CN116989924A - 电动马达的功耗计算方法及工业机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使旋转速度为零也能够高精度地计算功耗的电动马达的功耗计算方法。在具备由逆变器(35)供给电流来驱动的一个以上的电动马达(41)的工业机械(1)中，通过W_m＝2π·T_m·R_m/(η_m·η_p)/60+P_w来计算电动马达(41)的功耗W_m，功耗W_m的单位为W，其中，T_m为电动马达的输出转矩，其单位为Nm，R_m为电动马达的旋转速度，其单位为rpm，η_m为电动马达的马达效率，η_p为功率系数，P_w为逆变器的开关损耗，其单位为W。

Description

电动马达的功耗计算方法及工业机械

技术领域

本发明涉及在具备由逆变器驱动的电动马达的工业机械中计算电动马达的功耗的计算方法及工业机械。

背景技术

由电动马达驱动的工业机械有多个种类，例如有由电动马达驱动的电动注射成型机等。在电动注射成型机中设有转换器和逆变器，从工厂供给的三相交流电通过转换器而转换为直流电。并且，通过逆变器将直流电以期望的频率转换为期望的电流的三相交流电流并向电动马达供给。即，电动马达被驱动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5044621号公报

发明内容

专利文献1中提出了关于设置于注射成型机的电动马达计算其功耗(功率损耗、电力消耗)的方法。根据专利文献1记载的方法，基于在逆变器即伺服放大器中检测的电流和由旋转编码器检测的旋转速度来计算电动马达的功耗。计算中需要电动马达的输出转矩，而该输出转矩也根据电流计算。

专利文献1中记载的电动马达的功耗计算方法能够根据电流和旋转速度来计算，因此无需在伺服放大器中检测电压，具有无需设置电压计的优异特征。但是，也存在需解决的问题。具体来说，存在在电动马达不旋转时功耗计算为零的问题。例如，电动注射成型机中的成型周期包含保压工序。在保压工序中，需要通过驱动螺杆的注射轴伺服马达来产生转矩，将树脂压力维持为高压力。由于产生转矩，因此当然有电力消耗。但是，由于螺杆几乎不前进，因此旋转速度为零。在专利文献1记载的功耗计算方法中，存在此时的功耗为零的问题。

在本公开中，提供一种不需要电压计且即使在电动马达的旋转速度为零时也能够高精度地计算电动马达中消耗的电力的电动马达的功耗计算方法。

其他课题和新特征可根据本说明书的描述及附图获知。

本公开为在具备由逆变器供给电流来驱动的一个以上的电动马达的工业机械中计算电动马达的功耗W_m[W]的方法。功耗W_m通过W_m＝2π·T_m·R_m/(η_m·η_p)/60+P_w计算。

其中，T_m：输出转矩[Nm]

R_m：所述电动马达的旋转速度[rpm]

η_m：所述电动马达的马达效率

η_p:功率系数

P_w：所述逆变器的开关损耗[W]

输出转矩T_m通过检测向电动马达供给的电流I_m[A]并根据该电流I_m来获得。

发明效果

在本公开中，即使电动马达的旋转速度R_m为零，功耗W_m也不会变为零而能够高精度地计算该功耗W_m。

附图说明

图1是示出本实施方式的注射成型机的主视图。

图2是本实施方式的注射成型机中的向电动马达供电的供电***图。

图3A是示出伺服马达的电流与输出转矩的关系的曲线图。

图3B是示出伺服马达的转速与功率的关系的曲线图。

图3C是示出以功率半导体进行开关动作时的端子间电压及端子间电流的变化的曲线图。

图3D是示出伺服马达的电流与逆变器中的开关损耗的关系的曲线图。

图4是示出本实施方式的伺服放大器功耗画面。

其中，附图标记说明如下：

1注射成型机 2合模装置

3注射装置 4控制装置

5顶出装置

7固定体 8可动体

9合模壳体 11系杆

13肘节机构 15固定侧模具

16可动侧模具 19加热缸

20螺杆 22螺杆驱动装置

23料斗 24注射喷嘴

30转换器 31三相交流电源

33直流电压线

35、36、37、38伺服放大器

41、42、43、44伺服马达

46、47、48、49电流传感器

51、52、53、54旋转编码器

B机座

具体实施方式

以下，参照附图详细说明具体的实施方式。但是，并非限定于以下实施方式。为了使说明明确，以下记载及附图适当简化。在各附图中，对相同的要素标注同一附图标记并根据需要而省略重复说明。另外，存在省略剖面线的部分，以免附图变得繁杂。

后面详细说明的本实施方式的电动马达的功耗计算方法为在具备电动马达的工业机械中实施的计算方法。工业机械有冲压机、挤出机、车床装置等多种机械。在以下的说明中，作为工业机械的一例举出注射成型机，据此来说明本实施方式。

＜注射成型机＞

如图1所示，本实施方式的注射成型机1包括合模装置2、注射装置3及顶出装置5等。注射成型机1具备控制器、即控制装置4，合模装置2、注射装置3、顶出装置5等由控制装置4控制。在控制装置4设有监视器4a，以显示各种画面。

＜合模装置＞

合模装置2包括固定于机座B的固定体7、在机座B上滑动自如地设置的可动体8和合模壳体9。固定体7与合模壳体9通过多根系杆11、11、……连结，可动体8在固定体7与合模壳体9之间滑动自如。在合模壳体9与可动体8之间设有合模机构、即，在本实施方式中设有肘节机构13。固定侧模具15、可动侧模具16分别设置于固定体7、可动体8。因此，在驱动肘节机构13时，模具15、16进行模开闭。此外，将成型品顶出的顶出装置5设置于可动体8。

＜注射装置＞

注射装置3包括加热缸19、设置在加热缸19内的螺杆20、和螺杆驱动装置22。加热缸19支承于螺杆驱动装置22，通过螺杆驱动装置22在旋转方向及轴向上驱动螺杆20。加热缸19设有料斗23和注射喷嘴24。

使注射装置3前进而使注射喷嘴24与固定侧模具15接触。基于来自控制装置4的指令对加热缸19进行加热，并从料斗23供给注射材料，使螺杆20旋转。由此，注射材料熔融并被输送至螺杆20的前端。即，注射材料被计量。在注射材料被计量后，基于控制装置4的指令来控制螺杆驱动装置22，将螺杆20沿轴向驱动。由此，伴随螺杆20的前进而将注射材料向前方挤出。即，注射材料被注射到模具15、16中。

＜供电***＞

本实施方式的注射成型机1由伺服马达即电动马达驱动。对供电的***进行说明。如图2所示，在本实施方式的注射成型机1中设有转换器30。转换器30与工厂的三相交流电源31连接，并与设置在注射成型机1内的直流电压线33连接。在直流电压线33上连接有多个逆变器即伺服放大器35、36、37、38、……。并且，在各伺服放大器35、36、37、38、……连接有伺服马达41、42、43、44、……。也就是连接有注射轴伺服马达41、塑化轴伺服马达42、模开闭轴伺服马达43、顶出轴伺服马达44、……。

三相交流电源31的三相交流电通过转换器30转换为直流电并向直流电压线33供给。然后，直流电通过伺服放大器35、36、37、38、……转换为期望频率的期望电流的三相交流电，并向各伺服马达41、42、……供给。由此伺服马达41、42、43、44、……被驱动。另外，在伺服马达41、42、43、44、……中，再生电力被回收并由伺服放大器35、36、37、38、……转换为直流电。在转换器30由PWM转换器构成的情况下，还能够使再生电力返回至三相交流电源31侧。

这些伺服放大器35、36、37、38、……分别设有测定电流的电流传感器46、47、48、49、……，以检测向伺服马达41、42、43、44、……供给的电流。另外，伺服马达41、42、43、44、……设有旋转编码器51、52、53、54、……，由此检测伺服马达41、42、43、44、……的转速。电流及转速被发送至控制装置4(参见图1)。

＜本发明的背景＞

在说明本实施方式的电动马达的功耗计算方法之前，说明本发明的背景。近年来，以所谓的SDGs(可持续的开发目标)等为代表，在各种领域要求节约资源、抑制能量消耗，在工业机械中也有同样的要求。在具备电动马达的工业机械中，希望重新评估电动马达的功耗。在重新评估工业机械中的电动马达的功耗时，需要关于各电动马达掌握准确的功耗。其原因在于，通过作为所谓的“可视化”而使各电动马达的功耗清楚，能够重新评估各电动马达的驱动，其结果为，有助于抑制工业装置整体的功耗。

此外，关于电动马达，由于在逆变器中设有电流传感器，因此能够使用该电流传感器来计算功耗。作为计算方法，例如有专利文献1中记载的功耗计算方法。但是，根据该计算方法，如前所述，在电动马达不旋转时计算出功耗为零。在使各电动马达的功耗“可视化”时，存在虽然产生功耗却显示为零的问题。

因而，本申请发明人研究了在电动马达不旋转时也能够高精度计算功耗的计算方法。作为在电动马达不旋转时产生的电力，本申请发明人着眼于逆变器的开关损耗。这是因为开关损耗是在构成逆变器的IGBT等功率半导体开关时产生的电力损耗，即使电动马达不旋转，只要逆变器产生电流也会产生电力损耗。通常，开关损耗作为伺服放大器效率η_sa，像专利文献1所记载的方法那样被视为与电力(功率)相乘的系数。本申请发明人通过重新研究该开关损耗的使用方式而完成了本发明。

＜本实施方式的电动马达的功耗计算方法＞

本实施方式的电动马达的功耗计算方法在控制装置4(参见图1)中实施，控制装置4通过以下的计算式来计算功耗W_m[W]。

W_m＝2π·T_m·R_m/(η_m·η_p)/60+P_w(1式)

其中，T_m：电动马达的输出转矩

R_m：电动马达的旋转速度[rpm]

η_m：电动马达的马达效率

η_p:功率系数

P_w：逆变器的开关损耗[W]

开关损耗P_w没有被作为与电力相乘的系数，而是作为与电力相加的构成要素。由此，即使电动马达的旋转速度R_m为零，功耗W_m也不会变为零。以下，说明构成计算式的各要素。

电动马达的输出转矩T_m是伺服马达41、42、43、44、……(参见图2)的输出转矩，根据由电流传感器46、47、48、49、……测定的电流I_m计算。电流I_m与输出转矩T_m的关系根据伺服马达41、42、43、44、……的型号而不同，大致为图3A的曲线61的关系。曲线61表示电流I_m的有效值与输出转矩T_m的关系，当得到电流I_m时就能够得到输出转矩T_m。在控制装置4中针对伺服马达41、42、43、44、……的每一个设有表示电流I_m的有效值与输出转矩T_m的关系的表，通过线性插补等计算输出转矩T_m即可。

此外，在本实施方式的注射成型机1中，向伺服马达41、42、43、44、……供给的电流I_m被控制在线性较高的范围62、例如有效值为100Arms以下的范围内。在该范围62内，曲线61能够视为一次函数63。因此，在本实施方式的注射成型机1中，能够简单地计算输出转矩T_m，可将电流I_m乘以与一次函数63的斜率相当的系数来获得。

电动马达的旋转速度是伺服马达41、42、43、44、……的旋转速度，由旋转编码器51、52、53、54、……来检测。电动马达的马达效率η_m是伺服马达41、42、43、44、……的效率，被设为伺服马达41、42、43、44、……的型号固有的系数。

如图3B的曲线65所示，功率因数η_p被设为伺服马达41、42、43、44、……的旋转速度R_m的函数。功率因数η_p根据伺服马达41、42、43、44、……的型号而不同，在控制装置4中保存有表示η_p功率与旋转速度R_m的关系的表。控制装置4基于该表来获得功率因数η_p。

开关损耗P_w是在IGBT、MOSFET等功率半导体的开关时产生的电力损耗。图3C中示出功率半导体的端子之间、例如在IGBT中为集电极-发射极之间、在MOSFET中为漏极-源极之间的端子间电压67及端子间电流68的变化。在时间点70向栅极施加电压，在时间点72解除电压施加。也就是进行开关动作。由此，从时间点70起端子间电压67降低且端子间电流68上升，在时间点71以后，端子间电压67与端子间电流68变为固定。另一方面，从时间点72起，端子间电压67上升且端子间电流68降低，在时间点73以后变为固定。在该开关动作中，在上升时间75以及下降时间76产生电力损耗。

功率半导体的电力损耗由下式获得。

电力损耗＝(1/6)·I_max·V_max·(T_r+T_f)·f_sw(2式)

其中，I_max：端子间电流68的最大值

V_max：端子间电压67的最大值

T_r：上升时间75

T_f：下降时间76

f_sw：开关频率

上升时间T_r和下降时间T_f在实验中获得。

然而，在逆变器即伺服放大器35、36、37、38、……(参见图2)中设有上下3个桥臂、即合计6个功率半导体。因此，将这些电力损耗合计，则能够计算开关损耗P_w。然而，构成2式的端子间电压的最大值V_max、上升时间T_r及下降时间T_f均能够视为固定值。开关频率f_sw虽然能够以多种模式变化，但即使变化也能够分别视为固定值。由此，2式的电力损耗能够视为端子间电流的最大值I_max的函数。在该情况下，各伺服放大器35、36、37、38、……的开关损耗P_w成为在伺服放大器35、36、37、38、……中流动的电流I_m的函数，成为图3D的曲线80。在控制装置4(参见图1)中预先设有表示曲线80的关系的表，根据电流I_m求出开关损耗P_w即可。

＜伺服放大器功耗画面＞

图4中示出本实施方式的伺服放大器功耗画面。该画面显示在控制装置4(参见图1)的监视器4a上。关于注射轴伺服马达41、塑化轴伺服马达42、模开闭轴伺服马达43、顶出轴伺服马达44、……的各伺服放大器35、36、37、38、……，利用1式计算功耗W_m，并作为瞬时值进行显示。此外，计算每个成型周期的功耗量并进行显示。

＜本实施方式的变形例＞

本实施方式能够实施各种变形。例如，能够对开关损耗P_w的计算方法进行变形。以上说明了开关损耗P_w作为伺服放大器35、36、37、38、……的电流I_m的函数来计算。但是，在例如作为功率半导体采用IGBT的情况下，也可以将开关损耗P_w作为不依赖于电流I_m的常数而简单地设定。另一方面，在例如作为功率半导体而采用SIC的情况下，开关损耗P_w在电流I_m为零时能够设为零，在电流I_m大于零时能够设为固定值。功率因数η_p的计算方法也能够变形，也可以设为常数。

以上基于实施方式具体地说明了本申请发明人实施的发明，但本发明并非限定于所说明的实施方式，当然能够在不脱离其主旨的范围内进行多种变更。以上说明的多个例子也能够适当组合实施。

Claims (10)

1.一种电动马达的功耗计算方法，其特征在于，

在具备由逆变器供给电流来驱动的一个以上的电动马达的工业机械中计算所述电动马达的功耗，

该方法包括：

测定向所述电动马达供给的电流I_m，所述电流I_m的单位为A，

根据所述电流I_m获得所述电动马达的输出转矩T_m，所述输出转矩T_m的单位为Nm，

通过W_m＝2π·T_m·R_m/(η_m·η_p)/60+P_w来计算所述电动马达的功耗W_m，所述功耗W_m的单位为W，

其中，

R_m为所述电动马达的旋转速度，其单位为rpm，

η_m为所述电动马达的马达效率，

η_p为功率系数，

P_w为所述逆变器的开关损耗，其单位为W。

2.根据权利要求1所述的电动马达的功耗计算方法，其特征在于，

所述开关损耗P_w被设为所述电流I_m的函数。

3.根据权利要求1所述的电动马达的功耗计算方法，其特征在于，

所述开关损耗P_w被设为常数。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电动马达的功耗计算方法，其特征在于，

所述功率因数η_p被设为所述旋转速度R_m的函数。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的电动马达的功耗计算方法，其特征在于，

所述工业机械为注射成型机。

6.一种工业机械，其特征在于，包括：

由逆变器供给电流来驱动的一个以上的电动马达；以及

控制装置，

所述工业机械测定向所述电动马达供给的电流I_m，所述电流I_m的单位为A，

根据所述电流I_m获得所述电动马达的输出转矩T_m，所述输出转矩T_m的单位为Nm，

通过W_m＝2π·T_m·R_m/(η_m·η_p)/60+P_w进行来计算来获得所述电动马达的功耗W_m，所述功耗W_m的单位为W，

其中，

R_m为所述电动马达的旋转速度，其单位为rpm，

η_m为所述电动马达的马达效率，

η_p为功率系数，

P_w为所述逆变器的开关损耗，其单位为W，

将所述电动马达的所述功耗W_m显示在所述控制装置上。

7.根据权利要求6所述的工业机械，其特征在于，

所述开关损耗P_w被设为所述电流I_m的函数。

8.根据权利要求6所述的工业机械，其特征在于，

所述开关损耗P_w被设为常数。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的工业机械，其特征在于，

所述功率因数η_p被设为所述旋转速度R_m的函数。

10.根据权利要求6～8中任一项所述的工业机械，其特征在于，

所述工业机械为注射成型机。