JP4869249B2

JP4869249B2 - 固定子鉄心緩み診断装置および固定子鉄心緩み診断方法

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Publication number: JP4869249B2
Application number: JP2007545258A
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Inventors: 豊橋場; 正幸一文字; 則雄高橋; 仁片山; 尚治谷; 仁之高橋; 達夫谷口
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Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2012-02-08
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Description

本発明は、回転電機の固定子鉄心緩みを診断する診断装置およびその診断方法に関する。

一般に、発電機や電動機などの回転電機の固定子では、その内径側にコイルが挿入される空間を有する薄い電磁鋼板を積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付けて、固定子鉄心を構成している。そして、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを鉄心の外部で接続する。

このように構成された固定子鉄心では、鉄心の締め付けが弱いと、積層した電磁鋼板の締め付け面圧が低下し、電磁鋼板が振動して電磁鋼板同士のこすれやたたき合いによって電磁鋼板の表面に塗布した絶縁層が剥離し、電磁鋼板間が電気的に接続し、渦電流が流れて最悪の場合は鉄心が溶損する事故が発生する。そこで、製造工程において鉄心面圧を管理して組み立てることはもちろんのこと、運転中のプラントにおいても定期的に点検・検査する必要があった。この検査方法については、電磁鋼板間の隙間に薄いナイフ状の治具を差し込んでその入り具合によって感覚的に鉄心の締り具合を判断してきたが、判断基準が検査員個人の感覚に依存し、判定に熟練を要したり、判定員個々人によって判定に相違があったりして、品質が一定とならないなどの問題があった。

これに対し特許文献１には、鉄心締り具合を定量的に評価する方法が開示されている。この方法では、回転電機の固定子鉄心の冷却のために、通常設けられるエアダクト部分にトルクレンチを挿入し、トルクレンチで鉄心をこじるときのトルクレンチが示すトルク値と鉄心あるいはトルクレンチの変位量を測定して鉄心面圧を数値的に評価するものである。
特開２０００−３５４３５３号公報

特許文献１の方法においては、エアダクト部分にトルクレンチを挿入しなければならないが、通常この種のエアダクトは幅が小さく、極めて薄い構造のトルクレンチでなければ挿入することができない。一方、鉄心の締め付け面圧は極めて高く、このような薄いトルクレンチではトルクレンチ自体が変形してしまい、鉄心に対して十分な外力を加えることができず、実用的な鉄心締め付け力を評価することはできない。

また、トルクレンチが鉄心に対して外力を加えられる部分は鉄心のごく一部分であるので、評価できる鉄心の締め付け力も鉄心のごく一部分で、比較的に面圧が低くなる鉄心の外表面付近に限定されてしまう。このため、数多くの箇所を測定しなければならず、また、鉄心の平均面圧よりも低い面圧と評価され、必要以上に鉄心を締め付けてしまう問題がある。さらに、既存のプラントの診断では、問題ない機械まで異常と判断してしまう問題があった。

そこで本発明は、上述した問題を解決するためになされたもので、回転機械の固定子鉄心全体の鉄心締め付け具合を簡単にしかも定量的に判定できる固定子鉄心緩み診断装置およびその診断方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためのものであって、本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置は、両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断装置において、前記固定子鉄心を半径方向に加振する加振手段と、前記固定子鉄心の半径方向の振動を検出する振動検出手段と、前記加振手段により前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記振動検出手段により検出した振動検出手段の出力信号を周波数分析して固定子鉄心の円環固有振動モードの測定固有振動モードを抽出する手段と、固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の円環固有振動モードを推定する手段と、前記測定固有振動モードと、前記推定固有振動モードに基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定手段と、前記加振手段によって加振された加振力を検出する手段と、を有し、前記判定手段は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、を特徴とする。

本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置の他の態様は、両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断装置において、前記固定子鉄心を横方向に加振する加振手段と、前記固定子鉄心の軸方向に異なる複数の位置におけるそれぞれの加振方向の振動を検出する振動検出手段と、前記加振手段により前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記振動検出手段により検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の横振動モードの測定固有振動数を抽出する手段と、固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の横振動モードの推定固有振動数を推定する手段と、前記推定固有振動数に基づいて判定値を作成する手段と、前記測定固有振動数と、前記判定値との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定手段と、前記加振手段によって加振された加振力を検出する手段と、を有し、前記判定手段は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、を特徴とする。

また、本発明に係る固定子鉄心緩み診断方法は、両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断方法において、前記固定子鉄心を半径方向に加振する加振工程と、前記加振工程で前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を検出する振動検出工程と、前記加振工程で加振された加振力を検出する加振力検出工程と、前記振動検出手段により検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の円環モードの測定固有振動モードを抽出する測定固有振動モード抽出工程と、固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の円環モードの推定固有振動モードを推定する固有振動モード推定工程と、前記測定固有振動モードと、前記推定固有振動モードに基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定工程と、を有し、前記判定工程は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、を特徴とする。

本発明に係る固定子鉄心緩み診断方法の他の態様は、両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断方法において、前記固定子鉄心を横方向に加振する加振工程と、前記加振工程で前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記固定子鉄心の軸方向に異なる複数の位置で検出する振動検出工程と、前記加振工程で加振された加振力を検出する加振力検出工程と、前記振動検出工程で検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の横振動モードの測定固有振動数を抽出する測定固有振動数抽出工程と、固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の横振動モードの推定固有振動数を推定する固有振動数推定工程と、前記測定固有振動数と、前記推定固有振動数に基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定工程と、を有し、前記判定工程は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、を特徴とする。

本発明によれば、回転機械の固定子鉄心の締め付け具合を簡単にしかも定量的に判定することができる。

本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第１の実施形態を示す模式的縦断面図である。図１の信号処理手段の具体的構成を示すブロック図である。一般的な回転電機の固定子鉄心円環２次−軸方向同相の固有振動モードの概念図である。一般的な回転電機の固定子鉄心円環２次−軸方向逆相の固有振動モードの概念図である。一般的な回転電機の固定子鉄心円環３次−軸方向同相の固有振動モードの概念図である。一般的な回転電機の固定子鉄心円環３次−軸方向逆相の固有振動モードの概念図である。一般的な回転電機の固定子鉄心円環２次−軸方向Ｕ字曲げの固有振動モードの概念図である。本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置の第１の実施形態における信号処理を説明するための、鉄心面圧と円環モードの固有振動数の関係の概念を示すグラフである。本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置の第１の実施形態における信号処理を説明するための、鉄心面圧と、軸方向同相モードと逆相モードの固有振動数の比との関係の概念を示すグラフである。振動データの周波数分析した結果から減衰係数比を求める一般的な方法を説明する図であって、周波数を横軸とし、振動のレベルを縦軸とするグラフである。本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置の第１の実施形態における信号処理を説明するための、鉄心面圧と円環固有振動モードの減衰係数比の関係の概念を示すグラフである。本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第２の実施形態を示す模式的縦断面図である。図１２の信号処理手段および加振・加振力検出手段などの具体的構成を示すブロック図である。本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第３の実施形態を示す模式的縦断面図である。本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第４の実施形態を示す模式的縦断面図である。図１５の信号処理手段の具体的構成を示すブロック図である。本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第４の実施形態において判定基準となる梁の横振動の振動モードを模式的に示す図である。本発明に係る固定子鉄心緩み診断装置の第４の実施形態における信号処理を説明するための、鉄心面圧と、固有振動の周波数との関係の概念を示すグラフであって、各設計値に対する相対値で示す。本発明に係る回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心緩み診断装置の第５の実施形態を示す模式的縦断面図である。図１９の信号処理手段の具体的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…固定子鉄心、２…固定子コイル、３…押え板、４…リブ棒、５…リブナット、６…振動センサー、７…加振手段、８…信号処理手段、９…加振・加振力検出手段、１０…信号処理手段、１１…音響または変位センサー、２１…変換手段、２２…円環の固有振動モード抽出手段、２３…パラメータ抽出手段、２５…形状データ入力手段、２６…固有振動モード推定手段、２７…判定値作成手段、２８…判定評価手段、２９…判定結果出力手段、３０…加振手段、３１…加振力検出手段、３８，４０…信号処理手段、４１…周波数領域データへの変換手段、４２…横振動モードの固有振動数抽出手段、４４…形状データ入力手段、４５…計算係数算出手段、４６…横振動モードの固有振動数推定手段、４７…判定値作成手段、４８…判定評価手段、５１…周波数・モード設定手段、５２…加振信号生成手段、６９…多点加振手段、７０…スロット、８０，８１，８２…振動モード

以下、本発明に係る回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置および緩み診断方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１および図２において第１の実施形態を説明する。図１において、１は固定子鉄心であり、その内径側にコイル２が挿入される空間を有する薄い電磁鋼板を積層し、積層された電磁鋼板を軸方向両端部に設けられた押え板３を介して、電磁鋼板の外径側に複数本配置したリブ棒４の両端の雄ねじ部にリブナット５を螺合して締め付ける。固定子鉄心１の軸方向外部でコイル２を接続する。

固定子鉄心１の外径側に固定子鉄心１の半径方向の振動を検出するように、円周方向、かつ軸方向両端部を含む軸方向に、振動センサー（振動検出手段）６がそれぞれ複数個取り付けられている。加振手段７は、たとえばハンマーであって、固定子鉄心１をその半径方向に打振することによって加振することができる。振動センサー６からの出力信号は信号処理手段８で処理される。

図２は信号処理手段８の構成例を示すもので、振動センサー６からの出力信号は、周波数領域のデータへの変換手段２１によって周波数領域のデータへ変換され、さらに、円環の固有振動モード抽出手段２２によって円環モードの振動が抽出される。そしてさらに、パラメータ抽出手段２３によってパラメータが抽出される。

一方、形状データ入力手段２５によって、形状データが入力され、この形状データに基いて、固有振動モード推定手段２６によって、固有振動モードが推定される。この推定固有振動モードに基いて、判定値作成手段２７により、判定値が作成される。そして、パラメータ抽出手段２３によって抽出されたパラメータと、判定値作成手段２７によって作成された判定値とに基いて、判定評価手段２８により判定評価がなされる。この判定評価の結果は判定結果出力手段２９によって出力される。

このように構成された第１の実施形態において、固定子鉄心１を加振手段７によって打振加振すると、固定子鉄心１は円環モードの固有振動モードで振動することになる。図３〜図７は固定子鉄心１が円環モードの固有振動モードで振動したときの固定子鉄心１の変形を概念的に示した図で、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた数値解析によって求めた例である。ただし、図３〜図７では、半径方向の変形を誇張して示している。また、図中の符号７０はコイル２が挿入されるスロット（挿入空間）であって、固定子鉄心１の内径側に形成され、軸方向に延びている。

図３は円環２次（楕円）、軸方向同相モードの固定子鉄心１の変形状況を示し、図４は円環２次（楕円）、軸方向逆相モードの固定子鉄心１の変形状況を示し、図５は円環３次（三つ葉型）、軸方向同相モードの固定子鉄心１の変形状況を示し、図６は、円環３次（三つ葉型）、軸方向逆相モードの固定子鉄心１の変形状況を示し、図７は、円環２次（楕円）、軸方向曲げ（Ｕ字）モードの固定子鉄心１の変形状態を示している。

なお、図示は省略するが、その他の円環振動モードとして、軸方向Ｓ字状モードやＭ字状（Ｗ字状）モードもある。

この実施形態で、振動センサー６は対象とする振動モードの振動が測定できる位置に取り付けられるので、対象とする振動モードの振動波形を検出する。振動センサー６によって検出された振動信号は信号処理手段８に送られ、信号処理手段８内の周波数領域のデータへの変換手段２１よって、フーリエ変換され、周波数領域のデータに変換される。そして、固定子鉄心１に複数個取り付けられた振動センサー６の振幅と位相関係と、図３〜図７に示す固定子鉄心１の変形の特徴から円環の個々のモードを抽出するように円環の固有振動モード抽出手段２２に入力する。

円環の固有振動モード抽出手段２２によって抽出された円環モードの振動から、パラメータ抽出手段２３によって、固定子鉄心１の残存面圧と相関のある振動のパラメータ、たとえば、固有振動数あるいは複数の固有振動数の比あるいは固有振動の減衰係数比あるいは振幅比あるいは伝達関数に変換する。

また、信号処理手段８の固有振動モード推定手段２６において、対象とする回転電機の固定子鉄心１の寸法データより、有限要素法などを用いた数値計算により、固定子鉄心１の円環モードの固有振動モードを推定する。そして、その結果を判定値作成手段２７に入力し、前記信号処理手段の出力である振動のパラメータに相当する判定値を作成する。各パラメータの鉄心面圧との関係は、概ね図８、図９と図１１に示す通りであり、実測から得られたパラメータの値と寸法データから求めた判定値と比較判定評価して判定結果を出力する。

減衰係数比は、振動の周波数領域のデータから図１０の手法によって求められる。この図で、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸は、振動のレベルである。また、ω０は固有振動の角速度であり、固有振動数をＦ０とするとω０＝２πＦ０である。また、Δωはω０のときの振幅の１／√２の振幅のときの角速度の幅であり、ζは減衰係数比である。

ζ＝Δω／２ω０
と表される。

このようにして、固定子鉄心の残存面圧は、固定子鉄心１の円環モードの振動を測定することにより、定量的に把握することが可能となる。

本実施形態によれば、診断の対象機械の寸法データからの判定値と振動の実測データからのパラメータとを比較することにより、固定子鉄心の円環モードの固有振動モードの各パラメータから、現状の鉄心の残存面圧を定量的に判定できる。これにより、検査員の熟練度が必要なく、検査員の個々人の差もなく精度よく鉄心の緩み緩み具合を判定・診断できる。

［第２の実施形態］
次に、本発明に係る回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置およびこれを内蔵する回転電機の第２の実施形態を、図１２および図１３を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

加振・加振力検出手段９は加振手段３０と加振力検出手段３１とで構成され、固定子鉄心１の外径面に強固に固定され、固定子鉄心１を半径方向に加振する。また加振・加振力検出手段９の加振力は、単一の正弦波、または複数の正弦波を重畳した波形、あるいはある一定の周波数帯域をＳＷＥＥＰする正弦波または三角波または矩形波、またあるいはランダム波で加振される。

加振手段３０による加振力は、加振力検出手段３１により検出され、固定子鉄心１に複数個設置され、固定子鉄心１の半径方向の振動を検出する振動センサー６の出力信号と共に信号処理手段１０に送られる。

このように構成された第２の実施形態の回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置では、回転電機内部に常時取り付けられた振動センサー６によって検出された円環モードの振動波形データと振動センサー６同様に回転電機の内部に常時取り付けられた加振力検出手段３１により検出された加振力波形データは、共に信号処理手段１０内の周波数領域のデータへの変換手段２１によって周波数領域のデータに変換され、さらに、振動データは加振力を基準とした伝達関数に変換され、円環の固有振動モード抽出手段２２により円環モードの振動を抽出する。

これにより、加振力の強弱の影響を受けることなく精度良く固定子鉄心の面圧を把握することができる。また、加振・振動検出手段９や振動センサー６を回転電機内に常時取り付けてあるので、回転電機を分解することなく、固定子鉄心１の残存面圧の常時監視や定期的な診断が可能となる。また、加振手段３０を予め求めた円環モードの固有振動数で加振することにより、振幅あるいは振幅比をパラメータとする場合に感度良く判定できる。また、複数の固有振動数を重畳して加振することにより、複数の固有振動数が感度良く加振できる。また、ランダム波やスウィープ加振を行なうことにより、多少固有振動数がずれても目的とする円環モードの固有振動数を加振することができ、モードを明確に把握することが可能である。

加振・加振力検出手段９および振動検出センサー６は、回転電機内の固定子鉄心１に常設で回転電機本来の機能に支障をきたさないように取り付けられているので、当該回転電機を分解することなく運転中の常時監視あるいは定期的に診断できる。このため、固定子鉄心１の故障を未然に防ぐことが可能となるほか、固定子鉄心１の緩み診断が容易に行なえるようになる。また、加振力を検出して加振力による伝達関数を算出することにより、加振力の大きさによる影響を除去することができ、診断結果の信頼性が向上し、固定子鉄心１を加振する加振信号を前記の通り種々に設定することにより、判定感度の向上や広範囲のモードでの判定が可能となる。

［第３の実施形態］
次に、本発明に係る回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置およびこれを内蔵する回転電機の第３の実施形態を、図１４を参照して説明する。なお、第１の実施形態あるいは第２の実施形態と同一または類似の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１４において、１１は音響または変位センサーであり、回転電機の固定子鉄心１に対し空隙を有して、外部より固定されて取り付けられており、固定子鉄心１が振動することによって発する音または変位量を検出し、信号処理手段１０へその検出した信号を送付する。

このように構成された、本発明の第３の実施形態の回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置では、固定子鉄心１の円環モードの固有振動モードの振動を、音響または変位センサー１１で検出し、信号処理装置１０に送り、第１の実施形態または第２の実施形態と同様の信号処理を行ない、固定子鉄心の残存面圧を判定し、固定子鉄心１の緩み診断を行なう。このとき、音響または変位センサー１１を用いることにより前記振動センサー６を用いる場合と同様に、固定子鉄心１の円環モードの固有振動モードの振動を検出できる。

以上説明したように、本発明の第３の実施形態では、振動センサー６に代えて、音響または変位センサー１１を用いることにより、固定子鉄心１の円環モードの固有振動モードの振動を検出する。これにより、固定子鉄心１に対し非接触で絶縁の必要がなく音響または振動センサー１１を設置でき、固定子鉄心１に直接固定しないので、音響または変位センサー１１の取り付け位置の移動が容易である。

［第４の実施形態］
本発明に係る回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置およびこれを内蔵する回転電機の第４の実施形態を、図１５および図１６を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。第１〜第３の実施形態では回転電機の固定子鉄心円環モードの振動に注目するものであるが、第４の実施形態は固定子鉄心の横振動モードに注目するものである。

図１５に示すように、この実施形態では、振動センサー６が、固定子鉄心１の外径側に固定子鉄心１の加振方向の振動を検出するように軸方向に複数個取り付けられている。振動センサー６からの信号は、信号処理手段３８に取り込まれて処理される。

図１６に示すように、信号処理手段３８は、周波数領域データへの変換手段４１、横振動モードの固有振動数抽出手段４２、計算係数算出手段４５、横振動モードの固有振動数推定手段４６、判定値作成手段４７および判定評価手段４８を有する。振動センサー６からの出力信号は、周波数領域データへの変換手段４１によって周波数領域のデータに変換され、さらに、横振動モードの固有振動数抽出手段４２によって横振動モードの固有振動数が抽出される。

一方、形状データ入力手段４４によって、形状データが入力され、この形状データに基づいて、計算係数算出手段４５によって計算係数が算出される。さらに、この計算係数に基づいて、横振動モードの固有振動数推定手段４６により、横振動の推定固有振動数が推定される。この横振動の推定固有振動数に基づいて、判定値作成手段４７により判定値が作成される。そして、この判定値と、横振動モードの固有振動数抽出手段４２によって抽出された固有振動数とに基づいて、判定評価手段４８により判定評価がなされる。判定評価の結果は判定結果出力手段２９によって出力される。

上記構成の第４の実施形態において、固定子鉄心１を加振手段７によって、打振加振することによって、固定子鉄心１は横振動の固有振動数、たとえば図１５に示すような軸方向にＵ字状に振動するような横振動モード８０で振動することになる。図１７は固定子鉄心１が横振動の固有振動数で振動したときの固定子鉄心１の変形を概念的に説明した図で、数値解析によって求めた例である。この図に示すように、横振動のおもなモードには、１次、２次、３次の固有振動数の振動モードがある。１次の固有振動数の振動モード８０はＵ字状に変形し、２次の固有振動数の振動モード８１はＳ字状に変形し、３次の固有振動数の振動モード８２はＷ字状（Ｍ字状）に変形する振動である。

一般的な梁の横振動の振動モードにおける固有振動数Ｆは式（１）で求めることができる。

Ｆ＝｛λ２／（２πＬ２）｝√｛Ｅ・Ｉｇ／（γ・Ａ）｝（１）
ただし、
Ｆ：棒の横振動の固有振動数
λ：モードの次数による振動係数
１次：４．７３０、２次：７．８５３、３次：１０．９９６
Ｌ：棒の長さ
Ｅ：棒の材料の縦弾性係数（Ｅ＝ｋ×Ｐ）
Ｐ：鉄心面圧
ｋ：縦弾性係数と鉄心面圧の係数
Ｉ：棒の断面二次モーメント
γ：質量密度
Ａ：断面積
ｇ：重力加速度
このとき、振動センサー６は対象とする振動モードの振動が測定できるように、軸方向に複数個取り付けられるので、対象とする振動モードの振動波形を検出する。振動センサー６によって検出された振動信号は信号処理手段３８に送られ、信号処理手段３８内の周波数領域データへの変換手段４１よって、フーリエ変換され周波数領域のデータに変換される。次に、固定子鉄心１に複数個取り付けられた振動センサー６の振幅と位相関係と図１８に示す固定子鉄心１の変形の特徴から、横振動の個々の振動モードを抽出する横振動モードの固有振動数抽出手段４２に入力し、横振動の固有振動数の周波数の内の一つまたは複数の周波数を抽出する。

また、信号処理手段３８の一方では、対象とする回転電機の固定子鉄心１の形状データ入力手段４４より寸法形状データを入力し、計算係数算出手段４５で形状補正係数ｋ１と支持条件補正係数ｋ２を算出し、横振動モードの固有振動数推定手段４６によって、予め求めた鉄心面圧と等価縦弾性係数Ｅの関係から各横振動モードの固有振動数を求める。そして、判定値作成手段４７によって過去の実績から面圧に対する判定値を定める。

ここで、形状補正係数ｋ１は、支持点の数、位置、バネ定数等の支持条件に依存する。

また、支持条件補正係数ｋ２は、固定子鉄心１の内外径比および、軸方向長さと外径（または内径）との比に依存する。

式（１）における縦弾性係数Ｅは、Ｅ＝ｋ×Ｐと表わすことができるが、実際には前記形状補正係数ｋ１および支持条件補正係数ｋ２を加味し、（２）式によって固有振動数Ｆが計算される。

Ｆ＝｛ｋ１・ｋ２・λ２／（２πＬ２）｝√｛Ｅ・Ｉｇ／（γ・Ａ）｝（２）
ただし、ｋ１は形状補正係数であり、ｋ２は支持条件補正係数である。

判定値作成手段４７によって求められた判定値は概ね図１８のような判定値となる。判定評価手段４８によって、前記横振動モードの固有振動数抽出手段４２で得られた固有振動数の周波数の実測値と判定値生成手段４７の出力である図１８の判定値と比較して固定子鉄心１の締め付け具合の良否を判定し、判定結果出力手段２９により、判定結果が出力される。

したがって、固定子鉄心１の締め付け面圧は、固定子鉄心１の横振動モードの固有振動数を測定することにより、定量的に把握することが可能となる。

本実施形態によれば、診断の対象機械の寸法データからの判定値と振動の実測データを比較することにより、固定子鉄心の横振動モードの固有振動数から、現状の鉄心の締め付け面圧を定量的に判定できるので、検査員の熟練度が必要なく、検査員の個々人の差もなく精度よく鉄心の締め付け具合、言い換えれば緩み具合を判定・診断できる。また、基準となる判定値は手計算や表計算レベルの簡易計算によって行なうことができるので、有限要素法等の数値解析をする必要がない。したがって、高機能計算機（コンピュータ）を必要とせず、解析に要する時間もまた解析を実施する高度な技術も必要としない。ゆえに誰でも簡単に短時間に鉄心面圧の判定、強いては鉄心の緩み診断が可能となる。特に、既設の機械の診断においては、その場での判定が可能となる。

［第５の実施形態］
本発明に係る回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置およびこれを内蔵する回転電機の第５の実施形態を、図１９および図２０を参照して説明する。なお、第４の実施形態と同一または類似の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。第５の実施形態は、第４の実施形態と同様に、固定子鉄心の横振動モードに注目するものである。

図１９において、６９は多点加振手段であり、電磁加振器や油圧加振器等のアクチュエータに信号を入力することによって任意の加振力が得られ、固定子鉄心１の外径面に軸方向に対して複数個、強固に固定され、固定子鉄心１を半径方向に加振する。また多点加振手段６９は、単一の正弦波、または複数の正弦波を重畳した波形、あるいはある一定の周波数帯域をＳＷＥＥＰする正弦波または三角波または矩形波、またあるいはランダム波で加振され、かつ各振動モードが励振されやすいように、周波数・モード設定手段５１および加振信号生成手段５２によって、各加振手段の加振力の位相を逆相または同相にまたは加振力の振幅を調整して加振する。

図２０に示すように、この実施形態の信号処理手段４０は、第４の実施形態における信号処理手段３８（図１６）の構成要素に加えて、周波数・モード設定手段５１と加振信号生成手段５２を有する。

この実施形態では、必要とする横振動モードの固有振動数は、周波数・モード設定手段５１より、加振信号生成手段５２へ送られるほか、判定値作成手段４７と横振動モードの固有振動数抽出手段４２にも送られ、それぞれ判定値の生成と実測固有振動数の抽出を容易にする。加振信号生成手段５２で生成された加振信号は、多点加振手段６９に送られる。また、多点加振手段６９で特定の振動モードを励振しているときに振動センサー６で固定子鉄心１の加振方向の振動を検出する。このとき、振動センサー６は多点加振手段６９によって励振される振動モードが特定されているので、振動センサー６は軸方向に複数個設ける必要がなく最低限１個の振動センサー６を設けるだけでよい。振動センサー６で検出した後の信号処理手段４０内の判定処理は、周波数・モード設定手段５１によって抽出される固有振動数が決まっているほかは第４の実施形態と同様である。

このように構成された第５の実施形態の回転電機の固定子鉄心の緩み診断装置では、固定子鉄心１の外径側に半径方向に加振する多点加振手段６９が軸方向に複数個設置され、横振動のモードが励振されるように多点加振手段６９個々の加振信号の位相あるいは振幅を調整して、単一あるいはランダムあるいはＳＷＥＥＰ加振するので、必要とする特定の横振動モードの振動が励振され、固定子鉄心１がそのモード（たとえば図１９のＵ字状横振動モード８０）で振動する。

したがって、振動センサー６によって検出された振動信号は、必要とする横振動モードの振動信号だけとなり、横振動モードの固有振動数抽出手段４２での横振動モードの固有振動数抽出が容易となり、場合によっては横振動モードの固有振動数抽出手段４２を省略することも可能である。さらに、多点加振手段６９や振動センサー６を回転電機内に常時取り付けることも可能であり、回転電機を分解することなく、固定子鉄心１の残存面圧の常時監視や定期的な診断が可能となる。

また、加振手段を予め求めた横振動モードの固有振動数の周波数で加振することにより、必要な振動モードの振動信号を感度良く検出しかつ判定できる。さらに、ランダム波やＳＷＥＥＰ加振を行うことにより、多少固有振動数がずれても目的とする横振動モードの固有振動数で加振することができ、モードを明確に把握することが可能である。

この実施形態によれば、固定子鉄心１の軸方向に複数個設けられた多点加振手段６９によって、特定の振動モード固有振動数で任意に励振できるので、振動センサー６を固定子鉄心１の外周面の軸方向に複数個設け、かつ、得られた振動センサー６の信号から振動モードを判定して、特定の振動モードを抽出する必要がない。一般的に限られた測定箇所のデータから振動モードを判定し抽出するのは、多くのデータベースが必要であり、本実施形態のように振動モードの判定と抽出が必要なくなれば、信号処理手段の簡素化が図れ、かつ測定点を少なくできるので、測定に必要な時間が短くなり、判定に要する時間が短縮できる。

［他の実施形態］
以上、種々の実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、第１〜第３の実施形態の円環振動モードを用いた緩み判定と第４および第５の実施形態の横振動モードを用いた緩み判定とを組み合わせて、より信頼性の高い緩み判定を行なうこともできる。

また、第３の実施形態の音響または変位センサー１１を第４または第５の実施形態における振動センサー６に置換することもできる。

Claims

両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断装置において、
前記固定子鉄心を半径方向に加振する加振手段と、
前記固定子鉄心の半径方向の振動を検出する振動検出手段と、
前記加振手段により前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記振動検出手段により検出した振動検出手段の出力信号を周波数分析して固定子鉄心の円環固有振動モードの測定固有振動モードを抽出する手段と、
固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の円環固有振動モードを推定する手段と、
前記測定固有振動モードと、前記推定固有振動モードに基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定手段と、
前記加振手段によって加振された加振力を検出する手段と、
を有し、
前記判定手段は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、
を特徴とする固定子鉄心緩み診断装置。
前記判定手段は、前記測定固有振動モードのうち、半径断面のモード形状が同じで軸方向モードが同相の固有振動数と逆相の各固有振動数もしくは、軸方向Ｕ字状、Ｓ字状もしくはＷ字状の振動モードの固有振動数、あるいはこれらの固有振動数の比、伝達関数あるいは固有振動数の変化を求め、前記推定固有振動数より同様にして求めた固有振動数、あるいはこれらの固有振動数の比、伝達関数あるいは固有振動数の変化と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記判定手段は、前記測定固有振動モードから減衰係数比を算出し、予め形状データから推定した減衰係数比と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記振動検出手段は、前記固定子鉄心の軸方向両端に取り付けた振動センサーを含み、
前記判定手段は、前記測定固有振動モードの振幅比あるいは伝達関数を求め、予め形状データから推定された軸方向両端の振動の振幅比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準と比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、
を特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記判定手段は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または固有振動数比または振幅または減衰係数比または軸方向両端の振幅比あるいは伝達関数等の振動パラメータの内、複数のパラメータを組み合わせて判定基準と比較判定して、固定子鉄心の締付具合を判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断装置において、
前記固定子鉄心を横方向に加振する加振手段と、
前記固定子鉄心の軸方向に異なる複数の位置におけるそれぞれの加振方向の振動を検出する振動検出手段と、
前記加振手段により前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記振動検出手段により検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の横振動モードの測定固有振動数を抽出する手段と、
固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の横振動モードの推定固有振動数を推定する手段と、
前記推定固有振動数に基づいて判定値を作成する手段と、
前記測定固有振動数と、前記判定値との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定手段と、
前記加振手段によって加振された加振力を検出する手段と、
を有し、
前記判定手段は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、
を特徴とする固定子鉄心緩み診断装置。
前記固定子鉄心の締め付け具合を判定する横振動モードの固有振動数は、両端自由の１次モード、２次モードおよび３次モードから選択された一つの振動モードの固有振動数とすること、を特徴とする請求項６に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記固定子鉄心の締め付け具合を判定する横振動モードの固有振動数は、両端自由の１次モード、２次モードおよび３次モードから選択された複数の振動モードの固有振動数とすること、を特徴とする請求項６に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の横振動モードの推定固有振動数を推定する手段は、当該固定子鉄心を両端自由の梁とみなし、その梁の横振動の計算式によって推定固有振動数を求めること、を特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記梁の横振動の計算式において、梁の横振動の計算式における等価な縦弾性係数を変化させることによって鉄心の面圧を代表させること、を特徴とする請求項９に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記梁の横振動の計算式において、前記固定子鉄心の外径と内径との比と、外径あるいは内径と軸方向長さとの比と、を求め、これらの比に基づいてあらかじめ作成しておいた形状補正係数により前記梁の横振動の計算式を補正することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記梁の横振動の計算式において、前記固定子鉄心の支持条件に基づいてあらかじめ作成しておいた支持条件補正係数により前記梁の横振動の計算式を補正すること、を特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段は、前記固定子鉄心の軸方向の複数箇所で加振するものであり、各加振位置での加振力の振動数、振幅および位相を制御可能であること、を特徴とする請求項９ないし請求項１２のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段および振動検出手段は前記回転電機の内部に組み込まれており、
前記固定子鉄心の緩み状況を常時監視あるいは定期的に診断できるように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段は、前記固定子鉄心に特定単一周波数の正弦波または複数の周波数を重畳させた波形の加振力を加えるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段は前記固定子鉄心に正弦波のＳＷＥＥＰ加振力を加えるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段は前記固定子鉄心にランダム加振力を加えるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記加振手段は、前記固定子鉄心に衝撃力を加えるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記振動検出手段は変位センサーであることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
前記振動検出手段は音響センサーであることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の固定子鉄心緩み診断装置。
両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断方法において、
前記固定子鉄心を半径方向に加振する加振工程と、
前記加振工程で前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を検出する振動検出工程と、
前記加振工程で加振された加振力を検出する加振力検出工程と、
前記振動検出手段により検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の円環モードの測定固有振動モードを抽出する測定固有振動モード抽出工程と、
固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の円環モードの推定固有振動モードを推定する固有振動モード推定工程と、
前記測定固有振動モードと、前記推定固有振動モードに基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定工程と、
を有し、
前記判定工程は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、
を特徴とする固定子鉄心緩み診断方法。
両面又は片面に絶縁皮膜がコーティングされ、内径側にコイルを挿入する空間を有する電磁鋼板を軸方向に積層し、積層された電磁鋼板を軸方向に締め付け、内径側のコイル挿入空間にコイルを挿入し、当該コイルを外部で接続して構成する回転電機の固定子鉄心の緩みを診断する診断方法において、
前記固定子鉄心を横方向に加振する加振工程と、
前記加振工程で前記固定子鉄心を加振したときに前記固定子鉄心に発生する振動を前記固定子鉄心の軸方向に異なる複数の位置で検出する振動検出工程と、
前記加振工程で加振された加振力を検出する加振力検出工程と、
前記振動検出工程で検出した出力信号を周波数分析して固定子鉄心の横振動モードの測定固有振動数を抽出する測定固有振動数抽出工程と、
固定子鉄心の形状データから固定子鉄心の横振動モードの推定固有振動数を推定する固有振動数推定工程と、
前記測定固有振動数と、前記推定固有振動数に基づいて得られた判定基準との比較から固定子鉄心の締め付け具合を判定する判定工程と、
を有し、
前記判定工程は、前記測定固有振動モードから、固有振動数または振幅または減衰係数比の大きさと加振力との比あるいは伝達関数を算出し、予めそれらのパラメータと加振力の比あるいは伝達関数と鉄心面圧の関係から成る判定基準とを比較判定して、固定子鉄心の締め付け具合を判定するものであること、
を特徴とする固定子鉄心緩み診断方法。