JP3711299B2 - 交直両用モータの温度監視方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子に直列に接続した少なくとも１個の磁界コイルを設けた交直両用モータの温度を監視する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交直両用モータ、特に、電動工具においては過負荷に基づく過熱の危険性があり、このことはモータ損傷を修復できないものにする恐れがある。
【０００３】
この過熱の危険性は、通常、温度限界値を越えたときモータ電流を遮断したり又は危険のない値に制限することによって回避するのが一般的である。従って、モータコイルの温度を、温度センサ例えば、コイル内に巻いたＰＴＣによって直接測定したり、測定技術で認識可能な量で間接的に例えば、冷却分路を介して確定しなければならない。
【０００４】
直接測定方法は精度が高いという利点があるが、構成部材のコストの追加また組立作業及び個別の配線接続されるため、コストが高いという難点がある。間接的方法はこのようなコスト高を回避できるが、精度が低いという欠点があり、実際のモータ温度に対する遅延に基づいて十分な精度で追従できないという難点がある。
【０００５】
直接測定方法では、測定フィーラを使用するものが知られている。例えば、モータコイル（大部分は固定子巻線）に適当な感熱素子例えば、ＰＣＴ、ＮＴＣ、又は熱接点を設け、それぞれ出力信号を判定する。
【０００６】
更に、直接測定方法として、測定フィーラなしの方法も一般的に知られており、例えば、広く普及していない方法ではあるが、少なくとも１個のモータコイルのオーム抵抗を測定するものがあり、この方法は温度にほぼ直接比例する測定である。従来の抵抗測定方法は様々な実施例があり、関連文献に記載されている。通りである。しかし、このような方法を交流電流モータに適用する場合に困難さがある。即ち、交流電流インピーダンスはオーム抵抗とは異なるからである。
【０００７】
間接的温度測定方法としては機器技術的方法並びに計算による方法がある。
【０００８】
機器技術的方法としては、適切に選択した電子的及び／又は電気的構成部分によりモータ温度を算定するもので、これら構成部分におけるモータ温度に対応する信号としての電圧降下から算定する。これまで、モータを流れる電流及び／又はこれに関係する電圧を処理するのが一般的であった。簡単かつ普及した他の技術としては、モータに直列に接続し、モータによって過熱されるサーモスイッチを使用するものがある。このサーモスイッチは限界温度を越えると接点が開き、電流回路を遮断する。
【０００９】
これらに関連する他の方法としては例えば、熱抵抗にモータ電流を流し、熱接点に、モータ温度による温度の大きさ並びに時間経過にも適合する感温構成素子を設ける。更に、冷却気流に熱抵抗を配置することによって、より洗練した方法にすることができる。
【００１０】
計算による方法としては、温度モデルを元にしてモータ温度を模倣するのが一般的である。デジタル計算装置（マイクロコントローラであることが多い）によって容易に測定可能な量例えば、電圧、電流、回転数及び／又は位相角度等を処理し、モータ温度を他の記述で表現することができる。更に、経験から算出したモータ固有の記憶した特性テーブルを利用する方法（ドイツ国特許公開第３１１１８１８号公報参照）並びに推論された数学的モデルによって算出する方法（ドイツ国特許公開第３１０７１２３号公報参照）がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、交直両用モータの作動温度を精確にかつ再現可能に表現することができる抵抗測定に基づく直接測定方法又はこの方法実施するに適した装置を得るにあり、特に電動工具に利用する温度監視方法及び装置を得るにある。
【００１２】
この目的を達成するため、本発明は、交直両用モータの温度監視方法において、実効交流電流成分よりも小さい直流成分をモータ交流電流に重ね合わせ、モータの磁界コイルにおける電圧降下を把握し、交流電圧部分から解放し、磁界コイルの温度依存オーム抵抗に比例する直流電圧成分を、モータ交流電流も含めた重ね合わせ直流電流成分が通過する電流測定シャントからアナログ的に得た温度によって変化しない直流電圧成分と比較する
ことよりなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
既知の抵抗測定方法に対して本発明による温度監視方法の利点は、一方では固定子温度を極めて精確にかつ特別な測定フィーラなしに決定することができる。他方では本発明による抵抗測定方法は現存の及び既知の位相制御装置と組み合わせることができるという理想的な方法である。
【００１４】
抵抗測定に基づく方法の実施の形態としては２個の磁界コイルに対して測定するものがある。モータを流れる純粋な交流電流を考慮しなければならない困難性は、モータ電流に僅かな直流電流部分を重ね合わせることによって回避する。磁界コイルに直流電圧降下Ｕfdc を生じさせ、この直流電圧降下Ｕfdc は磁界コイルのオーム抵抗Ｒf 及び温度に直接比例する既知の直流電流Ｉdcで決まる。即ち、
Ｕfdc=Ｉdc・Ｒf
である。
【００１５】
直流電圧降下は、比較的簡単な方法で測定及び再処理することができる。
【００１６】
本発明方法の実現には、一般的に使用されるモータエレクトロニクスで使用されている回路技術的手段を利用する。従って、構造上のコスト上昇は、単に磁界コイル接続を制御調整用電子機器に追加するだけである。組み立てに係わるコスト上昇は生じない。
【００１７】
上述の方法を実施する装置として、本発明は、電機子に少なくとも１個直列に配置した磁界コイルを有する交直両用モータの温度を監視する装置において、
磁界コイル及び電機子を流れるモータ電流に、モータ電流の実効交流電流成分よりも小さい直流電流成分を重ね合わせる第１電子構成グループと、
磁界コイルの電圧を認識し、交流電圧部分を分離し、磁界コイルの温度依存オーム抵抗に相当する直流電圧成分を比較器の第１入力部に供給する第２電子構成グループと、
モータ電流を含めて重ね合わせた直流電流成分が流れる温度によって影響を受けない電流測定シャントと
を具え、前記電流測定シャントは、第３電子構成グループに電圧降下をもたらし、交流電圧部分を分離した後に、基準参照用の直流電圧成分として比較器の第２入力部に供給し、比較器の出力側から磁界コイルの温度で変動する信号を発生する構成としたことを特徴とする。
【００１８】
重ね合わせた直流電流成分は、好ましくは、統合化した電流調整器によって一定に維持し、この電流調整器を位相制御装置と一体にグループ化し、認識した参照基準用直流成分を設定値として合成する。
【００１９】
第２又は第３の電子的構成グループは、好ましくは一方では磁界コイルに他方では電流測定シャントを入力側にして電圧降下をもたらす電圧増幅器により構成し、交流電流成分を分離するフィルタユニットでグループ化する。
【００２０】
【実施例】
次に、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。この図面は本発明による特徴を有する交直両用モータにおける温度を監視する回路構成の原理を示す。
【００２１】
この原理的回路図は、電機子Ａと、磁界コイルＦ並びに通常モータの回転数の制御及び調整に使用される位相制御装置１を有する交流−交直両用モータを示している。モータ電流回路には、更に、電流測定シャント２を設け、この電流測定シャント２は位相制御装置１の構成グループに統合させることができる。通常はこれらすべての素子又は構成グループは電気機器には既に存在している。電力接続端子には「Ｕn 」の符号を付ける。
【００２２】
本発明の実施例を補足説明すると、この回路に電流調整器３を配置する。この電流調整器３は、以下に詳細に説明するように、モータ交流電流に対して僅かな、しかし一定の直流電流成分を重ね合わせる作用を行う。この調整器３は、電流測定シャント２の入力側に配置し、電流測定シャント２から導出した実際の電流値を加え、この実際の電流値はフィルタ−増幅器４における増幅及びろ過後の交流電流部分から解放される。
【００２３】
電流測定シャント２と同様に、一方の磁界コイルＦに生ずる電圧降下を（磁界電圧）増幅フィルタ５によって測定する。フィルタ作用によって、交流電圧部分を除去し、重ね合わせた直流電流によって生じた直流電圧降下が残存する。この直流電圧降下は直流電流及び磁界コイルＦのオーム抵抗に直接比例する。
【００２４】
温度が変化しない電流測定シャント２における直流電圧降下と温度に左右される磁界コイルＦにおける直流電圧降下を比較器６によって比較し、増幅率を適切に選択することによって回路信号Ｔを維持する。この回路信号Ｔが、磁界コイルＦの指定の又は設定可能な温度に達したことを示す信号となる。このような回路信号は、種々の方法で再加工することができる。例えば、最適な又は音響的な警報、器具の切り換え、モータ電流を問題のない値への制限すること、又はこれらのうちの少なくとも一つを行うことができる。
【００２５】
次に、上述した回路構成の個別の構成グループの機能を詳細に説明する。
【００２６】
位相制御装置１は、通常、トライアックと、このトライアックに付属の制御回路とにより構成し、この付属の制御回路はトライアックのトリガ角度の制御量及び実効モータ電圧を与えるという従属関係を有する。この制御量は、回転数調整器及び／又は電流調整器の出力量とすることができる。制御回路としては、当業者によく知られている多数の実施例がある。例えば、個別の回路構成又は集積回路がある。
【００２７】
電流測定シャント２は、通常、（比較的低いオーム値の）抵抗であり、モータ電圧に直接比例する測定電圧の降下を生ずる。抵抗材料としては、通常は、ほとんど温度の影響を受けない合金例えば、定数等が既知の材料を選択する。
【００２８】
電流調整器３は、原理的には、本発明による温度監視の機能にとって必須というわけではない。即ち、比較器６において電圧測定シャント２及び磁界コイルＦでの直流電圧降下を比較する即ち減算するからである。このことから、この回路は、妥当な範囲内では、基本的には、直流電流部分の大きさには依存しない。しかし、位相制御装置１の変動許容範囲及び明らかに起こりうる負荷低下における困難性がある。特に、小さいモータ電圧又は大きなモータ電圧の場合困難さがある。このような場合、十分大きな直流電流部分を維持するのは困難である。この難点を回避する一つの（唯一ではないが）可能性としては、直流電流を十分大きいが交流電流に対しては比較的小さい値の一定値に維持することである。このことは電流調整器３によって保証することができる。プリセット可能な一定の目標値Ｉref をシャント電圧増幅フィルタ４に供給された直流電圧実際値（ＤＣ実際値）と比較する。この結果、生ずる差が制御信号となり、この制御信号が位相制御装置１における直流電流部分の拡大又は縮小をもたらす。
【００２９】
フィルタ増幅器４（シャント電圧増幅フィルタ）の回路グループは、構造的に２個の部分からなり、即ち、公共配電周波数よりも小さい最高周波数を有するローパスフィルタを設け、モータ電流の交流部分又はこの交流部分に依存する測定電圧を十分低減する。更に、この回路グループは増幅器を含み、この増幅器は比較的小さいＤＣ信号を、後の回路段階における再加工（再処理）のために増幅する。回路技術によっては、増幅器に抵抗／コンデンサを組み合わせて実現することもできる。
【００３０】
磁界電圧増幅フィルタ５の回路グループは、機能的及び構造的に、上述のシャント電圧増幅フィルタ４と同一である。電圧部分（交流部分並びに直流部分）の低下は、電流測定シャント２におけるよりも相当大きく、増幅回路素子の回路技術設計を選択する必要がある。上述の回路図に示すように、上方の磁界コイルＦの大きさを測定し、一般的に微分増幅器が必要である。更に、下方の磁界コイルＦを測定することもできる。即ち、いずれの磁界コイルにも同一の電流が流れ、通常は同一の構成であるためである。この場合、微分増幅器はなくて済む。
【００３１】
比較器６は、時間的要素で、電流測定シャント２及び磁界コイルＦにおけるＤＣ電圧降下を比較する。フィルタ作用にもかかわらず、双方の信号には回避できない波打ち波形が残存し、切り換えポイント即ち、限界温度に達するポイントの近傍において、純粋の比較器は変動を生じてしまう。従って、このことを排除するために、回路図に示すように、極めて小さい限界周波数のローパスフィルタを付加する。好適な実施例では双方の回路部分に減算積分器を使用する。この減算積分器は双方の入力信号を減算し、また差を積分する。この出力信号は、波打つ入力信号及び２個の異なる状態にも係わらず、上方又は下方の調整限界に適合し、２値信号として再加工（再処理）することができる。この機能グループの他の利点としては、温度限界に達した時点に即座に反応する点があり、このことにより所定の駆動装置を保護するための所定の遅延時間を保証し、短時間の過負荷を許容できる点である。短時間の過負荷での遅延機能は例えば、単独の固定トグルスイッチでも実現できる。
【００３２】
当業者には、上述の回路配置を位相制御装置に介在させることができ、正負の電圧半波を同一でない大きさにすることができること明らかであろう。この結果、モータ電圧の直流電圧部分を直流電流部分と同一結果となるようにすることができる。更に、好適な実施例として、位相制御装置１におけるトライアックのトリガ角度（上述の説明参照）を、正負の電圧半波が（通常は同一である）同一でないようにすることもできる。多くの位相制御装置によって存在するまた抽出でき、トリガ角度に影響を与える信号電圧に手を加えることができる。一方、直流電流部分を発生させるのに有利な実施例では、例えば、半波の極性全体を周期的に遮蔽するか、又は適当な回路素子例えば、ツェナータイオード、ダイオード−抵抗の組み合わせ等によってモータ電流経路に異なる電流方向の異なる電圧降下を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による温度監視回路構成を有する交直両用モータの原理回路図である。
【符号の説明】
１ 位相制御装置
２ 電流測定シャント
３ 電流調整器
４ フィルタ−増幅器
５ 増幅フィルタ
６ 比較器

Claims (6)

1. 交直両用モータの温度監視方法において、
   実効交流電流成分に対して僅かな量の直流電流成分（Ｉdc）をモータ交流電流に重ね合わせ、
   モータの磁界コイル（Ｆ）における電圧降下を把握し、
   交流電圧部分から解放し、磁界コイルの温度依存オーム抵抗に比例する直流電圧成分（Ｕfdc ）を、アナログ的にモータ交流電流も含めた重ね合わせ直流電流成分が通過する電流測定シャント（２）から得た温度によって変化しない直流電圧成分と比較する
   ことよりなることを特徴とする交直両用モータの温度監視方法。
2. 電機子（Ａ）に少なくとも１個直列に配置した磁界コイル（Ｆ）を有する交直両用モータの温度を監視する装置において、
   磁界コイル（Ｆ）及び電機子（Ａ）を流れるモータ電流に、モータ電流の実効交流電流成分よりも小さい直流電流成分を重ね合わせる第１電子構成グループ（１〜３）と、
   磁界コイル（Ｆ）の電圧を認識し、交流電圧部分を分離し、磁界コイルの温度依存オーム抵抗に相当する直流電圧成分を比較器（６）の第１入力部に供給する第２電子構成グループ（５）と、
   モータ電流を含めて重ね合わせた直流電流成分が流れる温度によって影響を受けない電流測定シャント（２）と
   を具え、前記電流測定シャント（２）は、第３電子構成グループ（４）に電圧降下をもたらし、交流電圧部分を分離した後に、基準参照用の直流電圧成分として比較器（６）の第２入力部に供給し、比較器（６）の出力側から磁界コイル（Ｆ）の温度で変動する信号を発生する構成としたことを特徴とする交直両用モータ温度監視装置。
3. 前記第１電子構成グループに一定の直流電流成分をモータ電流に重ね合わせる請求項２記載の交直両用モータ温度監視装置。
4. 前記第２及び第３電子構成グループ（５又は４）は、それぞれ交流電流成分を分離するためのフィルタユニットを有する電圧増幅器とした請求項２又は３記載の交直両用モータ温度監視装置。
5. 前記比較器（６）は時間的要素を考慮する比較器とした請求項２乃至３のうちのいずれか一項に記載の交直両用モータ温度監視装置。
6. 位相制御装置（１）を有する交直両用モータのための請求項３記載の温度監視装置において、前記位相制御装置を電流調整器（３）に接続し、第３電子構成グループを経て認識される基準参照用直流成分を現実の大きさとして加え、位相制御装置（１）を流れるモータ電流に一定の直流電流成分を重ね合わせる請求項３記載の交直両用モータ温度監視装置。

Images