JP2014178220A - 固定力測定装置および固定力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
打音によりウェッジの固定状態を人間により判定する場合は、測定者の熟練度、感覚、体調等により判定結果によるばらつきが生じる。
【解決手段】
ウェッジ表面に対して所定の制御された打撃力を加えて打音を発生させる手段と発生した打音を収集する手段と、収集した打音から演算によって、打音エネルギーに起因する特徴量と打音の周波数に起因する特徴量などの複数種類の特徴量を求める手段と、予め求めておいたウェッジ固定力と複数種類の特徴量との相関関係を用いて複数種類の特徴量に対応する固定力を求める手段を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電気機械における各種部材の固定状態に対する固定力の測定装置に関するものである。

測定対象の一つである発電機は，ロータとステータで構成され，ロータの回転により発生した磁界の変化を，ステータにより電気エネルギーに変換する。ステータは，珪素鋼板を積層したコアのスロットにコイルを挿入し，絶縁性部材により加圧固定した構造になっている。

加圧固定方法としては、コイル上方に波状板ばねと板状部材であるウェッジを重ね波状板ばねを圧縮しながらウェッジで押さえ込むことによりコイル導体を固定する構造である。

このような固定構造においては、コイルを所定の加圧固定状態に維持管理することが必要である。上記コイル固定構造を有する発電機においては、所定使用年月を経た後にウェッジの固定状態を検査し、緩みがあれば加圧力回復のために波状ばねやウェッジの交換、調整保守を行う。これまでコイル固定状態の検査判定は人間が検査用ハンマを用いてウェッジに打撃を加え発生する音、振動により判断する官能試験に頼ってきた。

この官能検査を定量化する試みとして特許文献１がある。これは、部材を励振して、振動応答を検地し該振動応答を予め記録された複数の振動応答と比較しウェッジにかかる圧力を推定する。振動応答と比較するためのスペクトル分析としてスペクトルのエネルギー帯の中心を求める段階を含む方法である。また、打音によりコンクリートの健全度を定量的に判定する方法として特許文献２がある。これはコンクリート表面をインパルスハンマーで打撃しこの打撃入力の既知量とこのコンクリート中を伝播した打撃音を解析することによりコンクリートの健全度を判定するものである。

特許第３９７３２０３ 特許第４４５６７２３

ウェッジの固定力を人間により判定する場合は、測定者の熟練度、感覚、体調等により判定結果によるばらつきが生じる。

また特許文献１による報告では打音のスペクトルのエネルギー帯の中心を示す周波数がウェッジの緩み状態と関係があることが示されている。しかし、打音周波数は打撃位置、打撃力等によって変化するため、該特許に示された方法だけではウェッジ固定力の定量値として十分な精度が得られない。

さらに特許文献２ではインパルスハンマーを用いて打撃し、発生する打音の振幅とインパルスハンマーで測定された打撃入力の比で求める方法が示されている。この方法は、コンクリート構造物の様な大きな対象物の場合は打撃位置、集音位置を自由に選定出来るため利用しやすい。しかし発電機ウェッジの固定力評価には、比較的小さい板状物体の表面を打撃し固定力を評価する必要があるため適用が困難である。またウェッジは細長い板状であり該特許の方法では打撃位置と打音収集位置が異なるために、打撃位置でのインパルスハンマー出力と打音の振動振幅の相関関係が弱く十分な固定力推定精度が得られない。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば
ウェッジ表面に対して所定の制御された打撃力を加えて打音を発生させる手段と
発生した打音を収集する手段と、収集した打音から演算によって、打音エネルギーに起因する特徴量と打音の周波数に起因する特徴量などの複数種類の特徴量を求める手段と、予め求めておいたウェッジ固定力と複数種類の特徴量との相関関係を用いて複数種類の特徴量に対応する固定力を求める手段を有する。

本発明によれば発電機ステータウェッジの固定力の高精度な定量化が可能となるため発電機ステータ組立におけるウェッジ組込み作業の信頼性を高めることが出来る。また使用中の発電機においては、定期検査などでウェッジ固定力を定期的に測定することで、ウェッジ固定力（コイル固定力）の経時変化を把握することが可能となる。このデータを蓄積することによってステータウェッジ交換時期が推定可能となり、発電機の保守を効率的に進めることが出来るため、保守に係る費用、エネルギーなどを削減出来る。

実施例１の構成を示す模式図である。 測定対象製品である発電機ステータの部分断面図である。 図３の部分拡大図である。 打音信号波形図である。 打音信号のパワースペクトル図である。 ウェッジ打撃位置の説明図である。 打撃位置と重心周波数の関係を表すグラフである。 重心周波数と固定力の関係を示すグラフである。 打音エネルギーと固定力の関係を示すグラフである。 重心周波数ばらつきと固定力の関係を示すグラフである。 重心周波数と打音エネルギーと固定力の相関関係を表すグラフである。 実施例１における打撃力校正方法の説明図である。 実施例２の構成を示す模式図である。 実施例３の構成を示す模式図である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

まず図２、図３により測定対象例の構造について説明する。図２は発電機ステータの一部を示す部分断面図である。図３は、図２のＢ矢視図を示す。

発電機ステータは、発電時の電流によりコイルに発生する電磁気的な力でコイルが振動することを防止するために図２、図３に示すようなコイル固定構造となっている。図２において、１は珪素鋼板を積層したコア、４はコア１に設けられた溝、２、３は、溝４に挿入されたコイル。コイル２の上にはプレート５、波状板ばね７、ウェッジ８が積層されており、材質はいずれも絶縁性の高い樹脂を含浸して硬化させた複合材料である。

図３において、ウェッジ８は、コア1の溝４に形成された切欠き溝１０とウェッジ８のテーパ部１１で勘合するように挿入されている。この構造において、波状板ばね７は、圧縮状態になっている。この圧縮された波状板ばね７が発生する力によりコイル２,３を加圧する。またこの反力はウェッジ８に加わり、さらにウェッジ８に加わった力は、ウェッジ８が勘合しているコア１に設けた溝４の切欠き溝１０で受ける。このようなコイル固定構造においてコイル２，３の固定状態を直接測定することが困難なため、同等の反力が加わっているウェッジ８の固定状態を測定する。

次に、図１に示すウェッジ固定力測定装置について説明する。

図１において２０は固定力測定装置、固定力測定装置２０の構成は大きく３つに分けられる。２１は打撃ユニット、２２は打撃ユニットを制御、駆動するための打撃制御ユニット、２３は打撃ユニット２１により発生した打音を処理するための打音処理ユニットである。

図１において、２４は図３のＥＥ矢視図断面を示す。

打撃ユニット２１は、ベース２７に例えば打撃機構２８を５個配置している。打撃機構２８において２９はウェッジ８を打撃するためのハンマであり、軸３０に固定している。軸３０はソレノイドアクチュエータ３１と嵌めあう構造になっている。軸３０のもう一方の端には、つば３２を固定しており、つば３２とソレノイドアクチュエータ３１の間にはコイルばね３３を挿入している。ソレノイドアクチュエータ３１は、打撃制御ユニット２２と接続し、ハンマ２９の上下動作を駆動制御する。打撃ユニット２１には、打音を収集するためのマイク３５を固定しており、マイク３５の出力は打音処理ユニット２３と繋がっている。

打撃制御ユニット２２は、例えば５個のソレノイドアクチュエータ３１を個々に駆動するためにドライバ４０を５セットとドライバ４０を制御するためのコントローラ４１で構成する。

打撃制御ユニット２２による打撃機構２８の打撃力制御は、例えばソレノイドアクチュエータに加える電流をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式を用いて、駆動電流パルスのデューティ比を制御することで調整可能である。

打音処理ユニット２３は、アンプ６０、フィルタ６１、ＡＤ変換器５１、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理機５２、特徴量１計算機５３、特徴量２計算機５４、固定力推定機５５、固定力推定関数データベース５６、打撃力判定機５７、打撃力基準データ５８で構成する。アンプ６０、フィルタ６１はマイク３５からのアナログ信号入力を調整する。ＡＤ変換器５１はフィルタ６１からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＦＦＴ処理機５２は、ＡＤ変換器５１のデジタル信号出力からパワースペクトルを求める。特徴量１計算機５３と特徴量２計算機５４はパワースペクトルから、後述する重心周波数、打音エネルギー等の特徴量を求める演算を行う。固定力推定関数データベース５６は、製品の機種毎に異なる特徴量１計算機５３と特徴量２計算機５４から求めた２種類の特徴量と固定力の関係を関数として、対象機種毎にデータベース化したものである。

固定力推定機５５は、特徴量１計算機５３と特徴量２計算機５４の結果を元に予め用意した固定力推定関数データベース５６と比較し固定力の推定を行う。打撃力基準データ５８は、別途用意した打音校正用基準部材を正常状態にある固定力測定装置２０で打撃し、特徴量１計算機５３と特徴量２計算機５４からの結果を記録したものである。

必要に応じて打撃力判定機５７と打撃力基準データ５８を用いても良い。打撃力判定機５７は、必要に応じて後述する打音校正用基準部材１５０を固定力測定装置２０で打撃し、特徴量を求め打撃力基準データ５８と比較して打撃装置の状態を判定し、打撃力が基準データの許容範囲を外れた場合はＰＷＭ制御における駆動電流のデューティ比を制御することでソレノイドアクチュエータの駆動条件を変更し所定の打撃力に調整する。

打音処理ユニット２３には打撃制御装置２２との信号インターフェース、制御機能、後述する計算式に従って各種の演算を行う演算部、記録部、表示部などが備えられている。

次に、固定力測定装置を用いた固定力測定方法について説明する。まず、評価対象であるウェッジ８に対して打撃ユニット２１により打撃を加える。図示しないスイッチ等による打撃開始信号をコントローラ４１に加える。コントローラ４１はドライバ４０に対してＰＷＭ制御信号を送り、これに基づいてソレノイドアクチュエータ３１に駆動電流を流すとハンマ２９が下降し、ウェッジ８を打撃する。このときハンマ２９に固定された軸３０の上端のつば３１によってコイルばね３３は圧縮される。ソレノイドエクチュエータ２９への電流を停止すると圧縮されたコイルばね３３の力によりハンマ２９が上昇する。このとき、駆動電流の通電時間は数ミリセカンドでありハンマ２９はウェッジ８を瞬間的に打撃し打音が発生する。本実施例においては、５個の打撃機構２８において片側の機構から順次数百ミリセカンドの間隔で打撃することで、ウェッジ８の５箇所の位置で順次打音を発生させる。打撃ユニット２１により発生した打音は、マイク３５を通して、打撃ユニット２１の打撃動作と同期して打音処理ユニット２３に取り込まれる。同期は打撃制御ユニット２２のコントローラ４１のソレノイド駆動タイミングをトリガとする。
録音のタイミングとして、打音発生の数ミリセカンド前から約数十ミリセカンド後の長さで打撃タイミングに同期して打音を収集する。録音開始タイミング、録音時間は打音処理ユニット２３内の条件設定によって変更可能である。

打音処理ユニット２３に取り込まれた打音信号は、アンプ６０により信号レベルを調整した後、フィルタ６１により必要な周波数帯の信号に調整する。調整された信号はＡＤ変換器５１によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。図４にデジタル信号に変換された時間の関数ｆ（ｔ）である打音データ７０を示す。横軸は時間軸を表し縦軸は打音信号強度が電圧レベルに変換された値を表している。
次にＡＤ変換された打音データをＦＦＴ処理機５２で、図５に示す周波数の関数Ｘ（ｗ）であるパワースペクトル７１を求める。横軸は周波数、縦軸は信号強度を表しており打音に含まれる周波数の強度分布を表す。

次に、特徴量１計算機５３と特徴量２計算機５４を用いてパワースペクトル７１から下記に示す式（１）、式（２）により２種類の特徴量を求める。

重心周波数は以下の式（１）より求められる。

打音エネルギーは以下の式（２）により求められる。

本実施例では、打撃位置の違いによる打音特徴量のばらつきを小さくするために１個のウェッジに対して５箇所から打音を収集し平均化した値をウェッジの特徴量としている。

１個のウェッジに対する複数箇所打撃の効果について説明する。図６にステータコアの部分断面図を示す（図３、ＥＥ矢視図）。ウェッジ８のｄ１〜ｄ５の５箇所に対して例えば等ピッチで打撃を行う。打撃により発生する打音から式（１）を用いて重心周波数を求めた結果を図７に示す。横軸に打撃位置を,縦軸に重心周波数の値を示す。また、図中の３本のグラフ１００、１０１、１０２はウェッジの固定力を３水準振った結果を示す。１００は固定力,小、１０１は固定力,中、１０２は固定力,大の結果である。図からわかるように、ウェッジ８の打撃位置によって重心周波数の値が大きくばらついておりグラフ１００、１０１の打撃点ｄ５のように固定力に対して逆転する場合も発生する。このため、ウェッジ８の適当な１箇所の打音をウェッジ８の代表値とするとばらつきが大きくなる。

図８に、ｄ１〜ｄ５の５箇所の打音から求めた重心周波数の平均値とウェッジ固定力の関係を示す。重心周波数が高いほど固定力が高い傾向を示す。

横軸に重心周波数、縦軸に固定力をとったグラフを示す。１１０は５打点の平均値、１１１と１１２はデータばらつきの上下限範囲を示す。

図８の結果は、５打点の平均値であり、平均化することによりある程度のばらつきに抑えて固定力との相関関係を得ることが出来ることを示している。

平均化しない場合は、ばらつきの範囲は数倍に広がり相関関係は弱くなる。

同様に式（２）で定義する打音エネルギーに関しても打撃位置によるばらつきが大きく、平均化することによってばらつきを小さく出来る。図９に５点平均の打音エネルギーと固定力の関係を示す。打音エネルギーが大きいほど固定力が小さい傾向を示す。

５打点平均化に用いる式を式（３）、式（４）に示す。

各式においてｋは、１個のウェッジを複数箇所打撃した時に発生する打音番号を表し、１〜５の値をとる。

５打音の重心周波数平均は式（３）で表される。

５打音のエネルギー平均値は式（４）で表される。

さらに５個の打音から式（５）、式（６）に示すばらつきを求めることが出来る。

５打音の重心周波数ばらつきは式（５）により求められる。

５打音のエネルギーばらつきは式（６）により求められる。

本実施例では、ばらつきを５個のデータの最大値と最小値の差で表しているが標準偏差などの他の方法で表すことも可能である。

これまでの検討結果では固定力と重心周波数間ばらつきの間にも図１０、グラフ１２０に示すような関係が得られており、固定力が小さくなるほど打音間の重心周波数ばらつきが大きくなる傾向を有している。

式（３）、式（４）で求めた重心周波数と打音エネルギーと固定力の関係は各々図８、図９に示す様になるが、重心周波数と打音エネルギーは各々固定力と相関を有す。そこで、重心周波数と打音エネルギーの２種類の特徴量で固定力に対する相関関係を表すと相関関係は図１１に示す３次元曲面１３０で表される。この３次元曲面１３０を用いた固定力の推定は、重心周波数の値１３１と打音エネルギーの値１３２で表される平面座標の交点に対する値１３３で固定力を推定する。この場合１種類のデータから推定するよりもばらつきの小さい推定が可能になる。

図１１に示す３次元曲線の具体的な求め方として、例えば固定力をＦとして式（７）の２次曲面の式を用い、最小二乗法などを用いて実測値と推定値の差が最小になるようａ_１〜ａ_５の係数を求めることで推定曲面を求めることが出来る。

上記例では、２次曲面の式で示したが１次式あるいは３次以上の高次の式を用いて推定式を作成しても良い。

さらに、推定因子として重心周波数、打音エネルギーを用いたが重心周波数ばらつきｆｄ、打音エネルギーばらつきＥｄとの組み合わせを用いても良い。さらに２個以上の因子を用いた多次元データによる推定式を用いることも可能である。

また、発明者らによる打音による固定力評価実験では、まれに重心周波数と打音エネルギーの関係が反対の傾向を示す場合があった。この場合部材の固定状態の異常を示している場合が多い。従って２種類の相関を有すデータにおいて相反する結果を利用し異常な固定状態を判別することも可能である。

次に、固定力測定装置２０に打撃力を校正する際の打撃力校正方法について説明する。

校正は、固定力測定装置２０の使用前確認、定期校正、複数の固定力測定装置における機差ばらつきの低減に有効であり、実施することが望ましい。さらに、打音エネルギーは打撃力の影響を大きく受けるため打撃エネルギーを推定因子とする場合には打撃力の変動の影響を除くため常に同じ打撃力で打撃する必要がある。

図１２において１５０は固定力測定装置２０の校正用部材である。
まず、打撃ユニット２１で校正用部材１５０の５箇所を打撃し基準打音を収集する。基準打音から５個の打撃機構２８に対する基準重心周波数、基準打音エネルギーなどを収集し打撃力基準マスターデータとして記録する。

校正は、校正対象の固定力測定装置２０を校正用部材１５０に対し基準データ収集時と同じ状態にセットし、５個の打撃機構２８の打音を収集する。収集した打音は特徴量１、特徴量２を算出し５個の打撃機構に対する重心周波数、打音エネルギーなどを収集し、打撃力判定機５７で打撃力基準データ５８と比較する。校正対象データが打撃力基準データに対して許容範囲内であれば図示しない表示機能によって装置が正常状態にあることを操作者に表示しょても良い。

許容範囲をはずれ校正が必要な場合は、まず表示機能によって打撃力が異常状態にあることを操作者に表示する。さらに打撃力判定機５７からの信号によってアクチュエータコントローラ４１に対して５個の打撃機構２８に対する駆動電流のＰＷＭ制御条件を変更し打撃力を調整する。また、制御条件の変更だけで対応できない場合は修理等の対策を実施する。さらに打撃力判定機５７の結果は記録装置に校正履歴として記録することが望ましい。

本発明によれば、打音のパワースペクトルから固定力に対して相関を有す複数種類の特徴量を求め、複数種類の特徴量と固定力の関係を元に固定力を推定するために固定力推定精度を高めることが出来る。

図１３を用いて第２の実施例を説明する。

図１３の構成は、図１に示す実施例１において、ＦＦＴ処理機５２を除きＡＤ変換器５１の後に特徴量３計算機１６１特徴量４計算機１６２を設けたものである。特徴量３計算機１６１、特徴量４計算機１６２は、ＡＤ変換器５１の結果に対して演算を行うユニットである。ＡＤ変換器５1の出力は図４に示す時系列の打音データ７０である。このデータの特徴量としては強度のピークデータである１６５、１６６の値、データの包絡線１６６の特徴を示す減衰率などを算出することが出来る。これらの特徴量に基づく固定力推定方法は実施例１に示した方法と同じである。

電気機械の組立てにおいては多種の材料、固定方法がある。例えば、がたを生じて組立て不良が発生する様な場合には、がたの発生とピーク値１６５、１６６の発生が強い相関を示す。長細い部材の組付けにおいては部材の固定状態や欠陥などで打撃後の音の響き方が変わるものが多く、この場合包絡線１６６の特徴である減衰率などが大きく変化する。

本実施例によれば、打音から求めた時系列の打音データ７０から求めた特徴量と固定力が相関を有すデータに対する固定力推定精度を高めることが出来る。

図１４を用いて第３の実施例を説明する。ＡＤ変換器５１の出力である時系列打音データ７０をＦＦＴ処理機５２の出力であるパワースペクトルデータ７１から固定力と相関を有す各種特徴量と求め、これら特徴量の組み合わせによって固定力を推定する固定力測定装置である。

本実施例によれば、時系列の打音データ７０と固定力間で相関を有す因子と周波数データであるパワースペクトルデータ７１の両方の種類に対応できるため
多種の固定状態に対する固定力の推定が可能となる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ コア
２，３ コイル
７ 波状板ばね
８ ウェッジ
２０ 固定力測定装置
２１ 打撃ユニット
２２ 打撃制御ユニット
２３ 打音処理ユニット
５１ ＡＤ変換器
５２ ＦＦＴ処理機
５３ 特徴量１計算機
５４ 特徴量２計算機
５５ 固定力推定機
５６ 固定力推定関数データベース
５７ 打撃力判定機
５８ 打撃力基準データ

Claims (9)

1. 板状部材の固定力測定装置であって、板状部材表面に対して所定の制御された打撃力を加えて打音を発生させる手段と、発生した打音を収集する手段と、打音から複数種類の特徴量を求める手段と、予め評価対象の種類に応じて用意した複数種類の特徴量と固定力間の関係を表すデータベースと該データベースと打音から抽出した特徴量から固定力を推定するための固定力推定手段を有すことを特徴とする固定力測定装置。
2. 板状部材の固定力測定装置であって、１個の板状部材表面の複数箇所に対して所定の制御された打撃力を加えて複数の打音を発生させる手段と、発生した複数の打音を収集する手段と、収集した複数の打音から複数種類の特徴量を求める手段と、特徴量の種類ごとに複数の特徴量を平均化し複数種類の平均化特徴量を求める手段と、予め求めておいた板状部材の固定力と複数種類の平均化特徴量との相関関係を示すデータベースを用いて複数種類の平均化特徴量に対応する固定力に対応させて、固定力を求める手段を有することを特徴とする固定力測定装置。
3. 請求項１、２のいずれか１項に記載の固定力測定装置であって、打撃力校正のための校正用部材と予め求めておいた校正用部材に対する複数の特徴量と打音の関係から打撃力を判定し、打撃力が規定範囲から外れた場合打撃力を校正する手段を有することを特徴とする固定力測定装置。
4. 請求項１、２のいずれか１項に記載の固定力測定装置における特徴量として収集した打音のパワースペクトルから求めたパワースペクトルのエネルギーを重心周波数の値と打音エネルギーの値を用いること特徴とする固定力測定装置
5. 請求項１、２のいずれか１項に記載の固定力測定装置における特徴量として、収集した打音の時系列データである打音波形から求めたピーク値、減衰率を特徴量とすることを特徴とする固定力測定装置
6. 請求項１、２のいずれか１項に記載の固定力測定装置であって、特徴量として収集した打音のパワースペクトルから求めたパワースペクトルのエネルギーを重心周波数の値と打音エネルギーの値と打音の時系列データである打音波形から求めたピーク値、減衰率を特徴量とすることを特徴とする固定力測定装置
7. 請求項１、２のいずれか１項に記載の固定力測定装置であって、所定の制御された打撃力を加えて打音を発生させる打撃手段として、ソレノイド式アクチュエータを用いてＰＷＭ方式にて打撃力を制御することを特徴とする固定力測定装置
8. 板状部材表面に対して所定の制御された打撃力を加えて打音を発生させる手段と、発生した打音を収集する手段と、打音から複数種類の特徴量を求める手段と、予め評価対象の種類に応じて用意した複数種類の特徴量と固定力間の関係を表すデータベースと該データベースと打音から抽出した特徴量から固定力を推定するための固定力推定手段を有すことを特徴とする固定力測定方法
9. １個の板状部材表面の複数箇所に対して所定の制御された打撃力を加えて複数の打音を発生させる手段と、発生した複数の打音を収集する手段と、収集した複数の打音から複数種類の特徴量を求める手段と、特徴量の種類ごとに複数の特徴量を平均化し１個の平均化特徴量を求める手段と、予め求めておいた板状部材の固定力と複数種類の平均化特徴量との相関関係を示すデータベースを用いて複数種類の平均化特徴量に対応する固定力に対応させて、固定力を求める手段を有することを特徴とする固定力測定方法。

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