JP2008003087A - 電気機械の多機能センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械（１２）の多機能センサシステム（１０）を提供する。
【解決手段】システムは、圧電振動センサ（１６）と、随意選択で圧電振動センサと一体式とすることが可能である抵抗温度および部分放電センサ（１６）と、振動、抵抗温度、および部分放電センサを囲繞するパッケージング（１８）とを含む。他の実施形態によれば、電気機械の多機能センサシステムは、２つの対向する表面を備える圧電基板、第１対向表面の上に重なる第１側面電極、および第２対向表面の上に重なる第２側面電極を備える一体式圧電振動、部分放電、および抵抗温度センサと、第１側面電極および第２側面電極に選択的に一体化されたケーブルと、センサを囲繞するパッケージングとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的には状態評価に関し、より具体的には電気機械の状態評価に関する。

多くの異なるタイプの電気機械が、絶縁される電気導体を使用する。たとえば、モータおよび発電機は、一般に、巻かれた回転子および固定子を含み、あるいは事前に形成された巻線またはコイルを含むことが可能である。導体は、通常、電流を伝達する、またはそのような電流の流れによって磁場を生成するように作用する。絶縁システムは、組み立てられたシステムにおいて導体と巻線を互いにおよび隣接するコンポーネントから分離する。そのような絶縁システムは、様々なワニス系、テープ、コーティング、およびスリーブを含むことが可能である。絶縁システムの完全性は、絶縁システムが装備される電気機器の信頼性および耐用年数にとって重要である。

絶縁状態を評価するオフライン方法は、過剰電圧、高電位、または高電圧ランプ試験、絶縁抵抗試験または偏光指標試験、サージ試験、「タンデルタ」試験または電力因子試験としても知られる散逸因子試験、およびオフライン部分放電試験を含む。従来のオフラインの技法は浸襲性でコストがかかることがあるが、その理由は、必要な診断試験を実施するために、電気機械を停止し、運用からはずされなければならないからである。

いくつかのオンライン測定技法も、巻線の絶縁状態を監視するために利用可能である。振動測定および温度測定などの技法は、欠陥が生じた後でのみ深刻な欠陥状態を検出し、その結果、事前の保全およびサービスは困難になる。部分放電分析技法は、絶縁低下の初期症状を検出するが、高価で特別な機器を必要とする。通常、オンライン測定技法は、異なる感知機器およびパッケージングが異なるパラメータを評価するために使用されるように組み合わされる。具体的には、抵抗温度センサが、通常、巻かれて次いで成形される絶縁ベースの周りに導体を備える。結果として得られるパッケージングはかさばり、他のセンサパッケージングと一体化するのは容易ではない。
米国特許第４８４９６６８号公報 米国特許第４９４９００１号公報 米国特許第５８６９１８９号公報 米国特許第６０４８６２２号公報 米国特許第６６２９３４１号公報 米国特許第７０３０３６６号公報 米国特許出願公開第２００５０２１８５６０号公報 米国特許出願公開第２００５０２１８９０６号公報 米国特許出願公開第２００５０２１８９０７号公報

電気機械の状態を評価する多機能センサシステムを提供することが望ましい。

簡潔には、一実施形態によれば、電気機械の多機能センサシステムは、圧電振動センサと、抵抗温度および部分放電センサと、振動、抵抗温度、および部分放電センサを囲繞するパッケージングとを備える。

他の実施形態によれば、電気機械の多機能センサシステムは、２つの対向する表面を備える圧電基板、第１対向表面の上に重なる第１側面電極、および第２対向表面の上に重なる第２側面電極を備える一体式圧電振動、部分放電、および抵抗温度センサと、第１側面電極および第２側面電極に選択的に一体化されたケーブルと、センサを囲繞するパッケージングとを備える。

他の実施形態によれば、発電機は、固定子スロットおよび固定子スロット内に配置された固定子バーを備える固定子と、固定子スロット内に配置されたセンサシステムとを備え、センサシステムは、圧電振動センサと、抵抗温度および部分放電センサと、振動、抵抗温度、および部分放電センサを囲繞するパッケージングとを備える。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに利点は、以下の詳細な記述が、同じ符号が全図面にわたって同じ部分を表す添付の図面を参照して読まれるとき、よりよく理解されるであろう。

図１は、本発明の一実施形態による多機能センサシステム１０のブロック図である。センサシステム１０は、電気機械１２に対して配置され、通常はケーブル３０および３２によって信号をプロセッサ１４に送信する。センサシステム１０は、機械の動作中に感知するために機械１２の指定位置に挿入する、または取り付けることによって配置されることが可能である。

センサシステム１０は、機械に関して振動、温度、および部分放電を感知するように構成される。一実施形態では、センサシステム１０は、１０ミリメートル未満または１０ミリメートル等しい厚さを有する。追加または代替の実施形態では、一体式センサが、振動、温度、および部分放電を感知するために使用される。

図２は、本発明のより具体的な実施形態による多機能センサシステムの側面図、図３はその透視図であり、センサシステム１０は、圧電振動センサ１６と、抵抗温度および部分放電センサ１６と、振動、抵抗温度、および部分放電センサを囲繞するパッケージング１８とを備える。

パッケージング１８は、任意の構造的に適切な電気絶縁材料を備えることが可能であり、一例には、ガラスとエポキシまたはポリエステルの複合物がある。パッケージング１８は、センサシステムが挿入される空間に従って変化する高さを有し、通常、１０ミリメートル未満または１０ミリメートルに等しい厚さを有する。いくつかの応用例では、パッケージング１８は、５ミリメートル未満またはそれ以下の厚さを有する。一例では、パッケージングの長さは少なくとも３０センチメートルであり、幅は１センチメートルから１０センチメートルの範囲である。

図２および３の実施形態では、圧電振動センサは、抵抗温度および部分放電センサと一体式であり、一体式センサ１６を備える。より具体的には、一体式センサは、２つの対向する表面２６および２８を備える圧電基板２０と、第１対向表面２６の上に重なる第１側面電極２２と、第２対向表面２８の上に重なる第２側面電極２４とを備える。

圧電基板２０は、任意の適切な圧電材料を備えることが可能であり、一実施形態では、誘電体材料に埋め込まれた圧電ファイバ２１を備える。１つのより具体的な実施形態では、圧電ファイバ２１は、セラミックファイバまたは単一結晶ファイバ、あるいはその組み合わせを備え、基板２０の誘電体膜材料は、ポリイミドなどのポリマーを備える。図９に示されたような代替実施形態では、圧電基板１２０は、モノリシック基板を備える。どちらの実施形態でも、任意の適切な圧電材料が、フッ化ポリビニリデンおよび鉛ジルコネートチタネートを含むいくつかの例と共に使用されることが可能である。一例では、圧電基板の厚さは、１００マイクロメートルから５００マクロメートルにわたる。より具体的な例では、圧電基板の厚さは、２００マイクロメートルから３００マイクロメートルにわたる。

電極２２および２４は、任意の適切な導電性材料を備え、一実施形態では銅を備える。一例では、電極の厚さは、５マイクロメートルから２００マイクロメートルにわたる。より具体的な例では、電極の厚さは、１０マイクロメートルから１５マイクロメートルにわたる。電極２２（ならびに所望であれば電極２４）は、いくつかの変形形態のいずれか１つでは、パターニングしない（シート）、またはパターニングすることが可能であり、いくつかの非限定的な例が、図４〜８に関して以下においてより詳細に議論される。

センサシステム１０は、同軸ケーブルをさらに備えることが可能である。図２の実施形態では、第１同軸ケーブル３０が、第２側面電極２４および第１側面電極２２の第１端部３４に結合され、第２同軸ケーブル３２が、第２側面電極２４および第１側面電極２２の第２端部３６に結合される。同軸ケーブルが使用されるとき、そのようなケーブルは、通常、絶縁によって外部導体から分離された中心導体を有する。２つの同軸ケーブルが例示のために示されているが、同軸ケーブルは必要ではない。他の例（図示せず）では、３つまたは４つの個別のケーブルが代替として使用されることが可能である。

様々なパラメータの示度は、多重化またはろ過により同時にまたは並行して得ることが可能である。温度の感知では、該当する信号線は、第１側面電極２２の第１端部３４および第２端部３６に結合された線である。電流（ミリアンペアの大きさ）が、結果として得られるＤＣ電圧（温度の関数である）を測定する前に、ケーブルを経て注入されることが可能である。振動の感知では、該当する信号線は、第１側面電極２２および第２側面電極２４に結合された線である。圧電材料のひずみが、振動に比例する電荷を電極において生成し、１０Ｈｚから１０ＭＨｚのスペクトルにおいて見ることができるが、通常、１００Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲に存在する。振動は、低周波数または高周波数である可能性があり、振動が、慣例的なタイプの振動（低周波数）であるか、または衝突もしくは衝撃のタイプの振動（高周波数）であるかによる。部分放電分析では、該当する信号線は、第１側面電極２２の第１端部３４および第２端部３６に結合された線である。部分放電の対象のスペクトルは、通常、ＭＨｚから数１０ＭＨｚの範囲にある。

図４〜８は、様々な電極構成の概略図である。電極の少なくとも１つ（例示のために第１側面電極２２として示されている）がパターニングされることが考慮されるが、これは必要ではない。接地平面に使用される他の電極も、パターニングする、またはパターニングしないことが可能である。図５は、第１側面電極および第２側面電極の導体を平行に配置させることによって、図４の実施形態を補完することが可能である第２側面電極１２４の電位パターンを示す。

より具体的な実施形態では、第１側面電極は蛇行形状を備える。本明細書において使用される際、「蛇行形状」は、圧電ファイバ２１にわたって振動する形状を意味することを意図する。たとえば、方形波電極１２２が図４に示され、３角形波電極２２２が図６に示され、正弦波電極３２２が図７に示されている。圧電ファイバが使用されるとき、蛇行形状が選択されない場合でも、電極を流れる電流が、測定されるひずみを創出するために使用される場合、電極の少なくともいくつかの部分が圧電ファイバを横断することが必要である。

上記の例は例示を目的とする。上述されたように、パターニングは必要ではない。さらに、他の選択パターンが、代替として使用されることが可能である。他の例示的な電極の形状が図８に示され、陰影をつけられた電極形状２２４を備える。

図９は、本発明の実施形態による多機能センサシステム１１０の透視図であり、センサ１１６が、２つの対向表面を備える圧電基板１２０と、第１対向表面に面する第１電極４２２と、第２対向表面に面する第２電極４２４とを備える。図９の例は、第１電極および第２電極に結合された同軸ケーブル３８、４４、および４６と、圧電基板、第１電極および第２電極、ならびに同軸ケーブルを固定するためのパッケージング１１８として作用する成形コンパウンドとをさらに示す。一実施形態では、成形コンパウンドはエポキシを備える。

図１０は、圧電基板１２０、第１電極４２２、および第２電極４２４を含む本発明の実施形態による多機能センサシステム１１０の透視図であり、第１電極４２２および第２電極４２４は、圧電基板１２０に隣接して配置される。図１０の実施形態は、第２基板２２０および第２基板２２０の上に配置された第３電極５２２をさらに備える。より具体的な実施形態では、第２電極４２４は、圧電基板１２０と第２基板２２０の間に配置された接地平面を備え、圧電振動センサ２１６は、圧電基板１２０ならびに第１電極４２２および第２電極４２４を備え、抵抗温度および部分放電センサ３１６は、第２基板２２０ならびに第２電極４２４および第３電極５２２を備える。接地平面は、第２基板または圧電基板の上に加えることが可能である。次いで、パッケージング（図示せず）がセンサの周りに施され、図２〜３のパッケージング１８および図９のパッケージング１１８に関して議論されたものを含めて、任意の適切な材料を備えることが可能である。

図１１および１２は、本発明の他の実施形態による発電機固定子の断面側面図である。これらの実施形態では、発電機１１２または２１２が、固定子スロット６２ならびに固定子スロット内に配置された固定子バー６４および６６を備える固定子６０と、固定子スロット内に配置されたセンサシステム３１０または４１０とを備える。２つの固定子バーが、例示のために単一スロットにおいて示されているが、この構成は必要ではない。センサシステムは、圧電振動センサと、抵抗温度および部分放電センサと、振動、抵抗温度、および部分放電センサ（たとえば図２、９、および１０に示す）を囲繞するパッケージングとを備える。

図１１のより具体的な例では、固定子は、固定子スロット内に配置された固定子ウェッジ６８をさらに備え、センサシステム３１０は、固定子ウェッジと固定子バーの間において固定子スロットに配置される。図１２のより具体的な例では、センサシステム４１０は、固定子スロットの隣接する固定子バー間に配置される。

本発明のある特徴のみが本明細書において図示および記述されたが、当業者なら多くの修正および変更を思いつくであろう。したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神の範囲内にあるすべてのそのような修正および変更を網羅することを意図すると理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態による多機能センサシステムのブロック図である。 本発明の他の実施形態による多機能センサシステムの側面図である。 本発明の他の実施形態による多機能センサシステムの透視図である。 電極構成の概略図である。 電極構成の概略図である。 電極構成の概略図である。 電極構成の概略図である。 電極構成の概略図である。 本発明の他の実施形態による多機能センサシステムの透視図である。 本発明の他の実施形態による多機能センサシステムの側面図である。 本発明の他の実施形態による発電機固定子の断面側面図である。 本発明の他の実施形態による発電機固定子の断面側面図である。

符号の説明

１０ センサシステム
１１０ センサシステム
２１０ センサシステム
３１０ センサシステム
４１０ センサシステム
１２ 電気機械
１１２ 電気機械
２１２ 電気機械
１４ プロセッサ
１６ センサ
１１６ センサ
２１６ センサ
３１６ センサ
１８ パッケージング
１１８ パッケージング
２０ 基板
１２０ 基板
２２０ 基板
２１ ファイバ
２２ 電極
１２２ 電極
２２２ 電極
３２２ 電極
４２２ 電極
５２２ 電極
２４ 電極
１２４ 電極
２２４ 電極
４２４ 電極
２６ 表面
２８ 表面
３０ ケーブル
３２ ケーブル
３４ 端部
３６ 端部
３８ ケーブル
４０ 基板
４２ 電極
４４ ケーブル
４６ ケーブル
６０ 固定子
６２ 固定子スロット
６４ 固定子バー
６６ 固定子バー
６８ 固定子ウェッジ

Claims (10)

1. 圧電振動センサ（１６）と、
   抵抗温度および部分放電センサ（１６）と、
   前記振動、抵抗温度、および部分放電センサを囲繞するパッケージング（１８）
   とを備える、電気機械（１２）の多機能センサシステム（１０）。
2. 前記パッケージングが、１０ミリメートル未満または１０ミリメートルに等しい厚さを有する、請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記圧電振動センサが、前記抵抗温度および部分放電センサと一体式であり、２つの対向する表面（２６、２８）を備える圧電基板（２０）と、第１対向表面の上に重なる第１側面電極（２２）と、第２対向表面の上に重なる第２側面電極（２４）とを備える一体式センサを備える、請求項１記載のセンサシステム。
4. 前記第２側面電極および前記第１側面電極の第１端部（３４）に結合された第１同軸ケーブル（３０）と、前記第２側面電極および前記第１側面電極の第２端部（３６）に結合された第２同軸ケーブル（３２）とを備える２つの同軸ケーブル（３０、３２）をさらに備える、請求項３記載のセンサシステム。
5. 前記圧電基板が、モノリシック圧電基板および埋込みファイバ圧電基板のグループから選択される、請求項３記載のセンサシステム。
6. センサシステム（４１０）が、固定子スロットの隣接する固定子バー間に配置される、請求項３記載のセンサシステム。
7. センサシステム（３１０）が、固定子ウェッジと固定子バーの間において固定子スロットに配置される、請求項３記載のセンサシステム。
8. 前記センサが、２つの対向表面を備える圧電基板（１２０）と、第１対向表面に面する第１電極（４２２）と、第２対向表面に面する第２電極（４２４）とを備える、請求項１記載のセンサシステム。
9. 前記第１電極および前記第２電極に結合された同軸ケーブルと、前記圧電基板、前記第１電極および前記第２電極、ならびに前記同軸ケーブルを固定するための成形コンパウンドとをさらに備える、請求項８記載のセンサシステム。
10. 第２基板（２２０）、および前記第２基板の上に配置された第３電極（５２２）をさらに備え、前記第２電極が、前記圧電基板と前記第２基板の間に配置された接地平面を備え、前記圧電振動センサが、圧電基板ならびに前記第１電極および前記第２電極を備え、前記抵抗温度および部分放電センサが、前記第２基板ならびに前記第２電極および前記第３電極を備える、請求項９記載のセンサシステム。