JP2007037323A - 単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置及びエアギャップ偏心検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ロータ回転中のエアギャップ偏心量及び偏心方向を測定することにより、正確にエアギャップの良否判定をすることができるようにする。
【解決手段】
主巻線または補助巻線に流れる交流電流を調整し、主巻線によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界か、補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界で、その交流電流の周期より小さい回転周期にてロータの回転が可能な駆動回路を構成し、エアギャップに誘起される磁束が一方に比べて大なる巻線の巻線方向と垂直方向に振動検出センサを装着し、回転駆動中に得られた振動の振動波形の振幅あるいは形状を計測することにより、ロータの位相により変化する上記エアギャップ偏心量とエアギャップ偏心方向を計算できるようにした。
【選択図】 図５

Description

この発明は、単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置及びエアギャップ偏心検査方法に関するものである。

従来、単相誘導機のエアギャップ偏心状態を計測するために、誘導電動機の主巻線または補助巻線のどちらか一方に低電圧を加え、電動機を回転させず拘束状態（単相ロック状態とも呼ぶ）とし、拘束状態において生じる振動をステータの半径方向より計測し、得られた振動波形と印加した電圧波形からエアギャップ偏心状態を計算する方法が例えば特許文献１（特開昭６０−１５２２６２）あるいは特許文献２（特開平６−２８４６５５）により既に知られている。

一般に単相誘導電動機は、図２３のように構成されており、ステータ６に主巻線１０（実線）と補助巻線１１（点線）が設けられている。例えば、主巻線１０のみに１００Ｖ仕様であれば３０−４０Ｖの電圧を印加すると、ロータ５は回転することなく停止した状態で、主巻線１０の電流により磁束ができ、ロータ５に磁気吸引力が作用し、電磁振動を発生させる。上述の特許文献のものは、上記電磁振動に着目して電動機のステータの半径方向の振動を検出し、その振動波形と主巻線１０に印加した電圧波形との関係により、エアギャップの偏心方向および大きさを検出するようにしたものである。

図２４はその検査方法の概略図を示しており、弾性体（図示されていない）上に置かれた電動機のフレーム（図示されていない）に加速度ピックアップ１３を取り付け、この出力を図示されていない増幅器を経てブラウン管オシロスコープに入力し、これに振動波形が描かれるようになっている。一方、電動機には、３０−４０Ｖの低電圧が印加され、この電圧も前記ブラウン管オシロスコープの他方のチャンネルに入力され電圧波形も同時に描き出されるようになっている。

例えば、図２４に示す如くエアギャップ３がδ１とδ２のように大きさが異なった場合、印加された電圧により電流が流れて磁束が発生し、磁束が最大の時磁気吸引力も最大となるので、磁束が最大の時にロータがエアギャップの小さいδ１側に移動する動きを生じる（矢印参照）。図２５は上記とは逆にエアギャップ３のδ２側が小さい場合を示しており、同じく磁束が最大の時にエアギャップの小さいδ２側に動きを生ずる（矢印参照）ものである。図２６はその動作波形の一例を示すもので、図２６(a)は図２４の状態の時であり、図２６(b)は図２５の状態に対応している。それぞれのイの実線は電圧波形、破線は磁束の波形を示し、電圧の波形よりπ/2遅れている。また、ロは磁束により吸引力が生じそれによって発生する振動波形を示している。

図２６(a)は磁束が最大の時（○印）に振動も最大となっており（●印）、このときの電圧波形は下りのスロープ（□印）の位置である。一方、図２６(b)は、磁束が最大の時（○印）に振動は最小となっている（●印）。上記のように磁束の最大点＝電圧はπ/2進み、下りのスロープの時の振動波形が最大か最小かによってエアギャップの大きさの状態を判別することができる。また振幅Ｄが小さければ振動が小さいことにより、エアギャップの偏心の小さいことを現している。したがって、上記のことより、エアギャップの偏心方向およびその大きさの検出が可能となるものである。

特開昭６０−１５２２６２ 特開平６−２８４６５５

ところが、上述のような検査方法を用いて計測を行う場合、下記のような問題がある。
実際の製品では、部品の加工精度や組立精度により、回転中心である主軸１０４に対してロータ１０３が偏心していたり、湾曲していたりするため、主軸１０４が回転した際、ロータ１０３とステータ１０５の間の最小エアギャップ位相が変化する。図２７はロータ１０３が主軸１０４の回転中心に対して偏心して組み付けられている場合のエアギャップ偏心の模式図であり、(a)は主軸１０４の位相（ロータ位相）が０度の時のE-E断面図であり、（b）は主軸１０４が回転し、主軸１０４の位相が１８０度の時のF-F断面図をそれぞれ示している。

すなわち、図２７（a）の（ロ）では左側にエアギャップ最小位相があるが、図２７(b)の（ロ）では右側にエアギャップ最小位相が存在する。また上記の他にも、ステータ１０５が主軸１０４の回転中心に対して偏心して位置決めされていたり、かつ主軸１０４がロータ１０３に対して偏心している場合では、主軸１０４の位相によりエアギャップ偏心量がロータ１０３の回転位相により様々に変化する場合が存在する。

図２８は、ステータ１０５が主軸１０４の回転中心に対して偏心して位置決めされており、かつロータ１０３が主軸１０４に対して偏心している場合の模式図であり、（a）は主軸１０４に対するロータ１０３の偏心方向とステータ１０５の偏心方向が同一である場合(０度位相)を、（b）は主軸１０４が回転し、主軸１０４に対するロータ１０３の偏心方向とステータ１０５の偏心方向が逆になる場合（180度位相）をそれぞれ示している。すなわち、図２８（a）の（ロ）ではエアギャップ偏心量が小さいが、図２８（ｂ）の（ロ）では、エアギャップ偏心量が大きい。
なお、図２９は、主軸１０４に対してロータが湾曲している場合のエアギャップ偏心の模式図を示している。

このように、実際の製品のエアギャップ偏心状態は、部品の加工精度や、組立精度により、主軸１０４に固定されたロータ１０３の回転位相により様々に変化する。
その結果、従来技術のように低電圧を印加し、ロータが回転することのない停止状態で、振動を計測することで、エアギャップ偏心状態を計測する方法では、ロータの位相を考慮していないため、エアギャップの良否判定に誤りが発生する。
例えば、図２８(a)の0 deg位相にて偏心量を測定すれば、偏心量が小さいため良品と判断されたとしても、図２８(b)の１８０deg位相にて偏心量を測定すれば、比較的に偏心量が大きいため、良品と判定されないというようにロータ１０３の位相により異なった判定結果となる問題が発生していた。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ロータ１０３の位相により変化するエアギャップ偏心状態（偏心量及び方向）を精度よく測定するとともに、得られた偏心計測結果より、エアギャップの良否判定を確実に行うことができる検査方法および検出装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置においては、上記課題を解決するために、主巻線または補助巻線に流れる交流電流を調整し、主巻線によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界か、補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界で、その交流電流の周期より小さい回転周期にてロータの回転が可能な駆動回路を構成し、エアギャップに誘起される磁束が一方に比べて大なる巻線の巻線方向と垂直方向に振動計測手段（振動検出センサ）を装着し、回転駆動中に得られた振動の振動波形の振幅あるいは形状を計測することにより、ロータの位相により変化する上記エアギャップ偏心量とエアギャップ偏心方向を計算できるようにしている。

また、本発明に基づく単相誘導機エアギャップ偏心検査方法においては、上記課題を解決するために、主巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを、補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくし、ロータを磁束の周期より小さい回転周期にて回転し、生じた振動を主巻線の巻線方向と垂直な方向より計測し、得られた振動波形の振幅あるいは形状より、ロータの位相により変化する主巻線の巻線方向のエアギャップ偏心状態の変化を計算するようにしたものである。

また、同様に補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを、主巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくし、ロータを磁束の周期より小さい回転周期にて回転し、生じた振動を補助巻線と垂直な方向より計測し、得られた振動波形の振幅あるいは形状より、ロータの位相により変化する補助巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップ偏心状態の変化を計算するようにしたものである。

本発明は上記のように構成したので、次のような優れた効果を有する。すなわち、
（１）補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線によりエアギャップに誘起される磁束に比べて小さい条件にて、磁束の周期より小さい回転周期にてロータが回転される際に生じる主巻線の巻線方向と垂直な方向の振動の大きさは、主巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップの偏心量に応じて変化する。よって、ロータの位相により変化する振動の大きさを介して、主巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップ偏心量及び偏心方向を計算することができる。

（２）主巻線によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束に比べて小さい条件にて、磁束の周期より小さい回転周期にてロータが回転される際に生じる補助巻線の巻線方向と垂直な方向の振動の大きさは、補助巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップの偏心量に応じて変化する。よって、ロータの位相により変化する振動の大きさを介して、補助巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップ偏心量及び偏心方向を計算することができる。
（３）上記にて得られたエアギャップ偏心計算結果より、ロータの位相により変化するエアギャップ偏心状態を精度よく計算できるので、エアギャップ偏心状態の良否を確実に判定することができる。

実施の形態１．
本発明に基づく単相誘導機のエアギャップ偏心検査方法及びエアギャップ偏心検出装置について図を参照して詳細に説明する。
図１に本発明を適用する製品例として、単相誘導機を内在する冷凍・空調機用の圧縮機の縦方向断面図を示している。図２は図１の矢視Ｂから見た横方向断面図である。

図中、１０３、１０５は単相誘導機の主要部品であるロータ及びステータであり、ロータ１０３とステータ１０５の間の円筒状の空間には、エアギャップ１００が存在する。ステータ１０５は圧力容器であるシェル１０２に焼嵌め固定され、ロータ１０３は主軸１０４と焼嵌めにより一体に固定されている。主軸１０４はフレーム１０６、シリンダヘッド１０９内に内在するすべり軸受（図示されていない）によって支持されている。フレーム１０６、シリンダヘッド１０９はシリンダ１０７にボルト（図示されていない）にて固定されており、シリンダ１０７はシェル１０２に３点ある溶接点１０８（図３にて１点のみ図示している）にて溶接固定されている。

１１０はステータ１０５に設けられた図２に示す主巻線１１４および補助巻線１１３へ電流を供給する端子であり、シェル１０２に対して溶接固定されている。シェル１０２には圧縮前の気体の吸入口であるマフラ１１２及び圧縮した気体を外部へ排出する吐出パイプ１１１がロウ付けにより固定されており、圧縮前の気体はマフラ１１２より吸入されたあとシリンダ１０７内にて圧縮されフレーム１０６からシェル１０２内に吐出された後、吐出パイプ１１１を通ってシェル１０２の外に吐出される。なお、１１５は主軸１０４の一部に軸方向に設けられた切欠きを示す。

図３は上記した単相誘導機を内在する冷凍空調機用圧縮機を被計測体としたエアギャップ偏心検出装置の概略断面図である。図４は、図３の矢視Ａから見た横方向断面図である。 図中、１１７は、端子１１０を介して圧縮機内の単相誘導機に通電するための接続端子である。１１８は、通電した際に生じる振動を計測する振動計測手段となる加速度ピックアップであり、図４に示すように主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束と垂直方向に設けられた第１の加速度ピックアップ１１８aと、また補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束と垂直方向に設けられた第２の加速度ピックアップ１１８bから構成され、互いに９０°ずらせて配置されている。

この加速度ピックアップ１１８a、１１８bは、加速度ピックアップ前進シリンダ１２０により、半径方向に移動可能であり、振動計測時にはピックアップ除振材１１９を介してシェル１０２に押し付けられ、通電した際に生じる振動を測定する。１２２は圧縮機が加速度ピックアップシリンダ１２０の半径方向の力により計測ユニットベース板１２５に対して横転することを防止するためのクランプ爪であり、クランプ除振材１２１を介してクランプシリンダ１２３の推力により、シェル１０２を横方向から把持することができる。シェル１０２の下にはワーク除振材１２４が配置されている。計測ユニットベース板１２５の下には防振材１２６が配置されており、計測部に外部からの振動が伝播することを防止している。

１２８は、通電した際に生じた振動波形からエアギャップ偏心量及び偏心方向を計算する計算手段となるコンピュータ、１１６は計算結果を表示するコンピュータの表示器、１３０は加速度ピックアップ１１８の電気信号を増幅処理する加速度ピックアップアンプ、１２９は加速度ピックアップアンプ１３０により増幅された信号をコンピュータに取り込むためのＡ/Ｄボードである。１２７は主巻線１１４及び補助巻線１１３に通電する交流電圧の電圧調整手段となる電圧調整器、１３１、１３２は通電した際に生じる、主巻線１１４あるいは補助巻線１１３に流れる交流電流の大きさを調整するための電流変化手段の一部を構成する抵抗器及びコンデンサである。１３３は電気機器類を固定するための架台である。

図５は本装置を用いたエアギャップ偏心検査方法を示すフローチャート図である。また図６は主巻線磁束大設定時の単相誘導電動機の駆動回路の模式図、図７は補助巻線磁束大設定時の単相誘導電動機の駆動回路の模式図を示している。
以下、本フローチャートに従って本実施の形態による単相誘導機のエアギャップ偏心検査方法の詳細について図１から図４を参照しながら説明する。
ステップ１（以下ＳＴ１と記す）で先ず被計測体をワーク除振材１２４の上に載置し、ＳＴ２でクランプシリンダ１２３を用いて左右のクランプ爪１２２を前進させ、シェル１０２を横方向からクランプし、ワークを把持する。

続いて、ＳＴ３で加速度ピックアップシリンダ１２０を用いて加速度ピックアップ１１８を前進させ、主巻線１１４の巻線方向と垂直方向（図４では１１８a）及び補助巻線１１３の巻線方向と垂直方向（図４では１１８b）から、加速度ピックアップ１１８a、１１８bをシェル１０２に対して押し付ける。ＳＴ４で接続端子１１７と端子１１０を接続し、同時に図６に示す単相誘導機の駆動回路において、主巻線スイッチ１３８の接続先を接点Ｂ：１３７側とする。

次にＳＴ５において、上記駆動回路において、補助巻線スイッチ１４０の接続先を接点Ｃ：１４１側とし、補助巻線１１３に直列に補助巻線抵抗器１４２及び補助巻線コンデンサ１４３を接続する。これにより主巻線１１４に流れる電流を大、補助巻線１１３に流れる電流を小となるように個々の巻線に流れる電流を調整して、通電時に生じる主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくする。図８はこのときの個々の巻線の磁束波形を示す図である。図中（a）は主巻線磁束の大きさ、（b）は補助巻線磁束の大きさを表している。

ＳＴ６では、交流電源１３９の電圧を電圧調整器１２７により特定の電圧に調整する。
続いてＳＴ７では、この状態で一定時間通電し、加速度ピックアップ１１８aにて主巻線１１４の巻線方向と垂直な方向より、振動を計測する。振動データは、加速度ピックアップアンプ１３０により増幅され、Ａ/Ｄボード１２９を介してコンピュータ１２８に取込まれ、コンピュータ１２８に保存される。ＳＴ８ではＳＴ７で計測された振動波形の形状からコンピュータ１２８により、主巻線１１４の巻線方向と垂直方向のエアギャップ偏心方向及びエアギャップ偏心量を求める。

以上は主巻線磁束大設定時の検査フローを説明したが、次に補助巻線大設定時の検査フローを説明する。すなわちＳＴ９では、図７に示す駆動回路において、主巻線スイッチ１３８の接続先を接点Ａ：１３６側とし、主巻線１１４に直列に主巻線抵抗器１３５及び主巻線コンデンサ１３４を接続し、続いてＳＴ１０において補助巻線スイッチ１４０の接続先を接点Ｄ：１４４側とする。このように個々の巻線に流れる電流を調整し、通電時に生じる補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくする。図９はこのときの個々の巻線の磁束波形を示す図である。図中（a）は主巻線磁束の大きさ、（b）は補助巻線磁束の大きさを表している。なお、上記主巻線スイッチ１３８、主巻線抵抗器１３５及び主巻線コンデンサ１３４からなる主巻線用切替え回路、及び補助巻線スイッチ１４０、補助巻線抵抗器１４２及び補助巻線コンデンサ１４３からなる補助巻線用切替え回路は電流変化手段の一例を構成するものである。

ＳＴ１１では電圧調整器１２７により特定の電源電圧に調整する。
ＳＴ１２では、この状態で一定時間通電し、加速度ピックアップ１１８bにて補助巻線１１３の巻線方向と垂直な方向より、振動を計測する。振動データは、加速度ピックアップアンプ１３０により増幅され、Ａ/Ｄボード１２９を介してコンピュータ１２８に取込まれ、コンピュータ１２８に保存される。ＳＴ１３ではＳＴ１２で計測された振動波形の形状からコンピュータ１２８により、補助巻線１１３の巻線方向と垂直方向のエアギャップ偏心方向及びエアギャップ偏心量を求める。

上記検査フローの後、ＳＴ１４ではＳＴ８、ＳＴ１３で計測されたエアギャップ（AG）偏心量より、エアギャップの良否を判定し、表示機１１６に結果を表示する。
続いてＳＴ１５で、加速度ピックアップシリンダ１２０を用いて加速度ピックアップ１１８を後退させ、ＳＴ１６でクランプシリンダ１２３を用いてクランプ爪１２２を後退させる。最後にＳＴ１７でワークを装置より取り除く。

ここで、ＳＴ４、ＳＴ５において接続される補助巻線抵抗器１４２の大きさ及び補助巻線コンデンサ１４３の容量、ＳＴ６において調整される電圧の大きさ、ＳＴ９、ＳＴ１０において接続される主巻線抵抗器１３５の大きさ及び補助巻線コンデンサ１３４の容量、ＳＴ１１において調整される電圧の大きさは、各巻線に流れる交流電流の周期の2/3以下の回転周期にてロータ１０３が回転するように調整された抵抗の大きさ、コンデンサ容量、電圧の大きさであり、様々な値の組み合わせが存在する。また、ここでそれぞれの巻線によりエアギャップに誘起される磁束を調整する手段として、電圧調整器、コンデンサ、抵抗器を用いたが、巻線の電流を調整する電流調整器を用いてもよい。

一般に磁束と直行する方向のギャップに不平衡がある場合、ギャップの狭い方向にロータ１０３が移動する。磁束を生じさせる巻線電流の電源が交流の場合、例えば単相２極誘導機であれば、巻線電流の周期と振動電流の周期との関係は、図１０のようになる。図１０において、(a)は振動電流の波形を、（b）は巻線電流の波形をそれぞれ示しており、これから振動電流は交流電源の周波数の倍の振動が発生する。
図１１は主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大きい場合の磁界の様子を表した模式図であり、図では主巻線１１４の巻線方向と直行するギャップＡ〜ギャップＢ方向にて不平衡が生じているため、ギャップの狭いギャップＡ方向に不平衡磁気吸引力（矢印）が作用し、ギャップＡ方向にロータ１０３が移動する。逆にギャップＢがギャップＡに比べて狭い場合は、ギャップＢ方向に不平衡磁気吸引力が作用し、ギャップＢ方向にロータ１０３が移動する（図示せず）。

図１２は補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大きい場合の磁束の様子を表した模式図であり、図では補助巻線１１３の巻線方向と直行するギャップＣ〜ギャップＤ方向にて不平衡が生じているため、ギャップの狭いギャップＤ方向に不平衡磁気吸引力（矢印）が作用し、ギャップＤ方向にロータ１０３が移動する。逆にギャップＣがギャップＤに比べて狭い場合は、ギャップＣ方向に不平衡磁気吸引力が作用し、ギャップＣ方向にロータ１０３が移動する（図示せず）。

図１３及び図１４は、振動波形の形状よりエアギャップ偏心方向を計算する方法を説明するもので、エアギャップ偏心方向と加速度ピックアップ押し付け方向（振動計測方向）及び計測波形を示すものである。図１３は加速度ピックアップの押付け方向と逆方向にエアギャップ小位相が存在する場合のエアギャップ偏心の概略図（a）及び振動波形の模式図(b)であり、図１４は加速度ピックアップの押付け方向と同方向にエアギャップ小位相が存在する場合のエアギャップ偏心の概略図（a）及び振動波形の模式図(b)である。
図１３のように加速度ピックアップ１１８の押し付け方向とエアギャップ偏心方向が逆である場合には、振動波形は正方向に大きく振れる波形となる。ゆえに振動の１周期において、正方向の絶対値と負方向の絶対値の大きさを比較すると、正方向の絶対値の方が大きい。

逆に図１４のように加速度ピックアップ１１８の押し付け方向とエアギャップ偏心方向が同じである場合には、振動波形は負方向に大きく振れる波形となる。ゆえに振動の１周期において、正方向の絶対値と負方向の絶対値の大きさを比較すると、負方向の絶対値の方が大きい。従って、前述のＳＴ８あるいはＳＴ１３において、得られた振動の１周期において、正方向の振動の強さの絶対値と負方向の振動の強さの絶対値を比較し、絶対値の大きい方向の符号が、エアギャップ偏心方向（エアギャップ狭方向）である性質を用いて、エアギャップ偏心方向を計算する。

エアギャップ偏心量は、主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大きい場合の駆動回路(図６)、及び補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大きい場合の駆動回路（図７）のそれぞれにおいて、前もってそれぞれの巻線方向と直行する方向のエアギャップ偏心量と振動の強さの絶対値の関係を調査しておくことにより、振動の強さの絶対値からエアギャップ偏心量を計算することができる。

図１５は本発明により計測される振動波形を示した概略図である。図１６は振動の強さと巻線（磁束）と直行する方向のエアギャップ偏心量（ロータ１０３のステータ１０５に対する芯ずれ量）の関係を示した模式図である。
ここで、振動の強さの絶対値は、正方向の振動、負方向の振動のうち、振動の絶対値の大きい方向の振動の絶対値の平均値（図１５ではＦavg+）でも、正方向の振動の強さの絶対値の平均値（図１５ではＦavg+）と負方向の振動の強さの絶対値の平均値（図１３ではＦavg-）の平均値、あるいは振動の実効値でもよい。

ＳＴ4からＳＴ６において通電時の主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束を補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大とするのは、ロータ１０３回転時に主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束により主巻線１１４の巻線方向と垂直方向のエアギャップ狭方向にロータ１０３が移動する力が、補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束により補助巻線１１３の巻線方向と垂直方向のエアギャップ狭方向にロータ１０３が移動する力に比べて大きくなり、これによって補助巻線１１３と垂直方向のロータ１０３の振動に比べて、主巻線１１４と垂直方向のロータ１０３の振動が大きくなるためである。最も好ましい状態では、補助巻線１１３と垂直方向のロータ１０３の振動する力が主巻線１１４と垂直方向のロータ１０３の振動する力と比較して無視できるほど小さい状態とすることができる。その結果、主巻線１１４方向と垂直方向のエアギャップ偏心量を正確に計算することができる。

同様にＳＴ９からＳＴ１１において通電時、補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束を主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束に比べて大とするのは、ロータ１０３回転時に補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束により補助巻線１１３の巻線方向と垂直方向のエアギャップ狭方向にロータ１０３が移動する力が主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束により主巻線１１４の巻線方向と垂直方向のエアギャップ狭方向にロータ１０３が移動する力に比べて大きくなり、これによって主巻線１１４と垂直方向のロータ１０３の振動に比べて、補助巻線１１３と垂直方向のロータ１０３の振動が大きくなるためである。最も好ましい状態では、主巻線１１４と垂直方向のロータ１０３の振動する力が補助巻線１１３と垂直方向のロータ１０３の振動すする力に比べて無視できるほど小さい状態とすることができる。その結果、補助巻線１１３方向と垂直方向のエアギャップ偏心量を正確に計算することができる。

よって、上記ＳＴ4からＳＴ６、ＳＴ９からＳＴ１１においては、通電時の主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束と補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束の差が大きいほど正確なエアギャップ偏心計測結果を得られる。
ＳＴ４からＳＴ６においてあるいはＳＴ９からＳＴ１１において、電圧調整器１２７において特定の電源電圧を調整し、磁束の周期（この場合電源の周波数に等しい）の2/3以下の回転周期にてロータ１０３が回転するように調整するのは、図１０のようにロータ１０３の振動は、電源周波数の２倍の周期で振動するから、ロータ１０３が１回転する間に少なくとも３周期の振動が生じることにより、ロータ１０３の１回の回転あたり３位相のエアギャップ偏心量及び偏心方向を計算することができる。したがって、磁束の周期より低速であればあるほど、正確なエアギャップ偏心状態を求めることができる。

また、ＳＴ１４にて、良否を判定する方法は、前もって良品とされるエアギャップ偏心の大きさを主巻線１１４の巻線方向、補助巻線１１３の巻線方向でそれぞれ計測しておき、計測された主巻線１１４の巻線方向及び補助巻線１１３の巻線方向の偏心の大きさがそれぞれ大きいか小さいかで良否を判定する方法、あるいは、前もって良品とされる単相誘導機の主巻線１１４の巻線方向の偏心ベクトルと補助巻線１１３の巻線方向の偏心ベクトルの絶対値が、計測された偏心ベクトルの絶対値より大きいか小さいかで良否を判定する方法がある。

以上のように、本実施の形態によれば、部品の加工精度や、組立精度により主軸１０４の回転中心に対してロータ１０３が偏心していたり、湾曲していたりしていたりすることにより、主軸１０４が回転した際、ロータ１０３とステータ１０５の間のエアギャップが変化する場合においても、エアギャップ偏心量及びエアギャップ偏心方向を精度よく計算することができるので、正確にエアギャップの良否を判定することができる。

実施の形態２．
図１７は、本発明の実施の形態２にて説明する検査方法を示すフローチャート図である。以下、本フローチャートに従って本装置を用いたエアギャップ偏心検査方法の詳細について説明する。図５において説明した実施の形態１と異なる部分は、交流電源１３９に周波数変換器１４５を追加し、電源周波数を調整できるようにした点である。図１８は主巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図であり、図１９は補助巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図である。以下、図１７のフローチャートに従い説明する。

ＳＴ１：被計測体をワーク除振材１２４の上に載置する。
ＳＴ２：クランプシリンダ１２３を用いて図左右のクランプ爪１２２を前進させ、シェル１０２を横方向からクランプし、ワークを把持する。
ＳＴ３：加速度ピックアップシリンダ１２０を用いて加速度ピックアップ１１８を前進させ、主巻線１１４の巻線方向と垂直方向（図４では１１８a）及び１１３補助巻線の巻線方向と垂直方向（図４では１１８b）から、加速度ピックアップ１１８をシェル１０２に対して押し付ける。

ＳＴ４：接続端子１１７と端子１１０を接続し、図１８に示す駆動回路において、主巻線スイッチ１３８の接続先を接点Ｂ ：１３７側とする。
ＳＴ５：図１８６に示す駆動回路において、補助巻線スイッチ１４０の接続先を接点Ｃ ：１４１側とし、補助巻線１１３に直列に補助巻線抵抗器１４２及び補助巻線コンデンサ１４３を接続し、個々の巻線に流れる電流を調整し、図８にように通電時に生じる主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくする。

ＳＴ６−１：周波数変換器１４５により特定の電源電圧周波数に調整する。
ＳＴ６−２：電圧調整器１２７により特定の電源電圧に調整する。
ＳＴ７：通電し、加速度ピックアップ１１８aにて主巻線１１４の巻線方向と垂直方向より、振動を計測する。振動データは、加速度ピックアップアンプ１３０により増幅され、Ａ/Ｄボード１２９を介してコンピュータ１２８に取込まれ、コンピュータ１２８に保存される。

ＳＴ８：ＳＴ７で計測された振動波形の形状からコンピュータ１２８により、主巻線１１４の磁束方向と垂直方向のエアギャップ偏心方向及びエアギャップ偏心量を求める。
ＳＴ９：図１９に示す駆動回路において、主巻線スイッチ１３８の接続先を接点Ａ： １３６側とし、主巻線に直列に主巻線抵抗器１３５及び主巻線コンデンサ１３４を接続し、個々の巻線に流れる電流を調整し、図９のように通電時に生じる補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きくする。

ＳＴ１０：図１７に示す駆動回路において、補助巻線スイッチ１４０の接続先を接点Ｄ ：１４４側とする。
ＳＴ１１−１：周波数変換器１４５により特定の電源電圧周波数に調整する。
ＳＴ１１−２：電圧調整器１２７により特定の電源電圧に調整する。
ＳＴ１２：通電し、加速度ピックアップ１１８にて補助巻線１１３の巻線方向と垂直方向より、振動を計測する。振動データは、加速度ピックアップアンプ１３０により増幅され、Ａ/Ｄボード１２９を介してコンピュータ１２８に取込まれ、コンピュータ１２８に保存される。

ＳＴ１３：ＳＴ１２で計測された振動波形の形状からコンピュータ１２８により、補助巻線１１３巻線方向と垂直方向のエアギャップ偏心方向及びエアギャップ偏心量を求める。
ＳＴ１４：ＳＴ８、ＳＴ１３で計測されたエアギャップ偏心量より、エアギャップの良否を判定し、表示機１１６に結果を表示する。
ＳＴ１５：加速度ピックアップシリンダ１２０を用いて加速度ピックアップ１１８を後退させる。
ＳＴ１６：クランプシリンダ１２３を用いてクランプ爪１２２を後退させる。
ＳＴ１７：ワークを装置より取り除く。

ここで、ＳＴ４、ＳＴ５において接続される補助巻線抵抗器１４２の大きさ及び補助巻線コンデンサ１４３の容量、ＳＴ６−１において調整される電源周波数、ＳＴ６−２において調整される電圧の大きさ、ＳＴ９、ＳＴ１０において接続される補助巻線抵抗器１３５の大きさ及び補助巻線コンデンサ１３４の容量、ＳＴ１１−１において調整される電源周波数、ＳＴ１１−２において調整される電圧の大きさは、磁束の周期の2/3以下の回転周期にてロータ１０３が回転するように調整された抵抗器の大きさ、コンデンサ容量、電圧の大きさであり、様々な値の組み合わせが存在する。また、ここでそれぞれの巻線によりエアギャップに誘起される磁束を調整する手段として、電圧調整器、コンデンサ、抵抗器を用いたが、巻線の電流を調整する電流調整器を用いてもよい。

この実施の形態２によれば、ロータ１０３の振動周波数、およびロータ１０３の回転周期を様々に変化させることができ、下記のような効果がある。すなわち、主軸受（図示されていない）には油が塗布されており、高速に主軸１０４が回転すると、上記主軸受に油膜反力が発生し、これが計測される振動に誤差を発生させる可能性がある。また、誘導機では、電源周波数によりロータ１０３の回転数が変化する。よって、ＳＴ６−１あるいはＳＴ１１−１において、電源周波数を調整することにより、主軸１０４の回転速度を低速にして、上記油膜反力の影響を最小限に抑えることができる作用がある。
また、電源周波数の整数倍が単相誘導機の固有振動数に等しい場合、共振するため、計測される振動が大きくなり、振動の方向の測定が困難になる可能性がある。ＳＴ６−１あるいはＳＴ１１−１において、電源周波数を調整することにより、共振周波数を避けるように構成することができる作用がある。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３にて説明する検査方法を図２０、図１５を用いて説明する。図２０(a)(b)は、ロータ位相を９０°変化させた場合のエアギャップ偏心の概略図及び計測される振動波形の模式図を示すものである。
実施の形態１あるいは実施の形態２のＳＴ８、１３においては、振動の1周期よりエアギャップ偏心方向を決定する方法を示したが、図２０(b)のＤ断面ようにエアギャップ偏心量（ギャップHとギャップGのギャップ差）が小さく、振動波形の検出が不可能であったり、外乱により振動波形の検出精度が低下し振動波形の正負の判別が不可能であったり、図２７のようにエアギャップ最小位相が変化する場合は、振動の1周期では偏心方向を計算することが困難な場合がある。

そこで、図１５のように主軸１０４一回転中の正方向の振動と負方向の振動を分離し、それぞれの振動の大きさの絶対値の平均を比較することにより、主軸１０４の１回転中の平均的なエアギャップ偏心方向を計測することができる。
また、図１５の主軸１０４の１回転中の振動の大きさのばらつきσfは、ロータ１０３の偏心、ロータの部品の加工精度や組立精度によるものであるから、ばらつきσfの大小を製品の良否の判定基準として用いることができる。

実施の形態４．
図２１は、実施の形態１において交流電源１３９にノイズフィルタ１４６が接続される場合の駆動回路である。 なお、図２１はＳＴ4〜６の主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束より大の駆動条件の回路図を示しているが、ＳＴ９〜１１の補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束より大の駆動条件の場合も同様の位置にノイズフィルタを配置する。

電源電圧に電源以外のノイズ電圧が含まれる場合、通電した際に発生する振動の大きさとエアギャップ偏心量の関係が変化し、正確なエアギャップ偏心量の計算ができない。
そこで、図２１のようにノイズフィルタ１４６を配置することにより、上記ノイズが含まれた場合の精度悪化を低減することができる。
図２２は、実施の形態２において周波数変換器１４５にノイズフィルタ１４６が接続される場合の駆動回路である。なお、図２２はＳＴ4〜６−２の主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束より大の駆動条件の回路図を示しているが、ＳＴ９〜１１−２の補助巻線１１３によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線１１４によりエアギャップに誘起される磁束より大の駆動条件の場合も同様の位置にノイズフィルタを配置する。

周波数変換器から出力される電圧に高周波の電圧が含まれる場合、通電した際に発生する振動の大きさとエアギャップ偏心量の関係が変化し、正確なエアギャップ偏心量の計算ができない。図２２のようにノイズフィルタ１４６を配置することにより、上記高周波電圧が含まれた場合の精度悪化を低減することができる。

なお、上記実施の形態１または２においては、インピーダンス固定型のコンデンサ・抵抗器を駆動回路に組み込むようにしたが、可変型のコンデンサ・抵抗器を使用してもよく、その場合多機種の単相誘導機に対応する駆動回路を比較的安価に構成できる。
また、交流印加時に発生する主巻線１１４磁束と補助巻線１１３磁束の大きさの比を調整する手段にコンデンサと抵抗器を用いたが、リアクタンスを接続して各巻線のインピーダンスを調整してもよい。

更に、図１では計測体に押し付け振動を測定するタイプのピックアップを図示したが、マグネットあるいは接着剤等にて装着するタイプを用いてもよく、その場合、シェルをクランプするクランプ機構を及びシリンダを設置する必要がないため、検出装置を安価に構成することができる。また、振動を計測するセンサとして加速度ピックアップを用いたが、加速度を計測するタイプでなく、速度、あるいは変位を測定できるものでもかまわない。

また、通電の際発生する振動の周波数は一般に電源周波数の整数倍であるから、振動を計測する手段において、加速度ピックアップあるいはアンプには、特定周波数のみを記録する振動検出器あるいはバンドパスフィルター内蔵のタイプを用いてもよい。この場合、装置外部からの振動を遮断することができるため、高精度に通電により発生する振動を計測することができる。

単相誘導機を内在する冷凍・空調機用の圧縮機の縦方向断面図、 図１矢視Bから見た横方向断面図、 本発明のエアギャップ検出装置の概略図、 図３矢視Aから見た横方向断面図、 本発明の実施の形態１に関わるエアギャップ検査方法を示したフローチャート図、 主巻線磁束大設定時の単相誘導電動機の駆動回路の模式図、 補助巻線磁束大設定時の単相誘導電動機の駆動回路の模式図、 主巻線磁束大時の磁束波形図、 補助巻線磁束大時の磁束波形図、 巻線電流の周期と振動波形の周期の関係を示した模式図、 主巻線磁束大時の不平衡磁気吸引力作用方向を示した模式図、 補助巻線磁束大時の不平衡磁気吸引力作用方向を示した模式図、 加速度ピックアップの押付け方向と同方向にエアギャップ小位相が存在する場合のエアギャップ偏心の概略図及び振動波形の模式図、 加速度ピックアップの押付け方向と逆方向にエアギャップ小位相が存在する場合のエアギャップ偏心の概略図及び振動波形の模式図、 ロータ位相を変化させた場合の振動の大きさのばらつきを説明した模式図、 振動の強さと磁束と直行する方向のエアギャップ偏心量の関係を示した模式図、 本発明実施の形態２に関わるエアギャップ検査方法を示したフローチャート図、 本発明の実施の形態２における主巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図、 本発明の実施の形態２における補助巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図、 ロータ位相を変化させた場合のエアギャップ偏心の概略図及び計測される振動波形の模式図、 本発明の実施の形態４における主巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図、 本発明の実施の形態２における補助巻線磁束大設定時の駆動回路を示す模式図、 従来例の単相誘導機の主要部概略図、 従来例の加速度ピックアップ取付方向と逆方向に偏心がある場合の模式図、 従来例の加速度ピックアップ取付方向に偏心がある場合の模式図、 (a)は図２４のエアギャップ偏心状態の際の振動波形・電圧波形・磁束波形の模式図であり、(b)は図２５のエアギャップ偏心状態の際の振動波形・電圧波形・磁束波形の模式図、 ロータが主軸の回転中心に対して偏心して組み付けられている場合のエアギャップ偏心の模式図、 ロータ及びステータが主軸の回転中心に対して偏心して組み付けられている場合のエアギャップ偏心の模式図、 ロータが湾曲している場合のエアギャップ偏心の模式図である。

符号の説明

１００ エアギャップ、 １０２ シェル、
１０３ ロータ、 １０４ 主軸、
１０５ ステータ、 １０６ フレーム、
１０７ シリンダ、 １０９ シリンダヘッド、
１１０ 端子、 １１１ 吐出パイプ、
１１２ マフラ、 １１３ 補助巻線、
１１４ 主巻線、 １１６ 表示器、
１１７ 接続端子、 １１８ 加速度ピックアップ、
１１８a 主巻線垂直方向加速度ピックアップ、
１１８b 補助巻線垂直方向加速度ピックアップ、
１１９ ピックアップ除振材、 １２０ 加速度ピックアップ前進シリンダ、
１２１ クランプ除振材、 １２２ クランプ爪、
１２３ クランプシリンダ、 １２４ ワーク除振材、
１２５ 計測ユニットベース板、 １２６ 防振材、
１２７ 電圧調整器、 １２８ コンピュータ、
１２９ Ａ/Ｄボード、 １３０ 加速度ピックアップアンプ、
１３１ 抵抗器、 １３２ コンデンサ、
１３３ 架台、 １３４ 主巻線コンデンサ、
１３５ 主巻線抵抗器、 １３８ 主巻線スイッチ、
１３９ 交流電源、 １４０ 補助巻線スイッチ、
１４２ 補助巻線抵抗器、 １４３ 補助巻線コンデンサ、
１４５ 周波数変換器、 １４６ ノイズフィルタ。

Claims (9)

1. 主軸と共に回転するロータと、主巻線と補助巻線とを備え前記ロータとの間でエアギャップを有するように配置されたステータとからなる単相誘導機において、交流電源を印加した際に、上記主巻線及び補助巻線のうち一方の巻線によりエアギャップに誘起される磁束が他方の巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい状態で、その磁束の周期より小さい回転周期にてロータを回転させる駆動回路と、上記磁束の大きい巻線の磁束と垂直方向における振動を計測する振動計測手段と、上記振動計測手段により計測された振動波形の振幅あるいは形状を分析して上記ロータの位相により変化する上記エアギャップ偏心量とエアギャップ偏心方向を計算する計算手段とを備えたことを特徴とする単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置。
2. 前記駆動回路は、前記主巻線または補助巻線に流れる交流電流をそのいずれか一方が大となるように変化させる電流変化手段と、前記主巻線と補助巻線に流れる交流電流に位相差を発生させ、磁束の周期の2/3以下の回転周期にてロータを回転させる電圧調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置。
3. 前記駆動回路は、前記主巻線または補助巻線に流れる交流電流の周波数を変更できる周波数変換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置。
4. 前記駆動回路は、前記主巻線または補助巻線に流れる交流電流のノイズを抑制するノイズフィルタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の単相誘導機のエアギャップ偏心検出装置。
5. 主軸と共に回転するロータと、主巻線と補助巻線とを備え前記ロータとの間でエアギャップを有するように配置されたステータとからなる単相誘導機のエアギャップ偏心検査方法において、
   上記主巻線または補助巻線に流れる交流電流を調整し、主巻線によりエアギャップに誘起される磁束が補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界か、補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束が主巻線によりエアギャップに誘起される磁束より大きい回転磁界で、ロータを回転させ、回転駆動中にエアギャップに誘起される磁束が一方に比べて大なる巻線の巻線方向と垂直方向における振動波形の振幅あるいは形状を計測することにより、ロータの位相により変化する上記エアギャップ偏心量とエアギャップ偏心方向を計算できるようにしたことを特徴とするエアギャップ偏心検査方法。
6. 前記主巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを前記補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きく設定する工程、
   前記主巻線と補助巻線に流れる交流電流に位相差を発生させるように設定し、交流電流を流し、交流電流の周期の2/3以下の回転周期にて前記ロータを回転する工程、
   前記主巻線の巻線方向と垂直な半径方向より振動を計測する工程、
   得られた振動の大きさ及び方向から、前記主巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップ偏心量と偏心方向を計算する工程、
   前記補助巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさを前記主巻線によりエアギャップに誘起される磁束の大きさより大きく設定する工程、
   前記補助巻線の巻線方向と垂直な半径方向より振動を計測する工程、
   得られた振動の大きさ及び方向から、前記補助巻線の巻線方向と垂直な方向のエアギャップ偏心量と偏心方向を計算する工程、
   上記で得られたエアギャップ偏心量及び偏心方向の結果から、エアギャップの良否を判定する工程、
   を備えたことを特徴とする請求項５に記載のエアギャップ偏心検査方法。
7. 前記主巻線と補助巻線に流れる交流電流に位相差を発生させ、交流電流を流し、交流電流の周期の2/3以下の回転周期にて前記ロータを回転する工程において、前記主巻線または補助巻線に流れる交流電流の周波数を変化させる工程を備えたことを特徴とする請求項６に記載のエアギャップ偏心検査方法。
8. エアギャップ偏心方向の計算工程において、振動の正成分と負成分のそれぞれの振幅の平均値を比較して求めることを特徴とする請求項６に記載のエアギャップ偏心検査方法。
9. エアギャップ偏心量及び偏心方向の結果から、エアギャップの良否を判定する工程において、前記主軸一回転中のエアギャップ偏心量のばらつきを計算することにより、エアギャップの良否を判定することを特徴とする請求項６に記載のエアギャップ偏心検査方法。

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