JP2016133493A

JP2016133493A - 電動機の温度推定装置

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Publication number: JP2016133493A
Application number: JP2015010642A
Authority: JP
Inventors: 靖典杉本; Yasunori Sugimoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-07-25
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: DE102016000368B4; CN105823571B; DE102016000368A1; US10340774B2; US20160218600A1; JP5952438B1; CN105823571A

Abstract

【課題】簡易な方法で電動機の温度を正確に推定できる温度推定装置を提供する。【解決手段】電動機の温度を推定する温度推定装置１０は、電動機に取付けられた温度センサ３４によって検出される検出温度を取得する温度検出部１２と、温度検出部１２によって取得される検出温度を所定のサンプリング周期で順次記憶する記憶部１４と、記憶部１４によって記憶される検出温度、時間に対する検出温度の変化量の割合、及び係数に基づいて、電動機の測定対象部の温度を推定する温度推定部１６と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、電動機の温度を推定する温度推定装置に関する。

電動機の温度を検出ないし推定する公知の方法によれば、電動機に供給される電流から損失を推定するとともに、その推定によって得られた損失に基づいて電動機の温度を計算する。別の公知の温度推定方法によれば、電動機内部に設けられた温度センサを利用する。温度センサは、電動機の主たる発熱源である巻線の近傍に取付けられることが一般的であり、それにより電動機における発熱の状態を監視できるようになっている。

図８は、温度センサ１００の構成例を示している。温度センサ１００は、温度検出素子１０２と、温度検出素子１０２に接続されるリード１０４と、を備えている。温度検出素子１０２は、絶縁性及び耐熱性を向上させるために樹脂１０６によって被覆されている。このような温度センサ１００の場合、樹脂１０６の熱容量が比較的大きいので、巻線から発生される熱が、温度検出素子１０２まで十分に迅速に伝達されないことがある。そのため、温度センサ１００によって検出される検出温度が、電動機（巻線）の実際の温度変化に追従できず、結果的に電動機の温度を正確に検出できなくなる。このことは、時間に対する巻線の温度変化量が大きい場合において特に顕著である。

図９は、温度センサ１００による検出温度及び巻線の実際の温度を示している。図中の実線は検出温度を示しており、破線は巻線温度を示している。図示されるように、領域Ｘの範囲は、時間に対する巻線温度の変化量が比較的大きい。したがって、検出温度と巻線温度との差が大きくなることが分かる。それに対し、領域Ｙの範囲は、時間に対する巻線の温度の変化量が比較的小さく、検出温度と巻線温度との差が小さい。

特開昭６２−０８２６９２号公報特開昭６２−２０３５７８号公報

電動機において発生する損失から電動機の温度を推定する方法では、温度を推定するのに必要な構成が複雑化する。他方、温度センサを用いる方法では、前述したように電動機の温度を正確に検出するのが困難である。

特許文献１には、誘導加熱調理器において、器具の過熱を防止する目的で、時間に対する検出温度の変化率に応じて加熱巻線に対する電力供給量を制御することが開示されている。しかしながら、特許文献１には、測定対象物の温度を推定することが開示されていない。

特許文献２には、巻線の温度変化を予測し、巻線温度が所定の温度以上に達すると予測される場合には、操作者に警告を通知するとともに電動機の起動を制限するように構成された誘導電動機の起動制御方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載された発明は、電動機を起動する前に検出された巻線温度から運転中の巻線温度を推測するものであり、電動機の実際の温度を正確に検出することはできない。

したがって、簡易な方法で電動機の温度を正確に推定できる温度推定装置が求められている。

本願の１番目の発明によれば、電動機の温度を推定する温度推定装置であって、前記電動機に取付けられた温度センサによって検出される検出温度を取得する温度検出部と、前記温度検出部によって取得される前記検出温度を所定のサンプリング周期で順次記憶する記憶部と、前記記憶部によって記憶される前記検出温度、時間に対する前記検出温度の変化量の割合、及び係数に基づいて、前記電動機の測定対象部の温度を推定する温度推定部と、を備える、温度推定装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係る温度推定装置において、前記時間に対する前記検出温度の変化量の割合が、前記記憶部によって記憶される前記検出温度から求められる、前記検出温度の、時間に対する複数の変化量の割合の平均値である。
本願の３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明に係る温度推定装置において、前記係数が、前記温度センサの熱容量及び前記測定対象部の熱容量に基づいて決定される。
本願の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係る温度推定装置において、前記記憶部が、前記温度推定部によって推定される前記測定対象部の推定温度を記憶するようにさらに構成されており、前記温度推定部が、前記記憶部に記憶される前記測定対象部の推定温度、時間に対する前記検出温度の変化量の割合、及び前記係数を含む漸化式に従って、前記測定対象部の温度を推定するように構成される。
本願の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明に係る温度推定装置が、前記係数を変更する係数変更部をさらに備えており、前記係数変更部は、前記電動機が冷却装置を備えているかに基づいて、及び前記電動機が冷却装置を備えている場合には、該冷却装置の冷却性能にさらに基づいて、前記係数を変更するように構成される。
本願の６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明に係る温度推定装置が、前記温度推定部によって推定される前記測定対象部の推定温度に基づいて、前記電動機が過熱状態にあるか否かを判定する過熱判定部をさらに備える。

これら及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。

本発明に係る温度推定装置によれば、温度センサによって検出される検出温度の、時間に対する変化量の割合に基づいて、検出温度に対して重み付けを行う。それにより、電動機の温度を正確に推定できるようになる。また、本発明に係る温度推定装置によれば、電動機に供給される電流をモニタし、得られた電流から損失を推定する公知の方法に比べて、簡素な構成で電動機の温度を推定できるようになる。

一実施形態に係る温度推定装置とともに使用可能な電動機の構成例を示す概略図である。一実施形態に係る温度推定装置の機能ブロック図である。一実施形態に係る温度推定装置によって推定される巻線の推定温度を示すグラフである。別の実施形態に係る温度推定装置によって推定される巻線の推定温度を示すグラフである。また別の実施形態に係る温度推定装置によって推定される巻線の推定温度を示すグラフである。また別の実施形態に係る温度推定装置の機能ブロック図である。電動機が冷却装置を備えていない場合における、検出温度及び巻線温度を示すグラフである。電動機が冷却装置を備えている場合における、検出温度及び巻線温度を示すグラフである。温度センサの構成例を示す図である。検出温度及び巻線温度を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために寸法が適宜変更されている。また、同一又は対応する構成要素には、同一の参照符号が使用される。

図１は、一実施形態に係る温度推定装置とともに使用可能な電動機の構成例を示す概略図である。電動機３０は、回転軸線Ｏの回りに回転する回転軸４２を有する回転子４０と、回転子４０の半径方向外側において回転子４０に対して同心状に設けられる固定子５０と、を備えている。固定子５０は、概ね円筒形状を有する固定子コア５２と、固定子コア５２に取付けられる巻線５４と、を備えている。また、電動機３０には駆動アンプ３２が接続されており、駆動アンプ３２によって巻線５４に電流が供給されるようになっている。

電動機３０は、巻線５４に取付けられた温度センサ３４と、温度センサ３４によって検出される検出温度に基づいて電動機３０の温度を推定する温度推定装置１０と、をさらに備えている。温度推定装置１０は、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、種々の外部装置との間でデータ及び信号を送受信するのに使用されるインタフェースと、を含む公知の構成を有するデジタルコンピュータである。温度推定装置１０は、電動機３０を制御する制御装置（図示せず）に内蔵されていてもよいし、制御装置とは別個に設けられていてもよい。

温度センサ３４は、例えば図８を参照して例示したような公知の形態を有するサーミスタである。温度センサ３４は、巻線５４の温度変化に伴うサーミスタの抵抗値の変化を温度検出信号として出力するように構成される。しかしながら、当業者であれば、他のタイプの温度センサを同様に本発明に適用可能であることを認識するであろう。

図２は、一実施形態に係る温度推定装置１０の機能ブロック図である。図示されるように、温度推定装置１０は、温度検出部１２と、記憶部１４と、温度推定部１６と、を備えている。

温度検出部１２は、温度センサ３４によって検出される検出温度を取得する。温度センサ３４は、巻線５４に接触するように（図１参照）、或いは巻線５４に対して十分に近接して設けられる。しかしながら、本発明はそのような特定の構成には限定されず、温度センサ３４は、温度を検出すべきである電動機３０の任意の測定対象部に設けられていてもよい。温度検出部１２によって取得された検出温度は、記憶部１４によって読出される。

記憶部１４は、例えば温度推定装置１０のＲＡＭなどの記憶装置と協働して、温度検出部１２によって取得された検出温度を記憶する。記憶部１４は、所定の測定時間にわたって所定のサンプリング周期で検出温度を順次記憶するように構成される。当業者であれば、電動機３０の種類及び電動機３０の動作条件に応じて、適切な測定時間及び適切なサンプリング周期をそれぞれ容易に決定できるであろう。

温度推定部１６は、記憶部１４によって記憶された検出温度、及びそれら検出温度の、時間に対する変化量の割合（すなわち単位時間当りの検出温度の変化量）、及び予め定められる係数に基づいて、電動機３０の測定対象部の温度、すなわち図示された実施形態においては巻線５４の温度を推定する。以降、簡単のため「巻線５４」を測定対象部とする場合の例について説明する。

図９を参照して前述したように、温度センサ３４によって検出される検出温度と、巻線５４の実際の温度との差は、単位時間当りの巻線５４の温度変化量に応じて増減する。したがって、本実施形態に係る温度推定装置１０によれば、温度推定部１６は、直近に記憶された検出温度の、時間に対する変化量の割合に応じて、温度センサ３４の検出温度に対して重み付けを行うことによって、巻線５４の温度を推定するように構成される。時間ｔ₁から時間ｔ₂までの間における時間に対する検出温度の変化量の割合Ａは、次の式（１）によって求められる。

なお、Ｔ₁は、時間ｔ₁における検出温度を表しており、Ｔ₂は、時間ｔ₂における検出温度を表している。

そして、時間Ｔ₂における巻線の推定温度Ｔ_C2は、次の式（２）によって求められる。

なお、Ｋは予め定められる係数である。係数Ｋは、温度センサ３４の熱容量、及び巻線５４の熱容量に応じて求められる。具体的には、係数Ｋは、実機を用いた試験又はシミュレーションを通じて、推定温度Ｔ_C2が巻線５４の実際の温度に近づくように決定される。

図３は、温度検出部１２によって取得される巻線５４の検出温度と、温度推定部１６によって推定される巻線５４の推定温度と、をそれぞれ示すグラフである。図３において、実線は巻線５４の検出温度を表しており、破線は、式（２）によって計算される巻線５４の推定温度を表している。時間に対する巻線５４の検出温度の変化量の割合が大きいほど（すなわち、図３の実線の傾きの大きさが大きいほど）、検出温度に対して付与される補正量ΔＴ（式（２）における右辺の第２項）が大きくなり、結果として推定温度が巻線５４の実際の温度に近づくようになる。

本実施形態に係る温度推定装置１０によれば、電動機３０における測定対象部の検出温度の、時間に対する変化量の割合に応じて重み付けを行うことによって、検出温度を補正する。それにより、熱容量の差に起因して、検出温度が実際の温度変化に対して十分に迅速に追従できない場合であっても、測定対象部の温度を正確に推定できるようになる。

別の実施形態によれば、温度推定部１６は、巻線５４の推定温度を求める際に利用される時間に対する検出温度の変化量の割合として、複数の検出温度の変化量の割合の平均値Ａ_avrを利用する。平均値Ａ_avrは、次の式（３）によって求められる。

なお、Ｔ_nは、時間ｔ_nにおいて温度検出部１２によって取得される検出温度である（ただし、ｎは２以上の整数である。）。

Ａ_avrを式（２）における「Ａ」に代入すれば、時間Ｔ_nにおける巻線の推定温度Ｔ_Cnが得られる。

図４は、ｔ₁からｔ_nまでの測定時間における、時間に対する検出温度の変化量の割合ｎ個の平均値Ａ_avrを用いた式（４）によって得られる巻線５４の推定温度を示している。本実施形態によれば、例えば図４において実線で示されるように短期間の間に温度センサ３４による検出温度が大きく増減する場合であっても、巻線５４の推定温度を安定的かつ正確に求められる。

また別の実施形態によれば、記憶部１４が、温度推定部１６によって推定される巻線５４の推定温度を順次記憶するようにさらに構成される。また、温度推定部１６が、記憶部１４に記憶された直前の巻線５４の推定温度、時間に対する検出温度の変化量の割合、及び係数を含む漸化式（後述する式（６））に従って、巻線５４の温度を推定するように構成される。

時間ｔ_n-1から時間ｔ_nまでの間における検出温度の変化量の割合Ａ（ｎ）は、次の式（５）によって求められる。

なお、ｎは２以上の整数である。

そして、時間ｔ_nにおける推定温度Ｔ_cnは、「Ａ（ｎ）」を式（２）の「Ａ」に代入することによって、次の式（６）に従って求められる。

そして、時間ｔ_n+1における推定温度Ｔ_cn+1は、式（６）によって求められる推定温度Ｔ_cnを用いて次のように求められる。

図５は、前述した漸化式（式（７））を利用して求められる巻線５４の推定温度を示している。図示されるように、本実施形態に従って構成される温度推定部１６によれば、温度センサ３４によって検出される検出温度の変化量の割合に応じて、検出温度を重み付けすることにより、巻線５４の推定温度が求められる。したがって、前述した他の実施形態に係る温度推定装置１０と同様に、巻線５４の温度、ひいては電動機３０の温度を正確に推定できるようになる。

図６は、また別の実施形態に係る温度推定装置１０の機能ブロック図である。図２と対比すれば分かるように、本実施形態に係る温度推定装置１０は、係数変更部１８と、過熱判定部２０と、をさらに備えている。

係数変更部１８は、電動機３０が冷却装置（図示せず）を備えているか否か、また、冷却装置を備えている場合は、冷却装置の冷却性能に応じて、巻線５４の温度の推定に使用される係数を変更する。

図７Ａは、電動機３０が冷却装置を備えていない場合における、巻線５４の検出温度と、巻線５４の実際の温度と、をそれぞれ示している。また、図７Ｂは、電動機３０が冷却装置を備えている場合における、巻線５４の検出温度と、巻線５４の実際の温度と、をそれぞれ示している。図７Ａ及び図７Ｂを対比すれば分かるように、電動機３０が冷却装置を備えている場合、温度センサ３４によって検出される巻線５４の検出温度と、巻線５４の実際の温度との差が大きくなる傾向にある。このことは、電動機３０が強制冷却作用を有するファンなどの冷却装置を備えている場合に特に顕著である。

したがって、電動機３０が冷却装置を備えている場合、冷却装置を備えていない場合に比べて巻線５４の温度の推定に使用される係数が大きくなるように係数を変更すれば、温度推定部１６によって推定される推定温度を巻線５４の実際の温度に近づけられる。同様に、冷却装置の冷却性能が高くなるのに従って係数が大きくなるように係数を変更すれば、推定温度を巻線５４の実際の温度に近づけられる。

本実施形態によれば、電動機３０が備える冷却作用に応じて、係数変更部１８が、温度推定部１６によって巻線５４の温度を推定するのに使用される係数を変更するように構成される。具体的には、試験又はシミュレーションを通じて冷却装置の冷却性能と適切な係数との相関関係を求め、その結果に従って、パラメータ又は参照テーブルを予め用意しておく。そして、係数変更部１８は、パラメータ又は参照テーブルを利用して係数を変更する。本実施形態によれば、冷却装置の有無、冷却性能の優劣にかかわらず、巻線５４の推定温度、ひいては電動機３０の温度を正確に求められるようになる。

過熱判定部２０は、温度推定部１６によって推定される推定温度と、予め定められる閾値とを比較して、電動機３０が過熱状態にあるか否かを判定する。過熱判定部２０によって電動機３０が加熱状態にあると判定された場合、例えば警告音を発生させたり、又は警告メッセージを、任意に設けられる表示装置に表示できるようになる。したがって、操作者は電動機３０が過熱状態にあることを容易に認識できるようになる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除又は置換することができるし、或いは公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１０温度推定装置
１２温度検出部
１４記憶部
１６温度推定部
１８係数変更部
２０過熱判定部
３０電動機
３２駆動アンプ
３４温度センサ
４０回転子
４２回転軸
５０固定子
５２固定子コア
５４巻線

Claims

電動機の温度を推定する温度推定装置であって、
前記電動機に取付けられた温度センサによって検出される検出温度を取得する温度検出部と、
前記温度検出部によって取得される前記検出温度を所定のサンプリング周期で順次記憶する記憶部と、
前記記憶部によって記憶される前記検出温度、時間に対する前記検出温度の変化量の割合、及び係数に基づいて、前記電動機の測定対象部の温度を推定する温度推定部と、を備える、温度推定装置。
前記時間に対する前記検出温度の変化量の割合が、前記記憶部によって記憶される前記検出温度から求められる、前記検出温度の、時間に対する複数の変化量の割合の平均値である、請求項１に記載の温度推定装置。
前記係数が、前記温度センサの熱容量及び前記測定対象部の熱容量に基づいて決定される、請求項１又は２に記載の温度推定装置。
前記記憶部が、前記温度推定部によって推定される前記測定対象部の推定温度を記憶するようにさらに構成されており、
前記温度推定部が、前記記憶部に記憶される前記測定対象部の推定温度、時間に対する前記検出温度の変化量の割合、及び前記係数を含む漸化式に従って、前記測定対象部の温度を推定するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の温度推定装置。
前記係数を変更する係数変更部をさらに備えており、
前記係数変更部は、前記電動機が冷却装置を備えているかに基づいて、及び前記電動機が冷却装置を備えている場合には、該冷却装置の冷却性能にさらに基づいて、前記係数を変更するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の温度推定装置。
前記温度推定部によって推定される前記測定対象部の推定温度に基づいて、前記電動機が過熱状態にあるか否かを判定する過熱判定部をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の温度推定装置。