JP2001349877A - 回転電機の診断システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コイル、クリページブロックおよびウェッジ
の相互に生じるすべりを直接検出して、ロータの軸振動
の発生状況を監視する。 【解決手段】 発電機ロータ１には外周面から半径方向
に多数のコイルスロット２が形成され、このコイルスロ
ット２内にはコイル３及びクリページブロック４が挿入
されて、コイルスロット開口部２Ａにウェッジ５が填め
込まれている。このような発電機ロータ１において、ウ
ェッジ５にＡＥセンサ６を埋め込む。そして、ロータ１
の回転時に、コイル３、クリページブロック４、ウェッ
ジ５が相互にすべることにより生じる音をＡＥセンサ６
で検出することにより、発電機ロータ１の軸振動の発生
状況を監視する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機の診断シス
テムに係り、特にタービン発電機のロータ軸振動を診断
するのに好適な回転電機の診断システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】タービン発電機のロータには、ロータ外
周面から半径方向に沿って多数のスロットが設けられ、
これらのスロット内に底部から、複数段のコイル、クリ
ページブロックと呼ばれる絶縁材が順次積層され、さら
にスロットの開口部には、ロータ回転時にコイルが遠心
力でスロット内から飛び出さないようにウェッジと呼ば
れる楔が填め込まれている。

【０００３】ところで、発電機運転中には、通電による
コイルの熱膨張等によって、コイル、クリページブロッ
ク及びウェッジの相互にすべりが生じ、ロータ全体の軸
曲げ力のバランスが崩れて、急激な軸振動が発生する場
合がある。

【０００４】そこで、従来の回転電機の診断システムで
は、ロータシャフトの軸受部に変位計を設け、シャフト
の変位量を非接触で検出して、軸振動の監視を行ってい
る。また、特開平６−１８６０１７号公報には、楔とス
ロット内面との密着性を検出するために、軸受部にＡＥ
(Acoustic Emission)センサを設けることが開示されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術のうち軸受部に変位計を設けたものでは、軸振
動値そのものは監視できるが、その軸振動の原因となる
コイル、クリページブロックおよびウェッジ間の相互の
すべりを検出することはできない。このため、すべりの
ばらつきを原因とする急激な軸振動を予測することは不
可能である。

【０００６】また、軸受部にＡＥセンサを設けたもので
は、ロータ回転数の増加に伴うウェッジのスロット内面
への密着具合を監視するもので、ロータの軸振動の発生
状況を監視することについては配慮されていない。

【０００７】本発明の目的は、コイル、クリページブロ
ックおよびウェッジの相互に生じるすべりを直接検出す
ることにより、ロータの軸振動の発生状況を監視するこ
とのできる回転電機の診断システムを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ロータのコイルスロット内に挿入された
コイルを該コイルスロットの開口部側から保持するウェ
ッジ、または隣り合うコイルスロット間に形成されたテ
ィースに埋め込まれ、ロータ回転時に、前記コイル、前
記ウェッジ、及び前記ウェッジと前記コイル間のクリペ
ージブロックが相互にすべることにより生じる音を検出
するＡＥセンサと、前記ＡＥセンサからの検出信号に基
づいて回転電機の診断を行う診断手段とを備えたことを
特徴としている。

【０００９】上記構成によれば、ロータ回転時に、コイ
ル、ウェッジ、及びクリページブロックの相互にすべり
が生じると、微小な音が発生するので、ウェッジまたは
ティースに埋め込まれたＡＥセンサは、その音を検出し
て、検出信号を診断手段に送信する。診断手段は、ＡＥ
センサからの検出信号に基づいて、ロータに軸振動が発
生しているか否か、また発生しているときはその規模は
どの位か等について診断を行う。

【００１０】上記回転電機の診断システムを構成するに
際しては、以下の要素を付加することができる。 （１）前記診断手段は、ロータ回転数及び冷却ガス温度
を参照して、コイル温度、ロータの現在の軸振動値、ロ
ータのたわみ量、ＡＥ信号等の相関関係、及びロータの
軸振動発生時の基準値を予めデータベース化する手段
と、前記データベース化されたデータを利用してロータ
の今後の軸振動値を予測する手段とを有する。 （２）前記ウェッジには、前記ＡＥセンサに接続された
センサケーブルを通すための穴または溝が形成されてい
る。 （３）前記ＡＥセンサは圧電素子を使用したＡＥセン
サ、または光ファイバ振動速度計を使用したＡＥセンサ
である。 （４）前記診断手段は、前記ＡＥセンサからの検出信号
より、前記クリページブロックの種類または表面粗さに
応じた周波数帯域の信号を抽出する。 （５）前記診断手段は、ロータに急激な軸振動が生じる
基準とされるＡＥエネルギとコイルの温度変化速度の相
関関係を越える信号を検出した場合、ロータ回転数、コ
イル温度、及び冷却ガス温度を参照して、ロータの軸振
動の発生時期及び規模を予測し、前記クリページブロッ
クの交換時期についての診断を行う。 （６）前記診断手段は、ロータの予測した軸振動発生時
期及び規模と実際に生じた軸振動とを比較し、軸振動発
生の基準としたＡＥ信号の周波数帯域、ＡＥエネルギ、
コイル温度変化速度等の各パラメータを学習して、デー
タベースの各パラメータを更新する。 （７）前記ロータの回転軸には、前記ＡＥセンサからの
検出信号を回転電機本体外に取り出すためのスリップリ
ングが設けられ、前記診断手段は、ロータ回転数及び冷
却ガス温度等の運転条件及びコイル温度に基づいて、前
記ＡＥセンサからの検出信号を取り込んでＡＥ計測を開
始するか否かの判定を行い、ＡＥ計測開始時に前記スリ
ップリングのブラシをオンにする。 （８）前記ロータの回転軸を支持する軸受部に前記ＡＥ
センサが設けられ、前記診断手段は、前記ＡＥセンサか
らの検出信号に基づいて、前記軸受部の交換時期につい
ての診断を行う。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。 （実施の形態１）図１は発電機ロータのコイルスロット
の断面図である。なお、図１ではロータの中心軸は図面
に対して垂直方向である。図１に示すように、ロータ１
には外周面から半径方向にコイルスロット２が形成さ
れ、このコイルスロット２内には、縦断面の形状が矩形
をなした複数のコイル３が積層されている。またコイル
スロット２内には、コイル３の上部に絶縁材からなるク
リページブロック４が配置され、さらにその上部にウェ
ッジ５が設けられている。ウェッジ５は縦断面の形状が
凸状をなし、その先端凸状部５Ａがコイルスロット２の
狭くなった開口部２Ａに填め込まれている。

【００１２】図２はウェッジの斜視図である。図２に示
すように、ウェッジ５の内部には、ＡＥセンサ６、プリ
アンプ７が埋め込まれている。ＡＥセンサとしては、圧
電素子を利用したものが考えられる。本実施の形態では
ＡＥセンサ６及びプリアンプ７は各々独立して設けられ
ているが、プリアンプ内蔵型センサを埋め込むこともで
きる。ウェッジ５には軸方向（ロータの中心軸と平行な
方向）に沿って細い配線用穴８が形成され、配線用穴８
には、ＡＥセンサ６とプリアンプ７と接続する配線、及
びプリアンプ７と発電機本体外にあるＡＥ解析装置とを
接続する配線がそれぞれ通されている。そして、配線用
穴８内には前記配線との隙間に充填剤が充填されてい
る。

【００１３】このように、ＡＥセンサ６、プリアンプ
７、及び配線を一つのウェッジ５内部にまとめて設けて
おけば、ウェッジ５を交換するだけで、旧式の発電機ロ
ータにも本実施の形態の診断システムを容易に装着する
ことができる。

【００１４】ウェッジ５にＡＥセンサ６を埋め込む方法
としては、図３に示すように、ウェッジ５にセンサ埋め
込み溝１３を形成しておき、この溝１３内に防振ゴム１
４と共にＡＥセンサ６を挿入する。この防振ゴム１４
は、ロータ回転時に遠心力による大きな負荷がＡＥセン
サ６に直接加わるのを防ぐためのものである。溝１３内
に挿入されたＡＥセンサ６には、接着剤１５によってセ
ンサ押さえ蓋１６が固定され、このセンサ押さえ蓋１６
は溝１３の開口部１３Ａに填め込まれている。センサ押
さえ蓋１６はクリページブロック４と同じ材質で構成さ
れている。なお、ＡＥセンサ６をウェッジ５内にしっか
りと固定するために、溝１３内の隙間には充填剤が充填
される。このようにすれば、ロータ回転中にＡＥセンサ
６が溝１３内で移動するのを防止することができる。

【００１５】上記のようにＡＥセンサ６が埋め込まれた
ウェッジ５は、ロータ１には例えば図４のように配置さ
れる。図４（ａ）はロータ１の正面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施の形態では、
ＡＥセンサ６が１６個設けられ、図４（ａ）では手前側
に８個、裏側に８個それぞれ配置されている。そして、
ＡＥセンサ６は千鳥状に配置され、隣り合うＡＥセンサ
間の距離はほぼ等しく構成されている。ＡＥセンサ６か
らの配線は、ウェッジに形成された前記配線用穴８から
スリップリングあるいはテレメータを介して、ロータ外
部のＡＥ解析装置に接続される。なお、ＡＥセンサ６は
１６個に限らず、任意の数設けることができる。

【００１６】ＡＥセンサ６からの配線をスリップリング
を介して外部に引き出した一例を図５に示す。図５
（ａ）はロータ端部の正面図である。図（ｂ）は（ａ）
のＢ−Ｂ線に沿った矢視図であり、左右対称な形状をし
ているので右側半分のみ示してある。ＡＥセンサ６及び
プリアンプ７からの配線１０は、配線用穴８内を通って
ロータ１端面を中心軸方向に這い、さらにロータシャフ
ト１Ａ内部を貫通して、ロータシャフト１Ａ端部に取り
付けられたスリップリング１１に接続されている。スリ
ップリング１１にはＡＥ収録装置１２に繋がったブラシ
が接触しており、スリップリング１１とブラシは電気的
に接続されている。このように構成すれば、ロータ１内
のコイル３とクリページブロック４のすべり時の音の計
測を高精度に行うことができる。

【００１７】なお、ＡＥセンサ６はウェッジ５だけでな
く、コイルスロット２とコイルスロット２との間のティ
ース９（図１参照）に埋め込むこともできる。

【００１８】（実施の形態２）図６は本発明の実施の形
態２を示している。本実施の形態では、光ファイバ振動
速度計改良型ＡＥセンサがロータに埋め込まれている。
光ファイバ振動速度計改良型ＡＥセンサは、実施の形態
１で用いた圧電素子によるＡＥセンサと違い、レーザー
ドップラ効果を利用したＡＥセンサで、光ファイバ１７
の鏡端面１８における反射波をレーザードップラー振動
速度計１９で計測することにより、ＡＥ計測が可能とな
っている。この光ファイバ型のＡＥセンサは、非常に軽
く、発電機ロータへの埋め込みが容易で、遠心力による
重力加速度の影響も少ない。

【００１９】上記ＡＥセンサをロータ１に埋め込んだ様
子を図７に示す。図７（ａ）はロータ１の正面図、
（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【００２０】本実施の形態によれば、電磁ノイズの影響
の少ない診断システムの構築が可能となる。 （実施の形態３）図８は本発明の実施の形態３を示して
いる。本実施の形態では、図５で示したスリップリング
１１のブラシをＯＮ（電気的に接続）させたり、ＯＦＦ
（電気的に非接続）させたりする制御を行う。スリップ
リング１１は、ロータ側の配線１０と外部（例えばＡＥ
収録装置１２）の配線とをブラシにより接続しており、
長時間の運転を継続する場合、ブラシの寿命が最も問題
になる。

【００２１】そのため、本実施の形態では、冷却ガス温
度、コイル温度、ロータの回転数を計測し（ステップＳ
１）、これらの計測値からコイル温度変化を予測する
（ステップＳ２）。そして、ロータ回転数及び冷却ガス
温度等の運転条件、コイル温度及びコイル変化速度か
ら、ＡＥセンサからの検出信号を取り込んでＡＥ計測を
開始するか否かの判定を行う（ステップＳ３）。その判
定の結果、ＡＥ計測を開始する場合にはスリップリング
１１のブラシスイッチをＯＮにし（ステップＳ４）、Ａ
Ｅ計測を開始して、ＡＥ情報の収録を行う（ステップＳ
５）。

【００２２】本実施の形態によれば、スリップリング１
１のブラシの摩耗を押さえることができる。

【００２３】（実施の形態４）図９は本発明の実施の形
態４を示しており、軸振動発生の判定に関する説明図で
ある。ＡＥ収録装置１２からのＡＥデータ、及び外部デ
ータ２３である温度、変位（軸振動値）等の計測結果を
データベース２４に記録し、軸振動の発生を判定する２
５。ここでは、計測したＡＥエネルギと軸振動値の関係
２６、ＡＥ発生位置のばらつき度と軸振動値の関係２
７、ロータのたわみ量と軸振動値の関係２８、コイル温
度と軸振動値の関係２９、コイル温度変化速度とＡＥエ
ネルギの関係３０について、基準値を超えた時に軸振動
が発生すると判定する。軸振動の発生を判定するための
各基準値は、過去の軸振動情報から評価したもので、想
定外の軸振動が発生３１した場合、個々の基準値を再評
価３２して、その結果をデータベース２４に記録する。

【００２４】また、軸振動発生判定とは別に、クリペー
ジブロックの交換診断３３を軸振動発生判定と同時に行
っている。ここで、ＡＥエネルギと粗さの関係からクリ
ページブロックの粗さ判定３４を行い、その結果を基に
粗さのばらつきからクリページブロックの交換時期の診
断３５を行う。

【００２５】本実施の形態によれば、クリページブロッ
クの粗さのばらつきが原因となる軸振動急変を未然に防
ぐことができる。

【００２６】（実施の形態５）図１０は、本発明の実施
の形態５を示しており、（ａ）はロータの正面図、
（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った矢視図である。本実
施の形態では、ＡＥセンサ６及びプリアンプ（図示省
略）が軸受部３６側面に４個ずつ、合計８個を設置され
ている。ＡＥセンサ６等の数は任意の数設置することが
できる。

【００２７】軸受部３６を発生源としたＡＥ信号をノイ
ズとして除去するために、軸受部３６にＡＥセンサ６は
設置されており、上記構成は、ロータ１内部にＡＥセン
サ６を埋め込んだ場合、及びステータフレームにＡＥセ
ンサ６を取り付けた場合の両方に適用できる。

【００２８】軸受部３６を起因とするノイズを除去する
方法のフローチャートを図１１に示す。初めにＡＥ信号
の発生位置の標定を行い（ステップＳ１０）、ロータ部
の軸振動を評価するという目的から軸受部を起因とする
ＡＥ信号を除外する。さらに、ＡＥ信号のパターン評価
を行い（ステップＳ１１）、軸の回転数に対応して周期
的に一定間隔で発生するＡＥ信号を除去する。

【００２９】ステップＳ１０及びステップＳ１１で除去
されたＡＥ信号は、ロータ部の軸振動評価とは別に、軸
受部の健全性評価に利用する（ステップＳ１２）。軸受
部３６を起点とするＡＥ信号の頻度及びＡＥエネルギ量
が基準値を超えた場合、軸受部３６の交換時期と判断す
る。

【００３０】ステップＳ１１で除去されなかったＡＥ信
号は、有効なＡＥ信号と判定する（ステップＳ１３）。

【００３１】本実施の形態によれば、軸受部３６を含む
ロータ１全体の安全性評価が可能で、同時にロータ１外
部からの監視が可能となり、信頼性の高い診断システム
が構築できる。

【００３２】（実施の形態６）図１２は本発明の実施の
形態６を示しており、収録されたＡＥ信号情報と軸振動
値との関係図である。計測したＡＥ信号はローパスフィ
ルタ４０，ハイパスフィルタ４１で、使用するクリペー
ジブロックの種類に応じた周波数が抽出される。同時に
一定のＡＥエネルギ４２、コイル温度変化速度との相関
関係を越えた領域４３に位置する信号が、すべりの発生
に対応する信号であると診断される。ここでローパスフ
ィルタ４０及びハイパスフィルタ４１は、図９における
想定外の軸振動発生３１に対する計測周波数の再評価に
より、必要に応じて変更する。

【００３３】本実施の形態によれば、ロータ温度の急変
などの状況に応じて摩擦係数のばらつきを求めることが
できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、以
下の効果を期待できる。 （１）ロータ内部ですべりの生じるクリページブロック
に隣接したウェッジ内部にＡＥセンサを直接埋め込んで
いるため、軸受などのロータ外部のノイズの影響を少な
くし、ロータ軸振動の発生を直接監視することができ
る。 （２）ＡＥ情報、コイル温度、冷却ガス温度、軸振動値
から、クリページブロックの面粗さ、摩擦係数のばらつ
きを評価することができる。 （３）現在使用中のロータについても、ＡＥセンサ内蔵
型ウェッジに交換することにより、比較的簡単に、回転
電機の診断システムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発電機ロータのコイルスロット部の断面図であ
る。

【図２】ウェッジの斜視図である。

【図３】ウェッジにＡＥセンサを埋め込む方法を説明し
た図である。

【図４】ＡＥセンサの配置位置を示しており、（ａ）は
ロータの正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断
面図である。

【図５】ＡＥセンサに接続された配線の位置を示してお
り、（ａ）はロータ端部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ
−Ｂ線に沿った矢視図である。

【図６】光ファイバ振動速度計改良型ＡＥセンサを使用
した場合のシステム構成図である。

【図７】図６のＡＥセンサをロータに埋め込んだ様子を
示しており、（ａ）はロータの正面図、（ｂ）は（ａ）
のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図８】スリップリングのブラシをＯＮ／ＯＦＦする際
のフローチャートである。

【図９】軸振動発生の判定に関する説明図である。

【図１０】ＡＥセンサを軸受部に設置した一例を示して
おり、（ａ）はロータの正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−
Ｄ線に沿った矢視図である。

【図１１】軸受部を起因とするノイズ除去の手順を示し
たフローチャートである。

【図１２】ＡＥ信号情報と軸振動値との関係を示した図
である。

【符号の説明】

１ ロータ ２ コイルスロット ２Ａ コイルスロット開口部 ３ コイル ４ クリページブロック ５ ウェッジ ５Ａ ウェッジ先端凸状部 ６ ＡＥセンサ ７ プリアンプ ８ 配線用穴 ９ ティース １０ 配線 １７ 光ファイバ １８ 鏡端面 １９ 光ファイバ振動速度計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青山 博 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 2G047 AC08 BA05 BC04 GA18 GG06 GG36

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータのコイルスロット内に挿入された
   コイルを該コイルスロットの開口部側から保持するウェ
   ッジ、または隣り合うコイルスロット間に形成されたテ
   ィースに埋め込まれ、ロータ回転時に、前記コイル、前
   記ウェッジ、及び前記ウェッジと前記コイル間のクリペ
   ージブロックが相互にすべることにより生じる音を検出
   するＡＥセンサと、前記ＡＥセンサからの検出信号に基
   づいて回転電機の診断を行う診断手段と、を備えた回転
   電機の診断システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記診断手段は、ロータ回転数及び冷却ガス温度を参照
   して、コイル温度、ロータの現在の軸振動値、ロータの
   たわみ量、ＡＥ信号等の相関関係、及びロータの軸振動
   発生時の基準値を予めデータベース化する手段と、前記
   データベース化されたデータを利用してロータの今後の
   軸振動値を予測する手段とを有することを特徴とする回
   転電機の診断システム。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記ウェッジには、前記ＡＥセンサに接続されたセンサ
   ケーブルを通すための穴または溝が形成されていること
   を特徴とする回転電機の診断システム。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記ＡＥセンサは圧電素子を使用したＡＥセンサ、また
   は光ファイバ振動速度計を使用したＡＥセンサであるこ
   とを特徴とする回転電機の診断システム。
5. 【請求項５】 請求項１又は２に記載の回転電機の診断
   システムにおいて、 前記診断手段は、前記ＡＥセンサからの検出信号より、
   前記クリページブロックの種類または表面粗さに応じた
   周波数帯域の信号を抽出することを特徴とする回転電機
   の診断システム。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記診断手段は、ロータに急激な軸振動が生じる基準と
   されるＡＥエネルギとコイルの温度変化速度の相関関係
   を越える信号を検出した場合、ロータ回転数、コイル温
   度、及び冷却ガス温度を参照して、ロータの軸振動の発
   生時期及び規模を予測し、前記クリページブロックの交
   換時期についての診断を行うことを特徴とする回転電機
   の診断システム。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記診断手段は、ロータの予測した軸振動発生時期及び
   規模と実際に生じた軸振動とを比較し、軸振動発生の基
   準としたＡＥ信号の周波数帯域、ＡＥエネルギ、コイル
   温度変化速度等の各パラメータを学習して、データベー
   スの各パラメータを更新することを特徴とする回転電機
   の診断システム。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記ロータの回転軸には、前記ＡＥセンサからの検出信
   号を回転電機本体外に取り出すためのスリップリングが
   設けられ、前記診断手段は、ロータ回転数及び冷却ガス
   温度等の運転条件及びコイル温度に基づいて、前記ＡＥ
   センサからの検出信号を取り込んでＡＥ計測を開始する
   か否かの判定を行い、ＡＥ計測開始時に前記スリップリ
   ングのブラシをオンにすることを特徴とする回転電機の
   診断システム。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の回転電機の診断システ
   ムにおいて、 前記ロータの回転軸を支持する軸受部に前記ＡＥセンサ
   が設けられ、前記診断手段は、前記ＡＥセンサからの検
   出信号に基づいて、前記軸受部の交換時期についての診
   断を行うことを特徴とする回転電機の診断システム。