(57)【要約】【課題】電動機の制御装置において、ロータおよびステータの温度変化に起因するトルクの変動を補償する。【解決手段】トルク伝達率算出部４１において、電動機７のロータ温度とステータ温度に基づいて、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率に応じたトルク伝達率を出力する。トルク補正演算部４２は、トルク指令値にトルク伝達率を乗算して設定トルク値を算出する。電流指令値算出部４３は、回転速度検出値と設定トルク値に基づいて、電流指令値を出力する。この電流指令値に基づいて、電動機を運転する。【選択図】図５
2019017222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アウターロータ型の電動機の制御装置であって、
電動機のロータ温度とステータ温度に基づいて、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率に応じたトルク伝達率を出力するトルク伝達率算出部と、
トルク指令値に前記トルク伝達率を乗算して設定トルク値を算出するトルク補正演算部と、
回転速度検出値と前記設定トルク値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令値算出部と、
を備え、
前記電流指令値に基づいて、電動機を運転することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
前記トルク伝達率は、ロータ−ステータ間のギャップ影響によるトルク補正率と、ロータ温度によるトルク補正率と、を乗算した値とすることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記トルク伝達率算出部は、
ロータ温度−ステータ温度に対する前記トルク伝達率を予めテーブル化しておき、
運転時に、ロータ温度、ステータ温度、および、前記テーブルに基づいて、前記トルク伝達率を出力することを特徴とする請求項１または２記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記トルク伝達率算出部は、
ロータ温度に基づいて、ロータ温度影響によるトルク補正率を算出し、
ロータ温度およびステータ温度に基づいて、前記ロータ−ステータ間のギャップを算出し、
前記ロータ−ステータ間のギャップに基づいて、ロータ−ステータ間のギャップ影響によるトルク補正率を算出し、
前記ロータ温度影響によるトルク補正率と、前記ギャップ影響によるトルク補正率を乗算して、前記トルク伝達率を算出することを特徴とする請求項１または２記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記ロータ温度は、ロータの外周側に設けられた非接触型の温度センサにより測定することを特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項に記載の電動器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の制御装置に係り、特に、熱によるロータ−ステータ間のギャップ変動に起因するトルクの変動に関する。
【背景技術】
【０００２】
エクササイズバイクは、ペダルにギア，ベルト，変速機を介して電動機が設けられている。制御装置によって電動機のトルクを制御することにより、ペダルの重さ（運動の負荷）を調節することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２００５１５号公報
【特許文献２】特開２０１６−８６６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電動機に電流が印加されることにより、電動機のロータおよびステータの温度が上昇する。ロータの温度が上昇することにより熱抵抗が増加して渦電流が小さくなり、渦電流が小さくなるとトルクが小さくなる。これはロータの温度のみに依存する。
【０００５】
また、ロータおよびステータの温度が上昇することによりロータ，ステータは膨張し、ロータとステータ間のギャップが変動する。このロータ−ステータ間のギャップの変動に起因して電動機のトルクも変動する。ロータ−ステータ間のギャップが大きくなるとトルクは減少し、ロータ−ステータ間のギャップが小さくなるとトルクは大きくなる。
【０００６】
この２つの要因により、電動機のトルクは、トルク指令値に対して誤差が生じる。エクササイズバイクにより体力測定等を行う場合、この誤差で問題が生じる場合がある。
【０００７】
以上示したようなことから、電動機の制御装置において、ロータおよびステータの温度変化に起因するトルクの変動を補償することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、アウターロータ型の電動機の制御装置であって、電動機のロータ温度とステータ温度に基づいて、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率に応じたトルク伝達率を出力するトルク伝達率算出部と、トルク指令値に前記トルク伝達率を乗算して設定トルク値を算出するトルク補正演算部と、回転速度検出値と前記設定トルク値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令値算出部と、を備え、前記電流指令値に基づいて、電動機を運転することを特徴とする。
【０００９】
また、その一態様として、前記トルク伝達率は、ロータ−ステータ間のギャップ影響によるトルク補正率と、ロータ温度によるトルク補正率と、を乗算した値とすることを特徴とする。
【００１０】
また、その一態様として、前記トルク伝達率算出部は、ロータ温度−ステータ温度に対するトルク伝達率を予めテーブル化しておき、運転時に、ロータ温度、ステータ温度、および、前記テーブルに基づいて、トルク伝達率を出力することを特徴とする。
【００１１】
また、他の態様として、前記トルク伝達率算出部は、ロータ温度に基づいて、ロータ温度影響によるトルク補正率を算出し、ロータ温度およびステータ温度に基づいて、ロータ−ステータ間のギャップを算出し、前記ロータ−ステータ間のギャップに基づいて、ロータ−ステータ間のギャップ影響によるトルク補正率を算出し、前記ロータ温度影響によるトルク補正率と、前記ギャップ影響によるトルク補正率を乗算して、前記トルク伝達率を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、その一態様として、前記ロータ温度は、ロータの外周側に設けられた非接触型の温度センサにより測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電動機の制御装置において、ロータおよびステータの温度変化によるトルク変動を補償することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１，２におけるエクササイズバイクを示す斜視図。
【図２】実施形態１，２における電動機を示す断面図。
【図３】ロータ温度，ステータ温度の測定位置を示す説明図。
【図４】実施形態１における電動機および制御装置を示す図。
【図５】実施形態１における電動機の制御装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る電動機の制御装置の実施形態１，２を図１〜図５に基づいて詳述する。
【００１６】
［実施形態１］
図１は、本実施形態１におけるエクササイズバイクを示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態１のエクササイズバイクは、制御パネル１と、ハンドル２と、サドル３と、ペダル４と、ベルト５と、減速機６と、電動機７と、を備える。
【００１７】
ユーザがサドル３に座りハンドル２を握ってペダル４を漕ぐことにより、ベルト５および減速機６を介して電動機７のロータが回転する。電動機７の負荷トルクは、制御パネル１によりユーザが設定できるようになっている。
【００１８】
図２は、本実施形態１における電動機７を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態１の電動機７は、アウターロータ型の電動機であり、回転軸１２と、ステータ１３と、ロータ１５と、プーリ１６と、を備えている。
【００１９】
電動機ユニットのフレーム１１には、ベアリング１１ａを介して回転軸１２が回動自在に支持されている。また、フレーム１１には、ボルト等でステータ１３が固定されている。ステータ１３の鉄心１４ａにはコイル１４ｂが捲回されている。
【００２０】
ステータ１３の外周側には、回転軸１２によりロータ１５が回動自在に支持されている。ロータ１５は、有底筒体状に形成されており、回転軸１２に支持される底部１５ａと、ステータ１３の外周側を回転する外周部１５ｂとで形成されている。外周部１５ｂは、外周側が鋳物１５ｃで形成されており、内周側がリング１５ｄ（例えば、機械構造用炭素鋼鋼管）で形成されている。
【００２１】
図２に示すように、ステータ１３の鉄心１４ａとロータ１５の外周部１５ｂとの間には通常時にて約０．３ｍｍ程度のギャップが形成されている。
【００２２】
また、回転軸１２にはプーリ１６が回動自在に支持されており、このプーリ１６にはベルト（図２では図示省略）が捲回される。ユーザがペダルを漕ぐことによりベルト、減速機を介してプーリ１６が回転し、プーリ１６の回転に伴って、回転軸１２、ロータ１５が回転する。
【００２３】
次に、図３に基づいて、ロータ温度、ステータ温度の測定箇所について説明する。ロータ温度センサ２７は、赤外線型−非接触型の温度センサが用いられ、ロータ１５の外周側にロータ１５から約７ｍｍ程度離れた位置に固定される。なお、本実施形態１では、ロータ１５から約７ｍｍ程度離れた位置にロータ温度センサ２７を固定しているが、ロータ温度センサ２７の設計によって捉える赤外線の角度が異なるため、その角度とロータの幅から適切な距離を算出し、設置するものとする。
【００２４】
ステータ温度センサ２６は、例えばサーミスタ等が用いられる。鉄心１４ａのコイル１４ｂが捲回されるよりも内周側に穴が穿設され、その穴にステータ温度センサ２６を挿通する。ギャップに近い場所の場合は、ロータ１５の反射熱の影響を受けるため、ステータ１３の温度を的確に測定できない。そのため、ロータ１５と距離のあるステータ１３の内周側にステータ温度センサ２６を設置している。
【００２５】
次に、図４に基づいて、電動機７における負荷トルクの制御について説明する。図４に示すように、エクササイズバイクは、電源装置２９と、制御パネル２１と、マイクロコンピュータ２２と、メモリ２３と、電流制御回路２４と、電動機７と、ステータ温度センサ２６と、ロータ温度センサ２７と、回転センサ２８と、を備える。
【００２６】
制御パネル２１からトルク指令値をマイクロコンピュータ２２に送信する。マイクロコンピュータ２２は、トルク指令値に基づいて、メモリ（テーブル）２３と、マイクロコンピュータ２２内のメモリ（プログラム），演算回路を用いて、ゲート信号を電流制御回路２４に出力する。
【００２７】
電流制御回路２４は、ゲート信号に基づいて、駆動電流を電動機７に出力する。電流制御回路２４は、電流検出値をマイクロコンピュータ２２にフィードバックする。
【００２８】
ステータ温度センサ２６は、電動機７のステータ温度を検出し、ステータ温度をマイクロコンピュータ２２に出力する。ロータ温度センサ２７は、ロータ温度を検出し、ロータ温度を例えばＩ２ｃバス等によりマイクロコンピュータ２２に出力する。回転センサ２８（赤外線の非接触型、例えば、フォトセンサ）は、電動機７の回転速度を検出し、マイクロコンピュータ２２に出力する。電源装置２９は、交流１００Ｖの電圧を入力し、直流２４Ｖに変圧して電動機７の制御装置の制御部に出力する。
【００２９】
次に、図５に基づいて、電動機の制御方法について説明する。
【００３０】
トルク伝達率算出部４１は、予め試運転等によりロータ温度ＲＴ１〜ＲＴＮ，ステータ温度ＳＴ１〜ＳＴＮに対するトルク伝達率Ｋ１１〜ＫＮＮをテーブル化しておく。このトルク伝達率Ｋ１１〜ＫＮＮは、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率と、ロータ温度によるトルク補正率を乗算した値となる。運転時には、ロータ温度ＲＴおよびステータ温度ＳＴに基づいてテーブルを参照してトルク伝達率Ｋを出力する。ロータ温度−ステータ温度テーブルの一例を以下の表１に示す。
【００３１】
【表１】
2019017222.tif 000003
【００３２】
トルク補正演算部４２は、トルク指令値とトルク伝達率Ｋに基づいて、設定トルク値Ｔ＊を出力する。
【００３３】
電流指令値算出部４３は、予め、試運転により、電流指令値Ｉ１＊〜ＩＮ＊，回転速度検出値ω１〜ωＮに対する設定トルク値Ｔ１１＊〜ＴＮＮ＊を電流指令値−回転速度テーブルとして記憶しておく。運転時には、回転速度検出値ωおよび設定トルク値Ｔ＊に基づいて、電流指令値−回転速度テーブルを参照し、電流指令値Ｉ１＊〜ＩＮ＊を選択して出力する。電流指令値−回転速度テーブルの一例を以下の表２に示す。
【００３４】
【表２】
2019017222.tif 000004
【００３５】
また、電流指令値算出部４３は、設定トルク値−回転速度テーブルとしても良い。予め試運転により設定トルク値Ｔ１＊〜ＴＮ＊，回転速度検出値ω１〜ωＮに対する電流指令値Ｉ１１＊〜ＩＮＮ＊を設定トルク値−回転速度テーブルとして記憶しておく。運転時には、設定トルク値Ｔ＊および回転速度検出値ωに基づいて、テーブルを参照し、電流指令値Ｉ１１＊〜ＩＮＮ＊を選択して出力する。設定トルク値−回転速度テーブルの一例を以下に示す。
【００３６】
【表３】
2019017222.tif 000005
【００３７】
なお、電流指令値−回転速度テーブル、設定トルク値−回転速度テーブルは、所定の数値間隔で回転速度検出値、トルク指令値、電流指令値が記憶されている。そのため、該当する回転速度検出値、設定トルク値がテーブルに無い場合は、近似する回転速度検出値、設定トルク値をテーブルから探し出し、対応する電流指令値を出力する。また、運転時の回転速度検出値ω、設定トルク値Ｔ＊と、テーブルの回転速度検出値、設定トルク値に誤差がある場合は、電流指令値に対してその誤差分を補完処理して出力してもよい。
【００３８】
電流制御演算部４５は、電流指令値とフィードバックされた電流検出値の偏差が０となるように制御を行い、パルス幅指令値を出力する。ＰＷＭ生成部４６は、パルス幅指令値に従い、ゲート信号を出力する。
【００３９】
駆動部４７では、ゲート信号により、駆動部４７のスイッチング素子（例えば、トランジスタ）をオンオフし、電動機７に駆動電流を出力する。また、トランジスタのベース端子にアナログの電圧をかけ、電動機７に駆動電流を出力しても良い。
【００４０】
また、ロータ温度−ステータ温度テーブル、設定トルク値−回転速度テーブル、または、電流指令値−回転速度テーブルを作成するために、試運転時には、モータコントローラ、モータ、トルクメータが設けられる。マイクロコンピュータ２２から速度指令値（アナログ）がモータコントローラに出力され、モータコントローラは、速度指令値に応じた電流をモータに出力する。トルクメータは、モータのトルクを検出してシリアル通信でマイクロコンピュータ２２に出力する。このモータコントローラ，モータ，トルクメータはテーブル作成のために必要なものであるため、テーブル作成後は、エクササイズバイクから撤去する。
【００４１】
本実施形態１の電動機の制御装置は、ロータに渦電流が発生するため、最初はロータの温度が上がってロータが膨張し、ロータ−ステータ間のギャップは大きくなる。その後、ロータの熱がステータに伝達してステータの温度が上昇しステータが膨張するため、ロータ−ステータ間のギャップは小さくなっていく。コイルそのものの熱は比較的小さい。このロータ−ステータ間のギャップの変動に起因してトルクも変動する。
【００４２】
本実施形態１は、ロータ温度およびステータ温度に基づいて、ギャップ影響によるトルク補正率に応じたトルク伝達率を求め、そのトルク伝達率により設定トルク値を決定している。そのため、ロータ−ステータ間のギャップ変動によるトルク変動に対応し、トルク指令値どおりのトルクを電動機７に付加することが可能となる。
【００４３】
また、ロータの温度が上昇することにより熱抵抗が増加して渦電流が小さくなり、渦電流が小さくなるとトルクが小さくなる。本実施形態１は、ロータ温度影響によるトルク補正率も、トルク伝達率の算出に用いているため、ロータの温度影響によるトルク変動に対応し、トルク指令値どおりのトルクを電動機７に付加することが可能となる。
【００４４】
また、鋳物は成分にばらつきがあるため、ロータ１５を全部鋳物で形成した場合、渦電流にもバラツキが生じる。また、鋳物の場合、位置によって成分にバラツキがあり、位置によっても渦電流にバラツキが生じてしまう。また、鋳物の場合は巣が生じやすく、渦電流の特性に影響が生じる。そのため、ロータ１５全てを鋳物で形成した場合、トルク指令値どおりのトルクを付加することが難しい。また、ロータ１５を全部機械構造用炭素鋼鋼管で形成した場合、コストが上昇する。
【００４５】
本実施形態１の電動機７のロータ１５は、外周部１５ｂの内周側を機械構造用炭素鋼鋼管、外周側を鋳物としている。ロータ１５は内周側に渦電流が生じ易いため、本実施形態１のように、内周側を機械構造用炭素鋼鋼管で形成することにより渦電流を安定させることが可能となる。また、すべて機械構造用炭素鋼鋼管で形成した場合よりもコストを低減することが可能となる。
【００４６】
［実施形態２］
本実施形態２は、図５のトルク伝達率算出部４１において、実施形態１のロータ温度−ステータ温度テーブルを用いずに、トルク伝達率を数式により算出するものである。
【００４７】
まず、ロータ温度センサ２７から出力されたロータ温度とステータ温度センサ２６から出力されたステータ温度および予め設定されたロータ基準長、ロータ熱膨張係数、ロータの基準温度、ステータ基準長、ステータ熱膨張係数、ステータ基準温度からロータ−ステータ間のギャップを以下の（１）式により算出する。
【００４８】
【数１】
2019017222.tif 000006
【００４９】
次に、ギャップ影響によるトルク補正率を基準温度におけるギャップ、温度によって膨張したギャップに基づいて、以下の（２）式により算出する。
【００５０】
【数２】
2019017222.tif 000007
【００５１】
次に、ロータ温度影響によるトルク補正率をロータ温度、基準温度、温度係数に基づいて、以下の（３）式により算出する。
【００５２】
【数３】
2019017222.tif 000008
【００５３】
最後に、以下の（４）式に示すように、ギャップ影響によるトルク補正率とロータ温度影響によるトルク補正率を乗算してトルク補正率を算出する。
【００５４】
【数４】
2019017222.tif 000009
【００５５】
以上示したように、本実施形態２によれば、ロータ温度−ステータ温度テーブルではなく、演算によりトルク補正率を算出することが可能となる。トルク補正率をテーブルにより導出するか、演算により算出するかは、マイクロコンピュータの性能、メモリ、要求される精度等により適した方法を選択する。
【００５６】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００５７】
なお、実施形態１、２では、エクササイズバイクの負荷装置のトルク補償方法について説明したが、アウターロータ型の電動機であれば、実施形態１，２のトルク補償方法は適用可能である。
【００５８】
また、実施形態１，２では、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率と、ロータ温度によるトルク補正率と、に基づいて、トルク伝達率を算出しているが、ロータ−ステータ間のギャップの影響によるトルク補正率に応じてトルク伝達率を算出してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
７…電動機
４１…トルク伝達率算出部
４２…トルク補正演算部
４３…電流指令値算出部
４４…電流値補完処理部
４５…電流制御演算部
４６…ＰＷＭ制御部
４７…駆動部
【図１】
2019017222.tif 000010
【図２】
2019017222.tif 000011
【図３】
2019017222.tif 000012
【図４】
2019017222.tif 000013
【図５】
2019017222.tif 000014