JP6467209B2

JP6467209B2 - 電動機のコギングトルク測定方法

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Publication number: JP6467209B2
Application number: JP2014249309A
Authority: JP
Inventors: 達哉志津
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: US10302511B2; JP2016109627A; DE102015121340B4; ITUB20156302A1; CN105698991A; DE102015121340A1; US20160169755A1

Description

本発明は、電動機のコギングトルクの測定方法に関する。

電動機に通電していない状態で、ロータの回転に伴い生じる周期的なトルク脈動は鉄心と永久磁石の作用によっておこるものであり、コギングトルクと呼ばれている。例えば、コギングトルクの大きい電動機を工作機械の送り軸に使用した場合、切削面に筋目が現れる等の不具合が発生する。よって、コギングトルクの小さい電動機が求められる。

ただし、コギングトルクの振幅は、例えば工作機械の駆動電動機では、電動機の連続定格トルクに対して１％以下というような極めて小さい値であるため、測定が困難である。このため電動機のコギングトルク測定方法については、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、トルク計を用いたコギングトルク測定方法が示されている。具体的に図５を用いて説明する。図５は、コギングトルク測定装置の概略構成を示した図である。コギングトルク測定装置４１は、被測定電動機４２を回転させる駆動手段としての駆動電動機５０と、トルク検出手段としてのトルク計５１と、回転角度検出手段としてのエンコーダ５２と、を備えている。なお、被測定電動機４２の出力軸４２ａは第１カップリング４３によってトルク計５１の回転軸５１ａと一体回転可能に連結され、該トルク計５１の回転軸５１ａは、第２カップリング４４により駆動電動機５０の出力軸５０ａと一体回転可能に連結されている。駆動電動機５０は、コントローラ５４からの指令に基づいて駆動し、その駆動によって第２カップリング４４、トルク計５１及び第１カップリング４３を介して通電されていない被測定電動機４２の出力軸４２ａを回転させる。そして、トルク計５１は、被測定電動機４２に発生するトルクを検出し、そのトルク検出信号を出力する。エンコーダ５２は、駆動電動機５０に取り付けられており、駆動電動機５０の図示しない駆動軸の回転角度を測定することによって被測定電動機４２の回転角度を検出し、その角度検出信号をコントローラ５４に出力する。コントローラ５４は、トルク計５１からフィルタ５３を介して入力されたトルク検出信号とエンコーダ５２から入力された角度検出信号に基づいて被測定電動機４２のコギングトルクを測定する。

また、特許文献２では、電動機が回転中のロータ回転角度を二階微分した値とロータの慣性モーメントを乗算することでコギングトルクを測定する方法が示されている。具体的に図６を用いて説明する。図６は、コギングトルク検出装置のブロック図である。コギングトルク検出装置６１は、インバータ７１と、被測定電動機７２と、回転角度検出部としてのエンコーダ７３と、電動機の制御装置としての専用コントローラ６４を備える。インバータで電動機をトルク一定で運転した際に、エンコーダ７３で検出された回転角度を角加速度算出部８１にて二階微分し、回転角加速度を算出し、回転角加速度と被測定電動機７２のロータの慣性モーメント９２とが乗算器９３によって乗算されることによりコギングトルクを算出する。

特開２００６−２２０４９７号公報特開２０１０−１５８１２３号公報

上述した特許文献１で示される被測定電動機４２にトルク計５１を介して駆動電動機５０を接続した測定方法で、コギングトルクを正確に測定するためには、駆動電動機５０の慣性モーメントを、被測定電動機４２に比べて十分大きいものにしなければならない。この理由を数式で説明する。被測定電動機４２のコギングトルクによる速度変動の加速度をα、駆動電動機５０の回転軸の慣性モーメントをＪｄ、駆動電動機５０の出力トルクをＴｄとすると、トルク計５１が出力するトルク検出信号Ｓｔは、被測定電動機４２からトルク計５１を介して駆動電動機５０側へ伝わるコギングトルクと駆動電動機５０の出力トルクＴの和であるので、式（１）となる（以下、回転軸の摩擦トルク、トルク計の慣性モーメントは無視）。
Ｓｔ＝Ｊｄ・α＋Ｔｄ・・・（１）

加速度αは、α＝［回転軸に加わるトルク］÷［回転軸の慣性モーメント］であるので、被測定電動機４２の回転軸の慣性モーメントをＪｍ、被測定電動機４２のコギングトルクをＴｃｏｇとすると式（２）となる。
α＝（Ｔｃｏｇ−Ｔｄ）／（Ｊｍ＋Ｊｄ）・・・（２）

ここで、Ｔｄ＝Ｔｃｏｇとすると、式（２）において、α＝０となる。これを式（１）に代入するとＳｔ＝Ｔｄ＝Ｔｃｏｇとなり、トルク計５１が出力するトルク検出信号を測定することで正確にコギングトルクを測定できる。しかし、Ｔｄ＝Ｔｃｏｇの状態とは、駆動電動機５０を速度制御することで被測定電動機４２のコギングトルクによる速度変動を完全に打ち消した状態であり、実際にそのような状態を実現することは困難である。このため、測定誤差が生じてしまう。そこで、ＳｔをＴｃｏｇに極力近づける方法を説明する。式（１）に式（２）を代入すると

となる。式（３）より、Ｓｔ≒Ｔｃｏｇとするには、Ｊｄ／（Ｊｍ＋Ｊｄ）≒１かつＪｍ／（Ｊｍ＋Ｊｄ）≒０となればよいことがわかる。このためにはＪｄ≫Ｊｍとする必要がある。

以上より、コギングトルクを正確に測定するには、駆動電動機５０の慣性モーメントＪｄを、被測定電動機４２の慣性モーメントＪｍに比べて十分大きくしなければならないことがわかる。このため、大型の電動機のコギングトルクを測定する場合には、被測定電動機４２よりもさらに大きな駆動電動機５０を取り付けなければならず、測定装置が大掛かりなものになってしまうという問題があった。

また、上述した特許文献２で示される測定方法では、被測定電動機７２に電流を通電するため、コギングトルクだけでなく、電流を流すことで現れるトルク脈動成分も測定されてしまう。よって、コギングトルクだけを測定できないという問題があった。

本発明に係る電動機のコギングトルク測定方法は、電動機のコギングトルクを測定するコギングトルク測定方法であって、前記電動機に通電することなく、前記電動機の出力軸にほぼ一定の回転トルクを付与して前記電動機の出力軸を回転させ、前記電動機の回転角度を検出し、前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出し、前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算してトルクを算出し、前記検出された回転角度及び前記算出されたトルクに基づき、回転角度に対応したコギングトルク波形を算出する、ことを含み、前記電動機の出力軸に巻き付けたワイヤを当該ワイヤに取り付けたおもりにかかる重力で引っ張ることで、前記電動機の出力軸を回転させる、ことを特徴とする。

また、別の発明は、電動機のコギングトルクを測定するコギングトルク測定方法であって、前記電動機に通電することなく、前記電動機の出力軸にほぼ一定の回転トルクを付与して前記電動機の出力軸を回転させ、前記電動機の回転角度を検出し、前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出し、前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算してトルクを算出し、前記検出された回転角度及び前記算出されたトルクに基づき、回転角度に対応したコギングトルク波形を算出する、ことを含み、その出力軸が、前記電動機の出力軸に取り付けられた直結駆動電動機を一定トルクで駆動することで前記電動機の出力軸を回転させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、大型な電動機のコギングトルクを測定する場合でも小型な測定装置で、正確にコギングトルクを測定することができる。また、被測定電動機に電流を通電しないため、電流によるトルク脈動は現れず、コギングトルクだけを測定することができる。

本発明の第１の実施形態のコギングトルク測定装置の概略構成図である。本発明におけるコギングトルク測定方法のフローチャートである。本発明の第２の実施形態のコギングトルク測定装置の概略構成図である。本発明の第３の実施形態のコギングトルク測定装置の概略構成図である。従来のコギングトルク測定装置の概略構成図である。従来のコギングトルク測定装置の概略構成図である。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係るコギングトルク測定装置１の概略構成図である。図１に示すようにコギングトルク測定装置１は、被測定電動機２を回転させる駆動手段として被測定電動機２の出力軸に取付けられたプーリ３と、一端部がプーリ３に巻回可能に取り付けられて他端部が鉛直方向に垂下されたワイヤ４と、ワイヤ４の他端部に吊持されたおもり５と、回転角度検出手段としてのエンコーダ６と、コギングトルク算出部７と、信号処理部１０と、を備えている。コギングトルク算出部７は、角加速度算出部８とトルク算出部９で構成されている。角加速度算出部８は、エンコーダ６で検出した回転角度を二階微分して角加速度を算出する。トルク算出部９は、角加速度算出部８で算出した角加速度に既知である回転軸の慣性モーメントを乗算してトルクを算出する。一方、信号処理部１０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１、メモリ１２で構成されている。中央演算処理装置１１は、メモリ１２からコギングトルク波形を周波数解析するプログラムを読み出して実行する機能を有し、メモリ１２は、コギングトルク波形を周波数解析するプログラムを予め記憶したＲＯＭや、検出データ等を書き換え可能に記憶するＲＡＭなどから構成されている。

次に、コギングトルク測定手順について、図２に基づき説明する。まず、ステップＳ１０において、被測定電動機２の回転軸を回転駆動する。具体的には、被測定電動機２の回転軸の静止摩擦トルクを超えるように選定したおもり５をプーリ３に巻回したワイヤ４の端部に取り付ける。おもり５の荷重により、被測定電動機２の回転軸に一定のトルクがかかり、回転軸が等角加速度で回転する。

次に、ステップＳ１１においてエンコーダ６によって検出される被測定電動機２の回転角度とコギングトルク算出部７で算出されるトルクを、メモリ１２に記憶する。

続いて、ステップＳ１２において回転軸が１回転したかどうかを判断する。回転軸が１回転したかどうかは、コギングトルク測定開始後最初に記憶した回転角度と現在の回転角度の差が３６０°を超えるかどうかで判断する。回転軸が１回転していなければ、再度ステップＳ１１で被測定電動機２の回転角度と、トルクをメモリ１２に記憶する。この動作を被測定電動機２の回転角度が１回転するまで繰り返す。ただし、全ての周期のコギングトルクが測定できるため、回転軸１回転分のコギングトルクを測定することが望ましいが、必ずしも１回転分測定する必要はなく、例えばコギングトルクの周期がわかっている場合は最低、３６０°÷コギングトルク周期だけのコギングトルクを測定すればよい。

そして、被測定電動機２の回転軸が１回転したら、ステップＳ１３において、メモリ１２に記録されたデータをもとに、トルク算出部９で算出されたトルクを縦軸、回転角度を横軸としたコギングトルク波形を生成する。次に、ステップＳ１４において、生成したコギングトルク波形を周波数解析し、回転次数毎の成分を算出する。

本実施形態によれば、特許文献１に示されるコギングトルク測定方法のように、被測定電動機にトルク計を介して駆動電動機を接続した構成ではない。よって、上記課題で説明したようにトルク計が出力するトルク検出信号がコギングトルクと等しくなるように、駆動電動機の慣性モーメントを、被測定電動機に比べて大きくする必要はなく、小型な測定装置で正確にコギングトルクを測定することができる。また、特許文献２に示されるコギングトルク測定方法とは異なり、被測定電動機に電流を通電していないため、コギングトルクだけを測定することができる。

なお、被測定電動機２の駆動手段は上述した手段に限定されるものではなく、例えば被測定電動機２の出力軸に直接ワイヤ４を巻き付けてもよい。また、ワイヤ４を引っ張る手段は、上述した手段に限定されるものではなく、例えば、図示しないワイヤ巻取用電動機を別に用意し、ワイヤ巻取用電動機の出力軸にプーリを取付け、ワイヤ４の端部をワイヤ巻取用電動機の出力軸に取付けたプーリに取り付け、ワイヤ巻取用電動機を回転することでワイヤを引っ張り、被測定電動機２を駆動してもよい。なお、ワイヤ巻取用電動機は被測定電動機を一定速で回転する必要がないため、駆動電動機の慣性モーメントを、被測定電動機に比べて十分大きいものにする必要はなく、小型な測定装置で正確にコギングトルクを測定することができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態である電動機のコギングトルク測定方法の概略構成図である。第２の実施形態では、第１の実施形態に比べて、より簡便な測定装置でコギングトルクを測定することができる。

図３を用いて、本実施形態におけるコギングトルク測定方法を説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明については第１の実施形態と同様のため省略する。第１の実施形態と異なる点は、被測定電動機２の出力軸にハンドル１３を備え、被測定電動機２の回転軸の駆動手段として、ハンドル１３を手で回すことである。なお、ハンドル１３を手で回す際は、一定速回転を目指す等の操作はせず、回転力だけを与えることが望ましい。回転力以外の力が出力軸に加わると、コギングトルクが減衰、または増幅し正確に測定することができない。また、出力軸の駆動手段以外のコギングトルク測定手順については第１の実施形態と同様のため説明を省略する。

なお、被測定電動機２の駆動手段として、手動で出力軸を回す手段は、上述した手段に限定されるものではなく、例えば、出力軸を直接手で握って被測定電動機２の出力軸を回転させてもよい。

［第３の実施形態］
図４を用いて、本実施形態におけるコギングトルク測定方法を説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明については第１の実施形態と同様のため省略する。第３の実施形態では、被測定電動機２を回転させる駆動手段としての直結駆動電動機１４と、直結駆動電動機１４の回転角度検出手段としてのエンコーダ１５と、直結駆動電動機１４を駆動するためのコントローラ１７を備えている。被測定電動機２の出力軸はカップリング１６によって直結駆動電動機１４と一体回転可能に連結されている。直結駆動電動機１４は、コントローラ１７からの定トルク指令に基づいて駆動し、その駆動によってカップリング１６を介して通電されていない被測定電動機２の出力軸を回転させる。なお、出力軸の駆動手段以外のコギングトルク測定手順については第１の実施形態と同様のため説明を省略する。

本実施形態によれば、特許文献１に示されるコギングトルク測定方法のように、被測定電動機にトルク計を介して駆動電動機を接続した構成ではない。よって、上記課題で説明したようにトルク計が出力するトルク検出信号がコギングトルクと等しくなるように、駆動電動機の慣性モーメントを、被測定電動機に比べて大きくする必要はなく、小型な測定装置で正確にコギングトルクを測定することができる。

１コギングトルク測定装置、２被測定電動機、３プーリ、４ワイヤ、５おもり、６エンコーダ、７コギングトルク算出部、８角加速度算出部、９トルク算出部、１０信号処理部、１１中央演算処理装置、１２メモリ、１３ハンドル、１４直結駆動電動機、１５エンコーダ、１６カップリング、１７コントローラ。

Claims

電動機のコギングトルクを測定するコギングトルク測定方法であって、
前記電動機に通電することなく、前記電動機の出力軸にほぼ一定の回転トルクを付与して前記電動機の出力軸を回転させ、
前記電動機の回転角度を検出し、
前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出し、
前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算してトルクを算出し、
前記検出された回転角度及び前記算出されたトルクに基づき、回転角度に対応したコギングトルク波形を算出する、
ことを含み、
前記電動機の出力軸に巻き付けたワイヤを当該ワイヤに取り付けたおもりにかかる重力で引っ張ることで、前記電動機の出力軸を回転させる、
ことを特徴とするコギングトルク測定方法。
電動機のコギングトルクを測定するコギングトルク測定方法であって、
前記電動機に通電することなく、前記電動機の出力軸にほぼ一定の回転トルクを付与して前記電動機の出力軸を回転させ、
前記電動機の回転角度を検出し、
前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出し、
前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算してトルクを算出し、
前記検出された回転角度及び前記算出されたトルクに基づき、回転角度に対応したコギングトルク波形を算出する、
ことを含み、
その出力軸が、前記電動機の出力軸に取り付けられた直結駆動電動機を一定トルクで駆動することで前記電動機の出力軸を回転させる、
ことを特徴とするコギングトルク測定方法。