JP2023072394A - 回転電機の異常検知装置および回転電機の異常検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない種類のセンサで回転電機における異常事象を検知すること。【解決手段】 実施形態による回転電機の異常検知装置は、複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知装置であって、前記複数の並列回路のうちの２つの並列回路にそれぞれ流れる電流の差分を検出する電流差分検出回路と、前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行う分析手段と、前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定する判定手段とを具備する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機の異常検知装置および回転電機の異常検知方法に関する。

一般に、回転電機は、図１１に示すように電機子部１、界磁部２、シャフト３等から構成される。電機子部１と界磁部２は、どちらか一方が回転子として回転し、もう一方は固定子として固定される。ここでは、電機子部１が固定子、界磁部２が回転子である場合を例に挙げて説明する。電機子部１は、電機子鉄心５と電機子巻線６とからなり、電機子鉄心５は積層鉄板を積層して構成され、この電機子鉄心５の周囲部に設けられたスロット７には電機子巻線６が収められている。この電機子巻線６は、スロット開口部に近い側の上コイル片８と、スロット底側の下コイル片９の２層に配置され、その外周部が主絶縁層で覆われている。界磁部２は、磁極に巻かれた界磁巻線１５を有する。界磁巻線１５は、電機子巻線６に起磁力を与える。

図１２は、３相１２極７２スロット４並列回路の回転電機における電機子巻線６の展開模式図を示している。本例は波巻と呼ばれる巻線方式である。図１２に示されるように、電機子巻線６は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線から構成され、各相の各並列回路は各磁極を順次通過して電機子を周回するように要所にジャンパ線１２を用いて巻回される。

図１３は、図１２に示される電機子巻線６の展開模式図の１相分のみを対象に、当該１相内の４並列回路を識別して示す図である。図１４は、電機子巻線６の構成図を３相分示したものである。図１３に示されていない他の２相については、図１４と同様の巻線構成とし、図１３に図示された相の電機子巻線６の構成をそれぞれ電気角で１２０度及び２４０度ずつずらして構成される。

図１３に示すように、電機子巻線６は４つの並列回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を構成している。各並列回路の電機子巻線６は、スロット７内の開口部側に納められる上コイル片８と、スロット内の底側に納められる下コイル片９を有し、これら上コイル片８、下コイル片９の端部同士を、口出し線（巻線口出し部）１６，１７に接続される接続側コイルエンド１０と、その軸方向反対側で口出し線１６，１７に接続されない反接続側コイルエンド１１とにおいてそれぞれ回転電機の周方向に一方向に順次直列に接続し、１２個の相帯１３による相帯群１４を形成している。ここで、相帯１３とは、３相各相を複数に分割して割り当てられた電機子鉄心５に有する複数のスロット７にそれぞれ上コイル片８及び下コイル片９を２層に収めてこれらを接続して同一相を形成する巻線部分を言う。

図１１において、界磁巻線１５を構成する導体間には、層間絶縁が導体に挟まれるような形で設けられており、導体同士を絶縁し、導体間に短絡電流が流れるのを防いでいる。

特開昭５６－４４３６０号公報

Wilian Oliveira, Mauro Uemori, Johnny Rocha, Renato Carlson, "Reduction of Unbalanced Magnetic Pull (UMP) due to equipotential connections among parallel circuits of the stator winding" Proceedings of 2009 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, USA, 2009

回転電機は、通常、中心点２１を中心に回転子２が回転しており、固定子１と回転子２との間の空隙は円周上で均一であるが、図１１に示されるように固定子１の中心点２１から回転子２の中心軸２２がずれ、固定子１と回転子２との間の空隙が円周上で不均一となり、ギャップ４による回転子２の偏心が生じることがある。回転子２の偏心が生じた場合、固定子１と回転子２とを結合する磁気エネルギーが全周上で不均一となり、磁気吸引力が働く。

大容量の回転電機の大容量化においては、偏心が生じた際の磁気吸引力が大きくなり、軸受やフレームに掛かる力が大きくなる。また、既存の回転電機の構造を変えずに大容量化した場合、偏心に対して回転子２を元の位置に戻すことができないため、軸受やフレームが耐えられなくなり変形や破損、回転子２と固定子１との接触が起こる可能性がある。一方、上記と防止するために回転電機全体の再設計を行うとなると、多大な時間とコストを要する。こうした問題は、回転子が電機子部１、固定子が界磁部２の場合においても同様に起こる。

こうした偏心は、ギャップ４の幅を測定するギャップセンサや、シャフト３の振動を測定する振動センサ等によって検知できることが知られている。

また、界磁巻線１５については、層間絶縁の劣化もしくは損傷などの要因により、層間短絡と呼ばれる、導体間の短絡が発生すると、巻線の有効な巻き数が減少するため、発生する磁界が減少するなど、回転電機の性能低下を招く。そのため、層間短絡の早期の検知は、回転電機が設置されている機械やプラント全体の性能維持の観点でも、重要な技術となっている。層間絶縁は、経年的な劣化に加え、運転状態の変化に伴う巻線の温度変化によっても、劣化が加速される場合もあり、部分負荷や力率が変動するような運用が多い回転電機においては、層間短絡のリスクは高くなり、その早期検知は特に重要である。

回転電機運転中に、層間短絡を検知する技術としては、巻線に印加される電圧と巻線に流れる電流から巻線抵抗を算出し、その巻線抵抗の変化から短絡を検知する方法や、さらに、巻線の温度を計測することで、巻線抵抗に対する温度の影響を除去する方法などが提案されている。

また、図１１に示した回転子２の磁極部は、比較的大容量の回転電機では、その内側のシャフト部とは別に製作され、シャフト部と接合するように組み立てられる。組立時の組立誤差や、経年的に固定子側との磁気吸引力などによって、この回転子２の磁極部の径方向のずれ（回転子磁極のずれ）、回転子２や固定子１の真円度のずれなどが生じる場合がある。回転子磁極のずれや真円度のずれなどについては、ギャップの幅の測定や、シャフトの振動センサによる振動ぶれの発生の確認などから検知が行われる。

図１１に示した固定子１では、磁気吸引力によって生じる鉄心振動、鉄心端部のもれ磁束とコイルを流れる電流のローレンツ力に起因するコイルエンド部の振動などが、振動センサによって検知される。

このように回転電機では、回転子の偏心、界磁巻線の層間短絡、回転子磁極のずれ、固定子の振動、回転子・固定子の真円度のずれなどの異常事象に対して、様々なセンサを用いた測定、検知が行われる。そのため複数種類のセンサを複数個所に取り付ける必要があり、センサ取り付けの手間が多く、各センサから各センサの信号取込装置までの配線の引き回し、センサごとの測定、分析法の設定などを行わなければならない。

本発明が解決しようとする課題は、少ない種類のセンサで回転電機における異常事象を精度よく検知することを可能にする回転電機の異常検知装置および回転電機の異常検知方法を提供することにある。

実施形態による回転電機の異常検知装置は、複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知装置であって、前記複数の並列回路のうちの２つの並列回路にそれぞれ流れる電流の差分を検出する電流差分検出回路と、前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行う分析手段と、前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定する判定手段とを具備する。

本発明によれば、少ない種類のセンサで回転電機における異常事象を検知することが可能になる。

第１の実施形態に係る回転電機の異常検知装置を適用した場合の電機子巻線６の１相分を示す展開模式図。 同実施形態の回転電機の異常検知装置における電流センサの配置を３相分示す模式図。 並列回路数が４の場合にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各並列回路に流れる循環電流を、「回転子の偏心」の有無それぞれについて、数値解析によって求めた結果を示すグラフ。 並列回路数が４の場合にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各並列回路に流れる循環電流を、「界磁巻線の層間短絡」の有無それぞれについて、数値解析によって求めた結果を示すグラフ。 同実施形態に係る回転電機の異常検知装置の機能構成の一例を示すブロック図。 図５に示される異常検知装置による動作の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る回転電機の異常検知装置を適用した場合の電機子巻線６の１相分を示す展開模式図。 同実施形態に係る回転電機の異常検知装置における電流センサの配置を３相分示す模式図。 同実施形態に係る回転電機の異常検知装置の機能構成の一例を示すブロック図。 図９に示される異常検知装置による動作の例を示すフローチャート。 回転電機の基本的な構成を示す概念図。 一般的な３相１２極７２スロット４並列回路の回転電機における電機子巻線６の展開模式図。 図１２に示される電機子巻線６の展開模式図の１相分のみを対象に、当該１相内の４並列回路を識別して示す展開模式図。 電機子巻線６の構成図を３相分示す模式図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、第１の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、前述した図１１～図１３も適宜参照する。

図１は、第１の実施形態に係る回転電機の異常検知装置を適用した場合の電機子巻線６の１相分を示す展開模式図である。ここでは、前述した図１３と共通する要素に同一の符号を付している。また、図２は、本実施形態の回転電機の異常検知装置における電流センサの配置を３相分示す模式図である。

なお、本実施形態では、３相１２極７２スロット４並列回路を備える回転電機の電機子巻線について例示するが、相数・極数・スロット数・並列回路数はこの例に限定されるものではなく、複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える回転電機の電機子巻線であればよい。

また、本実施形態では、固定子１が電機子巻線を有し、回転子２が界磁巻線を有する場合について例示するが、逆に、固定子１が界磁巻線を有し、回転子２が電機子巻線を有するように構成してもよい。

図１では、３相１２極７２スロット４並列回路の回転電機における電機子巻線６の１相分（Ｕ相分）のみを示しているが、図１に示されていない他の２相（Ｖ相、Ｗ相）については、図示されている相の電機子巻線６の構成をそれぞれ電気角で１２０度及び２４０度ずつずらしたものとなる。

図１の例では、回転電機の電機子は積層鉄心から成る電機子鉄心５に７２個のスロット７が設けられ、これらのスロット７に１２極３相４並列回路の電機子巻線６が２層に収められている。各相の電機子巻線６は、４つの並列回路Ｃ１～Ｃ４を構成している。

各並列回路の電機子巻線６は、スロット７内の開口部側に納められる上コイル片８と、スロット内の底側に納められる下コイル片９とを有し、これら上コイル片８、下コイル片９の端部同士を、口出し線１６，１７に接続される接続側コイルエンド１０と、その軸方向反対側で口出し線１６，１７に接続されない反接続側コイルエンド１１とにおいてそれぞれ回転電機の周方向に一方向に順次直列に接続し、１２個の相帯１３による相帯群１４を形成している。

本実施形態では、並列回路Ｃ１～Ｃ４の少なくとも一部に、当該並列回路に流れる循環電流を測定する複数の電流センサが設けられる。図１の例では、２つの並列回路Ｃ１，Ｃ２のそれぞれに２つの電流センサ２４ａ，２４ｂが取り付けられる（Ｕ相においては、２つの並列回路Ｃ１，Ｃ２のそれぞれに２つの電流センサＵ１，Ｕ２が取り付けられる）。
並列回路Ｃ１に設置される電流センサ２４ａは、当該並列回路Ｃ１に流れる電流の値を測定し、口出し線１７に配置される電流センサ２４ｂは、当該並列回路Ｃ２に流れる電流の値を測定する。

また、本実施形態では、電流センサ２４ａと電流センサ２４ｂとは、測定する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続され、並列回路Ｃ１に流れる電流と並列回路Ｃ２に流れる電流との差分を検出するように構成される。検出される電流の差分は、界磁起磁力の不平衡により並列回路間に流れる循環電流に相当する成分である。電流センサの具体例としては、変流器、ロゴスキーコイル、光電流センサなどが挙げられる。

また、本実施形態では、図２に示されるように、相毎に、２つの電流センサ２４が２つの並列回路Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ配置される。具体的には、Ｕ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電流センサＵ１，Ｕ２が、Ｖ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電流センサＶ１，Ｖ２が、Ｗ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電流センサＷ１，Ｗ２が配置される。各相の２つの電流センサは、当該２つの電流センサが測定する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続される。このように接続された２つの電流センサの組み合わせは、上述した電流の差分を検出する１つの電流差分検出回路３０を構成する。検出される電流の差分は、界磁起磁力の不平衡により並列回路間に流れる循環電流に相当する成分である。

なお、図２では並列回路Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電流センサ２４ａ，２４ｂを設置する例を示しているが、この例に限らず、並列回路Ｃ１～Ｃ４のいずれか２つの並列回路に電流センサ２４ａ，２４ｂを設置しても良い。更に、電流センサ２４ａ，２４ｂに相当する電流センサの組み合わせを別の並列回路に複数設置しても良い。すなわち、電流差分検出回路３０を、同相において２つの並列回路の組み合わせ毎に複数設けても良い。

図２に示される端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷは出力端子であり、図１中の口出し線１６に通じている。端子ＴＸ，ＴＹ，ＴＷは、中性点端子であり、図１中の口出し線１７に通じている。本例では、各並列回路の電圧の低い中性点端子ＴＸ，ＴＹ，ＴＷ側に電流センサを設けることで、各電流センサにかかる対地電圧を低減している。

本実施形態において、図１１に示されるように回転子２に偏心が生じた場合、界磁起磁力の不平衡により、各並列回路内でインダクタンスに差が生じて、各並列回路間の起電力に差が生じ、起電力が高くなる並列回路（ギャップ４が狭くなる位置に該当する回路）では磁気吸引力と逆の方向に循環電流が流れ、起電力が低くなる回路（ギャップ４が広くなる位置に該当する回路）では磁気吸引力と同方向に循環電流が流れる。

各並列回路には、負荷運転時においては、負荷電流と循環電流の和が流れるが、本実施形態では、電流センサ２４ａ，２４ｂで検出する電流の向きを逆にすることで、並列回路Ｃ１，Ｃ２に流れる負荷電流分を打ち消し、循環電流のみを検出することができる。例えば各並列回路に流れる電流をそれぞれ電流センサで測定し、負荷電流を含む測定値の差分を計算機等で処理することで循環電流を算出する手法に比べ、本実施形態の手法では、電流センサ２４ａ，２４ｂの組み合わせで循環電流のみを検出できるため、ＳＮ比が向上し、より精度の高い異常状態の検出が可能となる。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、並列回路数が４の場合にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各並列回路に流れる循環電流を、「回転子の偏心」の有無それぞれについて、数値解析によって求めた結果を示すグラフである。グラフの横軸は交流周波数の１周期を３６０度とした電気角を、縦軸は偏心無し時の循環電流の波高値を１としたｐ．ｕ．(per unit)値で循環電流を表している。

各グラフにおいて、符号３ｎ，４ｎはそれぞれ偏心無しのときに並列回路Ｃ３，Ｃ４に流れる循環電流の波形を示す。偏心無しのときに並列回路Ｃ１，Ｃ２に流れる循環電流の波形は、符号３ｎ，４ｎに示す波形と同様となるが、これらも図示すると煩雑になるため、ここではその図示を省略している。一方、符号１ｅ，２ｅ，３ｅ，４ｅはそれぞれ偏心有りのときに並列回路Ｃ１～Ｃ４に流れる循環電流の波形を示す。

例えば回転子２に偏心が生じると、図３に示されるように、各相の各並列回路の循環電流の波形が変化して波高値が大きくなり、相間においても循環電流の波形や波高値に差が生じていることがわかる。この相間で生じる波形の差は、固定子１における相帯の分布と、偏心の方向・大きさとの関係によって変わる。逆に言えば、相間における循環電流の波形の差から、偏心の方向・大きさを示す情報を得ることができるといえる。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、並列回路数が４の場合にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各並列回路に流れる循環電流を、「界磁巻線の層間短絡」の有無それぞれについて、数値解析によって求めた結果を示すグラフである。ここでは、回転子２側の界磁巻線１５の１極分が層間短絡を起こす場合を想定している。図４のグラフの表記の仕方は、図３のグラフと同様である。

各グラフにおいて、符号３ｎ，４ｎはそれぞれ層間短絡無しのときに並列回路Ｃ３，Ｃ４に流れる循環電流の波形を示す。層間短絡無しのときに並列回路Ｃ１，Ｃ２に流れる循環電流の波形は、符号３ｎ，４ｎに示す波形と同様となるが、これらも図示すると煩雑になるため、ここではその図示を省略している。一方、符号１ｓ，２ｓ，３ｓ，４ｓはそれぞれ層間短絡有りのときに並列回路Ｃ１～Ｃ４に流れる循環電流の波形を示す。

また、例えば回転子２側の界磁巻線１５に層間短絡が生じると、図４に示すように、循環電流の波高値が大きくなり、波長も大きくなる。この例では、図３の場合とは違い、相間で生じる循環電流の波高値の差は顕著ではない。これは、層間短絡によって、回転子２側の界磁起磁力に不平衡は生じるものの、回転子２側が一周する間に、各相帯が受ける界磁起磁力は同様であるため、各相を鎖交する界磁起磁力による起電力は同じになるためである。界磁巻線１５の層間短絡の場合は、循環電流は図３で示した偏心の場合とは異なる波形を示す。よって、循環電流の波形を分析することで、回転子２の偏心と界磁巻線１５の層間短絡とを識別することができる。

また、回転子２の異常事象の一つとして、回転子２の磁極の一部が、経年的な支持機能の劣化や遠心力、磁気吸引力によって、径方向にずれる「磁極のずれ」が生じる場合がある。磁極の一部が径方向に固定子１側に近づいた場合は、固定子１側の受ける界磁起磁力による鎖交磁束量は増加し、前述の界磁巻線１５の層間短絡で特定の磁極の界磁起磁力による鎖交磁束量が減少するのとは、逆の事象になる。この場合、各相が同様の鎖交磁束を受ける点では同じであるが、鎖交磁束量の変化が異なるため、図４に示した循環電流の波形とは異なる波形を示す。

したがって、循環電流の波形を分析することで、界磁起磁力の不平衡に関連する回転電機の各種の異常事象を識別することができる。

図５は、第１の実施形態に係る回転電機の異常検知装置の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、この図５に示される構成は、後述する第２の実施形態にも適用される。

図５に示される異常検知装置は、前述した複数の電流センサ、即ち、Ｕ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２に配置される電流センサＵ１，Ｕ２、Ｖ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２に配置される電流センサＶ１，Ｖ２、Ｗ相の並列回路Ｃ１，Ｃ２に配置される電流センサＷ１，Ｗ２を含むほか、比較・分析回路（分析手段）３１、判定部（判定手段）３２、および表示器（表示手段）３３を含む。複数の電流センサで検出された電流は、それぞれケーブルを通じて電気信号として比較・分析回路３１へ供給されるように構成されている。

比較・分析回路３１は、電流差分検出回路３０を構成する２つの電流センサ２４の組み合わせにより相毎に検出された電流の差分に示される循環電流（即ち、界磁起磁力の不平衡により並列回路間に流れる循環電流）の経時変化を示す波形の分析などを行うものであり、分析結果として当該波形の特徴を示すデータ（例えば、周波数、振幅、位相、波高値などの物理量の組み合わせ）などを生成する。生成された循環電流の波形の特徴を示すデータは、特定の異常事象の有無の判定に使用される。

この比較・分析回路３１は、相毎に電流差分検出回路３０を構成する２つの電流センサ２４の組み合わせにより検出された電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータを生成する回路を備えるほか、検出された電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータと予め通常運転時において通常時データとして記憶媒体に保存しておいた循環電流の波形の特徴を示すデータとを比較して、その差を示す差分データを生成する回路や、相間で循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示す差分データを生成する回路、並列回路間で循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示す差分データを生成する回路などを備えている。これら各種の差分データもそれぞれ必要に応じて特定の異常事象の有無の判定に使用されてもよい。

なお、比較・分析回路３１は、電流差分検出回路３０が同相において２つの並列回路の組み合わせ毎に複数設けられている場合は、複数の電流差分検出回路３０間で電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示すデータを生成するように構成されていてもよい。

判定部３２は、比較・分析回路３１の分析結果に示される各種のデータに基づき、回転電機における特定の異常事象の有無を判定するものであり、例えば循環電流の波形の特徴を示すデータを用いて、回転電機における特定の異常事象の有無を判定する機能を備えている。特定の異常事象とは、例えば、回転子の偏心、界磁巻線の層間短絡、回転子磁極のずれ、固定子または回転子の振動、回転子または固定子の真円度のずれ、のいずれかを指す。

この判定部３２は、例えば、循環電流の波形の特徴を示すデータ、相間での循環電流の波形の特徴の差を示すデータ、同相に複数の電流差分検出回路３０がある場合は同相の電流差分検出回路３０間での循環電流の波形の特徴の差を示すデータ、などを用いて、特定の異常事象の有無や異常事象の種別を判定する。これらのデータは、例えば、予め用意しておいた対応する基準データ（特定の異常事象が発生したときの特徴を示すデータ）とそれぞれ比較され、双方の類似度または乖離度から判定されるようにしてもよい。また、それぞれの類似度もしくは乖離度に対し、データごとに必要な重み付けをした上で加算等をして算出した合計値が閾値を超えているか否かに応じて、特定の異常事象が発生しているか否かが判定されるようにしてもよい。また、このような判定は、異常事象の種別ごとに行われてもよい。

表示器３３は、判定部３２により判定された特定の異常事象の有無や異常事象の種別を表示するものである。

なお、比較・分析回路３１や判定部３２は、ハードウェアとして構成してもよいが、代わりに、例えばコンピュータのプロセッサが実行するプログラム（ソフトアウェア）の機能として構成してもよい。また、判定部３２においては、予め定められた判定法の他に、機械学習によって、回転電機における特定の異常事象の有無を学習し、判定の精度を高めるようにしてもよい。その場合、判定部３２は、特定の異常事象の有無を学習する機械学習によって構築しておいた数値モデルを用いて、特定の異常事象の有無を判定するように構成されてもよい。

次に、図６のフローチャートを参照して、図５に示される異常検知装置による動作の一例を説明する。

回転電機の運転中は、相毎に、電流差分検出回路３０において、例えば電流センサＵ１，Ｕ２の組み合わせ、電流センサＶ１，Ｖ２の組み合わせ、電流センサＷ１，Ｗ２の組み合わせにより並列回路Ｃ１，Ｃ２に流れる電流の差分が検出され、それらが電気信号として比較・分析回路３１に供給される。

比較・分析回路３１は、各電流センサの組み合わせからそれぞれ供給されてくる信号を入力し、相毎に、上記電流の差分から並列回路間に流れる循環電流を検知して、当該循環電流の波形を取得する（Ｓ１１）。さらに比較・分析回路３１は、当該循環電流の波形の分析を行い（Ｓ１２）、各相、各並列回路の循環電流の特徴を表すデータ（例えば、周波数、振幅、位相などを示すデータ）を求めて出力する（Ｓ１３）。当該データは、通常運転時においては通常時データとして記憶媒体に保存される（Ｓ１４）。

そして、比較・分析回路３１は、ステップＳ１３で出力したデータについて、予め通常運転時において通常時データとして記憶媒体に保存しておいた該当するデータとの比較を行ってその差を示す差分データを生成し（Ｓ１５）、また、各相・各並列回路のそれぞれのデータ間の比較（データ間比較）（Ｓ１６）を行ってその差を示す差分データを生成し、それらの差分データを含む分析結果を出力する。

判定部３２は、比較・分析回路３１から出力される分析結果に示される個々のデータと予め用意された対応する基準データとに基づき、ｎ種類の各種の異常事象の有無を判定する（Ｓ１７～Ｓ１９）。

異常事象１として、例えば「回転子の偏心」が発生している可能性があるか否かが判定される（Ｓ１７）。この判定は、分析結果に示される個々のデータと「回転子の偏心」に対応する基準データとの比較結果に基づいて行われるようにしてもよい。「回転子の偏心」が発生している可能性があると判定された場合は、その旨を示す異常表示が表示器３３において行われる（Ｓ１７ａ）。

また、異常事象２として、例えば「界磁巻線の層間短絡」が発生している可能性があるか否かが判定される（Ｓ１８）。この判定は、分析結果に示される個々のデータと「界磁巻線の層間短絡」に対応する基準データとの比較結果に基づいて行われるようにしてもよい。「界磁巻線の層間短絡」が発生している可能性があると判定された場合は、その旨を示す異常表示が表示器３３において行われる（Ｓ１８ａ）。

最後に、異常事象ｎとして、例えば「磁極のずれ」が発生している可能性があるか否かが判定される（Ｓ１９）。この判定は、分析結果に示される個々のデータと「磁極のずれ」に対応する基準データとの比較結果に基づいて行われるようにしてもよい。「磁極のずれ」が発生している可能性があると判定された場合は、その旨を示す異常表示が表示器３３において行われる（Ｓ１９ａ）。

異常事象１～ｎのいずれも発生している可能性がなければ、回転電機は正常な状態にあるものとみなされ、その旨を示す正常表示が表示器３３において行われる（Ｓ１９ｂ）。

第１の実施形態によれば、相毎に１種類からなる２つの電流センサをそれぞれ２つの並列回路に設けることで、回転電機における各種の異常事象を検知することができる。また、２つの電流センサで検出する電流の向きを逆にすることで、循環電流のみを検出することができるため、ＳＮ比が向上し、より精度の高い異常状態の検出が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、前述した図１１～図１３、図１～図６も適宜参照する。また、本実施形態では、前述した第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図７は、第２の実施形態に係る回転電機の異常検知装置を適用した場合の電機子巻線６の１相分を示す展開模式図である。また、図８は、本実施形態に係る回転電機の異常検知装置における電流センサの配置を３相分示す模式図である。ここでは、前述した図１と共通する要素に同一の符号を付している。

前述した第１の実施形態と異なる点は、２つの電流センサ２４ａ，２４ｂがそれぞれ並列回路Ｃ１と口出し線１７（並列回路Ｃ１～Ｃ４の端部どうしを接続する部分）とに設けられている点である。

本実施形態では、並列回路Ｃ１に設置される電流センサ２４ａが、当該並列回路Ｃ１に流れる電流の値を測定し、口出し線１７に配置される電流センサ２４ｂが、当該並列回路Ｃ２に流れる電流の１並列回路あたりの電流の値を測定するように（あるいは、並列回路Ｃ１に設置される電流センサ２４ａが、当該並列回路Ｃ１に流れる電流の並列回路数倍の電流の値を測定し、口出し線１７に配置される電流センサ２４ｂが、当該並列回路Ｃ２に流れる電流の値を測定するように）構成される。

また、本実施形態では、電流センサ２４ａと電流センサ２４ｂとが、測定する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続され、並列回路Ｃ１に流れる電流と口出し線１７に流れる電流の１並列回路あたりの電流との差分を検出するように構成される。検出される電流の差分は、界磁起磁力の不平衡により並列回路間に流れる循環電流に相当する成分である。

また、本実施形態では、図８に示されるように、相毎に、２つの電流センサ２４が並列回路Ｃ１と口出し線１７とにそれぞれ配置される。具体的には、Ｕ相の並列回路Ｃ１，口出し線１７にそれぞれ電流センサＵ１，Ｕ２が、Ｖ相の並列回路Ｃ１，口出し線１７にそれぞれ電流センサＶ１，Ｖ２が、Ｗ相の並列回路Ｃ１，口出し線１７にそれぞれ電流センサＷ１，Ｗ２が配置される。各相の２つの電流センサは、当該２つの電流センサが検出する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続される。このように接続された２つの電流センサの組み合わせは、上述した電流の差分を検出する１つの電流差分検出回路３０を構成する。検出される電流の差分は、界磁起磁力の不平衡により並列回路間に流れる循環電流に相当する成分である。

なお、図８では並列回路Ｃ１，口出し線１７にそれぞれ電流センサ２４ａ，２４ｂを設置する例を示しているが、この例に限らず、並列回路Ｃ１～Ｃ４のいずれか１つの並列回路に電流センサ２４ａを設置し、口出し線１７に電流センサ２４ｂを設置しても良い。更に、電流センサ２４ａ，２４ｂに相当する電流センサの組み合わせを別の並列回路に対しても複数設置しても良い。すなわち、電流差分検出回路３０を、同相において口出し線１７と別々の並列回路との組み合わせ毎に複数設けても良い。

本実施形態に係る回転電機の異常検知装置の機能に関する構成は、図５に示したものと同様となるため、その説明を省略する。また、本実施形態に係る回転電機の異常検知装置による動作は、図６に示したものと同様となるため、その詳細な説明を省略する。

なお、比較・分析回路３１は、電流差分検出回路３０が同相において口出し線１７と別々の並列回路との組み合わせ毎に複数設けられている場合は、複数の電流差分検出回路３０間で電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示すデータを生成するように構成されてもよい。

本実施形態においても、電流センサ２４ａ，２４ｂで測定する電流の向きを逆にすることで、各並列回路に流れる負荷電流分を打ち消し、並列回路間に流れる循環電流のみを検出することができる。

第２の実施形態によれば、相毎に１種類からなる２つの電流センサをそれぞれ１つの並列回路と口出し線とに設けることで、回転電機における各種の異常事象を検知することができる。また、２つの電流センサで検出する電流の向きを逆にすることで、循環電流のみを検出することができるため、ＳＮ比が向上し、より精度の高い異常状態の検出が可能となる。更に、第２の実施形態では、各並列回路のコイルエンドに比べ、スペースに余裕のある口出し線に電流センサを取り付けるため、電流センサ設置の作業性が向上する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、前述した図１１～図１３、図１～図８も適宜参照する。また、本実施形態では、前述した第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図９は、第３の実施形態に係る回転電機の異常検知装置の機能構成の一例を示すブロック図である。

図９に示される異常検知装置は、前述した図５に示される構成要素に加え、センサ（Ａ）２５をさらに含む。

センサ（Ａ）２５は、回転電機における界磁起磁力の不平衡により変化する物理量を測定する測定手段である。このセンサ（Ａ）２５は、回転電機における所定の位置の振動、変位、温度、磁束を測定する振動センサ、変位センサ、温度センサ、磁束センサのいずれかに相当する。

比較・分析回路３１は、センサ（Ａ）２５により測定される物理量に対する分析をさらに行う。この比較・分析回路３１は、前述した複数の電流センサにより測定される電流のみならず、センサ（Ａ）２５により測定される物理量も、波形分析の対象とし、これを分析して特定の異常事象の有無を判定に使用するデータを生成する。

前述した第１及び第２の実施形態は、界磁起磁力の不平衡によって並列回路に鎖交する磁束が異なることを利用して、測定される循環電流から、回転電機の異常事象を検知するものであったが、循環電流からの異常事象の識別が難しい場合もある。例えば、固定子１の真円度のずれが生じると、固定子１の一部が回転子２に近づく、あるいは遠ざかるため、特定の並列回路に鎖交する界磁起磁力が変化するが、回転子２の偏心によっても、固定子１と回転子２の位置関係の変化が生じ、特定の並列回路に鎖交する界磁起磁力が変化し、発生する循環電流からの異常事象の識別が難しい場合がある。

そのような場合に、例えば回転子２に変位センサを備え、そのセンサ信号も併せて分析・判定を行うことで、異常事象が回転子２側、固定子１側のいずれに生じているのか、界磁起磁力に係わる異常事象が発生しているか否か等を確認でき、より詳細に異常事象を識別することができる。

また、固定子コイルあるいは固定子鉄心に振動センサを備え、そのセンサ信号も併せて分析を行うことで、界磁起磁力の変化と固定子コイルあるいは固定子鉄心の振動が同時に生じているか、固定子コイルや固定子鉄心の振動周波数と循環電流の周波数の相違を識別することができるため、固定子コイルあるいは固定子鉄心の振動によって鉄心が真円度を失うほど変形して界磁起磁力に変化が起きている場合、振動に寄与せず界磁起磁力を変化させる事象が起きているのか否かなどを確認でき、より詳細に異常事象を識別することができる。

また、固定子１あるいは回転子２に温度センサを備え、そのセンサ信号も併せて分析を行うことで、界磁起磁力の変化と、熱変形、回転子熱伸び、固定子鉄心熱変形などが同時に生じているのか否かなどを確認できるため、より詳細に異常事象を識別することができる。

また、特定の並列回路に鎖交する界磁起磁力の変化が、界磁巻線１５の層間短絡によるものである場合は、ギャップ部に磁束センサを備えておけば、並列回路の循環電流の変化とともに、磁束センサの信号にも変化が生じるので、より詳細に異常事象を識別することができる。この場合も、循環電流の波形の分析結果を用いることで、磁束センサについては、プローブ部や信号分析部に高精度のものを用いずとも、例えば、変化の有無を識別する程度のものであっても、有効であるので、簡易なものとすることができる。

次に、図１０のフローチャートを参照して、図９に示される異常検知装置による動作の例を説明する。

図１０中のステップＳ７１～Ｓ７６、Ｓ８１～Ｓ８３は、前述した図６中のステップＳ１１～Ｓ１９に相当する。前述した図６のフローチャートと異なる点は、ステップＳ７７～Ｓ８０が加えられていることである。

回転電機の運転中は、相毎に、例えば電流センサＵ１，Ｕ２の組み合わせ、電流センサＶ１，Ｖ２の組み合わせ、電流センサＷ１，Ｗ２の組み合わせにより、並列回路Ｃ１，Ｃ２に流れる電流の差分が検出され、それらが電気信号として比較・分析回路３１に供給されるとともに、センサ（Ａ）２５により回転電機における所定の位置の振動、変位、温度、あるいは磁束などの物理量が測定され、それが電気信号として比較・分析回路３１に供給される。

比較・分析回路３１は、センサ（Ａ）２５から供給されてくる信号を入力し、その信号の波形を取得する（Ｓ７７）。さらに比較・分析回路３１は、当該信号の波形の分析を行い（Ｓ７８）、その信号の特徴を表すデータ（例えば、周波数、振幅、位相などを示すデータ）を求めて出力する（Ｓ７９）。

そして、比較・分析回路３１は、ステップＳ７９で出力したデータについて、予め通常運転時において通常時データとして記憶媒体に保存しておいた信号の波形の特徴を示すデータとの比較を行ってその差を示す差分データを生成する（Ｓ８０）。

比較・分析回路３１は、ステップＳ７５，Ｓ７６で生成したデータとステップＳ８０で生成したデータとを含む分析結果を出力する。

第３の実施形態によれば、設置するセンサの種類を少なく抑えながら、より的確に回転電機における各種の異常事象を検知することができる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、少ない種類のセンサで回転電機における異常事象を検知することが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電機子部（固定子）、２…界磁部（回転子）、３…シャフト、４…ギャップ、５…電機子鉄心、６…電機子巻線、８…上コイル片、９…下コイル片、１０…接続側コイルエンド、１１…反接続側コイルエンド、１２…ジャンパ線、１３…相帯、１４…相帯群、１５…界磁巻線、１６，１７…口出し線（巻線口出し部）、２１…回転電機の中心点、２２…回転子の中心軸、２３…等電位短絡線、２４，２４ａ，２４ｂ…電流センサ、２５…センサ、３０…電流差分検出回路、３１…比較・分析回路、３２…判定部、３３…表示器、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２，Ｃ４…並列回路。

Claims (11)

1. 複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知装置であって、
   前記複数の並列回路のうちの２つの並列回路にそれぞれ流れる電流の差分を検出する電流差分検出回路と、
   前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行う分析手段と、
   前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定する判定手段と
   を具備する、回転電機の異常検知装置。
2. 請求項１に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記電流差分検出回路は、前記２つの並列回路にそれぞれ流れる前記２つの電流をそれぞれ測定する２つの電流センサを含み、
   前記２つの電流センサは、当該２つの電流センサが測定する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続されている、
   回転電機の異常検知装置。
3. 複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知装置であって、
   前記複数の並列回路のうちの１つの並列回路に流れる電流と、前記複数の並列回路の端部どうしを接続する口出し線に流れる電流の１並列回路あたりの電流との差分を検出する電流差分検出回路と、
   前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行う分析手段と、
   前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定する判定手段と
   を具備する、回転電機の異常検知装置。
4. 請求項３に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記電流差分検出回路は、前記１つの並列回路に流れる電流と、前記口出し線に流れる電流の１並列回路あたりの電流とを、それぞれ測定する２つの電流センサを含み、
   前記２つの電流センサは、当該２つの電流センサが測定する電流の向きが互いに逆になるように直列に接続されている、
   回転電機の異常検知装置。
5. 請求項１に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記電流差分検出回路は、相毎に設けられる、
   回転電機の異常検知装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記分析手段は、前記電流の差分に示される循環電流の経時変化を示す波形を分析してその波形の特徴を示すデータを生成する、
   回転電機の異常検知装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記分析手段は、相間で前記電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示すデータを生成する手段を含む、
   回転電機の異常検知装置。
8. 請求項１又は２に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記電流差分検出回路は、同相において２つの並列回路の組み合わせ毎に複数設けられており、
   前記分析手段は、当該複数の電流差分検出回路間で前記電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示すデータを生成する手段を含む、
   回転電機の異常検知装置。
9. 請求項３又は４に記載の回転電機の異常検知装置において、
   前記電流差分検出回路は、同相において前記口出し線と別々の並列回路との組み合わせ毎に複数設けられており、
   前記分析手段は、当該複数の電流差分検出回路間で前記電流の差分に示される循環電流の波形の特徴を示すデータどうしを比較してその差を示すデータを生成する手段を含む、
   回転電機の異常検知装置。
10. 複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知方法であって、
    電流差分検出回路により、前記複数の並列回路のうちの２つの並列回路にそれぞれ流れる電流の差分を検出することと、
    分析手段により、前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行うことと、
    判定手段により、前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定することと
    を含む、回転電機の異常検知方法。
11. 複数相で偶数極を有し各相に複数の並列回路を備える電機子巻線と、前記電機子巻線に起磁力を与える界磁巻線と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちの一方を有する回転子と、前記電機子巻線と前記界磁巻線のうちのもう一方を有する固定子と、を備えた回転電機に適用される回転電機の異常検知方法であって、
    電流差分検出回路により、前記複数の並列回路のうちの１つの並列回路に流れる電流と、前記複数の並列回路の端部どうしを接続する口出し線に流れる電流の１並列回路あたりの電流との差分を検出することと、
    分析手段により、前記電流差分検出回路により検出された前記電流の差分に示される循環電流の分析を行うことと、
    判定手段により、前記分析手段の分析結果に基づき、前記回転電機における特定の異常事象の有無を判定することと
    を含む、回転電機の異常検知方法。

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