JP2016065763A - Temperature measurement device of electric motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a temperature measurement device of an electric motor which can highly accurately measure a temperature of a rotor, in the electric motor which in operation.SOLUTION: A temperature measurement device 26 of an electric motor 1 measures a temperature of a rotor in the electric motor having a stator 4, the rotor 8, and a rotating shaft 22 connected to the rotor, and has: an optical fiber 30 which is extended up to a temperature measurement point 32 of the rotor via the inside of the rotating shaft of the electric motor; a light source 34 which makes light incident into the optical fiber; a light detector 36 which detects emission light from the optical fiber; and an optical rotating joint 38 which is arranged at the rotating shaft, and optically connects the optical fiber and the light source. The optical fiber comprises an FBG sensor which reflects only a specified wavelength component of the incident light, and a portion including the FBG sensor in the optical fiber is arranged while extending in parallel with the rotating shaft so as to contactable with the temperature measurement point of the rotor from the rotating shaft side.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電動モータの温度計測装置に係わり、特に、ステータと、ロータと、このロータに連結された回転軸とを有する電動モータにおける上記ロータの温度を計測する電動モータの温度計測装置に関する。   The present invention relates to an electric motor temperature measuring device, and more particularly to an electric motor temperature measuring device for measuring the temperature of the rotor in an electric motor having a stator, a rotor, and a rotating shaft connected to the rotor.

電動モータを運転すると、巻線の抵抗成分により発生する銅損、コアに発生する鉄損、永久磁石中に発生する渦電流損等によって熱が発生し、電動モータ各部の温度が上昇する。この温度上昇により電動モータの温度がどのように変化するのかを把握するため、あるいは、電動モータの各部の温度が最高許容温度を超えないように制御するため、電動モータの温度計測が行われる。   When the electric motor is operated, heat is generated due to copper loss generated by the resistance component of the winding, iron loss generated in the core, eddy current loss generated in the permanent magnet, and the like, and the temperature of each part of the electric motor rises. In order to grasp how the temperature of the electric motor changes due to this temperature rise, or to control the temperature of each part of the electric motor so as not to exceed the maximum allowable temperature, the temperature of the electric motor is measured.

例えば、特許文献1には、三相交流同期モータにおいて、モータ外周部に配置されたステータのステータコイル近傍にサーミスタ等の温度センサを設置し、ステータコイルの温度を計測することが記載されている。   For example, Patent Document 1 describes that in a three-phase AC synchronous motor, a temperature sensor such as a thermistor is installed in the vicinity of a stator coil of a stator arranged on the outer periphery of the motor, and the temperature of the stator coil is measured. .

特開2013−223261号公報JP 2013-223261 A

ところで、電動モータの運転中には、ステータだけではなくロータにおいても熱が発生し、ロータの温度が上昇する。また、温度上昇したステータからロータに熱伝達が行われることによっても、ロータの温度が上昇する。従って、運転中のロータの温度を正確に把握するためには、ロータの温度を直接計測できることが要求される。
しかしながら、運転中のロータは高速回転しているので、リード線を持つ熱電対やサーミスタ等の電気式温度センサをロータに直接取り付けて温度計測を行うことは困難である。スリップリングのように静止体と回転体との間で電気信号の伝達を可能とする機構を用いることにより、ロータに取り付けた熱電対やサーミスタから信号を取り出すことも考えられるが、スリップリングのブラシ部において接触ノイズが混入することは避けられず、高精度の温度計測を行うことは難しい。また、電動モータの内部においては強力な電磁界が変動しているので、電波により温度センサの信号を伝達することも困難である。
また、非接触の温度計測手法としてはサーモグラフィーが挙げられるが、ステータの内側でロータが回転するインナーロータ型の電動モータにおいてはロータが外部に向かって露出していないので、ロータの温度を計測することはできない。
By the way, during operation of the electric motor, heat is generated not only in the stator but also in the rotor, and the temperature of the rotor rises. Further, the temperature of the rotor also rises due to heat transfer from the stator whose temperature has risen to the rotor. Therefore, in order to accurately grasp the rotor temperature during operation, it is required that the rotor temperature can be directly measured.
However, since the operating rotor rotates at a high speed, it is difficult to measure the temperature by directly attaching an electrical temperature sensor such as a thermocouple having a lead wire or a thermistor to the rotor. By using a mechanism that allows transmission of an electrical signal between a stationary body and a rotating body, such as a slip ring, it is possible to extract a signal from a thermocouple or thermistor attached to the rotor. It is inevitable that contact noise is mixed in the part, and it is difficult to measure temperature with high accuracy. In addition, since a strong electromagnetic field fluctuates inside the electric motor, it is difficult to transmit the temperature sensor signal by radio waves.
In addition, thermography is an example of a non-contact temperature measurement method. In an inner rotor type electric motor in which a rotor rotates inside a stator, the rotor temperature is measured because the rotor is not exposed to the outside. It is not possible.

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、運転中の電動モータにおいてロータの温度を高精度に計測することができる、電動モータの温度計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and provides an electric motor temperature measuring device capable of measuring the temperature of a rotor with high accuracy in an operating electric motor. For the purpose.

上記の目的を達成するために、本発明の電動モータの温度計測装置は、ステータと、ロータと、このロータに連結された回転軸とを有する電動モータにおけるロータの温度を計測する電動モータの温度計測装置であって、電動モータの回転軸の内部を経由してロータの温度計測点まで配設された光ファイバと、光ファイバに光を入射させる光源と、光ファイバからの出射光を検出する光検出器と、回転軸に設けられ、光ファイバと光源及び光検出器とを光学接続する光学式回転ジョイントとを有し、光ファイバは、入射光のうち特定の波長成分のみを反射するファイバ・ブラッグ・グレーティング部を備え、光ファイバにおけるファイバ・ブラッグ・グレーティング部を含む部分は、回転軸と平行に延び、且つ、ロータの温度計測点に対して回転軸側から接触可能に配置されていることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、電動モータの運転中においても、電動モータ内部の電磁界の変動や電気接点におけるノイズ等の影響を受けることなく、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部による反射光の波長変化を光検出器によって検出し、この波長変化に基づいて温度変化を計測することができる。光ファイバにおけるファイバ・ブラッグ・グレーティング部を含む部分は、ロータの回転軸と平行に延びているので、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部には軸線方向の歪が生じることはなく、温度変化に応じた特定の波長の変化だけを検出することができる。そして、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、ロータの温度計測点に対して回転軸側から接触可能に配置されているので、電動モータの運転時にロータが回転すると、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、ロータの径方向外側に向かって作用する遠心力によって温度計測点に押し付けられる。これにより、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部を確実に温度計測点に接触させることができ、運転中の電動モータにおいてロータの温度を高精度に計測することができる。
In order to achieve the above object, an electric motor temperature measurement device according to the present invention includes a stator, a rotor, and a temperature of the electric motor that measures the temperature of the rotor in an electric motor having a rotating shaft connected to the rotor. A measuring device that detects the light emitted from the optical fiber, an optical fiber disposed through the rotating shaft of the electric motor to the temperature measurement point of the rotor, a light source that makes light incident on the optical fiber, and the like. The optical fiber includes a light detector, an optical rotation joint that is provided on the rotation shaft and optically connects the optical fiber to the light source and the light detector, and the optical fiber reflects only a specific wavelength component of incident light. The portion including the Bragg grating portion and including the fiber Bragg grating portion in the optical fiber extends in parallel with the rotation axis and is at a temperature measurement point of the rotor. Characterized in that it is arranged to be contacted from the guinea side.
In the present invention configured as described above, even during operation of the electric motor, the reflected light from the fiber Bragg grating section is not affected by fluctuations in the electromagnetic field inside the electric motor or noise at the electric contacts. A change in wavelength can be detected by a photodetector, and a change in temperature can be measured based on the change in wavelength. The part of the optical fiber that includes the fiber Bragg grating extends parallel to the rotor's rotation axis, so there is no axial distortion in the fiber Bragg grating, and it is specified according to temperature changes. It is possible to detect only a change in wavelength. Since the fiber Bragg grating section is arranged so as to be able to come into contact with the temperature measurement point of the rotor from the rotating shaft side, when the rotor rotates during operation of the electric motor, the fiber Bragg grating section is It is pressed against the temperature measurement point by centrifugal force acting toward the outside in the radial direction. As a result, the fiber Bragg grating portion can be reliably brought into contact with the temperature measurement point, and the temperature of the rotor can be measured with high accuracy in the operating electric motor.

また、本発明において、好ましくは、電動モータは、電機子巻線を備えたステータと、界磁用永久磁石を備えたロータとを有し、光ファイバのファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、ロータの界磁用永久磁石の温度計測点に対して回転軸側から接触可能に配置されている。
このように構成された本発明においては、電動モータの運転時にロータが回転すると、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、ロータの径方向外側に向かって作用する遠心力によって界磁用永久磁石の温度計測点に押し付けられる。これにより、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部を確実に界磁用永久磁石の温度計測点に接触させることができ、運転中の電動モータにおいてロータの界磁用永久磁石の温度を高精度に計測することができる。
In the present invention, it is preferable that the electric motor includes a stator including armature windings and a rotor including a permanent magnet for field, and the fiber Bragg grating portion of the optical fiber is provided on the rotor. It arrange | positions so that it can contact from the rotating shaft side with respect to the temperature measurement point of the permanent magnet for fields.
In the present invention configured as described above, when the rotor rotates during operation of the electric motor, the fiber Bragg grating section measures the temperature of the field permanent magnet by the centrifugal force acting toward the radially outer side of the rotor. Pressed against a point. As a result, the fiber Bragg grating can be reliably brought into contact with the temperature measurement point of the field permanent magnet, and the temperature of the rotor field permanent magnet can be measured with high accuracy in the electric motor during operation. Can do.

また、本発明において、好ましくは、電動モータのロータは、回転軸を中心とする円柱状のロータコアを備え、界磁用永久磁石は、ロータコアにおいて軸線方向に延びるように形成された埋設孔に埋設され、光ファイバのファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、埋設孔の内部において、温度計測点における界磁用永久磁石の表面と埋設孔の内壁面とにより形成された隅部に対して回転軸側から接触可能に配置されている。
このように構成された本発明においては、電動モータの運転時にロータが回転すると、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、ロータコアの径方向外側に向かって作用する遠心力によって隅部に押し付けられるので、その隅部を形成する界磁用永久磁石の側面に確実に押し付けられる。これにより、ファイバ・ブラッグ・グレーティング部を一層確実に界磁用永久磁石の温度計測点に接触させることができ、運転中の電動モータにおいてロータの界磁用永久磁石の温度を高精度に計測することができる。
In the present invention, preferably, the rotor of the electric motor includes a columnar rotor core centering on the rotation shaft, and the field permanent magnet is embedded in an embedded hole formed in the rotor core so as to extend in the axial direction. The fiber Bragg grating portion of the optical fiber is formed in the embedded hole from the rotation axis side with respect to the corner formed by the surface of the field permanent magnet and the inner wall surface of the embedded hole at the temperature measurement point. It is arranged so that it can touch.
In the present invention configured as described above, when the rotor rotates during operation of the electric motor, the fiber Bragg grating portion is pressed against the corner by the centrifugal force acting toward the radially outer side of the rotor core. It is reliably pressed against the side surface of the field permanent magnet that forms the corner. As a result, the fiber Bragg grating section can be more reliably brought into contact with the temperature measurement point of the field permanent magnet, and the temperature of the field permanent magnet of the rotor can be measured with high accuracy in the operating electric motor. be able to.

本発明による電動モータの温度計測装置によれば、運転中の電動モータにおいてロータの温度を高精度に計測することができる。   According to the temperature measuring apparatus for an electric motor according to the present invention, the temperature of the rotor can be measured with high accuracy in the electric motor during operation.

本発明の実施形態による温度計測装置を適用した電動モータの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the electric motor to which the temperature measuring device by embodiment of this invention is applied. 本発明の実施形態による電動モータの温度計測装置のシステム構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the system configuration | structure of the temperature measuring apparatus of the electric motor by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による温度計測装置を適用した電動モータのロータの断面図である。It is sectional drawing of the rotor of the electric motor to which the temperature measuring device by embodiment of this invention is applied. 図3に示した電動モータのロータにおける界磁用永久磁石周辺を示す拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the periphery of a field permanent magnet in the rotor of the electric motor shown in FIG. 3.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による電動モータの温度計測装置を説明する。
まず、図1により、本発明の実施形態による温度計測装置を適用した電動モータについて説明する。図1は、本発明の実施形態による温度計測装置を適用した電動モータの内部構造を示す断面図である。
Hereinafter, a temperature measuring apparatus for an electric motor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, an electric motor to which a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an internal structure of an electric motor to which a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention is applied.

まず、図1において、符号1は本発明の実施形態による温度計測装置を適用した電動モータを示す。本実施形態における電動モータ1は、永久磁石埋込型の三相交流同期モータであり、コイル2(電機子巻線)を備えたステータ4と、界磁用永久磁石6を備えたロータ8と、これらのステータ4及びロータ8を収容するハウジング10とを有している。   First, in FIG. 1, the code | symbol 1 shows the electric motor to which the temperature measuring device by embodiment of this invention is applied. The electric motor 1 in this embodiment is a permanent magnet embedded three-phase AC synchronous motor, and includes a stator 4 having a coil 2 (armature winding), and a rotor 8 having a field permanent magnet 6. And a housing 10 for housing the stator 4 and the rotor 8.

ステータ4は、円環状の鋼板を積層することにより円筒状に形成されたステータコア12を備えている。このステータコア12の内周から径方向内側に突出するように、複数(例えば6個)のティース14が周方向に等間隔に形成されており、各ティース14にU相、V相又はW相の何れかのコイル2が巻回されている。各コイル2には、動力線を介して三相パワーケーブル16が接続されている。   The stator 4 includes a stator core 12 formed in a cylindrical shape by stacking annular steel plates. A plurality of (for example, six) teeth 14 are formed at equal intervals in the circumferential direction so as to protrude radially inward from the inner periphery of the stator core 12, and each tooth 14 has a U-phase, V-phase, or W-phase. One of the coils 2 is wound. A three-phase power cable 16 is connected to each coil 2 via a power line.

ロータ8は、円板状の鋼板を積層することにより円柱状に形成されたロータコア18を備えている。このロータコア18の中心部には出力軸20及び回転軸22が挿通されている。これらの出力軸20及び回転軸22は、それぞれロータコア18の両端から軸線方向に突出し、ハウジング10に設けられた軸受24によって回転自在に支持される。ロータコア18と出力軸20及び回転軸22とは互いに固定されており、一体に回転する。また、ロータコア18には、軸線方向に延びる複数の埋設孔が周方向に配列されており、各埋設孔に界磁用永久磁石6が埋め込まれている。   The rotor 8 includes a rotor core 18 formed in a cylindrical shape by laminating disc-shaped steel plates. An output shaft 20 and a rotary shaft 22 are inserted through the central portion of the rotor core 18. The output shaft 20 and the rotating shaft 22 protrude in the axial direction from both ends of the rotor core 18 and are rotatably supported by bearings 24 provided in the housing 10. The rotor core 18, the output shaft 20, and the rotation shaft 22 are fixed to each other and rotate integrally. In addition, a plurality of embedded holes extending in the axial direction are arranged in the rotor core 18 in the circumferential direction, and the field permanent magnet 6 is embedded in each embedded hole.

電動モータ1の運転時には、三相パワーケーブル16からステータ4のコイル2に交流電流が供給されることにより回転磁界が発生し、ロータ8の界磁用永久磁石6が回転磁界に吸引されることによりロータ8が回転し、出力軸20から動力として出力される。   During operation of the electric motor 1, a rotating magnetic field is generated by supplying an alternating current from the three-phase power cable 16 to the coil 2 of the stator 4, and the field permanent magnet 6 of the rotor 8 is attracted to the rotating magnetic field. As a result, the rotor 8 rotates and is output from the output shaft 20 as power.

次に、図1及び2により、本発明の実施形態による電動モータ1の温度計測装置のシステム構成を説明する。図2は、本発明の実施形態による電動モータ1の温度計測装置のシステム構成を示す概略図である。   Next, the system configuration of the temperature measuring device for the electric motor 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram showing a system configuration of the temperature measuring device for the electric motor 1 according to the embodiment of the present invention.

まず、図2に示すように、本発明の実施形態による温度計測装置26は、FBG(ファイバ・ブラッグ・グレーティング)センサ28を備えた光ファイバ30を有している。
FBGセンサ28は、光ファイバコアの軸線方向に沿って屈折率が周期的に変化するように回折格子を形成したものであり、このFBGセンサ28に光が入射すると、その入射光の内、回折格子の間隔及び光ファイバコアの屈折率に応じた特定の波長(ブラッグ波長)成分のみが回折格子により反射され、その他の波長成分は透過される。
FBGセンサ28の温度が変化することによって光ファイバコアの屈折率が変化すると、それに応じてブラッグ波長が変化し、FBGセンサ28の回折格子により反射される光の波長が変化するので、その波長変化を検出することによって回折格子部分の温度を計測することができる。
また、FBGセンサ28に外力が加わることによってFBGセンサ28の軸線方向に歪が生じると、回折格子の間隔が変化し、それに応じてブラッグ波長が変化する。従って、FBGセンサ28によって温度を計測する場合には、FBGセンサ28の軸線方向に外力が加わらないようにし、歪の発生を防止する必要がある。なお、FBGセンサ28の温度が変化すると回折格子部分に熱歪が生じるので、この熱歪によってもブラッグ波長が変化するが、光ファイバコアとして使用されるガラスの熱膨張率は非常に小さいので、ブラッグ波長の温度依存性については屈折率の変化による成分が支配的となっている。
First, as shown in FIG. 2, the temperature measurement device 26 according to the embodiment of the present invention includes an optical fiber 30 including an FBG (fiber Bragg grating) sensor 28.
The FBG sensor 28 is formed with a diffraction grating so that the refractive index periodically changes along the axial direction of the optical fiber core. When light enters the FBG sensor 28, diffraction is included in the incident light. Only a specific wavelength (Bragg wavelength) component corresponding to the grating interval and the refractive index of the optical fiber core is reflected by the diffraction grating, and the other wavelength components are transmitted.
When the refractive index of the optical fiber core changes due to the temperature of the FBG sensor 28 changing, the Bragg wavelength changes accordingly, and the wavelength of the light reflected by the diffraction grating of the FBG sensor 28 changes. By detecting this, the temperature of the diffraction grating portion can be measured.
Further, when an external force is applied to the FBG sensor 28 and distortion occurs in the axial direction of the FBG sensor 28, the interval between the diffraction gratings changes, and the Bragg wavelength changes accordingly. Therefore, when the temperature is measured by the FBG sensor 28, it is necessary to prevent external force from being applied in the axial direction of the FBG sensor 28 and to prevent the occurrence of distortion. When the temperature of the FBG sensor 28 changes, thermal distortion occurs in the diffraction grating portion, so the Bragg wavelength also changes due to this thermal strain, but the thermal expansion coefficient of the glass used as the optical fiber core is very small. Regarding the temperature dependence of the Bragg wavelength, the component due to the change of the refractive index is dominant.

このFBGセンサ28を備えた光ファイバ30は、電動モータ1の回転軸22の内部を経由してロータ8の温度計測点32まで配設されている。本発明の実施形態における温度計測点32は、ロータ8の界磁用永久磁石6の表面に設定されている。   The optical fiber 30 provided with the FBG sensor 28 is disposed up to the temperature measurement point 32 of the rotor 8 via the inside of the rotating shaft 22 of the electric motor 1. The temperature measurement point 32 in the embodiment of the present invention is set on the surface of the field permanent magnet 6 of the rotor 8.

また、温度計測装置26は、FBGセンサ28を備えた光ファイバ30に光を入射させる光源34と、光ファイバ30からの出射光を検出する光検出器36とを備えている。これらの光源34及び光検出器36は電動モータ1の外部に設けられているので、電動モータ1の運転状態に関わらず静止している。一方、FBGセンサ28を備えた光ファイバ30は、電動モータ1の回転軸22及びロータ8に取り付けられているので、電動モータ1の運転時には回転軸22及びロータ8と共に回転する。そこで、静止状態の光源34及び光検出器36と、回転状態の光ファイバ30とを光学的に接続するために、回転軸22の端部に光学式回転ジョイント38が設けられている。この光学式回転ジョイント38における電動モータ1の回転軸22側には、FBGセンサ28を備えた光ファイバ30の端部が接続されている。また、光学式回転ジョイント38における電動モータ1の外部側には、光源34及び光検出器36に接続された外部接続用光ファイバ40が接続されている。これにより、電動モータ1の運転時においても、光源34及び光検出器36とFBGセンサ28を備えた光ファイバ30とが光学的に接続される。   In addition, the temperature measuring device 26 includes a light source 34 that causes light to enter the optical fiber 30 that includes the FBG sensor 28, and a photodetector 36 that detects light emitted from the optical fiber 30. Since the light source 34 and the light detector 36 are provided outside the electric motor 1, the light source 34 and the light detector 36 are stationary regardless of the operating state of the electric motor 1. On the other hand, since the optical fiber 30 provided with the FBG sensor 28 is attached to the rotating shaft 22 and the rotor 8 of the electric motor 1, it rotates together with the rotating shaft 22 and the rotor 8 when the electric motor 1 is operated. Therefore, an optical rotary joint 38 is provided at the end of the rotary shaft 22 in order to optically connect the stationary light source 34 and photodetector 36 and the rotating optical fiber 30. An end portion of an optical fiber 30 including an FBG sensor 28 is connected to the rotary shaft 22 side of the electric motor 1 in the optical rotary joint 38. An optical fiber 40 for external connection connected to the light source 34 and the photodetector 36 is connected to the outside of the electric motor 1 in the optical rotary joint 38. Thereby, even when the electric motor 1 is in operation, the light source 34, the photodetector 36, and the optical fiber 30 including the FBG sensor 28 are optically connected.

次に、図3及び図4により、FBGセンサ28の詳細な配置について説明する。図3は、本発明の実施形態による温度計測装置26を適用した電動モータ1のロータ8の断面図であり、図4は、図3に示した電動モータ1のロータ8における界磁用永久磁石6周辺を示す拡大断面図である。   Next, the detailed arrangement of the FBG sensor 28 will be described with reference to FIGS. 3 is a cross-sectional view of the rotor 8 of the electric motor 1 to which the temperature measuring device 26 according to the embodiment of the present invention is applied. FIG. 4 is a field permanent magnet in the rotor 8 of the electric motor 1 shown in FIG. It is an expanded sectional view showing 6 circumference.

まず、図3に示すように、ロータコア18の外周部には、ほぼ長方形の断面形状を持つ埋設孔42が周方向に配列されている。図3の例では、ロータコア18の径方向外側に向かって開いたV字形を形成するように配置された2つの埋設孔42を1組として、8組の埋設孔42が周方向に等間隔に配列されている。そして、各埋設孔42に、埋設孔42よりも僅かに小さい長方形の断面形状を持つ界磁用永久磁石6が挿入されている。   First, as shown in FIG. 3, embedded holes 42 having a substantially rectangular cross-sectional shape are arranged in the circumferential direction on the outer peripheral portion of the rotor core 18. In the example of FIG. 3, two embedded holes 42 arranged so as to form a V-shape that opens outward in the radial direction of the rotor core 18 are taken as one set, and eight sets of embedded holes 42 are equally spaced in the circumferential direction. It is arranged. A field permanent magnet 6 having a rectangular cross-sectional shape slightly smaller than the buried hole 42 is inserted into each buried hole 42.

温度計測装置26のFBGセンサ28は、回転軸22と平行な方向(即ちロータコア18の軸線方向)に沿って延びるように、埋設孔42の内部に配置されている。具体的には、図4に示すように、埋設孔42の内壁面には、界磁用永久磁石6の4つの角部44a、44b、44c、44dの近傍においてロータコア18の軸線方向に沿って延びる溝部46a、46b、46c、46dが形成されており、FBGセンサ28を備えた光ファイバ30が、各溝部46a、46b、46c、46dに沿って延びるように配置されている。各溝部46a、46b、46c、46d内に配置される光ファイバ30が備えるFBGセンサ28の数は任意であり、光ファイバ30の軸線方向に沿って所望の温度計測点32に対応する位置に1つ又は複数のFBGセンサ28が直列に配置される。   The FBG sensor 28 of the temperature measuring device 26 is disposed inside the embedded hole 42 so as to extend along a direction parallel to the rotation shaft 22 (that is, the axial direction of the rotor core 18). Specifically, as shown in FIG. 4, the inner wall surface of the embedded hole 42 is arranged along the axial direction of the rotor core 18 in the vicinity of the four corners 44 a, 44 b, 44 c, 44 d of the field permanent magnet 6. Grooves 46a, 46b, 46c, and 46d are formed, and the optical fiber 30 including the FBG sensor 28 is disposed so as to extend along the grooves 46a, 46b, 46c, and 46d. The number of the FBG sensors 28 included in the optical fiber 30 disposed in each of the grooves 46a, 46b, 46c, 46d is arbitrary, and is 1 at a position corresponding to the desired temperature measurement point 32 along the axial direction of the optical fiber 30. One or more FBG sensors 28 are arranged in series.

特に、界磁用永久磁石6の4つの角部44a、44b、44c、44dの内、ロータコア18の径方向において最も外側に位置する角部44aを除く3つの角部44b、44c、44dの近傍において、埋設孔42の溝部46b、46c、46dは、ロータコア18の径方向内側に向いた界磁用永久磁石6の各側面と対向する位置に形成されている。そして、互いに接するこれらの界磁用永久磁石6の側面と溝部46b、46c、46dの壁面とによって、ロータコア18の径方向内側に向いた隅部48a、48b、48cが形成される。従って、これらの溝部46b、46c、46dに配置されたFBGセンサ28は、溝部46b、46c、46dの壁面と温度計測点32である界磁用永久磁石6の側面とにより形成された隅部48a、48b、48cに対してロータコア18の径方向内側から(即ち回転軸22側から)接触可能となっている。
図4に示すように、埋設孔42の溝部46b、46c、46dの断面寸法に対して光ファイバ30の断面寸法は小さいので、光ファイバ30を溝部46b、46c、46d内において特に固定しない場合、軸線方向に垂直な方向に光ファイバ30が動き、FBGセンサ28が温度計測点32である界磁用永久磁石6の側面から離れてしまう可能性がある。そこで、この溝部46b、46c、46dの内部において、光ファイバ30に対してロータコア18の径方向内側に、多孔質且つ熱膨張係数の小さい充填剤50が充填される。この充填剤50によって、光ファイバ30は界磁用永久磁石6の側面に接するように固定される。
In particular, of the four corners 44 a, 44 b, 44 c, 44 d of the field permanent magnet 6, the vicinity of the three corners 44 b, 44 c, 44 d excluding the corner 44 a located on the outermost side in the radial direction of the rotor core 18. , The groove portions 46 b, 46 c, 46 d of the embedded hole 42 are formed at positions facing each side surface of the field permanent magnet 6 facing the radially inner side of the rotor core 18. Then, corners 48a, 48b, 48c facing radially inward of the rotor core 18 are formed by the side surfaces of the field permanent magnets 6 that are in contact with each other and the wall surfaces of the grooves 46b, 46c, 46d. Accordingly, the FBG sensor 28 disposed in these groove portions 46b, 46c, 46d has a corner portion 48a formed by the wall surface of the groove portions 46b, 46c, 46d and the side surface of the field permanent magnet 6 that is the temperature measurement point 32. 48b and 48c can be contacted from the inside in the radial direction of the rotor core 18 (that is, from the rotating shaft 22 side).
As shown in FIG. 4, since the cross-sectional dimension of the optical fiber 30 is smaller than the cross-sectional dimension of the groove portions 46b, 46c, 46d of the buried hole 42, when the optical fiber 30 is not particularly fixed in the groove portions 46b, 46c, 46d, There is a possibility that the optical fiber 30 moves in a direction perpendicular to the axial direction, and the FBG sensor 28 moves away from the side surface of the field permanent magnet 6 that is the temperature measurement point 32. Therefore, a porous filler 50 having a small thermal expansion coefficient is filled inside the groove portions 46b, 46c, and 46d on the radially inner side of the rotor core 18 with respect to the optical fiber 30. The optical fiber 30 is fixed by the filler 50 so as to contact the side surface of the field permanent magnet 6.

また、界磁用永久磁石6の4つの角部44a、44b、44c、44dの内、ロータコア18の径方向において最も外側に位置する角部44aの近傍において、埋設孔42の溝部46aは、ロータコア18の径方向外側に向いた界磁用永久磁石6の側面と対向する位置に形成されている。従って、この溝部46aに配置されたFBGセンサ28は、温度計測点32である界磁用永久磁石6の側面に対してロータコア18の径方向外側から接触可能となっている。この溝部46aにおいては、光ファイバ30に対してロータコア18の径方向外側に充填剤50が充填され、この充填剤50によって、光ファイバ30は界磁用永久磁石6の側面に接するように固定される。   Of the four corners 44a, 44b, 44c, 44d of the field permanent magnet 6, in the vicinity of the corner 44a located on the outermost side in the radial direction of the rotor core 18, the groove 46a of the buried hole 42 is formed in the rotor core. 18 is formed at a position facing the side surface of the field permanent magnet 6 facing radially outward. Accordingly, the FBG sensor 28 disposed in the groove 46 a can contact the side surface of the field permanent magnet 6, which is the temperature measurement point 32, from the outside in the radial direction of the rotor core 18. In the groove 46a, the optical fiber 30 is filled with a filler 50 on the radially outer side of the rotor core 18, and the optical fiber 30 is fixed by the filler 50 so as to be in contact with the side surface of the field permanent magnet 6. The

上述したように、FBGセンサ28に外力が加わることによってFBGセンサ28の軸線方向に歪が生じると、それに応じてブラッグ波長が変化するので、温度変化に応じたブラッグ波長を検出することができなくなる。そこで、FBGセンサ28を備えた光ファイバ30は、FBGセンサ28の軸線方向に外力が加わらないように埋設孔42の溝部46a、46b、46c、46dに固定される。具体的には、光ファイバ30におけるFBGセンサ28部分の両側の2点において、光ファイバ30を溝部46a、46b、46c、46dに固定する。このとき、2箇所の固定点の間において、光ファイバ30に余長部分を設ける(即ち、2箇所の固定点間の光ファイバ30の長さを、これらの固定点間の直線距離よりも長くする)。これにより、光ファイバ30に対して軸線方向の外力が加わった場合でも、その外力は余長部分に吸収されるので、FBGセンサ28部分には軸線方向の外力が及ばない。   As described above, when an external force is applied to the FBG sensor 28 and distortion occurs in the axial direction of the FBG sensor 28, the Bragg wavelength changes accordingly, so that the Bragg wavelength corresponding to the temperature change cannot be detected. . Therefore, the optical fiber 30 including the FBG sensor 28 is fixed to the grooves 46a, 46b, 46c, and 46d of the embedded hole 42 so that an external force is not applied in the axial direction of the FBG sensor 28. Specifically, the optical fiber 30 is fixed to the grooves 46a, 46b, 46c, and 46d at two points on both sides of the FBG sensor 28 portion in the optical fiber 30. At this time, an extra length portion is provided in the optical fiber 30 between the two fixed points (that is, the length of the optical fiber 30 between the two fixed points is longer than the linear distance between these fixed points. To do). Thereby, even when an external force in the axial direction is applied to the optical fiber 30, the external force is absorbed by the surplus length portion, so that the external force in the axial direction does not reach the FBG sensor 28 portion.

次に、本発明の実施形態による電動モータ1の温度計測装置26の作用を説明する。
上述したように、界磁用永久磁石6の4つの角部44a、44b、44c、44dの内、ロータコア18の径方向において最も外側に位置する角部44aを除く3つの角部44b、44c、44dの近傍に配置されたFBGセンサ28は、溝部46b、46c、46dの壁面と温度計測点32である界磁用永久磁石6の側面とにより形成された隅部48a、48b、48cに対してロータコア18の径方向内側から接触可能となっている。従って、電動モータ1の運転時にロータ8が回転すると、これらのFBGセンサ28は、ロータコア18の径方向外側に向かって作用する遠心力によって隅部48a、48b、48cに押し付けられ、その隅部48a、48b、48cを形成する界磁用永久磁石6の側面(温度計測点32)に押し付けられる。
また、界磁用永久磁石6の4つの角部44a、44b、44c、44dの内、ロータコア18の径方向において最も外側に位置する角部44aの近傍に配置されたFBGセンサ28は、界磁用永久磁石6の側面に対してロータコア18の径方向外側から接触可能となっている。従って、電動モータ1の運転時にロータ8が回転すると、このFBGセンサ28には、ロータコア18の径方向外側に向かう方向(即ち界磁用永久磁石6の側面から離れる方向)に遠心力が作用するが、上述したように、溝部46aにおいて光ファイバ30に対してロータコア18の径方向外側に充填された充填剤50によって、光ファイバ30は界磁用永久磁石6の側面に接するように固定されている。
このとき、遠心力はFBGセンサ28の軸線方向に直交する方向に作用するので、FBGセンサ28には軸線方向の歪が生じることはなく、温度変化に応じたブラッグ波長の変化だけを検出することができる。
Next, the operation of the temperature measuring device 26 of the electric motor 1 according to the embodiment of the present invention will be described.
As described above, among the four corners 44a, 44b, 44c, 44d of the field permanent magnet 6, the three corners 44b, 44c, excluding the corner 44a located on the outermost side in the radial direction of the rotor core 18, The FBG sensor 28 disposed in the vicinity of 44d is in contrast to the corners 48a, 48b, 48c formed by the wall surfaces of the grooves 46b, 46c, 46d and the side surface of the field permanent magnet 6 that is the temperature measurement point 32. Contact is possible from the inside in the radial direction of the rotor core 18. Therefore, when the rotor 8 rotates during operation of the electric motor 1, these FBG sensors 28 are pressed against the corners 48a, 48b, 48c by the centrifugal force acting toward the radially outer side of the rotor core 18, and the corners 48a. , 48b and 48c are pressed against the side surface (temperature measurement point 32) of the field permanent magnet 6.
The FBG sensor 28 disposed in the vicinity of the corner portion 44a located on the outermost side in the radial direction of the rotor core 18 among the four corner portions 44a, 44b, 44c, 44d of the field permanent magnet 6 The permanent magnet 6 can be brought into contact with the side surface from the radially outer side of the rotor core 18. Therefore, when the rotor 8 rotates during operation of the electric motor 1, centrifugal force acts on the FBG sensor 28 in a direction toward the radially outer side of the rotor core 18 (that is, a direction away from the side surface of the field permanent magnet 6). However, as described above, the optical fiber 30 is fixed so as to be in contact with the side surface of the field permanent magnet 6 by the filler 50 filled in the groove 46 a on the radially outer side of the rotor core 18 with respect to the optical fiber 30. Yes.
At this time, since the centrifugal force acts in a direction perpendicular to the axial direction of the FBG sensor 28, the FBG sensor 28 is not distorted in the axial direction, and only changes in the Bragg wavelength according to temperature changes are detected. Can do.

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態においては、電動モータ1は、永久磁石埋込型の三相交流同期モータであると説明したが、他の種類の電動モータにも本発明の温度計測装置26を適用することができる。例えば、永久磁石埋込型のブラシレスDCモータにおいて、ロータの界磁用永久磁石の表面温度を計測するために本発明の温度計測装置26を用いることができる。
Next, further modifications of the embodiment of the present invention will be described.
In the above-described embodiment, the electric motor 1 is described as a three-phase AC synchronous motor with a permanent magnet embedded, but the temperature measuring device 26 of the present invention can be applied to other types of electric motors. it can. For example, in a permanent magnet embedded type brushless DC motor, the temperature measuring device 26 of the present invention can be used to measure the surface temperature of a rotor field permanent magnet.

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例による電動モータ1の温度計測装置26の効果を説明する。   Next, the effect of the temperature measuring device 26 of the electric motor 1 according to the above-described embodiment of the present invention and the modification of the embodiment of the present invention will be described.

まず、温度計測装置26は、電動モータ1の回転軸22の内部を経由してロータ8の温度計測点32まで配設された光ファイバ30と、光ファイバ30に光を入射させる光源34と、光ファイバ30からの出射光を検出する光検出器36と、光ファイバ30と光源34及び光検出器36とを光学接続する光学式回転ジョイント38とを有し、光ファイバ30は、入射光のうちブラッグ波長の成分のみを反射するFBGセンサ28を備えているので、電動モータ1の運転中においても、電動モータ1内部の電磁界の変動や電気接点におけるノイズ等の影響を受けることなく、FBGセンサ28による反射光の波長変化を光検出器36によって検出し、この波長変化に基づいて温度変化を計測することができる。光ファイバ30におけるFBGセンサ28を含む部分は、ロータ8の回転軸22と平行に延びているので、FBGセンサ28には軸線方向の歪が生じることはなく、温度変化に応じたブラッグ波長の変化だけを検出することができる。そして、FBGセンサ28は、ロータ8の温度計測点32に対して回転軸22側から接触可能に配置されているので、電動モータ1の運転時にロータ8が回転すると、FBGセンサ28は、ロータ8の径方向外側に向かって作用する遠心力によって温度計測点32に押し付けられる。これにより、FBGセンサ28を確実に温度計測点32に接触させることができ、運転中の電動モータ1においてロータ8の温度を高精度に計測することができる。   First, the temperature measurement device 26 includes an optical fiber 30 disposed up to the temperature measurement point 32 of the rotor 8 via the inside of the rotating shaft 22 of the electric motor 1, a light source 34 that makes light incident on the optical fiber 30, The optical fiber 30 includes a light detector 36 that detects light emitted from the optical fiber 30, and an optical rotary joint 38 that optically connects the optical fiber 30, the light source 34, and the light detector 36. Since the FBG sensor 28 that reflects only the Bragg wavelength component is provided, the FBG is not affected by fluctuations in the electromagnetic field inside the electric motor 1 or noise at the electric contacts even during operation of the electric motor 1. A change in wavelength of reflected light from the sensor 28 can be detected by the photodetector 36, and a temperature change can be measured based on the change in wavelength. Since the portion including the FBG sensor 28 in the optical fiber 30 extends in parallel with the rotation axis 22 of the rotor 8, the FBG sensor 28 is not distorted in the axial direction, and changes in Bragg wavelength according to temperature changes. Can only detect. Since the FBG sensor 28 is arranged so as to be able to come into contact with the temperature measurement point 32 of the rotor 8 from the rotating shaft 22 side, when the rotor 8 rotates during operation of the electric motor 1, the FBG sensor 28 It is pressed against the temperature measurement point 32 by the centrifugal force acting toward the outside in the radial direction. Thereby, the FBG sensor 28 can be reliably brought into contact with the temperature measurement point 32, and the temperature of the rotor 8 can be measured with high accuracy in the electric motor 1 during operation.

特に、電動モータ1は、電機子巻線を備えたステータ4と、界磁用永久磁石6を備えたロータ8とを有し、FBGセンサ28は、ロータ8の界磁用永久磁石6の温度計測点32に対して回転軸22側から接触可能に配置されているので、電動モータ1の運転時にロータ8が回転すると、FBGセンサ28は、ロータ8の径方向外側に向かって作用する遠心力によって界磁用永久磁石6の温度計測点32に押し付けられる。これにより、FBGセンサ28を確実に界磁用永久磁石6の温度計測点32に接触させることができ、運転中の電動モータ1においてロータ8の界磁用永久磁石6の温度を高精度に計測することができる。   In particular, the electric motor 1 has a stator 4 having armature windings and a rotor 8 having a field permanent magnet 6, and the FBG sensor 28 is a temperature of the field permanent magnet 6 of the rotor 8. Since the measurement point 32 is arranged so as to be contactable from the rotary shaft 22 side, when the rotor 8 rotates during operation of the electric motor 1, the FBG sensor 28 acts as a centrifugal force acting toward the radially outer side of the rotor 8. Is pressed against the temperature measurement point 32 of the field permanent magnet 6. As a result, the FBG sensor 28 can be reliably brought into contact with the temperature measurement point 32 of the field permanent magnet 6 and the temperature of the field permanent magnet 6 of the rotor 8 can be measured with high accuracy in the electric motor 1 during operation. can do.

また、界磁用永久磁石6は、ロータコア18において軸線方向に延びるように形成された埋設孔42に埋設され、FBGセンサ28は、埋設孔42の内部において、温度計測点32における界磁用永久磁石6の表面と埋設孔42の内壁面とにより形成された隅部48a、48b、48cに対して回転軸22側から接触可能に配置されているので、電動モータ1の運転時にロータ8が回転すると、FBGセンサ28は、ロータコア18の径方向外側に向かって作用する遠心力によって隅部48a、48b、48cに押し付けられるので、その隅部48a、48b、48cを形成する界磁用永久磁石6の側面に確実に押し付けられる。これにより、FBGセンサ28を一層確実に界磁用永久磁石6の温度計測点32に接触させることができ、運転中の電動モータ1においてロータ8の界磁用永久磁石6の温度を高精度に計測することができる。   The field permanent magnet 6 is embedded in a buried hole 42 formed so as to extend in the axial direction in the rotor core 18, and the FBG sensor 28 is field permanent at a temperature measurement point 32 inside the buried hole 42. Since the corners 48a, 48b, and 48c formed by the surface of the magnet 6 and the inner wall surface of the embedded hole 42 are arranged so as to be able to contact from the rotary shaft 22 side, the rotor 8 rotates when the electric motor 1 is operated. Then, since the FBG sensor 28 is pressed against the corners 48a, 48b, 48c by the centrifugal force acting toward the radially outer side of the rotor core 18, the field permanent magnet 6 forming the corners 48a, 48b, 48c. Pressed firmly against the side of the. As a result, the FBG sensor 28 can be more reliably brought into contact with the temperature measurement point 32 of the field permanent magnet 6, and the temperature of the field permanent magnet 6 of the rotor 8 in the electric motor 1 during operation can be increased with high accuracy. It can be measured.

1 電動モータ
2 コイル
4 ステータ
6 界磁用永久磁石
8 ロータ
18 ロータコア
20 出力軸
22 回転軸
26 温度計測装置
28 FBGセンサ
30、40 光ファイバ
32 温度計測点
34 光源
36 光検出器
38 光学式回転ジョイント
42 埋設孔
48a、48b、48c 隅部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric motor 2 Coil 4 Stator 6 Field permanent magnet 8 Rotor 18 Rotor core 20 Output shaft 22 Rotating shaft 26 Temperature measuring device 28 FBG sensor 30, 40 Optical fiber 32 Temperature measuring point 34 Light source 36 Photo detector 38 Optical rotary joint 42 buried hole 48a, 48b, 48c corner

Claims (3)

ステータと、ロータと、このロータに連結された回転軸とを有する電動モータにおける上記ロータの温度を計測する電動モータの温度計測装置であって、
上記電動モータの上記回転軸の内部を経由して上記ロータの温度計測点まで配設された光ファイバと、
上記光ファイバに光を入射させる光源と、
上記光ファイバからの出射光を検出する光検出器と、
上記回転軸に設けられ、上記光ファイバと上記光源及び上記光検出器とを光学接続する光学式回転ジョイントとを有し、
上記光ファイバは、入射光のうち特定の波長成分のみを反射するファイバ・ブラッグ・グレーティング部を備え、上記光ファイバにおける上記ファイバ・ブラッグ・グレーティング部を含む部分は、上記回転軸と平行に延び、且つ、上記ロータの温度計測点に対して上記回転軸側から接触可能に配置されていることを特徴とする電動モータの温度計測装置。
An electric motor temperature measuring device for measuring a temperature of the rotor in an electric motor having a stator, a rotor, and a rotating shaft connected to the rotor,
An optical fiber disposed through the inside of the rotary shaft of the electric motor to the temperature measurement point of the rotor;
A light source for making light incident on the optical fiber;
A photodetector for detecting light emitted from the optical fiber;
An optical rotary joint provided on the rotary shaft and optically connecting the optical fiber to the light source and the photodetector;
The optical fiber includes a fiber Bragg grating portion that reflects only a specific wavelength component of incident light, and a portion including the fiber Bragg grating portion in the optical fiber extends parallel to the rotation axis, And the temperature measuring device of the electric motor, wherein the temperature measuring point of the rotor is arranged so as to be contactable from the rotating shaft side.
上記電動モータは、電機子巻線を備えたステータと、界磁用永久磁石を備えたロータとを有し、
上記光ファイバの上記ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、上記ロータの上記界磁用永久磁石の温度計測点に対して上記回転軸側から接触可能に配置されている請求項1に記載の電動モータの温度計測装置。
The electric motor has a stator having armature windings, and a rotor having field permanent magnets,
2. The electric motor according to claim 1, wherein the fiber Bragg grating portion of the optical fiber is disposed so as to be contactable from the rotating shaft side with respect to a temperature measurement point of the field permanent magnet of the rotor. Temperature measuring device.
上記電動モータの上記ロータは、上記回転軸を中心とする円柱状のロータコアを備え、上記界磁用永久磁石は、上記ロータコアにおいて軸線方向に延びるように形成された埋設孔に埋設され、
上記光ファイバの上記ファイバ・ブラッグ・グレーティング部は、上記埋設孔の内部において、上記温度計測点における上記界磁用永久磁石の表面と上記埋設孔の内壁面とにより形成された隅部に対して上記回転軸側から接触可能に配置されている請求項2に記載の電動モータの温度計測装置。
The rotor of the electric motor includes a cylindrical rotor core centered on the rotating shaft, and the field permanent magnet is embedded in a buried hole formed in the rotor core so as to extend in the axial direction.
The fiber Bragg grating portion of the optical fiber is inside the embedded hole with respect to a corner formed by the surface of the field permanent magnet and the inner wall surface of the embedded hole at the temperature measurement point. The temperature measuring device for an electric motor according to claim 2, wherein the temperature measuring device is arranged so as to be contactable from the rotating shaft side.
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