(57)【要約】【課題】回転体の振動加速度や温度などの状態を監視する装置で、非接触で所望の電力を得ることができ、回転体の振動加速度、温度などの状態を監視する装置を実現する。【解決手段】回転体に取付けられた状態監視装置において、回転体の外部から磁界を印加する磁界印加部１００ａと回転体が回転することによる磁界の変化から可動部が共振して効率良く発電する発電部３０を用いることで、電池や回転体外部から電源供給が不要な無線式の状態監視装置を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に取付けられて、前記回転体の振動加速度、温度の状態を監視するためのセンサを有する状態監視装置であって、
前記回転体の軸が回転する度に状態監視装置と一定の間隙をあけて近接する位置に固定されて、複数の磁極を持ち、前記回転体の外部から磁界を印加する磁界印加部と、
円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、前記永久磁石の外周に間隔を有して固定配置されたコイルと、前記永久磁石の軸方向の両端部に設けられて軸方向と直交する平面内で横揺れするのを抑制する２つの板バネとを有し、前記回転体に取付けられ、前記永久磁石が前記磁界印加部からの磁界により軸方向に振動することによる、前記永久磁石と前記コイルとの相対運動によって発電する発電部と、
前記発電部により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、前記起動状態の周期ごとに、前記センサからのセンサ情報を収集する処理部と、
前記処理部により収集されたセンサ情報を無線送信する無線部と
を備える状態監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の状態監視装置において、
前記発電部は、負荷を連結する回転体の軸に取付けられ、前記磁界印加部からの磁界により軸方向に振動することにより発電する
ことを特徴とする状態監視装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の状態監視装置において、
前記センサは、前記回転体の振動加速度を監視するための振動センサと、前記回転体の温度の状態を監視するための温度センサとを有し、
前記処理部は、前記発電部により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で前記振動センサから振動加速度データを収集するとともに、前記温度センサから前記回転体の軸の温度データを収集する
ことを特徴とする状態監視装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
前記発電部は、風力発電機のブレードが取付けられた軸受と発電機との間を連結する主軸に取付けられるとともに、前記磁界印加部は、前記主軸に近接する位置に固定される
ことを特徴とする状態監視装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
前記発電部の共振周波数と、前記発電部が取付けられた前記回転体の回転速度と前記磁界印加部の複数の磁極による磁界の極性反転の周期が一致する間隔で前記磁界印加部の磁極が配置されている
ことを特徴とする状態監視装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
前記回転体の回転角度がどの位置であるかを検出するための傾斜センサを備え、
前記処理部は、無線送信の制御を行う際に前記傾斜センサの傾斜情報に基づいて無線電波の放射が無線送信された情報を受信する受信機の方向と一致するタイミングで送信を開始するように制御を行う
ことを特徴とする状態監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の振動加速度や温度などの状態を監視する状態監視装置に関し、特にスリップリングなどの伝達部品を使用せずに状態を監視することができる状態監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の発電機がある。このような発電機の磁石とヨークにより構成される可動部を、回転体外部の磁界変化に基づいて振動させることで、電気エネルギーを発生させることが可能である。
【０００３】
また、回転体の外部から磁界を印加する発電機を用いることで、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、電気エネルギーを発生し回転体の状態を監視する装置を駆動できる。このような観点で、経済的な利点または操作上の利点が見込まれる多くの用途で、本方式の状態監視装置が活用されることが期待される。
【０００４】
外部磁界を用いた電力供給による監視装置の従来技術としては、軸に円環状の発電機構を取付けたものがある（例えば、特許文献１参照）。他には外部より磁界を加えて回転体に設けたコイルにより電力を得るものがある（例えば、特許文献２参照）。また、回転体の外部から磁界を印加する発電機の電力を用いて動作する監視装置に無線センサを内蔵することで外部磁界のエネルギーを利用した電源供給が不要な無線式の状態監視装置を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７８６７９９号公報
【特許文献２】特開２００９−２６５０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の回転体の振動加速度や温度などの状態を監視する装置では、回転体に取付けられ回転している装置への電力供給が課題となる。接触するブラシを用いたスリップリングでは接触するブラシと回転するリングとの接触が信頼性の低下を招くとともに構造の複雑化が問題となる。近年では、電磁界を用いた非接触の電力供給が取入れられることがあるが、外周から高周波で電磁界を印加する必要があり、電磁界の印加装置に電力供給する必要があることと放射した電磁界の近接機器への影響も課題となる。
【０００７】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、従来よりも簡易な構造により非接触で所望の電力を得ることができ、回転体の振動加速度や温度などの状態を監視する状態監視装置の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る状態監視装置は、回転体に取付けられて、前記回転体の振動加速度、温度の状態を監視するためのセンサを有する状態監視装置であって、前記回転体の軸が回転する度に状態監視装置と一定の間隙をあけて近接する位置に固定されて、複数の磁極を持ち、前記回転体の外部から磁界を印加する磁界印加部と、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、前記永久磁石の外周に間隔を有して固定配置されたコイルと、前記永久磁石の軸方向の両端部に設けられて軸方向と直交する平面内で横揺れするのを抑制する２つの板バネとを有し、前記回転体に取付けられ、前記永久磁石が前記磁界印加部からの磁界により軸方向に振動することによる、前記永久磁石と前記コイルとの相対運動によって発電する発電部と、前記発電部により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、前記起動状態の周期ごとに、前記センサからのセンサ情報を収集する処理部と、前記処理部により収集されたセンサ情報を無線送信する無線部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転体に取付けられた状態監視装置において、回転体の外部から磁界を印加する磁界印加部と回転体が回転することによる磁界の変化から可動部が振動し効率良く発電する発電機を用いることで、電池や回転体外部から電源ケーブルによる電源供給が不要な無線式の状態監視装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における状態監視装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における状態監視装置の構成を示す図１のＡ部の拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態１における状態監視装置の磁界印加部と状態監視装置の内部構成を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１における状態監視装置の内部の発電部の内部構造を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における状態監視装置の内部の発電部の内部構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２における状態監視装置の内部の発電部の内部構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３における状態監視装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３における状態監視装置の磁界印加部、状態監視装置と受信機を示す拡大図である。
【図９】この発明の実施の形態４における状態監視装置の構成を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４における状態監視装置の磁界印加部、状態監視装置と受信機を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。本発明は、回転体に取付けられて回転体の振動加速度や温度などの状態を監視する状態監視装置であって、前記回転体に一定の間隙を空けて設置された磁界印加部と、状態監視装置から無線送信された情報を受信する受信機とを有し、さらに、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルと、永久磁石の軸方向の両端部にスペーサーを介してそれぞれが板バネにより保持され、永久磁石およびスペーサーからなる可動部が、軸方向と直交する平面内で横揺れすることを抑制する２つの板バネとを備え、永久磁石が軸方向に振動することによる、永久磁石とコイルとの相対運動によって発電する発電部を内蔵し、回転体が回転することによって状態監視装置と複数の磁極を持った磁界印加部との位置が変わり磁界が変化して発電機の可動部が振動し電力を得ることで状態監視装置の無線センサ部を動作させてセンサ情報を無線で送信することが出来るという、優れた効果を得ることができる。
【００１２】
このような技術的特徴を備えた本発明の状態監視装置の好適な実施の形態につき、以下に図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
実施の形態１．
まず始めに、本発明の状態監視装置が設置される環境、電力供給源となる磁界印加部および電磁誘導型の発電部の構成について説明する。
【００１４】
導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の発電機がある。このような発電機の可動部に連結して外部環境の磁界により吸引および反発力を生じる磁石を設けることで、磁界変化により可動部が振動して電気エネルギーを発生させることが可能である。
【００１５】
そして、大型回転機器の軸受や風力発電の主軸などでは、経年劣化の傾向管理を行うための振動加速度や温度などの状態情報を監視する需要がある。このような用途では、状態監視を行う箇所が回転体となるために電池や電源ケーブルによる電源供給が不要な非接触の電気エネルギー発生手段を活用することが考えられる。さらに、設置場所としては、ベルトコンベアや自動倉庫の可動部などの可動部分を備えた設備へ適用することが考えられる。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１における状態監視装置の構成を示す図であり、大径の軸に対して取付けられた状態を例示している。状態監視装置１０ａは、回転体の軸４００ａにネジやバンド状の固定具で固定され、磁界印加部１００ａが、回転体の軸４００ａの回転時に状態監視装置１０ａと接触しないように間隙をあけて設置具３００ａによって固定されている。また、この設置具３００ａには、受信機２００ａが取付けられて状態監視装置１０ａから無線送信されたセンサ情報を受信するようになっている。
【００１７】
図２は、状態監視装置の構成を示す図１のＡ部の拡大図である。図２に示すように、回転体の軸４００ａに取付けられた状態監視装置１０ａは、回転体の軸４００ａが回転する度に磁界印加部１００ａと一定の間隙をあけて近接することになる。
【００１８】
図３は、この発明の実施の形態１における状態監視装置の磁界印加部１００ａと状態監視装置１０ａの内部構成を示す断面図である。図３に示すように、回転体の軸４００ａが１回転する度に磁界印加部１００ａと一定の間隙をあけて近接するが、磁界印加部１００ａの内部には複数の磁石がＳ極とＮ極を交互に反転して一定の間隔で配置されている。このため、回転体の軸４００ａの回転速度と磁石の各極の距離で決まる周期で状態監視装置１０ａに内蔵されている発電部３０に加わる磁界の極性が交互に反転することになる。交互に反転する磁界により可動部が振動した発電部３０によって得られた電力は、無線センサ部５０に供給されて、無線センサ部５０から振動センサ４０により測定された回転体の振動加速度のセンサ情報が無線送信される。
【００１９】
図４は、この発明の実施の形態１における状態監視装置１０ａに内蔵される発電部３０の内部構造を示す図である。図４に示すように、発電部は、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石１２ａ，１２ｂおよびヨーク１３ａ，１３ｂ，１４をスペーサー１５ａ，１５ｂで連結した可動部を、永久磁石１２ａ，１２ｂの軸方向の両端部に設けられて軸方向と直交する平面内で横揺れするのを抑制するための板バネ１１ａ，１２ｂにボルト１６と連結用支柱１７で固定して、固定枠２１に固定される。コイル用ブラケット２０には、永久磁石の外周に間隔を有して配置されるコイル１９が固定されており、可動部外周とコイル１９の内周は一定の間隙を開けて固定される。連結用支柱には反発／吸引用磁石１８が取付けられており、外部の磁界により可動部に反発と吸引力が加わることになる。
【００２０】
このように、可動部が板バネ１１ａ，１１ｂのバネ定数と可動部の質量により決まる共振周波数により共振する構造となっており、外部磁界の磁極の変化によって軸方向に振動する構造であり、可動部が振動することでコイル１９に起電力が生じる。
【００２１】
例えば、回転体が２０ｒｐｍで回転しているときに回転体の軸４００ａが直径６００ｍｍとし、状態監視装置１０ａの高さが５０ｍｍ、磁界印加部１００ａまでの間隙を１０ｍｍの例で計算すると、回転体の軸４００ａの中心から磁極までの半径が３６０ｍｍとなり、この時に発電部３０の共振周波数が２０Ｈｚである場合には、以下の式（１）で表される間隔Ｌで磁石のＳ極とＮ極を配置することにより発電部３０の共振周波数と一致させて効率良く発電することが出来る。
【００２２】
【数１】
2017204217.tif 000003
【００２３】
式（１）に上記の例を適用すると、式（２）となり、Ｓ極とＮ極とを配置する間隔Ｌは１８．８５ｍｍとなる。
【００２４】
【数２】
2017204217.tif 000004
【００２５】
ここで、式（１）における各符号は、以下の内容を示している。
ｒ：磁界印加部１００ａの磁極面から回転体の軸４００ａまでの半径（ｍｍ）
Ｎ：回転体の回転速度（ｒｐｍ）
ｆ：発電部３０の共振周波数（Ｈｚ）
【００２６】
図５は、この発明の実施の形態１における状態監視装置の内部の発電部の内部構成を示す図である。図５に示すように、発電部３０は、回転体が回転して磁界印加部と近接する度に内部の可動部が磁界により共振して交流電力を発生し、発電部３０で得られた交流電力は、無線センサ部５０に内蔵される電源部５４に入力されて整流された後に、蓄電部５５に蓄えられる。蓄電部５５に蓄えられた電力は、電源部５４で定電圧化されて処理部５２に供給される。処理部５２は、内部のタイマーに設定された周期で起動とスリープを繰り返し動作を行い、起動時には振動センサ４０、Ａ／Ｄ変換部５１、無線部５３への電源供給開始の制御を行い、振動センサ４０によって検出された振動加速度が、Ａ／Ｄ変換部５１で電圧値からデジタル値に変換されて処理部５２に入力される。処理部５２では、振動加速度の情報を無線部５３を制御して無線送信する。
【００２７】
以上のように、実施の形態１によれば、回転体に取付けられた状態監視装置において、回転体の外部から磁界を印加する磁界印加部１００ａと回転体が回転することによる磁界の変化から可動部が振動し効率良く発電する発電部、すなわち、永久磁石１２ａ，１２ｂが前記磁界印加部１００ａからの磁界により軸方向に振動することによる、前記永久磁石１２ａ，１２ｂと前記コイル１９との相対運動によって発電する発電部３０を用いることで、電池や回転体外部から電源供給が不要な無線式の状態監視装置を得ることができる。
【００２８】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２における状態監視装置の内部の発電部の内部構成を示すブロック図であり、傾斜センサ５６を設ける場合の構成を示す図である。図６に示す実施の形態２では、実施の形態１の状態監視装置と同様の動作を行うが、処理部５２が無線送信の制御を行う際に、傾斜センサ５６の傾斜情報により状態監視装置が回転体の回転角度がどの位置であるかを検出して、無線電波の放射が受信機の方向と一致するタイミングで送信を開始するように制御を行う。これにより、センサ情報を無線で受信する受信機が状態監視装置と距離が離れた場所に設置された場合でも確実に無線伝送することが可能となる。
【００２９】
図５および図６に示すような状態監視装置については、更に振動センサ４０以外に、回転体の温度を監視するための温度センサを接続することで、回転体の振動の他に軸受の温度を監視することが出来る。また、圧力センサを接続することで、タイヤなどの回転体内部の圧力の状態を監視することが出来る。
【００３０】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３による発電部について説明する。図７は、この発明の実施の形態３における状態監視装置の構成を示す図であり、図８は、状態監視装置の磁界印加部、状態監視装置と受信機を示す拡大図である。
【００３１】
図７に示すように、モータ５００にモータ軸５１０を介してモータ負荷５２０が連結されている場合に軸の振動加速度を測定するためには、回転体であるモータ軸５１０に取付けた状態監視装置への電力供給を行う必要がある。このため、図８の拡大図に示すように、モータ軸５１０に状態監視装置１０ｂを取付け、モータ軸５１０が回転した際に、状態監視装置１０ｂと磁界印加部１００ｂが近接するように設置具３００ｂにより設置することで、磁界印加部１００ｂからの磁界により状態監視装置１０ｂに電力を供給することが出来る。状態監視装置１０ｂは、実施の形態１および２に示したように、内部の発電部により得られた電力によってセンサ情報を取得し、無線送信を行い、センサ情報を受信機１００ｂへ無線伝送する。
【００３２】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４による発電部について説明する。図９は、この発明の実施の形態４における状態監視装置の構成を示す図であり、図１０は、状態監視装置の磁界印加部、状態監視装置と受信機を示す拡大図である。
【００３３】
風力発電機７００に状態監視装置を適用する場合には、風力発電機７００のブレード８１０の回転がハブ８００を介すとともに軸受７４０経由で主軸７３０を介して増速機７２０に連結され、増速機７２０で回転速度が増した後に発電機軸７１０を介して回転が発電機７００に伝わる。この風力発電機７００の主軸７３０の振動加速度を測定するためには、回転体である主軸７３０に振動センサを備えた状態監視装置を取付け電力供給を行う必要がある。このため、図１０の拡大図に示すように、主軸７３０に状態監視装置１０ｃを取付け、主軸７３０が回転した際に、状態監視装置１０ｃと磁界印加部１００ｃが近接するように設置具３００ｃにより設置することで、磁界印加部１００ｃからの磁界により状態監視装置１０ｃに電力を供給することが出来る。状態監視装置１０ｃは、実施の形態１および２に示したように、内部の発電部により得られた電力によってセンサ情報を取得し、無線送信を行い、センサ情報を受信機１００ｃへ無線伝送する。
【００３４】
以上のように、実施の形態４によれば、風力発電機の主軸に取付けられた状態監視装置において、外部から磁界を印加する磁界印加部と主軸が回転することによる磁界の変化から可動部が振動し効率良く発電する発電機を用いることで、電池や回転体外部から電源供給が不要な無線式の風力発電機の軸の回転状態を監視装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０ａ〜１０ｃ：状態監視装置
１１ａ，１１ｂ：板バネ
１２ａ，１２ｂ：磁石
１３ａ，１３ｂ：ヨーク
１４：ヨーク
１５ａ，１５ｂ：スペーサ
１６：ボルト
１７：連結用支柱
１８：反発／吸引用磁石
１９：コイル
２０：コイル用ブラケット
２１：固定枠
２２ａ，２２ｂ：取付ベース
３０：発電部
４０：振動センサ
５０：無線センサ部
５１：Ａ／Ｄ変換部
５２：処理部
５３：無線部
５４：電源部
５５：蓄電部
５６：傾斜センサ部
６０：アンテナ
１００ａ〜１００ｃ：磁界印加部
２００ａ〜２００ｃ：受信機
３００ａ〜３００ｂ：設置具
４００ａ〜４００ｂ：回転体の軸
５００：モータ
５１０：モータ軸
５２０：モータ負荷
７００：発電機
７１０：発電機軸
７２０：増速機
７３０：主軸
７４０：軸受
８００：ハブ
８１０：ブレード
【図１】
2017204217.tif 000005
【図２】
2017204217.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017204217.tif 000011
【図８】
2017204217.tif 000012
【図９】
2017204217.tif 000013
【図１０】
2017204217.tif 000014