JP5792374B2 - 減磁を監視するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機など永久磁石同期機械を監視するためのシステムに関する。特に、本発明は、例えば風力発電用の永久磁石同期発電機で、同期発電機の永久磁石の磁気的故障を監視することに関する。

発電所で高い信頼性を可能にする重要な要素は、風力発電機など発電機に、早い段階で故障を検出するための状態監視システムを提供することである。本発明は、特に風力発電永久磁石同期発電機用の、永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）の磁気的故障を検出し、識別するための改善された診断方法を提供することを目的とする。永久磁石同期発電機は、風力発電業界で一般的な機械の１つである。減磁は、機械の性能の低下を生ずるため、減磁を検出することは、重要である。発電機の逆ＥＭＦ（起電力）および固定子電流の監視に基づいて減磁を検出するための方法がある。

しかしながら、これらの指標を監視する場合、減磁以外の故障状態が同様の徴候を生ずるため、誤った情報が与えられる可能性があるという危険性がある。

米国特許第７，３２４，００８号（Ｄ１）は、故障状態の影響を予測できるようにするために、有限要素法（ＦＥＭ）解析を少なくとも１つの故障状態と共に使用して電気機械を解析することを記載している。ＦＥＭ解析の結果を、解析された故障を機械の生の測定値から識別するために使用することができる（Ｄ１の要約を参照）。Ｄ１は、横方向磁束モータも記載しているだけでなく、故障での同様のＦＥＭ解析を他の電気機械に使用することができることも示唆している（Ｄ１、第７段、第２６〜５０行目参照）。Ｄ１は、磁気的故障と、磁束への磁気的故障の影響とをシミュレートし、そのため、「サーチコイル」による磁束の測定を磁気的故障の指標として使用することができる（Ｄ１、第１段、第４６〜５１行目参照）。Ｄ１に記載された方法は、過熱および／または減磁により磁石の磁気強度を低下させる故障を検出するための手段を提供する（Ｄ１、第６段、第１５〜１６行目参照）。

当該技術分野では、回転子ベアリングを監視することも重要である。風力タービン用の発電機の回転子ベアリングの状態は、しばしば、ベアリング近傍の振動を測定することによって監視される。

Ｄ１は、機械的または電気的位置ずれなど他の故障状態を解析することを示唆しており、磁束を感知するために使用されるコイルに加えて、機械を監視するための、温度センサ、振動センサ、および電流センサなど他のセンサを使用することも示唆している（Ｄ１、第７段、第２７〜３１行目を参照）。

本発明は、永久磁石同期機械の診断、特に、発電機の磁気的故障を検出することに関し、サーチコイルの使用に対する代案を提供する。

文献「Ｓｔａｔｉｃ−，Ｄｙｎａｍｉｃ−，ａｎｄ Ｍｉｘｅｄ−Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｅｓ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒｓ」、Ｅｂｒａｈｉｍｉら、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＶＯＬ．５６、ＮＯ．１１、２００９年１１月４７２７、（Ｄ４）は、静的な偏心と、動的な偏心と、混合された偏心とが、固定子電流周波数の側波帯成分の振幅により、電流周波数スペクトルにどのように影響するかを示している。また、Ｄ４は、電流スペクトルが、減磁、短絡故障、および開路故障によってどのように影響されるか、また側波帯成分を生成しないで偏心故障と区別することができるかを説明している。本発明は、Ｄ４に記載のような、しかし、このような固定子電流解析にも使用することができる、減磁を発見するための電流スペクトル解析に対する代案を提供する。

Ｄ１およびＤ４は、最も関連する先行技術文献と考えられるが、以下では、同期機械の永久磁石の減磁を発見すること以外の技術的課題を解決することに関するいくつかの文献を参照する。

米国特許出願第２０１１／００１８７２７号（Ｄ２）は、風力タービン発電機故障診断を実行するための方法と装置とを記載しており、この方法および装置では、センサが風力発電機を監視し、センサからの信号が、故障を示す異常を検出するために解析される。Ｄ２に記載されている方法は、電気信号（電圧、電流）と、振動信号と、温度信号とを評価する（Ｄ２、図１を参照）。電気信号および振動信号は、（ＦＦＴすなわち高速フーリエ変換など）それぞれのスペクトル解析（Ｄ２、参照番号１１０と１２０とを参照）がなされる。スペクトルには、徴候解析（Ｄ２、参照番号１４０と１４２とを参照）と異常検出（Ｄ２、参照番号１５０と１５４とを参照）とが行われる。温度の過渡状態が検出され、温度の異常が識別される（Ｄ２、参照番号１５６を参照）。電気スペクトルと振動スペクトルのそれぞれの、ならびに温度の異常を検出したとき、発電機システムが電気的故障または機械的故障を有すると結論づけられる（Ｄ２、段落［０００９］参照）。加速度センサからの振動信号と、発電機電圧信号から決定される電圧の徴候とを、潜在的な偏心故障を検出するために使用することができる（Ｄ２、段落［００１０］参照）。文献は、一般的な方法で発電機を説明しており、磁気的故障の検出、特に、永久磁石同期発電機での磁気的故障の検出を説明していない。

振動信号の解析が、電気機械の故障を検出するために使用されており、ｈｔｔｐ：／／ｌｉｂ．ｔｋｋ．ｆｉ／Ｄｉｓｓ／２００７／ｉｓｂｎ９７８９５１２２８９３８７／ｉｓｂｎ９７８９５１２２８９３８７．ｐｄｆで見ることができる、Ｊｏｖｅｒ Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ、Ｐ．Ｖ．、２００７年、「Ｃｕｒｒｅｎｔ−，Ｆｏｒｃｅ−，ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ」、博士論文、ヘルシンキ工科大学、フィンランド（Ｄ３）を参照されたい。

Ｄ３は、非同期モータの固定子振動の周波数スペクトルを解析することを記載している。この研究の目的は、誘導モータ故障の最良の指標と、誘導モータの状態を監視するための適切な技術とを発見することであった。Ｄ３は、モータが故障状態の下で動作しているときの、振動パターンへの電磁力の影響を説明している。さらに、Ｄ３は、誘導機の力分布および振動パターンでの電気機械的故障の影響の予測を可能にする方法を記載している。Ｄ３では、ＦＥＭ計算が利用され、ＦＥＭ計算は、電気機械が電気的故障の下で動作しているときの、電気機械の固定子に作用する力分布を示す。これらの力成分は、機械の固定子に強制振動を生成することができることが示されている。結果は、振動測定によって裏付けられた。低周波数成分は、状態監視システムの主な指標を構成することができる。Ｄ３は、誘導モータの故障を検出するために、振動解析を使用し、これらの故障は、破損した回転子バー、破損したエンドリング、ターン間短絡、ベアリング故障および偏心故障である。

本発明の目的は、使用するのが容易で、依然として信頼性の高い、磁気問題を検出するための方法を提供することである。本発明は、機械電流のための巻線と端子とを有する固定子と、永久磁石が設けられた回転子とを備え、回転子が固定子内に回転自在に配置されている永久磁石同期機械の磁気的故障を検出するための方法を提供する。磁気的故障、特に、永久磁石の減磁を検出し、識別することによって、回転子の永久磁石の交換が機能不全を除去し、性能を向上させることになるため、機械の修復が容易になる。これらの目的のため、本発明は、請求項１による同期機内の永久磁石の減磁を監視するための方法を提供する。方法は、同期機の動作中に実行される。請求項１による方法は、固定子の振動を測定することと、振動の周波数解析を実行することと、固定子の供給周波数（ｆ_S）での振動の振幅がしきい値を超えているか否かに基づいて、機械に永久磁石の減磁が生じているか否かを判定することとを含む。

本出願は、主に、永久磁石同期機械の監視と故障解析とを説明しているが、本発明は、永久磁石同期モータの監視と故障解析とにも有益である。

本発明の一実施形態によれば、方法は、さらに、回転周波数（ｆ_R）での振動の振幅がしきい値を超えているか否かに基づいて、機械に永久磁石の減磁が生じているか否かを判定するステップを備える。

同期機内の永久磁石の減磁は、固定子供給周波数（ｆ_S）と回転子の回転周波数（ｆ_R）とにおける振動スペクトルに影響を及ぼす。固定子供給周波数（ｆ_S）での振動を監視することを、磁気的故障を発見し、磁気的故障を、電気的故障および幾何学的故障など他の故障から区別するために使用することができる。回転周波数での振動の振幅も監視することは、磁気的故障の推論をより明瞭にする。

振動を測定することは、減磁を監視する簡単な方法を提供する。本発明は、永久磁石同期機械に永久磁石の減磁が生じていることを、振動だけから推論することを可能にする。振動測定は、固定子のフレームに固定された、または固定子に固定された振動センサによって振動を検出することを含んでよい。例えば、本発明の方法を、以下の、加速度計または複数の加速度計など振動センサを固定子フレームに位置決めし、固定するステップと、加速度計からの振動信号の周波数を解析するステップと、減磁を示す周波数の振幅を識別するステップと、発電機に永久磁石の減磁が生じているかどうかを判定するステップとによって実現することができる。

サーチコイルまたは他の電気的測定は、必要とされない。減磁故障を、固定子の供給周波数での、または回転子の回転周波数での振動の振幅から識別することができる。

方法は、永久磁石同期発電機に接続することができる監視装置で実施されてよく、例えば、加速度計を固定子フレームに取り付ける、または、既に設置された加速度計を監視装置の診断手段に設けられた計算デバイスに接続する。

あるいは、方法は、例えば、永久磁石同期発電機を備える風力タービンを有する風力発電所の制御システムで実施されてよく、制御システムは、発電機のそれぞれの固定子フレームに固定された振動センサから振動信号を受信し、方法は、このような制御システムで、振動信号を解析し、これらの振動信号の周波数スペクトルから磁気的故障を検出することによって実施される。

本発明は、振動だけから減磁を識別するために使用することができる方法を提供する。電流測定が、振動感知に加えて行われてよい。一実施形態では、方法は、固定子の少なくとも１つの電流、好適には各分岐電流を測定することと、各分岐電流等の電流に対して周波数解析を実行することとを含む。好適には、方法は、電流または複数の電流に、電気的故障、磁気的故障、および／または幾何学的故障の指標を見つけるために、このような故障を示す電流スペクトルの周波数を監視することを含む。一実施形態では、システムは、固定子電流の周波数解析のための手段と、周波数解析に基づいて故障を判定するための手段とを備える。

本発明による減磁故障を検出するための方法を示す図。 本発明による故障を検出するためのシステムを示す図。 減磁故障を示す振動スペクトルを示す図。

図１は、永久磁石同期発電機での磁気的故障を検出するための方法を示す。方法は、永久磁石同期発電機から振動信号を取得すること（１１）によって開始する。取得された信号は、周波数解析が行われ（１２）、周波数解析では、振動信号は、周波数のスペクトルに分割され、各周波数の振幅が計算される。周波数解析１２は、好適には、定常的な場合にはＦＦＴ解析（高速フーリエ変換）等によって、または、例えば、風速の変化による過渡時には離散ウェーブレット変換を使用して実行される。故障した発電機の振動周波数のスペクトルの振幅は、適切に動作する発電機のものとは異なる可能性がある。スペクトルには、したがって、故障解析が行われ（ステップ１３）、故障解析は、発電機の故障、特に、発電機の永久磁石の減磁を発見するために、振動周波数の振幅を監視する。より詳細には、故障解析ステップは、固定子供給周波数（ｆ_S）と、回転子の回転周波数（ｆ_R）での振動の振幅を監視する。振動スペクトルのこれらの２つの周波数で高くなったレベルは、回転子の永久磁石の磁気レベルの偏移を示す。取得するステップ１１は、複数のサブステップ、例えば、１つまたは複数の加速度計など振動または運動センサと、ことによると、代替としてまたは加えて、電子ジャイロスコープとを、固定子または固定子が固定されているフレームに位置決めし、固定することを含んでよい。取得するステップ１１は、センサによって振動を測定するサブステップと、故障解析装置で振動信号を受信することを含む、振動信号を故障解析装置に送信するサブステップとを含んでもよい。

本発明の好適な実施形態は、減磁故障に加えて他の故障を検出することを含み、他の故障は、静的もしくは動的な偏心、または混合した偏心など幾何学的故障と、固定子の巻線の短絡など電気的故障とである。Ｄ３で使用されるのと同様のＦＥＭモデリング技術が、問題の永久磁石同期発電機の故障検出のための信頼性の高い診断方法を提供するために使用されてよい。

図１の方法は、故障解析１３のための強化された基準を提供するために、（破線で示す）任意のステップとして、各固定子の分岐電流の周波数を取得し（１４）、解析すること（１５）を示す。このような実施形態では、故障解析器は、固定子電流と固定子振動との両方から、磁気的故障と、電気的故障と、幾何学的故障とを推論するように適合される。

故障解析１３は、その後、故障の永久磁石を取り替えること、および／または、発電機の他の検出された故障を調整することなど、検出された故障を補正すること（ステップ１６）が続いてよい。

図２は、永久磁石同期発電機の磁気的故障を検出するために振動信号を解析するための手段を有する故障解析器２１に通信可能に接続された振動センサ５を示す。振動センサは、永久磁石同期発電機１の固定子２の振動を感知するために、発電機１に固定され、同期発電機１の回転子３の回転時に解析のための振動信号を得るように配置される。故障解析器２１は、加速度計など振動センサとのワイヤードまたはワイヤレス接続を受信し、振動信号を受信するためのセンサインターフェース２２によって例示される振動信号インターフェース２２と、スペクトル解析器２３と、故障識別器２４と、ディスプレイ２５の形態のオペレータに対する出力部とを備える。スペクトル解析器２３は、故障解析器２１によって受信された振動信号の周波数スペクトルを解析するように適合される。この目的のため、スペクトル解析器２３は、例えば、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）またはウェーブレット変換を使用するフーリエ変換または時間周波数分解を受信された信号に適用し、振動信号を構成する周波数に関する振幅レベルを生成し、その結果、振動の周波数成分の徴候を識別することができる。故障識別器２４は、スペクトル解析器２３から、それぞれの周波数の振幅を含む周波数スペクトルを受信する。故障識別器２４は、振動信号の周波数徴候を識別し、これらの徴候を特定の故障状態にリンクするように適合され、特に、正常な発電機と異なる振幅を有する周波数を識別し、発電機に生じている故障の種類を推論する。故障識別器２４は、特に、減磁故障を示す振動スペクトルの周波数を監視し、スペクトルのこれらの周波数成分の振幅を監視することによって、発電機の永久磁石の減磁を識別するように適合される。減磁故障を示す振動周波数の重要度を推定できるようにするために、故障識別器は、好適には、減磁のレベルに対応する振幅レベルなど基準データを有するメモリへのアクセスを含むまたは有する。この基準データは、機械で正常に使用されている永久磁石の公称磁気強度未満の強さの永久磁石など故障した永久磁石による動作中に、発電機またはモータを測定することによって作成することができる。例えば、正常動作中の発電機の永久磁石の強度の８０パーセントを有する永久磁石を使用し、振動を測定することが、減磁故障の大きさの尺度を与える。減磁故障指示周波数での振動の振幅を、適切にシミュレーションの結果から補間し、外挿することができ、減磁のレベルに比例するように近似をすることもできる。故障解析器２１の故障識別器２４への基準データを取得する別の方法は、永久磁石の減磁の異なるレベルで発電機のＦＥＭモデリングを実行することである。

減磁の徴候は、振動周波数スペクトルに、特に、回転子の回転周波数（ｆ_R）と固定子供給周波数（ｆ_S）で見られる（図３参照）。減磁故障の最良の指標を与える周波数成分は、固定子の供給周波数（ｆ_S）である。正常な機械では、この周波数での振動は実質的に存在せず、すなわち、固定子の供給周波数（ｆ_S）での振動の振幅は、ゼロに近い。したがって、故障識別器２４は、固定子の供給周波数（ｆ_S）での振動の振幅を基準データと比較するように適合される。基準データに基づいて、故障状態のしきい値を決定することができる。固定子の供給周波数（ｆ_S）での振動の振幅がしきい値を超えた場合、故障識別器２４は、機械に永久磁石の減磁が生じていると判定する。そうでなければ、故障識別器２４は、機械に永久磁石の減磁が生じていないと判定する。

正常な機械であっても、典型的には回転子の回転周波数（ｆ_R）での振動が存在し、したがって、この周波数での振動は、減磁故障の最適な指標ではない。しかしながら、回転周波数（ｆ_R）での振動を、固定子の供給周波数（ｆ_S）での解析から得られた故障識別結果を確認するために使用することができる。基準データから、故障状態に対応する回転周波数（ｆ_R）での振動の振幅に関するしきい値を決定することができ、故障識別器２４は、回転周波数（ｆ_R）での振動の振幅をしきい値と比較するように適合される。機械に永久磁石の減磁が生じているか否かの判定は、固定子の供給周波数（ｆ_S）での振動を故障指標として使用する場合と対応する方法で行われる。

故障解析器２１は、好適には、解析の結果、特に、識別された減磁故障を、ディスプレイ２５の形態のユーザインターフェースに提示するように設けられる。加えて、または代わりに、可聴警報または他の故障指示が、スピーカ（図示せず）を介して提供されてよい。

コンピュータネットワークを介して到来してよい振動信号のためのセンサインターフェース２２とは別に、故障解析器２１には、好適には、追加のセンサからの測定信号を受信するための接点２６など、他のセンサとインターフェースするための他のセンサインターフェースが設けられる。あるいは、同じインターフェースは、異なる測定ユニットからの測定値を受信するために配置されてよい。図２に例示した故障解析器２１は、別のセンサ、特に、電流計とインターフェースし、そこから信号を受信するための接点２６を含み、電流計（図示せず）は、発電機１の分岐電流を測定するために配置されるべきである。電流信号は、ＦＦＴ解析など周波数スペクトル解析を実行するために設けられた電流解析器２７に供給され、電流解析器２７は、その後、周波数スペクトルの振幅を故障識別器２４に転送する。故障識別器は、電気的故障、例えば、固定子巻線のターン間短絡のような、固定子分岐電流スペクトルの振幅、またはそのそれぞれの振幅によって示される故障を識別するように適合される。

故障解析器２１は、携帯型サービスおよび制御装置に組み込むことができ、携帯型サービスおよび制御装置を、固定子フレームに固定し、固定子振動を取得するように配置された振動センサに接続することができる。故障解析器２１は、あるいは、風力発電所の制御室など、発電機を監視し、制御するための制御室内に永続的に配置された制御および監視装置内に組み込むことができる。

スペクトル解析器２３と故障識別器２４とは、別個の実体として示されているが、好適には、ソフトウェアとハードウェア実体との組み合わせとしてコンピュータ内に設けられてよく、例えば、プロセッサおよびメモリを共有することができる。同じコンピュータに、電流解析器２７を適切に組み込むことができる。

磁気的故障監視方法は、コンピュータプログラム製品として実現されてよく、機械が減磁故障を有するか否かを推論するためのプログラムステップを含んでよい。コンピュータプログラムが、入力として永久磁石同期機械から振動信号を受信するコンピュータ上で実行される場合、コンピュータプログラムは、永久磁石同期機械に減磁故障が生じているか否かを発見するように適合されるべきである。プログラムは、磁気的故障を発見することなど、永久磁石同期機械の振動に基づいて技術的考察を行うように適合されるべきである。特に、プログラムは、減磁故障を、回転周波数ｆ_Rおよび／または固定子供給周波数ｆ_Sなど永久磁石同期機械の動作パラメータにリンクするように適合される。これを行うことによって、プログラムは、機械の物理的に取得された振動を解析する際に、機械の技術的特徴、すなわち、機械の動作周波数を考慮に入れて、永久磁石同期機械に減磁故障が生じているか否かを推論する技術的課題を解決する。プログラムは、好適には、推論の結果の出力をオペレータに提供するようにも適合されるべきである。

図３は、減磁した永久磁石を有する永久磁石同期発電機の振動スペクトルを示す。固定子供給周波数ｆ_Sでの振動の振幅と、回転子の回転周波数ｆ_Rでの振動の振幅とが影響を受けており、両方の振幅は、正常な、特に、固定子供給周波数ｆ_Sでの振動の振幅より大きい。同様に、幾何学的故障の徴候と電気的故障の徴候とは、好適には、振動信号の周波数スペクトル内で識別されるべきである。

風力発電機など永久磁石同期発電機の減磁故障を発見するためのシステムと、方法と、プログラム製品とを説明してきた。方法は、同期発電機の動作中に実行され、固定子の振動を測定することと、振動の周波数解析を実行することと、振動解析から、発電機に永久磁石の減磁が生じているか否かを推論することとを含む。

Claims (4)

1. 巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転するように配置された永久磁石を有する回転子とを有する、風力発電機など同期機械の永久磁石の減磁を監視するための、前記同期機械の動作中に実行される方法であって、
   前記固定子の振動を測定するステップと、
   前記振動の周波数解析を実行するステップと、
   前記固定子の供給周波数（ｆ_S）での前記振動の振幅がしきい値を超えているか否かに基づいて、前記機械に永久磁石の減磁が生じているか否かを判定するステップと
   を含む方法。
2. 回転周波数（ｆ_R）での振動の振幅がしきい値を超えているか否かに基づいて、前記機械に永久磁石の減磁が生じているか否かを判定するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記振動測定は、前記固定子のフレームに固定された、または前記固定子に固定された振動センサによって振動を検出することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記機械は、永久磁石同期発電機である、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。

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