特許 7686178 軸受状態検出装置と回転電機および軸受状態検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-22

(45)【発行日】2025-05-30

(54)【発明の名称】軸受状態検出装置と回転電機および軸受状態検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/173 20060101AFI20250523BHJP

【ＦＩ】

H02K5/173 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2025514732

(86)(22)【出願日】2024-10-03

(86)【国際出願番号】 JP2024035431

【審査請求日】2025-03-11

(31)【優先権主張番号】P 2024110701

(32)【優先日】2024-07-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】片桐 高大

(72)【発明者】

【氏名】北川 祐太朗

(72)【発明者】

【氏名】開田 健

【審査官】保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０３９０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６５５６３５４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】実開昭５１－０４９４０１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－１３７８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２３４８４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ５／００－５／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状をなして内周面で回転電機の回転子のシャフトを支持する磁化処理されていない軸受まわりの磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサ、および
前記センサからの信号に基づいて、前記軸受を流れる軸電流を検出する軸電流検出部、を備え、
前記センサは、前記軸受の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面に対向して配置されていることを特徴とする軸受状態検出装置。

【請求項2】

前記センサは、前記軸受を径方向に流れる電流に起因する磁界および電界の少なくとも一方に対してセンサ素子が最大感度を有するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受状態検出装置。

【請求項3】

前記センサは、前記シャフトの外周面にも対向して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受状態検出装置。

【請求項4】

前記センサは、前記シャフトを軸方向に流れる電流に起因する磁界および電界の少なくとも一方に対して第二センサ素子が最大感度を有するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の軸受状態検出装置。

【請求項5】

前記センサは、前記回転子の回転角度を検出する機能を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受状態検出装置。

【請求項6】

前記センサは、前記シャフトを支持する２つの軸受それぞれに対応して設けられ、
前記軸電流検出部が検出した前記２つの軸受それぞれの軸電流の向きに応じて前記軸電流の伝搬経路を判定する伝搬経路判別部、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受状態検出装置。

【請求項7】

前記軸受を保持する前記回転電機の筐体と前記シャフトとの間の電圧を測定する電圧センサを備え、
前記軸電流検出部は、前記センサからの信号と前記電圧センサからの信号に基づいて、前記軸受を流れる軸電流を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の軸受状態検出装置。

【請求項8】

前記回転子、
前記回転子の外周面に対して間隔をあけて同心配置された固定子、および
前記軸受と前記固定子を径方向の外側から保持するとともに、前記固定子と前記回転子を内部に収容する筐体、を備え、
請求項１または２に記載の軸受状態検出装置を装備したことを特徴とする回転電機。

【請求項9】

前記軸受の前記センサが対向する端面は、内輪と外輪の間に充填された潤滑剤を保護するための導電体のシール板で覆われており、
前記シール板は、前記内輪と外輪のうちの一方と絶縁し、かつ前記センサの検知面と対向する領域が開口していることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。

【請求項10】

磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサを、回転電機の回転子のシャフトを支持する磁化処理されていない軸受の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面に対向させて配置する工程、および
前記センサからの信号に基づいて、前記軸受を径方向に流れる軸電流を検出する工程、
を含むことを特徴とする軸受状態検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、軸受状態検出装置と回転電機および軸受状態検出方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

インバータを用いた電力変換回路で駆動される回転電機においては、インバータに含まれる半導体素子のスイッチング動作に起因して軸受の電食が発生する。このような電食は軸受の摩耗、損傷を引き起こし、回転電機の信頼性を低下させる。

【0003】

軸受の電食は、軸受を構成する剛体球と内輪・外輪との間で流れる放電電流である軸電流が原因であることが知られているが、軸電流は軸受から軸受を保持する筐体に伝搬するため、直接的な計測が難しい課題がある。それに対し、磁化した軸受に磁界センサを近接配置し、軸電流に起因する磁界の変化を検出することで、軸電流を間接的に計測する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、磁界センサと音響センサを組み合わせることで軸電流を高感度に検出する技術も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１―３９０５６号公報（段落００１６～００２４、図１～図５）

【文献】国際公開第２０１６／１５７３４７号（段落００２４～００２７、図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、軸受を磁化するためには付加設備が必要になり、部品点数、およびコストが増加するほか、軸受付近に磁界センサを近接配置するだけでは、軸受から筐体に伝搬する軸電流については検出感度が低下する課題がある。また、音響センサを組み合わせる場合も、音響センサといった付加設備が必要になり、部品点数、およびコストが増加する。

【0006】

本開示は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、部品点数を増加させることなく、軸電流を高感度に検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の軸受状態検出装置は、円筒状をなして内周面で回転電機の回転子のシャフトを支持する磁化処理されていない軸受まわりの磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサ、および前記センサからの信号に基づいて、前記軸受を流れる軸電流を検出する軸電流検出部、を備え、前記センサは、前記軸受の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面に対向して配置されていることを特徴とする。

【0008】

本開示の軸受状態検出方法は、磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサを、回転電機の回転子のシャフトを支持する磁化処理されていない軸受の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面に対向させて配置する工程、および前記センサからの信号に基づいて、前記軸受を径方向に流れる軸電流を検出する工程、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本開示の軸受状態検出装置あるいは軸受状態検出方法によれば、軸受の軸方向端面にセンサを対向させたので、部品点数を増加することなく軸電流を高感度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置と軸受状態検出装置を装備した回転電機を、回転電機の軸を含む断面図とともに記載したブロック図である。

【図2】図２Ａと図２Ｂは、実施の形態１にかかる軸受状態検出装置あるいは軸受状態検出方法の検出対象である軸受のそれぞれ上面図と軸を含む断面図である。

【図3】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置の装備対象である回転電機の軸に垂直な断面図である。

【図4】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置の装備対象である回転電機とその駆動回路を示すブロック図である

【図5】回転電機での軸電圧発生原理を示す等価回路図である。

【図6】回転電機での軸電流経路の一例を示す軸を含む断面図である。

【図7】回転電機に負荷を接続した際の軸電流経路の一例を示す軸を含む断面図である。

【図8】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置において、センサの配置例を示す軸を含む部分拡大断面図である。

【図9】図９Ａと図９Ｂそれぞれは、実施の形態１にかかる軸受状態検出装置の検出対象である軸受に導体のシール板が設けられた際の、軸受の上面図と、軸を含む部分断面図である。

【図10】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置において、センサの他の配置例を示す軸を含む部分拡大断面図である。

【図11】実施の形態１にかかる軸受状態検出装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

【図12】実施の形態２にかかる軸受状態検出装置と軸受状態検出装置を装備した回転電機を、回転電機の軸を含む断面図とともに記載したブロック図である。

【図13】実施の形態３にかかる軸受状態検出装置と軸受状態検出装置を装備した回転電機を、回転電機の軸を含む断面図とともに記載したブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施の形態１．
図１～図９は、実施の形態１にかかる軸受状態検出装置と軸受状態検出装置を装備した回転電機の構成、および軸受状態検出方法について説明するためのものであり、図１は軸受状態検出装置と軸受状態検出装置を装備した回転電機を、回転電機の軸を含む断面図とともに記載したブロック図、図２Ａは検出対象である軸受の軸方向を上下方向とした場合の上面図、図２Ｂは軸を含む図２ＡのＢ－Ｂ線による断面図である。

【0012】

また、図３は軸受状態検出装置の装備対象である回転電機の軸に垂直な図１のＡ－Ａ線による断面図、図４は軸受状態検出装置の装備対象である回転電機と回転電機の駆動回路を示すブロック図、図５は回転電機での軸電圧発生原理を示す等価回路図である。

【0013】

図６は回転電機での軸電流経路の一例を示す軸を含む図１に対応する断面図、図７は回転電機であるモータに負荷を接続した際の軸電流経路の一例を示す軸を含む断面図である。また、図８は軸受状態検出装置において、軸受に対するセンサの配置例を示す軸を含む図６および図７の一部を拡大した部分拡大断面図、図９Ａは、軸受に導体のシール板が設けられた際の好ましい形態を示す上面図、図９Ｂは図９ＡのＣ－Ｃ線に対応する軸を含む模式的な断面図である。図９Ａと図９Ｂは、軸受に導体のシール板が設けられた際の、それぞれシール板の好ましい２つの形態を示す図２Ｂに対応する模式的な断面図である。また、図１０はセンサの他の配置例を示す軸を含む図８に対応する部分拡大断面図である。

【0014】

実施の形態１にかかる軸受状態検出装置２００は、図１に示すように、回転電機１００の回転子１０を回転自在に支持する軸受２０Ａに流れる軸電流を検出するものである。ここで、軸受状態検出装置２００の詳細な説明の前に、検出対象である軸受２０（２つの軸受２０Ａ、２０Ｂを区別しない場合、軸受２０と称する。）の構造について説明する。

【0015】

軸受２０は図２Ａ、図２Ｂに示すように内輪２１、転動体である複数の剛体球２２、および外輪２３を有し、複数の剛体球２２は内輪２１と外輪２３との間に装填される。軸受２０は円筒形状であり、外周面２０ｆｏ、内周面２０ｆｉ、軸方向（軸Ｘｒに沿った方向）の両端に一対の端面２０ｆｅを有し、内周面２０ｆｉは回転電機１００のシャフト１２に密着固定され、軸Ｘｒを中心に複数の剛体球２２が転動する。また、内輪２１と外輪２３との間に充填された図示しない潤滑油とともに、複数の剛体球２２が転がることにより、摩擦が少ない状態で転動する。

【0016】

このとき、内輪２１と剛体球２２の間、および剛体球２２と外輪２３の間には絶縁体である潤滑油による油膜が形成される。なお、本実施の形態では剛体球２２をボールとした転がり軸受としているがこの限りではなく、円筒ころ、針状ころなど他の転動体を用いてもよい。また、滑り軸受など転がり軸受以外の軸受を用いてもよい。

【0017】

上述した軸受２０の構成を前提として、回転電機である回転電機１００、および軸受状態検出装置２００の構成について、図１に図３を加えて説明する。図１および図３に描画する回転電機１００は、いわゆるブラシレスモータの構成をとる。回転電機１００は、筐体４０と、固定子３０と、固定子３０の径方向内側に配置された回転子１０と、筐体４０に固定され、回転子１０を回転自在に支持する軸受２０Ａ、２０Ｂを有する。

【0018】

軸受２０それぞれの端面２０ｆｅのうち、筐体４０の内側を向く方を内端面２０ｆｅｉ、外側を向く方を外端面２０ｆｅｘと称する。軸受状態検出装置２００は軸受２０の端面２０ｆｅに対向させるセンサ５０と、伝達部２００ｗを介してセンサ５０からの信号を受信し、軸電流の有無を検出する軸電流検出部７０とを有するが、詳細の前に、回転電機１００の説明を行う。

【0019】

固定子３０は、固定子鉄心３１と、固定子巻線３２とで構成される。固定子鉄心３１は、円環状のコアバック部３１ｂと、コアバック部３１ｂの内周面側から径方向の内側に向けて延びたティース部３１ｔと、ティース部３１ｔの先端から周方向に突出する鍔部３１ｇとを備える。径方向とは、軸Ｘｒを原点とし軸Ｘｒに垂直で放射状に向かう方向を指し、周方向とは軸Ｘｒを原点とする同心円の円周に沿った方向を指している。

【0020】

固定子鉄心３１は、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層して、一体化することで得られる。固定子巻線３２はティース部３１ｔに巻回され、隣接するティース部３１ｔ間に形成されたスロット部３１ｓに収納される。固定子巻線３２のうち、固定子鉄心３１の最外層から軸方向に突出した部位をコイルエンド部と称する。固定子巻線３２の巻回方式としては、固定子巻線３２が各々のティース部３１ｔに巻回される集中巻と呼ばれる巻回方式と、複数のティース部３１ｔにまたがって巻回される分布巻と呼ばれる巻回方式がある。いずれの巻回方式であっても、後述する軸電流を高感度に検出するとの効果は同様に得られる。

【0021】

筐体４０はハウジング４１と、ブラケット４２Ａ、４２Ｂとで構成される。ハウジング４１は円筒形状を有しており、ハウジング４１の内周面と固定子鉄心３１のコアバック部３１ｂの外周面とが向き合う形で、互いに一体に固定される。ハウジング４１と固定子鉄心３１のコアバック部３１ｂとは、電気的に導通している。

【0022】

ハウジング４１の両端、すなわち負荷接続側と負荷非接続側の各開口部にはそれぞれブラケット４２Ａ、４２Ｂがボルト等で締結される。またブラケット４２Ａ、４２Ｂはそれぞれ軸受２０Ａ、２０Ｂの外輪２３の外周面に固定されている。これら一体化したハウジング４１、ブラケット４２Ａ、４２Ｂは、回転電機１００の筐体４０として、その内部に回転子１０と、軸受２０と、固定子３０を収容する。

【0023】

回転子１０は、回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１の外周に近い側に埋め込まれた複数の永久磁石１３と、回転子鉄心１１の径方向の中心を貫く空孔に固着されたシャフト１２とを有する。回転子鉄心１１は、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層して、一体形成することで得られる。シャフト１２は、その負荷接続側（図１左側）と負荷非接続側（図２右側）のそれぞれが軸受２０Ａ、２０Ｂの内輪２１（内周面２０ｆｉ）に固定され、軸受２０Ａ、２０Ｂの外周面２０ｆｏが筐体４０に固定されることで、筐体４０に対して、回転自在に支持される。

【0024】

つぎに、回転電機１００を駆動する駆動回路５００の構成について図４を用いて説明する。駆動回路５００は、電源部５０１、電力変換回路５０２、それらを繋ぐ配線５０３、および電力変換回路５０２と回転電機１００とを繋ぐ配線５０４とで構成している。電源部５０１は、ブラシレスモータである回転電機１００を駆動するのに必要な電力を供給する直流電源である。直流電源として、例えばリチウムイオンバッテリ、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の二次電池を用いることができる。

【0025】

電力変換回路５０２は、半導体スイッチング素子とそれを駆動する回路によって構成される。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を用いることができる。電力変換回路５０２内では、コンバータ回路が構成され、電源部５０１から配線５０３を介して供給される直流電圧を所望の電圧に昇圧または降圧した直流電力に調整する。

【0026】

所望の電圧に調整された直流電力は、コンバータ回路とは別に構成されたインバータ回路に用いられる半導体スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を調整することによって、回転電機１００の駆動に必要な３相交流電流が作られる。この３相交流電流が配線５０４を介して回転電機１００に供給される。すなわち、電力変換回路５０２はいわゆるコンバータ回路とインバータ回路、またはそのいずれかとして機能する。また、半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって発生した高周波ノイズを電源部５０１側に漏洩させないために、電力変換回路５０２には必要に応じてインダクタおよびキャパシタで構成したノイズフィルタが設けられる。

【0027】

なお、本実施の形態では、電源部５０１に直流電源を用いた構成を示したが、電源部５０１は、直流電源である必要はなく、交流電源を用いてもよい。この場合、電力変換回路５０２には、交流電圧を入力とし、異なる電圧の直流電圧に変換する整流回路をコンバータ回路に代えて備えるようにすればよい。

【0028】

ここで、電力変換回路５０２によって駆動される回転電機１００において、軸電圧Ｖ２が発生する原理について、図５の等価回路を用いて説明する。なお、ここでの軸電圧Ｖ２とは、筐体４０の電位を基準として測定されたシャフト１２の電圧として定義する。図５において、Ｇ点は筐体４０の電位を表し、Ｎ点は固定子巻線３２の中性点Ｎの電位を表し、Ｓ点はシャフト１２の電位を表す。Ｎ点とＧ点との間の電位差となる電圧Ｖ１は、回転電機１００の中性点Ｎの電圧を表し、Ｓ点とＧ点との間の電位差を回転電機１００の軸電圧Ｖ２と表す。また、Ｃ１は固定子巻線３２と回転子１０との間の浮遊容量を表し、Ｃ２は回転子１０と筐体４０との間の浮遊容量を表している。

【0029】

回転電機１００を駆動するために、電力変換回路５０２に含まれる半導体スイッチング素子群はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に基づきキャリア周波数ｆｃでスイッチング動作を行う。このとき中性点Ｎの電圧Ｖ１の大きさもキャリア周波数ｆｃの周期で階段状に時間変動する。筐体４０と固定子巻線３２との間に発生した中性点Ｎの電圧Ｖ１の変動が、回転電機１００の内部に分布する浮遊容量Ｃ１と浮遊容量によって分圧されることで、シャフト１２には筐体４０に対して有限の電位差、すなわち軸電圧Ｖ２が誘起される。

【0030】

浮遊容量Ｃの周波数ｆにおけるインピーダンスＺは式（１）のように表すことができる。
Ｚ（Ｃ）＝１／（２πｆＣ） ・・・（１）
したがって、筐体４０とシャフト１２との間に生じる軸電圧Ｖ２は式（２）で表すことができる。
Ｖ２＝｛Ｚ（Ｃ２）／（Ｚ（Ｃ１）＋Ｚ（Ｃ２））｝×Ｖ１
＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝×Ｖ１ ・・・（２）

【0031】

つぎに、電力変換回路５０２によって駆動される回転電機１００において、軸電流が発生する原理と、その伝搬経路の一例について図６を用いて説明する。軸電圧Ｖ２が軸受２０の絶縁破壊電圧を超えた場合、あるいは軸受２０の低速回転、あるいは異物の混入により外輪２３と内輪２１に対して剛体球２２が接触するといった絶縁破壊が起こると、回転電機１００、軸受２０の浮遊容量に充電された電荷が放電し、軸電流Ｉ１が流れる。

【0032】

軸電流Ｉ１は中性点電圧Ｖ１の変動に起因して発生しており、固定子巻線３２から、回転子１０、軸受２０Ａ、２０Ｂ、筐体４０の経路で伝搬し、筐体電位（Ｇ点）と同電位となる回転電機１００の外部へ流れ込む。回転電機１００の浮遊容量は無数に存在するため、軸電流の経路は、軸電流Ｉ１で示したもの以外にも複数存在するが、軸電流が発生する際は軸受２０の絶縁破壊を伴うため、いずれの経路であっても、軸電流は複数の軸受２０の少なくとも一方を伝搬経路に含む。

【0033】

なお、本実施の形態では、中性点Ｎの電圧Ｖ１の変動に起因して発生する軸電流Ｉ１の伝搬経路の一例を示したがこの限りではない。例えば、摩擦帯電による軸受２０の絶縁破壊に起因する軸電流、磁束分布の非対称性に起因する軸電圧Ｖ２に起因する軸電流、といった他の現象に起因して発生する軸電流に対しても軸受状態検出装置２００は有効である。また、本実施の形態では、軸電流Ｉ１が筐体電位と同電位の回転電機１００の外部へ流れ込む伝搬経路の一例を示したがこの限りではない。例えば後述する図１０に示すような回転電機１００の内部を循環する伝搬経路となる場合においても、軸受状態検出装置２００は有効である。

【0034】

電力変換回路５０２によって駆動される回転電機１００において、軸電流Ｉ１の伝搬経路の更なる一例について図７を用いて説明する。負荷装置９００は、図１で説明した回転電機１００の負荷として駆動され、負荷装置接続部４００を介して接続されている。負荷装置９００は、シャフト９１２と、軸受９２０と、筐体９４０を構成要素の一部に含む。

【0035】

筐体９４０はハウジング９４１、ブラケット９４２Ａを構成要素の一部に含む。軸受９２０は、外周面がブラケット９４２Ａに固定され、内周面がシャフト９１２に固定される。回転電機１００のシャフト１２と負荷装置９００のシャフト９１２は、負荷装置接続部４００を介して電気的・機械的に接続されている。このような構成において、図６で説明した中性点Ｎの電圧Ｖ１の変動に起因して発生する軸電流は、回転電機１００の軸受２０を伝搬する軸電流Ｉ１と、負荷装置９００の軸受９２０を伝搬する軸電流Ｉ２に分流する。

【0036】

つぎに、センサ５０と軸電流検出部７０の構成について、図７を用いて説明する。センサ５０は軸受２０Ａの外端面２０ｆｅｘと対向する位置に配置され、軸受２０Ａを流れる軸電流Ｉ１に起因して発生する磁界の変化を測定する磁界センサである。軸電流検出部７０は、センサ５０で測定された信号を軸電流検出部７０へ伝達する伝達部２００ｗを介して接続される。なお本実施の形態では、伝達部２００ｗを電気ケーブル、光ファイバのような有線の形式で描画しているがこの限りではなく、無線での信号伝達手段を含めてもよい。

【0037】

軸電流検出部７０はセンサ５０で測定された信号から軸電流（軸受状態）を検出する。軸受状態の一例として、軸電流の発生タイミングの検知、軸電流値の算出、軸電流の発生回数と頻度、電流値の情報に基づく軸受の状態監視、あるいは異常診断などの機能等が挙げられる。本実施の形態では軸電流検出部７０の機能の一例を示したが、本開示の技術範囲は軸電流検出部７０の機能によって制限されない。

【0038】

つづいて、センサ５０の配置について図８を用いて説明する。センサ５０は軸受２０Ａを径方向に伝搬する軸電流Ｉ１に起因して発生する磁束φ１を検出する。センサ５０は軸受２０Ａの外端面２０ｆｅｘと対向する位置に配置されるため、磁束φ１の効率的な検出が可能である。また、磁束φ１の検出感度向上の観点から、センサ５０は軸受２０Ａの外端面２０ｆｅｘに近接し、軸受２０Ａの径方向に流れる電流に対する磁界に最大感度を有するように配置されることが望ましい。

【0039】

ここで、端面２０ｆｅは、軸受２０の剛体球２２および潤滑剤を保護・密封するために、金属プレートのような導体の、あるいはゴムシールをはじめとする非導体のシール板で覆われている場合がある。磁束φ１の検出感度向上の観点から、軸受２０のセンサ５０と対向する端面２０ｆｅとの間には、導体が介在しないようにすることが望ましい。

【0040】

また、端面２０ｆｅに金属プレートのシール板２５が設けられる場合、図９Ａ、図９Ｂに示すように、シール板２５が軸受２０の内輪２１、外輪２３の少なくとも一方と非接触となる、つまり内輪２１と外輪２３間を短絡しないように構成する。図では内輪２１とシール板２５との間に隙間Ｓｐを設けた例を示すが、内輪２１とシール板２５との間に絶縁材を介在させるようにしてもよい。そして、上述したセンサ５０と端面２０ｆｅとの間に導体を介在させない構成として、センサ５０の検知エリア５０ｄと端面２０ｆｅとの間が開口するように開口部２５ａを設ければよい。なお、シール板２５が非導体の場合は、開口部２５ａを設けた場合と同様の効果を奏する。

【0041】

先に述べたとおり、軸電流の伝搬経路は複数存在するが、いずれの経路とも複数の軸受２０Ａ、２０Ｂの少なくとも一方を伝搬経路に含む。センサ５０は軸受２０の端面２０ｆｅに対向する位置に配置されるため、軸電流が有する複数の伝搬経路のうちのいずれに対しても効率的な検出が可能である。

【0042】

なお、本実施の形態ではセンサ５０を磁界センサとしているがこの限りではなく、軸電流に起因して発生する電界の変化を測定する電界センサとしてもよく、センサ５０では、軸電流に起因する磁界・電界の少なくとも一方を測定すればよい。また、本実施の形態ではセンサ５０を軸受２０の外端面２０ｆｅｘと対向する位置に配置しているがこの限りではなく、内端面２０ｆｅｉと対向配置させたり、外端面２０ｆｅｘと内端面２０ｆｅｉそれぞれに対して対向配置させたりしてもよい。さらに本実施の形態では、センサ５０を負荷接続側の軸受２０Ａに対して配置しているがこの限りではなく、負荷非接続側の軸受２０Ｂに対して配置したり、複数の軸受２０に対して配置したりしてもよい。

【0043】

また、センサ５０は、ある方向の磁束を検知するセンサ素子だけではなく、ある方向に対して例えば４５°のように傾きを有する方向の磁束を検知する別のセンサ素子を備えるようにしてもよい。とくに、ある方向に対して直交する磁束を検知する別のセンサを備えた場合、図７と図８に示すように、一のセンサ素子の検知エリアが設けられた面を軸受２０の端面２０ｆｅと対向するとともに、他のセンサ素子の検知エリアが設けられた面をシャフト１２の外周面に対向するように配置してもよい。このような構成とすることで、センサ５０は軸受２０を径方向に伝搬する軸電流に起因して発生する磁束φ１に加え、シャフト１２を軸方向に伝搬する軸電流に起因して発生する磁束φ２も検出することができ、検出感度をさらに向上することができる。

【0044】

その際、磁束φ２の検出感度向上の観点から、センサ５０はシャフト１２の外周面に近接して配置され、シャフト１２を軸方向に流れる電流に対する磁界に他のセンサ素子が最大感度を有するように配置されることが望ましい。つまり、センサ５０は軸受２０を径方向に流れる電流に対する磁界と、シャフト１２の軸方向に流れる電流に対する磁界の双方に最大感度を有するように配置されることで、検出感度の更なる向上が可能である。

【0045】

なお、本実施の形態では磁束φ２を発生させる軸電流の一例として、シャフト１２を流れる軸電流のうち、負荷装置９００の筐体９４０へ伝搬する軸電流Ｉ２に対してセンサ５０を配置したがこの限りではない。例えば、図１０に示すように回転電機１００の筐体４０へ伝搬する軸電流Ｉ１に対してセンサ５０を配置してもよい。

【0046】

前述のとおり、センサ５０は軸電流を測定することで軸受状態を検出する機能を有するが、その他の信号を検出する機能を有していてもよい。一例として、レゾルバ、エンコーダといった磁気式の回転角センサが挙げられる。一般的に、回転角センサは負荷非接続側の軸受２０に近接して配置される。このように、センサ５０が回転電機１００の回転角検出機能を備えることでセンサ部品の削減が可能となる。

【0047】

つまり、センサ５０を軸電流の発生個所である軸受２０の端面２０ｆｅに対向する位置に配置することで、部品点数を増加することなく軸電流の検出感度が向上し、軸受状態をより高精度に検出することができる。

【0048】

なお、軸電流検出部７０のように演算を実行する部分は、図１１に示すように、プロセッサ７０１と記憶装置７０２を備えた一つのハードウェア７００によって構成することが考えられる。記憶装置７０２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ７０１は、記憶装置７０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ７０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ７０１は、演算結果等のデータを記憶装置７０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

【0049】

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、ひとつの回転電機に対してひとつの軸受状態検出装置を装備した例について説明した。本実施の形態２では、ひとつの回転電機に対して２つの軸受状態検出装置を装備した例について説明する。図１２は実施の形態２にかかる軸受状態検出装置の構成について説明するための図１に対応するブロック図である。なお、実施の形態２においても、軸受を含む回転電機、駆動回路等の構成と動作については実施の形態１と同様であり、同様部分の説明を省略するとともに、実施の形態１の図２Ａから図５を援用する。

【0050】

実施の形態２にかかる軸受状態検出装置２００Ｔは、図１２に示すように、軸受２０Ａの軸電流を検出する第一軸受状態検出装置２００Ａに加え、軸受２０Ｂの軸電流を検出する第二軸受状態検出装置２００Ｂ、および伝搬経路判別部６０を備えたものである。第一軸受状態検出装置２００Ａも、第二軸受状態検出装置２００Ｂも、それぞれ実施の形態１の軸受状態検出装置２００として説明したものと同じ構成であるが、第一軸受状態検出装置２００Ａを構成するものは、符号の末尾に「Ａ」を、第二軸受状態検出装置２００Ｂを構成するものは、符号の末尾に「Ｂ」を付加して区別している。

【0051】

第二軸受状態検出装置２００Ｂは、軸受２０Ｂの外端面２０ｆｅｘに対向配置したセンサ５０Ｂとセンサ５０Ｂからの出力された信号に基づいて、軸電流を検出する軸電流検出部７０Ｂを有している。このような構造でも、実施の形態１に示す軸受状態検出装置２００と同様の効果を得ることができる。センサ５０Ｂは軸受２０Ｂの外端面２０ｆｅｘと対向する位置に配置され、軸受２０Ｂを流れる軸電流に起因して発生する磁界を測定する磁界センサである。

【0052】

そして、軸電流検出部７０Ａからの出力と軸電流検出部７０Ｂからの出力に基づき、軸電流の伝搬経路を判別する伝搬経路判別部６０を備えている。つまり、第一軸受状態検出装置２００Ａと第二軸受状態検出装置２００Ｂと伝搬経路判別部６０とで一つの軸受状態検出装置２００Ｔを構築している。なお、本実施の形態２では軸電流検出部７０Ａと軸電流検出部７０を分割して表現しているが、この限りではなく、伝搬経路判別部を含む複数の演算処理を行う部分の少なくとも一部の機能が統合されていてもよい。

【0053】

ここで、図６で説明した軸電流Ｉ１と、図１２に示す軸電流Ｉ３とでは、電流の伝搬経路が異なる。図６に示す負荷接続側の軸受２０Ａと負荷非接続側の軸受２０Ｂに流れる軸電流は、ともに内輪２１側から外輪２３側に流れる。すなわち、負荷接続側の軸受２０Ａと負荷非接続側の軸受２０Ｂは同時に絶縁破壊が起きている。このとき、軸受２０Ａ側に設けたセンサ５０Ａと、軸受２０Ｂ側に設けたセンサ５０Ｂの検出信号の符号は同符号となる。

【0054】

これに対して、図１２に示す負荷接続側の軸受２０Ａと負荷非接続側の軸受２０Ｂに流れる軸電流は互いに逆向きに流れる。このような軸電流の伝搬経路は、例えば異物などの影響により、負荷接続側の軸受２０Ａと負荷非接続側の軸受２０Ｂのどちらか一方で絶縁破壊が起きている場合に発生する。

【0055】

一例として、負荷接続側の軸受２０Ａで絶縁破壊が起きた場合を考えると、軸電流Ｉ３はシャフト１２、負荷接続側の軸受２０Ａ、筐体４０、負荷非接続側の軸受２０Ｂとを結んだ経路で伝搬する。このとき、軸受２０Ａ側に設けたセンサ５０Ｂと、軸受２０Ｂ側に設けたセンサ５０Ｂの検出信号の符号は異符号となる。このように、回転電機１００がシャフト１２を支持する複数の軸受２０Ａ、２０Ｂにそれぞれセンサ５０Ａ、５０Ｂを備えているので、複数のセンサ５０それぞれの検出信号の処理結果から、伝搬経路判別部６０は、軸電流の伝搬経路を判別することができる。

【0056】

さらに、実施の形態２の軸受状態検出装置２００Ｔは、複数の軸受２０Ａ、２０Ｂにそれぞれセンサ５０Ａ、センサ５０Ｂを備えているので、複数の軸受２０の状態監視と異常診断が可能となる。また、実施の形態２の軸受状態検出装置２００Ｔは、実施の形態１の軸受状態検出装置２００と同様に、部品点数を増加することなく軸電流の検出感度を向上し、軸受状態をより高精度に検出することができる。

【0057】

実施の形態３．
上記実施の形態１、２においては、軸電流に伴う磁界または電界を検知するセンサからの信号に基づいて軸受状態を検出する例について説明した。本実施の形態３では、さらに軸電圧の信号を加えて、軸受状態を検出する例について説明する。図１３は実施の形態３にかかる軸受状態検出装置の構成について説明するための図１に対応するブロック図である。なお、実施の形態３においても、軸受を含む回転電機、駆動回路等の構成と動作については実施の形態１と同様であり、同様部分の説明を省略するとともに、実施の形態１の図２Ａから図５を援用する。

【0058】

実施の形態３にかかる軸受状態検出装置２００は、図１３に示すように、図１の軸受状態検出装置２００に対し、軸電圧Ｖ２を測定する電圧センサ８０を備え、軸電流検出部７０は、センサ５０と電圧センサ８０の信号に基づいて、軸電流を検出するようにした。

【0059】

電圧センサ８０は、シャフト１２と筐体４０間の電圧、つまり回転電機１００の軸電圧Ｖ２を測定する。このような構造でも、実施の形態１および実施の形態２に示す軸受状態検出装置２００と同様の効果を得ることができる。電圧センサ８０のシャフト１２への接続箇所は、ブラシ、あるいは導電性マイクロファイバーといった、シャフト１２のような回転体から検出信号を伝達するための部材が用いられる。

【0060】

このように、軸受２０における内輪２１と外輪２３の間の電圧を検出する電圧センサ８０で測定された信号を軸電流検出部７０へ伝達するようにしている。そのため、軸電流だけでなく、軸電圧Ｖ２を測定することができ、軸電流と軸電圧Ｖ２をともに計測して相関関係を導き出し、導き出した相関関係を用いて、より高精度な複数軸受の状態監視、および異常診断が可能となる。導き出した相関関係のデータは、軸電流検出部７０に設けた図示しないデータベースに保存するようにしてもよい。また、実施の形態３の軸受状態検出装置２００は、実施の形態１および実施の形態２の軸受状態検出装置２００と同様に、部品点数を増加することなく軸電流の検出感度を向上し、軸受状態をより高精度に検出することができる。

【0061】

なお、本開示は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。したがって、例示されていない無数の変形例が、この明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【0062】

以上のように、本開示の軸受状態検出装置２００によれば、円筒状をなして内周面２０ｆｉで回転電機１００の回転子１０のシャフト１２を支持する軸受２０まわりの磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサ５０、およびセンサ５０からの信号に基づいて、軸受２０を流れる軸電流を検出する軸電流検出部７０、を備え、センサ５０は、軸受２０の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面２０ｆｅに対向して配置されているようにした。これにより、部品点数を増加させることなく、回転電機１００における軸電流を高感度に検出することができる。

【0063】

センサ５０は、軸受２０を径方向に流れる電流に起因する磁界および電界の少なくとも一方に対してセンサ素子が最大感度を有するように配置されているようにすれば、より確実に軸電流を検出することができる。

【0064】

センサ５０は、シャフト１２の外周面にも対向して配置されているようにすれば、シャフト１２を軸方向に流れる電流も検出することができる。

【0065】

その際、センサ５０は、シャフト１２を軸方向に流れる電流に起因する磁界および電界の少なくとも一方に対して（径方向に流れる電流に起因する磁界および電界の少なくとも一方に対して最大感度となる上述したセンサ素子とは検出対象が直交する関係となる）第二センサ素子が最大感度を有するように配置されているようにすれば、シャフト１２を軸方向に流れる電流をより確実に検出することができる。

【0066】

またセンサ５０は、回転子１０の回転角度を検出する機能を有しているようにすれば、部品点数を削減できる。

【0067】

センサ５０Ａ、センサ５０Ｂは、シャフト１２を支持する２つの軸受２０Ａ、２０Ｂそれぞれに対応して設けられ、軸電流検出部７０Ａ、軸電流検出部７０Ｂが検出した２つの軸受２０それぞれの軸電流の向きに応じて軸電流の伝搬経路を判定する伝搬経路判別部６０、を備えるようにすれば、軸受２０の状態監視と異常診断が容易になる。

【0068】

軸受２０を保持する回転電機１００の筐体４０とシャフト１２との間の電圧（軸電圧Ｖ２）を測定する電圧センサ８０を備え、軸電流検出部７０は、センサ５０からの信号と電圧センサ８０からの信号に基づいて、軸受２０を流れる軸電流を検出するようにすれば、軸電流と軸電圧Ｖ２の相関をとることで、より高精度に軸受２０の状態監視と異常診断ができる。その際、上述した相関関係を用いて軸電流を検出することが望ましい。

【0069】

また、本開示の回転電機１００によれば、回転子１０、回転子１０の外周面に対して間隔をあけて同心配置された固定子３０、および軸受２０と固定子３０を径方向の外側から保持するとともに、固定子３０と回転子１０を内部に収容する筐体４０、を備え、上述した軸受状態検出装置２００を装備すれば、軸受２０の状態を容易に診断可能となり、信頼性が高くなる。

【0070】

また、軸受２０のセンサ５０が対向する端面２０ｆｅは、内輪２１と外輪２３の間に充填された潤滑剤を保護するための導電体のシール板２５で覆われており、シール板２５は、内輪２１と外輪２３のうちの一方と絶縁し、かつセンサ５０の検知面と対向する領域が開口していれば、磁束の検出感度が向上する。

【0071】

以上のように、本開示の軸受状態検出方法によれば、磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサ５０を、回転電機１００の回転子１０のシャフト１２を支持する軸受２０の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面２０ｆｅに対向させて配置する工程、およびセンサ５０からの信号に基づいて、軸受２０を径方向に流れる軸電流を検出する工程、を含むようにした。これにより、部品点数を増加させることなく、回転電機１００における軸電流を高感度に検出することができる。

【符号の説明】

【0072】

１０：回転子、 １００：回転電機、 １２：シャフト、 ２０：軸受、 ２００，２００Ｔ：軸受状態検出装置、 ２０ｆｅ：端面、 ２５：シール板、 ３０：固定子、 ４０：筐体、 ５０：センサ、 ６０：伝搬経路判別部、 ７０：軸電流検出部、 ８０：電圧センサ、 ５００：駆動回路、 ５０１：電源部、 ５０２：電力変換回路、 ９００：負荷装置、 ９１２：シャフト、 Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３：軸電流、 Ｖ２：軸電圧、 Ｘｒ：軸、 φ１，φ２：磁束。

【要約】

本開示の軸受状態検出装置（２００）は、円筒状をなして内周面で回転電機（１００）の回転子（１０）のシャフト（１２）を支持する軸受（２０）まわりの磁界および電界の少なくとも一方を測定するセンサ（５０）、およびセンサ（５０）からの信号に基づいて、軸受（２０）を流れる軸電流を検出する軸電流検出部（７０）、を備え、センサ（５０）は、軸受（２０）の軸方向における両端面のうち少なくともひとつの端面（２０ｆｅ）に対向して配置されているようにした。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】