JP7124448B2

JP7124448B2 - 風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法

Info

Publication number: JP7124448B2
Application number: JP2018100942A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎田口; 彰秀坂野; 大木溝口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: JP2019203861A

Description

本発明は、風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法に関する。

近年、地球温暖化の原因となる炭酸ガスを発生させないクリーンエネルギソースとして、風力発電が急速に普及しつつある。

風力発電機では、風の力によるロータの回転運動を発電機の動力源とし、ロータが取り付けられる主軸を回転可能に支持する主軸軸受や発電機軸受が重要な構成部品となっている。風力発電機による電力の安定供給のためには、このような各種軸受の異常を早期検知する必要がある。例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を用いて軸受の振動解析を行い、軸受の損傷位置によって特徴的に現れる周波数の振動のピーク成分を検出することにより、軸受の異常を検出可能とされている。例えば、ＦＦＴ処理を用いた軸受の異常診断手法として、振動波形の実効値及びエンベロープ波形の交流成分の実効値に基づき、転がり軸受の異常を診断する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１－１５４０２０号公報

風力発電機の主軸軸受の損傷を検知する場合、増速機のギアの噛み合い周波数等の外乱が混入することによって振動解析に支障をきたし、正確に異常を検知できない場合がある。また、主軸軸受に負荷される荷重が大きく、損傷時の衝撃振動が風力発電機の構造系を励振させ得る。上記従来技術では、ハイパスフィルタを用いて低周波成分を遮断し、さらに、周波数分析を行った結果を併用することで、異常診断結果の信頼性を高めているが、例えば、風力発電機の主軸軸受の損傷に起因する振動周波数と、複数の外乱要素による振動周波数とが近接しているような場合には、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度を高めることができる風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法を提供すること、を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムは、風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定された周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、を備える。

これにより、風力発電機の主軸軸受の損傷に起因する振動周波数以外の外乱要素による振動の周波数成分を抑制することができ、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度を高めることができる。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記検出装置は、前記風力発電機の回転速度を検出し、前記診断装置は、前記回転速度に応じて、前記異常判定処理を行う周波数帯域を設定することが好ましい。

これにより、風力発電機の回転速度に依らず、風力発電機の主軸軸受の振動解析処理を行う際の周波数帯域を適切に設定することができる。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記診断装置は、第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定することが好ましい。

これにより、第１周波数帯域及び第２周波数帯域の何れか一方又は両方を除く周波数帯域に含まれる振動の周波数成分を抑制することができる。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記風力発電機は、２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、前記複数の歯車機構は、第１の歯車機構と、第２の歯車機構と、を含み、前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも高く、前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも低いことが好ましい。

これにより、第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分、及び、第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分が抑制される。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記風力発電機は、２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、前記複数の歯車機構は、第１の歯車機構と、第２の歯車機構と、を含み、前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数のｍ次成分（ｍは１以上の自然数）よりも高く、前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数のｎ次成分（ｎは１以上の自然数）よりも低いことが好ましい。

これにより、第１の歯車機構で発生する振動の周波数のｍ次成分までの周波数、及び、第２の歯車機構で発生する振動の周波数のｎ次成分以上が抑制される。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高いことが好ましい。

これにより、風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数成分が抑制される。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記診断装置は、前記周波数帯域に制限された振動の実効値又はパーシャルオーバーオール値に基づき、前記異常判定処理における一次判定処理を行うことが好ましい。

これにより、振動解析を行う前に、主軸軸受に異常がないことを判定することができる。

風力発電機の主軸軸受の異常検知システムの望ましい態様として、前記診断装置は、前記一次判定処理において異常が検出された場合に、前記周波数帯域に制限された振動の解析処理を行い、当該解析結果に基づき、前記異常判定処理における二次判定処理を行うことが好ましい。

これにより、適切に主軸軸受の損傷を判定することができる。

本発明の一態様に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知方法は、風力発電機の主軸軸受の振動の情報を判定する周波数帯域を設定するステップと、当該設定した前記周波数帯域に制限された振動の実効値又はパーシャルオーバーオール値に基づき、前記主軸軸受の一次判定処理を行うステップと、前記一次判定処理において異常が検出された場合に、前記周波数帯域に制限された振動の解析処理を行い、当該解析処理の結果に基づき、前記主軸軸受の二次判定処理を行うステップと、前記一次判定処理又は前記二次判定処理の結果を出力するステップと、を有する。

これにより、風力発電機の主軸軸受の損傷に起因する振動周波数以外の外乱要素による振動周波数による影響を抑制することができ、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度を高めることができる。

本発明によれば、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度を高めることができる風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムが適用される風力発電システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図２は、風力発電機の概略構造図である。図３は、増速機の構造の一例を示す概略図である。図４は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常診断システムにおける診断装置の一例を示す図である。図５は、異常判定処理の一例を示す概略図である。図６は、風力発電機の回転速度と異常判定処理における周波数帯域との関係を示すイメージ図である。図７Ａは、帯域制限処理の有無による振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示す図である。図７Ｂは、図７Ａの（ｂ）及び（ｃ）を実効値方向に拡大した図である。図８Ａは、風力発電機の発電量が比較的小さい場合の帯域制限処理の有無による振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示す図である。図８Ｂは、図８Ａの（ｂ）及び（ｃ）を実効値方向に拡大した図である。図９は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムにおける周波数分析結果の一例を示す図である。図１０は、実施形態に係る異常判定処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムが適用される風力発電システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。

図１に示す風力発電システム１は、例えば数十に及ぶ複数の風力発電機１００が広大な敷地や洋上に設置された集合型風力発電所に設けられる。風力発電システム１は、各風力発電機１００に設けられた検出装置１０と、例えば集合型風力発電所内又は外部の管理施設に設けられた診断装置２０とを備える。

図２は、風力発電機の概略構造図である。風力発電機１００は、検出装置１０と、ロータ３０と、増速機５０と、発電機６０と、を備える。検出装置１０、増速機５０、及び発電機６０は、ナセル７０に格納されている。ロータ３０、主軸４０、増速機５０、カップリング４３、発電機６０は、タワー８０によって支持された土台（フレーム）９０に載置された主軸軸受ハウジング４２に格納された主軸軸受４１によって支持される。なお、増速機５０には自身の回転を防ぐためトルクアーム５３が土台（フレーム）９０に載置されるが、自身の重量は主軸軸受４１が受ける。

ロータ３０は、ハブ３１と、ハブ３１に複数枚設けられたブレード３２とを備える。ハブ３１は、主軸４０を介して増速機５０と接続され、主軸軸受４１によって回転可能に支持される。主軸４０は、ブレード３２が風力を受けることによってロータ３０が回転した際に発生する回転トルクを増速機５０に伝達する。

増速機５０は、主軸４０と発電機６０との間に設けられている。増速機５０は、主軸４０の回転速度を増速し、出力軸６１を介して、増速された回転トルクを発電機６０に出力する。

発電機６０は、出力軸６１を介して増速機５０から受ける回転トルクによって発電する。発電機６０は、例えば、誘導発電機又は同期発電機によって構成される。

検出装置１０は、データ収集部１１、振動センサ１２、回転速度センサ１３、及び発電量センサ１４を備える。

振動センサ１２は、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサ等であり、風力発電機１００において発生する振動を検出する。図２では、振動センサ１２を主軸軸受ハウジング４２に唯一設けた構成を例示している。振動センサ１２の数や取り付け位置によって本開示が限定されるものではない。

回転速度センサ１３は、例えば、ロータリーエンコーダやレゾルバ等の回転センサであり、例えば、主軸４０や出力軸６１の回転数（回転速度）を検出する。図２では、出力軸６１の回転数（回転速度）を検出する回転速度センサ１３を唯一設けた構成を例示している。回転速度センサ１３の数や種類、取り付け位置等によって本開示が限定されるものではない。

発電量センサ１４は、発電量センサ１４は、例えば、発電機６０の３相の出力ケーブルのうち、何れか１本の出力ケーブルに設けられたロゴスキーコイル等の電流センサであり、この電流センサによって検出された電流から風力発電機１００の発電量を算出する。なお、風力発電機１００の発電量は、例えば、図１に示す風力発電システム１を監視対象とした遠隔制御監視システム（ＳＣＡＤＡ：ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）から、光回線等のネットワークを介して取得することが可能である。風力発電機１００の発電量を求める手法によって、本開示が限定されるものではない。また、発電量センサ１４の取り付け位置によって本開示が限定されるものではない。

データ収集部１１は、振動センサ１２によって検出された振動、回転速度センサ１３によって検出された回転速度、及び発電量センサ１４によって検出された発電量を収集する。検出装置１０は、ネットワーク２００を介して、データ収集部１１によって収集された振動、回転速度、及び発電量を診断装置２０に出力する（図１参照）。ネットワーク２００は、例えばインターネット回線であっても良いし、ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）であっても良い。さらには、集合型風力発電所内の各風力発電機１００がＬＡＮで接続され、診断装置２０が設けられた外部の管理施設のＬＡＮとの間でＶＰＮ（ＶｉｒｔｕａｌＰｒｉｖａｔｅＮｅｔｗｏｒｋ）を構築した態様であっても良い。

図３は、増速機の構造の一例を示す概略図である。図３に示すように、増速機５０は、筐体５０１と、この筐体５０１内に収納した、遊星歯車装置５０２及び二次増速装置５０３とを備える。

筐体５０１には、入力軸５１が入力軸軸受５２を介して回転自在に支持されている。また、筐体５０１の内側には、この入力軸５１に対して同心に配置した低速軸５０５と、この低速軸５０５に対して平行に配置した中間軸５０６及び出力軸６１とが、それぞれ軸受（符号省略）を介して回転自在に支持されている。

遊星歯車装置５０２は、入力軸５１の回転を増速して、低速軸５０５に伝達する役割を果たす。

遊星歯車装置５０２は、太陽歯車５０８と、リング歯車５０９と、複数個の円筒状の遊星歯車５１０を備える。太陽歯車５０８は、低速軸５０５の一端部（図３の左端部）外周面に設けられている。リング歯車５０９は、筐体５０１の内周面に設けられ、太陽歯車５０８の周囲に同心に配置されている。複数個の遊星歯車５１０は、太陽歯車５０８とリング歯車５０９との間に円周方向に関して等間隔に配置されている。そして、遊星歯車５１０の外周面に設けた歯をそれぞれ、太陽歯車５０８の外周面に設けた歯と、リング歯車５０９の内周面に設けた歯とに噛合させて、歯車機構が構成されている。また、遊星歯車５１０は、それぞれ、太陽歯車５０８及びリング歯車５０９と平行な円柱状の遊星軸５１１の周囲に、複列に配置した１対ずつの円筒ころ軸受５１２を介して、回転自在に支持されている。また、遊星軸５１１の基端部（図３の左端部）は、それぞれ、入力軸５１の一端部（図３の右端部）に一体に設けられたキャリア５１３に支持固定されている。

二次増速装置５０３は、低速軸５０５の回転をさらに増速して、出力軸６１に伝達する役割を果たす。

二次増速装置５０３は、低速軸５０５の中間部に外嵌固定した大径の入力歯車５２４を、中間軸５０６の中間部外周面に設けられた小径の第一中間歯車５２５に噛合させて、歯車機構が構成される。また、二次増速装置５０３は、中間軸５０６の一端部（図３の左端部）に外嵌固定した大径の第二中間歯車５２６を、出力軸６１の一端部（図３の左端部）外周面に設けられた出力歯車５２７に噛合させて、歯車機構が構成されている。

図２に示す主軸軸受４１が、本実施形態に係る軸受の異常検知システムにおける異常検知対象である。図２に示す例において、振動センサ１２は、主軸軸受４１の近傍に設けられている。そして、本実施形態に係る軸受の異常検知システムは、振動センサ１２、回転速度センサ１３、検出装置１０、及び診断装置２０を含み、主軸軸受４１の損傷を検知する。

図４は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムにおける診断装置の一例を示す図である。図４に示すように、診断装置２０は、例えば、ＰＣ等の一般的な情報処理端末であり、処理部２１、記憶部２２、通信部２３、入力部２４、及び表示部２５を備え、各部がバス２６を介してデータを送受信可能なように構成される。

処理部２１は、所定のメモリを介して各部間のデータの受け渡しを行うと共に、診断装置２０全体の制御を行う構成部であり、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。

記憶部２２は、処理部２１からのデータを記憶したり、処理部２１が記憶したデータを読み出したりする構成部であり、例えば、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）やＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等の不揮発性記憶装置によって実現される。

通信部２３は、各風力発電機１００の検出装置１０と通信を行う構成部であり、例えば、ＮＩＣ（ＮｅｔｗｏｒｋＩｎｔｅｒｆａｃｅＣａｒｄ）等によって実現される。

入力部２４は、オペレータがデータや指示を入力する構成部であり、例えば、キーボードやマウス、タッチパネル等によって実現される。

表示部２５は、処理部２１からの指示によりデータを表示する構成部であり、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）等によって実現される。

診断装置２０は、記憶部２２に格納された異常判定処理プログラムによって動作し、この異常判定処理プログラムによって、実施形態に係る異常判定処理が実現される。

診断装置２０は、振動センサ１２によって検出された振動の情報を含む振動検出信号、回転速度センサ１３によって検出された回転速度の情報を含む回転速度検出信号、及び、発電量センサ１４によって検出された発電量の情報を含む発電量検出信号が入力される。診断装置２０は、これら振動検出信号、回転速度検出信号、及び発電量検出信号に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理を行う。

図５は、異常判定処理の一例を示す概略図である。図５に示す異常判定処理は、例えば、図４に示す処理部２１において実行される。図６は、風力発電機の回転速度と図５に示す異常判定処理における周波数帯域との関係を示すイメージ図である。図６に示す回転速度と周波数帯域との関係は、例えば、診断装置２０の記憶部２２に記憶されている。なお、記憶部２２に記憶される回転速度と周波数帯域との関係は、数値データであっても良いし、デジタルデータ等の離散値であっても良い。

診断装置２０には、検出装置１０から出力された振動検出信号、回転速度検出信号、及び発電量検出信号が入力される。具体的には、検出装置１０から、図４に示す通信部２３を介して、処理部２１に振動検出信号、回転速度検出信号、及び発電量検出信号が入力される。

処理部２１は、記憶部２２に記憶された、図６に示す回転速度と周波数帯域との関係を示すデータを読み出し、異常判定処理を行う周波数帯域を設定する。具体的に、処理部２１は、第１周波数ｂ１より高く、かつ第２周波数ｂ２未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域ＦＷ１、及び、第３周波数ｂ３より高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域ＦＷ２の何れか一方又は両方を、異常判定処理を行う周波数帯域として設定する。処理部２１は、設定された周波数帯域で振動検出信号の帯域制限処理Ｓ１を行う。

なお、本実施形態において、第３周波数ｂ３は、第２周波数ｂ２よりも高い周波数であるものとする。すなわち、第１周波数ｂ１、第２周波数ｂ２、第３周波数ｂ３の関係は、以下の（１）式で表される。

ｂ１＜ｂ２＜ｂ３・・・（１）

第１周波数ｂ１、第２周波数ｂ２、及び第３周波数ｂ３の定義については後述する。

続いて、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１の結果の演算処理Ｓ２を行なう。例えば、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１で設定された第１周波数帯域ＦＷ１、及び、帯域制限処理Ｓ１で設定された第２周波数帯域ＦＷ２の何れか一方又は両方において、周波数成分の実効値演算処理を行なう。

続いて、処理部２１は、演算処理Ｓ２の結果に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理における一次判定処理Ｓ３を行う。一次判定処理Ｓ３における異常有無の判定基準は、例えば予め周波数帯域別に設定された実効値の閾値を基準とする。一次判定処理Ｓ３により、異常なしと判定した場合は、当該一次判定処理Ｓ３の結果を出力する。具体的には、処理部２１は、例えば、一次判定処理Ｓ３の結果を表示部２５に出力する。

一次判定処理Ｓ３で異常と判定した場合、処理部２１は、演算処理Ｓ２の結果に基づき、振動解析処理Ｓ４を行う。具体的には、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１で設定された周波数帯域に対して、アナログ値をＡＤ変換したデジタルデータのエンベロープ（包絡線）処理を行い、このエンベロープ処理後のデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）して振動解析処理Ｓ４を行う。

続いて、処理部２１は、振動解析処理Ｓ４に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理における二次判定処理Ｓ５を行なう。異常有無の判定は、例えば、軸受の理論周波数と振動解析結果の特徴周波数の一致度合いをもとに判定するが、本開示が限定されるものではない。

続いて、処理部２１は、二次判定処理Ｓ５の結果を出力する。具体的には、処理部２１は、例えば、一次判定処理Ｓ３と二次判定処理Ｓ５の結果を表示部２５に出力する。表示部２５に表示させる表示態様としては、例えば、主軸軸受４１に異常が生じているか正常であるか、換言すれば、主軸軸受４１が損傷しているか否かを示す表示態様であっても良い。また、異常判定処理を行なった際の発電量、周波数帯域、振動解析処理Ｓ４の結果等の各種データを表示する表示態様であっても良い。

また、例えば、処理部２１は、一次判定処理Ｓ３と二次判定処理Ｓ５の結果、又は異常判定処理を行った際の回転速度、周波数帯域、振動解析処理Ｓ４の結果等の各種データを記憶部２２に出力して記憶させる。このようにすれば、風力発電機１００の管理者が入力部２４を操作して記憶部２２に記憶された一次判定処理Ｓ３と二次判定処理Ｓ５の結果や、異常判定処理の際の各種データの経時変化を表示部２５に表示させることができる。また、風力発電機１００の管理者が入力部２４を操作して記憶部２２に記憶された一次判定処理Ｓ３と二次判定処理Ｓ５の結果や、異常判定処理の際の各種データの経時変化を、通信部２３を介して出力することができる。これにより、風力発電機１００の主軸軸受４１の損傷度合や、損傷に至るまでの過程を容易に把握することができる。

次に、本実施形態における異常判定処理の概念について説明する。

風力発電機１００において、主軸軸受４１の損傷時における衝撃振動は、主軸軸受４１に負荷される荷重が大きく、増速機５０の筐体５０１を含む構造系を励振させ得ると考えられる。

一方、振動センサ１２が設けられた主軸軸受ハウジング４２には、増速機５０の内部のギアの噛み合い振動が伝播する。このため、主軸軸受４１の損傷に起因する衝撃振動の振動周波数と、増速機５０の内部のギアの噛み合い振動等の外乱要素による振動周波数とが近接しているような場合には、主軸軸受４１の損傷の検知精度が低下する可能性がある。

ここで、増速機５０の１段目のギア、すなわち、遊星歯車５１０の外周面に設けた歯をそれぞれ、太陽歯車５０８の外周面に設けた歯と、リング歯車５０９の内周面に設けた歯とを噛合させて構成される歯車機構を、「第１の歯車機構」とする。また、増速機５０の２段目のギア、すなわち、低速軸５０５に設けられた入力歯車５２４と中間軸５０６の中間部外周面に設けられた第一中間歯車５２５とを噛合させて構成される歯車機構を、「第２の歯車機構」とする。本開示の発案者は、第１の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分と、第２の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分との間の周波数帯域に制限して振動解析処理を行うことで、主軸軸受４１の損傷の兆候を捉え易くなることを知見した。

本実施形態では、第１の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分よりも高い周波数を、図６に示す第１周波数ｂ１としている。第１周波数ｂ１［Ｈｚ］は、太陽歯車５０８の歯数をＴｓ［個］、リング歯車５０９の歯数をＴｒ［個］、太陽歯車５０８の回転周波数をｆｓ［Ｈｚ］としたとき、以下の（２）式で表される。

ｂ１＞（Ｔｓ×Ｔｒ／（Ｔｓ＋Ｔｒ））×ｆｓ・・・（２）

また、第１周波数ｂ１［Ｈｚ］は、遊星歯車５１０の公転周波数をｆｃ［Ｈｚ］としたとき、以下の（３）式で表される。

ｂ１＞Ｔｒ×ｆｃ・・・（３）

また、本実施形態では、第２の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分よりも低い周波数を、図６に示す第２周波数ｂ２としている。第２周波数ｂ２［Ｈｚ］は、入力歯車５２４の歯数をＴ３［個］、回転数をＲ３［ｒｐｓ］としたとき、以下の（４）式で表される。

ｂ２＜Ｔ３×Ｒ３・・・（４）

また、第２周波数ｂ２［Ｈｚ］は、第一中間歯車５２５の歯数をＴ４［個］、回転数をＲ４［ｒｐｓ］としたとき、以下の（５）式で表される。

ｂ２＜Ｔ４×Ｒ４・・・（５）

太陽歯車５０８の回転数、リング歯車５０９の回転数、入力歯車５２４の回転数、及び第一中間歯車５２５の回転数は、主軸４０の回転数、換言すれば、風力発電機１００の回転数に比例する。すなわち、第１周波数ｂ１及び第２周波数ｂ２は、図６に示すように、風力発電機１００の回転速度ａに比例して変化するように設定すれば良い。図５に示す帯域制限処理Ｓ１において、後段の振動解析処理Ｓ４を行う周波数帯域を、第１周波数ｂ１より高く、かつ第２周波数ｂ２未満の第１周波数帯域ＦＷ１に設定する。これにより、第１の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分、及び、第２の歯車機構における噛み合い振動の周波数の１次成分を抑制することができる。

また、振動センサ１２が設けられた主軸軸受ハウジング４２には、ブレード３２からの衝撃振動が伝播し、この衝撃振動が、主軸軸受４１の振動解析に大きく支障をきたす外乱要素のひとつとして挙げられる。このブレード３２から伝播する衝撃振動の振動レベル及び発生頻度は、風力発電機１００ごとに異なる。また、ブレード３２から伝播する衝撃振動は、上述した第１の歯車機構におけるギアの噛み合い振動の周波数成分の１次成分、及び、第２の歯車機構における噛み合い振動の周波数成分の１次成分よりも高い、概ね数ｋＨｚの帯域において励振される。

本実施形態では、ブレード３２から伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い周波数を、図６に示す第３周波数ｂ３としている。ブレード３２から伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数は、回転速度に依存せず、発生する周波数帯域は略一定である。すなわち、第３周波数ｂ３は、図６に示すように、風力発電機１００の回転速度ａに依存しない一定の周波数に設定すれば良い。図５に示す帯域制限処理Ｓ１において、後段の振動解析処理Ｓ４を行う周波数帯域を、第３周波数ｂ３よりも高い第２周波数帯域ＦＷ２に設定することで、ブレード３２から伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数成分を抑制することができる。

なお、風力発電機１００の発電量が比較的に小さい場合、ロータ３０の自重により負荷圏が安定しているため、主軸軸受４１の損傷に起因する衝撃振動が安定する。また、増速機５０の内部のギアの噛み合い振動等の外乱要素も抑制されるので、風力発電機１００の発電量が比較的に小さいときに異常判定処理を行うことで、主軸軸受４１の損傷を高精度に検出することができる。

このため、例えば、異常判定処理を行う際の判定基準の一つとして、風力発電機１００の発電量に対し、所定の発電量閾値Ｗｔｈを設けても良い。発電量閾値Ｗｔｈは、例えば、診断装置２０の記憶部２２に記憶するようにすれば良い。なお、記憶部２２に記憶される回転速度と周波数帯域との関係は、数値データであっても良いし、デジタルデータ等の離散値であっても良い。発電量閾値Ｗｔｈは、風力発電機１００の発電量をＷとしたとき、以下の（６）式で表される。

Ｗ≦Ｗｔｈ・・・（６）

発電量閾値Ｗｔｈを、主軸軸受４１の損傷を検出することが可能な上限値とし、上記（６）式を満たさない場合には、異常判定処理を行わないようにすることが望ましい。

図７Ａは、帯域制限処理の有無による振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示す図である。

図７Ａに示す（ａ）は、帯域制限処理を行わない場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図７Ａに示す（ｂ）は、図６に示す第１周波数帯域ＦＷ１に帯域制限した場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図７Ａに示す（ｃ）は、図６に示す第２周波数帯域ＦＷ２に帯域制限した場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図７Ａの（ａ）に示す帯域制限処理を行わない場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果では、実効値の標準偏差を示すエラーバーの幅が大きいため、主軸軸受４１の異常判定処理において誤検知を招く恐れがある。一方、図７Ａの（ｂ）及び図７Ａの（ｃ）に示す振動解析処理結果の実効値演算処理結果では、実効値そのものの差も明確でありながら、実効値の標準偏差を示すエラーバーの幅も小さいため、主軸軸受４１の損傷の兆候を示す振動変化を感度良く捉えている。図７Ｂは、図７Ａの（ｂ）及び（ｃ）を実効値方向に拡大した図である。

図８Ａは、風力発電機の発電量が比較的小さい場合の帯域制限処理の有無による振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示す図である。

図８Ａに示す（ａ）は、帯域制限処理を行わない場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図８Ａに示す（ｂ）は、図６に示す第１周波数帯域ＦＷ１に帯域制限した場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図８Ａに示す（ｃ）は、図６に示す第２周波数帯域ＦＷ２に帯域制限した場合の振動解析処理結果の実効値演算処理結果を示している。

図８Ａの（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、風力発電機１００の発電量が比較的小さい場合には、実効値の標準偏差を示すエラーバーの幅が小さく、図７Ａに示した例と比べて主軸軸受４１の振動変化をより良く捉えていることがわかる。特に、外乱要素による周波数成分を除去した図８Ａの（ｂ）及び（ｃ）では、実効値の標準偏差を示すエラーバーの幅だけでなく、実効値そのものの違いがより一層明確に現れている。図８Ｂは、図８Ａの（ｂ）及び（ｃ）を実効値方向に拡大した図である。

このように、主軸軸受４１の損傷の兆候を捉えるためには、上述した帯域制限処理が有効であり、外乱要素による振動成分を抑制することで、主軸軸受４１の損傷の兆候を示す振動変化を感度良く捉えることができる。特に、発電量が比較的小さい場合に、外乱要素による振動成分を抑制して後段の処理を行うことで、より一層感度の高い主軸軸受４１の異常判定処理を行うことが出来る。

なお、風力発電機１００の発電量が大きい場合には、主軸軸受４１に負荷されるモーメントによって主軸軸受４１の負荷圏の位置が変化し、主軸軸受４１の損傷部位が無負荷となる場合がある。この場合には、主軸軸受４１の転動体が損傷箇所を通過する際の衝撃振動が発生せず、主軸軸受４１の損傷の兆候を示す周波数成分が発生しない場合がある。従って、風力発電機１００の発電量Ｗが上記（６）式で表される所定の発電量閾値Ｗｔｈ以下となる範囲内において、主軸軸受４１の異常判定処理を行うことが望ましい。

図９は、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システムにおける周波数分析結果の一例を示す図である。本実施形態では、上述したように、図６に示す第１周波数帯域ＦＷ１及び第２周波数帯域ＦＷ２の何れか一方又は両方に帯域制限することで、図９に示すように、主軸軸受４１の損傷の兆候を示す周波数成分を捉え易くなる。

以上より、本実施形態では、図６に示す第１周波数帯域ＦＷ１及び第２周波数帯域ＦＷ２の何れか一方又は両方を、異常判定処理を行う周波数帯域として設定する。これにより、風力発電機１００の主軸軸受４１の異常判定処理を行う際に、主軸軸受４１の損傷に起因する衝撃振動の振動周波数以外の外乱要素による振動周波数が抑制され、主軸軸受４１の損傷の検知精度が向上する。

さらには、風力発電機１００の発電量Ｗが所定の発電量閾値Ｗｔｈ以下である場合に、後段の処理を行うことで、より一層感度の高い主軸軸受４１の異常判定処理を行うことが出来る。

なお、風力発電機１００の主軸軸受４１の異常判定処理を行う際の条件は、風力発電機１００の発電量に限るものではなく、風力発電機１００の運転状態を示す他の条件であっても良い。このような条件としては、例えば、主軸４０や出力軸６１（発電機６０）の回転数が例示される。

図１０は、実施形態に係る異常判定処理手順の一例を示すフローチャートである。以下、図１０に示すフローチャートに従い、実施形態に係る異常判定処理手順について説明する。

まず、診断装置２０の処理部２１は、検出装置１０から振動検出信号、回転速度検出信号及び発電量検出信号を取得する（ステップＳ１０１）。

続いて、処理部２１は、発電量検出信号から風力発電機１００の発電量Ｗを抽出する（ステップＳ１０２）。

処理部２１は、ステップＳ１０２において抽出された風力発電機１００の発電量Ｗが発電量閾値Ｗｔｈ以下（Ｗ≦Ｗｔｈ）であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。風力発電機１００の発電量Ｗが発電量閾値Ｗｔｈ以下である場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に移行する。風力発電機１００の発電量Ｗが発電量閾値Ｗｔｈよりも大きい場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理を繰り返す。

処理部２１は、ステップＳ１０３において設定した第１条件及び第２条件の何れか一方又は両方の周波数帯域に振動検出信号の帯域制限処理を行う（ステップＳ１０４）。

続いて、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１の結果の演算処理Ｓ２を行なう（ステップＳ１０５）。例えば、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１で設定された周波数帯域の実効値演算処理を行なう。

続いて、処理部２１は、演算処理Ｓ２の結果に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理における一次判定処理Ｓ３を行う（ステップＳ１０６）。一次判定処理Ｓ３により、異常なしと判定した場合は（ステップＳ１０６；Ｎｏ）、当該一次判定処理Ｓ３の結果、主軸軸受４１が正常であるものとして、判定処理結果を出力し（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０１の処理に戻る。

一次判定処理Ｓ３で異常と判定した場合（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、処理部２１は、演算処理Ｓ２の結果に基づき、振動解析処理Ｓ４を行う（ステップＳ１０７）。具体的には、処理部２１は、帯域制限処理Ｓ１で設定された周波数帯域に対して、アナログ値をＡＤ変換したデジタルデータのエンベロープ（包絡線）処理を行い、このエンベロープ処理後のデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）して振動解析処理Ｓ４を行う。

続いて、処理部２１は、振動解析処理Ｓ４に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理における二次判定処理Ｓ５を行う（ステップＳ１０８）。二次判定処理Ｓ５により、異常なしと判定した場合は（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、当該二次判定処理Ｓ５の結果、主軸軸受４１が正常であるものとして、判定処理結果を出力し（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０１の処理に戻る。

二次判定処理Ｓ５で異常と判定した場合（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、主軸軸受４１の異常が検出されたものとして、判定処理結果を出力し（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０１の処理に戻る。

上述した異常判定処理を繰り返し実行することで、主軸軸受４１の損傷の検知精度を高めることができる。

なお、本実施形態では、演算処理Ｓ２において実効値演算処理を行なう態様について説明したが、例えば、パーシャルオーバーオール値を演算する態様であっても良い。

また、上述した実施形態では、第１周波数を第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも高くし、第２周波数を第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも低くする態様を示した。他の態様として、第１周波数を第１の歯車機構で発生する振動の周波数のｍ次成分（ｍは１以上の自然数）よりも高くし、第２周波数を第２の歯車機構で発生する振動の周波数のｎ次成分（ｎは１以上の自然数）よりも低くする態様であっても良い。

以上説明したように、実施形態に係る風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法は、検出装置１０によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、主軸軸受４１の異常判定処理を行う。

これにより、風力発電機１００の主軸軸受４１の異常判定処理を行う際に、主軸軸受４１の損傷に起因する衝撃振動の振動周波数以外の外乱要素による振動の周波数成分が抑制され、主軸軸受４１の損傷の検知精度が向上する。

具体的には、第１の歯車機構と第２の歯車機構とを含む構成において、第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも高く、第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも低い第１周波数帯域を、主軸軸受４１の異常判定処理を行う周波数帯域として設定する。これにより、第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分、第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分が抑制される。

また、風力発電機１００のブレード３２から伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い第２周波数帯域を、主軸軸受４１の異常判定処理を行う周波数帯域として設定する。これにより、風力発電機１００のブレード３２から伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数成分が抑制される。

このように、本実施形態によれば、風力発電機の主軸軸受の損傷の検知精度を高めることができる風力発電機の主軸軸受の異常検知システム及び異常検知方法が得られる。

１風力発電システム
１０検出装置
１１データ収集部
１２振動センサ
１３回転速度センサ
１４発電量センサ
２０診断装置
２１処理部
２２記憶部
２３通信部
２４入力部
２５表示部
２６バス
３０ロータ
３１ハブ
３２ブレード
４０主軸
４１主軸軸受
４２主軸軸受ハウジング
４３カップリング
５０増速機
５１入力軸
５２入力軸軸受
５３トルクアーム
６０発電機
６１出力軸
７０ナセル
８０タワー
９０土台（フレーム）
１００風力発電機
２００ネットワーク
５０１筐体
５０２遊星歯車装置
５０３二次増速装置
５０５低速軸
５０６中間軸
５０８太陽歯車
５０９リング歯車
５１０遊星歯車
５１１遊星軸
５１２円筒ころ軸受
５１３キャリア
５２４入力歯車
５２５第一中間歯車
５２６第二中間歯車
５２７出力歯車
ＦＷ１第１周波数帯域
ＦＷ２第２周波数帯域

Claims

風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記検出装置は、
前記風力発電機の回転速度を検出し、
前記診断装置は、
前記回転速度に応じて、前記異常判定処理を行う周波数帯域を設定し、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記風力発電機は、
２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、
前記複数の歯車機構は、
第１の歯車機構と、
第２の歯車機構と、
を含み、
前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも高く、
前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも低い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記風力発電機は、
２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、
前記複数の歯車機構は、
第１の歯車機構と、
第２の歯車機構と、
を含み、
前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも高く、
前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数の１次成分よりも低い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記検出装置は、
前記風力発電機の回転速度を検出し、
前記診断装置は、
前記回転速度に応じて、前記異常判定処理を行う周波数帯域を設定し、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記風力発電機は、
２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、
前記複数の歯車機構は、
第１の歯車機構と、
第２の歯車機構と、
を含み、
前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数のｍ次成分（ｍは１以上の自然数）よりも高く、
前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数のｎ次成分（ｎは１以上の自然数）よりも低い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記風力発電機は、
２つの回転軸に設けられたギア同士が噛み合って構成される複数の歯車機構を有し、
前記複数の歯車機構は、
第１の歯車機構と、
第２の歯車機構と、
を含み、
前記第１周波数は、前記第１の歯車機構で発生する振動の周波数のｍ次成分（ｍは１以上の自然数）よりも高く、
前記第２周波数は、前記第２の歯車機構で発生する振動の周波数のｎ次成分（ｎは１以上の自然数）よりも低い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記検出装置は、
前記風力発電機の回転速度を検出し、
前記診断装置は、
前記回転速度に応じて、前記異常判定処理を行う周波数帯域を設定し、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記第３周波数は、前記風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された振動の情報を判定する周波数帯域を設定し、当該設定した周波数帯域に制限された振動の情報に基づき、前記主軸軸受の異常判定処理を行う診断装置と、
を備え、
前記診断装置は、
第１周波数より高く、かつ当該第１周波数よりも高い第２周波数未満の周波数帯域を通過域とする第１周波数帯域、及び、前記第１周波数帯域を含まず、かつ第３周波数よりも高い周波数帯域を通過域とする第２周波数帯域の何れか一方又は両方を、前記異常判定処理を行う周波数帯域として設定し、
前記第３周波数は、前記風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い
風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
前記第３周波数は、前記風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い
請求項１に記載の風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
前記第３周波数は、前記風力発電機のブレードから伝播する衝撃振動によって励振される振動の周波数よりも高い
請求項４に記載の風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
前記診断装置は、
前記周波数帯域に制限された振動の実効値又はパーシャルオーバーオール値に基づき、前記異常判定処理における一次判定処理を行う
請求項１から８の何れか一項に記載の風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
前記診断装置は、
前記一次判定処理において異常が検出された場合に、前記周波数帯域に制限された振動の解析処理を行い、当該解析処理の結果に基づき、前記異常判定処理における二次判定処理を行う
請求項９に記載の風力発電機の主軸軸受の異常検知システム。
風力発電機の主軸軸受の振動の情報を判定する周波数帯域を設定するステップと、
当該設定した周波数帯域に制限された振動の実効値又はパーシャルオーバーオール値に基づき、前記主軸軸受の一次判定処理を行うステップと、
前記一次判定処理において異常が検出された場合に、前記周波数帯域に制限された振動の解析処理を行い、当該解析処理の結果に基づき、前記主軸軸受の二次判定処理を行うステップと、
前記一次判定処理又は前記二次判定処理の結果を出力するステップと、
を有する
風力発電機の主軸軸受の異常検知方法。