JP6024615B2 - 電動機の異常検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機の異常検出装置に関する。

例えば、特許文献１には、電動機の異常検出装置が記載されている。当該異常検出装置は、電動機の軸に加わるトルクを算出する。当該トルクが予め設定された値を超えた場合、異常検出装置は警報を発する。

特開昭６０−１０６６２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の異常検出装置は、電動機に流れる電流に基づいて電動機の軸に加わるトルクを一意に算出する。このため、慣性モーメントが大きい負荷に貯められた慣性エネルギーを短時間で仕事として消費する場合、電動機の軸に加わるトルクを正確に算出することができない。

この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、電動機の軸に加わるトルクをより正確に算出することができる電動機の異常検出装置を提供することである。

この発明に係る電動機の異常検出装置は、圧延システムに設けられた電動機の軸に取り付けられた負荷を駆動する際に、前記電動機に設けられた速度センサからの情報に基づいて前記電動機の加速度を算出する加速度算出部と、予め設定された慣性モーメントと前記電動機の加速度とに基づいて、前記電動機の軸に加わるトルクを算出するトルク算出部と、を備え、前記軸は、前記電動機側に設けられた駆動軸と、前記負荷側に設けられた従動軸と、前記駆動軸と前記従動軸とを連結するギアと、を備え、前記トルク算出部は、前記ギアに対応したギア比に基づいて前記電動機の軸に加わるトルクを算出する。

この発明によれば、電動機の軸に加わるトルクをより正確に算出することができる。

この発明の実施の形態１における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。 この発明の実施の形態１における電動機の異常検出装置の処理を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。 この発明の実施の形態３における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。

図１において、例えば、負荷１は、圧延システムの機械的な負荷からなる。例えば、負荷１は、シャー、プレス機等、慣性モーメントが比較的大きい負荷からなる。負荷１は、軸２を介して電動機３に連結される。軸２は、駆動軸２ａ、従動軸２ｂ、カップリング２ｃからなる。駆動軸２ａは、電動機３に取り付けられる。従動軸２ｂは、負荷１に取り付けられる。カップリング２ｃは、駆動軸２ａと従動軸２ｂとを連結する。

電動機３には、速度センサ４が設けられる。電動機３と速度センサ４とには、ドライブ装置５が接続される。速度センサ４とドライブ装置５とには、コントローラ６が接続される。

ドライブ装置５は、異常検出装置７を備える。異常検出装置７には、速度センサ４を含む電動機３の慣性モーメントＪ_ｍ（ｋｇｍ^２）が予め設定される。異常検出装置７には、負荷１の慣性モーメントＪ_ｌ（ｋｇｍ^２）が予め設定される。異常検出装置７には、警報基準トルクＴ_ｒｅｆ（Ｎｍ）が予め設定される。異常検出装置７には、限界トルクＴ_ｌｉｍ（Ｎｍ）が予め設定される。限界トルクＴ_ｌｉｍは、警報基準トルクＴ_ｒｅｆよりも大きい値に設定される。

異常検出装置７は、加速度算出部７ａ、トルク算出部７ｂ、記憶部７ｃ、判定部７ｄ、警報信号出力部７ｅ、制御部７ｆを備える。

コントローラ６は、速度センサ４から電動機３の回転数Ｎ（ｍｉｎ^−１）の情報を取得する。コントローラ６は、電動機３の回転数Ｎに基づいて各設定値を算出する。

ドライブ装置５は、コントローラ６から各設定値を取得する。ドライブ装置５は、速度センサ４から電動機３の回転数Ｎの情報を取得する。ドライブ装置５は、各設定値と電動機３の回転数Ｎとに基づいて出力トルクＴ_Ｄ（Ｎｍ）を算出する。電動機３は、出力トルクＴ_Ｄに基づいて回転する。

電動機３の回転トルクは、駆動軸２ａに伝えられる。当該トルクは、カップリング２ｃを介して従動軸２ｂに伝えられる。当該トルクにより、負荷１が運転される。

この際、出力トルクＴ_Ｄは、無負荷時のトルクＴ_Ｎ（Ｎｍ）を用いて次の（１）式で表される。

無負荷時のトルクＴ_Ｎは、（１）式を用いて次の（２）式で表される。

駆動軸２ａに加わるトルクＴ_ｍ（Ｎｍ）は、（２）式と加減速によるトルクＴ_ａｌとを用いて次の（３）式で表される。

一方、負荷１は、仕事をすることによりエネルギーを消費する。例えば、負荷１がシャーの場合、シャーは圧延材を切断することによりエネルギーを消費する。例えば、負荷１がプレス機の場合、プレス機は圧延材をプレスすることによりエネルギーを消費する。この際、エネルギー消費に対応したトルクＴ_ｅ（Ｎｍ）は、エネルギーを消費した後の負荷１の速度変化ｄＮ´／ｄｔ´を用いて次の（４）式で表される。

従動軸２ｂに加わるＴ_ｌ（Ｎｍ）は、負荷１の加減速によるトルクＴ_ａ２（Ｎｍ）と（４）式とを用いて次の（５）式で表される。

この際、軸２に加わるトルクＴ_ｆ（Ｎｍ）は、（３）式と（５）式とを用いて次の（６）式で表される。

通常、無負荷時のトルクＴ_Ｎは小さい。このため、軸２に加わるトルクＴ_ｆは次の（７）式に基づいて近似される。

負荷１がシャーの場合、シャーは加速が完了した後に圧延材を切断する。この場合、軸２に加わるトルクＴ_ｆは次の（８）式に基づいて近似される。

（８）式に示すように、軸２に加わるトルクＴ_ｆは、回転数の変化に支配される。そこで、異常検出装置７において、加速度算出部７ａは、速度センサ４から電動機３の回転数Ｎの情報を取得する。加速度算出部７ａは、電動機３の回転数Ｎに基づいて加速度を算出する。

トルク算出部７ｂは、加速度算出部７ａから電動機３の加速度を取得する。トルク算出部７ｂは、（８）式に基づいて慣性モーメントＪ_ｍと電動機３の加速度に基づいて軸２に加わるトルクＴ_ｆを算出する。

記憶部７ｃは、トルク算出部７ｂから軸２に加わるトルクＴ_ｆと他のデータ解析用の情報を取得する。記憶部７ｃは、軸２に加わるトルクＴ_ｆと他のデータ解析用の情報の履歴を記憶する。

判定部７ｄは、トルク算出部７ｂから軸２に加わるトルクＴ_ｆを取得する。判定部７ｄは、軸２に加わるトルクＴ_ｆの大きさを判定する。

警報信号出力部７ｅは、判定部７ｄの判定結果を取得する。軸２に加わるトルクＴ_ｆが警報基準トルクＴ_ｒｅｆ（Ｎｍ）よりも大きい場合、警報信号出力部７ｅは、警報信号を出力する。

制御部７ｆは、判定部７ｄの判定結果を取得する。軸２に加わるトルクＴ_ｆが限界トルクＴ_ｌｉｍ（Ｎｍ）よりも大きい場合、制御部７ｆは、電動機３を緊急停止させる。

次に、図２を用いて、異常検出装置７の処理を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電動機の異常検出装置の処理を説明するためのフローチャートである。

本処理は、異常検出装置７内のプログラムにより実行される。本処理は、電動機３の駆動中に常に行われる。本処理は、電動機３の制御用のサンプリング毎に行われる。

ステップＳ１では、ドライブ装置５は、電動機３の駆動に関するデータをサンプリングする。その後、ステップＳ２に進み、加速度算出部７ａは、加速度変化を微分処理により算出する。その後、ステップＳ３に進み、トルク算出部７ｂは、軸２に加わるトルクＴ_ｆを算出する。その後、ステップ４に進み、判定部７ｄは、軸２に加わるトルクＴ_ｆが警報基準トルクＴ_ｒｅｆよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ４で軸２に加わるトルクＴ_ｆが警報基準トルクＴ_ｒｅｆよりも大きくない場合は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、制御部７ｆは、運転終了命令がなされたか否かを判定する。

ステップＳ５で運転終了命令がなされていない場合は、ステップＳ１に戻る。ステップＳ５で運転終了命令がなされている場合、ドライブ装置５は電動機３を停止させる。

ステップＳ４で軸２に加わるトルクＴ_ｆが警報基準トルクＴ_ｒｅｆよりも大きい場合は、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、判定部７ｄは、軸２に加わるトルクＴ_ｆが限界トルクＴ_ｌｉｍよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ６で軸２に加わるトルクＴ_ｆが限界トルクＴ_ｌｉｍよりも大きくない場合は、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、警報信号出力部７ｅは、警報信号を出力する。当該出力により、軸２に加わるトルクＴ_ｆの異常がオペレータに警報される。その後、ステップＳ８に進み、記憶部７ｃは、現時点の軸２に加わるトルクＴ_ｆと他のデータ解析用の情報とを警報時のデータとして記憶する。その後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ６で軸２に加わるトルクＴ_ｆが限界トルクＴ_ｌｉｍよりも大きい場合は、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、制御部７ｆは、電動機３を緊急停止させる。その後、ステップＳ１０に進み、記憶部７ｃは、現時点の軸２に加わるトルクＴ_ｆと他のデータ解析用の情報とを緊急停止時のデータとして記憶する。その後、異常検出装置７は、次のサンプリングを待つ。

以上で説明した実施の形態１によれば、予め設定された慣性モーメントと電動機３の加速度とに基づいて、軸２に加わるトルクが算出される。このため、慣性モーメントが大きい負荷１を電動機３で駆動する場合でも、軸２に加わるトルクをより正確に算出することができる。

この際、既に取り付けられている速度センサ４からの情報が利用される。このため、特別なハードウェアを追加せずに軸２を保護することができる。

また、軸２に加わるトルクが警報基準トルクよりも大きい場合、警報信号が出力される。このため、オペレータに異常を知らせることができる。

また、軸２に加わるトルクが限界トルクよりも大きい場合、電動機３が緊急停止する。このため、より確実に軸２を保護することができる。

また、軸２に加わるトルクの履歴が記憶される。このため、長時間のデータを解析することで、瞬間的なトルクによる破損ではない疲労破壊を予め防止することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１においては、駆動軸２ａと従動軸２ｂとはカップリング２ｃで連結される。一方、実施の形態２においては、駆動軸２ａと従動軸２ｂとはギア２ｄで連結される。

この場合、異常検出装置７において、負荷１の慣性モーメントＪ_ｌは、ギア比１／ｎを用いて軸２に対応した値に換算される。従動軸２ｂに加わるトルクＴ_ｌは、ギア比１／ｎを用いて軸２に対応した値に換算される。

以上で説明した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、軸２に加わるトルクをより正確に算出することができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における電動機の異常検出装置を用いたシステムの構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１においては、速度センサ４は電動機３側に設けられる。一方、実施の形態３においては、速度センサ４は負荷１側に設けられる。この場合も、異常検出装置７は有効である。

以上で説明した実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、軸２に加わるトルクをより正確に算出することができる。

なお、駆動軸２ａと従動軸２ｂとをシャーピンで連結してもよい。この場合、異常検出装置７は、シャーピン切断警報装置になる。この場合、瞬間的に急激なトルクが軸２に発生した際に、シャーピンが切断される。このため、警報を発生させる前に軸２が破損することを防止できる。シャーピンが繰り返し負荷で切断される場合は、異常検出装置７によりシャーピンの切断時期を予め把握することができる。

また、異常検出装置７をドライブ装置５以外に設けてもよい。例えば、異常検出装置７をコントローラ６に設けてもよい。

１ 負荷、 ２ 軸、 ２ａ 駆動軸、 ２ｂ 従動軸、 ２ｃ カップリング、 ２ｄ ギア、 ３ 電動機、 ４ 速度センサ、 ５ ドライブ装置、 ６ コントローラ、 ７ 異常検出装置、 ７ａ 加速度算出部、 ７ｂ トルク算出部、 ７ｃ 記憶部、 ７ｄ 判定部、 ７ｅ 警報信号出力部、 ７ｆ 制御部

Claims (4)

1. 圧延システムに設けられた電動機の軸に取り付けられた負荷を駆動する際に、前記電動機に設けられた速度センサからの情報に基づいて前記電動機の加速度を算出する加速度算出部と、
   予め設定された慣性モーメントと前記電動機の加速度とに基づいて、前記電動機の軸に加わるトルクを算出するトルク算出部と、
   を備え、
   前記軸は、
   前記電動機側に設けられた駆動軸と、
   前記負荷側に設けられた従動軸と、
   前記駆動軸と前記従動軸とを連結するギアと、
   を備え、
   前記トルク算出部は、前記ギアに対応したギア比に基づいて前記電動機の軸に加わるトルクを算出する電動機の異常検出装置。
2. 前記電動機の軸に加わるトルクが予め設定された警報基準トルクよりも大きい場合に、警報信号を出力する警報信号出力部、
   を備えた請求項１に記載の電動機の異常検出装置。
3. 前記電動機の軸に加わるトルクが前記警報基準トルクよりも大きい値に予め設定された限界トルクよりも大きい場合に、前記電動機を停止させる制御部、
   を備えた請求項２に記載の電動機の異常検出装置。
4. 前記電動機の軸に加わるトルクの履歴を記憶する記憶部、
   を備えた請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電動機の異常検出装置。

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