(57)【要約】【課題】簡素な構成で高精度にロータの温度を測定し、永久磁石の温度を推定することが可能な電動機のロータ温度測定装置を提供する。【解決手段】円筒状に形成されてロータ１４の端面１４ａに密着固定され、光を透過するとともに温度変化に応じて屈折率が変化する透明リング１８と、透明リング１８の軸方向に直交するように且つ透明リング１８の外周面１８ａに所定の入射角θｉ1で入射するようにレーザ光１を出射する発光部１９と、透明リング１８を透過したレーザ光１を受光するように配置され、レーザ光１が入射する位置に応じて異なる電気信号を出力する受光部２０と、受光部２０から出力される電気信号に基づいてロータ１４の温度を求める演算処理部２３とを備えるようにした。【選択図】図１
2010035265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機のロータの温度を測定する装置であって、
円筒状に形成されて前記ロータの端面に密着固定され、光を透過するとともに温度変化に応じて屈折率が変化する透光部材と、
前記透光部材の軸方向に直交するように且つ前記透光部材の外周面に所定の入射角で入射するようにレーザ光を出射する発光手段と、
前記透光部材を透過した前記レーザ光を受光するように配置され、前記レーザ光が入射する位置に応じて異なる電気信号を出力する受光手段と、
前記受光手段から出力される電気信号に基づいて前記ロータの温度を求める演算処理手段と
を備えることを特徴とする電動機のロータ温度測定装置。
【請求項２】
前記受光手段が、前記レーザ光の直径と同一の直径を有する穴が形成されたマスク部材を備え、該マスク部材が、前記透光部材が予め設定する所定の温度のときに前記穴の中心と前記レーザ光の光軸とが一致するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ温度測定装置。
【請求項３】
前記発光手段及び前記受光手段は、前記レーザ光が二度の屈折を経て前記受光手段に入射するように相互の位置を設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機のロータ温度測定装置。
【請求項４】
前記発光手段及び前記受光手段は、前記レーザ光が二度の屈折及び前記シャフトによる一度の反射を経て前記受光手段に入射するように相互の位置を設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機のロータ温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機のロータ温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータの内部に永久磁石を埋め込む構造を有する電動機において、電動機の運転に伴ってロータに埋め込まれた永久磁石の温度が上昇し永久磁石の温度が一定の温度以上になると、この永久磁石の磁力が減磁されてしまう。永久磁石は一度減磁してしまうとその性能が著しく低下するため、運転中の電動機に対しては常に永久磁石の温度情報をモニターし、永久磁石の温度が、磁力が減磁される温度に達する前に、前もって電流を制限するなどして永久磁石の温度を調整する必要がある。
【０００３】
ところで、回転体であるロータに埋め込まれた永久磁石の温度を有線式のセンサで直接測定することは困難である。そのため、従来の電動機においては例えばステータのコイルの温度を測定し、その温度値に基づいて永久磁石の温度を推定するなど、ロータの温度を直接測定することなくロータの温度を推定することが行われていた。なお、ステータのコイルの温度は、例えばサーミスタをコイルに固定するなどにより行っている。
【０００４】
しかし、永久磁石の温度を調整するために電流を制限することは電動機の性能及び効率の低下に繋がるおそれがある。このような電動機の性能及び効率の低下を抑制するためには、永久磁石の温度を高精度に測定し、電流の制限を必要最小限に抑える必要があるが、上述したようにステータのコイルの温度を測定し、このコイルの温度に基づいて永久磁石の温度を推定する場合、永久磁石の正確な温度を得ることは難しかった。
【０００５】
そこで、従来、ロータの内部に熱電対を取り付けるとともに、該熱電対に発光体を接続し、測定回路において発光体の輝度を非接触で検出することにより、ロータの温度を測定する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００６】
また、ロータ本体に二つのコイルとこれら二つのコイルの間に介在配置されるサーミスタとを固定し、一方のコイルにおいて誘起した電流をサーミスタを介して他方のコイルに供給し、該他方のコイルによって発生する磁界をステータ軸に固定したセンサ用コイルによって非接触で検出することにより、ロータの温度を測定するものもある（例えば、下記特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３２７５６１号公報
【特許文献２】特開２００２−３９０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載のものは、ロータの内部に熱電対を取り付ける必要があるために組立作業が煩雑になることが考えられるという問題、発光体を設置可能な位置が回転子の反負荷側のみであるために利便性が十分とはいえない問題があった。
【０００９】
また、上述した特許文献２に記載のものについても、ロータに複数の部材からなるコイルユニットを固定する構成であるため、装置構成が複雑になるという問題、さらに、回転子が回転していなければ温度を検知することができないため利便性が十分とはいえず、また回転速度の補正も必要であるため温度検出にかかる作業が煩雑になることが考えられるといった問題があった。
【００１０】
このようなことから本発明は、簡素な構成で高精度にロータの温度を測定し、永久磁石の温度を推定することが可能な電動機のロータ温度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る電動機のロータ温度測定装置は、電動機のロータの温度を測定する装置であって、円筒状に形成されて前記ロータの端面に密着固定され、光を透過するとともに温度変化に応じて屈折率が変化する透光部材と、前記透光部材の軸方向に直交するように且つ前記透光部材の外周面に所定の入射角で入射するようにレーザ光を出射する発光手段と、前記透光部材を透過した前記レーザ光を受光するように配置され、前記レーザ光が入射する位置に応じて異なる電気信号を出力する受光手段と、前記受光手段から出力される電気信号に基づいて前記ロータの温度を求める演算処理手段とを備えることを特徴とすることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る電動機のロータ温度測定装置は、第１の発明において、前記受光手段が、前記レーザ光の直径と同一の直径を有する穴が形成されたマスク部材を備え、該マスク部材が、前記透光部材が予め設定する所定の温度のときに前記穴の中心と前記レーザ光の光軸とが一致するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明に係る電動機のロータ温度測定装置は、第１又は第２の発明において、前記発光手段及び前記受光手段は、前記レーザ光が二度の屈折を経て前記受光手段に入射するように相互の位置を設定されていることを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る電動機のロータ温度測定装置は、第１又は第２の発明において、前記発光手段及び前記受光手段は、前記レーザ光が二度の屈折及び前記シャフトによる一度の反射を経て前記受光手段に入射するように相互の位置を設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上述した本発明に係る電動機のロータ温度測定装置によれば、ロータに直接接触している透光部材の温度の変化に基づいてロータの温度を推定し、得られた結果に基づいて永久磁石の温度を推定することができるので、簡素な構成で高精度にロータ及び永久磁石の温度を推定することができる。
【００１６】
また、発光手段、受光手段は負荷側、反負荷側のいずれにも設置することが可能であるとともに、回転子が静止している状態であっても温度を検出することが可能であり、且つ、回転子の回転速度等を考慮する必要もないので、利便性の向上に繋がる。
【００１７】
また、受光手段に、レーザ光の直径と同一の直径を有する穴が形成されたマスク部材を設け、該マスク部材を、透光部材が予め設定する所定の温度のときに穴の中心とレーザ光の光軸とが一致するように配置すれば、透光部材を透過したレーザ光の位置の変化を高精度に検出することができ、ロータの温度をより高精度に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を以下に示す実施例において詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１乃至図６を用いて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置の構造を示す概略断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は本実施例の透明リングを透過する光の光路の変化を示す説明図、図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図３のＤ〜Ｆ部の拡大図、図５はマスクの正面図、図６（ａ）、図６（ｂ）はそれぞれ本実施例の他の例に係る発光部用マスク、受光部用マスクの正面図、図７は本実施例の他の例において受光部用マスクに入射するレーザ光の例を示す説明図である。なお、図中の一点鎖線は透明リング表面のレーザ光が入出射する位置に対して円周方向に直交する直線（法線）を示す。
【００２０】
図１及び図２に示すように、本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置が適用されるモータ１は、モータフレーム１１にベアリング１２を介して回転自在に支持されるシャフト１３、内部に永久磁石１６が埋め込まれ、シャフト１３と一体に回転するロータ１４、モータフレーム１１の中空部にロータ１４との間に周方向にわたって所定の間隙を有するように固定配置され、ステータコイル１７を備えるステータ１５を備えている。
【００２１】
さらに、本実施例においてロータ１４の一方の端面１４ａには、透光部材としての透明リング１８が設けられている。透明リング１８は光を透過する部材からなり、円筒状に形成されてロータ１４の端部１４ａに密着固定され、シャフト１３及びロータ１４と一体に回転するように構成されている。そして、モータフレーム１１の中空部内であって透明リング１８の外周面１８ａに対向する位置に、発光手段としての発光部１９および受光手段としての受光部２０が配設されている。
【００２２】
発光部１９はレーザ光１を出射する手段であり、本実施例においては、レーザ光１の光軸がシャフト１３の軸方向に直交するように且つレーザ光１が透明リングの外周面１８ａに所定の入射角θi1で入射するようにその位置を設定されている。入射角θi1は、図２に示すようにレーザ光１が二度の屈折を経て受光部２０に入射するような角度とする。二度の屈折により、透明リング１８に入射したレーザ光１は透明リング１８の内部を屈折角θn1で進行し、出射角θo1で透明リング１８の外部へ出射される。
【００２３】
また、受光部２０は受光部本体２１とマスク部材としてのマスク２２とから構成されている。受光部本体２１は、発光部１９から出射され、透明リング１８を透過したレーザ光（透過光）１を受光し、受光量に応じた電気信号を出力する手段である。該受光部本体２１は、図２中に示すＡ部、Ｂ部において屈折されたレーザ光１を受光することができるようにその位置を設定されている。
【００２４】
一方、マスク２２は光を透過しない遮光部材からなり、受光部本体２１の受光面２１ａを覆うように設けられている。このマスク２２には図５に示すようにレーザ光１の直径とほぼ同一の直径を有するピンホール２２ａが形成されており、該マスク２２は、例えば透明リング１８の温度が予め設定する所定温度Ｔａのときにレーザ光１がピンホール２２ａの中心を通過するように位置を設定している。なお、本実施例では、所定温度Ｔａは電動機を使用する環境に応じて設定すれば良い。
【００２５】
そして、受光部本体２１から出力される電気信号は演算処理手段としての演算処理部２３に入力される。演算処理部２３は、受光部本体２１から出力される電気信号の出力値に基づいて透明リング１８の温度を算出し、さらに、算出された透明リング１８の温度に基づいて、ロータ１４の温度を求め、得られたロータ１４の温度から永久磁石１６の温度を推定する手段である。
【００２６】
なお、本実施例においてロータ１４の温度を求める方法としては、例えば、透明リング１８の温度とロータ１４の温度との関係を予め参照値と取得しておき、この参照値を用いてロータ１４の温度を求める等の方法が考えられる。また、永久磁石１６はロータ１４内に埋め込まれており、接着剤でロータ１４に強固に密着しているので、永久磁石１６の温度とロータ１４の温度がほぼ同一として永久磁石１６の温度の推定を行う。
【００２７】
以下、図３乃至図５を用いて本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置によるロータ温度測定方法について説明する。
【００２８】
図３及び図４に示すように、例えば、透明リング１８の温度が上述した所定温度Ｔａ（例えば２５℃）である場合、発光部１９から出射され入射角θi1で透明リング１８に入射したレーザ光１は、図中実線で示すように、屈折角θn1aで透明リング１８内を透過し、出射角θo1aで透明リング１８から出射され、マスク２２を介して受光部本体２１に入射される。
【００２９】
ここで、上述したようにマスク２２に形成されたピンホール２２ａは透明リング１８の温度がＴａの場合にその中心とレーザ光１の光軸が一致するようにその位置を設定されているため、レーザ光１ａはほぼ１００％ピンホール２２ａを通過し、受光部本体２１において電気信号に変換される。
【００３０】
一方、透明リング１８の温度がＴｂ（≠Ｔａ、例えば７５℃）のとき、透明リング１８の屈折率ｎ（＝sin（入射角）／sin（屈折角））は透明リング１８の温度に応じて変化するため、発光部１９から出射され入射角θi1で透明リング１８に入射したレーザ光１は、透明リング１８の温度がＴａのときとは異なり、図中二点鎖線で示すように、屈折角θn1bで透明リング１８内を透過し、出射角θo1bで透明リング１８から出射される。そのため、レーザ光１ｂの光軸はピンホール２２ａの中心に対してΔｄ１ずれることとなり、図５に示すようにレーザ光１ｂの一部がマスク２２によって遮蔽され、レーザ光１ｂの図５中斜線を付した部分のみがマスク２２を通過する。
【００３１】
これにより、受光部本体２１における受光量は透明リング１８の温度がＴａの場合に比較して減少し、演算処理部２３に入力される電気信号が変化する。演算処理部２３では入力された電気信号と予め求めた参照値とを比較して透明リング１８の温度を求め、この透明リング１８の温度からロータ１４、さらには永久磁石１６の温度を推定する。
【００３２】
このように、本実施例においては透明リング１８の温度変化に伴って該透明リング１８の屈折率が変化することを利用して、透明リング１８を透過した光が入射する位置の変化に基づいて透明リング１８の温度を求め、これによりロータ１４の温度、永久磁石１６の温度の推定を行う。
【００３３】
上述した本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置によれば、光を用いたセンシングでロータ１４の温度を推定することができるため、ロータ１４の温度を高精度に推定することができる。さらに、ロータ１４に直接接触している透明リング１８の温度に基づいてロータ１４の温度を推定し、推定したロータ１４の温度に基づいて永久磁石の温度を推定するため、簡素な構成で高精度に永久磁石１６の温度を推定することができ、モータ１の性能及び効率を向上させることができる。
【００３４】
なお、上述した実施例では所定温度Ｔａを２５℃として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電動機を使用する環境下において最も低いと考えられる温度に設定する等、種々の変更が可能である。
【００３５】
また、本実施例においては、受光部２０を構成するマスク２２に円形のピンホール２２ａを設ける例を示したが、例えば図６に示すように、発光部１９のレーザ光出射面に対向する位置に図６（ａ）に示す長方形状の孔２４ａを有する発光部用マスク２４を設ける一方、受光部２０に上述したマスク２２に代えて、マスク部材として図６（ｂ）に示すような三角形状の孔２５ａを有する受光部用マスク２５を設けるようにするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３６】
上記構成とした場合、例えば、透明リング１８の温度が低温から高温に変化するのに対し、レーザ光が受光部用マスク２５の三角形状の孔２５ａの底辺側から頂点側へ移動するように設定すれば、図７に示すように、低温時においてはレーザ光１ａが実線で示す位置に照射され、高温時においてはレーザ光１ｂが破線で示す位置に照射されて、それぞれ図中斜線を付した部分が孔２５ａを通過することにより受光部本体２１に入射する受光量が変化する。
【００３７】
このように、受光部本体２１において測定される受光量が透明リング１８の温度変化に伴って変化するので、得られた受光量を電気信号に変換して演算処理部２３において受光部本体２１から入力された電気信号と予め求めた参照値とを比較することにより、透明リング１８の温度を求めることができ、この透明リング１８の温度からロータ１４、さらには永久磁石１６の温度を推定することができる。
【実施例２】
【００３８】
図８乃至図１０を用いて本発明の第２の実施例を詳細に説明する。図８は本実施例の電動機の断面図、図９は本実施例の透明リングを透過する光の光路の変化を示す説明図、図１０（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図９のＩ〜Ｌ部の拡大図である。本実施例は、実施例１において発光部１９及び受光部２０の位置を変更した例であり、以下、図１及び図２に示し上述した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
図８に示すように、本実施例において発光部１９はレーザ光１の光軸がシャフト１３の軸方向に直交するように且つレーザ光１が透明リングの外周面１８ａに所定の入射角θi2で入射するようにその位置を設定されている。入射角θi2は、図８に示すようにレーザ光１が二度の屈折及び一度の反射を経て受光部２０に入射するような角度とする。二度の屈折及び一度の反射により、透明リング１８に入射したレーザ光１は透明リング１８の内部を屈折角θn2で進行し、出射角θo2で透明リング１８の外部へ出射される。
【００４０】
また、受光部本体２１は、図８中に示すＦ部、Ｇ部、Ｈ部において屈折又は反射されたレーザ光１を受光することができるようにその位置を設定されている。さらに、マスク２２は、実施例１と同様、透明リング１８が所定温度Ｔａの時にレーザ光１の光軸とピンホール２２ａの中心が一致するように配設されている。
【００４１】
図９及び図１０を用いて本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置によるロータ温度測定方法について説明する。
【００４２】
図９及び図１０に示すように、例えば、透明リング１８の温度がＴａ（例えば２５℃）のとき、発光部１９から出射され入射角θi2で透明リング１８に入射したレーザ光１は、屈折角θn2aで透明リング１８内を透過し、ロータ１４によって反射されたのち出射角θo2aで透明リング１８から出射され、マスク２２を介して受光部本体２１に入射される。ここで、上述したようにマスク２２に形成されたピンホール２２ａは透明リング１８の温度がＴａの場合にその中心とレーザ光１の光軸が一致するようにその位置を設定されているため、レーザ光１ａはほぼ１００％ピンホール２２ａを通過し、受光部本体２１において電気信号に変換される。
【００４３】
一方、透明リング１８の温度がＴｂ（≠Ｔａ、例えば７５℃）のとき、透明リング１８の屈折率ｎは透明リング１８の温度に応じて変化するため、発光部から出射され入射角θi2で透明リング１８に入射したレーザ光１は、透明リング１８の温度がＴａのときとは異なり、屈折角θn2bで透明リング１８内を透過し、ロータ１４によって反射された後、出射角θo2bで透明リング１８から出射される。
【００４４】
そのため、レーザ光１ｂの光軸はピンホール２２ａの中心に対してΔｄ２ずれることとなり、レーザ光１ｂの一部がマスク２２によって遮蔽される。これにより、受光部本体２１における受光量は透明リング１８の温度がＴａの場合に比較して減少し、演算処理部２３に入力される電気信号が変化する。演算処理部２３では入力された電気信号と予め求めた参照値とを比較して透明リング１８の温度を求め、この透明リング１８の温度からロータ１４、さらには永久磁石１６の温度を推定する。
【００４５】
このように、本実施例に係る電動機のロータ温度測定装置によれば、光を用いたセンシングでロータ１４の温度を推定することができるため、ロータ１４の温度を高精度に推定することができる。さらに、ロータ１４に直接接触している透明リング１８の温度に基づいてロータ１４の温度を推定し、推定したロータ１４の温度に基づいて永久磁石の温度を推定するため、簡素な構成で高精度に永久磁石１６の温度を推定することができ、モータ１の性能及び効率を向上させることができる。
【００４６】
なお、ピンホールの形状は円形に限らず、レーザ光１が入射される位置に応じて受光部本体２０に入射される受光量が変化するような形状であればよく、屈折率を導出することが可能な範囲で変更が可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、電動機のロータ温度測定装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１に係る電動機のロータ温度測定装置の概略断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る電動機のロータ温度測定装置における光路の変化の例を示す説明図である。
【図４】図４（ａ）は図３に示すＣ部拡大図、図４（ｂ）は図３に示すＤ部拡大図、図４（ｃ）は図３に示すＥ部拡大図である。
【図５】本発明の実施例１に係るマスクの例を示す正面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の実施例１に係る発光部用マスクの例を示す正面図、図６（ｂ）は本発明の実施例１に係る受光部用マスクの他の例を示す正面図である。
【図７】図６に示す受光部用マスクに入射するレーザ光の例を示す説明図である。
【図８】本発明の実施例２に係る電動機のロータ温度測定装置の図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図９】本発明の実施例２に係る電動機のロータ温度測定装置における光路の変化の例を示す説明図である。
【図１０】図１０（ａ）は図９に示すＩ部拡大図、図１０（ｂ）は図９に示すＪ部拡大図、図１０（ｃ）は図９に示すＫ部拡大図、図１０（ｄ）は図９に示すＬ部拡大図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  レーザ光（光軸）
１ａ  レーザ光（低温時）
１ｂ  レーザ光（高温時）
１１  モータフレーム
１２  ベアリング
１３  シャフト
１４  ロータ
１４ａ  ロータ端部
１５  ステータ
１６  永久磁石
１７  ステータコイル
１８  透明リング
１９  発光部
２０  受光部
２１  受光部本体
２２，２５  マスク
２３  演算処理部
【図１】
2010035265.tif 000003
【図２】
2010035265.tif 000004
【図３】
2010035265.tif 000005
【図４】
2010035265.tif 000006
【図５】
2010035265.tif 000007
【図６】
2010035265.tif 000008
【図７】
2010035265.tif 000009
【図８】
2010035265.tif 000010
【図９】
2010035265.tif 000011
【図１０】
2010035265.tif 000012