JPH02157611A - ミスアライメントの検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野］ この発明は、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出する方法及びそ
の装置に関する。

〔従来の技術〕

回転駆動装置のミスアライメントを検出する従来の技術
としては、例えば、特開昭５６−８１４２８号公報に記
載されたものがある。

この従来の技術は、回転機器に回転同期信号を発生する
パルサを設け、このパルサの回転同期信号によって回転
軸の振動信号を一定回転同期信号数でフーリエ変換して
異常振動を検出することにより、回転機器の起動、停止
及び定常運転時においても、常に正しい周波数領域で一
定の精度で診断が行えるようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来の技術は、振動解析法に基づい
て行われるので、回転装置の各箇所に振動計を取り付け
る必要があるし、また、測定場所に設置された解析装置
と上記振動装置との間を配線で接続しなければならない
。

このため、多数の回転装置の集中管理を目的とするシス
テム化を考えると、振動計が多数必要であり、振動計及
び解析装置間の距離も長く配線も多大なものとなってし
まうので、コスト高となってしまう。また、一般的に、
安全上の問題から、上記従来の技術は機械が停止してい
る状態でなければ実施することができず、従って、測定
タイミングが制約されている。

この発明は、このような従来技術における未解決の課題
に着目してなされたものであり、安価な構成で、測定タ
イミングを制約されることもなく、高い検出精度が得ら
れるミスアライメントの検出方法及び装置を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、請求項（１）記載の発明は
、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連結部
位のミスアライメントを検出する方法であって、前記電
動モータの出力軸の回転周波数を検出すると共に、前記
電動モータに供給される電流値をフーリエ解析して前記
出力軸におけるトルク変動の各周波数成分を求め、この
求められた各周波数成分の内、前記出力軸の回転周波数
の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位のミス
アライメントを検出するものである。

また、同様に、上記目的を達成するために、請求項（２
）記載の発明は、電動モータの出力軸と被駆動装置の回
転軸との連結部位のミスアライメントを検出する装置で
あって、前記電動モータの出力軸の回転周波数を検出す
る回転周波数検出手段と、前記電動モータに供給される
電流値を検出する電流値検出手段と、この電流値検出手
段で検出された電流値をフーリエ解析して前記出力軸に
おけるトルク変動の各周波数成分を求めるフーリエ解析
手段と、このフーリエ解析手段で求められた各周波数成
分の内、前記回転周波数検出手段で検出された回転周波
数の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位のミ
スアライメントを検出するミスアライメント検出手段と
、を備えている。

［作用］ 請求項（１）記載の発明にあっては、電動モータの出力
軸の回転周波数ｆ０を検出すると共に、電動モータに供
給される電流値をフーリエ解析して前記出力軸における
トルク変動の各周波数の成分が求められる。

そして、各周波数成分の内、上記出力軸の回転周波数ｆ
０の自然数（１，２，３，・・・、ｎ）倍の周波数（ｆ
ａｔ２　ｆａｔ３　ｆａｔ”、ｎ　ｆｏ　）の成分に基
づいて、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との
連結部位のミスアライメントが検出され（例えば、この
周波数成分が大きくて、他の周波数成分と明らかに区別
できる場合にはミスアライメントが有ると判定できる。

）る。

即ち、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連
結部位にミスアライメントが有る場合には、このミスア
ライメントによって、電動モータの出力軸に回転周波数
ｆ。に同期したトルク変動が発生し、このトルク変動が
電動モータに供給される電流値に影響を与えるから、電
動モータに供給される電流値の変動には、出力軸の回転
周波数ｆ、の自然数倍の周波数（ｆｏ、２　ｆｏ、３　
ｆｏｓ・・ｎ「。）の成分が多く含まれるため、これら
周波数成分に基づいて、ミスアライメントを検出するこ
とができる。

また、請求項（２）記載の発明にあうでは、電動モータ
の出力軸の回転周波数ｆ０が回転周波数検出手段で検出
され、電動モータに供給される電流値が電流値検出手段
で検出される。

そして、フーリエ解析手段で、電流値検出手段で検出さ
れた電流値がフーリエ解析されて、電動モータの出力軸
におけるトルク変動の各周波数成分が求められ、この求
められた各周波数成分の内、前記回転周波数検出手段で
検出された回転周波数ｒ０の自然数（１，２，３，・・
・、ｎ）倍の周波数（ｆｏ１２　ｆｏ、３　ｆ１１＋”
・＋　　ｎ　ｆｏ　）の成分に基づき、ミスアライメン
ト検出手段において、電動モータの出力軸と被駆動装置
の回転軸との連結部のミスアライメントが検出される。

（実施例〕 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

同図において、電動式のモータ１は、駆動装置２から供
給される電流に応じて駆動されるものであり、その出力
軸１ａと、例えば圧延ロール等の被駆動装置としての負
荷３の回転軸３ａとが、カップリング４を介して連結さ
れていて、これらモータ１．駆動装置２及び負荷３で構
成される回転装置には、出力軸１ａ及び回転軸３ａ間の
ミスアライメントを検出するミスアライメント検出装置
２０が接続されている。

即ち、モータｌの出力軸１ａの逆側はカップリング５ａ
を介してセンサ５に連結されていて、このセンサ５は、
出力軸１ａの一回転毎にパルス波を回転周波数演算器６
に出力するものであり、この回転周波数演算器６は、セ
ンサ５から供給されるパルス波の間隔に応じて、出力軸
１ａの回転周波数ｆ０を演算し出力するものである。

一方、駆動装置２及びモータ１間には、この駆動装置２
からモータ１に供給される電流値を検出する電流検出器
７が設けられていて、この電流検出器７の検出値が電流
値演算器８に供給され、電流値が算出される。

また、電流値演算器８で算出された電流値は、フーリエ
解析手段としてのフーリエ解析演算器９に供給されて、
例えばＦＦＴ等によってフーリエ解析が行われ、各周波
数成分（例えば、パワースペクトル）が求められる。

そして、回転周波数演算器６で算出された出力軸１ａの
回転周波数ｒ０と、フーリエ解析演算器９で求められた
各周波数成分とが、ミスアライメント検出手段としての
ミスアライメント検出器１０に供給される。

ミスアライメント検出器１０は、供給される回転周波数
ｆ０の自然数倍の周波数成分に基づいて、モータ１の出
力軸１ａと負荷３の回転軸３ａとを連結するカップリン
グ４におけるミスアライメント（芯ずれ及び角度ずれ）
の有無及びその量を検出するものである。

なお、センサ５及び回転周波数演算器６で回転周波数検
出手段が構成され、電流検出器７及び電流値演算器８で
電流値検出手段が構成される。

ここで、後述するミスアライメント検出器１０の構成を
理解するために、出力軸１ａ及び回転軸３ａの連結部位
のミスアライメントを検出するための理論的な背景につ
いて説明する。

今、出力軸１ａと回転軸３ａとが、第２図（ａ）及び（
ｂ）に示すように、タイヤカップリング４ａを介して連
結され、且つ出力軸１ａと回転軸３ａとの間に、平行な
芯ずれが生じているものとする。

また、タイヤカップリング４ａは、出力軸１ａの端部に
同軸に固定されたホイール４ｂと、このホイール４ｂと
同寸法で且つ回転軸３ａの端部に同軸に固定されたホイ
ール４ｃと、これら両方のホイール４ｂ、４ｃに外嵌す
る弾性部材からなるタイヤ４ｄとから構成されていて、
モータ１の出力は、出力軸１ａ、ホイール４ｂ、タイヤ
４ｄ。

ホイール４ｃ及び回転軸３ａを介して、負荷３に伝わる
ようになっている。

このようなタイヤカップリング４ａにあって、上述した
ように、出力軸１ａと回転軸３ａとの間に芯ずれがある
と、出力軸１ａが回転するに従いタイヤ４ｄが変形して
、両軸１ａ及び３ａ間に応力が発生する。即ち、出力軸
１ａの回転角θが０度（第２図（ａ））の場合には応力
は０であるが、回転角θが大きくなるに従ってタイヤ４
ｄが変形して応力が発生し、回転角θが１８０度の時（
第２図（ｂ））に最大の応力が発生し、１８０度からさ
らに増加すると応力は減少していき、３６０度で０とな
る。つまり、両軸１ａ及び３ａの応力変動は、その回転
数に同期した周期関数となる。

第３図（ａ）は、ホイール４ｂ及び４Ｃを軸方向からみ
た状態を示していて、同図（ｂ）は、同図（ａ）の部分
拡大図である。

モータ１側のホイール４ｂの中心を０．４．負荷３側の
ホイール４ｃの中心を０．とし、雨中心間の距離（即ち
、芯ずれ量）をｄとする。また、ホイール４ｂの外周上
に任意の点Ａをとり、第３図（ｂ）に示すように、ＯＨ
及びＯＬ間の中点Ｏｃと点Ａとを結ぶ線と、ＯＨとＯＬ
とを結ぶ綿との成す角をα、０．と点Ａとを結ぶ線と、
ＯＭと０．とを結ぶ線との成す角をα１．０８と点Ａと
を結ぶ線と、０８とＯＬとを結ぶ線との成す角をαイと
する。なお、ｒはホイール４ｂ及び４ｃの半径である。

そして、両ホイール４ｂ及び４０間の端面のずれｆ（α
）が、タイヤ４ｄの変形量となる。また、この［（α）
は下記の（１）弐のようになる。

ｆ（α）＝ｄｃｏｓαｔ＋ｒｃｏ直α＋−αＬ）　−ｒ
・・・（１） さらに、αＬＱＥα】α、であるから、上記（１）式は
、下記の（２）式のように変形できる。

ｆ（α）＝ｄｃｏｓα　　　　　　　　　　・・・・・
・（２）次に、第４図に示すように、両軸１ａ及び３ａ
が平衡状態（応力がない状Ｂ）から、θだけ回転した時
点における任意の位相角αの近傍でのホイールの微小部
分（ｒ・Δα）が、軸の半径方向に与える力ΔＦは、タ
イヤ４ｄのバネ定数をｋとした場合、下記の（３）弐の
ように表せる。

そして、（２）及び（３）式より、下記の（４）式が求
められる。

＝　　　　　　　５ｉｎ（α−θ／２）ｓｉｎ（θ／２
）・・・（４）π 応力ΔＦは、モーター及び負荷３のベアリング（図示せ
ず）の摩擦係数μ、及びμ、を介して、下記の（５）式
に示すトルクΔＴを発生する。

ΔＴ＝（μイー←μＬ）×１ΔＦＩＸｒ　　　　・・・
・・・（５）このΔＴをタイヤカンプリング４ａの全周
に渡って積分すれば、モータ負荷トルクＴ（θ）が求め
られ、このモータ負荷トルクＴ（θ）は、Ｔ（θ）−１
ΔＴ π となる。

そし−ζ、上記（６）式をフーリエ展開すると、π となり、直流分の他にｎｏ（ｎは自然数）の成分の高周
波が含まれ、軸の回転周波数ｆ０のｎ倍のトルク脈動が
発生し、これがモーターに供給される電流を変動させる
ようになる。

また、芯ずれによって、モーターの出力軸１ａと負荷３
の回転軸３ａとの周速が異なり１、見掛は上の出力軸１
ａ換算の慣性力が回転周波数ｆ、と同期して周期的に変
動し、回転ムラが生じてしまつまり、芯ずれにより軸の
回転は均一でなくなるため、出力軸１ａ側からみた見掛
は上のはずみ車効果（回転体慣性モーメン））ＣＤ”は
周期的に変化してしまい、モータ１に供給される電流は
周期的に外乱を受けることになる。

ここで、出力軸１ａの角速度を冴。、回転軸３ａの角速
度を改、とする。また、第３図（ａ）及び（ｂ）から、
下記の（８）式の関係が得られる。

ｒ　／５ｉｎ（αＬ）　＝　ｄ　／５ｉｎ（αｓ−αＬ
）　　　・−・・・（ａ）従って、α、とα、との間に
は、 よって、回転軸３ａの回転角速度ｔｆｘＬは、ｔｆｙＬ
＝ｄａｔ／ｄｔ。

となる。

つまり、芯ズレを有するカップリングでは、見掛は上変
速比が周期的に変化してしまう。この変速比をβ（１）
とすれば、 β（ｔ）＝８Ｌ／々、 となる。

従って、出力軸１ａ側からみた見掛は上のはずみ車効果
ＣＤ”は、出力軸ｌａ側のホイール４ｂのはずみ車効果
をＧＤ１４２、回転軸３ａ側のホイール４Ｃのはずみ車
効果をＧＤＬ２とすれば、Ｇ　Ｄ　２＝　Ｇ　Ｄ　Ｍ２
＋Ｇ　Ｄ　Ｌ”／β２（ｔ）　　　　　・・・・・・０
２）となる。

これによっても、モータｌに供給される電流は変動して
しまうが、これは、回転周波数ｆ０のみの電流変動に表
れ、２ｆｏ以降の周波数には影響を及ぼさない。

また、出力軸１ａ及び回転軸３ａ間の角度ずれの影響は
、応力変化に対してのみ表れ、回転ムラには表れない。

従って、両軸１ａ及び３ａ間の芯ずれ量及び角度ずれ量
の両方を検出するためには、先ず、回転周波数ｆ。を除
いた２ｆｏ以降の周波数の成分に基づいてモータ１の負
荷トルク変動を演算し、次いで、周波数ｆ０の成分から
負荷トルク変動分を除いた残りの成分から、見掛は上の
はずみ車効果ＣＤ”の変動分を算出して、芯ずれ量を求
める。

そして、この負荷トルク変動分から芯ずれ量による影響
を除いた成分が両軸の角度ずれ量に対応するから、角度
ずれ量も求められる。

よって、ミスアライメント検出器１０の具体的な構成は
、第５図に示すように、フーリエ解析演算器９から供給
される各周波数成分の内、回転周波数演算器６から供給
される回転周波数［。の自然数（１，２，３，−、ｎ）
倍の周波数（ｆ　、、　２ｆ、、３ｆ、、・・・、ｎｆ
ｏ）の周波数成分を抽出する抽出器１１と、この抽出器
１１が出力する周波数成分の内、回転周波数ｆ０以外の
周波数に対応する周波数成分が供給され、芯ずれ及び角
度ずれの両方による負荷トルク変動分を演算する第１演
算器１２と、この第１演算器１２の出力に基づいて、周
波数「。に換算した負荷トルク変動分を算出する第２演
算器１３と、抽出器１１が出力する周波数ｆｏの周波数
成分から第２演算器１３の出力を減じて、見掛は上のは
ずみ車効果ＣＤ”の変動分を算出する減算器１４と、こ
の減算器１４の出力から、出力軸１ａ及び回転軸３ａ間
の芯ずれ量を算出する芯ずれ量演算器１５と、この芯ず
れ量演算器１５の演算結果（芯ずれＮ）から、芯ずれに
よる負荷トルク変動分を算出する第３演算器１６と、第
１演算器１２の演算結果（芯ずれ及び角度ずれによる負
荷トルク変動分）から、第３演算器１６の演算結果（芯
ずれによる負荷トルク変動分）を滅じて、角度ずれによ
る負荷トルク変動分を算出する減算器１７と、この減算
器１７の出力、即ち角度ずれによる負荷トルク変動分か
ら、角度ずれ量を算出する角度ずれ量演算器１８と、を
備えていればよく、このミスアライメント検出器ｌＯは
、電子回路又はマイクロコンピュータで構成することが
できる。

なお、芯ずれ量演算器１５及び角度ずれ量演算器１８で
の演算方法は、以下に示すようは方法が考えられる。

例えば、芯ずれ量を求めるには、第１図の構成において
、芯ずれ量が判っている数種類のカンブリング４を用い
て実験を行い、そのときの電流変動を求めて記憶テーブ
ル等に保存しておき、この記憶テーブルから対応する芯
ずれ量を求めるようにすればよい。

第６図は、３．０印、　２．０ｍｍ、　０．５卿の芯ず
れ量Ｘを有するカップリング４と、芯ずれかない（Ｘ＝
０）カップリング４を用い、回転数２００，４００．６
００及び８００（ｒｐｍ）時の電流変動を計測した結果
を示すグラフである。

これをみると、芯ずれ量が増えると電流変動量が増し、
回転数が増えると電流変動量が減ることが判る。即ち、
低回転数領域で測定した方が、正確にミスアライメント
を測定することができる。

しかし、高回転数領域であっても、充分測定可能である
ことは言うまでもない。

また、今回測定したデータから、諸条件のよっても異な
るが、−船釣に０．１ｍｍ程度の芯ずれ量までは充分測
定可能である。

そして、角度ずれ量に関しても、角度ずれ量が判ってい
るカップリングを用いて記憶テーブルを作成しておけば
、微小な角度ずれ量まで計測することができる。

第７図（ａ）は、電流検出器７で測定した電流の変動を
示すグラフであり、同図（ｂ）は、この電流値のデータ
をフーリエ解析した結果である。

これによると、出力軸１ａの回転周波数ｆ０とその２倍
の周波数２ｆｏとの成分（パワースペクトル）が突出し
ていることが判るが、３ｆｏ以上の周波数は減衰してい
るため、確認することができない。しかし、ミスアライ
メント検出器ＩＯでは、この周波数ｆ０及び周波数２ｆ
ｏのパワースペクトルに基づいて芯ずれ量及び角度ずれ
量を求めることができる。

先ず、周波数２ｆ、のパワースペクトルから芯ずれ及び
角度ずれの両方による負荷トルク変動分を第１演算器１
２で求め、この第１演算器１２の演算結果から周波数ｆ
０に換算した負荷トルク変動分が第２演算器１３で算出
され、次いで、減算器１４により、抽出器１１が出力す
る周波数［。

の周波数成分から第２演算器１３の出力を減じることに
より見掛は上のはずみ車効果ＣＤ２の変動分が算出され
る。そして、この減算器１４の出力から、実験に基づい
て作成した記憶テーブル（例えば、第６図のような）に
基づいて出力軸１ａ及び回転軸３ａ間の芯ずれ量が、芯
ずれ量演算器１５で算出される。

次に、芯ずれ量演算器１５の演算結果（芯ずれ量）に基
づいて第３演算器１６において芯ずれによる負荷トルク
変動分が算出され、続いて、減算器１７により、第１演
算器１２の演算結果（芯ずれ及び角度ずれによる負荷ト
ルク変動分）から、第３演算器１６の演算結果（芯ずれ
による負荷トルク変動分）が減じられて、角度ずれによ
る負荷トルク変動分が算出され、最後に、この減算器１
７の出力、即ち角度ずれによる負荷トルク変動分と、実
験に基づいて作成された記憶テーブルとに基づき、角度
ずれ量演算器１８で角度ずれ量が算出される。

このように、本発明を適用した上記実施例によれば、モ
ータ１の出力軸１ａと負荷゛３の回転軸３ａとの連結部
位におけるミスアライメントを、モータ１の電流値と、
出力軸１ａの回転周波数ｆ。

とから検出する構成であるため、被駆動装置の運転中で
あっても検出可能であるから、従来の振動診断法のよう
に測定タイミングを制約されることもないし、多数のセ
ンサを必要ともしない。

しかも、電流検出器７は殆どの設備において既存である
し、また、モータ１の出力軸１ａの回転数は、回転数を
検出するためのセンサを設けなくても、理論的に求める
ことができる。

つまり、例えば直流モータにあっては、モータの電流Ｉ
と端子電圧■とを測定すれば、電機子抵抗をＲ２界磁を
Φ、定数をＫとした場合、回転数Ｎは、Ｎ＝　（Ｖ−Ｉ
　Ｒ）／にΦで求められる。交流モータであっても、同
様に理論通りに求めることできる。

また、今後、多数の回転装置の集中管理を目的とするシ
ステム化の動向を考えると、既存のセンサ（電流検出器
）が使用でき、且つ、電子部品で構成される解析装置は
一般的に耐環境性の問題から電流検出器と同一の電気室
内への股下される場合が多く、電流検出器から解析装置
までの配線も短くて済むから、本発明を採用した上記実
施例はコスト的に大変有利である。しかも、配線が短い
とノイズが入り込む恐れも低減できる。

なお、上記実施例では、出力軸１ａと回転軸３ａとの間
に変速器を設けていない場合について説明しているが、
変速器が存在する場合であっても、ミスアライメントが
存在する軸の回転周波数を測定し、この回転周波数に基
づいて上記実施例と同様の処理を行えばよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、電動モータの出
力軸の回転周波数を検出すると共に、電動モータに供給
される電流値をフーリエ解析して前記出力軸におけるト
ルク変動の各周波数成分を求め、この求められた各周波
数成分の内、出力軸の回転周波数の自然数倍の周波数成
分に基づいて電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出するようにした
ため、被駆動装置の運転を停止しなくても検出可能であ
るから測定タイミングに制約がないし、また、センサも
少なくて済み、多くの場合既存のセンサで充分であり、
且つ配線も短くて済むから、コスト的にも大変有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図乃至第４図は本発明の理論的な背景を説明するため
の説明図であり、第２図（ａ）及び（１））はタイヤカ
ップリングの側面図、第３図（ａ）はタイロッドカップ
リングの平面図、第３図（ｂ）は同図（ａ）の拡大図、
第４図は応力を説明する平面図である。 第５図は、ミスアライメント検出器の構成を示すブロッ
ク図、第６図は実験結果を示すグラフ、第７図（ａ）は
電流の変動例を示すグラフ、第７図［有］）はフーリエ
解析結果の例を示すグラフである。 １・・・モ・−夕、１ａ・・・出力軸、２・・・駆動装
置、３・・・負荷（被駆動装置）、３ａ・・・回転軸、
４・・・カップリング、５・・・センサ、６・・・回転
周波数演算器、７・・・電流検出器、８・・・電流値演
算器、９・・・フーリエ解析演算器、１０・・・ミスア
ライメント検出器、２０・・・ミスアライメント検出装
置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連
   結部位のミスアライメントを検出する方法であって、前
   記電動モータの出力軸の回転周波数を検出すると共に、
   前記電動モータに供給される電流値をフーリエ解析して
   前記出力軸におけるトルク変動の各周波数成分を求め、
   この求められた各周波数成分の内、前記出力軸の回転周
   波数の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位の
   ミスアライメントを検出することを特徴とするミスアラ
   イメントの検出方法。
2. （２）電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連
   結部位のミスアライメントを検出する装置であって、前
   記電動モータの出力軸の回転周波数を検出する回転周波
   数検出手段と、前記電動モータに供給される電流値を検
   出する電流値検出手段と、この電流値検出手段で検出さ
   れた電流値をフーリエ解析して前記出力軸におけるトル
   ク変動の各周波数成分を求めるフーリエ解析手段と、こ
   のフーリエ解析手段で求められた各周波数成分の内、前
   記回転周波数検出手段で検出された回転周波数の自然数
   倍の周波数成分に基づいて前記連結部位のミスアライメ
   ントを検出するミスアライメント検出手段と、を備えた
   ことを特徴とするミスアライメントの検出装置。