(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置に音響センサを設けるとともに、モータ駆動時の音響センサで取得した音圧信号を入力するとともに、モータ回転情報を受けるインターフェイス部と、
前記インターフェイス部からの前記音圧信号とモータ回転情報を蓄積する蓄積部と、
前記音圧信号と、前記モータ回転情報との関係に基づいて異常を検知する異常検知部と、
前記異常検知部で異常を検知した場合に、異常を出力する外部出力部とを設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記モータ回転情報としてのトルクと、前記音圧信号とを前記蓄積部に蓄積し、
前記音圧信号と、前記トルクとの関係が時間的に変化する場合を異常として前記異常検知部が検知することを特徴とした電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記音響センサで取得したデータをFFT（Fast Fourier Transform）変換器により音周波数信号を生成し、
前記インターフェイス部は、前記モータ回転情報としてモータ回転数を入力し、
前記モータ回転数と前記音周波数信号との関係において、前記モータ回転数の変化に従い前記音周波数信号が変化する音が発生したことを前記異常検知部で異常とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記音周波数信号と時間との関係において、周期的に特定の周波数の音信号が発生することを異常とする前記異常検知部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに一に記載の電力変換装置において、
前記蓄積部はネットワークを介して電力変換装置の外に設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一に記載の電力変換装置において、
複数の音響センサを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項３、請求項４、請求項３若しくは請求項４を引用する請求項５、又は、請求項３若しくは請求項４を引用する請求項６のいずれか一に記載の電力変換装置において、
前記FFT（Fast Fourier Transform）変換器をモータ駆動用マイコンとは別に設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一に記載の電力変換装置において、
前記音響センサには、モータ以外の音を遮蔽する遮蔽部を設けていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータなどの電力変換装置に関し、特に、モータあるいはモータが駆動する機械の異常を診断する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ及びモータが駆動する機械には、ベアリング軸受等多くの摩耗する部品が使われている。従来は、定期点検で異常を調べていたが、分解等の作業が多く保守にコストがかかっていた。また、機構部が装置の内部に組み込まれ、容易に分解できない場合は定期的にベルト等の装置の一部あるいは装置全部を交換する必要があり、コストがかかっていた。また、鉄道、自動車、ビルの空調、エレベータ等20年以上使われる機械も多く、高い信頼性も要求されている。【０００３】
そこで、モータ及びモータが駆動する機械を分解することなく異常を検出する構成が提案されている。【０００４】
特許文献１では、モータあるいはモータが駆動する機械に振動センサを取り付け、モータの所定の回転速度領域内での慣性回転時に、前記センサによる振動の検出信号に基づいてモータあるいはモータが駆動する機械の異常を診断する手法が述べられている。【０００５】
また、特許文献２では、振動センサより安価な音響センサを使うことが述べられている。すなわち、モータあるいはモータが駆動する機械に音響センサを取り付け、その信号からモータあるいはモータが駆動する機械の異常を診断する手法が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第4581693号公報
【特許文献２】特公平1-45011号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２ともセンサをモータあるいはモータが駆動する機械に取り付けるため、時間が立つとセンサがモータあるいはモータが駆動する機械から外れてしまう課題がある。また、異常を検知する精度について課題がある。【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決することにあり、信頼性が高く、高精度にモータあるいはモータが駆動する機械の異常を診断する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電力変換装置に音響センサを設けるとともに、モータ駆動時の音響センサで取得した音圧信号を入力するとともに、モータ回転情報を受けるインターフェイス部と、インターフェイス部からの音圧信号とモータ回転情報を蓄積する蓄積部と、音圧信号と、モータ回転情報との関係に基づいて異常を検知する異常検知部と、前記異常検知部で異常を検知した場合に、異常を出力する外部出力部とを設けた電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、モータあるいはモータにより駆動される機械にセンサを設置することなく、検知した異常を外部に出力することができ、センサがモータあるいはモータが駆動する機械に直接取り付けた場合、時間が立つとセンサがモータあるいはモータが駆動する機械から外れてしまう可能性を排除できる。【００１１】
また、電力変換装置のトルク、モータ回転数と音響センサで取得した音圧との関係から異常として検知することで、精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第1実施例を示す図。
【図２】本発明の第１実施例の動作を説明するためのフローチャート。
【図３】本発明において、モータトルクと音圧の関係の経時的変化から異常を検出する方法を説明する図。
【図４】本発明の第２の実施例を示す図。
【図５】本発明の第２実施例の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】本発明において、モータの回転数と音響センサが取得した音の周波数の関係の経時的変化から異常を検出する第１の方法を説明する図。
【図７】本発明において、時間と音響センサが取得した音の周波数の関係の経時的変化から異常を検出する第２の方法を説明する図。
【図８】本発明の第３の実施例を示す図。
【図９】本発明の第４の実施例を示す図。
【図１０】本発明の第５の実施例を示す図。
【図１１】３相永久磁石モータを駆動するための駆動回路を示す図。
【図１２】本発明の第６の実施例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図1に、本発明の第1実施例を示す。電力変換装置（インバータ）１は3相モータ線２ａ、２ｂ、２ｃによりモータ３に電気的に接続している。モータは、モータ回転軸４を通じて、回転部を有する機械５を駆動する。モータ配線２ａにはモータ駆動電流を測定する電流センサ１０ａが設けられている。さらに、モータ配線２ｃにはモータ駆動電流を測定する電流センサ１０ｂ設けられている。これら電流センサ信号１００ａ、１００ｂと、外部から指示されたトルク指令、モータ回転数に基づきマイコン９０内に設けられた演算部１１はＩＧＢＴの駆動指令１１０を発生させる。マイコン９０からの駆動指令１０１はゲート駆動回路３０により増幅されＩＧＢＴ４０をオン、オフ制御し、これによりモータ電流を制御し、外部からのトルク指令、モータ回転数でモータを駆動する。
【００１４】
本発明では、音響センサ２０がインバータ１の外部に設けられており、モータあるいはモータが駆動する機械の音を測定する。音響センサ２０で測定した信号１０３は、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２によりアナログ信号からデジタル信号１０４に変換される。デジタル化された音響センサ２０の信号１０４及びトルク指令１０２、モータ回転数情報１０１は、インターフェイス回路13を通じてマイコン９０の外部のデータ蓄積手段５０に蓄積される。データ蓄積手段５０の蓄積データから経時的変化を異常検出装置６０により検出し、異常を検出した場合には外部出力部７０を通じて異常をオペレータに知らせる。
【００１５】
さらに、本発明の第１実施例の動作を詳しく説明するため、図２のフローチャートを使って説明する。電力変換器が動作開始（２００）すると本発明も動作を開始する。音響のセンサのアナログ情報１０３はアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２によりデジタル信号１０４に変換され、インターフェイス回路２０３に入力される。演算部１１からはトルク指令１０２、モータ回転数情報１０１がインターフェイス回路１３に入力される。インターフェイス回路１３からデータ蓄積手段５０に信号がおくられデータ蓄積手段５０にデータが蓄積されるとともに、このデータ蓄積手段５０をもとに異常検出装置６０がデータの経時的変化から判定手段２０１で異常と判断した場合、外部出力部７０を通じて異常をオペレータに知らせる。経時的変化を把握するため図示していないが時間計測部を備えていてもよいし、外部から時間情報を取得するようにしてもよい。
【００１６】
モータトルクと音圧の関係の経時的変化から異常を検出する方法を、図３にて説明する。モータトルクに対して、音圧は通常動作にモータトルクに比例して増加する。ただし、モータ回転数とモータが駆動する機械の固有値振動数と共鳴すると音圧が大きくなるため、モータトルクと音圧の関係は図３のようにある範囲に分布する。この関係が経時的変化するのをとらえることで異常を検出する。
【００１７】
図４に、本発明の第２実施例を示す。第１実施例にさらにセンサ２０で測定した信号１０３をアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によりアナログ信号１０３からデジタル信号１０４に変換した信号をFFT（Fast Fourier Transform）変換器80により周波数信号１０５と音圧信号１０６を生成し、インターフェイス回路１３を通じてデータ蓄積手段５０により周波数信号１０５と音圧信号１０６及びトルク指令１０２、モータ回転数情報１０１を蓄積する。
【００１８】
さらに、本発明の第２実施例の動作を詳しく説明するため、図５のフローチャートを使って説明する。電力変換器が動作開始（２００）すると本発明も動作を開始する。音響のセンサのアナログ情報１０３はアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２によりデジタル信号１０４に変換されさらに、FFT（Fast Fourier Transform）変換器８０により周波数信号１０５と音圧信号１０６を生成される。周波数信号１０５と音圧信号１０６はインターフェイス回路２０３に入力される。演算部１１からはトルク指令１０２、モータ回転数情報１０１がインターフェイス回路１３に入力される。インターフェイス回路１３からデータ蓄積手段５０に信号がおくられデータ蓄積手段５０にデータが蓄積されるとともに、このデータ蓄積手段５０をもとに異常検出装置６０が、データの経時的変化から判定手段２０１で異常と判断した場合、外部出力部７０を通じて異常をオペレータに知らせる。
【００１９】
モータの回転数と音響センサが取得した音の周波数の関係の経時的変化から異常を検出する方法を、図６にて説明する。モータの回転数を横軸、音響センサが取得した音の周波数を縦軸とすると音は大きく２つの種類に分類される。１つはモータの回転数に依存しない音で、モータあるいはモータが駆動する機械の固有振動周波数に対応する。もう１つは、モータの回転数に比例する音である。モータあるいはモータが駆動する機械のベアリング等の回転部に傷がついた場合、モータの回転数に比例する新たな音が発生する（音３）この音を異常検出装置６０ですることで異常を検出することができる。
【００２０】
時間と音響センサが取得した音の周波数の関係の経時的変化から異常を検出する方法を、図７にて説明する。時間を横軸、音響センサが取得した音の周波数を縦軸とするとモータ３あるいはモータが駆動する機械のベアリング等の回転部に傷がついて、摺動する特定する部分と接触する場合、特定の周波数間隔で音が発生するその音を検出装置６０で測定することで異常を検出することができる。
【００２１】
図８に本発明の第３実施例を示す。第３の実施例では、電力変換装置１のインターフェイス回路１３が、ネットワーク３００を介して電力変換装置は別のサイトに設けたデータ蓄積手段５０と接続している。このように、データ蓄積手段５０を、ネットワーク３００により接続することで、図１のように、電力変換装置１にデータ蓄積手段５０を設けるよりさらに多くのデータ量すなわち長時間のデータを保持することができ、より長時間の監視が可能になる。
【００２２】
図９に、本発明の第４実施例を示す。本発明では２０ａ、２０ｂという複数の音響センサを有し、さらに、おのおのアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２ａ、１２ｂによりデジタル信号１０４a、１０３ｂに変換され、さらに、FFT（Fast Fourier Transform）変換器８０ａ、８０ｂを有している。複数の音響センサを有することで、複数のモータあるいはモータが駆動する機械がある場合、複数の音響センサを利用することで、異常音の位置を検出することができる。
【００２３】
図１０に、本発明の第５実施例を示す。図４、図９ではアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２及びFFT（Fast Fourier Transform）変換器８０はマイコン９０に内蔵されている回路を利用したが、Ａ／Ｄ変換及びＦＦＴの計算量が多いため、マイコン９０では処理が追いつかない可能性があり、ＩＧＢＴ駆動用マイコン９０とは別のマイコンあるいはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）９１を設けたものである。
【００２４】
図１１に、モータ３を駆動するための駆動回路を示す。ダイオード４０１ａ〜４０1ｆは3相のダイオードブリッジを構成している。ダイオード４０１aのアノードと、４０１bのカソードは３相のR相入力と接続している。同様にダイオード４０１cのアノードと、４０１dのカソードはS相入力、ダイオード４０１eのアノードと、４０１ｆのカソードはＴ相入力と接続している。交流はダイオード４０１ａ〜４０１ｆで構成される3相のダイオードブリッジにより全波整流され、さらに平滑コンデンサ４０２２ａ、４０２２ｂによりリップル成分が取り除かれ直流となる。
【００２５】
ＩＧＢＴ４０３ａ〜４０３ｆのコレクタにはダイオード４０４４ａ〜４０４４ｆのカソードが、ＩＧＢＴ４０３ａ〜ｆのエミッタにはダイオード４０４４ａ〜４０４４ｆのアノードが接続されている。ＩＧＢＴ４０３ａ、４０３ｃ、４０３ｅのコレクタはダイオード４０１ａ、４０１ｃ、４０１ｄ及び平滑コンデンサ４０２２ａ、４０２２ｂと接続され、ＩＧＢＴ４０３ｂ、４０３ｄ、４０３ｆのエミッタはダイオード４０１ｂ、４０１、４０１ｄ、４０１ｆ及び平滑コンデンサ４０２２ａ、４０２２ｂに接続されている。ＩＧＢＴ３ａ〜ｆのゲートにはゲート駆動回路４０が接続している。ＩＧＢＴ４０３ａのエミッタとＩＧＢＴ４０３ｂのコレクタはモータ３のＵ相と接続している。同様に、ＩＧＢＴ４０３ｃのエミッタとＩＧＢＴ３ｄのコレクタはモータ３のＶ相、ＩＧＢＴ４０３ｅのエミッタとＩＧＢＴ４０３３ｆのコレクタはモータ３のＷ相と接続している。
【００２６】
図１１では、ダイオード４０１ａ〜４０１ｆ、ＩＧＢＴ４０３ａ〜４０３ｆ及びダイオード４０４４ａ〜４０４４ｆは1つのモジュール３０に格納されている。モータ５のＵ相とＩＧＢＴ４０３ａのエミッタとＩＧＢＴ４０３ｂのコレクタ間の配線には電流センサ１０ａがモータ５００のＶ相とＩＧＢＴ４０３ｅのエミッタとＩＧＢＴ４０３ｆのコレクタ間の配線には電流センサ１０ｂが設けられている。
【００２７】
図１２に、本発明の第６の実施例を示す。電磁鋼板６２０ａ、６２０ｂには配線６２１ａ、６２１ｂが巻かれており電磁鋼板６２０ａ、ｂ、配線６２１ａ、６２１ｂで固定子を構成している。ケース６２３ａ、６２３ｂには磁石６２４ａ〜ｄが納められており、ケース６２３ａ、６２３ｂ、磁石６２４ａ〜６２４ｄにより回転子を構成している。固定子及び回転子は、モータ筺体７００に納められている。モータ筺体７００表面には、モータ筺体冷却フィン６０１ａ、６０１ｂが設けられている。モータ筺体冷却フィン６０１ａ、６０１ｂはモータの円周に沿って設けられている。ケース６２３ａ、６２３ｂと負荷につながるモータ回転軸４が接続されている。モータ筺体７００及び図２においてモータ左端部にはベアリング６０６ａが設けられモータ回転軸４を支えている。モータ筺体７００はフランジ６０２とねじ６０７ａ、６０７ｂにて接続されている。モータ回転軸４はフランジ６０２に接続したベアリング６０６ａにて指示されている。フランジ６０２はボルト穴６０８ａ、６０８ｂにより図には記載されていない機械装置に固定される。モータ筺体７００のモータ回転軸４の反対側（モータ裏面）には、インバータ筺体７１０がボルト７１１ａ、６１１ｂによりモータ筺体７００と接続されている。
【００２８】
インバータ筺体７１０の裏面には、裏面冷却フィン６１２が、ボルト６１３ａ、６１３ｂによりインバータ筺体７１０により接続されている。裏面冷却フィン６１２には、台座６４０ａ、６４０ｂを介して冷却ファン６４１が設けられている。モジュール３０上にはプリント５５０が設けられ、コンデンサ４０２ａ、４０２ｂ、マイコン９０、音響センサ２０、ゲート駆動回路４０が設けられている。冷却ファン６４１、インバータ筺体７１０、モータ筺体７００、冷却フィン６１２を覆う風洞カバー６００が設けられている。
【００２９】
本発明では、音響センサ４０はインバータ筺体７１０で覆われており、モータ以外の音を遮断するため、モータのみの音を拾えることができ高精度な計測及び異常検出が可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１：電力変換装置（インバータ）、２ａ〜ｃ：モータ線、３：モータ、４：モータ回転軸、５：機械、１２：アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）、１３：インターフェイス回路、２０：音響センサ、３０：ゲート駆動回路、４０：ＩＧＢＴ、５０：データ蓄積手段、６０：異常検出装置、７０：外部出力部、８０：FFT（Fast Fourier Transform）変換器、９０：マイコン、１００ａ，１００ｂ：電流センサ信号、１１０：ゲート駆動信号、１０２：ＩＧＢＴ駆動信号、１０３：音響センサ信号、１０４：デジタル信号化された音響センサ信号、１０５：周波数信号、１０６：音圧信号、２００：駆動指令、２０１：判定手段、３００：ネットワーク
【図１】
0006646164.tif 000002
【図２】
0006646164.tif 000003
【図３】
0006646164.tif 000004
【図４】
0006646164.tif 000005
【図５】
0006646164.tif 000006
【図６】
0006646164.tif 000007
【図７】
0006646164.tif 000008
【図８】
0006646164.tif 000009
【図９】
0006646164.tif 000010
【図１０】
0006646164.tif 000011
【図１１】
0006646164.tif 000012
【図１２】
0006646164.tif 000013