(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータの径内側に回転自在に配置されるロータと、
前記ロータの回転軸として設けられたシャフトと、
ベアリングを介して前記ステータに対して前記シャフトを回転可能に支持するブラケットと、
前記ロータと前記ベアリングとの間の前記シャフトの外径側表面に設けられ、前記シャフトの温度を計測するセンサと、を有する回転電機と、
前記回転電機に供給される電力を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記センサによって取得された前記ロータと前記ベアリングとの間の前記シャフトの温度情報と熱回路網モデルとに基づいて前記回転電機の内部状態を推定する回転電機システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記シャフトに配置された前記センサによって取得された前記温度情報を境界条件として前記熱回路網モデルを用いて前記回転電機内部の温度を推定する請求項１に記載の回転電機システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記回転電機の内部状態を推定し、推定された情報に基づいて前記回転電機への通電を制御する請求項１または請求項２に回転電機システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記シャフトに配置された前記センサによって取得された前記温度情報を境界条件として熱回路網モデルとを用いて前記回転電機内部の温度変化を予測する請求項１に記載の回転電機システム。
【請求項５】
前記センサは、前記ロータと前記ベアリングとの間の前記シャフトの外径側表面に、前記ロータと離間して設けられる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項６】
前記ロータと前記ステータは、円筒状のフレームと前記フレームの軸方向両端側に配置される前記ブラケットとに囲まれ、
前記センサは、前記フレームと前記ブラケットにより囲まれた空間内の前記シャフトと前記ベアリングとの間に配置される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項７】
前記センサは、前記ロータと前記シャフトとの径方向間である空間に位置する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項８】
前記シャフトは、前記センサが取付けられている位置から軸芯に向かう方向に中実である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項９】
前記シャフトの径外表面は、前記ロータと前記ベアリングとの間に凹部を有し、
前記センサは、前記凹部に収納される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項１０】
前記シャフトは、前記センサの径方向を覆う保持部材を有する請求項９に記載の回転電機システム。
【請求項１１】
前記センサは前記ロータと前記ベアリングとの間の前記シャフトの径外表面に直接設けられる請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項１２】
前記センサは、絶縁部材を介して前記シャフトに取付けられる請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項１３】
前記シャフトは、前記シャフトの径内方向に凹み、軸方向に延伸する溝部を有し、
前記溝部には、前記センサで計測された情報を伝える引出線が配線される請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項１４】
前記回転電機は、前記センサからの信号を取得し送信する送信部を有し、
前記制御部は、前記送信部からの情報に基づいて制御を行う請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の回転電機システム。
【請求項１５】
前記制御部は、
前記送信部からの信号を受信する受信部と、
前記受信部からの情報に基づいて前記回転電機の内部状態を推定する推定部とを有し、
前記推定部によって推定された情報に基づいて制御を行う請求項１４に記載の回転電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シャフトにセンサを有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転子軸の軸芯に内孔が設けられ、該内孔に異常音検出センサおよび送信器を設置し、回転子軸上に配された送信用アンテナに送波されるものがある（例えば特許文献１）。
また、中空の出力軸内に捩り検出器と、捩り検出器に接続され螺旋状に形成され、中空の入力軸内を通して導出されたリード線と、を具備するものがある（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５４−１０４５０１号公報
【特許文献２】実開昭６０−０９６９８１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、上述の回転電機にあっては、中空シャフトの中空内にセンサが設けられており、取り付けが容易ではなく、内部分布状態の推定精度が低下するという課題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、モータの内部分布状態の推定精度を向上させることができる回転電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係る回転電機は、ステータと、ステータの径内側に回転自在に配置されるロータと、ロータの回転軸として設けられたシャフトと、ベアリングを介してステータに対してシャフトを回転可能に支持するブラケットと、ロータとベアリングとの間のシャフトに設けられたセンサと、を有する回転電機と、回転電機に供給される電力を制御する制御部と、を有し、制御部は、前記センサによって取得されたロータとベアリングとの間のシャフトの温度情報と熱回路網モデルとに基づいて回転電機の内部状態を推定する回転電機システム。
【発明の効果】
【０００６】
本開示に係る回転電機によれば、簡易な構成で、回転電機内部分布状態の推定精度を向上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の実施の形態１に係る回転電機を示す縦断面図である。
【図２】本開示の実施の形態１に係る回転電機が組込まれるシステムを示す概要図である。
【図３】本開示の実施の形態１に係るセンサおよび送信部の概要図である。
【図４】本開示の実施の形態１に係る回転電機を示す縦断面図である。
【図５】本開示の実施の形態２に係る回転電機を示す縦断面図である。
【図６】本開示の実施の形態３に係る回転電機のシャフトの一部を切断した斜視図である。
【図７】本開示の実施の形態３に係る回転電機のシャフトの一部を切断した変更例を示す斜視図である。
【図８】本開示の実施の形態４に係る回転電機のシャフトの軸方向に対して垂直に切断した断面図である。
【図９】本開示の実施の形態５による回転電機システムの概要図である。
【図１０】本開示の実施の形態５による回転電機システムのハード構成図である。
【図１１】本開示の実施の形態５による制御フローチャートを示す図である。
【図１２】本開示の実施の形態５による通電電流波形を示す図である。
【図１３】本開示の実施の形態６に係る回転電機を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
本開示の実施の形態１に係る回転電機について説明する。
【０００９】
図１は、本開示の実施の形態１による回転電機を示す縦断面図である。回転軸の軸芯と平行な方向を回転軸方向または軸方向とし、回転軸の軸芯を中心軸とする。回転軸の軸芯と直交する方向を径方向とし、径方向における外側を径外方向または径外側、径方向における内側を径内方向または径内側とする。回転軸を中心として回転する方向を周方向または回転方向とし、回転方向とは反対の方向を反回転方向とする。
【００１０】
本開示の実施の形態１に係る回転電機１００は、円筒状のフレーム１と、フレーム１内に挿入、保持されるステータ２と、ステータ２と磁気的ギャップとなる空隙を介してステータ２の径内側に回転自在に設けられるロータ３と、を有している。ステータ２とロータ３とは同軸に設けられる。
【００１１】
ステータ２は、ステータコア２１とステータコイル４とを有する。ステータコア２１は、例えば電磁鋼板や圧粉磁心などの磁性体によって構成される。ステータコイル４は、ボビンや絶縁紙などの部品（図示なし）を介してステータコア２１に固定される。
【００１２】
ロータ３は、ロータコア３１を有する。ロータコア３１は、ステータコア２１と同様に、例えば、電磁鋼板や圧粉磁心などの磁性体によって構成される。ロータコア３１は例えば、圧入や焼嵌め、キー挿入などにより、シャフト５に締結されている。すなわち、シャフト５は、ロータ３の回転軸として設けられる。これにより、ロータコア３１とシャフト５との間において動力を伝達できる。
【００１３】
フレーム１は、フレーム１の軸方向の両端を塞ぐようにステータ２およびロータ３の軸方向外側に第一のブラケット８と第二のブラケット９とが設けられる。また第一のブラケット８は第一のベアリング６を、第二のブラケット９は第二のベアリング７をそれぞれ有する。第一のブラケット８は、第一のベアリング６を介してシャフト５を回転可能に支持している。また第二のブラケット９は、第二のベアリング７を介してシャフト５を回転可能に支持している。ここで、シャフト５の軸方向に対し動力を伝達するシャフト５軸端部に近い側を負荷側、その反対側を反負荷側と定義する。このとき、第一のブラケット８は負荷側、第二のブラケット９は反負荷側となる。なお、いずれも負荷側であってもよい。いずれも負荷側である場合には、便宜的に一方を負荷側、他方を反負荷側と呼ぶ。
【００１４】
シャフト５は、中実であり、その径外表面にセンサ１０および送信部１２を有する。シャフト５の内、センサ１０が取り付けられる部分のシャフト５は、フレーム１、第一のブラケット８、および第二のブラケット９で囲まれた空間内に存在する。さらに具体的には、ロータコア３１と第一のベアリング６との間のシャフト５にセンサ１０は設けられる。そしてシャフト５は、センサ１０が取付けられている位置からシャフト５の軸芯の向かう方向に中実である。
【００１５】
センサ１０と送信部１２とは電気的に接続される。これにより、センサ１０で検知する情報は送信部１２へ引き渡される。センサ１０は例えば、温度を計測するための温度センサである熱電対が用いられる。センサ１０はゼーベック効果により、センサ１０が取付けられた箇所の温度に応じて電圧を発生させる。これによりシャフト５の温度を計測することが可能となる。すなわちステータ２やロータ３等からシャフト５へ伝わる温度を計測することができる。
【００１６】
ここで、回転電機１００の動作について説明する。図２は、回転電機１００が組込まれるシステムを示す概要図である。
【００１７】
図２に示すように、回転電機１００が組み込まれたシステムは、回転電機１００と、直流電源４０と、インバータ５０と、を有する。
【００１８】
直流電源４０とインバータ５０は、電気的に接続されており、インバータ５０は直流電源４０から電気エネルギーを供給される。インバータ５０と回転電機１００のステータコイル４とは、電気的に接続されており、ステータコイル４はインバータ５０によって電流を通電される。具体的には、インバータ５０が有するスイッチング素子５０１がスイッチング制御されることにより、所望の電流がステータコイル４に通電される。インバータ５０から回転電機１００に供給される電流は、回転電機１００の種類に対応し、例えば３相モータであれば交流電流、直流モータであれば直流電流が供給される。
【００１９】
回転電機１００は、ステータコイル４に電流が通電されることにより、回転電機１００内に回転磁界が発生する。ロータ３は、この回転磁界を受けることでトルクが発生する。このトルクがシャフト５に伝達されることにより、シャフト５の軸端部より動力を外部に伝達することができる。
【００２０】
上述のようにステータコイル４に電流が通電されることにより回転電機１００が動作されると、ステータコイル４には銅損と呼ばれる損失が発生する。また、磁性体で構成されるステータコア２１およびロータコア３１内には磁束変動が発生する。この磁束変動により渦電流が発生する。その結果、ステータコア２１およびロータコア３１内では損失が発生する。さらに磁性体の磁気特性のヒステリシス性に起因し、磁束変動によりヒステリシス損失が発生する。これらの損失は、回転電機１００内部の各部位の温度を上昇させることになる。回転電機１００の温度が例えば通電前などの初期状態よりも上昇することにより、動作時の温度上昇度合いは大きくなる。したがって、回転電機１００内部の部品の保護が必要な場合は、回転電機１００への電力供給量の低減や、供給停止するなどの必要が生じる。
【００２１】
本開示の実施の形態１の回転電機では、上述のような回転電機１００の内部温度上昇に関する情報を、センサ１０で計測し、送信部１２を用いて出力する。図３を用いて具体的に説明する。図３は、本開示の実施の形態１に係るセンサおよび送信部の概要図である。
【００２２】
上述のようにセンサ１０と送信部１２は、第一のベアリング６とロータコア３１との間に位置するシャフト５の径外表面に取り付けられる。
【００２３】
図３に示すように送信部１２は、増幅回路部１２１と、Ａ／Ｄ変換回路部１２２と、送信回路部１２３と、を有する。センサ１０で検知された信号は、増幅回路部１２１によって増幅される。増幅回路部１２１で増幅された増幅信号は、Ａ／Ｄ変換回路部１２２によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換回路部１２２によって変換されたデジタル信号は、送信回路部１２３によって受信部（図示なし）へ送信される。
【００２４】
送信回路部１２３から受信部への送信は、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信にて行われる。このように受信部にて受信されたデジタル信号は、例えば、熱回路網モデルにて回転電機１００の内部温度分布を導出する際に用いられる。
【００２５】
回転電機１００の熱回路網モデルを構成する場合、ステータ２やロータ３など、回転電機１００内部で損失の発生する箇所により構成されたモデルとすることが一般的である。ロータコア３１近傍の温度情報を用いて回転電機１００の内部温度推定する場合、推定精度に寄与するため、より正確なロータコア３１の温度情報を取得することが望ましい。また、ロータコア３１近傍の温度情報を取得し、構成された熱回路網モデルを用いる場合においては、ロータコア３１から他の部品への熱の伝わり方、空気等を介して逃げる熱を加味した適切な位置で温度情報を取得することが望ましい。
【００２６】
従来、中空シャフトの中空部にて温度センサを配置されるものはない。また、上述の先行文献においては、中空シャフトの中空部にセンサを配置し、センサで取得された情報は、熱回路網モデルを用いたモータの内部状態の推定に用いることを想定されていない。また、シャフトは回転電機の回転体の回転軸となる部分であるため、中空シャフトを採用してセンサを配置する場合、中実シャフトと比較して、シャフトの強度が落ちる。強度を保つためには中空シャフトの厚みを厚くすることが考えられるが、中空の厚みを厚くすることで、シャフト自体の径を大きくすることになり、結果、回転電機が大型化することになる。また仮に、中空部に温度センサを設けたとしても、中空シャフト厚みの分だけ温度分布が生じるため、シャフト表面よりも温度差が生じやすく、またある一定の時定数が生じるため、温度上昇開始に対し遅れて検知することとなる。したがって、中空シャフトの厚み等によっては正確に計測できない場合がある。また、ロータコア３１等から空気を伝わって逃げる熱等を考慮することが困難であり、正確な温度情報を取得することが難しかった。
【００２７】
また、例えば、ロータコア３１のある箇所に温度センサを設けて温度を取得する場合には、温度センサを配置した箇所に関する温度情報は取得できる。しかしながら、その温度情報を用いて制御等を行う際に、回転電機１００全体ではなく、特定の箇所のみの計測情報を用いることになる。そのため、熱の伝達を考慮されていない特定箇所の温度のみに依存した制御となる可能性があった。具体的には、特定の箇所の温度を都度モニタし、随時温度情報を制御に取り込むことで、特定の箇所の温度が閾値を超えたと判定する。そして、閾値を超えたと判定された際に特定の箇所の温度がそれ以上上昇する事のないよう、通電量を低減する、または通電を止める等の動作を実施する事となっていた。
【００２８】
本開示の回転電機１００においては、センサ１０は、ロータ３と第一のベアリング６との間の中実のシャフト５に取り付けられるものである。中空の場合は、強度を保つために回転電機全体が大型化することになるのに対し、中実のシャフト５であれば、シャフト５の径や回転電機１００全体の大きさを変更することなく、強度を保ちつつ、ロータコア３１直近の温度情報を簡易に取得することが可能となる。ロータコア３１からシャフト５を通じて伝わった熱は図４に矢印で示すように第一のベアリング６や第一のブラケット８に伝わる。したがって、センサ１０は、シャフト５の第一のベアリング６とロータコア３１との間に取り付けられることによって熱の分岐を考慮することなく熱回路網モデルの境界として、ロータ３直近のシャフト５の温度をより正確に計測することができる。そして、センサ１０により取得された温度情報を境界条件として熱回路網モデルにて計算することができる。熱回路網モデルにて計算することにより、随時温度情報を更新する制御に加え、将来的な温度変化を予測し、予測に基づいて制御することにより、回転電機１００の制御範囲を拡大することができる。
【００２９】
さらに、センサ１０は、シャフト５の径外表面に取り付けられている。センサ１０が取り付けられた部分のシャフト５は、フレーム１、第一のブラケット８、および第二のブラケット９で囲まれた空間内に存在する。したがって、シャフト５から空間内の空気を介して伝わる熱を考慮することができる。
【００３０】
したがって、本開示の実施の形態１のようにシャフト５にセンサ１０を取り付け、温度を取得することにより、簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００３１】
また、送信回路部１２３を有する送信部１２を用いて無線通信にて発信するものである。これにより、受信部が遠方に存在する場合でも断線の恐れなく通信する事が可能となり、通信信頼性を向上する事が出来る。また、無線通信の場合、相対的に回転する部材間を伝達する仕組みが不要となり、簡易な構成で情報の伝達をすることができる。
【００３２】
なお、ロータ３はロータコア３１とシャフト５を有するものである説明をしたが、さらに、ロータコア３１の内部またはロータコア３１径外表面、あるいはその両方に磁石や２次導体（図示せず）を有する構成としてもよい。磁石を有する構成とすることで、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果に加え、出力トルクを向上させることができる。また磁石を有する場合、磁石等を保持するための端板をロータコア３１の軸端部に設置する構成としてもよい。端板にて磁石を保持することにより、磁石の飛び出しを防止することができる。
【００３３】
また、図１および図４の第一のベアリング６と第二のベアリング７は、ボールベアリングを図示したが、滑りベアリング（軸受）を用いてもよい。滑りベアリングを用いてもシャフト５を支持することができ、シャフト５からの熱は上述したように各ベアリングおよび各ハウジングを伝わる。よって、同様に回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果を奏する。
【００３４】
また、センサ１０は、第一のベアリング６とロータコア３１との間に位置するシャフト５に取り付けられると説明したが、第二のベアリング７とロータコア３１との間に位置するシャフト５に取り付けてもよい。反負荷側も負荷側と同様にロータコア３１からシャフト５に熱が伝わるため、温度情報を取得することができ、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００３５】
また、回転電機１００が組み込まれたシステムは、回転電機１００と、直流電源４０と、インバータ５０と、を有すると説明したが、回転電機１００の種類によっては、必ずしもインバータ５０を設けなくてもよい。例えば、モータが汎用三相モータや直流モータなど、インバータ５０を介さずに直接系統の電源に接続することで動作する回転電機であれば、インバータ５０を設けることなく当システムを構成する事が可能である。
【００３６】
また、センサ１０と送信部１２は隣接する構成としたが、必ずしもこの形態に限られない。例えば、第一のベアリング６とロータコア３１との間にセンサ１０を有し、送信部１２は、フレーム１、第一のブラケット８、および第二のブラケット９によって囲まれる空間内側に設けられるセンサ１０とは異なり、空間外側のフレーム１、各ブラケット、シャフト５など箇所に設置しても良い。これにより回転電機１００を構成する金属部分の影響を受けず、周囲の環境に影響されることなく情報を送信することができる。その際は、例えば、引出線にてセンサ１０と送信部１２が接続される形態となっていれば良い。これらの場合にも同様に回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００３７】
また、送信部１２は、送信回路部１２３を用い、無線通信にて受信部に信号を伝達する旨の記載としたが、説明したもの以外の通信規格に準じたもの、または規格外のものであってもよい。また、増幅回路部１２１で信号を増幅する説明をしたが、必ずしも増幅する必要はなく、信号をスルーさせてもよい。またＡ／Ｄ変換回路部１２２によってアナログ信号からデジタル信号に変換する説明をしたが、アナログ信号を無線通信にて伝送する方式であっても良い。これらの場合においても同様に回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００３８】
また、センサ１０は温度センサである熱電対であると説明したが、温度センサに代えて、または温度センサと併用して、歪ゲージや磁気センサを用いてもよい。歪量は、シャフトの中空よりもシャフト表面の方が多くなるため、シャフト５の表面に配置し、計測することで歪量をより正確に取得することが可能となる。また、磁気センサについても中空シャフトの中空内よりもシャフト５の表面の方が検知しやすく、より正確な計測が可能となる。
【００３９】
その他、上述のセンサに代えて、または併用して振動センサ、圧力センサを用いてもよい。熱回路モデルによって回転電機１００の内部温度分布を導出するものと説明したが、温度センサ以外のセンサを用いる場合、熱回路モデルに代えて、それぞれのセンサにて計測する物理量に対応した回転電機１００の物理モデルを用いればよい。または熱回路モデルと併用してそれぞれのセンサにて計測する物理量に対応した回転電機１００の物理モデルを用いればよい。これにより、回転電機１００の内部分布状態を導出することができ、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００４０】
実施の形態２．
本開示の実施の形態２に係る回転電機について説明する。図１から図４と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１と異なる部分のみを説明する。図５は、本開示の実施の形態２による回転電機を示す縦断面図である。なお、説明の便宜上、図５のシャフト５については切断されていないものを図示している。
【００４１】
本開示の実施の形態２に係る回転電機１００では、図５に示すようにシャフト５の第一のベアリング６とロータコア３１の間にシャフト５の最径外面よりも径内側にへこんだ凹部５１を有する。凹部５１は、例えばマシニングセンターなどにより、シャフト５の回転方向の一部のみに構成されている。そしてこの凹部５１の径外表面にセンサ１０が収納される。センサ１０が設けられるシャフト５はセンサ１０からシャフト５の軸芯に向かって中実である。センサ１０からシャフト５の軸芯に向かって中実であればよいが、シャフト５は、軸芯からセンサ１０が設けられた位置の距離を半径とした円柱部が中実であれば、より強度が高くなる。
【００４２】
また、シャフト５はシャフト径外面にシャフト溝部５２を有する。すなわち、シャフト溝部５２は、シャフト５の凹部５１の近傍から径内側に凹み、反負荷側にかけて軸方向に延伸する溝が形成される構造となっている。
【００４３】
送信部１２はシャフト５の反負荷側に取付けられ、シャフト５に締結される。したがって、送信部１２はシャフト５の回転に連動する。このような構成により、ロータ３を介して負荷側にあるセンサ１０と反負荷側にある送信部１２とが接続されている。さらに具体的には、送信部１２は引出線受け部１３を有する。そして、引出線受け部１３は引出線１１と接続される。このため、引出線１１はシャフト５のシャフト溝部５２に配線され、シャフト５の軸方向の反負荷側端部より引出される。引出線受け部１３は、熱電対の信号を受信するための端子と、送信部１２の端子に接続される。
【００４４】
センサ１０にて検知された信号は、引出線１１を介して伝送される。伝送された信号は、引出線受け部１３によって受信され、送信部１２に引渡される。そして送信部１２は、Ａ／Ｄ変換回路部１２２および送信回路部１２３を通じて信号を変換し、無線通信にて発信する。
【００４５】
本開示の実施の形態２に係る回転電機１００は、シャフト５の凹部５１にセンサ１０を収納する構成である。これにより、センサ１０が回転電機１００の内部の空気に晒される影響を低減できる。よって、ロータコア３１の直近のシャフト５の表面の情報を精度よく取得することが可能となる。また、シャフト５は、センサ１０が取り付けられる位置から軸芯に向かって中実であり、シャフト５の強度が保たれる。このため、シャフト５の径を大きくする必要はなく、回転電機１００全体の大きさの変更が不要となる。また、センサ１０が取り付けられる位置から軸芯までの距離を半径とした円柱部が中実であれば、中空シャフトのように厚みの分の温度分布は生じず、温度上昇開始に対しより早く検知することができる。したがって、簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる。
【００４６】
なお、本開示の実施の形態２では、送信部１２はシャフト５の反負荷側に設けられる説明をしたが、この形態に限られず、本開示の実施の形態１と同様に送信部１２が負荷側に配置されていてもよい。この場合、実施の形態１と同様に無線通信とする場合には、引出線１１およびそれに付随して必要となるシャフト溝部５２や引出線受け部１３が不要となるためより簡易な構成で情報を取得することができる。さらに、他の形態として、送信部１２を第一のブラケット８の軸方向外側に配置される構成としてもよい。この場合、引出線１１を引き出すためのシャフト溝部５２の軸方向長さを短くすることができ、シャフト５の加工部分が少なくすることができる。
【００４７】
また、シャフト溝部５２に引出線１１を這わせる形態を説明したが、シャフト溝部５２と引出線１１の径外面を覆うように部材を設けてもよい。これにより引出線１１を保持することができる。部材を設ける場合は、部材の最外径面はシャフト５の最外径面と同等かそれよりも径内側に位置するように配置すればよい。これにより、各ベアリング内を通してシャフト５を配置する際に障害とならず、組み立てが容易となる。また、部材はシャフト５にシャフト溝部５２を設けない場合に存在するシャフト５の材料よりも重い材料を選択することにより耐遠心力性を向上させることができる。
【００４８】
また、中実のシャフト５の一部に貫通する引出線１１用の孔を設け、その孔の中を這わせる構成としてもよい。また、シャフト５の凹部５１は、回転方向にかけて一部のみ凹部５１が構成されているものを説明したが、必ずしもこの形態に限るものではなくてもよい。例えばシャフト５の全周に渡ってシャフト径外が小さくなるように構成してもよい。これらの場合においても上述した同様の効果を奏する。
【００４９】
実施の形態３．
本開示の実施の形態３に係る回転電機について説明する。図１から図５と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１および実施の形態２と異なる部分のみを説明する。図６は、本開示の実施の形態３に係る回転電機のシャフトの一部を切断した斜視図である。図７は、本開示の実施の形態３に係る回転電機のシャフトの一部を切断した変更例を示す斜視図である。なお、説明の便宜上、説明に必要なものを図示し、その他構成を省略している。
【００５０】
図６は具体的には、センサ１０が収納されたシャフト５の軸方向位置において、シャフト５の軸方向に垂直な平面で切断したものを図示したものであり、説明の便宜上、一部の構成を省略している。本開示の実施の形態３に係る回転電機１００は、図６に示すようにシャフト５に形成された凹部５１にセンサ１０が収納される。そして、センサ１０の径外側に保持部材１４が設けられる。
【００５１】
保持部材１４は例えば、金属や樹脂などの素材によって、径外面は円弧形状に形成されており、センサ１０を径外方向から保持している。保持した状態での保持部材１４の径外面はシャフト５の径外面と一致もしくはシャフト５の径外面よりも内側に位置することが望ましい。これによりスムーズな組み立てが可能となる。保持部材１４自体は、シャフト５により軸方向に移動が制限されるようにシャフト５に配置される。
【００５２】
回転電機１００が動作し、ロータ３が回転する際、回転電機１００の回転部分には遠心力が働く。シャフト５に設けられたセンサ１０にも同様に遠心力が働くため、センサ１０は、回転電機１００の回転に伴って、径外側へ移動しようとする。
【００５３】
センサ１０によるセンシング精度を確保するためには、センサ１０が回転による遠心力などが働く状況下においても、センシング対象となるシャフト５に確実に取り付けられる必要がある。
【００５４】
本開示の実施の形態３では、センサ１０の径外側に隣接して保持部材１４を設ける構成としている。このため、センサ１０に対する遠心力は、保持部材１４へ伝達する。一方で、保持部材１４は図６に示したように筒形状をしているため、素材に応じたヤング率により変形が生じ、径外側にわずかに膨らんだ形状となる。すなわち、保持部材１４を遠心力に耐えるような構造、寸法としている場合、保持部材が弾性変形した状態でセンサ１０を保持することが可能となる。よって、センサ１０をシャフト５径外表面に設け、センサ１０の径外側に保持部材１４を設けることで、遠心力によってセンサ１０の移動、シャフト５から離間、シャフト５の径外方向への飛び出しを抑制する事が可能となる。よって、回転時においても安定して情報を取得することができる。
【００５５】
したがって、本開示の実施の形態１および実施の形態２と同様の簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果に加え、モータ内部温度の推定精度低下を抑制することができる。
【００５６】
なお、本開示の実施の形態３では、シャフト５の一部に凹部５１を設け、凹部５１にセンサ１０を配置し、その径外面を保持部材１４で覆う説明したが、これに限られない。保持部材１４は、センサ１０の径外方向に配置されていればよく、例えば、図７に示すように凹部５１をシャフト５全周に渡ってシャフト５径が小さくなるように構成し、円弧状の保持部材１４を凹部５１の径外側に配置する構成としてもよい。センサ１０が取り付けられる位置から軸芯の距離を半径とした円柱部が中実であれば、中空シャフトのように厚みの分の温度分布は生じず、温度上昇開始に対しより早く検知することができる。
【００５７】
また、図７に示した円弧状の保持部材１４は、シャフト５の径外面よりも径内側に収まる形状であれば良く、径外側を平面状としてもよい。この場合においても同様にセンサ１０の径外方向への飛び出しを抑制する効果を奏する。
【００５８】
実施の形態４．
本開示の実施の形態４に係る回転電機について説明する。図１から図７と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１から実施の形態３と異なる部分のみを説明する。図８は、本開示の実施の形態４に係る回転電機の要部であるシャフトの軸方向軸方向位置において、シャフト５の軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。説明の便宜上、一部の構成を省略している。
【００５９】
本開示の実施の形態４では、シャフト５の凹部５１にはセンサ１０が収納される。このとき、センサ１０は、シャフトの凹部５１に対し、絶縁部材１５により固定される。絶縁部材１５は例えばガラスエポキシ剤によって構成される。絶縁部材１５を介してセンサ１０がシャフト５に固定されることにより、センサ１０とシャフト５とは電気的に絶縁される。また絶縁部材１５により、回転電機１００の回転時にシャフト５からセンサ１０が離れないように構成される。
【００６０】
本開示の実施の形態１で説明したように、回転電機１００は、ステータコイル４に電流が通電されることにより、回転電機１００内に回転磁界が発生する。この回転磁界を受けることでロータ３にトルクが発生する。このとき、回転電機１００のシャフト５には軸電圧が発生することがある。これはステータコイル４に通電される電流の通電パターンによってシャフトに逆起電力が生じるためである。
【００６１】
シャフト５とセンサ１０とが絶縁部材１５を介さず、直接接していることで導通している場合に、上述の軸電圧が発生したとする。このとき、シャフト５とセンサ１０は導通しているため同電位となる。またセンサ１０は例えば引出線１１を介して送信部１２まで導通しており、更に受信部（図示せず）が送信部１２と電気的に接続されるとすると、受信部（図示せず）の電圧が異常に高くなる現象が起こり得る。またその際、受信部の耐電圧値よりも軸電圧が高くなると、センサ信号を計測するための回路が故障する可能性がある。このため、シャフト５とセンサ１０との間で絶縁性を確保することが望ましい。
【００６２】
本開示の実施の形態４では、センサ１０は絶縁部材１５を介してシャフト５に固定されている。すなわち、シャフト５とセンサ１０との間で絶縁性が確保されている。このため。上述のような軸電圧が発生した場合においても、センサ１０は導通することなく、計測を継続することができる。
【００６３】
したがって、本開示の実施の形態４によれば、実施の形態１から実施の形態３と同様の簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果に加え、安定した計測状態を維持する効果を奏する。
【００６４】
なお、本開示の実施の形態４においては、凹部５１はシャフト５の全周に渡って形成されるものを図示して説明したが、これに限られず、シャフト５の一部が径内側に削られた形態であってもよい。いずれもシャフト５に張り付けられたセンサ１０からシャフト５の軸芯に向かってシャフト５は中実であるため、シャフト５の強度は保たれる。
【００６５】
また、シャフト５とセンサ１０との間に絶縁部材としてガラスエポキシ剤を配置する説明をしたが、必ずしもこの形態に限られない。例えば樹脂材などにより、センサ１０をシャフト５に固定しつつ、センサ１０とシャフト５の間が絶縁部材を介して絶縁されている状態を構成出来れば良い。この場合においても上述した同様の効果を奏する。
【００６６】
実施の形態５．
本開示の実施の形態５に係る回転電機システムについて説明する。図１から図８と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１から実施の形態４と異なる部分のみを説明する。図９は、本開示の実施の形態５による回転電機システムの概要図である。図１０は、本開示の実施の形態５による回転電機システムのハード構成図である。図１１は、本開示の実施の形態５による制御フローチャートを示す図である。図１２は、本開示の実施の形態５による通電電流波形を示す図である。
【００６７】
図９に示すように回転電機１００が組み込まれた駆動システムは、回転電機１００と、直流電源４０と、インバータ５０と、制御部６０と、を有する。直流電源４０からインバータ５０に電気エネルギーが供給され、インバータ５０内のスイッチング素子５０１がスイッチングすることにより、回転電機１００中のステータコイル４に正弦波などの電流が供給される。直流電源４０、インバータ５０、および回転電機１００の具体的な接続関係については、実施の形態１で説明したものと同様であるため、その説明を省略する。
【００６８】
本開示の実施の形態５における回転電機システムは制御部６０を有する。制御部６０は、受信部を有しており、センサ１０の信号を受信する。そして、受信したセンサ１０からの信号に基づいて、インバータ５０へ制御信号を送信する。インバータ５０は制御部６０からの制御信号を受信し、この制御信号に基づいて回転電機１００へ電流を供給する。
【００６９】
制御部６０はさらに回転電機１００の内部状態を導出する推定部（図示なし）を有する。推定部は例えば、回路網モデルを用いて、回転電機１００の内部状態を推定演算する。上述の制御信号は、推定部での演算に基づいて生成される。
【００７０】
制御部６０は図１０に示すようにプロセッサ６０１と、記憶部６０２と、を有する。プロセッサ６０１は、記憶部６０２に記憶されたプログラムを実行することにより、上述の処理を行う。ここで、記憶部６０２は、必要なパラメータ、上記の処理を記述したプログラムなどが記憶されたメモリにより構成される。プロセッサ６０１は、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのハードウエア回路に論理構成されたプロセッサにより構成される。また、複数のプロセッサ６０１および複数の記憶部６０２が連携して上記機能を実行してもよい。
【００７１】
図１１を用いてさらに制御部の動作を説明する。ステップ１（Ｓ１）では、上位コントロールユニット（図示せず）より、トルク指令値を受信する。ステップ２（Ｓ２）では、トルク指令値に対応した電流指令値を算出する。ステップ３（Ｓ３）では回転電機１００に搭載されたセンサ１０よりセンサ情報を、送信部１２を経由して制御部６０で取得する。ステップ４（Ｓ４）では、取得したセンサ情報を元に、回転電機１００の内部状態を推定する。ステップ５（Ｓ５）では内部状態推定結果をもとに、回転電機１００内に許容される通電電流最大値を算出する。ステップ６（Ｓ６）では、通電電流最大値と上述の電流指令値を比較し、前者が大きければトルク指令に対応した電流指令を生成、後者が大きければ通電電流最大値に対応した電流指令を生成する。ステップ７（Ｓ７）では、生成された電流指令である制御信号に基づき、回転電機１００に電流を通電する。上述したステップ１からステップ７により回転電機１００は駆動される。
【００７２】
次に図１２を用いて温度情報の有無による指令トルクの違いを説明する。横軸は時間を示し、縦軸は電流を示している。また、図１２の実線は温度情報がある場合における通電電流波形を示し、点線は温度情報がない場合における通電電流波形を示している。
【００７３】
温度情報がある場合において、仮に対象の温度が低下したとき、本来物理的に回転電機１００内にて許容される電流量以内であれば、電流指令値を増加させ、トルクを増加させる指令を与えることができる。一方で、温度情報がない場合には、対象の温度が低下したとしても温度が低下した状況を比較的精度良く把握することが出来ない。このため、電流指令値を維持または増大する場合でも上述の温度情報がある場合の増大量よりも低くなる。したがって、温度情報を考慮した制御をおこなうことが望ましい。また、制御に用いる温度情報をより精度よく取得することが望ましい。
【００７４】
従来の手法は、回転電機にセンサを取り付け、センサ信号をモニタすることで、故障診断や計測などを随時実施しているに過ぎないものであった。すなわち、センサ情報を用いた制御をおこない、例えばトルクや回転数、出力などの回転電機１００の制御動作点を変更することについては検討されていない。
【００７５】
本開示の実施の形態５では、センサ１０のセンサ情報を制御部６０へ送信し、制御部６０がセンサ１０のセンサ情報に基づいて制御信号を生成する。これにより高精度な制御が可能となる。また、シャフト５の実測温度をもとに熱回路網モデルと組合せて回転電機１００の内部温度分布を導出する。内部温度分布によって、例えばステータコイル４、第一のベアリング６、第二のベアリング７など、温度閾値を有する部位の温度を把握する事が可能となる。従って、導出した各部位の温度とその部位の温度閾値とを比較する事により、制御部６０は、各部位での発熱および温度上昇を更に許容する制御動作点へ変更するような制御信号を生成する。この制御信号は、内部温度分布を元に生成される。
【００７６】
これにより回転電機１００は、センサ１０の検出した情報に基づいて制御動作点を変更することが可能となる。さらに、シャフト５の実測温度と熱回路モデルとを用いることで、熱回路網モデルの境界に当たる情報を取得する事が出来るため、従来の物理モデルのみを使用する場合よりも回転電機１００の内部状態の推定精度を向上させることが可能となる。内部状態の推定制度を向上させることにより、各モータ部品の温度閾値に近い範囲まで回転電機１００を動作させることが可能となる。なお、前記各部位の温度については必ずしもその時点における温度情報である必要はなく、熱回路網モデルを用いて未来の時刻の温度分布を導出し、その時刻における温度情報を用いることでも成立する。
【００７７】
したがって、本開示の実施の形態５は、実施の形態１から実施の形態４と同様の簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果に加え、回転電機１００の動作範囲を拡大できる効果を奏する。
【００７８】
なお、本開示の実施の形態５では回転電機１００は駆動するとの説明をしたが、必ずしもこの形態に限られず、回転電機１００は発電する形態であってもよい。発電の場合、回転電機１００は力学的エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーはインバータ５０を介して直流電源４０に貯蓄される。この場合においても同様の効果を奏する。
【００７９】
実施の形態６．
本開示の実施の形態６に係る回転電機について説明する。図１から図１２と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１から実施の形態５と異なる部分のみを説明する。図１３は、本開示の実施の形態６による回転電機を示す縦断面図である。
【００８０】
図１３に示すように、ロータコア３１は、軸端面のシャフト挿入孔の径が大きく形成される。具体的には、ロータコア３１の軸端側は、シャフト挿入孔の径が大きい電磁鋼板を積層される。これによりロータコア３１とシャフト５との径方向間の一部に空間が生じる。そして、図１３に示すようにセンサ１０は、ロータコア３１とシャフト５の空間に収まるように取付けられる。
【００８１】
これにより、ロータコア３１により近いところで温度を計測することができる。また、センサ１０が回転電機１００の内部の空気に晒される影響を低減できる。よって、ロータコア３１の直近のシャフト５の表面の情報を精度よく取得することが可能となる。また、ロータコア３１と第一のベアリング６までの距離が短い場合においてもセンサ１０の設置場所を確保することができる。
【００８２】
したがって、本開示の実施の形態６は、実施の形態１から実施の形態５と同様の簡易な構成で、回転電機１００の内部温度の精度を向上することが可能となる効果に加え、シャフト５の軸長が短い場合においてもセンサ１０を取付けることができ、また、より正確に情報を取得することができる。
【００８３】
なお、ロータコア３１の端部の積層鋼板のシャフト挿入孔の径が大きい説明をしたが、径を大きくするのではなく、センサ１０の大きさに合わせて、径の一部のみを大きくしてもよい。また、積層されないロータコア３１を用いる場合もしくは同一の積層鋼板を積層した後に、センサ１０を設置する空間を設けるように加工してもよい。また、センサ１０は、ロータコア３１とシャフト５の空間に収まるように取付けられる説明をしたが、空間はセンサ１０の一部が収まる大きさであってもよい。これらの場合においても上述した効果と同様の効果を奏する。
【００８４】
なお、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００８５】
２  ステータ、３  ロータ、４  ステータコイル、５  シャフト、６  第一のベアリング、７  第二のベアリング、８  第一のブラケット、９  第二のブラケット、１０  センサ、１１  引出線、１２  送信部、１４  保持部材、１５  絶縁部材、２１  ステータコア、３１  ロータコア、４０  直流電源、５０  インバータ、５１  凹部、５２  シャフト溝部、６０  制御部、１００  回転電機、５０１  スイッチング素子、６０１  プロセッサ、６０２  記憶部
【要約】
回転電機内部分布状態の推定精度を向上することを目的とする。
ステータ（２）と、ステータ（２）の径内側に回転自在に配置されるロータ（３）と、
ロータ（３）の回転軸として設けられたシャフト（５）と、ベアリング（６、７）を介してステータ（２）に対してシャフト（５）を回転可能に支持するブラケット（８、９）と、ロータ（３）とベアリング（６、７）との間のシャフト（５）に設けられたセンサ（１０）とを有する回転電機。【図１】
0006841384.tif 000002
【図２】
0006841384.tif 000003
【図３】
0006841384.tif 000004
【図４】
0006841384.tif 000005
【図５】
0006841384.tif 000006
【図６】
0006841384.tif 000007
【図７】
0006841384.tif 000008
【図８】
0006841384.tif 000009
【図９】
0006841384.tif 000010
【図１０】
0006841384.tif 000011
【図１１】
0006841384.tif 000012
【図１２】
0006841384.tif 000013
【図１３】
0006841384.tif 000014