JP6949287B1 - 回転電機の短絡検知装置 - Google Patents

Abstract

回転電機（１０）の短絡検知装置（１００）は、信号取得部（６１）、信号分解部（６２）、特定周波数成分低減部（６３）、信号変換部（６４）および短絡検知部（６５）を有する信号処理装置（６０）と、固定子（２０）内部に配置された磁気検出器（５０）とを備えて、界磁巻線（３２）の短絡を検知する。信号分解部（６２）は、信号取得部（６１）からの電圧信号を、次数の異なる複数の周波数成分に分解し、特定周波数成分低減部（６３）は、奇数次の周波数成分と、スロット高調波の基本次数未満の閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させ、信号変換部（６４）は、電圧信号に変換する。短絡検知部（６５）は、各磁極に対応する電圧信号の差分波形を生成して、界磁巻線（３２）の短絡および短絡位置を検知する。

Description

本願は、回転電機の短絡検知装置に関するものである。

回転電機の界磁巻線で発生する短絡を検知するため、例えば、特許文献１記載の従来技術では、回転子の界磁巻線の短絡による界磁磁束の変化を、ピックアップコイルを内蔵したプローブによって検知する。プローブは、回転子の引き抜き時あるいは再挿入時の障害とならないように、固定子鉄心の軸方向に設けられた冷却通風ダクトを通じて半径方向にスライド可能とする機構を有している。回転電機の運転時には、プローブは空隙内で回転子に近接するように伸展して固定される。

特許第２８２５３７３号公報

上記特許文献１記載の従来の技術では、プローブをスライド可能とする可動機構と、固定子と回転子との間の空隙に流れる冷却気流による振動に対して十分な強度を有するプローブ構造とを要し、界磁巻線の短絡を検知するために、複雑で大型な構成を要するものであった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型で簡略な構成にて回転子の界磁巻線の短絡を信頼性良く検知できる、回転電機の短絡検知装置を提供することを目的とする。

本願に開示される回転電機の短絡検知装置は、回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する。前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置される。前記信号処理装置は、前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部とを備え、前記磁気検出器は前記固定子のスロット内部に配置される。
また本願に開示される回転電機の短絡検知装置は、回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する回転電機の短絡検知装置において、前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置され、前記信号処理装置は、前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部とを備え、前記固定子には、冷却風の通風路が径方向に設けられ、前記磁気検出器は前記通風路の内部に配置される。

本願に開示される回転電機の短絡検知装置によれば、小型で簡略な構成にて回転子の界磁巻線の短絡を信頼性良く検知できる。

実施の形態１による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。 実施の形態１によるサーチコイルの位置を説明する図である。 実施の形態１によるサーチコイルの位置の範囲を、磁束密度に応じて示す図である。 実施の形態１による信号取得部によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。 実施の形態１による信号分解部によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 実施の形態１による特定周波数成分低減部による低減処理後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 実施の形態１による信号変換部によって変換された電圧信号を示す図である。 実施の形態１による短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。 比較例による、短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。 実施の形態１による信号処理装置の各機能を実現するハードウェアの例を示す構成図である。 実施の形態１による信号処理装置の各機能を実現するハードウェアの別例を示す構成図である。 実施の形態２による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態１による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。実施の形態１では、回転電機としてタービン発電機１０が採用されている。図１において、タービン発電機１０については、タービン発電機１０の軸方向に垂直な断面が示されている。

図１に示したように、タービン発電機１０は、電機子としての固定子２０及び界磁としての回転子３０を備えている。固定子２０は、円筒状の固定子コア２１と、多相巻線２２とを有している。固定子２０は、回転子３０の外側に設けられている。

固定子コア２１の軸方向は、固定子コア２１の軸心に沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。固定子コア２１の径方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円の径方向である。固定子コア２１の周方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円弧に沿う方向である。

固定子コア２１の内周部には、複数の固定子スロット２３が形成されている。各固定子スロット２３は、固定子コア２１の径方向に沿って形成されている。また、複数の固定子スロット２３は、固定子コア２１の周方向に等ピッチで配置されている。実施の形態１では、固定子スロット２３の総数は８４である。複数の固定子スロット２３には、多相巻線２２が巻かれている。

回転子３０は、回転子コア３１、界磁巻線３２、及び図示しない回転軸を有している。回転子コア３１及び回転軸は、固定子コア２１と同軸に配置されている。回転子３０は、回転軸を中心に回転可能である。

回転子コア３１の軸方向は、回転子コア３１の軸心Ｏに沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。回転子コア３１の径方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円の径方向である。回転子コア３１の周方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円弧に沿う方向である。

回転子コア３１の外周部には、複数の回転子スロット３３が形成されている。各回転子スロット３３は、回転子コア３１の径方向に沿って形成されている。

実施の形態１では、複数の回転子スロット３３は、第１スロット群３４と第２スロット群３５とに分かれている。第１スロット群３４及び第２スロット群３５には、それぞれ１６個の回転子スロット３３が含まれている。即ち、回転子スロット３３の総数は、３２である。

第１スロット群３４及び第２スロット群３５において、複数の回転子スロット３３は、回転子コア３１の周方向に等ピッチで配置されている。回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向に隣り合う２つの回転子スロット３３の幅方向中心間の距離である。実施の形態１における回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向角度によって表すと７．４２°である。以下、各回転子スロット３３のピッチは、回転子スロットピッチＳｐと呼ばれる。

第１スロット群３４と第２スロット群３５との間には、第１磁極３６及び第２磁極３７が形成されている。図１において、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子３０の周方向における第１磁極３６の中心と、第２磁極３７の中心とを通る一点鎖線は、以下、磁極中心線Ｃ１と呼ばれる。第１スロット群３４と第２スロット群３５とは、磁極中心線Ｃ１を中心として対称に配置されている。

また、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子コア３１の周方向における第１スロット群３４の中心と、第２スロット群３５の中心とを通る一点鎖線は、以下、極間中心線Ｃ２と呼ばれる。

複数の回転子スロット３３のそれぞれは、磁極中心線Ｃ１に近い方から順に第１スロット、第２スロット、・・・、第８スロットと呼ばれる。言い換えると、複数の回転子スロット３３のそれぞれは、極間中心線Ｃ２に遠い方から順に第１スロット、第２スロット、・・・、第８スロットと呼ばれる。

複数の回転子スロット３３には、磁極中心線Ｃ１を挟んで、第１スロット群３４と第２スロット群３５とを往復するように界磁巻線３２が巻かれている。界磁巻線３２において、隣り合う回転子スロット３３に配置されている部分は、互いに直列に接続されている。

界磁巻線３２は、図示しない外部電源によって直流励磁される。これにより、第１磁極３６及び第２磁極３７の一方がＮ極となり、他方がＳ極となる。つまり、タービン発電機１０は２極の発電機である。

固定子コア２１と回転子コア３１との間には空隙４０が形成されている。多相巻線２２は、図示しない外部電源によって交流励磁される。これにより、空隙４０内に回転磁界が発生する。

短絡検知装置１００は、タービン発電機１０の界磁巻線３２の短絡を検知するもので、磁気検出器としてのサーチコイル５０と、サーチコイル５０からの検出信号を処理する信号処理装置６０と、表示装置７０とを備える。サーチコイル５０は、固定子２０の内部に配置され、この場合、固定子コア２１の１つの固定子スロット２３内に固定されている。また、サーチコイル５０は、空隙４０を介して界磁巻線３２に対向している。

サーチコイル５０には、主磁束及び漏れ磁束が鎖交する。主磁束は、空隙４０に発生する磁束であり、漏れ磁束は、各回転子スロット３３から漏出する磁束である。サーチコイル５０に鎖交する磁束は、鎖交磁束と呼ばれる。

サーチコイル５０は、第１端子５１及び第２端子５２を有している。サーチコイル５０に磁束が鎖交すると、第１端子５１と第２端子５２との間に検出信号である電圧信号が誘起される。サーチコイル５０内の鎖交磁束の分布は、回転子３０の回転に伴って変動する。

信号処理装置６０は、機能ブロックとして、信号取得部６１、信号分解部６２、特定周波数成分低減部６３、信号変換部６４、及び短絡検知部６５を備えている。

信号取得部６１は、サーチコイル５０に誘起される電圧信号を取得する。信号分解部６２は、信号取得部６１によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する。さらに、信号分解部６２は、分解された各周波数成分を振幅と位相とに分離する。

特定周波数成分低減部６３は、スロット高調波の基本次数よりも低い周波数成分の次数を閾値として設定する。スロット高調波は、回転子スロットピッチＳｐに相関を有する高調波である。

さらに、特定周波数成分低減部６３は、分離された振幅のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる。

信号変換部６４は、位相と、特定周波数成分低減部６３による低減処理後に得られた振幅とを、周波数成分の次数ごとにすべて積算することにより特定周波数成分の低減後の電圧信号に変換する。

短絡検知部６５は、変換された特定周波数成分低減後の電圧信号を、回転子３０の第１磁極３６及び第２磁極３７にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、第１磁極３６及び第２磁極３７に対応する各電圧信号の差分波形を生成する。そして、短絡検知部６５は、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線３２の短絡を検知するとともに、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する。

さらに、短絡検知部６５は、界磁巻線３２の短絡の発生有無、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置に関する情報を表示装置７０へ出力する。

表示装置７０は、信号処理装置６０の外部に設けられている。表示装置７０は、短絡検知部６５からの情報に基づいて、界磁巻線３２の短絡の有無、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置を表示する。
なお、表示装置７０は、短絡検知装置１００の外部に設けられても良い。

固定子スロット２３内に配置されたサーチコイル５０について、以下に説明する。
図２は、サーチコイル５０の位置を説明する図である。図に示すように、サーチコイル５０は、２つのティース２５で挟まれた固定子スロット２３の内部にある固定子ウェッジ２４に固定されている。固定子ウェッジ２４は非磁性材料から成り、固定子スロット２３の内部で多相巻線２２の外側（開口側）に充填される。そして、サーチコイル５０も、固定子スロット２３の内部で多相巻線２２の外側に配置される。

そして、固定子スロット２３の開口面の径方向位置、即ちティース先端２１Ａの径方向位置からサーチコイル５０の配設位置までの径方向距離ｙは、ティース先端２１Ａの径方向位置から多相巻線２２の表面までの径方向距離ｄより小さく、０＜ｙ＜ｄとなる。

ところで、界磁巻線３２に流れる電流が増加していくと主磁束も増加していくため、次第に固定子コア２１が磁気飽和していく。磁気飽和した固定子コア２１からは固定子スロット２３へ磁束が漏れ出すため、界磁巻線３２の短絡で生じた磁束量の変化よりも、これとは無関係な主磁束の磁束量の変化の方の影響が大きくなる。したがって、正確に短絡が発生していること、あるいは短絡が発生している回転子スロット３３の位置を検知することが困難になる。

図３は、サーチコイルの位置の範囲を、磁束密度に応じて示す図である。
ここでは、界磁巻線３２の電流を次第に増加させていき、固定子コア２１が磁気飽和するまでの条件において、固定子スロット２３に隣接している固定子コア２１のティース先端２１Ａの磁束密度に対する、サーチコイル５０の位置範囲Ｓｘｙを示す。縦軸は、ティース先端２１Ａでの最大磁束密度ｘ［Ｔ］（Ｔ：テスラ）を示す。横軸は、ティース先端２１Ａを径方向位置の基準として、多相巻線２２の表面までの径方向距離ｄに対する、サーチコイル５０の配設位置までの径方向距離ｙの比率（ｙ／ｄ）を百分率％で示す。

図に示すように、比率（ｙ／ｄ）が、０〜１００％の内で、さらに最大磁束密度ｘの関数ｆ（ｘ）で制限される範囲に、サーチコイル５０が配置される。この位置範囲Ｓｘｙは、短絡の誤検知が発生しないサーチコイル５０の固定子スロット２３内部での位置範囲を示したもので、関数ｆ（ｘ）は、図１のタービン発電機１０の無負荷運転状態をシミュレーションすることにより得たものである。即ち、関数ｆ（ｘ）は、固定子コア２１が磁気飽和するまでの条件で、界磁巻線３２の短絡を誤検知しないように設定される。
なお、誤検知とは、界磁巻線３２の短絡発生および短絡位置を誤って検知することであるが、その詳細については後述する。

なお、関数ｆ（ｘ）は、最大磁束密度ｘ［Ｔ］を用いて以下の式で表される。
ｆ（ｘ）＝８０１×５．９（（１．５−ｘ）＾（５．９））＋３．６

一般に、ティース２５の磁束密度が１Ｔを超える領域では、それ以下の領域に比べて磁気飽和しやすく、かつ、固定子コア２１の積層鋼板の一般的な磁気特性から、磁束密度が大きくなると磁束漏れが指数関数的に急速に増加していく。即ち、この実施の形態においても、図３の縦軸に示す磁束密度が高くなっていくと、ティース２５から固定子スロット２３への漏れ磁束が大きくなる。この漏れ磁束は、回転子３０からの界磁磁束に対して大きくなるほど、サーチコイル５０で検出する界磁磁束に対して外乱となる。
このため、磁束密度が高くなっていくと、サーチコイル５０の位置範囲Ｓｘｙは狭くなっていく。

例えば、最大磁束密度ｘ［Ｔ］が０．８以下となる運転条件で短絡検知する場合では、サーチコイル５０の位置を示す比率（ｙ／ｄ）は、０〜１００％のいずれであっても、界磁巻線３２の短絡した箇所を誤検知せずに推定することができる。

また、例えば、最大磁束密度ｘ［Ｔ］が１．０以上となる運転条件で短絡検知する場合では、誤検知せずに正常に短絡した箇所を推定するためには、サーチコイル５０の位置を示す比率（ｙ／ｄ）は、２０％未満である。

周囲に非線形な磁気特性を有する磁性材が存在する固定子スロット２３では、外周側であるスロット底に向かうほど、界磁巻線３２の短絡と無関係な磁束量変化による影響が顕著になる。このため、磁束密度が高い運転条件で界磁巻線３２の短絡を検知する場合、サーチコイル５０は、周囲に磁性材が少なく、界磁巻線３２の短絡による磁束量変化が大きいスロット開口部近くに配置される。

次に、短絡検知装置１００の信号処理装置６０について、図面を参照しながら、より詳細に説明する。
図４は、信号取得部６１によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。この波形図は、電磁界解析プログラムを用いて、図１のタービン発電機１０の無負荷運転状態をシミュレーションすることにより得られたものである。
なお、シミュレーションは、例えば、第１磁極３６側の第２スロットにおいて、界磁巻線３２が１ターン分だけ短絡しているという条件で実行されている。このため、図４の波形図に基づいて以下に説明する例は、第１磁極３６側の第２スロットにおいて、界磁巻線３２が１ターン分だけ短絡している場合である。

図４に示すように、例えば、周方向角度０°から１８０°までが第１磁極３６に対応し、周方向角度１８０°から３６０°までが第２磁極３７に対応している。従って、周方向角度９０°では、第１磁極３６の中心がサーチコイル５０に最も近付いており、周方向角度２７０°では、第２磁極３７の中心がサーチコイル５０に最も近付いている。図４の波形図において、３２個の細かな電圧変動は、回転子スロットピッチＳｐ、即ち、７．４２°ごとに発生している。

図５は、信号分解部６２によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。横軸は、高調波の次数ｎであり、図中の棒グラフの一山を１次とする。図５では、１１０次までの高調波を示している。ｎは、１以上の整数である。なお、１１１次以上の次数の高調波は、振幅が小さいため表示を割愛する。縦軸は、各次数の高調波の電圧強度を示している。

図５に示すように、奇数次の高調波の電圧強度は、偶数次の高調波の電圧強度よりも大きい。奇数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生しているか否かにかかわりなく発生する。一方、偶数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生している場合に発生する。

また、奇数次の高調波のうち、１次の高調波の電圧強度が特に大きい。１次の高調波は、基本波とも呼ばれ、主磁束の周波数成分である。
また、奇数次の高調波のうち、４７次の高調波は、その周辺の高調波に比べて電圧強度が大きい。４７次の高調波は、スロット高調波であり、回転子スロットピッチＳｐに相関を有する高調波である。４７次は、スロット高調波の基本次数である。スロット高調波は、回転子３０における１次の起磁力と、回転子スロットピッチＳｐのパーミアンス変化との差分によって発生する。パーミアンスは、起磁力から磁束密度への変換係数である。この場合、起磁力次数と、パーミアンス次数との差分４７がスロット高調波の次数となる。

４８次以上の高調波は、回転子スロットピッチＳｐよりも狭いピッチ、つまり、周方向において回転子スロットピッチＳｐよりも小さい角度に相当する高調波である。回転子スロットピッチＳｐよりも小さい角度に対応する周波数成分は、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために必要な成分ではない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、４７次よりも小さい次数を、偶数次の周波数成分を除去するための閾値の次数として選択する。そして、特定周波数成分低減部６３は、選択された閾値よりも大きいすべての偶数次の周波数成分を除去する。

スロット高調波の電圧強度は、スロット高調波に近い奇数次の周波数成分の電圧強度に比べて高い。そのため、スロット高調波の次数に近い偶数次の周波数成分ほど、スロット高調波の影響を受け、不安定になり易い。従って、スロット高調波の影響を受け易い偶数次の周波数成分が除去されるように閾値が設定されることがより好ましい。

また、奇数次の周波数成分は、偶数次の周波数成分を検知することを阻害する要因となる。一方で、奇数次の周波数成分は、周方向角度を特定するために必要な情報を含んでいる。具体的には、奇数次の周波数成分を含むことにより、どちらの磁極側で短絡が発生したかを判別できる。
そのため、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために、奇数次の周波数成分を完全に除去することは望ましくない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、奇数次の周波数成分を完全に除去するのではなく、減衰させる。

より具体的に述べると、実施の形態１では、特定周波数成分低減部６３は、閾値を１２に設定し、１４次以上の偶数次の周波数成分を除去する。また、特定周波数成分低減部６３は、すべての奇数次の周波数成分を減衰させ、この場合、奇数次の１１次以下は１／５０に、奇数次の１３次以上はほぼゼロに減衰あるいは除去する。
このように、この実施の形態において、周波数成分を低減させることには、周波数成分を除去すること、及び周波数成分を減衰させることが含まれる。

図６は、特定周波数成分低減部６３による低減処理後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。図６に示すように、特定周波数成分低減部６３から出力される振幅成分の周波数スペクトルは、２次から１２次までの偶数次の周波数成分と、減衰された奇数次の周波数成分とを含んでいる。

このように、特定周波数成分低減部６３が、スロット高調波の基本次数よりも低い次数である閾値よりも高い偶数次の周波数成分と、奇数次の周波数成分とを低減させることにより、界磁巻線３２での短絡検知の妨げとなる要因を小さくすることができる。これにより、短絡の検知精度を向上することができる。

図７は、信号変換部６４によって変換された電圧信号を示す図である。
信号変換部６４は、周波数成分の次数ごとに、位相と、特定周波数成分低減部６３による低減処理後の振幅とを、すべて積算して電圧信号に変換する。変換された電圧信号には、スロット高調波の成分が含まれていないので、図７に示すように、図４で示した電圧信号に比べて、電圧の変動周期が長くなっている。言い換えると、図７には、回転子スロットピッチＳｐの細かな波形が現れない。

図８は、短絡検知部６５にて得られる差分波形を示す図である。
短絡検知部６５には、信号変換部６４にて変換された電圧信号が入力される。そして、短絡検知部６５は、入力された電圧信号を、回転子３０の第１磁極３６及び第２磁極３７にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。第１磁極３６と第２磁極３７とは互いに極性が異なるため、第１磁極３６に対応する０°から１８０°までの波形と、第２磁極３７に対応する１８０°から３６０°までの波形とを足し合わせることで、第１磁極３６及び第２磁極３７に対応する各電圧信号の差分波形を生成する。
即ち、図８に示した差分波形は、図７に示した波形を左右に分割し、互いに足し合わせることにより得られる。

図８の差分波形では、５０°の位置に正方向のピーク電圧の一波によるピーク波形Ｐ１が現れ、１３０°の位置に負方向のピーク電圧の一波によるピーク波形Ｐ２が現れている。なお、「一波」とは、ピーク電圧の一側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度から、ピーク電圧の他側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度までの範囲Ｗαの一波形である。

図８中の縦の破線は、第１スロットから第８スロットまでの周方向角度を表している。磁極の中心に対応する９０°に最も近い破線が第１スロットであり、０°及び１８０°に最も近い破線が第８スロットである。隣り合う破線同士の間隔は、回転子スロットピッチＳｐに相当する。

このように、回転子スロットピッチＳｐよりも幅広の範囲Ｗαのピーク波形Ｐ１、Ｐ２が差分波形に現れることは、界磁巻線３２に短絡が発生していることを示している。

５０°のピーク電圧及び１３０°のピーク電圧は、いずれも第２スロットを表す破線α１、α２に最も近い。この結果から、短絡検知部６５は、第２スロットにおいて界磁巻線３２の短絡が発生していると推定する。

上述したように、界磁巻線３２に流れる電流が増加して固定子コア２１が磁気飽和すると、固定子コア２１から固定子スロット２３へ磁束が漏れ出して、界磁巻線３２の短絡検知に悪影響を及ぼす。
図９は、比較例による、短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。図９に示す比較例では、固定子コア２１が磁気飽和した場合を示し、本来短絡が発生した第２スロットではない周方向角度にピーク電圧を有するピーク波形ＰＰ１、ＰＰ２が発生している。この場合、ピーク波形ＰＰ１、ＰＰ２の各ピーク電圧は、いずれも第２スロットを表す破線α１、α２よりも第１スロットの破線に最も近く、界磁巻線３２の短絡が第１スロットで発生していると誤って推定される。

上記比較例に示すように、本来、短絡していないスロットで短絡が発生しているように、誤判断してしまう、即ち、短絡位置を誤って検知する誤検知について、この誤検知が発生しない条件を以下に説明する。
誤検知が発生しない条件は、短絡検知部６５にて得られる差分波形に現れる、回転子スロットピッチＳｐより幅広のピーク波形Ｐ１、Ｐ２のピーク電圧の角度と、実際に短絡が発生した回転子スロット３３の角度との差分が、回転子スロットピッチＳｐの１／２未満であることである。この差分が回転子スロットピッチＳｐの１／２以上になると、本来、短絡していない隣接、あるいはさらに隣のスロットで短絡が発生しているように、誤検知される。

以上のように、この実施の形態では、サーチコイル５０が、固定子スロット２３内部に配置されるので、回転子３０を着脱する時の障害にならない他、回転子３０の回転に伴って空隙４０で高速度に循環する冷却気流に直接的に晒されない。
従ってサーチコイル５０は、可動式で複雑なプローブを要さず、また、冷却気流による振動に耐えうる強固で大型のプローブも必要ない。例えば、樹脂で固められた薄板で保護し、これを固定子ウェッジ２４に接着等で固定する等の簡素なプローブで構成できる。このため、短絡検知装置１００は、小型で簡略な構成にて回転子３０の界磁巻線３２の短絡を信頼性良く検知できる。

なお、サーチコイル５０と固定子ウェッジ２４とが大きく離間する場合は、固定子ウェッジ２４とサーチコイル５０との間に、固定治具を介しても良い。

また、サーチコイル５０は、固定子スロット２３内部で、回転子３０の回転に伴う固定子２０のティース先端２１Ａにおける最大磁束密度が大きいほど、ティース先端２１Ａの径方向位置までの距離が小さくなる範囲に配置される。このため、磁束密度が大きいタービン発電機１０の運転条件においても、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているか、信頼性良く検知できる。

さらに、ティース先端２１Ａを径方向位置の基準として、多相巻線２２表面までの径方向距離ｄに対する、サーチコイル５０の位置までの径方向距離ｙの比率（ｙ／ｄ）が、０〜１００％の内で、さらに最大磁束密度ｘの関数ｆ（ｘ）で制限される範囲に、サーチコイル５０が配置される。即ち、図３で示す位置範囲Ｓｘｙにサーチコイル５０を配置することにより、信頼性の高い界磁巻線３２の短絡検知を容易で確実に行える。

また、実施の形態１において、固定子スロット２３の数、回転子スロット３３の数、磁極３６、３７の数、回転子スロットピッチＳｐは、上記の例に限定されない。

例えば、磁極の数が２よりも多い場合、短絡検知部６５は、次のように差分波形を生成すればよい。短絡検知部６５は、まず、信号変換部６４により変換された電圧信号を、回転子３０の複数の磁極にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成すればよい。

また、実施の形態１において、回転子スロットピッチＳｐは１通りであったが、回転子スロットピッチＳｐは、複数通り存在してもよい。回転子スロットピッチＳｐが複数通り存在する場合、回転子スロットピッチＳｐの最も大きな電圧成分、即ち、複数のスロット高調波のうち、最も次数の小さいスロット高調波の次数をスロット高調波の基本次数と見做して閾値を設定すればよい。これにより、すべての回転子スロットピッチＳｐに対応する周波数成分を除去することができる。

また、実施の形態１において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしも全ての奇数次の周波数成分を低減させなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、偶数次の周波数成分を検知することができる範囲内で、一部の奇数次の周波数成分を低減せず残してもよい。

また、実施の形態１において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしも閾値よりも高い偶数次の周波数成分を全て除去しなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、短絡検知部６５における差分波形に、回転子スロットピッチＳｐよりも幅広のピーク波形Ｐ１、Ｐ２が得られる範囲内で、閾値よりも高い偶数次の周波数成分を減衰させてもよい。

また、実施の形態１において、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、さらに、複数の周波数成分を振幅と位相とに分離していた。そして、特定周波数成分低減部６３は、振幅について特定の周波数成分を低減させる処理を行っていた。しかし、信号を分解する方法は、これに特に限定されない。

例えば、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、特定周波数成分低減部６３は、分解された複数の周波数成分について特定の周波数成分を低減させる処理を行ってもよい。これによれば、信号分解の処理をより簡易にすることができる。

また、実施の形態１において、回転子３０は、固定子２０の内周側に配置されていたが、回転子３０は、固定子２０の外周側に配置されてもよい。

また、実施の形態１において、回転電機としてタービン発電機１０が採用されていたが、回転電機は、タービン発電機１０以外の発電機であってもよいし、電動機であってもよい。
また、磁気検出器としてサーチコイル５０を用いたが、これに限るものでは無い。

また、実施の形態１の信号処理装置６０の機能は、処理回路によって実現される。
図１０は、信号処理装置６０の各機能を実現するハードウェアの例を示す構成図である。この場合、専用のハードウェアである処理回路６０Ａにて信号処理装置６０が構成される。

また、処理回路６０Ａは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。

また、図１１は、実施の形態１による信号処理装置６０の各機能を実現するハードウェアの別例を示す構成図である。この場合、処理回路６０Ｂは、プロセッサ２０１及びメモリ２０２を備えている。

処理回路６０Ｂでは、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより、信号処理装置６０の機能が実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２０２に格納される。プロセッサ２０１は、メモリ２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

メモリ２０２に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２０２に該当する。

なお、上述した信号処理装置６０の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した信号処理装置６０の機能を実現することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、サーチコイル５０を固定子スロット２３の内部に配置したが、タービン発電機１０では、上記特許文献１のように、固定子コア内に通風路を設置して冷却風を通風する場合があり、通風路内にサーチコイル５０を設置することもできる。

図１２は、実施の形態２による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。なお、回転電機であるタービン発電機１０は、通風路を設置したこと以外、実施の形態１で示したものと同様であり、適宜、図示および説明を省略する。図１２は、タービン発電機１０の軸方向断面図を示している。

この実施の形態２では、固定子コア２１に、固定子コア２１を径方向に貫通する通風路８０が軸方向に複数個設けられて、冷却風が通風される。
上記実施の形態１と同様に、短絡検知装置１００Ａは、サーチコイル５０と、サーチコイル５０からの検出信号を処理する信号処理装置６０と、表示装置７０とを備えて、タービン発電機１０の界磁巻線３２の短絡を検知する。

図に示すように、通風路８０は軸方向に固定子コア２１に挟まれており、サーチコイル５０は、１つの通風路８０内に固定されている。また、サーチコイル５０は、空隙４０を介して図示しない界磁巻線３２に対向している。
通風路８０内のサーチコイル５０の径方向位置は、上記実施の形態１の固定子スロット２３内の径方向位置と同様に決定できる。即ち、上記実施の形態１の図３で示す位置範囲Ｓｘｙにサーチコイル５０を配置する。

上記実施の形態１で示したシミュレーションは、このような非磁性部分が存在する割合を加味しているので、サーチコイル５０を通風路８０内に設置しても同様の効果が得られる。

また、通風路８０は、固定子コア２１を径方向に貫通しているため、サーチコイル５０及びそのリード線をタービン発電機１０の外側に引き出すことが容易となる。また、サーチコイル５０は、固定子スロット２３内に配置される場合と異なり、固定子ウェッジ２４の点検時に障害にならない、と言う利点がある。
さらに、必要に応じてタービン発電機１０の外側からサーチコイル５０を挿入することで、界磁巻線３２の短絡検査の時のみ、臨時で後からサーチコイル５０を設置することが可能になる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ タービン発電機（回転電機）、２０ 固定子、２１ 固定子コア、２１Ａ ティース先端、２２ 多相巻線、２３ 固定子スロット、２５ ティース、３０ 回転子、３２ 界磁巻線、３３ 回転子スロット、３６ 第１磁極、３７ 第２磁極、４０ 空隙、５０ サーチコイル（磁気検出器）、６０ 信号処理装置、６１ 信号取得部、６２ 信号分解部、６３ 特定周波数成分低減部、６４ 信号変換部、６５ 短絡検知部、８０ 通風路、１００，１００Ａ 短絡検知装置、ｆ 関数、ｄ，ｙ 径方向距離、Ｓｘｙ 位置範囲、Ｓｐ 回転子スロットピッチ。

Claims (7)

1. 回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する回転電機の短絡検知装置において、
   前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置され、
   前記信号処理装置は、
   前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、
   前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、
   前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、
   前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、
   前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部とを備え、
   前記磁気検出器は前記固定子のスロット内部に配置される、
   回転電機の短絡検知装置。
2. 回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する回転電機の短絡検知装置において、
   前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置され、
   前記信号処理装置は、
   前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、
   前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、
   前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、
   前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、
   前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部とを備え、
   前記固定子には、冷却風の通風路が径方向に設けられ、前記磁気検出器は前記通風路の内部に配置される、
   回転電機の短絡検知装置。
3. 前記磁気検出器は、前記固定子のティース先端の径方向位置と前記固定子内部の多相巻線表面の径方向位置との間の径方向位置で、前記回転子の回転に伴う前記固定子の前記ティース先端における最大磁束密度が大きいほど、前記ティース先端の径方向位置までの距離が小さくなる範囲に配置される、
   請求項１または請求項２に記載の回転電機の短絡検知装置。
4. 前記ティース先端を径方向位置の基準として、前記多相巻線表面までの径方向距離に対する、前記磁気検出器の位置までの径方向距離の比率が、０〜１００％の内で、さらに前記最大磁束密度の関数で制限される範囲に、前記磁気検出器が配置される、
   請求項３に記載の回転電機の短絡検知装置。
5. 前記関数は、前記固定子のコアが磁気飽和するまでの条件で、前記界磁巻線の前記短絡を誤検知しないように設定される、
   請求項４に記載の回転電機の短絡検知装置。
6. 前記関数は、前記最大磁束密度をｘＴとした場合
   ８０１×５．９（（１．５−ｘ）＾（５．９））＋３．６
   で表される、
   請求項４または請求項５に記載の回転電機の短絡検知装置。
7. 前記磁気検出器は、サーチコイルである、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。

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