JP2004260870A

JP2004260870A - 電動機システム、電動機システムの異常検出装置及び異常検出方法

Info

Publication number: JP2004260870A
Application number: JP2003045347A
Authority: JP
Inventors: Kenji Uchida; 健司内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP3951934B2

Abstract

【課題】異常を検出することができる電動機システムを提供する。
【解決手段】電動機Ｍ１〜Ｍ３と、電動機Ｍ１〜Ｍ３に接続された主回路１０と、主回路１０に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定するセンサ回路１２とを備え、物理量における電動機Ｍ１〜Ｍ３の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出手段を含む電動機システム。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機やその周辺回路の異常を検出することができる電動機システム、異常検出装置及び異常検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ回路等の電動機の制御回路を含む回路に電動機を接続することによって高効率で運転させる技術が広く用いられている。例えば、図７のように、複数のインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３を含む主回路１０に複数の電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を接続し、コンピュータを含む制御部１４からそれぞれのインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３に対して異なる周波数の交流電流を出力させる周波数指定信号Ｓ_ｆ１，Ｓ_ｆ２，Ｓ_ｆ３を出力することによって、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をそれぞれ異なる回転周波数で運転する制御も行われるようになってきている。
【０００３】
このような電動機システムの異常を検出する方法として、特開２００２−１８９０６４号公報に開示されている異常診断方法や特開２００１−７８４８０号公報に開示されている異常検出方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８９０６４号公報
【特許文献２】
特開２００１−７８４８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電動機システムにおいて、例えば浮遊容量が増大する等の異常が発生した場合、電動機や主回路に流れるコモンモードの電流が増加して電動機や主回路の異常加熱を生ずる。また、浮遊容量の増大に伴って、電動機のボディ部と主回路との間にノイズが生じ易くなり、誤動作する可能性がある。さらに、浮遊容量が増えると電動機や主回路に人体が触れた場合に感電を生ずる恐れがある。
【０００６】
これらの問題を防ぐために電動機システムの異常を早期に検出する必要があるが、電動機や電動機が接続された主回路と接地点との間における浮遊容量の増大等の電磁気的な異常を直接検出する技術がなかった。特に、１つの主回路に複数の電動機が接続されているときは、どの電動機に異常が発生しているか判別できる技術が強く要望されている。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑み、上記課題の少なくとも１つを解決すべく、浮遊容量の増加等の異常を検出することができる電動機システム、異常検出装置及び異常検出方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決できる本発明は、電動機と、当該電動機に接続された主回路と、当該主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定する測定回路とを備える電動機システムであって、前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題を解決できる本発明の別の態様は、電動機に接続された主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定する測定回路を備える異常検出装置であって、前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出手段を含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記主回路に複数の電動機が接続されている場合に、前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出することが好適である。
【００１１】
また、異常を検出する際に前記各電動機を異なる回転周波数で運転させる回転周波数制御手段をさらに含むことも好適である。
【００１２】
さらに、前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値に基づいて異常である電動機を特定することも好適である。
【００１３】
また、上記課題を解決できる本発明の別の態様は、電動機に接続された主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定し、当該物理量に基づいて異常を検出する異常検出方法であって、前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出工程を含むことを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記主回路に複数の電動機が接続されている場合に、前記異常検出工程は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出することが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図を参照しつつ、以下に詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態における電動機システムは、図１に示すように、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３、主回路１０、センサ回路１２、制御部１４から基本的に構成される。主回路１０には、直流電源１６、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３が含まれる。
【００１７】
インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３は、それぞれ電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３、直流電源１６及び制御部１４に接続される。本実施の形態において、インバータ回路とは直流を交流に変換する回路全般のことであり、半導体スイッチング素子のブリッジ回路等を用いた様々なインバータ回路を適用することができる。
【００１８】
制御部１４は、ＣＰＵ、メモリ、アナログ／デジタル変換回路等を含むコンピュータである。制御部１４は、外部からの制御命令を受けて、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３に対して周波数指定信号Ｓ_ｆ１，Ｓ_ｆ２，Ｓ_ｆ３を出力する。インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３は、周波数指定信号Ｓ_ｆ１，Ｓ_ｆ２，Ｓ_ｆ３を受けて、それぞれ直流電源から供給された直流電流を周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の交流電流に変換して電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３へ供給する。電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３からの出力を受けて、それぞれ回転周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３で回転する。
【００１９】
インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３を含む主回路１０にはセンサ回路１２が接続されている。センサ回路１２は、主回路１０内の一点の電圧と接地電圧との間の電位差を測定する。測定された電位差は、測定電圧Ｖ（ｆ）として制御部１４へ出力される。測定電圧Ｖ（ｆ）には、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の回転周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を基本周波数とする交流電圧が重畳されている。
【００２０】
センサ回路１２は、図２のように、主回路１０の直流電源１６の一端と接地点（例えば、一般的には電動機システムのケーシングが接地点である）とを高い抵抗値を有する抵抗Ｒを介して接続し、その抵抗Ｒの両端の電位差を測定電圧Ｖ（ｆ）として出力する回路とすることができる。また、図３のように、主回路１０内の配線から磁気的にカップリングされた検出コイルＬを設け、その検出コイルＬの両端の電位差を測定電圧Ｖ（ｆ）として出力する回路としても良い。
【００２１】
制御部１４は、測定電圧Ｖ（ｆ）を受けて、その測定電圧Ｖ（ｆ）をアナログ／デジタル変換回路によりデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された測定電圧Ｖ（ｆ）は、既存の高速フーリエ変換法等を用いて、周波数スペクトルに変換される。
【００２２】
図４に、測定電圧Ｖ（ｆ）に対してフーリエ変換を行って得られた周波数スペクトルの例を示す。測定電圧Ｖ（ｆ）には、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の回転周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を基本周波数とする交流電圧が重畳されているため、周波数スペクトルの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３近傍に電圧値Ｖ_ｆ１，Ｖ_ｆ２，Ｖ_ｆ３が現れる。電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が正常に動作している場合には、各電圧値Ｖ_ｆ１，Ｖ_ｆ２，Ｖ_ｆ３は破線で示される正常範囲内に収まる。
【００２３】
ところが、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の巻線と接地点との間の浮遊容量が増加する等の異常が発生した場合、電圧値Ｖ_ｆ１，Ｖ_ｆ２，Ｖ_ｆ３の値に変化が生ずる。例えば、電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がそれぞれ回転周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３で動作している際に電動機Ｍ１の浮遊容量が増加したとすると、図５に示すように、測定電圧Ｖ（ｆ）の周波数ｆ１における電圧値Ｖ_ｆ１が正常範囲よりも大きくなる。すなわち、測定電圧Ｖ（ｆ）の各電圧値が正常範囲にない場合は電動機システムに異常が生じているものと判断することができる。
【００２４】
従って、周波数指定信号に基づいて定まる電動機の回転周波数に対応する測定電圧Ｖ（ｆ）の周波数成分の電圧値に基づいて電動機システムの異常を検出することができる。
【００２５】
また、主回路１０に複数の電動機が接続されている場合には、各電動機の回転周波数に対応する周波数成分の電圧値からどの電動機に異常が生じているのかを判断することもできる。
【００２６】
このとき、複数の電動機を同一の回転周波数で動作させていると、その回転周波数に対応する周波数成分に複数の電動機からの電圧が重畳してしまう。その結果、正確に異常を検出することができなくなる。
【００２７】
そこで、異常の検出を行う際に、制御部１４から電動機をそれぞれ異なる回転周波数で動作させるための周波数指定信号を出力し、その後、異常の検出を行うことも好適である。このとき、測定電圧Ｖ（ｆ）に重畳される電動機からの各電圧成分は回転周波数を中心に広がりを有するので、測定電圧Ｖ（ｆ）から各電動機の電圧成分を明確に分離できる程度に間隔を開けて回転周波数を設定することが好ましい。
【００２８】
本実施の形態では、デジタル信号に変換された測定電圧Ｖ（ｆ）に対してデジタル処理を行って周波数成分に分離したが、図６に示すように、通過周波数が可変である可変バンドパスフィルタを用いて、測定電圧Ｖ（ｆ）から電動機の回転周波数に対応する周波数成分を分離することもできる。
【００２９】
また、本実施の形態では、測定電圧Ｖ（ｆ）の電動機の基本周波数（回転周波数）に対応する周波数成分を用いたが、基本周波数の２倍高調波、３倍高調波等の高調波成分を用いても異常を検出することができる。
【００３０】
また、本実施の形態では、センサ回路１２により主回路１０内の一点と接地電位との間の電圧を測定し、その測定電圧の周波数成分から電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の異常を検出した。しかしながら、この方法に限られるものではなく、主回路１０の電磁気的な物理量、例えば、電流、電力、起磁力等の測定値の周波数成分から同様に異常を検出することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、電動機の異常を正確に検出することができる。また、複数の電動機を含む電動機システムにおいて、いずれの電動機が異常であるかを分離して検出することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電動機システムの構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるセンサ回路の例を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるセンサ回路の別の例を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態における測定電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における異常検出を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態における周波数成分分離回路を示すブロック図である。
【図７】従来の電動機システムを示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１０主回路、１２センサ回路、１４制御部、１６直流電源、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３電動機、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３インバータ回路。

Claims

電動機と、当該電動機に接続された主回路と、当該主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定する測定回路と、を備える電動機システムであって、
前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出手段を含むことを特徴とする電動機システム。
請求項１に記載の電動機システムにおいて、
前記主回路には複数の電動機が接続され、
前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出することを特徴とする電動機システム。
請求項２に記載の電動機システムにおいて、
異常を検出する際に前記各電動機を異なる回転周波数で運転させる回転周波数制御手段を含むことを特徴とする電動機システム。
請求項２又は３に記載の電動機システムにおいて、
前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値に基づいて異常である電動機を特定することを特徴とする電動機システム。
電動機に接続された主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定する測定回路を備える異常検出装置であって、
前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出手段を含むことを特徴とする異常検出装置。
請求項５に記載の異常検出装置において、
前記主回路に複数の電動機が接続されている場合に、前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出することを特徴とする異常検出装置。
請求項６に記載の異常検出装置において、
異常を検出する際に前記各電動機を異なる回転周波数で運転させる回転周波数制御手段を含むことを特徴とする異常検出装置。
請求項６又は７に記載の異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値に基づいて異常である電動機を特定することを特徴とする異常検出装置。
電動機に接続された主回路に設けられた測定点から電磁気的な物理量を測定し、当該物理量に基づいて異常を検出する異常検出方法であって、
前記物理量における前記電動機の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出する異常検出工程を含むことを特徴とする異常検出方法。
請求項９に記載の異常検出方法において、
前記主回路に複数の電動機が接続されている場合に、前記異常検出工程は、前記物理量における前記電動機毎の回転周波数に対応する周波数成分の値によって異常を検出することを特徴とする異常検出方法。