆動トルク制御装置。
13. 前記判定部で前記処理が否であると判定した場合、その旨を通知する通知部を備えることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に電動機駆動トルク制御装置。
14. 商用電源の周波数を変換する周波数変換器と、該周波数変換器で駆動される電動機と、該電動機の電動機軸の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する１又は複数の回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置による電動機駆動トルク制御方法において、
    前記周波数変換器を商用周波数よりも低い低周波数域で動作させ、前記回転体で所要の処理を行って、該回転体による処理の可否を判定するステップ
    を含むことを特徴とする電動機駆動トルク制御方法。

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