JP2009011054A - モータの物理量情報計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源系統から侵入するサージに対して耐性があり、サンプリング時間等の情報を外部から変更できる回転子の内部状態を正確に計測するモータの回転子物理量を計測装置を提供する。
【解決手段】モータ１における回転子４に直接ＩＣタグ２０を取り付け、モータの外部にＩＣタグリーダライタ４０を設置し、これらＩＣタグ２０とＩＣタグリーダライタ４０間に開閉サージや雷サージよりも周波数の高い通信周波数で読み取りコマンドおよび応答を送受信することにより、回転子４の物理状態を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子鉄心や回転子コイルの温度データ、あるいはコイルの部分放電等の回転子に係わる物理量情報を計測するセンサを回転子に取り付けて回転子の物理量情報を読み取るようにしたモータの物理量情報計測装置に関する。

ベルトコンベアや電気自動車等の駆動用モータの回転子に採用されている鉄心（積層鉄心、永久磁石の鉄心）の透磁率は、鉄心の温度が上昇すると低下し、所定の温度以上になると磁束密度が急激に低下する。この場合、モータの回転トルクが低下し、運転停止に発展する恐れがある。
また、コイルの温度が所定値以上になると、コイルを被覆している絶縁物が劣化して層間短絡や地絡事故が発生する原因となる。

通常はこのような事態の発生を防ぐために、モータの冷却装置を強化して回転子鉄心の温度上昇を抑制する、固定子コイルに流す電流値を下げる等の対策を講じるようにしている。

これらの対策を適切に講じるためには、回転子コイルの温度を検出する必要がある。回転子コイルの温度の検出方法としては、間接的な測定方法と、直接的な測定方法とがある。

間接的な測定方法としては、固定子コイルに流れる電流値や、冷却直後の冷媒温度を測定することによって回転子温度を推定する方法、あるいは、固定子コイル付近にサーミスタ等の温度センサを取り付けてその計測値から回転子の温度を推定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、回転子コイルの温度を直接的に測定する方法としては、固定子コイル磁束と鎖交するコイルに発生する起電力を電源とする温度センサと無線送信器とを備えた温度センサーモジュールを回転子の発熱部に取り付け、静止側の定置部分に無線受信器を取り付け、無線送信器で送信された計測温度信号を受信することにより、モータの内部温度を直接に検出する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２７５６９６号公報。 特開２００６−９４５７６号公報。

しかしながら、上記特許文献２に記載の発明では、回転子温度を直接的に測定できるという効果がある反面、以下のような問題点がある。
すなわち、温度センサーモジュールに取付けられている前述の固定子コイル磁束と鎖交して起電力を発生するコイルは、電源の上位接続部分から侵入してくるスイッチの開閉サージ、あるいは雷サージが侵入してきた際にも、そのサージに対応した周波数の高電圧が発生する。この高電圧により温度センサーモジュールの電源回路が破損することがあり、その場合、センサや通信器に電源供給を果たせなくなる。

本発明は、上記の課題を解決するために、モータの回転子側に取り付けたセンサ付のＩＣタグの電源回路が高周波のサージで破損されることなく、回転子側の物理量情報をモータ外部のＩＣタグリーダライタで正確に読み取ることができるようにしたモータ回転子の物理量情報計測装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明は、モータの回転子に固定され、当該回転子に係わる物理量情報を測定するセンサ、当該センサで測定した物理量情報を記憶するメモリ、当該メモリに記憶されている物理量情報を変復あるいは復調する変復調部およびアンテナを有するＩＣタグと、前記モータの外部に設置され、アンテナおよび変復調部を有し、前記ＩＣタグのメモリに記憶されている物理量情報を読み取るＩＣタグリーダライタと、を備え、前記ＩＣタグおよびＩＣタグリーダライタ間の交信に用いる通信周波数をスイッチの開閉サージおよび雷サージの周波数よりも高い周波数帯域の電磁波に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、モータの回転子に固定したＩＣタグのセンサで物理量情報を測定し、かつモータ外部にＩＣタグリーダライタを設置してＩＣタグリーダライタによってＩＣタグが測定した物理量情報を読み取るように構成し、しかもＩＣタグおよびＩＣタグリーダライタ間の通信周波数をスイッチの開閉サージや雷サージに比べて高い周波数帯域の電磁波に設定したので、開閉サージや雷サージ等によりＩＣタグに高電圧が発生することはない。この結果、ＩＣタグの電源回路が破壊することはなく、モータ内部の温度や部分放電等の物理量情報の計測を確実にかつ容易に行うことができる。

以下、図面に示す本発明の実施形態について説明する。なお、各図を通して共通する部分には同一符号を付けて重複する部分の説明を適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の実施形態におけるセンサ付きＩＣタグを備えたモータの概略配置図、図２はセンサ付きＩＣタグの位置を示すモータの断面図、図３はＩＣタグおよびＩＣタグリーダライタの機能図、そして図４はセンサ付きＩＣタグのデータ構造例図である。

（構成）
図１および図２において、１はベルトコンベアや電気自動車等の駆動用モータであり、図示しない固定部に支持されたケーシング２の内部に環状の固定子３を収納し、この固定子３の内部に同心状に回転子４を配置している。

固定子３は、固定子鉄心３−１のスロットに収納した固定子コイル３−２で回転磁界または移動磁界を作って回転子４に起電力を誘起させ、この誘起起電力と固定子３の回転磁界または移動磁界の関係によって回転子を回転駆動する。

一方、回転子４は出力軸としての回転子軸４−１に回転子鉄心４−２を嵌合固定し、さらに回転子鉄心４−２の円周方向に複数個（図示の例では１２個）のスロットを等間隔に設け、このスロットに回転子コイル４−３を巻装している。

冷却ファン５は回転子軸４−１の回転子鉄心４−２側部に固定され、ケーシング２内の冷却媒体（例えば、空気）を循環させてモータ１を冷却する。なお、２−１はケーシング２の側面に設けた開口部であり、後述する通信用電磁波を通過させるためのものである。

そして、６は内部にスイッチ７を設置した配電盤、８は変圧器、９は制御装置である。制御装置９は例えばサイリスタの三相ブリッジ回路等で構成され、変圧器８から固定子コイル３−２に印加される三相交流電圧を図示しないゲート制御装置により制御して固定子コイル３−２に流れる電流を設定値に制限するように構成されている。

以上はモータ１およびその制御装置の一般的な構成であるが、本実施形態１では、このような一般的な構成のモータ１の回転子鉄心４−２の側面に、ＩＣタグ２０を１個または複数個適宜な固定手段により固定し、ＩＣタグ２０で測定された回転子４の温度や部分放電発生等の物理量情報を交信に用いる通信用電磁波を使用してモータ１の外部に設置されたＩＣタグリーダライタ４０に向けて送信し、この温度信号を当該ＩＣタグリーダライタ４０で受信することによって、モータ１の回転子４の物理量情報を直接測定することができるように構成したものである。

ＩＣタグ２０は、例えばエポキシ系の接着剤によって回転子鉄心４−２の側面に固定される。このエポキシ系の接着剤は、十分な接着強度と耐久性とを備えているので好適である。なお、接着強度と耐久性とを長期間にわたって確保できるのであれば、他の接着剤でもよい。

以下、ＩＣタグ２０およびＩＣタグリーダライタ４０について詳細に説明する。
図３は、モータ１内部に設置されたＩＣタグ２０と、モータ１外部に設置されたＩＣタグリーダライタ４０の一例を示す詳細構成図である。

一般に、ＩＣタグとは、メモリ機能を有するＩＣチップと小型アンテナとから構成されているが、本実施形態で使用するＩＣタグは、一般的なＩＣタグにさらにサーミスタ等で構成された温度センサと内蔵電池とを有するようにしたアクティブタイプのＩＣタグであり、図３に一例を示す。すなわち、本実施形態１におけるＩＣタグ２０は、アンテナ２１、温度センサ２２、変復調部２３、制御部２４、メモリ２５、時計部２６、電源回路２７および電池（蓄電池）２８を備えている。

因みに、温度センサ２２は回転子鉄心の温度を直接測定し、アンテナ２１はＩＣタグリーダライタ４０から送信される読み取り信号（読み取りコマンド）としての通信用電磁波３１を受信し、折り返し応答信号としての通信用電磁波３２を送信する。メモリ２５は例えば不揮発性のメモリで構成され、温度センサ２２で検出された温度信号を回転子４の物理量情報として時刻情報とともに記憶する。変復調部２３は周波数フィルタを含み、送信時または受信時に搬送波を変調または復調する。そして、制御部２４は各部を制御するために必要な演算処理を行う。

ここで、読み取り信号としての通信用電磁波３１とは、読み取り信号に基づいて変調された搬送波のことであり、また、折り返し応答信号としての通信用電磁波３２とは、メモリ２５に記憶されている物理量情報に基づいて変調された搬送波のことである。

なお、ＩＣタグ２０は、アクティブタイプであるがゆえに、読み取り信号（読み取りコマンド）がないときにも定期的にＩＣタグリーダライタ４０から送信された通信用電磁波３１をアンテナ２１で受信し、整流したのち電源回路２７を経て電池２８を充電（蓄電）するように構成されている。すなわち、ＩＣタグ２０のアンテナ２１は、ＩＣタグリーダライタ４０から送信された通信用電磁波３１の波長に共振するように構成されており、共振時に発生する電圧を直流に整流して電源回路２７を経て電池２８を充電され、この電池２８から電源回路２７を経て温度センサ２１、変復調部２３、制御部２４、メモリ２５および時計部２６の動作に必要な電力を供給するように構成されている。

一方、ＩＣタグリーダライタ４０は、アンテナ４１、変復調部４２、制御部４３および電源回路４４から構成されており、上位装置５０から情報読み取り要求を入力すると、変復調部４２によって搬送波を変調し、読み取り信号（読み取りコマンド）としての通信用電磁波３１をアンテナ４１からＩＣタグ２０に向けて送信する。そして、折り返しＩＣタグ２０から送信されてくる応答信号としての通信用電磁波３２をアンテナ４１で受信し、この受信信号を復調して上位装置５０に出力する。さらに、ＩＣタグリーダライタ４０は、上位装置５０からの読み取り信号（読み取りコマンド）を入力しないときにもＩＣタグ２０の電池２８を充電するために、定期的に通信用電磁波３１を送信する。

なお、ＩＣタグリーダライタ４０から送信される通信用電磁波３１は、前述した配電盤６に備え付けられたスイッチ７の開閉サージ、あるいは雷サージ等の周波数でＩＣタグ２０のアンテナ２２が共振して高電圧を発生しないように、開閉サージや、雷サージの周波数帯域に比べて一桁程度高い周波数帯域、例えば１００〜９００ＭＨｚの範囲中の任意の周波数に設定されている。因みに、スイッチ７の開閉サージの周波数帯域は５０ＭＨｚ、雷サージの周波数帯域は１ＭＨｚ程度であり、これらの周波数帯ではＩＣタグ２０のアンテナ２２に高電圧が発生することはない。

図４はＩＣタグ２０のデータ構成の一例を示しており、データ最大容量に４桁（１６個）、保持データ数に４桁、前回データ消去日時に３２桁、操作シリアルNo.に４桁、１操作あたりのデータ数に８桁、時間に８桁、データ（温度、部分放電）に８桁そしてＩＣタグＩＤ番号に３２桁をそれぞれ割り振り、合計２５６ＫＢを使用するように構成されている。この図４のデータ構成からわかるように、本実施形態のＩＣタグ２０にはデータ記憶消去機能を備えており、回転子４から取得してメモリ２５に記憶されている物理量情報を適宜消去することもできるようになっている。

（作用）
図１乃至図４を参照して本実施形態の作用を説明する。
モータ１の回転子４の鉄心４−２に固定されたＩＣタグ２０は、モータ１の外部に設置されたＩＣタグリーダライタ４０のアンテナ４１から定期的に送信される通信用電磁波３１をアンテナ２１によって受信する。このアンテナ２１は、受信した通信用電磁波３１の波長に共振するように構成されており、共振時の電圧で電源回路２７を経て電池２８を充電する。

一方、ＩＣタグ２０は、制御部２４の測定間隔制御機能で予め設定したサンプリング時間間隔で温度センサ２２によって回転子４の鉄心４−２の温度を測定し、その測定した温度情報を時計２６の時刻情報およびサンプリング間隔情報（測定時間間隔情報）とともに、メモリ２５に記憶している（図４参照）。

そして、必要に応じて上位装置５０からＩＣタグリーダライタ４０に情報読み取り指令（読み取りコマンド）が出力されると、ＩＣタグリーダライタ４０はその読み取り指令に基づいて変復調部４２で搬送波を変調し、読み取り信号としての通信用電磁波３１をアンテナ４１からＩＣタグ２０に向けて送信する。

すると、ＩＣタグ２０は、アンテナ２１で受信し、変復調部２３で復調し、制御部２４で指令を解読し、メモリ２５に記憶されている物理情報である温度信号を読み出し、制御部２４により変復調部２３に送り、ここで温度信号に基づいて搬送波を変調して、応答信号としての通信用電磁波３２をアンテナ２１からＩＣタグリーダライタ４０へ返信する。

このようにして、ＩＣタグ２０およびＩＣタグリーダライタ４０を用いてモータ１の回転子温度を直接測定することができる。なおこの場合、温度情報および時間情報とともに、測定時間間隔の情報も一緒にＩＣタグ２０に記憶するようにしたので、センサ２２により測定したデータの補完を行うことが可能となる。
そして、ＩＣタグリーダライタ４０では、受信した通信用電磁波３２を変復調部４２で復調し、制御部４３により上位装置５０に出力する。

上位装置５０は、ＩＣタグリーダライタ４０で読み取られた温度値、すなわち測定された温度値を入力することで、温度値のトレンドを表示するとか、あるいは回転子コイル絶縁層の劣化特性の予測診断を行うこともできる。さらに、上位装置５０は測定した温度値が設定値よりも高ければ制御信号を制御装置９へ与え、制御装置９によってモータ１に流れる固定子電流を制御し、回転子４の温度が設定値以下になるように制御することもできる。

なお、ＩＣタグ２０による温度測定のサンプリング時間は、上述のようにＩＣタグ２０側の制御部２４で設定するほか、ＩＣタグリーダライタ４０側から送信するコマンドで任意に設定するようにしてもよい。たとえば、モータ１の起動時の回転子の温度上昇特性を測定する際には、最初はサンプリング間隔を短くし、徐々にサンプリング間隔を長くするようにすれば、長時間の温度上昇特性を得ることができる。

（効果）
以上述べたように、本実施形態１によれば、ＩＣタグ２０とＩＣタグリーダライタ４０との間で使用される通信周波数はモータ１の駆動用のスイッチや電源系統に取り付けられた高圧配電盤に使用されているＶＣＢ等で発生する開閉サージ、あるいは雷サージの周波数に比べて高い周波数帯域に設定してあるため、開閉サージや雷サージによってＩＣタグ２０の電源回路２７が破壊されるようなことはない。

しかも、ＩＣタグ２０が発熱部近傍の回転子鉄心４−２に固定されているので、モータ１が負荷を回転駆動している状態で、ＩＣタグ２０によって鉄心５の温度を直接的にかつ正確に計測することができる。

また、ＩＣタグ２０の温度のサンプリング時間は、モータ１の起動時の回転子の温度上昇特性を測定する際、起動初期のサンプリング間隔を短くし、徐々にサンプリング間隔を長くすることで長時間に亘る温度上昇特性を得ることができる。

さらに、据付現場での使用状況による温度の変化を測定する場合には、起動時と停止時の操作直後のサンプル時間間隔を短くすると共に、状態が安定している時間帯のサンプリング時間間隔を長くすることで、回転子鉄心４−２に接した回転子コイル４−３の絶縁層の熱履歴を容易に測定できるために、絶縁層の劣化特性を正確に予測診断することができ、交換時期を推奨することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
前述した第１の実施形態は、ＩＣタグ２０を鉄心４−１の表面に固定したが、本実施形態２では、図５に示すようにＩＣタグ２０を、回転子コイル４−３の中央部分に取り付けるようにしたものである。

この結果、ＩＣタグ２０は、回転子コイル４−３の温度の最高温度点の温度を測定することができ、コイルの被覆絶縁物の劣化が最も早い部分の温度履歴を測定することができるために、より詳細なモータ１の寿命特性を予測することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
前述した第１の実施形態は、ＩＣタグ２０に備えたセンサを温度センサとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、センサとして、温度センサと部分放電センサとの双方を取り付けても良い。なお、回転子コイル４−２の部分放電を測定する方法としては、モータ１外部の配線に部分放電測定器をつないで測定することも可能であるが、この場合、コイルは大きなインダクタンスを持つために部分放電により発生する電磁波はインダクタンス部分で大きく減衰する場合もある。

しかしながら、本実施形態３では、回転子コイル４−３に接するように部分放電センサ付のＩＣタグ２０を取り付けることで、減衰する前の部分放電の信号を測定でき、高感度で部分放電の電磁波を測定することができる。部分放電センサ付きのＩＣタグ２０を図５のように回転子コイル４−３の中央部分に取り付ける場合、部分放電の発生部位がどこであっても、近い位置で部分放電による発生電荷を測定することができるため、より詳細にモータ１の寿命特性を予測することができる。

一方、部分放電センサ付きのＩＣタグ２０の取り付け作業の容易さを考えて、図６に示すようにコイルの最外側、例えば、スロット楔の直下に取り付けるようにしても良い。この場合においても部分放電の検出感度は大きく下がらない。

（他の実施形態）
センサ付きＩＣタグ２０は、以上述べた温度および部分放電を測定するセンサだけでなく、他の物理情報を測定するセンサであっても良い。回転子コイルのある部分間の電圧と温度を測定することで、コイルの導体の抵抗率の温度特性による校正値と電圧からコイルに流れている電流を知ることができる。

また、温度センサを備えたＩＣタグ２０を回転子の軸受部に取り付けて、軸受の温度を測定するようにしても良い。
さらに、ＩＣタグ２０として電池を内蔵したアクティブタイプを使用した例で説明したが、充電可能な電池が備わっていないパッシブタイプを使用してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す概略配置図。 本発明の第１の実施形態で使用するモータの断面図。 本発明の第１の実施形態におけるＩＣタグとＩＣタグリーダライタの機能図。 本発明の第１の実施形態におけるＩＣタグのデータ構造例図。 本発明の第２の実施形態および第３の実施形態で使用するモータの断面図。 本発明の第３の実施形態で使用するモータの断面図。

符号の説明

１…モータ、２…ケーシング、２−１…ケーシングの開口部、３…固定子、３−１…固定子鉄心、３−２…固定子コイル、４…回転子、４−１…回転子軸、４−２…回転子鉄心、４−３…回転子コイル、４−２…Ｓスロット、５…ファン、６…配電盤、７…スイッチ、８…変圧器、９…制御装置、１０…回転子コイル、２０…センサ付ＩＣタグ、２１…センサ、２２…アンテナ、２３…変復調部、２４…制御部、２５…メモリ部、２６…電源部、２７…時計機構、２８…電池（蓄電池）、３１，３２…通信用電磁波、４０…ＩＣタグリーダライタ、５０…上位装置。

Claims (10)

1. モータの回転子に固定され、当該回転子に係わる物理量情報を測定するセンサ、当該センサで測定した物理量情報を記憶するメモリ、当該メモリに記憶されている物理量情報を変復あるいは復調する変復調部およびアンテナを有するＩＣタグと、
   前記モータの外部に設置され、アンテナおよび変復調部を有し、前記ＩＣタグのメモリに記憶されている物理量情報を読み取るＩＣタグリーダライタと、を備え、
   前記ＩＣタグおよびＩＣタグリーダライタ間の交信に用いる通信周波数をスイッチの開閉サージおよび雷サージの周波数よりも高い周波数帯域の電磁波に設定したことを特徴とするモータの物理量情報計測装置。
2. 前記センサは、回転子鉄心に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のモータの物理量情報計測装置。
3. 前記センサは、回転子のコイルに取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のモータの物理量情報計測装置。
4. 前記センサは、回転子の軸受に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載のモータの物理量情報計測装置。
5. 前記センサは、温度センサであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のモータの物理量情報計測装置。
6. 前記センサは、部分放電センサであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のモータの物理量情報計測装置。
7. 前記ＩＣタグは、通信用電磁波を整流して蓄電可能な電池を持つことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のモータの物理量情報計測装置。
8. 前記ＩＣタグは、記憶装置、時計機能、測定間隔制御機能、およびデータ記憶消去機能のどれか１つの機能を持つことを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載のモータの物理量情報計測装置。
9. 前記モータは、ケーシングに前記通信用電磁波の通過用の開口部を設けたことを特徴する請求項１乃至８のいずれかに記載のモータの物理量情報計測装置。
10. 前記モータは、制御装置を介して固定子コイルに交流電圧を印加するように構成され、前記ＩＣタグリーダライタで読み取られた温度信号が設定値以上の場合、前記制御装置により固定子コイルに流れる電流を適宜制限することを特徴とする請求項１記載のモータの物理量情報計測装置。

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