JP2010133961A - 巻線診断システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線及びウェッジ監視システムを、緩みの発生予測が可能となるよう改良する必要がある。更に、予防保全に役立つよう、この監視システムに、巻線の温度と部分放電とを検出する特徴を加える。
【解決手段】巻線診断システムを開示する。このシステムは、磁束を発生させる巻線から成る鉄心を有する。巻線を正位置に担持するために、担持装置３２が設置されている。このシステムは更に、センサ５０を有し、このセンサ５０は、担持装置３２の状態を検出し、巻線の少なくとも１つの態様を示す信号を発する。センサ５０は、圧電センサ５０とすることができ、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するようにできる。巻線の態様を、温度、振動、及び、部分放電のうち少なくとも１つから構成することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、概して電気機械に関し、特に巻線担持監視機構に関する。

発電機において、ステータバー巻線としても既知の電機子巻線は、定期的に点検され、その動作が検証される。発電機によっては、発電機のステータヨークが、電機子鉄心を取り巻き、電機子巻線を部分的に外囲していることがある。ステータ巻線は、複数の銅心線から成り、電機子内でループ状に巻き付けられている。電機子巻線を、発電機の動作時に所望の電圧及び電流特性を維持するよう、ステータスロットに配置することができる。

発電機は、基本的に、ウェッジシステムを有しており、ウェッジにより、ステータが半径方向に担持され、ステータスロット内でステータバー巻線が移動しにくくなっている。しかし、ウェッジシステムそのものが緩くなると、担持力が減少して、ステータバー巻線が動作時に移動することがある。ステータバー巻線が相対運動することにより、ステータバーウェッジを取り巻く絶縁部が損傷し、地絡によるステータバー巻線の故障に繋がる恐れがある。従って、発電機において、ウェッジシステムを定期的に点検し、ステータスロット内で所定の許容範囲を上回るステータバー巻線の移動が無いかどうかを判定する。

現在、ウェッジシステムの状態評価にあたり、周知の方法がいくつか用いられている。１つ目の周知の方法は、硬さ試験機を使用して、ステータウェッジの相対的な緩みを評価するものである。２つ目の周知の方法は、それぞれのウェッジを１つずつ軽くたたくステップと、反響音を聴取してウェッジの緩みを判定するステップを踏むものである。３つ目の周知の方法は、様々な衝撃をステータウェッジに与えて振動させるステップと、様々な衝撃により伝達されるエネルギーに帯域フィルタを適用し、ウェッジの緩みを判定するステップを踏むものである。しかし、これらの方法では、ウェッジの固定状態を判定するにあたり、発電機が動作していない時にオフライン測定を行う必要があるだけでなく、ウェッジの緩みの発生を予測することができない。

米国特許第５，０１２，６８４Ａ号 米国特許第５，２９５，３８８Ａ号 米国特許第５，５２４，４７４Ａ号 米国特許第７，１１２，９０９Ｂ２号

従って、巻線及びウェッジ監視システムを、緩みの発生予測が可能となるよう改良する必要がある。更に、予防保全に役立つよう、この監視システムに、巻線の温度と部分放電とを検出することをはじめとする特徴を加えることができる。

本明細書では、概して、巻線診断システムを開示する。このシステムは、磁束を発生させる巻線を有する鉄心を含む。巻線を正位置に担持するために、担持装置が設置される。このシステムは更に、センサを含み、このセンサは、担持装置の状態を検出するよう配置され、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発生させる。

本発明の一実施形態において、電気機械の巻線の固定状態を測定する装置を開示する。この装置は、磁束を発生させるステータ巻線から成る鉄心を含む。ステータ巻線を正位置に担持するために、リップルばねが設置される。リップルばねには、圧電センサが埋設される。この圧電センサは、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するように構成される。

本発明の別の実施形態において、巻線を監視する装置を開示する。この装置は、磁束を発生させる巻線から成る鉄心を含む。巻線を正位置に担持するために、担持装置が設置される。担持装置の状態を検出するために、センサが設置されており、このセンサは、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発生させる。この装置は更に、センサに結合された無線送信機を含み、この無線送信機により、センサからの信号が送信される。

本発明のまた別の実施形態において、電気機械の巻線の固定状態を測定する装置を開示する。この装置は、磁束を発生させるステータ巻線から成る鉄心と、ステータ巻線を正位置に担持するリップルばねとを含む。リップルばねには、少なくとも２つの圧電センサが埋設されており、これらの圧電センサは、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するように構成される。これらの少なくとも２つの圧電センサは、零位法を用いて結合される。

本発明のまた別の実施形態において、巻線の監視及び診断を行うシステムを開示する。このシステムは、磁束を発生させる巻線から成る鉄心を含む。巻線を正位置に担持するために、担持装置が設置される。担持装置の状態を検出するために、センサが配置されており、このセンサは、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発する。センサには、センサを動作させる電力を発生するエネルギー収集機構と、無線送信機が結合されており、無線送信機により、センサから信号が送信される。

本発明のまた別の実施形態において、電気機械装置のウェッジの固定状態を測定する方法を開示する。この方法は、巻線を正位置に担持するリップルばねを設置するステップと、このリップルばねを電気機械装置内のステータスロットの少なくとも一部に設置するステップとを含む。この方法は、更に、圧電センサをリップルばねに設置するステップと、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を圧電センサから発するステップと、圧電センサからの信号の解析に基づいて故障信号を発するステップとを含む。

次にその内容を説明する添付図面に対応した記載により、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点についてより詳細に説明する。なお、全図面を通じて、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の例示的実施形態による、電気機械の斜視端面図である。 図１の電気機械のステータの部分分解図である。 図１の電気機械に用いられる例示的なリップルばねの側面図である。 図１の電気機械に用いられる例示的な測定システムの図である。 本発明の例示的実施形態による、巻線の固定状態を監視する方法を示す図である。

図１は、電気機械１０を例示する斜視端面図である。電気機械１０は鉄心１６を含み、鉄心１６は、磁束を発生させる巻線を収容する複数のステータスロット１２を有する。ステータスロット１２は、ステータスロット内で、鉄心１６（ステータ鉄心とも称される）の内周まわりに配置されたステータ巻線を収容している。ここで例示する実施形態のステータバー巻線は、複数の平棒形導電体又はステータバーで構成されており、これらを相互に結合することにより、所定の巻き路が形成される。一実施形態において、ステータバーは銅製であってよい。ステータ鉄心１６内において、ステータ巻線との間に空隙を形成してロータ（不図示）を設置してもよい。図２に、ステータの分解図を参照符号２０で示し、詳細に説明する。

図２は、図１の電気機械１０の部分分解図である。ここに例示する実施形態において、ステータ２０は、外側ステータバー巻線２２と、内側ステータバー巻線２４とを含み、１つ以上のスロット充填材２６、２８が、各ステータスロット３０内の少なくとも一部に取り付けられる。ウェッジシステムは、担持装置３２を含む。一実施形態では、ステータスロット３０内の少なくとも一部に担持装置が配置され、この担持装置は、スロット充填材２６及びスロット充填材２８の少なくとも一方に隣接するリップルばね３２を有している。その後、リップルばね３２は、ステータスロット３０内で、複数のステータウェッジスライド３４及びステータウェッジ３６を用いて固定される。例えば、ステータウェッジスライド３４を矢印３８により示す第１の方向に、ステータウェッジ３６に対して移動させるか、或いは、ステータウェッジ３６を矢印４０により示す第２の方向に、ステータウェッジスライド３４に対して移動させて、外側ステータバー２２と内側ステータバー２４とを圧力により拘束することにより、外側ステータバー２２及び内側ステータバーをステータスロット３０内で固定し易くなる。

図３は、リップルばね３２の側面図である。ここに例示する実施形態において、リップルばね３２は、上部分４４と、その反対側に配置された、上部分４４に対して実質的に平行に延在する底部分４６とを含む。リップルばね３２は、更に、上部分４４と底部分４６との間に、中間部分４８を有する。上部分４４、中間部分４８、及び底部分４２は、この実施形態ではプラスチック積層板等であるが、これに限らず、任意の非導電材料製であってもよい。一実施形態において、リップルばね３２の状態を検出するために、センサ５０が設置される。また別の実施形態において、センサ５０が中間部分４８内に埋設されていてもよい。一実施形態では、センサ５０は、例えば圧電センサであってよい。センサ５０は、中間部分４８の表面に接着されていてもよい。中間部分４８の形状は、中間部分４８が上部分４４及び底部分４６のそれぞれと実質的に噛合するよう、上部分４４及び底部分４６の断面形状と実質的に同じである。更に、ステータスロット３０（図２参照）の寸法に応じて、リップルばね３２の長さ５２及び幅５４を、様々に選択することができる。

動作時、圧電センサ５０を含むリップルばね３２がステータスロット３０内の少なくとも一部に配置された後、ステータウェッジ３６がステータスロット３０内に挿入され、リップルばね３２が圧縮される（図２参照）。具体的には、リップルばね３２が圧縮されて実質的に平らな状態になるよう、ステータウェッジ３６の位置を調節することにより、リップルばね３２をあらゆる半径方向において担持し易くなる。例えば、ここに例示する実施形態では、リップルばね３２が圧縮されていない時、すなわち、リップルばね３２が弛緩している時は、リップルばね３２の厚さ５６は、約６０ミリメートル（ｍｍ、又は１０００分の１メートル）〜約６５ｍｍの範囲内である。具体的には、リップルばね３２が圧縮されていない時、リップルばね３２は、約３０ｍｍの撓みを有する。しかし、ステータウェッジ３６によりリップルばね３２が圧縮されると、リップルばね３２の厚さ５６は、約４ｍｍ〜約６ｍｍの範囲内に圧縮される。

従って、電気機械１０の動作時、及び、ステータスロット３０内のウェッジ３６の位置を調節してリップルばね３２への圧力を増加（又は減少）させた場合には、リップルばね３２の厚さ５６が、動作時の振動又はウェッジ圧力の増加（又は減少）に対応して、ステータスロット３０の横断方向に変化する。リップルばね３２の厚さ５６を、リップルばね３２の圧縮の有無にかかわらず、圧電センサ５０を用いて予測したり測定したりできる。圧電センサ５０は、ステータスロット３０内の力学的境界条件に基づいて信号を発するように構成される。また、リップルばね３２の形状を、測定器を用いてマッピングすることもできる。その後、ステータスロット３０内のステータ巻線の固定状態が、測定された形状に基づいて判定される。

一実施形態において、少なくとも２つの圧電センサが、リップルばねに埋設される。これらの圧電センサは、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するよう構成される。これらの少なくとも２つの圧電センサは、零位法を用いて結合される。零位法を採用することにより、ステータ鉄心内の大きな変動磁場により電磁結合し得るノイズの影響を受けにくくなる。

圧電センサ５０により、ステータ巻線の少なくとも１つの態様をプロファイリングすることができる。一実施形態では、ステータ巻線２２、２４の固定状態を示すリップルばね３２の厚さ５６等のステータ巻線の態様をプロファイリングする。別の実施形態では、圧電センサ５０により、ステータスロット３０内の温度を示すリップルばね３２の熱特性をプロファイリングする。また別の実施形態では、圧電センサ５０により、ステータスロット３０内の部分放電を示すリップルばね３２の高周波特性をプロファイリングする。図４に関連して、プロファイリング結果をマッピングするためにリップルばね３２に結合される測定器を詳細に説明する。

図４に、測定システム６０を例示する。測定システム６０を用いることにより、電気機械１０（図１参照）等の、これに制限されない電気機械装置において、ステータ巻線（２２、２４）の固定状態を測定することができる。測定システム６０は、測定装置６２を含む。ここに例示する実施形態では、測定装置６２は、圧電センサ５０に結合された送信機６４と受信機６６とから成る。一実施形態において、測定システム６０は更に、コンピュータ７０を有し、コンピュータ７０により、測定装置６２から情報を受け取り、圧電センサ５０から受信したデータを解析する。別の実施形態において、測定装置６２は、測定装置６２及び圧電センサ５０に電力を供給する電源６８を含む。本明細書において、コンピュータという用語は、当該技術分野においてコンピュータと称される集積回路のみならず、広義にコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、ＡＳＩＣ及びその他のプログラム可能回路を指す。

一実施形態において、電源６８は、例えば、電気機械内で周囲の磁束又は振動を利用して発電する、エネルギー収集機構を有していてもよい。送信機６４及び受信機６６は、更に、物理的接続を有さない無線通信モードを有していてもよい。

動作時、エネルギーが電源６８から測定システム６０に、従って、圧電センサ５０に送られる。測定装置６２は、受信機６６が圧電センサ５０から信号を受け取るよう構成される。ここに例示する実施形態では、圧電センサ５０により、ステータスロット内の機械的状態の変化に対応して電流が変化する。この電流の変化は、圧電センサの電気インピーダンスに比例する。受信機６６により、ステータスロット３０内の圧電センサ５０の電気インピーダンスが測定される。電気インピーダンスの変化から、巻線の固定状態の程度がわかる。一実施形態において、電気機械装置１０の巻線の固定状態の判定は、電気インピーダンスと、リップルばね３２の厚さ又は弛緩度の測定結果とに基づいて、伝達関数を用いて行われる。巻線の固定状態が所定値から少しでも逸脱している場合には、故障信号を発するよう構成してもよい。

別の実施形態において、測定装置６２は、圧電センサ５０から、ステータスロット３０内の温度にほぼ比例する信号を受け取る。また別の実施形態では、測定装置６２は、圧電センサ５０から、ステータスロット３０内の部分放電量にほぼ比例する信号を受ける。リップルばね３２のプロファイルは、その後、測定装置６２又は測定装置６２に結合されたコンピュータ７０を用いてマッピングされる。その結果、例えば、リップルばね３２の厚さ又は弛緩度、或いは、リップルばね３２内の部分放電挙動が判定される。同様に、非常に高温又は異常な部分放電量が検出された場合も、故障信号を発するよう構成してもよい。このような故障信号を用いると、電気機械１０の運転停止等の是正処置により、故障を軽度に抑えることができる。このように、故障信号を用いることにより、診断が簡単になり、故障を軽度に抑えることができる。図５に、測定システム６０において実行する方法を詳細に説明する。

図５は、巻線の固定状態を監視する方法７４を例示した流れ図である。本明細書に記載の方法により、オペレータが容易に電気機械装置の巻線システムを点検し、ステータスロット内の巻線システムの固定状態の判定できるようになる。本明細書に記載の方法により、特に、電気機械装置の動作時にリップルばねシステムを用いる場合、ウェッジの固定状態を正確に測定し易くなる。方法７４には、巻線を正位置に担持するためのリップルばねを設置することが含まれる（ステップ７６）。このリップルばねは、電気機械装置のステータスロット内の少なくとも一部に配置される（ステップ７８）。リップルばねに、圧電センサが設置される（ステップ８０）。圧電センサから、巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号が発せられる（ステップ８２）。圧電センサからの信号の解析に基づいて、故障を軽度に抑えるのに役立つ故障信号が発せられる（ステップ８４）。

更に好適には、その後、オペレータにより、マッピングされたプロファイル結果を用いて、現時点でウェッジを締める必要があるか否かを判定すること、或いは、将来的にウェッジを締める必要がある時点を推定することができる。本明細書に記載の電気インピーダンス測定は、最小限の電気部品で容易に、従って、低コストで実施可能なシステムである。また、ステータ構成要素を正位置に担持するためのリップルばねに、センサを組み込んでもよい。更に、電子機器を、リップルばねに組み込んでも、発電機の外部にヒューマンインターフェースとして設置してもよい。このように、本発明に係る測定及び診断システムをフレキシブルに利用することができる。

以上、電気機械装置用のウェッジシステムの実施形態を例示し、詳細に説明した。上述の構成要素の使用は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではない。例えば、本明細書に記載のウェッジシステムの構成要素を本明細書に記載のその他の構成要素と別個独立に用いてもよい。特に、本明細書に記載のリップルばねを、複数の電気機械装置に設置されるその他のウェッジシステムの構成要素と共に用いてもよい。

本発明の一部の特徴を図解し、説明してきたが、当業者には、これらに様々な修正及び改変を加えることが想起可能であろう。従って、添付の特許請求の範囲は、このようなあらゆる修正及び改変を、本発明の範囲内であるものとして包含することを理解されたい。

１０ 電気機械
１２ ステータスロット
１６ 鉄心
１８ ロータ
２０ ステータ
２２ 外側ステータバー巻線
２４ 内側ステータバー巻線
２６ スロット充填材
２８ スロット充填材
３０ ステータスロット
３２ 担持装置／リップルばね
３４ ステータウェッジスライド
３６ ステータウェッジ
３８ 矢印
４０ 矢印
４４ 上部分
４６ 底部分
４８ 中間部分
５０ センサ／圧電センサ
５２ 長さ
５４ 幅
５６ 厚さ
６０ 測定システム
６２ 測定装置
６４ 送信機
６６ 受信機
６８ 電源
７０ コンピュータ
７４ 方法
７６ 巻線を正位置に担持するリップルばねを設置する
７８ リップルばねを、電気機械装置のステータスロットの少なくとも一部に配置する
８０ リップルばねに圧電センサを設置する
８２ 圧電センサから、巻線の少なくとも１つの態様を示す信号を発する
８４ 圧電センサからの信号を解析して、故障信号を発する

Claims (10)

1. 磁束を発生させる巻線から成る鉄心と、
   前記巻線を正位置に担持する担持装置と、
   前記担持装置の状態を検出するよう配置された、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するセンサとから成る巻線診断システム。
2. 前記センサが、圧電センサである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記圧電センサが、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記巻線の態様が、温度、振動、及び、部分放電のうち少なくとも１つから構成される、請求項３に記載のシステム。
5. 磁束を発生させる巻線から成る鉄心と、
   前記巻線を正位置に担持する担持装置と、
   前記担持装置の状態を検出するよう配置された、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するセンサと、
   前記センサに結合された、前記センサからの信号を送信する無線送信機とから成る巻線監視装置。
6. 前記センサが、力学的境界条件の変化時に電気インピーダンスが変動する圧電センサである、請求項５に記載の装置。
7. 故障信号を発する測定システムを更に含む、請求項５または６に記載の装置。
8. 電気機械の巻線の固定状態を測定する装置であって、
   磁束を発生させるステータ巻線から成る鉄心と、
   前記ステータ巻線を正位置に担持するリップルばねと、
   前記リップルばね内に埋設された少なくとも２つの圧電センサであって、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発する少なくとも２つの圧電センサとから成る装置。
9. 巻線の監視及び診断を行うシステムであって、
   磁束を発生させる巻線から成る鉄心と、
   前記巻線を正位置に担持する担持装置と、
   前記担持装置の状態を検出するよう配置された、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するセンサと、
   前記センサに結合された、動作電力を発生させるエネルギー収集機構と、
   前記センサに結合された、前記センサからの信号を送信する無線送信機とから成るシステム。
10. 電気機械装置のウェッジの固定状態を測定する方法であって、
    巻線を正位置に担持するリップルばねを設置するステップと、
    前記リップルばねを、前記電気機械装置内に形成されたステータスロット内の少なくとも一部に設置するステップと、
    前記リップルばねに圧電センサを設置するステップと、
    前記圧電センサから、前記巻線の少なくとも１つの態様に関連付けられた信号を発するステップと、
    前記圧電センサからの信号の解析に基づいて故障信号を発するステップとを含む方法。

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