JP6029888B2 - モータ診断装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、モータを構成する軸受の嵌合部に生じる摩耗に着目したモータ診断技術に関する。

発電所などのプラントでは、モータ振動のデータを、常時あるいは定期的に収録している。そして、収録したデータのレベル変化や周波数特性の変化に基づいて、モータに生じている異常や劣化の有無を早期に検知する。
さらに収録したデータの変化の傾向を分析し、モータの分解点検時期の推定を行っている。なお、モータの異常や劣化の判断は、国際標準化機構（ＩＳＯ）などの判定基準や複数回の測定データから求めた基準値をベースとし、警報発令や運転停止の条件を定めている。

モータに異常や劣化が発生すると、振動のレベルが変化するとともに周波数特性に特徴的な変化が現れることが知られている。そして、モータ回転数の整数倍や転がり軸受の玉の数などに依存して、振動の周波数成分に変化が観測される。そして、これら周波数成分の変化を監視して、異常や劣化の有無を判断している（例えば、特許文献１）。
また、モータの電流波形においても、特定の周波数成分に変化が観測されることを利用して、異常や劣化の有無が判断される。

特開２００９−１０９３５０号公報

上述した従来技術は、ころがり軸受の傷、回転軸の曲がりや欠損、回転子や固定子の損傷に起因するモータの異常や劣化の判断に有効である。
これらの傷や損傷等が発生すると、対応する周波数成分の変化が、振動や電流等の監視データの変化として即座に検知されるため、異常の発生が早期に判断される。

ところで、このモータにおけるころがり軸受とハウジングの嵌合部は、熱伸縮する回転軸の軸方向の逃げを確保するために、ころがり軸受が軸方向に移動できるよう、緩めの寸法が採用されている。
熱伸縮の繰り替えしにより嵌合部が徐々に摩耗する場合や、モータとモータに接続される負荷装置（例えばポンプ）との据付不良（センタリングのずれ）がある場合は、モータの回転軸の振動が大きくなり、転がり軸受にかかる荷重が大きくなることにより嵌合部に摩耗が発生する場合がある。嵌合部の摩耗が進行すると転がり軸受が移動しやすくなることから、さらに摩耗が進行しやすくなる。
この嵌合部の摩耗が進行すると、モータの回転子と固定子が接近し焼き付きにいたる場合がある。

しかしながら、このようなモータ軸受の嵌合部分の摩耗は、上述した従来技術における振動や電流の監視では、発見が困難とされている。
そして、モータの分解点検時に、ハウジングの嵌合部の寸法を測定し、異常な摩耗の有無を確認している。このように、嵌合部の摩耗の発見は、定期的な分解点検によるしかない状況にある。
しかし、直近の分解点検において異常が無くとも、運転中に、嵌合部の摩耗が進行しモータ故障にいたることが懸念される。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、モータの運転中に軸受外輪の嵌合部の摩耗の進行を検知できるようにして、焼きつき等の不具合の発生を未然に防止するモータ診断技術を提供することを目的とする。

軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断装置において、前記モータの回転軸の半径方向の変位量を計測する変位センサ及び前記モータの漏れ磁束を計測する磁束センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の実回転及びこれに連動する前記軸受の外輪の回転の両方を反映した連続的な波形信号を入力する入力部と、前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い低周波成分を抽出する抽出部と、前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定する摩耗判定部と、を備えることを特徴とする。
さらには、軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断装置において、前記ハウジングの嵌合部を含む領域に発信した超音波のエコーを検出する超音波センサ及び前記嵌合部を含む領域に生じさせた渦電流を検出する渦電流センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の動きに連動する前記軸受の外輪の回転を反映した離散的な波形信号を入力する入力部と、前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い周波数に対応する時間間隔で観測される低周波成分を抽出する抽出部と、前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定する摩耗判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、モータの運転中に軸受外輪の嵌合部の摩耗の進行を検知できるようにして、焼きつき等の不具合の発生を未然に防止するモータ診断技術が提供される。

本発明に係るモータ診断装置の実施形態を示す構成図。 摩耗した嵌合部における軸受の回転移動の説明図。 （Ａ）はセンサが時系列に観測した波形信号から抽出された低周波成分を示すグラフ、（Ｂ）は波形信号の周波数スペクトルを示すグラフ。 （Ａ）は超音波センサによる波形信号の観測例を示す図、（Ｂ）は軸受の外輪内周面からのエコー波が観測されるタイミングを示すグラフ。 モータの回転バランスを不均衡にさせる負荷部の装着例を示す構成図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、モータ診断装置１０は、センサ４０からモータ２０の回転軸２４の動きを反映した波形信号４１を入力する入力部１１と、この波形信号４１からモータの実回転よりも周波数の低い低周波成分を抽出する抽出部１４と、この低周波成分に基づいてモータ２０の軸受３０の嵌合部２２における摩耗の有無を判定する摩耗判定部１５と、を備えている。

さらに、モータ診断装置１０は、嵌合部２２の寸法（軸受３０の外輪３２の外径Ｅ又はハウジング２１側の内径Ｄ）、モータの実回転の周波数Ｎ及び低周波成分の周波数Ｆを入力し、嵌合部２２における摩耗量Ｃを算定する算定部１６を、さらに備えている。

モータ２０は、軸受３０を介してハウジング２１に回転自在に軸承される回転軸２４と、このハウジング２１に固定される固定子２６と、この固定子２６との電磁相互作用により回転軸２４に回転トルクを付与する回転子２５と、から構成されている。

軸受（ころがり軸受）３０は、回転軸２４に内周面がはめ込まれた状態で一体に回転する内輪３４と、ハウジング２１側の嵌合部２２の内周面２３に外周面が接触するように設けられる外輪３２と、内輪３４及び外輪３２に支持され両者を低摩擦で相対回転させる転動体３１と、複数配列する転動体３１が互いに非接触となるように保持する保持器３３と、から構成されている。

そして、ハウジング２１側の嵌合部２２の内周面２３と外輪３２の外周面との嵌合寸法は、回転軸２４の外周面と内輪３４の内周面との嵌合寸法よりも緩めに設定されている。
これにより、回転軸２４の軸方向に熱伸縮が発生すると、軸受３０は、ハウジング２１に対して相対変位することにより、ストレスを逃がしている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面を示し、内周面２３が摩耗した嵌合部２２において軸受の外輪３２が回転移動する様子を示している。
回転軸２４に半径方向の力が加わった状態で外輪３２は、ハウジング２１の片側に偏って接触し反対側に隙間を形成する。
モータ駆動により回転軸２４に付与する遠心力により、外輪３２が嵌合部２２の内周面２３を回転する。
このような外輪３２の回転運動が繰り返された場合は、嵌合部２２の内周面２３の摩耗が進行し、隙間が広がっていく。隙間が形成された場合、さらに外輪３２が移動しやすくなり、加速的に摩耗が進行し、隙間が広がっていくこととなる。
このように隙間が広がっていくと、図１に示される回転子２５と固定子２６の間隔が狭まり、両者が接触し焼きつきにいたる場合がある。

図１においてセンサ４０は、モータ２０の回転軸２４の半径方向の変位量を計測する変位センサ４０ａと、モータ２０の漏れ磁束を計測する磁束センサ４０ｂとが例示されている。なお、実際の診断は、変位センサ４０ａ及び磁束センサ４０ｂのいずれか一方が設置されていればよい。
またセンサ４０は、これらに限定されるものではなく、モータ２０の回転軸２４の動きを反映した物理量を検出するものであれば適宜採用される。

変位センサ４０ａは、例えば、回転軸２４の外周面に照射したレーザ光の反射光を検出し、その光路長の変化から回転軸２４の半径方向の変位量を計測するものが挙げられる。
変位センサ４０ａは、非接触式のものが好適であるが、接触式のものであってもよい。
磁束センサ４０ｂは、固定子２６と回転子２５との電磁相互作用により発生した磁束のうち、ハウジング２１の外部に漏出した磁束の密度変化を検出するものである。
このような磁束の密度変化量は、固定子２６と回転子２５との相対的な位置変化に依存するために、回転軸２４の動きを反映している。

入力部１１は、センサ４０から出力されるアナログ状の波形信号４１を、Ａ／Ｄ変換部１２に入力して、デジタル変換するものである。そして、このようにデジタル変換された波形信号４１は、記録部１３に記録される。
なお、Ａ／Ｄ変換部１２及び記録部１３は、モータ診断装置１０の内部に配置されている必要はなく、センサ４０と一体化されていてもよい。

図３（Ａ）のグラフは、例えばローパスフィルタ等で構成される抽出部１４により、波形信号４１から抽出され嵌合部２２の摩耗に依存した低周波成分を示している。図３（Ｂ）のグラフは、波形信号４１の周波数スペクトルを示している。
このように、記録部１３に時系列に記録された波形信号４１には、モータ２０の実回転の周波数Ｎを主成分として嵌合部２２の摩耗量に依存する低周波成分が含まれている。
抽出部１４は、このように波形信号４１からモータ２０の実回転よりも周波数の低い低周波成分を抽出することができれば特に限定はなく、波形信号４１をフーリエ変換した結果から低周波成分を抽出してもよい。

摩耗判定部１５は、この低周波成分のスペクトルが観測されたか否かに基づいてモータ２０の軸受３０の嵌合部２２における摩耗の有無を判定する。そして、異常判定がなされた場合には、表示部１７において、その旨の警報を表示する。この警報表示により、モータの運転可否の判断または分解点検の要否を判断することができる。

ここで、嵌合部２２のハウジング２１側の内径Ｄとし、外輪３２の外径Ｅとした場合、ハウジング２１と外輪３２の隙間Ｃ（Ｃ＝Ｄ−Ｅ）となる。
ぞして、外輪３２の１回転当りの回転軸２４（内輪３４）の回転数Ｒは、（１）式で表される。さらに、モータ２０の実回転の周波数Ｎとすると、外輪３２の回転周波数Ｆは、（２）式で表される。また、外輪３２が１回転に要する時間Ｔは、（３）式で表される。そして、（１）式及び（２）式から（４）式が導かれる。

Ｒ＝πＤ／πＣ＝Ｄ／Ｃ （１）
Ｆ＝Ｎ／Ｒ （２）
Ｔ＝１／Ｆ （３）
Ｃ＝Ｄ×Ｆ／Ｎ＝Ｅ／（Ｎ／Ｆ−１） （４）

ここで、モータ２０の実回転の周波数Ｎ及び外輪３２の回転周波数Ｆは、周波数スペクトル（図３）における波形信号の主成分の周波数Ｎ及び低周波成分の周波数（１／Ｔ）にそれぞれ対応している。そして、ハウジング２１と外輪３２の隙間Ｃは、嵌合部２２の摩耗量Ｃに相当する。
ここで、例えば、Ｄ＝１００ｍｍ、Ｃ＝０．１ｍｍ、Ｎ＝５０Ｈｚとした場合、式（１）から（３）より、Ｆ＝０．０５Ｈｚとなる。
このようにモータ２０の実回転の周波数Ｎと比較して外輪３２の回転周波数Ｆは、非常に低いことがわかる。

算定部１６は、嵌合部２２の寸法（軸受３０の外輪３２の外径Ｅ又はハウジング２１側の内径Ｄ）、及びモータの実回転の周波数Ｎ及び低周波成分の周波数Ｆ（１／Ｔ）を入力し、式（４）に基づいて嵌合部２２における摩耗量Ｃを算定する。なお、摩耗量Ｃの算定式は式（４）に限定されない。
ここで、Ｅ（Ｄ）は軸受仕様、Ｎは運転条件から決まるため、摩耗判定部１５においてＦ（＜Ｎ）が判定されれば、摩耗量Ｃが算定され表示部１７に表示される。このように、モータ運転を継続しながら嵌合部２２の摩耗量が定量的に導かれることにより、摩耗の進行状況を推定し、交換が必要となる時期を推定することが可能となる。

センサ４０は、前記したような変位センサ４０ａ及び磁束センサ４０ｂ以外にも、例えば、嵌合部２２を含む領域に発信した超音波のエコーを検出する超音波センサ４０ｃ（図４）や、嵌合部２２を含む領域に生じさせた渦電流を検出する渦電流センサ（図示略）を用いることができる。

図４（Ａ）は、超音波センサ４０ｃによる波形信号の観測例を示す図である。
超音波センサ４０ｃは、ハウジングの嵌合部２２の外側に設置される。嵌合部２２の内周面が摩耗して隙間が生じると、外輪３２が回転移動し、超音波センサ４０ｃの直下に隙間がある場合（図４（Ａ）上側）と、その直下に隙間が無い場合（図４（Ａ）下側）とが現れる。

図４（Ａ）上側のように超音波センサ４０ｃの直下に隙間がある場合は、波形信号４１ｃは、ハウジングの嵌合部２２の内周面からのエコー波４３のみが観測される。
一方、図４（Ａ）下側のように超音波センサ４０ｃの直下に隙間が無い場合は、この嵌合部２２の内周面からのエコー波４３に加え、外輪３２の内周面からのエコー波４４も観測される。

図４（Ｂ）は、軸受の外輪３２の内周面からのエコー波４４が観測されるタイミングを示している。このエコー波４４が観測される間隔Ｔは、外輪３２が嵌合部２２の内周面を１回転するのに要する時間Ｔに該当する。
これにより、上式（３）（４）に基づいて嵌合部２２の摩耗量Ｃを求めることができる。

渦電流センサ（図示略）は、超音波センサ４０ｃと同様に、ハウジングの嵌合部２２の外側に設置される。そして、外輪３２が嵌合部２２の内周面を回転するのに同期して、渦電流センサの直下に発生する渦電流が変動する。そして、この変動する渦電流に同期して励起される変動磁場の波形信号の周期Ｔを導く。
そして、上式（３）（４）に基づいて嵌合部２２の摩耗量Ｃを求めることができる。

図５は、モータの回転バランスを不均衡にさせるに負荷部２７の装着例を示している。
このような負荷部２７が設けられることにより、回転軸２４の半径方向に遠心力をより強く働かせ、センサ４０においてより高感度に外輪３２の回転移動を検出できることができ、より高精度に摩耗の判定ができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のモータ診断装置によれば、モータを分解することなく軸受外輪の嵌合部の摩耗を検知し、さらに摩耗量を定量的に把握することができる。このため、モータの不具合を未然に防止するとともに、分解点検時期を予測してメンテナンス作業の効率化が図られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

また、モータ診断装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、モータ診断プログラムにより動作させることが可能である。
この場合、汎用的なコンピュータにセンサ４０からの波形信号を入力する構成とし、モータ診断プログラムによって動作するプロセッサによって上述した磨耗判定、ならびに磨耗量算定を行う。

１０…モータ診断装置、１１…入力部、１２…Ａ／Ｄ変換部、１３…波形信号記録部（記録部）、１４…低周波成分抽出部（抽出部）、１５…摩耗判定部（判定部）、１６…摩耗量算定部（算定部）、１７…表示部、２０…モータ、２１…ハウジング、２２…嵌合部、２３…内周面、２４…回転軸、２５…回転子、２６…固定子、２７…負荷部、３０…軸受、３１…転動体、３２…外輪、３３…保持器、３４…内輪、４０…センサ、４０ａ…変位センサ（センサ）、４０ｂ…磁束センサ（センサ）、４０ｃ…超音波センサ（センサ）、４１…波形信号、４１ｃ…波形信号、４３…嵌合部の内周面からのエコー波、４４…軸受の外輪の内周面からのエコー波、Ｅ…外輪の外径、Ｎ…モータの実回転周波数、Ｆ…外輪の回転周波数（低周波成分の周波数）、Ｃ…ハウジングと外輪の隙間（摩耗量）、Ｄ…嵌合部のハウジング側の内径。

Claims (6)

1. 軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断装置において、
   前記モータの回転軸の半径方向の変位量を計測する変位センサ及び前記モータの漏れ磁束を計測する磁束センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の実回転及びこれに連動する前記軸受の外輪の回転の両方を反映した連続的な波形信号を入力する入力部と、
   前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い低周波成分を抽出する抽出部と、
   前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定する摩耗判定部と、を備えることを特徴とするモータ診断装置。
2. 軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断装置において、
   前記ハウジングの嵌合部を含む領域に発信した超音波のエコーを検出する超音波センサ及び前記嵌合部を含む領域に生じさせた渦電流を検出する渦電流センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の動きに連動する前記軸受の外輪の回転を反映した離散的な波形信号を入力する入力部と、
   前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い周波数に対応する時間間隔で観測される低周波成分を抽出する抽出部と、
   前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定する摩耗判定部と、を備えることを特徴とするモータ診断装置。
3. 前記嵌合部の寸法、前記実回転の周波数及び前記低周波成分の周波数を入力し、前記嵌合部における摩耗量を算定する算定部を、さらに備える請求項１又は請求項２に記載のモータ診断装置。
4. 前記モータの回転軸には、その回転バランスを不均衡にさせる負荷部が設けられる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ診断装置。
5. 軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断方法において、
   前記モータの回転軸の半径方向の変位量を計測する変位センサ及び前記モータの漏れ磁束を計測する磁束センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の実回転及びこれに連動する前記軸受の外輪の回転の両方を反映した連続的な波形信号を入力するステップと、
   前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い低周波成分を抽出するステップと、
   前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定するステップと、を含むことを特徴とするモータ診断方法。
6. 軸受を介してハウジングに回転自在に軸承される回転軸と、前記ハウジングに固定される固定子と、前記固定子との電磁相互作用により前記回転軸に回転トルクを付与する回転子と、から構成されるモータのモータ診断方法において、
   前記ハウジングの嵌合部を含む領域に発信した超音波のエコーを検出する超音波センサ及び前記嵌合部を含む領域に生じさせた渦電流を検出する渦電流センサのうち少なくとも一方のセンサから、前記モータの前記回転軸の動きに連動する前記軸受の外輪の回転を反映した離散的な波形信号を入力するステップと、
   前記波形信号から前記モータの実回転よりも周波数の低い周波数に対応する時間間隔で観測される低周波成分を抽出するステップと、
   前記低周波成分に基づいて前記ハウジングの嵌合部の内周面と前記軸受の外輪の外周面とにおける摩耗の有無を判定するステップと、を含むことを特徴とするモータ診断方法。

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