JP5288524B2 - 同期電動機のロック検出装置及びロック検出方法、並びにデシカント空調機 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機のロック検出技術に関し、特に、小型の同期電動機の出力軸のロック状態を検出するのに適したロック検出技術に関する。

商用電源により駆動される同期電動機のロックを検出する技術としては、同期電動機の出力軸に、パルスエンコーダ等の回転速度検出手段を取り付け、回転速度検出手段により検出される回転速度によってロックを検出する方法が知られている。

また、同期電動機の出力軸に加わる負荷が変化し回転数が変化すると、同期電動機に流れる電流波形も変化する。そこで、同期電動機に流れる電流波形をあらかじめ定められた基準波形と比較することによって、同期電動機のロックを検知する方法が知られている。

また、特許文献１には、同期電動機の回転速度が変化するのに伴い、交流モータに流れる電流の位相ずれが生じることを利用し、交流モータに入力される電圧波形のゼロクロス点と、交流モータに流れる電流波形のゼロクロス点との時間差を検出し、その時間差を規定時間（閾値）と比較することによってロックを検出する方法が記載されている。
特開平１０−１４２８２号公報

しかし、パルスエンコーダ等の回転速度検出手段を用いる方法では、パルスエンコーダ等の専用部品が必要となり、部品コストがかかる。また、パルスエンコーダ等を取り付けるスペースが必要となり、実装状態を小型化するのに支障を生じる。

また、同期電動機に流れる電流波形をあらかじめ定められた基準波形と比較して同期電動機のロックを検知する方法では、電流は形の波高値を検出するために、専用のＡＤ変換器やその周辺回路と、ＡＤ変換された波高値の演算処理を行う手段が必要となり、部品コストがかかる。

また、特許文献１に記載の方法では、電流波形と電圧波形のゼロクロス点の時間差を検出し、その位相差を検出すればよいため、簡単な回路構成により構成することが可能となる。しかし、ゼロクロス点は、ノイズの影響による変動を受けやすい。従って、電圧・電流波形のゼロクロス点の位相差によりロックの有無を判定する場合、閾値である規定時間を短くするとノイズの影響により誤ってロック状態になったと誤検出するおそれが大きくなる。逆に、閾値である規定時間を長くしすぎると、ロック状態が生じても検出できない。従って、規定時間をどの程度に設定すればよいかを決定するのが難しいという問題がある。

また、特に小型の同期電動機では、通常時とロック時の電流差が小さく検出が難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、既存のマイコン等を用いて容易に構成することができるとともに、特に小型の同期電動機の出力軸のロック状態を精度よく検出するのに適したロック検出技術を提供することにある。

本発明に係るロック検出装置の第１の構成は、ギア機構を駆動する同期電動機の出力軸のロック状態を検出する電動機のロック検出装置であって、同期電動機のコイルに流れる電流値を検出し、該電流の絶対値を所定の閾値を用いて二値化する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出される二値化された電流波形の波形幅を検出する波形幅検出手段と、前記波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定するロック判定手段と、を備えたことを特徴とする。

ギア機構を駆動する同期電動機の出力軸がロック状態となった場合、同期電動機に流れる電流の波形幅の変動が大きくなる。すなわち、ロック状態では出力軸は完全固定されるわけではなく、ギア機構のギアの遊隙分（いわゆる遊び分）だけ振れることができる。したがって、この振れが生じることにより、同期電動機の出力軸が揺動し、その揺動が同期電動機に流れる電流の波形幅の変動となって検出される。

そこで、同期電動機に流れる電流波形の波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定することにより、出力軸のロック状態を検出することができる。

また、電流波形の波形幅の変動量は、同期電動機の出力軸が揺動により現れるため、通常のノイズのレベルに比べて明らかに大きく観測される。従って、ノイズの影響を受けにくく精度のよい検出を行うことができる。

更に、電流波形の波形幅の変動量で検出するため、特に、小型の同期電動機のロック検出に適している。小型の同期電動機は巻線インピーダンスが高くロック時にも大電流が流れないからである。

ここで、「ギア機構」とは、複数のギアを噛合させることにより回転駆動力を伝達する機構をいう。「同期電動機（synchronous motor）」とは、交流電動機の一種であって、一定周波数のもとで負荷にかかわらず、決まった速度（同期速度）で回転する定速電動機をいう。

「ロック状態」とは、同期電動機の出力軸が負荷側から機械的に拘束されて回転しない状態をいう。「電流波形の波形幅」とは、二値化された電流波形（又は絶対値電流波形）をある閾値で切ったときに波形が当該閾値を越える時間幅をいう。電流波形の波形幅としては、例えば、コイル電流の極性がある正から負（又は負から正）に反転してから再び負から正（又は正から負）に反転するまでの時間である電流極性の反転時間幅や、絶対値電流波形が所定の閾値を越える時間幅などを用いることができる。「波形幅の変動量」とは、波形幅が時間的に変動する量をいい、例えば、一定の時間内における波形幅の最大・最小値差、分散、平均二乗偏差等をいう。

本発明に係るロック検出装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記ロック判定手段は、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差（以下「最大最小値差」という。）が所定の閾値よりも大きい場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする。

このように、最大最小値差の閾値判定によって出力軸がロック状態を検出することで、波形幅の変動が少ない頻度で生じるようなロック状態であっても、感度よく検出することが可能となる。

ここで、「所定の時間区間」としては、出力軸のロックを検出するのに十分な長さの時間とされ、具体的には実験的に決定される。通常は、電流波形の周期の１００倍程度の時間とすればよい。

また、最大最小値差を判定する「所定の閾値」についても、実験的に決定される。

本発明に係るロック検出装置の第３の構成は、前記第２の構成において、前記ロック判定手段は、前記第２の構成における判定に代えて、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差（最大最小値差）が所定の閾値よりも大きい事象が当該事象が連続して生じた回数が所定の回数を越えた場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする。

この構成によれば、最大最小値差を閾値判定した結果、閾値よりも大きくなる事象が連続して生じた回数が所定の回数を越えた場合に、出力軸がロックされていると判定する。これにより、波形幅が偶然大きくなったり偶然小さくなったりすることによって生じるロック状態の誤検出を防止することができる。

本発明に係るロック検出方法の第１の構成は、ギア機構を駆動する同期電動機の出力軸のロック状態を検出する電動機のロック検出方法であって、同期電動機のコイルに流れる電流値を検出し、該電流値を所定の閾値を用いて二値化する電流検出ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出される二値化された電流波形の波形幅を検出する波形幅検出ステップと、前記波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定するロック判定ステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るロック検出方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記ロック判定ステップにおいては、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする。

本発明に係るロック検出方法の第３の構成は、前記第２の構成において、前記ロック判定ステップにおいては、前記第２の構成における判定に代えて、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい事象が連続して生じた回数が所定の回数を越えた場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする。

本発明に係るデシカント空調機は、空気中の湿分を吸着／脱離可能な回転体からなる潜熱ロータと、当該潜熱ロータを回転駆動する同期電動機であるロータモータと、前記同期電動機の出力軸の回転動力を前記潜熱ロータに減速伝達するギア機構と、を備えたデシカント空調機であって、前記ロータモータの出力軸のロック状態を検出する前記第１乃至第３の何れか一の構成のロック検出装置を備えたことを特徴とする。

以上のように、本発明に係るロック検出装置及びロック検出方法は、同期電動機に流れる電流波形の波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定することにより、ロック状態における同期電動機の出力軸の揺動を間接的に観測し、ロック状態を検出する。これにより、ノイズの影響を受けにくく精度のよい検出を行うことができる。

また、同期電動機に流れる電流波形の波形幅の検出は、既存のマイコン等を用いて容易に構成することができる。従って、低コストで構成することができ、また、装置全体を小型化するのにも適している。

更に、モータ電流を検出しているためモータの断線も検出できる。

また、本発明に係るデシカント空調機は、前記第１乃至第３の何れか一の構成のロック検出装置を使用することによって、低速で回転するデシカントロータのロータモータがロックしたことを精度よく検出することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るロック検出装置４の構成を表す図である。図１において、同期電動機１は、一定周波数の交流を供給する商用電源２から電力供給を受けて駆動される。同期電動機１のＯＮ／ＯＦＦは、電源スイッチ３により行われる。ロック検出装置４は、同期電動機１に直列に挿入されている。

ロック検出装置４は、電流検出回路１０、コンパレータ１１、及びマイコン１２により構成されている。

電流検出回路１０は、同期電動機１のコイルに流れる電流を検出する回路である。電流検出回路１０は、電流値の絶対値を電圧値として出力する。コンパレータ１１は、電流検出回路１０が出力する電圧値を二値化する。マイコン１２は、コンパレータ１１が出力する二値化された電圧値の波形に基づいて、同期電動機１のロック状態を検出し、ロック状態が検出されたときにはロック検出信号を出力する。

電流検出回路１０は、電流検出用シャント抵抗２１、フォトカプラ保護抵抗２２、フォトカプラ２３、及び出力抵抗２４を備えている。電流検出用シャント抵抗２１は、同期電動機１及び電源スイッチ３と直列に接続されたシャント抵抗であり、同期電動機１のコイルに流れる電流を両端電圧に変換する。

フォトカプラ保護抵抗２２及びフォトカプラ２３は、両者が直列接続された状態で、電流検出用シャント抵抗２１に並列に接続されている。フォトカプラ保護抵抗２２は、フォトカプラ２３を保護する抵抗である。フォトカプラ２３は、電流検出用シャント抵抗２１の両端電圧（正確には、当該両端電圧をフォトカプラ保護抵抗２２との間で分圧した電圧）で作動する。

フォトカプラ２３は、ＬＥＤ２５，２６及びフォトトランジスタ２７から構成されている。ＬＥＤ２５，２６は逆向きに並列接続されており、入力電流が何れかの方向に一定値以上流れると発光する。フォトトランジスタ２７は、ＬＥＤ２５，２６の発光量に応じて、電流増幅を行い、エミッタ側のノードＡに電圧値が出力される。

コンパレータ１１は、ノードＡの電圧Ｖ_Ａと、所定の基準電圧Ｖ_ｓとを比較することによって、電圧変換された、同期電動機１のコイルに流れる電流の絶対値電流波形を二値化する。

マイコン１２は、波形幅検出手段３１とロック判定手段３２とを備えている。
波形幅検出手段３１は、電流検出回路１０により検出される電流波形の波形幅を検出する。ロック判定手段３２は、波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定する。

次に、ロック検出装置４の動作について、図面を参照しながら説明する。

図２は、電流検出用シャント抵抗２１の両端に現れる電流波形である。

図２において、図２（ａ）は正常時（同期電動機１の出力軸がロックされていない状態）、図２（ｂ）がロック時（同期電動機１の出力軸がロックされた状態）を表す。図２（ａ−１），（ｂ−１）は、コンパレータ１１の出力電圧波形であり、図２（ａ−２），（ｂ−２）は、電流検出用シャント抵抗２１により電圧として計測される電流波形である。図２から分かるように、同期電動機１の出力軸がロックされると、電流波形が乱れ、電流波形の波形幅の変動が大きくなる。
図３は、図１の回路における各部の電圧波形を表す図である。図３（ａ）は、電流検出用シャント抵抗２１の両端の電圧波形である。図３（ｂ）は、フォトカプラ２３の出力電圧波形（図１のノードＡの電圧波形）である。図３（ｃ）は、コンパレータ１１の出力電圧波形（図１のノードＢの電圧波形）である。

電流検出用シャント抵抗２１の両端の電圧として検出される同期電動機１のコイルに流れる電流の波形は、フォトカプラ２３により絶対値化されて増幅される。コンパレータ１１は、フォトカプラ２３の出力電圧波形と閾値電圧Ｖ_Ｓとを比較することによって二値化する。

図４に、二値化されたフォトカプラ２３の出力電圧波形Ｖ_Ｂの拡大図を示す。電圧波形Ｖ_Ｂが１の区間をＢ１とし、区間Ｂ１の前後のＶ_Ｂが０の区間をそれぞれＡ１，Ａ２とする。また、区間Ａ１，Ａ２，Ｂ１の時間幅をＷ（Ａ１），Ｗ（Ａ２），Ｗ（Ｂ１）とする。

波形幅検出手段３１は、電流波形の波形幅Ｗ（Ｃ１）を
Ｗ（Ｃ１）＝（Ｗ（Ａ１）＋Ｗ（Ａ２））／２＋Ｗ（Ｂ１）
として計算する。これにより、電流波形の波形幅Ｗ（Ｃ１）は、電流極性の反転時間幅とほぼ等しい値が得られる。

ロック判定手段３２は、波形幅Ｗ（Ｃ１）が検出されるとそれを記憶する。そして、現時点の波形幅Ｗ（Ｃ１）と、その時点よりも前に検出された９９個分の波形幅Ｗ（Ｃ１）との最大値Ｗ_ｍａｘと最小値Ｗ_ｍｉｎとを算出する。そして、この最大値Ｗ_ｍａｘと最小値Ｗ_ｍｉｎとの差（最大時間差）
ΔＷ＝Ｗ_ｍａｘ−Ｗ_ｍｉｎ
を計算する。この最大時間差ΔＷと閾値ΔＷ_ｔｈとを比較し、ΔＷ＞ΔＷ_ｔｈの事象が生じた場合にはロック判定信号として１を出力し、それ以外の事象が生じた場合はロック判定信号として０を出力する。

そして、ロック判定手段３２は、ロック判定信号として１が連続して出力された回数ｎを計数する。もし、ロック判定信号として０が出力された場合は、ｎは０にリセットされ、再び計数を行う。計数値ｎが所定の閾値回数Ｎ（Ｎ＞２）に達すると、ロック判定手段３２は、同期電動機１の出力軸がロックされたと判定し、ロック検出信号を出力する。通常は、Ｎは５程度の値に設定すればよい。

図５に、最大時間差ΔＷの発生頻度の実測例を示す。最大時間差ΔＷが５００μｓｅｃ以下のときは、同期電動機１の出力軸はロックされていない。一方、同期電動機１の出力軸がロックされたときは、最大時間差ΔＷが１．３ｍｓｅｃ以上と観測されている。

このように、同期電動機１の出力軸がロックされた場合と正常な場合とで、最大時間差ΔＷが明確に分離する。従って、この最大時間差ΔＷを閾値判定することにより、同期電動機１の出力軸のロック状態を正確に検出することができる。

また、さらに最大時間差ΔＷを閾値を越える事象が、連続してＮ回生じた場合にロック検出信号を出力することで、外力により、最大時間差ΔＷがロック状態にないにもかかわらず偶発的に大きくなったときでも、出力軸がロックされたと誤検出することを防止することができる。

図６は、本発明の実施例２に係るデシカント空調機４１の内部構造を表す平面図である。

デシカント空調機４１は、筐体４２を備えており、筐体４２の内部は、仕切部材４３，４４，４５によって除湿区域Ａと再生区域Ｂとに区画されている。また、筐体４２の内部には、ロータアセンブリ４６、顕熱交換器４７、再生加熱器５１、モータ５２、制御基板５３及び送風機４８，４９が配設されている。ロータアセンブリ４６は、除湿区域Ａと再生区域Ｂとに跨って回転自在に配設されたデシカントロータ５０を備えている。このデシカントロータ５０は、ロータ回転軸５０ａを中心に回転する短軸円柱状のロータである。デシカントロータ５０は、シリカゲルやゼオライト粉末等の吸湿剤（デシカント）が担持又は含浸されたハニカム構造とされている。デシカントロータ５０の両端面側は、仕切部材４４，４５により、除湿区域Ａと再生区域Ｂとに区画されている。

室外の空気ＯＡは、送風機４９によって除湿区域Ａ内を室外から室内へ流通される。このとき、ロータアセンブリ４６により吸湿が行われ、顕熱交換器４７によって室内から排出される空気ＲＡと熱交換される。また、室内の空気ＲＡは、送風機４８によって再生区域Ｂ内を室内から室外へ流通される。このとき、顕熱交換器４７において室外から室内へ供給される空気ＯＡと熱交換された後、再生加熱器５１で加熱され、ロータアセンブリ４６においてデシカントロータ５０に吸着した湿分を脱離した後に、室外へ排出される。このようにして、室外空間からは湿分が入らず、室内空間からは湿分を含んだ空気が排出されることにより除湿が行われる。

図７は、実施例２に係るデシカント空調機４１のデシカントモータ５２のロック検出機構を表すブロック図である。図７において、デシカントモータ５２には商用電源２から電力供給される。また、デシカントモータ５２と直列に、図１に示したロック検出装置４を接続する。そして、ロック検出装置４が出力するロック検出信号は、警報発生手段５４に入力される。警報発生手段５４は、ロック検出信号が検出された場合、デシカントモータ５２のロック状態の発生を音声や表示により報知する。これにより、使用者はデシカント空調機４１のデシカントモータ５２がロックしたことを認知することができる。

本発明の実施例１に係るロック検出装置の構成を表す図である。 電流検出用シャント抵抗２１の両端に現れる電流波形である。 図１の回路における各部の電圧波形を表す図である。 二値化されたフォトカプラ２３の出力電圧波形の拡大図である。 最大時間差ΔＷの発生頻度の実測例である。 本発明の実施例２に係るデシカント空調機の内部構造を表す平面図である。 実施例２に係るデシカント空調機４１のデシカントモータ５２のロック検出機構を表すブロック図である。

符号の説明

１ 同期電動機
２ 商用電源
３ 電源スイッチ
４ ロック検出装置
１０ 電流検出回路
１１ コンパレータ
１２ マイコン
２１ 電流検出用シャント抵抗
２２ フォトカプラ保護抵抗
２３ フォトカプラ
２４ 出力抵抗
２５，２６ ＬＥＤ
２７ フォトトランジスタ
３１ 波形幅検出手段
３２ ロック判定手段
４１ デシカント空調機
４２ 筐体
４３，４４，４５ 仕切部材
４６ ロータアセンブリ
４７ 顕熱交換器
４８，４９ 送風機
５０ デシカントロータ
５０ａ ロータ回転軸
５１ 再生加熱器
５２ デシカントモータ
５３ 制御基板
５４ 警報発生手段

Claims (5)

1. ギア機構を駆動する同期電動機の出力軸のロック状態を検出する電動機のロック検出装置であって、
   一定周波数の交流電圧により駆動される同期電動機のコイルに流れる電流値を検出し、該電流値を所定の閾値を用いて二値化する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出される二値化された電流波形の波形幅を検出する波形幅検出手段と、
   前記波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定するロック判定手段と、を備え、
   前記ロック判定手段は、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とするロック検出装置。
2. 前記ロック判定手段は、請求項１記載の判定に代えて、
   各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい事象が連続して生じた回数が所定の回数を越えた場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする請求項１記載のロック検出装置。
3. ギア機構を駆動する同期電動機の出力軸のロック状態を検出する電動機のロック検出方法であって、
   同期電動機のコイルに流れる電流値を検出し、該電流値を所定の閾値を用いて二値化する電流検出ステップと、
   前記電流検出ステップにおいて検出される二値化された電流波形の波形幅を検出する波形幅検出ステップと、
   前記波形幅の変動量に基づき、出力軸がロックされているか否かを判定するロック判定ステップと、を備え、
   前記ロック判定ステップにおいては、各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とするロック検出方法。
4. 前記ロック判定ステップにおいては、請求項３記載の判定に代えて、
   各時点において、当該時点以前の所定の時間区間における、前記波形幅の最大値と最小値とを検出し、当該最大値から最小値を引いた差が所定の閾値よりも大きい事象が連続して生じた回数が所定の回数を越えた場合に、出力軸がロックされていると判定することを特徴とする請求項３記載のロック検出方法。
5. 空気中の湿分を吸着／脱離可能な回転体からなる潜熱ロータと、当該潜熱ロータを回転駆動する同期電動機であるロータモータと、前記同期電動機の出力軸の回転動力を前記潜熱ロータに減速伝達するギア機構と、を備えたデシカント空調機であって、前記ロータモータの出力軸のロック状態を検出する請求項１又は２に記載のロック検出装置を備えたことを特徴とするデシカント空調機。

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