JP2022041162A - モータ装置、ギヤモータ、検知方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動を検知し、精度の高い予防保全が可能なモータ装置、ギヤモータ、検知方法、及びコンピュータプログラムを提供する。
【解決手段】モータ装置は、モータと、電源から前記モータへ供給される電力を検出する電力検出回路と、温度を測定する温度センサと、前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶する記憶部と、前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用い、前記モータの出力軸トルクを導出する処理部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、負荷変動を検知し、精度の高い予防保全が可能なモータ装置、ギヤモータ、検知方法、及びコンピュータプログラムに関する。

生産現場の各所で用いられるモータが過負荷で停止すると稼働率が低下する。そのため、モータを用いる装置には、モータの過負荷状態を検知して停止させる過負荷保護回路を内蔵し、過負荷状態での運転を行なわないようにする予防保全を実施する。

特許文献１には、モータへの電流によって過負荷を検知する過負荷保護を実施するギヤモータが開示されている。しかしながら、負荷が軽い場合には電流値が変動しないため、負荷の異常を検知できないことがある。そこで特許文献２には、電流値及び電圧値を入力して電力を出力する電力検出回路を用い、電力値と閾値との比較によって過負荷状態を検知することが開示されている。

特開２０１１－１１５０２５号公報 特許第６６４２６０８号

モータに供給される電力は、インバータを介す場合など、必ずしも緩やかに変動するとは限らないし、モータを用いる装置は駆動時間に応じて温度も変化し、電力も変動し得る。このようなモータ装置が用いられている生産現場の多様な運転条件にも対応して、精度よく過負荷を検出することが求められる。

本発明は、負荷変動を検知し、精度の高い予防保全が可能なモータ装置、ギヤモータ、検知方法、及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

本開示の一実施形態のモータ装置は、モータと、電源から前記モータへ供給される電力を検出する電力検出回路と、温度を測定する温度センサと、前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶する記憶部と、前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用い、前記モータの出力軸トルクを導出する処理部とを備える。

本開示の一実施形態の検知方法は、電源からモータへ供給される電力を取得し、前記モータの温度を取得し、前記モータへ供給される電力、及び、モータの温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶しておき、取得した電力、及び、温度から、前記回帰式を用いて前記モータの出力軸トルクを導出し、導出した出力軸トルクが、判断基準値以上又は判断基準値以下であるか否かを判断し、判断基準値以上であると判断された場合、前記モータが過負荷状態であると検知し、判断基準値以下であると判断された場合、前記モータが軽負荷状態であると検知する処理を含む。

本開示の一実施形態のコンピュータプログラムは、コンピュータに、モータの負荷状態を検知させるコンピュータプログラムであって、電源から前記モータへ供給される電力を取得し、温度を取得し、前記モータへ供給される電力、及び、モータの温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶しておき、取得した電力、及び、温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用いて前記モータの出力軸トルクを導出する処理を実行させる。

本開示のモータ装置、検知方法、及びコンピュータプログラムでは、モータに入力される電力と、温度とに基づいて算出されるモータ負荷に対応する計算値によって判断がされる。駆動時間に応じて変化する装置の温度に左右される電力のみならず、温度との関係が考慮される。推定ではあるもののモータ負荷に対応するトルクによって判断するため、より精度よく過負荷又は軽負荷を検知することが可能になる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、前記回帰式は、前記電力検出回路で検出される電力と、前記モータの負荷率との関係を示す第１の回帰式、前記負荷率と前記モータのモータ効率との関係を示す第２の回帰式、及び、前記負荷率と前記モータの同期回転速度に対する回転率との関係を示す第３の回帰式を含み、前記処理部は、前記電力検出回路で検出される電力から前記第２の回帰式に基づいて得られるモータ効率、及び、該モータ効率から得られるモータ出力と、前記電力から前記第３の回帰式に基づいて得られる回転率、及び、該回転率によって得られる前記モータの出力軸の回転速度とを用いて前記モータの出力軸トルクを導出する。

本開示のモータ装置では、回帰式は、入力電力との相関が高いモータ負荷率を導出するための第１の回帰式、モータ負荷率とモータ効率との関係を示す第２の回帰式、モータ負荷率とモータの回転率（実際の回転速度／モータ同期回転速度）との関係を示す第３の回帰式を含む。処理部は、モータの出力軸のトルクを導出するために必要となる、実際の回転速度、モータ出力を、入力電力から求めることができる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、前記第１から第３の回帰式のいずれか１つ又は複数は、前記電力検出回路に含まれる電流検出部にて検出される信号に基づき特定される前記電源の電源周波数を用いる。

本開示のモータ装置では、第１から第３の回帰式で関係が記述されているモータの負荷率、モータ効率、回転率を導出するためには、電源周波数が用いられてもよい。電源周波数の５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、又は、インバータによって変換された電源周波数に応じて、モータの負荷率、効率、回転率は変動することを考慮して導出ができ、より精度よく過負荷を検知できる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクと、判断基準値とを比較し、前記出力軸トルクが判断基準値以上又は判断基準値以下であると判断された場合、前記モータを停止させる。

本開示のモータ装置では、モータ負荷に対応するモータ出力軸のトルク（又はギヤ出力トルク）の大きさによって過負荷又は軽負荷を検知し、モータを停止させて保護することが可能になる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、通信部を更に備え、前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクと、判断基準値とを比較し、前記出力軸トルクが判断基準値以上又は判断基準値以下であると判断された場合、前記モータの過負荷状態又は軽負荷状態を、出力軸トルクの過大又は過小を示すデータと共に前記通信部から外部へ通知する。

本開示のモータ装置では、トルクの過大又は過小を根拠としてモータを停止させたことが外部へ通知される。電流値、電圧値、温度、又は電力値等の直接的に検出される物理量ではなく、推定されるトルク（モータ出力軸トルク、又は減速機出力軸トルク）に基づいて過負荷状態又は軽負荷状態を検知したことが明確になる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、前記処理部は、前記判断基準値の設定を受け付ける。

本開示のモータ装置では、導出されるトルクと比較される判断基準値を、外部から設定を受け付ける。モータ装置におけるモータの機種、モータ装置が使用される使用環境、使用条件に応じて過負荷状態又は軽負荷状態を検知するための基準値を適宜設定し、目的に沿った使用が可能になる。

本開示の一実施形態のモータ装置は、通信部を更に備え、前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクの大きさに対応するデータを前記通信部から外部へ通知する。

本開示のモータ装置では、導出したトルクの大きさに対応する値を示すデータが常時的に外部へ通知されるので、上位制御装置がこれを用いてモータ装置の状態を推定することに利用できる。

本開示の一実施形態のギヤモータは、モータと、該モータの回転を減じて出力する減速機と、電源から前記モータへ供給される電力を検出する電力検出回路と、温度を測定する温度センサと、前記電力検出回路で検出される電力、又は、前記温度センサで測定される温度と、前記減速機のギヤ出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶する記憶部と、前記電力検出回路で検出される電力、又は、前記温度センサで測定される温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用いて前記減速機のギヤ出力軸トルクを導出する処理部とを備える。

本開示のギヤモータでは、モータに入力される電力と、温度とに基づいて算出されるモータ負荷に対応する計算値によって判断がされる。駆動時間に応じて変化する装置の温度に左右される電力のみならず、温度との関係が考慮される。推定ではあるもののモータ負荷に対応するトルクによって判断するため、より精度よく過負荷又は軽負荷を検知することが可能になる。

本開示の一実施形態のギヤモータは、前記回帰式は、前記温度センサで測定される温度と、前記減速機のギヤの潤滑剤温度との関係を示す第４の回帰式を含み、前記処理部は、前記温度センサで測定される温度から前記第４の回帰式を用いてギヤの潤滑剤温度を導出して前記減速機の出力軸トルクを導出する。

本開示のギヤモータでは、回帰式は、温度センサで測定される温度と、モータが稼働中は測定が困難な減速機のギヤ潤滑剤温度との関係を示す回帰式を含む。処理部は、温度の変化で変動するモータ効率、損失等を正確に導出することが可能になる。

本開示の一実施形態のギヤモータは、前記温度センサは、前記モータの外装に取り付けられる箱体に収容されており、前記第４の回帰式は、前記箱体の内部の温度と、前記潤滑剤温度との関係を示す回帰式である。

本開示のギヤモータでは、温度センサは、モータ外装に取り付けられる箱体内の温度を測定する。温度センサで測定される温度と、潤滑剤温度との関係を予め測定して回帰式として記憶しておくことにより、処理部は、潤滑剤温度を導出することができる。

本開示の一実施形態のギヤモータは、前記回帰式は、モータの温度と、前記減速機の無負荷時のトルクとの関係を示す第５の回帰式を含み、前記処理部は、温度から前記第５の回帰式を用いて求められる無負荷時のトルクと、モータの回転速度とで求められるモータの無負荷時損失、前記電力検出回路で検出される電力に基づいて求められるモータ出力、及び、モータの出力軸の回転速度を用い、前記減速機の出力軸トルクを導出する。

本開示のギヤモータでは、回帰式は、モータの温度と、ギヤの無負荷時のトルクとの関係を示す回帰式を含む。処理部は、第５の回帰式によって温度からギヤの無負荷時のトルクを導出し、回転速度、モータ速度等の他の物理量と併せて、減速機の出力軸のトルクに対応する値を推定することが可能になる。

本開示の一実施形態のギヤモータは、前記第５の回帰式は、モータの機種別で異なる関係を示す複数の回帰式を含み、前記処理部は、前記モータの機種に応じて第５の回帰式を選択する。

本開示のギヤモータでは、第５の回帰式が示す温度とギヤの無負荷時のトルクとの関係は、回転数、周波数等が異なる機種に応じて異なることから、モータの機種に応じて適切な回帰式が選択される。

本開示によれば、温度によらずに負荷を検知することができ、精度の高い予防保全が可能になる。

モータ装置の模式斜視図である。 保護ユニットの構成を示すブロック図である。 電力検出回路の一例を示す回路図である。 記憶部に記憶されている回帰式を模式的に示す図である。 保護ユニットの制御部における過負荷検知の処理手順の一例を示すフローチャートである。 保護ユニットの制御部における過負荷検知の処理手順の一例を示すフローチャートである。 モータの入力電力、ギヤ潤滑剤温度、及びギヤ出力軸トルクの時間経過の一例を示すグラフである。 制御部にて判断基準値の設定を受け付けるための処理手順の一例を示すフローチャートである。 判断基準値の設定の受付画面の一例を示す図である。

本開示をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。以下の実施の形態では、本開示のモータ装置を適用したギヤモータを例に挙げて説明する。

図１は、モータ装置１の模式斜視図である。モータ装置１は上述したようにギヤモータである。モータ装置１は例えば、図１に示すようにベルトコンベアのスプロケットを回転させるように組み付けられている。モータ装置１は、モータ２、減速機３、及び、端子箱４に収容された保護ユニット４００（図２参照）を備える。

モータ２は、三相コイルと三相コイルに流れる交流にて回転する回転子と、回転子のトルクを出力する回転軸とを有する。

減速機３は、モータ２の回転軸に連結されており、回転軸の回転を減じてモータ２のトルクを出力する歯車機構及び出力軸を有する。歯車機構は例えば、ヘリカルギヤ機構、ハイポイドギヤ機構、ウォームギヤ機構等、公知の減速歯車機構である。

端子箱４は、モータ２の駆動に係る各種端子を収容する略直方体形状の箱体である。端子箱４はモータ２の側面のいずれかの箇所に設けられている。端子箱４には、モータ装置１の過負荷、及び、温度、振動等に基づく異常を検知し、過負荷若しくは軽負荷及び異常が検知された場合に、モータ２を停止させる保護ユニット４００が備えられている。保護ユニット４００は、モータ装置１の動作を制御する制御装置Ｃと通信可能に接続されている。

保護ユニット４００は、過負荷若しくは軽負荷又は異常を検知した場合に点灯させる警告灯４３０を含む。警告灯４３０は端子箱から露出するように設けられている。

図２は、保護ユニット４００の構成を示すブロック図である。保護ユニット４００は、制御部４０、電力検出回路４０１、振動センサ４０２、及び温度センサ４０３を含む。制御部４０、電力検出回路４０１、振動センサ４０２、及び温度センサ４０３はいずれも、端子箱４内に収容されている。

制御部４０は、マイクロコントローラである。制御部４０は、専用ＬＳＩ、ＦＰＧＡで構成されていてもよい。制御部４０は、保護ユニット４００に含まれる他の電力検出回路４０１、振動センサ４０２、及び温度センサ４０３と接続されている。制御部４０は、電力検出回路４０１、振動センサ４０２、及び温度センサ４０３から得られる検出値、測定値に基づいて、モータ２を保護する。

制御部４０は、処理部４１、記憶部４２、通信部４３、及び入出力部４４を備える。処理部４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、タイマー、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。制御部４０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller ）を用いてもよい。処理部４１は、記憶部４２に記憶されている制御プログラム４Ｐ及び設定情報４２０に基づき、後述の処理を実行する。

記憶部４２は、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリを用いる。記憶部４２には、制御プログラム４Ｐ及び設定情報４２０が記憶されている。制御プログラム４Ｐは、コンピュータから読み取り可能な記憶媒体９に記憶されていた制御プログラム９Ｐを処理部４１が読み出して記憶部４２に記憶したものであってもよい。設定情報４２０も、記憶媒体９に記憶されていた設定情報９１０を処理部４１が読み出して記憶部４２に記憶したものであってもよい。

記憶部４２に記憶される設定情報４２０は、回帰式を含む。回帰式は、モータ装置１の機種、例えば減速機３の種別によって異なり、通信部４３又は入出力部４４を介して、予め記憶されている。回帰式の詳細は後述する。

通信部４３は、制御装置Ｃ又は他の外部装置（例えばメンテナンス装置）との通信を実現するインタフェースである。通信部４３は例えば、ＰＬＣ用のバス通信を実現するインタフェースである。

入出力部４４は、処理部４１の入出力インタフェースである。処理部４１は、入出力部４４を介して電力検出回路４０１、振動センサ４０２、及び温度センサ４０３から出力される信号を取得する。処理部４１は、入出力部４４を介して警告灯４４０及び遮断スイッチ４４１へ信号を出力する。

電力検出回路４０１は、交流電源Ｅからモータ２へ入力される電力を、電流値及び電圧値から演算して出力する演算回路である。電力検出回路４０１は、交流電源Ｅに接続される三相の電源接続端子４ａと、モータ２に接続されるモータ接続端子４ｂとの間の接点に結線されて電圧及び電流を測定する。電力検出回路４０１の詳細については後述する。

振動センサ４０２は、加速度センサ等を用いる。振動センサ４０２は、端子箱４内部に設けられている。端子箱４が、検出対象のギヤモータのモータ２の側面に直接的に取り付けられることで、モータ２における振動を電圧信号として出力する。

温度センサ４０３は、サーミスタを用いる。温度センサ４０３は、端子箱４内に設けられている。端子箱４が、検出対象のギヤモータのモータ２の側面に取り付けられることで、温度センサ４０３は、モータ２のケーシング外面から伝導する温度を測定し、温度に対応する信号レベルを出力する。

警告灯４４０は、ＬＥＤ等のランプを用いる。警告灯４４０は、異なる色又は異なる点滅パターンで、モータ２の状態を表す。警告灯４４０は、処理部４１が入出力部４４を介して出力する制御信号に基づいて、いずれかの色又は点滅パターンで点灯する。

遮断スイッチ４４１は、交流電源Ｅからのモータ２への給電のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチである。処理部４１は、モータ２が過負荷状態であると判断された場合、遮断スイッチ４３１へ、交流電源Ｅからのモータ２への給電をＯＦＦにする信号を入出力部４４から出力する。なお、モータ２を停止させる手段は遮断スイッチ４４１に限られない。処理部４１は、入出力部４４からモータ２の駆動回路へ停止信号を出力してもよい。

回路図を参照して電力検出回路４０１について詳述する。電力検出回路４０１は、電流値及び電圧値を用いて電力を演算して出力するように設計されている。図３は、電力検出回路の一例を示す回路図である。図３の回路図において電力検出回路が接続される交流電源Ｅ及びモータ２を等価回路で表している。

図３の回路図において、交流電源Ｅは、中性点Ｎの基準電圧に対して、交流の第１相（Ｒ）の交流電圧を出力する電源と、第２相（Ｓ）の交流電圧を出力する電源と、第３相（Ｔ）の交流電圧を出力する電源とで表される。

図３の回路図において、モータ２は、所定の抵抗値を有するスター結線されたＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルによって表される。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの一端は、共通の中性点Ｎに接続されている。Ｕ相コイルの他端はＵ相端子に、Ｖ相コイルの他端はＶ相端子に、Ｗ相コイルの他端はＷ相端子に接続されている。図３の回路図では、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルはスター結線の例を開示しているが、これに限られず、デルタ結線されたものであってもよい。

モータ２は、交流電源Ｅの第１相（Ｒ）の交流電圧が、モータ２のＵ相端子に供給され、第２相（Ｓ）の交流電圧が、モータ２のＶ相端子に供給され、第３相（Ｔ）の交流電圧が、モータ２のＷ相端子に供給されるように接続されている。

電力検出回路４０１は、電源接続端子及びモータ２の接続端子との間の三相の給電線それぞれの接点に結線された抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を含む。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、共通の中性点Ｎにスター状に接続されている。抵抗器Ｒ１の他端は、交流電源Ｅの第１相（Ｒ）及びモータ２のＵ相端子の間の接点に接続されている。抵抗器Ｒ２の他端は、交流電源Ｅの第２相（Ｓ）及びモータ２のＶ相端子の間の接点に接続されている。抵抗器Ｒ３の他端は、交流電源Ｅの第３相（Ｔ）及びＷ相端子の間の接点に接続されている。電力検出回路は、抵抗器Ｒ１の両端電圧を検出する電圧検出部４１２と、モータ２のＵ相コイルに流れる相電流を検出する電流検出部４１３とを含む。

電力検出回路４０１は、電圧検出部４１２で検出した相電圧と、電流検出部４１３で検出した相電流との位相差に基づいて力率を算出し、一相の電力を算出する。電力検出回路４０１は、算出した一相の電力を三倍し、モータ２へ供給される電力を算出する。電力検出回路４０１は、電圧検出部４１２で検出した電圧値に対応する信号レベルの信号、電流検出部４１３で検出した電流値に対応する信号レベルの信号、算出した電力に対応する信号を制御部４０へ出力する。

本実施形態では、図３に示したように交流電源Ｅをモータ２の電源として説明するが、モータ２はインバータ駆動であってもよい。

このように構成される保護ユニット４００は、電力検出回路４０１で検出される電力、温度センサで検知される端子箱４内の温度を用い、モータ２の負荷に対応する値として、減速機３のギヤの出力軸トルク（負荷）を処理部４１の演算により推定算出する。モータ２の過負荷を検知するための値として、モータ２の出力軸トルクを推定算出してもよいが、本実施形態ではギヤ出力軸トルクを用いる。保護ユニット４００は、負荷（トルク）に対する閾値を用いてモータ２の状態（過負荷状態であるか否か）を判断する。保護ユニット４００は、過負荷状態であると判断される場合、モータ２を停止させる。

ギヤの出力軸トルクの推定算出には、ギヤの出力（パワー）が必要になる。ギヤの出力は、検出される量ではなく、電力検出回路４０１で検出されるモータ２への入力電力に、モータ効率を乗算した量（モータ出力）から、ギヤの無負荷時の損失を差し引いたものとして算出可能である。ここでモータ効率は、温度によって変動し、検出可能な入力電力値から推定できるものである。ギヤの無負荷時の損失も、温度に依存し、検出される量ではない。ギヤの無負荷時の損失は、無負荷時のトルクにモータ２の出力回転速度を乗算して求められる。保護ユニット４００は、モータ２の出力回転速度として、電流もしくは電圧より周波数を測定し、モータ極数より算出できる同期回転速度を用いてもよい。保護ユニット４００は、同期回転速度をそのまま用いず、モータ２の入力電力から推定されるモータ負荷率を、同期回転速度に乗算することでモータの滑りを考慮して算出される。

上述のギヤの出力軸トルクの推定算出には、モータ効率、ギヤ温度、モータ負荷率、ギヤの無負荷時のトルクが必要になる。これらは、モータ２への入力電力又は、ギヤ温度に依存する。入力電力及び温度は検出できる。保護ユニット４００の制御部４０は、モータ効率、モータ負荷率、及び、ギヤの無負荷時のトルクを、検出できる入力電力又は温度との関係式（回帰式）を用いて推定算出する。なお、温度センサ４０３で測定される温度は、端子箱４内の温度であるから、ギヤ潤滑剤温度と、端子箱４内で測定される温度との関係式も予め求めておき、処理部４１は、温度センサ４０３から得られる速度からギヤ潤滑剤温度を推定して用いる。

図４Ａから図４Ｅは、記憶部に記憶されている回帰式を模式的に示す。回帰式は、第１に、電力検出回路４０１で検出される入力電力と、モータ負荷率との間の関係を示す回帰式を含む（図４Ａ）。図４Ａに示した入力電力とモータ負荷率との間の回帰式は、入力電力と、電源周波数との２つを各々変数とした２つの関数の和（差）で近似される。なお、回帰式は適切に設定される式であり、変数の数、項数、次数等は問わない。記憶部４２には、図４Ａに示した関係を示す回帰式の数式、係数及び定数が予め記憶されている。これにより、処理部４１は入力電力値と電源周波数に基づいて、モータ２のその時点におけるモータ負荷率を推定することができる。電源周波数は、電力検出回路４０１から出力される電流検出部４１３からの信号によって特定される。電力のみならず電源周波数を変数とした回帰式を用いることで、モータ２がインバータ駆動であっても、精度よくモータ２の負荷（トルク）を推定算出することができる。

回帰式は第２に、モータ負荷率と、モータ効率との間の関係を示す回帰式を含む（図４Ｂ）。図４Ｂに示したモータ負荷率と、モータ効率との間の回帰式は、モータ負荷率と、電源周波数との２つを各々変数とした２つの関数の和で近似される。記憶部４２には、図４Ｂに示した関係を示す回帰式の数式、係数及び定数が予め記憶されている。これにより、処理部４１は、図４Ａの回帰式で得られるモータ負荷率と電源周波数に基づいて、モータ２のその時点におけるモータ効率を推定することができる。

回帰式は第３に、モータ負荷率と、モータ回転率との間の関係を示す回帰式を含む（図４Ｃ）。図４Ｃに示したモータ負荷率と、モータ回転率との間の回帰式は、モータ負荷率と、電源周波数との２つを各々変数とした２つの関数の和で近似される。記憶部４２には、図４Ｃに示した関係を示す回帰式の数式、係数及び定数が予め記憶されている。これにより処理部４１は、図４Ａの回帰式で得られるモータ負荷率と電源周波数に基づいて、モータ２のその時点におけるモータ回転率を推定することができる。モータ回転率は、モータ回転速度の推定算出に利用される。

回帰式は第４に、温度センサから出力される信号に基づく温度と、ギヤ潤滑剤温度との関係を示す回帰式を含む（図４Ｄ）。図４Ｄに示した温度とギヤ潤滑剤温度との間の回帰式は、端子箱４内の温度を変数とした関数で近似される。記憶部４２には、図４Ｄに示した関係を示す回帰式の数式、係数及び定数が予め記憶されている。これにより処理部４１は、温度センサ４０３から得られる端子箱４内の温度に基づいて、モータ２のギヤ潤滑剤温度を推定することができる。

回帰式は第５に、ギヤ潤滑剤温度及びモータ回転速度（回転数）と、ギヤの無負荷時のトルクとの関係を示す回帰式を、機種別に含む（図４Ｅ）。図４Ｅに示すギヤ潤滑剤温度とギヤの無負荷時のトルクとの間の回帰式は、ギヤ潤滑剤温度と、モータ回転速度との２つを各々変数とした２つの関数の和で近似される。記憶部４２には、その回帰式の数式、係数及び定数が予め記憶される。なお、ギヤ潤滑剤温度とギヤの無負荷時のトルクとの関係は、機種に応じて異なるので、機種別に記憶されている。これにより処理部４１は、図４Ｄの回帰式で得られるギヤ潤滑剤温度と、図４Ｃの回帰式で得られる回転率をモータ同期回転速度に乗算して得られるモータ回転速度とに基づいて、ギヤの無負荷時のトルクを推定することができる。

図５及び図６は、保護ユニット４００の制御部４０における過負荷検知の処理手順の一例を示すフローチャートである。制御部４０の処理部４１は、起動中、交流電源Ｅからの電力を受けている間、過負荷状態を検知してモータ２への給電を停止させるまでは、以下の処理を繰り返し実行する。

処理部４１は、入出力部４４を介し、電力検出回路４０１から、モータ２の入力電力を示す電力値を取得し（ステップＳ１０１）、電流検出部４１３から電源周波数を取得する（ステップＳ１０２）。

処理部４１は、入出力部４４を介し、温度センサ４０３から、端子箱４内部の温度を示す信号を取得する（ステップＳ１０３）。

処理部４１は、ステップＳ１０１で取得した電力値と、ステップＳ１０２で取得した電源周波数と、ステップＳ１０３で取得した温度とを、内蔵メモリに一時的に記憶しておく（ステップＳ１０４）。

処理部４１は、ステップＳ１０１で取得した電力値が示す入力電力、及びステップＳ１０２で取得した電源周波数に基づき、回帰式（図４Ａ）からモータ負荷率を算出する（ステップＳ１０５）。

処理部４１は、算出したモータ負荷率と、電源周波数とに基づき、回帰式（図４Ｂ）からモータ効率を算出する（ステップＳ１０６）。

処理部４１は、算出したモータ負荷率と、電源周波数とに基づき、回帰式（図４Ｃ）からモータ回転率を算出する（ステップＳ１０７）。

処理部４１は、ステップＳ１０３で取得した温度に基づき、回帰式（図４Ｄ）からギヤ潤滑剤温度を算出する（ステップＳ１０８）。

処理部４１は、機種に応じた回帰式（図４Ｅ）を回帰式の中から読み出す（ステップＳ１０９）。

処理部４１は、ステップＳ１０９で読み出した回帰式（図４Ｅ）を用い、ステップＳ１０７で算出したギヤ潤滑剤温度、及び、ステップＳ１０７で算出した回転率によって得られるモータ回転速度に基づき、ギヤの無負荷時のトルクを算出する（ステップＳ１１０）。

処理部４１は、ステップＳ１０６で算出したモータ効率及びステップＳ１０１で取得した電力値を用いてモータ出力を算出する（ステップＳ１１１）。処理部４１は、ステップＳ１１０で算出したギヤの無負荷時のトルクと、ステップＳ１０７で算出したモータ回転率から得られる回転速度とを用いてギヤの無負荷損失を算出する（ステップＳ１１２）。

処理部４１は、ステップＳ１１１で算出したモータ出力及びステップＳ１１２で算出したギヤの無負荷損失からギヤの出力を算出する（ステップＳ１１３）。処理部４１は、算出されたギヤの出力を、モータ２の回転速度で除算してギヤの出力軸トルクを推定算出する（ステップＳ１１４）。

処理部４１は、ステップＳ１１４で算出したギヤの出力軸トルク（モータ２の負荷）と、記憶部４２に記憶してある設定情報４２０に含まれる判断基準値とを比較する（ステップＳ１１５）。処理部４１は比較の結果、ギヤの出力軸トルクが、判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１６）。処理部４１はステップＳ１１６において、出力軸トルクが、前記判断基準値よりも低い第２の判断基準値以下であるかを判断してもよい。

ステップＳ１１６にて、判断基準値以上であると判断された場合（Ｓ１１６：ＹＥＳ）、処理部４１は、過負荷状態としてモータ２を停止させる（ステップＳ１１７）。処理部４１は、記憶部４２にログとしてステップＳ１０１～Ｓ１１４までに取得又は算出した値を記憶する（ステップＳ１１８）。

処理部４１は、警告灯４４０で停止を示す色又はパターンで点灯させる（ステップＳ１１９）。処理部４１は、通信部から制御装置Ｃへ、トルク過大によるモータ２の停止を通知し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

ステップＳ１１６にて、判断基準未満であると判断された場合（Ｓ１１６：ＮＯ）、正常状態であるから、処理部４１は、そのまま処理を終了する。

ステップＳ１１６の判断基準値は、過負荷であるか否かの判断をするための１つの閾値であってもよい。ステップＳ１１６の判断基準値は、過負荷であるか否かを判断するための１つの閾値に加え、この閾値よりも小さい第２の閾値を含んでもよい。処理部４１は、算出したギヤの無負荷時のトルクが、第２の閾値以上である場合には、モータ２を停止させるほどの過負荷ではないものの、過負荷状態の予兆が現れているとして、制御装置Ｃへ通知してもよい。

更にステップＳ１１６の判断基準値（第２の判断基準値）は、負荷が過小であるか否か、即ち空回りを起こしているか否かの判断をするための閾値とし、処理部４１は、ステップＳ１１６で判断基準値以下であるか否かを判断してもよい。

ステップＳ１１８において記憶部４２には、ステップＳ１０１～Ｓ１１４までに取得又は算出した値が記憶されるとしたが、少なくとも、取得した入力電力値、温度、及び算出されたギヤの出力軸が、トルクの過大（又は過小）を示す情報、例えばエラーコードと共に記憶されるとよい。この場合、モータ２の停止の通知を受けた制御装置Ｃ、又はメンテナンス用の装置からエラーコードの読み出しをすることで、トルクが過大（又は過小）であることを特定できる。又は、ステップＳ１２０における通知に、「トルク過大」（又は「トルク過小」）に対応するエラーコードが含まれてもよい。ステップＳ１１９の点灯色又はパターンが、「トルク過大」（又は「トルク過小」）を示すようにしてもよい。

なお保護ユニット４００は、図５及び図６のフローチャートに示した処理手順と併せて、振動センサ４０２から得られる振動を示す信号に基づいて異常を検知する処理を実行する。保護ユニット４００の処理部４１は、振動に基づく異常が検知された場合、モータ２を停止させ、警告灯４４０を点灯させ、振動異常によるモータ２の停止を制御装置Ｃへ通知する。保護ユニット４００は、異常な振動を検知したことでモータ２を停止させたのか、過負荷状態あるいは軽負荷状態であるとしてモータ２を停止させたのか、区別させることができる。

図５及び図６のフローチャートに示した処理手順を具体的に説明する。図７は、モータ２の入力電力、ギヤ潤滑剤温度、及びギヤ出力軸トルクの時間経過の一例を示すグラフである。図７のグラフは、横軸に時間の経過を示し、縦軸は、入力電力、温度、及びトルクの値の大きさを示している。図７のグラフは、実線で入力電力の推移を示し、破線で温度の推移を示し、二重線でトルクの推移を示している。図７のグラフは、ギヤモータであるモータ装置１が正常に動作し、決して過負荷ではない状態での値の時間変化を示す。

時点ｔ０で動作を開始したモータ装置１では、モータ２が加速していく間に入力電力が増加していく。時点ｔ１までの間に、電力はピークになる。この間、温度は比較的低温である。この場合、電力値のみでは電力値に対して設定する閾値の具体的な値によっては、実際の負荷（トルク）は許容範囲内であっても、過負荷と判断する可能性がある。

温度によってギヤの効率は大きく変化する。時点ｔ１のように入力電力が大きいのは、温度が低く、ギヤの効率が低い状態であるためであって、負荷が大きい状態では必ずしもない。

時点ｔ１以降、温度はある温度へ漸近していく。運転開始から時間が経過し、例えば時点ｔ２では、温度が比較的高い状態になる。このような状態ではギヤの効率は高く、入力電力が増加すると負荷が大きい状態である。

モータ装置１が、図７に示すような入力電力及び温度の経過をとることを考慮すると、入力電力に対する閾値を設定して過負荷を検知する方法では、検知が困難である。例えば図６中の値Ｘを、入力電力値に対する過負荷検知の閾値と設定した場合、時点ｔ１のピークから、温度が上昇し、入力電力が低下したあとに時点ｔ２の近傍で、過負荷状態で入力電力値が上昇したとしても、過負荷状態であると検知することができない。逆に、例えば図６中の値Ｙを、閾値として設定した場合、時点ｔ２までの運転開始直後の正常状態を、過負荷状態であると誤って検知してしまう可能性がある。

これに対し、図５及び図６のフローチャートで示したように、本開示の保護ユニット４００では、検出できる入力電力及び温度に基づいてギヤの出力軸トルクを推定する。出力軸トルクはモータ２の出力軸トルク、即ちモータ２の負荷に対応する値であり、温度が低い状態では高く算出され、温度が高温になると低下する。したがって図７に示すように、ギヤ出力軸トルクは、温度の変化、入力電力の推移と比較すると、正常時は一定に近く算出される。このように、保護ユニット４００は、電力検出回路４０１から得られる入力電力値を用いつつ、温度によってギヤ効率が変動することを考慮し、より正確に過負荷あるいは軽負荷を検出することが可能になる。

推定される負荷の値（本実施の形態ではギヤの出力軸トルク）に対して過負荷状態を検知するための判断基準値（Ｓ１１６）は、記憶部４２に記憶されている。閾値に対して保護ユニット４００は、通信部４３を介して外部から設定を受け付け可能である。図８は、制御部４０にて判断基準値の設定を受け付けるための処理手順の一例を示すフローチャートである。

制御部４０の処理部４１は、通信部４３を介して設定リクエストを受信した場合、以下の処理を実行する。具体的には、通信部４３を介して制御装置Ｃ以外のメンテナンス用の装置が接続された場合、処理部４１はこれを検知する。

処理部４１は、制御プログラム４Ｐに組み込まれる設定プログラムに基づき、設定画面を出力する（ステップＳ２０１）。処理部４１は、設定画面にてトルクについての判断基準値の書き込み指示を受信したか否かを判断する（ステップＳ２０２）。受信したと判断された場合（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、処理部４１は、指示と共に送信された判断基準値を受信し（ステップＳ２０３）、設定情報４２０に書き込み（ステップＳ２０４）、受付処理を終了する。

書き込み指示を受信していないと判断された場合（Ｓ２０２：ＮＯ）、処理部４１は、そのまま受付処理を終了する。

図９は、判断基準値の設定の受付画面３００の一例を示す図である。図９の受付画面３００は、処理部４１が記憶部４２から画面データを読み出し、通信部４３を介して接続されるメンテナンス用の装置へ出力する。受付画面３００は、閾値の入力を受け付けるテキストボックスを含む。受付画面３００は、閾値に対して、保護ユニット４００が取り付けられているモータ装置１における最大負荷のデータを表示し、入力された閾値と併記されるようにする。

受付画面３００は、「書込」ボタン３０１と「読込」ボタン３０２とを含む。「書込」ボタン３０１が選択された場合、受付画面３００のテキストボックスにて受け付けられたテキストが示す閾値と共に、メンテナンス用の装置から保護ユニット４００へ書き込み指示が送信される。「読込」ボタン３０２が選択された場合、保護ユニット４００から、メンテナンス用の装置へ、設定情報４２０の内容が送信される。これにより、メンテナンス用の装置から、保護ユニット４００における設定情報４２０の内容が確認でき、更に、モータ装置１の機種、及び、モータ装置１の使用環境に応じた適切な負荷に対する判断基準値の設定が可能になる。軽負荷に対する判断基準値（第２の判断基準値）の設定についても同様である。

上述の実施形態では、図５及び図６のフローチャートに示した処理手順により、第１から第５の回帰式全てを用い、ギヤ出力軸トルクを導出した。しかしながら、第１から第３の回帰式によってモータ２の出力軸トルクを導出してもよい。第１から第５の回帰式の一部のみを使用してギヤ出力軸トルクを導出してもよい。例えば、処理部４１は、温度に関し、温度センサで測定される温度をそのまま、若しくは特定の係数を乗じて使用してもよい。処理部４１は、回転速度として同期回転速度を用いてもよい。その他、処理部４１は、他の演算方法によって導出された物理量を組み合わせてモータ２の出力軸トルクを導出してもよい。

上述の実施形態では、モータ装置１がギヤモータである例を挙げて負荷（トルク）を求める方法について説明した。モータ装置１は、ギヤモータに限らず、減速機を備えずにモータ２を用いてもよい。この場合、保護ユニット４００は、モータ２の出力軸トルクを導出するための回帰式を用いて回転数等から負荷を推定算出してもよいし、モータ２の出力に設けられる機構（ギヤ等）におけるトルクから、モータ出力軸トルクを推定しても用いてもよい。

上述のように開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれる。

１ モータ装置
２ モータ
３ 減速機
４ 端子箱
Ｅ 交流電源
４００ 保護ユニット
４０１ 電力検出回路
４０３ 温度センサ
４０ 制御部
４１ 処理部
４２ 記憶部
４２０ 設定情報
４Ｐ 制御プログラム

上述のギヤの出力軸トルクの推定算出には、モータ効率、ギヤ温度、モータ負荷率、ギヤの無負荷時のトルクが必要になる。これらは、モータ２への入力電力又は、ギヤ温度に依存する。入力電力及び温度は検出できる。保護ユニット４００の制御部４０は、モータ効率、モータ負荷率、及び、ギヤの無負荷時のトルクを、検出できる入力電力又は温度との関係式（回帰式）を用いて推定算出する。なお、温度センサ４０３で測定される温度は、端子箱４内の温度であるから、ギヤ潤滑剤温度と、端子箱４内で測定される温度との関係式も予め求めておき、処理部４１は、温度センサ４０３から得られる温度からギヤ潤滑剤温度を推定して用いる。

Claims (14)

1. モータと、
   電源から前記モータへ供給される電力を検出する電力検出回路と、
   温度を測定する温度センサと、
   前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶する記憶部と、
   前記電力検出回路で検出される電力、及び、前記温度センサで測定される温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用い、前記モータの出力軸トルクを導出する処理部と
   を備えるモータ装置。
2. 前記回帰式は、
   前記電力検出回路で検出される電力と、前記モータの負荷率との関係を示す第１の回帰式、
   前記負荷率と前記モータのモータ効率との関係を示す第２の回帰式、及び、
   前記負荷率と前記モータの同期回転速度に対する回転率との関係を示す第３の回帰式
   を含み、
   前記処理部は、
   前記電力検出回路で検出される電力から前記第２の回帰式に基づいて得られるモータ効率、及び、該モータ効率から得られるモータ出力と、
   前記電力から前記第３の回帰式に基づいて得られる回転率、及び、該回転率によって得られる前記モータの出力軸の回転速度と
   を用いて前記モータの出力軸トルクを導出する
   請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記第１から第３の回帰式のいずれか１つ又は複数は、前記電力検出回路に含まれる電流検出部にて検出される信号に基づき特定される前記電源の電源周波数を用いる
   請求項２に記載のモータ装置。
4. 前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクと、判断基準値とを比較し、前記出力軸トルクが判断基準値以上又は判断基準値以下であると判断された場合、前記モータを停止させる
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ装置。
5. 通信部を更に備え、
   前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクと、判断基準値とを比較し、前記出力軸トルクが判断基準値以上又は判断基準値以下であると判断された場合、前記モータの過負荷状態又は軽負荷状態を、出力軸トルクの過大又は過小を示すデータと共に前記通信部から外部へ通知する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータ装置。
6. 前記処理部は、前記判断基準値の設定を受け付ける
   請求項５に記載のモータ装置。
7. 通信部を更に備え、
   前記処理部は、導出したモータの出力軸トルクの大きさに対応するデータを前記通信部から外部へ通知する
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモータ装置。
8. モータと、
   該モータの回転を減じて出力する減速機と、
   電源から前記モータへ供給される電力を検出する電力検出回路と、
   温度を測定する温度センサと、
   前記電力検出回路で検出される電力、又は、前記温度センサで測定される温度と、前記減速機のギヤ出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶する記憶部と、
   前記電力検出回路で検出される電力、又は、前記温度センサで測定される温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用いて前記減速機のギヤ出力軸トルクを導出する処理部と
   を備えるギヤモータ。
9. 前記回帰式は、前記温度センサで測定される温度と、前記減速機のギヤの潤滑剤温度との関係を示す第４の回帰式を含み、
   前記処理部は、前記温度センサで測定される温度から前記第４の回帰式を用いてギヤの潤滑剤温度を導出して前記減速機の出力軸トルクを導出する
   請求項８に記載のギヤモータ。
10. 前記温度センサは、前記モータの外装に取り付けられる箱体に収容されており、
    前記第４の回帰式は、前記箱体の内部の温度と、前記潤滑剤温度との関係を示す回帰式である
    請求項９に記載のギヤモータ。
11. 前記回帰式は、モータの温度と、前記減速機の無負荷時のトルクとの関係を示す第５の回帰式を含み、
    前記処理部は、温度から前記第５の回帰式を用いて求められる無負荷時のトルクと、モータの回転速度とで求められるモータの無負荷時損失、前記電力検出回路で検出される電力に基づいて求められるモータ出力、及び、モータの出力軸の回転速度を用い、前記減速機の出力軸トルクを導出する
    請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のギヤモータ。
12. 前記第５の回帰式は、モータの機種別で異なる関係を示す複数の回帰式を含み、
    前記処理部は、前記モータの機種に応じて第５の回帰式を選択する
    請求項１１に記載のギヤモータ。
13. 電源からモータへ供給される電力を取得し、
    前記モータの温度を取得し、
    前記モータへ供給される電力、及び、モータの温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶しておき、
    取得した電力、及び、温度から、前記回帰式を用いて前記モータの出力軸トルクを導出し、
    導出した出力軸トルクが、判断基準値以上又は判断基準値以下であるか否かを判断し、
    判断基準値以上であると判断された場合、前記モータが過負荷状態であると検知し、
    判断基準値以下であると判断された場合、前記モータが軽負荷状態であると検知する
    処理を含むモータの負荷状態の検知方法。
14. コンピュータに、モータの負荷状態を検知させるコンピュータプログラムであって、
    電源から前記モータへ供給される電力を取得し、
    温度を取得し、
    前記モータへ供給される電力、及び、モータの温度と、前記モータの出力軸トルクの導出に用いられる物理量との関係を示す回帰式を記憶しておき、
    取得した電力、及び、温度から、前記回帰式によって得られる物理量を用いて前記モータの出力軸トルクを導出する
    処理を実行させるコンピュータプログラム。

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