JP2018107934A - モータ寿命推定方法、モータ制御システム、送風機システム、およびマルチコプターシステム - Google Patents

モータ寿命推定方法、モータ制御システム、送風機システム、およびマルチコプターシステム Download PDF

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Abstract

【課題】回転数が変化する使用状況下に置かれたモータの寿命を精度良く推定することが可能となるモータ寿命推定方法。
【解決手段】デューティ比の可変制御により駆動されるモータの寿命推定方法であって、寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定するモータ寿命推定方法。
Figure 2018107934

Ｌs：寿命消化量、ｔi：ｉ区間での駆動時間、Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間、Ｋi：ｉ区間での温度
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ寿命推定方法に関する。
従来、モータは様々な機器に搭載され、モータには寿命が存在する。例えば、特許文献１には、ファンモータを有する冷却ファンが搭載された画像形成装置が開示される。
上記特許文献１の画像形成装置では、次のような方法で冷却ファンの寿命を推定する。画像形成装置が備えるＣＰＵは、温度センサにより検知された外気温度と、各動作モードでの温度上昇値に基づき、冷却ファン温度を算出する。そして、上記ＣＰＵは、上記算出された冷却ファン温度と、補正式に基づき、冷却ファンの駆動時間を補正する。そして、上記ＣＰＵは、補正後の駆動時間から積算駆動時間を算出し、算出された積算駆動時間が推定寿命限界を超えているかを判断する。
特開２０１６−７１０１１号公報
しかしながら、ファンモータを含む様々なモータは、回転数が変化する使用状況下に置かれる場合も多い。上記特許文献１の寿命推定方法では、冷却ファン温度のみに基づき積算駆動時間を算出しており、ファンモータの回転数が考慮されていないため、回転数が変化する使用状況下において、モータの寿命を高精度に推定することができない。
上記状況に鑑み、本発明は、回転数が変化する使用状況下に置かれたモータの寿命を精度良く推定することが可能となるモータ寿命推定方法、モータ制御システム、送風機システム、およびマルチコプターシステムを提供することを目的とする。
本発明の例示的なモータ寿命推定方法は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータの寿命推定方法であって、
寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間での温度
また、本発明の例示的なモータ制御システムは、デューティ比の可変制御により駆動されるモータと、前記モータの駆動情報を読み取る制御部と、を備え、
前記制御部は、前記モータの寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部を有する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間での温度
また、本発明の例示的な送風機システムは、前記モータと、前記モータの回転部に固定されて複数の羽根を有するインペラと、を有する送風機と、
上記構成のモータ制御システムと、を備える。
また、本発明の例示的なモータ寿命推定方法は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータの寿命推定方法であって、
寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
値
また、本発明の例示的なモータ制御システムは、デューティ比の可変制御により駆動されるモータと、前記モータの駆動情報を読み取る制御部と、を備え、
前記制御部は、前記モータの寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部を有する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
値
また、本発明の例示的なマルチコプターシステムは、前記モータと、前記モータによって回転するプロペラと、を有するマルチコプター本体と、
上記構成のモータ制御システムと、を備える。
本発明の例示的なモータ寿命推定方法、モータ制御システム、送風機システム、およびマルチコプターシステムによれば、回転数が変化する使用状況下に置かれたモータの寿命を精度良く推定することが可能となる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る送風機システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、環境温度４０℃におけるデューティ比、モータの寿命時間、およびモータの温度上昇値の関係の一例を示す表である。 図３は、図２に対応するデューティ比と寿命時間の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の第１実施形態に係る寿命消化量の算出処理の一例を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第１実施形態の第１変形例に係る送風機システムの概略構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第１実施形態の第２変形例に係る送風機システムの概略構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係るマルチコプター本体の外観を示す概略斜視図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係るマルチコプターシステムのブロック構成図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係るマルチコプター起動時の処理を示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第２実施形態に係るマルチコプター起動後の処理を示すフローチャートである。
以下に本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。
＜１．第１実施形態＞
ここでは、本発明を送風機システムに適用した一例に係る実施形態について説明する。
＜１−１．送風機システムの構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る送風機システム５の概略構成を示すブロック図である。図１に示す送風機システム５は、送風機１と、駆動回路２と、制御部３と、温度センサ４と、を備える。送風機システム５は、外部装置の一例としての熱源であるＣＰＵ６を冷却する。送風機システム５およびＣＰＵ６は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に備えられる。
送風機１は、モータ１Ａと、インペラ１Ｂと、を有する。モータ１Ａは、ブラシレスＤＣモータにより構成される。モータ１Ａは、例えば、３相モータ（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）である。モータ１Ａは、ステータおよびロータ（いずれも不図示）を有する。ステータは、ステータコアに巻回されたコイルを有する。コイルに電流が流されることにより磁界が発生することで、ロータがステータに対して相対的に回転する。すなわち、ロータは、回転部として機能する。
インペラ１Ｂは、モータ１Ａのロータに含まれるシャフトに固定される。ロータがモータ１Ａの回転軸周りに回転することにより、インペラ１Ｂは上記回転軸周りに回転する。インペラ１Ｂは、例えば樹脂成型による成型品であり、上記回転軸周りの周方向に配列される複数の羽根を有する。インペラ１Ｂは、回転することにより、例えば軸流方向に流れる風を生じさせる。その場合、冷却対象であるＣＰＵ６は、インペラ１Ｂの軸流方向の下流側に配置される。
駆動回路２は、ＰＷＭ信号生成部およびドライバ（いずれも不図示）を有する。ＰＷＭ信号生成部は、モータ１Ａの回転速度が制御部３から入力される速度目標値と一致するようにデューティ比を調整したＰＷＭ信号を生成してドライバに出力する。ドライバは、ＰＷＭ信号に基づいてモータ１Ａのコイルに電流を流すことで、モータ１Ａを回転駆動させる。すなわち、駆動回路２は、デューティ比の可変制御によってモータ１Ａの回転数（回転速度）を変化させる。
送風機システム５において、モータ１Ａ、駆動回路２、および制御部３からモータ制御システムＭＣが構成される。すなわち、送風機システム５は、モータ制御システムＭＣを有する。制御部３は、算出部３Ａ、記憶部３Ｂ、信号出力部３Ｃ、および温度制御部３Ｄを有する。
温度センサ４は、ＣＰＵ６自体の温度を検出するセンサである。温度制御部３Ｄは、温度センサ４により検出される検出温度が温度目標値に一致するように速度目標値を生成して駆動回路２に出力する。具体的には、検出温度が温度目標値より高くなれば、温度制御部３Ｄは、速度目標値を上げることで、モータ１Ａの回転数を上げる。また、検出温度が温度目標値より低くなれば、温度制御部３Ｄは、速度目標値を下げることで、モータ１Ａの回転数を下げる。これにより、ＣＰＵ６の冷却制御が行われ、ＣＰＵ６自体の温度は一定に制御される。
なお、算出部３Ａ、記憶部３Ｂ、および信号出力部３Ｃに関しては、モータ１Ａの寿命推定に関する構成部であり、後に詳述する。
＜１−２．モータの寿命推定＞
次に、モータ制御システムＭＣにおけるモータ１Ａの寿命推定について説明する。制御部３の算出部３Ａは、駆動回路２から読み出したデューティ比（駆動情報）と、温度センサ４により検出される検出温度に基づき、下記（１）式を用いて寿命消化量を算出する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間（モータの駆動時間）
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間での温度
寿命消化量は、モータ１Ａの寿命を１とした場合に、寿命における寿命を消化した量の比率を示す。すなわち、モータ１Ａの残寿命は、（１−Ｌs）となる。ｉ区間は、算出を行う時間的な区間である。上記（１）式の右辺におけるカッコ内の値であるｉ区間における寿命消化量を、ｔi、Ｌi、およびＫiを用いてｉ区間ごとに算出し、ｉ区間で積算することにより、消化寿命量Ｌsが算出される。デューティ比Ｄiは、駆動回路２から読み出したデューティ比を用い、温度Ｋiは、温度センサ４による検出温度を用いる。
ここで、上記（１）式中のＬiについて説明する。図２に示す表において、Δｔ[℃]
は、モータの環境温度が４０℃の条件下において、各デューティ比でモータを運転したときのモータ自身の温度上昇値を示す。例えば、デューティ比が１００％のとき、モータ温度は４２．２℃だけ無運転時から上昇し、デューティ比が４０％のとき、モータ温度は５．６℃だけ無運転時から上昇する。デューティ比が大きいほど、モータの温度上昇値は大きくなる。デューティ比が大きいほどモータのコイルに流す電流量が増え、コイルの巻線温度の上昇値が大きくなるためである。
図２において、デューティ比１００％でモータを運転した場合、モータ自身の温度上昇Δｔは４２．４℃となり、そのときのモータの寿命時間（Life）は８００００時間である
。デューティ比１００％におけるこの寿命時間である８００００時間と、各デューティ比に対応する温度上昇値Δｔが既知であるとすると、下記（２）式によって各デューティ比
に対応する寿命時間が算出される。
Life=Ａ×（１．５）B Ｂ＝（Ｃ−Ｄ）／１０ （２）
Life:寿命時間
Ａ：８００００（デューティ比１００％での寿命時間）
Ｃ：４２．４（デューティ比１００％での温度上昇値Δｔ）
Ｄ：計算を行うデューティ比に対応する温度上昇値Δｔ
上記（２）式中の１．５という値は、モータの温度加速係数である１．５倍／１０℃を示す。この温度加速係数の値は、ＩＰＣ標準規格のＩＰＣ−９５９１により規定されている。例えば、デューティ比４０％である場合、対応する温度上昇値Δｔは５．６であるた
め、Ｄ＝５．６として上記（２）式から寿命時間Lifeは３５６０００時間と算出される。このように上記（２）式を用いることで、図２に示すようにデューティ比９０％〜３０％について、各々寿命時間Lifeが算出される。図２に示すデューティ比と寿命時間の関係を、図３にグラフとして示す。図３に示すように、デューティ比が小さくなるほど、寿命時間は大きくなる。
なお、図２に示した寿命時間Lifeおよび温度上昇値Δｔの具体的な値は、あくまで一例
であり、モータの仕様によってこの値は変化する。
また、上記（１）式中の右辺における（１．５）mについては、温度加速係数である１．５倍／１０℃を示す。ここで、例えば、ｉ区間でのデューティ比Ｄiが５０％であり、ｉ区間での温度Ｋiが５０℃である場合、上記（１）式中の右辺のカッコ内の分母は、Ｌi×（１．５）m＝３３１０００×（１．５）-1として算出される。
本実施形態におけるモータ制御システムＭＣでは、ＣＰＵ６自体の温度を制御すべく、デューティ比の可変制御を行うことでモータ１Ａの回転数を変化させる。このようにモータ１Ａの回転数が変化する状況において、上記（１）式を用いることにより、デューティ比および温度を考慮して寿命消化量を算出することができる。従って、モータ１Ａの寿命を精度良く推定することが可能である。なお、本実施形態では、上記（１）式中の温度Ｋiには、温度センサ４による検出値を用いるので、温度センサ４を寿命推定と冷却制御とに共用することができる。
図４は、上記（１）式を用いた寿命消化量の算出処理の一例を示すフローチャートである。図４のフローチャートが開始すると、制御部３は、モータ１Ａの駆動時間のカウントを開始する。まずステップＳ１で、制御部３は、駆動回路２からデューティ比情報を読み取るとともに、温度センサ４により検出された温度情報を取得する。
ステップＳ２で、制御部３は、今回取得したデューティ比が前回のデューティ比から変化しているか否かを判定する。もし変化していない場合は（ステップＳ２のＮ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３で、制御部３は、今回取得した温度が前回の温度から変化しているか否かを判定する。もし変化していない場合は（ステップＳ３のＮ）、ステップＳ１に戻り、制御部３は、デューティ比および温度を新たに取得する。
デューティ比および温度の変化がなく、ステップＳ１〜Ｓ３の処理が繰り返されると、駆動時間のカウントが進む。そして、デューティ比に変化があった場合（ステップＳ２のＹ）、または温度に変化があった場合（ステップＳ３のＹ）、ステップＳ４に進む。ステップＳ４に進んだときに、ｉ区間が区切られることとなる。
ステップＳ４で、算出部３Ａは、ステップＳ１で前回取得したデューティ比および温度、並びに現在カウントされている駆動時間に基づき、上記（１）式中の右辺におけるカッコ内の値であるｉ区間での寿命消化量を算出する。前回取得したデューティ比および温度とは、変化が生じる前の値である。
このとき、記憶部３Ｂには、あらかじめ例えば図２に示すようなデューティ比と寿命時間との関係がテーブルとして記憶されており、算出部３Ａは、当該テーブルを参照してＬiを決定する。なお、駆動回路２によるデューティ比の調整は、図２に示すように１０％ごとにだけ行えるようにしてもよいし、さらに細かい単位で行えてもよい。細かい単位で調整する場合は、テーブルの値を補間することにより寿命時間を決定してもよい。
そして、算出部３Ａは、それまでに算出されて記憶部３Ｂに記憶されている寿命消化量Ｌsに、上記算出されたｉ区間での寿命消化量を加算することで、寿命消化量Ｌsを新たに算出する。算出部３Ａは、新たに算出された寿命消化量Ｌsを記憶部３Ｂに記憶させる。すなわち、ｉ区間での寿命消化量を積算することにより、寿命消化量Ｌsを算出する。つまり、寿命消化量を積算することで、モータ１Ａの総寿命消化量を算出することができる。
ステップＳ４の後、ステップＳ５で、制御部３は、駆動時間をリセットし、駆動時間のカウントを再開する。そして、ステップＳ１へ戻る。
つまり、図４に示す処理であれば、温度と連動してデューティ比が変化している間は、温度かデューティ比の少なくともいずれかが変化するので、都度、ステップＳ４に進んで寿命消化量を算出し、温度とデューティ比が安定すれば、ステップＳ４に進まないので、駆動時間のみがカウントされ続け、次に温度が変化したときにステップＳ４に進む。
上述した図４の処理では、デューティ比または温度に変化が生じたタイミングでｉ区間が区切られるので、ｉ区間の長さは一定とはならない。しかしながら、図４の処理とは別の実施形態として、例えば、一定の単位時間ごとにデューティ比および温度を取得して寿命消化量を算出することも可能であり、その場合は、ｉ区間は一定となる。
本実施形態では、モータ１Ａの駆動状態と同期して寿命消化量を算出しているが、モータ寿命推定方法はこの限りではない。たとえば、モータ駆動前に予めモータ回転数および温度を想定し、上記算出式を用いて予測寿命消化量を計算してもよい。予測寿命消化量を計算することでモータの残寿命を算出し、モータの交換または修理などの処置を行うことができる。
＜１−４．アラーム機能について＞
上記のように算出される寿命消化量は、１以上となった場合にモータの寿命が尽きたことに相当する。そこで、本実施形態では、算出部３Ａにより算出される寿命消化量が、１より小さい設定値（例えば０．９など）以上になった場合に、制御部３の信号出力部３Ｃがアラーム信号を出力する。アラーム信号を出力することで、送風機システム５およびＣＰＵ６が設けられる例えばＰＣにおける表示部、または音声出力部によりユーザにアラームを通知することができる。これにより、モータの残寿命が少なくなったことをユーザに知らせることができる。
＜１−５．温度センサの配置に関する変形例＞
先述した送風機システム５においては、温度センサ４は、熱源であるＣＰＵ６自体の温度を検出する位置に配置されていた。しかしながら、これに限らず、例えば、図５に示す第１変形例に係る送風機システム５１のように、温度センサ４を、ＣＰＵ６の周囲温度を検出する位置に配置してもよい。この場合、制御部３の温度制御部３Ｄは、温度センサ４により検出されるＣＰＵ６の周囲温度に基づき、デューティ比の可変制御を行うことでモータ１Ａの回転数を制御し、ＣＰＵ６の冷却制御を行う。また、算出部３Ａは、上記（１）式中の温度Ｋiの値に、温度センサ４により検出される温度を用いて、寿命消化量を算出する。このような形態でも、温度センサ４を冷却制御と寿命推定とに共用できる。
また、第２変形例に係る実施形態として、図６に示す送風機システム５２のような構成を採用してもよい。送風機システム５２では、モータ１Ａの環境温度を検出する温度センサ４１と、熱源であるＣＰＵ６自体の温度を検出する温度センサ４２を設ける。温度制御部３Ｄは、温度センサ４２により検出される温度に基づき、デューティ比の可変制御を行うことでモータ１Ａの回転数を制御し、ＣＰＵ６の冷却制御を行う。また、算出部３Ａは、上記（１）式中の温度Ｋiの値に、温度センサ４１により検出される温度を用いて、寿命消化量を算出する。温度Ｋiの値にモータ１Ａの環境温度を用いることで、より精度の高い寿命推定を行うことができる。
＜１−６．送風機の冷却対象に関する変形例＞
先述した実施形態では、送風機の冷却対象である外部装置をＣＰＵとしていた。外部装置は、その他にも、例えば、ＵＰＳ（無停電電源装置）としてもよい。この場合、送風機システムをＵＰＳ内部に設ける。温度センサは、ＵＰＳ内部の温度を検出する。
制御部の温度制御部は、温度センサにより検出される温度に基づき、デューティ比の可変制御を行うことでモータの回転数を制御し、ＵＰＳ内部の冷却制御を行う。これにより、ＵＰＳの負荷の状況によりＵＰＳ内部の発熱状況が変化したとしても、ＵＰＳ内部の温度を制御することができる。
また、算出部は、上記（１）式中の温度Ｋiの値に、温度センサにより検出される温度を用いて、寿命消化量を算出する。これにより、上記冷却制御によってモータの回転数が変化する状況であっても、精度良くモータの寿命を推定することができる。
特に、ＵＰＳは、銀行、空港、地下鉄といったインフラ関係の設備に用いられる場合が多く、設備の完全な停止は許されない。従って、ＵＰＳには高い信頼性が要求されるので、従来、ＵＰＳに用いられるモータは、３年程度で交換することが多い。しかしながら、この３年という交換時期には根拠がなく、交換が非効率的であった。
そこで、本実施形態のように、ＵＰＳに用いられるモータの寿命を精度良く推定することができれば、算出される寿命消化量が１より小さい設定値以上となった場合に、信号出力部によりアラーム信号を出力することが可能である。これにより、ＵＰＳのユーザに、モータの残寿命が少なくなったことを通知することが可能となり、モータの交換を促すことができる。従って、モータの交換を効率的とすることができる。
また、送風機システムをサーバー装置に設けることも可能である。特にサーバー装置においては、送風機を複数配置して冗長性を考慮した設計が行われることが多い。ここで、冗長性とは、通常は複数の送風機の各モータを低、中速の回転数で駆動し、１台のモータが故障した場合に、残されたモータによって冷却をリカバリーするコンセプトである。この場合、残されたモータは、回転数を通常よりも上昇させる。このように、モータの回転数が変化するようなサーバー装置においても、本発明を適用することにより、モータの寿命を精度良く推定することができる。
＜１−７．第１実施形態によって実現される例示的な発明構成＞
以上説明した第１実施形態に係るモータ寿命推定方法は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータ（１Ａ）の寿命推定方法であって、寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータ（１Ａ）の寿命を推定する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間での温度
このような構成によれば、回転数が変化する状況下に置かれたモータ１Ａの寿命を精度良く推定することが可能となる。
また、前記モータの残寿命は、（１−Ｌs）である。
また、本実施形態に係るモータ制御システム（ＭＣ）は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータ（１Ａ）と、前記モータ（１Ａ）の駆動情報を読み取る制御部（３）と、を備え、前記制御部（３）は、前記モータ（１Ａ）の寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部（３Ａ）を有する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間での温度
このような構成によれば、回転数が変化する状況下に置かれたモータ１Ａの寿命を精度良く推定することが可能となる。
また、前記制御部（３）は、前記算出部（３Ａ）により算出された前記寿命消化量が設定値以上であるときに、アラーム信号を出力する信号出力部（３Ｃ）をさらに有する。
これにより、モータ１Ａの残寿命が少なくなったことをユーザに通知することができる。
また、本実施形態に係る送風機システム（５、５１、５２）は、前記モータ（１Ａ）と、前記モータ（１Ａ）の回転部に固定されて複数の羽根を有するインペラ（１Ｂ）と、を有する送風機（１）と、上記構成のモータ制御システム（ＭＣ）と、を備える。
これにより、モータ１Ａの回転数を変化させることにより冷却制御を行う送風機１について、モータ１Ａの寿命を精度良く推定することが可能となる。
また、上記構成の送風機システム（５、５１、５２）において、前記温度Ｋiは、前記送風機（１）が冷却する外部装置（６）自体の温度、前記外部装置（６）の周囲温度、または前記モータ（１Ａ）の環境温度のいずれかである。
これにより、温度Ｋiが、送風機１が冷却する外部装置６自体の温度、外部装置６の周囲温度のいずれかの場合は、温度センサを冷却制御と寿命推定とで共用できる。また、温度Ｋiがモータ１Ａの環境温度である場合は、より高精度に寿命推定を行うことができる。
また、上記構成の送風機システム（５、５１、５２）において、前記モータ制御システム（ＭＣ）に備えられる制御部（３）は、前記送風機（１）が冷却する外部装置（６）の温度が上昇または下降したときに、前記モータ（１Ａ）の回転数を上げるまたは下げる。
これにより、冷却する外部装置６の温度に応じてモータ１Ａの回転数が変化する状況下に置いて、モータ１Ａの寿命を精度良く推定することが可能となる。
＜２．第２実施形態＞
次に、本発明をマルチコプターシステムに適用した場合の一例について説明する。
＜２−１．マルチコプターシステムの構成＞
図７は、第２実施形態に係るマルチコプター本体１０の外観を示す概略斜視図である。マルチコプター本体１０は、本体部１００と、第１モータ１０１Ａ、第２モータ１０１Ｂ、第３モータ１０１Ｃ、および第４モータ１０１Ｄと、第１プロペラ１０２Ａ、第２プロペラ１０２Ｂ、第３プロペラ１０２Ｃ、および第４プロペラ１０２Ｄと、を備える。
本体部１００は、中央から四方へ枝分かれする形状を有し、アーム１００Ａ〜１００Ｄを有する。アーム１００Ａ〜１００Ｄのそれぞれの先端部には、第１モータ１０１Ａ、第２モータ１０１Ｂ、第３モータ１０１Ｃ、および第４モータ１０１Ｄがそれぞれ支持される。第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄの各ロータには、第１プロペラ１０２Ａ〜第４プロペラ１０２Ｄが固定される。すなわち、マルチコプター１０では、４つのモータによって４つのプロペラが回転される。なお、モータとプロペラの個数は、４つに限らず、少なくとも２つであればよい。
図８は、第２実施形態に係るマルチコプターシステム３０のブロック構成図である。図８に示すように、マルチコプターシステム３０は、マルチコプター本体１０と、コントローラ２０と、を備える。
マルチコプター本体１０は、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄと、駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄと、制御部１０４と、センサ群１０５と、操作部１０６と、通信部１０７と、電源回路１０８と、バッテリ１０９と、表示部１１０と、を有する。
第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄは、ブラシレスＤＣモータから構成され、それぞれコイルＬ１〜Ｌ４を有する。また、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄは、それぞれ温度センサＴ１〜Ｔ４を有する。温度センサＴ１〜Ｔ４は、それぞれコイルＬ１〜Ｌ４の巻線温度を検出する。巻線温度の検出手法としては、例えば抵抗法による温度測定方法が採られる。
第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄをそれぞれ駆動する駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄは、ＰＷＭ信号生成部およびドライバなどを有する。
制御部１０４は、マルチコプター本体１０を統括的に制御するユニットであり、例えばマイコンから構成される。制御部１０４は、後述する算出部１０４Ａ、信号出力部１０４Ｂ、指令部１０４Ｃ、および記憶部１０４Ｄを有する。
センサ群１０５には、例えば３軸ジャイロセンサ、３軸加速度センサ、気圧センサ、磁気センサ、超音波センサなどが含まれる。
３軸ジャイロセンサは、マルチコプター本体１０の前後の傾き、左右の傾き、回転の角速度を検出し、機体の姿勢と動きを検出する。３軸加速度センサは、マルチコプター本体１０の前後方向、左右方向、上下方向の加速度を検出する。気圧センサは、機体の高度を把握するために用いられる。磁気センサは、方位を検出する。超音波センサは、地面に対して超音波を発信して反射信号を検出することで、地面に対する距離を検出する。
操作部１０６は、例えば、マルチコプター本体１０を操作するためのハードキー（電源ボタン等）を有する。通信部１０７は、後述するコントローラ２０との無線通信を行う。無線通信には、例えばＷｉ−Ｆｉ規格の通信が用いられる。
電源回路１０８は、バッテリ１０９から供給される電力に基づきマルチコプター本体１０の各部に電力を供給する回路である。バッテリ１０９には、例えば、リチウムポリマ二次電池が用いられる。表示部１１０は、例えば液晶表示部、またはＬＥＤ表示部などで構成される。
マルチコプター本体１０を操作するために用いられるコントローラ２０は、制御部２０１と、通信部２０２と、表示部２０３と、操作部２０４と、を有する。
制御部２０１は、コントローラ２０の各部を統括的に制御するユニットであり、例えばマイコンによって構成される。通信部２０２は、マルチコプター本体１０の通信部１０７との間で無線通信を行う。表示部２０３は、例えば液晶表示部、またはＬＥＤ表示部などで構成される。操作部２０４は、例えば、マルチコプター本体１０を操作するためのスティックなどを有する。
このような構成のマルチコプターシステム３０では、ユーザがコントローラ２０を手で把持し、操作部２０４によってマルチコプター本体１０を操作する。この機体の操作には、例えば、昇降、回転、前後移動、左右移動が含まれる。ユーザによる操作部２０４の操作に応じて、制御部２０１は、操作信号を通信部２０２を介してマルチコプター本体１０の通信部１０７に無線送信する。
通信部１０７により受信された操作信号は、制御部１０４に送られる。制御部１０４は、受け取った操作信号に基づき駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄにモータ制御信号を出力する。駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄは、それぞれ受け取ったモータ制御信号に基づき、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄに駆動電流を出力して各モータを駆動制御する。具体的には、駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄは、デューティ比の可変制御により、モータの回転数（回転速度）を制御することで、マルチコプター本体１０の機体を操作する。なお、駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄは、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄに生じる電流信号または電圧信号に基づきモータの回転数を検出することができる。
また、制御部１０４には、センサ群１０５からの検出信号が常に入力され、制御部１０４は、取得した検出信号に基づき駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄに適切なモータ制御信号を出力する。
＜２−２．寿命推定機能について＞
制御部１０４は、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄのそれぞれについて寿命を推定することができる。具体的には、制御部１０４に含まれる算出部１０４Ａは、下記（３）式を用いて寿命消化量を算出する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
値
ここで、制御部１０４に含まれる記憶部１０４Ｄには、あらかじめ例えば先述した図２に示すようなデューティ比、寿命時間、および温度上昇値Δｔの関係を示すテーブルが記
憶されている。上記（３）式中のＬiは、上記テーブルにおけるデューティ比Ｄiに対応する寿命時間を用いる。上記（３）式中のΔｔは、上記テーブルにおけるデューティ比Ｄ
iに対応する温度上昇値を用いる。算出部１０４Ａは、駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄからデューティ比情報を読み取る。
また、上記（３）式中のＫiは、温度センサＴ１〜Ｔ４により検出される巻線温度を用いる。マルチコプター本体１０においては、バッテリまたは回路基板などの部品、さらに日光、湿度などの環境による外的要因によって、モータ自体の温度上昇が引き起こされる可能性がある。そこで、本実施形態では、温度センサＴ１〜Ｔ４によって第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄ自体の温度を検出して、上記（３）式による算出に用いることとしている。なお、温度センサは、巻線温度以外にも、例えばモータの筐体内部空間の温度を検出してもよい。
マルチコプター本体１０の制御のため、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄの回転数は変化するよう制御されるが、デューティ比の変化が回転数の変化に対応するので、上記（３）式によって寿命消化量を算出することで、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄのそれぞれの寿命を精度良く推定することが可能となる。
＜２−３．寿命アラーム機能について＞
本実施形態に係るマルチコプターシステム３０は、モータの残寿命が少なくなっていることを検出してユーザにアラームを通知する機能を有しており、以下、この機能について図９および図１０に示すフローチャートを用いて説明する。
ここで、制御部１０４に含まれる算出部１０４Ａは、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄのそれぞれについて、寿命消化量を算出する。算出された寿命消化量は、制御部１０４に含まれる記憶部１０４Ｄに記憶される。
例えば、マルチコプター本体１０の操作部１０６による操作（電源ボタンのオン等）によって起動指示があると、図９に示すフローチャートが開始される。まず、図９のステップＳ１１において、制御部１０４は、記憶部１０４Ｄに記憶された第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄの寿命消化量のうち、対象のモータの寿命消化量を確認し、寿命消化量が第１設定値以上であるかを判定する。第１設定値は、例えば、０．８などに設定される。第１設定値以上でなければ（ステップＳ１のＮ）、ステップＳ２１に進む。
ステップＳ２１では、制御部１０４によって、全てのモータについて寿命消化量の確認が済んだかを判定し、もし済んでいなければ（ステップＳ２１のＮ）、制御部１０４は、対象のモータを変更し（ステップＳ２２）、ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１１で寿命消化量が第１設定値以上である場合は（ステップＳ１１のＹ）、ステップ１２に進み、制御部１０４は、寿命消化量が第１設定値よりも大きい第２設定値以上であるかを判定する。第２設定値は、例えば、０．９などに設定される。もし、第２設定値以上でない場合は（ステップＳ１２のＮ）、対象のモータの残寿命が少なくなっているとして、ステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７で、制御部１０４は、対象のモータは新たなモータへ交換されたかを判定する。モータ交換の判定は、例えば、モータに格納されたＩＤなどを読出し、ＩＤなどが変化しているかを確認することで行える。
もし、モータが交換されていなければ（ステップＳ１７のＮ）、ステップＳ１９に進み、制御部１０４に含まれる信号出力部１０４Ｂは、アラーム信号としての表示制御信号を表示部１１０へ出力する。これにより、表示部１１０は、対象のモータを交換することをユーザに促す表示を行う。表示部１１０が例えば液晶表示部である場合は、文字等の表示によってユーザにモータ交換を促してもよいし、表示部１１０が例えばＬＥＤ表示部である場合は、対応するＬＥＤを点灯することでユーザに点灯色によって対象モータの交換を促してもよい。なお、信号出力部１０４Ｂは、通信部１０７を用いてコントローラ２０側に表示制御信号を送信し、コントローラ２０の表示部２０３にアラーム表示を行わせるようにしてもよい。
ステップＳ１９の後、ステップＳ２０に進み、制御部１０４は、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄを低速で回転させる低速回転モードの設定を行い、ステップＳ２１に進む。
一方、ステップＳ１７で、対象のモータが新たなモータに交換されたと判定された場合は（ステップＳ１７のＹ）、ステップＳ１８に進み、制御部１０４は、対象の寿命消化量をゼロへリセットする。ステップＳ１８の後、ステップＳ２１へ進む。
また、ステップＳ１２で、寿命消化量が第２設定値以上である場合は（ステップＳ１２のＹ）、対象のモータの残寿命が非常に少なくなっているとして、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３で、制御部１０４は、対象のモータは新たなモータへ交換されたかを判定する。もし、交換されていない場合は（ステップＳ１３のＮ）、信号出力部１０４Ｂは、アラーム信号としての表示制御信号を表示部１１０へ出力する。これにより、表示部１１０は、対象のモータを交換することをユーザに促す表示を行う。ここでの表示は、ステップＳ１９での表示に比べて交換の緊急性を要することをユーザへ伝えるための表示としてもよい。
そして、ステップＳ１６に進み、制御部１０４は、少なくとも駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄに電源を供給しないように電源回路１０８を制御する。すなわち、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄへの通電を停止させ、マルチコプター本体１０は起動しない。
一方、ステップＳ１３で、モータの交換がされている場合は（ステップＳ１３のＹ）、ステップＳ１４に進み、制御部１０４は、対象の寿命消化量をゼロへリセットする。ステップＳ１４の後、ステップＳ２１へ進む。
ステップＳ２１で、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄの全てについて寿命消化量の確認が済んだ場合は（ステップＳ２１のＹ）、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３で、制御部１０４は、駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄを含む各部に電源を供給するよう電源回路１０８を制御し、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄへの通電を可能とする。すなわち、マルチコプター本体１０が起動する。以降、コントローラ２０の操作により、マルチコプター本体１０の飛行を制御することができる。
なお、ここでステップＳ２０により既に低速回転モードが設定されている場合は、以降、制御部１０４に含まれる指令部１０４Ｃは、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄの回転数を制限して駆動させるモータ制御信号を駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄへ送る。すなわち、指令部１０４Ｃは、低速回転モードでモータを駆動させる指令を行う。
ステップＳ２３でマルチコプター本体１０が起動すると、図１０に示すフローチャートへ進む。図１０では、まずステップＳ３１で、制御部１０４に含まれる算出部１０４Ａは、第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄのうち対象のモータについて寿命消化量を算出する。
そして、ステップＳ３２に進み、制御部１０４は、算出された寿命消化量は第１設定値以上であるかを判定する。もし、第１設定値以上でなければ（ステップＳ３２のＮ）、ステップＳ３８に進み、対象のモータを変更し、ステップＳ３１に戻る。
一方、寿命消化量が第１設定値以上である場合は（ステップＳ３２のＹ）、ステップＳ３３に進み、制御部１０４は、寿命消化量が第２設定値以上であるかを判定する。もし、第２設定値以上でなければ（ステップＳ３３のＮ）、ステップＳ３５に進む。
ステップＳ３５で、制御部１０４に含まれる信号出力部１０４Ｂは、アラーム信号としての表示制御信号を通信部１０７へ出力する。これにより、表示制御信号は通信部１０７からコントローラ２０側へ送られ、コントローラ２０における表示部２０３は、表示制御信号に基づき対象のモータを交換することをユーザに促す表示を行う。これにより、マルチコプター本体１０の飛行中に、ユーザは手元にあるコントローラ２０にてアラームを確認できる。
そして、ステップＳ３６に進み、制御部１０４は、既に低速回転モードが設定されているかを判定し、もし設定されている場合は（ステップＳ３６のＹ）、ステップＳ３８に進む。一方、低速回転モードが設定されていない場合は（ステップＳ３６のＮ）、ステップＳ３７に進み、制御部１０４は、低速回転モードを設定する。以降、指令部１０４Ｃは、低速回転モードでモータを駆動させる指令を行う。ステップ３７の後、ステップＳ３８に進む。
また、ステップＳ３３で、寿命消化量が第２設定値以上である場合は（ステップＳ３３のＹ）、ステップＳ３４に進み、制御部１０４に含まれる信号出力部１０４Ｂは、アラーム信号としての表示制御信号を通信部１０７へ出力する。これにより、表示制御信号は通信部１０７からコントローラ２０側へ送られ、コントローラ２０における表示部２０３は、表示制御信号に基づき対象のモータを交換することをユーザに促す表示を行う。このときの表示は、ステップＳ３５の表示に比べてモータ交換の緊急性が高いことを示す表示としてもよい。そして、ステップＳ３８に進む。
図１０に示す処理は、ステップＳ３８での対象モータの変更を繰り返しながら、マルチコプター本体１０が起動している間、継続される。ここで、算出されて記憶部１０４Ｄに記憶された寿命消化量が、図９に示す起動時の処理における判定に用いられることとなる。
このような処理によれば、モータの寿命が尽きる前にユーザにアラームを通知することにより、モータ交換を促すことができ、安全性の高いマルチコプターシステムが実現される。
このように、本実施形態のモータ寿命推定方法は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータ（１０１Ａ〜１０１Ｄ）の寿命推定方法であって、寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
値
このような構成によれば、回転数が変化する状況下に置かれたモータ１０１Ａ〜１０１Ｄの寿命を精度良く推定することが可能となる。
また、本実施形態によれば、マルチコプター本体１０において、制御部１０４、各駆動回路１０３Ａ〜１０３Ｄ、および第１モータ１０１Ａ〜第４モータ１０１Ｄによって、モータ制御システムＭＣ１０が構成される（図８）。
モータ制御システムＭＣ１０は、デューティ比の可変制御により駆動されるモータ（１０１Ａ〜１０１Ｄ）と、前記モータの駆動情報を読み取る制御部１０４と、を備え、前記制御部は、前記モータの寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部（１０４Ａ）を有する。
Figure 2018107934
 Ｌs：寿命消化量
ｔi：ｉ区間での駆動時間
Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
値
また、本実施形態のマルチコプターシステム３０は、前記モータ（１０１Ａ〜１０１Ｄ）と、前記モータによって回転するプロペラ（１０２Ａ〜１０２Ｄ）と、を有するマルチコプター本体（１０）と、上記構成のモータ制御システム（ＭＣ１０）と、を備える。
これにより、モータ１０１Ａ〜１０１Ｄの回転数を変化させることでマルチコプター本体１０の飛行を制御するシステムにおいて、モータの寿命を精度良く推定することが可能となる。従って、安全性の高いマルチコプターシステムを実現できる。
なお、上記第２実施形態において、制御部１０４と同等の機能の制御部を、コントローラ２０側に設けることも可能である。この場合、コントローラ２０に設けられた制御部に含まれる算出部が、マルチコプター本体１０から無線通信によってデューティ比情報および温度情報を取得することにより、寿命消化量を算出する。
＜３．その他＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変更が可能である。
本発明は、送風機、またはマルチコプターなど様々な機器に備えられるモータに好適に利用することができる。
１・・・送風機、１Ａ・・・モータ、１Ｂ・・・インペラ、２・・・駆動回路、３・・・制御部、３Ａ・・・算出部、３Ｂ・・・記憶部、３Ｃ・・・信号出力部、３Ｄ・・・温度制御部、４・・・温度センサ、５・・・送風機システム、６・・・ＣＰＵ、ＭＣ・・・モータ制御システム、４１、４２・・・温度センサ、５１、５２・・・送風機システム、１０・・・マルチコプター本体、１００・・・本体部、１００Ａ〜１００Ｄ・・・アーム、１０１Ａ・・・第１モータ、１０１Ｂ・・・第２モータ、１０１Ｃ・・・第３モータ、１０１Ｄ・・・第４モータ、１０２Ａ・・・第１プロペラ、１０２Ｂ・・・第２プロペラ、１０２Ｃ・・・第３プロペラ、１０２Ｄ・・・第４プロペラ、１０３Ａ〜１０３Ｄ・・・駆動回路、１０４・・・制御部、１０４Ａ・・・算出部、１０４Ｂ・・・信号出力部、１０４Ｃ・・・指令部、１０４Ｄ・・・記憶部、１０５・・・センサ群、１０６・・・操作部、１０７・・・通信部、１０８・・・電源回路、１０９・・・バッテリ、Ｔ１〜Ｔ４・・・温度センサ、Ｌ１〜Ｌ４・・・コイル、ＭＣ１０・・・モータ制御システム、２０・・・コントローラ、２０１・・・制御部、２０２・・・通信部、２０３・・・表示部、２０４・・・操作部、３０・・・マルチコプターシステム

Claims (10)

  1. デューティ比の可変制御により駆動されるモータの寿命推定方法であって、
    寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定するモータ寿命推定方法。
    Figure 2018107934
     Ｌs：寿命消化量
    ｔi：ｉ区間での駆動時間
    Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
    Ｋi：ｉ区間での温度
  2. 前記モータの残寿命は、（１−Ｌs）である、請求項１に記載のモータ寿命推定方法。
  3. デューティ比の可変制御により駆動されるモータと、前記モータの駆動情報を読み取る制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記モータの寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部を有する、モータ制御システム。
    Figure 2018107934
     Ｌs：寿命消化量
    ｔi：ｉ区間での駆動時間
    Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つ前記モータの環境温度４０℃での寿命時間
    Ｋi：ｉ区間での温度
  4. 前記制御部は、前記算出部により算出された前記寿命消化量が設定値以上であるときに、アラーム信号を出力する信号出力部をさらに有する、請求項３に記載のモータ制御システム。
  5. 前記モータと、前記モータの回転部に固定されて複数の羽根を有するインペラと、を有する送風機と、
    請求項３または請求項４に記載のモータ制御システムと、を備える送風機システム。
  6. 前記温度は、前記送風機が冷却する外部装置自体の温度、前記外部装置の周囲温度、または前記モータの環境温度のいずれかである、請求項５に記載の送風機システム。
  7. 前記モータ制御システムに備えられる制御部は、前記送風機が冷却する外部装置の温度が上昇または下降したときに、前記モータの回転数を上げるまたは下げる、請求項５または請求項６に記載の送風機システム。
  8. デューティ比の可変制御により駆動されるモータの寿命推定方法であって、
    寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出することにより、前記モータの寿命を推定するモータ寿命推定方法。
    Figure 2018107934
     Ｌs：寿命消化量
    ｔi：ｉ区間での駆動時間
    Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
    Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
    Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
    値
  9. デューティ比の可変制御により駆動されるモータと、前記モータの駆動情報を読み取る制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記モータの寿命における寿命を消化した量の比率を示す寿命消化量を下記式を用いて算出する算出部を有する、モータ制御システム。
    Figure 2018107934
     Ｌs：寿命消化量
    ｔi：ｉ区間での駆動時間
    Ｌi：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃での寿命時間
    Ｋi：ｉ区間でのモータ自体の温度
    Δｔ：ｉ区間でのデューティ比Ｄi且つモータの環境温度４０℃でのモータの温度上昇
    値
  10. 前記モータと、前記モータによって回転するプロペラと、を有するマルチコプター本体と、
    請求項９に記載のモータ制御システムと、を備えるマルチコプターシステム。
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