JP5932022B2 - 電気機械システムの状態を監視する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気回転機械（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）が使用されている電気機械システム（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）であって、電気機械システムの動作中に少なくとも１つの電気信号が測定される電気機械システム、の状態を監視する方法と、装置と、コンピュータプログラムとに関する。

通常、状態監視技術は、ケースに入れて装着された振動変換器（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、例えば加速度計を使用して測定される振動信号の測定と、その後に行われる分析とに基づいている。測定される振動は、振動源から変換器までの伝導路によって左右されるので、ケースに入れて装着された振動変換器を使用することに関連する主な問題は、それらの装着に関係する。幾つかの状況では、振動信号における微細な細部は伝導路によって減衰し、減損した機械状態のインジケータを見逃すことにつながり得る。更に、変換器の位置における小さな変化の結果、異なる振動信号が記録されることになり得るので、これらの伝導路の作用のために、ケースに入れて装着された振動変換器は、一般に構造に永久に固定される。劣悪な環境に機器が配置されている場合に、これらの変換器の性能は次第に劣化し得る。更に、ケースに入れて装着された振動変換器は、環境のノイズに特に敏感である。ケースに入れて装着された振動変換器は、機器の一部の正常な機能を一般に妨げないが、多くの場合に、それらを機器の一部に装着するために、特別な構成が要求される。例えば、振動源の近くの平面上に、多くの振動変換器を装着する必要がある。更に、これらの変換器は、一般に単方向性（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）であり、機器の一部の状態に関して確信のある決定をするのに十分な情報を取得するために、このような多数の変換器が必要である。

通常、電気モータ、発電機、又はより一般的に、電気回転機械は、電気機械システムの重要な部分を形成している。近年、電気回転機械を動力源に接続している電力ケーブルから測定され得る電流の分析が、電気機械システムの状態を監視する成功法として示された。電気回転機械において引き起こされる電流は、動作状態と共に変化し、大きな交流（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ，ＡＣ）の電源電流（ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）の振幅と位相の変調をしばしばもたらすことが示された。破損した回転子バー又は回転子の偏心のような欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）に関係付けられる動作状態における変化は、電源電流の振幅と周波数の変調に関係付けられ得る。モータ電流徴候分析（Ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ＭＣＳＡ）では、進行している欠陥を診断し、傾向をとるために、測定された電流信号を周波数領域において分析することを必要とする。実施が比較的に安価であるので、ＭＣＳＡは魅力的であり、電気回転機械は電気機械システムの一部分を形式しているので、この方法は非侵襲性（ｎｏｎｉｎｔｒｕｓｉｖｅ）であると考えられ得る。主として、ＭＣＳＡは、電気モータの故障の診断に使用されてきたが、外部負荷における変化に対処することも示された。外部負荷は、例えば、ベアリング又はギヤのような機械コンポーネントにおいて生じた欠陥によって引き起こされる。

通常は、測定された電流信号の周波数スペクトルは、ＡＣ電源電流によって特徴付けられている。電気機械システムを形成している電気モータと付属の機械システムは、ＡＣ電源電流を変調させ、その結果、周波数スペクトルに側波帯が現われる。従って、主要なＡＣ電源電流が搬送波と見なされ得る。電源が理想的であることは稀であり、マシンの動作状態に無関係なＡＣ電源電流の位相と振幅に変調が生じる可能性がある。これは、電気駆動システムに特にあてはまる。電気駆動システムでは、制御動作とパルス幅変調の結果、電源電流の搬送波が非定常波形（ｎｏｎ−ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｗａｖｅｆｏｒｍ）になる。同様に、電気回転マシンに作用する負荷が過渡的であることは、よくある。電源電流の搬送波の非定常性の結果、電源に起因する成分が周波数範囲の全体にわたって分散しているように見える。これは、電気機械システムの動作状態を評価する際に難しさを増し得る。

リネハン（Ｌｉｎｅｈａｎ）、他による米国特許番号５４８３０２０１号から、データ収集システムの中に回路を組み込み、ＡＣ電源電流の搬送波の変化する周波数に合わせて、測定された電流信号のサンプリングレートを変化させることによって、上述で提示された問題に対処する既知の方法がある。従って、サンプリングされたデータのセットが静止した搬送波のみを含むことが達成される。更に、整数（ｗｈｏｌｅ ｎｕｍｂｅｒ）の搬送波のみを考慮することによって、この方法は、周波数領域に変換されると、最初のサンプルと最後のサンプルとの不連続性に起因する成分を確実に減少させる。従って、欠陥に対応し得る周波数領域における成分の識別し易さが増す。

グロスジャン（Ｇｒｏｓｊｅａｎ）による米国特許番号ＵＳ６９９３４３９Ｂ２号から、測定された電流波形を時間領域から空間領域に変換する既知の方法がある。測定された電流波形における特性を使用して、電気回転機械の回転子の角変位を識別する。例えば、ＤＣモータの回転子の位置を推定するために、整流子のスイッチングから生じる振幅変調が使用され得る。次に、電流波形をこの角変位に正規化し、周波数領域において分析し、それによって、一定の角速度で回転しない電気回転機械を、周波数領域において分析することができる。

上述の先行技術は、測定された電流信号の周波数スペクトルの変動を減少させる方法を与える。しかしながら、一定の角速度で動作し、理想的な電源によって供給され、静止した電源電流の搬送波をもたらす電気機械システムについて検討した場合であっても、電気機械システムの動作状態によって引き起こされる変調側波帯の振幅は、電源電流の搬送波及びその高調波に比べて小さい。電気機械（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ）が取り付けられている機械システムにおいて生じた故障について検討する際に、これは特にあてはまる。更に、電流信号を測定するために使用される変換器の不十分な分解能は、高調波ひずみに結びつく場合がある。その結果、電気機械システムの動作状態に起因する成分と、他のより多くの主要な成分、或いは変換器のノイズ、即ち電気回転機械の環境において生じる過渡的な振動からの又は一定でない源からのゴーストノイズに起因するノイズ信号と、を区別することが、困難になり得る。

本発明は、電気機械システムの状態を監視する方法と、本発明の方法に従って基づく方法を実施する装置とを提供する。更に、本発明は、電気機械システムの状態を監視するコンピュータプログラムを提供する。このコンピュータプログラムは、コンピュータデバイスのデータ処理ユニットにロードすることができ、コンピュータデバイスのデータ処理ユニット上で実行可能であり、コンピュータデバイスのデータ処理ユニットによって実行されたときに、請求項１乃至４に記載の方法を行なう。

本発明は、上述の方法のような状態監視の既存の方法に対して多くの利点を有する。既存の角変位変換器から取得した測定された角変位信号を使用することによって、又は、これらが得られない場合は、電気モータの電流及び電圧測定値に基づいて、システムは非侵襲性であると見なすことができる。更に、変換器を装着することに関係する問題の影響、例えば、伝導路の作用、又は、電気機械システムの要素へのアクセスの条件が軽減される。

電気モータの測定された電流及び電圧信号を、ユーザによって決定されたゼロ乃至２パイ（ｐｉ）の範囲内のディスクリートな（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）角変位値で再サンプリングする前に、電気機械システムのシャフトの角変位に同期させる。電気機械システムのシャフトの１つのこのようなディスクリートな角変位値について検討し、前記シャフトが１回を越える完全な回転（ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ）を終えたと仮定すると、この先行するプロセスは、この１つのディスクリートな角変位に全て同期した電気モータの一連の電流及び／又は電圧値をもたらすことになる。この一連のものの中に含まれる電気モータの電流及び／又は電圧値の数は、電気機械システムのシャフトの完全な回転の数に関係付けられる。ディスクリートな角変位値に同期した電気モータの一連の電流及び／又は電圧値の平均値をとることによって、測定された電流及び電圧信号を同期させたシャフトに無関係のノイズ及び周期的成分の影響を低減させることができる。電気機械システムのシャフトの検討されているディスクリートな角変位値の各々に対して、同じ平均化演算を行なうことによって、検討されている角変位値の各々に存在する電気モータの平均電流及び／又は電圧値から構成される電気信号の同期平均が生成され得る。電気信号の同期平均は、電気機械システムのシャフトの各完全な回転を周期的に繰り返す電気モータの測定された電流及び電圧信号の成分から成る。回転機械システムの動作状態における多くの変化が、回転から回転を繰り返す電気モータの電流及び電圧信号に変化をもたらすので、電気信号の、結果として得られる同期平均は、マシンの状態を評価するための多くの情報を取り込むことになる。更に、電気機械マシンのシャフトが一定の角速度で回転しない場合でさえ、本発明は電気機械マシンの正確な状態監視を可能にする。

更に、本発明は、電気モータの電流及び電圧値を測定するためにより低い分解能の変換器を使用できるので、上述の既存の方法と比べて有利である。電気モータの測定された電流及び電圧信号は、変換器の分解能により、ある程度定量化される（ｑｕａｎｔｉｚｅ）。変換器の定量化レベルによって、制限された分解能を有するディジタル信号が記録されることになる。１つのディスクリートな角変位値に全てを同期させた一連の電気モータの電流及び／又は電圧値について、再び検討する。既に記載したように、この一連のものを含む電気モータの電流及び／又は電圧値の数は、電気機械システムのシャフトの完全な回転の数に関係付けられる。測定可能な電気モータの電流及び電圧信号は、電気機械システムの動作状態に関する情報を含む基本信号と、ゼロ平均のガウス関数によって示され得る自然に発生するノイズとを重ね合せたものから成るものと仮定する。電気機械システムのシャフトの完全な回転の数は、無限（ｉｎｆｉｎｉｔｙ）になる傾向があるので、基本信号よりも高いディスクリートなレベルで記録された電気モータの測定された電流及び／又は電圧値と、基本信号よりも低いディスクリートなレベルで記録された電気モータの測定された電流及び／又は電圧値との比は、変換器の２つのディスクリートなレベルと基本値との間の距離の比に等しくなる。従って、上述の演算を行なうことによって、完全な回転の数が無限になっていくのに従って、結果として得られる平均値は基本値になっていく。この結果を、電気機械システムのシャフトの検討されているディスクリートな角変位値の全てに拡張すると、電気信号の出力同期平均は、電気機械システムのシャフトの各完全な回転を周期的に繰り返す電気機械システムの動作状態に関する情報を含んだ基本信号になっていく。正確さにおけるこの向上と、ノイズの影響における関連する低下との結果として、提示されている発明は、既存の電流分析の発明よりも、電気機械マシンの動作状態における小さな変化に対して、より精度が高い。

本発明の実施において使用され得る装置の概略図と共に、電気機械圧縮機システムの図である。 ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄ（Ｗ_Ｄはアンペアの単位［Ａ］を有する）の時間領域におけるプロットである。 時間に対する、ラジアンにおける、ディスクリートな角変位信号θ_Ｄと、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄとのプロットである。 ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄを、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄに同期させることによって得られるものである、ラジアンにおける角変位に対するディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄのプロットである。 ラジアンにおける角変位に対する再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄのプロットである。 再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄを、等しい長さＮのＭ個の区間に分割するプロセスを詳述した追加の注釈を有する、ラジアンにおける角変位に対する再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄのプロットである。 ラジアンにおける角変位に対する電気信号の同期平均

のプロットである。
本発明に従って電気機械システムの状態監視のために行なわれる動作の図を示している。

図１を参照すると、電気機械圧縮機システムの動作状態を診断する本発明の装置と、本発明の例示的な応用が提示されている。三相非同期電気モータ１を使用して、二段階減速ギアボックス２を駆動する。ギアボックスの出力は、シャフト３を介して圧縮機４に接続されている。シャフト３上に角変位変換器５が装着されている。角変位変換器５を使用して、シャフトの角変位を測定することができる。角変位変換器５の代わりに、図面に示されていないが、シャフト３の速度又は加速度を測定できるセンサ群又はセンサを使用してもよい。例えば圧縮機における、角変位、速度、又は加速度を追跡することが重要な応用では、角度位置をアナログ又はディジタル電子信号に変換する変換器を、システムに備えるのが、通常である。三相非同期電気モータ１と、二段階減速ギアボックス２と、シャフト３と、圧縮機４と、存在するならば角変位変換器５とが、電気機械システム６を全体として構成している。角変位変換器５又はセンサが電気機械システム６の一部分を実際に形成している場合は、それが本発明の応用に利用される。しかしながら、このような変換器又はセンサ５が電気機械システム６の一部分を形成していない場合は、本発明を応用することも可能である。電源デバイス７は、電源ケーブル８を経由して、三相交流電流を非同期電気モータ１に与える。（存在するならば）角変位変換器５は、信号調整ユニット（ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｕｎｉｔ）９への入力のうちの１つに接続されている。電流測定デバイス１０及び／又は電圧測定デバイス１１の１つ以上の出力が、信号調整ユニット９の他の入力に接続されている。電流測定デバイス１０と電圧測定デバイス１１は、電源デバイス７の位相ａ、ｂ、ｃの各々と接続されている。信号調整ユニット９は、データ処理ユニット１３及び通信モジュール１４を有するコンピュータデバイス１２に接続されている。データ処理ユニット１３の中に、データ記憶モジュール１５及び同期平均化モジュール１６が実装されている。データを処理及び計算するために必要であって、図面に示されていない幾つかの他のモジュールが、プロセッサの中に更に実装されている。コンピュータデバイス１２は、メモリのＲＡＭ及びＲＯＭを更に含んでいる。これらも図面に示されていない。コンピュータデバイス１２は出力ユニット１７に接続されている。出力ユニット１７において、状態監視の結果がユーザに提示される。出力ユニット１７は、モニタ、プリンタ、又は本発明の結果を提示するための何等かの便利なデバイスであり得る。

本発明の方法は、図８に示されている次のステップ２０−３２に従って実施される。

ステップ２０
図１に示されている電気機械ネットワークを参照すると、ステップ２０では、三相非同期電気モータ１の位相のうちの少なくとも１つに対する固定子巻線に供給する交流電流のアナログ電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃを、電流測定デバイス１０を使用して測定し、及び／又は、三相非同期電気モータ１に供給するアナログ電圧信号Ｕ_ａ、Ｕ_ｂ、Ｕ_ｃの位相のうちの少なくとも１つを、電圧測定デバイス１１を使用して測定する。測定されたアナログ電気信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ、Ｕ_ａ、Ｕ_ｂ、Ｕ_ｃは、アナログ波形の形態をとっている。次に、測定されたアナログ電気信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ、Ｕ_ａ、Ｕ_ｂ、Ｕ_ｃを、信号調整ユニット９に供給する。電気機械システム６において角変位変換器５が使用されている場合は、シャフト３の角変位信号θを測定し、信号調整ユニット９に供給する。

ステップ２１
次のステップ２１では、測定されたアナログ電気信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ、Ｕ_ａ、Ｕ_ｂ、Ｕ_ｃを、ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤにそれぞれ変換する。更に、ステップ２０において角変位信号θが測定された場合は、それを信号調整ユニット９に供給し、ディスクリートな角変位信号θ_Ｄに変換する。一般に、信号調整ユニット９は、アナログディジタルコンバータの形式をとっている。アナログ波形をディスクリートな信号に変換するプロセスを特徴付ける定数パラメータのセットＰ１を、信号調整ユニット９に与える。ディスクリートな信号は、具体的には、サンプリングレートＦ_Ｓと、変換される信号の長さＴ_Ｌである。サンプリングレートＦ_Ｓは、１秒当たりに得られるサンプル数を定めている。サンプリングレートＦ_Ｓは、任意の値をとり得るが、典型的な最小レートは１ｋＨｚである。これはデフォルト設定である。信号の長さＴ_Ｌは、アナログディジタル変換が適用された、測定されたアナログ電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤの長さを定めている。本発明の方法の実施形態では、信号の長さＴ_Ｌの最小値は１秒である。三相非同期電気モータ１の位相のディスクリートな電流信号について検討すると、Ｉ_ａＤは、第１のサンプルｋ＝１からｋ＝Ｌまでの範囲にわたる、ｋ個の連続するサンプルの電流値ｉ_ａｋから成る。Ｌは、信号に含まれているサンプル数である。他のディスクリートな電気信号Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤも、類似のやり方で説明され得る。角変位信号θは、信号調整ユニット９に供給されると、ディスクリートな角変位信号θ_Ｄに変換される。ディスクリートな角変位信号θ_Ｄは、第１のサンプルｋ＝１からｋ＝Ｌまでの範囲にわたる、ｋ個の連続するサンプルの角変位値θ_ｋから成る。変換プロセスは技術的に周知である。ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤと、得られる場合はディスクリートな角変位信号θ_Ｄは、通信モジュール１４を介してコンピュータデバイス１２に自動的に送信され、データ処理ユニット１３のデータ記憶モジュール１５に記憶される。

ステップ２２
ステップ２２では、コンピュータデバイス１２は、定数パラメータのセットＰ２を供給され、定数パラメータのセットＰ２は、データ処理ユニット１３のデータ記憶モジュール１５に記憶される。定数パラメータのセットＰ２は、平均をとる望ましい回数Ｍ_{ｉｎｐｕｔ}と、電気機械システム６のシャフト３の完全な回転毎のサンプリング点の数Ｎと、警告閾値Ｘと、定数のスケーリング係数Ｚと、から成る。多くの場合に、定数のスケーリング係数Ｚは、２本の相互に接続されたシャフトの角変位間の関係を示している。例えば、例示的な実施形態の二段階減速ギアボックス２に関して、二段階減速ギアボックス２のレイシャフト（ｌａｙ ｓｈａｆｔ）（図１に示されていない）におけるかみ合ったギヤと、シャフト３に接続されたギヤと、の間におけるギア比（ｇｅａｒ ｒａｔｉｏ）に等しい値に、定数のスケーリング係数Ｚを設定することによって、本発明の方法を使用して、レイシャフトに装着されたコンポーネントの動作状態を診断することができる。コンピュータデバイス１２のデータ処理ユニット１３では、ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤを組み合わせて、電流空間フェーザ（ｐｈａｓｏｒ）、電圧空間フェーザ、三相非同期電気モータ１の生成された電磁トルク、又は三相非同期電気モータ１の生成された電磁フラックスのような、電気機械システムの量（ｑｕａｎｔｉｔｙ）の推定値を生成する。本発明の例示的な実施形態では、式（１）に従って、ディスクリートな電流信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤのみを組み合わせて、ディスクリートな複合固定子電流空間フェーザ信号（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐａｃｅ ｐｈａｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ）Ψ_Ｄを生成する。

ディスクリートな複合固定子電流空間フェーザ信号Ψ_Ｄの絶対値は、ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄになる。ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄは、式（２）のように与えられる。

図２は、時間領域における、ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄのプロットである。ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤから生成される結果として、ディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄは、第１のサンプルｋ＝１からｋ＝Ｌの範囲にわたるｋ個の連続するサンプルの固定子電流振幅値Ｗ_ｋから成る。Ｌは、サンプルの長さである。記載されている実施形態において、Ｗ_Ｄは、アンペアの単位、即ち［Ａ］を有する。ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤを使用して推定され得る様々な電気機械システムの量があり、更に、請求項に定義されている本発明の範囲から逸脱することなく、後続するステップで使用されるディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄが、電気機械システムの量の他の推定値によって置き換えられ得ると考えられることが、当業者に分かるであろう。ある特定の電気機械システムの量を推定する際に、三相非同期電気モータ１のパラメータが要求される場合に、それらは定数パラメータのセットＰ２の中に含まれている。定数パラメータのセットＰ２は、コンピュータデバイス１２に供給され、データ処理ユニット１３のデータ記憶モジュール１５に記憶されている。例示的な実施形態に戻ると、ディスクリートな電気信号Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤと、得られる場合はディスクリートな角変位信号θ_Ｄとに加えて、ステップ２２で計算されたディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄが、後続するステップで使用される。

ステップ２３
ステップ２３では、データ処理ユニット１３のデータ記憶モジュール１５に送信されたデータ内において、ディスクリートな角変位信号θ_Ｄの存在をチェックする。全ての必要なデータ、即ち、ディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄとディスクリートな角変位信号θ_Ｄが、存在する場合は、ステップ２５が実行される。データ処理ユニット１３に送信されたデータの中に、ディスクリートな角変位信号θ_Ｄが存在しない場合は、ステップ２４において、三相非同期電気モータ１の回転子の角変位の推定値θ_ＤＥｓｔを計算するプロセスが実行される。

ステップ２４
ステップ２４では、データ処理ユニット１３において、ディスクリートな電気信号Ｉ_{ａ Ｄ}、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤに基づいて、三相非同期電気モータ１の回転子の角変位の推定値θ_ＤＥｓｔを計算する。測定された電気信号から電気回転機械の回転子の角速度を推定する多くのやり方があることが、当業者に分かるであろう。電気機械の電気回転子の角度の一次時間導関数（ｆｉｒｓｔ ｔｉｍｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を推定する様々な方法は、ピーターバス（Ｐｅｔｅｒ Ｖａｓ）による「センサレスベクトル及び直接トルク制御」（オックスフォード大学出版局、ＵＫ、１９９８、ＳＩＢＮ９７８−０−１９−８５６４６５−２）（“Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｖｅｃｔｒ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ”（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，ＵＫ，１９９８，ＩＳＢＮ ９７８−０−１９−８５６４６５−２）に説明されている。既知の方法を使用して、電気機械の電気回転子の角度の一次時間導関数を数値的に積分し、次に、結果として得られた信号を、三相非同期電気モータ１の極のペアの数で乗算することによって、電気回転機械の回転子の機械的角変位の推定値を取得する。必要であれば、電気回転機械の回転子の機械的角変位の推定値を、既知の方法を使用して再サンプリングし、角変位の結果として得られた推定値θ_ＤＥｓｔを、ディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄに同期させる。θ_ＤＥｓｔは、第１のサンプルｋ＝１からｋ＝Ｌまでの範囲にわたるｋ個の連続するサンプルから成る推定角変位値θ_ｋＥｓｔから成る。ステップ２４が実行されると、後続するステップでは、角変位の推定値θ_ＤＥｓｔが使用される。このように推定されたデータは、同等に測定されたデータに非常に類似しているので、θ_Ｄ＝θ_ＤＥｓｔであると仮定し、単純化のために、後続するステップについて説明する際に、θ_Ｄのシンボルのみを使用することが好都合である。この機能を使用する結果、この方法は非侵襲性の特質を維持する。

ステップ２５
ステップ２５では、同期平均化モジュール１６において、データ記憶モジュール１５に記憶されている定数パラメータのセットＰ２から、定数のスケーリング係数Ｚを得る。ディスクリートな角変位信号θ_Ｄを定数のスケーリング係数Ｚによって乗算する。ディスクリートな角変位信号θ_Ｄを定数のスケーリング係数Ｚによって乗算した結果は、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄである。Ｚ・θ_Ｄは、第１のサンプルｋ＝１からｋ＝Ｌまでの範囲にわたるｋ個の連続するサンプルの推定角変位値Ｚ・θ_ｋから成る。図３では、時間領域において、元のディスクリートな角変位信号θ_Ｄを実線で示しており、一方で、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄを点線で示している。定数のスケーリング係数Ｚは、ギアボックス２の出力対入力比を表す値を有する。

ステップ２６
スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄと、ディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄとの両者は、同じ時間点でサンプリングされた値から構成されているので、ディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄを、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄに同期させることができる。従って、図４に示されているように、ラジアンにおける角変位θに対するディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄを示すことができる。ステップ２６では、同期平均化モジュール１６において、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄに同期したディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄを、再サンプリングベクトルθ_Ｒで与えられた角度位置において再サンプリングする。再サンプリングベクトルθ_Ｒは、角変位値θ_Ｒ，ｐから成る。角変位値θ_Ｒ，ｐは、式（３）のように与えられる。

ここで、Ｍは、平均をとる回数であり、次の計算から取得される。

ここで、平均をとる回数Ｍと、電気機械システム６のシャフト３の完全な回転毎のサンプリング点の数Ｎは、データ記憶モジュール１５に記憶されている定数のパラメータセットＰ２から得られる。このプロセスでは、ステップ２２におけるユーザによる平均をとる望ましい回数Ｍ_{ｉｎｐｕｔ}は、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄの完全な回転の合計数よりも少なくなければならないことに留意すべきである。スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄの完全な回転の合計数よりも大きい数を、ユーザが挿入した場合は、計算（４）によると、平均をとる回数Ｍは、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄの完全な回転の合計数に制限される。再サンプリングベクトルθ_Ｒで与えられた角度位置におけるディスクリートな電流振幅信号Ｗ_Ｄの再サンプリングは、既知の技術を使用して行われる。結果として得られた再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄは、第１のサンプルｐ＝１からｐ＝Ｍ・Ｎまでの範囲にわたるｐ個の連続するサンプルにおける再サンプリングされた固定子電流振幅信号ｙ_ｐから成る。Ｍは、平均をとる回数であり、Ｎは、完全な回転毎のサンプリング点の数である。再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄは、後続するステップで使用される。図５では、再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄは、スケーリングされたディスクリートな角変位信号Ｚ・θ_Ｄのディスクリートな固定子電流振幅信号Ｗ_Ｄを線形区間（ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｖａｌ）で再サンプリングした結果である。

ステップ２７
ステップ２７では、同期平均化モジュール１６において、再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄを、Ｍ個の連続する区間に分割する。各区間は、Ｎ個の連続するサンプルを含んでいるので、再サンプリングされた固定子電流振幅値ｙ_ｐを、ｙ_ｍ，ｎと書くことができる。ここで、ｎは、ｎ＝１からｎ＝Ｎまでの範囲にわたる連続するサンプルであり、ｍは、ｍ＝１からｍ＝Ｍまでの範囲にわたる連続する区間である。図６は、再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄを、等しい長さＮのＭ個の区間に分割するプロセスを詳述した追加の注釈（ａｎｎｏｔａｔｉｏｎ）を有する、ラジアンにおける角変位に対する再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号Ｙ_Ｄのプロットである。

ステップ２８
ステップ２８では、同期平均化モジュール１６において、電気信号の同期平均

を計算する。電気信号の同期平均

は、式（５）を使用して計算される、電気信号のｎ個の平均値

から成る。

従って、電気信号の同期平均

は、式（６）のように計算され得る。

電気信号の同期平均

は、式（７）の計算に従うゼロ乃至２πの範囲における角変位の線形区間でサンプリングされる。

ここで、θ_ｎは、サンプリング点ｎにおけるディスクリートな角変位値である。図７は、ラジアンにおける角変位に対する電気信号の同期平均

のプロットである。

ステップ２９
ステップ２９では、同期平均化モジュール１６において、式（８）に従って、電気信号の同期平均

の尖度（ｋｕｒｔｏｓｉｓ）Ｓを計算する。

電気信号の同期平均

の尖度Ｓの値は、電気信号の同期平均

における大きな局部的な偏差の大きさの基準（ｍｅａｓｕｒｅ）を与える。これは、局部的な欠陥によって生じ得る。局部的な欠陥は、例えば、ギアの歯におけるピッチング（ｐｉｔｔｉｎｇ）又は歯の亀裂（ｃｒａｃｋｉｎｇ）である。本発明の範囲を著しく変更することなく、このステップ中で与えられる尖度演算に代わり得る、時間領域のメトリクス（ｍｅｔｒｉｃｓ）、スペクトル分析、又は時間−周波数分析から、電気信号の同期平均

から情報を抽出するために利用可能な多くの異なる信号処理方法があることが、当業者に分かるであろう。

ステップ３０
ステップ３０では、同期平均化モジュール１６において、データ記憶モジュール１５に記憶されている定数パラメータのセットＰ２から、閾値Ｘを得る。閾値に対する典型的な値はＸ＝３．５である。電気信号の同期平均の尖度Ｓの値が、閾値Ｘよりも低い場合は、ステップ３２において、電気信号の同期平均の尖度Ｓと、電気信号の同期平均

を、出力ユニット１７を介してユーザに示す。電気信号の同期平均の尖度Ｓの値が、閾値Ｘよりも高い場合は、ステップ３１において、電気信号の同期平均の尖度Ｓと、電気信号の同期平均

とに加えて、更に、警告を、出力ユニット１７を介してユーザに示す。

ステップ３１
ステップ３１では、既知の方法を使用して、ステップ３０で得られた電気信号の同期平均

と、尖度Ｓと、警告とを、出力ユニット１８を介してユーザに自動的に供給する。

ステップ３２
ステップ３２では、既知の方法を使用して、電気信号の同期平均

と、尖度Ｓとを、出力ユニット１８を介してユーザに自動的に供給する。更に、本発明の方法は、ステップ２０で再開される。

用語
文字 名前
ａ、ｂ、ｃ 電源デバイスの位相
Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ アナログ電流信号
Ｕ_ａ、Ｕ_ｂ、Ｕ_ｃ アナログ電圧信号
Θ 角変位信号
Ｉ_ａＤ、Ｉ_ｂＤ、Ｉ_ｃＤ、
Ｕ_ａＤ、Ｕ_ｂＤ、Ｕ_ｃＤ ディスクリートな電気信号
θ_Ｄ ディスクリートな角変位信号
Ｐ_１ アナログ波形をディスクリートな信号に変換するプロセスを特徴付ける定数パラメータ
Ｆ_ｓ サンプリングレート
Ｔ_Ｌ 変換される信号の長さ
ｉ_ａ，ｋ サンプリング点ｋにおける電流値
Ｌ 信号に含まれているサンプル数
θ_ｋ サンプリング点ｋにおける角変位値
Ｐ_２ コンピュータデバイス１２に供給される定数パラメータのセット
Ｍｉｎｐｕｔ 平均をとる望ましい回数
Ｎ 電気機械システムのシャフト３の完全な回転毎のサンプリング点の数
Ｘ 警告閾値
Ｚ 定数のスケーリング係数
Ψ_Ｄ ディスクリートな複合固定子電流空間フェーザ信号
Ｗ_Ｄ ディスクリートな固定子電流振幅信号
ｗ_ｋ サンプリング点ｋにおける固定子電流振幅値
Ａ アンペア（Ｗ_Ｄの単位）
θ_ＤＥｓｔ 三相非同期電気モータ１の回転子の角変位の推定値
θ_ｋＥｓｔ サンプリング点ｋにおける推定角変位値
Ｚ・θ_Ｄ スケーリングされたディスクリートな角変位信号
Ｚ・θ_ｋ サンプリング点ｋにおける推定角変位値
θ_Ｒ 再サンプリングベクトル
θ_Ｒ，ｐ サンプリング点ｐにおける角変位値（再サンプリングベクトルθ_Ｒを含む）
Ｍ 平均をとる回数
Ｙ_Ｄ 再サンプリングされたディスクリートな電流振幅信号
ｙ_ｐ サンプリング点ｐにおける再サンプリングされた固定子電流振幅値
ｙ_ｍ，ｎ 区間ｍの中のサンプリング点ｎにおける再サンプリングされた固定子電流振幅値

電気信号の同期平均

サンプリング点ｎにおける電気信号の平均値
Ｓ 電気信号の同期信号

の尖度
以下に、本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
電気機械システムの状態を監視する方法であって、
電気機械システムの複数の電流及び／又は電圧信号を測定するステップと、
前記電気機械システムの対象の回転シャフトの角度位置を測定するか、又は前記電気機械システムの対象の回転シャフトのディスクリートな角度位置の値を推定するステップと、
前記複数の電流及び／又は電圧信号を、前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に同期させるステップと、
複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割するステップと、
幾つかの区間の複数の同期電気信号の平均をとって、平均同期電気信号を取得するステップと、
前記平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出するステップと、
前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較するステップと、
前記制限値を超えている場合に、警報をユーザに示すステップと、
を含む、方法。
［Ｃ２］
次の式、

から計算される、電気信号のＭ個の平均値

から成る、前記電気信号の同期平均

を取得するために、Ｍ回の完全な回転に対応する、Ｍ個の区間の複数の同期電気信号の平均をとり、
ここで、ｙ _ｍ，ｎ は、区間ｍの中のサンプリング点ｎにおける同期電気信号値であり、
Ｎは、前記電気機械システムの前記シャフトの完全な回転毎のサンプリング点の数であり、
Ｍは、平均をとる回数である、［Ｃ１］に記載の方法。
［Ｃ３］
前記電気信号の同期平均の尖度Ｓは、
前記平均同期電気信号の複数の値から前記大きさの特性データを表し、
次の式、

に従って計算される、［Ｃ１］又は［Ｃ２］に記載の方法。
［Ｃ４］
［Ｃ１］乃至［Ｃ４］に記載の方法を実施する装置であって、
電気機械システムの複数の電流及び／又は電圧信号を測定する手段と、
前記電気機械システムの対象の回転シャフトの角度位置を測定する手段か、又は前記電気機械システムの対象の回転シャフトのディスクリートな角度位置の値を推定する手段と、
複数の電流及び／又は電圧信号を、前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に同期させる手段と、
複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割する手段と、
幾つかの区間の複数の同期電気信号の平均をとる手段と、
平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出し、前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較する手段と、
前記制限値を超えている場合に、警報をユーザに示す手段と、
を具備する、装置。
［Ｃ５］
複数の電流及び／又は電圧信号を、前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に同期させる手段と、
複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割する手段と、
幾つかの区間の複数の同期電気信号の平均をとる手段と、
平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出し、前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較する手段は、
コンピュータデバイス（１２）の同期平均化モジュール（１６）に実装されている、［Ｃ４］に記載の装置。
［Ｃ６］
複数の電気機械システムの状態を監視するコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムは、
コンピュータデバイス（１２）のデータ処理ユニット（１３）にロードすることができ、
コンピュータデバイス（１２）のデータ処理ユニット（１３）上で実行可能であり、
前記コンピュータデバイスの前記データ処理ユニットによって実行されたときに、前記コンピュータプログラムは、［Ｃ１］乃至［Ｃ４］に記載の方法を行なう、コンピュータプログラム。

Claims (6)

1. 電気機械システムの状態を監視する方法であって、
   電気機械システムの量の推定値を生成するために、電気機械システムの複数の電流及び／又は電圧信号を測定するステップと、
   前記電気機械システムの対象の回転シャフトのディスクリートな角変位を得るために、前記回転シャフトの角度位置を測定するか、又は、前記電気機械システムの量に基づいて前記回転シャフトの前記ディスクリートな角変位を推定するステップと、
   前記回転シャフトのスケーリングされたディスクリートな角変位を得るために、定数によって、前記回転シャフトの前記ディスクリートな角変位をスケーリングするステップと、
   前記電気機械システムの量を前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に対して関連付けることによって複数の同期電気信号を得るステップと、
   前記複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割するステップと、
   幾つかの区間の前記複数の同期電気信号の平均をとって、平均同期電気信号を取得するステップと、
   前記平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出するステップと、
   前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較するステップと、
   前記制限値を超えている場合に、警報をユーザに示すステップと、
   を含む、方法。
2. 次の式、
   

   

   から計算される、電気信号のＭ個の平均値
   

   

   から成る、前記電気信号の同期平均
   

   

   を取得するために、Ｍ回の完全な回転に対応する、Ｍ個の区間の前記複数の同期電気信号の平均をとり、
   ここで、ｙ_ｍ，ｎは、区間ｍの中のサンプリング点ｎにおける同期電気信号値であり、
   Ｎは、前記電気機械システムの前記回転シャフトの完全な回転毎のサンプリング点の数であり、
   Ｍは、平均をとる回数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記平均同期電気信号の尖度Ｓは、
   前記平均同期電気信号の複数の値から前記大きさの特性データを表し、
   次の式、
   

   

   に従って計算される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法を実施する装置であって、
   電気機械システムの量の推定値を生成するために、電気機械システムの複数の電流及び／又は電圧信号を測定する手段と、
   前記電気機械システムの対象の回転シャフトのディスクリートな角変位を得るために、前記回転シャフトの角度位置を測定する手段か、又は、前記電気機械システムの量に基づいて前記回転シャフトの前記ディスクリートな角変位を推定する手段と、
   前記回転シャフトのスケーリングされたディスクリートな角変位を得るために、定数によって、前記回転シャフトの前記ディスクリートな角変位をスケーリングする手段と、
   前記電気機械システムの量を前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に対して関連付けることによって複数の同期電気信号を取得する手段と、
   前記複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割する手段と、
   平均同期電気信号を取得するために、幾つかの区間の前記複数の同期電気信号の平均をとる手段と、
   前記平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出し、前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較する手段と、
   前記制限値を超えている場合に、警報をユーザに示す手段と、
   を具備する、装置。
5. 前記回転シャフトのスケーリングされたディスクリートな角変位を得るために、定数によって、前記回転シャフトの前記ディスクリートな角変位をスケーリングする手段と、
   前記電気機械システムの量を前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に対して関連付けることによって複数の同期電気信号を取得する手段と、
   前記複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割する手段と、
   平均同期電気信号を取得するために、幾つかの区間の前記複数の同期電気信号の平均をとる手段と、
   前記平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出し、前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較する手段は、
   コンピュータデバイス（１２）の同期平均化モジュール（１６）に実装されている、請求項４に記載の装置。
6. 複数の電気機械システムの状態を監視するコンピュータプログラムであって、
   前記コンピュータプログラムは、
   コンピュータデバイス（１２）のデータ処理ユニット（１３）にロードすることができ、
   コンピュータデバイス（１２）のデータ処理ユニット（１３）上で実行可能であり、
   前記コンピュータデバイスの前記データ処理ユニットによって実行されたときに、前記コンピュータプログラムは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法を行なう、コンピュータプログラム。

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