JPH09503377A - トルクの検出用手段付き電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 モータ（電動機）においてそれの負荷モーメントを回転数低下を用いて検出することが提案される。その際瞬時の負荷印加の際設定回転数に対する回転数低下が検出される。メモリ内に格納されている基準テーブルを用いて、又は、アルゴリズムにより、所定のモータ（電動機）形式に対する所属の負荷モーメントが求められる。種々のモータ（電動機）機種に対する負荷モーメントが、補正係数を介して補正され得る。更に、温度センサが、モータ（電動機）の温度依存のトルク（回転モーメント）の補正のため設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 トルクの検出用手段付き電動機 従来の技術 本発明は、請求の範囲１の上位概念による、トルクの検出用手段を有するユニ バーサルモータ（交直両用電動機）として構成されたモータ（電動機）に関する 。モータ（電動機）におけるトルクの測定検出を、シャントを用いて電流消費を 介して間接的に行うことは、既に公知である。トルク（回転モーメント）又は負 荷トルク（回転モーメント）を介しては保護回路が制御可能であり、該保護回路 により、モータ（電動機）は過負荷の際遮断可能である。電気式ねじ締め工具に てモータ（電動機）を使用の際、屡々起こる問題は、小さなトルク（回転モーメ ント）は低い回転数の場合は精確には調整され得ないということである。それと いうのは、実際上電流信号は、比較的小であり、著しく変動し、かつ、電流は、 温度に依存して変化するからである。更に、始動電流（これは、概して一定の電 流のもとで動作点にて流れる電流より大である）に打ち勝たなければならず、そ れにより、場合により所望の遮断トルク（回転モーメント）より大のトルク（回 転モーメント）が必要とされるからである。そのようなより大のトルク（回転モ ーメント）が生じると直ち に、ねじ締め工具にて、又は、要保護事態であるものとしてモータ（電動機）の 不都合な遮断を来すこととなる。モータ（電動機）電流ないし電機子電流使用の 際の更なる問題となるのは、電機子電流は、負荷トルク（回転モーメント）に依 存するのみならず、界磁巻線にて生じる電圧降下並びにモータ（電動機）の回転 数にも依存するということである。更に加えて、ブロッキングの場合に保護回路 が相応の遅延回路によって短時間機能停止せしめられるときのみモータ（電動機 ）の送り（シフト）ないしひきつづいての作動回転が可能であるということであ る。当該の事態に対して生じるモータ（電動機）保護機能の欠如は好ましくない 。さらに、モータ（電動機）電流の測定の際起こる問題は、温度加熱の際モータ （電動機）の実効抵抗が増大し、以て、所期のトルク（回転モーメント）が低下 することである。 発明の利点 本発明の主請求の範囲（メインクレーム）の特徴的構成要件により得られる利 点とするところは、小さいトルク（回転モーメント）の場合にも精確なトルク（ 回転モーメント）の遮断が行われることである、それというのは、モータ（電動 機）電流が測定されるのではなく、回転数差（これは、モータ（電動機）の被駆 動軸における負荷に基づいて生じる）が測定されるからである。所定の負荷トル ク（回転モーメント）に対 する回転数差の考慮により、得られる利点とするところは、モータ（電動機）の 作動電圧又は温度に無関係に、所定の負荷トルク（回転モーメント）に関連した 回転数低下の検出が、モータ（電動機）電流の変化より容易且つ精確に行い得る ことである。 引用形式請求の範囲（サブクレーム）の手段によっては、主請求の範囲に記載 されたモータ（電動機）の有利な発展形態及び改良が可能である。特に有利には 、基準テーブルを有するメモリを備え、該メモリ中には当該回転数差及び設定回 転数に対応づけられた負荷トルク（回転モーメント）が記憶されるように構成さ れている。当該テーブルは、容易に経験的に求め得る。それにより、複雑な換算 をせずに種々のモータ（電動機）機種への簡単な適合を行なわせ得る。 特に簡単な検出は次のようにして可能である、即ちアルゴリズムの使用により 負荷モーメントを直接検出できるようにするのである。それにより、メモリロケ ーションの節減がなされ、その結果制御装置は、安価に作製可能になる。 比例制御器の使用により回転数低下は、負荷モーメントに比例するようになり 、それにより、モータ（電動機）特性曲線（カーブ）負荷モーメントに関する電 流の関係の非直線性の故の誤ったトルク（回転モーメント）測定が回避され得る 。 更に、有利には制御又は調整を、温度センサ（機能 ）と結合するとよい、それにより、温度値を用いて、検出された負荷モーメント の補正が実施可能になる。負荷モーメントの検出に特に好適なのは、マイクロコ ンピュータ（計算機）による制御である。マイクロコンピュータ（計算機）は、 安価に入手でき、制御又は調整タスクには特に好適である。 更なる利点とするところは、補正係数を用いて負荷モーメントの対応付けに対 する記憶された値が補正可能であることである。それにより、種々のモータ（電 動機）機種に対して、１つの所定のモータ（電動機）の経験的に求められたデー タを有する標準メモリモジュールを使用すれば事足りる。他のモータ（電動機） に対しては当該のデータに相応の補正係数を乗算することにより幅広いプロダク トレインジ（広範なプロダクト パレット）をカバーできる。 モータ（電動機）の有利な適用例は、電動工具に存し、該電動工具は有利には ドリルとして構成される。まさにねじ締め工具の場合には所定の設定トルク（回 転モーメント）が得られるまでねじを比較的低い回転数でしっかり締める必要が ある。ねじ締めの際の回転数は極めて低いので、モータ（電動機）の消費電流を 介してのトルク（回転モーメント）の公知の検出は不精確である。 図面 本発明の１実施例（実施形態）が図示してあり、以 降の説明にて詳述する。図１は、装置構成に対するブロック接続図を示し、図２ は、第一のダイヤグラムを示し、図３は、第２のダイヤグラムを示し、図４は、 制御部のブロック接続図を示し、図５は、フローチャートを示し、図６は、制御 器の装置構成略図を示す。 実施例（実施形態）の説明 図１のブロック接続図にはモータ（電動機）１を示してあり、該モータ（電動 機）は制御部２（これは調整部ないし閉ループとして構成され得る）と接続され ており、そして、該制御部により制御される。モータ（電動機）はそれの電機子 軸上にはモータ（電動機）の回転数検出のためセンサ４を有する。センサ４とし ては有利には回転数計発電機が使用され、それの出力電圧は、電機子軸の回転数 に比例する。従って、センサ４は、モータ（電動機）の実際回転数を測定する。 この信号は、制御部２の入力側へ供給される。そして、制御部２の別の入力側に は設定回転数ｎ_sollが供給される。この設定回転数は、発生器３により設定可能 である。当該装置構成は、例えば、ドリルとか又はねじ締め工具のような電動工 具（手動電動工具）において使用される。従って、制御部２は公知である。発生 器３としてはドリル機械の回転数に対する操作部材を使用できる。 図２の第一のダイヤグラムでは、回転数ｎと、負荷モーメントＭとの関係性が 示されている。種々の電圧 ｕ１，ｕ２，ｕ２に対してそれぞれモータ（電動機）１の特性曲線（カーブ）が 示されている。通常、電動工具の場合は、次のような制御器が使用される、即ち 、その特性に基づいて広い範囲で回転数を負荷に無関係に一定に保持する制御器 が使用される。例えば、発生器３により設定される設定回転数ｎ_{1 soll}は、トル ク（回転モーメント）Ｍ１までほぼ一定に保持される。実際上は次のような様子 になっている、即ち、Ｉー成分のない制御器使用の場合設定回転数ｎ_istからの 回転数偏差が生じ、その結果実際回転数ｎ_istはいずれにしろ当該設定回転数ｎ_{s oll} より小である。当該差は、実質的に使用される制御器機種の増幅率これに反 して制御器が使用されない場合には、回転数特性経過は、図示の特性曲線（カー ブ）ｕ１，ｕ２，ｕ２に相応して負荷の増大と共に低下することとなる。 図３には２つの回転数ｕ１，ｕ２を用いて再度当該の関係性が示されている。 比例ー制御器（Ｐー制御器）が使用される場合には、回転数低下は、ほぼ負荷変 化に比例する。このことは、特性曲線（カーブ）ｎ_{1 ist}、ｎ_{2 ist}にて示されて いる。当該のダイヤグラムからさらに明らかなように、瞬時の負荷モーメントＭ １に対する回転数低下Δｘ１は、差Δｘ２を有する小さな回転数ｎ２の場合にお けるより大である。当該の設定回転数のそのような影響、作用は、本発明によれ ば、次のようにして考慮される、即ち、回転数低下分Δｘ１、ｃｘ２が設定回転 数ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}づけられるのである。 ΔｘＬΔｘ２の計算は、有利には制御部２により実施され、該制御部は、図４ に略示されている。上記制御部は、コンピュータ（計算機）４１を有し、該コン ピュータ（計算機）は、メモリ４２と接続されている。制御部２の入力側には実 際回転数ｎ_{1 ist}、ｎ_{2 ist}ないし所定設定回転数ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}が入力され る。それの出力側からは制御信号が送出され、該制御信号は、遮断装置４３へ導 かれる。遮断装置４３は、例えば、スイッチ又は操作部材を有し、それは、それ 自体公知の制御器４４と接続されている。制御器４４は、位相制御部として構成 されており、これは、モータ（電動機）１に対する電流流通角を制御する。 図５のフローチャート（流れ図）を用いて当該装置の動作を詳述する。ポジシ ョン（位置）５１では設定回転数ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}及び実際回転数ｎ_{1 ist}、 ｎ_2istがコンピュータ（計算機）４１内に入力される。コンピュータ（計算機） ４１は、瞬時の設定回転数に対する差Δｘ＝（ｎ_soll− ｎ_ist）を求める。瞬時 の設定回転数も、差Δｘも一時記憶される。それの結果は、ポジション（位置） ５３において所定の機種に対して補正係数ｋと乗算される。補正係数ｋは所定の 機種に対して、それの出力、特性曲線（カーブ）、温度 特性等に相応して所定の機種に対して検出されたものである。当該の補正係数は 工場サイドで設定されたものである。これは、モータ（電動機）の遮断トルク（ 回転モーメント）へ影響を及ぼし得るため選択可能であってよい。 ポジション（位置）５４では、アルゴリズム又はテーブル（これはメモリ４２ 内に格納されている）により、回転数差及び設定回転数に属する負荷モーメント Ｍ１が検出される。問い合わせポジション（位置）５５では負荷モーメントＭ１ が限界トルク（回転モーメント）より大又は小であるか否かがチェックされる。 大でない場合にはポジション（位置）５１へ戻る。これに反して、負荷モーメン トＭ１が限界トルク（回転モーメント）より大又は等しい場合には、ポジション （位置）５６にて例えば、モータ（電動機）は、遮断され、信号が送出され、又 は他の電流ー又は回転数値へ切り替えられる。 １つの所定のモータ（電動機）機種向けにそれぞれの設定回転数及び回転数変 化に対して、唯１つのモーメントが負荷モーメントとして対応付けられ得るので 、小さな回転数変化も確実に検出され得る。 本発明の有利な発展形態によれば、コンピュータ（計算機）４１を、温度セン サと接続し、該温度センサにより、モータ温度又は周囲温度又はモータ温度と周 囲温度との温度差に相応して補正係数Ｋｃを介して検 出された負荷モーメントが補正される。 Ｐー制御器の使用の際回転数は、近似的に負荷に比例して低下するので、一次 近似として次のアルゴリズムを基礎とし得る：Ｍ_last＝ａ（ｎ_soll− ｎ_ist）但 し、係数ａは、モータ（電動機）に関連して制御器に対する比例係数と見なされ 得る。この係数は、有利には経験的に求め得る。 図６は、マイクロプロセッサ６０により実現されている制御器を略示する。こ のマイクロプロセッサは、信号処理部６１を有し、この信号処理部は、回転数ｎ_soll 、ｎ_ist、温度及びトルク（回転モーメント）に対する発生器／センサと接 続されている。信号処理部６１は、制御器６２と接続されており、該制御器は、 操作素子６３と接続されている。信号処理部は、さらに、基準値に対するメモリ ６４と接続されており、かつ、遮断線路を介して操作素子６３と接続されている 。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年９月２８日 【補正内容】 請求の範囲 １．トルクの検出用手段付き電動機であって、設定回転数の設定のための発生 器と、モータ（電動機）の実際回転数の検出のためのセンサと、所定の負荷トル クへ到達の際モータ（電動機）を第二の作動状態へ切り替えるための制御部とを 有するものにおいて、前記制御部（２）は、センサ（４）により検出された実際 回転数（ｎ_{1 ist}、ｎ_{2 ist}）および所定設定回転数（ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}）から 実際の回転数差（Δｘ₁、Δｘ₂）を形成し、そして、当該の手段（４２）を用い て、所定設定回転数（ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}）及び検出された実際の回転数差（Δ ｘ₁、Δｘ₂）からモータ（電動機）（１）の負荷モーメントを求めるように構成 されていることを特徴とするトルクの検出用手段付き電動機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルフガング ヒルシュブルガー ドイツ連邦共和国 72762 ロイトリンゲ ン エルザ―ブレンシュトレーム―シュト ラーセ 44

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．トルクの検出用手段付き電動機であって、設定回転数の設定のための発生 器と、モータ（電動機）の実際回転数の検出のためのセンサと、所定のトルク（ 回転モーメント）へ到達の際モータ（電動機）を第二の作動状態へ切り替えるた めの制御部とを有するものにおいて、 前記制御部（２）は、センサ（４）により検出された実際回転数（ｎ_{1 ist}、ｎ_{2 ist} ）および所定設定回転数（ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}）から実際の回転数差（Δｘ １、Δｘ２）を形成し、そして、当該の手段（４２）を用いて、所定設定回転数 （ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}）及び検出された実際の回転数差（Δｘ１、Δｘ２）から モータ（電動機）（１）の負荷モーメントを求めるように構成されていることを 特徴とするトルクの検出用手段付き電動機。 ２．前記手段（４２）は、テーブルを有するメモリを備え、該メモリ中には当 該回転数差（Δｘ１、Δｘ２）及び設定回転数（ｎ_{1 soll}、ｎ_{2 soll}）に対応づ けられた負荷トルク（回転モーメント）が記憶されるように構成されている請求 項１記載の電動機。 ３．前記制御部（２）は、負荷モーメントの検出のためアルゴリズムを有する 請求項１項記載の電動機。 ４．前記制御部（２）は、比例特性を有する回転数 制御器を備える請求項１から３までのいずれか１項記載の電動機。 ５．前記制御部（２）は、温度センサ（４２）と接続されており、該温度セン サ（４２）の信号は、検出された負荷モーメントの補正のために使用可能である 請求項１から４までのいずれか１項記載の電動機。 ６．前記制御部は、コンピュータ（計算機）（４１）を備える請求項１から５ までのいずれか１項記載の電動機。 ７．前記制御部（２）は、負荷モーメントの補正のための補正係数（ｋ，ａ） （付与部）を備える請求項１から６までのいずれか１項記載の電動機。 ８．当該モータ（電動機）（１）は、電動工具、例えば、ドリル又はねじ締め 工具に対して使用可能である請求項１から７までのいずれか１項記載の電動機。