JP6159857B2

JP6159857B2 - 表面電位分布計測装置および表面電位分布計測方法

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Publication number: JP6159857B2
Application number: JP2016156280A
Authority: JP
Inventors: 雄一坪井; 慎一郎山田; 哲夫吉満; 亜紀子熊田; 久利池田; 邦彦日高
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2016206206A

Description

本発明は、回転電機の電界緩和システムの表面電位分布計測装置、および、表面電位分布計測方法に関する。

インバータにより回転電機を駆動させるインバータ駆動回転電機システムが開発普及してきている。そのインバータ駆動システムにおいて、インバータは、スイッチング動作により直流電圧からパルス電圧に変換し、そのパルス電圧を、ケーブルを介して回転電機に供給する。回転電機は、このパルス電圧により駆動する。

従来、高電圧回転電機では、特に固定子コイルの鉄心端部付近で発生する部分放電や発熱の発生を防ぐために、固定子鉄心端部付近のコイル表面に、固定子鉄心スロット内から導出される低抵抗層と該低抵抗層に一部重ねて形成される電界緩和層とを組み合わせた電界緩和システムが施される例が多い。

一方、インバータ駆動システムでは、インバータとケーブルと回転電機とのインピーダンス不整合により、反射波が発生する。その反射波がパルス電圧に重畳することにより、ケーブルと回転電機との間の部分、特に、ケーブルと回転電機との接続部で、高電圧ノイズ、いわゆる、インバータサージが発生する可能性がある。

これらインバータサージを含むパルス電圧（以下、インバータパルス電圧と称する）が繰り返し発生した場合、上述した鉄心端部の固定子コイル（以下、固定子コイルエンドと称する）には、商用周波数による運転時に発生する部分放電や発熱がより大きくなり、電界緩和システム上でも、信頼性に支障をきたす部分放電や発熱が生じ、最終的に、固定子コイルの信頼性を著しく減じる可能性がある。

この部分放電や発熱の発生は電界緩和システムの表面電位に依存する（非特許文献１参照）。そのため、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を正しく計測する技術が強く望まれてきた。

特開２０１１−２２００７号公報

熊田亜紀子、千葉政邦、日高邦彦「ポッケルス効果を用いた負極性沿面放電進展時の電位分布直接測定」電気学会論文誌ＡＶｏｌ．１１８−ＡＮｏ．６ｐｐ．７２３−７２８（１９９８−６）

表面電位を計測する場合、通常、表面電位計が用いられる（特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、電界緩和システムにプローブを接触または接近させて、表面電位計で計測される表面電位を用いて非線形抵抗を算出している。

しかし、インバータパルス電圧は、ｋＨｚオーダー以上の高周波成分を有している。この場合、表面電位計は、上述の高周波成分に追従できず、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。

また、プローブには、通常、金属材料が用いられる。このため、電界緩和システムにプローブを接触または接近させる方法では、電界緩和システムとプローブとの間で静電気が発生する可能性がある。また、インバータサージが発生したときなどには電界緩和システムとプローブとの間でコロナ放電が発生する可能性がある。このように、測定点に金属材料を用いる場合、測定対象への擾乱により、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。

本発明が解決しようとする課題は、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することにある。

本発明の表面電位分布計測装置は、回転電機の固定子コイルの端部である固定子コイルエンドに施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、レーザ光を出射するレーザと、前記レーザから出射された前記レーザ光が一端面に入射され、前記レーザ光の伝搬方向に沿って長手方向に延びたポッケルス結晶と、前記ポッケルス結晶の他端面に設けられ、前記ポッケルス結晶の一端面から入射された前記レーザ光を入射方向とは反対方向に反射するミラーと、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を入射して、前記レーザ光の光強度として、前記ポッケルス結晶の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧に対応する検出光強度を検出する光検出器と、試験前に行われる電圧校正処理において、前記ミラーの裏面に対して各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ミラーの裏面に前記入力電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、試験時に行われる表面電位測定処理において、前記ミラーの裏面に前記電界緩和システムの表面の一部が試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性から、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、を具備し、隣接する前記電界緩和システムである第１電界緩和システムおよび第２電界緩和システムに対して前記表面電位測定処理が行われたとき、前記演算部は、同一の前記試験箇所において、前記第１電界緩和システムの前記表面電位と前記第２電界緩和システムの前記表面電位との電位差である表面電位差を算出することを特徴とする。

パルス電圧に追従し回転電機の固定子コイルの端部である固定子コイルエンドに施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測方法であって、レーザによりレーザ光を、前記レーザ光の伝搬方向に沿って長手方向に延びたポッケルス結晶の一端面から他端面に向かって出射するステップと、前記ポッケルス結晶の他端面に設けられたミラーにより、前記ポッケルス結晶の一端面から入射された前記レーザ光を入射方向とは反対方向に反射するステップと、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有する光検出器により、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を入射して、前記レーザ光の光強度として、前記ポッケルス結晶の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧に対応する検出光強度を検出するステップと、試験前に行われる電圧校正処理において、前記ミラーの裏面に対して各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ミラーの裏面に前記入力電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性を電圧校正データベースに格納するステップと、試験時に行われる表面電位測定処理において、前記ミラーの裏面に前記電界緩和システムの表面の一部が試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性から、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定するステップと、を具備し、隣接する前記電界緩和システムである第１電界緩和システムおよび第２電界緩和システムに対して前記表面電位測定処理が行われたとき、前記演算部は、同一の前記試験箇所において、前記第１電界緩和システムの前記表面電位と前記第２電界緩和システムの前記表面電位との電位差である表面電位差を算出することを特徴とする。

本発明によれば、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができる。

第１実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を示すブロック図である。簡易的に表した回転電機の固定子、電界緩和システム、および、表面電位分布計測装置のポッケルス結晶の斜視図である。電圧校正処理における入力電圧対出力電圧特性を示す図である。回転電機の固定子と電界緩和システムとの概略断面に対応付けて、表面電位測定処理における試験箇所対表面電位特性を示す図である。電圧校正処理の一例を示すフローチャートである。表面電位測定処理の一例を示すフローチャートである。第２実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を示すブロック図である。電位差算出処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る表面電位分布計測装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る表面電位分布計測装置１の構成を示すブロック図である。図２は、簡易的に表した回転電機の固定子、電界緩和システム３、および、表面電位分布計測装置１のポッケルス結晶２３の斜視図である。

表面電位分布計測装置１は後述の電界緩和システム３に適用され、その電界緩和システム３は、インバータ駆動の回転電機に施される。

その回転電機について、図２を用いて説明する。ここで、後述の電界緩和システム３に直接関連しない構成要素については図示を省略している。

回転電機は固定子と回転子とを具備している。回転子は固定子の内部に配置されて回転する。

回転子は回転軸と回転子コアと回転子コイルとを具備している。回転子コアは回転軸とともに回転する。回転子コイルは回転子コアに巻回される。

固定子は、固定子コア１１と、固定子コイルと、主絶縁層１３と、を具備している。

固定子コア１１は、回転子の径方向外側に所定間隔に配置される。固定子コア１１の内周縁に沿って所定間隔にスロットが形成されている。

そのスロット内には、コイル導体１２であるハーフターンコイルが収納される。固定子コアの外ではハーフターンコイル同士が結線される。すなわち、ハーフターンコイル同士が電気的に接続され、固定子コイルが製作される。この固定子コイルがＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して製作されることにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相巻線コイルが製作される。

固定子コイルの外周には、固定子コイルに対して絶縁被覆を行うための主絶縁層１３が設けられる。具体的には、固定子コイルの外周には、マイカエポキシを主成分とする対地絶縁テープが主絶縁層１３として巻回される（図４参照）。

主絶縁層１３が設けられた固定子コイルの端部（以下、固定子コイルエンド１６と称する）は直接発電に寄与する部分ではないため、固定子コイルエンド１６におけるハーフターンコイル同士の結線部が３次元的に曲げられた（湾曲された）形状が採用される。いわゆる、インボリュート形状が採用される。これにより、回転電機をコンパクトにすることができる。

固定子コイルエンド１６には、後述のコロナ放電の発生を防ぐための電界緩和システム３が施される。次に、電界緩和システム３について、図２を用いて説明する。

電界緩和システム３は、低抵抗層１４と、電界緩和層１５と、を具備している。

固定子コイルエンド１６の主絶縁層１３と固定子コア１１のスロット壁面に面する部分との間では、コロナ放電である部分放電が発生する可能性がある。その部分放電の発生を防ぐために、主絶縁層１３の外周には、低抵抗層１４が設けられる。具体的には、主絶縁層１３の外周には、主絶縁層１３が固定子コア１１の内周に対面する部分から、主絶縁層１３が固定子コア１１の外に露出される部分まで、低抵抗半導電テープが低抵抗層１４として巻回される（図４参照）。固定子コア１１の外に設けられた低抵抗層１４の幅（以下、低抵抗層１４の端部１７と称する）は数十ミリ程度である。

低抵抗層１４は固定子コア１１とともに接地される。そのため、コイル導体１２に電圧（交流電圧）が印加された場合、コイル導体１２が駆動電極となり、低抵抗層１４が接地電極となる。この場合、コイル導体１２と固定子コア１１内の低抵抗層１４との間で生じる等電位線は略並行となる。一方、コイル導体１２と固定子コイルエンド１６における低抵抗層１４との間で生じる等電位線は、主絶縁層１３の厚み方向に分布する。固定子コイルエンド１６では、主絶縁層１３とコイル導体１２との比誘電率の相違やコイル導体１２の表面の抵抗率に依存して等電位線が密に分布する。このため、固定子コイルエンド１６の表面では電位傾度が大きくなり、固定子コイルエンド１６の沿面方向に電界が集中する。特に、低抵抗層１４の端部１７においては、電位傾度が著しく大きくなり、コロナ放電である部分放電または沿面放電が発生しやすくなる。したがって、部分放電または沿面放電の発生を防ぐために、低抵抗層１４の端部１７と固定子コイルエンド１６の主絶縁層１３との外周には、電界緩和層１５が設けられる。具体的には、固定子コイルエンド１６の主絶縁層１３の外周には、電位傾度を緩やかにするための高抵抗半導電テープが電界緩和層１５として、低抵抗層１４の端部１７を覆うように巻回される（図４参照）。

次に、表面電位分布計測装置１について、図１を用いて説明する。表面電位分布計測装置１は、固定子コイルエンド１６に施された電界緩和システム３の表面電位を計測する。

表面電位分布計測装置１は、半導体レーザ発生器（以下、レーザと称する）２１と、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと称する）２２と、ポッケルス結晶２３と、誘電体ミラー（以下、ミラーと称する）２４と、光検出器２５と、演算装置３０と、を具備している。

レーザ２１は、電界緩和システム３の長手方向（ｙ方向）に垂直な入射方向（ｘ方向）に向かって、レーザ光を出射する。そのレーザ光は、その波長が５３２．０ｎｍであり、最大出力が１０ｍＷであり、口径が０．３４ｍｍである。ここではレーザ光の波長を、５３２．０ｎｍとしているが、ポッケルス結晶２３内や工学部品内を大きく減衰することなく伝搬できれば良い。

レーザ光は直線偏光であり、その直線偏光の偏波面は、入射方向ｘおよび長手方向ｙに垂直な方向（ｚ方向）に対して平行である。

ＰＢＳ２２は、上記直線偏光だけを通過させる。ＰＢＳ２２は、レーザ２１から出射されたレーザ光を入射方向ｘに向かって通過させる。

ポッケルス結晶２３は、その長手方向が入射方向ｘに平行になるように配置され、レーザ２１およびＰＢＳ２２とともに入射方向ｘに並べて配置されている。ポッケルス結晶２３の一端面は接地されている。または、ポッケルス結晶２３の一端面は電源装置により０［Ｖ］にしている。ＰＢＳ２２からのレーザ光は、ポッケルス結晶２３の一端面に入射され、ポッケルス結晶２３の一端面に交わらない他端面に向かう。

ミラー２４の表面は、ポッケルス結晶２３の他端面に設けられている。ミラー２４の裏面には測定対象物から電圧がかけられる。すなわち、ポッケルス結晶２３の他端面には電圧がかけられる。その測定対象物は電界緩和システム３である。

ミラー２４の裏面には、電界緩和システム３の表面の一部が試験箇所として設けられる。具体的には、ミラー２４の裏面は、試験箇所に対して所定距離だけ離れて設けられる。その所定距離は、本実施形態においては１ｍｍとしたが、空間分解能を考慮して変更される。ミラー２４は、ポッケルス結晶２３の一端面から入射されたレーザ光を入射方向ｘとは反対方向に反射する。

ポッケルス結晶２３は、“結晶点群３ｍ”に属する圧電性のある等方性結晶であり、ポッケルス効果を発生させる。ポッケルス効果とは、誘電体の等方性結晶に電場（電圧）をかけたときに複屈折性を示す現象であり、そのときの電圧に比例して屈折率（光強度）が変化するものである。ポッケルス結晶２３としては、ＢＧＯ（Ｂｉ１２ＧｅＯ２０）結晶などが例示される。

ポッケルス結晶は、結晶方位と入射光の伝搬方向との成す向きにより、外部電場の光の伝搬方向と平行もしくは垂直な成分に対して感度を持たせることができる。前者は縦型変調、後者は横型変調と呼ばれる。“結晶点群３ｍ”に属するポッケルス結晶は縦型変調配置が行える結晶であり、縦型変調配置とした場合、光強度は、外部電場の光路に平行な成分の積分値、即ち電圧に比例して変化する。

ミラー２４により反射されたレーザ光の光強度は、ポッケルス結晶２３の一端面と他端面との間（以下、両面間とも称する）の電位差である出力電圧ＶＰｏｕｔに対応する。

ＰＢＳ２２は、ミラー２４により反射されたレーザ光を長手方向ｙ（本実施形態では長手方向ｙとは反対方向）に通過させる。

光検出器２５は、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有している。その光検出器２５は、ＰＢＳ２２に対して長手方向ｙ（本実施形態では長手方向ｙとは反対方向）に配置されている。光検出器２５にはＰＢＳ２２からのレーザ光が入射される。光検出器２５は、そのレーザ光の光強度として、検出光強度Ｐｏｕｔを検出する。

検出光強度Ｐｏｕｔは、ポッケルス結晶２３の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧ＶＰｏｕｔに対応する。その検出光強度Ｐｏｕｔは、出力電圧ＶＰｏｕｔの余弦関数として下式のように表される。

Ｐｏｕｔ＝（Ｐｉｎ／２）×｛１−ｃｏｓ（π（ＶＰｏｕｔ／Ｖπ）−θ０）｝
上記余弦関数において、Ｐｉｎはポッケルス結晶２３の入射光強度であり、Ｖπは半波長電圧であり、θ０は波長板によって与える位相差（任意）である。本実施形態では、検出光強度Ｐｏｕｔにより、上記余弦関数の逆関数からポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔを求めている。ポッケルス結晶２３は、１００ｍｍ長と比較的長い結晶を用いているため、ポッケルス結晶２３を近づけることによる誘電体表面の電界分布の乱れは小さい。そのため、ポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔは、測定対象である電界緩和システム３の表面電位に比例する。

演算装置３０は、光検出器２５および出力装置３４に接続されたコンピュータであり、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と記憶装置とを具備している。記憶装置にはコンピュータプログラムが格納され、ＣＰＵは、記憶装置からコンピュータプログラムを読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。出力装置３４としては表示装置や印刷装置が例示される。演算装置３０は、ＣＰＵの機能ブロックとして、演算部３１と、電圧校正データベース３２と、表面電位測定データベース３３と、を具備している。

次に、第１実施形態に係る表面電位分布計測装置１の動作について説明する。

表面電位分布計測装置１は、試験前に後述の電圧校正処理を行い、その後の試験時に後述の表面電位測定処理を行う。演算部３１は、電圧校正処理により電圧校正データベース３２を構築し、表面電位測定処理により電圧校正データベース３２を参照する。演算部３１には、たとえば試験者の入力操作により電圧校正処理または表面電位測定処理が設定される。

図５は、電圧校正処理の一例を示すフローチャートである。

まず、演算部３１に電圧校正処理が設定される（ステップＳ１１；電圧校正設定処理）。

次に、表面電位分布計測装置１のポッケルス結晶２３の端部に設けられたミラー２４の裏面に対して、たとえば５０Ｈｚの交流電圧が入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］として印加される（ステップＳ１２；入力電圧印加処理）。

このとき、レーザ２１から出射されたレーザ光はＰＢＳ２２およびポッケルス結晶２３を介してミラー２４により反射され、ミラー２４により反射されたレーザ光はポッケルス結晶２３およびＰＢＳ２２を介して光検出器２５に入射される。光検出器２５は、ＰＢＳ２２からのレーザ光の光強度を検出光強度Ｐｏｕｔとして検出する（ステップＳ１３；光強度検出処理）。

電圧校正処理において、演算部３１は、次の処理を行う。

まず、演算部３１は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Ｐｏｕｔからポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を算出する。すなわち、検出光強度Ｐｏｕｔから、検出光強度Ｐｏｕｔに対応する出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を導き出す（ステップＳ１４；出力電圧算出処理）。

演算部３１は、たとえば試験者の入力操作により入力される上述の入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］とともに、上記出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を電圧校正データベース３２に格納する（ステップＳ１５；出力電圧格納処理）。

その後、電圧校正処理を終了しない場合（ステップＳ１６−ＮＯ）、入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］を変えながら、上述のステップＳ１１〜Ｓ１５を繰り返す。

これにより、電圧校正データベース３２には、各々異なる入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］と、そのときのポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納される。すなわち、図３に示されるような入力電圧対出力電圧特性が生成され、電圧校正データベース３２が構築される。

図３は、電圧校正処理における入力電圧対出力電圧特性を示す図である。演算部３１は、電圧校正データベース３２を参照して、各々異なる入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］とポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］との関係からフィッティングを行い、電圧校正の関係式を求めることにより、図３に示されるような入力電圧対出力電圧特性を得ることができる。

電圧校正処理を終了する場合（ステップＳ１６−ＹＥＳ）、演算部３１は、電圧校正データベース３２に格納された入力電圧対出力電圧特性を出力装置３４に出力する。出力装置３４が表示装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が表示装置に表示され、出力装置３４が印刷装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が印刷装置により印字される（ステップＳ１７；入力電圧対出力電圧特性出力処理）。

図６は、表面電位測定処理の一例を示すフローチャートである。

まず、演算部３１に表面電位測定処理が設定される（ステップＳ２１；表面電位測定設定処理）。

次に、表面電位分布計測装置１のポッケルス結晶２３の端部に設けられたミラー２４の裏面に対して、電界緩和システム３の表面の一部が試験箇所として設けられる。固定子コイルエンド１６の両端部のうちの、固定子コア１１に接している一端部を第１位置Ｐ（Ｐ＝０）［ｍｍ］とし、その他端部を第２位置Ｑ［ｍｍ］とした場合、試験箇所Ｌ［ｍｍ］は、第１位置Ｐから長手方向ｙに延びる距離を表している（ステップＳ２２；試験箇所配置処理）。

次に、回転電機の固定子コイルに対して、たとえば周波数が５０Ｈｚであり、波高値が１０ｋＶの交流電圧が試験電圧として印加される（ステップＳ２３；試験電圧印加処理）。

このとき、レーザ２１から出射されたレーザ光はＰＢＳ２２およびポッケルス結晶２３を介してミラー２４により反射され、ミラー２４により反射されたレーザ光はポッケルス結晶２３およびＰＢＳ２２を介して光検出器２５に入射される。光検出器２５は、ＰＢＳ２２からのレーザ光の光強度を検出光強度Ｐｏｕｔとして検出する（ステップＳ２４；光強度検出処理）。

表面電位測定処理において、演算部３１は、次の処理を行う。

まず、演算部３１は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Ｐｏｕｔからポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を算出する。すなわち、検出光強度Ｐｏｕｔから、検出光強度Ｐｏｕｔに対応する出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を導き出す。ここで、出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を試験時出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］とする（ステップＳ２５；出力電圧算出処理）。

演算部３１は、電圧校正データベース３２に格納された入力電圧対出力電圧特性から、試験時出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］に対応する入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］を電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］として特定する（ステップＳ２６；表面電位特定処理）。

演算部３１は、たとえば試験者の入力操作により入力される上述の試験箇所Ｌ［ｍｍ］とともに、上記表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を表面電位測定データベース３３に格納する（ステップＳ２７；表面電位格納処理）。

その後、表面電位測定処理を終了しない場合（ステップＳ２８−ＮＯ）、試験箇所Ｌ［ｍｍ］を変えながら、上述のステップＳ２１〜Ｓ２７を繰り返す。たとえば、ミラー２４の裏面に対して、第１位置Ｐから第２位置Ｑまで各々異なる位置に試験箇所Ｌが設けられたときに、演算部３１は、各々異なる試験箇所Ｌ［ｍｍ］と、そのときに特定される電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］とを表面電位測定データベース３３に格納する。

これにより、表面電位測定データベース３３には、各々異なる試験箇所Ｌ［ｍｍ］と、そのときに特定される電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］との関係を示す試験箇所対表面電位特性が格納される。すなわち、演算部３１は、表面電位測定データベース３３を用いて、図４に示されるような試験箇所対表面電位特性を生成する。

図４は、回転電機の固定子と電界緩和システム３との概略断面に対応付けて、表面電位測定処理における試験箇所対表面電位特性を示す図である。図４に示されるように、第１位置Ｐから第２位置Ｑまで長手方向ｙに表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を計測した結果、表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］の傾きは低抵抗層１４と電界緩和層１５との境界領域から長手方向ｙに向かって急になり、この境界領域で高い電界が生じていることがわかる。

表面電位測定処理を終了する場合（ステップＳ２８−ＹＥＳ）、演算部３１は、表面電位測定データベース３３に格納された試験箇所対表面電位特性を出力装置３４に出力する。出力装置３４が表示装置である場合、試験箇所対表面電位特性が表示装置に表示され、出力装置３４が印刷装置である場合、試験箇所対表面電位特性が印刷装置により印字される（ステップＳ２９；試験箇所対表面電位特性出力処理）。

さらに、ステップＳ２９において、演算部３１は、表面電位測定データベース３３に格納された試験箇所対表面電位特性から、各々異なる試験箇所Ｌ［ｍｍ］のうちの、第１試験箇所Ｌ１［ｍｍ］と第２試験箇所Ｌ２［ｍｍ］との２点間における電界Ｅ［ｋＶ／ｍ］を算出し、電界Ｅ［ｋＶ／ｍ］を表す値を出力装置３４に出力してもよい。ここで、第１試験箇所Ｌ１［ｍｍ］に対応する表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を第１表面電位Ｖｓｕｆ１［ｋＶ］とし、第２試験箇所Ｌ１［ｍｍ］に対応する表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を第２表面電位Ｖｓｕｆ２［ｋＶ］とした場合、演算部３１は、Ｅ＝（Ｖｓｕｆ２−Ｖｓｕｆ１）／（Ｌ２−Ｌ１）により、電界Ｅ［ｋＶ／ｍ］を算出する。ここで、第１試験箇所Ｌ１［ｍｍ］および第２試験箇所Ｌ２［ｍｍ］は任意で選択されてもよいし、第２試験箇所Ｌ［ｍｍ］は第１試験箇所Ｌ［ｍｍ］の次の試験箇所として選択されてもよい。

以上の説明により、第１実施形態の表面電位分布計測装置１では、レーザ２１と電界緩和システム３の表面（試験箇所Ｌ）との間のポッケルス結晶２３を用いている。すなわち、ポッケルス結晶２３によりポッケルス効果を利用している。これにより、レーザ２１によりレーザ光を試験箇所Ｌに向けて出射した場合、ポッケルス結晶２３と試験箇所Ｌとの間のミラー２４に反射されたレーザ光の光強度は、ポッケルス結晶２３の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧ＶＰｏｕｔに対応する。このため、表面電位分布計測装置１は、そのレーザ光の光強度（出力電圧ＶＰｏｕｔ）から、電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆを計測することができる。

また、第１実施形態の表面電位分布計測装置１では、前述のインバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有する光検出器２５を用いている。これにより、インバータパルス電圧が発生した場合でも、ポッケルス結晶２３と試験箇所Ｌとの間のミラー２４に反射されたレーザ光の光強度は、光検出器２５により検出される。このため、表面電位分布計測装置１は、そのレーザ光の光強度（出力電圧ＶＰｏｕｔ）から、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆを計測することができる。

また、第１実施形態の表面電位分布計測装置１では、試験前に行われる電圧校正処理において、ミラー２４の裏面に対して各々異なる入力電圧Ｖｉｎが印加されたときに、各々異なる入力電圧Ｖｉｎとそのときのポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ（光検出器２５により検出された検出光強度Ｐｏｕｔ）との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が電圧校正データベース３２に格納される。このため、試験時に行われる表面電位測定処理において、ミラー２４の裏面に電界緩和システム３の表面の一部が試験箇所Ｌとして配置された場合、固定子コイルに電圧が印加されたときのポッケルス結晶２３の出力電圧ＶＰｏｕｔ（光検出器２５により検出された検出光強度Ｐｏｕｔ）を試験時出力電圧Ｖｏｕｔとし、電圧校正データベース３２に格納された入力電圧対出力電圧特性から、試験時出力電圧Ｖｏｕｔに対応する入力電圧Ｖｉｎを電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆとして特定することができる。

また、第１実施形態の表面電位分布計測装置１では、測定点（試験箇所）に金属材料を用いていないため、測定対象への擾乱を最小限に抑えることができる。

このように、第１実施形態の表面電位分布計測装置１によれば、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について、第１実施形態の変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第１実施形態と同様である。

第２実施形態に係る表面電位分布計測装置１の動作について説明する。

表面電位分布計測装置１は、試験前に前述の電圧校正処理を行い、その後の試験時に前述の表面電位測定処理および後述の電位差算出処理を行う。演算部３１には、たとえば試験者の入力操作により、電圧校正処理、または、表面電位測定処理および電位差算出処理が設定される。

図７は、第２実施形態に係る表面電位分布計測装置１の構成を示すブロック図である。

表面電位測定データベース３３は、各々異なる電界緩和システム３に対して割り当てられる。すなわち、表面電位測定データベース３３は、電界緩和システム３の数に対応して演算装置３０に設けられる。

図８は、電位差算出処理の一例を示すフローチャートである。

まず、隣接する電界緩和システム３である第１電界緩和システム３Ａおよび第２電界緩和システム３Ｂに対して前述の表面電位測定処理が行われる。このとき、演算部３１には、たとえば試験者の入力操作により、電位差算出処理が設定される（ステップＳ３１；電位差算出設定処理）。

電位差算出処理において、演算部３１は、次の処理を行う。

演算部３１は、第１電界緩和システム３Ａおよび第２電界緩和システム３Ｂに割り当てられた表面電位測定データベース３３に同一の試験箇所Ｌが格納されているか否かを確認する（ステップＳ３２）。

同一の試験箇所Ｌが格納されている場合（ステップＳ３２−ＹＥＳ）、演算部３１は、その同一の試験箇所Ｌにおいて、第１電界緩和システム３Ａの表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］と第２電界緩和システム３Ｂの表面電位Ｖｓｕｆと［ｋＶ］の電位差である表面電位差ＶＡＢ［ｋＶ］を算出する。ここで、第１電界緩和システム３Ａの表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を第１電界緩和システム表面電位Ｖｓｕｆ３１［ｋＶ］とし、第２電界緩和システム３Ｂの表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を第２電界緩和システム表面電位Ｖｓｕｆ３２［ｋＶ］とした場合、演算部３１は、ＶＡＢ＝Ｖｓｕｆ３２−Ｖｓｕｆ３１により、表面電位差ＶＡＢ［ｋＶ］を算出する（ステップＳ３３；表面電位差算出処理）。

前述の表面電位測定処理が終了した場合（ステップＳ３４−ＹＥＳ）、演算部３１は、ステップＳ２９において試験箇所対表面電位特性および電界Ｅ［ｋＶ／ｍ］を表す値を出力装置３４に出力するとともに、表面電位差ＶＡＢ［ｋＶ］を表す値を出力装置３４に出力する（ステップＳ３５；表面電位差出力処理）。

このように、第２実施形態の表面電位分布計測装置１によれば、隣接する電界緩和システム３の電位差を計測することができる。

以上、本発明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。この新規な実施形態は、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、変更することができる。この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 … 表面電位分布計測装置
３ … 電界緩和システム
１１ … 固定子コア
１２ … コイル導体
１３ … 主絶縁層
１４ … 低抵抗層
１５ … 電界緩和層
１６ … 固定子コイルエンド
１７ … 低抵抗層の端部
２１ … レーザ（半導体レーザ発生器）
２２ … ＰＢＳ
２３ … ポッケルス結晶
２４ … ミラー（誘電体ミラー）
２５ … 光検出器
３０ … 演算装置
３１ … 演算部
３２ … 電圧校正データベース
３３ … 表面電位測定データベース
３４ … 出力装置

Claims

回転電機の固定子コイルの端部である固定子コイルエンドに施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、
レーザ光を出射するレーザと、
前記レーザから出射された前記レーザ光が一端面に入射され、前記レーザ光の伝搬方向に沿って長手方向に延びたポッケルス結晶と、
前記ポッケルス結晶の他端面に設けられ、前記ポッケルス結晶の一端面から入射された前記レーザ光を入射方向とは反対方向に反射するミラーと、
インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を入射して、前記レーザ光の光強度として、前記ポッケルス結晶の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧に対応する検出光強度を検出する光検出器と、
試験前に行われる電圧校正処理において、前記ミラーの裏面に対して各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ミラーの裏面に前記入力電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、
試験時に行われる表面電位測定処理において、前記ミラーの裏面に前記電界緩和システムの表面の一部が試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性から、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、
を具備し、
隣接する前記電界緩和システムである第１電界緩和システムおよび第２電界緩和システムに対して前記表面電位測定処理が行われたとき、前記演算部は、同一の前記試験箇所において、前記第１電界緩和システムの前記表面電位と前記第２電界緩和システムの前記表面電位との電位差である表面電位差を算出することを特徴とする表面電位分布計測装置。
パルス電圧に追従し回転電機の固定子コイルの端部である固定子コイルエンドに施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測方法であって、
レーザによりレーザ光を、前記レーザ光の伝搬方向に沿って長手方向に延びたポッケルス結晶の一端面から他端面に向かって出射するステップと、
前記ポッケルス結晶の他端面に設けられたミラーにより、前記ポッケルス結晶の一端面から入射された前記レーザ光を入射方向とは反対方向に反射するステップと、
インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有する光検出器により、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を入射して、前記レーザ光の光強度として、前記ポッケルス結晶の一端面と他端面との間の電位差である出力電圧に対応する検出光強度を検出するステップと、
試験前に行われる電圧校正処理において、前記ミラーの裏面に対して各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ミラーの裏面に前記入力電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性を電圧校正データベースに格納するステップと、
試験時に行われる表面電位測定処理において、前記ミラーの裏面に前記電界緩和システムの表面の一部が試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性から、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定するステップと、
を具備し、
隣接する前記電界緩和システムである第１電界緩和システムおよび第２電界緩和システムに対して前記表面電位測定処理が行われたとき、前記演算部は、同一の前記試験箇所において、前記第１電界緩和システムの前記表面電位と前記第２電界緩和システムの前記表面電位との電位差である表面電位差を算出することを特徴とする表面電位分布計測方法。