JP7134351B2 - 回転電機の検査装置、および回転電機の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の検査装置、および回転電機の検査方法に関する。

発電機等の回転電機においては、回転子の回転に伴う遠心力が応力として回転子自身に加わるので、回転子の経年的な劣化が懸念されている。特に、電力会社では、大型の回転電機が発電機、例えばタービン発電機として用いられる。回転電機が大型化するほど、回転子も大型化する。回転子の回転速度が同じであっても、回転子が大きくなるほど、回転子に加わる応力はより大きくなる。そのため、回転子の回転速度が同じであっても、回転電機が大型化するほど、回転子が損傷する恐れが高くなる。

一般的に、タービン発電機として用いられる回転電機の回転子は、鉄心とも呼ばれる回転子コア、回転子巻線および保持環を含む。回転子巻線は、回転子コアに形成されたスロット内に収容されるとともに、その一部は回転子コアの軸方向端部においてスロットの外側に延出している。その回転子巻線の延出部分を保持するため、回転子コアの両端部には保持環が取り付けられている。

通常、保持環は、遠心力によって回転子コアから外れないように焼嵌め等によって回転子コアに強固に固定されている。このため、保持環には比較的に強い応力が生じやすい。保持環の応力を抑制する手法は種々提案されている。例えば保持環が回転子コアに対して軸方向に移動することを防止するため、回転子コアの外周部に径方向に突出するロックキーを設け、保持環の内周部にロックキーを受け入れるロックキー溝を形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。ロックキー溝の形状および寸法は、保持環の応力集中が抑制されるように設定される。

米国特許第６５６６７８５号明細書

継続使用する場合、回転子には、非常に大きな応力が繰り返し加わることになる。そのため、例え応力集中を抑制するための対策を講じたとしても、最終的には回転子が損傷する恐れが高い。従来、使用中の回転子の損傷を回避するために、定期的に回転電機を分解して部品毎に検査を実施し、部品の補修、部品交換等の適切な処置が行われている。分解しての検査は、視認し難い箇所に損傷が生じている恐れがあるからである。しかし、回転電機を分解しての部品の検査には、多大な時間およびコストが必要になる。それにより、回転電機の稼働率も大きく低下する。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、回転子の視認し難い箇所に生じた損傷の推定が可能な回転電機の検査装置、および回転電機の検査方法を提供することにある。

本発明に係る回転電機の検査装置は、回転電機が有する回転子の検査すべき範囲である検査対象部に生じる損傷の位置、及び損傷の規模と、回転子の外面に設定される計測対象部に生じる変形量との間の関係を示す傾向情報を記憶した記憶部と、計測対象部に生じた変形量を計測する計測部と、傾向情報、及び計測部が計測した計測対象部の変形量を基に、計測対象部に生じた損傷の位置、及び規模を推定する損傷推定部と、を備える。

本発明に係る回転電機の検査方法は、回転電機が有する回転子の検査すべき範囲である検査対象部に生じる損傷の位置、及び損傷の規模と、回転子の外面に設定される計測対象部に生じる変形量との間の関係を示す傾向情報を生成する第１ステップと、計測対象部に生じた変形量を計測する第２ステップと、傾向情報、及び第２ステップで計測した計測対象部の変形量を基に、計測対象部に影響する損傷の発生の有無を推定する第３ステップと、を含む。

本発明によれば、回転子の視認し難い箇所に生じた損傷の推定を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の検査装置を用いて構築された検査システムの構成例を示す図である。 保持環およびその周辺部の外観斜視図である。 回転子コアの断面図である。 軸垂直面で回転子コアを２つの領域に分割した場合に、一方の領域に設けられるスロットと回転子巻線との間の関係について説明するための模式図である。 保持環およびその周辺部の一部切り欠き斜視図である。 保持環およびその周辺部の断面図である。 保持環に形成されたランダムパターンの例について説明するための一部切り欠き斜視図である。 保持環に形成されたランダムパターンの他の例について説明するための一部切り欠き斜視図である。 保持環に接合されるエンドプレートの他の例を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の検査装置の機能的な構成の例を示すブロック図である。 保持環のエアパス部周辺部分におけるモデル化の範囲例を説明する図である。 保持環のスロット周辺部分におけるモデル化の範囲例を説明する図である。 保持環のエアパス部周辺部分におけるモデル化の範囲の変形例を説明する図である。 保持環のスロット周辺部分におけるモデル化の範囲の変形例を説明する図である。 傾向情報生成処理の例を示すフローチャートである。 検査装置によって実現される全体的な処理の例を示すフローチャートである。 ひずみ分析処理の例を示すフローチャートである。 ひずみ分析処理の例を示すフローチャートである。 損傷推定処理の例を示すフローチャートである。 損傷状況推定処理の例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の検査装置の各機能の実現にプロセッサの実行を想定した場合のハードウェア構成例を示す図である。

以下、本発明に係る回転電機の検査装置、および回転電機検査方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。以下の説明では、同一の、同一と見なせる、或いは対応する構成要素には同一の符号を用いる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の検査装置を用いて構築された検査システムの構成例を示す図である。図１には、検査システム２００の他に、検査対象となる回転電機１００および情報処理装置３００を示している。

この回転電機１００は、例えば発電機として用いられるものである。発電機として用いられる回転電機１００には、例えば原動機としてのタービンから回転力が伝達される。なお、検査対象とする回転電機１００の種類およびその使用法は、特に限定されない。例えば回転電機１００は、電力を回転力に変換するものであってもよい。

検査システム２００を説明する前に、検査対象の回転電機１００について具体的に説明する。この回転電機１００は、図１に示すように、フレーム１と、そのフレーム１内に設けられたガスクーラー２と、固定子３と、および回転子４とを備える。フレーム１内には発電によって生じる熱を除去するための冷媒、例えば冷却ガスが循環されている。ガスクーラー２は、その冷媒を冷却する。

固定子３は、固定子コア３１および固定子巻線３２を含む。固定子コア３１は、外形が円筒形状であり、フレーム１内に固定的に設けられる。固定子コア３１の内周部には、溝状の形状をした複数のスロットが形成される。固定子コア３１の各スロット内に電機子巻線としての固定子巻線３２が挿入される。固定子巻線３２の一部は固定子コア３１の両端部から引き出され、コイルエンド３２ａを形成する。一方のコイルエンド３２ａには、フレーム１の外部に延びる図示しないメインリードが接続される。メインリードを通して、発電された電力が回転電機１００から外部に供給される。

回転子４は、一対の回転軸４１、回転子コア４２および保持環４３ａ、４３ｂを含む。一対の回転軸４１は回転子コア４２を挟むように設けられる。一対の回転軸４１の軸心と回転子コア４２の軸心とは互いに一致する。以下、一対の回転軸４１および回転子コア４２の軸心と平行な方向を軸方向と呼ぶ。また、一対の回転軸４１および回転子コア４２の軸心を中心とし、軸方向に垂直な方向を径方向と呼ぶ。一対の回転軸４１および回転子コア４２の軸心を中心とし、軸方向、及び径方向に垂直な方向を周方向と呼ぶ。

一対の回転軸４１は、フレーム１に設けられた軸受けにより回転可能に支持されている。回転子４は、図示しない原動機であるタービンにより固定子３に対して相対的に回転される。固定子コア３１および固定子巻線３２は、回転子コア４２の径方向外方に位置し、回転子コア４２により発生される磁束を受けることにより固定子巻線３２に電流が生じる。保持環４３ａ、４３ｂは、回転子コア４２の状態を保持するための部品である。保持環４３ａ、４３ｂは、回転子コア４２の一端部および他端部にそれぞれ取り付けられ、固定子コア３１の外部にそれぞれ露出している。

タービン発電機として用いられる図１に示す回転電機１００では、デジタル画像相関法により回転子４の外面に生じる変形量を計測することを想定している。検査システム２００は、外面に生じる変形量を計測し、その計測結果を用いて、その外面の形状に影響を及ぼす部分の状態を評価するために構築されたシステムである。外面に影響を及ぼす部分が検査対象部であり、変形量を計測する外面が計測対象部として設定される。検査対象部は、回転子４のうちで比較的に損傷が発生し易い部分を想定して決定され、計測対象部は、検査対象部に応じて設定される。本実施の形態では、変形量として、ひずみを計測するようにしている。計測する変形量は、ひずみに限定されない。

この検査システム２００は、図１に示すように、撮像装置２１０ａ、２１０ｂ、駆動機構２１１ａ、２１１ｂ、検査装置２２０および表示装置２４０を含む。撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、回転電機１００のフレーム１内に配置される。撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、回転子４の外面の一部に設定される計測対象部を撮像することにより、計測対象部の画像データを生成し、生成した画像データを検査装置２２０に送信する。駆動機構２１１ａ、２１１ｂは、撮像装置２１０ａ、２１０ｂをフレーム１内で移動させることにより、撮像装置２１０ａ、２１０ｂの撮像範囲を変更することができる。

本実施の形態では、保持環４３ａ、４３ｂの外面に計測対象部が設定される。そのため、撮像装置２１０ａは、保持環４３ａの近傍に設けられ、駆動機構２１１ａによって移動させられつつ保持環４３ａを撮像する。撮像装置２１０ｂは、保持環４３ｂの近傍に設けられ、駆動機構２１１ｂによって移動させられつつ保持環４３ｂを撮像する。

撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、特定の初期期間に保持環４３ａ、４３ｂを撮像し、撮像により生成した画像データを初期画像データとして検査装置２２０に送信する。初期期間とは、例えば、回転電機１００が製造されてから回転電機１００の運転が開始される前までの期間である。回転電機１００の運転が開始された後、撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、予め定められた検査時期に保持環４３ａ、４３ｂを撮像し、生成した画像データを検査画像データとして検査装置２２０に送信する。検査時期は、例えば、回転電機１００の運転が開始されてから一定の周期で到来するように定められる。この周期は、回転電機１００の運転が開始されてからの経過時間が長くなるにつれて徐々に短くなるように更新してもよい。この周期は、単なる経過時間ではなく、回転電機１００の実際の運転時間であってもよい。また、回転子４に加わる応力は、回転子４の回転回数、回転速度、回転加速度等に依存するので、周期は、回転子４の回転回数、回転速度および回転加速度のうちの少なくとも一つに基づいて定めてもよい。フレーム１内の温度または湿気によって回転子４の劣化速度は異なるので、周期は、フレーム１内の温度または湿気に基づいて定めてもよい。異なる指標に基づく周期を複数、定め、定めた複数の周期のなかの一つを選択するようにしてもよい。

本実施の形態では、撮像装置２１０ａ、２１０ｂによる保持環４３ａ、４３ｂの撮像は、原動機により回転子４が低速で回転される状態で行われる。例えば、撮像装置２１０ａ、２１０ｂの各々がストロボ光源および撮像素子を含む場合、撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、回転子４の回転に同期してストロボ光源を発光させるとともに撮像素子に撮像を行わせるように制御される。回転子４の回転中に撮像を行わせる場合、撮像装置２１０ａ、２１０ｂを周方向に移動させることなく、保持環４３ａ、４３ｂの周方向の全体を撮像することができる。そのため、駆動機構２１１ａ、２１１ｂの構成を簡単にすることができ、検査に必要な撮像装置の数も抑えられる。

検査装置２２０は、撮像装置２１０ａ、２１０ｂを制御し、撮像装置２１０ａ、２１０ｂにより生成された画像データに基づいて、デジタル画像相関法により計測対象部におけるひずみの分布の変化をひずみ変化情報として生成する。デジタル画像相関法は、対象物の変形の前後に対象物の表面を撮像した場合に、得られた画像データの輝度分布から対象物の表面に生じた変位量と、その変位方向とを同時に求めることができる方法である。そのため、ひずみ変化情報には、計測対象部における変位量、変位方向、及び位置の各情報が含まれる。表示装置２４０は、検査装置２２０により生成された種々の情報を入力し、入力した情報を表示する。

検査装置２２０の詳細について説明する前に、回転子４の詳細について説明する。ここで、複数の図における各部の位置関係を明確にするため、互いに垂直なＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義し、必要に応じて、図中にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を表す矢印を示す。Ｘ方向は、上記軸方向に平行な方向である。Ｙ方向およびＺ方向は、上記径方向のうちの一つと平行な方向である。

回転子４の詳細は、本実施の形態で計測対象部が設定される保持環４３ａ、４３ｂおよびそれらの周辺部の構成に着目し、図２～図７を参照して、具体的に説明する。ここでは、混乱を避けるために、主に保持環４３ａおよびその周辺部の構成について説明する。これは、保持環４３ｂおよびその周辺部は、保持環４３ａおよびその周辺部と同様の構成であるためである。なお、２つの保持環４３ａ、４３ｂを区別する必要のないような場合、符号として「４３」を付すこととする。これは、他の構成要素でも同様である。

図２は、保持環およびその周辺部の外観斜視図である。図２に示すように、回転軸４１の一端部には、フランジ部５ａが形成される。フランジ部５ａに原動機であるタービンの回転軸が接続される。それにより、タービンからの動力が回転軸４１に伝達される。

上記のように、回転子コア４２は回転軸４１と同軸であり、軸方向に延びる。保持環４３ａは、外形が円筒形状であり、回転子コア４２と回転軸４１との連結部を取り囲むように設けられる。回転子コア４２の外周部には、軸方向に延びる１対の磁極部４２１、複数のスロット４２３および複数の抜け止め部４２４が形成されている。図２においては、１対の磁極部４２１のうち一方の磁極部４２１のみが示されている。各磁極部４２１には、軸方向に延びる複数のエアパス部４２２が形成されている。

図３は、回転子コアの断面図である。図３に示す断面図は、軸方向に垂直な面である軸垂直面で回転子コア４２を切断した場合のものである。図３に示すように、周方向において、回転子コア４２の軸垂直面の外周部に連続的な凹凸が形成される。軸垂直面において、各エアパス部４２２および各スロット４２３は凹状である。実際には、図２に示すように、各エアパス部４２２および各スロット４２３は、軸方向に延びる溝状の形状である。各スロット４２３の周方向上の幅５０１は、全て同じとなっている。各エアパス部４２２および各スロット４２３は、周方向上、離して形成される。

各磁極部４２１は、磁極中央部４２１ａおよび一対の磁極端部４２１ｂを含む。周方向において磁極中央部４２１ａを挟むように一対の磁極端部４２１ｂが設けられる。磁極中央部４２１ａと一対の磁極端部４２１ｂとの間に複数のエアパス部４２２が設けられる。具体的には、各磁極部４２１の一端部から中央部に向けて一対のエアパス部４２２が軸方向に沿って定められた長さだけ延びる。また、各磁極部４２１の他端部から中央部に向けて一対のエアパス部４２２が軸方向に沿って定められた長さだけ延びる。各エアパス部４２２の周方向上の幅５０２は、同じとなっている。各エアパス部４２２を通して、回転子コイルエンド、つまり後述の回転子巻線４４Ａ、４４Ｂの両端部を冷却したガスが放出される。

ここで、図３に示すように、回転子コア４２の軸心Ｃ１を通り、軸方向に平行であり、かつ一対の磁極部４２１を結ぶ線と垂直な仮想面ＶＰを定義する。回転子コア４２の外周部は、仮想面ＶＰを境界とする領域Ｒ１および領域Ｒ２に分けることができる。一方の磁極部４２１は、周方向における領域Ｒ１の中央に設けられ、他方の磁極部４２１は、周方向における領域Ｒ２の中央に設けられる。複数のスロット４２３および複数の抜け止め部４２４は、周方向において一対の磁極部４２１の間で交互に並ぶように設けられる。領域Ｒ１の複数のスロット４２３内には、界磁巻線としての回転子巻線４４Ａが挿入される。領域Ｒ２の複数のスロット４２３内には、界磁巻線としての回転子巻線４４Ｂが挿入される。このように、各スロット４２３は、回転子巻線４４Ａ、４４Ｂのうちの一方の挿入用となっている。

各スロット４２３内において、回転子巻線４４Ａ、４４Ｂの径方向外方には、くさび４８が配置される。各抜け止め部４２４は、鉤状の先端部を有し、くさび４８の径方向上の移動を制限する。これにより、遠心力によって各スロット４２３から回転子巻線４４Ａ、４４Ｂが抜け出ることが防止される。周方向における各磁極部４２１の幅は、周方向における各抜け止め部４２４の幅よりも大きくなっている。各抜け止め部４２４の幅の設定を通して、回転子巻線４４Ａ、４４Ｂの巻数を変化させることができる。また、各磁極部４２１の幅の設定を通して、回転子コア４２から発生される磁束の大きさを変化させることができる。本実施の形態では、周方向における磁極中央部４２１ａおよび磁極端部４２１ｂの各々の幅が、周方向における各抜け止め部４２４の幅よりも大きい。

図４は、軸垂直面で回転子コアを２つの領域に分割した場合に、一方の領域に設けられるスロットと回転子巻線との間の関係について説明するための模式図である。図４には、領域Ｒ１および回転子巻線４４Ａが平面的に示されている。なお、図４においては、横方向が軸方向、つまりＸ方向であり、縦方向が周方向である。領域Ｒ２に設けられるスロット４２３および回転子巻線４４Ｂは、図４に示すスロット４２３および回転子巻線４４Ａと同様である。

図４に示すように、回転子巻線４４Ａは、軸方向に延びる複数の線状部４４１と、周方向に延びる複数の線状部４４２とを含み、磁極部４２１の周りで螺旋を描くように巻かれている。複数の線状部４４１は、領域Ｒ１の複数のスロット４２３内にそれぞれ挿入されるとともに、複数のスロット４２３の軸方向上、外側にそれぞれ両端部が延出する。複数の線状部４４２は、複数のスロット４２３の軸方向上、外側に配置される。回転子巻線４４Ａの一端部Ｅ１および他端部Ｅ２は、回転子コア４２に設けられた内部通路を通して回転子コア４２の軸方向外側に引き出され、図示しない励磁機に接続される。

図５は、保持環およびその周辺部の一部切り欠き斜視図である。図５には、磁極部４２１、エアパス部４２２、スロット４２３および抜け止め部４２４の各々に関して、その端部のみを示している。回転子巻線４４Ａの各線状部４４１は、スロット４２３の端部から軸方向外側に延出し、一つの線状部４４２とつながる。保持環４３ａは、スロット４２３の外側に延出する回転子巻線４４Ａの部分を覆うように設けられる。スロット４２３の軸方向外側において、保持環４３ａと回転子巻線４４Ａとの間には、円筒状の絶縁部材４５が配置される。保持環４３ａの一端部は、磁極部４２１および複数の抜け止め部４２４の端部に接合される。保持環４３は、各線状部４４１、４４２をその内部に保持する。それにより、保持環４３は、回転子コア４２に挿入されている回転子巻線４４Ａの状態を保持する。

以下、保持環４３ａの回転子コア４２側の端部をコア側端部４３１、別の端部をプレート側端部４３２とそれぞれ呼ぶ。また、保持環４３ａのコア側端部４３１が接合される磁極部４２１および複数の抜け止め部４２４の端部を含む部分を取付部４２５と呼ぶ。この取付部４２５は、保持環４３ａ用に回転子コア４２に形成された部分である。その軸方向におけるコア側端部４３１の幅は、軸方向における回転子コア４２の取付部４２５の幅と等しい。言い換えれば、径方向において、コア側端部４３１と取付部４２５とは互いに重なる。保持環４３ａのプレート側端部４３２は、回転軸４１の径方向外方に位置する。

遠心力によって保持環４３ａが回転子コア４２から外れないように、保持環４３ａのコア側端部４３１は回転子コア４２の取付部４２５に強固に接合させる必要がある。そこで、本実施の形態では、保持環４３ａのコア側端部４３１が焼嵌めにより回転子コア４２の取付部４２５に接合されている。

コア側端部４３１は、軸方向に垂直な端面４３１ａを含み、プレート側端部４３２は、軸方向に垂直な端面４３２ａを含む。プレート側端部４３２の端面４３２ａには、円環状のエンドプレート９が取り付けられる。保持環４３ａの回転子コア４２との焼嵌め時には、保持環４３ａのコア側端部４３１が収縮するため、保持環４３ａの形状が全体的に変形する可能性がある。そこで、プレート側端部４３２の端面４３２ａにエンドプレート９を取り付けることにより、保持環４３ａの変形を抑制させている。エンドプレート９は、回転軸４１に接触せず、エンドプレート９の内周面と回転軸４１の外周面との間には空間が形成される。

遠心力によってエンドプレート９が保持環４３ａから外れないように、エンドプレート９はプレート側端部４３２に強固に固定させる必要がある。そのため、本実施の形態では、エンドプレート９は焼嵌めによりプレート側端部４３２に接合されている。

焼嵌めにより２つの部品を接合させる場合、その２つの部品ともに、大きな応力が発生する。その応力は、部品を損傷し易くさせる。このことから、保持環４３に計測対象部を設定することにより、回転電機１００に発生する損傷、より具体的には検査対象部として想定した部分に発生する損傷の有無を推定することができる。本実施の形態において、保持環４３に計測対象部を設定しているのは、このためである。

図６は、保持環およびその周辺部の断面図である。図６の断面は、軸方向に平行な面である軸平行面で保持環４３ａおよびその周辺部を切断した場合のものである。その軸平行面は、一つのスロット４２３内の線状部４４１に沿った面としている。なお、図６においては、左方向が回転子コア４２の中央に向かう方向、つまり図５での右方向に相当する。

図６に示すように、スロット４２３内に回転子巻線４４Ａの線状部４４１が配置される。図６中において、スロット４２３の端部４２３ａが点線で示されている。線状部４４１は、スロット４２３の端部４２３ａを超えて軸方向に延びる。上記のように、スロット４２３内において、回転子巻線４４Ａの線状部４４１に重なるようにくさび４８が配置される。くさび４８が抜け止め部４２４の鈎状の先端部により径方向上、固定される結果、スロット４２３内から線状部４４１が抜け出ることが防止される。軸方向において、くさび４８と隣り合うようにくさび４９が配置される。くさび４９は、くさび４８と絶縁部材４５との間に位置する。くさび４９により、絶縁部材４５が軸方向において位置決めされる。

回転子コア４２の取付部４２５およびくさび４８には、周方向に沿って凹部４２５ｒが形成される。それにより、取付部４２５の一部である抜け止め部４２４が保持環４３ａと接合する部分である接合部は、凹部４２５ｒによって、軸方向上、第１接合部５０４、第２接合部５０５に分割されている。第１接合部５０４は、軸方向上、凹部４３５ｒより回転子コア４２の中心側に位置する接合部である。第２接合部５０５は、軸方向上、凹部４３５ｒよりフランジ部５ａ側に位置する接合部である。端面４３１ａは、保持環４３ａの回転子コア４２の中心側に位置する側面である。

保持環４３ａのコア側端部４３１の内周部には、凹部４２５ｒと軸方向上、同じ幅の凹部４３ｒが周方向に沿って形成されている。この凹部４２５ｒ、４３ｒ内にリングキー４７が配置される。リングキー４７は、回転子コア４２の図３に示す軸心Ｃ１を中心とする円環形状を有する。リングキー４７により、保持環４３ａが回転子コア４２に対して軸方向に移動することが防止される。

上記のように、検査装置２２０は、計測対象部の検査画像データに基づいて、デジタル画像相関法により計測対象部のひずみ変化情報を生成する。デジタル画像相関法では、検査画像データに含まれるランダムパターンの変化に基づいて、計測対象部におけるひずみの分布の変化が得られる。ひずみ分布が得られるように、計測対象部である保持環４３ａ、４３ｂの外面には、ランダムパターンが形成される。ランダムパターンとは、規則性を有さないパターンであり、例えば、ランダムに配置された多数のドットにより構成される。ランダムパターンは、想定されるひずみに対して十分な分解能でデジタル画像相関法による計測を実施することができるように形成される。

図７は、保持環に形成されたランダムパターンの例について説明するための一部切り欠き斜視図である。なお、図７の斜視図は、図５の斜視図とは視点が異なり、回転子コア４２のより中央側に視点がある。図７には、保持環４３ａに対するランダムパターンＰ１の形成例が示されるが、保持環４３ｂにも同様なランダムパターンが形成される。

図７の例では、撮像対象が保持環４３ａの外周面の全体と想定している。この想定では、図７に示すように、外周面の全体にランダムパターンＰ１が形成される。ランダムパターンＰ１は、例えば、保持環４３ａの外周面に塗料を塗布することによって形成される。具体的には、例えばコントラストが大きく異なる２色、より具体的には、例えば白と黒の塗料によって形成される。白色の塗料が保持環４３ａ、４３ｂの外周面の全体に塗布され、その上に複数の微細な黒点が不均一に配置されるように黒色の塗料が塗布される。これにより、白黒の２色からなるランダムパターンＰ１が形成される。黒点の大きさは、例えば数μｍ～数ｍｍの範囲で設定すればよい。黒点が小さいほど、デジタル画像相関法によるひずみの分解能が向上する。また、黒点間の距離が小さいほど、デジタル画像相関法によるひずみの分解能が向上する。黒点の大きさ、黒点間の距離は、計測すべきひずみの大きさおよび計測対象部で想定される変形量に基づいて設定される。それにより、計測対象部として、ランダムパターンＰ１の全体、またはその一部を設定することができる。

保持環４３ａ、４３ｂは、回転子コア４２およびエンドプレート９と強固に接合されるため、これらの接合部分には、回転電機１００の運転中だけでなく回転電機１００の停止時においても、応力が集中しやすい。また、保持環４３ａ、４３ｂと回転子コア４２との間には、これらの相対的な軸方向の移動を阻止するリングキー４７が配置されており、このリングキー４７と接触する保持環４３ａ、４３ｂの部分および回転子コア４２の部分にも応力が集中しやすい。それにより、保持環４３ａ、４３ｂには、定常的にひずみの分布が生じている。保持環４３ａ、４３ｂにおけるひずみの分布は、保持環４３ａ、４３ｂにき裂等の損傷が生じた場合はもとより、その周辺部にき裂等の損傷が生じた場合にも変化する。このようなことから、本実施の形態では、計測対象部として設定した保持環４３ａ、４３ｂの外周面の画像データを用いて、保持環４３ａ、４３ｂだけでなく、回転子コア４２およびエンドプレート９の状態も検査する。それにより、検査対象部には、保持環４３ａ、４３ｂの他に、取付部４２５、及びエンドプレート９が含まれている。

なお、検査対象部、及び計測対象部は、上記のようなものに限定されない。検査対象部、及び計測対象部は、回転子４の構成に応じて設定すればよい。

保持環４３ａ、４３ｂの外周面、言い換えれば撮像装置２１０ａ、２１０ｂによる撮像が可能な外面上に生じたき裂等は、撮像により得られた画像データから比較的に容易に特定することができる。このことから、ひずみを計測しての検査では、視認し難い箇所、つまり撮像が不可能、或いは撮像が困難な箇所に生じた損傷の存在を推定するのが主に想定されている。その検査により、保持環４３ａ、４３ｂの外周面にき裂等の損傷が生じる前の段階での対応がより可能となる。検査のために、回転電機１００を分解する必要性は小さくなる。そのため、検査対象部の視認し難い箇所に生じた損傷を特定することにより、回転電機１００の稼働率はより向上させることができ、回転電機１００のより適切な状態での運転も可能となる。それにより、稼働率をより向上させつつ、回転電機１００をより長寿命化させることも容易となる。

なお、ランダムパターンＰ１は、図８に示すように、保持環４３ａ、４３ｂのコア側端部４３１の外周面に加え、コア側端部４３１の端面４３１ａにも形成してもよい。端面４３１ａにもランダムパターンＰ１を形成させた場合、検査対象部に存在する損傷の推定精度、つまり検査精度をより向上させることができる。

また、エンドプレート９は、図９に示すように、回転子コア４２のエアパス部４２２に導入される冷却ガスの量を調整するためのふさぎ板２５が取り付けられたものであってもよい。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る回転電機検査装置の機能的な構成の例を示すブロック図である。本実施の形態による回転電機検査装置は、検査装置２２０として実現されている。この検査装置２２０は、図１０に示すように、機能構成として、撮像制御部２２１、画像データ取得部２２２、画像データ記憶部２２３、ひずみ変化情報生成部２２５、傾向情報記憶部２２６、損傷位置推定部２２８、損傷規模推定部２２９および運転条件決定部２３１を含む。

撮像制御部２２１は、上記の初期期間および検査時期に計測対象部を撮像するために、撮像装置２１０ａ、２１０ｂおよび駆動機構２１１ａ、２１１ｂを制御する。撮像制御部２２１の制御によって、撮像装置２１０ａ、２１０ｂは、撮像を行い、画像データを検査装置２２０に送信する。画像データ取得部２２２は、撮像装置２１０ａ、２２０ｂから送信された画像データを取得する。初期期間での撮像により取得された画像データは、初期画像データとして、画像データ取得部２２２により、画像データ記憶部２２３に記憶される。検査時期での撮像により取得された画像データは、検査画像データとして、画像データ取得部２２２により、画像データ記憶部２２３に記憶されると共に、ひずみ変化情報生成部２２５に出力される。

画像データ記憶部２２３は、画像データ取得部２２２から与えられた初期画像データおよび検査画像データを記憶する。ひずみ変化情報生成部２２５は、画像データ取得部２２２から与えられた検査画像データに基づいて、デジタル画像相関法により保持環４３ａ、４３ｂのひずみ変化情報を生成する。このひずみ変化情報は、初期期間から現時点までの期間における計測対象部の変形量をひずみの分布の変化量として表す情報である。

具体的には、ひずみ変化情報生成部２２５は、画像データ記憶部２２３に記憶された初期画像データと、画像データ取得部２２２から与えられた検査画像データとを比較し、その差分に基づいて、ひずみ変化情報を生成する。ひずみ変化情報生成部２２５は、生成したひずみ変化情報を損傷位置推定部２２８および損傷規模推定部２２９に出力する。ひずみ変化情報生成部２２５は、本実施の形態における狭義の計測部に相当する。広義の計測部には、更に撮像制御部２２１、画像データ取得部２２２、および画像データ記憶部２２３が含まれる。

なお、ひずみ変化情報生成部２２５が生成するひずみ変化情報は、上記のものとは異なる内容であってもよい。例えばひずみ変化情報は、検査時期が到来する毎に、画像データ記憶部２２３に記憶された前回の検査画像データと、画像データ取得部２２２から与えられた今回の検査画像データとを比較し、その差分に基づいて生成されるものであってもよい。より具体的には、ひずみ変化情報は、前回の検査時期から今回の検査時期までの期間における計測対象部のひずみの分布の変化量を表す情報であってもよい。その場合、各検査時期で生成されたひずみ変化情報を記憶するひずみ変化情報記憶部を検査装置２２０に追加してもよい。このひずみ変化情報記憶部を追加することにより、計測対象部の各位置におけるひずみの総変化量を特定することができる。

傾向情報記憶部２２６は、回転子４に想定した検査対象部にき裂等の損傷が生じた場合における計測対象部のひずみの分布の変化の傾向を表す傾向情報２２６ａを記憶する。本実施の形態では、傾向情報２２６ａは、回転子４に生じた損傷の位置と回転子４におけるひずみの分布との間の対応関係を示すと共に、それらと損傷の規模との間の対応関係を示している。この傾向情報２２６ａは、実測、或いはシミュレーション等の数値計算に基づいて生成することができる。き裂は、回転子４に発生する損傷の例であり、保持環４３ａ、４３ｂでは主に想定する損傷である。想定する損傷としては、他に、欠け、割れ、等がある。このことから、傾向情報２２６ａは、損傷の種類別、損傷の規模別、及び損傷の位置別に複数、生成され、傾向情報記憶部２２６に記憶される。

損傷位置推定部２２８は、ひずみ変化情報生成部２２５から与えられたひずみ変化情報および傾向情報記憶部２２６に記憶された傾向情報２２６ａに基づいて、回転子４において損傷が生じている位置を推定する。この場合、損傷位置推定部２２８は、ひずみ変化情報が全ての傾向情報２２６ａのうちで最も近くなるものを選択するか、または、ひずみ変化情報と近い複数の傾向情報２２６ａを内挿して別の傾向情報を一時的に生成することで、損傷が生じている位置を推定することができる。損傷が生じている位置は、以下、損傷位置と呼ぶ。

本実施の形態において、傾向情報２２６ａは、複種類の分布情報を含む。言い換えれば、傾向情報２２６ａを構成する分布情報は、複数の種類に分けられる。複数種類の分布情報は、回転子４の異なる部位に対応する。各分布情報は、対応する部位に損傷が生じた場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。各種類の分布情報には、通常、想定する損傷の形状を含む規模が異なる複数の分布情報が含まれる。損傷位置推定部２２８は、ひずみ変化情報および複数の分布情報との比較に基づいて、損傷位置を推定する。損傷位置推定部２２８は、推定した損傷位置を損傷規模推定部２２９および運転条件決定部２３１に出力する。

損傷規模推定部２２９は、ひずみ変化情報生成部２２５から与えられたひずみ変化情報に基づいて、損傷位置推定部２２８により推定された損傷位置に存在すると考えられる損傷の規模である損傷規模を推定する。推定される損傷規模は、ここでは損傷の種類およびその大きさを含む。例えば損傷がき裂であれば、き裂の長さの他に、形状が更に含まれる。この場合、損傷規模推定部２２９は、ひずみ変化情報が全ての傾向情報２２６ａのうちで最も近くなるものを選択するか、または、ひずみ変化情報と近い複数の傾向情報２２６ａを内挿して別の傾向情報を一時的に生成することで、損傷規模を推定することができる。損傷規模推定部２２９は、推定した損傷規模を運転条件決定部２３１に出力する。損傷位置推定部２２８および損傷規模推定部２２９は、本実施の形態における損傷推定部に相当する。

上記のように、損傷位置推定部２２８および損傷規模推定部２２９は、共に傾向情報２２６ａを参照し、損傷位置および損傷規模を推定する。このことから、これらは、後述するように、実際には同じ処理の実行により実現される。図１０では、推定する対象を明確にする意味もあり、それらを分けて示している。

運転条件決定部２３１は、損傷位置推定部２２８により推定された損傷位置および損傷規模推定部２２９により推定された損傷規模に基づいて、適正な回転電機１００の運転条件を決定し、決定した運転条件を表示装置２４０に出力する。運転条件には、回転電機１００が運転を継続可能と推定される時間である運転可能時間および回転子４の適正と推定される回転速度である適正速度が含まれる。ここでの適正速度とは、例えば上限とする回転速度である。運転条件決定部２３１は、材料特性および破壊力学に基づく公知の方法により、損傷位置および損傷規模から運転可能時間および適正速度を算出する。運転条件決定部２３１は、本実施の形態における時間推定部および速度推定部に相当する。

回転子４に加わる応力は回転子４の回転速度に依存するので、回転子４の回転速度を制限することにより、回転子４に加わる応力を低減することができる。運転可能時間は、回転子４を適正速度で回転させた場合に、その時点から回転電機１００を安定的に運転させることが可能と推定される時間である。そのため、運転可能時間は、部品の補修または部品交換を行うメンテナンス時期の目安ともなる。従って、運転可能時間および適正速度を含む運転条件は、作業者にとって、回転電機１００の稼働率をより向上させるうえで有用な情報である。

表示装置２４０は、運転条件決定部２３１から情報として与えられた運転条件を表示する。作業者は、表示装置２４０の表示内容に基づいて、回転子４の回転速度を適正速度に調整することで、回転速度を制限しながらであっても回転電機１００の運転を継続させることができる。運転可能時間は、運転を継続させたとしても、回転電機１００にとって深刻な不具合が発生しないと考えられる時間である。そのため、これら運転条件の提供により、回転電機１００の長寿命化を支援することができる。また、作業者は、表示された運転可能時間に基づいて、部品の補修、部品交換等を適切な時期に実施することができる。それにより、深刻な不具合の発生を回避、或いは抑制しつつ、回転電機１００の稼働率をより向上させることもできる。

運転条件決定部２３１は、回転子４の回転速度を制御する図示しない制御装置に、決定した適正速度を出力してもよい。この場合、制御装置によって回転子４の回転速度を自動的に適正速度以下に制限させることができる。また、運転条件決定部２３１は、図示しない警報装置に、決定した運転可能時間を出力してもよい。この場合、回転電機１００の運転時間が運転可能時間に近づく、または達したときに、警報装置に警報、例えば警報ブザーの放音を行わせてもよい。これにより、作業者に対し、部品の補修、部品交換等を行うべき時期でのメンテナンスをより確実に行わせることができる。従って、損傷による回転電機１００への悪影響は、より抑えられるようになる。

検査装置２２０は、ひずみ変化情報生成部２２５により生成されたひずみ変化情報、損傷位置推定部２２８により推定された損傷位置、損傷規模推定部２２９により推定された損傷規模のうち少なくとも一つを表示装置２４０に表示されるようにしてもよい。この場合、作業者は、表示装置２４０の表示を見て、より多くの情報を取得することができる。その結果、作業者は、現在の回転電機１００の状態に応じた対応をより容易に行えるようになる。このことから、表示装置２４０に表示される情報を作業者が選択できるようにしてもよい。

上記のように、傾向情報記憶部２２６に記憶された傾向情報２２６ａは、回転子４に生じた損傷の損傷位置、および損傷規模の推定に用いられる。図１に示す情報処理装置３００は、傾向情報２２６ａの生成に用いられる装置である。この情報処理装置３００が生成した傾向情報２２６ａは、例えば通信ネットワーク、或いは記録媒体を介して、検査装置２２０にロードされ、傾向情報記憶部２２６に記憶される。

情報処理装置３００は、例えばシミュレーションにより、傾向情報２２６ａを生成する。傾向情報２２６ａの生成に用いる方法は、特に限定されないが、例えばＦＥＭ（Finite Element Method）、ＢＥＭ（Boundary Element Method）、ＦＤＭ（Finite Difference Method）等を用いることができる。

上記のように、傾向情報２２６ａは、分布情報の集合体である。本実施の形態では、傾向情報２２６ａには、第１～第５の分布情報が含まれる。第１の分布情報は、保持環４３のコア側端部４３１で損傷が発生した場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。第２の分布情報は、保持環４３のプレート側端部４３２で損傷が発生した場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。第３の分布情報は、コア側端部４３１とプレート側端部４３２との間の保持環４３の部分である中間部で損傷が発生した場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。第４の分布情報は、回転子コア４２の取付部４２５、つまり何れかの磁極部４２１或いは何れかの抜け止め部４２４で損傷が発生した場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。第５の分布情報は、エンドプレート９で損傷が発生した場合の計測対象部におけるひずみの分布を表す。

何れの分布情報も、例えば保持環４３の一部分をモデル化した試験片による実機摸擬試験、試験片による実機摸擬試験とシミュレーションによる構造解析、または、シミュレーションによる構造解析を用いて生成される。これは、計測対象部が保持環４３であり、損傷によって保持環４３の外面に生じるひずみの分布を特定する必要があるためである。ここで、図１１および図１２を参照し、保持環４３におけるモデル化の範囲例について具体的に説明する。図１１は、保持環のエアパス部周辺部分におけるモデル化の範囲例を説明する図である。図１２は、保持環のスロット周辺部分におけるモデル化の範囲例を説明する図である。図１１および図１２に示すモデル化の範囲例は、全て第４の分布情報の生成のために決定されたものである。

図１１において、モデル化範囲Ａ１は、回転子コア４２の周方向上、一つのエアパス部４２２、そのエアパス部４２２を挟む磁極端部４２１ｂおよび磁極中央部４２１ａのそのエアパス部４２２側の各一部を含む。軸方向上では、モデル化範囲Ａ１は、取付部４２５と一致するか、或いはその取付部４２５を含む。このモデル化範囲Ａ１は、エアパス部４２２を挟む磁極端部４２１ｂおよび磁極中央部４２１ａのうちの何れか一方のエアパス部４２２側の一部に損傷、例えばき裂、或いは欠けが発生し易いと想定したものである。

ひずみの分布は、保持環４３のモデル化範囲Ａ１に対応する外面部分のみ計測すればよい。このことから、モデル化範囲Ａ１は、保持環４３に設定される一つの計測対象部の最小範囲に相当する。このことから、傾向情報２２６ａにより、計測対象部の数、各計測対象部の位置、およびその範囲が決定される。

なお、モデル化範囲Ａ１は、図１３に示すように、一つのエアパス部４２２に対し、２つ設定してもよい。図１３に示す例は、磁極端部４２１ｂ或いは磁極中央部４２１ａのエアパス端部５２１が損傷し易いと想定したものである。それにより、各モデル化範囲Ａ１は、周方向上、エアパス端部５２１が中央か、或いは中央付近に位置している。

図１２において、モデル化範囲Ａ２は、スロット４２３毎に設定されている。各モデル化範囲Ａ２は、周方向上の幅がスロット４２３の幅５０１より大きく、対応するスロット４２３が中央か、或いは中央付近に位置している。このようなモデル化範囲Ａ２を設定したのは、上記モデル化範囲Ａ１と同様の理由からである。各モデル化範囲Ａ２は、何れも一つの計測対象部の最小範囲を示す。

なお、モデル化範囲Ａ２は、図１４に示すように、一つのスロット４２３に対し、２つ設定してもよい。図１４に示す例は、磁極端部４２１ｂ或いは抜け止め部４２４の端部であるスロット端部５２２が損傷し易いと想定したものである。それにより、各モデル化範囲Ａ２は、周方向上、スロット端部５２２が中央か、或いは中央付近に位置している。

図１１～図１４に示すようにモデル化範囲を設定した場合、画像データのなかで保持環４３を表す部分の全てを処理しなくともすむようになる。その結果、処理の負荷は抑えられ、処理に要する時間はより短くなる。モデル化範囲を適切に設定することにより、検査精度の低下を回避することができる。このようなことから、モデル化範囲の設定は、検査精度を高く維持させつつ、処理の負荷を抑えるうえで有用である。

タービン発電機として用いられる回転電機では、保持環は直径が５００ｍｍ～２０００ｍｍ程度、軸方向の長さが１０００ｍｍ程度の大きさである。保持環の外周面全体の面積は、１，５７０，０００ｍｍ²～６，２８０，０００ｍｍ²程度となる。しかし、図１１～図１４に示すようにモデル化範囲を設定した場合、保持環の外周面全体を撮像しなくともよくなる。これは、撮像に要する時間がより短くなることの他に、傾向情報の生成、ひずみ変化情報の生成を含め、検査に必要な計算量もより小さくできることを意味する。検査精度は高く維持させることができる。このようなことから、検査装置２２０に要求される処理性能もより低くなる。

図１５は、傾向情報生成処理の例を示すフローチャートである。この傾向情報生成処理は、傾向情報２２６ａの生成のために情報処理装置３００が実行する処理である。図２１に示すように、検査装置２２０のようなプロセッサ５１およびメモリ５２を情報処理装置３００が備えていると想定する。その想定では、この傾向情報生成処理は、例えばプロセッサ５１が、メモリ５２上に存在する傾向情報２２６ａの生成用のプログラムを実行することにより実現される。次に図１５を参照し、傾向情報生成処理について詳細に説明する。ここでは、傾向情報生成処理を実行する主体として、便宜的にプロセッサ５１を想定する。なお、この傾向情報生成処理の実行は、本実施の形態における第１ステップの実行に相当する。

上記プログラムは、例えば構造解析用の各種モデルデータ、境界条件、荷重条件、教師データ等の各種データを読み込み、傾向情報生成処理を実行するようになっている。各種モデルデータには、図１１および図１２に示すようなモデル化範囲を想定して作成されたものが含まれる。境界条件、及び荷重条件は、構造解析を行ううえでの条件を指定する。教師データには、例えば損傷の種類、損傷の発生位置、および損傷の大きさを含む形状を示す損傷の教師データが含まれる。構造解析と同じようにモデル化した試験片に、加工などで損傷を再現し、取得した教師データを補完するように、構造解析による教師データを作成してもよい。ここでは、これら各種データは情報処理装置に搭載されたメモリ５２に記憶されていると想定する。

先ず、ステップＳ５１において、プロセッサ５１は、各種モデルデータをメモリ５２から読み出す。次に、ステップＳ５２において、プロセッサ５１は、境界条件、荷重条件および教師データを含むデータをメモリ５２から読み出す。その後、ステップＳ５３において、プロセッサ５１は、損傷が無い状態での構造解析を行い、保持環４３の外周面上のひずみを求める。

ステップＳ５３の次に移行するステップＳ５４において、プロセッサ５１は、損傷の教師データを選択する。次に、ステップＳ５５において、プロセッサ５１は、教師データが示す損傷が発生した状況を想定した構造解析を対応するモデルデータ毎に行い、保持環４３の外面上でのひずみ変化量をそれぞれ求める。それにより、例えば教師データが図１３に示すようなモデル化範囲Ａ１に生じる損傷を想定したものであった場合、少なくとも２つのモデルデータのそれぞれで構造解析が行われる。例えば教師データが図１１および図１２にそれぞれ示すようなモデル化範囲Ａ１およびＡ２に生じる損傷を想定したものであった場合、少なくとも２つのモデルデータのそれぞれで構造解析が行われる。このような構造解析により、一つの損傷の教師データで一つ以上の分布情報が生成されることになる。それにより、各分布情報は、教師データが示す損傷の種類、損傷位置、およびひずみ分布の変化量の間の関係を示す情報として生成される。

次に、ステップＳ５６において、プロセッサ５１は、全損傷の教師データを使用したか否かを判定する。解析に用いていない損傷の教師データが存在する場合、ステップＳ５６での判定はＮＯとなり、ステップＳ５７に移行する。全ての損傷の教師データを使用した場合、ステップＳ５６での判定はＹＥＳとなってステップＳ５８に移行する。

ステップＳ５７において、プロセッサ５１は、構造解析に用いる損傷の教師データを使用していない損傷の教師データに変更する。その後、ステップＳ５５に移行する。それにより、全ての損傷の教師データを使用するまで、ステップＳ５５～Ｓ５７で形成される処理ループが繰り返し実行される。その結果、損傷の教師データ毎、およびモデルデータ毎に、分布情報が生成されることとなる。

ステップＳ５８への移行は、生成すべき分布情報の生成が完了したことを意味する。このことから、ステップＳ５８において、プロセッサ５１は、生成した分布情報をまとめた傾向情報２２６ａを生成する。その後、この傾向情報生成処理が終了する。なお、生成された傾向情報２２６ａは、メモリ５２に保存してもよいが、指定された保存先に出力するようにしてもよい。保存先は、記録媒体であってもよく、通信ネットワークを介して送信可能な別の情報処理装置であってもよい。その情報処理装置は、検査装置２２０であってもよい。

上記のように、本実施の形態では、傾向情報２２６ａを検査装置２２０とは別の情報処理装置３００に生成させているが、検査装置２２０に傾向情報２２６ａを生成させてもよい。このようなこともあり、傾向情報２２６ａを生成させる情報処理装置は、特に限定されない。

次に、検査装置２２０が実行する処理について、図１６～図２０に示すフローチャートを参照して具体的に説明する。

検査装置２２０の図１０に示す構成要素は、電子回路等のハードウェアで実現されてもよい。そのハードウェアは、プログラムを実行可能なものであってもよい。プログラムを実行可能なハードウェアの構成例としては、図２１に示すように、プログラムが実行可能な処理装置であるプロセッサ５１、およびそのプログラムの実行に必要なメモリ５２を備えたものが考えられる。この例では、画像データ記憶部２２３および傾向情報記憶部２２６は、メモリ５２に相当し、他の構成要素は、メモリ５２を用いてプログラムを実行するプロセッサ５１により実現される。他の構成要素とは、具体的には、撮像制御部２２１、画像データ取得部２２２、ひずみ変化情報生成部２２５、損傷位置推定部２２８、損傷規模推定部２２９および運転条件決定部２３１である。ここでは、便宜的に、処理を実行する主体としてプロセッサ５１を想定し、説明を行うこととする。メモリ５２は、画像データ記憶部２２３および傾向情報記憶部２２６を指す意味で用いる。

図１６は、検査装置によって実現される全体的な処理の例を示すフローチャートである。始めに図１６を参照し、この全体的な処理について詳細に説明する。

先ず、ステップＳ１において、プロセッサ５１は、初期画像データを取得するための制御を行い、その制御によって撮像装置２１０ａ、２１０ｂから送信される画像データを初期画像データとしてメモリ５２に保存する。このステップＳ１の処理の実行により、撮像制御部２２１および画像データ取得部２２２が実現される。なお、ステップＳ１の処理は、例えば作業者が図示しない操作部等を操作して、初期画像データの取得を指示することにより実行される。

ステップＳ１に続くステップＳ２～Ｓ４は、予め定められた設定により、自動的に実行される処理である。回転電機１００の運転を開始した後は、ステップＳ２～Ｓ４の処理の実行により、回転子４に発生する損傷に対応するための検査が自動的に行われることとなる。

ステップＳ２では、プロセッサ５１は、検査時期が到来したか否かを判定する。検査時期の到来判定用に設定された条件が満たされたような場合、ステップＳ２の判定はＹＥＳとなってステップＳ３に移行する。その条件が満たされていないような場合、ステップＳ２の判定はＮＯとなり、ステップＳ２に戻る。それにより、検査を行ってから次の検査時期が到来するまでの間、検査は行われない。

ステップＳ３では、プロセッサ５１は、検査画像データを取得するための制御を行い、その制御によって撮像装置２１０ａ、２１０ｂから送信される画像データを検査画像データとしてメモリ５２に保存する。このステップＳ３の処理の実行によっても、撮像制御部２２１および画像データ取得部２２２が実現される。

ステップＳ４では、プロセッサ５１は、メモリ５２に保存された初期画像データおよび今回、取得された検査画像データを用いて損傷の発生の有無を推定するためのひずみ分析処理を実行する。このひずみ分析処理の実行後、上記ステップＳ２に戻る。

図１６において、ステップＳ３、Ｓ４の処理の実行は、本実施の形態における狭義の第２ステップの実行に相当する。ひずみ変化情報の生成には、初期画像データが必要なことから、広義の第２ステップの実行には、ステップＳ１の処理も含まれる。ステップＳ４の処理の実行は、本実施の形態における第３ステップの実行に相当する。

図１７および図１８は、ステップＳ４として実行されるひずみ分析処理の例を示すフローチャートである。次に図１７および図１８を参照し、ひずみ分析処理について詳細に説明する。ひずみ変化情報生成部２２５、損傷位置推定部２２８、損傷規模推定部２２９および運転条件決定部２３１は、このひずみ分析処理の実行により実現される。

ステップＳ１１において、プロセッサ５１は、メモリ５２にアクセスして、初期画像データおよび今回、取得された検査画像データを読み出し、ひずみ変化情報を生成する。このひずみ変化情報は、上記のように、デジタル画像相関法により計測対象部におけるひずみの分布の変化を示す情報であり、計測対象部毎に生成される。ステップＳ１１の処理の実行により、ひずみ変化情報生成部２２５が実現される。

次にステップＳ１２において、プロセッサ５１は、生成したひずみ変化情報に基づいて、計測対象部におけるひずみの分布が初期期間から規定値以上に変化しているか否かを判定する。生成されたひずみ変化情報において、表されるいずれかの部分の変位量が規定値以上となっているひずみ変化情報が存在する場合、ステップＳ１２の判定はＹＥＳとなってステップＳ１３に移行する。そのようなひずみ変化情報が存在しない場合、ステップＳ１２の判定はＮＯとなり、ここでひずみ分析処理が終了する。なお、ステップＳ１２でのＹＥＳの判定は、いずれかの計測対象部に影響を及ぼす損傷が発生していると推定したことを意味する。それにより、ステップＳ１２の判定処理は、損傷の発生の有無を推定することに相当する。

上記のように、傾向情報２２６ａには、第１～第５の分布情報が含まれる。第１～第５の分布情報は、損傷を想定する部品、或いはその部品の位置が違いに異なる。このことから、ステップＳ１３～Ｓ２７では、いずれかの部分の変位量が規定値以上となっているひずみ変化情報に対応する計測対象部毎に、その計測対象部に規定値以上の変位量を発生させた損傷の規模、および損傷位置の推定が行われる。以下、いずれかの部分の変位量が規定値以上となっているひずみ変化情報は、対象ひずみ変化情報と呼ぶ。対象ひずみ変化情報は、一つ以上である。規定値は、計測対象部別に設定される。損傷位置推定部２２８および損傷規模推定部２２９は、ステップＳ１３～Ｓ２７の処理の実行により実現される。ステップＳ１２の判定処理は、例えば損傷位置推定部２２８の一部の機能を実現させる。

ステップＳ１３において、プロセッサ５１は、対象ひずみ変化情報に対応する計測対象部のうちに、保持環４３のコア側端部４３１に位置している計測対象部が存在するか否かを判定する。コア側端部４３１に位置している計測対象部が存在する場合、ステップＳ１３の判定はＹＥＳとなってステップＳ１４に移行する。そのような計測対象部が存在しない場合、ステップＳ１３の判定はＮＯとなって図１８のステップＳ１９に移行する。

ステップＳ１４では、プロセッサ５１は、対象ひずみ変化情報が表すひずみの分布と類似するひずみの分布を表す第１の分布情報が存在するか否かを判定する。ひずみの分布が対象ひずみ変化情報と類似する第１の分布情報が存在する場合、ステップＳ１４の判定はＹＥＳとなってステップＳ１５に移行する。そのような第１の分布情報が存在しない場合、ステップＳ１４の判定はＮＯとなってステップ１７に移行する。

ステップＳ１４での類似性の判定は、より具体的には、例えば第１の分布情報毎に、第１の分布情報と対象ひずみ変化情報との間のひずみの分布の一致度を算出し、算出した一致度のうちに、予め定めたしきい値より大きい一致度が存在するか否かにより行えばよい。一致度の算出方法は、特に限定されないが、最小二乗法、正則化最小二乗法等を用いてもよい。最小二乗法、正則化最小二乗法等を用いて一致度を算出する場合、しきい値以下の一致度が算出されることにより、類似している第１の分布情報が存在すると判定すればよい。

ステップＳ１５、Ｓ１６では、プロセッサ５１は、第１の分布情報のうちで参照すべき第１の分布情報を抽出し、抽出した第１の分布情報を用いて、保持環４３のコア側端部４３１に発生した損傷の位置、および損傷規模を推定する。その推定が終了した後は図１８のステップＳ１９に移行する。

ステップＳ１７への移行は、回転子コア４２の取付部４２５に損傷が発生していると推定されることを意味する。このことから、ステップＳ１７、Ｓ１８では、プロセッサ５１は、第４の分布情報のうちで参照すべき第４の分布情報を抽出し、抽出した第４の分布情報を用いて、取付部４２５に発生した損傷の位置、および損傷規模を推定する。その推定が終了した後は図１８のステップＳ１９に移行する。ここで推定される損傷の位置は、何れかの磁極部４２１或いは何れかの抜け止め部４２４の位置である。

ステップＳ１９において、プロセッサ５１は、対象ひずみ変化情報に対応する計測対象部のうちに、保持環４３のプレート側端部４３２に位置している計測対象部が存在するか否かを判定する。プレート側端部４３２に位置している計測対象部が存在する場合、ステップＳ１９の判定はＹＥＳとなってステップＳ２０に移行する。そのような計測対象部が存在しない場合、ステップＳ１９の判定はＮＯとなってステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２０では、プロセッサ５１は、対象ひずみ変化情報が表すひずみの分布と類似するひずみの分布を表す第２の分布情報が存在するか否かを判定する。ひずみの分布が対象ひずみ変化情報と類似する第２の分布情報が存在する場合、ステップＳ２０の判定はＹＥＳとなってステップＳ２１に移行する。そのような第２の分布情報が存在しない場合、ステップＳ２０の判定はＮＯとなってステップ２３に移行する。なお、ステップＳ２０での類似性の判定は、上記ステップＳ１４と同様に行えばよい。

ステップＳ２１、Ｓ２２では、プロセッサ５１は、第２の分布情報のうちで参照すべき第２の分布情報を抽出し、抽出した第２の分布情報を用いて、保持環４３のプレート側端部４３２に発生した損傷の位置、および損傷規模を推定する。その推定が終了した後はステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２３への移行は、保持環４３のプレート側端部４３２ではなく、エンドプレート９に損傷が発生していると推定されることを意味する。このことから、ステップＳ２３、Ｓ２４では、プロセッサ５１は、第５の分布情報のうちで参照すべき第５の分布情報を抽出し、抽出した第５の分布情報を用いて、エンドプレート９に発生した損傷の位置、および損傷規模を推定する。その推定が終了した後はステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２５において、プロセッサ５１は、対象ひずみ変化情報に対応する計測対象部のうちに、保持環４３の中間部に位置している計測対象部が存在するか否かを判定する。保持環４３の中間部に位置している計測対象部が存在する場合、ステップＳ２５の判定はＹＥＳとなってステップＳ２６に移行する。そのような計測対象部が存在しない場合、ステップＳ２５の判定はＮＯとなってステップＳ２８に移行する。なお、ステップＳ２５でのＮＯの判定は、対象ひずみ変化情報が全て処理されたことを意味する。

ステップＳ２６、Ｓ２７では、プロセッサ５１は、第３の分布情報のうちで参照すべき第３の分布情報を抽出し、抽出した第３の分布情報を用いて、保持環４３の中間部に発生した損傷の位置、および損傷規模を推定する。その推定が終了した後はステップＳ２８に移行する。

ステップＳ２８において、プロセッサ５１は、推定された損傷位置および損傷規模に基づいて、材料特性および破壊力学に基づく公知の方法により、適正な運転条件を決定する。プロセッサ５１は、決定した運転条件を表示装置２４０に表示させる。これにより、作業者は、表示装置２４０の表示に基づいて、回転子４の回転速度を適正速度に調整する、回転電機１００の運転を停止すべき時期、つまりメンテナンスを行うべき時期を検討する、といった対応をとることができる。その結果、回転電機１００の長寿命化もより容易に実現できるようになる。

図１９は、損傷推定処理の例を示すフローチャートである。ステップＳ１５、Ｓ１６の処理、ステップＳ１７、Ｓ１８の処理、ステップＳ２１、Ｓ２２の処理、ステップＳ２３、Ｓ２４の処理、およびステップＳ２６、Ｓ２７の処理は、実際には、この損傷推定処理として実行される。次に図１９を参照して、損傷推定処理について詳細に説明する。

まず、ステップＳ３１において、プロセッサ５１は、対応する分布情報を傾向情報２２６ａ中から取得する。対応する分布情報とは、実行する状況によって変化する。例えばステップＳ１７、Ｓ１８として実行される場合、対応する分布情報は第１の分布情報となる。

次にステップＳ３２において、プロセッサ５１は、取得した分布情報を用いて、損傷が発生した位置および損傷規模を推定する損傷状況推定処理を実行する。損傷状況推定処理の実行後はステップＳ３３に移行する。

損傷状況推定処理は、対象ひずみ変化状況のうち、取得した分布情報が想定する位置に対応する対象ひずみ変化情報毎に実行する必要がある。このことから、ステップＳ３３において、プロセッサ５１は、他に処理すべき対象ひずみ変化情報があるか否かを判定する。処理すべき対象ひずみ変化情報が存在する場合、ステップＳ３３の判定はＹＥＳとなってステップＳ３２に戻る。それにより、処理すべき対象ひずみ変化情報毎に、損傷が発生した位置および損傷規模の推定が行われる。一方、処理すべき対象ひずみ変化情報が存在しない場合、ステップＳ３３の判定はＮＯとなり、ここで損傷推定処理が終了する。

図２０は、ステップＳ３２として実行される損傷状況推定処理の例を示すフローチャートである。次に図２０を参照し、損傷状況推定処理について詳細に説明する。上記のように、損傷状況推定処理で参照される分布情報は、損傷推定処理中のステップＳ３１で取得された分布情報である。参照される対象ひずみ変化情報は、損傷状況推定処理の実行時に選択されていた対象ひずみ変化情報である。

先ず、ステップＳ４１において、プロセッサ５１は、ステップＳ３１で取得済みの分布情報のうちから、ひずみ分布が対象ひずみ変化情報と最も近い分布情報を抽出する。

次にステップＳ４２において、プロセッサ５１は、抽出した分布情報とひずみ変化情報が全ての傾向情報２２６ａのうちで最も近くなるものを選択するか、または、ひずみ変化情報と近い複数の傾向情報２２６ａを内挿して別の傾向情報を一時的に生成することで、対象ひずみ変化情報が表すひずみ分布を発生させた損傷の位置、および損傷の規模を推定する。その後に移行するステップＳ４３では、プロセッサ５１は、推定結果を例えばメモリ５２に保存する。推定結果を保存した後、損傷状況推定処理が終了する。

なお、本実施の形態では、保持環４３と回転子コア４２とが焼嵌めにより互いに接合されるが、溶接等の他の方法で保持環４３と回転子コア４２とを接合させてもよい。同様に、保持環４３とエンドプレート９との接合も、溶接等の他の方法で行ってもよい。接合に溶接を用いたとしても、残留応力が生じることから、保持環４３に計測対象部を設定するのが望ましい。

デジタル画像相関法によりひずみ分布の変化を求める場合は、初期画像データは、回転電機１００の運転開始後に最初に取得される画像データとしてもよい。メンテナンスの実施後の保持環４３は、適切な状態であると想定し、メンテナンス実施後に、初期画像データを取得するようにしてもよい。その初期画像データは、デフォルトとして用意された画像データであってもよい。

デジタル画像相関法によりひずみ分布の変化を求める場合は、回転子４が低速回転されている状況で撮像を行うようになっている。しかし、撮像は、回転子４が停止した状態に行えるようにしてもよい。つまり、駆動機構２１１ａ、２１１ｂは、撮像装置２１０ａ、２１０ｂを周方向上、移動できるものであってもよい。撮像は、回転子４が高速回転している状況時に行うようにしてもよい。その場合、回転子４の高速回転時におけるひずみの分布の変化に基づく損傷の推定を行うことができる。また、撮像装置は、保持環４３ａ、４３ｂのそれぞれの撮像用に複数、設置してもよい。そのように撮像装置を設置した場合、画像データを送信する撮像装置により、参照すべき分布情報を特定するか、或いは対象となる分布情報の範囲をより狭めることができる。

本実施の形態では、傾向情報２２６ａに第１～第５の分布情報が含まれる。傾向情報２２６ａに、第１～第５の分布情報の全てを含めなくともよい。つまり例えば保持環４３のコア側端部４３１、或いはプレート側端部４３２にのみ計測対象部を設定し、損傷の推定を行うようにしてもよい。損傷が発生し易い位置が予め判明しているような場合、損傷の発生を推定する範囲を狭めても、高い検査精度を維持させることができる。検査に要する計算量は、より低減させることができる。

本実施の形態では、損傷が発生していると推定した場合、損傷位置、および損傷規模を併せて推定するようにしている。損傷位置、および損傷規模は、推定しないようにしてもよい。これは、損傷の発生が推定される旨を作業員に通知するだけであっても、回転電機１００の適切な運転を作業員が行うのを支援できるからである。併せて推定する内容は、損傷位置、および損傷規模のうちの一方のみとしてもよい。

また、本実施の形態では、検査装置２２０は、撮像装置２１０ａ、２１０ｂの制御を行っている。検査装置２２０は、撮像装置２１０のような撮像装置の制御を行わないものであってもよい。つまり例えば検査装置２２０は、単に撮像装置の撮像により得られた画像データを用いて、損傷の推定を行うものであってもよい。その場合、検査装置２２０は、例えば通信ネットワークを介して送信される画像データを受信し、損傷の推定を行うものであってもよい。そのような通信ネットワークに接続させた場合、検査装置２２０に複数台の回転電機１００の検査を行わせることもできる。

１ フレーム、３ 固定子、４ 回転子、９ エンドプレート、４１ 回転軸、４２ 回転子コア、４３ａ，４３ｂ 保持環、４４Ａ，４４Ｂ 回転子巻線、１００ 回転電機、２００ 検査システム、２１０ａ，２１０ｂ 撮像装置、２１１ａ，２１１ｂ 駆動機構、２２０ 検査装置、２２１ 撮像制御部、２２２ 画像データ取得部、２２３ 画像データ記憶部、２２５ ひずみ変化情報生成部（計測部）、２２６ 傾向情報記憶部、２２６ａ 傾向情報、２２８ 損傷位置推定部（損傷推定部）、２２９ 損傷規模推定部（損傷推定部）、２３１ 運転条件決定部（時間推定部および速度推定部）、２４０ 表示装置、３００ 情報処理装置、４２１ 磁極部、４２２ エアパス部、４２３ スロット、４２４ 抜け止め部、４３１ コア側端部、４３１ａ 端面、４３２ プレート側端部。

Claims (15)

1. 回転電機が有する回転子の検査すべき範囲である検査対象部に生じる損傷の位置、及び前記損傷の規模と、前記回転子の外面に設定される計測対象部に生じる変形量との間の関係を示す傾向情報を記憶した記憶部と、
   前記計測対象部に生じた前記変形量を計測する計測部と、
   前記傾向情報、及び前記計測部が計測した前記計測対象部の前記変形量を基に、前記計測対象部に生じた前記損傷の前記位置、及び前記規模を推定する損傷推定部と、
   を備える回転電機の検査装置。
2. 前記検査対象部には、回転子コアに挿入されている回転子巻線の状態を保持するための保持環が含まれ、前記保持環の外面の少なくとも一部は、前記計測対象部として設定される、
   請求項１に記載の回転電機の検査装置。
3. 前記検査対象部には、前記回転子コアに前記保持環用に形成された取付部が更に含まれる、
   請求項２に記載の回転電機の検査装置。
4. 前記保持環の外面に設定される前記計測対象部は、前記回転子コアの軸方向上、前記取付部が存在する範囲を含む、
   請求項３に記載の回転電機の検査装置。
5. 前記保持環の外面に設定される前記計測対象部は、前記回転子コアの軸方向上、前記回転子コアに溝状に形成されたエアパス部が存在する範囲を含む、
   請求項３または４に記載の回転電機の検査装置。
6. 前記保持環の外面に設定される前記計測対象部は、前記回転子コアの軸方向上、前記回転子巻線の挿入用に前記回転子コアに形成されたスロットが存在する範囲を含む、
   請求項３～５の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
7. 前記保持環の外面に設定される前記計測対象部は、前記回転子コアの軸方向上、前記保持環が取り付けられるエンドプレートが存在する範囲を含む、
   請求項３～６の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
8. 前記エンドプレートは、前記検査対象部に含まれる、
   請求項７に記載の回転電機の検査装置。
9. 前記損傷には、き裂が含まれる、
   請求項１～８の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
10. 前記計測部が計測した前記計測対象部の前記変形量を基に、前記回転電機の運転が継続可能な時間を推定する時間推定部、
    を更に備える請求項１～９の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
11. 前記計測部が計測した前記計測対象部の前記変形量を基に、前記回転子の上限とすべき回転速度を推定する速度推定部、
    を更に備える請求項１～１０の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
12. 前記計測部は、前記回転電機が製造されてから前記回転電機の運転が開始される前までの期間である初期期間に撮像装置によって前記計測対象部を撮像することにより取得された初期画像データと、検査時期に前記撮像装置によって前記計測対象部を撮像することにより取得された検査画像データとに基づいて前記変形量を求める
    請求項１～１１の何れか１項に記載の回転電機の検査装置。
13. 請求項１～１１の何れか１項に記載の回転電機の検査装置と、
    前記計測対象部を撮像する撮像装置と、
    前記検査装置にて推定された記計測対象部に生じた前記損傷の前記位置、及び前記規模を表示する表示装置と
    を備え、
    前記計測部は、前記回転電機が製造されてから前記回転電機の運転が開始される前までの期間である初期期間に前記撮像装置によって前記計測対象部を撮像することにより取得された初期画像データと、検査時期に前記撮像装置によって前記計測対象部を撮像することにより取得された検査画像データとに基づいて前記変形量を求めることを特徴とする検査システム。
14. 回転電機が有する回転子の検査すべき範囲である検査対象部に生じる損傷の位置、及び前記損傷の規模と、前記回転子の外面に設定される計測対象部に生じる変形量との間の関係を示す傾向情報を生成する第１ステップと、
    前記計測対象部に生じた前記変形量を計測する第２ステップと、
    前記傾向情報、及び前記第２ステップで計測した前記計測対象部の前記変形量を基に、前記計測対象部に影響する前記損傷の発生の有無を推定する第３ステップと、
    を含む回転電機の検査方法。
15. 前記第３ステップで推定された前記計測対象部に影響する前記損傷の発生の有無を表示装置に表示するステップを更に含み、
    前記第２ステップは、前記回転電機が製造されてから前記回転電機の運転が開始される前までの期間である初期期間に前記計測対象部を撮像することにより取得された初期画像データと、検査時期に前記計測対象部を撮像することにより取得された検査画像データとに基づいて前記変形量を求める
    請求項１４に記載の回転電機の検査方法。

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