(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）誘導モータのシャフトの中心軸に沿って形成されるシャフト中空孔と、
（ｂ）該シャフト中空孔内であって、かつ回転子のエンドリングの平面の中心点部位に配置される高感度磁界センサを具備し、
（ｃ）誘導モータのすべり周波数の２次電流波形を検出することを特徴とする誘導モータの２次電流検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導モータの２次電流検出装置において、前記高感度磁界センサとして、磁気インピーダンス効果磁界センサを用いることを特徴とする誘導モータの２次電流検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の誘導モータの２次電流検出装置において、前記シャフト中空孔はシャフト端からシャフト中央部まで形成されていることを特徴とする誘導モータの２次電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導モータの制御に用いる２次電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導モータは、ブラシレスのため高信頼性を有し、構造が簡単であるとともに、低価格であるため、工業用の中型、大型モータでは使用個数や電力容量の総量が種々のモータ中最大である。
【０００３】
しかし、製鋼の圧延機や製紙工業用の製紙巻き取り機、排ガス・排水ポンプ用などの誘導モータの制御では、長時間運転中にトルクが自然低下する問題が顕在化している。
【０００４】
一方、小型モータでは、使用個数が最大である直流モータをブラシレス化によって高信頼性化すべく、磁石ロータによるブラシレス直流モータが普及してきているが、高価格であり、かつ重いなどの問題がある。
【０００５】
そこで、直流モータを誘導モータに置き換える試みが展開されているが、回転子にすべりがあるため、制御には特別の手法が必要である。すなわち、直流モータ並の高精度の制御性能を実現するために、インバータ駆動とベクトル制御法が広く試みられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ベクトル制御法では、１次電流から２次電流を演算で推定するため、温度変動による実際の２次電流の変動（温度上昇で減少）をモニタリングすることができず、制御誤差を生じてしまう。
【０００７】
また、２次電流の周波数（すべり周波数）もモニタリングできないため、温度変動による速度制御も誤差を生じる。
【０００８】
したがって、誘導モータを直流モータ並に高精度で制御するには、２次電流のモニタリングが必要である。２次電流を常に正確に検出することができれば、すべり周波数を検出することができ、正確な速度制御ができる。
【０００９】
また、汎用の１次電圧対駆動周波数一定のインバータを用いれば、２次電流の大きさ（振幅）とトルクが正比例するので、正確なトルク制御ができる。
【００１０】
これに対して、本願発明者は、（１）誘導モータの回転子エンドリングの近傍に磁界センサのヘッドを設置する２次電流検出方法〔電気学会論文誌Ｖｏｌ．１１２−Ｄ，Ｎｏ．９，ｐｐ．８６２−８６８（１９９２）〕および（２）シャフト端近傍に磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果）磁界センサのヘッドを設置する２次電流検出方法〔日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，ｐｐ．６７３−６７６（１９９７）〕を提案している。
【００１１】
しかしながら、上記（１）の先行技術では、２次電流に比例する駆動周波数の磁界が検出され、すべり周波数は検出することができない。
【００１２】
また、上記（２）の先行技術では、すべり周波数の磁界に駆動周波数の磁界が重畳された磁界が検出され、２種類の信号の分離を可変速制御においてオンラインで行うことが困難であるという問題が残った。
【００１３】
本発明は、上記問題点を除去し、すべり周波数を的確に検出することができる誘導モータの２次電流検出装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、誘導モータのシャフトに中心軸に沿って中空孔を形成し、そのシャフト中空孔内であって、かつ回転子のエンドリングの平面の中心点部位に高感度磁界センサを配置し、回転子エンドリングの中心点部位の中空孔内部に高感度磁界センサを設置し、シャフト長さ方向の磁界を検出する方法により、すべり周波数のみの周波数をもつ正弦波の２次電流のみを正確にモニタリングする方法を見いだしたものであり、従来技術の諸課題を完全に解決する手法を確立したものである。
【００１５】
本発明により、誘導モータの長時間連続運転においても、高精度の速度制御及びトルク制御が初めて実現できることになった。なお、シャフトに中空孔を形成することは、凹ねじきり中空孔に凸ねじきりシャフトを挿入して、回転運動を直線往復運動に変換する誘導アクチュエータにおいては広く行われており、本発明の２次電流モニタリングによる制御においては特に有効な手法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施例を示す誘導モータの２次電流検出装置の実験設備の模式図であり、具体的には、０．７５ｋＷ，６極の３相誘導モータに、トルク・速度メータを介して、２．２ｋＷの直流発電機とランプ負荷を直列に接続した実験セットを示す図である。
【００１８】
図１において、１は誘導モータ（０．７５ｋＷ，６極の３相誘導モータ）、２は誘導モータのシャフト（シャフト鋼）、３はそのシャフトの中心軸に沿って形成される中空孔（中空孔内は磁気シールド効果を有する）、４は回転子、５は回転子のエンドリング、６は固定子、７は固定子コイル、８は３相インバータ、９は高感度磁界（ＭＩ）センサ、１０は高感度磁界センサの固定装置、１１はトルクメータ、１２は直流発電機（２．２ｋＷ）、１３はランプ負荷である。
【００１９】
ここでは、誘導モータのシャフト２には、直径４０ｍｍで直径２０ｍｍの凹ネジ切りの中空孔３を形成し、直径２０ｍｍの凸ネジ切り鋼シャフトを設定して、駆動電圧対駆動周波数（Ｖ／ｆ）が一定（モータ磁束の振幅が常に一定）の３相インバータ８で可変速駆動し、誘導モータ１の回転を直進運動に変換する誘導リニアアクチュエータとして動作させるものである。
【００２０】
いま、直進シャフトを取り外した状態で誘導モータ１を回転させ、温度安定性の高い細型の高感度磁界センサ９をシャフト中空孔３に挿入して、空間に固定装置１０で固定させ、中空孔３内の軸方向磁界を検出する。
【００２１】
高感度磁界センサ９は、２ｍｍ長、３０μｍ径のアモルファスワイヤ２本を磁気インピーダンス効果素子として用いたＣＭＯＳマルチバイブレータ形ＭＩ磁界センサ〔Ｔ．Ｋａｎｎｏ，Ｋ．Ｍｏｈｒｉ，Ｔ．Ｙａｇｉ，Ｔ．Ｕｃｈｉｙａｍａ  ａｎｄ  Ｌ．Ｐ．Ｓｈｅｎ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．５，ｐｐ．３３５８−３３６０（１９９７）〕であり、強い負帰還を施すようにしている。
【００２２】
図２は本発明の実施例による高感度磁界（ＭＩ）センサ出力電圧（Ｖ）に対する磁界（Ｏｅ）特性図である。
【００２３】
これらの図に示すように、本発明によれば、磁界検出特性の高い直線性を実現できることが分かる。
【００２４】
ここで、高感度磁界（ＭＩ）センサ９をシャフトの中空孔３のどのような位置に配置した方が好適であるかについて述べる。
【００２５】
図３は、誘導モータの定格負荷時のシャフト端部▲１▼、回転子エンドリングの中心点位置▲２▼、回転子中央部の中心点位置▲３▼における検出磁界波形の測定結果である。
【００２６】
すなわち、シャフト２の端部▲１▼の場合は、図３▲１▼に示すように、すべり周波数をもつ２次電流に比例した低周波磁界と１次電流に比例した駆動周波数磁界が重畳した波形である。
【００２７】
シャフト端部▲１▼ですべり周波数をもつ２次電流成分が検出できることは、本発明者のグループによって見出され〔Ｍ．Ｍａｔｓｕｎｏ，Ｋ．Ｍｏｈｒｉ，Ｈ．Ｔａｋｉｔｏ  ａｎｄ  Ｋ．Ｉｎｕｚｕｋａ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．５，ｐｐ．５００４−５００６（１９９６）〕、エンドリングの２次電流の非平衡分がエンドリングの還流電流となるためにシャフト端にも２次電流に比例した軸方向磁界が発生するモデルで説明している。
【００２８】
このとき、固定子の１次巻線電流の磁界が空間への漏れ磁界となってシャフト端部にも達するため、高感度磁界（ＭＩ）センサ９の検出磁界波形は両者が重畳された波形になる。駆動周波数が６０Ｈｚのとき定格すべり周波数は２Ｈｚ程度であるので、可変速駆動の場合、両者の分離はオンラインでは困難である。
【００２９】
回転子エンドリング５の中心点位置▲２▼では、図３▲２▼に示すように、すべり周波数の２次電流波形のみが検出されている。この回転子エンドリング５の中心点位置▲２▼は回転子エンドリング５の平面の中心であって、エンドリング還流電流による磁界の強さは軸上で最大であり、１次巻線電流による漏れ磁界はシャフト鋼２によって磁気シールドされて中空孔３内にはほとんど侵入せず、すべり周波数の２次電流磁界のみが検出されると考えられる。
【００３０】
次に、回転子４の中央部の中心点位置▲３▼では、軸方向磁界がほぼ零である。
【００３１】
図４は、図３▲３▼に示すように、回転子エンドリングの中心点位置▲２▼において、誘導モータ１のインバータ駆動周波数及び負荷を大幅に変化させて軸方向磁界を検出し、その周波数とすべり周波数の理論値との比較を図４（ａ）に、その振幅とトルクメータの読みの値との比較を図４（ｂ）に示したものである。
【００３２】
センサ検出磁界の波形の周波数は正確にすべり周波数と一致し、振幅もほぼ正確にトルクと一致している。これは、Ｖ／ｆ一定であるため、トルクＴ＝３ｐ｜Ｖ／ωＮ｜｜Ｉ２  ｜が２次電流の振幅｜Ｉ２  ｜に正比例するためである。ここに、ｐは極対数、Ｎは固定子コイルの１相あたりの巻数である。
【００３３】
図５は、シャフト中空孔内軸方向磁界検出用のアモルファスワイヤＣＭＯＳマルチバイブレータ（ＭＩ）センサの出力電圧の温度特性を示す図である。
【００３４】
２ｍｍ長アモルファスワイヤ２本を並列に固定したヘッドを回転子エンドリングの中心点位置▲２▼に、ＣＭＯＳセンサ回路はシャフト端部の外部に設置するようヘッドと回路部は１０ｃｍ離した細長型回路基板を使用し、温度特性の測定では、ヘッド周辺のみをブロアヒーターで加熱した。ヘッドには、外部からヘルムホルツコイルを用いて１０Ｈｚ，０．１Ｏｅの正弦波磁界を印加した。
【００３５】
高感度磁界（ＭＩ）センサで検出した１０Ｈｚ正弦波の振幅とヘッド部の温度との関係を計測した結果、室温から７０°Ｃまではセンサ出力値の変動はほぼ零であり、８０°Ｃで１％程度の僅かな減少が見られた。誘導モータ１を定格負荷で１時間以上の長時間連続運転すると、回転子エンドリング５の中心点位置▲２▼では温度が８０°Ｃ程度まで上昇するので、センサとしては温度安定性が保証されるものを使用する必要がある。この温度特性の安定性は２次電流の振幅（トルク）の高精度モニタリングにとって重要である。すべり周波数の検出には温度特性は余り要求されない。
【００３６】
以上のように、回転子エンドリング５の中心点位置▲２▼において２次電流が正弦波として精度良く安定に検出できることが分かった。
【００３７】
図６は本発明の第２実施例を示す図１の実験装置において、誘導アクチュエータモータとして、１．５ｋＷ，４極モータの３相モータを用いた場合の回転子エンドリングの中心点位置▲２▼での検出磁界波形を用いて、周波数とすべり周波数とも関係〔図６（ａ）〕、及び振幅とトルクとの関係〔図６（ｂ）〕を示している。
【００３８】
この図から明らかなように、図６（ａ）と図６（ｂ）ともに、図４の場合と同程度にすべり周波数ｓｆ、トルクともに正確にモニタできることが分かった。
【００３９】
なお、上記実施例では、誘導モータ１のシャフト２の中心軸に沿って形成されるシャフト中空孔３をシャフトの全体にわたって形成したものを示したが、これに限定されるものではなく、そのシャフト中空孔３の深さは種々変更することができる。ただし、シャフトの強度などを考慮すると、そのシャフト中空孔は少なくともシャフト端からシャフト中央部まで形成されていればよい。
【００４０】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、誘導モータのすべり周波数を的確に検出することができ、誘導モータの２次電流検出を信頼性の高いものにすることができる。
【００４２】
特に、回転子エンドリングの中心点位置に高感度磁界センサを配置するようにしたので、すべり周波数の２次電流波形のみが確実に検出される。つまり、この回転子エンドリングの中心点位置はエンドリングの平面の中心であって、エンドリング還流電流による磁界の強さは軸上で最大であり、誘導モータの１次巻線電流による漏れ磁界はシャフト鋼によって磁気シールドされて中空内にはほとんど侵入せず、すべり周波数の２次電流磁界のみを確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す誘導モータの２次電流検出装置の実験設備の模式図である。
【図２】本発明の実施例による高感度磁界（ＭＩ）センサ出力電圧（Ｖ）に対する磁界（Ｏｅ）特性図である。
【図３】誘導モータの定格負荷時のシャフト端部▲１▼、回転子エンドリングの中心点位置▲２▼、回転子中央部の中心点位置▲３▼における検出磁界波形の測定結果を示す図である。
【図４】回転子エンドリングの中心点位置▲２▼において、誘導モータのインバータ駆動周波数及び負荷を大幅に変化させて軸方向磁界を検出した測定結果を示す図である。
【図５】シャフト中空孔内軸方向磁界検出用のアモルファスワイヤＣＭＯＳマルチバイブレータ（ＭＩ）センサの出力電圧の温度特性を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す図１の実験装置において、誘導アクチュエータモータとして、１．５ｋＷ，４極モータの３相モータを用いた場合の回転子エンドリングの中心点位置▲２▼での試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１    誘導モータ
２    誘導モータのシャフト（シャフト鋼）
３    シャフトの中心軸に沿って形成される中空孔
４    回転子
５    回転子のエンドリング
６    固定子
７    固定子コイル
８    ３相インバータ
９    高感度磁界（ＭＩ）センサ
１０    高感度磁界センサの固定装置
１１    トルクメータ
１２    直流発電機
１３    ランプ負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003600047.tif 000007