JP2004229436A - 永久磁石劣化センサ、永久磁石モータ - Google Patents
永久磁石劣化センサ、永久磁石モータ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ロータあるいはステータに永久磁石を配置した永久磁石モータにおける永久磁石の特性劣化を検知することができる永久磁石特性劣化センサ、ロータあるいはステータに配置した永久磁石の特性劣化を検知可能な永久磁石モータを提供する。
【解決手段】永久磁石モータ１は、ステータ２及びロータ３を有し、ロータ３には、等しい周方向ピッチで８つの永久磁石３２を備える。この永久磁石３２の側部には、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する超磁歪素子５を備える。この超磁歪素子５は、永久磁石３２の有する残留磁束密度の変化に影響されて伸びるので、これを非接触型変位センサ６で測定することで、永久磁石３２の特性劣化による磁束密度の低下を検知することができる。
【選択図】 図２
【解決手段】永久磁石モータ１は、ステータ２及びロータ３を有し、ロータ３には、等しい周方向ピッチで８つの永久磁石３２を備える。この永久磁石３２の側部には、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する超磁歪素子５を備える。この超磁歪素子５は、永久磁石３２の有する残留磁束密度の変化に影響されて伸びるので、これを非接触型変位センサ６で測定することで、永久磁石３２の特性劣化による磁束密度の低下を検知することができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータにおける永久磁石の特性劣化を検知する永久磁石劣化センサ、永久磁石の特性劣化を検知可能な永久磁石モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を配置したロータに対し、このロータを囲むステータに回転磁界を発生させ、この回転磁界と永久磁石との吸引及び反発によってロータを回転させる永久磁石モータが知られている。あるいは、ステータに永久磁石を配置し、ロータに生じさせた磁極との吸引、反発によって、ロータを回転させる永久磁石モータが知られている。このような永久磁石モータでは、磁束密度の大きな永久磁石を使用することによって、誘導モータなどのように、永久磁石を持たないモータに対して、小型で強力なモータとすることができる。
【０００３】
永久磁石が発生する磁束密度は、ある範囲内では、外部の磁界に比例して変化する。このため、外部の磁界が除去されれば、元の磁束密度に復帰する。しかし、外部の磁界が永久磁石の形成する磁束と逆向きで、その大きさがある程度以上になると、もはや外部の磁界を除去しても永久磁石の発生する磁束密度は元に戻らず、不可逆的に以前より小さな値となる。これを減磁という。ロータやステータに用いられた永久磁石に減磁が生じると、モータの初期の性能が発揮できなくなるので、永久磁石モータは、減磁が起こらない条件で駆動することが望まれる。
【０００４】
ところで、この減磁が生じない磁界の上限値（保磁力）は、一般に温度によって変化する。例えば、永久磁石としてフェライト系磁石を用いる場合、永久磁石の温度が高くなると保持力が低下し、減磁つまり特性劣化が生じる。このため、永久磁石の温度に応じた駆動を行うための装置として、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
【０００５】
このうち、特許文献１は、ベクトル制御される永久磁石形回転電機において、永久磁石の温度を計測または推定する手段を有し、温度変化による永久磁石の鎖交磁束の変化を、ｄ軸電流の制御により補正する制御方式を提案している。しかしながら、永久磁石の温度を如何にして計測あるいは推定するのかについて詳細な言及がない。
【０００６】
また、特許文献２は、永久磁石の温度を検出する温度検出手段と、励磁電流上限算出手段と、トルク指令に基づく励磁電流の大きさが励磁電流の上限値以下となるようにトルク指令を修正するトルク指令修正手段とを有する制御装置を提案している。そしてこの特許文献２では、温度検出手段として、永久磁石の温度を検出する温度検出器が挙げられているが、具体的に永久磁石の温度を測定する手法についての言及がない。なお、ステータとロータの温度の差が小さい場合、あるいは両者に相関がある場合には、ステータ温度に基づいて永久磁石の温度を推定することもできる旨が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２４８１２号公報（第２頁参照）
【特許文献２】
特開平０９−２８９７９９号公報（第３頁、図４参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載のように、ステータ温度から永久磁石の温度を推定する場合、その応答性が極めて遅い問題がある。永久磁石の温度が上昇とすると、その後、ロータの温度が上昇する。さらに、ステータとロータとの間には間隙が存在しているから、温度を伝えにくいこの間隙を経由してステータの温度が上昇する。このような経路を取るため、ステータ温度が永久磁石の温度に追従するには長い時間が掛かるからである。ところで、モータが軽負荷で高速回転している場合には、永久磁石での渦電流損が大きくなってステータに比して温度が上がりやすい。このため、永久磁石の保護のため、永久磁石を減磁が生じない温度に保とうとすると、応答の遅れを見込んで、ステータの温度が低い状態でコイル電流に制限を与える必要がある。一方、モータを高負荷で運転している場合には、銅損が大きくなり、ステータの温度が高くなりやすく、永久磁石の温度は比較的低いままとなる。この場合にも、上述のような制御が働くので、永久磁石の温度の観点から見れば、十分余裕のある状態でコイル電流に制限が与えられるため、モータの本来の特性を十分発揮できない。このように、特許文献１及び２に記載の内容では、永久磁石の温度を適切に推定算出することができず、従って、永久磁石の劣化を防止することができない。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、ロータあるいはステータに永久磁石を配置した永久磁石モータにおける永久磁石の特性劣化を検知することができる永久磁石特性劣化センサ、ロータあるいはステータに配置した永久磁石の特性劣化を検知可能な永久磁石モータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータにおける上記永久磁石の劣化を検知する永久磁石劣化センサであって、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、を備える永久磁石劣化センサである。
【００１１】
本発明の永久磁石劣化センサは、超磁歪材料からなる変形部材と変形検知手段とを有する。このうち、永久磁石の近傍など、その位置における磁界の強さが永久磁石の残留磁束密度の変化に影響される位置に変形部材が配置されると、超磁歪材料からなる変形部材は、磁界の強さに応じて変形する。
一般にロータが回転すると、電磁石で形成される磁束により、変形部材の配置位置における磁界に強さが変動するため、超磁歪材料からなる変形部材は、それに応じて伸縮等の周期的な変形を生じる。そのほか、永久磁石の温度上昇により、永久磁石の残留磁束密度が減少するので、磁界の強さが永久磁石の温度上昇と共に徐々にシフトするため、超磁歪材料からなる変形部材も、周期的な変形をしつつ、変位量が徐々にドリフトする。
【００１２】
従って、変位量のドリフトの大きさが所定の値を超えた場合、あるいは、変位量のドリフトにより、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような小さなあるいは大きな変位量の出力が周期的に得られた場合や、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような範囲で変位量が変動する
場合などには、永久磁石の温度が上がりすぎて、特性劣化（減磁）を生じる虞れがあると判断できる。かくして、永久磁石の特性劣化を検知することができる。
しかも、変形部材の変位量のドリフトは、永久磁石の温度上昇に伴う特性変化に対応して生じる。このため、従来技術のようにステータの温度から永久磁石の温度を推定する場合よりも、正確に、且つ早い応答で永久磁石の温度や特定劣化を検知することができる。
かくして、このセンサを用いれば、永久磁石の特性劣化（減磁）をより早く検知し、警告を行ったり、特性劣化の起こらない範囲でこのモータを動作させるように、モータ駆動の制御を行うことができる。
【００１３】
なお、変形部材をなす超磁歪材料としては、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅなどの材料が挙げられる。また、変形部材の変位を測定する変位検知手段としては、変形部材の変位を検知できるものであればいずれのものでも良いが、レーザ変位計や静電容量式変位計などの非接触式変位計が挙げられる。また、変形部材をその変形の方向（例えば伸縮方向）に付勢するバネなどの弾性部材と、弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサによって構成しても良い。
【００１４】
さらに、上記永久磁石劣化センサであって、前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである永久磁石劣化センサとすると良い。
【００１５】
非接触型変位センサで変形部材の変形を検知するので、ロータが回転して振動等の生じやすいモータにおいても適切に変形を検知することができる。また、変形部材や変形検知手段の配置の自由度が大きい。
【００１６】
さらに、上記永久磁石劣化センサであって、前記変形検知手段は、前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える永久磁石劣化センサとすると良い。
【００１７】
変形検知手段は、変形部材をその変形方向（例えば伸縮方向）に付勢する弾性部材を有する。例えば、変形部材をその変形方向に押圧したり、引っ張ったりする弾性部材を有する。このため、磁界の変化によって、変形部材が変形すると、弾性部材の付勢力が変化する。この付勢力の変化を荷重センサで検知すれば、変位部材の変位、さらには永久磁石の温度変化や特性劣化の程度を知ることができる。
この変形検知手段は、バネ等の弾性部材と歪みゲージなどを用いた荷重センサを用いれば構成できるから、安価に構成することができる。
なお、弾性部材としては、変形部材を永久磁石の残留磁束密度の変化によって生じる変形の方向に付勢可能な弾性部材で有ればよく、例えば、バネやゴムなどを用いることができる。さらに、具体的には、例えば、軸方向に伸縮する棒状の変形部材に対し、この棒状の変形部材と同軸に配置されたコイルバネであって、その軸方向に圧縮あるいは伸長されることによって、変形部材を付勢するコイルバネが挙げられる。
また、荷重センサとしては、弾性部材の持つ付勢力を適切に検知できる荷重センサであればいずれのものでも良いが、例えば、歪みゲージを用いた荷重センサが挙げられる。
【００１８】
他の解決手段は、ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータであって、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、を備える永久磁石モータである。
【００１９】
本発明の永久磁石モータは、超磁歪材料からなる変形部材と変形検知手段とを有する。このうち変形部材は、永久磁石の近傍など、その位置における磁界の強さが永久磁石の残留磁束密度の変化に影響される位置に配置されているので、超磁歪材料からなる変形部材は、磁界の強さに応じて変形する。
一般にロータが回転すると、電磁石で形成される磁束により、変形部材の配置位置における磁界に強さが変動するため、超磁歪材料からなる変形部材は、それに応じて伸縮等の周期的な変形を生じる。そのほか、永久磁石の温度上昇により、永久磁石の残留磁束密度が減少するので、磁界の強さが永久磁石の温度上昇と共に徐々にシフトするため、超磁歪材料からなる変形部材も、周期的な変形をしつつ、変位量が徐々にドリフトする。
【００２０】
従って、変位量のドリフトの大きさが所定の値を超えた場合、あるいは、変位量のドリフトにより、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような大きな変位量の出力が周期的に得られた場合や、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような範囲で変位量が変動した場合などには、永久磁石の温度が上がりすぎて、特性劣化（減磁）を生じる虞れがあると判断できる。かくして、永久磁石の特性劣化や温度上昇を検知することができる。
しかも、変形部材の変位量のドリフトは、永久磁石の温度上昇に伴う特性変化に対応して生じる。このため、従来技術のようにステータの温度から永久磁石の温度を推定する場合よりも、正確に、且つ早い応答で永久磁石の温度上昇や特定劣化を検知することができる。
かくして、このモータでは、永久磁石の特性劣化（減磁）をより早く検知し、警告を行ったり、特性劣化の起こらない範囲でこのモータを動作させるように、モータ駆動の制御を行うことができる。
【００２１】
なお、変形部材の配置位置は、永久磁石の近傍とは限らず、永久磁石の残留磁束密度が変化することによって、その位置における磁界の強さが変化するような位置であればよい。但し、永久磁石の近傍が特に好ましい。他の永久磁石や電機子による影響が少なくなるため、その永久磁石の温度変化をより適切に検知できるからである。具体的には、例えば、一方面をＮ極、他方面をＳ極とした板状の永久磁石において、その一方面及び他方面に直交する側面に沿って棒状の変形部材を配置する場合などが挙げられる。
【００２２】
さらに、上記永久磁石モータであって、
前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである永久磁石モータとすると良い。
【００２３】
本発明のモータでは、非接触型変位センサで変形部材の変形を検知するので、ロータが回転して振動が発生しても、適切に変形を検知することができる。また、非接触であるため、変形部材や変形検知手段の配置の自由度が大きい。
【００２４】
さらに、上記永久磁石モータであって、前記変形検知手段は、前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える永久磁石モータとすると良い。
【００２５】
本発明のモータでは、変形検知手段は、変形部材をその変形方向に付勢する弾性部材を有する。例えば、変形部材をその変形方向に押圧したり、引っ張ったりする弾性部材を有する。このため、磁界の変化によって、変形部材が変形すると、弾性部材の付勢力が変化する。この付勢力の変化を荷重センサで検知すれば、変位部材の変位、さらには永久磁石の温度変化や特性劣化の程度を検知できる。
また、この変形検知手段は、バネ等の弾性部材と歪みゲージなどを用いた荷重センサや歪みセンサとを用いれば構成できるから、安価に構成することができる。
【００２６】
さらに、上記いずれか１項に記載の永久磁石モータであって、前記複数の永久磁石が、前記ロータに配置されてなり、前記変形部材も、上記ロータに配置されてなる永久磁石モータとすると良い。
【００２７】
ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータでは、ロータの回転と共に永久磁石も回転するため、このように回転している状態で永久磁石の特性劣化や温度変化を測定するのは困難であった。
本発明では、測定しにくいロータ内の永久磁石の特性劣化や温度変化を、変形部材の変形の大きさに変換しているので、ロータ内で変形部材の変形を測定する、あるいは、外部から非接触で変形部材の変形を測定するなどをすれば足りるから、測定容易である。
【００２８】
さらに、上記永久磁石モータであって、前記変形検知手段も、前記ロータに配置されてなり、上記変形検知手段からの出力信号を外部に送り出す信号送出機構を備える永久磁石モータとすると良い。
【００２９】
本発明のモータでは、変形検知手段もロータに配置されてなるが、信号送出機構を備えるので、変形検知手段からの出力信号を外部に送り出すことができ、この出力信号を用いて、永久磁石の昇温警告や運転停止等の処置を執ることができる。
なお、信号送出機構としては、ロータを挿通するシャフトの回りに設けた整流子と、これに接触するブラシとが挙げられる。また、シャフトの回りに設けたスリップリングを用いることもできる。
また、変形検知手段の性質によっては、信号送出機構と同様な機構を用いて、外部から変形検知手段の駆動に要する電力を供給することもできる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図１〜図５を参照して説明する。図１及び図２に示すモータ１は、ステータ２、ロータ３、及びロータ３を挿通するシャフト４を有する。このうち、ステータ２は、１２ヶの内歯部２２を有し多数の電磁鋼板を積層してなるステータコア２１と、各々の内歯部２２に導線を巻回してなる１２ヶのステータコイル２３（図１では図示しない。図２参照）とを有する。
【００３１】
一方、ロータ３は、多数の電磁鋼板を積層してなる、リング状のロータコア３１を有する。ロータコア３１のうち周縁近傍には、等角度間隔（所定の周方向ピッチ）に配置され、シャフト４の軸線４Ｘに沿う方向（図２中上下方向）にこのロータコア３１を貫通する８ヶのスロット３１Ｓが形成されており、このスロット３１Ｓ内にその板圧方向に着磁された板状の永久磁石３２が挿入、固定されている。さらに、このスロット３１Ｓ内で永久磁石３２の側方には、超磁歪材料（例えばＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）からなる円筒状の超磁歪素子５が挿入され、固定されている。永久磁石３２及びステータコイル２３は、この超磁歪素子５の配置位置に磁界を生じさせる。この超磁歪素子５は、図３に示す特性を有しており、外部磁界が掛かると伸縮する。その歪み量（磁歪量）は外部磁界の強さに応じて変化し、外部磁界Ｈが３０ｋＡ／ｍのときには、磁歪量△Ｌは４０μｍに達する。従って、永久磁石３２による磁界が掛かると、超磁歪素子５はその軸方向（図２中、上下方向）伸びる。また、ロータ３の回転により、ステータコイル２３による磁界（弱め磁界）が周期的に掛かると、超磁歪素子５はそれに応じて、その軸方向（図２中、上下方向）に伸縮する。
【００３２】
また、このロータコア３１を挟むようにロータエンドプレート３３，３４が配置されている。ロータコア３１及びロータエンドプレート３３，３４は、シャフト４に圧入され、それらの内周面３１Ｎ，３３Ｎ，３４Ｎがシャフト４の外周に密着することによって、各々シャフト４に固定されている。
ロータエンドプレート３３には、上述の超磁歪素子５の変位（磁歪量）△Ｌを測定するため、レーザ式の非接触変位センサ６を固定するための固定孔３３Ｃが形成されている。超磁歪素子５は下端５Ｄがロータエンドプレート３４に固定されているので、外部磁界Ｈの変化による磁歪量△Ｌの変化は、上端５Ｕに現れる。従って、非接触変位センサ６で上端５Ｕの変位を測定することで、磁歪量△Ｌを測定することができる。
また、シャフト４には、整流子４１が装着されており、非接触変位センサ６からの変位信号６ＳＧは、信号線６１を通じて整流子４１に伝えられ、ブラシ４２を通じて外部に取り出される。なお、非接触変位センサ６を駆動する電力は、これとは逆に、別途、ブラシ及び整流子を通じて外部から供給される。
【００３３】
次いで、このモータ１における永久磁石３２の特性劣化や温度計測について、図４、図５を参照して説明する。上述したように、超磁歪素子５は、永久磁石３２が発生する磁束によって伸びている。また、超磁歪素子５は、ステータコイル２３によって発生する弱め磁界にも影響を受ける。但し、超磁歪素子５に対するステータコイル２３による弱め磁界の影響は、ロータ３の回転と共に変化する。即ち、図４（ａ）において左側に示すように、永久磁石３２とステータ２の内歯部２２及びステータコア２３とが正対する場合には、永久磁石３２の発生する磁界が大きく弱められて、超磁歪素子５にかかる外部磁界の大きさは小さくなる。一方、図４（ａ）において右側に示すように、永久磁石３２に対して、内歯部２２及びステータコア２３がずれた位置にある場合には、弱め磁界の影響を受けず、永久磁石３２で発生する磁界は弱められないので、超磁歪素子５に掛かる外部磁界の大きさが大きくなる。このように、ロータ３の回転によって、超磁歪素子５が受ける外部磁界に強さが周期的に変化するため、図４（ｂ）に示すように、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌも周期的に変化する。
そこで、この磁歪量△Ｌを非接触変位センサ６で計測すると、図５に示すように、出力電圧Ｖが２〜４Ｖの範囲で変化する。
【００３４】
ところで、永久磁石３２の温度が高くなると、さらには、永久磁石３２の特性劣化が生じると、永久磁石３２で発生する磁界の強さが徐々に低下する。すると、永久磁石３２による磁界によって超磁歪素子５の伸びている磁歪量△Ｌが徐々に小さくなる。従って、図４（ａ）において破線で示すように、超磁歪素子５で受ける外部磁界の強さが全体的に低下するので、図４（ｂ）において破線で示すように、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌも全体的に低下する（ドリフトする）。
すると、図５に破線で示すように、非接触変位センサ６では、出力電圧Ｖが１．５〜３．５Ｖの範囲で変化するようになる。このように、永久磁石３２の温度が上昇し、さらには、その特性が劣化して残留磁束密度が低下すると、非接触変位センサ６における出力も徐々に低下する。
【００３５】
そこで、永久磁石３２の特性に応じ、例えば、磁歪量△Ｌ＝１０μｍ以下、非接触変位センサ６の出力電圧Ｖ＝１Ｖ以下となった場合、具体的には、周期的にＶ＝１Ｖ以下となる場合には、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めたと解して、モータ１の駆動パターン（ステータコイル２３に流すコイル電流の大きさや位相など）を変化させ、弱め界磁によるこれ以上の永久磁石３２の特性劣化を防ぐようにすることができる。
また、出力電圧Ｖが周期的に所定の値（例えば１．２Ｖ）よりも小さな値となる場合には、永久磁石３２の温度が上がりすぎていると解して、同様に、モータ１の駆動パターンを変化させ、温度上昇による永久磁石３２の熱減磁を防ぐようにすることもできる。逆に、出力電圧から、永久磁石３２の温度を推定し、この温度で制御することもできる。
【００３６】
（実施形態２）
次いで、本発明の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。上述した実施形態１では、超磁歪素子５を永久磁石３２に隣接して配置、固定し、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌを、非接触変位センサ６によって検知した。これに対し、本実施形態２では、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌをコイルバネ７２によって荷重に変換し、これを荷重センサ７３で測定することにより、磁歪量△Ｌを間接的に計測することで、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌ、さらには、永久磁石３２の特性劣化や温度を推定する点で異なる。しかし残余の点は、実施形態１と同様であるので、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、記載を省略あるいは簡略化する。
【００３７】
本実施形態２にかかるモータ１１は、実施形態１に記載のモータ１とほぼ同様の、内歯形状のステータ２及び永久磁石３２が周縁近傍に配置されたロータ３を有する（図１参照）。但し、本実施形態２では、変位センサ６は用いない。以降は、図６に示す本実施形態２にかかるモータ１１の要部について説明する。
【００３８】
本実施形態２では、永久磁石３２の側部に、変位−荷重変換機構７を配置する（図１参照）。具体的には、永久磁石３２の側部に超磁歪素子５１とコイルバネ７２を非磁性材（具体的にはアルミニウム）からなる非磁性体管７１内に挿入し、さらに荷重センサ７３を挿入し、コイルバネ７２に当接させる。ロータエンドプレート３５に形成したボルト孔３５Ｃに挿通したボルト７４により、荷重センサ７３を軸方向（図６中、下方向）に押圧する。これにより、超磁歪素子５１が、コイルバネ７２を通じて押圧される。
【００３９】
前述した実施形態１と同様にして、超磁歪素子５１が伸縮すると、コイルバネ７２が伸縮し、それに応じて、荷重センサ７３にかかる荷重が変化する。従って、この荷重センサ７３の出力は、超磁歪素子５１の変位に応じて変化する。
なお、非磁性体管７１は、超磁歪素子５１、コイルバネ７２、及び荷重センサ７３を整列させるための管であり、磁界に影響を与えないため、非磁性材料から構成されている。
【００４０】
荷重センサ７３からの出力は、信号線７３１を通じて、実施形態１と同様、シャフト４に装着された整流子４１に伝えられ、さらに、ブラシ４２を通じて外部に取り出される。なお、荷重センサ７３を駆動する電力は、これとは逆に、別途、ブラシ及び整流子を通じて外部から供給される。
【００４１】
この実施形態２においても、超磁歪素子５１は、永久磁石３２が発生する磁束によって伸びている。また、超磁歪素子５１は、ステータコイル２３によって発生する弱め磁界にも影響を受ける。但し、超磁歪素子５１に対するステータコイル２３による弱め磁界の影響は、ロータ３の回転と共に周期的に変化するため、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌも周期的に変化する（図４（ａ）参照）。そこで、この磁歪量△Ｌに対応する荷重を荷重センサ７３で計測すると、所定範囲で変化する。
【００４２】
これに対し、永久磁石３２の温度が高くなると、さらには、永久磁石３２の特性劣化が生じると、永久磁石３２で発生する磁界の強さが低下するので、永久磁石３２による磁界によって超磁歪素子５１の伸びている磁歪量△Ｌが小さくなる。従って、超磁歪素子５１で受ける外部磁界の強さが全体的に低下するので、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌも全体的に低下する（図４（ａ）の破線参照）。
すると、これに対応する荷重も変化するので、荷重センサ７３の出力範囲が変化（低下）する。
【００４３】
そこで、例えば、荷重センサ７３の出力が周期的に所定値以下となる場合には、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めたと解して、モータ１の駆動パターン（ステータコイル２３に流すコイル電流の大きさや位相など）を変化させ、弱め界磁によるこれ以上の永久磁石３２の特性劣化を防ぐようにすることができる。
同様に、荷重センサ７３の出力が周期的に他の所定値以下となる場合には、永久磁石３２の温度が上がりすぎていると解して、同様に、モータ１の駆動パターンを変化させ、温度上昇による永久磁石３２の熱減磁を防ぐようにすることもできる。
逆に、出力電圧から、永久磁石３２の温度を推定することもできる。この場合には、荷重センサ７３の出力から、永久磁石３２の温度を推定し、この温度で制御することもできる。
なお、コイルバネ７２にも、銅系金属などの非磁性材を用いるのが好ましい。
【００４４】
以上において、本発明を実施形態１，２に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態１，２では、周期的に変動する変位センサ６の出力あるいは荷重センサ７２の出力を持ち、これらが所定値を周期的に下回る場合に、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めていると判断した。しかし、変位センサ６や荷重センサ７２の出力を時間的に平均し、あるいは積分して、直流成分である永久磁石３２が発生する磁界による超磁歪素子５，５１の磁歪量のみを取り出し、これを用いて、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めているか否か、あるいは永久磁石の温度について、判断をするようにしても良い。
【００４５】
さらに、実施形態１においては、非接触変位センサ６として、レーザ式変位計を用いたが、超磁歪素子５の変位（磁歪量△Ｌ）を測定できるものであれば良く、静電容量式、超音波式など、各種の測定方式による変位計を採用することができる。
また、実施形態１，２においては、超磁歪素子５，５１は、棒状形状を有し、その軸方向に伸縮した変位（磁歪量）を計測し、あるい荷重に変換した。しかし、超磁歪素子の他方向への変形（径方向への変形）を用いたり、超磁歪素子を他の形状（例えば、円板状、弓状）に成形し、径方向への変形や屈曲変形などを用いることもできる。
【００４６】
また、実施形態１においては、非接触変位センサ６を回転するロータ３（ロータエンドプレート３に固定し、変位センサ６からの変位信号６ＳＧを、信号送出機構である整流子４１及びブラシ４２を用いて外部に取り出した。しかし、これ以外に機構を用いることもでき、例えば、スリップリングを用いることもできる。また、無線通信あるいは光通信によって出力を外部に取り出すこともできる。
また、変位センサ６を回転しない部材に取り付け、別途シャフトに取り付けたレゾルバなどにより回転角を検出して、超磁歪素子５の変位量をロータ３の回転に同期して計測するようにすることもできる。このようにすると、変位センサ６からの変位出力を容易に得ることができる利点がある。
また、上記実施形態１，２では、永久磁石３２がロータ３に配置形成されたタイプのモータ１，１１について説明したが、ステータに永久磁石を配置したモータについても、本発明を適用することができる。この場合には、変位センサや荷重センサの出力を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１，２にかかるモータの概要を説明する説明図であり、シャフトの軸線方向からステータ及びロータを見た状態を示す。但し、ロータはエンドプレートを外した状態であり、ステータは内歯に巻いたコイルを省略した状態について示す。
【図２】実施形態１にかかるモータのＯ−Ａ縦断面図である。
【図３】超磁歪素子の特性を示し、加えられた磁界と発生する変位との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、ステータの磁極とロータの永久磁石との位置関係と、超磁歪素子が受ける磁束密度の関係を示す説明図であり、（ｂ）は超磁歪素子の磁歪量を示す説明図である。
【図５】実施形態１にかかり、超磁歪素子の磁歪量と変位計の出力電圧との関係を示す説明図である。
【図６】実施形態２にかかるモータの概要を説明する説明である。
【符号の説明】
１，１１ モータ
２ ステータ
２１ ステータコア
２２ 内歯部
２３ ステータコイル
３ ロータ
３１ ロータコア
３２ 永久磁石
３３，３４，３５ ロータエンドプレート
３３Ｃ 固定孔
３５Ｃ ボルト孔
４ シャフト
４Ｘ （シャフトの）軸線
４１ 整流子
４２ ブラシ
５，５１ 超磁歪素子（変形部材）
５Ｄ 下端
５Ｕ 上端
６ 非接触型変位センサ（変位検知手段）
６１ 信号線
６ＳＧ 変位信号
７ 変位−荷重変換機構
７１ 非磁性体管
７２ コイルバネ（弾性部材）
７３ 荷重センサ（変位検知手段）
７３１ 信号線
７４ ボルト
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータにおける永久磁石の特性劣化を検知する永久磁石劣化センサ、永久磁石の特性劣化を検知可能な永久磁石モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を配置したロータに対し、このロータを囲むステータに回転磁界を発生させ、この回転磁界と永久磁石との吸引及び反発によってロータを回転させる永久磁石モータが知られている。あるいは、ステータに永久磁石を配置し、ロータに生じさせた磁極との吸引、反発によって、ロータを回転させる永久磁石モータが知られている。このような永久磁石モータでは、磁束密度の大きな永久磁石を使用することによって、誘導モータなどのように、永久磁石を持たないモータに対して、小型で強力なモータとすることができる。
【０００３】
永久磁石が発生する磁束密度は、ある範囲内では、外部の磁界に比例して変化する。このため、外部の磁界が除去されれば、元の磁束密度に復帰する。しかし、外部の磁界が永久磁石の形成する磁束と逆向きで、その大きさがある程度以上になると、もはや外部の磁界を除去しても永久磁石の発生する磁束密度は元に戻らず、不可逆的に以前より小さな値となる。これを減磁という。ロータやステータに用いられた永久磁石に減磁が生じると、モータの初期の性能が発揮できなくなるので、永久磁石モータは、減磁が起こらない条件で駆動することが望まれる。
【０００４】
ところで、この減磁が生じない磁界の上限値（保磁力）は、一般に温度によって変化する。例えば、永久磁石としてフェライト系磁石を用いる場合、永久磁石の温度が高くなると保持力が低下し、減磁つまり特性劣化が生じる。このため、永久磁石の温度に応じた駆動を行うための装置として、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
【０００５】
このうち、特許文献１は、ベクトル制御される永久磁石形回転電機において、永久磁石の温度を計測または推定する手段を有し、温度変化による永久磁石の鎖交磁束の変化を、ｄ軸電流の制御により補正する制御方式を提案している。しかしながら、永久磁石の温度を如何にして計測あるいは推定するのかについて詳細な言及がない。
【０００６】
また、特許文献２は、永久磁石の温度を検出する温度検出手段と、励磁電流上限算出手段と、トルク指令に基づく励磁電流の大きさが励磁電流の上限値以下となるようにトルク指令を修正するトルク指令修正手段とを有する制御装置を提案している。そしてこの特許文献２では、温度検出手段として、永久磁石の温度を検出する温度検出器が挙げられているが、具体的に永久磁石の温度を測定する手法についての言及がない。なお、ステータとロータの温度の差が小さい場合、あるいは両者に相関がある場合には、ステータ温度に基づいて永久磁石の温度を推定することもできる旨が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２４８１２号公報（第２頁参照）
【特許文献２】
特開平０９−２８９７９９号公報（第３頁、図４参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載のように、ステータ温度から永久磁石の温度を推定する場合、その応答性が極めて遅い問題がある。永久磁石の温度が上昇とすると、その後、ロータの温度が上昇する。さらに、ステータとロータとの間には間隙が存在しているから、温度を伝えにくいこの間隙を経由してステータの温度が上昇する。このような経路を取るため、ステータ温度が永久磁石の温度に追従するには長い時間が掛かるからである。ところで、モータが軽負荷で高速回転している場合には、永久磁石での渦電流損が大きくなってステータに比して温度が上がりやすい。このため、永久磁石の保護のため、永久磁石を減磁が生じない温度に保とうとすると、応答の遅れを見込んで、ステータの温度が低い状態でコイル電流に制限を与える必要がある。一方、モータを高負荷で運転している場合には、銅損が大きくなり、ステータの温度が高くなりやすく、永久磁石の温度は比較的低いままとなる。この場合にも、上述のような制御が働くので、永久磁石の温度の観点から見れば、十分余裕のある状態でコイル電流に制限が与えられるため、モータの本来の特性を十分発揮できない。このように、特許文献１及び２に記載の内容では、永久磁石の温度を適切に推定算出することができず、従って、永久磁石の劣化を防止することができない。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、ロータあるいはステータに永久磁石を配置した永久磁石モータにおける永久磁石の特性劣化を検知することができる永久磁石特性劣化センサ、ロータあるいはステータに配置した永久磁石の特性劣化を検知可能な永久磁石モータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータにおける上記永久磁石の劣化を検知する永久磁石劣化センサであって、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、を備える永久磁石劣化センサである。
【００１１】
本発明の永久磁石劣化センサは、超磁歪材料からなる変形部材と変形検知手段とを有する。このうち、永久磁石の近傍など、その位置における磁界の強さが永久磁石の残留磁束密度の変化に影響される位置に変形部材が配置されると、超磁歪材料からなる変形部材は、磁界の強さに応じて変形する。
一般にロータが回転すると、電磁石で形成される磁束により、変形部材の配置位置における磁界に強さが変動するため、超磁歪材料からなる変形部材は、それに応じて伸縮等の周期的な変形を生じる。そのほか、永久磁石の温度上昇により、永久磁石の残留磁束密度が減少するので、磁界の強さが永久磁石の温度上昇と共に徐々にシフトするため、超磁歪材料からなる変形部材も、周期的な変形をしつつ、変位量が徐々にドリフトする。
【００１２】
従って、変位量のドリフトの大きさが所定の値を超えた場合、あるいは、変位量のドリフトにより、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような小さなあるいは大きな変位量の出力が周期的に得られた場合や、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような範囲で変位量が変動する
場合などには、永久磁石の温度が上がりすぎて、特性劣化（減磁）を生じる虞れがあると判断できる。かくして、永久磁石の特性劣化を検知することができる。
しかも、変形部材の変位量のドリフトは、永久磁石の温度上昇に伴う特性変化に対応して生じる。このため、従来技術のようにステータの温度から永久磁石の温度を推定する場合よりも、正確に、且つ早い応答で永久磁石の温度や特定劣化を検知することができる。
かくして、このセンサを用いれば、永久磁石の特性劣化（減磁）をより早く検知し、警告を行ったり、特性劣化の起こらない範囲でこのモータを動作させるように、モータ駆動の制御を行うことができる。
【００１３】
なお、変形部材をなす超磁歪材料としては、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅなどの材料が挙げられる。また、変形部材の変位を測定する変位検知手段としては、変形部材の変位を検知できるものであればいずれのものでも良いが、レーザ変位計や静電容量式変位計などの非接触式変位計が挙げられる。また、変形部材をその変形の方向（例えば伸縮方向）に付勢するバネなどの弾性部材と、弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサによって構成しても良い。
【００１４】
さらに、上記永久磁石劣化センサであって、前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである永久磁石劣化センサとすると良い。
【００１５】
非接触型変位センサで変形部材の変形を検知するので、ロータが回転して振動等の生じやすいモータにおいても適切に変形を検知することができる。また、変形部材や変形検知手段の配置の自由度が大きい。
【００１６】
さらに、上記永久磁石劣化センサであって、前記変形検知手段は、前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える永久磁石劣化センサとすると良い。
【００１７】
変形検知手段は、変形部材をその変形方向（例えば伸縮方向）に付勢する弾性部材を有する。例えば、変形部材をその変形方向に押圧したり、引っ張ったりする弾性部材を有する。このため、磁界の変化によって、変形部材が変形すると、弾性部材の付勢力が変化する。この付勢力の変化を荷重センサで検知すれば、変位部材の変位、さらには永久磁石の温度変化や特性劣化の程度を知ることができる。
この変形検知手段は、バネ等の弾性部材と歪みゲージなどを用いた荷重センサを用いれば構成できるから、安価に構成することができる。
なお、弾性部材としては、変形部材を永久磁石の残留磁束密度の変化によって生じる変形の方向に付勢可能な弾性部材で有ればよく、例えば、バネやゴムなどを用いることができる。さらに、具体的には、例えば、軸方向に伸縮する棒状の変形部材に対し、この棒状の変形部材と同軸に配置されたコイルバネであって、その軸方向に圧縮あるいは伸長されることによって、変形部材を付勢するコイルバネが挙げられる。
また、荷重センサとしては、弾性部材の持つ付勢力を適切に検知できる荷重センサであればいずれのものでも良いが、例えば、歪みゲージを用いた荷重センサが挙げられる。
【００１８】
他の解決手段は、ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータであって、超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、を備える永久磁石モータである。
【００１９】
本発明の永久磁石モータは、超磁歪材料からなる変形部材と変形検知手段とを有する。このうち変形部材は、永久磁石の近傍など、その位置における磁界の強さが永久磁石の残留磁束密度の変化に影響される位置に配置されているので、超磁歪材料からなる変形部材は、磁界の強さに応じて変形する。
一般にロータが回転すると、電磁石で形成される磁束により、変形部材の配置位置における磁界に強さが変動するため、超磁歪材料からなる変形部材は、それに応じて伸縮等の周期的な変形を生じる。そのほか、永久磁石の温度上昇により、永久磁石の残留磁束密度が減少するので、磁界の強さが永久磁石の温度上昇と共に徐々にシフトするため、超磁歪材料からなる変形部材も、周期的な変形をしつつ、変位量が徐々にドリフトする。
【００２０】
従って、変位量のドリフトの大きさが所定の値を超えた場合、あるいは、変位量のドリフトにより、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような大きな変位量の出力が周期的に得られた場合や、ドリフトが生じないと仮定した場合には得られないような範囲で変位量が変動した場合などには、永久磁石の温度が上がりすぎて、特性劣化（減磁）を生じる虞れがあると判断できる。かくして、永久磁石の特性劣化や温度上昇を検知することができる。
しかも、変形部材の変位量のドリフトは、永久磁石の温度上昇に伴う特性変化に対応して生じる。このため、従来技術のようにステータの温度から永久磁石の温度を推定する場合よりも、正確に、且つ早い応答で永久磁石の温度上昇や特定劣化を検知することができる。
かくして、このモータでは、永久磁石の特性劣化（減磁）をより早く検知し、警告を行ったり、特性劣化の起こらない範囲でこのモータを動作させるように、モータ駆動の制御を行うことができる。
【００２１】
なお、変形部材の配置位置は、永久磁石の近傍とは限らず、永久磁石の残留磁束密度が変化することによって、その位置における磁界の強さが変化するような位置であればよい。但し、永久磁石の近傍が特に好ましい。他の永久磁石や電機子による影響が少なくなるため、その永久磁石の温度変化をより適切に検知できるからである。具体的には、例えば、一方面をＮ極、他方面をＳ極とした板状の永久磁石において、その一方面及び他方面に直交する側面に沿って棒状の変形部材を配置する場合などが挙げられる。
【００２２】
さらに、上記永久磁石モータであって、
前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである永久磁石モータとすると良い。
【００２３】
本発明のモータでは、非接触型変位センサで変形部材の変形を検知するので、ロータが回転して振動が発生しても、適切に変形を検知することができる。また、非接触であるため、変形部材や変形検知手段の配置の自由度が大きい。
【００２４】
さらに、上記永久磁石モータであって、前記変形検知手段は、前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える永久磁石モータとすると良い。
【００２５】
本発明のモータでは、変形検知手段は、変形部材をその変形方向に付勢する弾性部材を有する。例えば、変形部材をその変形方向に押圧したり、引っ張ったりする弾性部材を有する。このため、磁界の変化によって、変形部材が変形すると、弾性部材の付勢力が変化する。この付勢力の変化を荷重センサで検知すれば、変位部材の変位、さらには永久磁石の温度変化や特性劣化の程度を検知できる。
また、この変形検知手段は、バネ等の弾性部材と歪みゲージなどを用いた荷重センサや歪みセンサとを用いれば構成できるから、安価に構成することができる。
【００２６】
さらに、上記いずれか１項に記載の永久磁石モータであって、前記複数の永久磁石が、前記ロータに配置されてなり、前記変形部材も、上記ロータに配置されてなる永久磁石モータとすると良い。
【００２７】
ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータでは、ロータの回転と共に永久磁石も回転するため、このように回転している状態で永久磁石の特性劣化や温度変化を測定するのは困難であった。
本発明では、測定しにくいロータ内の永久磁石の特性劣化や温度変化を、変形部材の変形の大きさに変換しているので、ロータ内で変形部材の変形を測定する、あるいは、外部から非接触で変形部材の変形を測定するなどをすれば足りるから、測定容易である。
【００２８】
さらに、上記永久磁石モータであって、前記変形検知手段も、前記ロータに配置されてなり、上記変形検知手段からの出力信号を外部に送り出す信号送出機構を備える永久磁石モータとすると良い。
【００２９】
本発明のモータでは、変形検知手段もロータに配置されてなるが、信号送出機構を備えるので、変形検知手段からの出力信号を外部に送り出すことができ、この出力信号を用いて、永久磁石の昇温警告や運転停止等の処置を執ることができる。
なお、信号送出機構としては、ロータを挿通するシャフトの回りに設けた整流子と、これに接触するブラシとが挙げられる。また、シャフトの回りに設けたスリップリングを用いることもできる。
また、変形検知手段の性質によっては、信号送出機構と同様な機構を用いて、外部から変形検知手段の駆動に要する電力を供給することもできる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図１〜図５を参照して説明する。図１及び図２に示すモータ１は、ステータ２、ロータ３、及びロータ３を挿通するシャフト４を有する。このうち、ステータ２は、１２ヶの内歯部２２を有し多数の電磁鋼板を積層してなるステータコア２１と、各々の内歯部２２に導線を巻回してなる１２ヶのステータコイル２３（図１では図示しない。図２参照）とを有する。
【００３１】
一方、ロータ３は、多数の電磁鋼板を積層してなる、リング状のロータコア３１を有する。ロータコア３１のうち周縁近傍には、等角度間隔（所定の周方向ピッチ）に配置され、シャフト４の軸線４Ｘに沿う方向（図２中上下方向）にこのロータコア３１を貫通する８ヶのスロット３１Ｓが形成されており、このスロット３１Ｓ内にその板圧方向に着磁された板状の永久磁石３２が挿入、固定されている。さらに、このスロット３１Ｓ内で永久磁石３２の側方には、超磁歪材料（例えばＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）からなる円筒状の超磁歪素子５が挿入され、固定されている。永久磁石３２及びステータコイル２３は、この超磁歪素子５の配置位置に磁界を生じさせる。この超磁歪素子５は、図３に示す特性を有しており、外部磁界が掛かると伸縮する。その歪み量（磁歪量）は外部磁界の強さに応じて変化し、外部磁界Ｈが３０ｋＡ／ｍのときには、磁歪量△Ｌは４０μｍに達する。従って、永久磁石３２による磁界が掛かると、超磁歪素子５はその軸方向（図２中、上下方向）伸びる。また、ロータ３の回転により、ステータコイル２３による磁界（弱め磁界）が周期的に掛かると、超磁歪素子５はそれに応じて、その軸方向（図２中、上下方向）に伸縮する。
【００３２】
また、このロータコア３１を挟むようにロータエンドプレート３３，３４が配置されている。ロータコア３１及びロータエンドプレート３３，３４は、シャフト４に圧入され、それらの内周面３１Ｎ，３３Ｎ，３４Ｎがシャフト４の外周に密着することによって、各々シャフト４に固定されている。
ロータエンドプレート３３には、上述の超磁歪素子５の変位（磁歪量）△Ｌを測定するため、レーザ式の非接触変位センサ６を固定するための固定孔３３Ｃが形成されている。超磁歪素子５は下端５Ｄがロータエンドプレート３４に固定されているので、外部磁界Ｈの変化による磁歪量△Ｌの変化は、上端５Ｕに現れる。従って、非接触変位センサ６で上端５Ｕの変位を測定することで、磁歪量△Ｌを測定することができる。
また、シャフト４には、整流子４１が装着されており、非接触変位センサ６からの変位信号６ＳＧは、信号線６１を通じて整流子４１に伝えられ、ブラシ４２を通じて外部に取り出される。なお、非接触変位センサ６を駆動する電力は、これとは逆に、別途、ブラシ及び整流子を通じて外部から供給される。
【００３３】
次いで、このモータ１における永久磁石３２の特性劣化や温度計測について、図４、図５を参照して説明する。上述したように、超磁歪素子５は、永久磁石３２が発生する磁束によって伸びている。また、超磁歪素子５は、ステータコイル２３によって発生する弱め磁界にも影響を受ける。但し、超磁歪素子５に対するステータコイル２３による弱め磁界の影響は、ロータ３の回転と共に変化する。即ち、図４（ａ）において左側に示すように、永久磁石３２とステータ２の内歯部２２及びステータコア２３とが正対する場合には、永久磁石３２の発生する磁界が大きく弱められて、超磁歪素子５にかかる外部磁界の大きさは小さくなる。一方、図４（ａ）において右側に示すように、永久磁石３２に対して、内歯部２２及びステータコア２３がずれた位置にある場合には、弱め磁界の影響を受けず、永久磁石３２で発生する磁界は弱められないので、超磁歪素子５に掛かる外部磁界の大きさが大きくなる。このように、ロータ３の回転によって、超磁歪素子５が受ける外部磁界に強さが周期的に変化するため、図４（ｂ）に示すように、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌも周期的に変化する。
そこで、この磁歪量△Ｌを非接触変位センサ６で計測すると、図５に示すように、出力電圧Ｖが２〜４Ｖの範囲で変化する。
【００３４】
ところで、永久磁石３２の温度が高くなると、さらには、永久磁石３２の特性劣化が生じると、永久磁石３２で発生する磁界の強さが徐々に低下する。すると、永久磁石３２による磁界によって超磁歪素子５の伸びている磁歪量△Ｌが徐々に小さくなる。従って、図４（ａ）において破線で示すように、超磁歪素子５で受ける外部磁界の強さが全体的に低下するので、図４（ｂ）において破線で示すように、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌも全体的に低下する（ドリフトする）。
すると、図５に破線で示すように、非接触変位センサ６では、出力電圧Ｖが１．５〜３．５Ｖの範囲で変化するようになる。このように、永久磁石３２の温度が上昇し、さらには、その特性が劣化して残留磁束密度が低下すると、非接触変位センサ６における出力も徐々に低下する。
【００３５】
そこで、永久磁石３２の特性に応じ、例えば、磁歪量△Ｌ＝１０μｍ以下、非接触変位センサ６の出力電圧Ｖ＝１Ｖ以下となった場合、具体的には、周期的にＶ＝１Ｖ以下となる場合には、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めたと解して、モータ１の駆動パターン（ステータコイル２３に流すコイル電流の大きさや位相など）を変化させ、弱め界磁によるこれ以上の永久磁石３２の特性劣化を防ぐようにすることができる。
また、出力電圧Ｖが周期的に所定の値（例えば１．２Ｖ）よりも小さな値となる場合には、永久磁石３２の温度が上がりすぎていると解して、同様に、モータ１の駆動パターンを変化させ、温度上昇による永久磁石３２の熱減磁を防ぐようにすることもできる。逆に、出力電圧から、永久磁石３２の温度を推定し、この温度で制御することもできる。
【００３６】
（実施形態２）
次いで、本発明の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。上述した実施形態１では、超磁歪素子５を永久磁石３２に隣接して配置、固定し、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌを、非接触変位センサ６によって検知した。これに対し、本実施形態２では、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌをコイルバネ７２によって荷重に変換し、これを荷重センサ７３で測定することにより、磁歪量△Ｌを間接的に計測することで、超磁歪素子５の磁歪量△Ｌ、さらには、永久磁石３２の特性劣化や温度を推定する点で異なる。しかし残余の点は、実施形態１と同様であるので、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、記載を省略あるいは簡略化する。
【００３７】
本実施形態２にかかるモータ１１は、実施形態１に記載のモータ１とほぼ同様の、内歯形状のステータ２及び永久磁石３２が周縁近傍に配置されたロータ３を有する（図１参照）。但し、本実施形態２では、変位センサ６は用いない。以降は、図６に示す本実施形態２にかかるモータ１１の要部について説明する。
【００３８】
本実施形態２では、永久磁石３２の側部に、変位−荷重変換機構７を配置する（図１参照）。具体的には、永久磁石３２の側部に超磁歪素子５１とコイルバネ７２を非磁性材（具体的にはアルミニウム）からなる非磁性体管７１内に挿入し、さらに荷重センサ７３を挿入し、コイルバネ７２に当接させる。ロータエンドプレート３５に形成したボルト孔３５Ｃに挿通したボルト７４により、荷重センサ７３を軸方向（図６中、下方向）に押圧する。これにより、超磁歪素子５１が、コイルバネ７２を通じて押圧される。
【００３９】
前述した実施形態１と同様にして、超磁歪素子５１が伸縮すると、コイルバネ７２が伸縮し、それに応じて、荷重センサ７３にかかる荷重が変化する。従って、この荷重センサ７３の出力は、超磁歪素子５１の変位に応じて変化する。
なお、非磁性体管７１は、超磁歪素子５１、コイルバネ７２、及び荷重センサ７３を整列させるための管であり、磁界に影響を与えないため、非磁性材料から構成されている。
【００４０】
荷重センサ７３からの出力は、信号線７３１を通じて、実施形態１と同様、シャフト４に装着された整流子４１に伝えられ、さらに、ブラシ４２を通じて外部に取り出される。なお、荷重センサ７３を駆動する電力は、これとは逆に、別途、ブラシ及び整流子を通じて外部から供給される。
【００４１】
この実施形態２においても、超磁歪素子５１は、永久磁石３２が発生する磁束によって伸びている。また、超磁歪素子５１は、ステータコイル２３によって発生する弱め磁界にも影響を受ける。但し、超磁歪素子５１に対するステータコイル２３による弱め磁界の影響は、ロータ３の回転と共に周期的に変化するため、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌも周期的に変化する（図４（ａ）参照）。そこで、この磁歪量△Ｌに対応する荷重を荷重センサ７３で計測すると、所定範囲で変化する。
【００４２】
これに対し、永久磁石３２の温度が高くなると、さらには、永久磁石３２の特性劣化が生じると、永久磁石３２で発生する磁界の強さが低下するので、永久磁石３２による磁界によって超磁歪素子５１の伸びている磁歪量△Ｌが小さくなる。従って、超磁歪素子５１で受ける外部磁界の強さが全体的に低下するので、超磁歪素子５１の磁歪量△Ｌも全体的に低下する（図４（ａ）の破線参照）。
すると、これに対応する荷重も変化するので、荷重センサ７３の出力範囲が変化（低下）する。
【００４３】
そこで、例えば、荷重センサ７３の出力が周期的に所定値以下となる場合には、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めたと解して、モータ１の駆動パターン（ステータコイル２３に流すコイル電流の大きさや位相など）を変化させ、弱め界磁によるこれ以上の永久磁石３２の特性劣化を防ぐようにすることができる。
同様に、荷重センサ７３の出力が周期的に他の所定値以下となる場合には、永久磁石３２の温度が上がりすぎていると解して、同様に、モータ１の駆動パターンを変化させ、温度上昇による永久磁石３２の熱減磁を防ぐようにすることもできる。
逆に、出力電圧から、永久磁石３２の温度を推定することもできる。この場合には、荷重センサ７３の出力から、永久磁石３２の温度を推定し、この温度で制御することもできる。
なお、コイルバネ７２にも、銅系金属などの非磁性材を用いるのが好ましい。
【００４４】
以上において、本発明を実施形態１，２に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態１，２では、周期的に変動する変位センサ６の出力あるいは荷重センサ７２の出力を持ち、これらが所定値を周期的に下回る場合に、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めていると判断した。しかし、変位センサ６や荷重センサ７２の出力を時間的に平均し、あるいは積分して、直流成分である永久磁石３２が発生する磁界による超磁歪素子５，５１の磁歪量のみを取り出し、これを用いて、永久磁石３２の特性劣化が生じ始めているか否か、あるいは永久磁石の温度について、判断をするようにしても良い。
【００４５】
さらに、実施形態１においては、非接触変位センサ６として、レーザ式変位計を用いたが、超磁歪素子５の変位（磁歪量△Ｌ）を測定できるものであれば良く、静電容量式、超音波式など、各種の測定方式による変位計を採用することができる。
また、実施形態１，２においては、超磁歪素子５，５１は、棒状形状を有し、その軸方向に伸縮した変位（磁歪量）を計測し、あるい荷重に変換した。しかし、超磁歪素子の他方向への変形（径方向への変形）を用いたり、超磁歪素子を他の形状（例えば、円板状、弓状）に成形し、径方向への変形や屈曲変形などを用いることもできる。
【００４６】
また、実施形態１においては、非接触変位センサ６を回転するロータ３（ロータエンドプレート３に固定し、変位センサ６からの変位信号６ＳＧを、信号送出機構である整流子４１及びブラシ４２を用いて外部に取り出した。しかし、これ以外に機構を用いることもでき、例えば、スリップリングを用いることもできる。また、無線通信あるいは光通信によって出力を外部に取り出すこともできる。
また、変位センサ６を回転しない部材に取り付け、別途シャフトに取り付けたレゾルバなどにより回転角を検出して、超磁歪素子５の変位量をロータ３の回転に同期して計測するようにすることもできる。このようにすると、変位センサ６からの変位出力を容易に得ることができる利点がある。
また、上記実施形態１，２では、永久磁石３２がロータ３に配置形成されたタイプのモータ１，１１について説明したが、ステータに永久磁石を配置したモータについても、本発明を適用することができる。この場合には、変位センサや荷重センサの出力を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１，２にかかるモータの概要を説明する説明図であり、シャフトの軸線方向からステータ及びロータを見た状態を示す。但し、ロータはエンドプレートを外した状態であり、ステータは内歯に巻いたコイルを省略した状態について示す。
【図２】実施形態１にかかるモータのＯ−Ａ縦断面図である。
【図３】超磁歪素子の特性を示し、加えられた磁界と発生する変位との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、ステータの磁極とロータの永久磁石との位置関係と、超磁歪素子が受ける磁束密度の関係を示す説明図であり、（ｂ）は超磁歪素子の磁歪量を示す説明図である。
【図５】実施形態１にかかり、超磁歪素子の磁歪量と変位計の出力電圧との関係を示す説明図である。
【図６】実施形態２にかかるモータの概要を説明する説明である。
【符号の説明】
１，１１ モータ
２ ステータ
２１ ステータコア
２２ 内歯部
２３ ステータコイル
３ ロータ
３１ ロータコア
３２ 永久磁石
３３，３４，３５ ロータエンドプレート
３３Ｃ 固定孔
３５Ｃ ボルト孔
４ シャフト
４Ｘ （シャフトの）軸線
４１ 整流子
４２ ブラシ
５，５１ 超磁歪素子（変形部材）
５Ｄ 下端
５Ｕ 上端
６ 非接触型変位センサ（変位検知手段）
６１ 信号線
６ＳＧ 変位信号
７ 変位−荷重変換機構
７１ 非磁性体管
７２ コイルバネ（弾性部材）
７３ 荷重センサ（変位検知手段）
７３１ 信号線
７４ ボルト
Claims (8)
- ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータにおける上記永久磁石の劣化を検知する永久磁石劣化センサであって、
超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、
上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、
を備える永久磁石劣化センサ。 - 請求項１に記載の永久磁石劣化センサであって、
前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである
永久磁石劣化センサ。 - 請求項１に記載の永久磁石劣化センサであって、
前記変形検知手段は、
前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、
上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える
永久磁石劣化センサ。 - ステータ、及びロータを有し、上記ステータ及びロータのいずれかに所定の周方向ピッチで配置された複数の永久磁石を備えるモータであって、
超磁歪材料からなり磁界の強さに応じて変形する変形部材であって、その配置位置における磁界の強さが、上記複数の永久磁石のうち少なくともいずれかの永久磁石の有する残留磁束密度の変化に影響される位置に配置された変形部材と、
上記変形部材の変形を検知する変形検知手段と、
を備える永久磁石モータ。 - 請求項４に記載の永久磁石モータであって、
前記変形検知手段は、前記変形部材の変形を非接触で検知する非接触型変位センサである
永久磁石モータ。 - 請求項４に記載の永久磁石モータであって、
前記変形検知手段は、
前記変形部材を前記変形の方向に付勢する弾性部材と、
上記弾性部材の付勢力の変化を検知する荷重センサと、を備える
永久磁石モータ。 - 請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石モータであって、
前記複数の永久磁石が、前記ロータに配置されてなり、
前記変形部材も、上記ロータに配置されてなる
永久磁石モータ。 - 請求項７に記載の永久磁石モータであって、
前記変形検知手段も、前記ロータに配置されてなり、
上記変形検知手段からの出力信号を外部に送り出す信号送出機構を備える
永久磁石モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003015722A JP2004229436A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 永久磁石劣化センサ、永久磁石モータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003015722A JP2004229436A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 永久磁石劣化センサ、永久磁石モータ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004229436A true JP2004229436A (ja) | 2004-08-12 |
Family
ID=32903387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003015722A Pending JP2004229436A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 永久磁石劣化センサ、永久磁石モータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004229436A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015002155A1 (ja) * | 2013-07-03 | 2015-01-08 | 日産自動車株式会社 | 磁石温度推定装置および磁石温度推定方法 |
| JP2015091139A (ja) * | 2013-11-04 | 2015-05-11 | 株式会社ジェイテクト | 回転電機用ロータおよびその製造方法 |
-
2003
- 2003-01-24 JP JP2003015722A patent/JP2004229436A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
| WO2015002155A1 (ja) * | 2013-07-03 | 2015-01-08 | 日産自動車株式会社 | 磁石温度推定装置および磁石温度推定方法 |
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