JP7090795B2 - 回転電機の点検方法、回転電機及び回転電機の点検システム - Google Patents

回転電機の点検方法、回転電機及び回転電機の点検システム Download PDF

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Description

本発明は、回転子コアの軸方向端部に取り付けられた保持環を有する回転電機の点検方法、回転電機及び回転電機の点検システムに関する。
特許文献1には、回転電機が記載されている。この回転電機は、磁極と極間とを設けた回転子鉄心と、回転子鉄心の極間に周方向に複数設けたスロットと、スロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され、回転子鉄心から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、を有している。
特開2014-121166号公報
上記のような回転電機において、保持環は、回転子が回転するときの遠心力によって半径方向に広がるように変形する。このため、回転電機の起動及び停止が繰り返された場合、保持環には繰返し変形が生じる。保持環に繰返し変形が生じると、保持環に亀裂又は破損などの欠陥が生じてしまうおそれがある。したがって、一般に回転電機では、保持環の目視点検が定期的に行われる。
保持環の目視点検が行われる際には、回転電機を停止させた状態で回転子が固定子から引き抜かれ、保持環の欠陥の有無が目視によって点検される。回転子を固定子から引き抜く必要があることから、回転電機の稼働期間中には保持環の目視点検を実行することができず、また、保持環の目視点検の実行頻度は数年に一度程度に限られる。一方で、保持環の欠陥は、通常、回転電機の稼働期間中に生じやすい。したがって、目視点検の際に保持環に欠陥が生じていなかったとしても、次の目視点検が行われるまでの稼働期間中に保持環に欠陥が生じてしまうおそれがあるという課題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、保持環の点検を回転電機の稼働期間中に行うことができる回転電機の点検方法、回転電機及び回転電機の点検システムを得ることを目的とする。
本発明に係る回転電機の点検方法は、回転電機の点検方法であって、前記回転電機の回転子コアの軸方向端部に取り付けられた保持環の外周面に施された模様を、前記回転電機の非回転部に取り付けられた撮像素子を用いて、前記保持環を回転させた状態で前記保持環の全周にわたって撮影して第1画像を取得する第1工程と、前記第1工程の後に前記回転電機の運転を挟んで実行され、前記保持環を回転させた状態で前記撮像素子を用いて前記模様を前記保持環の全周にわたって撮影して第2画像を取得する第2工程と、前記第1画像及び前記第2画像に基づいて前記保持環のひずみ分布を取得する第3工程と、を有する。
本発明に係る回転電機は、固定子を含む非回転部と、前記固定子の内周側に回転自在に設けられた回転子と、前記非回転部に取り付けられた撮像素子と、を備え、前記回転子は、回転子コアと、前記回転子の軸方向において前記回転子コアの端部に取り付けられた保持環と、を有しており、前記撮像素子は、前記保持環の外周面に施された模様を撮影するように構成されている。
本発明に係る回転電機の点検システムは、本発明に係る回転電機と、前記撮像素子から取得した画像に基づいて前記保持環のひずみ分布を取得するように構成されたコンピュータと、を備える。
本発明によれば、保持環の点検を回転電機の稼働期間中に行うことができる。
本発明の実施の形態1に係るタービン発電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係るタービン発電機における固定子の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。 図2のIII-III線で固定子を切断した端面を示す図である。 本発明の実施の形態1に係るタービン発電機の点検システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態1に係るタービン発電機の点検方法の概略の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係るタービン発電機における固定子の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。 図6のVII-VII線で固定子を切断した端面を示す図である。 本発明の実施の形態3に係るタービン発電機における固定子の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。 図8のIX-IX線で固定子を切断した端面を示す図である。 本発明の実施の形態4に係るタービン発電機における固定子の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。 図10のXI-XI線で固定子を切断した端面を示す図である。 図10のXII-XII線で固定子を切断した端面を示す図である。 図10のXIII-XIII線で固定子を切断した端面を示す図である。 本発明の実施の形態5に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。 図14のXV-XV線で固定子20を切断した端面を示す図である。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る回転電機の点検方法、回転電機及び回転電機の点検システムについて説明する。本実施の形態では、回転電機としてタービン発電機100を例示している。図1は、本実施の形態に係るタービン発電機100の構成を示す断面図である。図1では、タービン発電機100のうち軸芯11に対して片側の構成のみを示している。図1の左右方向はタービン発電機100の軸方向を表しており、図1の上下方向はタービン発電機100の径方向を表している。図1に示す範囲において、下方は径方向内側すなわち内周側を表しており、上方は径方向外側すなわち外周側を表している。図2は、本実施の形態に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。図3は、図2のIII-III線で固定子20を切断した端面を示す図である。図3では、固定子20の軸方向一端側の一部のみを示している。
図1~図3に示すように、タービン発電機100は、フレーム10と、フレーム10の内側に固定された筒状の固定子20と、固定子20の内周側に回転自在に設けられた回転子40と、を有している。
回転子40は、不図示の原動機に接続される回転軸41と、回転軸41と同軸に設けられた回転子本体42と、を有している。回転軸41は、軸芯11を中心として回転自在となるようにフレーム10に支持されている。回転子本体42は、回転子コア43と、回転子コア43に設けられた複数の回転子コイル(図示せず)と、を有している。回転子コア43の両端部には、一対の保持環44a、44bが取り付けられている。
回転子コイルの両端部は、回転子コア43の両端部からそれぞれ軸方向に張り出すように設けられる。保持環44a及び保持環44bは、回転子40の回転に伴う遠心力によって回転子コイルの両端部が変形するのを抑制するため、回転子コイルの両端部をそれぞれ外周側から保持している。すなわち、保持環44a及び保持環44bは、回転子コイルの両端部の外周側に設けられている。保持環44a及び保持環44bは、いずれも円筒状の形状を有している。保持環44aは、回転子コア43の軸方向一端部の外周面に対して焼嵌めされることにより、回転子コア43の軸方向一端部に固定して取り付けられている。保持環44aは、回転子コア43の軸方向一端側に配置された円環状のエンドプレート45(図4参照)の外周面に対しても焼嵌めされている。保持環44bは、回転子コア43の軸方向他端部の外周面に対して焼嵌めされることにより、回転子コア43の軸方向他端部に固定して取り付けられている。保持環44bは、回転子コア43の軸方向他端側に配置された円環状のエンドプレート(図示せず)の外周面に対しても焼嵌めされている。本実施の形態では、1台のタービン発電機100に対して2つの保持環44a、44bが使用されている。
保持環44aの外周面の少なくとも一部には、後述する撮像素子30aによって撮影される所定の模様が施されている。同様に、保持環44bの外周面の少なくとも一部には、後述する撮像素子30bによって撮影される所定の模様が施されている。保持環44a及び保持環44bのそれぞれの外周面に施される模様は、例えば、白色及び黒色などのコントラストの差が大きい2色を用いて形成される。例えば、保持環44aの外周面に模様が施される際には、保持環44aの外周面の全体に白色塗料が均一に塗布され、その後、黒色の複数の点が不規則に配置されるように、保持環44aの外周面に黒色塗料が塗布される。複数の点のそれぞれの大きさは、数μm~数mm程度である。後述するデジタル画像相関法を用いる場合、複数の点のそれぞれの大きさが小さく、複数の点同士の間隔が狭いほど、ひずみの分解能が向上する。本実施の形態では、保持環44a及び保持環44bのそれぞれの外周面には、保持環44a及び保持環44bのそれぞれで想定されるひずみ変化に対して十分な分解能が得られるような所定の模様が施されている。
保持環44a及び保持環44bのそれぞれの外周面に施される模様は、塗料の塗布により形成されるものに限られず、模様の形成されたシートが貼り付けられることによって形成されるようにしてもよい。また、保持環44a及び保持環44bのそれぞれの外周面に施される模様は、保持環44a及び保持環44bの素材そのものが本来備える模様であってもよいし、製造工程において保持環44a及び保持環44bを加工する際に生じる模様であってもよい。
固定子20は、全体として円筒状の形状を有しており、回転子40の外周を囲むように設けられている。固定子20の内周面は、回転子本体42の外周面と対向している。固定子20は、円筒状の固定子コア21と、固定子コア21に装着された固定子コイルと、を有している。また、固定子20は、固定子コア21の軸方向両端に配置された一対の締め板23a、23bと、締め板23a及び固定子コア21の間に設けられた複数のフィンガープレート24aと、締め板23b及び固定子コア21の間に設けられた複数のフィンガープレート24bと、を有している。
固定子コア21は、複数のコア板が軸方向に積層された構成を有している。固定子コア21の内周側には、円環状のコアバックから径方向内側に延びた複数のコアティース26と、周方向で隣り合う2つのコアティース26の間に設けられたスロット25と、が設けられている。すなわち、固定子コア21の内周側には、複数のスロット25と複数のコアティース26とが周方向で交互に配置されている。固定子コイルは、各スロット25内では軸方向に直線状に延びている。あるスロット25の軸方向端部から引き出された固定子コイルは、固定子コア21の外側で固定子コイルエンド22a又は固定子コイルエンド22bとして折り返され、別のスロット25内に挿入されている。
一対の締め板23a、23bは、固定子コア21を軸方向両端側から挟むように、軸方向において固定子コア21の両端のそれぞれ外側に設けられている。一対の締め板23a、23b同士は、固定子コア21を軸方向に貫通するスルーボルト(図示せず)を用いて互いに固定されている。締め板23a及び締め板23bは、いずれも環状の形状を有しており、周方向の全体にわたって設けられている。締め板23a及び締め板23bは、軸方向にそれぞれ1枚以上設置されている。スルーボルトは、一対の締め板23a、23bに対して1本以上用いられている。これにより、固定子コア21には軸方向の面圧が作用し、固定子コア21全体の剛性が高められるため、タービン発電機100が運転する際に固定子コア21に生じる振動が抑制される。
締め板23a及び締め板23bは、径方向において、各スロット25を形成するコアバックの壁面25aよりも外周側となる範囲に設置されている。すなわち、締め板23aの内周面23a1及び締め板23bの内周面23b1はいずれも、壁面25aよりも外周側に位置している。このため、壁面25aよりも内周側に形成されているコアティース26には、締め板23a及び締め板23bによる軸方向の面圧が作用しにくい。複数のフィンガープレート24a及び複数のフィンガープレート24bは、コアティース26にも軸方向の面圧を十分に作用させるために設けられている。複数のフィンガープレート24a及び複数のフィンガープレート24bの材質は、ステンレス鋼などの金属材料である。複数のフィンガープレート24aは、締め板23aと固定子コア21の一方の軸方向端面との間に設けられている。複数のフィンガープレート24aのそれぞれは、軸方向に沿って見たとき、締め板23aの内周面23a1よりも内周側にまで延びている。同様に、複数のフィンガープレート24bは、締め板23bと固定子コア21の他方の軸方向端面との間に設けられている。複数のフィンガープレート24bのそれぞれは、軸方向に沿って見たとき、締め板23bの内周面23b1よりも内周側にまで延びている。
複数のフィンガープレート24aのそれぞれは、一方向に長い直方体状の形状を有している。各フィンガープレート24aの長手方向は、固定子コア21の径方向に沿うように設けられている。各フィンガープレート24aの長手方向の長さは、各コアティース26の先端面すなわち固定子コア21の内周面21aから固定子コア21の外周面21bまでの径方向距離と概ね一致している。また、各フィンガープレート24aは、軸方向に沿って見たとき各コアティース26と重なるように、各コアティース26の軸方向一端側に配置されている。すなわち、フィンガープレート24aの数は、コアティース26の数と一致している。
複数のフィンガープレート24bのそれぞれは、複数のフィンガープレート24aのそれぞれと同様の構成を有している。各フィンガープレート24bは、軸方向に沿って見たとき各コアティース26と重なるように、各コアティース26の軸方向他端側に配置されている。すなわち、フィンガープレート24bの数は、コアティース26の数と一致している。
全てのコアティース26のそれぞれは、1つのフィンガープレート24aと1つのフィンガープレート24bとによって軸方向両端側から挟まれている。これにより、各コアティース26には、1つのフィンガープレート24a及び1つのフィンガープレート24bを介して、締め板23a及び締め板23bからの軸方向の面圧が伝達される。これにより、固定子コア21全体の剛性が高められている。ここで、複数のフィンガープレート24a及び複数のフィンガープレート24bは、締め板23a及び締め板23bからの軸方向の面圧を各コアティース26に伝達できる剛性を有するものであれば、樹脂材料などの金属以外の材料によって形成されていてもよい。また、複数のフィンガープレート24a及び複数のフィンガープレート24bのそれぞれの形状は、直方体状には限られない。
固定子コア21の製造工程において、各フィンガープレート24aは、固定子コア21を構成する複数のコア板のうち、軸方向で最も一端側に位置するコア板に、スポット溶接等を用いて固定される。同様に、各フィンガープレート24bは、固定子コア21を構成する複数のコア板のうち、軸方向で最も他端側に位置するコア板に、スポット溶接等を用いて固定される。複数のコア板が軸方向に積層された後に一対の締め板23a、23bが設置され、スルーボルトを用いて一対の締め板23a、23bが固定される。
回転子本体42は、回転子コイルに界磁電流を流すことによって電磁石化される。回転子本体42は、回転軸41を介して原動機から伝達される回転力により回転する。回転子本体42が回転すると、固定子20の固定子コイルには誘導電流が流れる。タービン発電機100では、固定子コイルに流れる電流を取り出すことにより発電が行われる。発電によるフレーム10内の温度上昇を抑えるため、フレーム10の内部には冷媒が循環している。フレーム10には、冷媒を冷却するためのガス冷却器12が設けられている。
また、本実施の形態のタービン発電機100は、保持環44aの外周面に施された模様を撮影するように構成された撮像素子30aと、保持環44bの外周面に施された模様を撮影するように構成された撮像素子30bと、を有している。撮像素子30a及び撮像素子30bはいずれも、タービン発電機100におけるフレーム10内部の非回転部に取り付けられている。ここで、非回転部とは、タービン発電機100のうち回転しない部分、すなわち、タービン発電機100のうち回転子40以外の部分のことである。非回転部には、少なくとも固定子20及びフレーム10が含まれている。撮像素子30a及び撮像素子30bのそれぞれは、撮影したデジタル画像のデータを後述する計算装置200に出力するように構成されている。撮像素子30aがタービン発電機100の非回転部に取り付けられているため、タービン発電機100の稼働期間中であっても、撮像素子30aへの給電、及び撮像素子30aからのデータ出力が可能となっている。同様に、撮像素子30bがタービン発電機100の非回転部に取り付けられているため、タービン発電機100の稼働期間中であっても、撮像素子30bへの給電、及び撮像素子30bからのデータ出力が可能となっている。
本実施の形態では、撮像素子30aは、固定子20の一部であるフィンガープレート24aに取り付けられている。フィンガープレート24aは、隙間46aを挟んで保持環44aに近接して設けられる部材である。具体的には、撮像素子30aは、ある1つのフィンガープレート24aのうち、固定子20の内周側に位置する端部24a1に取り付けられている。撮像素子30aの取付けには、例えば溶接、接着、又はくさびを用いた嵌め合い等が用いられる。フィンガープレート24aの端部24a1は、隙間46aを介して保持環44aの外周面の周方向の一部と対向している。これにより、撮像素子30aは、隙間46aを介して保持環44aの外周面と対向するように取り付けられる。撮像素子30aの撮影方向は、図1及び後述する図4に矢印で示すように、径方向に沿って軸芯11に向かう方向である。回転子40の一部である保持環44aが回転することにより、撮像素子30aは、保持環44aの外周面に施された模様を全周にわたって撮影できるようになっている。撮像素子30aがフィンガープレート24aに取り付けられることにより、撮像素子30aを取り付けることによるタービン発電機100の強度の低下を抑えることができる。撮像素子30aは、フィンガープレート24a以外の非回転部に取り付けられる場合であっても、保持環44aの外周面と対向するように取り付けられるのが望ましい。
同様に、撮像素子30bは、固定子20の一部であるフィンガープレート24bに取り付けられている。フィンガープレート24bは、隙間46bを挟んで保持環44bに近接して設けられる部材である。具体的には、撮像素子30bは、ある1つのフィンガープレート24bのうち、固定子20の内周側に位置する端部24b1に取り付けられている。撮像素子30bの取付けには、例えば溶接、接着、又はくさびを用いた嵌め合い等が用いられる。フィンガープレート24bの端部24b1は、隙間46bを介して保持環44bの外周面の周方向の一部と対向している。これにより、撮像素子30bは、隙間46bを介して保持環44bの外周面と対向するように取り付けられる。撮像素子30bの撮影方向は、図1に矢印で示すように、径方向に沿って軸芯11に向かう方向である。回転子40の一部である保持環44bが回転することにより、撮像素子30bは、保持環44bの外周面に施された模様を全周にわたって撮影できるようになっている。撮像素子30bがフィンガープレート24bに取り付けられることにより、撮像素子30bを取り付けることによるタービン発電機100の強度の低下を抑えることができる。撮像素子30bは、フィンガープレート24b以外の非回転部に取り付けられる場合であっても、保持環44bの外周面と対向するように取り付けられるのが望ましい。
撮像素子30aが取り付けられるフィンガープレート24aと、撮像素子30bが取り付けられるフィンガープレート24bとは、軸方向に沿って見たとき互いに重なっていてもよいし、軸方向に沿って見たとき互いに周方向にずれていてもよい。
保持環44aにおいて亀裂又は破損などの欠陥が生じやすいのは、回転子コア43又はエンドプレート45に対する焼嵌め部分である。このため、撮像素子30aは、少なくとも保持環44aの焼嵌め部分を全周にわたって撮影できるように、保持環44aの焼嵌め部分と対向するように取り付けられるのが望ましい。同様に、撮像素子30bは、少なくとも保持環44bの焼嵌め部分を全周にわたって撮影できるように、保持環44bの焼嵌め部分と対向するように取り付けられるのが望ましい。
本実施の形態では、1つの保持環に対して1つの撮像素子が設けられているが、1つの保持環に対して複数の撮像素子が設けられていてもよい。この場合、複数の撮像素子は、保持環の周方向又は軸方向で互いにずれた位置に設けられる。
図4は、本実施の形態に係るタービン発電機100の点検システムの概略構成を示す図である。図4に示すように、本実施の形態に係る点検システムは、タービン発電機100と、通信線210を介してタービン発電機100に接続される計算装置200と、を有している。計算装置200は、プロセッサ、記憶装置、入出力インターフェース回路及び通信装置などをハードウェア構成として備えたコンピュータである。計算装置200は、記憶装置に記憶されているプログラムがプロセッサにより実行されることにより、画像解析手段として機能する。すなわち、計算装置200は、撮像素子30aから取得した画像を用いて画像解析を行い、保持環44aのひずみ分布を取得するように構成されている。図4では図示していないが、計算装置200は、撮像素子30bから取得した画像を用いて画像解析を行い、保持環44bのひずみ分布を取得するように構成されている。計算装置200は、情報を表示する表示部201をさらに備えている。計算装置200としては、パーソナルコンピュータを用いることができる。タービン発電機100と計算装置200との間の接続は、通信線210を介した有線接続に限られず、無線接続であってもよい。
図5は、本実施の形態に係るタービン発電機100の点検方法の概略の流れを示すフローチャートである。図5に示す処理のうち少なくともステップS1の処理及びステップS3~ステップS8の処理は、計算装置200によって実行される。本実施の形態に係るタービン発電機100の点検方法では、保持環44a及び保持環44bのそれぞれが点検される。以下、保持環44aを点検する方法について説明するが、保持環44bを点検する方法も同様に行われる。
まず、計算装置200は、第1画像を取得する(ステップS1)。第1画像は、保持環44aの外周面に施された模様を、撮像素子30aを用いて、保持環44aを回転させた状態で保持環44aの全周にわたって撮影することによって取得される。第1画像は、保持環44aのひずみ分布を取得する際の基準となる画像である。このため、第1画像は、保持環44aに生じているひずみが相対的に小さい時点、すなわち、タービン発電機100が製造されてからの稼働時間ができるだけ短い時点で取得されるのが望ましい。例えば、第1画像は、タービン発電機100の調整試験の際に取得される。タービン発電機100の調整試験は、タービン発電機100の製造が完了した後であって、タービン発電機100が出荷される前に行われる。ただし、第1画像は、タービン発電機100の出荷及びその後の設置が完了した後の、タービン発電機100の稼働期間中に取得されるようにしてもよい。例えば、タービン発電機100の起動途中若しくは停止途中の低速回転時に第1画像が取得されるようにしてもよいし、タービン発電機100の定格運転時に第1画像が取得されるようにしてもよい。いずれにしても、第1画像は、保持環44aが回転している状態で取得される。
第1画像は、保持環44aの全周分の模様が展開された1つの二次元画像を含んでいてもよいし、保持環44aの全周分の模様が周方向の一部ずつに分割された複数の二次元画像を含んでいてもよい。
次に、計算装置200は、第1画像を取得した後にタービン発電機100の運転(ステップS2)を挟んで、第2画像を取得する(ステップS3)。第2画像は、第1画像と同様に、保持環44aの外周面に施された模様を、撮像素子30aを用いて、保持環44aを回転させた状態で保持環44aの全周にわたって撮影することによって取得される。すなわち、第2画像は、タービン発電機100の起動途中若しくは停止途中の低速回転時、又はタービン発電機100の定格運転時などのタービン発電機100の運転中に、保持環44aが回転している状態で取得される。
第2画像は、第1画像を取得した後に、遠心力により保持環44aの変形が生じ得るタービン発電機100の運転を挟んでいれば、任意のタイミングで取得可能である。例えば、計算装置200は、第1画像を取得した後におけるタービン発電機110の運転時間が閾値時間を超えた場合に、第2画像を取得する。
第2画像は、第1画像と同様に、保持環44aの全周分の模様が展開された1つの二次元画像を含んでいてもよいし、保持環44aの全周分の模様が周方向の一部ずつに分割された複数の二次元画像を含んでいてもよい。
次に、計算装置200は、第1画像及び第2画像に基づいて保持環44aのひずみ分布を取得する(ステップS4)。保持環44aのひずみ分布を取得する際、計算装置200は、例えばデジタル画像相関法を用いる。デジタル画像相関法は、対象物の表面を変形の前後で撮影した2つの画像における輝度分布の変化から、対象物の表面の各位置での変形量及び変形方向を求める手法である。デジタル画像相関法は、対象物の表面の模様は対象物の表面と共に移動し、模様の特徴は変形前後で保存される、という考えに基づいている。デジタル画像相関法を用いることによって、第1画像及び第2画像における輝度分布の変化から、第1画像が取得されてから第2画像が取得されるまでの保持環44aの外周面の各位置での変形量及び変形方向が求められる。すなわち、第1画像が取得されてから第2画像が取得されるまでの保持環44aの外周面のひずみ分布が求められる。保持環44aの外周面のひずみ分布からは、保持環44aの欠陥の有無を判定できるだけでなく、欠陥の位置及び大きさを推定することができる。
ここで、第1画像及び第2画像に基づいて保持環44aのひずみ分布を取得する際には、計算装置200は、デジタル画像相関法以外の手法、例えばモアレ法などを用いることもできる。
次に、計算装置200は、保持環44aの外周面のひずみ分布に基づき、保持環44aの欠陥の有無を判定する(ステップS5及びステップS6)。保持環44aに欠陥があると判定された場合には、ステップS7に進む。
ステップS7では、計算装置200は、保持環44aの外周面のひずみ分布に基づき、保持環44aにおける欠陥の位置及び大きさを推定する。これにより、回転子40を固定子20から引き抜くまでもなく、保持環44aにおける欠陥の位置及び大きさの情報、すなわち保持環44aの破損度合いの情報を非破壊かつ非接触で定量的に取得することができる。
次に、ステップS8では、計算装置200は、欠陥の情報を表示部201に表示させる処理を行う。表示部201に表示させる情報には、保持環44aに欠陥があることの情報が少なくとも含まれ、必要に応じて、保持環44aにおける欠陥の位置及び大きさの情報も含まれる。
一方、ステップS6において保持環44aに欠陥がないと判定された場合には、ステップS2に戻り、タービン発電機100の運転(ステップS2)を挟んだ任意のタイミングで第2画像が再度取得される(ステップS3)。その後、計算装置200は、既に取得している第1画像と新たに取得した第2画像とに基づいて、ステップS4~ステップS6の処理を再度実行する。これにより、保持環44aのひずみ分布が再び取得され、ひずみ分布に基づいて欠陥の有無が再び判定される。ひずみ分布が2回以上取得された場合には、過去に取得されたひずみ分布と新たに取得されたひずみ分布とからひずみ分布の変化を取得し、ひずみ分布の変化に基づいて欠陥の有無を判定するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施の形態に係るタービン発電機100の点検方法は、計算装置200により実行されるタービン発電機100の点検方法であって、第1工程(図5のステップS1)、第2工程(図5のステップS3)及び第3工程(図5のステップS4)を有している。第1工程は、タービン発電機100の回転子コア43の軸方向端部に取り付けられた保持環44aの外周面に施された模様を、タービン発電機100の非回転部に取り付けられた撮像素子30aを用いて、保持環44aを回転させた状態で保持環44aの全周にわたって撮影して第1画像を取得する工程である。第2工程は、第1工程の後にタービン発電機100の運転を挟んで実行される工程であって、保持環44aを回転させた状態で撮像素子30aを用いて上記模様を保持環44aの全周にわたって撮影して第2画像を取得する工程である。第3工程は、第1画像及び第2画像に基づいて保持環44aのひずみ分布を取得する工程である。ここで、タービン発電機100は、回転電機の一例である。計算装置200は、コンピュータの一例である。
この構成によれば、第1画像及び第2画像に基づいて保持環44aのひずみ分布を取得することにより、保持環44aの点検を行うことができる。このため、回転子40を固定子20から引き抜くまでもなく、非破壊かつ非接触でリアルタイムに保持環44aの点検を行うことができる。したがって、本実施の形態によれば、保持環44aの点検をタービン発電機100の稼働期間中に行うことができる。
また、上記構成によれば、保持環44aのひずみ分布に基づき、保持環44aの破損度合いを定量的に把握することができる。一般に、目視点検によって保持環44aの破損が確認された場合、保持環44aの補修又は交換が即座に必要となるため、補修又は交換の時期を調整することができない。これに対し、本実施の形態によれば、保持環44aの定量的な破損度合いに応じてタービン発電機100の運転可能期間を把握できるため、タービン発電機100の許容回転数を調節した上で、適切な時期に保持環44aの補修又は交換を行うことができる。また、本実施の形態によれば、保持環44aのひずみ分布に基づき保持環44aの破損度合いを把握できるため、目視点検では認識できない保持環44aの内部の欠陥を把握することができる。
本実施の形態に係るタービン発電機100は、固定子20を含む非回転部と、固定子20の内周側に回転自在に設けられた回転子40と、非回転部に取り付けられた撮像素子30aと、を備えている。回転子40は、回転子コア43と、回転子40の軸方向において回転子コア43の端部に取り付けられた保持環44aと、を有している。撮像素子30aは、保持環44aの外周面に施された模様を撮影するように構成されている。ここで、タービン発電機100は、回転電機の一例である。
この構成によれば、回転子40を固定子20から引き抜くまでもなく、撮像素子30aにより撮影された画像を用いて保持環44aの点検を行うことができる。また、この構成によれば、保持環44aの点検を非破壊かつ非接触でリアルタイムに行うことができる。したがって、本実施の形態によれば、保持環44aの点検をタービン発電機100の稼働期間中に行うことができる。
また、上記構成によれば、回転する保持環44aの外周面の模様を固定された撮像素子30aによって撮影することにより、保持環44aの全周にわたる模様の画像を取得することができる。したがって、本実施の形態によれば、撮像素子30aを周方向に移動させる機構を省略することができる。
本実施の形態に係るタービン発電機100において、固定子20は、固定子コア21と、軸方向において固定子コア21の外側に設けられた環状の締め板23aと、固定子コア21と締め板23aとの間に設けられるとともに締め板23aの内周面23a1よりも内周側にまで延びたフィンガープレート24aと、を有している。撮像素子30aは、フィンガープレート24aに取り付けられている。
フィンガープレート24aは、通常、保持環44aの外周側に近接して設けられている。このため、上記構成によれば、撮像素子30aを保持環44aの外周面に対して近接して配置することができる。これにより、撮像素子30aで撮影される画像の解像度を高めることができるため、ひずみの分解能を向上させることができる。したがって、本実施の形態によれば、保持環44aにおける欠陥の検出精度を向上させることができる。
本実施の形態に係るタービン発電機100の点検システムは、本実施の形態に係るタービン発電機100と、撮像素子30aから取得した画像に基づいて保持環44aのひずみ分布を取得するように構成された計算装置200と、を備えている。ここで、タービン発電機100は、回転電機の一例である。計算装置200は、コンピュータの一例である。
この構成によれば、回転子40を固定子20から引き抜くまでもなく、撮像素子30aにより撮影された画像を用いて保持環44aの点検を行うことができる。また、この構成によれば、保持環44aの点検を非破壊かつ非接触でリアルタイムに行うことができる。したがって、本実施の形態によれば、保持環44aの点検をタービン発電機100の稼働期間中に行うことができる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る回転電機について説明する。図6は、本実施の形態に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。図7は、図6のVII-VII線で固定子20を切断した端面を示す図である。以下、フィンガープレート24a及び撮像素子30aについてのみ説明するが、フィンガープレート24b及び撮像素子30bについても同様である。なお、実施の形態1と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、タービン発電機100の点検方法については、実施の形態1と同様である。
図6及び図7に示すように、フィンガープレート24aは、軸方向に沿って見たときに締め板23aと重なる第1部分51と、締め板23aの内周面23a1よりも内周側に位置する第2部分52と、を有している。当然ながら、フィンガープレート24aの第2部分52は、フィンガープレート24aの第1部分51よりも内周側に位置している。第1部分51は、締め板23aと接触する接触面51aを有している。第2部分52は、軸方向において接触面51aよりも外側に突出した突出部52aを少なくとも一部に有している。第2部分52の突出部52aは、固定子コア21から離れる方向に突出している。撮像素子30aは、突出部52aに取り付けられている。撮像素子30aは、例えば、突出部52aにおいて内周側に位置する端部52a1に取り付けられている。本実施の形態では、複数のフィンガープレート24aのうち、撮像素子30aが取り付けられるフィンガープレート24aのみが突出部52aを備えている。撮像素子30aが取り付けられないフィンガープレート24aの構成は、実施の形態1のフィンガープレート24aの構成と同様である。
突出部52aを備えるフィンガープレート24aの製造方法について簡単に説明する。このフィンガープレート24aの材質は、実施の形態1のフィンガープレート24aの材質と同様に、ステンレス鋼などの金属材料である。まず、引抜き加工を用いて直方体状の部材を一体的に成形する。その後、直方体状の部材から一部を削り取り、接触面51a及び突出部52aを形成する。これらの工程を経て、突出部52aを備えるフィンガープレート24aが作製される。作製されたフィンガープレート24aは、軸方向で最も外側に位置するコア板に、スポット溶接等を用いて固定される。
フィンガープレート24aは、必要な剛性が得られる場合には、樹脂材料などの金属以外の材料によって形成されていてもよい。
以上説明したように、本実施の形態に係るタービン発電機100において、フィンガープレート24aは、軸方向に沿って見たときに締め板23aと重なる第1部分51と、締め板23aの内周面23a1よりも内周側に位置する第2部分52と、を有している。第1部分51は、締め板23aと接触する接触面51aを有している。第2部分52は、軸方向において接触面51aよりも外側に突出した突出部52aを有している。撮像素子30aは、突出部52aに取り付けられている。
この構成によれば、撮像素子30aを取り付けるために突出部52aに穴開け加工を施した場合であっても、フィンガープレート24a本体の剛性が低下してしまうのを抑えることができる。これにより、固定子コア21に対して軸方向の面圧を作用させることができ、固定子コア21全体の剛性を高めることができるため、タービン発電機100が運転する際に固定子コア21に生じる振動を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、実施の形態1と同様の効果が得られることに加え、撮像素子30aを設置したことに起因するタービン発電機100の損傷をより確実に防ぐことができる。
実施の形態3.
本発明の実施の形態2に係る回転電機について説明する。図8は、本実施の形態に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。図9は、図8のIX-IX線で固定子20を切断した端面を示す図である。なお、実施の形態1又は2と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、タービン発電機100の点検方法については、実施の形態1と同様である。
図8及び図9に示すように、突出部52aは、軸方向において接触面51aよりも外側に位置する突出端面52a2を有している。突出端面52a2は、凹曲面53を介して接触面51aと接続されている。凹曲面53は、接触面51aに対して滑らかに接続されている。凹曲面53が設けられていることにより、フィンガープレート24aの第2部分52における軸方向寸法、すなわち図9中の左右方向の寸法は、第1部分51から離れるほど徐々に大きくなっている。凹曲面53の曲率は、必要となる応力緩和の度合いに応じて設定される。
締め板23aによって固定子コア21に加えられる面圧により、フィンガープレート24aは、軸方向外側に向かう反力を固定子コア21から受ける。フィンガープレート24aは、締め板23aと接触している第1部分51だけでなく、締め板23aと接触していない第2部分52においても上記の反力を受ける。このため、フィンガープレート24aには、軸方向内側すなわち固定子コア21側が引張となり、軸方向外側すなわち締め板23a側が圧縮となる曲げ応力が発生する。このような曲げ応力がフィンガープレート24aに発生すると、第1部分51と第2部分52との境界部に応力集中が生じる。本実施の形態では、接触面51aと突出部52aの突出端面52a2とが凹曲面53を介して接続されているため、第1部分51と第2部分52との境界部に生じる応力集中を緩和することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係るタービン発電機100において、突出部52aは、軸方向において接触面51aよりも外側に位置する突出端面52a2を有している。突出端面52a2は、凹曲面53を介して接触面51aと接続されている。
この構成によれば、第1部分51と第2部分52との境界部に生じる応力集中を緩和することができるため、フィンガープレート24aが破損してしまうのを防ぐことができる。したがって、本実施の形態によれば、実施の形態1及び2と同様の効果が得られることに加え、タービン発電機100の損傷をより確実に防ぐことができる。
実施の形態4.
本発明の実施の形態4に係る回転電機について説明する。図10は、本実施の形態に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。図11は、図10のXI-XI線で固定子20を切断した端面を示す図である。図12は、図10のXII-XII線で固定子20を切断した端面を示す図である。図13は、図10のXIII-XIII線で固定子20を切断した端面を示す図である。なお、実施の形態1~3のいずれかと同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、タービン発電機100の点検方法については、実施の形態1と同様である。
図10~図13に示すように、本実施の形態の固定子20は、複数のフィンガープレート24aの一部として、第1フィンガープレート54a1、第2フィンガープレート54a2及び第3フィンガープレート54a3を有している。第1フィンガープレート54a1、第2フィンガープレート54a2及び第3フィンガープレート54a3は、互いに異なる周方向位置に配置されている。第1フィンガープレート54a1には、第1撮像素子30a1が取り付けられている。第2フィンガープレート54a2には、第2撮像素子30a2が取り付けられている。第3フィンガープレート54a3には、第3撮像素子30a3が取り付けられている。
図10に示す例では、第1フィンガープレート54a1と第2フィンガープレート54a2とが周方向で互いに隣り合っているが、第1フィンガープレート54a1と第2フィンガープレート54a2とは互いに隣り合っていなくてもよい。同様に、図10に示す例では、第2フィンガープレート54a2と第3フィンガープレート54a3とが周方向で互いに隣り合っているが、第2フィンガープレート54a2と第3フィンガープレート54a3とは互いに隣り合っていなくてもよい。
第1フィンガープレート54a1、第2フィンガープレート54a2及び第3フィンガープレート54a3のそれぞれは、図7に示したフィンガープレート24aと同様に、軸方向において接触面51aよりも外側に突出した突出部52aを有している。
図11に示すように、第1フィンガープレート54a1の突出部52aの軸方向長さはL1である。第1撮像素子30a1は、第1フィンガープレート54a1の突出部52aのうち突出端面52a2寄りに取り付けられている。
図12に示すように、第2フィンガープレート54a2の突出部52aの軸方向長さはL2である。軸方向長さL2は、軸方向長さL1よりも長くなっている(L2>L1)。第2撮像素子30a2は、第2フィンガープレート54a2の突出部52aのうち突出端面52a2寄りに取り付けられている。第2撮像素子30a2は、第1撮像素子30a1よりも、軸方向において固定子コア21から離れた位置に配置されている。
図13に示すように、第3フィンガープレート54a3の突出部52aの軸方向長さはL3である。軸方向長さL3は、軸方向長さL2よりもさらに長くなっている(L3>L2)。第3撮像素子30a3は、第3フィンガープレート54a3の突出部52aのうち突出端面52a2寄りに取り付けられている。第3撮像素子30a3は、第2撮像素子30a2よりも、軸方向において固定子コア21からさらに離れた位置に配置されている。
第1撮像素子30a1、第2撮像素子30a2及び第3撮像素子30a3は、それぞれ保持環44aの外周面のうち互いに異なる軸方向位置と対向するように取り付けられている。これにより、第1撮像素子30a1、第2撮像素子30a2及び第3撮像素子30a3では、複数の軸方向位置における保持環44aの外周面が高解像度で撮影される。
以上説明したように、本実施の形態に係るタービン発電機100において、フィンガープレートは、第1フィンガープレート54a1と、第1フィンガープレート54a1とは異なる周方向位置に設けられた第2フィンガープレート54a2と、を有している。撮像素子は、第1フィンガープレート54a1の突出部52aに取り付けられた第1撮像素子30a1と、第2フィンガープレート54a2の突出部52aに取り付けられた第2撮像素子30a2と、を有している。第2フィンガープレート54a2の突出部52aの軸方向における長さL2は、第1フィンガープレート54a1の突出部52aの軸方向における長さL1よりも長くなっている。第2撮像素子30a2は、第1撮像素子30a1よりも、軸方向において固定子コア21から離れた位置に配置されている。
この構成によれば、第1撮像素子30a1及び第2撮像素子30a2により、保持環44aの外周面の複数の軸方向位置における模様を撮影することができる。このため、撮像素子を軸方向に移動させる機構を設けるまでもなく、保持環44aの外周面の複数の軸方向位置における画像を取得することができる。したがって、本実施の形態によれば、実施の形態1~3と同様の効果が得られることに加え、タービン発電機100の構造の複雑化を抑えつつ、保持環44aの点検を軸方向の広範囲にわたって行うことができる。
実施の形態5.
本発明の実施の形態5に係る回転電機について説明する。図14は、本実施の形態に係るタービン発電機100における固定子20の一部を軸方向に沿って見た構成を示す図である。図15は、図14のXV-XV線で固定子20を切断した端面を示す図である。なお、実施の形態1~4のいずれかと同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、タービン発電機100の点検方法については、実施の形態1と同様である。
図14及び図15に示すように、本実施の形態の撮像素子30aは、軸方向においてフィンガープレート24aの外側の端面に沿って取り付けられている。例えば、フィンガープレート24aが突出部52aを有する場合、撮像素子30aは、突出部52aの突出端面52a2に沿って取り付けられている。これにより、軸方向に沿って見たとき、撮像素子30aは、フィンガープレート24aの内周側の端部24a1よりも外周側(すなわち、図15中の破線よりも上方)に配置されている。撮像素子30aは、当該撮像素子30aの全体が端部24a1よりも外周側の範囲に収まるように取り付けられている。
以上説明したように、本実施の形態に係るタービン発電機100において、撮像素子30aは、軸方向に沿って見たときフィンガープレート24aの内周側の端部24a1よりも外周側に配置されている。
この構成によれば、製造時及び精密点検時において、固定子20に対して回転子40の引抜き又は挿入を行う際に必要となる軸心合わせの精度が、撮像素子30aが設けられていないものと同レベルになる。したがって、本実施の形態によれば、実施の形態1~3と同様の効果が得られることに加え、タービン発電機100の製造工程及び精密点検工程を簡素化又は短期化することができる。
上記の各実施の形態1~5は、互いに組み合わせて実施することが可能である。
10 フレーム、11 軸芯、12 ガス冷却器、20 固定子、21 固定子コア、21a 内周面、21b 外周面、22a、22b 固定子コイルエンド、23a、23b 締め板、23a1、23b1 内周面、24a、24b フィンガープレート、24a1、24b1 端部、25 スロット、25a 壁面、30a、30b 撮像素子、30a1 第1撮像素子、30a2 第2撮像素子、30a3 第3撮像素子、40 回転子、41 回転軸、42 回転子本体、43 回転子コア、44a、44b 保持環、45 エンドプレート、46a、46b 隙間、51 第1部分、51a 接触面、52 第2部分、52a 突出部、52a1 端部、52a2 突出端面、53 凹曲面、54a1 第1フィンガープレート、54a2 第2フィンガープレート、54a3 第3フィンガープレート、100 タービン発電機、200 計算装置、201 表示部、210 通信線。

Claims (8)

  1. 回転電機の点検方法であって、
    前記回転電機の回転子コアの軸方向端部に取り付けられた保持環の外周面に施された模様を、前記回転電機の非回転部に取り付けられた撮像素子を用いて、前記保持環を回転させた状態で前記保持環の全周にわたって撮影して第1画像を取得する第1工程と、
    前記第1工程の後に前記回転電機の運転を挟んで実行され、前記保持環を回転させた状態で前記撮像素子を用いて前記模様を前記保持環の全周にわたって撮影して第2画像を取得する第2工程と、
    前記第1画像及び前記第2画像に基づいて前記保持環のひずみ分布を取得する第3工程と、を有する回転電機の点検方法。
  2. 固定子を含む非回転部と、
    前記固定子の内周側に回転自在に設けられた回転子と、
    前記非回転部に取り付けられた撮像素子と、
    を備え、
    前記回転子は、回転子コアと、前記回転子の軸方向において前記回転子コアの端部に取り付けられた保持環と、を有しており、
    前記撮像素子は、前記保持環の外周面に施された模様を撮影するように構成されている回転電機。
  3. 前記固定子は、固定子コアと、前記軸方向において前記固定子コアの外側に設けられた環状の締め板と、前記固定子コアと前記締め板との間に設けられるとともに前記締め板の内周面よりも内周側にまで延びたフィンガープレートと、を有しており、
    前記撮像素子は、前記フィンガープレートに取り付けられている請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記フィンガープレートは、前記軸方向に沿って見たときに前記締め板と重なる第1部分と、前記締め板の内周面よりも内周側に位置する第2部分と、を有しており、
    前記第1部分は、前記締め板と接触する接触面を有しており、
    前記第2部分は、前記軸方向において前記接触面よりも外側に突出した突出部を有しており、
    前記撮像素子は、前記突出部に取り付けられている請求項3に記載の回転電機。
  5. 前記突出部は、前記軸方向において前記接触面よりも外側に位置する突出端面を有しており、
    前記突出端面は、凹曲面を介して前記接触面と接続されている請求項4に記載の回転電機。
  6. 前記フィンガープレートは、第1フィンガープレートと、前記第1フィンガープレートとは異なる周方向位置に設けられた第2フィンガープレートと、を有しており、
    前記撮像素子は、前記第1フィンガープレートの前記突出部に取り付けられた第1撮像素子と、前記第2フィンガープレートの前記突出部に取り付けられた第2撮像素子と、を有しており、
    前記第2フィンガープレートの前記突出部の前記軸方向における長さは、前記第1フィンガープレートの前記突出部の前記軸方向における長さよりも長くなっており、
    前記第2撮像素子は、前記第1撮像素子よりも、前記軸方向において前記固定子コアから離れた位置に配置されている請求項4又は請求項5に記載の回転電機。
  7. 前記撮像素子は、前記軸方向に沿って見たとき前記フィンガープレートの内周側の端部よりも外周側に配置されている請求項3~請求項6のいずれか一項に記載の回転電機。
  8. 請求項2~請求項7のいずれか一項に記載の回転電機と、
    前記撮像素子を用いて取得した2つの画像に基づいて前記保持環のひずみ分布を取得するように構成されたコンピュータと、
    を備える回転電機の点検システム。
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