JP6717731B2

JP6717731B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6717731B2
Application number: JP2016215129A
Authority: JP
Inventors: 柳田　憲史; 憲史柳田; 鈴木　啓司; 啓司鈴木
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: JP2018074851A

Description

本発明は、発電機や電動機などの回転電機に関する。

異なる２つの電気部品が互いに接触し、その電気部品間で通電しながら摺動するいわゆる摺動通電機構は、回転電機のブラシとコレクタリング（スリップリングとも称する）や鉄道のトロリ線とパンタグラフなどに代表されるように、様々な電気機器に用いられている。このような摺動通電機構では、電気部品が次第に摩耗していくため、点検や交換といった保守作業が欠かせない。しかし、電気部品の摩耗状態は、電気機器の運転条件や周囲の環境条件によって変化し、流れる電流や摩耗速度が部品毎に異なるため、電気部品の点検漏れが起こり得る。このような点検漏れは、摺動通電機構の機能停止、ひいては電気機器の計画外停止などの発生につながる恐れがある。そこで、電気部品の摩耗状態を監視する技術がこれまでに提案されている。

特許文献１には、回転電機の集電用ブラシの端部に光ファイバを備え、光ファイバの検出信号でブラシの長さと摺動状態を確認してブラシの点検ができるブラシ監視装置が記載されている。

特許文献２には、回転電機のブラシとスリップリングとの間の摺動界面で発生するパルス状の微小放電信号を検出し、パルス波高とカウント数をヒストグラム化して異常摩耗の発生を発見する異常摩耗診断装置を備えた回転電機が記載されている。

特開平０５−０７４５３７号公報特開２０１３−９０４２５号公報

図９は、回転電機のブラシの代表的な摩耗特性を示す図である。ブラシの摩耗量は、正常な場合では、図９の直線ａで示すように、回転電機の運転時間Ｔとともに直線状に増加していく。

しかし、回転電機（例えばタービン発電機）のコレクタリングの場合には、運転途中での偏心や軸振動の発生又は湿度や塵埃などの周囲環境の変化により、図９の破線ｂで示すように、ブラシの摩耗速度がある時点（チャタリングの発生時点）から急激に変化する異常摩耗が生じることがある。特にコレクタリングに偏心や軸振動が発生した場合には、コレクタリングが摺接するブラシが振動（ブラシにチャタリングが発生）することがあり、この振動に伴う接触面での放電によりコレクタリングの表面に荒れや劣化が生じ、ブラシの摺動安定性が損なわれる。コレクタリングの表面が一旦荒れると、更にチャタリングが増大して放電発生の頻度が上がり、異常摩耗が加速的に進行する。このような異常摩耗が継続すると、コレクタリングの荒損が顕著になって通電機能が失われ、最終的にはブラシ、ブラシホルダ、及びコレクタリングの交換が必要になり、回転電機の計画外の停止を余儀なくされることがある。

特許文献１に記載のブラシ監視装置や特許文献２に記載の異常摩耗診断装置を備えた回転電機は、既に発生し始めた異常摩耗を検出するものであり、異常摩耗の前駆現象であるチャタリングを検出することはできない。しかし、ブラシなどの摩耗する電気部品の劣化を防止して回転電機の運転寿命を向上させるとともに、回転電機の計画外停止を防止するためには、チャタリングを検出してブラシの異常摩耗の発生を早期に予測することが望ましい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ブラシの異常摩耗の発生を早期に予測し、回転電機の運転寿命の向上と計画外停止の防止とが可能な回転電機を提供することを目的とする。

本発明による回転電機は、回転体であるコレクタリングと、前記コレクタリングの表面に接触する接触面と前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置とを備える。

本発明による回転電機は、ブラシの異常摩耗の発生を早期に予測し、回転電機の運転寿命の向上と計画外停止の防止とが可能である。

本発明の実施例１による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例２による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例３による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例４による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例５による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例６による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例７による回転電機の構成を示す図である。本発明の実施例８による回転電機の構成を示す図である。回転電機のブラシの代表的な摩耗特性を示す図である。

本発明による回転電機は、異なる２つの電気部品が互いに通電しながら摺動する。以下に述べる実施例では、互いに摺動する異なる２つの電気部品として、発電機や電動機などのブラシとコレクタリング（スリップリングも含む）を例示する。なお、他の互いに摺動する電気部品の組み合わせとしては、鉄道のパンタグラフとトロリ線や開閉器の固定子と可動子があり、これらにも本発明を適用できる。本発明による回転電機は、ブラシとの距離を測定する距離測定装置と、ブラシと距離測定装置との距離の変化からブラシの異常摩耗の発生を早期に予測するブラシ摩耗状態診断装置を備える。以下、本発明の実施例による回転電機を、図面を用いて説明する。なお、以下で説明する実施例と図面において、同一又は類似の構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

本発明の実施例１による回転電機について、図１を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、回転体であるコレクタリング１と、４個の電流通電用のブラシ２と、非接触型の距離測定装置である４個のレーザ変位計６と、ブラシ摩耗状態診断装置７を備える。ブラシ２は、ブラシホルダ５に保持され、ばねなどの弾性部材（図１には示さず）の弾性力で押されてコレクタリング１の表面に接触している。ブラシホルダ５は、コレクタリング１の周囲の構造物に設置される。ブラシ２は、電流源３に接続される。電流源３は、ブラシ２を介してコレクタリング１に給電する。コレクタリング１がその回転軸１ａの周りに回転することで、ブラシ２とコレクタリング１は、互いに通電しながら摺動する。

なお、本実施例では回転電機が４個のブラシ２と４個のレーザ変位計６を備えるが、ブラシ２とレーザ変位計６の数は、１個でも４個以外の複数個でもよい。但し、ブラシ２とレーザ変位計６の数は同じであるのが好ましく、１つのブラシ２に対して１つのレーザ変位計６が対応するように配置されるのが好ましい。

ブラシ２は、接触面２ａと照射面２ｂとを備える。接触面２ａは、ブラシ２の、コレクタリング１の表面に接触する面（コレクタリング１が摺接する面）である。照射面２ｂは、ブラシ２の、接触面２ａと反対側の面（反対側を向く面）である。ブラシ２は、回転するコレクタリング１の表面（側面）に接触面２ａで接触しながら通電する。

非接触型の距離測定装置であるレーザ変位計６は、ブラシホルダ５に保持されて、ブラシ２の照射面２ｂに対向する位置にそれぞれ設けられ、ブラシ２の照射面２ｂにレーザ光６ａを照射する。レーザ変位計６とブラシ２との距離（レーザ変位計６と照射面２ｂとの距離）をＬで表す。レーザ変位計６は、レーザ光６ａを照射して距離Ｌを測定する。レーザ変位計６は、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続し、測定した距離Ｌをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。図１では１つのレーザ変位計６だけがブラシ摩耗状態診断装置７に接続しているが、他の３つのレーザ変位計６もブラシ摩耗状態診断装置７に接続し、各々が測定した距離Ｌをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。これは、本実施例以降の実施例にも当てはまる。

なお、本実施例では距離測定装置にレーザ変位計６を用いたが、レーザ変位計６の代わりに他の非接触型の距離測定装置、例えば超音波を用いて距離を測定する装置を用いてもよい。

ブラシ２とレーザ変位計６との距離Ｌは、コレクタリング１がブラシ２に対して摺動してブラシ２が摩耗するのに伴って増加する（ブラシ２が弾性力で押されてコレクタリング１に接触しているため）。距離Ｌの変化ΔＬ（距離Ｌの増加量）は、距離Ｌの初期値からの変化であり、ブラシ２の摩耗量に相当する。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、例えばコンピュータで構成され、ブラシ２ごとに、レーザ変位計６が測定した距離Ｌを受信して回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌの変化ΔＬを監視し、距離Ｌの長期計測と短期計測を実施する。長期計測は、距離Ｌの長期的な時間変化を計測するものであり、例えば、１回あたりの計測時間が数１００日で、計測間隔が１日である。短期計測は、距離Ｌの瞬時変化を計測するものであり、例えば、１回あたりの計測時間が１００ｍｓで、計測間隔が０．１ｍｓであるのが望ましい。ブラシ摩耗状態診断装置７は、ディスプレイなどの出力装置に接続される。又は、ブラシ摩耗状態診断装置７が出力装置を備えてもよい。

図１には、ブラシ摩耗状態診断装置７に、長期計測と短期計測での回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌの変化ΔＬの例をグラフで示している。距離Ｌの変化ΔＬは、距離Ｌの測定値から距離Ｌの初期値（回転電機の運転開始時の距離Ｌ）を引くことにより、求めることができる。短期計測のグラフは、長期計測のグラフで運転時間Ｔがｔ１前後の時刻における距離Ｌの変化ΔＬの例を示している。長期計測のグラフで示すように、距離Ｌの変化ΔＬ（ブラシ２の摩耗量）は、数１００日のような長期の時間の間に、運転時間Ｔとともに直線状に増加する。

以下では、ブラシ摩耗状態診断装置７がブラシ２ごとに実施する距離Ｌの短期計測について述べる。

ブラシ２にチャタリングが発生していない場合（ブラシ２が正常に摩耗している場合）には、コレクタリング１が厳密にはその中心を回転軸１ａとして回転しておらず偏心しているため、距離Ｌは、コレクタリング１の回転周期（例えば回転速度が３，０００ｒｐｍならば２０ｍｓ）を周期として、数μｍ〜数１０μｍのオーダで周期的に変化する。

ブラシ２にチャタリングが発生した場合には、距離Ｌの変化ΔＬは、コレクタリング１の偏心による周期的変化に、コレクタリング１の回転周期で周期的に発生するスパイク状の変化が重畳したものとなる。このスパイク状の変化は、数１０μｍ以上の波高を有する。

そこで、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間又は複数周期の時間という短時間における距離Ｌの周期的な変化ΔＬを求めることで、距離Ｌの瞬時変化、すなわちブラシ２の瞬時的な振動を検出する。そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えた場合に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。閾値Ｋ１は、回転電機の運転開始時の距離Ｌなどを基に実験などによって予め定めることができ、例えば１００μｍとすることができる。異常摩耗予兆警報は、ブラシ２にチャタリングが発生し、ブラシ２に異常摩耗が発生することが予測されたことを運転作業者に知らせるメッセージである。運転作業者は、ブラシ摩耗状態診断装置７が異常摩耗予兆警報を出力したら、必要に応じて警報が出力されたブラシ２を交換する。

コレクタリング１の回転周期は、通常は１６ｍｓから２０ｍｓ（６０Ｈｚから５０Ｈｚ）であり、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内において距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えたこと（ΔＬ＞Ｋ１）を検出する。但し、検出の精度を良くするためには、コレクタリング１の回転の２〜４周期の時間内においてΔＬ＞Ｋ１を検出するのが好ましく、５〜６周期の時間内（例えば）においてΔＬ＞Ｋ１を検出するのがさらに好ましい。

従来技術では、主に、距離Ｌの長期計測を行ってブラシ２の摩耗を発見してきた。

本実施例では、ブラシ摩耗状態診断装置７が、距離Ｌの短期計測を行うことによりブラシ２にチャタリングが発生したことを検出し、ΔＬ＞Ｋ１となった場合には、異常摩耗予兆警報を出力してブラシ２の異常摩耗の発生が予測されたことを運転作業者に知らせる。本実施例による回転電機では、このようにしてブラシ２の異常摩耗の発生を早期に予測することが可能であり、ブラシ２やコレクタリング１といった互いに摺動する電気部品の劣化防止に向けた迅速な対処ができ、回転電機の運転寿命の向上と計画外停止の防止とを実現できる。

図２は、本発明の実施例２による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、距離測定装置であるレーザ変位計６００を更に有する構成を備える。レーザ変位計６００は、コレクタリング１用の距離測定装置であり、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

レーザ変位計６００は、ブラシホルダ５に保持されて、コレクタリング１の表面に対向する位置に設けられ、コレクタリング１の表面にレーザ光６ａを照射する。レーザ変位計６００とコレクタリング１との距離（レーザ変位計６とコレクタリング１の表面との距離）をＤで表す。レーザ変位計６００は、レーザ光６ａを照射して距離Ｄを測定し、測定した距離Ｄをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する
ブラシ摩耗状態診断装置７は、レーザ変位計６００が測定した距離Ｄを受信して回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｄの変化を監視し、距離Ｌと同様に、距離Ｄの長期計測と短期計測を実施する。

図２には、ブラシ摩耗状態診断装置７に、長期計測と短期計測での回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌの変化ΔＬの例と距離Ｄの例をグラフで示している。短期計測で得られる距離Ｄは、コレクタリング１の表面の凹凸、偏心、及び振動によって、コレクタリング１の回転周期を１周期として周期的に変化する。この距離Ｄの変化は、コレクタリング１の表面の微小な変位であり、ΔＤで表す。距離Ｄの変化ΔＤは、例えば、距離Ｄの測定値から距離Ｄの平均値（コレクタリング１の回転周期内での距離Ｄの平均値）を引くことにより、求めることができる。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、短期計測で距離Ｌと距離Ｄを同時間帯に計測し、コレクタリング１の回転の１周期における距離Ｄの変化ΔＤを求め、各計測時刻において距離Ｌの変化ΔＬから距離Ｄの変化ΔＤを引いて「ΔＬ−ΔＤ」を求める。ΔＬ−ΔＤは、コレクタリング１の表面の微小な変位の影響を除去した、ブラシ２に発生したチャタリングの成分を表すと考えることができる。

そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、ΔＬ−ΔＤが閾値Ｋ２を超えた場合（ΔＬ−ΔＤ＞Ｋ２）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。閾値Ｋ２は、閾値Ｋ１などを基に実験などによって予め定めることができる。

本実施例による回転電機は、レーザ変位計６００を用いてコレクタリング１の表面の凹凸、偏心、及び振動を捉え、コレクタリング１の表面の微小な変位である距離Ｄの変化ΔＤを求める。このため、本実施例による回転電機は、ΔＬ−ΔＤを求めてブラシ２に発生したチャタリングの成分を正確に抽出することができ、チャタリングによるブラシ２の摩耗量をより正確に計測することができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

図３は、本発明の実施例３による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例２による回転電機において、距離測定装置であるレーザ変位計６０５を更に有する構成を備える。レーザ変位計６０５は、ブラシホルダ５用の距離測定装置であり、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。以下では、実施例２と異なる構成について主に説明する。

レーザ変位計６０５は、ブラシホルダ５の振動が伝わらない位置、例えば、コレクタリング１の周囲にありブラシホルダ５が設置されているのとは異なる構造物に設けられ、ブラシホルダ５の端部にレーザ光６ａを照射する。レーザ変位計６０５とブラシホルダ５との距離（レーザ変位計６とブラシホルダ５の端部との距離）をＨで表す。レーザ変位計６０５は、レーザ光６ａを照射して距離Ｈを測定し、測定した距離Ｈをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する
ブラシ摩耗状態診断装置７は、レーザ変位計６０５が測定した距離Ｈを受信して回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｈの変化を監視し、距離Ｌや距離Ｄと同様に、距離Ｈの長期計測と短期計測を実施する。

図３には、ブラシ摩耗状態診断装置７に、長期計測と短期計測での回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌの変化ΔＬの例と距離Ｄの例と距離Ｈの例をグラフで示している。短期計測で得られる距離Ｈは、運転中の回転電機から伝達される振動によって、コレクタリング１の回転周期を１周期として周期的に変化する。この距離Ｈの変化は、ブラシホルダ５の端部の微小な変位であり、ΔＨで表す。距離Ｈの変化ΔＨは、例えば、距離Ｈの測定値から距離Ｈの平均値（コレクタリング１の回転周期内での距離Ｈの平均値）を引くことにより、求めることができる。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、短期計測で距離Ｌと距離Ｄと距離Ｈを同時間帯に計測し、コレクタリング１の回転の１周期における距離Ｄの変化ΔＤと距離Ｈの変化ΔＨを求め、各計測時刻において距離Ｌの変化ΔＬから距離Ｄの変化ΔＤと距離Ｈの変化ΔＨを引いて「ΔＬ−ΔＤ−ΔＨ」を求める。ΔＬ−ΔＤ−ΔＨは、コレクタリング１の表面の微小な変位の影響とブラシホルダ５の端部の微小な変位の影響を除去した、ブラシ２に発生したチャタリングの成分を表すと考えることができる。

そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、ΔＬ−ΔＤ−ΔＨが閾値Ｋ３を超えた場合（ΔＬ−ΔＤ−ΔＨ＞Ｋ３）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。閾値Ｋ３は、閾値Ｋ１、Ｋ２などを基に実験などによって予め定めることができる。

本実施例による回転電機は、レーザ変位計６０５を用いて回転電機の運転に伴うブラシホルダ５の振動を捉え、ブラシホルダ５の端部の微小な変位である距離Ｈの変化ΔＨを求める。このため、本実施例による回転電機は、ΔＬ−ΔＤ−ΔＨを求めてブラシ２に発生したチャタリングの成分を正確に抽出することができ、チャタリングによるブラシ２の摩耗量をより正確に計測することができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例１による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、レーザ変位計６０５を更に有する構成を備えることができる。このような構成では、ブラシ摩耗状態診断装置７は、「ΔＬ−ΔＨ」を求め、ΔＬ−ΔＨが閾値Ｋ３ａを超えた場合（ΔＬ−ΔＨ＞Ｋ３ａ）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。閾値Ｋ３ａは、閾値Ｋ１などを基に実験などによって予め定めることができる。

図４は、本発明の実施例４による回転電機の構成を示す図である。図４では、簡略化のために１個のブラシ２だけを示している。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、１個のブラシ２に対して少なくとも３つのレーザ変位計を有する構成を備える。図４には、一例として、１個のブラシ２に対して３つのレーザ変位計６０１、６０２、６０３を有する構成の回転電機を示す。距離測定装置であるレーザ変位計６０１〜６０３は、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

図４に示したように、回転体であるコレクタリング１の回転軸１ａに平行な方向を「軸方向」、コレクタリング１の回転方向を「周方向」、軸方向に垂直な方向を「径方向」と呼ぶ。

レーザ変位計６０１〜６０３は、ブラシホルダ５に保持されて、ブラシ２の照射面２ｂに対向する位置に設けられ、ブラシ２の照射面２ｂにレーザ光６ａを照射する。レーザ変位計６０２とレーザ変位計６０３は、ブラシ２の照射面２ｂのうち、軸方向に離れた２点を照射する。レーザ変位計６０１とレーザ変位計６０２は、ブラシ２の照射面２ｂのうち、周方向に離れた２点を照射する。レーザ変位計６０１とレーザ変位計６０３は、ブラシ２の照射面２ｂのうち、軸方向と周方向の２方向に離れた２点を照射する。

レーザ変位計６０１〜６０３とブラシ２との距離（レーザ変位計６０１〜６０３と照射面２ｂとの距離）をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表す。レーザ変位計６０１〜６０３は、レーザ光６ａを照射して距離Ｌ１〜Ｌ３をそれぞれ測定する。レーザ変位計６０１〜６０３は、測定した距離Ｌ１〜Ｌ３をブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。本実施例による回転電機は、このようにして、１個のブラシ２に対して距離Ｌ１〜Ｌ３を測定する。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、レーザ変位計６０１〜６０３が測定した距離Ｌ１〜Ｌ３を受信して回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌ１〜Ｌ３の変化を監視し、距離Ｌ１〜Ｌ３の長期計測と短期計測を実施する。ブラシ摩耗状態診断装置７は、短期計測では、距離Ｌ１の変化ΔＬ１と距離Ｌ２の変化ΔＬ２と距離Ｌ３の変化ΔＬ３の互いの差、すなわち、変化ΔＬ２と変化ΔＬ３との差ΔＬ２−ΔＬ３と、変化ΔＬ１と変化ΔＬ２との差ΔＬ１−ΔＬ２と、変化ΔＬ１と変化ΔＬ３との差ΔＬ１−ΔＬ３とを求める。

図４には、ブラシ摩耗状態診断装置７に、長期計測での回転電機の運転時間Ｔに対する距離Ｌ１〜Ｌ３の変化ΔＬ１〜ΔＬ３の例と、短期計測での差ΔＬ２−ΔＬ３の例と差ΔＬ１−ΔＬ２の例と差ΔＬ１−ΔＬ３の例をグラフで示している。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、差ΔＬ２−ΔＬ３と差ΔＬ１−ΔＬ２と差ΔＬ１−ΔＬ３のうちの少なくとも１つが予め定めた閾値を超えた場合には、異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。すなわち、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、差ΔＬ２−ΔＬ３が閾値Ｋ４を超えた場合には、ブラシ２に軸方向のチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力し、差ΔＬ１−ΔＬ２が閾値Ｋ５を超えた場合には、ブラシ２に周方向のチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力し、差ΔＬ１−ΔＬ３が閾値Ｋ６を超えた場合には、ブラシ２に軸方向と周方向のチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。閾値Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６は、回転電機の運転開始時の距離Ｌ１〜Ｌ３などを基に実験などによって予め定めることができる。

ブラシ２とコレクタリング１が回転摺動体系となっているために、ブラシ２のチャタリングは、必ずしも径方向のみに振動するとは限らず、軸方向や周方向にも振動する可能性がある。このように複数方向に振動するチャタリングが発生した場合には、１個のレーザ変位計だけを用い、そのレーザ光６ａがちょうど振動の支点（振動の節）を照射すると、発生しているチャタリングを見逃す可能性がある。

本実施例による回転電機は、１個のブラシ２に対して少なくとも３つのレーザ変位計を備え、このうち、少なくとも２つのレーザ変位計がブラシ２の照射面２ｂの軸方向に離れた２点を照射し、少なくとも２つのレーザ変位計がブラシ２の照射面２ｂの周方向に離れた２点を照射する。このような構成により、本実施例による回転電機は、ブラシ２のチャタリングの径方向の振動成分だけでなく軸方向と周方向の振動成分も検出できるので、チャタリングの発生を確実に捉えることができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例２又は実施例３による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、１個のブラシ２に対して少なくとも３つのレーザ変位計を有する構成を備えることができる。

図５は、本発明の実施例５による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、ブラシ２に接続されており、ブラシ２に流れる電流Ｉを計測する電流計８を更に有する構成を備える。図５では１つのブラシ２だけに電流計８が接続されているが、他の３つのブラシ２にも電流計８が接続されている。電流計８は、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続し、各々が計測した電流Ｉの値をブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、距離Ｌと電流Ｉについて長期計測と短期計測を実施する。そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えたのと同時刻ｔ２で電流Ｉが電流閾値Ｊを超えた場合（時刻ｔ２でΔＬ＞Ｋ１かつＩ＞Ｊ）には、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。電流閾値Ｊは、電流源３からの電流値などを基に実験などによって予め定めることができる。

ブラシ２にチャタリングが発生すると、ブラシ２のコレクタリング１との接触面２ａで火花放電が発生し、この火花放電によってスパイク状の電流がブラシ２に通常流れる電流に重畳する。そこで、短期計測中に距離Ｌのスパイク状の変化と電流Ｉのスパイク状の変化が同期して計測された場合には、チャタリングが発生したと判断することができる。本実施例による回転電機は、距離Ｌと電流Ｉを計測することでチャタリングの発生を確度良く捉えることができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例２〜４による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、電流計８を更に有する構成を備えることができる。

図６は、本発明の実施例６による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、ブラシ２のコレクタリング１との接触面２ａの近傍に、火花放電を検出する放電信号計測器９を更に有する構成を備える。放電信号計測器９は、ブラシホルダ５に設置され、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。図６では１つの放電信号計測器９だけがブラシ摩耗状態診断装置７に接続しているが、他の３つの放電信号計測器９もブラシ摩耗状態診断装置７に接続している。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

実施例５でも述べたように、ブラシ２にチャタリングが発生すると、ブラシ２のコレクタリング１との接触面２ａで火花放電が発生する。放電信号計測器９は、この火花放電を検出し、検出した火花放電の放電信号Ｐをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。なお、放電信号計測器９には、火花放電を光学的に検出する光電子増倍管を用いた可視光学計測器や、ループアンテナなどの電磁波アンテナを用いた電磁波計測器を用いることができる。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、距離Ｌと放電信号Ｐについて長期計測と短期計測を実施する。そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えたのと同時刻ｔ３で放電信号Ｐの大きさが放電閾値Ｒを超えた場合（時刻ｔ３でΔＬ＞Ｋ１かつＰ＞Ｒ）には、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。放電閾値Ｒは、放電信号計測器９の特性と電流源３からの電流値などを基に実験などによって予め定めることができる。

本実施例による回転電機は、チャタリングにより発生した火花放電とこの火花放電により発生した放電信号計測器９の放電信号Ｐのスパイク状の変化とを検出し、短期計測中に距離Ｌのスパイク状の変化と放電信号Ｐのスパイク状の変化とが同期して計測された場合には、チャタリングが発生したと判断する。このため、本実施例による回転電機は、チャタリングの発生を確度良く捉えることができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例５による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、放電信号計測器９を更に有する構成を備えることができる。このような構成では、ブラシ摩耗状態診断装置７は、時刻ｔ３で、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超え、電流Ｉが電流閾値Ｊを超え、放電信号Ｐの大きさが放電閾値Ｒを超えた場合（時刻ｔ３でΔＬ＞Ｋ１かつＩ＞ＪかつＰ＞Ｒ）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。このようにすると、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を更に向上することができる。

また、実施例２〜４による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、放電信号計測器９を更に有する構成を備えることができる。

図７は、本発明の実施例７による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、ブラシ２のコレクタリング１との接触面２ａの近傍に、雰囲気湿度を検出する湿度計測器１０を更に有する構成を備える。湿度計測器１０は、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

湿度計測器１０は、ブラシ２の近傍の雰囲気湿度を検出し、検出した湿度の値Ｍをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。ブラシ２の近傍とは、例えば、ブラシ２が格納されているボックスの内部である。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、距離Ｌと湿度Ｍについて長期計測と短期計測を実施する。そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えたのと同時刻ｔ４で湿度Ｍが設定範囲Ｍ_Ｌ〜Ｍ_Ｈを外れた場合（図７では時刻ｔ４でΔＬ＞Ｋ１かつＭ_Ｌ＞Ｍ）には、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。設定範囲Ｍ_Ｌ〜Ｍ_Ｈは、湿度計測器１０の特性と電流源３からの電流値などを基に実験などによって予め定めることができる。

本実施例による回転電機は、短期計測中に距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えた時に湿度Ｍが設定範囲Ｍ_Ｌ〜Ｍ_Ｈを外れた場合にチャタリングが発生したと判断する。このため、本実施例による回転電機は、チャタリングの発生を確度良く捉えることができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例５による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、湿度計測器１０を更に有する構成を備えることができる。このような構成では、ブラシ摩耗状態診断装置７は、時刻ｔ４で、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超え、電流Ｉが電流閾値Ｊを超え、湿度Ｍが設定範囲Ｍ_Ｌ〜Ｍ_Ｈを外れた場合（例えば、時刻ｔ４でΔＬ＞Ｋ１かつＩ＞ＪかつＭ_Ｌ＞Ｍ）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。このようにすると、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を更に向上することができる。

また、実施例２〜４、６による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、湿度計測器１０を更に有する構成を備えることができる。

図８は、本発明の実施例８による回転電機の構成を示す図である。本実施例による回転電機は、実施例１による回転電機において、ブラシ２のコレクタリング１との接触面２ａの近傍に、雰囲気温度を検出する温度計測器１１を更に有する構成を備える。温度計測器１１は、ブラシ摩耗状態診断装置７に接続する。以下では、実施例１と異なる構成について主に説明する。

温度計測器１１は、ブラシ２の近傍の雰囲気温度を検出し、検出した温度の値Ｓをブラシ摩耗状態診断装置７に送信する。ブラシ２の近傍とは、例えば、ブラシ２が格納されているボックスの内部である。

ブラシ摩耗状態診断装置７は、距離Ｌと温度Ｓについて長期計測と短期計測を実施する。そして、ブラシ摩耗状態診断装置７は、コレクタリング１の回転の１周期の時間内（好ましくは２〜４周期の時間内、さらに好ましくは５〜６周期の時間内）において、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えたのと同時刻ｔ５で温度Ｓが設定範囲Ｓ_Ｌ〜Ｓ_Ｈを外れた場合（図８では時刻ｔ５でΔＬ＞Ｋ１かつＳ＞Ｓ_Ｈ）には、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。設定範囲Ｓ_Ｌ〜Ｓ_Ｈは、温度計測器１１の特性と電流源３からの電流値などを基に実験などによって予め定めることができる。

本実施例による回転電機は、短期計測中に距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超えた時に温度Ｓが設定範囲Ｓ_Ｌ〜Ｓ_Ｈを外れた場合にチャタリングが発生したと判断する。このため、本実施例による回転電機は、チャタリングの発生を確度良く捉えることができ、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を向上することができる。

なお、実施例５による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、温度計測器１１を更に有する構成を備えることができる。このような構成では、ブラシ摩耗状態診断装置７は、時刻ｔ５で、距離Ｌの変化ΔＬが閾値Ｋ１を超え、電流Ｉが電流閾値Ｊを超え、温度Ｓが設定範囲Ｓ_Ｌ〜Ｓ_Ｈを外れた場合（例えば、時刻ｔ５でΔＬ＞Ｋ１かつＩ＞ＪかつＳ＞Ｓ_Ｈ）に、ブラシ２にチャタリングが発生したと判断して異常摩耗予兆警報を出力装置に出力する。このようにすると、ブラシ２の異常摩耗の発生の予測精度を更に向上することができる。

また、実施例２〜４、６、７による回転電機も、本実施例による回転電機と同様に、温度計測器１１を更に有する構成を備えることができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…コレクタリング、１ａ…コレクタリングの回転軸、２…ブラシ、２ａ…ブラシの接触面、２ｂ…ブラシの照射面、３…電流源、５…ブラシホルダ、６…レーザ変位計、６ａ…レーザ光、７…ブラシ摩耗状態診断装置、８…電流計、９…放電信号計測器、１０…湿度計測器、１１…温度計測器、６００、６０１、６０２、６０３、６０５…レーザ変位計。

Claims

回転体であるコレクタリングと、
前記コレクタリングの表面に接触する接触面と、前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、
前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、
前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置と、
前記コレクタリングの前記表面に対向する位置に設けられ、前記診断装置に接続し、前記コレクタリングとの距離Ｄを測定する第２の距離測定装置と、
を備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期における前記距離Ｄの変化ΔＤを求め、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、ΔＬ−ΔＤが予め定めた第２の閾値を超えたら、警報を出力する、
ことを特徴とする回転電機。
前記ブラシを保持するブラシホルダと、
前記診断装置に接続し、前記ブラシホルダとの距離Ｈを測定する第３の距離測定装置と、を更に備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期における前記距離Ｈの変化ΔＨを求め、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、ΔＬ−ΔＤ−ΔＨが予め定めた第３の閾値を超えたら、警報を出力する、
請求項１に記載の回転電機。
前記第１の距離測定装置を少なくとも３つ備え、
前記少なくとも３つの前記第１の距離測定装置は、前記診断装置に接続し、１つの前記ブラシに対して前記ブラシとの距離Ｌを測定し、
前記診断装置は、前記少なくとも３つの前記第１の距離測定装置が測定した前記距離Ｌの前記変化ΔＬの互いの差を求め、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記互いの差の少なくとも１つが予め定めた第４の閾値を超えたら、警報を出力する、
請求項１または２に記載の回転電機。
前記診断装置に接続し、前記ブラシに流れる電流を計測する電流計を更に備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記電流が予め定めた電流閾値を超えたら、警報を出力する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記診断装置に接続し、前記ブラシの前記接触面で発生した火花放電を検出し、検出した前記火花放電の放電信号を前記診断装置に送信する放電信号計測器を更に備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記放電信号の大きさが予め定めた放電閾値を超えたら、警報を出力する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
前記診断装置に接続し、前記ブラシの近傍の雰囲気湿度を検出し、検出した前記雰囲気湿度の湿度値を前記診断装置に送信する湿度計測器を更に備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記湿度値が予め定めた範囲から外れていたら、警報を出力する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機。
前記診断装置に接続し、前記ブラシの近傍の雰囲気温度を検出し、検出した前記雰囲気温度の温度値を前記診断装置に送信する温度計測器を更に備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記温度値が予め定めた範囲から外れていたら、警報を出力する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の回転電機。
回転体であるコレクタリングと、
前記コレクタリングの表面に接触する接触面と、前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、
前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、
前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置と、
前記診断装置に接続し、前記ブラシに流れる電流を計測する電流計と、
を備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記電流が予め定めた電流閾値を超えたら、警報を出力する、
ことを特徴とする回転電機。
回転体であるコレクタリングと、
前記コレクタリングの表面に接触する接触面と、前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、
前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、
前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置と、
前記診断装置に接続し、前記ブラシの前記接触面で発生した火花放電を検出し、検出し
た前記火花放電の放電信号を前記診断装置に送信する放電信号計測器と、
を備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記放電信号の大きさが予め定めた放電閾値を超えたら、警報を出力する、
ことを特徴とする回転電機。
回転体であるコレクタリングと、
前記コレクタリングの表面に接触する接触面と、前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、
前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、
前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置と、
前記診断装置に接続し、前記ブラシの近傍の雰囲気湿度を検出し、検出した前記雰囲気湿度の湿度値を前記診断装置に送信する湿度計測器と、
を備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記湿度値が予め定めた範囲から外れていたら、警報を出力する、
ことを特徴とする回転電機。
回転体であるコレクタリングと、
前記コレクタリングの表面に接触する接触面と、前記接触面と反対側の面である照射面とを備え、回転する前記コレクタリングに接触しながら通電するブラシと、
前記ブラシの前記照射面に対向する位置に設けられ、前記ブラシとの距離Ｌを測定する第１の距離測定装置と、
前記第１の距離測定装置に接続され、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの初期値からの変化ΔＬが予め定めた第１の閾値を超えたら、警報を出力する診断装置と、
前記診断装置に接続し、前記ブラシの近傍の雰囲気温度を検出し、検出した前記雰囲気温度の温度値を前記診断装置に送信する温度計測器と、
を備え、
前記診断装置は、前記コレクタリングの回転の１周期又は複数周期の時間内において、前記距離Ｌの前記変化ΔＬが前記第１の閾値を超えたのと同時刻で前記温度値が予め定めた範囲から外れていたら、警報を出力する、
ことを特徴とする回転電機。