JP2017515120A - ターン間欠陥を検出するための装置及び方法並びに電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定デバイス（３）で回転電気機械（２）の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための装置（１）に関し、その測定デバイス（３）は、空間内で異なる向きにされた少なくとも二つの測定コイルを備え、それに応じて測定デバイス（３）が回転子巻線に対して向けられる際に、回転電気機械（２）の磁束密度Ｂの第一の方向成分によって第一の測定コイルに電圧を誘起することができ、また、第一の方向性分とは異なるその磁束密度Ｂの他の方向成分によって他の測定コイルに他の電圧を誘起することができ、空間内で異なる向きにされた少なくとも二つの測定コイルが測定デバイス（３）のヘッド部（５）の上に共に配置されている結果として、回転子巻線に存在しているターン間欠陥を、二つの測定コイルに誘起された電圧の電圧時間特性に基づいて検出することができる。

Description

本発明は、測定デバイスによって回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための装置に関し、その測定デバイスは、空間内において異なる向きにされた少なくとも二つの測定コイルを備え、それに応じて、測定デバイスが回転子巻線に対して向けられている場合に、回転電気機械の磁束密度Ｂの第一の方向成分によって第一の測定コイルに電圧を誘起することができ、第一の方向成分とは異なる磁束密度Ｂの他の方向成分によって他の測定コイルに他の電圧を誘起することができるようになっている。

本発明は、更に、固定子及びその中で回転する回転子を有する電気機械、特に発電機に関する。

本発明は、また、回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための方法にも関する。

ターン間欠陥、特に回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための汎用方法は、大型の回転電気機械、例えば、発電機やタービン発電機等に関して従来技術において知られている。

このようなターン間欠陥は、例えば、回転子巻線の導電性素子に対する絶縁欠陥によって生じ、その結果として、個々の巻線が互いに適切に絶縁されなくなる。この点について、大型の回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥は、その回転電気機械の動作の永続的な障害をもたらし得る。例えば、熱非対称性が生じ得て、これは、回転している回転子の振動レベルの増大や、磁場の歪みを、回転電気機械全体の故障という程度までにおいてもたらし得る。こうした理由のため、回転電気機械のより甚大な損傷の危険性を避けるためには、可能な限りタイムリーに回転子巻線内のターン間欠陥を検出することが極めて重要である。

回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出することができる方法については、従来技術において既に複数の方法が知られている。基本的には、それらの方法は二つの異なるタイプの方法に分類可能であり、具体的には、ターン間欠陥の検出が回転電気機械の動作中にオンラインで行われる第一のタイプの方法と、ターン間欠陥の検出が回転電気機械の停止中にオフラインで行われる他方のタイプの方法とである。オフラインタイプの方法の最大の欠点は、電気的負荷、熱的負荷、特に機械的負荷が存在していないため、回転電気機械の動作中にのみ生じるターン間欠陥が、回転電気機械の停止中には存在し得ず、又は、対応する停止分析では操作上確実に検出することができない曖昧なものとしてしか存在し得ないという点である。更に、停止分析は、関連する作業量が多いため、例えば保守作業の一部として、比較的長い間隔を置いた場合にのみ経済的に行うことができるものである。そのため、このタイプのオフライン方法の場合、回転子巻線のターン間欠陥の検査は、イレギュラーな場合においてのみ経済的に都合が良いものとなる。

オンラインで行われ動作中に永続的に適用することもできる第一のタイプの方法については状況が全く異なる。オンラインタイプの方法について、動作中のターン間欠陥の永続的な検査及び／又は監視という点に関し最も良く知られている方法は、回転子の円周表面と、その回転子と相補的な固定子の内側表面との間の空隙内に配置された測定コイル（フラックスプローブ）を用いて電束を測定することに基づいたものであり、その測定コイルは、運動している回転子の磁場によって測定コイルに電圧を誘起することができるように向けられる。

この場合、測定コイルは、回転電気機械の固定子筐体に巻き付けられるか鋳造されて、その活性表面が回転子の円周表面に対して半径方向に向けられる。結果として、回転電気機械の磁束密度Ｂの半径方向成分のみが、測定コイルに電圧を誘起する。測定コイルに誘起された電圧の電圧特性分析を用いて、回転子巻線内のターン間欠陥を検出することができる。この電圧特性分析に基づいたターン間欠陥の検出感度は、多数の因子に依存する。この場合重要なのは、個々のターン間欠陥の特性と、回転子巻線内におけるターン間欠陥の位置である。更なる因子は、回転電気機械の動作モード、有効出力、損失因子ｃｏｓφ、そして、測定方法の感度である。この点について、ターン間欠陥の可能な限り正確な検出を達成するためには、動作中の回転電気機械で異なる複数の負荷点を得ることが推奨される。しかしながら、これには非常に労力が要る。更に、測定コイルで測定された電圧特性は、主に回転子偏心によって歪められ得て、不正確な解釈をもたらす可能性がある。

例えば、特許文献１で知られている電気力学機械を監視するための方法では、電気力学機械が発生させた磁場の軸方向成分及び接線成分の両方を感知して別々に評価する。対応する磁場センサは、回転子の周りに同心状で単独で分布する固定子筐体の外側に配置されて、発電機構成の外側の浮遊磁場を感知することができるようにされている。

更に、特許文献２には、層間短絡を検出するための方法及び装置が開示されていて、少なくとも一つの磁気測定プローブと、リングフラックスを測定するために異なる放射面に配置された例えば二つの以上の測定ループと、好ましくは固定子フラックスを測定するための少なくとも一つの磁気測定プローブとが設けられる。

非特許文献１には、電気力学機械を試験するための方法が記載されていて、電気力学機械が発生させた磁場の軸方向成分及び接線成分を感知するために、電気力学機械の外側の異なる複数の位置に複数の磁場センサが配置される。

更に、特許文献３には、電気機械又は発電機のコアアセンブリにおけるターン間欠陥を検出するための方法及び装置が記載されていて、回転子軸に対して二箇所の異なる半径方向位置に配置された少なくとも二つの検出器を有するピックアップデバイスが存在していて、それら二箇所の異なる半径方向位置において電気機械又は発電機が発生させた磁場を同時に測定する。この場合、少なくとも二つの信号の相対的な大きさ及び／又は相対的な位相位置を決定するために減算が用いられ、信号の相対的な差のみが記録される。

特許文献４には、磁束密度の半径方向成分を測定するための複数の磁場センサを有する巻線欠陥検出システムを備える電気機械が開示されている。

独国特許出願公開第１０２００８００１１８３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１７９６６３号明細書 国際公開第２０１０／０４０７６７号 米国特許第６０６４１７２号明細書

Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｂｙ Ｓｔｒａｙ Ｆｌｕｘ Ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ（ＷＥＭＤＣＤ）；ＩＳＢＮ：９７８−１−４６７３−５６５６−５

本発明の目的は、回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための汎用方法を更に発展させて、ターン間欠陥のより確実な検出を保証することである。

本発明の目的は、測定デバイスによって回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための装置によって達成され、測定デバイスは、空間内で異なる向きにされている少なくとも二つの測定コイルを備え、それに応じて測定デバイスが回転子巻線に対して向けられている際に、回転電気機械の磁束密度Ｂの第一の方向成分によって第一の測定コイルに電圧を誘起することができ、第一の方向成分とは異なるその磁束密度Ｂの他の方向成分によって他の測定コイルに他の電圧を誘起することができ、空間内で異なる向きにされている少なくとも二つの測定コイルが、測定デバイスのヘッド部の上に共に配置されていて、回転子巻線に存在しているターン間欠陥を、二つの測定コイルに誘起された電圧の電圧時間特性に基づいて検出することができるようになっている。

空間内で異なる向きにされている少なくとも二つの測定コイルが測定デバイスのヘッド部の上に共に配置されている結果として、ターン間欠陥の検出を顕著に改善することができる。

好ましくは、検出のために、回転子の円周表面又は回転子表面に対して異なる向きにされている二つの測定コイルの二つの異なる電圧時間特性を分析することによって、検出精度を顕著に向上させる。装置の適切な設計によって、測定コイルに発生する電圧誘起が、電気機械が発生させた磁束密度Ｂの半径方向成分に基づく必要がなくなる。いずれの場合においても、本装置は、不正確な解釈の危険性を顕著に減らすことができる。更に、電気機械の異なる複数の負荷点を得る手間を省くことができる。

しかしながら、有利には、磁束密度Ｂの半径方向成分によって第一の測定コイルに電圧を誘起することで、以前の実験分析からの知見を参照することができる。

本発明の目的は、回転電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための方法によっても達成され、本方法は、回転電気機械の磁束密度Ｂの半径方向成分によって測定デバイスのヘッド部の上に配置された測定コイルに電圧を誘起して、その磁束密度Ｂの軸方向成分によって測定デバイスのヘッド部の上に配置された他の測定コイルに他の電圧を誘起して、その磁束密度Ｂの接線成分によって測定デバイスのヘッド部の上に配置された第三の測定コイルに更なる電圧を誘起して、測定コイルに誘起された電圧の電圧時間特性に基づいて回転子巻線に存在しているターン間欠陥を検出することを特徴とする。

本発明によると、既知のように、電気機械の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するのに用いられている二つの測定コイルに電圧を誘起するだけではなく、ターン間欠陥の存在を評価するために、第三の測定コイル内の電圧特性を追加的に分析するという点において、この既知のタイプの方法が洗練されている。これは、全ての測定コイルが測定デバイスのヘッド部の上に共にコンパクトに保持されていることと共に、電気機械が発生させた磁束密度Ｂの異なる方向成分によって実現される。

これは、ターン間欠陥の識別感度を明確に向上させることができる。

特に、他の測定コイルが、磁束密度Ｂの軸方向成分によってその他の測定コイルに他の電圧を誘起することができるように第一の測定コイルに対して配置されていると、ターン間欠陥の識別感度が向上する。

本方法の更なる改善は、磁束密度Ｂの接線成分によって第三のコイルに更なる電圧を誘起することで達成される。

磁束密度Ｂの接線成分によって第三の測定コイルに電圧を誘起することができるように第一の測定コイルに対してヘッド部の上に配置されている第三の測定コイルを測定デバイスが備えていると、この更なる電圧誘起を非常に単純な設計手段で提供することができる。

全体として、電気機械が発生させた磁束密度Ｂに関する二つの追加的な空間方向成分の追加的な分析が可能であると、例えば回転子偏心によって生じるターン間欠陥に関する不正確な解釈を顕著に減らすことができる。

測定コイルの表面ベクトルが互いに直角になるように測定コイルを測定デバイスのヘッド部の上に異なる向きで配置すると、非常に確実な測定精度を得ることができる。これは、半径方向、軸方向又は接線方向の磁束密度成分に対して三つの測定コイルに誘起された電圧特性を確実に生じさせて、更なる分析のために利用可能にすることを可能にする。

測定コイルが測定デバイスの直方体素子の上に配置されると、本装置が単純な設計構成のものとなり得る。

有利には、本装置は、分析デバイスも備え、それによって、半径方向成分、軸方向成分及び／又は接線成分で誘起された電圧を共に分析することができる。

特に、本発明に係る方法は、本装置によって直接実現可能である。

本発明の目的は、固定子及びその中で回転している回転子を有する電気機械、特に発電機によっても達成され、その電気機械は、上記装置を備えることを特徴とする。

本発明、特に本発明に係る電気機械は、空間内の方向に依存しているフラックス測定によって、回転子のターン間欠陥の高感度検出、試験及び／又はオンライン監視を可能にする。

空間内の方向に依存しているこのフラックス測定で達成可能な利点は、有限要素法に基づいた理論的計算モデルを用いて、既に詳細に分析されている。この場合、回転子巻線内のターン間欠陥の位置と、電気機械の動作負荷点とに基づき、その評価が、特に半径方向又は接線成分において、ターン間欠陥の高い識別感度を有していることが分かった。空間内の方向に依存しているフラックス測定によって、磁束密度の全成分が暗に感知され、磁場強度のベクトル量の監視が可能になる。

回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための本発明に係る装置が例示的に示され説明されている添付図面及び以下の説明に基づいて、本発明の更なる特徴、効果及び利点を説明する。

電気機械の固定子に取り付けられた本発明の測定デバイスの概略部分図を示す。 図１の測定デバイスの概略斜視図を示す。 図１の電気機械の磁束密度Ｂの半径方向及び接線成分に関して計算された電圧特性に関する概略的なグラフを示す。 図１の電気機械の磁束密度Ｂの半径方向、軸方向及び接線成分に関して測定された電圧特性に関する概略的なグラフを示す。

図１に部分的にのみ示される回転電気機械２の回転子巻線（図示せず）内のターン間欠陥（図示せず）を検出するための本装置１は、その測定デバイス３を例示するためのみに示されている（図２も参照）。この場合、測定デバイス３は、電気機械２の固定子４に統合されていて、測定デバイス３の少なくともヘッド部５が、固定子４の内側表面６の上において、固定子４の内側表面６と回転子（図示せず）の円周表面との間の空隙（図示せず）へと突出するようになっている。

図２から見て取れるように、ヘッド部５は、ロッド素子７によって、測定デバイス３の取り付け脚素子８から或る距離に配置され、測定デバイス３が固定子４に適切に取り付けられると、ヘッド部５が空隙内に位置することが保証されるようになっている。

この例示的な実施形態では、ヘッド部５は、直方体素子９を備え、その直方体素子の上に、三つの測定センサ（図示せず）が巻かれていて、それら各々の表面ベクトル１０、１１、１２は、測定デバイス３上において互いに直角に向くように配置される。

この場合、表面ベクトル１０、１１及び１２は、回転子の円周表面に対して或る向きで配置されて、測定コイルの各々において、電圧誘起が、電気機械２が発生させる磁束密度Ｂの半径方向成分、軸方向成分、又は接線成分のいずれかによって生じるようになっている。

従って、装置１を、電気機械の磁束密度Ｂの三軸測定を行うのに使用することができ、また、ターン間欠陥の検出に関する後続の分析用に使用することができる。

この場合、記録又は決定された電圧特性の評価は、市販の測定技術で行うことができるが、これには３チャネルが必要とされる。

図３に示されるグラフ１５では、その横座標１６に時間発展がプロットされ、その縦座標１７に、装置１の測定デバイス３の対応する測定コイルに対して磁束密度Ｂで生じた電圧誘起がプロットされている。ここで示されているのは、磁束密度Ｂの接線成分で計算された電圧特性１８と、磁束密度Ｂの半径方向成分で計算された電圧特性１９とである。また、半径方向成分（歯型）の電圧特性２０も示されている。

図４のグラフ２５では、時間発展がその横座標２６にプロットされていて、電圧誘起がその縦座標２７にプロットされている。このグラフ２５に示されている電圧特性２８は、具体的には、測定デバイス３の測定コイルを用いて空間中の三方向全てにおいて決定された半径方向電圧誘起による電圧特性２９、接線電圧誘起による電圧特性３０、軸方向電圧誘起による電圧特性３１である。

好ましい例示的な実施形態を用いて本発明をより詳細に例示して説明してきたが、本発明は、これら開示された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明の保護範囲から逸脱することなく、他のバリエーションが当業者には導出可能なものである。

１ 装置
２ 回転電気機械
３ 測定デバイス
４ 固定子
５ ヘッド部

Claims (8)

1. 測定デバイス（３）によって回転電気機械（２）の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための装置（１）であって、前記測定デバイス（３）が空間内で異なる向きにされた少なくとも二つの測定コイルを備え、前記測定デバイス（３）が前記回転子巻線に対して向けられていると、前記回転電気機械（２）の磁束密度Ｂの第一の方向成分によって第一の測定コイルに電圧が誘起され、前記第一の方向成分とは異なる前記磁束密度Ｂの第二の方向成分によって第二の測定コイルに電圧が誘起され、
   空間内で異なる向きにされた前記少なくとも二つの測定コイルが、前記少なくとも二つの測定コイルに誘起された電圧の電圧時間特性に基づいて前記回転子巻線に存在しているターン間欠陥が検出されるように前記測定デバイス（３）のヘッド部（５）の上に共に配置されていることを特徴とする装置（１）。
2. 前記磁束密度Ｂの半径方向成分によって前記第一の測定コイルに電圧が誘起される、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記第二の測定コイルが、前記磁束密度Ｂの軸方向成分によって前記第二の測定コイルに電圧が誘起されるように前記第一の測定コイルに対して配置されている、請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 前記測定デバイス（３）が第三の測定コイルを備え、前記第三の測定コイルが、前記磁束密度Ｂの接線成分によって前記第三の測定コイルに電圧が誘起されるように前記第一の測定コイルに対して前記ヘッド部（５）の上に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記少なくとも二つの測定コイルが、該測定コイルの表面ベクトル（１０、１１、１２）が互いに直角になるように前記測定デバイス（３）の前記ヘッド部（５）の上に異なる向きで配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 前記少なくとも二つの測定コイルが前記測定デバイス（３）の直方体素子の上に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 固定子（４）と、該固定子（４）内で回転する回転子とを有する電気機械（２）、特に発電機であって、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１）を備えることを特徴とする電気機械（２）。
8. 回転電気機械（２）の回転子巻線内のターン間欠陥を検出するための方法であって、
   前記回転電気機械（２）の磁束密度Ｂの半径方向成分によって測定デバイス（３）のヘッド部（５）の上に配置された第一の測定コイルに電圧を誘起し、前記磁束密度Ｂの軸方向成分によって前記測定デバイス（３）の前記ヘッド部（５）の上に配置された第二の測定コイルに電圧を誘起し、前記磁束密度Ｂの接線成分によって前記測定デバイス（３）の前記ヘッド部（５）の上に配置された第三の測定コイルに電圧を誘起し、前記第一の測定コイルと前記第二の測定コイルと前記第三の測定コイルに誘起された電圧の電圧時間特性に基づいて前記回転子巻線に存在しているターン間欠陥を検出することを特徴とする方法。

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