(57)【要約】【課題】モータ温度を正確に推定できるようにしたモータ過熱防止システム。【解決手段】  モータ４の電流Ｉに対する飽和温度、時定数をあらかじめ計測した数値または数式により構成されたパラメータ１１ａと、そのパラメータ１１ａを適用し電流Ｉを通じた時間に対する温度との関係を演算処理するプログラム１１ｂと、電流Ｉを所定のサンプリング周期によりサンプリングホールドし逐次更新するサンプリング手段８と、電流Ｉの値に応じて前記ＲＯＭ１１から読み出して確定するパラメータ確定手段９と、確定されたパラメータ１１ａとプログラム１１ｂと電流Ｉの値を用いて演算処理することによりモータ４の温度を推定するモータ温度推定手段１４と、モータ温度推定手段１４の推定したモータ４の温度が設定限度を超えたとき電流Ｉを遮断する電流遮断手段６と、過熱判定手段１５と、を備えた。【選択図】      図１
2006211798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ（４）の電流（Ｉ）に対する飽和温度（ｙｓ）、時定数（Ｔ），（Ｔｃ）をあらかじめ計測した数値または数式により構成されたパラメータ（１１ａ）と、
前記パラメータ（１１ａ）を適用し電流（Ｉ）を通じた時間（ｔ）に対する温度（ｙ）との関係を演算処理するプログラム（１１ｂ）と、
前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）およびプログラム（１１ｂ）を格納し前記電流（Ｉ）の値に応じて読み出し可能なＲＯＭ（１１）と、
前記演算処理およびインバータ制御に必要な処理を実行可能なＣＰＵ（１０）と、
前記ＲＯＭ（１１）と協働し前記ＣＰＵ（１０）に逐次入出力するデータを書き込み即読み出し自在にして演算処理を支援するＲＡＭ（１２）と、
前記電流（Ｉ）を検出する電流センサ（７）と、
前記電流（Ｉ）を所定のサンプリング周期によりサンプリングホールドし逐次更新するサンプリング手段（８）と、
前記サンプリング手段（８）により認識された電流（Ｉ）の値に応じて特定される前記パラメータ（１１ａ）を前記ＲＯＭ（１１）から読み出して確定するパラメータ確定手段（９）と、
確定された前記パラメータ（１１ａ）と前記プログラム（１１ｂ）と前記電流（Ｉ）の値を用いて演算処理することによりモータ（４）の温度（ｙ）を推定するモータ温度推定手段（１４）と、
前記モータ温度推定手段（１４）の推定したモータ（４）の温度（ｙ）が設定限度を超えたときに過熱の信号を発生する過熱判定手段（１５）と、
前記過熱判定手段（１５）から過熱の信号を受けて前記電流（Ｉ）を遮断する電流遮断手段（６）と、を備えたことを特徴とするモータ過熱防止システム（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ過熱防止システム（１００）を用いたモータ過熱防止方法であって、
稼動する前に温度変化の特性を計測し電流（Ｉ）に対するモータ（４）の飽和温度（ｙｓ）、時定数（Ｔ），（Ｔｃ）をパラメータ（１１ａ）として求めるステップ（Ｓ１）と、
前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）をＲＯＭ（１１）に記憶するステップ（Ｓ２）と、
検出された前記電流（Ｉ）の実効値を所定のサンプリング周期でサンプリングホールドし逐次更新されたサンプリング値をＲＡＭ（１２）に記憶するステップ（Ｓ３）と、
前記電流（Ｉ）の値に応じて前記ＲＯＭ（１１）から前記パラメータ（１１ａ）を読み出すステップ（Ｓ４）と、
前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）から飽和温度（ｙｓ）を確定するステップ（Ｓ５）と、
前記飽和温度（ｙｓ）と現在の温度（ｙ（ｔ））を比較するステップ（Ｓ６）と、
前記ＲＡＭ（１２）に記憶されたサンプリング値を用いて特定した前記パラメータ（１１ａ）を前記ＲＯＭ（１１）から読み出して加熱曲線の時定数（Ｔ）を確定するステップ（Ｓ７）と、
もし現在の温度（ｙ（ｔ））が低下傾向であるならクールダウンの時定数（Ｔｃ）を適用するステップ（Ｓ８）と、
確定された前記パラメータ（１１ａ）に含まれる加熱曲線または冷却曲線をトレースし前回のサンプリングで求められる仮定の温度（ｙ（ｔ））を加熱曲線上または冷却曲線上に正規化してクールスタートから（またはクールダウン）の所要時間（ｔ）を求めるようにＣＰＵ（１０）で演算処理するステップ（Ｓ９）と、
加熱曲線上または冷却曲線上で前記所要時間（ｔ）にサンプリング周期を加えてモータ（４）の現在の温度（ｙ（ｔ））を求めるようにＣＰＵ（１０）で演算処理するステップ（Ｓ１０）と、
前記推定されたモータ（４）の温度（ｙ（ｔ））が基準値を超えたとき過熱の信号を発生するステップ（Ｓ１１）と、
前記過熱の信号を受けて前記電流（Ｉ）を遮断するステップ（Ｓ１２）と、を備えたことを特徴とするモータ過熱防止方法。
【請求項３】
前記電流（Ｉ）の値ごとの飽和温度（ｙｓ）を直線式により近似計算することを特徴とする請求項２に記載のモータ過熱防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過負荷による過熱焼損からモータを保護するモータ過熱防止システムおよびその方法に関し、特に瞬間的な過負荷の累積により耐熱許容限度を超えて発生する過熱焼損を防ぐためのモータ過熱防止システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にモータは回転軸に既設された空冷ファンで電機子コイル等に送風する強制空冷方式であり、低速域では空冷ファンの回転数も低くなるため冷却能力が低下する。
また、モータの焼損を防ぐため熱動形サーマルリレーを使う通常のモータ過熱防止システムでは、電流値のみを制御要素として電流遮断の保護動作をするため、低速域でモータを冷却する能力が低下することによる温度上昇は想定外のため、そのことを検知できずに低速域でのモータ過熱が避けられない。
【０００３】
このため、汎用(標準)モータならば、低速域ではモータが過熱しないように負荷を制限せざるを得ないが、インバータモータであれば、低速域において負荷を軽減しなかった場合にも過熱焼損しないように電子サーマルによる熱保護が施してある。
この電子サーマルとは、インバータ内部のマイコンにより電流値と運転周波数から温度特性を演算することで、より適切に熱保護を行うようにした熱保護手段である。
【０００４】
また、モータに搭載されている電子サーマル保護機能によるモータの温度検出が、実際のモータの温度に対応するように、充分な正確さを得られるようにしたインバータ駆動電動機の熱保護装置として、ある段階で、電流信号と、そのときのインバータの出力周波数との演算により、モータの実負荷量を求め、その後の段階で実負荷量と定格負荷量の差分を求め、次の段階でこれらの大小関係を調べ、次の段階では実負荷量と定格負荷量の差分を、メモリのデータに加算し、次の段階ではこの差分を、メモリのデータから減算する。そして、次の段階でデータが判定基準値よりも大きくなったと判断されたとき、モータが過熱状態になったものとみなし、最終段階で過熱トリップ動作を行うようにしたインバータ駆動電動機の熱保護装置があった（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−９６８４号公報（段落０００６〜００１１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、装置の性質によっては、切削加工時等に発生する瞬間的なパルス負荷や起動停止時における急激な電流上昇も、見逃すことなく、温度上昇していることを認識して熱保護に反映させないと、過熱焼損を免れないものがあり、相当の配慮が必要である。
【０００６】
また、各モータ個別の熱容量を表す時定数を保護システムにおける制御パラメータとして確立させておくことが有効である。例えば、コールドスタート時のモータ熱保護時定数を８分と表示すれば、電源投入後１５０％負荷運転が８分続くとモータ過負荷異常になることを意味し、ホットスタート（１００％負荷連続運転後）時の１５０％を１分と対比して用いられることもある。さらに、各モータを配設した装置全体の個別の熱容量を表す時定数を保護システムにおける制御パラメータとして確立させておくことも有効である。
【０００７】
そこで、本発明は、これらの問題を解決するために創案されたものであり、
（１）モータ電流（以下、「電流」と略す）に対するモータ温度（以下、「温度」と略す）の飽和特性は、各モータまたはモータを含む装置に発生するジュール熱と熱容量および冷却能力で定められる温度変化の特性を固有の時定数により把握できるようにする。
なお、この時定数は本来、電流の変化に応じて変動する場合があるにも関わらず、従来の温度推定では、ある代表的な時定数を固定値のまま便宜的に代入することにより、温度を電流値から略算して推定する簡便な推定方法で済ませていた。
【０００８】
そして、その略算による推定温度と実際の温度が乖離するため、熱保護機能が適切に作動できず、不必要に過敏な保護により動作を阻害することがあった。逆に感度不足により必要な時に保護機能の動作が遅れて過熱焼損する事故もあった。
そこで、実際の装置に固有の特性に合わせたリアルタイムの温度を求め、その精度をより高めることが望まれていた。
本願発明は、「実態から乖離することのある時定数を固定値に定めず、電流値の大小に応じて柔軟に変化させる」ことを第１の課題とする。
（２）電流値ごとの飽和温度を、実際の装置の特性に忠実で高精度な温度の推定を可能とするような電子サーマル保護機能が望まれていた。
そこで、「モータ特性のみならず、実際にモータが組み込まれた装置において、実測した値をもとに決定する」ことを第２の課題とする。
（３）例えば切削加工時に発生するような瞬間的なパルス負荷や起動、停止時における急激な電流上昇も、モータの温度上昇に反映できる電子サーマル保護機能が望まれていた。
そこで、「サンプリング時間を短くし、その時間毎に加熱曲線を変化させる」ことを第３の課題とする。
（４）電流値ごとの飽和温度を便宜的な略算により、演算処理を簡潔に済ませてなお高精度を維持できる電子サーマル保護機能も望まれていた。
そこで、「直線式を表す近似的な一次方程式等により電流値ごとの飽和温度を便宜的に略算する」ことを第４の課題とする。
以上のような４つの課題の解決を可能にするモータ過熱防止システムおよびその方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために請求項１に係る発明は、モータ（４）の電流（Ｉ）に対する飽和温度（ｙｓ）、時定数（Ｔ），（Ｔｃ）をあらかじめ計測した数値または数式により構成されたパラメータ（１１ａ）と、前記パラメータ（１１ａ）を適用し電流（Ｉ）を通じた時間（ｔ）に対する温度（ｙ）との関係を演算処理するプログラム（１１ｂ）と、前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）およびプログラム（１１ｂ）を格納し前記電流（Ｉ）の値に応じて読み出し可能なＲＯＭ（１１）と、前記演算処理およびインバータ制御に必要な処理を実行可能なＣＰＵ（１０）と、前記ＲＯＭ（１１）と協働し前記ＣＰＵ（１０）に逐次入出力するデータを書き込み即読み出し自在にして演算処理を支援するＲＡＭ（１２）と、前記電流（Ｉ）を検出する電流センサ（７）と、前記電流（Ｉ）を所定のサンプリング周期によりサンプリングホールドし逐次更新するサンプリング手段（８）と、前記サンプリング手段（８）により認識された電流（Ｉ）の値に応じて特定される前記パラメータ（１１ａ）を前記ＲＯＭ（１１）から読み出して確定するパラメータ確定手段（９）と、確定された前記パラメータ（１１ａ）と前記プログラム（１１ｂ）と前記電流（Ｉ）の値を用いて演算処理することによりモータ（４）の温度（ｙ）を推定するモータ温度推定手段（１４）と、前記モータ温度推定手段（１４）の推定したモータ（４）の温度（ｙ）が設定限度を超えたときに過熱の信号を発生する過熱判定手段（１５）と、前記過熱判定手段（１５）から過熱の信号を受けて前記電流（Ｉ）を遮断する電流遮断手段（６）と、を備えたことを特徴とするモータ過熱防止システム（１００）である。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、演算処理して算出されたモータ（４）の温度（ｙ（ｔ））が基準値を超えたとき過熱状態と見なして電流（Ｉ）を遮断することにより、モータ（４）の過熱焼損を防止する。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のモータ過熱防止システム（１００）を用いたモータ過熱防止方法であって、稼動する前に温度変化の特性を計測し電流（Ｉ）に対するモータ（４）の飽和温度（ｙｓ）、時定数（Ｔ），（Ｔｃ）をパラメータ（１１ａ）として求めるステップ（Ｓ１）と、前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）をＲＯＭ（１１）に記憶するステップ（Ｓ２）と、検出された前記電流（Ｉ）の実効値を所定のサンプリング周期でサンプリングホールドし逐次更新されたサンプリング値をＲＡＭ（１２）に記憶するステップ（Ｓ３）と、前記電流（Ｉ）の値に応じて前記ＲＯＭ（１１）から前記パラメータ（１１ａ）を読み出すステップ（Ｓ４）と、前記電流（Ｉ）の値に対応付けた前記パラメータ（１１ａ）から飽和温度（ｙｓ）を確定するステップ（Ｓ５）と、前記飽和温度（ｙｓ）と現在の温度（ｙ（ｔ））を比較するステップ（Ｓ６）と、前記ＲＡＭ（１２）に記憶されたサンプリング値を用いて特定した前記パラメータ（１１ａ）を前記ＲＯＭ（１１）から読み出して加熱曲線の時定数（Ｔ）を確定するステップ（Ｓ７）と、もし現在の温度（ｙ（ｔ））が低下傾向であるならクールダウンの時定数（Ｔｃ）を適用するステップ（Ｓ８）と、確定された前記パラメータ（１１ａ）に含まれる加熱曲線または冷却曲線をトレースし前回のサンプリングで求められる仮定の温度（ｙ（ｔ））を加熱曲線上または冷却曲線上に正規化してクールスタートから（またはクールダウン）の所要時間（ｔ）を求めるようにＣＰＵ（１０）で演算処理するステップ（Ｓ９）と、加熱曲線上または冷却曲線上で前記所要時間（ｔ）にサンプリング周期を加えてモータ（４）の現在の温度（ｙ（ｔ））を求めるようにＣＰＵ（１０）で演算処理するステップ（Ｓ１０）と、前記推定されたモータ（４）の温度（ｙ（ｔ））が基準値を超えたとき過熱の信号を発生するステップ（Ｓ１１）と、前記過熱の信号を受けて前記電流（Ｉ）を遮断するステップ（Ｓ１２）と、を備えたことを特徴とするモータ過熱防止方法である。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明と同等の作用効果を得ることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記電流（Ｉ）の値ごとの飽和温度（ｙｓ）を直線式により近似計算することを特徴とする請求項２に記載のモータ過熱防止方法であり、これによれば、直線式により近似計算する演算処理は当然簡潔になるので動作が高速化し、過熱保護の応答性が良くなる。また、ＣＰＵ（１０），ＲＯＭ（１１）およびＲＡＭ（１２）を簡素かつ低価格なものに置き換えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）時定数を電流に応じて変化させることによって、本システムを適用する装置（以下、「装置」と略す）の特性にあった温度の推定が可能となり、その精度を高めることができる。
（２）電流値ごとの飽和温度ｙｓをモータ特性のみならず、実際に組み込まれた装置で実測した値に基づいて決定しているため、装置の特性にあった温度の推定が可能となり、その精度を高めることができる。
（３）サンプリング時間を、例えば、１０ｍｓｅｃと短くし、その時間毎に加熱曲線を変化させるため、例えば、切削加工時に発生するような瞬間的なパルス負荷や起動、停止時における急激な電流上昇も、モータの温度上昇に反映できる。
（４）直線式により近似計算することにより、演算処理が簡潔になるので動作が高速化し、過熱保護の応答性が良くなる。また、ＣＰＵ，ＲＯＭおよびＲＡＭを簡素かつ低価格なものに置き換えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に沿って詳細に説明する。
図１は、本発明に係るモータ過熱防止システムを切削加工機械のインバータ駆動ＤＣブラシレスモータ（以下、単に「モータ」ともいう）に適用した実施形態のブロック図である。図１に示すように、切削加工機械９９は制御回路９０により総合的な制御を受けながら、商用交流電源１を順変換部２によりＤＣ変換した後に、ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（可変電圧可変周波数））制御のインバータ３により、モータ４を適切な回転速度およびトルクで駆動することにより、切削加工のワーク（加工対象、作業内容）に対応するように構成されている。
【００１６】
インバータ３は、商用交流電源１から供給されている一定電圧で、一定周波数の交流電力を、周知のＶＶＶＦ制御部３ａおよび逆変換スイッチ部３ｂにより、可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して出力し、モータ４を耐熱許容限度内で可変速運転させる機能を有する。
【００１７】
例えば、モータ４の回転子と一体に回転する空冷ファン５が配設され運転に伴って送風することにより強制空冷している場合、前記説明のとおり空冷ファン５の冷却能力はモータ４の回転速度にほぼ比例した送風作用による。したがって、モータ４が空転も含めた軽負荷における高速回転時には余りある送風が得られる。しかし、逆に重負荷低速回転時には負荷トルクに電流Ｉが略比例し、その２乗（ジュール熱＝ＲＩ2）に比例した発熱量を相殺するほどの送風は得られないので、重負荷低速運転を継続して、耐熱許容限度を超えれば、モータ４は過熱焼損する危険性が高まる。
【００１８】
そこで、インバータ３の内部回路または入出力経路に電流遮断手段６を介在させ、耐熱許容限度を超えない範囲で適宜に電流Ｉを遮断することにより、モータ４の運転を停止して熱保護を図る。ここで、Ｒはモータ４の電機子巻線抵抗等を意味する。
なお、図１に示した空冷ファン５に対応したパラメータが必要であるが、モータ４の回転子に連動せず独立した強制空冷ファン（図示せず）を用いた場合は、モータ４の回転速度とは無関係に略一定の冷却能力が得られるので、その冷却特性に相当するパラメータを準備すればよい。つまり、冷却機能に係る付帯設備が異なれば、固有の冷却特性に相当する各別のパラメータを準備して適用すればよい。
【００１９】
電流Ｉの経路に配設された電流センサ７は、電流Ｉに比例した電圧を出力してサンプリング手段８に入力する。サンプリング手段８では、例えば、１０ｍｓｅｃのサンプリング周期毎に当該電圧値を逐次サンプリングホールドし、逐次更新する。以下、この電圧値を便宜上「電流Ｉ」または「サンプリング値」と呼ぶ。
【００２０】
このサンプリング値を逐次ＣＰＵ（演算処理部）１０に供給する。このようにしてＣＰＵ１０は、モータ４に流れている電流を監視し、過電流保護や短絡保護など、モータに必要な一般的な保護動作を行うほか、この実施形態では、さらに、パラメータ確定手段９、モータ温度推定手段１４および過熱判定手段１５を機能させるようにマイコンの中央で演算処理し、後記説明する熱保護動作が実行されるように構成されている。
【００２１】
このＣＰＵ１０は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１２と共に、インバータ制御および熱保護制御を含めた制御回路９０を構成し、リングカウンタ１３の授受する周波数指令ｆに基づいて演算を行い、所定のスイッチング制御信号をインバータ３のＶＶＶＦ制御部３ａに供給し、逆変換スイッチ部３ｂを構成するスイッチング素子に、オン・オフ駆動用のパルス信号が供給されるようにする。
【００２２】
なお、リングカウンタ１３はフリップフロップ等の論理演算回路をいくつか組み合わせ、三相交流に必要な１２０°の位相差を設定した３系統（端子）のＯＮ−ＯＦＦ信号を出力し、周期的に元の状態へ戻り、かつ繰り返すものである。つまり、リングカウンタ１３は周波数指令ｆに応じた方形波による三相交流の信号を形成してインバータ３の出力を制御するものであり、インバータ３に含まれていると見なしても構わない。
【００２３】
また、ＲＯＭ１１は、ＣＰＵ１０で使用するパラメータ１１ａ、プログラム１１ｂ、および保護動作温度の設定データ等を読み出し自在に記憶する。また、ＲＡＭ１２は、演算過程でその都度必要とするデータ、特に逐次データであるサンプリング値を記憶する。
【００２４】
図２は、本実施形態による熱保護動作に必要な処理を示したフローチャートである。図２に示すように、この処理は、ＲＯＭ１１（図１参照）に記憶してあるプログラム１１ｂに従って、ＣＰＵ１０により実行されるようになっている。ただし、図２の右上の処理（Ｓ１，Ｓ２）は切削加工機械９９を稼動させる以前の準備処理であるパラメータ１１ａの設定、そして、その設定を完了した後の稼動中にパラメータ１１ａを読み出す処理を示しており、図２の右上（Ｓ１，Ｓ２）以外の大部分の処理（Ｓ３〜Ｓ１２）は稼動中の保護動作に関する処理を示している。
【００２５】
なお、パラメータ１１ａとはモータ４、およびそれを含む装置の温度変化、特に上昇に関し、経過時間対温度を表す曲線グラフ、その曲線に該当する式ｙ（ｔ）、時定数Ｔ等により表示し特定できるようにした飽和特性を、電流Ｉの違いに応じて各種測定して整備したデータのことであり、電流Ｉに応じて読み出し自在にＲＯＭ１１に記憶される。
【００２６】
以下、図２の処理をステップＳ１〜Ｓ１２の順に説明する。
まず、稼動前の準備処理として、一定の負荷で運転中のモータ４において、電流Ｉ毎に飽和温度ｙｓ（図５参照）を測定し、主に加熱状態の（加熱）時定数Ｔをパラメータ１１ａとして求めるほか、飽和温度ｙｓの状態から電流Ｉ＝０にしてクールダウンした場合の（冷却）時定数Ｔｃも求める(ステップＳ１)。
なお、時定数Ｔは一般的な過渡現象で周知の通りであり、ここでは、飽和温度ｙｓの６３．２％まで上昇（冷却時には下降）するのに要する時間と定義されている。したがって、電流Ｉに対応する飽和温度ｙｓが測定されたならば、おのずと時定数Ｔも確定する。
【００２７】
また、ここで測定する電流Ｉに対する温度変化の曲線形状は、モータ４およびそれを組み込んだ装置、モータ４の冷却条件により異なる。電流Ｉ値と飽和温度ｙｓおよび時定数Ｔは直線的な相関、すなわち、一次方程式で解明できる場合があり、例えば、湯沸し機能付き魔法瓶における沸点以下の湯温であれば線形変化であるため該当する。つまり、ヒータ電流を所定値に定めていれば、初期温度ｙ（０）および加熱した時間ｔから現時点の推定温度ｙ（ｔ）を容易に求められる。
推定温度ｙ（ｔ）＝ｃｔ+ｙ（０）
ただし、この場合、飽和温度ｙｓは一次方程式に表示されていないが、通常１００℃である湯の沸点が飽和温度ｙｓであり、湯が蒸発している最中は温度上昇が停止する。
しかし、温度変化の特性が単純な湯沸し魔法瓶の湯温と違って、切削加工機械９９は強制空冷や放射冷却等の複雑な要素が加味されるため多項式によって解明できる場合が多い。
推定温度ｙ（ｔ）＝ａｔ3+ｂｔ2+ｃｔ+ｙ（０）
【００２８】
ステップＳ１において実測した結果から求められた時定数Ｔを始めとするパラメータ１１ａを、電流Ｉに対応付けてＲＯＭ１１で読み出し自在に記憶する（ステップＳ２）。なお、周辺温度や冷却方法等によって状態が変化する場合は、パラメータ１１ａ設定を容易に変更できるように、例えば、「Ａ，Ｂ，Ｃ」等の選択枝により選択自在にすればよい。
【００２９】
ステップＳ２に示した準備が完了している前提で、切削加工機械９９を稼動させる。ただし、ステップＳ１において実行したようなデータ収集目的による一定負荷の運転でなく、実務における変動負荷運転であり、電流Ｉはトルクにほぼ比例し、負荷変動に応じて変動する。なお、ここでは、電流Ｉだけで熱保護の制御を行う。電流Ｉこそが、ジュール熱（Ｐ＝ＲＩ2）の一義的な発生原因と見なせるからである。したがって、本システム１００における熱保護の制御要素としては、もっぱら電流Ｉだけを用いて説明する。
ただし、モータ４への印加電圧、周波数および回転速度もＶＶＶＦ制御により制御自在なので、熱保護の制御要素として発熱との因果関係を数式化できれば利用しても構わない。
【００３０】
この電流Ｉの経路に配設された電流センサ７により電流Ｉを検出し、電流Ｉに比例した電圧を出力してサンプリング手段８に入力し、例えば、１０ｍｓｅｃと一定時間に定めたサンプリング周期毎に電流Ｉの値を逐次サンプリングホールドおよび逐次更新しながら、そのサンプリング値をＲＡＭ１２に記憶する（ステップＳ３）。このサンプリング値はＣＰＵ１０により各種の演算処理に用いられるが、そのための計算プログラム等はＲＯＭ１１から読み出される。
【００３１】
なお、サンプリングされる電流Ｉは実効値であり、電流センサ７の誤差や周辺ノイズの影響を押えるために移動平均した数値を用いるが、移動平均の母数を大きく取りすぎると微小時間の負荷変動に反応し難く、応答性が悪くなるので、信号を平滑する程度の移動平均に止める。
【００３２】
また、ステップＳ３においてＲＡＭ１２に記憶された電流Ｉに対応するパラメータ１１ａをＲＯＭ１１から読み出す（ステップＳ４）。
そして、ステップＳ４において読み出された電流Ｉに対応するパラメータ１１ａから飽和温度ｙｓを確定する（ステップＳ５）。
ここで、飽和温度ｙｓと現在の温度ｙ（ｔ）を比較し（ステップＳ６）、飽和温度ｙｓより現在の温度ｙ（ｔ）が高く上昇傾向（Ｙｅｓ）なら加熱曲線を参照し、その逆に上昇傾向でない（Ｎｏ）なら冷却曲線を参照する。
【００３３】
ＲＡＭ１２に記憶されたサンプリング値を用いて特定した前記パラメータ１１ａを前記ＲＯＭ１１から読み出して加熱曲線の時定数Ｔを確定する（ステップＳ７）。
【００３４】
もし現在の温度ｙ（ｔ）が低下傾向であるならクールダウンの時定数Ｔｃを適用する（ステップＳ８）。
確定されたパラメータ１１ａに含まれる加熱曲線または冷却曲線をトレースし前回のサンプリングで求められる仮定の温度ｙ（ｔ）を加熱曲線上または冷却曲線上に正規化してクールスタートから（またはクールダウン）の所要時間ｔを求めるようにＣＰＵ１０で演算処理する（ステップＳ９）。
【００３５】
具体的には以下の数式による。
仮定の温度ｙ（ｔ）＝｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝×（ｙ（ｔ→∞）−ｙ０）+ｙ０
をｔについて解くと、
ｔ＝−Ｔ×ｌｎ（１−（ｙ（ｔ）−ｙ０）／（ｙ（ｔ→∞）−ｙ０））
となる。（ｌｎは自然対数）
この式にＳ５，Ｓ７で得られた飽和温度ｙｓ、時定数Ｔおよび前回のサンプリングで求められた仮定の温度ｙ（ｔ）を代入すると、Ｓ５，Ｓ７で得られた加熱曲線上に正規化するようにクールスタートから仮定の温度ｙ（ｔ）に到達するのに必要な所要時間ｔが導かれる。
【００３６】
現在の温度ｙ（ｔ）が低下傾向（ステップＳ６）であれば、電流Ｉから求められる仮定の温度ｙ（ｔ）を冷却曲線上に正規化してクールダウンの所要時間を求める(ステップＳ９)。
一方、現在の温度ｙ（ｔ）が上昇傾向（ステップＳ６）であれば、加熱曲線上に仮定の温度ｙ（ｔ）を正規化して、クールスタートからの所要時間ｔを求める(ステップＳ９)。
ステップＳ９で求められた所要時間ｔにサンプリング周期の１０ｍｓｅｃを加えて
現在の温度ｙ（ｔ）＝｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝×（ｙ（ｔ→∞）−ｙ０）+ｙ０
を求める（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０で求められた現在の温度ｙ（ｔ）が許容限度を超えているかどうか、すなわち過熱の状態か否かを判定し（ステップＳ１１）、超えていれば電流Ｉを遮断して保護する(ステップＳ１２)。
【００３７】
ここで、全体の動作を簡単にまとめて説明する。
本発明に係るモータ過熱防止システム１００を適用した切削加工機械９９を稼動する前に、当該装置に関する温度変化の特性を実際に計測し、電流Ｉに対するモータ４の飽和温度ｙｓ、時定数Ｔ，Ｔｃをパラメータ１１ａとして求めている。
これらのパラメータ１１ａは電流Ｉの値に対応付けてＲＯＭ１１に記憶される。
【００３８】
つぎに、当該装置を稼動状態にすると、電流Ｉの実効値を、例えば１０ｍｓｅｃのサンプリング周期で逐次サンプリングし、書き込み即読み出し自在にＲＡＭ１２で記憶する。このようにサンプリングされた電流Ｉの値に応じてＲＯＭ１１からパラメータ１１ａを逐次読み出す。
【００３９】
もし電流Ｉ＝０でなく加熱状態ならば、ＲＡＭ１２に記憶されたサンプリング値を用い、各々特定したパラメータ１１ａをＲＯＭ１１から読み出し、飽和温度ｙｓおよび時定数Ｔにより加熱曲線を描けるように確定する。加熱曲線は数式化されており、プログラム１１ｂで演算処理に用いる。一方、電流Ｉ＝０でクールダウン状態ならば、時定数Ｔｃを適用し冷却曲線をトレースするようにして最新の温度ｙ（ｔ）を推定する。なお、温度ｙ（ｔ）とは時間ｔを数式に代入して算出される数値である。
【００４０】
確定されたパラメータ１１ａに含まれる加熱曲線または冷却曲線をトレースし前記電流Ｉから求められる仮定の温度ｙ（ｔ）を加熱曲線上または冷却曲線上に正規化しクールスタートから仮定の温度ｙ（ｔ）に到達するまでの所要時間ｔまたはクールダウン時の所要時間ｔを求めるようにＣＰＵ１０で演算処理する。
【００４１】
加熱曲線上または冷却曲線上で所要時間ｔに、例えば１０ｍｓｅｃのサンプリング周期分を１単位時間だけ加えて、モータ４の現在の温度ｙ（ｔ）を求めるようにＣＰＵ１０で演算処理し、算出されたモータ４の温度ｙ（ｔ）が基準値を超えたとき過熱状態と見なして電流Ｉを遮断することにより、モータ４の過熱焼損を防止する。
【００４２】
このように、本発明によれば、負荷の変動が激しい加工中には、通常の過電流遮断器とは異なる遮断制御の要求に応じ、より実態に近い発熱量を予測し、この予測温度が規定値を超えると判断された場合には、実際の電機子コイルの温度が規定値に到達していなくても安全を見込んで、遅れることなく電流を遮断することを可能にした。
詳しくは、微小時間の発熱量を積分することで、保安対象となる工作機械用モータに対する演算精度を高め、より正確な温度上昇予測が可能となり、各装置に固有の熱容量および急激に変動する電流に対応してより現実的かつ妥当な高精度の温度予測が可能となり、安全性の確保に寄与できる。
【００４３】
図３は切削加工における主軸モータ（以下、「モータ」という）４の負荷変遷を示すグラフであり、横軸に時間ｔ、縦軸に負荷（電流Ｉ）を表示している。図３に示すように、負荷が乱高下していることを読み取れる。モータ４の定格負荷は耐熱許容限度から定められるので、その限度を超えた時点で速やかに熱保護機能が作動する保証があれば、ピーク負荷を完全にカバーするような不必要な程の大容量化をすることなく、最適規模の設備投資で済ませることが可能となる。
【００４４】
図４は加熱曲線を示すグラフであり、横軸に時間ｔ［Ｍｉｎ］、縦軸に温度ｙ［℃］を表示している。図４に示すように、モータ４を一定負荷、すなわち電流Ｉ＝約１［Ａ］で安定するように何らかの条件を設定した負荷状態を継続して運転すると、１４〜１５分で飽和温度ｙｓ＝８７［℃］に到達する。
【００４５】
図５は電流値と飽和温度を示すグラフであり、横軸に電流Ｉ［Ａ］、縦軸に飽和温度ｙｓ［℃］を表示している。図５に示すように、各測定点における電流Ｉ［Ａ］を一定に保って温度ｙ［℃］が飽和するまで観測し、電流Ｉ［Ａ］を０［Ａ］，０．２［Ａ］，０．４［Ａ］……と異なる条件で、それぞれの飽和温度ｙｓ［℃］を各電流別に測定し、それらをプロットして電流Ｉ対飽和温度ｙｓの曲線に結んでいる。
【００４６】
この曲線を近似の数式で表示すれば、グラフから読み取るようにして得られる数値を簡素なコンピュータで容易に計算することができる。
温度ｙ＝１２２．０７Ｉ3+２６６．０２Ｉ2+２１３．９７Ｉ+１９．４
電流Ｉ＝１［Ａ］を代入すれば、飽和温度ｙｓ＝約８９［℃］と求められる。なお、図４に示した電流Ｉ＝約１［Ａ］は説明の便宜上の負荷条件であって、読み取られた飽和温度ｙｓ＝８７［℃］に比べて約２［℃］相違しているが、近似の数式であり、その程度は無視して構わない。
【００４７】
図６は冷却曲線を示すグラフであり、横軸に時間ｔ［Ｍｉｎ］、縦軸に温度ｙ［℃］を表示している。図６に示すように、時定数Ｔ＝３１０ｓｅｃ，冷却完了温度＝加熱前の初期温度（室温）ｙ０＝２０［℃］、昇降温度差１００［℃］である。
温度ｙ（ｔ）＝｛ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝×（ｙ（ｔ→∞）−ｙ０）+ｙ０
＝｛ｅｘｐ（−ｔ／３１０）｝×（１２０−２０）+２０
時間ｔ＝５［Ｍｉｎ］×６０［ｓｅｃ］＝３００［ｓｅｃ］を代入すると、約５８［℃］が求められる。
【００４８】
図７は現温度の算出手段を示した図であり、横軸に時間ｔ［ｓｅｃ］、縦軸に温度ｙ［℃］を表示し、現在の温度ｙ（ｔ）を求める手順を番号順に示している。まず（１）前回サンプリング値による仮定の温度（ｔ）から、（２）正規化した想定時間を求め、（３）時間を１単位（サンプリング周期）進めることにより、（４）現在の温度ｙ（ｔ）を算出することができる。
【００４９】
図８は電子サーマルの作動を示すグラフであり、横軸に時間ｔ［Ｍｉｎ］、縦軸の左側に電流Ｉ［Ａ］、そして右側に温度ｙ［℃］を表示している。そして、８０℃で熱保護機能が作動するまでの推移が表れている。室温２０℃の雰囲気で当該装置を起動し、ワークの性質上、平均して約０．６Ａの電流を約１０分流し５５℃前後で飽和しているのがわかる。このワークの性質ならば、当該装置を継続使用できる。
【００５０】
しかし、起動後２１分を過ぎた時点からのワークが過重負荷となり、平均して約０．９Ａの電流に増加しており、起動後２１分までの飽和温度が均衡を崩して再び上昇し、その約５分後にあたる起動後２６分で８０℃に到達したことにより熱保護機能が作動し電流遮断している。当然に当該装置の使用は強制的に停止され過熱焼損を免れることができる。
【００５１】
このように、電子サーマルの計算値と実測値がほぼ一致しているので、合理的かつ正確に熱保護機能を作動させて電流遮断できることを実証している。
【００５２】
そして、電流遮断後は、室温２０℃に向け冷却曲線（図６参照）に沿ってクールダウンする。図８において、起動後２８分で約６０℃まで冷却されたならば、当該装置にとって安全領域に到達したと見なし、手動または自動で再起動すればよいが、熱保護機能が作動して電流遮断する原因となった過重負荷のワークであれば、同様の熱保護機能が再現するので、強制冷却機能を増強するか、短時間の間欠作業を繰り返す等の配慮を要する。
【００５３】
なお、電子サーマルの計算値を、当該装置のユーザに表示し、熱保護機能が作動する８０℃に近づいていること、および／またはクールダウンして安全領域に復帰したことを告知できるようにすると有益である。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されることなく、適宜変更して実施することが可能である。たとえば、インバータ３は周知のＶＶＶＦ制御方式に限定する必要は無く、逆変換スイッチ部３ｂはサイリスタに準ずるスイッチ機能を有する素子であれば他の素子でも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るモータ過熱防止システムを切削加工機械のインバータ駆動ＤＣブラシレスモータに適用した実施形態のブロック図である。
【図２】本実施形態による熱保護動作に必要な処理を示したフローチャートである。
【図３】切削加工における主軸モータの負荷変遷を示すグラフである。
【図４】加熱曲線を示すグラフである。
【図５】電流値と飽和温度のグラフである。
【図６】冷却曲線を示すグラフである。
【図７】現温度の算出手段を示した図である。
【図８】電子サーマルの作動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１      商用交流電源
２      順変換部
３      インバータ
３ａ    ＶＶＶＦ制御部
３ｂ    逆変換スイッチ部
４      モータ
５      空冷ファン
６      電流遮断手段
７      電流センサ
８      サンプリング手段
９      パラメータ確定手段
１０    ＣＰＵ
１１    ＲＯＭ
１２    ＲＡＭ
１３    リングカウンタ
１４    モータ温度推定手段
１５    過熱判定手段
９０    制御回路
９９    切削加工機械
１００  モータ過熱防止システム（本システム）
ｆ      周波数指令
Ｉ      電流
Ｒ      モータの電機子巻線抵抗
ｔ      時間
Ｔ      （加熱）時定数
Ｔｃ    （冷却）時定数
ｙ，ｙ（ｔ）  温度
ｙｓ    飽和温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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