JP6404424B1 - 巻線短絡診断装置および巻線短絡診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線のどのあたりで短絡が発生しているのかを特定すること。【解決手段】ティース２２ｂ毎に巻かれた三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに生じる磁界を、磁界センサ６を用いて当該ティース２２ｂの延出方向に沿って所定間隔ｄ毎に計測すると共に、三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに流れる交流電流ＡＣＩと計測位置ｔi毎の出力電圧Ｖｓとの位相差を比較することによって磁界センサ６により計測される磁界の向きを決定し、当該磁界の向きを考慮した出力電圧Ｖｓを予め設定した閾値と比較して、三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに短絡が発生しているか否かを判定する。これにより、ティース２２ｂに巻かれた三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗのどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる。【選択図】図６

Description

本発明は、円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線の短絡を診断する巻線短絡診断装置および巻線短絡診断方法に関する。

特開平２００９−１１５５０５号公報（特許文献１）には、電動機や発電機のような回転機の内部の巻線のうち任意の相の巻線の端子間にインパルス電圧を印加すると共に、当該インパルス電圧の印加によって巻線の端子間に発生する振動電圧の波形を検出し、当該検出した振動電圧の波形を予め作成しておいた正常巻線（短絡が発生していない巻線）の振動電圧の波形と比較することにより、巻線の短絡発生の有無を診断する巻線短絡診断装置が記載されている。

当該巻線短絡診断装置では、どの相の巻線で短絡が発生しているのか、例えば、三相誘導電動機であれば、短絡がＵ相で発生しているのか、それともＶ相やＷ相で発生しているのかを特定することができる。

ところで、電動機や発電機のような回転機の内部の巻線において、どのあたりに巻かれている巻線で短絡が発生しているのかを特定することができたならば、短絡が発生しやすい傾向にある箇所の情報を設計段階へフィードバックすることができ、短絡が起こりやすい箇所での構造的もしくは強度的な対策を施すことができるため、電動機や発電機といった回転機の短絡発生割合を低下させることにつながり、大きなメリットとなる。

本出願人も、こうした観点から、特開２０１６−１１６３０１号公報（特許文献２）において、スロット毎に磁界の変化を計測することによって、いずれのスロットに巻回された巻線で短絡発生しているのかを特定することができる巻線短絡診断装置を提案しているが、当該装置は分布巻構造を採用した回転機の短絡診断に適用することができるものの、集中巻構造を採用した回転機の短絡診断には適用することができず、集中巻構造を採用した回転機のティースに巻かれた巻線において、どのあたりで短絡が発生しているのかを特定するという点においては、なお改良の余地がある。

特開２００９−１１５５０５号公報 特開２０１６−１１６３０１号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線のどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる巻線短絡診断装置および巻線短絡診断方法を提供することを主目的とする。

本発明に係る巻線短絡診断装置の好ましい形態によれば、円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線の短絡を診断する巻線短絡診断装置が構成される。当該巻線短絡診断装置では、巻線の端子間に交流電圧を印加するように構成された電圧発振部と、交流電圧の印加に応じてティース毎に巻かれた巻線に生じる磁界をティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測する磁界センサと、当該磁界センサによって計測された所定間隔毎の磁界の強さを計測位置に紐づけて記憶する記憶手段と、記憶した磁界の強さと閾値とを比較する比較手段と、記憶した磁界の強さの全てが閾値の範囲内である場合には巻線には短絡が発生していないと判定すると共に記憶した磁界の強さのいずれかが閾値の範囲外である場合には当該閾値の範囲外と判定された磁界の強さと紐づけされた計測位置において巻線に短絡が発生していると判定する判定手段と、を備えている。

ここで、本願発明における「磁界の強さ」とは、ティース毎に巻かれた巻線に生じる磁束密度の大きさ、あるいは、当該磁束密度の大きさに比例した電圧がこれに該当する。

本発明によれば、ティース毎に巻かれた巻線に生じる磁界をティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測すると共に、計測位置毎（所定間隔毎）の磁界の強さを閾値と比較することによって、巻線に短絡が発生しているか否かを判定する構成であるため、ティースに巻かれた巻線のどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる。これにより、短絡が発生しやすい傾向にある箇所の情報を取得し得るため、当該情報を設計段階へフィードバックすることによって、短絡が起こりやすい箇所での構造的もしくは強度的な対策を施すことができ、電動機や発電機といった回転機の短絡発生割合を低下させることにつながり、品質向上に寄与し得る。

本発明に係る巻線短絡診断装置の更なる形態によれば、磁界センサは、磁界の強さとして磁束密度の大きさに比例した出力電圧を出力するように構成されている。また、記憶手段は、電圧発振部によって巻線の端子間に印加された交流電圧または当該交流電圧に起因して巻線に流れる交流電流と、磁界センサによって出力された出力電圧と、を同期して記憶するように構成されている。そして、判定手段は、記憶された交流電圧または交流電流と、出力電圧と、の関係にもとづき磁界の方向を決定し、当該磁界の方向を考慮して磁界の強さが閾値の範囲内であるか否かを判定するように構成されている。

本形態によれば、磁界の方向を考慮した磁界の強さをもって閾値の範囲内であるか否かの判定を行う構成であるため、短絡発生の有無をより精度よく診断することができる。即ち、集中巻きではティースの材質に強磁性体を用いる構成上、１ターン短絡のような軽微な短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない巻線の他の部分が作る磁界の方向とは逆方向に強い磁界を発生するため、磁界の方向を考慮しない場合には、短絡が発生している場合と短絡が発生していない場合との差異が不明確となる場合があり、短絡発生の判定が困難となる場合がある。しかしながら、磁界の方向を考慮することにより、短絡が発生している場合と短絡が発生していない場合とで両者の差異が明確となるため、短絡の発生を確実に診断することができるのである。

本発明に係る巻線短絡診断装置の更なる形態によれば、電圧発振部は、巻線の端子間に印加する交流電圧の周波数が商用周波数よりも高い周波数となるように構成されている。

本発明者らは、電圧発振部によって印加する交流電圧の周波数を上げていくことに伴って、巻線のうち短絡が発生している箇所において計測される磁束密度が、短絡が発生していない箇所において計測される磁束密度に対して、その値が低下していく傾向にあることを見出した。即ち、電圧発振部によって印加する交流電圧の周波数を上げていくと、巻線において短絡が発生していない正常な箇所において計測される磁束密度の値と、短絡が発生している箇所において計測される磁束密度の値と、の間に大きな差異が生じることを見出した。このような研究結果を踏まえて、本実施形態では、巻線の端子間に印加する交流電圧の周波数を商用周波数よりも高い周波数とする構成であるため、短絡が発生の有無を特定し易くなる。

本発明に係る巻線短絡診断装置の更なる形態によれば、電圧発振部は、巻線の端子間に印加する交流電圧が５０ボルト以下となるように構成されている。

本形態によれば、電圧発振部に供給する電源を小型化することができると共に、電圧発振部の電子回路を安価に仕上げることができる。これにより、巻線短絡診断装置自体の小型化およびコスト低減を図ることができる。

本発明に係る巻線短絡診断装置の更なる形態によれば、磁界センサは、磁界の強さを計測するサーチコイルを有している。そして、当該磁界センサは、磁界の強さを計測する際、サーチコイルの軸線方向がティースに巻かれた巻線の軸線方向と平行になるように構成されている。

本形態によれば、電圧発振部により巻線の端子間に印加された交流電圧によって当該巻線に発生する磁界の強さを精度よく計測することができる。

本発明に係る巻線短絡診断装置の更なる形態によれば、磁界センサは、磁界の強さを計測するサーチコイルを有している。そして、当該磁界センサは、磁界の強さを計測する際、固定子または回転子の軸線方向の一方側から見たときの仮想投影面上におけるサーチコイルの軸線が、ティースに巻かれた巻線の軸線に重なるように構成されている。

本形態によれば、磁界センサのサーチコイルの軸線をティースに巻かれた巻線の軸線に一致させた状態で磁界の強さを計測する構成であるため、ティースに巻かれた巻線の側縁、換言すれば、ティースに巻かれた巻線のうち軸線から径方向外方向に離れた位置にある部分によって作られる磁界の影響を小さく抑えることができる。これにより、より正確に巻線の短絡発生の有無を診断することができる。

本発明に係る巻線短絡診断方法の好ましい形態によれば、円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における当該巻線の短絡を診断する巻線短絡診断方法が構成される。当該巻線短絡診断方法では、（ａ）ティース毎に巻かれた巻線の両端に交流電圧を印加し、（ｂ）交流電圧の印加に応じてティース毎に巻かれた巻線に生じる磁界の強さを、ティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測し、（ｃ）計測された所定間隔毎の磁界の強さを計測位置に紐づけて記憶し、（ｄ）記憶した磁界の強さと閾値とを比較し、（ｅ）記憶した磁界の強さの全てが閾値の範囲内である場合には、巻線には短絡が発生していないと判定し、記憶した磁界の強さのいずれかが閾値の範囲外である場合には、当該閾値の範囲外と判定された磁界の強さに紐づけて記憶された計測位置において巻線に短絡が発生していると判定する。

本発明によれば、ティース毎に巻かれた巻線に生じる磁界をティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測すると共に、計測位置毎（所定間隔毎）の磁界の強さを閾値と比較することによって、巻線に短絡が発生しているか否かを判定する構成であるため、ティースに巻かれた巻線のどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる。これにより、短絡が発生しやすい傾向にある箇所の情報を取得し得るため、当該情報を設計段階へフィードバックすることによって、短絡が起こりやすい箇所での構造的もしくは強度的な対策を施すことができ、電動機や発電機といった回転機の短絡発生割合を低下させることにつながり、品質向上に寄与し得る。

本発明に係る巻線短絡診断方法の更なる形態によれば、ステップ（ｂ）は、磁界の強さとして磁束密度の大きさに比例した出力電圧を出力するステップを含んでいる。また、ステップ（ｃ）は、巻線の端子間に印加された交流電圧または当該交流電圧に起因して巻線に流れる交流電圧に起因して流れる交流電流と、前記ステップ（ｂ）で出力された出力電圧と、を同期して記憶するステップを含んでいる。そして、ステップ（ｅ）は、記憶された交流電圧または交流電流と、出力電圧と、の関係にもとづき磁界の方向を決定し、当該磁界の方向を考慮して磁界の強さが閾値の範囲内であるか否かを判定するステップを含んでいる。

本形態によれば、磁界の方向を考慮した磁界の強さをもって閾値の範囲内であるか否かの判定を行う構成であるため、短絡発生の有無をより精度よく診断することができる。即ち、集中巻きではティースの材質に強磁性体を用いる構成上、１ターン短絡のような軽微な短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の巻線が作る磁界の方向とは逆方向、即ち、短絡が発生した巻線が作る磁界の方向と同方向に強い磁界を発生するため、磁界の方向を考慮しない場合には、短絡が発生していない他の巻線が作る磁界の強さに対する差異が小さくなり、短絡発生の判定が困難となる場合がある。しかしながら、磁界の方向を考慮することにより、短絡が発生した巻線が作る磁界の強さと、短絡が発生していない他の巻線が作る磁界の強さと、の間に大きな差異を生じることになるため、短絡の発生を確実に診断することができるのである。

本発明によれば、ティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線のどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる。

本発明の実施の形態に係る巻線短絡診断装置１の構成の概略を示す構成図である。 回転子３２が取り外された状態の電動機２を軸線方向の一方側から見た状態を示す説明図である。 固定子２２の構成の概略を示す説明図である。 Ｕ相巻線２４Ｕと当該Ｕ相巻線２４Ｕ上に設置されるサーチコイル６２との位置関係を示す斜視説明図である。 Ｕ相巻線２４Ｕと当該Ｕ相巻線２４Ｕ上に設置されるサーチコイル６２との位置関係を、軸線ＣＬ１，ＣＬ２に直行する平面で切った断面で見た状態を示す説明図である。 Ｕ相巻線２４Ｕ上に設置されたサーチコイル６２を、ティース２２ｂの延出方向に沿って所定間隔ｄ毎に移動させながら磁界を計測する際の様子を示す説明図である。 Ｕ相巻線２４Ｕの端子間に交流電圧ＡＣＥを印加した際に、当該Ｕ相巻線２４Ｕの周辺に生じる磁界の様子を模式的に示す説明図である。 Ｕ相巻線２４Ｕの一部に短絡Ｓが発生した際の当該Ｕ相巻線２４Ｕの周辺に生じる磁界の様子を模式的に示す説明図である。 位相差が所定範囲内である場合の交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの様子を示す説明図である。 位相差が所定範囲外である場合の交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの様子を示す説明図である。 ソレノイドコイルが正常な場合における出力電圧Ｖｓの計測結果を示す実験結果である。 ソレノイドコイルに１ターン短絡が発生している場合における出力電圧Ｖｓの計測結果を示す実験結果である。 変形例の磁界センサ１０６を用いて出力電圧Ｖｓを計測する際の様子を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

本発明の実施の形態に係る巻線短絡診断装置１は、図１に示すように、回転機としての電動機２（図２参照）の後述する三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗのいずれかの端子間に交流電圧ＡＣＥを印加する電圧発振部４と、当該電圧発振部４によって交流電圧ＡＣＥが印加されたことによって三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗに発生する磁界を計測する磁界センサ６と、電圧発振部４および磁界センサ６に信号線Ｌ１，Ｌ２によって電気的に接続されたＡ／Ｄ変換部８と、当該Ａ／Ｄ変換部８に信号線Ｌ３によって電気的に接続された診断部１０と、当該診断部１０に信号線Ｌ４によって電気的に接続された表示装置１２と、を備えている。

電動機２は、汎用三相誘導電動機として構成されており、図２に示すように、主に、固定子２２と、回転子３２と、を備えている。

固定子２２は、薄い電磁鋼板（強磁性体）を積層して構成されており、図３に示すように、略環状に構成されたヨーク２２ａと、当該ヨーク２２ａの内周面から当該ヨーク２２ａの中心に向かって延出するティース２２ｂと、を備えている。

ティース２２ｂは、ヨーク２２ａの内周面に円周方向に均等間隔で、例えば、１８個設けられている。各ティース２２ｂには、図２に示すように、絶縁物（図示せず）を介して直接三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが施されている（所謂、集中巻方式）。即ち、１８個のティース２２ｂのうちの６個にＵ相巻線２４Ｕが巻かれ、他の６個にＶ相巻線２４Ｖが巻かれ、残りの６個にＷ相巻線２４Ｗが巻かれる。なお、各三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの端部は、口出し線として電動機２の外部に引き出されて商用交流電源に接続される接続端子２６を構成している。ここで、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが集中巻方式で巻かれたティース２２ｂを有する固定子２２は、本発明における「円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子」に対応する実施構成の一例である。

電圧発振部４は、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４ＷのうちＵ相巻線２４ＵおよびＶ相巻線２４Ｖ間（以下、「Ｕ−Ｖ相間」という）、あるいは、Ｖ相巻線２４ＶおよびＷ相巻線２４Ｗ間（以下、「Ｖ−Ｗ相間」という）、あるいは、Ｗ相巻線２４ＷおよびＵ相巻線２４Ｕ間（以下、「Ｗ−Ｕ相間」という）に交流電圧ＡＣＥを印加するよう構成されており、印加する交流電圧ＡＣＥの周波数を変更可能なファンクションジェネレータとして構成されている。なお、電圧発振部４によってＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間それぞれに印加する交流電圧ＡＣＥまたは当該交流電圧ＡＣＥによって流れる交流電流ＡＣＩは、図１に示すように、Ａ／Ｄ変換部８によってデジタル化された後、信号線Ｌ３を介して診断部１０に送信される。

本実施の形態では、電圧発振部４によってＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間それぞれに印加する交流電圧ＡＣＥは５０ボルト以下とし、周波数は商用交流電源の周波数６０Ｈｚ（あるいは５０Ｈｚ）よりも高い１０ｋＨｚとした。交流電圧ＡＣＥは５０ボルト以下とすることによって、電圧発振部４に供給する電源を小型化することができると共に、電圧発振部４の電子回路を安価に仕上げることができる。この結果、巻線短絡診断装置１自体の小型化およびコスト低減を図ることができる。また、周波数を商用交流電源の周波数６０Ｈｚ（あるいは５０Ｈｚ）よりも高い１０ｋＨｚとすることによって、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗに短絡が発生したことを特定し易くなる。当該理由についての詳細は後述する。

磁界センサ６は、図１に示すように、サーチコイル６２と、当該サーチコイル６２から出力される出力電圧Ｖｓの大きさを増幅する増幅器６４と、を備えている。サーチコイル６２は、コイルを数ターンから数十ターン程度巻いた構成をしており、これにより磁束密度の大きさに比例した出力電圧Ｖｓを出力する。サーチコイル６２から出力されて増幅器６４によって増幅されたたアナログ信号である出力電圧Ｖｓは、Ａ／Ｄ変換部８によってデジタル化された後、信号線Ｌ３を介して診断部１０に送信される。

診断部１０は、図示しないＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に処理プログラムを記憶する図示しないＲＯＭと、データを一時的に記憶するＲＡＭと、信号線Ｌ３が接続される入力ポートと、信号線Ｌ４が接続される出力ポートと、を備えている。診断部１０には、Ａ／Ｄ変換部８からの出力電圧Ｖｓや交流電圧ＡＣＥ、交流電流ＡＣＩが入力されており、診断部１０からは、各三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの短絡診断結果が信号線Ｌ４を介して表示装置１２に出力される。

次に、こうして構成された本発明の実施の形態に係る巻線短絡診断装置１によって電動機２の三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗに短絡が生じたか否かの診断が行われる際の動作について説明する。ここで、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗに短絡が生じたか否かの診断は、電動機２から回転子３２を取り外した状態、即ち、集中巻の固定子２２のみとした状態で行われる。なお、当該診断は、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗのいずれかが巻かれた１つのティース２２ｂ毎に行うが、以下では、説明の便宜上、任意の１つのティース２２ｂに巻かれたＵ相巻線２４Ｕにおける短絡の診断を行う場合を例に挙げて説明をする。

まず、図２に示すように、電動機２から回転子３２が取り外された状態の固定子２２において、Ｕ相巻線２４Ｕが巻かれた任意の１つのティース２２ｂ上に磁界センサ６を設置する。ここで、磁界センサ６は、図２、図４および図５に示すように、サーチコイル６２の軸線ＣＬ１がティース２２ｂに巻かれたＵ相巻線２４Ｕの軸線ＣＬ２に対して平行で、軸線ＣＬ１のＵ相巻線２４Ｕの表面からの距離が所定距離ｈ（例えば、５ｍｍ）となる位置関係となるように（図５参照）、かつ、電動機２（固定子２２、回転子３２）の軸線方向の一方側から見たときに（図２を紙面に垂直な方向から見たときに）、軸線ＣＬ１と軸線ＣＬ２とが重なる位置関係（図２参照）となるように設置される。このとき、磁界センサ６は、図６に示すように、サーチコイル６２がティース２２ｂの根元部（ヨーク２２ａへの接続端部）に巻かれたＵ相巻線２４Ｕ上、即ち、計測位置ｔ₀に来るように設置される。

そして、当該設置状態において、電圧発振部４からＵ相巻線２４Ｕの端子間、より詳細には、Ｕ−Ｖ相間（あるいは、Ｗ−Ｕ相間）に周波数１０ｋＨｚの交流電圧ＡＣＥ（５０Ｖ以下）を印加して交流電流ＡＣＩを流す。ここで、交流電圧ＡＣＥに起因してＵ相巻線２４Ｕに流れる交流電流ＡＣＩは、Ａ／Ｄ変換部８によってデジタル化された後、診断部１０のＲＡＭに一時的に記憶される。

Ｕ相巻線２４Ｕの端子間（Ｕ−Ｖ相間、あるいは、Ｗ−Ｕ相間）に交流電圧ＡＣＥが印加されると、Ｕ相巻線２４Ｕ周辺に磁界が生じる。これにより、当該磁界の強さが磁束密度の大きさに比例した出力電圧Ｖｓとしてサーチコイル６２から出力される。サーチコイル６２から出力された出力電圧Ｖｓは、増幅器６４によって増幅されると共にＡ／Ｄ変換部８によってデジタル化された後、当該出力電圧Ｖｓを計測した計測位置ｔ₀に紐づけされて診断部１０のＲＡＭに一時的に記憶される。出力電圧Ｖｓを計測した計測位置ｔ₀に紐づけして記憶するＲＡＭは、本発明における「記憶手段」に対応する実施構成の一例である。

ここで、Ｕ相巻線２４Ｕに短絡が生じていない場合、即ち、Ｕ相巻線２４Ｕが正常な状態の場合に当該Ｕ相巻線２４Ｕの端子間に交流電圧ＡＣＥを印加すると、図７の実線矢印に示すように、Ｕ相巻線２４Ｕには交流電流ＡＣＩが流れ、当該交流電流ＡＣＩによってＵ相巻線２４Ｕ周辺には強さＨ₀の磁界が生じる。しかしながら、Ｕ相巻線２４Ｕの一部に短絡Ｓが生じると、図８に示すように、Ｕ相巻線２４Ｕの中に短絡Ｓによって新たな閉ループ２４Ｕｓが発生する。短絡Ｓでは抵抗がほとんど値０となるため、交流電流ＡＣＩは当該短絡Ｓを流れて閉ループ２４Ｕｓには流れなくなる。

一方、閉ループ２４Ｕｓには、交流電流ＡＣＩによってＵ相巻線２４Ｕ周辺に生じた磁界が通過することによって誘導起電力が発生し、当該誘導起電力に起因して電流Ｉ_Sが流れる（図８参照）。これにより、閉ループ２４Ｕｓ周辺には、図８に示すように、当該電流Ｉ_Sによって強さＨ_Sであって、交流電流ＡＣＩによってＵ相巻線２４Ｕ周辺に生じた磁界の向きとは逆方向の磁界が発生する。即ち、サーチコイル６２から出力される出力電圧Ｖｓは、交流電流ＡＣＩによってＵ相巻線２４Ｕ周辺に生じた磁界の強さＨ₀と電流Ｉ_Sによって閉ループ２４Ｕｓ周辺に生じた磁界の強さＨ_Sとの差に比例した大きさとなる。なお、誘導起電力は、Ｕ相巻線２４Ｕの端子間に印加する交流電圧ＡＣＥの周波数の関数として表すことができるため、Ｕ相巻線２４Ｕの端子間に印加する交流電圧ＡＣＥの周波数を高くすることによって、閉ループ２４Ｕｓ周辺に生じる磁界の強さＨ_Sを意図的に大きくすることができる。これにより、Ｕ相巻線２４Ｕに短絡が生じたか否かの特定が容易となる。

出力電圧Ｖｓを計測位置ｔ₀とともにＲＡＭに一時的に記憶すると、続いて、診断部１０のＣＰＵは、ＲＡＭに記憶された交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの関係に基づいて、磁界センサ６（サーチコイル６２）によって計測された磁界の向きを決定する。具体的には、交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの位相差を比較し、当該位相差に基づき磁界の向きを決定する。図９に示すように、交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの位相差が所定範囲内であれば、磁界の方向は正方向であると判定し、図１０に示すように、交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの位相差が所定範囲外であれば負方向であると判定する。ここで、磁界の方向が正方向であるとは、磁界センサ６（サーチコイル６２）によって計測された磁界の方向が、Ｕ相巻線２４Ｕ周辺に生じる磁界の方向と同じ方向であると規定され、磁界の方向が負方向であるとは、磁界センサ６（サーチコイル６２）によって計測された磁界の方向が、Ｕ相巻線２４Ｕ周辺に生じる磁界の方向とは逆方向であると規定される。

このように、磁界センサ６（サーチコイル６２）によって計測された磁界の向きを決定するのは、Ｕ相巻線２４Ｕに短絡が発生したか否かをより精度よく診断するためである。即ち、集中巻きではティース２２ｂの材質に強磁性体を用いる構成上、１ターン短絡のような軽微な短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の部分が作る磁界の方向とは逆方向に強い磁界を発生するため、磁界の強さ（出力電圧Ｖｓの大きさ）のみでは、短絡が発生している場合と短絡が発生していない場合との差異が不明確となる場合があり、短絡発生の判定が困難となる場合があるが、磁界の方向を考慮することにより、短絡が発生している場合と短絡が発生していない場合とで両者の差異が明確となるため、短絡の発生を確実に診断することができる。

そして、判定した磁界の方向に関する正負情報を記憶した出力電圧Ｖｓに付加する処理を実行する。即ち、先にＲＡＭに記憶した（正負情報が付加されていない）出力電圧Ｖｓを、正負情報が付加された出力電圧Ｖｓに置き換える処理を実行する。こうして計測位置ｔ₀における正負情報が付加された出力電圧ＶｓをＲＡＭに記憶する処理が完了すると、サーチコイル６２が計測位置ｔ₁に来るように磁界センサ６を移動して、当該計測位置ｔ₁において出力電圧Ｖｓを計測すると共に、当該出力電圧Ｖｓと交流電流ＡＣＩとの関係に基づいて磁界の向きを決定し、先にＲＡＭに記憶した（正負情報が付加されていない）出力電圧Ｖｓを、正負情報が付加された出力電圧Ｖｓに置き換える処理を実行する。

こうした処理を計測位置ｔ_Lまで所定間隔ｄずつ移動しながら繰り返し実行する。即ち、サーチコイル６２の位置をティース２２ｂの根元部（ヨーク２２ａへの接続端部）からティース２２ｂの先端部（固定子２２の中心寄りの端部）に向かって軸線ＣＬ２の延在方向に沿って所定間隔ｄずつ移動しながら上述した処理（正負情報が付加されていない出力電圧Ｖｓを計測してから正負情報が付加された出力電圧Ｖｓに置き換えるまでの処理）を実行する。なお、所定間隔ｄは、例えば、各三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗを構成するコイルの中心間距離にほぼ等しい値に設定することができる。

そして、正負の情報が付加された各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎の出力電圧Ｖｓと閾値Ｖｓｒｅｆとを比較し、出力電圧Ｖｓが閾値Ｖｓｒｅｆの範囲内であるか否かの判定を行う。ここで、閾値Ｖｓｒｅｆは、本実施の形態では、正常な三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ,２４Ｗを有する電動機２における磁界を予め実験などによって求めてＲＯＭに記憶しておく構成とした。正負の情報が付加された各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎の出力電圧Ｖｓと閾値Ｖｓｒｅｆとを比較するＣＰＵは、本発明における「比較手段」に対応する実施構成の一例である。

正負の情報が付加された各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎の出力電圧Ｖｓと閾値Ｖｓｒｅｆとの比較の結果、当該出力電圧Ｖｓが閾値Ｖｓｒｅｆの範囲内であれば当該計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）ではＵ相巻線２４Ｕに短絡は発生していないと判定し、当該判定結果を表示装置１２に送信する。一方、出力電圧Ｖｓが閾値Ｖｓｒｅｆの範囲外であれば当該計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）においてＵ相巻線２４Ｕに短絡が発生していると判定し、当該判定結果を表示装置１２に送信する。正負の情報が付加された各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎の出力電圧Ｖｓと閾値Ｖｓｒｅｆとを比較に基づいてＵ相巻線２４Ｕに短絡が発生しているか否かを判定するＣＰＵは、本発明における「判定手段」に対応する実施構成の一例である。

次に、本実施の形態に係る本発明の巻線短絡診断装置１を用いてティース２２ｂに巻かれた三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの短絡発生の箇所を診断した実験結果について図１１および図１２を参照しながら説明する。当該実験では、長さ６０ｍｍの鉄の材質の直方体の長手方向の両端を５ｍｍだけ残して長手方向の中央５０ｍｍの範囲にソレノイドコイルを巻いたものを用い、当該ソレノイドコイルの長手方向の一端（以下、「測定開始点」という）にサーチコイル６２が配置されるように磁界センサ６を設置して、磁界センサ６をソレノイドコイルの軸線方向（直方体の長手方向）に２ｍｍずつずらしながら、ソレノイドコイルの長手方向の他端（以下、「測定終了点」という）まで測定点を変えて磁界を計測した。なお、当該磁界を計測は、ソレノイドコイルが正常な状態（ソレノイドコイルに短絡が発生しない状態）の場合（図１１参照）と、ソレノイドコイルに１ターン短絡が発生している状態の場合（図１２参照）と、の両方を行った。また、１ターン短絡の箇所は、測定開始点から３０ｍｍの箇所に設定した。さらに、ソレノイドコイルの端子間には、約７０ｍＡの交流電流を通電するものとした（このときの周波数は１０ｋＨｚである）。

ソレノイドコイルが正常な場合には、図１１に示すように、測定開始点から１４ｍｍの測定点から４６ｍｍの測定点までの範囲では、測定誤差はあるものの出力電圧Ｖｓは概ね一定値を示す。一方、ソレノイドコイルに１ターン短絡が存在する場合には、短絡が存在する箇所（測定開始点から３０ｍｍの箇所）では、短絡によって発生したソレノイドコイルの閉ループによって磁界を打ち消す方向の磁界が強いため、図１２に示すように、測定開始点から３０ｍｍの箇所で磁界が大きく減少する。これにより、当該測定点（測定開始点から３０ｍｍの箇所）において短絡が発生したことを容易に特定することができる。

以上説明した本実施の形態に係る本発明の巻線短絡診断装置１によれば、ティース２２ｂ毎に巻かれた三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに生じる磁界を当該ティース２２ｂの延出方向に沿って所定間隔ｄ毎に計測すると共に、三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに流れる交流電流ＡＣＩと計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎の出力電圧Ｖｓとの位相差を比較することによって磁界センサ６（サーチコイル６２）により計測される磁界の向きを決定し、当該磁界の向きを考慮した出力電圧Ｖｓを予め設定した閾値と比較して、三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに短絡が発生しているか否かを判定する構成であるため、ティース２２ｂに巻かれた三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗのどのあたりで短絡が発生しているのかを特定することができる。これにより、短絡が発生しやすい傾向にある箇所の情報を取得し得るため、当該情報を設計段階へフィードバックすることによって、短絡が起こりやすい箇所での構造的もしくは強度的な対策を施すことができ、電動機２の短絡発生割合を低下させることにつながり、品質向上に寄与し得る。

本実施の形態では、コイルを数ターンから数十ターン程度巻いた１つのサーチコイル６２を有す磁界センサ６を、計測位置ｔ₀から計測位置ｔ_Lまで軸線ＣＬ２の延在方向に沿って移動しながら各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）での磁界（出力電圧Ｖｓ）を計測する構成としたが、これに限らない。例えば、図１３に例示する変形例の磁界センサ１０６に示すように、磁界センサ１０６がコイルを数ターンから数十ターン程度巻いたサーチコイル６２を有し、当該サーチコイル６２を各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）毎に配置して、一度に各計測位置ｔ_i（ｉ＝０〜Ｌ）での磁界（出力電圧Ｖｓ）を計測する構成としても良い。当該構成によれば、サーチコイル６２を移動させる時間を省略することができるため、計測時間の短縮および計測の簡略化を図ることができる。

本実施の形態では、ティース２２ｂ毎に巻かれた三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに生じる磁界の強さを、磁束密度の大きさに比例した出力電圧Ｖｓとして計測するのみならず、三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに流れる交流電流ＡＣＩと計測位置ｔ_i毎の出力電圧Ｖｓとの位相差に基づいて当該磁界の向きを決定して、当該磁界の向きを考慮した出力電圧Ｖｓをもって三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに短絡が発生しているか否かの判定を行う構成としたが、磁界の向きは考慮せずに計測した出力電圧Ｖｓのみを用いて三相巻線２４Ｕ,２４Ｖ，２４Ｗに短絡が発生しているか否かを判定する構成としても良い。

磁界の向きを考慮しない場合、出力電圧Ｖｓは、図１２の二点鎖線に示すように、短絡が存在する箇所（測定開始点から３０ｍｍの箇所）に関して、その両側の測定点（測定開始点から２６ｍｍの箇所および測定開始点から３４ｍｍの箇所）において極小点を示し、短絡が存在する箇所（測定開始点から３０ｍｍの箇所）において極大点を示す。したがって、当該極大点を示した測定点（測定開始点から３０ｍｍの箇所）において短絡が発生したことを特定することができる。

本実施の形態では、交流電流ＡＣＩと出力電圧Ｖｓとの位相差を比較し、当該位相差に基づき磁界の向きを決定する構成としたが、これに限らない。例えば、磁界の向きを決定するにあたり、交流電圧ＡＣＥと出力電圧Ｖｓとの位相差を比較し、当該位相差に基づき磁界の向きを決定する構成としても良い。

本実施の形態では、電圧発振部４によってＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間それぞれに印加する交流電圧ＡＣＥの周波数を１０ｋＨｚに設定したが、これに限らない。電圧発振部４によってＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間それぞれに印加する交流電圧ＡＣＥの周波数は、商用交流電源の周波数６０Ｈｚ（あるいは５０Ｈｚ）よりも高い周波数であれば周波数は如何なる値であっても良い。なお、周波数は、１ｋＨｚ以上に設定することが望ましい。

本実施の形態では、電圧発振部４によってＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間それぞれに印加する交流電圧ＡＣＥを５０ボルト以下に設定したが、これに限らない。

本実施の形態では、ティース２２ｂの根元部（ヨーク２２ａへの接続端部）からティース２２ｂの先端部（固定子２２の中心寄りの端部）に向かってサーチコイル６２を移動させる間隔である所定間隔ｄを各三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗを構成するコイルの中心間距離にほぼ等しい値に設定する構成としたが、これに限らない。

本実施の形態では、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが直接巻回されたティース２２ｂを有する固定子２２における当該三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの短絡を診断する構成としたが、これに限らない。例えば、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが直接巻回されたスロットを有する回転子３２における当該三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの短絡を診断する構成としても良い。この場合、電動機２から固定子２２を取り外して、回転子３２のみとした状態で、三相巻線２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの短絡を診断を行う構成とすれば良い。

本実施の形態は、本発明を実施するための形態の一例を示すものである。したがって、本発明は、本実施形態の構成に限定されるものではない。なお、本実施形態の各構成要素と本発明の各構成要素の対応関係を以下に示す。

１ 巻線短絡診断装置（巻線短絡診断装置）
２ 電動機（回転機）
４ 電圧発振部（電圧発振部）
６ 磁界センサ（磁界センサ）
８ Ａ／Ｄ変換部
１０ 診断部
２２ 固定子（固定子）
２２ａ ヨーク
２２ｂ ティース（ティース）
２４Ｕ Ｕ相巻線（巻線）
２４Ｕｓ 閉ループ
２４Ｖ Ｖ相巻線（巻線）
２４Ｗ Ｗ相巻線（巻線）
２６ 接続端子
３２ 回転子（回転子）
６２ サーチコイル（サーチコイル）
６４ 増幅器
ＡＣＥ 交流電圧（交流電圧）
ＡＣＩ 交流電流（交流電流）
Ｌ１ 信号線
Ｌ２ 信号線
Ｌ３ 信号線
Ｌ４ 信号線
Ｖｓ 出力電圧（出力電圧）
ＣＬ１ 軸線
ＣＬ２ 軸線
Ｈ₀ 磁界の強さ
Ｈ_s 磁界の強さ
Ｉ_s 電流
Ｓ 短絡
ｔ₀ 計測位置
ｔ_L 計測位置
ｔ_i 計測位置
ｄ 所定間隔
ｈ 所定距離
Ｖｓｒｅｆ 閾値

Claims (8)

1. 円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における巻線の短絡を診断する巻線短絡診断装置であって、
   前記巻線の端子間に交流電圧を印加するよう構成された電圧発振部と、
   前記交流電圧の印加に応じて前記ティース毎に巻かれた前記巻線に生じる磁界の強さを前記ティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測する磁界センサと、
   該磁界センサによって計測された前記所定間隔毎の前記磁界の強さを計測位置に紐づけて記憶する記憶手段と、
   記憶した前記磁界の強さと閾値とを比較する比較手段と、
   記憶した前記磁界の強さの全てが前記閾値の範囲内である場合には前記巻線には短絡が発生していないと判定し、記憶した前記磁界の強さのいずれかが前記閾値の範囲外である場合には該閾値の範囲外と判定された前記磁界の強さと紐づけされた前記計測位置において前記巻線に短絡が発生していると判定する判定手段と、
   を備える巻線短絡診断装置。
2. 前記磁界センサは、前記磁界の強さとして磁束密度の大きさに比例した出力電圧を出力するよう構成されており、
   前記記憶手段は、前記電圧発振部によって前記巻線の端子間に印加された前記交流電圧または該交流電圧に起因して前記巻線に流れる交流電流と、前記出力電圧と、を同期して記憶するよう構成されており、
   前記判定手段は、記憶された前記交流電圧または前記交流電流と、前記出力電圧と、の関係にもとづき前記磁界の方向を決定し、該磁界の方向を考慮して前記磁界の強さが前記閾値の範囲内であるか否かを判定するよう構成されている
   請求項１に記載の巻線短絡診断装置。
3. 前記電圧発振部は、前記巻線の端子間に印加する交流電圧の周波数が商用周波数よりも高い周波数となるよう構成されている
   請求項１または２に記載の巻線短絡診断装置。
4. 前記電圧発振部は、前記巻線の端子間に印加する交流電圧が５０ボルト以下となるよう構成されている
   請求項１ないし３のいずれ１項に記載の巻線短絡診断装置。
5. 前記磁界センサは、前記磁界の強さを計測するサーチコイルを有しており、前記磁界の強さを計測する際、前記サーチコイルの軸線方向が前記ティースに巻かれた前記巻線の軸線方向と平行になるよう構成されている
   請求項１ないし４のいずれ１項に記載の巻線短絡診断装置。
6. 前記磁界センサは、前記磁界の強さを計測するサーチコイルを有しており、前記磁界の強さを計測する際、前記固定子または前記回転子の軸線方向の一方側から見たときの仮想投影面上における前記サーチコイルの軸線が、前記ティースに巻かれた前記巻線の軸線に重なるよう構成されている
   請求項１ないし５のいずれ１項に記載の巻線短絡診断装置。
7. 円周方向に略等間隔で複数配置されたティースに集中巻を施した回転機の固定子または回転子における前記巻線の短絡を診断する巻線短絡診断方法であって、
   （ａ）前記ティース毎に巻かれた前記巻線の端子間に交流電圧を印加し、
   （ｂ）前記交流電圧の印加に応じて前記ティース毎に巻かれた前記巻線に生じる磁界の強さを、前記ティースの延出方向に沿って所定間隔毎に計測し、
   （ｃ）計測された前記所定間隔毎の前記磁界の強さを計測位置に紐づけて記憶し、
   （ｄ）記憶した前記磁界の強さと閾値とを比較し、
   （ｅ）記憶した前記磁界の強さの全てが前記閾値の範囲内である場合には、前記巻線には短絡が発生していないと判定し、記憶した前記磁界の強さのいずれかが前記閾値の範囲外である場合には、該閾値の範囲外と判定された前記磁界の強さと紐づけて記憶された前記計測位置において前記巻線に短絡が発生していると判定する
   巻線短絡診断方法。
8. 前記ステップ（ｂ）は、前記磁界の強さとして磁束密度の大きさに比例した電圧を出力するステップを含んでおり、
   前記ステップ（ｃ）は、前記巻線の端子間に印加された前記交流電圧または該交流電圧に起因して前記巻線に流れる交流電流と、前記ステップ（ｂ）で出力された出力電圧と、を同期して記憶するステップを含んでおり、
   前記ステップ（ｅ）は、記憶された前記交流電圧または前記交流電流と、前記出力電圧と、の関係にもとづき前記磁界の方向を決定し、該磁界の方向を考慮して前記磁界の強さが前記閾値の範囲内であるか否かを判定するステップを含んでいる
   請求項７に記載の巻線短絡診断方法。

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