JP4473149B2 - 異常検出機能を有するファン - Google Patents

Description

本発明は、異常検出機能を有するファンに関し、より詳細には、モータ及びモータ制御装置に用いるラジアルファン及びアキシャルファン等のファンに関する。

各種ファンにおける、羽根等の回転部の破損、脱落及び回転数の低下又は停止等の異常を検出するためには、従来はモータの電流監視、光、磁気、超音波又は空圧等を利用した種々の方法が採用されている。例えば特許文献１には、電流周期に同期したパルス信号出力機能を有するファンを用いて、パルス周期が長くなったことをもって回転数の低下を判断する回転数異常検出装置が開示されている。

特開２００３−３０７１９４号公報

上述の光、磁気、超音波又は空圧等を利用した方法はいずれも、ファンの型式や使用条件によっては適用できない場合がある。さらに、上述の方法及び特許文献１に記載されるような電流監視又は電流周期に同期した信号等を利用する方法では、ファンの回転数の低下は検出できるが、ファンの回転部の破損や脱落等については検出できない。従ってそのような異常については目視によって確認しなければならない。

そこで本発明は、回転数低下だけでなく回転部の破損や脱落等の異常も検出可能であるとともに、使用条件が特には限定されない異常検出機能を備えたファンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、静止部と、前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、前記回転部に設けられる第１の電気回路と、前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、を有し、前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２のコイルをそれぞれ有し、前記第１及び第２のコイルは、前記回転部の回転軸を中心とした互いに略合同の楕円形状に巻かれた形状を有する、ファンを提供する。

請求項２に記載の発明は、静止部と、前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、前記回転部に設けられる第１の電気回路と、前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、を有し、前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２のコイルをそれぞれ有し、前記第１及び第２のコイルは、前記回転部の回転軸と一致しない中心を有する円形形状に巻かれた形状を有する、ファンを提供する。

請求項３に記載の発明は、静止部と、前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、前記回転部に設けられる第１の電気回路と、前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、を有し、前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２の電極をそれぞれ有し、前記第１及び第２の電極の各々は、前記回転部の回転軸について互いに略反対側に配置された２つの円弧を含む形状を有し、前記第１の電極の前記円弧及び前記第２の電極の前記円弧は互いに略等しい半径を有し、前記円弧の中心角は４５〜９０°の範囲内である、ファンを提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のファンにおいて、前記第１の電気回路は、前記回転部の一部の破損を検出するための電線を有する、ファンを提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載のファンにおいて、前記回転部は非磁性体から作製される、ファンを提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載のファンにおいて、前記回転部は非導電体から作製される、ファンを提供する。

本発明に係る異常検出機能を備えたファンによれば、ファンの静止部に設けられた第２の電気回路の異常検出回路により、ファンの回転数異常や不都合な停止を、目視に頼ることなく確実に検出することができる。この検出は、第１及び第２の電気回路にそれぞれコイル又は電極を設けた簡易な構成により達成可能である。また第１の電気回路が破損検出用電線を備えることにより、ファンの回転部の一部の破損も検出することができる。さらに、第１及び第２の電気回路がコイルを有する場合は回転部を非磁性体から作製し、あるいは第１及び第２の電気回路が電極を有する場合は回転部を非導電体から作製することにより、異常検出回路の誤動作を防止して精度の高い異常検出を行うことが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１に示す第１の実施形態のファン１０は、静止部１２と、静止部１２に回転可能に取付けられる回転部１４と、回転部１４に設けられる第１の電気回路１６と、静止部１２に設けられるとともに第１の電気回路１６と電磁気的に結合される第２の電気回路１８と、第２の電気回路１８に電気的に接続され、回転部１４の異常を検出する異常検出回路２０とを有する。ファン１０はいわゆるプロペラファンであり、回転部１４には複数の羽根２２が取付けられる。

図示するように、第１の電気回路１６は、回転部１４の回転軸Ｚを中心として略楕円形状に巻かれた第１のコイル２４を有し、第２の電気回路１８は、同じく回転軸Ｚを中心として略楕円形状に巻かれた第２のコイル２６を有する。第１及び第２のコイル２４及び２６は互いに隣接配置され、好ましくは、両コイル間の電磁気的結合の強弱をより明確にするために、互いに略合同である。また図２は、図１のファン１０の概略の等価回路を示す。異常検出回路２０は、このような構成によれば、回転部１４の回転数低下又は停止、及び回転部１４の位置ずれ又は脱落を容易かつ確実に検出することができる。そのことについて以下に説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）は、回転軸Ｚに垂直な面における第１及び第２のコイル２４及び２６の相対位置関係を、ファンの回転部の異なる回転位置について示す図である。上述のように第１及び第２のコイル２４及び２６はいずれも楕円形状を有することから、回転部１４の回転中は、両コイル間の電磁気的結合が弱い状態（図３（ａ））と強い状態（図３（ｂ））とが一定の周期で反復される。従って第２の電気回路１８に流れる実電流値は、図４（ａ）に示すような波形を呈する。なお図４（ａ）は、所定の回転数で正常にファンが回転しているときの状態を示した図である。図４（ａ）のａ点及びｂ点は、それぞれ図３（ａ）及び（ｂ）の状態に対応する。ここで何らかの異常によりファンの回転数が低下すると、例えば図４（ｂ）に示すように、波形の振幅変化の周期ｔが長くなる。従ってこの周期ｔの変化を検出することにより、ファンの回転数異常を検出することができる。

またファンが停止してしまった場合は、第１及び第２のコイル２４及び２６の相対位置関係が変化しないので、第２の電気回路１８を流れる電流は図５に示すように一定振幅となる。逆にこのような状態になれば、ファンは何らかの異常により停止してしまったと判断することができる。

さらに静止部１２に対する回転部１４の位置ずれが生じた場合は、図３（ｂ）に示す強い結合状態となる第１及び第２のコイル２４及びコイル２６の相対位置関係が実現できなくなるため、図４（ａ）に関し第２の電気回路を流れる電流の最大振幅が正常時より小さくなる。さらに、回転部１４が脱落した場合は、図６に示すような振幅変化がなくかつ振幅の小さい電流値となる。

図７及び図８は、上述のファンの回転数異常、停止又は回転部の位置ずれ若しくは脱落を検出する異常検出回路２０及び２０′の好適な構成例をそれぞれ示すブロック図である。図７に示す異常検出回路２０は、ファン１０のモータＭに電流供給する交流電源２０１と、第２のコイル２６に流れる電流値を検出する電流センサ２０２と、電流センサ２０２の検出信号に基づいて電流振幅値を求める電流振幅値検出回路２０３と、電流振幅値検出回路２０３により求められた振幅値が異常か否かを判断するとともに異常時は異常を知らせる信号等を外部に発する異常判断回路２０４とを有する。このような構成によれば、ファンの回転部の脱落を示す電流振幅値の低下を検出することができる。

また図８に示す異常検出回路２０′は、図７の異常検出回路２０の構成要素に加え、電流振幅値検出回路２０３により求められた電流振幅値に基づいて電流値の振幅変化の周期を求める変化周期検出回路２０５をさらに有する。この構成では異常判断回路２０４は、上述の振幅値そのものの異常に加えて、振幅値の周期変化異常すなわちモータ回転数異常も判断することができる。

ファン１０は、回転部１４の一部例えば羽根２２の脱落を検出する機能をさらに有することができる。例えば図９に示すように、第１の電気回路１６は、第１のコイル２４に接続されるとともに羽根２２に沿って設けられる破損検出用電線２８をさらに有することができる。また図１０は図９の等価回路を示す。このような構成によれば、羽根２２が破損又は脱落したときに破損検出用電線２８が破断するので第１の電気回路１６には電流が流れなくなり、そのことを上述の第２の電気回路１８の異常検出回路２０又は２０′により検知することができる。

上述の実施形態では第１及び第２のコイル２４及び２６はいずれも楕円形状であるが、両コイルの形状は楕円に限られない。例えば図１１（ａ）に示すように、第１及び第２のコイル２４及び２６は中心が互いにずれた円形であってもよい。この場合も、ファンの回転に伴って図１１（ｂ）に示す電磁気的結合が弱い状態と図１１（ｃ）に示す強い結合が状態とが所定周期で反復されるので、上述の楕円形状の場合と同様の作用効果が得られる。

また異常検出回路２０又は２０′が回転部の脱落のみを検知できれば足りる場合は、図１２に示すように、第１及び第２のコイル２４及び２６を互いに中心が一致した円形としてもよい。この場合は、回転数の変化が生じても図４（ａ）又は（ｂ）に示すような電流振幅値が周期的に変化する波形は生じないが、回転部１４が脱落すれば電流値が大きく低減するのでその脱落を知ることができる。

次に図１３及び図１４を用いて、本発明に係るファンの第２の実施形態について説明する。図１３に示す第２の実施形態のファン１１０が第１の実施形態のファン１０と異なる点は、ファン１０における第１及び第２の電気回路がそれぞれ有する第１及び第２のコイル２４及び２６が、ファン１１０においてはそれぞれ第１及び第２の電極１２５及び１２７に置換されている点である。第２の実施形態の他の構成要素については同様であってよく、対応する第１の実施形態の構成要素の参照符号に１００を付して示す。また図１４は、図１３の等価回路を示す。異常検出回路１２０は、このような構成によれば、回転部１１４の回転数低下又は停止、及び回転部１１４の位置ずれ又は脱落を容易かつ確実に検出することができる。

第１の電極１２５は、図示するように、回転部１１４上であってファン１１０の回転軸Ｚについて互いに反対側に（より詳細には１８０°の回転対称に）配置された２つの円弧を含む形状を有する。また第２の電極１２７は、静止部１１２上であってファン１１０の回転軸Ｚについて互いに反対側に配置された２つの円弧形状を有する。第１及び第２の電極１２５及び１２７は互いに隣接配置され、好ましくは、両電極間の電気的結合の強弱をより明確にするために、両電極の円弧の半径は互いに略等しい。

第２の実施形態のファン１１０における回転部１１４の回転数低下又は停止、及び回転部１１４の位置ずれ又は脱落の検出も、第１の実施形態と同様の考え方によって実現可能である。すなわち、回転軸Ｚに垂直な面における第１及び第２の電極１２５及び１２７の相対位置関係を、回転部１１４の異なる回転位置について示す図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転部１１４の回転中は、両電極間の電気的結合が弱い状態（図１５（ａ））と強い状態（図１５（ｂ））とが一定の周期で反復される。従って第２の電気回路１１８に流れる電流値は、図４（ａ）に示したものと同様の波形を呈する。ここで何らかの異常によりファンの回転数が低下すると、例えば図４（ｂ）に示したように、波形の振幅変化の周期が長くなる。従ってこの周期変化を検出することにより、ファンの回転数異常を検出することができる。

またファン１１０の回転部１１４が回転していないときは、第１及び第２の電極１２５及び１２７の相対位置関係が変化しないので、第２の電気回路１１８を流れる電流は図５に示したように一定振幅となる。逆にこのような状態になれば、ファンは何らかの異常により停止してしまったと判断することができる。

さらに回転部１１４の位置ずれが生じた場合は、図１５（ｂ）に示す強い結合状態となる第１及び第２の電極１２５及びコイル１２７の相対位置関係が実現できなくなるため、図４（ａ）に関し第２の電気回路１１８を流れる電流の最大振幅が正常時より小さくなる。さらに、回転部１１４が脱落した場合は電流が殆ど流れなくなる。

第２の実施形態のファン１１０の回転数異常、停止又は回転部の位置ずれ若しくは脱落を検出する異常検出回路１２０の好適な構成は、ブロック図７及び８に示した異常検出回路２０又は２０′の構成と同様であってよい。

また第２の実施形態のファン１１０も第１の実施形態のファン１０と同様に、回転部１１４の一部例えば羽根１２２の脱落を検出する機能をさらに有することができる。図１６に示すファン１１０′の第１の電気回路１１６は、第１の電極１２５に接続されるとともに羽根１２２に沿って設けられる破損検出用電線１２８をさらに有することができる。また図１７は図１６の等価回路を示す。このような構成によれば、羽根１２２が破損又は脱落したときに破損検出用電線１２８が破断するので第１の電気回路１１６には電流が流れなくなり、そのことを第２の電気回路１１８の異常検出回路１２０により検知することができる。

なお第１及び第２の電極１２５及び１２７がそれぞれ有する２つの円弧の中心角は、回転部１１４の静止部１１２に対する回転位置によって電流振幅値の変化が生じるのであればいかなる角度でもよいが、約４５〜９０°の範囲内であることが好ましい。また本実施形態では第１及び第２の電極１２５及び１２７はいずれも２つの円弧形状を有するが、両電極の形状は円弧に限られないことは理解されよう。

また異常検出回路１２０が回転部の脱落のみを検知できれば足りる場合は、図１８に示すように、第１及び第２の電極１２５及び１２７を互いに中心が一致した円形としてもよい。この場合は、回転数の変化が生じても図４（ａ）又は（ｂ）に示すような電流振幅値が周期的に変化する波形は生じないが、回転部１１４が脱落すれば両電極の結合が弱くなって電流値が大きく低減するので、その脱落を知ることができる。

上述の第１の実施形態に係るファン１０及び１０′はコイルを含む電気回路を有するので、ファンの回転部１４は非磁性体から作製されることが好ましい。また第２の実施形態に係るファン１１０及び１１０′は電極を含む電気回路を有するので、ファンの回転部１１４は非導電体から作製されることが好ましい。このことにより、異常検出回路の誤動作を防止して信頼性の高い異常検出を行うことが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態のファンの概略斜視図である。 図１のファンが有する電気回路の等価回路を示す図である。 （ａ）楕円形状に巻かれた２つのコイルの相対位置関係を示す図であって、両コイルの結合が弱い位置関係を示す図であり、（ｂ）両コイルの結合が強い位置関係を示す図である。 （ａ）ファンの正常回転時の電気回路を流れる電流値を示すグラフであり、（ｂ）ファンの回転数が低下したときの電流値を示すグラフである。 ファンが停止したときの電流値を示すグラフである。 ファンの回転部の一部が破損したときの電流値を示すグラフである。 ファンの異常検出回路の好適な構成例を示すブロック図である。 ファンの異常検出回路の他の好適な構成例を示すブロック図である。 破損検出用電線をさらに有する第１の実施形態のファンの概略斜視図である。 図９のファンが有する電気回路の等価回路を示す図である。 （ａ）互いに中心をずらして配置された円形の２つのコイルを示す図であり、（ｂ）両コイルの相対位置関係を、両コイルの結合が弱い状態について示す図であり、（ｃ）両コイルの結合が強い状態を示す図である。 回転部の脱落又は破損を検出するための他のコイル構成を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態のファンの概略斜視図である。 図１３のファンが有する電気回路の等価回路を示す図である。 （ａ）各々が２つの円弧形状を備えた２つの電極の相対位置関係を示す図であって、両電極の結合が弱い位置関係を示す図であり、（ｂ）両電極の結合が強い位置関係を示す図である。 破損検出用電線をさらに有する第２の実施形態のファンの概略斜視図である。 図１６のファンが有する電気回路の等価回路を示す図である。 回転部の脱落又は破損を検出するための他の電極構成を示す図である。

符号の説明

１０、１０′、１１０、１１０′ ファン
１２、１１２ 静止部
１４、１１４ 回転部
１６、１１６ 第１の電気回路
１８、１１８ 第２の電気回路
２０、２０′、１２０ 異常検出回路
２４ 第１のコイル
２６ 第２のコイル
１２５ 第１の電極
１２７ 第２の電極

Claims (6)

1. 静止部と、
   前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、
   前記回転部に設けられる第１の電気回路と、
   前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、
   前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、
   を有し、
   前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２のコイルをそれぞれ有し、
   前記第１及び第２のコイルは、前記回転部の回転軸を中心とした互いに略合同の楕円形状に巻かれた形状を有する、ファン。
2. 静止部と、
   前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、
   前記回転部に設けられる第１の電気回路と、
   前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、
   前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、
   を有し、
   前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２のコイルをそれぞれ有し、
   前記第１及び第２のコイルは、前記回転部の回転軸と一致しない中心を有する円形形状に巻かれた形状を有する、ファン。
3. 静止部と、
   前記静止部に回転可能に取付けられる回転部と、
   前記回転部に設けられる第１の電気回路と、
   前記静止部に設けられるとともに前記第１の電気回路と電気的、磁気的又は電磁気的に結合される第２の電気回路と、
   前記第２の電気回路に電気的に接続され、前記回転部の異常を検出する異常検出回路と、
   を有し、
   前記第１及び第２の電気回路は、互いに隣接配置される第１及び第２の電極をそれぞれ有し、
   前記第１及び第２の電極の各々は、前記回転部の回転軸について互いに略反対側に配置された２つの円弧を含む形状を有し、前記第１の電極の前記円弧及び前記第２の電極の前記円弧は互いに略等しい半径を有し、前記円弧の中心角は４５〜９０°の範囲内である、ファン。
4. 前記第１の電気回路は、前記回転部の一部の破損を検出するための電線を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のファン。
5. 前記回転部は非磁性体から作製される、請求項１又は２に記載のファン。
6. 前記回転部は非導電体から作製される、請求項３に記載のファン。

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