(57)【要約】  横電流検出装置は、測定対象の回転子１を内部に挿入可能な固定子冶具２と、固定子巻線５に電圧を印加する電圧源６と、回転子１を回転させる負荷用モータ１０とを備え、トルク計９が、固定子冶具２の内部に発生する回転磁界の回転方向に対して回転子１が逆回転しているときに負荷用モータ１０の特性値を測定し、判定機１３が、トルク計９で測定した特性値が、予め設定された閾値より大きい場合に、回転子１に横流電流が発生していると判定する。
2018158832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有し、測定対象の回転子を内部に挿入可能な固定子冶具と、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を前記固定子巻線に印加する電圧源と、
前記固定子冶具の前記内部に挿入された状態の前記回転子を回転させる負荷用モータと、
前記負荷用モータの特性値を測定する測定機と、
前記測定機が測定した前記負荷用モータの特性値に基づいて、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定する判定機と
を備え、
前記判定機は、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの逆回転のときに前記測定機で測定した前記負荷用モータの特性値を、予め設定された閾値と比較することで、前記横流電流の発生の有無を判定する、
横流電流検出装置。
【請求項２】
前記測定機は、前記負荷用モータのトルクを検出するトルク計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項３】
前記測定機は、前記負荷用モータに流れる電流を測定する電流計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項４】
前記測定機は、前記負荷用モータへ入力される電力を測定する電力計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項５】
前記測定機は、前記負荷用モータの誘起電圧と端子電圧との位相差である負荷角を測定する負荷角計測器から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項６】
前記回転子を逆回転させて前記回転子の回転速度が予め設定された回転速度に達した時点以降に、前記電圧源から前記固定子巻線に印加される電圧の電圧値および印加時間は、前記回転子の温度が予め定められた温度以下となるように設定される、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項７】
前記回転子は、前記逆回転のときの前記負荷用モータのトルクが、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と同じ正回転のときの最大トルクよりも大きくなるように構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項８】
測定対象の回転子を固定子冶具の内部に挿入するステップと、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を、前記固定子冶具に印加するステップと、
前記回転子を負荷用モータで回転させるステップと、
前記負荷用モータの特性値を測定するステップと、
前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの状態において測定した前記負荷用モータの前記特性値を予め設定された閾値と比較することで、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定するステップと
を備えた、横流電流検出方法。
【請求項９】
回転電機の固定子の内部に挿入されて用いられる回転子であって、
前記回転子の回転方向が前記固定子の内部に発生する回転磁界の回転方向と逆向きの逆回転のときの前記回転電機のトルクが、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と同じ正回転のときの前記回転電機の最大トルクよりも大きくなるように構成されている、回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は横流電流検出装置、横流電流検出方法、および、回転子に関し、特に、かご形誘導機の回転子の試験を行うための横流電流検出装置及び横流電流検出方法、および、検出対象の回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電動機、発電機などの回転電機には、回転子が用いられている。回転子は、出荷前に、良品か否かを検出するための適合試験が行われる。適合試験の際に、回転子を回転電機に組み込んだ状態で性能検査を行えば、十分に良否の判定を行うことができる。しかしながら、そのような試験には、時間も手間もかかるため、回転子を全数検査することは、実用上不可能である。【０００３】
そのため、回転電機に組み込まずに回転子の適合試験を行うための装置が開発されている（例えば特許文献１や特許文献２参照）。【０００４】
特許文献１および特許文献２に記載の従来の装置においては、試験対象の回転子を固定子に挿入させた状態で、回転子を回転させ、その時のトルクの値、および、固定子に電源を接続した時の固定子の電流値に基づいて、回転子の良品と不良品とを選別する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６２−４２０８２号公報
【特許文献２】特開昭６２−２９０３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および特許文献２に記載の従来の試験装置においては、固定子の回転磁界の回転方向と同じ方向の回転である正回転の領域でのみ、回転子のトルクおよび固定子の電気特性を測定している。そのため、当該試験装置における試験においては、横流電流の有無によるトルクの差異が現れにくく、横流電流の発生を明確に検出することができなかった。ここで、横流電流について説明する。例えば、スキュー付きの回転子を持つかご形誘導電動機が通電駆動されている場合に、回転子の２次導体を構成する導体棒において、隣接する導体棒間に電位差が発生する。その電位差により、回転子鉄心を周方向に流れる電流を、横流電流という。【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、回転子の横流電流を明確かつ容易に検出することが可能な、回転子、横流電流検出装置、および、横流電流検出方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有し、測定対象の回転子を内部に挿入可能な固定子冶具と、前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を前記固定子巻線に印加する電圧源と、前記固定子冶具の前記内部に挿入された状態の前記回転子を回転させる負荷用モータと、前記負荷用モータの特性値を測定する測定機と、前記測定機が測定した前記負荷用モータの特性値に基づいて、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定する判定機とを備え、前記判定機は、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの逆回転のときに前記測定機で測定した前記負荷用モータの特性値を、予め設定された閾値と比較することで、前記横流電流の発生の有無を判定する、横流電流検出装置である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、固定子の回転磁界の回転方向と反対方向の回転である逆回転領域で、負荷用モータの特性値を測定して、特性値と閾値とを比較することにより、明確かつ容易に回転子の横流電流を検出することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置の構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置の変形例の構成を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置に設けられた保持機構支持部の一例の構成を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置に設けられた保持機構支持部の一例の構成を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置に設けられた保持機構支持部の一例の構成を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置に設けられた保持機構支持部の一例の構成を示す斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置における横流電流検出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置の測定対象の回転子鉄心の構成を示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置の測定対象の回転子の構成を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置で検出した横流電流の大小によるトルク特性の違いを示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係る横流電流検出装置で検出した横流電流の大小による効率特性の違いを示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態１および５に係る横流電流が発生する回転子の斜視図である。
【図１３】この発明の実施の形態１および５に係る横流電流が発生する回転子の二次導体の斜視図である。
【図１４】回転子の短絡箇所数に起因するトルク特性の違いを示す図である。
【図１５】基本波と５次逆相高調波によるトルク特性の図である。
【図１６】この発明の実施の形態２に係る横流電流検出装置の構成を示す構成図である。
【図１７】この発明の実施の形態３に係る横流電流検出装置の構成を示す構成図である。
【図１８】この発明の実施の形態４に係る横流電流検出装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて、この発明の実施の形態に係る横流電流検出装置について説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による横流電流検出装置の構成を示す概略図である。測定対象の回転子１は、固定子冶具２の内部に挿入され、固定子冶具２により回転自在に保持されている。回転子１は、回転子鉄心と、回転子鉄心の周囲に設けられた２次導体とから構成されている。回転子１の構成については後述するが、簡単に説明すると、図８に一例を示す回転子１の回転子鉄心３１の周囲に、図１３に一例を示す２次導体３８を設けることで、図９または図１２に示すような回転子１が生成される。実施の形態１においては、回転子１として、例えば、かご形誘導機に用いられる普通かご形回転子を例に挙げて説明するが、それに限定されるものではない。実施の形態１に係る横流電流検出装置は、深溝形回転子、二重かご形回転子などの全てのかご形誘導機で使用される回転子全般に適用可能である。
【００１３】
回転子１の回転軸７は、保持機構３を介して、２つの保持機構支持部１４に支持されている。保持機構支持部１４は、図１においては、２つ設けられているが、２以上であれば任意の個数でよい。保持機構３は、例えば、ボールベアリングまたはすべり軸受けから構成される。あるいは、保持機構３は、回転子１に組付けられているものを用いても良い。
【００１４】
固定子冶具２は、固定子鉄心４と固定子巻線５とから構成されている。固定子鉄心４は、円環状にプレス打抜きされた鉄心板を複数枚積層した積層鋼板から形成されている。固定子巻線５は、固定子鉄心４に巻き回されている。固定子巻線５には、電圧源６が接続される。電圧源６は、例えば三相電圧源から構成される。しかしながら、その場合に限らず、電圧源６は、固定子冶具２の内部に回転磁界が発生するような電圧波形を発生させることが可能な電圧源であれば、いずれの電圧源から構成してもよい。例えば固定子冶具２の固定子巻線５がコンデンサモータの構成になっている場合は、電圧源６は単相交流の電圧源から構成しても良い。
【００１５】
回転子１の回転軸７は、カップリング８とトルク計９とを介して、負荷用モータ１０の回転軸１１と接続されている。負荷用モータ１０は、制御機１２に接続されている。制御機１２は、負荷用モータ１０の速度を制御する。制御機１２は、例えば、サーボアンプから構成される。負荷用モータ１０には、負荷用モータ１０の特性値を測定するための測定機が設置される。図１の例では、当該測定機として、トルク計９が設けられている。トルク計９は、負荷用モータ１０のトルクを計測する測定機として機能する。トルク計９には、判定機１３が接続されている。トルク計９で計測された負荷用モータ１０のトルク値は、判定機１３に入力される。
【００１６】
保持機構３は、保持機構支持部１４に支持されている。また、固定子冶具２は、固定子冶具支持部１５に支持されている。トルク計９は、トルク計支持部１６に支持されている。負荷用モータ１０は、負荷用モータ支持部１７に支持されている。これらの支持部１４〜１７は、装置基部１８に固定されている。横流電流検出装置の配置の方向は、製造ラインに合わせて変更可能である。図１においては、回転軸７，１１が水平になるように横流電流検出装置が配置されている。しかしながら、それに限らず、例えば回転軸７，１１が垂直になるように横流電流検出装置を配置してもよい。その場合には、支持部１４〜１７の２つの端部のうち、装置基部１８に接合している一端と、自由端となっている他端との間で応力の偏りが生じないように、支持部１４〜１７の両端を保持するように、装置基部１８を２個設置することが可能である。このように、状況に応じて、装置基部１８を２個以上設置して、支持部１４〜１７の少なくとも両端を保持するようにしてもよい。また、回転子１の固定子冶具２内への挿入が容易になるように、図２に示すように、固定子冶具支持部１５を、回転軸７の軸方向、すなわち、図１の水平方向に、移動可能にすることもできる。その場合には、装置基部１８に対して、固定子冶具支持部１５を移動させるための移動装置を設置する必要がある。図２の例においては、ボールねじ１９とボールねじ駆動モータ２０とから構成された移動装置が設置されている。当該移動装置においては、ボールねじ駆動モータ２０がボールねじ１９を回転させることで、固定子冶具支持部１５を移動させる。なお、移動装置は、図２の例に限定されることはなく、移動装置を、リニアモータ、エアーシリンダー、油圧シリンダー、水圧シリンダーなどから構成するようにしても良い。
【００１７】
次に、保持機構支持部１４の構成について説明する。保持機構支持部１４は、例えば、１枚の板状部材から構成する。当該板状部材の中央部には、保持機構３が挿入するための孔、すなわち貫通穴が設けられている。あるいは、保持機構支持部１４を構成する板状部材を、図３に示すように、孔の位置で上部２１と下部２２とに分割されている２枚の板から構成するようにしてもよい。その場合には、回転子１を保持機構支持部１４に挿入する際に、図３に示すように、上部２１を持ち上げることで、上部２１を下部２２から離間させる。これにより、回転子１が挿入しやすくなる。あるいは、図４に示すように、上部２４と下部２５とを蝶番２３で結合させておき、回転子１を保持機構支持部１４に挿入する際に、図４に示すように、蝶番２３で上部２４を下部２５に対して開放する。さらに、保持機構支持部１４を構成する板状部材を、図５に示すように、３方向に配置された３つの把持部品２６から構成するようにしてもよい。その場合には、回転子１を保持機構支持部１４に挿入する際には、把持部品２６を３方向外側に広げて、回転子１を挿入しやすくする。また、回転子１の挿入後は、回転子１を３方向から把持部品２６で把持する。このように、保持機構支持部１４を図３〜図６のいずれかに示した構成とすることで、保持機構支持部１４に回転子１を容易に挿入可能な隙間を設けることが可能となる。
【００１８】
図６は、図５の変形例である。上記の図５では、保持機構支持部１４を構成する板状部材を３つの把持部品２６から構成する例について示した。これに対し、図６においては、保持機構支持部１４が、中央部に孔２７が設けられた１枚の板状部材と、当該板状部材の孔２７に設けられた３つの把持部品２６とから構成されている。図６では、３つの把持部品２６を外側に広げた状態を示している。この状態においては、３つの把持部品２６の先端は、破線で示される内径２８に揃っている。このとき、内径２８は回転子１の外周面よりも大きく、内径２８と回転子１の外周面とは互いに干渉しない。そのため、回転子１を回転軸７の軸方向からも挿入可能となる。これにより、横流電流検出装置を製造ラインへ設置する際の横流電流検出装置の配置の自由度が向上する。
【００１９】
本実施の形態１に係る横流電流検出装置は、以上のように構成されている。回転子１を逆回転させ、その状態で、トルク計９により負荷用モータ１０のトルクを計測する。なお、逆回転とは、回転子１の回転方向が、固定子冶具２の内部に発生する回転磁界の回転方向と逆向きの回転のことをいう。そうして得られたトルク値をトルク計９から判定機１３に送信する。判定機１３では、トルク計９から入力されたトルク値とあらかじめ設定された閾値とを比較し、トルク値が閾値を超えた場合に、回転子１を、横流電流が発生する回転子と判断する。閾値は、横流電流の発生しない回転子と発生する回転子とを作成し、それぞれのトルク値を測って、２つのトルク値の間の範囲内に存在する任意の値とすればよい。
【００２０】
図７に、測定開始から判定終了に至るまでの横流電流検出装置の処理の流れを示すフローチャートを示す。
【００２１】
まず、ステップＳ１においては、回転子１を、保持機構３を介して保持機構支持部１４に取り付けるとともに、固定子冶具２に挿入する。
【００２２】
次に、ステップＳ２においては、電圧源６から、固定子冶具２の固定子巻線５に対して、固定子冶具２の内部に回転磁界を発生させるような電圧波形を持った電圧を印加する。
【００２３】
次に、ステップＳ３においては、制御機１２が、負荷用モータ１０を駆動することで、カップリング８とトルク計９を介して回転子１を回転させる。制御機１２は、回転子１が固定子冶具２が発生する回転磁界と同じ速度で回転する無負荷状態、すなわち、滑りｓが、ｓ＝０の状態から、逆回転すなわちｓ＞１の状態になるまで、負荷用モータ１０で回転子１の回転速度を変化させていく。
【００２４】
ステップＳ４においては、カップリング８を介して回転子１と負荷用モータ１０とに接続されたトルク計９を用いて、逆回転の状態の負荷用モータ１０のトルクを測定する。
【００２５】
なお、ステップＳ３とステップＳ４との順番は入れ替えても良い。その場合には、回転子１が、固定子冶具２が発生する回転磁界と同じ速度で回転する無負荷状態、すなわち、滑りｓがｓ＝０の状態から、負荷用モータ１０のトルクの測定を開始し、逆回転すなわちｓ＞１の状態になるまで、負荷用モータ１０で回転子１の回転速度を変化させて、負荷用モータ１０のトルクを測定する。こうすることで、正回転すなわち０＜ｓ≦１の時の測定結果および逆回転すなわちｓ＞１の時の両方の測定結果が得られる。そうして得られた正回転の時の測定結果と正回転用閾値とを比較して、正回転用閾値との差異が予め定めた割合より大きい場合に、回転子１が不良品であると検出することができる。なお、ここで、正回転用閾値について説明する。ダイカストで問題なく適正に形成された２次導体３８を有する回転子１を用いて、負荷用モータ１０のトルクを予め測定して、当該測定結果を正回転用閾値として記憶しておく。こうして、測定対象の回転子を正回転させたときの測定結果と正回転用閾値とを比較することで、回転子１が良品か不良品かを検出することができる。この場合の不良品とは、例えば、回転子１の２次導体３８に鬆が入って二次抵抗が設計値よりも高くなっている場合、あるいは、回転子１の２次導体３８を構成する導体棒３３が切れてゲルゲス現象が発生している場合などが挙げられる。なお、上記の方法では、逆回転の時のトルクを測定して横流電流の発生を検出する前に、回転子１の２次導体の不良を検出することも可能となる。なお、正回転用閾値との差異に対して予め定めておく上記割合は、良品として許容できる任意の値を設定すればよい。
【００２６】
次に、ステップＳ５においては、逆回転の時のトルク計９の測定結果を判定機１３に取り込み、測定結果のトルクと予め設定された逆回転用閾値とを比較する。測定結果のトルクが逆回転用閾値以下の場合はステップＳ６に進み、測定結果のトルクが逆回転用閾値より大きい場合はステップＳ７に進む。
【００２７】
ステップＳ６では、測定結果のトルクが逆回転用閾値以下であるため、横流電流無しと判断する。
【００２８】
ステップＳ７では、測定結果のトルクが逆回転用閾値より大きいため、横流電流有りと判断する。
【００２９】
横流電流の検出において、逆回転時の電気特性の測定が有用な事を確認するため、以下に実験結果を示す。図８に、今回の実験で使用した回転子１の回転子鉄心３１の斜視図を示す。ここでは、回転子１として、かご形回転子を例に挙げて説明する。回転子鉄心３１は、電磁鋼板を円環状にプレス打抜きした鉄心板を複数枚積層した積層鋼板から構成されている。回転子鉄心３１の外周部に、アルミニウムをダイカストして作成した２次導体３８を設けることで、回転子１が形成される。そうして形成された回転子１の斜視図を図９に示す。図９に示すように、回転子１においては、回転子鉄心３１の上端部および下端部に短絡環３２が設けられ、回転子鉄心３１の外周部に、複数の導体棒３３から構成された２次導体３８が設けられている。図９の状態の回転子１を、５００℃まで加熱して冷却する熱処理を、計２回施した。熱処理前と熱処理後に滑りとトルクの関係を測定した結果を図１０に示す。図１０において、横軸は、測定対象の回転子１の滑りを表わし、縦軸は、トルク計９で測定されたトルクを示す。また、図１０において、プロット「×」が、熱処理をする前の“横流電流  大”の回転子の測定結果を示し、プロット「〇」が、熱処理をした“横流電流  小”の回転子の測定結果を示す。また、ここで、滑りは、下記の式（１）で表される。
【００３０】
滑り＝（（固定子の回転磁界の回転速度）−（回転子の回転速度））
／（固定子の回転磁界の回転速度）    （１）
【００３１】
図１０のグラフから、熱処理をした“横流電流  小”の回転子は、熱処理をする前の“横流電流  大”の回転子よりも、逆回転時のトルクが低下していることが分かる。これは、２次導体３８を構成するアルミニウムと回転子鉄心３１を構成する電磁鋼板との熱膨張率の違いにより、熱処理によって加熱された２次導体３８と回転子鉄心３１との導通が切断されて、横流電流が小さくなったためと考えられる。
【００３２】
また、図１１に、滑りと効率との関係を示す。図１１において、横軸は、測定対象の回転子１の滑りを表わし、縦軸は、効率を示す。また、プロット「×」が、熱処理をする前の“横流電流  大”の回転子の測定結果を示し、プロット「〇」が、熱処理をした“横流電流  小”の回転子の測定結果を示す。図１１における滑りｓ＝１．３の時には、熱処理ありの“横流電流  小”の回転子の場合の効率は、熱処理なしの“横流電流  大”の回転子の場合の効率を４．３％上回る。上記の実験結果から、熱処理を２回施した“横流電流  小”の回転子のトルク値を横流電流無しの場合とし、熱処理なしの“横流電流  大”の回転子のトルク値を横流電流有りの場合として、２つのトルク値の間の範囲内に存在する任意の値を逆回転用閾値とすれば、測定対象の回転子が横流電流有りか無しかを判定することができる。
【００３３】
また、今回の実験において、図９に示す回転子の他に、２次導体３８の隣接する導体棒３３間を強制的に短絡した回転子を２種類作成した。１つ目は、導体棒３３の軸方向の中央部において、隣接する導体棒３３間を一周短絡させた回転子（以下、回転子１Ａとする）、２つ目は、導体棒３３の軸方向の一方の端部から全長の１／３の部分と２／３の部分の合計２箇所において、隣接する導体棒３３間を一周短絡させた回転子（以下、回転子１Ｂとする）とした。軸方向の中央部において短絡させた回転子１Ａの斜視図を図１２に示す。また、回転子１Ａの２次導体の形状を、図１３に示す。図１３の拡大図に示されるように、隣接する導体棒３３間に、短絡部３４が接続されている。短絡部３４は、導体棒３３と同じ材料から形成すればよい。また、短絡部３４は、導体棒３３と同時に、ダイカストにより構成すればよい。図１２および図１３に示されるように、短絡部３４が回転子１Ａの全周に配置されている。なお、回転子１Ｂでも同様に、短絡部３４が回転子１Ｂの全周に配置されている。但し、回転子１Ｂでは、短絡部３４が、導体棒３３の全長の１／３の部分と２／３の部分の合計２箇所に設けられている。
【００３４】
回転子１Ａおよび回転子１Ｂに、上記と同様の熱処理をそれぞれ２回施し、逆回転時のトルク値をそれぞれ測定し、それらのトルク値と図９に示す短絡部の無い回転子１のトルク値とを比較した結果を図１４に示す。図１４において、短絡部無しの回転子１を“横流電流  小”とし、軸方向中央部を一周短絡させた回転子１Ａを“横流電流  中”とし、軸方向２箇所を一周短絡させた回転子１Ｂを“横流電流  大”とした。図１４において、横軸は、測定対象の誘導機の滑りを表わし、縦軸は、トルク計で測定されたトルクを示す。また、プロット「×」が、２つの短絡部を有し、熱処理をした“横流電流  大”の回転子１Ｂの測定結果を示し、プロット「△」が、１つの短絡部を有し、熱処理をした“横流電流  中”の回転子１Ａの測定結果を示し、プロット「〇」が、短絡部が無く、熱処理をした“横流電流  小”の回転子１の測定結果を示す。図１４から、短絡部３４を設けた回転子１Ａ，１Ｂの逆回転時のトルクが上昇しており、横流電流が多いほど逆回転時のトルクが大きくなることが分かる。“横流電流  大”の回転子１Ｂの場合の滑りｓ＝１．３のトルクは、“横流電流  小”の回転子１の場合の滑りｓ＝１．３のトルクに対して約５１％増加する。一方、滑りｓ＝０．２５の時には、“横流電流  大”の回転子１Ｂの場合のトルクは、“横流電流  小”の回転子１の場合のトルクに対して約４．１％減少する。
【００３５】
以上の実験により、正回転時のトルクの減少割合に比べて、逆回転時のトルクの増加割合が約１２．４倍大きくなるため、横流電流を逆回転時のトルク値で検査することの妥当性が確認できる。
【００３６】
なお、上記の現象は物理的に以下のように説明できる。まず、横流電流の発生しない回転子を考える。回転子１が、スキューされた複数の導体棒３３を有すると、空間的に分布する高調波磁束により、それらの導体棒３３に生じる誘起電圧が打ち消される。例えば、電気角７２°のスキューでは、空間５次高調波磁束から生じる誘起電圧を打ち消すことができる。これにより、空間５次高調波磁束が原因で発生する高調波損失、電磁振動・電磁騒音、後述する非同期高調波トルクなどの発生を低減することができる。実際の回転電機では、固定子の起磁力高調波により基本波以外の高調波も発生する。例えば、３相交流が通電される固定子では、基本波の他に、基本波の５倍の空間分布で基本波とは逆方向に回転する空間５次逆相高調波が発生する。また、基本波の７倍の空間分布で基本波と同じ方向に回転する空間７次正相高調波も発生する。ここで、空間５次逆相高調波に着目すれば、５次逆相高調波に対する同期回転速度は、基本波に対する滑りｓ＝１．２の回転速度となる。
【００３７】
図１５に、滑りとトルクの関係の概念図を示す。図１５において、実線３５が基本波のトルクカーブであり、点線３６が５次逆相高調波のトルクカーブである。この５次逆相高調波が発生させるトルクを高調波非同期トルクと呼ぶ。一般的に回転子のスキューで空間高調波が発生させる二次電流が小さくなるため、高調波非同期トルクは基本波のトルクよりも小さくなる。しかし、回転子の回転子鉄心３１と２次導体３８が導通すると、導体棒３３の方向だけでなく周方向にも電流が流れるようになるため、高調波に対するスキューの効果が減じられる。すると、大きな高調波非同期トルクが発生することになる。ここで、空間５次逆相高調波に着目すれば、図１２の短絡部３４に５次逆相高調波磁束の誘起電圧が誘導され、横流電流が流れることになる。この横流電流は、比較的低抵抗の２次導体だけでなく、高抵抗の積層鋼板、および、微小断面の導通部にも流れるため、抵抗が高くなる。基本波に対する滑りｓが１．２より大きくなると、空間５次逆相高調波に対して二次抵抗が高い特性となるため、図１０のように滑りｓ＞１．２の領域で、常に大きなトルクが発生することになる。また、短絡部３４に加わる基本波の誘起電圧も滑りが大きくなると、横流電流により見かけ上スキューが小さくなるだけでなく、２次抵抗が高くなると見なせることから、トルクが大きくなる。このため、０＜ｓ＜１．２の領域では、５次高調波と基本波に対する効果が相殺されて、トルクの変化が少なくなる。
【００３８】
上記の横流電流の検出処理は、回転子の温度上昇に注意して実施する必要がある。前記の通り、２次導体３８を構成するアルミニウムと回転子鉄心３１を構成する電磁鋼板との熱膨張率は異なるため、回転子１の温度変化に伴って２次導体３８と回転子鉄心３１との接触状況が変化する。一方、回転電機の逆回転時には、大きな２次銅損が発生することが知られており、特に横流電流が流れる部分は接触抵抗が存在するため、損失が大きい。横流電流による損失で横流電流発生部分の温度が上昇し、２次導体３８と回転子鉄心３１との接触状況が一時的に変わってしまうために、横流電流発生状況が変化してしまう恐れがある。この課題に対処するためには、回転子１の温度が上昇しないように、電圧源６から固定子冶具２に印加する電圧を低くすれば良い。その理由は、印加電圧を下げると、回転子１で発生する２次銅損も低下するためである。また、電圧を印加する時間も短くして、回転子１の温度が上昇する前に測定することもできる。更に、固定子冶具２への電圧印加前に、予め回転子１を既定の回転数で逆回転させて、回転速度に達した後に電圧を印加すれば、電圧の印加時間は最低限に抑えられる。図１５では、滑り１．３付近のトルクに最も大きな差が出ているため、この逆回転トルクが最大となる回転数だけで運転してその回転数におけるトルクを測定しても判定することができる。固定子冶具２に印加する電圧値や印加時間の決定は、横流電流が発生する回転子１の逆回転試験を実施して、横流電流が発生しない回転子１の定格回転数での予め定められた温度以下となるようにすればよい。温度は定格回転数での回転子１の表面の温度を直接測って決定してもよいし、あるいは、固定子冶具２のコイル温度上昇許容値または軸受温度上昇許容値で定められる温度に決定しても良い。
【００３９】
以上のように、本実施の形態１によれば、判定機１３が、回転子１が逆回転しているときに測定機で測定した負荷用モータ１０の特性値を閾値と比較することで、回転子１の横流電流の発生の有無を判定する。このように、逆回転領域で、負荷用モータ１０の特性値を測定することにより、明確かつ容易に回転子１の横流電流を検出することができる。
【００４０】
さらに、実施の形態１において、回転子１を逆回転させて回転子１の回転速度が予め設定された回転速度に達した時点以降に、電圧源６から固定子巻線５に印加される電圧の電圧値および印加時間は、回転子１の温度が予め定められた温度以下となるように設定することが望ましい。その場合には、温度上昇が一定以下となることにより、回転子１の２次導体３８と回転子鉄心３１との接触状況を定格運転時と等しくすることができる。
【００４１】
実施の形態２．
図１６は、この発明の実施の形態２に係る横流電流検出装置の構成を示す概略図である。図１６に示すように、実施の形態２では、上記の実施の形態１のトルク計９の代わりに、負荷用モータ１０と制御機１２との間の電線に電流計２９が設置されている。電流計２９には、判定機１３が接続されている。
【００４２】
実施の形態２においては、電流計２９が、負荷用モータ１０の特性値を測定するための測定機を構成している。電流計２９は、負荷用モータ１０に流れる総電流を計測する測定機として機能する。電流計２９で測定された電流値は、判定機１３に入力される。
【００４３】
なお、図１６においては、図１に示したトルク計９を設けていないため、トルク計支持部１６も設けられていない。また、図１においては、回転軸７と回転軸１１との間にトルク計９が設けられていたため、カップリング８が２つ必要であったが、図１６においては、カップリング８は１つだけで良い。
【００４４】
他の構成については、図１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。
【００４５】
実施の形態２では、負荷用モータ１０を永久磁石モータとする。また、負荷用モータ１０の制御方式を、ｄ軸電流Ｉｄを常に０に保つ「Ｉｄ＝０制御」とすると、負荷用モータ１０の総電流は、負荷用モータ１０のトルクに比例するため、総電流を電流計２９で測定し、総電流に対して予め設定した閾値と、測定した総電流とを判定機１３で比較することにより、回転子１が不良品か否かを検出することができる。
【００４６】
また、総電流はトルクに比例するため、判定機１３で容易に総電流からトルクを算定することができる。そのため、判定機１３で算出されるトルクに対して予め閾値を設けておき、当該閾値と算出されるトルクとの比較により、上記の実施の形態１と同様に、横流電流の有無を判定することができる。
【００４７】
実施の形態２では、上記の実施の形態１と異なり、可動部を持つトルク計９を使用しないことにより、量産ラインでの耐久性・メンテナンス性が向上する。
【００４８】
なお、実施の形態２において、負荷用モータ１０のトルクが大きくなって、回転子鉄心３１が磁気飽和してくると、総電流とトルクとの比例関係が成り立たなくなるため、負荷用モータ１０は、総電流とトルクとの比例関係が成り立つ領域でのみ使用しなければならない。そのため、負荷用モータ１０の定格トルクは、横流電流検出装置で扱うトルクに比べて、十分大きなものにする。また、固定子冶具２に印加する電圧を負荷用モータ１０の定格トルクに合わせて調整しても良い。
【００４９】
以上のように、実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態２では、可動部を持つトルク計９を使用しないことにより、量産ラインでの耐久性・メンテナンス性が向上する。
【００５０】
実施の形態３．
図１７は、この発明の実施の形態３による横流電流検出装置の構成を示す概略図である。上記の実施の形態２の電流計２９の代わりに、電力計３０が設置されている。他の構成については、上記の実施の形態２と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。
【００５１】
実施の形態３においては、電力計３０が、負荷用モータ１０の特性値を測定するための測定機を構成している。電力計３０は、負荷用モータ１０への入力電力を計測する測定機として機能する。電力計３０で測定された入力電力の値は、判定機１３に入力される。
【００５２】
実施の形態３では、実施の形態２と同様に、負荷用モータ１０を永久磁石モータとしている。永久磁石モータの損失、例えば機械損、銅損、鉄損が入力電力に比べて十分小さい場合、入力電力を１秒あたりの回転数で除した値がトルクとなるため、同一回転数での入力電力はトルクに比例する。そのため、入力電力を電力計３０で測定し、入力電力に対して予め設定した閾値と、測定した入力電力とを判定機１３で比較することにより、回転子１が不良品か否かを検出することができる。
【００５３】
また、入力電力はトルクに比例するため、判定機１３で、容易に、入力電力からトルクを算定できる。そのため、判定機１３で算出されるトルクに対して予め閾値を設けておき、当該閾値と算出されるトルクとの比較により、上記の実施の形態１と同様に、横流電流の有無を判定することができる。
【００５４】
実施の形態３では、上記の実施の形態１と異なり、可動部を持つトルク計９を使用しないことにより、量産ラインでの耐久性・メンテナンス性が向上する。
【００５５】
負荷用モータ１０の定格トルクに比べて、検出中のトルクが大きくなると、銅損や鉄損が増加して誤差が生じる。そのため、実施の形態３においても、実施の形態２と同じく、負荷用モータ１０の定格トルクは、横流電流検出装置で扱うトルクに比べて十分大きなものにする。また、電圧源６から固定子冶具２に印加する電圧を負荷用モータ１０の定格トルクに合わせて調整しても良い。
【００５６】
以上のように、実施の形態３においても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。また、実施の形態３では、可動部を持つトルク計９を使用しないことにより、量産ラインでの耐久性・メンテナンス性が向上する。
【００５７】
実施の形態４．
図１８は、この発明の実施の形態４に係る横流電流検出装置の構成を示す概略図である。実施の形態４においては、上記の実施の形態２の電流計２９の代わりに、負荷角計測器３７が設置されている。他の構成については、上記の実施の形態２と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。
【００５８】
実施の形態４においては、負荷角計測器３７が、負荷用モータ１０の特性値を測定するための測定機を構成している。負荷角計測器３７は、誘起電圧と端子電圧の位相差である負荷角を計算する。負荷角計測器３７で求められた負荷角は、判定機１３に入力される。
【００５９】
実施の形態４では、負荷用モータ１０をＰＭモータとしている。このとき、負荷角δは、誘起電圧Ｅと端子電圧Ｖと１次リアクタンス電圧Ｉ×Ｘｓとに基づいて、下記の式（２）により計算できる。
【００６０】
【数１】
2018158832.tif 000003
【００６１】
１次リアクタンスＸｓは、あらかじめ測定した値を用いる。また、誘起電圧ＥはＰＭモータの逆起電力定数と角速度から算出することができる。ＰＭモータへの入力電流Ｉは、負荷角を計算する負荷角計測器３７に内蔵した電流計で測定すればよい。
【００６２】
同一回転数の場合、トルクが増加すると負荷角も増加する。従って、負荷角に対して閾値を予め設けて、求めた負荷角と閾値とを比較することで、横流電流の有無を判定機１３で判定することができる。
【００６３】
また、負荷用モータ１０が３相のＰＭモータの場合、負荷用モータ１０の出力Ｐは、誘起電圧Ｅと端子電圧Ｖと１次リアクタンスＸｓと負荷角δとに基づいて、以下の式（３）により計算することができる。
【００６４】
【数２】
2018158832.tif 000004
【００６５】
さらに、出力Ｐを１秒あたりの回転数で除算することで、負荷用モータ１０のトルクを求めることもできる。
【００６６】
このように、判定機１３で容易に負荷用モータ１０の出力Ｐおよびトルクを算定できるため、算出した出力Ｐやトルクに対して予め閾値を設けておくことで、回転子１の横流電流の有無を容易に判定することもできる。
【００６７】
この場合、負荷用モータ１０の銅損の影響を受けにくいため、正確に出力やトルクを求めることができ、高精度に横流電流の検出をすることができる。
【００６８】
以上のように、実施の形態４においても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。実施の形態４では、可動部を持つトルク計９を使用しないことにより、量産ラインでの耐久性・メンテナンス性が向上する。さらに、実施の形態４では、判定機１３で、負荷角計測器３７で測定した負荷角を用いて負荷用モータ１０の出力およびトルクを算定するようにしたので、銅損による誤差が小さくなり、高精度に横流電流の測定を行うことができる。
【００６９】
実施の形態５．
上記の実施の形態１〜４に係る横流電流検出装置を用いて、図１０または図１４に示される測定結果に基づいて、逆回転時にトルクが大きくなる回転子を選別することもできる。例えば、逆回転時にトルクを大きくするために、図１２及び図１３に示す回転子１Ａを作成すれば、正回転時の最大トルクよりも、逆回転時の最大トルクが大きくなる。逆回転時には、トルクは回転方向と逆向きに、すなわち制動力を発生することから、回転電機の逆転防止に有用である。例えば、風圧がかかっているファン、気圧、水圧、または、油圧等が加わっているポンプ、コンプレッサーなどの逆回転防止、そして、エレベーター、エスカレータ等の自重および利用者またはつり合い錘の重量によるずり落ちまたはずり上がりの防止、電車および自動車の坂道発進時の後退防止、ホイストおよびクレーンの逆回転防止、船のスクリューの逆回転防止等に用いることができる。
【００７０】
以上のように、実施の形態１〜４で示した回転子１を、滑りが１．２より大きいとき、すなわち、逆回転のときの負荷用モータ１０のトルクが、滑りが１より小さいとき、すなわち、正回転のときの最大トルクよりも大きくなるように構成すれば、逆回転領域で、回転方向と逆向きのトルクを発生させることにより、回転電機の逆転防止の効果を持つことができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  回転子、２  固定子冶具、３  保持機構、４  固定子鉄心、５  固定子巻線、６  電圧源、７  回転軸、８  カップリング、９  トルク計、１０  負荷用モータ、１１  回転軸、１２  制御機、１３  判定機、１４  保持機構支持部、１５  固定子冶具支持部、１６  トルク計支持部、１７  負荷用モータ支持部、１８  装置基部、１９  ボールねじ、２０  ボールねじ駆動モータ、２９  電流計、３０  電力計、３１  回転子鉄心、３２  短絡環、３３  導体棒、３４  短絡部、３７  負荷角計測器。
【図１】
2018158832.tif 000005
【図２】
2018158832.tif 000006
【図３】
2018158832.tif 000007
【図４】
2018158832.tif 000008
【図５】
2018158832.tif 000009
【図６】
2018158832.tif 000010
【図７】
2018158832.tif 000011
【図８】
2018158832.tif 000012
【図９】
2018158832.tif 000013
【図１０】
2018158832.tif 000014
【図１１】
2018158832.tif 000015
【図１２】
2018158832.tif 000016
【図１３】
2018158832.tif 000017
【図１４】
2018158832.tif 000018
【図１５】
2018158832.tif 000019
【図１６】
2018158832.tif 000020
【図１７】
2018158832.tif 000021
【図１８】
2018158832.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月27日(2017.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有し、測定対象の回転子を内部に挿入可能な固定子冶具と、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を前記固定子巻線に印加する電圧源と、
前記固定子冶具の前記内部に挿入された状態の前記回転子を回転させる負荷用モータと、
前記負荷用モータの特性値を測定する測定機と、
前記測定機が測定した前記負荷用モータの特性値に基づいて、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定する判定機と
を備え、
前記判定機は、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの逆回転のときに前記測定機で測定した前記負荷用モータの特性値を、予め設定された閾値と比較することで、前記横流電流の発生の有無を判定する、
横流電流検出装置。
【請求項２】
前記測定機は、前記負荷用モータのトルクを検出するトルク計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項３】
前記測定機は、前記負荷用モータに流れる電流を測定する電流計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項４】
前記測定機は、前記負荷用モータへ入力される電力を測定する電力計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項５】
前記測定機は、前記負荷用モータの誘起電圧と端子電圧との位相差である負荷角を測定する負荷角計測器から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項６】
前記回転子を逆回転させて前記回転子の回転速度が予め設定された回転速度に達した時点以降に、前記電圧源から前記固定子巻線に印加される電圧の電圧値および印加時間は、前記回転子の温度が予め定められた温度以下となるように設定される、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項７】
前記回転子は、前記逆回転のときの前記負荷用モータのトルクが、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と同じ正回転のときの最大トルクよりも大きくなるように構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項８】
測定対象の回転子を固定子冶具の内部に挿入するステップと、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を、前記固定子冶具に印加するステップと、
前記回転子を負荷用モータで回転させるステップと、
前記負荷用モータの特性値を測定するステップと、
前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの状態において測定した前記負荷用モータの前記特性値を予め設定された閾値と比較することで、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定するステップと
を備えた、横流電流検出方法。
【請求項９】
回転電機の固定子の内部に挿入されて用いられる回転子であって、
前記固定子の内部に発生する回転磁界の回転速度から前記回転子の回転速度を減算した値を前記固定子の前記回転磁界の前記回転速度で除算した値である滑りが１．２より大きいときの前記回転電機のトルクが、前記滑りが１より小さいときの前記回転電機の最大トルクよりも大きくなるように構成されている、回転子。
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月25日(2017.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有し、測定対象の回転子を内部に挿入可能な固定子冶具と、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を前記固定子巻線に印加する電圧源と、
前記固定子冶具の前記内部に挿入された状態の前記回転子を回転させる負荷用モータと、
前記負荷用モータの特性値を測定する測定機と、
前記測定機が測定した前記負荷用モータの特性値に基づいて、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定する判定機と
を備え、
前記判定機は、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの逆回転のときに前記測定機で測定した前記負荷用モータの特性値を、予め設定された閾値と比較することで、前記横流電流の発生の有無を判定する、
横流電流検出装置。
【請求項２】
前記測定機は、前記負荷用モータのトルクを検出するトルク計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項３】
前記測定機は、前記負荷用モータに流れる電流を測定する電流計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項４】
前記測定機は、前記負荷用モータへ入力される電力を測定する電力計から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項５】
前記測定機は、前記負荷用モータの誘起電圧と端子電圧との位相差である負荷角を測定する負荷角計測器から構成される、
請求項１に記載の横流電流検出装置。
【請求項６】
前記回転子を逆回転させて前記回転子の回転速度が予め設定された回転速度に達した時点以降に、前記電圧源から前記固定子巻線に印加される電圧の電圧値および印加時間は、前記回転子の温度が予め定められた温度以下となるように設定される、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項７】
前記回転子は、前記逆回転のときの前記負荷用モータのトルクが、前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と同じ正回転のときの最大トルクよりも大きくなるように構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の横流電流検出装置。
【請求項８】
測定対象の回転子を固定子冶具の内部に挿入するステップと、
前記固定子冶具の前記内部に回転磁界を発生させる電圧を、前記固定子冶具に印加するステップと、
前記回転子を負荷用モータで回転させるステップと、
前記負荷用モータの特性値を測定するステップと、
前記回転子の回転方向が前記回転磁界の回転方向と逆向きの状態において測定した前記負荷用モータの前記特性値を予め設定された閾値と比較することで、前記回転子に横流電流が発生しているか否かを判定するステップと
を備えた、横流電流検出方法。
【国際調査報告】
2018158832.tif 000023
2018158832.tif 000024
2018158832.tif 000025
2018158832.tif 000026