JP2008517225A - 回転する軸の軸受の温度を監視するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転する軸（２）の軸受（１ｂ）の温度を監視するための方法および装置であって、リゾルバ（３）が軸受（１ｂ）の近傍に配置されており、リゾルバ（３）の固定子巻線（４）が測定電流（Ｉ_mess）を付加され、固定子巻線（４）のオーム抵抗と固定子巻線（４）に至る導線（１３）のオーム抵抗（Ｒ_L）とからなる総オーム抵抗（Ｒ_G）が、測定電流（Ｉ_mess）と、測定電流（Ｉ_mess）によって固定子巻線（４）および導線（１３）上に現れる電圧降下（Ｕ_mess）とによって算定され、総オーム抵抗（Ｒ_G）、および／または総オーム抵抗（Ｒ_G）から求められるリゾルバ（３）の温度（Ｔ）が限界値を上まわるとき、軸受（１ｂ）の過熱が検知される方法および装置に関する。本発明は、温度を監視するのに温度センサが必要とされない、回転する軸（２）の軸受（１ｂ）の温度を監視するための方法および装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転する軸の軸受の温度を監視するための方法および装置に関する。

モータ、特に電気モータではしばしば、軸受の損傷およびモータ軸の損傷を避けるために、モータの回転軸の軸受温度を監視する必要がある。

回転するモータ軸の軸受温度を監視するための一般的方法が図１に図式化して示してある。図１に例示的に示したモータは回転するモータ軸２を支承するための２つの軸受１ａ、１ｂとハウジング５とを含む。モータが２つの側を有し、これらの側が図１で符号Ａ、Ｂとされている。当然にモータはなお他の要素を含むが、しかしそれらは本発明を理解するのに重要でないので図１には図示されていない。

基準点に関してモータ軸の位置、すなわち角度位置を測定するために、および／または回転数を測定するために、モータはさらにリゾルバ３の態様の誘導式位置検出器を有する。リゾルバ３は、本発明を理解するうえで重要でないことから理解し易いよう図示されていない別の構成要素の他に、固定子巻線４を有する。リゾルバ３の固定子巻線４は交流電圧源Ｕ_ACに接続されている。交流電圧源Ｕ_ACがリゾルバ３の固定子巻線４内に生成する交流電流Ｉ_ACは、リゾルバ回転子の図示しない回転子巻線内に信号を発生し、この信号は回転子の回転運動によって変調される。このように変調された信号によってモータ軸２の位置が算定される。

Ｂ側軸受１ｂの温度を測定するために軸受１ｂに取付けられた温度センサ１７が軸受１ｂの温度Ｔ_Sを外部評価ユニット６に転送する。評価ユニット６は実質的に、最大許容軸受温度を上まわるとき警報信号ＡＬを出力する限界値モニタを含む。Ｂ側軸受１ｂの温度Ｔ_Sから一般にＡ側軸受１ａの温度を推定できるので、多くの場合Ａ側軸受１ａの温度を個別に監視することは行われない。

一般的に利用されるこの軸受温度の監視は幾つかの欠点を有する。一方で温度センサ１７を設けねばならず、他方で温度監視を実現するために一般に外部評価ユニット６が温度センサ５に接続される。外部評価ユニット６は個別の機器であり、モータを制御（シーケンス制御）ないし調節（フィードバック制御）するため元々設けられている制御器または調節器の構成要素ではない。指摘した諸欠点から、モータ軸受の温度を監視するための一般的に実施される前記方法は高価で手間のかかるものとなる。

本発明の課題は、温度を監視するのに温度センサを必要としない、回転する軸の軸受の温度を監視するための方法および装置を明示することである。

この課題は、回転する軸の軸受の温度を監視するための方法であって、
リゾルバが軸受の近傍に配置されており、
リゾルバの固定子巻線が測定電流を付加され、
固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線のオーム抵抗とからなる総オーム抵抗が、測定電流と、測定電流によって固定子巻線および導線上に現れる電圧降下とによって算定され、
−総オーム抵抗、および／または総オーム抵抗から求められるリゾルバの温度が限界値を上まわるとき、軸受の過熱が検知される方法によって解決される。

さらにこの課題は、回転する軸の軸受の温度を監視するための装置であって、リゾルバが軸受の近傍に配置されており、
リゾルバの固定子巻線に測定電流を付加するための手段を有し、
固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線のオーム抵抗とからなる総オーム抵抗を算定するための手段を有し、測定電流と、測定電流によって固定子巻線および導線上に現れる電圧降下が評価され、
総オーム抵抗が限界値を上まわるか否かを監視するための手段を有し、限界値を上まわるとき、軸受の過温度が検知され、および／または
総オーム抵抗から求められたリゾルバ温度が限界値を上まわるか否かを監視するための手段を有し、限界値を上まわるとき軸受の過熱が検知される装置によって解決される。

本発明の有利な第１構成は、測定電流が直流電流成分を有し、総オーム抵抗が直流電流成分と、直流電流成分によって固定子巻線および導線上に現れる電圧降下とによって算定されることを特徴としている。測定電流の直流電流成分を使用することによって特別簡単な仕方で総オーム抵抗を算定することができる。

さらに、リゾルバの温度Ｔが総オーム抵抗から関係式
Ｔ＝（Ｒ_G−Ｒ₂₀−Ｒ_L）／（Ｒ₂₀・α）＋２０℃
に従って求められ、式中Ｒ_Gが作動中の固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線のオーム抵抗とからなる総オーム抵抗、Ｒ_Lが導線の抵抗、Ｒ₂₀が２０℃におけるリゾルバの固定子巻線の抵抗、αが２０℃に関係した温度係数であると有利であることが実証されている。これにより、リゾルバの温度Ｔを特別精確に求めることが可能となる。

さらに、限界値が、軸受の最大許容温度からリゾルバ温度と軸受温度との間の温度勾配を引いたものに一致するように選択されると有利であることが実証されている。これにより、リゾルバと軸受との間の温度勾配も考慮される。

さらに、軸がモータのモータ軸として構成されていると有利であることが実証されている。殊にモータ軸の場合しばしばモータ軸の軸受の温度監視が不可欠である。

さらに、本発明に係る装置がモータを制御および／または調節するための制御器および／または調節器として構成されていると有利であると実証される。

さらに、本発明に係る方法を実施することのできる本発明に係る装置用のコード領域を含むコンピュータプログラム製品が設けられていることが有利であると示される。

装置の有利な諸構成は方法の有利な諸構成と同様に生じ、またその逆である。

本発明の１実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。

図２に実施例の態様で本発明に係る方法および本発明に係る装置が示してある。図２に示すモータは、先に図１に示したモータと基本構造が実質的に同一である。それゆえに図２において同じ要素には図１と同じ符号が付けてある。モータに関する唯一の本質的違いは、図２によるモータが図１による温度センサ７を持たないことにある。当然にモータはなお他の要素を含むが、しかしそれらは本発明を理解するうえで重要でないので図２に図示されていない。

本発明によれば、モータ軸の軸受１ｂの温度監視のためにリゾルバ３の固定子巻線４の加熱が利用される。モータ軸の位置および／または回転速度を測定するためのリゾルバ３はモータの場合ふつう有利にはモータ軸２の両方の軸受のうちの一つのすぐ近くに配置されており、軸受温度はリゾルバ３の温度Ｔに伝わり、それとともにリゾルバ３の固定子巻線４に伝わる。実施例においてリゾルバ３はモータのＢ側でＢ側軸受１ｂの端板に直接固着されており、軸受１ｂとリゾルバ３との間で良好な熱伝達が保証されている。

リゾルバ３が軸受１ｂのすぐ近くに配置されているので軸受１ｂとリゾルバ３との間の温度勾配は小さい。リゾルバ３の一体な構成要素としてリゾルバ３は既に上で述べたように固定子巻線４を有し、この固定子巻線は軸受１ｂによってリゾルバ３全体と同程度に加熱される。固定子巻線４の加熱によって固定子巻線４のオーム抵抗が高まり、そのことが本発明によれば軸受温度の監視に利用される。

固定子巻線Ｒ_Sのオーム抵抗と固定子巻線４に至る導線１３のオーム抵抗Ｒ_Lとを加算してなる総オーム抵抗Ｒ_G、すなわち固定子巻線のオーム抵抗Ｒ_Sと固定子巻線に至る導線のオーム抵抗Ｒ_Lとからなる総オーム抵抗Ｒ_Gを求めるために、導線１３（導線が図２では多少太く記されている）および固定子巻線４上で低下する電圧降下Ｕ_messが電圧計１０によって測定され、固定子巻線４および導線１３を流れる測定電流Ｉ_messが電流計９によって測定される。リゾルバの固定子巻線４に付加される測定電流Ｉ_messは一方で、リゾルバ３の直接的作動用に不可欠な、交流電圧Ｕ_ACを発生する交流電圧源７によって発生され、他方で直流電圧Ｕ_DCを発生する付加的直流電圧源８によって発生される。それとともに測定電流Ｉ_messは、直流電圧源８によって発生される直流電流成分Ｉ_DCと交流電圧源７によって発生される交流電流成分Ｉ_ACとから加算的に構成される。

電圧源８によって発生される測定電流Ｉ_messの直流電流成分Ｉ_DCと、測定電流Ｉ_messの結果として固定子巻線４と固定子巻線４に至る導線１３とに現れる電圧降下Ｕ_messとに基づいて、以下で総オーム抵抗Ｒ_Gが求められる。このため電圧降下Ｕ_messが入力量としてフィルタ１１ｂに供給され、電流Ｉ_messが入力量としてフィルタ１１ａに供給される。フィルタ１１ｂは電圧Ｕ_messから直流電圧成分Ｕ_DCを取り出し、フィルタ１１ａは測定電流Ｉ_messから、直流電圧源８によって発生される直流電流成分Ｉ_DCを取り出す。フィルタ１１ａ、１１ｂはこのため例えば、各交流成分を取り出す低域通過フィルタの態様で設けることができる。

直流電流成分Ｉ_DCと直流電圧成分Ｕ_DCは引き続き入力量として抵抗検出ユニット１４に供給され、抵抗検出ユニットは直流電圧成分Ｕ_DCを直流電流成分Ｉ_DCで除算することによって総オーム抵抗Ｒ_Gを出力量として求める。

総抵抗Ｒ_Gは入力量として温度検出ユニット１５に供給され、温度検出ユニットは固定子巻線の温度を求め、それとともに十分な近似でリゾルバの温度Ｔを求める。温度検出ユニット１５は有利にはリゾルバの温度Ｔを総オーム抵抗Ｒ_Gから関係式
Ｔ＝（Ｒ_G−Ｒ₂₀−Ｒ_L）／（Ｒ₂₀・α）＋２０℃ （１）
に従って求め、式中Ｒ_Gはモータ作動中の固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線のオーム抵抗とからなる総オーム抵抗、Ｒ_Lは導線の抵抗、Ｒ₂₀は２０℃におけるリゾルバ固定子巻線の抵抗、αは２０℃に関係した温度係数である。

導線１３の抵抗Ｒ_Lは予め例えばモータの運転開始時の測定によって、または導線１３の横断面積と導線１３の材料と導線１３の長さとから関係式
Ｒ_L＝ｌ／（χ^*Ａ） （２）
ｌ：導線の長さ（往線路と復線路との総長）
Ａ：導線の横断面積
χ＝導線の材料の導電率
に従って計算することによって求めることができる。定格温度２０℃におけるリゾルバ固定子巻線の抵抗Ｒ₂₀は２０℃の周囲温度で休止状態においてリゾルバを測定することによって測定することができる。しかしリゾルバ固定子巻線の抵抗Ｒ₂₀はしばしばリゾルバ製造業者によって直接明示されることもある。

温度係数αは一般に知られた物理テーブルに作表されており、例えば銅の場合１／２５５（１／ケルビン）である。

このように求められたリゾルバ温度Ｔは入力量として限界値モニタ１６に供給される。総オーム抵抗Ｒ_Gから求められるリゾルバ温度Ｔが限界値を上まわると、軸受の過温度が検知され、限界値モニタ１６が警報信号ＡＬを発生する。限界値は有利には、軸受の最大許容温度からリゾルバ温度と軸受温度との間に現れる温度勾配を引いたものに一致するように選択される。限界値がこうして上記のように選択されると、軸受温度とリゾルバ温度との間に現れるふつう僅かな温度勾配も考慮され、軸受温度の監視がきわめて精確となる。

しかし選択的に、総オーム抵抗Ｒ_Gからリゾルバの温度Ｔを求めるのでなく、図２に破線で示唆したように総オーム抵抗Ｒ_Gを入力量として限界値モニタ１６に直接供給することも考えられる。総オーム抵抗Ｒ_Gが限界値を上まわる場合、それは軸受の過熱（過温度）として検知され、限界値モニタ１６が警報信号ＡＬを発生する。

しかし、総オーム抵抗Ｒ_Gもリゾルバ温度Ｔも同時にそれぞれ付属する限界値を上まわるか否かを監視され、こうして軸受の過熱が検知されて警報信号ＡＬが発生されるように限界値モニタ１６を構成することも考えられる。

さらに、直流電圧源８を設けるのでなく、本発明に係る方法を実施するのに、リゾルバ機能にとって不可欠な元々設けられる交流電圧源７のみを利用することも当然に考えられる。その場合、総オーム抵抗Ｒ_Gの算定は、固定子巻線のインピーダンスと導線のインピーダンスとから加算的に与えられる総インピーダンスＺ_Gの実部を算定することによって行われる。総インピーダンスＺ_Gは測定電圧Ｕ_messと測定電流Ｉ_messとから算定され、測定電圧と測定電流はこの場合直流成分ではなく専ら交流成分のみを含む。総インピーダンスＺ_Gおよびその実部の算定は抵抗検出ユニット１４において行われる。本発明のこの構成において両方のフィルタ１１ａ、１１ｂは省かれる。

本発明に係る装置がモータを制御ないし調節するための制御器ないし調節器として構成されていると、このような制御器ないし調節器はいずれにしてもモータを調節ないし制御するために設けられているので、特別有利である。それとともに、先行技術による軸受温度を監視するための図１による付加的外部評価ユニット６は省くことができる。

さらに、本発明に係る方法を本発明に係る装置で実施することのできるようにする、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、コンパクトディスク、フラッシュカードまたは別の記憶媒体の態様の、符号区域を含むコンピュータプログラム製品を設けると有利である。

さらに指摘しておくなら、直流電圧源８は調節された直流電圧源の態様で設けておくこともでき、こうして、一定した直流電流成分Ｉ_DCを発生する直流電流源として作動することができる。

Ｂ側軸受１ｂの温度から一般にＡ側軸受１ａの温度を推定できるので、本発明に係る方法および本発明に係る装置によって一般にＡ側軸受１ａの監視は同時に実施されもする。

さらに、ここで明確に付記しておくなら、本発明に係る方法および本発明に係る装置は当然に回転するモータ軸の軸受温度の監視だけでなく、ごく一般に、例えば発電機の軸等の別の回転する軸において軸受温度を監視するのにも適している。

さらにここで付記しておくなら、軸受１ａ、１ｂは例えば転がり軸受として構成しておくことができる。

先行技術による軸受の温度監視を示す。 モータの軸を例として、回転する軸の軸受温度を監視するための本発明に係る装置および方法を示す。

符号の説明

１ａ，１ｂ 軸受
２ 軸
３ リゾルバ
４ 固定子巻線
６ 評価ユニット
７ 交流電圧源
８ 直流電圧源
９ 電流計
１０ 電圧計
１３ 導線
１４ 抵抗検出ユニット
１５ 温度検出ユニット
１６ 限界値モニタ
ＡＬ 警報信号
Ｉ_AC 交流電流成分
Ｉ_DC 直流電流成分
Ｉ_mess 測定電流
Ｒ_G 総オーム抵抗
Ｒ_L 導線のオーム抵抗
Ｒ_S 固定子巻線のオーム抵抗
Ｔ 温度
Ｕ_DC 直流電圧
Ｕ_mess 電圧降下
Ｚ_G 総インピーダンス

Claims (8)

1. 回転する軸（２）の軸受（１ｂ）の温度を監視するための方法であって、
   リゾルバ（３）が軸受（１ｂ）の近傍に配置されており、
   リゾルバ（３）の固定子巻線（４）が測定電流（Ｉ_mess）により付勢され、
   固定子巻線（４）のオーム抵抗と固定子巻線（４）に至る導線（１３）のオーム抵抗（Ｒ_L）とからなる総オーム抵抗（Ｒ_G）が、測定電流（Ｉ_mess）と、測定電流（Ｉ_mess）によって固定子巻線（４）および導線（１３）上に現れる電圧降下（Ｕ_mess）とによって算定され、
   総オーム抵抗（Ｒ_G）、および／または総オーム抵抗（Ｒ_G）から求められるリゾルバ（３）の温度（Ｔ）が限界値を上まわるとき、軸受（１ｂ）の過熱が検知されることを特徴とする方法。
2. 測定電流（Ｉ_mess）が直流電流成分（Ｉ_DC）を有し、総オーム抵抗（Ｒ_G）が直流電流成分（Ｉ_DC）と、直流電流成分（Ｉ_DC）によって固定子巻線および導線上に現れる電圧降下（Ｕ_mess）とによって算定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. リゾルバの温度Ｔが総オーム抵抗から関係式
   Ｔ＝（Ｒ_G−Ｒ₂₀−Ｒ_L）／（Ｒ₂₀・α）＋２０℃
   に従って求められ、式中Ｒ_Gが作動中の固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線のオーム抵抗とからなる総オーム抵抗、Ｒ_Lが導線の抵抗、Ｒ₂₀が２０℃におけるリゾルバの固定子巻線の抵抗、αが２０℃に関係した温度係数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 限界値が、軸受の最大許容温度からリゾルバの温度（Ｔ）と軸受の温度との間の温度勾配を引いたものに一致するように選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 軸（２）がモータのモータ軸として構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 回転する軸の軸受の温度を監視するための装置であって、リゾルバ（３）が軸受（１ｂ）の近傍に配置されており、
   リゾルバ（３）の固定子巻線（４）に測定電流（Ｉ_mess）を付加するための手段を有し、
   固定子巻線のオーム抵抗と固定子巻線に至る導線（１３）のオーム抵抗（Ｒ_L）とからなる総オーム抵抗（Ｒ_G）を算定するための手段を有し、測定電流（Ｉ_mess）と、測定電流（Ｉ_mess）によって固定子巻線（４）および導線（１３）上に現れる電圧降下（Ｕ_mess）が評価され、
   総オーム抵抗（Ｒ_G）が限界値を上まわるか否かを監視するための手段を有し、限界値を上まわるとき、軸受（１ｂ）の過熱が検知され、および／または
   総オーム抵抗（Ｒ_G）から求められたリゾルバの温度（Ｔ）が限界値を上まわるか否かを監視するための手段を有し、限界値を上まわるとき軸受（１ｂ）の過熱が検知される装置。
7. 装置がモータを制御ないし調節するための制御器ないし調節器として構成されている請求項６記載の装置。
8. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法を実施することのできる装置用のコード領域を含むコンピュータプログラム製品。

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