(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、
前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、
前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて閾値を設定する設定部と、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量及び前記設定部で設定した閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御する制御部と
を備えることを特徴とする電動機駆動トルク制御装置。
【請求項２】
交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、
前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、
前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて前記電気機器が負荷ありの状態で動作している負荷状態の時間に対する負荷なしの状態で動作している無負荷状態の時間の割合を判定する判定部と、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量及び所定の閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御し、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記判定部で判定した割合に応じて前記回転軸の回転数を上下すべく制御する制御部と
を備えることを特徴とする電動機駆動トルク制御装置。
【請求項３】
前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて前記電気機器が負荷ありの状態で動作している負荷状態の時間に対する負荷なしの状態で動作している無負荷状態の時間の割合を判定する判定部を備え、
前記制御部は、
前記設定部で閾値を設定した場合に、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させたときは、前記判定部で判定した割合に応じて前記回転軸の回転数を上下するようにしてあることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きいときは、前記回転軸の回転数を下げるように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きいときは、検出したトルク又は特徴量が前記閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げるように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より小さいときは、前記回転軸の回転数を上げるように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、所定の第１時間の間、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より小さいときは、所定の加速勾配で回転数を上げるように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項８】
前記減速機は、
前記電動機を基底回転数の回転数で動作させた場合、前記回転軸の回転数が１８ｒｐｍ以下となる減速比で減速するように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記設定部で閾値を設定した場合に、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させたときに、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きい場合、前記回転軸の回転数の制御を行うことなく、前記電動機を停止するように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項１０】
前記検出部は、
前記インバータから電動機へ出力する出力電流に応じてトルク又は特徴量を検出するように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項１１】
前記設定部は、
前記検出部で検出したトルク又は特徴量の最大値を閾値に設定するように構成してあることを特徴とする請求項１、３に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項１２】
前記設定部は、
前記検出部で検出したトルク又は特徴量の統計値に基づいて閾値を設定するように構成してあることを特徴とする請求項１、３に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項１３】
前記制御部は、
前記インバータで変換する周波数を変化させて前記回転軸の回転数を制御するように構成してあることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電動機駆動トルク制御装置。
【請求項１４】
交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置による電動機駆動トルク制御方法において、
前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出部で検出するステップと、
前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、検出されたトルク又は特徴量に基づいて閾値を設定するステップと、
前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出されたトルク又は特徴量及び設定された閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御するステップと
を含むことを特徴とする電動機駆動トルク制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源の周波数を変換するインバータと、インバータで駆動される電動機と、電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置及び電動機駆動トルク制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境汚染あるいは産業廃棄物の増加などの問題を解決するため、循環型社会の形成が益々重要になってきている。例えば、プラスチックに代表される合成樹脂を用いて成形品又は成形部品を製造する成形工場では、成形時に発生するスプルランナと称される不要部分あるいは成形不良品などを回収して樹脂素材の資源再利用率を向上させることが行われている。
【０００３】
樹脂素材のリサイクルには、回収したスプルランナを粉砕機で所定の大きさの粉砕材にしてリサイクル原資としている。このような粉砕機は、投入ホッパから投入されたスプルランナ（被処理物）を粉砕刃に食い込み易くするため、一例として、まず粗砕刃で粗砕し、粗砕された材料を粉砕刃で所定の粒形状の粉砕材に粉砕している。粗砕刃及び粉砕刃などの回転刃を１つの回転軸に固定した１軸式の粉砕機は、回転軸を駆動する駆動部品が少なく構造もシンプルであるため、工場内リサイクルを目指す多くの事業所で利用されている。
【０００４】
このような粉砕機では、投入される被処理物が多種多用であり、被処理物によっては、異なる大きさの粉砕片に粉砕したい場合がある。そこで、粉砕機の駆動モータの電流を検出し、検出した電流の大小に応じてインバータの周波数を変更し、駆動モータの回転数を変更することにより、所望の大きさの粉砕片に粉砕することができる粉砕機が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−７０７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の粉砕機では、投入される被処理物の量も一定とは限らないため、負荷状態が大きく変動する場合がある。このため、粉砕機の駆動モータ、回転刃、回転軸などの駆動系は、最大トルクにかなりの余裕を含んで設計されている。また、粉砕機は、負荷変動を見込んで最大のトルクが常に得られるように定トルク特性で運転されるが、粉砕機の通常の運転では、最大トルク付近で運転されることは極めて少なく常に余裕を有して動作する設計になっている。このため、大容量（大定格）の駆動モータを低い負荷率で運転することになり、十分な省エネ運転になっていないという課題がある。また、このような多品種の負荷を扱う装置は、粉砕機に限らず産業機械に用いられる電気機器にも当てはまり、このような電気機器でも直面する課題である。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、負荷特性に応じたトルク特性を実現することができる負荷状態に合わせた電機機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置及び電動機駆動トルク制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて閾値を設定する設定部と、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量及び前記設定部で設定した閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
第２発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置において、前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出する検出部と、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて前記電気機器が負荷ありの状態で動作している負荷状態の時間に対する負荷なしの状態で動作している無負荷状態の時間の割合を判定する判定部と、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量及び所定の閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御し、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記判定部で判定した割合に応じて前記回転軸の回転数を上下すべく制御する制御部とを備えることを特徴とする。
第３発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明において、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて前記電気機器が負荷ありの状態で動作している負荷状態の時間に対する負荷なしの状態で動作している無負荷状態の時間の割合を判定する判定部を備え、前記制御部は、前記設定部で閾値を設定した場合に、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させたときは、前記判定部で判定した割合に応じて前記回転軸の回転数を上下するようにしてあることを特徴とする。
【０００９】
第４発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第３発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きいときは、前記回転軸の回転数を下げるように構成してあることを特徴とする。
【００１０】
第５発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第４発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きいときは、検出したトルク又は特徴量が前記閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げるように構成してあることを特徴とする。
【００１１】
第６発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第５発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より小さいときは、前記回転軸の回転数を上げるように構成してあることを特徴とする。
【００１２】
第７発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第６発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、所定の第１時間の間、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より小さいときは、所定の加速勾配で回転数を上げるように構成してあることを特徴とする。
【００１３】
第８発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第６発明までのいずれか１つにおいて、前記減速機は、前記電動機を基底回転数の回転数で動作させた場合、前記回転軸の回転数が１８ｒｐｍ以下となる減速比で減速するように構成してあることを特徴とする。
【００１４】
第９発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第８発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記設定部で閾値を設定した場合に、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させたときに、前記検出部で検出したトルク又は特徴量が前記閾値より大きい場合、前記回転軸の回転数の制御を行うことなく、前記電動機を停止するように構成してあることを特徴とする。
【００１５】
第１０発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第９発明までのいずれか１つにおいて、前記検出部は、前記インバータから電動機へ出力する出力電流に応じてトルク又は特徴量を検出するように構成してあることを特徴とする。
【００１７】
第１１発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明又は第３発明において、前記設定部は、前記検出部で検出したトルク又は特徴量の最大値を閾値に設定するように構成してあることを特徴とする。
【００１８】
第１２発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明又は第３発明において、前記設定部は、前記検出部で検出したトルク又は特徴量の統計値に基づいて閾値を設定するように構成してあることを特徴とする。
【００２０】
第１３発明に係る電動機駆動トルク制御装置は、第１発明から第１２発明までのいずれか１つにおいて、前記制御部は、前記インバータで変換する周波数を変化させて前記回転軸の回転数を制御するように構成してあることを特徴とする。
【００２１】
第１４発明に係る電動機駆動トルク制御方法は、交流電源の周波数を変換するインバータと、該インバータで駆動される電動機と、該電動機の回転数を減速する減速機と、該減速機で減速された回転数で回転する回転軸に取り付けられた回転体を有する電気機器とを備え、負荷状態に合わせた該電気機器の回転数制御を用いた電動機駆動トルク制御装置による電動機駆動トルク制御方法において、前記電動機のトルク又は該トルクに関連する特徴量を検出部で検出するステップと、前記電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、検出されたトルク又は特徴量に基づいて閾値を設定するステップと、前記電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出されたトルク又は特徴量及び設定された閾値の大小に応じて前記回転軸の回転数を制御するステップとを含むことを特徴とする。
【００２２】
第１発明及び第１４発明にあっては、電動機のトルク又はトルクに関連する特徴量を検出するトルク検出部と、電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出部で検出したトルク又は特徴量及び所定の閾値の大小に応じて、減速機で減速された回転数で回転する粉砕機の回転軸の回転数を制御する制御部とを備える。トルクに関連する特徴量は、例えば、電動機（モータ）のトルク電流又は電動機の負荷電流などである。特徴量として、電動機のトルク電流又は電動機の負荷電流を検出する場合には、検出したトルク電流又は負荷電流をトルクに変換すればよい。基底回転数は、インバータから電動機へ出力する基底周波数（例えば、５０Ｈｚ、６０Ｈｚなど）と、電動機の極数とによって決定される同期回転数である。インバータで制御される電動機の出力特性は、基底回転数以下の回転数では定トルク特性を有し、基底回転数以上の回転数では定出力特性を有する。制御部は、電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合、すなわち、定出力領域で動作させた場合、検出したトルク又は特徴量及び所定の閾値（例えば、トルク閾値、トルク電流閾値、負荷電流閾値など）の大小に応じて回転軸の回転数を制御する。例えば、検出したトルク又は特徴量が閾値より小さい場合、軽負荷であるので回転数を上げてトルク又は特徴量を減らし粉砕処理能力を高める。また、検出したトルク又は特徴量が閾値より大きい場合、重負荷であるので回転数を下げることによりトルク又は特徴量を増やし過負荷停止を防止する。これにより、負荷特性に応じたトルク特性を実現し、かつ最大の処理能力を得ることができ、負荷変動に応じてトルク又は特徴量を変更することができるので、予め大容量（大定格）の電動機を設ける必要がなく、また大容量の電動機を低い負荷率で動作させる必要もないので、低価格で低容量の電動機を用いることができるとともに省エネを図ることができる。
また、電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク領域で動作させた場合に、所定の第２時間（所定時間）の間にトルク検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて閾値を設定する。所定の第２時間は、例えば、１分、２分、５分など適宜設定することができる。所定の第２時間に亘ってトルク又は特徴量を検出することにより、負荷の変動特性を把握することができる。制御部は、トルク検出部で検出したトルク又は特徴量及び設定した閾値の大小に応じて回転軸の回転数を制御する。負荷変動に応じた閾値を設定することができるので、負荷変動を予め予測して最適な回転数及びトルク又は特徴量で運転することができる。
また、第２発明及び第３発明にあっては、電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク領域で動作させた場合に、トルク検出部で検出したトルク又は特徴量に基づいて電動機の無負荷状態の割合を判定する。無負荷状態の割合は、負荷状態との対比により長短を判定することがきる。制御部は、判定された無負荷状態の割合に応じて回転軸の回転数を上下させる。例えば、定トルク領域において、インバータ周波数を６０Ｈｚ、回転軸の回転数を１１．２５ｒｐｍで動作させた場合に、負荷状態及び無負荷状態の時間がそれぞれＴ１、Ｔ２であるとき、インバータ周波数を６０Ｈｚから６０×{Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）}へ下げることにより、回転軸の回転数を１１．２５ｒｐｍから１１．２５×{Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）}へ下げる。これにより、定トルク領域でさらに回転数を下げることにより一層の省エネを図ることができる。なお、無負荷状態の時間Ｔ２は、回転体（例えば、回転刃）などで処理する被処理物の有無を判定するために必要な時間であるが、できるだけゼロに近い方がよい。
【００２３】
第４発明にあっては、制御部は、定出力範囲において、すなわち電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出部で検出したトルク又は特徴量が閾値より大きい場合、回転軸の回転数を下げる。例えば、負荷変動により検出したトルク又は特徴量が閾値を超えた場合、回転軸の回転数を下げることによりトルク又は特徴量を増加させる。これにより、重負荷になった場合でも、必要なトルク又は特徴量が得られ、負荷変動に対応させて過負荷停止を防止することができる。
【００２４】
第５発明にあっては、制御部は、定出力範囲においてすなわち電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出部で検出したトルク又は特徴量が閾値より大きい場合、検出したトルク又は特徴量が閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げる。所定の減速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ減少させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。
【００２５】
第６発明にあっては、制御部は、電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、検出部で検出したトルク又は特徴量が閾値より小さい場合、回転軸の回転数を上げる。例えば、負荷変動により検出したトルク又は特徴量が閾値を下回る場合、回転軸の回転数を上げることによりトルク又は特徴量を減少させる。これにより、軽負荷になった場合でも、必要なトルク又は特徴量を維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。
【００２６】
第７発明にあっては、制御部は、電動機を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、所定の第１時間の間、検出部で検出したトルク又は特徴量が閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げる。所定の第１時間は、例えば、１０分、５分など予め設定しておくことができる。また、所定の加速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ増加させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。
【００２７】
第８発明にあっては、減速機は、電動機を基底回転数の回転数で動作させた場合、回転軸の回転数が１８ｒｐｍ以下となる減速比で減速する。これにより、電動機の定トルク領域の範囲を従来のものより狭くし、定出力領域の範囲を広くすることができ、負荷変動に対応して広い範囲で回転数及びトルクの調整を行うことができるので、より大きな負荷変動に対応することができる。
【００２８】
第９発明にあっては、制御部は、電動機を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク範囲で電動機を動作させた場合に、検出部で検出したトルク又は特徴量が閾値より大きい場合、回転数制御を行うことなく電動機を停止させる。定トルク範囲のトルク値は、定出力範囲の閾値よりも大きい値となるので、このような大きな閾値を超えるようなトルク又は特徴量が発生した場合には、回転体などに予期せぬ金属片などが混入したと判断して電動機を停止させることにより、電気機器の破損を防止することができ、電気機器の保護を図ることができる。
【００２９】
第１０発明にあっては、トルク検出部は、インバータから電動機へ出力する出力電流に応じてトルク又は特徴量を検出する。インバータの出力電流は、電動機のトルクに応じたトルク電流（有効電流）成分とトルクに寄与しない無効電流成分との合計であるので、出力電流から無効電流成分を減算したトルク電流に基づいてトルク又は特徴量を求めることができる。
【００３１】
第１１発明にあっては、設定部は、トルク検出部で検出したトルク又は特徴量の最大値を閾値に設定する。これにより、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００３２】
第１２発明にあっては、設定部は、第２時間の間にトルク検出部で検出したトルク又は特徴量の統計値に基づいて閾値を設定する。統計値は、平均値でもよく、あるいは極大値の平均値でもよい。これにより、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００３４】
第１３発明にあっては、制御部は、インバータで変換する周波数を変化させて回転軸の回転数を制御する。これにより、周波数可変の汎用のインバータを用いることができる。
【発明の効果】
【００３５】
第１発明及び第１４発明によれば、負荷特性に応じたトルク特性を実現することができ、負荷変動に応じてトルク又は特徴量を変更することができるので、予め大容量（大定格）の電動機を設ける必要がなく、また大容量の電動機を低い負荷率で動作させる必要もないので、低価格で低容量の電動機を用いることができるとともに省エネを図ることができる。
【００３６】
第２発明によれば、重負荷になった場合でも、必要なトルクが得られ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。
【００３７】
第３発明によれば、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。
【００３８】
第４発明によれば、軽負荷になった場合でも、必要なトルクを維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。
【００３９】
第５発明によれば、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。
【００４０】
第６発明によれば、電動機の定トルク領域の範囲を従来のものより狭くし、定トルク領域の範囲を広くすることができ、負荷変動に対応して広い範囲で回転数及びトルクの調整を行うことができるので、より大きな負荷変動に対応することができる。
【００４１】
第７発明によれば、電気機器の保護を図ることができる。
【００４２】
第８発明によれば、出力電流から無効電流成分を減算したトルク電流に基づいてトルクを求めることができる。
【００４３】
第９発明によれば、負荷変動に応じたトルク閾値を設定することができるので、負荷変動を予め予測して最適な回転数及びトルクで運転することができる。
【００４４】
第１０発明によれば、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００４５】
第１１発明によれば、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００４６】
第１２発明によれば、定トルク領域でさらに回転数を下げることにより一層の省エネを図ることができる。
【００４７】
第１３発明によれば、周波数可変の汎用のインバータを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施の形態に係る電動機駆動トルク制御装置を構成する粉砕機の設置例の概要を示す外観斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る粉砕機本体の一例を示す要部平面図である。
【図３】本実施の形態の粉砕機の回路構成の一例を示すブロック図である。
【図４】インバータの出力電流波形の一例を示すタイムチャートである。
【図５】従来の粉砕機の回転軸の回転数とインバータの周波数との関係を示す説明図ある。
【図６】従来のインバータ制御されたモータの出力特性の一例を示す説明図である。
【図７】本実施の形態の粉砕機のモータの出力特性の一例を示す説明図である。
【図８】本実施の形態の粉砕機のトルク閾値の一例を示す説明図である。
【図９】電動機の負荷率と力率との関係を示す説明図である。
【図１０】本実施の形態の粉砕機の動作時の特性の一例を示す説明図である。
【図１１】本実施の形態の粉砕機の動作手順を示すフローチャートである。
【図１２】無負荷状態の割合を判定する一例を示す説明図である。
【図１３】本実施の形態の粉砕機の無負荷状態での動作手順を示すフローチャートである。
【図１４】実施の形態２の粉砕機の回路構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】実施の形態３の粉砕機本体の一例を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
（実施の形態１）
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る電動機駆動トルク制御装置を構成する粉砕機１００の設置例の概要を示す外観斜視図である。以下では、電動機駆動トルク制御装置として粉砕機１００を例として説明する。粉砕機１００は、筐体を備える粉砕機本体５０、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなどの商用電源から供給される交流電源の周波数を変換し、変換した周波数の交流電圧を出力するインバータ４０、インバータ４０が出力する交流電圧により駆動されるモータ（電動機）２０、モータ２０のモータ軸の回転数を減速する減速機３０、粉砕機１００の動作を制御する制御部７０などを備える。粉砕機１００は、筐体内に横置きされた回転軸を有し、回転軸は、減速機３０で減速された回転数で回転する。粉砕機１００は、筐体内の回転軸に取り付けられた回転刃と筐体内に配置された固定刃との協働により被処理物を粉砕する。
【００５０】
粉砕機本体５０は、上側と下側が開口した筐体を備える。粉砕機本体５０は、中央部が開口した金属製の支持台１にボルト等で固定されている。支持台１の下側には、粉砕機本体５０の下部に取り付けられた材料受部が配置されている。
【００５１】
粉砕機本体５０の上方には、略Ｓ字状の投入ホッパ６０を設けている。投入ホッパ６０の下側縁部には、開閉用の軸（不図示）を設けてあり、軸回りに約９０度投入ホッパ６０を回転させることにより、粉砕機５０の上方を開放することができる。投入ホッパ６０の内部は開放され、投入口６１から投入された被処理物（スプルランナ）は粉砕機本体５０へ供給される。
【００５２】
図２は本実施の形態に係る粉砕機本体５０の一例を示す要部平面図である。図２に示すように、支持台１の上面には、適長離隔した１対の金属製の固定側壁２、２を対設してあり、固定側壁２、２の両側部には、１対の金属製の揺動側壁３、３が固定側壁２、２で挟まれるように配置してあり、固定側壁２、２、及び揺動側壁３、３により筐体を構成している。そして、粉砕機本体５０の筐体は、上側及び下側が開口している。
【００５３】
一方の固定側壁２の略中央部には、軸受１０が取り付けられてあり、他方の固定側壁２には、モータ２０、減速機３０を取り付けてある。なお、図２においてインバータ４０、制御部７０は省略している。減速機３０は、ピニオン及びホイール（ギア）などを備え、モータ２０のモータ軸の回転数を減速し、減速した回転数で粉砕機本体５０の回転軸（不図示）を回転させる。回転軸は、固定側壁２、２の間に横置きに配置されている。これにより、モータ２０のモータ軸に連動して粉砕機本体５０の回転軸が回転する。
【００５４】
固定側壁２、２、及び揺動側壁３、３で囲まれる空間には、回転軸に嵌装された回転刃としての粗砕刃４、４、及び粉砕刃６、６、６が収容される。粗砕刃４、４は、回転軸の周面から円弧状に突出している。すなわち、粗砕刃４、４は、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなし回転軸の軸方向に適長離隔して配置されている。粉砕刃６、６、６は、固定側壁２と粗砕刃４との間、及び粗砕刃４、４の間に配置され、回転軸方向に所定の間隔で環状溝が形成され、隣接する環状溝間の環状突起部の外周面を鋸歯状に形成している。
【００５５】
揺動側壁３、３は、回転軸に平行な揺動軸（不図示）の回りに揺動可能であり、揺動側壁３、３を開くことにより、筐体内部が上向きに開放される。一方の揺動側壁３の内側には、各粗砕刃４、及び各粉砕刃６との協働により被処理物（スプルランナ）を粉砕するための矩形の板状の第１固定刃７ａ、…、及び第２固定刃７ｂで構成される固定刃７が、内側に向かって下方向に傾斜するように固定されている。
【００５６】
第１固定刃７ａは、長手方向の寸法が粉砕刃６の軸方向の寸法と略同一であり、長辺側の一方の縁部は、粉砕刃６の刃先と噛み合うように凹凸状に形成された歯部を有し、ボルト９、…で揺動側壁３の内側に固定されている。また、第１固定刃７ａの短辺側であって粗砕刃４と近接する縁部には、粗砕刃４との協働により被処理物を粉砕する歯部を形成している。
【００５７】
第２固定刃７ｂは、長手方向の寸法が揺動側壁３の軸方向の寸法と略同一であり、長辺側の一方の縁部であって、粗砕刃４と近接する箇所には、粗砕刃４との協働により被処理物を粉砕する歯部を形成している。第２固定刃７ｂは、ボルト（不図示）により第１固定刃７ａ、…の長辺側の他方の縁部に当接するように揺動側壁３の内側に固定されている。
【００５８】
揺動側壁３の内側であって固定刃７の下側には、粗砕刃４、４で粗砕され、所定の大きさに粉砕されていない被処理物が排出されることを防止するため、粗砕刃カバー（不図示）が設けられている。粗砕刃カバーは、粗砕刃４、４の回転軌道を覆うように内側に円弧状の溝加工が施されている。
【００５９】
他方の揺動側壁３の内側には、粉砕刃６、６、６で所定の大きさ（粒形状）に粉砕された粉砕材を掻き落とし、筐体の下側の材料受部へ排出するための略矩形の板状のスクレーパ５が、ボルト８、８、８により内側に向かって下方向に傾斜するように固定されている。
【００６０】
スクレーパ５は、粗砕刃４、４が回転する部分に矩形状の切り込みを形成してあり、長辺側の一方の縁部であって、粉砕刃６、６、６と近接する箇所には、粉砕刃６の刃先と噛み合うように凹凸状に形成された掻き落とし部を形成している。
【００６１】
揺動側壁３の内側であってスクレーパ５の下側には、粗砕刃４、４で粗砕され、未だ所定の大きさに粉砕されていない被処理物が排出されることを防止するため、粗砕刃カバーが設けられている。粗砕刃カバーは、粗砕刃４、４の回転軌道を覆うように内側に円弧状の溝加工が施されている。両方の揺動側壁３、３を閉じた場合、各粗砕刃カバーは、一端部でお互いに当接して、粗砕刃４、４の回転軌道を覆う空間を形成し、未粉砕の被処理物が排出されることを防止する。
【００６２】
各固定側壁２、及び各揺動側壁３で構成される筐体の４隅には、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定するため一面がテーパ状のロック部材１３、…が取り付けられるようになっており、テーパ状の一面で固定側壁２、揺動側壁３の端部を挟み込み、ロック部材１３に螺合したレバー１２を締め付けることにより、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定する。各揺動側壁３は、揺動側壁３に固定されたハンドル１４を持って開閉することができる。
【００６３】
被処理物を粉砕する場合、レバー１２を締め付けることにより、揺動側壁３、３を固定側壁２、２に固定する。筐体の上部に配置された投入ホッパ６０に被処理物を投入し、インバータ４０の電源をオンにすると、回転軸が所定の回転数で回転し、粗砕刃４、粉砕刃６が回転する。回転方向は、粗砕刃４、及び粉砕刃６が上側から下側に向かって固定刃７と噛み合うとともに、下側から上側に向かってスクレーパ５と噛み合う方向である。
【００６４】
これにより、被処理物は、まず粗砕刃４と固定刃７との協働により粗砕され、粉砕刃６に食い込み易い大きさに細断される。粗砕された被処理物は、粉砕刃６と第１固定刃７ａとの協働により所定の大きさの粉砕材に粉砕され、粉砕刃６の回転に伴って筐体の下側に送られ、材料受部に排出される。また、所定の大きさに粉砕された粉砕材のうち、静電気で粉砕刃６の側面に付着したものは、粉砕刃６とスクレーパ５との協働によりスクレーパ５の下面で掻き落とされ、材料受部に排出される。
【００６５】
粗砕刃４により粗砕された被処理物の一部は、粗砕刃４の回転により固定刃７の下側に送られるが、粗砕刃カバーで受け止められ、再び各粉砕刃６の上側に送られるとともに、材料受部に誤って排出されることを防止する。
【００６６】
図３は本実施の形態の粉砕機１００の回路構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、インバータ４０は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を所要の周波数に変換し、変換した出力電圧をモータ２０へ供給する。モータ２０は、例えば、誘導電動機であり、インバータ４０から供給された交流電圧に応じて駆動される。モータ２０のモータ軸の回転数は減速機３０で減速され、粉砕機本体５０の回転軸は減速機３０により減速された回転数で回転する。なお、以下の説明では、トルク又はトルク閾値それぞれをトルクに関連する特徴量及び特徴量閾値と読み替えることができる。トルクに関連する特徴量は、例えば、モータのトルク電流又はモータの負荷電流などである。特徴量として、モータのトルク電流又はモータの負荷電流を検出する場合には、検出したトルク電流又は負荷電流をトルクに変換すればよい。
【００６７】
インバータ４０は、モータ２０のトルクを検出するトルク検出部４１を備える。トルク検出部４１は、例えば、インバータ４０がモータ２０へ出力する出力電流によりモータ２０のトルクを検出する。より具体的には、インバータ４０の出力電流は、モータ２０のトルクに応じたトルク電流（有効電流）成分とトルクに寄与しない無効電流成分との合計であるので、出力電流から無効電流成分を減算したトルク電流に基づいてトルクを求めることができる。トルク検出部４１は、検出したトルクを制御部７０へ出力する。
【００６８】
図４はインバータ４０の出力電流波形の一例を示すタイムチャートである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は出力電流を示す。インバータ４の出力電流は、粉砕機本体５０が被処理物を粉砕していない無負荷の状態での無効電流と、被処理物を粉砕している負荷状態のトルク電流（有効電流）との合計で表すことができる。図４の例では、トルク電流が時間の経過とともに変動しており、被処理物が粉砕される過程で生じるトルクが変動している様子がわかる。なお、出力電流の波形は一例であって、図４の例に限定されるものではない。
【００６９】
インバータ４０を使用する場合、インバータの出力周波数とモータ軸の回転数との関係は、Ｖｆ＝１２０×ｆ／Ｐで表すことができる。ここで、Ｖｆはモータ軸の回転数で、Ｐは極数で、ｆはインバータの出力周波数である。例えば、モータ２０が４極であり、インバータ４０の出力周波数ｆが１００Ｈｚの場合、モータ軸の回転数Ｖｆは３０００ｒｐｍとなる。
【００７０】
減速機３０の減速比は、例えば、１／１６０であり、従来の減速機の減速比よりも大きくしている。
【００７１】
制御部７０は、インバータ４０が出力する交流電源の周波数を制御することにより、粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する回転数制御部７１、トルク閾値を設定するトルク閾値設定部７２、モータ２０が負荷ありの状態で動作しているか無負荷の状態で動作しているかを判定することにより無負荷状態の割合を判定する負荷無負荷判定部７３、タイマを備え、所定の第１時間、第２時間などを計時する計時部７４、所定の情報を記憶する記憶部７５などを備える。なお、トルク閾値は、一定の幅で示される電気機器の回転体の慣性を含めた最大瞬間出力可能トルクと連続出力可能トルクの間で設定することができる。
【００７２】
回転数制御部７１は、トルク検出部４１で検出したトルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて、インバータ４０の周波数を制御して粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する制御部の機能を有する。また、回転数制御部７１は、トルク検出部４１で検出したトルクに基づいて、あるいは自身の周波数の指令でモータ２０が定トルク特性で動作しているか定出力特性で動作しているかを予測することができる。
【００７３】
回転数制御部７１は、例えば、モータ２０を基底回転数以上の回転数で動作させた場合に、トルク検出部４１で検出したトルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて、粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する。インバータ４０で制御されるモータ２０の出力特性は、基底回転数以下の回転数では定トルク特性を有し、基底回転数以上の回転数では定出力特性を有する。回転数制御部７１は、モータ２０を基底回転数以上の回転数で動作させた場合、すなわち、定出力領域で動作させた場合、検出したトルク及び所定のトルク閾値の大小に応じて粉砕機本体５０の回転軸の回転数を制御する。
【００７４】
例えば、検出したトルクが閾値より小さい場合、軽負荷であるので回転数を上げてトルクを減らし粉砕処理能力を高める。また、検出したトルクが閾値より大きい場合、重負荷であるので回転数を下げることによりトルクを増やし過負荷停止を防止する。これにより、負荷特性に応じたトルク特性を実現し、かつ最大の処理能力を得ることができ、負荷変動に応じてトルクを変更することができるので、予め大容量（大定格）のモータを設ける必要がなく、また大容量のモータを低い負荷率で動作させる必要もないので、低価格で低容量のモータを用いることができるとともに省エネを図ることができる。
【００７５】
図５は従来の粉砕機の回転軸の回転数とインバータの周波数との関係を示す説明図であり、図６は従来のインバータ制御されたモータの出力特性の一例を示す説明図である。図５に示すように、従来、減速機の減速比は、１／８０程度のものが用いられていた。インバータの出力電圧の基底周波数を５０Ｈｚとした場合、４極のモータの回転数（基底回転数）は１５００ｒｐｍとなり、減速比１／８０で減速された粉砕機の回転軸の回転数は、１８．７５ｒｐｍである。また、インバータの出力電圧の基底周波数を６０Ｈｚとした場合、４極のモータの回転数（基底回転数）は１８００ｒｐｍとなり、減速比１／８０で減速された粉砕機の回転軸の回転数は、２２．５ｒｐｍである。
【００７６】
図６において、横軸はインバータの周波数と粉砕機の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータの出力トルクを示す。図６に示すように、インバータの周波数を６０Ｈｚ（基底周波数）とした場合に基底回転数が１８００ｒｐｍに対応する粉砕機の回転軸の回転数である２２．５ｒｐｍを境にしてモータの出力特性が変わる。基底回転数（回転軸の回転数２２．５ｒｐｍに相当）以下では、定トルク特性となり、基底回転数以上では定出力特性となる。従来の粉砕機にあっては、粉砕処理能力を高めるために回転軸の回転数をある程度以上維持しつつ、多種多様な負荷による負荷変動に対応するため、十分な大きさのトルクが得られるように減速機の減速比を１／８０程度のものとしていた。減速比を仮にさらに大きくした場合には、モータの基底回転数に対応する粉砕機の回転軸の回転数が小さくなり、定トルク特性が得られる周波数範囲が狭くなるとともに、回転軸の回転数を上げたときには、定出力特性となって十分なトルクが得られないという事態になるからである。
【００７７】
図７は本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０の出力特性の一例を示す説明図である。図７において、横軸はインバータ４０の周波数と粉砕機１００の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータ２０の出力トルクを示す。図７中、実線は本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０の出力特性を示し、破線は図６で例示した従来の粉砕機のモータの出力特性を示す。
【００７８】
図７中の破線で示すように、従来の粉砕機のモータは、粉砕機の回転軸の回転数が２２．５ｒｐｍ以下では定トルク特性であり、２２．５ｒｐｍ以上では定出力特性となり、トルクは回転数の増加に伴って減少する。従来の粉砕機は、負荷変動を見込んで最大のトルクが常に得られるように定トルク特性で運転されるが、粉砕機の通常の運転では、最大トルク付近で運転されることは極めて少なく常に余裕を有して動作する設計になっている。このため、大容量（例えば、０．７５ｋＷ）のモータを低い負荷率で運転することになり、十分な省エネ運転になっていない。
【００７９】
一方、図７中の実線で示すように、本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０は、減速機３０の減速比が、従来の１／８０より大きい１／１６０であるので、インバータ４０の基底周波数６０Ｈｚでモータ２０のモータ軸が１８００ｒｐｍの基底回転数で回転した場合、粉砕機１００の回転軸の回転数は１１．２５ｒｐｍとなる。すなわち、本実施の形態の粉砕機１００のモータ２０は、粉砕機１００の回転軸の回転数が１１．２５ｒｐｍ以下では定トルク特性であり、従来の粉砕機と同じトルクを出力することができ、回転数が１１．２５ｒｐｍ以上では定出力特性となり、トルクは回転数の増加に伴って減少する。また、本実施の形態のモータ２０の容量（定格）は０．４ｋＷであり、従来の粉砕機で用いられたモータの容量よりも小さい。
【００８０】
図７中のＡで示す領域内のように重負荷で大きいトルクを必要とする場合、すなわち、トルク検出部４１で検出したトルクがトルク閾値より大きい場合、回転数制御部７１は、インバータ４０の周波数を小さくすることにより粉砕機本体５０の回転軸の回転数を下げる。例えば、負荷変動により検出したトルクがトルク閾値を超えた場合、回転軸の回転数を下げることによりトルクを増加させる。これにより、重負荷になった場合でも、必要なトルクが得られ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。
【００８１】
また、図７中のＢで示す領域内のように軽負荷で大きいトルクを必要としない場合、すなわち、トルク検出部４１で検出したトルクがトルク閾値より小さい場合、回転数制御部７１は、インバータ４０の周波数を大きくすることにより粉砕機本体５０の回転軸の回転数を上げる。例えば、負荷変動により検出したトルクがトルク閾値を下回る場合、回転軸の回転数を上げることによりトルクを減少させる。これにより、軽負荷になった場合でも、必要なトルクを維持しつつ回転数を増やすことができ、負荷変動に対応させて粉砕処理能力を高めることができる。また、本実施の形態では、インバータ４０として周波数可変の汎用のインバータを用いることができる。
【００８２】
回転数制御部７１は、トルク検出部４１で検出したトルクがトルク閾値より大きい場合、検出したトルクがトルク閾値以下になるまで、所定の減速勾配で回転数を下げる。所定の減速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ減少させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に下げることができる。なお、減速勾配は、上述の５Ｈｚに限定されるものではない。
【００８３】
回転数制御部７１は、所定の第１時間の間、トルク検出部４１で検出したトルクがトルク閾値より小さい場合、所定の加速勾配で回転数を上げる。所定の第１時間は、例えば、１０分、５分など予め設定しておくことができる。また、所定の加速勾配は、例えば、１秒間でインバータの周波数を５Ｈｚだけ増加させたときの回転軸の回転数とすることができる。なお、回転数は、時間変化に対応して連続的に変化させてもよく、離散的（段階的）に変化させてもよい。これにより、回転軸の回転数を急激ではなく徐々に上げることができる。なお、加速勾配は、上述の５Ｈｚに限定されるものではない。
【００８４】
図７の破線で示すように、従来の粉砕機にあっては、減速機の減速比を、例えば、１／８０程度にすることにより、モータの基底回転数が１８００ｒｐｍ（インバータの基底周波数が６０Ｈｚ）では粉砕機の回転軸の回転数が２２．５ｒｐｍ程度まで定トルク特性が得られるようにしていた。また、モータの基底回転数が１５００ｒｐｍ（インバータの基底周波数が５０Ｈｚ）では粉砕機の回転軸の回転数が１８．７５ｒｐｍ程度まで定トルク特性が得られるようにしていた。
【００８５】
本実施の形態では、減速機３０の減速比を従来のものより大きくし（例えば、１／１６０など）、モータ２０を基底回転数の回転数で動作させた場合、粉砕機１００の回転軸の回転数が１８ｒｐｍ以下となるようにする。なお、図７の例では、インバータ４０の基底周波数が６０Ｈｚの場合、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、１１．２５ｒｐｍとなり、インバータ４０の基底周波数が５０Ｈｚの場合、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、９．３７５ｒｐｍとなり、いずれも１８ｒｐｍ以下である。これにより、モータ２０の定トルク領域の範囲を従来のものより狭くし、定出力領域の範囲を広くすることができ、負荷変動に対応して広い範囲で回転数及びトルクの調整を行うことができるので、より大きな負荷変動に対応することができる。なお、モータ２０の基底回転数での粉砕機１００の回転軸の回転数は、図７に例示する１１．２５ｒｐｍに限定されるものではなく、１８ｒｐｍ以下であれば、従来に比べて回転軸の回転数の広い範囲で定出力特性を活用することができる。
【００８６】
また、回転数制御部７１は、モータ２０を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク範囲でモータ２０を動作させた場合に、トルク検出部４１で検出したトルクがトルク閾値より大きい場合、回転数制御を行うことなくモータ２０を停止させる。定トルク範囲のトルク値は、定出力範囲のトルク閾値よりも大きい値となるので、このような大きなトルク閾値を超えるようなトルクが発生した場合には、回転体などに予期せぬ金属片などが混入したと判断してモータ２０を停止させることにより、電気機器の破損を防止することができ、電気機器の保護を図ることができる。
【００８７】
図８は本実施の形態の粉砕機１００のトルク閾値の一例を示す説明図である。図８において、横軸は粉砕機１００の回転軸の回転数を示し、縦軸はモータ２０の出力トルクを示す。図８中実線は、モータ２０の連続出力可能トルク特性を示し、いわゆる定格（１００％）でのトルク特性を表す。また、図８中一点鎖線は、短時間であれば出力可能な電気機器の回転体の慣性を含めた最大瞬間出力可能トルク特性を示し、例えば、定格の２００％程度の出力である。また、破線はトルク閾値を示し、例えば、定格の１２０％〜２００％程度の値を設定することができる。トルク閾値は、予め記憶部７５に記憶しておくことができる。
【００８８】
トルク閾値は、予め所定の値を定めておくこともできるが、粉砕機１００の動作時の負荷変動を検出し、負荷変動に応じたトルク閾値を動的に設定することにより負荷変動を予測して回転軸の回転数を制御することもできる。
【００８９】
例えば、トルク閾値設定部７２は、モータ２０を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク領域で動作させた場合に、所定の第２時間の間にトルク検出部４１で検出したトルクに基づいてトルク閾値を設定する。所定の第２時間は、例えば、１分、２分、５分など適宜設定することができる。所定の第２時間に亘ってトルクを検出することにより、負荷の変動特性を把握することができる。回転数制御部７１は、トルク検出部４１で検出したトルク及び設定したトルク閾値の大小に応じて粉砕機１００の回転軸の回転数を制御する。負荷変動に応じたトルク閾値を設定することができるので、負荷変動を予め予測して最適な回転数及びトルクで運転することができる。
【００９０】
例えば、トルク閾値設定部７２は、第２時間（例えば、１分、２分、５分など）の間にトルク検出部４１で検出したトルクの最大値をトルク閾値に設定する。例えば、トルク電流のピーク値に対応するトルク値をトルク閾値とすることができる。これにより、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００９１】
また、トルク閾値設定部７２は、第２時間（例えば、１分、２分、５分など）の間にトルク検出部４１で検出したトルクの統計値に基づいてトルク閾値を設定することもできる。統計値は、平均値でもよく、あるいは極大値の平均値でもよい。これにより、負荷に応じた最適かつ最大の回転数で運転することができる。
【００９２】
図９は電動機の負荷率と力率との関係を示す説明図である。従来のモータ及び本実施の形態のモータ２０は、図９に示す一般の電動機が有する特性と同様の特性を有する。すなわち、負荷率が小さいほど力率が小さくなり効率は低下する。図６及び図７で例示したように、従来のモータは、負荷変動に対応するため、大容量（例えば、０．７５ｋＷ）のモータを低い負荷率で運転することになり、力率が小さくなり効率が低下するため、十分な省エネ運転になっていない。本実施の形態のモータ２０は、小さい容量（例えば、０．４ｋＷ）にすることにより負荷率を上げて力率を大きくすることができるので、粉砕機１００をモータ２０の定トルク特性で運転する場合でも省エネを図ることができる。
【００９３】
図１０は本実施の形態の粉砕機１００の動作時の特性の一例を示す説明図である。図１０では、比較のため従来の粉砕機の場合を比較例として挙げている。本実施例も比較例も同一の負荷状態（同じ被処理物を同量粉砕した状態）で運転した場合を示す。本実施例では、インバータ４０の周波数は１２０Ｈｚ、モータ２０の定格は０．４ｋＷ、減速機３０の減速比は１／１６０で力率が０．４３、消費電力は９８．３Ｗであった。これに対し比較例では、インバータの周波数は６０Ｈｚ、モータの定格は０．７５ｋＷ、減速機の減速比は１／８０で力率が０．２３、消費電力は１５５．２Ｗであった。本実施例の方が比較例よりも３６．７％省エネであることがわかる。
【００９４】
次に、本実施の形態の粉砕機１００の動作について説明する。図１１は本実施の形態の粉砕機１００の動作手順を示すフローチャートである。インバータ４０の電源がオンされると、制御部７０は、インバータ４０の周波数を徐々に大きくすることにより、定トルク領域で粉砕機１００の回転軸の回転数を上げる（Ｓ１１）。すなわち、ステップＳ１１では、粉砕機１００の回転軸の回転数を徐々に上げることによりスロースタートを行う。
【００９５】
制御部７０は、定トルク領域を終了したか否かを判定する（Ｓ１２）。定トルク領域を終了したか否かは、粉砕機１００の回転軸の回転数がモータ２０の基底回転数に対応する回転数に達したか否かで判定することができる。
【００９６】
定トルク領域を終了していない場合（Ｓ１２でＮＯ）、制御部７０は、ステップＳ１１の処理を繰り返す。なお、定トルク領域において、所定の第２時間の間にトルク検出部４１で検出したトルクに基づいてトルク閾値を設定することもできる。
【００９７】
定トルク領域を終了した場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、制御部７０は、トルクを検出する（Ｓ１３）。制御部７０は、検出したトルクが閾値より小さいか否かを判定し（Ｓ１４）、トルクが閾値より小さい場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、回転数が最高回転数をより小さいか否かを判定する（Ｓ１５）。なお、最高回転数は、粉砕機などの電気機器が動作する際の回転軸の最大値であり、予め設定しておくことができる。
【００９８】
回転数が最高回転数よりも小さい場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、制御部７０は、トルクが閾値より小さい状態が一定時間続いたか否かを判定し（Ｓ１６）、一定時間続いた場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、回転軸の回転数を上げる（Ｓ１７）。なお、一定時間は、所定の第１時間であり、例えば、５分、１０分などの時間である。これにより粉砕機１００の回転軸の回転数を上げて粉砕処理能力（粉砕片の生産量）を高めることができる。なお、回転軸の回転数は、所定の加速勾配で上げることができる。
【００９９】
一方、回転数が最高回転数より小さくない場合（Ｓ１５でＮＯ）、あるいは、トルクが閾値より小さい状態が一定時間続いていない場合（Ｓ１６でＮＯ）、制御部７０は、ステップＳ１７の処理を行わずに、後述のステップＳ２１の処理を行う。
【０１００】
検出したトルクが閾値より小さくない場合（Ｓ１４でＮＯ）、制御部７０は、検出したトルクが閾値より大きいか否かを判定し（Ｓ１８）、トルクが閾値より大きくない場合（Ｓ１８でＮＯ）、すなわち、検出したトルクが閾値に等しい場合、制御部７０は、ステップＳ１３以降の処理を続ける。
【０１０１】
トルクが閾値より大きい場合（Ｓ１８でＹＥＳ）、制御部７０は、回転軸の回転数が基底回転数よりも大きいか否かを判定し（Ｓ１９）、回転数が基底回転数よりも大きい場合（Ｓ１９でＹＥＳ）、回転軸の回転数を下げ（Ｓ２０）、後述のステップＳ２１の処理を行う。なお、回転軸の回転数は、所定の減速勾配で下げることができる。回転数が基底回転数よりも大きくない場合（Ｓ１９でＮＯ）、制御部７０は、ステップＳ２０の処理を行わずに、後述のステップＳ２１の処理を行う。
【０１０２】
制御部７０は、インバータ４０の電源がオフされたか否かを判定し（Ｓ２１）、電源オフされていない場合（Ｓ２１でＮＯ）、ステップＳ１３以降の処理を行う。電源オフされた場合（Ｓ２１でＹＥＳ）、制御部７０は、処理を終了する。
【０１０３】
次に定トルク領域での省エネについて説明する。負荷無負荷判定部７３は、モータ２０を基底回転数以下の回転数で動作させた場合に、すなわち定トルク領域で動作させた場合、トルク検出部４１で検出したトルクに基づいてモータ２０の無負荷状態の割合を判定する判定部としての機能を有する。
【０１０４】
図１２は無負荷状態の割合を判定する一例を示す説明図である。無負荷状態の割合は、負荷状態との対比により長短を判定することがきる。図１２（ａ）に示すように、例えば、定トルク領域において、インバータ周波数を５０Ｈｚ、粉砕機１００の回転軸の回転数を９．３７５ｒｐｍで動作させた場合に、インバータ４０の出力電流波形から負荷状態及び無負荷状態の時間がそれぞれＴ１、Ｔ２であるとき、インバータ周波数を５０Ｈｚから５０×{Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）}へ下げることにより、回転軸の回転数を９．３７５ｒｐｍから９．３７５×{Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）}へ下げる。図１２（ｂ）は、回転数を下げた場合のインバータ４０の出力電流の様子を示す。これにより、定トルク領域でさらに回転数を下げることにより、無効電流が流れる時間を減らし、一層の省エネを図ることができる。定トルク領域では、粉砕機１００の回転軸の回転数が下がるに応じて消費電力（出力電力）が低下するからである。
【０１０５】
なお、無負荷状態の時間Ｔ２が負荷状態の時間Ｔ１に比べて短い場合には、回転軸の回転数を上げることにより、処理能力を上げることができる。また、無負荷状態の時間Ｔ２は、回転体（例えば、回転刃）などで処理する被処理物の有無を判定するために必要な時間であるが、できるだけゼロに近い方がよい。
【０１０６】
図１３は本実施の形態の粉砕機１００の無負荷状態での動作手順を示すフローチャートである。インバータ４０の電源がオンされると、制御部７０は、インバータ４０の周波数を徐々に大きくすることにより、定トルク領域で粉砕機１００の回転軸の回転数を上げる（Ｓ３１）。すなわち、ステップＳ３１では、粉砕機１００の回転軸の回転数を徐々に上げることによりスロースタートを行う。
【０１０７】
制御部７０は、定トルク領域を終了したか否かを判定する（Ｓ３２）。定トルク領域を終了したか否かは、粉砕機１００の回転軸の回転数がモータ２０の基底回転数に対応する回転数に達したか否かで判定することができる。
【０１０８】
定トルク領域を終了していない場合（Ｓ３２でＮＯ）、制御部７０は、ステップＳ３１の処理を繰り返す。定トルク領域を終了した場合（Ｓ３２でＹＥＳ）、制御部７０は、一定時間、無負荷状態の割合を監視する（Ｓ３３）。当該一定時間、すなわち無負荷状態の割合の監視に要する時間は適宜設定することができる。例えば、１分、２分などとすることができる。
【０１０９】
監視続行の場合（Ｓ３３で監視続行）、制御部７０は、ステップＳ３３の処理を続ける。監視終了の場合（Ｓ３３で監視終了）、制御部７０は、無負荷状態の割合を算出する（Ｓ３４）。制御部７０は、回転軸の回転数が基底回転数より小さいか否かを判定し（Ｓ３５）、回転数が基底回転数よりも小さい場合（Ｓ３５でＹＥＳ）、回転数が最低回転数より大きいか否かを判定する（Ｓ３６）。なお、最低回転数は、粉砕機などの電気機器が動作する際の回転軸の最低値であり、予め設定しておくことができる。
【０１１０】
回転数が最低回転数より大きい場合（Ｓ３６でＹＥＳ）、制御部７０は、回転軸の回転数を割合に応じた回転数にする（Ｓ３７）。なお、回転数の減速又は加速は、所定の減速勾配又は加速勾配を用いて徐々に減速することができる。
【０１１１】
回転軸の回転数が基底回転数より小さくない場合（Ｓ３５でＮＯ）、あるいは回転数が最低回転数より大きくない場合（Ｓ３６でＮＯ）、制御部７０は、ステップＳ３７の処理を行わずに後述のステップＳ３８の処理を行う。
【０１１２】
制御部７０は、インバータ４０の電源がオフされたか否かを判定し（Ｓ３８）、電源オフされていない場合（Ｓ３８でＮＯ）、ステップＳ３３以降の処理を行う。電源オフされた場合（Ｓ３８でＹＥＳ）、制御部７０は、処理を終了する。なお、無負荷状態でない場合には、図１１で例示した処理により、検出したトルクと閾値の大小に応じて粉砕機１００の回転軸の回転数を制御すればよい。
【０１１３】
（実施の形態２）
上述の実施の形態１では、モータ２０の駆動トルクを検出する構成であったが、駆動トルクに限定されるものではない。すなわち、モータ２０の駆動トルクに関連する特徴量として、駆動トルクＴｍに代えて、モータ２０のトルク電流Ｉｒ又はモータ２０の負荷電流Ｉなどを用いることもできる。
【０１１４】
図１４は実施の形態２の粉砕機１１０の回路構成の一例を示すブロック図である。図１４に示すように、図３に示す構成との相違点は、トルク検出部４１に代えて、検出部としての電流検出部２１を備える点である。
【０１１５】
電流検出部２１は、モータ２０のトルク電流Ｉｒを検出する構成でもよく、あるいはモータ２０の負荷電流を検出する構成でもよく、いずれもモータ２０の駆動トルクＴｍの代用特性としての特徴量を検出するものである。
【０１１６】
モータ２０の入力電圧と入力電流との位相角をθとすると、トルク電流Ｉｒ＝負荷電流Ｉ×ｃｏｓθの関係がある。ｃｏｓθは力率である。力率ｃｏｓθは、負荷状態に応じて、例えば、２０％〜８０％程度の値を用いることができる。
【０１１７】
また、駆動トルクＴｍとトルク電流Ｉｒとの関係は、例えば、Ｔｍ＝ｋ×Ｐｗ／Ｖｆ、Ｐｗ＝Ｖ×Ｉｒ×ηと関係付けることができる。ここで、ｋはモータ２０により決定される定数、Ｐｗは出力電力、Ｖｆはモータ２０の回転数、Ｖは入力電圧、ηは効率である。すなわち、モータ２０のトルク電流Ｉｒ又はモータ２０の負荷電流Ｉを検出することにより、モータ２０の駆動トルクＴｍを求めることができる。
【０１１８】
電流検出部２１で検出したモータ２０のトルク電流Ｉｒ、あるいはモータ２０の負荷電流Ｉを、前述の変換式に基づいて、モータ２０の駆動トルクＴｍに変換することができる。なお、駆動トルクＴｍへの変換処理は、制御部７０で行うことができる。これにより、実施の形態２においても実施の形態１と同様に各処理を行うことができる。
【０１１９】
（実施の形態３）
上述の実施の形態では、いわゆる１軸式の粉砕機を例に挙げて説明したが、粉砕機は１軸式に限定されるものではなく、複数の回転軸と、各回転軸に回転刃が設けられた粉砕機であってもよい。
【０１２０】
図１５は実施の形態３の粉砕機本体１５０の一例を示す要部断面図である。実施の形態１、２との相違点は、回転刃が固定された回転軸を２つ備える点である。図１５において、シャーシ１７０の内側に横向きに２つの回転軸１５１、１６１を平行に配設してある。なお、回転軸１５１、１６１それぞれに減速機、モータ（不図示）を備えてもよく、あるいは、１つのモータ及び減速機で２つの回転軸１５１、１６１を回転するようにしてもよい。なお、回転軸１５１、１６１は、図１５中の矢印で示す向きに同一速度で同期回転する。
【０１２１】
回転軸１５１には、複数枚の大径の回転刃１５３が、回転軸１５１の軸方向に沿って所定の離隔寸法を設けて並べて嵌着されている。隣り合う回転刃１５３の間には、小径のカラー１５２を固定してある。回転刃１５３の周囲には、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなした刃部１５４を突設してある。
【０１２２】
また、同様に、回転軸１６１には、複数枚の大径の回転刃１６３が、回転軸１６１の軸方向に沿って所定の離隔寸法を設けて並べて嵌着されている。隣り合う回転刃１６３の間には、小径のカラー１６２を固定してある。回転刃１６３の周囲には、回転方向に向かって先端部（刃先部）が湾曲したアーム状をなした刃部１６４を突設してある。
【０１２３】
シャーシ１７０の内壁には、案内壁１５６、１６６が設けられている。案内壁１５６の下側にはスクレーパ１５５を設けてある。スクレーパ１５５は、カラー１５２の外周と摺動可能に当接してあり、回転刃１５３の回転軌道に合わせて先端が櫛形状をなす。また、案内壁１６６の下側にはスクレーパ１６５を設けてある。スクレーパ１６５は、カラー１６２の外周と摺動可能に当接してあり、回転刃１６３の回転軌道に合わせて先端が櫛形状をなす。
【０１２４】
実施の形態３の粉砕機本体１５０は、図３又は図１４で示した場合と同様の構成により稼働させることができる。
【０１２５】
シャーシ１７０上方の開口部１７１から被粉砕物を投入した場合、回転中の回転刃１５３、１６３、刃部１５４、１６４により被粉砕物をシャーシ１７０の中央部に引き込むことができ、被粉砕物を刃部１５４、１６４により粉砕（切断）することができる。粉砕された粉砕片は、回転刃１５３、１６３の回転に伴ってシャーシ１７０の下方へ排出される。
【０１２６】
回転刃１５３、１６３の回転に伴って一緒に上方へ移動する粉砕片は、スクレーパ１５５、１６５により下方へ掻き落すことができる。
【０１２７】
上述のように、本実施の形態では、負荷特性に応じたトルク特性を実現することができ、負荷変動に応じてトルクを変更することができるので、予め大容量（大定格）の電動機を設ける必要がなく、また大容量の電動機を低い負荷率で動作させる必要もないので、低価格で低容量の電動機を用いることができるとともに省エネを図ることができる。
【０１２８】
また、無負荷状態の定トルク領域でさらに回転数を下げることにより一層の省エネを図ることができる。
【０１２９】
上述の実施の形態では、粉砕機について説明したが、上述の実施の形態は、粉砕機に限定されるものではなく、多品種の負荷を扱う装置であれば、粉砕機に限らず産業機械に用いられる電気機器にも適用することができる。すなわち、特許請求の範囲に記載の電動機駆動トルク制御装置における電気機器は、粉砕機に限定されるものではなく、他の電気機器も含む。このような電気機器としては、回転軸に回転体を備えるものであり、例えば、工作機械、圧延機、フォーミング加工機、鉄鋼機械、エレベータ、巻き上げクレーンなどである。
【符号の説明】
【０１３０】
２０  モータ（電動機）
２１  電流検出部（検出部）
３０  減速機
４０  インバータ
４１  トルク検出部（検出部）
５０  粉砕機本体
７０  制御部
７１  回転数制御部（制御部）
７２  トルク閾値設定部（設定部）
７３  負荷無負荷判定部（判定部）
７４  計時部
７５  記憶部
【図１】
0005552403.tif 000002
【図２】
0005552403.tif 000003
【図３】
0005552403.tif 000004
【図４】
0005552403.tif 000005
【図５】
0005552403.tif 000006
【図６】
0005552403.tif 000007
【図７】
0005552403.tif 000008
【図８】
0005552403.tif 000009
【図９】
0005552403.tif 000010
【図１０】
0005552403.tif 000011
【図１１】
0005552403.tif 000012
【図１２】
0005552403.tif 000013
【図１３】
0005552403.tif 000014
【図１４】
0005552403.tif 000015
【図１５】
0005552403.tif 000016