JP6507251B2 - コイル内の短絡を検出するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械におけるロータ巻線短絡を検出するための方法に関する。

発電機またはモータなどの電気機械は、ステータおよびロータを備える。磁界を発生させるために、ロータは、導電体コイルを備える。絶縁体が、導電体に隣接配置されるコイルの巻線に対しておよび環境に対して導電体を絶縁するために、導電体を囲む。

ロータの絶縁における欠陥は、巻線短絡を、すなわち隣接配置されたコイルの巻線同士の間における短絡を引き起こし得る。この結果、短絡していないコイルの巻線を通る励磁電流よりも低い励磁電流が、コイルの短絡巻線を流れることとなり、それにより短絡巻線は、非短絡巻線よりも低温となる。これは、ロータの動作温度の非均質化をもたらし得る。非均質な動作温度は、ロータ内に機械的張力を引き起こす恐れがあり、この張力は、回転対称からの質量分布の逸脱を引き起こし得る。非対称質量分布は、電気機械の動作中におけるロータの振動を引き起こし得る。さらに、巻線短絡は、磁界の弱化を引き起こし、これはより高い励磁電流により補償されなければならない。より高い励磁電流は、電気機械の効率の低下を招くため不利である。

電気機械の動作において、巻線短絡は、ロータとステータとの間の位置における磁束がコイルにより測定される空隙コイル測定方法により判定される。このために、コイルにより発生した信号曲線においてロータの半回転を特定することが必要となる。しかし、信号曲線にはノイズ信号が重畳し得るため、ロータの半回転の特定はエラーを被り、それにより空隙コイル測定方法の評価は、曖昧な結果をもたらし得る。

本発明の目的は、信号曲線の記録および評価が簡易であり、巻線短絡が高精度で検出可能である、電気機械のコイル内における巻線短絡を検出するための方法を提供することである。

電気機械において巻線短絡を検出するための本発明による方法は、a)電気機械のロータとステータとの間に配置された空隙内にコイルを配置するステップと、b)電気機械の回転数および極対の個数を考慮して、コイルにより発生した信号曲線U(t)の2つの直近で連続するゼロ交点の最小期間を計算するステップと、c)ロータの少なくとも1回転期間を有する電気機械の動作中にコイルにより発生した信号曲線U(t)を記録するステップと、d)信号曲線U(t)のゼロ交点を決定し、前記ゼロ交点の時間を記憶するステップと、e)オフセットcにより補正された信号曲線U(t)-cのゼロ交点を決定し、最小期間よりも長い時間間隔を有する直近で連続するゼロ交点の少なくとも1つの対を特定するステップであって、cは、ゼロに等しくない、ステップと、f)対がステップe)において特定されない場合に、対が特定されるまでステップe)を繰り返すステップであって、オフセットcは、信号曲線U(t)のゼロ点から大域的極値に向かう方向に変更される、ステップと、g)対の間に位置し、対に対して時間的に最も近い、2つの記憶された時間のうちの少なくとも1つを特定するステップと、h)ステップg)において特定された時間を使用して信号曲線U(t)から2つの半波を抽出するステップであって、各半波は、ロータの半回転に相当する、ステップと、i)2つの半波を比較するステップとを含む。

ステップi)では、磁界の非対称性が、2つの半波の比較により検出され得る。これは、例えば2つの半波が時間的に位置合わせされ、次いで共に合算されることにより行われ得る。2つの半波の和の時間曲線がゼロ値から逸脱する場合には、非対称性を推断することが可能となる。次いで、この非対称性に基づき、巻線短絡の存在を推断することが可能となる。

信号曲線U(t)中の全てのゼロ交点が、半波を画定するわけではない。半波の1つを真に画定する信号曲線U(t)中のゼロ交点の時間は、この方法により特定される。本発明の方法は、2つの直近で連続するゼロ交点の間の時間間隔がより大きくなるほど、信号曲線U(t)を補正するために用いられるオフセットcが大きくなるよう選択されるという認識に基づく。用語「直近で連続するゼロ交点」は、2つのゼロ交点間に他のゼロ交点が全く存在しないことを示す。オフセットcは、直近で連続するゼロ交点の対が補正された信号曲線U(t)-c中に見つかるまで、信号曲線U(t)の最小値から極値よりも小さな最大値まで徐々に変更され、この場合に、この対は、計算された最小期間よりも大きな間隔を有する。半波を真に画定するゼロ交点は、対の中に時間的に位置し、時間的にこの対の最も近くに位置する対の中に位置するゼロ交点となる。この場合に、半波を真に画定する各対ごとに2つのゼロ交点が存在し、ステップg)では、これらのゼロ交点の一方または両方を特定することが可能となる。

ステップe)で、ステップb)で計算された最小期間に厳密に一致するゼロ交点ではなく、計算された最小期間よりも長い時間間隔を有するゼロ交点が、探されることにより、この方法は、実回転数がステップb)で計算のために仮定される回転数から若干逸脱する場合でも、有利にかつ確実に機能する。また、この方法は、ロータの回転速度を正確に測定する回転速度計からの情報を使用することなく有利に機能し、むしろステップb)で最小期間を概算的に推定することで十分となる。

有利には、この方法は、自動的に実施することも可能となるのに十分な簡易さにおいて実施され得る。さらに、半波を真に画定するゼロ交点が、エラーを伴わずに特定され得るようになり、それによりこの方法は、高精度で実施され得る。

好ましくは、この方法は、e1)オフセットdで補正された信号曲線U(t)-dのゼロ交点を決定し、最小期間よりも長い時間間隔を有する直近で連続するゼロ交点のうちの少なくとも1つの対を特定するステップであって、dは、ゼロに等しくなく、cとは逆の算術符号を有する、ステップと、f1)対がステップe1)において特定されない場合に、対が特定されるまでステップe1)を繰り返すステップであって、オフセットdは、信号曲線U(t)のゼロ点から他方の大域的極値に向かう方向に変更され、ステップh)で、2つの半波の一方が、ステップe1)にて特定された時点を使用して抽出されるステップとを含む。正のオフセットが信号曲線U(t)を補正するために使用される場合には、上方半波が特定され、負のオフセットが信号曲線U(t)を補正するために使用される場合には、下方半波が特定され得る。正および負の両オフセットが使用される場合には、上方半波および下方半波が共に特定され得るため有利である。また、下方半波の積分と上方半波の積分を比較することにより、信号曲線U(t)が全体としてオフセットを有するか否かを立証することが可能となる。

好ましくは、電気機械の極対の個数は、1つであり、2つの半波のそれぞれが、ステップg)および/またはg1)で特定された直近で連続する時点のうちの2つによりそれぞれ画定される。代替的には、電気機械の極対の個数は、2つ以上であり、半波のそれぞれが、電気機械の極対の個数に対応する個数の部分波から形成され、各場合において、各部分波が、ステップg)および/またはg1)で特定された直近で連続する時点のうちの2つにより画定される。したがって、この方法は、任意の個数の極対を有する電気機械に対して有利に実施され得る。

好ましくは、ステップd)、e)、および/またはe1)において、ゼロ交点は、信号曲線U(t)および補正された信号曲線U(t)-cの全ての点についてy₀=U_t=α*U_t=α+1の形成により決定され、ここでU_t=αは、U(t)またはU(t)-c中の信号値であり、U_t=α+1は、直近で連続する信号値である。y₀=0である場合には、2つの信号値のうちの少なくとも一方がゼロ交点となる。y₀>0である場合には、ゼロ交点は存在しない。y₀<0である場合には、ゼロ交点は2つの信号値の間に存在する。好ましくは、y₀が負である場合に、U_t=αおよびU_t=α+1に関連する2つの点が、ゼロ交点の決定のために線形補間される。有利には、これにより、信号曲線U(t)中の測定点の時間間隔よりも高い分解能でゼロ交点を決定することが可能となる。例えば、線形補間は、以下の等式を、すなわち

を使用して実施され得る。ここで、t_αは、U_t=αに属する時点であり、t_α+1は、U_t=α+1に属する時点である。ゼロ交点は、tの等式を再編成することにより決定され得る。

好ましくは、信号曲線U(t)は、コイルで発生する電圧またはコイルで発生する電流の大きさを表す。好ましくは、ステップc)で記録された信号曲線U(t)は、フィルタ、特にベジエフィルタ、メジアンフィルタ、および/または勾配フィルタにより平滑化される。これにより、克服すべき機械的影響および電磁的影響の結果として得られるひずみが信号中に与えられ、それによりゼロ交点が、高い精度で決定され得る。好ましくは、電気機械は、発電機、特に同期機械および/または電気モータである。

以下、添付の概略図を参照として本発明をさらに詳細に説明する。

基本波を有する信号曲線を示す図である。 関数f_c(t)=cを有し、この場合にc>0である基本波U_G(t)を示す図である。 基本波U_G(t)のうちの1つを有する信号曲線U(t)を示す図である。 関数f₁(t)=c₁を有し、ここでc₁>0である信号曲線を示す図である。 関数f₂(t)=c₂を有し、ここでc₂>c₁>0である信号曲線を示す図である。 図5の細部を示す図である。 2つの半波間の比較の概略図である。 2つの半波間の比較の概略図である。 2つの欠陥位置を有する信号曲線を示す図である。 電気機械の断面図である。

図10は、電気機械24の断面を示す。電気機械24は、径方向外側に位置するステータ20と、径方向内側に位置するロータ21とを備える。ステータ20は、周方向において相互に隣接配置された複数のステータ溝23を備え、これらのステータ溝23内に導電体が挿入される。各ステータ溝23は、2つのステータ歯27により周方向にそれぞれ画定される。ロータ21は、周方向において相互に隣接配置された複数のロータ溝22を備え、これらのロータ溝22内に導電体が挿入されて、磁界を発生させる。複数の部分導電体が、各ロータ溝22に挿入され、各ロータ溝22は、部分導電体同士を相互に電気的に絶縁するために電気絶縁体により囲まれる。絶縁体の損傷が、巻線短絡を引き起こし得る。各ロータ溝22は、2つのロータ歯28により周方向にそれぞれ画定される。図10の電気機械24の極対の個数は、1つである。空隙26が、ステータ20とロータ21との間に配置される。コイル25が、磁束の変化を測定するために空隙26に挿入される。コイル25は、図10では径方向内側に配置されたステータ歯27の表面に装着される。

図1は、コイル25により記録された信号曲線U(t)のグラフを示す。時間が横座標4に示され、電圧または電流の大きさが縦座標5に示される。

の形を有する基本波1もまたグラフ化され、ここでωはロータ21の回転の角周波数であり、

は振幅である。電気機械24の極対の個数が1つであるため、基本波1の各振動期間は、U_G(t)に関して正の算術符号を特徴とする第1の半波2、およびU_G(t)に関して負の算術符号を特徴とする第2の半波3から構成される。2つの半波2、3はそれぞれ、ロータ21の半回転に相当する。本発明の方法では、第1の部分波2または第2の部分波3に属する信号曲線U(t)のセクションが特定される。次いで、これらの2つのセクションの比較がなされる。図1から分かるように、信号曲線U(t)の全てのゼロ交点6が、基本波1のゼロ交点11に一致するわけではない。ゼロ交点は、U(t)=0である信号曲線U(t)中の点を指す。

図2では、基本波1がそのゼロ交点11と共に図示される。図2では、ゼロ交点11は、関数f₀=0を有する基本波1の交点として図示される。信号曲線U_G(t)が、補正された信号曲線がU_G(t)-cの形をとるようにオフセットcにより補正される場合には、2つの直近で連続するゼロ交点7同士の間の時間間隔は、信号曲線U_G(t)のゼロ交点11と比較して変化する。図2では、補正された信号曲線U(t)-cのゼロ交点7は、関数fc(t)=cを有し、この場合にc>0である交点として図示される。この場合に、2つの直近で連続するゼロ交点7同士の間の時間間隔は、信号曲線U_G(t)の2つの直近で連続するゼロ交点11同士の間の時間間隔よりも交互に短くおよび長くなる。

図3〜図6では、基本波1のゼロ交点11に一致する信号曲線U(t)のゼロ点6がどのように見つけられるかを示す。図3に示すように、信号曲線U(t)の全てのゼロ点6はこれを目的として決定される。また、図3では、基本波1の2つの直近で連続するゼロ交点11同士の間の時間間隔である基本波1が、最小期間t_minと同様に示される。最小期間t_minは、最小期間の等式t_min=1/(f*2*n)により推定され、ここでfはロータ21の回転数であり、nは電気機械24の極対の個数である。

図4から分かるように、信号曲線U(t)のゼロ交点6の決定後に、ゼロ交点8が、オフセットc₁により補正された信号曲線U(t)-c₁において決定される。図4では、信号曲線U(t)-c₁中のゼロ交点8は、関数f₁(t)=c₁を有する信号曲線U(t)の交点として図示される。オフセットc₁を決定するためには、信号曲線U(t)の大域的最大値が初めに決定され、次いでc₁が、正となるように、および大域的最大値の分数となるように、例えば大域的最大値の1/10となるように選択される。次に、最小期間t_min超の時間間隔を有する信号曲線U(t)-c₁中の直近で連続するゼロ交点8が探される。図4で分かるように、直近で連続するゼロ交点8のかかる対は、オフセットc₁を有する信号曲線U(t)-c₁中には見つけることができない。

この理由により、次いで、ゼロ交点9が、オフセットc₂で補正された信号曲線U(t)-c₂において決定される。図5では、信号曲線U(t)-c₂中のゼロ交点9は、関数f₂(t)=c₂を有する信号曲線U(t)の交点として図示される。ここでは、オフセットc₂は、前述の分数の分だけc₁を上回って増加させる。次に、最小期間t_min超の時間間隔を有する信号曲線U(t)-c₂中の直近で連続するゼロ交点9が探される。図5で分かるように、直近で連続するゼロ交点9の2つのかかる対が、信号曲線U(t)-c₂中に見出すことが可能である。2つの対はそれぞれ、第1のゼロ交点12および第2のゼロ交点13を備え、第1のゼロ交点12は、第2のゼロ交点13よりも時間的に前に位置する。基本波1のゼロ交点11に一致する信号曲線U(t)の各ゼロ交点6は、時間的に第1のゼロ交点12と第2のゼロ交点13との間に位置し、時間的に第1のゼロ交点12および第2のゼロ交点13に最も近いゼロ交点として特定される。図5は、図4の詳細、すなわち基本波1のゼロ交点11と共に第2のゼロ交点13を示す。

図7および図8は、第1の半波2が第2の半波3とどのように比較されるかを概略的に示す。これを目的として、第1の半波2および第2の半波3についての各始点および終点が、信号曲線U(t)からゼロ交点11を参照として抽出される。これは、例えば見つかった基本波1の直近で連続するゼロ交点11の対を参照として、2つの半波2、3の一方がこれらの対により画定される信号曲線U(t)のセクションとして初めに抽出されるように行われ得る。例えば、2つの半波2、3の他方は、これらの対の時間間隔に一致する期間だけ、これらの対の第1のゼロ交点12よりも前にまたはこれらの対の第2のゼロ交点13よりも後に位置する信号曲線U(t)のセクションとして抽出され得る。また、負のオフセットdが信号曲線U(t)の大域的最小値に向かう方向に変更されるように、基本波1のさらなるゼロ交点11が見出されることが考えられ得る。基本波1の3つの直近で連続するゼロ交点11の全てを、正のオフセットcおよび負のオフセットdを変更することにより見出すことが可能であり、この場合に3つのゼロ交点11のうちの時間的に最も早い2つが、第1の半波2を画定し、3つのゼロ交点のうちの時間的に2番目および3番目のものが、第2の半波3を画定する。

図7および図8から分かるように、2つの半波2、3は、矢印14により示唆されるように横座標4の方向において2つの半波2、3の一方を変位させることによって位置合わせされる。2つの半波2、3は、図8の矢印15により示唆されるように共に合算される。欠陥がない場合には、共に合算された半波2、3の経時的信号曲線は、ゼロとなる。共に合算された半波2、3の信号曲線がゼロに等しくない場合には、次いでこの信号曲線は、巻線短絡が本当に存在するか否かに関して、または外部の影響により信号曲線U(t)の崩れが引き起こされているか否かに関して分析されなければならない。

図9では、典型的な欠陥ケースが示される。第1の欠陥信号16が、第1の半波2内に存在し、第2の欠陥信号17が、第2の半波3内に存在する。欠陥信号16、17と2つの半波2、3を相互に分けるゼロ点11との間の時間間隔は、同一である。信号曲線U(t)中の局所的最小値18がロータ歯28に対応し、信号曲線U(t)の局所的最大値19がロータ溝22に対応するため、欠陥信号16、17は、ロータ溝22のうちの1つに関連付けられ得る。

本発明が、好ましい例示の実施形態を通じてより厳密に図示されより詳細に説明されたが、本発明は、開示した例により限定されず、他の変形例が、本発明の保護範囲から逸脱することなく専門家によりこれから考案され得る。

1 基本波
2 第1の半波
3 第2の半波
4 横座標
5 縦座標
6 ゼロ交点、ゼロ点
7 ゼロ交点
8 ゼロ交点
9 ゼロ交点
11 ゼロ交点
12 ゼロ交点
13 ゼロ交点
14 矢印
15 矢印
16 欠陥信号
17 欠陥信号
18 局所的最小値
19 局所的最大値
20 ステータ
21 ロータ
22 ロータ溝
23 ステータ溝
24 電気機械
25 コイル
26 空隙
27 ステータ歯
28 ロータ歯

Claims (11)

1. 電気機械(24)において巻線短絡を検出するための方法であって、
   a)前記電気機械(24)のロータ(21)とステータ(20)との間に配置された空隙(26)内にコイル(25)を配置するステップと、
   b)前記電気機械(24)の回転数および極対の個数を考慮して、前記コイル(25)により発生した信号曲線U(t)の2つの直近で連続するゼロ交点(11)の最小期間(t_min)を計算するステップと、
   c)前記ロータの少なくとも1回転期間を有する前記電気機械(24)の動作中に前記コイル(25)により発生した前記信号曲線U(t)を記録するステップと、
   d)前記信号曲線U(t)のゼロ交点(6)を決定し、前記ゼロ交点(6)の時間を記憶するステップと、
   e)オフセットcにより補正された信号曲線U(t)-cのゼロ交点(7、8)を決定し、前記最小期間(t_min)よりも長い時間間隔を有する直近で連続するゼロ交点(7、8)の少なくとも1つの対(12、13)を特定するステップであって、cは、ゼロに等しくない、ステップと、
   f)対(12、13)が前記ステップe)において特定されない場合に、対(12、13)が特定されるまで前記ステップe)を繰り返すステップであって、前記オフセットcは、前記信号曲線U(t)のゼロ点から大域的極値に向かう方向に変更される、ステップと、
   g)前記対(12、13)に最も近いゼロ交点の少なくとも1つを特定するステップであって、前記対(12、13)に最も近い前記ゼロ交点は、ゼロ交点(11)に一致する前記信号曲線U(t)のゼロ交点(6)であり、前記対(12、13)の間に位置し、時間的に前記対(12、13)に最も近いゼロ交点(6)である、ステップと、
   h)前記ステップg)において特定された前記ゼロ交点の時間を使用して前記信号曲線U(t)から2つの半波(2、3)を抽出するステップであって、各半波(2、3)は、前記ロータ(21)の半回転に相当する、ステップと、
   i)前記2つの半波(2、3)を比較するステップと
   を含む、方法。
2. 前記ステップh)は、前記2つの半波(2、3)の一方を、前記ステップe)にて特定された対(12、13)の時間を使用して抽出するステップ
   を含む、請求項1に記載の方法。
3. 前記電気機械(24)の極対の個数は、1つであり、前記2つの半波(2、3)のそれぞれが、直近で連続する前記ステップg)で特定されたゼロ交点の時間のうちの2つによりそれぞれ画定される、請求項1または2に記載の方法。
4. 前記電気機械(24)の極対の個数は、2つ以上であり、前記半波(2、3)のそれぞれが、極対の前記個数に対応する個数の部分波から形成され、
   各場合において、各部分波が、前記ステップg)で特定されたゼロ交点の前記直近で連続する時間のうちの2つにより画定される、請求項1または2に記載の方法。
5. 前記ステップd)および/またはe)において、前記ゼロ交点(6〜9)は、前記信号曲線U(t)および前記補正された信号曲線U(t)-cの全ての点についてy₀=U_t=α*U_t=α+1の形成により決定され、ここでU_t=αは、U(t)またはU(t)-c中の信号値であり、U_t=α+1は、直近で連続する信号値であり、y ₀ =0は、2つの信号値のうちの少なくとも一方がゼロ交点であることを示す、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
6. y₀が負である場合に、U_t=αおよびU_t=α+1 と、等式
   とを使用して、tについて前記等式を再編成することにより前記ゼロ交点(6〜9)が決定され、t _α は、U _t=α に属する時点であり、t _α+1 は、U _t=α+1 に属する時点である、請求項5に記載の方法。
7. 前記信号曲線U(t)は、前記コイル(25)で発生する電圧または前記コイル(25)で発生する電流の大きさを表す、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ステップc)で記録された前記信号曲線U(t)は、フィルタにより平滑化される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記電気機械(24)は、発電機である、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記フィルタは、ベジエフィルタ、メジアンフィルタ、および/または勾配フィルタである、請求項8に記載の方法。
11. 前記発電機は、同期機械および/または電気モータである、請求項9に記載の方法。