(57)【要約】【課題】ブラシを有する直流モータにおいて、運転条件が変化しながら使用される場合でも、より正確にブラシの摩耗度合いを推定する。【解決手段】参照モータの回転速度と電流の積を第一因子とし、回転速度を第二因子として、実験計画法により求めたブラシの摩耗速度の二つの関数に照らして、使用モータの回転速度と電流を測定し、その測定した回転速度と電流の積である第一因子および回転速度である第二因子に対する摩耗速度を推定し、合計の摩耗速度を時間で積分して摩耗量を推定する。さらには、参照モータについての電流に対するモータの温度上昇の関係式に照らして、使用モータの周囲温度からモータの温度上昇を算出して、温度上昇分による電流の増分値で前記電流を補正して摩耗速度を推定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシを有する直流モータが使用される場合に当該使用モータのブラシ寿命を知らせる方法であって、
前記使用モータと同型の参照モータについて、予め当該参照モータの複数の相異なる運転条件についてモータ運転時の電流、回転速度およびブラシ摩耗速度を測定して、当該電流と当該回転速度の積を第一因子として第一因子の複数水準に対しておよびモータ運転時の回転速度または電流の何れかを第二因子として第二の因子の複数水準に対してそれぞれブラシの摩耗速度を表す第一のブラシ摩耗速度関数および第二のブラシ摩耗速度関数を得ておくとともに、前記参照モータのブラシの長さに対してブラシの摩耗量の限界値を設定しておき、
前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの電流および回転速度を測定するステップと、
前記使用モータの測定された電流と回転速度の積を使用モータ第一因子として算出し出力するステップと、
前記使用モータの測定された回転速度または電流の何れかを使用モータ第二因子として出力するステップと、
前記第一のブラシ摩耗速度関数を参照して前記使用モータ第一因子に対する前記使用モータの第一ブラシ摩耗速度を取得するステップと、
前記第二のブラシ摩耗速度関数を参照して前記使用モータ第二因子に対する前記使用モータの第二ブラシ摩耗速度を取得するステップと、
前記使用モータの第一ブラシ摩耗速度と第二のブラシ摩耗速度の和を時間的に積分して前記使用モータのブラシの摩耗量を推定するステップと、
前記推定されたブラシの摩耗量をブラシの摩耗量の前記限界値と比較して前記使用モータのブラシ寿命を知らせるステップと
を含んで構成してなる使用モータのブラシ寿命を知らせる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる方法において、
前記第二因子としてモータの回転速度を採用する
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる方法において、
前記第二因子としてモータの電流を採用する
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる方法であって、
予め、前記参照モータについて周囲温度に対するモータの温度変化および電流の変化の関係式を求めておき、
さらに、前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの周囲温度を測定するステップと、
前記電流の変化の関係式を参照して前記使用モータの周囲温度に対する使用モータの補正電流値を取得するステップと、
前記取得した使用モータの補正電流値を前記電流と回転速度の積を求めるための電流として使用するステップと
を含んで構成してなることを特徴とする方法。
【請求項５】
ブラシを有する直流モータが使用される場合に当該使用モータのブラシ寿命を知らせる装置であって、
前記使用モータと同型の参照モータについて、予め当該参照モータの複数の相異なる運転条件についてモータ運転時の電流、回転速度およびブラシ摩耗速度を測定して得られた、前記参照モータの電流と回転速度の積を第一因子として第一因子の複数水準に対するブラシの摩耗速度を表す第一のブラシ摩耗速度関数を記憶する手段と、
前記参照モータの回転速度または電流の何れかを第二因子として第二因子の複数水準に対するブラシの摩耗速度を表す第二のブラシ摩耗速度関数を記憶する手段と、
前記参照モータのブラシの長さに対して設定したブラシの摩耗量の限界値を記憶する手段と、
前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの電流および回転速度を測定して、前記使用モータの電流と回転速度の積を使用モータ第一因子として算出し出力する手段と、
前記使用モータの回転速度または電流の何れかを使用モータ第二因子として出力する手段と、
前記第一のブラシ摩耗速度関数を参照して前記使用モータ第一因子に対する前記使用モータの第一ブラシ摩耗速度を取得する手段と、
前記第二のブラシ摩耗速度関数を参照して前記使用モータ第二因子に対する前記使用モータの第二ブラシ摩耗速度を取得する手段と、
前記使用モータの第一ブラシ摩耗速度と第二のブラシ摩耗速度の和を時間的に積分して前記使用モータのブラシの摩耗量を推定する手段と、
前記推定されたブラシの摩耗量をブラシの摩耗量の前記限界値と比較して前記使用モータのブラシ寿命を知らせる手段と
を備えてなる使用モータのブラシ寿命を知らせる装置。
【請求項６】
請求項５に記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる装置において、
前記第二因子としてモータの回転速度を採用する
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項５に記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる装置において、
前記第二因子としてモータの電流を採用する
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の使用モータのブラシ寿命を知らせる装置であって、さらに、
前記使用モータと同型の参照モータについて、予め当該記参照モータの複数の相異なる周囲温度について、周囲温度に対するモータの温度変化および電流の変化の関係式を求めて当該関係式を記憶する手段と、
前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの周囲温度を測定する手段と、
前記電流の変化の関係式を参照して前記使用モータの周囲温度に対する使用モータの補正電流値を取得する手段と、
前記取得した使用モータの補正電流値を前記電流と回転速度の積を求めるための電流として使用する手段と
を備えてなることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直流モータのブラシ寿命を知らせる方法および装置に関し、より具体的には、整流子電動機など、ブラシを有する直流モータにおいて、運転に伴って摩耗するブラシの摩耗程度を推定して摩耗限界に達したことを知らせる方法および装置に関し、運転条件に応じて正確な摩耗程度が推定できるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシを有する直流モータは、安価でトルクが強いので産業機器には広く使用されているが、使用に伴ってブラシが摩耗していくので、寿命が短いという欠点がある。そのため、ブラシ寿命を予知して交換に備える必要がある。直流モータのブラシ寿命を予知して警告する装置の例として、特許文献１に開示されたものが挙げられる。その装置は、モータの運転時間の積算値からブラシの摩耗度合いを推定して寿命を警告するもので、別途同型のモータについて実験的に求めておいた運転時間とブラシの摩耗量との関係式に照らして、運転時間によってブラシが磨耗限界に近づいたと判断されたら警告を発し、さらにブラシの磨耗限界に達したと判断されたらモータを強制停止するというものである。この装置は、常に同じ運転条件で使用されるモータの場合には、それなりに実用的である。
【０００３】
しかし、運転条件が常に同じとは限らないモータの場合は、ブラシの摩耗具合が運転条件に応じて変化し得るので、単純に運転時間の積算値のみから摩耗度合いを推定したのでは、正確でない虞がある。そこで、使用者によっては運転条件が変化することを前提とし、そのような場合でもより的確な摩耗度合いが推定できるようにした装置として、特許文献２に開示されたものが挙げられる。その装置は、モータ運転時の回転数と電流値をそれぞれ計測してデータ取得していき、それら回転数と電流値の乗算値から摩耗評価値を取得し、その摩耗評価値の積算値からブラシの摩耗度合いを推定して寿命を管理するもので、別途同型のモータについて実験的に求めておいた回転数と電流値の乗算値と摩耗評価値との関係式に照らして、使用モータの回転数と電流値の乗算値からブラシの摩耗量を算出することにより、使用モータのブラシの摩耗限界を判定しようというものである。ブラシの摩耗は、モータの回転数や電流値に大きく左右されると考えられ、モータの回転数が増加するのに伴ってブラシの摩耗量が増加するであろうことおよびモータの電流が増加するのに伴ってブラシの摩耗量が増加するであろうことに着目して、この装置は、モータの回転数と電流値の積を捉えてブラシ寿命を管理するので、回転数や電流値が変化するような運転条件の場合でも、運転時間のみからブラシの摩耗量を推定する場合に比べて、ブラシの摩耗量をかなり正確に推定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９４２８７号公報
【特許文献２】特開２０１１−６２０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば、電流＝１Ａ、回転速度＝６０ｒａｄ／ｓの場合の摩耗速度と、電流＝２Ａ、回転速度＝３０ｒａｄ／ｓの場合の摩耗速度を比較してみると、両者で電流と回転速度の積は同じであっても、摩耗速度が大きくことなることはあり得る。それ故、単純に電流と回転速度の積に基づいて摩耗速度を推定することは、精度が高くない心配があった。また、ブラシの摩耗のメカニズムは、種々の要因が絡んでいるため、現在でも完全には解明されていないし、ブラシの摩耗により生じるモータの動作不具合の要因も単純ではないため、モータの寿命を正確に予報することは難しい。難しいながらも、ブラシの摩耗量を推定する精度を少しでも高めることができれば、モータをその寿命いっぱいに使用することにつながり、早すぎる無駄な交換をしないですむので、資源の効率的な使用ができて有益である。
【０００６】
この発明は、ブラシを有する直流モータにおいて、運転条件が変化しながら使用される場合でも、より正確にブラシの摩耗度合いを推定できる方法および装置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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明による直流モータのブラシ寿命を知らせる方法および装置は、モータ運転時の電流と回転速度の積を第一因子としておよびモータ運転時の回転速度または電流の何れかを第二因子として、ブラシの摩耗速度を決める２つの因子として捉えて、この２つの因子からブラシの摩耗程度を推定しようというものである。すなわち、モータ運転時の電流と回転速度の積である一つの因子からブラシの摩耗速度を判断するよりも、さらに精度を上げてブラシの摩耗度合いを推定しようというものである。
【０００８】
すなわち、この発明の方法は、ブラシを有する直流モータが使用される場合に当該使用モータのブラシ寿命を知らせる方法であって、使用モータと同型の参照モータについて、予め参照モータの複数の相異なる運転条件についてモータ運転時の電流、回転速度およびブラシ摩耗速度を測定して、電流と回転速度の積を第一因子として第一因子の複数水準に対しておよびモータ運転時の回転速度または電流の何れかを第二因子として第二因子の複数水準に対してそれぞれブラシの摩耗速度を表す第一のブラシ摩耗速度関数および第二のブラシ摩耗速度関数を得ておくとともに、参照モータのブラシの長さに対してブラシの摩耗量の限界値を設定しておき、使用モータが運転される場合に、使用モータの電流および回転速度を測定するステップと、使用モータの測定された電流と回転速度の積を使用モータ第一因子として算出し出力するステップと、使用モータの測定された回転速度または電流の何れかを使用モータ第二因子を出力するステップと、第一のブラシ摩耗速度関数を参照して使用モータ第一因子に対する使用モータの第一ブラシ摩耗速度を取得するステップと、第二のブラシ摩耗速度関数を参照して使用モータ第二因子に対する使用モータの第二ブラシ摩耗速度を取得するステップと、使用モータの第一ブラシ摩耗速度と第二ブラシ摩耗速度の和を時間的に積分して使用モータのブラシの摩耗量を推定するステップと、推定されたブラシの摩耗量をブラシの摩耗量の限界値と比較して使用モータのブラシ寿命を知らせるステップとを含んで構成してなることを特徴とする。
【０００９】
加えて、この発明の方法は、予め、前記参照モータについて周囲温度に対するモータの温度変化および電流の変化の関係式を求めておき、さらに、前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの周囲温度を測定するステップと、前記電流の変化の関係式を参照して前記使用モータの周囲温度に対する使用モータの補正電流値を取得するステップと、前記取得した使用モータの補正電流値を前記電流と回転速度の積を求めるための電流として使用するステップとを含んで構成してなることを特徴とする。
【００１０】
また、この発明の装置は、ブラシを有する直流モータが使用される場合に当該使用モータのブラシ寿命を知らせる装置であって、使用モータと同型の参照モータについて、予め参照モータの複数の相異なる運転条件についてモータ運転時の電流、回転速度およびブラシ摩耗速度を測定して得られた、参照モータの電流と回転速度の積を第一因子として第一因子の複数水準に対するブラシの摩耗速度を表す第一のブラシ摩耗速度関数を記憶する手段と、参照モータの回転速度または電流の何れかを第二因子として第二因子の複数水準に対するブラシの摩耗速度を表す第二のブラシ摩耗速度関数を記憶する手段と、参照モータのブラシの長さに対して設定したブラシの摩耗量の限界値を記憶する手段と、使用モータが運転される場合に、使用モータの電流および回転速度を測定して、使用モータの電流と回転速度の積を使用モータ第一因子として算出し出力する手段と、使用モータの回転速度または電流の何れかを使用モータ第二因子として出力する手段と、第一のブラシ摩耗速度関数を参照して使用モータ第一因子に対する使用モータの第一ブラシ摩耗速度を取得する手段と、第二のブラシ摩耗速度関数を参照して使用モータ第二因子に対する使用モータの第二ブラシ摩耗速度を取得する手段と、使用モータの第一ブラシ摩耗速度と第二のブラシ摩耗速度の和を時間的に積分して使用モータのブラシの摩耗量を推定する手段と、推定されたブラシの摩耗量をブラシの摩耗量の限界値と比較して使用モータのブラシ寿命を知らせる手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
加えて、この発明の装置は、さらに、前記使用モータと同型の参照モータについて、予め当該記参照モータの複数の相異なる周囲温度について、周囲温度に対するモータの温度変化および電流の変化の関係式を求めて当該関係式を記憶する手段と、前記使用モータが運転される場合に、前記使用モータの周囲温度を測定する手段と、前記電流の変化の関係式を参照して前記使用モータの周囲温度に対する使用モータの補正電流値を取得する手段と、前記取得した使用モータの補正電流値を前記電流と回転速度の積を求めるための電流として使用する手段とを備えてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、モータのブラシの摩耗速度を、モータの運転時の電流と回転速度の積を第一因子とし、それに加えて回転速度または電流の何れかを第二因子として採用し、ブラシの摩耗速度が二種の因子に対する関係で定まるとして把握するので、ブラシの摩耗量を単に運転時間に基づいて推定する場合に比べて、また、さらには、電流と回転数の積という一つの因子についての関数に基づいて推定する場合に比べて、より精度を上げてブラシの摩耗量を推定することができる。また、「ブラシの摩耗量と、電流と回転数の積に強い相関がある」との予想の下に、電流と回転速度の積を第一因子とし、さらに第一因子の主効果だけでは不足な分を第二因子で補っており、このように因子を工夫することにより、電流と回転速度をそれぞれ独立に因子として取り上げるやり方に比べて交互作用が小さくなることが期待できるし、それ故に主効果のみによる摩耗量の正確な推定も期待できる。
【００１３】
さらに、この発明によれば、周囲温度に応じてモータの温度が変化する場合に、温度変化によるブラシ摩耗速度の変化を考慮すると、より精度を上げてブラシの摩耗量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第一の実施形態において参照モータのブラシの摩耗速度を測定する場合に、第一因子とする回転速度と電流の積の４水準の内容を示す表（ａ）および第二因子とする回転速度の３水準の内容を示す表（ｂ）である。
【図２】図１の第一因子の４水準と第二因子の３水準について実験計画法によりブラシの摩耗速度を測定したときの測定結果を示すデータを示す表である。
【図３】図２の測定結果から得られた第一因子に対する摩耗速度のグラフ（ａ）および第二因子に対する摩耗速度のグラフ（ｂ）である。
【図４】この発明の第一の実施形態において使用モータのブラシの摩耗量を推定して寿命を知らせる装置および方法のブロック図である。
【図５】使用モータについて測定した回転速度の時間的変化の例を示すグラフ（ａ）、電流の時間的変化の例を示すグラフ（ｂ）、および回転速度と電流の積の時間的変化の例を示すグラフ（ｃ）である。
【図６】使用モータについて図５の測定結果から推定した第一因子に関するブラシの推定摩耗速度の時間的変化を示すグラフ（ａ）、第二因子に関するブラシの推定摩耗速度の時間的変化を示すグラフ（ｂ）、およびブラシの推定摩耗速度の合計の時間的変化を示すグラフである。
【図７】図６のブラシの推定摩耗速度の合計を積分して得たブラシの推定摩耗量を示すグラフである。
【図８】この発明の第二に実施形態において、モータの電流とモータの温度上昇を考察するための等価回路図である。
【図９】図８の等価回路におけるモータの温度上昇の様子を示すグラフである。
【図１０】使用モータの温度を考察する場合の回路模式図（ａ）、電流の時間的変化を示すグラフ（ｂ）、および温度の時間的変化を示すグラフ（ｃ）である。
【図１１】仮想モータの温度を考察する場合の回路模式図（ａ）、および温度の時間的変化を示すグラフ（ｂ）である。
【図１２】仮想モータの電流を考察する場合の回路模式図（ａ）、電流の時間変化を示すグラフ（ｂ）、および温度の時間的変化を示すグラフ（ｃ）である。
【図１３】この発明の第二の実施形態において使用モータのブラシ摩耗量を推定して寿命を知らせる装置および方法における、第一の実施形態を示す図４のブロック２２とブロック２３の間に追加する処理を表すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の第一の実施形態について説明する。まず、モータの運転条件に対してブラシの摩耗速度がどのように変化するかを参照モータについて実験してデータを取る。モータの運転条件として電流と回転速度をそれぞれ所望の値に設定するには、モータに供給する電圧とモータに掛ける負荷を調製することによって行う。実験は、モータの電流と回転速度の積を第一因子とし、回転速度または電流の何れかを第二因子として実験計画法従って行いデータ取得して因果関係の関数を求めるが、ここでは回転速度を第二因子とした場合について説明する。電流を第二因子とした場合でも、関数の形は多少異なるが、ブラシの摩耗量の推定には実用上有用である。なお、データ取得は、周囲温度条件を同じ（例えば、０℃）にして２元配置実験を行えば、取得データに周囲温度の違いによるばらつきが含まれないので、好都合である。
【００１６】
発明者による実験例では、第一因子Ｐおよび第二因子Ｑを図１の表に示すように設定した。すなわち、第一因子Ｐは、Ｐ１＝１５０［Ａｒａｄ／ｓ］（アンペアラジアン毎秒）、Ｐ２＝２００［Ａｒａｄ／ｓ］、Ｐ３＝２５０［Ａｒａｄ／ｓ］、Ｐ４＝３００［Ａｒａｄ／ｓ］の４水準、第二因子は、Ｑ１＝３００［ｒａｄ／ｓ］（ラジアン毎秒）、Ｑ２＝３２５［ｒａｄ／ｓ］、Ｑ３＝３５０［ｒａｄ／ｓ］の３水準を設定した。そして、これらの４水準と３水準の各組合せについて実験計画法に従って各運転条件下でのブラシの摩耗速度ｘij［ｎｍ／ｓ］（ナノメートル毎秒）（ここに、ｉは第一因子の水準番号、ｊは第二因子の水準番号）を測定した。測定結果を図２に示す。
【００１７】
各摩耗速度ｘijは、次式［数１］で表される内容を含んで成り立っている。
【００１８】
［数１］  ｘij＝ｍ＋ｐi ＋ｑi ＋εij
ここに、ｍは図２の摩耗速度ｘijの全データの平均値であり、ｐi は第一因子の主効果としての摩耗速度（平均値との差異）、ｑj は第二因子の主効果としての摩耗速度（平均値との差異）、εijは誤差の項（平均＝０、分散＝δ2 の正規分布）である。すなわち、各項は、次式［数２］で表される。
【００１９】
【数２】
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【００２０】
図２の測定データからｐ1 〜ｐ4 およびｑ1 〜ｑ3 を求めると、以下のとおりである。
ｐ1 ＝  ２．１−６．５＝−４．４、
ｐ2 ＝  ５．０−６．５＝−１．５、
ｐ3 ＝  ７．８−６．５＝＋１．３、
ｐ4 ＝１１．１−６．５＝＋４．６、
ｑ1 ＝  ５．７−６．５＝−０．８、
ｑ2 ＝  ６．５−６．５＝  ０、
ｑ3 ＝  ７．３−６．５＝＋０．８。
【００２１】
上記の第一因子の主効果としての摩耗速度および第二因子の主効果としての摩耗速度をグラフ上に測定点ごとにプロットし、各測定点の間を例えば区分線形補間により補間して第一関数および第二関数としてグラフに表すと、図３の（ａ）および（ｂ）のようになる。（ａ）の第一関数は、第一因子の関数として第一関数記憶装置に記憶しておき、（ｂ）の第二関数は、第二因子の関数として第二関数記憶装置に記憶しておく。また、この関係式では、平均値を別項として立てているので、平均値を平均値記憶装置に記憶しておく。なお、上記の説明では、摩耗速度ｘijの平均値を独立した項として立てて、第一因子の主効果と第二因子の主効果を平均値からの差異として把握したが、例えば、第一因子の主効果の値の中に平均値を取り込んだ関数として解析しても、理論的には等価である。さらに、モータのブラシの長さに対してその摩耗限界値を決めて、摩耗限界記憶装置に記憶しておく。
【００２２】
次に、実際に使用する同型のモータにおいて、ブラシの摩耗程度を推定する方法および装置について説明する。図４は、この発明の一実施形態におけるモータのブラシ寿命を知らせる装置のブロック線図である。使用するモータ２には、回転速度測定装置２１および電流測定装置２２が接続されていて、その回転速度ω(ｔ)および電流ｉ(ｔ)をそれぞれ時々刻々測定する。測定された回転速度ω(ｔ)と電流ｉ(ｔ)は、一方では、回転速度と電流の積２３を算出して、当該積の値を第一関数記憶装置１１の記憶内容である第一関数に照らして第一因子の主効果としての推定ブラシ摩耗速度ｐ(ｔ)を時々刻々求める。また、他方では、回転速度の値を第二関数記憶装置１２の記憶内容である第二関数に照らして第二因子の主効果としての推定ブラシ摩耗速度ｑ(ｔ)を時々刻々求める。摩耗速度の平均値が別項で記憶されている場合には、平均値記憶装置１０からブラシ摩耗速度の平均値ｍを取得する。これら摩耗速度ｐ(ｔ)、ｑ(ｔ)、ｍを合計して、総合摩耗速度の推定値のグラフを得る。
【００２３】
図５において、（ａ）は、回転速度ω(ｔ)の時間的変化を示すグラフ、（ｂ）は、電流ｉ(ｔ)の時間的変化を示すグラフ、（ｃ）は、回転速度ω(ｔ)と電流ｉ(ｔ)の積の時間的変化を示すグラフである。図６において、（ａ）は、図５の（ｃ）のグラフに示す回転速度ω(ｔ)と電流ｉ(ｔ)の積を図３の（ａ）に示す第一関数に照らして取得したブラシの推定摩耗速度ｐ(ｔ)の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ）は、図５の（ａ）のグラフに示す回転速度ω(ｔ)を図３の（ｂ）に示す第二関数に照らして取得したブラシの推定摩耗速度ｑ(ｔ)の時間的変化を示すグラフである。図６の（ｃ）は、図６の（ａ）の推定摩耗速度ｐ(ｔ)と図６の（ｂ）の推定摩耗速度ｑ(ｔ)の和にさらに平均値ｍを加算して得た推定摩耗速度の合計値のグラフである。図４に示すように、この推定摩耗速度の合計値を時間に対して積分（３０）すると図７に示すような推定摩耗量ｄ(ｔ)のグラフが得られる。ブラシの推定摩耗量ｄ(ｔ)を別途決めてあるブラシの摩耗限界値ｄx と比較（３１）して、ブラシの寿命を知らせ（３２）る。
【００２４】
次に、モータの温度（ブラシの温度）に応じてブラシの摩耗速度が変化することについて考察する。ブラシの摩耗は、電流および回転速度に強く影響されるが、温度にも影響されると考えられる。しかし、電流、回転速度および温度の３つの因子による３元配置実験を行うのは、データ数が多くなりすぎて現実的でない。そこで、発明者は、温度上昇による摩耗速度の増加を等価的に電流増加による摩耗速度の増加に置換して、上記第一の実施形態における２元配置の実験データを利用して求める手法を案出した。これにより、上記第一の実施形態において参照モータについて２元配置の実験データを取得した場合の周囲温度と異なる周囲温度で実際のモータが使用された場合に、温度の差異による推定摩耗速度のずれを小さくすることができる。以下に、第二の実施形態として説明する。
【００２５】
まず、参照モータについて、モータの熱特性を考察する。図８に示すように、巻線抵抗がＲL［Ω］であるモータをロックした状態で一定電流Ｉ［Ａ］を流す。モータの熱容量をＣ［Ｊ／Ｋ］、モータと周囲間の熱抵抗をＲth［℃／Ｗ］、周囲温度をＴa［℃］、モータ温度をＴm［℃］、微少時間Δｔ［ｓ］内に上昇する微少温度上昇をΔＴm［Ｋ］として、これらの関係を式で表すと、次式［数３］となる。
【００２６】
【数３】
2017118787.tif 000004
【００２７】
上式［数３］において、ＲL ・Ｉ2 はモータ巻線による発熱率［Ｗ］、（Ｔm(ｔ)−Ｔa）／Ｒthは放熱率［Ｗ］、これら２項の差は純発熱率［Ｗ］、この差にΔｔを掛けた量は微少時間内の純発熱量［Ｊ］、これを熱容量Ｃ［Ｊ／Ｋ］で割ると、モータ温度の変化分ΔＴm［Ｋ］である。
【００２８】
式［数３］を微分方程式の形で表すと、次式［数４］となる。
【００２９】
【数４】
2017118787.tif 000005
【００３０】
上式［数４］をモータ温度Ｔmについて解くと、次式［数５］が得られる。
【００３１】
【数５】
2017118787.tif 000006
【００３２】
上式［数５］をグラフで表すと、図９の形を呈する。図９は、ロックした状態で一定電流を流したモータにおいて、周囲温度がＴaの場合のモータ温度Ｔmの時間的変化を示している。
【００３３】
以上から、モータをロックした状態で一定の電流を流して、ブラシ温度の時系列データを採ると、モータのＣ・ＲthとＲL・Ｒthの２つの値が得られることが分かる。
【００３４】
次いで、周囲温度Ｔaとモータ電流Ｉ(ｔ)の時系列データからマイコンでモータ温度Ｔmを算出するために、式［数４］を離散化した式を使って、次式［数６］のように解く。
【００３５】
【数６】
2017118787.tif 000007
【００３６】
すなわち、Ｃ・ＲthとＲL・Ｒthが分かっていれば、ΔＴmが求まる。
【００３７】
以上の原理を応用して、図１０の（ａ）に示すように、使用モータＭについて電流ｉ(ｔ)と周囲温度Ｔa(ｔ)の時間的変化からモータ温度Ｔm(ｔ)の時間的変化を算出する。すなわち、［数６］の最下段の式でＩ(ｔ)＝ｉ(ｔ)と置いた次式［数７］で、Ｃ・ＲthとＲL・Ｒthとｉ(ｔ)とＴa(ｔ)とからΔＴmを求め、ΔＴmを積分してＴm(ｔ)を得る。図１０の（ｂ）と（ｃ）は、それぞれ電流ｉ(ｔ)とモータ温度Ｔm(ｔ)の時間的変化を示す。
【００３８】
【数７】
2017118787.tif 000008
【００３９】
前述したように、２元配置実験データは、周囲温度条件を同じ（例えば、０℃。以後、この温度をＴa'とする）で取得したが、それらデータを任意の周囲温度Ｔaについて利用するために、温度の違いを等価の電流補正値に置き換えることについて考察する。そこで、図１１の（ａ）を参照して、仮想モータＭ'について、一定の周囲温度Ｔa'［℃］で同じモータ温度を得るにはどれだけのモータ電流が必要かを求める。ただし、モータ温度Ｔm(ｔ)を得ることができるモータ電流を直接計算しようとすると、計算されたモータ電流が極端に大きい値となる場合があるので、まず、Ｔm(ｔ)を滑らかにするために１次ローパスフィルタ処理［＝１／（１＋ｓ・τ）］を施してＴm'(ｔ)を計算する。式［数８］は、１次ＬＰＦの演算内容を示す。
【００４０】
【数８】
2017118787.tif 000009
【００４１】
１次ローパスフィルタ（ＬＰＦ）であるから時定数τを指定する必要があるが、それは前出の時定数Ｃ・Ｒthと比べて十分に小さな値、例えば、Ｃ・Ｒth／１０のような値にすればよい。図１１の（ｂ）は、モータ温度Ｔm(ｔ)およびＴm'(ｔ)の時間的変化を示すグラフである。ここに、Ｔm'(t)の初期条件は、Ｔm'(０)＝Ｔa'とする。
【００４２】
最後に、図１２の（ａ）を参照して、仮想モータＭ'について、周囲温度が一定のＴa'
である場合にモータ温度がＴm'(ｔ)となるようなモータ電流ｉ'(ｔ)を次式［数９］により求める。
【００４３】
【数９】
2017118787.tif 000010
【００４４】
図１２の（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ電流および温度の時間的変化を示すグラフである。このようにして得られた温度変化に等価的な補正電流値ｉ'(ｔ)を前記第一実施形態の図４に示したブロック図の流れにおける使用モータの電流値ｉ(ｔ)の代わりに使用してブラシの摩耗量を推定し、ブラシの寿命を知らせる。以上説明した第二の実施形態の流れで図４に対して変更になる部分、すなわち、使用モータ２０についての周囲温度Ｔa(ｔ)の測定４１、参照モータについての巻線抵抗ＲL×熱抵抗Ｒthの記憶４２、熱容量Ｃ×熱抵抗Ｒthの記憶４３、周囲温度Ｔaの場合のモータ温度Ｔm(ｔ)の算出４４、周囲温度Ｔa'の場合のモータ温度Ｔm'(ｔ)の算出４５、周囲温度Ｔa'の場合の等価電流ｉ'(ｔ)の算出４６の部分を図１３に図解する。
【００４５】
以上の説明から理解できるように、この発明によれば、モータの回転速度と電流の積である第一因子および回転速度である第二因子という二つの観点から測定したブラシの摩耗速度に基づいて実際の使用モータにおいて測定した回転速度と電流に対してブラシの摩耗量を推定するので、より正確なブラシの寿命を知らせることができる。
【００４６】
また、第二の実施形態のように温度の要因を加えてブラシの摩耗量を推定すると、より精度の高い推定ができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…平均値記憶、１１…第一関数記憶、１２…第二関数記憶、１３…ブラシの摩耗限界値記憶、２０…使用モータ、２１…回転数測定、２２…電流測定、２３…回転速度×電流、３０…時間に対して積分、３１…比較、３２…寿命知らせ、４１…周囲温度測定、４２…巻線抵抗ＲL×熱抵抗Ｒthの記憶、４３…熱容量Ｃ×熱抵抗Ｒthの記憶、４４…モータ温度Ｔm(ｔ)の算出、４５…モータ温度Ｔm'(ｔ)の算出、４６…等価電流増分ｉ'(ｔ)の算出。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2017118787.tif 000021
【図１２】
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【図１３】
2017118787.tif 000023