JP6275760B2 - 電動機状態監視システム - Google Patents

Description

本発明は、シャフトと電動機との連結部位の状態を監視する技術に関する。

従来の車両において、電動機すなわちモータの故障を検知することが行われている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１４１３４０号公報

しかし、従来の故障検知は、モータの通電系の故障を検知するのみであり、モータの回転子とシャフトとの間の磨耗等を検知するものではなかった。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、電動機とシャフトとの連結部位の状態を好適に監視することが可能な電動機状態監視システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、固定子と、回転軸であるシャフトに取り付けられた回転子と、を有する電動機における前記シャフトと前記回転子との連結部位の状態を監視する電動機状態監視システムであって、励磁による出力電圧の変化によって前記回転子の回転状態を検出するレゾルバと、前記レゾルバの励磁電流値と出力電圧値との比である状態値を用いて、前記連結部位の状態を検知する状態検知部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によると、レゾルバの励磁電流値と出力電圧値との比である状態値を用いるので、シャフトと電動機との連結部位の状態（座屈及び磨耗による隙間）を好適に検知することができる。

前記状態検知部は、前記電動機に通電されずに前記シャフトが回転しているときの前記状態値と、前記電動機に通電されることによって前記シャフトが回転しているときの前記状態値と、の差である状態値差を用いて、前記連結部位の状態を検知する構成であってもよい。

かかる構成によると、電動機に通電されずにシャフトが回転しているときの状態値と、電動機に通電されることによってシャフトが回転しているときの状態値と、の差である状態値差を用いるので、電動機とシャフトとの間にクリアランスが予め形成されている場合において、当該クリアランスを基準として連結部位の状態を好適に検知することができる。

前記状態検知部は、前記レゾルバの機械角が同じ状態における前記状態値の差である前記状態値差を用いて、前記連結部位の状態を検知する構成であってもよい。

かかる構成によると、レゾルバの機械角が同じ状態における状態値の差である状態値差を用いるので、状態値差による連結部位の状態の検知精度を向上することができる。

前記状態検知部は、前記状態値差を算出する状態値差算出部と、前記状態値差に基づいて、前記連結部位の隙間に関連する隙間関連値を算出する隙間関連値算出部と、を備える構成であってもよい。

かかる構成によると、状態値差に基づいて隙間関連値を算出するので、座屈及び磨耗によって連結部位に生じた隙間を好適に検知することができる。

前記電動機状態監視システムは、前記隙間関連値が所定値以上である場合に、電動機の交換時期である旨を通知する通知部を備える構成であってもよい。

かかる構成によると、隙間関連値が所定値以上である場合に電動機５の交換時期である旨を通知するので、電動機の好適なメンテナンスを促すことができる。

前記隙間関連値が所定値未満である場合に、前記隙間関連値算出部は、当該隙間関連値を記憶部に記憶させる構成であってもよい。

かかる構成によると、隙間関連値が所定値未満である場合に当該隙間関連値を記憶しておくので、過去（例えば、前回）の隙間関連値と今回の隙間関連値とを比較することによって、座屈及び磨耗が許容範囲内であるか否かを判定することが可能である。

本発明によると、電動機とシャフトとの連結部位の状態を好適に監視することができる。

本発明の実施形態に係る電動機状態監視システムが適用された車両のシャフト及び電動機を模式的に示す断面図であって、電動機が停止している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動機状態監視システムが適用された車両のシャフト及び電動機を模式的に示す断面図であって、電動機が駆動している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動機状態監視システムを模式的に示すブロック図である。 レゾルバの機械角と生信号及び電気角との関係の一例を示すグラフである。 レゾルバの磁石の軸芯の傾き量と状態値の変化率との関係の一例を示すグラフである。 第一のデータベースを説明するための図であり、隙間関連値と状態値差の変化率の絶対値との関係の一例を示すグラフである。 第二のデータベースを説明するための図であり、隙間関連値の経時変化の一例を示すグラフである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図中に矢印で示される、「前後」及び「上下」は、車両の前後方向及び上下方向を示し、「左右」は、運転席から見た左右方向（車幅方向）をそれぞれ示している。

＜車両＞
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る電動機状態監視システム２が適用された車両１は、電動機を内蔵した変速機を有するｉ−ＤＣＤ（Honda SPORT HYBRID Intelligent Dual Clutch Drive）駆動源としてエンジン（図示せず）及び電動機を有するいわゆるハイブリッド車両であって、シャフト３と、エンジン４（図３参照）と、電動機５と、レゾルバ３０と、制御部４０（図３参照）と、通知部５０（図３参照）と、を備える。

＜シャフト＞
シャフト３は、金属製の駆動軸すなわち回転軸である。車両１の走行時において、シャフト３は、エンジン４及び電動機５のいずれか又は両方によって、当該シャフト１０の軸周りに回転駆動される。シャフト３は、当該シャフト２の軸方向に配列された一対のベアリングＢ（電動機２０側のみを図示）によって車体に対して回転可能に支持されている。
シャフト３の中央部（すなわち、前記した一対のベアリングＢの間となる部位）には、図示しないトランスミッションによって、前向きのギヤ反力Ｆが付与されている。図３に示す例では、前向きのギヤ反力Ｆが作用しており、シャフト３は、ベアリングＢを支点として、平面視で凸形状を呈するように変形している。

＜エンジン＞
図３に示すように、エンジン４は、ＥＣＵ（Electrical Control Unit）によって制御される車両１の動力源の一つである。エンジン４の出力軸は、シャフト３に連結されている。

＜電動機＞
図１及び図２に示すように、電動機５は、ＥＣＵによって制御される車両１の動力源の一つである。本実施形態において、電動機５は、いわゆるインナーロータ型の交流同期電動機であって、回転子１０と、固定子２０と、を備える。

≪回転子≫
回転子１０は、シャフト３に一体的に取り付けられているロータであり、取付部材１１と、磁石１２と、を備える。取付部材１１は、絶縁材料（例えば、樹脂）によって形成されており、小筒部１１ａ、円板部１１ｂ、中筒部１１ｃ、円板部１１ｄ及び大筒部１１ｅを一体的に備える。

小筒部１１ａは、その内径がシャフト１０の外径と略同一に設定された部位である。かかる小筒部１１ａ内には、シャフト２が挿入されている。本実施形態において、シャフト３の外周面には、当該シャフト３の軸方向に延設される溝部が当該シャフト３の周方向に複数形成されており、小筒部１１ａの内周面には、当該小筒部１１ａの軸方向に延設される溝部が当該小筒部１１ａの周方向に複数形成されている。すなわち、シャフト３の外周面及び小筒部１１ａの内周面には、それぞれ周方向に凹凸部が形成されており、これらの凹凸部がいわゆるインロー嵌合することによって、シャフト３及び小筒部１１ａが互いに固定されている。このようにインロー嵌合するシャフト３の外周面と小筒部１１ａの内周面との間には、例えば３４［μｍ］以下のクリアランスが形成されている。

円板部１１ｂは、小筒部２２ａの車幅方向外側端部から径方向外側に延設されている部位である。中筒部１１ｃは、円板部２２ｂの径方向外側端部から車幅方向外側に延設されている部位である。

円板部１１ｄは、中筒部２２ｃの車幅方向内側端部から径方向外側に延設されている部位である。外筒部１１ｅは、円板部２２ｄの径方向外側端部から車幅方向内側に延設されている部位である。

磁石１２は、外筒部１１ｅの径方向外側面に取り付けられている永久磁石である。

≪固定子≫
固定子２０は、回転子１０の径方向外側に設けられているステータであり、中空形状を呈する取付部材２１と、取付部材２１内に巻回された状態で収容されているコイル２２と、を備える。固定子２０の内径は、回転子２１の外径よりも大きい。固定子２０は、車体側構造に固定されている。

電動機５の駆動時には、固定子２０のコイル２２が通電されることによって、磁石１２を有する回転子１０が回転し、当該回転子１０と互いに固定されているシャフト３が当該シャフト３の軸周りに回転する。このとき、回転子１０には、磁気調芯作用が働く。この磁気調芯作用については、後で詳細に説明する。

＜レゾルバ＞
レゾルバ３０は、シャフト１０の回転状態（すなわち回転角）を検出する回転状態検出部の一例である。レゾルバ３０は、磁石３１と、励磁用コイル３２と、検出用コイル３３と、を備える。

磁石３１は、取付部材１１の小筒部３１の径方向外側面に取り付けられおり、本実施形態では周方向に等間隔に配置された６極を有する磁石である。

励磁用コイル３２は、磁石３１の径方向外側に対向するように設けられており、励磁電流が通電されるコイルである。検出用コイル３３は、磁石３１の径方向外側に対向するように設けられており、励磁用コイルに励磁電流が通電されると、磁石３１の回転位置に応じた出力電圧を出力する。励磁用コイル３２及び検出用コイル３３は、車体側構造に固定されている。レゾルバ３０は、検出用コイル３３としてｓｉｎ用の検出用コイル及びｃｏｓ用の検出用コイルを有するとともに、これらのコイル及びレゾルバデジタル変換器（ＲＤＣ）を含むレゾルバ回路を有する。ＲＤＣは、これらのコイルによって検出された出力電圧値を角度に変換し、当該角度を他の装置（ＥＣＵ等）へ出力する。

＜状態検知部＞
状態検知部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路等によって構成されており、機能部として、記憶部４１と、状態値算出部４２と、状態値差算出部４３と、隙間関連値算出部４４と、を備える。本実施形態において、状態検知部４０は、車両１のＥＣＵと一体的に設けられているが、状態検知部４０は、検査場のシャーシダイナモの測定装置と一体的に設けられている構成であってもよい。

≪記憶部≫
記憶部４１には、後記する状態値差と隙間関連値とが関連付けられた第一のデータベース４１ａと、隙間関連値と当該隙間関連値が算出された時刻とが関連付けられた第二のデータベース４１ｂと、が記憶されている。第一のデータベース４１ａは、事前の試験結果、シミュレーション結果等に基づいて予め記憶部４１に記憶されている。第二のデータベース４１ｂは、状態検知部４０による算出結果に基づいて更新される。

≪状態値算出部≫
状態値算出部４２は、レゾルバ３０から出力された、励磁用コイル３２の励磁電流値及び検出用コイル３３の出力電圧値を取得し、取得された励磁電流値及び出力電圧値に基づいて状態値を算出し、算出された状態値を状態値差算出部４３へ出力する。
ここで、状態値は、励磁電流値と出力電圧値との比である。

（状態値）＝（出力電圧値）／（励磁電流値）

状態値算出部４２は、図１に示す電動機５が駆動せずにシャフト３が回転している状態における状態値と、図２（ａ）に示す電動機５が駆動してシャフト３が回転している状態における状態値と、をそれぞれ算出する。

ここで、図１に示すように、電動機５が駆動せずにシャフト３が回転している状態とは、車両１の走行中においてエンジン４が駆動してシャフト３が回転している場合、又は、検査場等において、図示しないシャーシダイナモによってシャフト３が回転している場合である。この場合には、電動機５における磁気調芯作用は発生しない。また、回転子１０の軸芯は、当該回転子１０に作用する遠心力によって、ギヤ反力Ｆによって傾斜しているシャフト３の軸芯と一致する。また、回転子１０の軸芯は、固定子２０の軸芯に対して傾斜している。

一方、図２に示すように、電動機５が駆動してシャフト３が回転している状態とは、車両１の走行中において電動機５が駆動してシャフト３が回転している場合、又は、検査場等において、電動機５が駆動するとともに図示しないシャーシダイナモによってシャフト３が回転している場合である。この場合には、電動機５における磁気調芯作用が発生し、電動機５の回転子１０は、固定子２０に対して平行な姿勢をとろうとする。そのため、シャフト３との連結部位Ｘにおいて、変形が発生する。かかる変形によって小筒部１１ａの内周面が座屈して磨耗すると、小筒部１１ａのクリアランス量、すなわち、隙間関連値が大きくなる。特に、小筒部１１ａの車幅方向内側端部となる部位Ｙ１と、車幅方向外側端部となる部位Ｙ２と、において内周面の変形が生じる。

ここで、レゾルバ３０の機械角と、レゾルバ３０の生信号及び電気角と、の関係を図４に示す。図４に示すように、６極の磁石を有するレゾルバ３０は、１極分の機械角ごとに生信号及び電気角が同様の波形を繰り返し、６周期で１回転するように設定されている。状態値算出部４２は、電動機５が同じ機械角であるときの励磁電流値及び出力電圧値に基づいて、電動機５の駆動状態及び停止状態のそれぞれにおける状態値を算出する。
また、状態値算出部４２は、レゾルバ３０の電気角（角度情報）とその他の情報（例えば、エンジンパルス等）とを組み合わせて状態値算出のための励磁電流値及び出力電圧値の検出タイミングを合わせることによって、より精度の高い状態値算出を行うことができる。

なお、電動機状態監視システム２は、車両状態（エンジン４の状態（エンジン水温、エンジン油温等）、外気温等の温度状態、シャフト３の回転速度等）を検出するセンサを備え、状態値算出部４２は、レゾルバ３０の機械角に加え、前記センサの検出結果に基づいて、前記車両状態が同じ条件における励磁電流値及び出力電圧値に基づいて、電動機５の駆動状態及び停止状態のそれぞれにおける状態値を算出する構成であってもよい。

≪状態値差算出部≫
状態値差算出部４３は、状態値算出部４２によって算出された電動機５の駆動状態及び停止状態のそれぞれにおける状態値を取得し、取得された各状態値に基づいて、各状態値の差である状態値差（又は状態値差の絶対値）を算出し、算出された状態値差（又は状態値差の絶対値）を隙間関連値算出部４４へ出力する。

（状態値差）＝（電動機停止状態における状態値）−（電動機駆動状態における状態値）

本実施形態において、状態値差算出部４３は、状態値差の一例として、状態値の変化率（又は状態値差の変化率の絶対値）を算出する。

（状態値の変化率）＝［｛（電動機停止状態における状態値）−（電動機駆動状態における状態値）｝／（電動機停止状態における状態値）］×１００

ここで、レゾルバ３０の磁石３１の傾き（磁石３１の軸芯の傾き量）θ［°］（図２（ｂ）参照）と状態値の変化率［％］との関係を図５に示す。状態値は、レゾルバ３０の磁石３１の傾きが大きくなるほど、小さくなる。すなわち、小筒部１１ａの内周面に座屈及び磨耗が発生した場合には、図１に示す電動機５の停止状態における状態値は、より小さくなり、図１に示す電動機５の停止状態における状態値と図２に示す電動機５の駆動状態における状態値との差の絶対値は、より大きくなる。

≪隙間関連値算出部≫
隙間関連値算出部４４は、状態値差算出部４３によって算出された状態値差（又は状態値差の変化率）を取得し、取得された状態値差を用いて第一のデータベース４１ａを参照することによって、状態値差（又は状態値差の変化率）に対応する隙間関連値を読み出す。

ここで、小筒部１１ａの隙間関連値（推定エアギャップ量）と状態値差の変化率の絶対値との関係を図６に示す。図６に示すように、座屈及び磨耗の発生によって隙間関連値すなわち推定エアギャップ量が大きくなると、状態値差の変化率の絶対値も大きくなる。ここで、隙間関連値に対して、状態値の変化率の絶対値は、下に凸の増加曲線を呈する。換言すると、状態値の変化率の絶対値は、隙間関連値に対して、上に凸の増加曲線を呈する。

また、隙間関連値算出部４４は、隙間関連値が所定値未満である場合には、当該隙間関連値を算出時刻と関連付けて第二のデータベース４２ｂに記憶させる。
隙間関連値算出部４４は、過去（例えば、前回）に算出された隙間関連値を第二のデータベース４２ｂから読み出して今回算出された隙間関連値と比較することによって、座屈及び磨耗が許容範囲内であるか否かを判定することも可能である。

一方、隙間関連値算出部４４は、隙間関連値が所定値以上である場合には、エアギャップ量が増大しており、検出ノイズが発生する等といった不具合が発生するおそれがあるため、電動機５の交換時期である旨を示す信号を通知部５０へ出力する。

＜通知部＞
通知部５０は、車両１のインパネに設けられたランプ等であり、隙間関連値が所定値以上である場合に、隙間関連値算出部４４から出力された信号に基づいて、電動機５の交換時期である旨を運転者等のユーザへ通知する。
なお、通知部５０は、検査場のシャーシダイナモの測定装置と一体的に設けられている構成であってもよい。

本発明の実施形態に係る電動機状態監視システム２は、レゾルバの励磁電流値と出力電圧値との比である状態値を用いるので、シャフト３と電動機５との連結部位Ｘの状態（座屈及び磨耗による隙間）を好適に検知することができる。
また、電動機状態監視システム２は、電動機５に通電されずにシャフト３が回転しているときの状態値と、電動機５に通電されることによってシャフト３が回転しているときの状態値と、の差である状態値差を用いるので、電動機５とシャフト３との間にクリアランスが予め形成されている場合において、当該クリアランスを基準として連結部位Ｘの状態を好適に検知することができる。
また、電動機状態監視システム２は、レゾルバ３０の機械角が同じ状態における状態値の差である状態値差を用いるので、状態値差による連結部位Ｘの状態の検知精度を向上することができる。
また、電動機状態監視システム２は、状態値差に基づいて隙間関連値を算出するので、座屈及び磨耗によって連結部位Ｘに生じた隙間を好適に検知することができる。
また、電動機状態監視システム２は、隙間関連値が所定値以上である場合に電動機５の交換時期である旨を通知するので、電動機５の好適なメンテナンスを促すことができる。
また、電動機状態監視システム２は、隙間関連値が所定値未満である場合に当該隙間関連値を記憶しておくので、過去（例えば、前回）の隙間関連値と今回の隙間関連値とを比較することによって、座屈及び磨耗が許容範囲内であるか否かを判定することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、電動機５にクリアランスが予め設定されていない場合には、状態値差を算出せずに、電動機５に通電されることによってシャフト３が回転しているときの状態値のみを用いて、連結部位の状態を検知したり、隙間関連値を算出したりすることができる。また、状態値差（又は状態値差の変化率）と当該状態値差の所定値とを比較することによって、電動機５の交換時期であるか否かを判定することも可能である。

１ 車両
２ 電動機状態監視システム
３ シャフト
５ 電動機
１０ 回転子
２０ 固定子
３０ レゾルバ
４０ 状態検知部
５０ 通知部
Ｘ 連結部位

Claims (6)

1. 固定子と、回転軸であるシャフトに取り付けられた回転子と、を有する電動機における前記シャフトと前記回転子との連結部位の状態を監視する電動機状態監視システムであって、
   励磁による出力電圧の変化によって前記回転子の回転状態を検出するレゾルバと、
   前記レゾルバの励磁電流値と出力電圧値との比である状態値を用いて、前記連結部位の状態を検知する状態検知部と、
   を備えることを特徴とする電動機状態監視システム。
2. 前記状態検知部は、
   前記電動機に通電されずに前記シャフトが回転しているときの前記状態値と、前記電動機に通電されることによって前記シャフトが回転しているときの前記状態値と、の差である状態値差を用いて、前記連結部位の状態を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機状態監視システム。
3. 前記状態検知部は、前記レゾルバの機械角が同じ状態における前記状態値の差である前記状態値差を用いて、前記連結部位の状態を検知する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電動機状態監視システム。
4. 前記状態検知部は、
   前記状態値差を算出する状態値差算出部と、
   前記状態値差に基づいて、前記連結部位の隙間に関連する隙間関連値を算出する隙間関連値算出部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の電動機状態監視システム。
5. 前記隙間関連値が所定値以上である場合に、電動機の交換時期である旨を通知する通知部
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の電動機状態監視システム。
6. 前記隙間関連値が所定値未満である場合に、前記隙間関連値算出部は、当該隙間関連値を記憶部に記憶させる
   ことを備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電動機状態監視システム。

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