JP2019184506A - Device and method for measuring variation in torque of motor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転電動機(モータ)のトルク変動計測装置および計測方法に関し、特に、被測定モータのワウフラッター、ジッター、コギングなどによるトルク変動を精度良く計測可能なトルク変動計測装置および計測方法に関する。
回転電動機は大変身近なところで多く使われているが、回転の安定性は性能(振動、騒音、効率など)に大きく影響するので、トルク変動を精度良く計測することは、製品の開発上極めて重要である。
The present invention relates to a torque fluctuation measuring apparatus and measuring method for a rotating motor (motor), and more particularly to a torque fluctuation measuring apparatus and measuring method capable of accurately measuring torque fluctuation due to wow flutter, jitter, cogging and the like of a motor under measurement.
Rotating motors are widely used in close proximity, but rotational stability greatly affects performance (vibration, noise, efficiency, etc.), so it is extremely important for product development to accurately measure torque fluctuations. It is.
従来、回転電動機のトルク特性試験装置および計測方法として、種々のものが知られている(特許文献1〜3参照)。これらの特許文献に記載された内容を引用して、従来の装置および方法の概要および問題点を以下に述べる。
従来、回転電動機のトルク特性試験に際し疑似的に負荷トルクを与える手法として、被測定回転電動機の動力伝達軸にブレーキを設けることが一般的である。このようなブレーキとしては、ブレーキシューなどによる摩擦力で制動力を得る摩擦ブレーキや、駆動部と被駆動部との間に磁性粉体(パウダ)を封入した電磁パウダブレーキ、また特許文献1に開示されたヒステリシス損を生じさせ負荷トルクを与えるヒステリシスブレーキ、さらに特許文献2や特許文献3に開示された、被測定回転電動機の回転動作により他の回転電動機を従動させ、発電運転(発電機と同等)をすることで、負荷トルクを与える発電ブレーキなどが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of torque characteristics testing apparatuses and measuring methods for rotary motors are known (see Patent Documents 1 to 3). The outline and problems of the conventional apparatus and method will be described below with reference to the contents described in these patent documents.
Conventionally, as a technique for giving a load torque in a pseudo manner in a torque characteristic test of a rotary motor, it is common to provide a brake on the power transmission shaft of the rotary motor to be measured. Examples of such a brake include a friction brake that obtains a braking force by a frictional force generated by a brake shoe, an electromagnetic powder brake in which magnetic powder (powder) is sealed between a driving portion and a driven portion, and Patent Document 1 The disclosed hysteresis brake for generating a hysteresis loss and applying load torque, and further, another rotating motor driven by the rotating operation of the rotating motor to be measured disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, The power generation brake that gives load torque by doing the same) is known.
図7は、特許文献2の第5図に記載されたヒステリシスブレーキ方式によるトルク測定装置の一例を示す概念図である。図7において、測定台17に固定された被測定物12の回転軸13は、ジョイント14で円板15に固着されている。円板15は被測定物12の回転に伴って回転するようになっているが、電磁石16に通電することにより電流値に応じた制動力を発生する。被測定物12を回転させ、電磁石16へ通電する電流値を徐々に増加させていき、被測定物12のトルクと制動力が均衡して回転が静止した時の電流値から対応するトルクの値を知る装置である。
この種の装置の場合、円板15、ジョイント14等の検出部の慣性力が比較的大きいこと、静止により測定することにより、(イ)微少トルク、(ロ)変動するトルク、(ハ)起動時のトルク、(ニ)逆回転の含まれる回転体の逆転時のトルクの測定は出来ない。
また、ヒステリシスブレーキの場合には、特許文献1の段落[0004]にも記載されたとおり、付与できる負荷トルクが装置の大きさに対して小さく、付与する負荷トルクが大きくなった場合は、試験機全体のサイズが大きくなり使い勝手も悪く、さらに低速回転中に励磁を切ると、残留トルクが発生するという問題があった。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of a torque measuring device based on the hysteresis brake method described in FIG. In FIG. 7, the rotating shaft 13 of the object 12 to be measured fixed to the measuring table 17 is fixed to the disk 15 with a joint 14. The disk 15 rotates with the rotation of the object 12 to be measured, but generates a braking force corresponding to the current value by energizing the electromagnet 16. The measured object 12 is rotated to gradually increase the value of the current applied to the electromagnet 16, and the torque value corresponding to the torque value of the measured object 12 and the braking force are balanced and the corresponding torque value is obtained. It is a device that knows.
In the case of this type of device, the inertial force of the detectors such as the disk 15, the joint 14 and the like is relatively large, and (b) the torque that fluctuates, Torque at the time, (d) Torque at the time of reverse rotation of the rotating body including reverse rotation cannot be measured.
In the case of a hysteresis brake, as described in paragraph [0004] of Patent Document 1, when the load torque that can be applied is small with respect to the size of the device and the load torque to be applied is large, the test is performed. The overall size of the machine became large and the usability was poor, and there was a problem that residual torque was generated when excitation was turned off during low-speed rotation.
なお、ヒステリシスブレーキの構成としては、例えば株式会社東陽テクニカや株式会社菅原製作所のカタログ等で公知のように下記のようなものが知られている。このヒステリシスブレーキは、円筒状の鉄製ロータと、コイルにより励磁される歯型形状の磁極を持ったステータが非接触に合わさった構成を備える。以下、このようなヒステリシスブレーキは、説明の便宜上、「円筒型ヒステリシスブレーキ」と呼称する。
ここで、磁極が励磁されていないとき、ロータはボールベアリングに支えられて自由に回転する。そして、コイルに電流を供給して磁極を励磁すると、ロータとの間の空隙に磁界が発生し、ここで透磁率の高いロータが回転すると磁気摩擦が発生する。従って、ロータの回転エネルギーを磁気摩擦の損失として吸収し、ブレーキとして働く。 上記ヒステリシスブレーキの消費エネルギーE(w)は、E=ωT である。ここで、Tはトルク(N・m)、ωは角速度であり、ω=(2π/60)×nである。nは回転数(rpm)である。
そして、コイルに流れる電流により、トルクTを制御することができる。なお、消費エネルギーによる発熱は、空冷または水冷により冷却する。
In addition, as a structure of a hysteresis brake, the following things are known as well-known in the catalog of Toyo Technica Co., Ltd., Ebara Corporation, etc., for example. This hysteresis brake has a configuration in which a cylindrical iron rotor and a stator having a tooth-shaped magnetic pole excited by a coil are combined in a non-contact manner. Hereinafter, such a hysteresis brake is referred to as a “cylindrical hysteresis brake” for convenience of explanation.
Here, when the magnetic pole is not excited, the rotor rotates freely supported by the ball bearing. When a current is supplied to the coil to excite the magnetic poles, a magnetic field is generated in a gap between the rotor and magnetic friction is generated when the rotor having a high permeability rotates. Therefore, it absorbs the rotational energy of the rotor as a loss of magnetic friction and acts as a brake. The consumption energy E (w) of the hysteresis brake is E = ωT. Here, T is torque (N · m), ω is angular velocity, and ω = (2π / 60) × n. n is the rotation speed (rpm).
The torque T can be controlled by the current flowing through the coil. Note that heat generated by consumed energy is cooled by air cooling or water cooling.
図6は、特許文献3の第1図に記載された発電ブレーキ方式によるトルク測定装置の一例を示す概念図である。図6の装置は、2つの電動機群を備え、各電動機群にはそれぞれの回転速度を検出する速度検出手段を具備させ、これらの電動機群の間をトルクメータを介して連結し、一方の電動機群を負荷装置(発電機)とすると共に、他方の電動機群を電気製品の駆動用電動機である駆動装置とし、これらの各電動機群の駆動条件をそれぞれ可変可能に構成するものである。なお、特許文献3の第4図には、駆動側および負荷側の電動機のトルク変動の状態を示すグラフの一例が記載されている。 FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a torque measuring device using a power generation brake system described in FIG. The apparatus of FIG. 6 includes two motor groups, each motor group is provided with speed detecting means for detecting the respective rotation speeds, and the motor groups are connected via a torque meter. The group is a load device (generator), and the other motor group is a drive device that is a motor for driving electrical products, and the drive conditions of each of these motor groups are configured to be variable. FIG. 4 of Patent Document 3 describes an example of a graph showing the state of torque fluctuation of the drive side and load side electric motors.
発電ブレーキ方式の問題点に関し、特許文献1の段落[0005]には以下のように記載されている。即ち、「発電ブレーキにおいては、発電運転により生成される電力を電気抵抗によって熱エネルギーとして消費し、制動力を得て負荷トルクを発生させている。この場合、大量の電力が発生する高速回転での使用では、大電力を消費可能な電気抵抗が必要であり、また負荷トルクを変更するには可変抵抗であることも必要となるため、高価な構成とならざるを得なかった。さらに、負荷トルクを所望の大きさに高精度で対応させ、試験精度の向上を図るには不向きであった。」 Regarding the problem of the power generation brake system, paragraph [0005] of Patent Document 1 describes as follows. That is, in the power generation brake, the electric power generated by the power generation operation is consumed as thermal energy by the electric resistance, and the braking torque is obtained to generate the load torque. In this case, the high speed rotation that generates a large amount of electric power is performed. In order to change the load torque, it is necessary to use an electric resistance that can consume a large amount of power, and it is also necessary to use a variable resistance, so that the load must be expensive. It was unsuitable for improving the test accuracy by making the torque correspond to the desired magnitude with high accuracy. "
上記のようなヒステリシスブレーキ方式および発電ブレーキ方式の問題点を解消し、「被測定回転電動機の高速回転動作おいて、多様な負荷トルクが付与可能な疑似負荷トルク発生装置を、小型かつ安価に提供すること」を目的として、特許文献1のような装置が提案されている。図5は、特許文献1の図1として記載された装置の実施形態である。図5の装置においては、疑似負荷トルク発生装置1と被測定回転電動機Mとは、駆動側カップリング4を介し被測定回転電動機Mの動力伝達軸Msと連結されている。一方、疑似負荷トルク発生装置1の装置内では駆動側カップリング4とトルク検出器3の片方の回転軸とは連結され、さらにトルク検出器3の他方の回転軸には従動側カップリング5を介してブラシレス直流電動機2(発電部)の回転軸が連結されている。 Eliminates the problems of the hysteresis brake system and power generation brake system as described above, and provides a pseudo-load torque generator that can apply various load torques at a high speed rotation of the rotating motor to be measured. For the purpose of “to do”, an apparatus as in Patent Document 1 has been proposed. FIG. 5 is an embodiment of the apparatus described as FIG. In the apparatus of FIG. 5, the pseudo load torque generator 1 and the measured rotary motor M are coupled to the power transmission shaft Ms of the measured rotary motor M via the drive side coupling 4. On the other hand, in the pseudo load torque generator 1, the drive side coupling 4 and one rotating shaft of the torque detector 3 are connected, and the driven side coupling 5 is connected to the other rotating shaft of the torque detector 3. The rotating shaft of the brushless DC motor 2 (power generation unit) is connected through the via.
被測定回転電動機Mは、電源Pから電力供給を受け駆動制御部Dvによって速度制御され所定の回転速度で駆動される。ここで、被測定回転電動機Mに従動するブラシレス直流電動機2は発電機として作用し、被測定回転電動機Mに対し負荷トルクを付与する、いわゆる発電ブレーキとして作用する。付与する負荷トルク量の制御については、ブラシレス直流電動機2を接続する電力消費部10に備わるパワートランジスタ11のコレクタC、エミッタE間を流れるコレクタ電流Icの電流量の制御によって行われる。一方、トルク検出器3おいては、回転動作中における被測定回転電動機Mにブラシレス直流電動機2がブレーキとして作用するため、駆動側カップリング4と連結された軸と、従動側カップリング5と連結された軸とでねじれが生じ、そこに発生した実トルクを検出し、負荷トルク設定部30へと出力する。 The rotary electric motor M to be measured is supplied with electric power from the power source P, is speed-controlled by the drive control unit Dv, and is driven at a predetermined rotational speed. Here, the brushless DC motor 2 driven by the measured rotary motor M acts as a generator, and acts as a so-called power generation brake that applies load torque to the measured rotary motor M. The load torque amount to be applied is controlled by controlling the current amount of the collector current Ic flowing between the collector C and the emitter E of the power transistor 11 provided in the power consumption unit 10 connected to the brushless DC motor 2. On the other hand, in the torque detector 3, since the brushless DC motor 2 acts as a brake on the rotating motor M to be measured during the rotation operation, the shaft connected to the driving side coupling 4 and the driven side coupling 5 are connected. Torsion occurs with the generated shaft, and the actual torque generated there is detected and output to the load torque setting unit 30.
上記のようなヒステリシスブレーキ方式や発電ブレーキ方式ならびに改良された発電ブレーキ方式においても、共通的に、下記のような問題があった。被測定モータを回転させた場合、定速で回転させた場合であっても、回転に斑(ムラ)や回転トルクの変動が生じることがある。これらの変動現象は、ワウフラッター、ジッター、コギングなどの用語で説明されているが、従来の計測装置では、被測定モータにおける前記変動現象に基づくトルク変動を、精度良く計測することは不可能であった。
ところで、ワウフラッター(英語:wowand flutter)とは、例えば録音再生機器の回転部のムラによって発生する周波数変化のことである。ジッターとは、例えば電気通信分野において特に問題とされるが、時間軸方向での信号の揺らぎのことである。コギングとは、モータの電機子と回転子との磁気的吸引力が回転角度に依存して細かく脈動する現象であり、ターンテーブルの回転トルクが変動する現象であり、性能してはワウフラッターに影響する。ワウフラッターが大きいと音がふらついて聴こえる。
回転の安定性や性能を改善するためには、回転電動機(モータ)における前記変動現象に基づくトルク変動を精度良く計測することが重要である。特に高い周波数においても精度良く計測することが要請される。
The above-described hysteresis brake system, power generation brake system, and improved power generation brake system also have the following problems in common. When the motor to be measured is rotated, even if it is rotated at a constant speed, unevenness (unevenness) and fluctuations in rotational torque may occur in the rotation. These fluctuation phenomena are explained by terms such as wow and flutter, jitter, and cogging. However, with conventional measuring devices, it is impossible to accurately measure torque fluctuations based on the fluctuation phenomena in the motor under measurement. there were.
By the way, wow flutter (English: wowand flutter) is a change in frequency caused by, for example, unevenness in the rotating part of a recording / playback device. Jitter, which is particularly problematic in the telecommunications field, for example, is signal fluctuation in the time axis direction. Cogging is a phenomenon in which the magnetic attraction force between the armature and rotor of the motor pulsates finely depending on the rotation angle, and the rotational torque of the turntable fluctuates. Affect. If the wow and flutter are large, the sound can be heard.
In order to improve the stability and performance of rotation, it is important to accurately measure the torque fluctuation based on the fluctuation phenomenon in the rotary electric motor (motor). In particular, accurate measurement is required even at high frequencies.
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、被測定モータにおける前述したワウフラッター、ジッター、コギングなどによるトルク変動を精度良く計測可能なトルク変動計測装置および計測方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a torque fluctuation measuring apparatus capable of accurately measuring torque fluctuations due to wow flutter, jitter, cogging, etc. in the motor under measurement. And providing a measuring method.
前述の課題を解決するために、この発明の測定装置は下記のようなものとすることによって解決される。即ち、回転電動機のトルク変動計測装置であって、被測定用電動機としての供試モータ(1)と、軸のねじれによってトルクを検出するトルク検出器(4)と、前記供試モータの回転軸に前記トルク検出器(4)を介して連結され、設定された回転数までは駆動モータとして動作し、それ以降は発電ブレーキとして作用するエネルギー吸収用発電機(2)とを備えたトルク変動計測装置において、前記エネルギー吸収用発電機(2)とトルク検出器(4)との間に、前記供試モータ(1)が有する慣性モーメント(I1)に比較して大きな慣性モーメントを有するフライホイール(3)を備えることを特徴とする。そして好ましくは、前記フライホイールの慣性モーメント(If)は、前記エネルギー吸収用発電機(2)の回転に基づく前記回転軸の角速度の変動を無視できる程度に十分大きな慣性モーメントであることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the measuring apparatus of the present invention is solved by the following. That is, a torque fluctuation measuring device for a rotary motor, which is a test motor (1) as a motor to be measured, a torque detector (4) for detecting torque by twisting of the shaft, and a rotation shaft of the test motor. Torque fluctuation measurement provided with an energy absorbing generator (2) connected to the motor via the torque detector (4) and operating as a drive motor up to a set number of revolutions and thereafter acting as a power generation brake In the apparatus, a flywheel having a larger moment of inertia between the energy absorbing generator (2) and the torque detector (4) than the moment of inertia (I 1 ) of the motor under test (1). (3) is provided. Preferably, the inertia moment (I f ) of the flywheel is a sufficiently large inertia moment so that the fluctuation of the angular velocity of the rotating shaft based on the rotation of the energy absorbing generator (2) can be ignored. And
また、前記発明の好適な実施態様として、前記エネルギー吸収用発電機(2)の回転軸とフライホイール(3)の回転軸とを、振動除去用のカップリング(5)を介して連結することが好ましい。 As a preferred embodiment of the invention, the rotating shaft of the energy absorbing generator (2) and the rotating shaft of the flywheel (3) are connected via a vibration removing coupling (5). Is preferred.
さらに、この発明の計測方法は下記のような方法とすることによって解決される。即ち、前記のようなトルク変動計測装置を用いて回転電動機のトルク特性を計測する方法において、トルク検出器(4)のバネ定数を含む回転軸系の捩れバネ定数(Kn)を大とすることにより、計測システムの固有振動数fn≒1/2π×√(Kn/I1)を大とし、これにより、計測周波数が高い場合の計測を可能とすることを特徴とする。 Furthermore, the measurement method of the present invention can be solved by using the following method. That is, in the method of measuring the torque characteristics of the rotary motor using the torque fluctuation measuring apparatus as described above, the torsion spring constant (K n ) of the rotating shaft system including the spring constant of the torque detector (4) is increased. Thus, the natural frequency f n ≈½π × √ (K n / I 1 ) of the measurement system is increased, thereby enabling measurement when the measurement frequency is high.
また、前記好適な実施態様に記載のトルク変動計測装置における前記振動除去用のカップリング(5)はバネ定数が比較的小さいゴムカップリングとし、トルク検出器(4)のバネ定数は比較的大きなものとして、前記回転軸系の捩れバネ定数(Kn)は全体として比較的大とすることにより、計測システムの固有振動数fn≒1/2π×√(Kn/I1)を大とすることを特徴とする。 Further, the vibration removal coupling (5) in the torque fluctuation measuring device according to the preferred embodiment is a rubber coupling having a relatively small spring constant, and the spring constant of the torque detector (4) is relatively large. As a matter of fact, by making the torsion spring constant (K n ) of the rotating shaft system relatively large as a whole, the natural frequency f n ≈½π × √ (K n / I 1 ) of the measurement system is increased. It is characterized by doing.
この発明によれば、被測定モータにおける前述したワウフラッター、ジッター、コギングなどによるトルク変動を精度良く計測可能なトルク変動計測装置および計測方法を提供することができる。また、被測定モータを定速回転した場合のみならず、被測定モータの加速時、減速時や、さらに正回転、逆回転を交互に行う交番回転時における前記トルク変動も精度良く計測可能である。さらに、ヒステリシスブレーキ方式の場合には、ブレーキによる熱の影響がトルク検出器に影響を与える可能性があるが、本発明の装置においてはそのような問題は生じない。また、本発明の計測方法の場合、測定システム(捩れ振動系)のバネ定数が大きいので、計測周波数が高い場合においても精度良く計測可能な利点がある。 According to the present invention, it is possible to provide a torque fluctuation measuring device and a measuring method capable of accurately measuring the torque fluctuation caused by the wow flutter, jitter, cogging, etc. in the motor under measurement. It is also possible to accurately measure the torque fluctuation not only when the measured motor rotates at a constant speed but also when the measured motor is accelerated, decelerated, and during alternating rotation in which forward rotation and reverse rotation are alternately performed. . Further, in the case of the hysteresis brake system, the influence of heat by the brake may affect the torque detector, but such a problem does not occur in the apparatus of the present invention. Further, in the measurement method of the present invention, since the spring constant of the measurement system (torsional vibration system) is large, there is an advantage that measurement can be performed with high accuracy even when the measurement frequency is high.
図1〜図3ならびに図4に基づき、本発明の計測装置および方法に関して詳述する。まず、本発明の構成や作用効果の説明に当たり、これに関連する従来のシステム構成と作用について、図4の従来の計測装置の概略ブロック図に基づき述べる。 The measuring apparatus and method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. First, in describing the configuration and operational effects of the present invention, the conventional system configuration and operation related thereto will be described based on the schematic block diagram of the conventional measuring apparatus in FIG.
図4に示すシステムにおいては、供試モータ31とヒステリシスブレーキ21とが、トルク検出器41を介して連結されており、このシステムは一つの捩れ振動系を形成している。かかる捩れ振動系の固有振動数について以下に検討する。なお、前記ヒステリシスブレーキ21は、説明の便宜上、前述の円筒型ヒステリシスブレーキとして述べるが、他の形式のヒステリシスブレーキや、駆動モータとしても機能する発電ブレーキであっても同様の説明が成り立つ。 In the system shown in FIG. 4, the test motor 31 and the hysteresis brake 21 are connected via a torque detector 41, and this system forms one torsional vibration system. The natural frequency of such a torsional vibration system will be discussed below. The hysteresis brake 21 is described as the above-described cylindrical hysteresis brake for the sake of convenience of explanation, but the same description holds true for other types of hysteresis brakes and power generation brakes that also function as drive motors.
図4に示すシステムにおいて、ブレーキが作動しているときには、角速度ωについては考えなくてもよいので、角加速度dω/dtのみについて考える。ここで、I1を供試モータ31の慣性モーメントとし、I2をヒステリシスブレーキ21の慣性モーメントとし、Kをトルク検出器41のバネ定数を含む回転軸系の捩れバネ定数とし、ヒステリシスブレーキのコイルに流れる電流を制御されている場合と制御されていない場合とに関し、システムの固有振動数について検討する。 In the system shown in FIG. 4, when the brake is operating, the angular velocity ω need not be considered, so only the angular acceleration dω / dt is considered. Here, I 1 is the moment of inertia of the test motor 31, I 2 is the moment of inertia of the hysteresis brake 21, K is the torsion spring constant of the rotating shaft system including the spring constant of the torque detector 41, and the hysteresis brake coil The natural frequency of the system is examined for the case where the current flowing in the system is controlled and the case where it is not controlled.
一般に回転体は、角速度ω、角加速度dω/dtについて特性を持つが、ヒステリシスブレーキは、角速度ωに関する制御機能を有し、角加速度dω/dtについては制御機能を有しない。従って、回転体に接続されたブレーキはωについては制御するが、dω/dtにより軸トルクが変化した場合は、コイルに流れる電流を制御しなければ、dω/dtは抑えられない。 In general, the rotating body has characteristics with respect to angular velocity ω and angular acceleration dω / dt, but the hysteresis brake has a control function with respect to angular velocity ω, and does not have a control function with respect to angular acceleration dω / dt. Therefore, the brake connected to the rotating body controls ω, but when the shaft torque changes due to dω / dt, dω / dt cannot be suppressed unless the current flowing in the coil is controlled.
図4のシステムにおいて、コイルに流れる電流が制御されている場合、ヒステリシスブレーキ21側の軸ではdω/dt=0であるから、システムの固有振動数f1は、f1=1/2π×√(K/I1)である。この場合、供試モータ31は、f1の振動数で振動しながら、平均角速度ωで回転する。 In the system shown in FIG. 4, when the current flowing through the coil is controlled, dω / dt = 0 on the axis on the hysteresis brake 21 side, so the natural frequency f 1 of the system is f 1 = 1 / 2π × √. (K / I 1 ). In this case, the test motor 31 rotates at the average angular velocity ω while vibrating at the frequency of f 1 .
次に図4のシステムにおいて、コイルに流れる電流が制御されていない場合には、システムの固有振動数f3は、f3=1/2π×√(K/I3)となる。ここで、I3=1/{(1/I1)+(1/I2)}である。
この場合には、dω/dtの一部がヒステリシスブレーキ側に伝わり、供試モータ31とヒステリシスブレーキ21は、180°の位相差をもって振動しながら、平均角速度ωで回転する。従って、図4のシステムにおいて、ヒステリシスブレーキ21の回転に基づく回転軸の角速度の変動を無視できず、また、供試モータ31の発するエネルギー変動をヒステリシスブレーキ21で吸収するような関係をトルク検出器41で計測することとなる。即ち、前述したトルク変動を精度良く計測することは不可能である。
Next, in the system of FIG. 4, when the current flowing through the coil is not controlled, the natural frequency f 3 of the system is f 3 = 1 / 2π × √ (K / I 3 ). Here, I 3 = 1 / {(1 / I 1 ) + (1 / I 2 )}.
In this case, part of dω / dt is transmitted to the hysteresis brake side, and the test motor 31 and the hysteresis brake 21 rotate at an average angular velocity ω while vibrating with a phase difference of 180 °. Therefore, in the system of FIG. 4, the fluctuation of the angular velocity of the rotating shaft based on the rotation of the hysteresis brake 21 cannot be ignored, and the torque detector has such a relationship that the hysteresis brake 21 absorbs the energy fluctuation generated by the test motor 31. 41 is measured. That is, it is impossible to accurately measure the torque fluctuation described above.
次に、図1に基づき、本発明の計測装置および方法に関して述べる。図1のシステムは、図4と同様に、供試モータ1と、試験開始時において設定された回転数までは駆動モータとして動作し、試験中は回転数を制御しながら発電ブレーキとして作用するエネルギー吸収用発電機2とが、トルク検出器4を介して連結されているが、エネルギー吸収用発電機2とトルク検出器4との間に、フライホイール3を備えている点が、図4とは異なる。そして、前記フライホイール3の慣性モーメント(If)は、前記供試モータ1やエネルギー吸収用発電機2が有する慣性モーメント(I1)や(I2)に比較して大きな慣性モーメントを有し、このフライホイールの慣性モーメント(If)は、前記エネルギー吸収用発電機(2)の回転に基づく前記回転軸の角速度の変動を無視できる程度に十分大きな慣性モーメントである。例えば、フライホイールの慣性モーメント(If)は、2.33×103kg・cm2であり、供試モータ1の慣性モーメント(I1)の値(例えば、10kg・cm2)の233倍である。フライホイール3の慣性モーメント(If)が大きいと、前記供試モータ1の変動のみがトルク検出器4に伝わり、供試モータ1自体の前述したトルク変動を精度良く計測することができる。 Next, the measurement apparatus and method of the present invention will be described with reference to FIG. As in FIG. 4, the system of FIG. 1 operates as a drive motor up to the test motor 1 and the rotation speed set at the start of the test, and acts as a power generation brake while controlling the rotation speed during the test. Although the absorption generator 2 is connected via the torque detector 4, the point that the flywheel 3 is provided between the energy absorption generator 2 and the torque detector 4 is the same as FIG. Is different. The inertia moment (I f ) of the flywheel 3 has a large inertia moment compared to the inertia moments (I 1 ) and (I 2 ) of the motor under test 1 and the energy absorbing generator 2. The inertia moment (I f ) of the flywheel is an inertia moment that is sufficiently large so that the fluctuation of the angular velocity of the rotating shaft based on the rotation of the energy absorbing generator (2) can be ignored. For example, the inertia moment (I f ) of the flywheel is 2.33 × 10 3 kg · cm 2, which is 233 times the value of the inertia moment (I 1 ) of the test motor 1 (for example, 10 kg · cm 2 ). . When the inertia moment (I f ) of the flywheel 3 is large, only the fluctuation of the test motor 1 is transmitted to the torque detector 4, and the above-described torque fluctuation of the test motor 1 itself can be accurately measured.
上記図1のシステムにおいて、トルク検出器4のバネ定数を含む回転軸系の捩れバネ定数をKnとすると、システムの固有振動数fnは、fn≒1/2π×√(Kn/I1)である。従って、バネ定数(Kn)を大とすることにより、計測システムの固有振動数fnを大とし、これにより、計測周波数が高い場合の計測を可能とすることができる。 In the system of FIG. 1, when the spring constant twist of the rotating shaft system that includes a spring constant of the torque detector 4 and K n, the natural frequency f n of the system, f n ≒ 1 / 2π × √ (K n / I 1 ). Accordingly, by increasing the spring constant (K n ), the natural frequency f n of the measurement system can be increased, thereby enabling measurement when the measurement frequency is high.
本発明の計測システムの詳細に関し、さらに、図2および図3に基づいて具体的に説明する。図2は本発明に係る計測装置を含む計測システムのブロック図であり、図3は本発明に係る計測装置の実施例を示す図であって、(a) は上面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。図1〜3において同一機能を有する部材には、同一符号を付して重複する説明は省略する。 The details of the measurement system of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a block diagram of a measurement system including the measurement device according to the present invention, FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the measurement device according to the present invention, (a) is a top view, and (b) is a front view. FIG. 3C is a side view. 1 to 3, members having the same function are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
図2のブロック図は、図1に示した本発明の計測装置の概略ブロック図に対して、計測上必要なその他の部材を追加して示したもので、1は供試モータ、2は駆動モータ(エネルギー吸収用発電機)、3はフライホイール、4はトルク検出器、5は振動除去用のカップリング、6は発電機制御用コントローラ、7は回転数表示器、8:回生抵抗、9,10は供試モータ特性計測用データロガー, 記録計、11はモータ回転用コントローラ、12はシステム制御用コンピューターを示す。上記の内、1および9〜12の部材は、本計測装置を用いて計測を行うユーザーが準備するものである。 2 is a schematic block diagram of the measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 1 with other members necessary for measurement added, where 1 is a test motor and 2 is a drive. Motor (energy absorbing generator), 3 is flywheel, 4 is a torque detector, 5 is a coupling for removing vibration, 6 is a controller for generator control, 7 is a rotation speed indicator, 8 is a regenerative resistor, Reference numeral 10 denotes a data logger for measuring the motor characteristics under test, a recorder, 11 a controller for rotating the motor, and 12 a computer for system control. Among the above, the members 1 and 9 to 12 are prepared by a user who performs measurement using the measurement apparatus.
図2における上記追記部材の内、一部の部材に関し本発明に関わる追加の説明を行う。まず、回生抵抗8について述べる。エネルギー吸収用発電機4自身では、供試モータ1の発生エネルギーを吸収しきれない場合には、外部抵抗、即ち、回生抵抗8でエネルギーを吸収する。なお、最近では、電力を元電源へ返送する方式も採用されている。 An additional description relating to the present invention will be given with respect to some of the additional recording members in FIG. First, the regenerative resistor 8 will be described. When the energy absorbing generator 4 itself cannot absorb the energy generated by the test motor 1, the energy is absorbed by the external resistance, that is, the regenerative resistor 8. Recently, a method of returning power to the original power source has also been adopted.
次に、振動除去用のカップリング5について述べる。エネルギー吸収用発電機2とフライホイール4との間を振動除去用のカップリング5を介して接続するが、この振動除去用のカップリング5は、そのバネ定数(Kd)が比較的小さいゴムカップリングが好ましい。その理由について以下に述べる。
前述のように、フライホイール3の慣性モーメントを(If)とし、供試モータ1およびエネルギー吸収用発電機2が有する慣性モーメントを、それぞれ(I1)および(I2)とし、トルク検出器4のバネ定数を含む回転軸系の捩れバネ定数を(Kn)とし、振動除去用のカップリング5のバネ定数を(Kd)として、図2の部材1から5を有する回転軸システムの振動系について考える。
前記振動系は、2自由度振動系であり2つの固有振動数(ft、fd)をもっている。その理由は、供試モータ1とフライホイール3との間、およびフライホイール3とエネルギー吸収用発電機2との間にバネ定数の異なる2つのバネ系をもっているからである。ここで、フライホイール3の慣性モーメント(If)が無限大であると仮定する極端な場合を考えると、2つの各固有振動数ft、fdは、下記のとおりである。
ft=1/2π×√(Kn/I1)
fd=1/2π×√(Kd/I2)
Next, the vibration removing coupling 5 will be described. The energy absorbing generator 2 and the flywheel 4 are connected via a vibration removing coupling 5, and this vibration removing coupling 5 is a rubber having a relatively small spring constant (K d ). Coupling is preferred. The reason will be described below.
As described above, the inertia moment of the flywheel 3 is (I f ), the inertia moments of the test motor 1 and the energy absorbing generator 2 are (I 1 ) and (I 2 ), respectively, and the torque detector The rotational shaft system having the members 1 to 5 in FIG. 2 is assumed to have the torsion spring constant of the rotating shaft system including the spring constant of 4 as (K n ) and the spring constant of the vibration removal coupling 5 as (K d ). Consider the vibration system.
The vibration system is a two-degree-of-freedom vibration system and has two natural frequencies (f t , f d ). The reason is that there are two spring systems having different spring constants between the test motor 1 and the flywheel 3 and between the flywheel 3 and the energy absorbing generator 2. Here, considering the extreme case where the inertia moment (I f ) of the flywheel 3 is assumed to be infinite, the two natural frequencies f t and f d are as follows.
f t = 1 / 2π × √ (K n / I 1 )
f d = 1 / 2π × √ (K d / I 2 )
上記において、Knは比較的大きいので、ftは大きく、即ち、大きい固有振動数となる。一方、Kdは比較的小さいので、fdは小さく、即ち、小さい固有振動数となる。
供試モータ1自体の振動は、前記固有振動数ftが大きいので、その振動力は殆どすべてがトルク検出器4のバネ定数を含む回転軸系を通じて、フライホイール3に伝わるが、その慣性モーメント(If)が非常に大きいので、その振動力の影響は殆どない。
一方、エネルギー吸収用発電機2である駆動用モータも振動源をもっており、振動を発生している。しかしながら、この振動は、前記(Kd)が小さいので、フライホイール3には殆ど伝わらず、駆動用モータ自身を振動させるのに使われる。
従って、上記のように回転軸システムを構成すれば、ネルギー吸収用発電機2である駆動用モータからの振動を除くことができ、供試モータ1のトルク変動を、トルク検出器4で正確に計測可能となる。
即ち、前記振動除去用のカップリング5をバネ定数が比較的小さいゴムカップリングとした場合、トルク検出器4のバネ定数を比較的大きなものとすることにより、前記回転軸系の捩れバネ定数(Kn)を全体として比較的大とすることができ、これにより、計測システムの固有振動数fn≒1/2π×√(Kn/I1)を大とすることができ、計測周波数が高い場合の計測を可能とすることができる。
In the above, since K n is relatively large, f t is large, i.e., a large natural frequency. On the other hand, since K d is relatively small, f d is small, that is, a small natural frequency.
Since test the vibration of the motor 1 itself, the natural frequency f t is large, the vibration force almost all through rotating shaft system including a spring constant of the torque detection device 4, but transmitted to the flywheel 3, the moment of inertia Since (I f ) is very large, there is almost no influence of the vibration force.
On the other hand, the drive motor which is the energy absorbing generator 2 also has a vibration source and generates vibration. However, since the vibration (K d ) is small, this vibration is hardly transmitted to the flywheel 3 and is used to vibrate the drive motor itself.
Therefore, if the rotary shaft system is configured as described above, vibration from the drive motor that is the energy absorbing generator 2 can be eliminated, and the torque fluctuation of the test motor 1 can be accurately detected by the torque detector 4. It becomes possible to measure.
That is, when the vibration removal coupling 5 is a rubber coupling having a relatively small spring constant, the torsion spring constant (of the rotating shaft system) is increased by making the spring constant of the torque detector 4 relatively large. K n ) can be made relatively large as a whole, which can increase the natural frequency f n ≈½π × √ (K n / I 1 ) of the measurement system, and the measurement frequency is It is possible to measure at a high case.
トルク検出器4のバネ定数を比較的大きなものとすることに関し説明する。トルク検出器の構造としては、市場において種々のものが知られている。トルク検出器は原理的にはトーションバーの捩れを検出するものであるが、トーションバーの両端をカップリングを介してモータと負荷装置に結合し、ねじれの差動を検出するようにした、いわゆる差動方式トルク検出器のバネ定数は、比較的小さい。
これに対して、例えば、株式会社共和電業性製のトルク検出器であって、バネ定数を低下させるカップリングは使用せず、トーションバーに直接歪ゲージを貼り付けて、捩れに伴う剪断歪を直歪として計測する形式のいわゆる高剛性トルク変換器は、バネ定数が大きい。
上記のように、トルク検出器のバネ定数は設計によって定まるもので、同じ設計思想の場合、検出器出力とバネ定数は反比例する。前記計測システムの固有振動数の選定も考慮して、ユーザーの要請により、設計仕様として定まる。トルク検出器の主な設計仕様の一例を下記に示す。
定格負荷±15N・m、
固有振動数fn≒1/2π×√(Kn/I1)を約2kHz(目標)
上記において、供試モータの慣性モーメントI1は10kg・cm2とする。
A description will be given of making the spring constant of the torque detector 4 relatively large. Various structures of torque detectors are known in the market. In principle, the torque detector detects torsion of the torsion bar, but the so-called torsional differential is detected by coupling both ends of the torsion bar to the motor and the load device via the coupling. The spring constant of the differential torque detector is relatively small.
On the other hand, for example, a torque detector manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd. does not use a coupling that lowers the spring constant. The so-called high-rigidity torque transducer of the type that measures as a direct strain has a large spring constant.
As described above, the spring constant of the torque detector is determined by design, and in the case of the same design concept, the detector output and the spring constant are inversely proportional. Considering selection of the natural frequency of the measurement system, it is determined as a design specification at the request of the user. An example of the main design specifications of the torque detector is shown below.
Rated load ± 15N ・ m,
The natural frequency f n ≈1 / 2π × √ (K n / I 1 ) is about 2 kHz (target)
In the above, the moment of inertia I 1 of the test motor shall be 10 kg · cm 2.
次に、図3に示す本発明に係る計測装置の実施例について述べる。図3は、架台60の上に、駆動モータ(エネルギー吸収用発電機)2、振動除去用のカップリング5、フライホイール3、トルク検出器4および供試モータ取付部61を組み立てた状態を示し、(a)は上面図 、(b)は正面図、(c)は側面図を示す。 Next, an embodiment of the measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 3 will be described. FIG. 3 shows a state in which the drive motor (energy absorbing generator) 2, the vibration removing coupling 5, the flywheel 3, the torque detector 4, and the test motor mounting portion 61 are assembled on the gantry 60. , (A) is a top view, (b) is a front view, and (c) is a side view.
上記本願発明によれば、被測定モータにおける前述したワウフラッター、ジッター、コギングなどによるトルク変動を精度良く計測可能なトルク変動計測装置および計測方法を提供することができる。また、測定システム(捩れ振動系)のバネ定数を大きくすることにより、計測周波数が高い場合においても精度良く計測可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a torque fluctuation measuring device and a measuring method capable of accurately measuring the torque fluctuation caused by the wow flutter, jitter, cogging and the like in the motor under measurement. Further, by increasing the spring constant of the measurement system (torsional vibration system), it is possible to measure with high accuracy even when the measurement frequency is high.
1:供試モータ、2:駆動モータ(エネルギー吸収用発電機)、3:フライホイール、4:トルク検出器、5:振動除去用のカップリング、6:発電機制御用コントローラ、7:回転数表示器、8:回生抵抗、9,10:供試モータ特性計測用データロガー, 記録計、11:モータ回転用コントローラ、12:システム制御用コンピューター、60:架台、61:供試モータ取付部。 1: Test motor, 2: Drive motor (energy absorption generator), 3: Flywheel, 4: Torque detector, 5: Coupling for vibration removal, 6: Controller for generator control, 7: Speed display 8: regenerative resistor, 9, 10: data logger for measuring the motor characteristics of the test, recorder, 11: controller for rotating the motor, 12: computer for system control, 60: mount, 61: mounting part of the test motor.
Claims (5)
前記エネルギー吸収用発電機(2)とトルク検出器(4)との間に、前記供試モータ(1)が有する慣性モーメント(I1)に比較して大きな慣性モーメントを有するフライホイール(3)を備えることを特徴とするトルク変動計測装置。 A torque fluctuation measuring device for a rotary motor, comprising a test motor (1) as a motor to be measured, a torque detector (4) for detecting torque by twisting of the shaft, and a rotating shaft of the test motor In a torque fluctuation measuring device comprising an energy absorbing generator (2) connected via a torque detector (4) and operating as a drive motor up to a set number of revolutions and thereafter acting as a power generation brake ,
A flywheel (3) having a larger moment of inertia than the moment of inertia (I 1 ) of the motor under test (1) between the energy absorbing generator (2) and the torque detector (4). A torque fluctuation measuring device comprising:
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