(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２点の各振幅値を各々２次元
の座標値とする２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換手段と、
原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出手段と、
前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ設定手段と、
前記時系列データの１秒あたりに取り込むデータ数を表すサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出手段と、
備えていることを特徴とする回転機械の回転速度推定装置。
【請求項２】
振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２点の各振幅値を各々２次元
の座標値とする２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換ステップと、
原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出ステップと、
前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ設定ステップと、
前記時系列データの１秒あたりに取り込むデータ数を表すサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出ステップと、
備えていることを特徴とする回転機械の回転速度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファンやポンプ等の回転機械の回転速度制御時の回転速度を推定するための回転速度推定装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械の回転速度制御時の回転速度を推定する方法として、（１）回転機械に設置した回転センサの測定値から回転速度を得る方法や、（２）回転速度の制御装置(インバータ）から出力値を得て回転速度を推定する方法や、（３）回転機械に設置した振動計の計測値をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析して回転速度を得る方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９６９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の（１）の方法は、回転センサなどの設備が必要となるため、設備コストが増大するという問題がある。
【０００５】
また、上記した従来の（２）の方法は、機械室に設置した回転速度制御装置（インバータ盤）から出力値データを得なければならないため、配線工事などの設備が必要となり、設備コストが増大するという問題がある。
【０００６】
さらに、上記した従来の（３）の方法は、ＦＦＴ解析ソフトが必要となり、事前に回転速度の範囲や高次ピーク値の範囲を知る必要がある。また、複数のピーク値から回転速度のピーク値を選定しなければならず、その判定が難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、設備コストを削減することができると共に、回転機械の事前情報なしに回転速度を振動測定データから直接推定することのできる回転機械の回転速度推定装置およびその方法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】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明に係る回転機械の回転速度推定装置は、振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２点の各振幅値を各々２次元
の座標値とする２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換手段と、原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出手段と、前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ設定手段と、前記時系列データの１秒あたりに取り込むデータ数を表すサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出手段と、備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る回転機械の回転速度推定方法は、振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２点の各振幅値を各々２次元の座標値とする２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換ステップと、原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出ステップと、前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ算出ステップと、前記時系列データのサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出ステップと、備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、設備コストを削減することができると共に、回転機械の事前情報なしに回転速度を振動測定データから直接推定することができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定方法において、実運転点群変換手段による２次元ベクトル空間の実運転点群への変換処理を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定方法において、振動時系列データを理論的時間遅れで変換した２次元実運転点群を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定方法において、振動時系列データを２次元ベクトル空間へ変換する時間遅れを変数として原点から実運転群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求めた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定装置１０の構成について説明する。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定装置１０は、回転機械に取り付けた振動センサから振動時系列データを有線または無線で受け取る入力部１１と、入力部１１に入力されたデータおよび計算処理結果データを記憶格納する記憶部１２と、回転速度推定装置１０全体の制御を行う制御部１３と、回転速度の推定結果の表示および回転速度推定装置１０の状態表示を行う表示部１４と、を備えて構成されている。
【００１４】
制御部１３は、回転機械の振動時系列データに帯域制限を行う前処理手段と、振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２点の各振幅値を各々２次元の座標値とする２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換手段と、原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出手段と、前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ設定手段と、前記時系列データのサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出手段と、を備えている。
【００１５】
次に、図２〜図５を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定方法について説明する。
【００１６】
まず、図２のステップ１（Ｓ１）に示すように、回転速度推定装置１０の入力部１２は、計測された振動時系列データおよび計算条件などを取得し、入力する。  
【００１７】
次に、図２のステップ２（Ｓ２）に示すように、制御部１３の前記前処理手段は、振動時系列データなどを記憶部１２に記憶格納し、回転機械の回転速度を推定するための演算の前処理として、該記憶格納した振動時系列データに含まれる高周波のノイズ成分を除去する帯域制限処理をローパスフィルタにより行う。
【００１８】
この時、帯域制限の上限周波数ｆupperは、回転機械の定格運転時の回転速度に基づいて、以下のように設定する。
・5000rpm（回転速度に相当する周波数ｆｒ＝83Hz）未満の場合：ｆupper＝100Hz
・5000rpm以上10000rpm（ｆｒ＝167Hz）未満の場合：ｆupper＝200Hz
・10000rpm以上15000rpm（ｆｒ＝250Hz）未満の場合：ｆupper＝300Hz
・15000rpm以上20000rpm（ｆｒ＝333Hz）未満の場合：ｆupper＝400Hz
・20000rpm（ｆｒ＝333Hz）以上の場合：ｆupper＝500Hz
【００１９】
次に、図２のステップ３（Ｓ３）に示すように、制御部１３の前記実運転点群変換手段は、前処理を行った振動時系列データから等間隔の時間遅れｕを有する２次元ベクトル空間の点群へデータ変換する（２次元実運転点群）。図３に示されているように、前記実運転点群変換手段による変換処理では、ローパスフィルタで帯域制限処理を行った振動時系列データ（図３（ａ）参照）から、２次元ベクトル実運転点群（図３（ｂ）参照）にデータ変換される。
【００２０】
次に、図２のステップ４（Ｓ４）に示すように、制御部１３は、２次元実運転点群の各点について原点から各点までのベクトルの大きさＬＲを求める。例えば、図３（ｂ）に示されている原点から２次元実運転点群の点までのベクトルＲ１（ｘ１,ｙ１）の大きさＬＲ１は、次式（１）により求められる。
【００２１】
［式１］
0006855613.tif 000002
【００２２】
制御部１３は、計測して記録部１２に記憶格納した振動時系列データの点数の５０％以上（例えば、サンプリング周波数ｆｓが1,000Hzで１秒間の計測の場合は1,000／2 ＝500個以上）に対して、原点から２次元実運転点群の各点までのベクトルを作成し、同様の方法で各ベクトルの大きさを求める。
【００２３】
そして、制御部１３の前記標準偏差算出手段は、上記したように求められた原点から２次元実運転点群の各点までのベクトルの大きさを母集団として、時間遅れｕで作成された各ベクトルの大きさの標準偏差σuを次式（２）により求める。
【００２４】
［式２］
0006855613.tif 000003
【００２５】
次に、制御部１３は、時間遅れｕを変数ｕｉにして、時間遅れｕｉに対する原点から２次元実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差σuiを求める。
【００２６】
この時、定格運転時の回転速度に相当する時間遅れｕｉの範囲は、以下のように設定する。
・5000rpm（回転速度に相当する周波数ｆｒ＝83Hz）未満の場合：1≦ｕｉ≦120
・5000rpm以上10000rpm（ｆｒ＝167Hz）未満の場合：1≦ｕｉ≦60
・10000rpm以上15000rpm（ｆｒ＝250Hz）未満の場合：1≦ｕｉ≦40
・15000rpm以上20000rpm（ｆｒ＝333Hz）未満の場合：1≦ｕｉ≦30
・20000rpm以上の場合：1≦ｕｉ≦30
【００２７】
そして、制御部１３の前記時間遅れ設定手段は、原点から２次元実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差σuiが最小となる時間遅れｕｔを求める。
【００２８】
次に、制御部１３の前記回転速度算出手段は、時間遅れｕｔおよび時系列データのサンプリング周波数ｆｓ（Ｈｚ）から、回転機械の回転速度に相当する周波数ｆｒ（Ｈｚ）を次式（３）で求めると共に、回転速度ρ（ｒｐｍ）を次式（４）で求める。
ｆｒ＝ｆｓ／（４×ｕｔ）          （３）
ρ＝６０×ｆｒ                    （４）
【００２９】
次に、図２のステップ５（Ｓ５）に示すように、制御部１３は、回転機械の回転速度ρ（ｒｐｍ）を表示部１４に表示・出力する。
【００３０】
その後、引き続き回転速度の推定処理を継続する場合は、前記ステップ１（Ｓ１）に戻り、回転速度の推定処理を継続しない場合は、一連の処理を終了する。
【実施例】
【００３１】
本実施例では、回転機械として市販の小型軸流送風機を使用し、該送風機の羽根車の一部に重りを付加することで強制的にアンバランスを発生させた状態で、本発明の実施の形態に係る回転速度推定装置１０を使用して前記送風機の回転速度を推定した。
小型軸流送風機の仕様、試験方法、および試験結果を以下に説明する。
【００３２】
（１）小型軸流送風機の仕様
・メーカー：ミツヤ送風機
・形式：ＴＳ４５型
・風量：７００ｍ３／ｈ
・静圧：１６０Ｐａ
・モータ容量：８０Ｗ（３φ２００Ｖ）
・羽根直径：３２０ｍｍ
・羽根重量：１．２ｋｇ
【００３３】
（２）試験方法
・振動センサは吐出側のモータカバーに設置した。
・軸流ファンの羽根の一箇所に付加重量７ｇの重りを取り付けて運転した。
・軸流ファンの運転条件は、定格（商用５０Ｈｚ）運転時の回転速度を１，４４２ｒｐｍ（回転速度に相当する周波数２４Ｈｚ）、インバータ周波数３０Ｈｚ運転時の回転速度を８０８ｒｐｍ（回転周波数１３．５Ｈｚ）とした。
・高周波数成分をローパスフィルタでカットする帯域制限の上限値ｆupperは、定格（商用５０Ｈｚ）運転時の回転速度が１，４４２ｒｐｍであるため、１００Ｈｚとした。
【００３４】
（３）回転速度が既知であるときの理論的時間遅れｕによる２次元実運転点群
インバータ周波数３０Ｈｚ運転時の振動時系列データを２次元ベクトル空間へ変換する時間遅れｕの理論値ｕ０は、次式（５）により求められる。
ｕ０＝ｆｓ／（ρ３０×ｃ／６０）＝2560／（808×4／60）＝47.5      （５）
【００３５】
ここで、ｆｓは、サンプリング周波数（２，５６０Ｈｚ）、ρ３０は、インバータ周波数３０Ｈｚの時の回転速度（ｒｐｍ）、ｃは、振動時系列データを２次元ベクトル空間へ変換するときの係数（＝４）である。
【００３６】
図４は、理論的時間遅れｕ０を整数の４８として、振動時系列データを該理論的時間遅れ４８で変換した２次元実運転点群を示している。なお、図４中のｘ軸、ｙ軸はいずれも振動加速度（ｍ／ｓ２）を表している。
（４）推定結果
【００３７】
図５は、振動時系列データを２次元ベクトル空間へ変換する時間遅れｕを変数ｕｉとして、４０≦ｕｉ≦５１の範囲で原点から２次元実運転点群の各点までのベクトルの大きさＬＲｉの標準偏差σｕｉを求めた結果を示している。なお、この時のベクトルの大きさＬＲｉの母集団の総数は４，７５０（２５周分、１．９秒分に相当）である。
【００３８】
図５によれば、ベクトルの大きさＬＲｉの標準偏差σuは時間遅れ４７で最小となり、理論的時間遅れ４７．５とほぼ一致する。時間遅れを４７とすると、上記式（３）および（４）により、回転速度ρは６０×２５６０／（４×４７）＝８１７ｒｐｍとなり、本来の回転速度である８０８ｒｐｍの約１％増に留まるため、本発明の実施の形態に係る回転速度推定装置１０およびその方法は、回転速度の推定精度が高いと言うことができる。
【００３９】
また、本発明の実施の形態に係る回転速度推定装置１０およびその方法によれば、回転速度制御された回転機械において、振動計測時点の回転速度が不明の場合や、インバータ周波数の計装データが入手できない状況であっても、高い精度で回転速度を推定することができる。
【００４０】
上記したように、本発明の実施の形態に係る回転機械の回転速度推定装置１０および回転速度推定方法は、回転センサなどの設備や、回転速度制御器（インバータ）からの回転出力値が不要であるため、設備コストを抑制することができる。また、振動測定データからプログラム処理によって精度よく回転速度を得ることができる。
【００４１】
なお、上記した本発明の実施の形態の説明は、本発明に係る回転機械の回転速度推定装置および回転速度推定方法における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１０  回転速度推定装置
【要約】
【課題】設備コストを削減すると共に回転機械の事前情報なしに回転速度を振動測定データから直接推定する。
【解決手段】
本発明に係る回転機械の回転速度推定装置１０は、振動時系列データから等間隔の時間遅れを有する２次元ベクトル空間の実運転点群にデータ変換する実運転点群変換手段と、原点から前記実運転点群の各点までのベクトルの大きさの標準偏差を求める標準偏差算出手段と、前記ベクトルの大きさの標準偏差が最小となる時間遅れｕｔを求める時間遅れ設定手段と、前記時系列データの１秒あたりに取り込むデータ数を表すサンプリング周波数ｆｓと前記時間遅れｕｔの値とを用いて、回転体の回転速度ρを、ρ＝６０×ｆｓ／（４×ｕｔ）の式により求める回転速度算出手段と、備えていることを特徴とする。
【選択図】図５【図１】
0006855613.tif 000004
【図２】
0006855613.tif 000005
【図３】
0006855613.tif 000006
【図４】
0006855613.tif 000007
【図５】
0006855613.tif 000008