JP3874898B2

JP3874898B2 - Ｘ線管陽極駆動装置のロータ速度を監視する方法および速度監視装置

Info

Publication number: JP3874898B2
Application number: JP21536997A
Authority: JP
Inventors: ジェラルド・バート・クライマン; ルドルフ・アルフレッド・アルバート・コウグル; スティーヴン・ドゥアン・ハンセン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2017-08-11
Also published as: DE19736316A1; JPH10188867A; US5828210A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線管陽極駆動装置のロータ速度を監視する方法および速度監視装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
モータの軸受は劣化するにつれてより多くの駆動トルクが必要となり、従ってモータ速度が低下する。このことから、モータ速度は軸受の状態を表すために使用することが出来る。
Ｘ線管陽極は一般に、例えば１０００℃を越える高い温度で動作する。Ｘ線管陽極駆動モータのロータもまた、例えば７００℃程度の高い温度で動作する。陽極およびロータはキロボルト範囲（約７５キロボルトにもなることがある）の電圧がかかっており、また高真空下で作動され、強い放射線場の中に配置されている。
【０００３】
Ｘ線管陽極速度を機械的に測定するために種々の試みがなされたが、実用的な計測器は開発されていない。例えば、光学的センサが使用されたが、陽極の明るい背景、高温でのコントラストのある反射度の欠如、装着体の周りの高温のオイル、高電圧遮蔽体を通ってロータへアクセスすることが困難なこと、ガラス・エンベロープに又はそれを通して結合することの難しさ、および光学的構成部品の（放射線に起因する）急速な劣化のために、制約が生じた。
【０００４】
工業用モータにおいては、例えば、米国特許第４，７６１，７０３号、「ＩＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｖｏｌ．１３３，ＰａｒｔＢ，Ｎｏ．３，１９９６年５月」に所載のジェー・ペンマン等による論文「電気駆動装置の状態監視（ＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｒｉｖｅｓ）」および「ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＧｅｎｅｒａｌＡｐｐｌｉａｎｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＩＧＡ−７，Ｎｏ．６，１９９７年１１／１２月」に所載のエム・エス・アーリッキ等による論文「非対称給電の表示としての誘導モータの漏洩磁界変化（ＬｅａｋａｇｅＦｉｅｌｄＣｈａｎｇｅｓｏｆａｎＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒａｓＩｎｄｉｃａｔｉｏｎｏｆＮｏｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃＳｕｐｐｌｙ）」に記載されているように、モータ故障を診断するためのセンサ、相損失検出器、ロータ・バー破損検出器などとして、同軸コイルが使用されている。
【０００５】
【発明の概要】
Ｘ線管装着体の工場でのシーズニング（ｓｅａｓｏｎｉｎｇ）の際に速度を測定する費用のかからない信頼性のある技術を提供し、また使用現場で軸受の状態を監視して劣化を前もって警告し、これにより患者に対して使用している最中にＸ線管が破損するという最悪の事態を避けるために、既存のＸ線管に使用現場で付け加えることの出来る監視装置を提供することが望ましい。
【０００６】
本発明では、滑り周波数を用いてモータ速度を計算するようにした、Ｘ線管陽極駆動装置の速度監視装置を提供する。滑り周波数は、軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイル（以下、コイルと呼ぶ）からのモータ漂遊磁束信号を調べることにより決定される。コイルは、好ましくは取付けバスケット上にモータ・シャフトと同軸に配置される。コイルに誘起された電圧は、電力線路周波数および滑り周波数において強いスペクトル成分を有する。コイルは、既存のＸ線管に後付けするため、或いは工場での試験装置として使用することが出来る。
【０００７】
本発明の一態様によれば、ロータ、ステータおよびステータ支持バスケットを含むＸ線管陽極駆動装置の速度監視装置が提供され、該速度監視装置は、ロータが回転しているときにロータから磁束信号をピックアップするように配置された軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイル、および前記磁束信号を使用して、ロータ速度を推定する信号処理装置を有する。一実施態様では、前記コイルはロータに同軸に配置される。
【０００８】
また、本発明の別の態様では、Ｘ線管陽極駆動装置のロータ速度を監視する方法が提供され、該方法は、ロータから軸方向磁束ピックアップ・データを取得するステップ、前記軸方向磁束ピックアップ・データを使用して、磁束スペクトルを形成するステップ、および前記磁束スペクトルを分析することによってロータ速度を推定するステップを有する。一実施態様では、前記の軸方向磁束ピックアップ・データを取得するステップおよび前記の軸方向磁束ピックアップ・データを使用して磁束スペクトルを形成するステップが、軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイルを使用して、ロータが回転しているときにロータからアナログ磁束信号をピックアップし、該アナログ磁束信号をディジタル磁束信号に変換し、高速フーリエ変換を使用して該ディジタル磁束信号から磁束スペクトルを形成することを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の新規と考えられる特徴は特許請求の範囲に具体的に記載してあるが、本発明自体の構成、作用並びにその他の目的および利点は、添付の図面を参照した以下の説明から最も良く理解されよう。
図１は、ハウジング１１、装着体（真空ガラス・エンベロープ）１８および陽極駆動モータ・アセンブリを含むＸ線管１０の一部分の断面図である。陽極駆動モータ・アセンブリには、コイル２６を含む速度監視装置が設けられている。図２は、本発明のコイル２６の配置を詳しく例示する。Ｘ線管はステータ支持バスケット１２、ステータ１４、高電圧遮蔽体１６、装着体１８およびロータ２０を含む。
【００１０】
ロータ２０は、典型的には銅および鋼板より成るロータである。ステータ１４は、積層鋼板のような部材と絶縁銅線の巻線とで構成し得る。ステータ支持バスケット１２は、プラスチックのような部材で構成し得る。
一実施態様では、ステータ鉄心がアース電位に保たれ、ロータは約７５キロボルトの電位にされる。ロータは約７００℃の温度で動作し且つ約１０８００ＲＰＭ（毎分回転数）で回転することが出来る。モータは、ステータ支持バスケット１２のアクセス孔２４（図２に示す）を通ってステータへ圧送することができ且つ１００℃もの温度にすることのできる絶縁オイル２２の中に浸漬すことによって、冷却され且つ絶縁される。
【００１１】
コイル２６は、絶縁ワイヤを数千ターン巻回したコイルで構成し得る。一実施態様では、コイル２６はロータ・シャフトと同軸の丸いコイルである。しかし、コイル２６は任意の所望の形状のものでよく、また適切な読取り値を得るのに充分な磁束がピックアップできる限りシャフトと同軸である必要はない。一実施態様では、絶縁ワイヤはエナメル絶縁ワイヤで構成する。別の実施態様では、コイルは、電流制限のために高い抵抗を持ち、従って高電圧環境で有用である絶縁カーボンファイバーで構成される。
【００１２】
コイル２６は、ステータ支持バスケット１２にモールド成形または切削により形成された凹部２８に巻装することが出来る。凹部の好ましい位置はアクセス孔２４の上方である。コイルは、旋盤または同様な巻線機を使用して巻装することが出来る。コイルは信頼性が高く、環境によってモータ自身が劣化するよりも速く劣化することはない。事実、印加電圧が低く且つ鋭い折曲げ部やストレスがないので、コイルはそれぞれのモータよりも長持ちすると予想される。
【００１３】
図２に示されたように配置されたコイルは、ステータ電流の基本周波数における大きな成分およびロータ電流の滑り周波数における大きな成分を有する信号を誘起する。２極モータの場合、ステータ電流は駆動周波数Ｆｓ（ヘルツすなわちサイクル／秒の単位で表される）を有し、ロータ電流は滑り周波数Ｆｒ（ヘルツ単位で表される）を有し、滑り周波数はステータの同期速度とロータの機械的回転速度との差である。これらの周波数成分は、例えば高速フーリエ変換スペクトル分析器によって容易に測定できるので、次の方程式に従って速度Ｎ（ＲＰＭ単位で表される）を計算するための便利な方法を提供する。
【００１４】
Ｎ＝（Ｆｓ−Ｆｒ）＊６０／Ｐ
ここで、Ｐはモータの極数であり、６０は１分当たり６０秒であることを表し、単位の変換のために使用される。
オプションの実施態様として、保護リング２７（図１）が高電圧接続部２９とコイル２６との間でステータ支持バスケット１２の一部分の周りに付加される。保護リングは導電性材料で構成され、一実施態様では高電圧接続部から漏洩する電圧をそらす目的でアースに結合（開放）される。別の実施態様では、保護リングはその両端が一緒に結合（閉成）されて、高電圧接続部から漏洩する電圧をそらすことが出来ると共に、Ｘ線管内に高電圧放電を生じるアークのような発生源からの過渡的な電磁界を抑圧することが出来る。
【００１５】
図３は、滑り周波数範囲内に存在する信号に対する速度センサの電力スペクトルを例示するグラフである。また図４は、駆動周波数付近の周波数スペクトルに対する速度センサの電力スペクトルを例示するグラフである。ロータ周波数信号は、製造公差により常に存在するロータの僅かな電磁的非対称から生じる。これらの非対称は、陽極駆動モータでは、ロータの銅および鋼板に孔あけを必要とする機械的な釣り合い処理のために大きくなる。同軸に装着された磁束ピックアップ・コイルにより信号を得ることが出来、該コイルは一実施態様では各チャンネルに対し１０キロオームの終端部を有する。
【００１６】
コイル２６によって測定した周波数は、ロータ周波数および電力線路周波数などの成分を含む。通常、ロータ周波数は明確に分離して現れる。モータに負荷がかかっているとき、ステータ電流およびコイル電圧にもロータ周波数に関係した信号がある。これらは、電力線路の基本周波数の側帯波として現れ、ロータ周波数の２倍の周波数隔たっている。通常、上側および下側の側帯波がある。高慣性負荷では、下側の側帯波のみ現れる場合がある。また、電流の信号対雑音比は低負荷で極めて小さくなる。
【００１７】
図３において、２．８５２ヘルツ（滑り周波数）において明確なピークが存在し、これは６０ヘルツの電力線路周波数では３４２８ＲＰＭに対応する。ダイナモメータ上の速度監視装置が、データの取得とほぼ同時に３４３０ＲＰＭの読みを示す。軸方向磁束センサ周波数を介しての速度測定値とダイナモメータ読取り値との差は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）分解能（ビン幅）とダイナモメータ内の１回転当たり６０パルスの磁気速度センサとの組み合わさった効果による。上記のピークは狭く、且つその付近に他のピークが無いのでよく隔離されており、背景雑音よりも約４０デシベル高い。第２のより小さいピークは実際に第３高調波である。弱い弟８高調波および他の幾つかの弱い信号（図示していない）が３８．００ヘルツおよび４１．６７ヘルツに現れ、これらはダイナモメータまたは懸架装置に関係する。図４に示されているように、６０ヘルツ（駆動周波数）に大きなピークがあり、その側帯波はロータ周波数の２倍（２×２．８５２ヘルツ）の倍数の周波数にある。
【００１８】
図５は本発明のデータ取得システムのブロック図である。データ取得システムは、信号調整器３０、増幅及び濾波装置３２ａ、３２ｂおよび３２ｃ、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器３４、並びに信号処理装置３６を含む。信号処理装置３６は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）装置３５を含む。
信号調整器３０は、図６の回路図に詳しく示されている。高電圧保護のために、ヒューズ３８ａおよび３８ｂ、スパーク・ギャップ４０、並びにＭＯＶ（金属酸化物バリスタ）電圧制限器４２ａおよび４２ｂが設けられている。電圧制限器は、ステータ支持バスケットが汚染されている場合に起こりうる該バスケットを通じての高電圧の漏洩に起因するような過電圧に対して保護を行う。電圧制限器はまた、スピッツ（間欠的に生じる高電圧放電）によって生じる過大な信号に対して保護を行う。計器用差動増幅器４４が、信号信号調整器３０の抵抗４６ａ、４６ｂ、４６ｃおよび４６ｄと共に、信号レベルを増大する。前置増幅器４８が、抵抗６０ａ、５０ｂおよび５０ｃと共に、信号レベルを最適なレベルまで増加させて、モータから信号処理装置まで伝達するためのライン・ドライバとして作用する。
【００１９】
図５を参照して説明すると、増幅及び濾波装置３２ａ、３２ｂおよび３２ｃは、例えば、アールシー・エレクトロニクス社（米国カリフォルニア州サンタ・バーバラ所在）製のプログラマブル利得およびフィルタ・モジュール装置で構成することが出来、これは直流から４００ヘルツまでの応答を有し且つ４０の利得を有するベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）フィルタとして構成されている。フィルタはエイリアシング防止（ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇ）フィルタであるのが好ましい。増幅器４８は、必要な場合に、追加の増幅を行って、Ａ／Ｄ変換器３４を駆動する。エイリアシング防止フィルタの例としては、８極楕円およびチビシェフ・フィルタが挙げられる。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換器３４は同時サンプル・ホールド差動入力のために構成することが出来、或いは、例えばシングルエンド入力または差動チャンネル入力と共に使用するように構成できる多重サンプル・ホールドＡ／Ｄで構成し得る。Ａ／Ｄ変換器は得られたディジタル信号を信号処理装置３６に供給する。所望により、増幅及び濾波装置３２ａ、３２ｂおよび３２ｃ、Ａ／Ｄ変換器３４、並びに信号処理装置３６は、パッケージ形アナログまたはディジタル周波数分析器（図示していない）に置き換えることが出来る。
【００２１】
信号処理装置３６は、例えば汎用または専用コンピュータで構成し得る。信号処理装置は、データ収集、スペクトル形成、スペクトル分析およびロータ速度報知の機能を行うためのソフトウエアを含むことが出来る。
図７は、本発明のデータ処理段階の流れ図である。ステップ５２で、磁束信号が図５のＡ／Ｄ変換器３４から取得され、次いでステップ５４で、磁束信号について高速フーリエ変換を行って、図３および図４に示した種類の磁束スペクトルのグラフを作る。
【００２２】
ステップ５６で、スペクトル内での基本電源周波数（駆動周波数Ｆｓ）の位置を突き止める。システムによっては、モータ駆動周波数はマスター発振器から得ることができ、従ってＦｓを決定するための軸方向磁束センサは必要でない。モータ駆動周波数がマスター発振器から容易に得ることができないシステムでは、Ｆｓを推定するために幾つかの技術を使用することが出来る。１つの方法は、周波数スペクトルの中の最大の信号を識別して、それを駆動周波数として使用するものである。より洗練された方法では、電力線路周波数（例えば、オンラインの状態では６０ヘルツ、或いはインバータの場合は１８０ヘルツ）の近似値が知られている場合、近似値の周波数を中心とする窓を探して、Ｆｓの位置を突き止めるために最大の信号を使用する。
【００２３】
ステップ５８で、周波数スペクトルを使用して、滑り周波数（Ｆｒ）位置を突き止める。殆どのモータでは、滑りが生じる周波数スペクトル内の領域を、モータ設計パラメータから予測することが出来る。一実施態様では、この様な領域は例えば０乃至４ヘルツを含み、滑り周波数は４ヘルツから０ヘルツへ向かって最大のピークを探すことによって決定される。
【００２４】
別の実施態様では、滑り周波数は広い周波数範囲にわたって周波数ピークを評価することによって決定される。先ず、最低周波数のピーク（他のどのピークよりも最も低い周波数を持つピーク）を見付ける。次いで、次の最低周波数（最低周波数の次に高い周波数）のピークを見付け、その周波数が最低周波数の整数倍であるかどうか判定する。イエスすなわち整数倍である場合は、該次の最低周波数のピークは最低周波数のピークの高調波であり、最低周波数のピークは滑り周波数を表している。
【００２５】
ステップ６０で、前述の式（Ｆｓ−Ｆｒ）＊６０／Ｐを使用して、ロータ速度を計算する。どんな速度が軸受の不良状態を表しているかを決定するために実験を使用することが出来る。Ｘ線管を監視する使用者は所定の速度に達した時にそのユニットを運転停止し、或いは、例えば信号処理装置３６からの制御信号を介してそのユニットをターンオフするようにそのユニットをプログラムすることが出来る。
【００２６】
図８は、８個の装着体について滑りおよび速度を同時に監視するためのスクリーン表示の一例を示す。本発明が装着体シーズニング・タンクを監視するための工場の道具として使用される場合、多数の装着体に対処するために多重表示報知システムを設けるのが望ましい。これにより、各々の装着体の現状を表示することが出来、また各々の装着体の動向を指令時に記憶し表示することが出来る。
【００２７】
主要な結果をプロセス制御及び全監視システムに通知することは有用なことである。この様なシステムは標準の構成部品を持つＰＣコンパチブル・コンピュータをベースとして実現するすることが出来る。各々のバーグラフに対してオペレータ視覚アラーム・レベルをプログラム可能にすることが出来る。
１つの完全な配置サイクルをほぼ６秒で実施することが出来、（１００９．６９ヘルツのサンプリング速度、４０９６点の高速フーリエ変換、８個のＸ線ユニットのデータ収集、ＲＡＭをベースとしたファイルを使用するＩＢＭＰＣコンパチブル４８６６６メガヘルツ実施アーキテクチャに基づいて）毎分１０回の測定を行うことが出来る。各々のユニットの時系列データは抽出することが出来、また電力スペクトルは０．２５ヘルツの分解能で形成することが出来る。
【００２８】
本発明を特定の実施態様について詳述したが、当業者には種々の変更および変形をなし得よう。従って、特許請求の範囲が本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての変更および変形を包含するものとして記載してあることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による速度監視装置を含む陽極駆動モータ・アセンブリを備えた装着体を持つＸ線管１０の一部分の断面図である。
【図２】図１のステータ支持バスケットを詳しく示す部分断面図である。
【図３】滑り周波数範囲内に存在する信号に対する速度センサの電力スペクトルを例示するグラフである。
【図４】駆動周波数付近の周波数スペクトルに対する速度センサの電力スペクトルを例示するグラフである。
【図５】本発明のデータ取得システムのブロック図である。
【図６】図５に示されたデータ取得システム内の信号調整器として有用な回路を示す回路図である。
【図７】本発明のデータ処理段階の流れ図である。
【図８】８個の装着体について滑りおよび速度を同時に監視するようにしたスクリーン表示の一例を示す表示図である。
【符号の説明】
１０Ｘ線管
１１ハウジング
１２ステータ支持バスケット
１４ステータ
１６高電圧遮蔽体
１８装着体
２０ロータ
２２絶縁オイル
２４アクセス孔
２６コイル
２７保護リング
２９高圧接続部

Claims

ロータ、ステータおよびステータ支持バスケットを含むＸ線管陽極駆動装置の速度監視装置において、
ロータが回転しているときにロータから磁束信号をピックアップするように前記ステータ支持バスケットに配置された軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイル、
高電圧接続部と前記コイルとの間で前記ステータ支持バスケットに取り付けられた導電性保護リングと、および
前記磁束信号を使用して、ロータ速度を推定する信号処理装置
を有していることを特徴とする速度監視装置。
前記コイルがロータに同軸に配置されている請求項１記載の速度監視装置。
Ｘ線管陽極駆動装置のロータ速度を監視する方法において、
ステータ支持バスケットに配置された軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイルによりロータから軸方向磁束ピックアップ・データを取得するステップであって、該軸方向磁束ピックアップ・データの取得は、前記ロータが回転中に行われ、前記ステータ支持バスケットは、高電圧接続部と前記コイルとの間に導電性保護リングを有している、前記軸方向磁束ピックアップ・データを取得するステップと、
前記軸方向磁束ピックアップ・データを使用して、磁束スペクトルを形成するステップ、および
前記磁束スペクトルを分析することによってロータ速度を推定するステップ
を有していることを特徴とするロータ速度監視方法。
前記の軸方向磁束ピックアップ・データを取得するステップおよび前記の軸方向磁束ピックアップ・データを使用して磁束スペクトルを形成するステップが、軸方向漏洩磁束ピックアップ・コイルを使用して、ロータが回転しているときにロータからアナログ磁束信号をピックアップし、該アナログ磁束信号をディジタル磁束信号に変換し、高速フーリエ変換を使用して該ディジタル磁束信号から磁束スペクトルを形成することを含む請求項３記載のロータ速度監視方法。