JP6427828B2 - 回転機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機及びその制御方法に関するものである。

従来から、回転可能に支持されたロータ部と、ロータ部の外側に配置されたステータ部とを備えたモータ等の回転機が知られている。回転機においては、ロータ部が回転運動するため、接触式で温度を検出することが困難である。

特許文献１には、非接触式の温度センサをハウジングに設置して、ロータ部の磁石近傍の温度を測定する技術が記載されている。
特許文献２には、温度検出部位に渦電流導体を設け、渦電流により発生する渦電流反磁場を、コイル等の渦電流反磁場検出手段で検出する技術が記載されている。

特開２００１−１２８４１４号公報 特開２０１３−１６７５１９号公報

非接触式の温度センサとしては、サーミスタ方式、赤外線方式等があるが、温度センサを温度検出部位に近接して配置する必要がある。このため、温度センサと温度検出部位との間の距離又は介在する流体の影響等により、温度検出精度の向上が難しいという問題がある。
渦電流を利用する場合、反磁場に基づいて温度を検出するには、磁気センサの検出精度により精度が制約されるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、非接触で高精度に運転負荷を検出することが可能な回転機及びその制御方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、貫通穴（例えば、実施形態における貫通穴１６ａ）が形成された端面板（例えば、実施形態における端面板１６）と、前記貫通穴に露出された磁石（例えば、実施形態における磁石１５）と、温度検出部位である前記磁石の表面に形成されたクロミック分子を含む表面層（例えば、実施形態における表面層２１）と、前記表面層の色に関連する情報を検出する検出器（例えば、実施形態における検出器２２）とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記回転機が電動機（例えば、実施形態における電動機１０）であることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記表面層は、ロータ部（例えば、実施形態におけるロータ部１２）に設けられた磁石（例えば、実施形態における磁石１５）に関連する箇所に形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、前記検出器により検出された情報に応じて前記回転機の運転状態を変更する制御部（例えば、実施形態における制御部２４）を有することを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、前記検出器は、前記表面層と前記検出器との間に存在する流体の色調をフィルタする光学フィルタ部（例えば、実施形態における光学フィルタ部２５）を備えることを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、前記検出器により前記表面層の色に関連する情報を検出する工程と、前記情報に応じて前記回転機の運転状態を変更する工程とを有することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、温度検出部位の表面に形成されたクロミック分子を含む表面層の色に関連する情報を検出することで、表面層の温度変化に伴う色変化を検出することができる。これにより、温度検出部位の温度変化又は回転機の運転負荷を検出することができる。

請求項２に記載した発明によれば、回転機が電動機である場合に本発明を適用することで、電動機の過剰な運転負荷を回避することができる。

請求項３に記載した発明によれば、ロータ部に設けられた磁石に関連する箇所に表面層が形成されていることで、磁石の温度変化を検出することができる。例えば、磁石が減磁する温度に達する前に、温度上昇を検出することができる。

請求項４に記載した発明によれば、温度検出部位の温度又は回転機の運転負荷が高い場合に回転機の運転を抑制することができる。また、温度検出部位の温度又は回転機の運転負荷が低い場合に回転機の能力をより高度に発揮させることもできる。

請求項５に記載した発明によれば、表面層と検出器との間に存在する流体の色調をフィルタすることで、流体の色調による影響を抑制し、温度の検出精度を高めることができる。

請求項６に記載した発明によれば、検出器により前記表面層の色に関連する情報を検出した後、この情報に応じて回転機の運転状態を変更することで、温度検出部位の温度上昇又は回転機の運転負荷が高い場合に回転機の運転を抑制することができる。また、温度検出部位の温度上昇又は回転機の運転負荷が低い場合には回転機の能力を高度に発揮させることもできる。

本発明の第１実施形態における電動機の断面図である。 本発明の第１実施形態における制御方法の一例を示すフローチャートである。 参考例における温度検出部位の近傍を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における温度検出部位の近傍を示す断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、回転機の第１実施形態としての電動機の断面図である。図１に示すように、電動機１０は、シャフト１１を支持するロータ部１２と、ロータ部１２の外側に設けられたステータ部１３と、ロータ部１２及びステータ部１３から構成されるモータ１９を収容するハウジング１４を備えている。シャフト１１は、図示しないベアリング等により、回転可能に支持されている。

ハウジング１４は、ロータ部１２及びステータ部１３全体を覆うような略円筒形状で形成されている。本実施形態のモータ１９は、例えばインナーロータ型のモータであって、筒状のステータ部１３と、ステータ部１３の内側に配置された円柱状のロータ部１２と、ロータ部１２と同軸状に固定され、回転可能に支持された出力軸としてのシャフト１１を備えている。

ロータ部１２は、ステータ部１３に近接する外周部に磁石１５を有する。磁石１５は、例えばネオジム等の希土類を含む永久磁石である。磁石１５は、複数に分割されてもよい。ロータ部１２の磁石１５を複数に分割することで、磁石１５に発生する渦電流損失を低減することができる。

ロータ部１２の端面１２ａとハウジング１４の端面１４ａとは、シャフト１１の軸方向に互いに対向している。ロータ部１２の端面１２ａには、クロミック分子を含む表面層２１が形成されている。また、ハウジング１４の端面１４ａには、表面層２１の色に関連する情報を検出する検出器２２が設けられている。表面層２１は、ロータ部１２に設けられた磁石１５の近傍に設けられている。また、検出器２２は、表面層２１に対向することが可能な位置に設けられている。

表面層２１は、ロータ部１２の周方向に沿って全周又は一部に設けられる。表面層２１がロータ部１２の周方向の連続して全周に設けられる場合、ロータ部１２の回転時に検出器２２を常時表面層２１に対向させることができる。磁石に関連する箇所としては、伝熱により磁石１５と同様な温度変化を示す部位であればよい。例えば、磁石１５に接触又は近接する位置の１箇所又は２箇所以上に表面層２１を設けることができる。表面層２１の平面パターンは、点状、帯状、面状等、特に限定されない。

ロータ部１２の端面１２ａに、表面層２１が存在しないが検出器２２に対向し得る箇所がある場合、その位置の色は、表面層２１とは異なる色であることが好ましい。例えばロータ部１２の表面が金属色で、表面層２１が有彩色又は無彩色である場合には、検出器２２はロータ部１２の表面の色と表面層２１の色を区別して認識するように構成することができる。

クロミック分子は、温度等の外部刺激により可逆的に色が変化するクロミズム（クロモトロピズム）を示す物質である。例えば、温度の変化によって可逆的に変色する場合は、サーモクロミズムという。サーモクロミズムを示すクロミック分子としては、ジアミン等の二座配位子を有する遷移金属錯塩、イソニトリル配位子を有する遷移金属錯塩、ロイコ染料、スピロピラン、サリチリデンアニリン等の有機化合物が挙げられる。その他、ヨウ化水銀錯体もサーモクロミズムを示す物質として知られているが、水銀等の重金属を含まないクロミック分子が好ましい。

上記二座配位子としては、エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、プロピレンジアミン等のアルキレンジアミンや、これらのＮ−アルキル誘導体が挙げられる。
上記遷移金属としては、銅、ニッケル等が挙げられる。
遷移金属錯塩は、カウンターアニオンとして、過塩素酸イオン（ＣｌＯ_４ ⁻）、四フッ化ホウ酸イオン（ＢＦ_４ ⁻）等のアニオンを含むことができる。
遷移金属錯塩の一例として、例えば、銅−Ｎ，Ｎ−ジエチルエチレンジアミン錯体の過塩素酸塩（変色温度は約４３℃）が挙げられる。
遷移金属錯塩によるクロミック分子の場合、遷移金属、配位子、カウンターアニオン等の種類や組み合わせ、あるいは２種以上のクロミック分子の複合等により、変色温度の異なるクロミック分子を得ることができる。

表面層２１は、クロミック分子を含む塗膜、樹脂層等により構成することができる。温度検出部位に表面層２１を形成する方法としては、クロミック分子を含む塗料を塗布する方法、クロミック分子を含む層を有するラベルを接着する方法、クロミック分子を含む組成物を、温度検出部位に形成された溝又は穴等の凹部に充填する方法等が挙げられる。

クロミック分子を含む層又は組成物は、例えばバインダー樹脂等にクロミック分子を混合又は分散させることにより得ることができる。バインダー樹脂としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、セルロース樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニル樹脂等が挙げられる。耐熱性、耐油性等の観点から適切な樹脂を選択することが好ましい。

塗料（インク等）としては、水、アルコール、ケトン、エステル等の溶媒又は分散媒を含み、塗布後の乾燥により皮膜状の塗膜を形成可能な組成物が挙げられる。硬化性の無溶媒塗料により表面層２１を形成することも可能である。塗料は、前記バインダー樹脂を含んでもよい。塗布方法は特に限定されないが、インクジェット印刷、スクリーン印刷等により、所定のパターンに塗料を塗布する方法が好ましい。ナノ粒子を分散させてインク化することにより、塗料中に溶解しにくい材料をクロミック分子等として採用する場合でも、分散性を向上することができる。

表面層２１は、接着剤又は粘着剤が積層されたラベルにより構成されてもよい。ラベルにクロミック分子を含む層を形成する方法としては、プラスチック、紙等を基材とするラベルにクロミック分子を含む塗料を塗布する方法が挙げられる。

検出器２２としては、例えば波長センサ、カメラが挙げられる。カメラとしては、ＣＭＯＳ等の撮像素子を有し、複数の画素ごとに色情報を取得できる装置が挙げられる。
検出器２２により測定される波長範囲は、赤外線領域、可視領域、紫外線領域又はこれらの２以上が挙げられる。このため、本明細書において、色に関連する情報とは、可視領域における狭義の色に限らず、赤外線領域又は紫外線領域における波長又は強度分布を含む。

色情報の構成要素は、分光学的な波長及び強度でもよく、視覚的な色度及び明度でもよく、所定の１又は２以上の波長における強度でもよい。検出器２２が光学カメラである場合、ＲＧＢ等の複数の原色毎に情報を取得することもできる。
クロミック分子色の温度による色変化は、所定の閾値温度で異なる色を示すように急激に変化してもよく、一定の温度範囲にわたって色が徐々に変化してもよい。
検出器２２による表面層２１の色の検出は、時間軸において連続的にしてもよく、周期的又は不定期でもよい。

表面層２１の変色は温度により可逆的に起こる。例えば、温度の上昇時に第１の色から第２の色に変色した場合、温度の下降時に第２の色から第１の色に変色することができる。クロミック分子の種類又は配合により、２以上の異なる温度で異なる色に変化させたり、２以上の温度域を検出することも可能である。

図１の電動機１０は、検出器２２に加えて、検出器２２により検出された情報に応じてロータ部１２の回転状態を変更する制御部２４を有する。制御部２４は、専用のコントローラを採用することも可能であるが、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に設けることも可能である。検出器２２により検出された情報は、有線又は無線による伝送路２３により、制御部２４に伝送することができる。
検出器２２がカメラである場合、制御部２４は、複数の画素により構成される画像から表面層２１のパターンを認識して、表面層２１以外の領域を除去する構成とすることもできる。画像は、連続した映像でもよい。

本実施形態によれば、温度検出部位の表面に形成される表面層２１と、表面層２１の色を検出する検出器２２と、制御部２４を含むシステム２０を電動機１０に付加することにより、温度検出部位の温度に基づき、回転機の運転状態を制御することができる。回転機の運転状態を制御する方法としては、例えば電動機の場合、電動機に供給される電流量の制御が挙げられる。

検出器２２は、表面層２１と検出器２２との間に存在する流体の色調をフィルタするため、光学フィルタ部２５を備えることができる。流体（液体又は気体）としては、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ）が挙げられる。
光学フィルタ部２５としては、流体の色調に相当する波長域を除去して、表面層２１の色に相当する波長域を透過させる構成であればよい。具体例としては、透過波長域より短い波長域を除去するショートパスフィルタ、透過波長域より長い波長域を除去するロングパスフィルタ、透過波長域より短い波長域及び長い波長域を除去するバンドパスフィルタが挙げられる。

例えばＡＴＦが赤色である場合、赤色の波長領域を光学フィルタ部２５により除去する方法か、ＡＴＦの色と区別しやすい色に変色可能なクロミック分子を用いる方法が好ましい。透明なＡＴＦを用いることにより、光学フィルタ部２５を省略することもできる。
ＡＴＦとしては、合成油、鉱物油等の潤滑油、冷却油を主体とし、種々の添加物を含む組成物が挙げられる。

検出器２２に光学フィルタ部２５を設ける代わりに、制御部２４等による情報処理により、検出器２２により検出された情報と流体の色調との差分をとることで、流体の色調をフィルタすることもできる。光学フィルタ部２５を用いる場合、情報の処理時間が短縮され、制御を高速化することができる。

図２に、制御のフローチャートの一例を示す。工程Ｓ１においては、検出器２２の色識別カメラを作動させる。
次いで、工程Ｓ２においては、検出器２２により表面層２１のクロミック分子色を検出する。クロミック分子色を検出する際、画像認識技術を用いて、検出器２２により検出されたパターンの中からクロミック分子色を抽出することもできる。

次いで、工程Ｓ３においては、クロミック分子の色がトルクリミットの開始を表す色として設定された色（開始設定色）であるか否かを判別する。この判別は、制御部２４において表面層２１の色を、予め記録された開始設定色と比較することにより行うことができる。開始設定色としては、例えば磁石１５の減磁を回避する目的で運転制御を行う場合には、磁石１５の減磁温度又はそれ以下の所定の第１閾値温度における表面層２１の色を設定することができる。磁石１５の減磁温度としては、磁石の種類にもよるが、例えば１００〜２００℃程度、１５０℃程度が挙げられる。

つまり、表面層２１の色から検出された表面層２１の温度が第１閾値温度より低い場合には、Ｓ３の判別結果はＮｏであり、トルクリミットは不要と判断され（図２のＳ８）、制御は終了する（Ｓ７）。その後、Ｓ７からＳ２に戻って、Ｓ３の判別結果がＹｅｓとなるまで定期的又は不定期にクロミック分子色の検出を繰り返すことができる。

一方、表面層２１の色から検出された表面層２１の温度が第１閾値温度以上である場合には、Ｓ３の判別結果はＹｅｓとなる。そこで、工程Ｓ４に進み、トルクリミットにより電流値を制御する。これにより、モータ１９の運転が抑制されて、徐々にロータ部１２の温度が低下する。トルクリミットを行う間、検出器２２による表面層２１の色が定期的又は不定期に検出される。

次いで、工程Ｓ５においては、クロミック分子の色がトルクリミットの解除を表す色として設定された色（解除設定色）であるか否かを判別する。この判別は、制御部２４において表面層２１の色を、予め記録された解除設定色と比較することにより行うことができる。解除設定色としては、例えば磁石１５の減磁を回避する目的で運転制御を行う場合には、開始設定色の表す温度（第１閾値温度）以下で所定の第２閾値温度における表面層２１の色を設定することができる。

つまり、表面層２１の色から検出された表面層２１の温度が第２閾値温度以下である場合には、Ｓ５の判別結果はＹｅｓであり、トルクリミットが解除され（図２のＳ６）、制御は終了する（Ｓ７）。その後、Ｓ７からＳ２に戻り、Ｓ３の判別結果がＹｅｓとなるまで定期的又は不定期にクロミック分子色の検出を繰り返すことができる。

一方、表面層２１の色から検出された表面層２１の温度が第２閾値温度より高い場合には、Ｓ５の判別結果はＮｏとなる。この場合、Ｓ５の判別結果がＹｅｓとなるまで工程Ｓ４によるトルクリミットが継続され、電流値が制御される。

本実施形態における温度検出の精度は、回転機の運転制御のために設定された閾値温度と比較して、閾値温度より高いか低いかの判別の誤差が低いことが求められる。しかし、例えば閾値温度より低い範囲内においては、温度の値を正確に測定することは要求されない。そこで、クロミック分子色の変化に基づいて温度検出部位の温度を検出することにより、簡便な構成で閾値温度付近の温度変化を高精度に検出することができる。

次に、図３に、参考例における温度検出部位の近傍を示す。図３では、ロータ部１２の端面１２ａに端面板１６が設けられ、端面板１６の上に支持板１７が設けられて、シャフト１１に対する抜け止めを確実にしている。端面板１６及び支持板１７は、例えばアルミニウム等の金属から構成することができる。表面層２１は、磁石１５を押さえ込む端面板１６の表面に形成されている。磁石１５の熱が端面板１６に伝導するため、端面板１６の表面温度の変化は、磁石１５の温度変化を反映している。

参考例によれば、表面層２１の色変化を検出器２２で検出することにより、端面板１６の表面温度に基づき、磁石１５の温度変化を検出することができる。端面板１６は金属板であるため、磁石１５に比べて表面処理、下地処理等が容易であり、表面層２１の付着力を増加させることができる。表面層２１の形成位置は、磁石１５に最も近い位置が好ましい。すなわち、磁石１５と表面層２１とが端面板１６の表裏に対向する位置が好ましい。

次に、図４に、第１実施形態における温度検出部位の近傍を示す。図４では、端面板１６及び支持板１７の構成は参考例と同様であるが、端面板１６の一部に貫通穴１６ａが形成されている。磁石１５の表面が貫通穴１６ａの奥に露出され、表面層２１が磁石１５の表面に形成されている。本実施形態によれば、表面層２１の色変化を検出器２２で検出することにより、磁石１５の温度変化を検出することができる。表面層２１が磁石１５に接触しているので、磁石１５と表面層２１との温度差を抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

温度検出部位を有する装置としては、回転力を生成する電動機に限らず、各種の回転する部材を有する回転機、往復動する部材を有する機構等、その他の各種機械に適用することが可能である。装置は特に限定されず、自動車、その他の輸送機器、各種産業機械等が挙げられる。

１０…電動機、１１…シャフト、１２…ロータ部、１３…ステータ部、１４…ハウジング、１５…磁石、２１…表面層、２２…検出器、２４…制御部、２５…光学フィルタ部。

Claims (6)

1. 貫通穴が形成された端面板と、前記貫通穴に露出された磁石と、温度検出部位である前記磁石の表面に形成されたクロミック分子を含む表面層と、前記表面層の色に関連する情報を検出する検出器とを備えることを特徴とする回転機。
2. 前記回転機が電動機であることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
3. 前記表面層は、ロータ部に設けられた磁石に関連する箇所に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機。
4. 前記検出器により検出された情報に応じて前記回転機の運転状態を変更する制御部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機。
5. 前記検出器は、前記表面層と前記検出器との間に存在する流体の色調をフィルタする光学フィルタ部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機の制御方法であって、前記検出器により前記表面層の色に関連する情報を検出する工程と、前記情報に応じて前記回転機の運転状態を変更する工程とを有することを特徴とする回転機の制御方法。

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