JPS5854580B2 - カイテンデンキウンテンカンシソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転電機運転監視装置に係り、電動機や発電
機等の回転電機の機械的異常運転および電気的異常運転
の監視を行うものに関する。

従来、回転電機の機械的異状運転の検出、保護装置とし
ては種々のものがあるが、いずれも検出部の設置に当っ
て複雑高度な機械加工或いは組立技術が要求され、かつ
、従来のもののうちには遠方監視が不可能なものがある
とともに、検出部が一度動作したら再使用不可能となる
など実際工業上の利用においては多くの問題があった。

本発明の目的は、軸受摩耗或いは製作不良による回転子
の偏心運転および振れ回り運転等の機械的異常、欠相お
よび過負荷運転並びに固定子主捲線のレアショートや回
転子導体不良等の電気的異常が発生した際にこれを検出
することにある。

この目的に対し、本発明は、固定子鉄心に設けられた２
個の検出コイル中に発生する基本波電圧を互いに打消し
、高調波電圧の瞬時値合成値、この場合半径方向空隙型
回転電機にあっては高調波電圧の位相差を伴わない差、
また軸方向空隙型回転電機にあっては高調波電圧の位相
差を伴わない和を検出すること、すなわち空隙変化を高
調波電圧の瞬時値の変化で検出することをその検出原理
とするものである。

このため、本発明は、上記条件を満すつぎの構成要件を
具備するものである。

第１に、各検出コイル中に発生する基本波電圧を互いに
打消すためにそれぞれの検出コイルを固定子鉄心に極ピ
ッチまたはその整数倍離して設け、それぞれの検出コイ
ルを直列に接続する。

第２に、各検出コイル中に発生する回転子溝数によって
決定される周波数をもつ高調波電圧の瞬時値合成値を検
出するため前記基本波電圧を互いに打消すように各検出
コイルに直列に接続すれば各検出コイルに対向する回転
子溝の関係位置により互いの位相差が決定される高調波
電圧の位相差を伴わない差、または和が検出されるよう
に半径方向空隙型回転電機においては、略同相、軸方向
空隙型回転電機においては、略逆相となり、それ以外の
位相差とならないように、回転子鉄心の回転子溝数を検
出コイルとの関係において半径方向空隙型回転電機の場
合その関係位置が同じくなるように回転子溝数を定め、
また軸方向空隙型回転電機の場合その関係位置が回転子
溝の溝ピッチで０．５異なるように回転子溝数を定める
。

つぎに、本発明の一実施例を図面について説明する。

第１図および第２図において、１は本体フレームで、こ
の本体フレーム１内に固定子鉄心２が設けられ、この固
定子鉄心２に固定子溝３が複数個設けられ、これらの固
定子溝３の中に固定子捲線４が装着されている。

また、前記本体フレーム１に両側の軸受５を介して回転
軸６が支架され、この回電軸６に前記固定子鉄心２に対
向したかご型回転子鉄心７が取付けられ、この回転子鉄
心７０周縁部に回転子溝１５が複数個設けられ、これら
の回転子溝１５の中に回転子導体８が装着されている。

そして、前記固定子溝３に２個の検出コイル９゜１０が
設けられ、図示実施例では回転軸６に対して対称的位置
に固定子鉄心２の歯部１個所を囲んでそれぞれ捲回され
ている。

そして、第３図に示すように、上記検出コイル９．１０
を直列に接続して検出部１１を構成し、その出力端を電
気計器電圧計からなる指示装置１２に接続しするととも
に必要に応じて警報装置１３および保護遮断装置１４に
接続する。

この警報装置１３および保護遮断装置１４は、従来周知
の整流回路１６、比較回路１７およびリレー１８を介し
て接続されており、検出部１１からの出力電圧がある設
定値以上となったときに動作する。

このような構成において、いま電源を投入して回転子鉄
心７を回転すると、両方の検出コイル９゜１０に磁束が
鎖交し、両方の検出コイル９．１０に電圧が誘起される
。

第４図は一方の検出コイル９に誘起せる電圧波形を示し
、第５図は他方の検出コイル１０に誘起せる電圧波形を
示す。

これらはいずれも軸受５が正常の場合であって、その電
圧波形は電源周波数に同期した基本波電圧に回転子溝１
５の影響による高調波電圧が重畳された状態となってい
る。

本発明の装置の検出原理の基本はこれら両方の検出コイ
ルに誘起せる電圧波形を第１図および第２図に示す半径
方向空隙型回転電機では基本波電圧は同相、同波高値と
し、高調波電圧も同相、同波高値とし、また、図示しな
い扁平回転機すなわちスラスト軸受を持つ軸方向空隙型
回転電機では基本波電圧は同相、同波高値としであるが
、高調波電圧は１８００の位相差を有せしめて同波電値
にすることにある。

基本波電圧を同相、同波高値にするには２個の検出コイ
ルの間隔が固定子溝ピッチで丁度極ピッチまたはその整
数倍に等しく、両方の検出コイルの形状、振数が同じで
あればよい。

さらに、高調波電圧を同相、同波高値にするには両方の
検出コイルがそれぞれ磁気空隙を隔てて対向する回転子
溝との関係位置が同じであればよい。

具体的には固定子溝の数をＮ８ とし、回転子溝の数を
丙として次式を満足するようにＮ８を決定すればよい。

ここで、τ８ ；固定子溝の極ピッチ（単位はスロット
数） ｎ；１以上の任意の数 ｍ ； ＮＢが整数となるようにえらば れる１以上の整数 ｎτ８：２個の検出コイルの間隔ピッチ Ｐ；極数 である。

また、高調波電圧の位相差を１８０°有せしめるために
は両方の検出コイルとそれぞれ磁気空隙を隔てて対向す
る回転子溝との関係位置が回転子の溝ピッチで０．５異
なればよく、次式を満足するようにへを決定すればよい
。

第６図および第７図は図示していない軸方向空隙型回転
電機の場合の高調波電圧のみが１８０゜の位相量を有し
ている状態を示している。

両方の検出コイルは基本波電圧が互いに打消されるよう
に直列に接続されるので、半径方向空隙型回転電機にあ
っては両端の発生電圧は軸受正常の場合は両方の検出コ
イルに対向する回転子溝の関係位置が同じであれば高調
波電圧に位相差が生ぜず、第４図から第５図を差引いた
第８図のように殆んど零に近い値となる。

一方、軸方向空隙型回転電機にあっては両方の検出コイ
ルに対向する回転子溝の関係位置が回転子の溝ピッチで
０．５異なれば高調波は丁度逆相となり、第６図から第
７図を引いた第９図のように高調波電圧のみの和となっ
てあられれてくる。

つまり、両方の検出コイルに誘起される基本波電圧をと
もに（Ｖｏ）とすると、両方の検出コイルに誘起される
電圧（ｖｌ）（ｖ２）はこの基本波電圧（ｖｏ）に回転
子溝数によって決定される周波数をもつ高調波電圧（ｖ
Ｈｌ）（ＶＨ２）を重畳したものであるから、 となる。

そして、この基本波電圧（ｖｏ）を互いに打消すように
直列に接続した検出コイルの出力電圧（Ｖｔ）は、 となる。

半径方向空隙型回転電機の場合、高調波電圧（ｖ）（Ｖ
Ｈ□）は同相の略同量であり、と１ れを（ＶＨｏ）とおくと、その出力電圧（Ｖｔ）は、ｖ
ｌ＝ＶＨ１−ｖＨ２中Ｖ、。

−Ｖ、。ヰ０−■−＜５）となる。

また、軸方向空隙型回転電機の場合、高調波電圧（ｖＨ
ｌ）（ＶＨ２）は逆相で略同量であり、これを（ＶＨｏ
）（−ＶＨｏ）とおくと、その出力電圧（Ｖｔ）は、 となる。

したがって、第８図および第９図のような波形が得られ
る。

ここで、半径方向空隙型回転電機が運転中ラジアル軸受
摩耗が生ずると、回転子は偏心振れ回り運転を始めてこ
のときの波形は第４図が第１０図に、第５図が第１１図
のように変化し、また、軸方向空隙型回転電機の場合で
スラスト軸受が摩耗した場合、第６図が第１２図のよう
に波高値が増大する。

第７図も同じように波高値が増大する。結局、軸受摩耗
により両方の検出コイルを直列に接続した検出端には第
８図の状態から第１３図の状態に、第９図の状態から第
１４図の状態のようにいずれも発生電圧が増大してあら
れれる。

このように増大する理由は半径方向空隙型回転電機の場
合、ラジアル軸受摩耗により一方の検出コイルに回転子
が正常値より近付いた状態にあれば他方の検出コイルか
らは回転子が正常値より遠のく状態になるため、その差
電圧が増大し、軸方向空隙型回転電機の場合には推力軸
受摩耗により両方の検出コイルに対して回転子が接近す
るので、両方の検出コイルの差をとれば増大した高調波
電圧同志がプラスされて増大するのである。

例えば、半径方向空隙型回転電機の場合、前記式（５）
から回転子の偏心による高調波電圧（ＶＨｌ）（ＶＨ２
）ノミ圧変化分ヲ（ＪｖＩ（１）（ＡＶＨ２）すなわち
（ｌｖＨｌ）は高調波電圧の絶対値を増す方向、（ＡＶ
Ｈ２）はそれを減する方向の電圧変化分とすると、出力
電圧（ｖｔ）は、 となり、両方の検出コイルに誘起される高調波電圧の変
化分の和（ＡＶＨ１＋ＡＶＨ２）すなわち高調波電圧の
差（ｖＨｌ−ＶＨ２）が第１３図の如く検出される。

まだ、軸方向空隙型回転電機の場合、前記式（６）から
軸受摩耗により高調波電圧の電圧変化分は両方の検出コ
イルにおいて同量変化するため、その出力電圧は高調波
電圧の和となって第１４図の如く検出される。

したがって、検出コイル９，１０を直列に接続してこれ
を検出部１１に接続した指示装置１２としての電圧計で
あられせばその指示値つまり指針の振れから現在運転中
の軸受摩耗量を常時連続的に検出することが可能となる
。

つぎに、実験結果を第１５図および第１６図に示す。

第１５図は第１図および第２図に示す半径方向空隙回転
電機である三相誘導電動機のラジアル軸受摩耗に対して
行った結果であり、第８図から第１３図への変化過程を
示したものであり、また第１６図は軸方向空隙型回転電
機である三相誘導電動機のスラスト軸受摩耗に対して行
った結果であり、第９図から第１４図への変化過程を示
したものである。

これらの図において横軸は軸受摩耗量が、縦軸は両方の
検出コイルの直列検出端に発生する電圧値が示している
。

以上が軸受摩耗による偏心運転の場合であるが、半径方
向空隙型回転電機においては、このほか振れ回り運転を
も検出することが可能である。

これは、振れ回り運転があると、２個の検出コイルに対
応する空隙が互いに１８０°の位相差で振れ回りの周期
に応じて変化し、この周期と共に両高調波電圧の瞬時値
に大小関係が生じる結果、空隙の変化を高調波電圧の差
として検出することができる。

更に、回転子の導体不良についても、回転子の回転によ
って不良導体部分が半回転毎に２個の検出コイルに交互
に対応し、両高調波電圧を半回転毎に交互に変化させる
ので、前記振れ回り運転と同様に検出できる。

つぎに、電気的異状運転の検知能力について実験した結
果を第１７図に示す。

横軸に負荷電流をとり、縦軸に検出端電圧値をとり、正
常運転時が○印で示されている。

負荷電流に対応してＲ相欠相の場合Ｘ印で、Ｓ相欠相の
場合Δ印で、Ｔ相欠相の場合を目印で示す。

回転電機は第１５図の実験に使用したのと同じ電動機を
使用し、検出コイルもそのまま使用している。

第１７図は軸受が正常状態の場合の性能を示しており、
この性能から明らかなように回転電機の過負荷、欠相運
転の検知能力は十分であるといえる。

ここで、欠相運転やレアショートが生じた場合には、高
調波電圧の変化は許容範囲内の空隙変化による高調波電
圧の変化程度にしかならず、この高調波電圧による検出
は実際上不可能であるが、基本波電圧に不平衡が生じて
その差が検出電圧として現われることによって、欠相運
転やレアショートの検出が可能となる。

例えば、半径方向空隙型回転電機において、指示装置１
２である電圧計の指針が６０ ｍＶまで振れた場合は軸
受摩耗がなく負荷電流が７Ａで運転されている状態であ
る。

次に、前記指針が７０ｍＶまで振れた場合は、軸受摩耗
がわずかに進行したか、または負荷電流が何らかの原因
で９Ａと増大した場合である。

さらに、前記指針が１２０ ｍＶから１５０ｍＶまで振
れた場合は、軸受摩耗が進行し摩耗量が０．２５ ｍｍ
から０．４ ｍｍとなったか、または欠相運転が行なわ
れているかのいずれかである。

つまり、検出部１１からの出力が６０ ｍＶ以下であれ
ば軸受摩耗もなく電気的にも正常運転状態であるが、こ
れを越えると回転電機の運転に支障をきたすような異常
、例えば軸受摩耗、回転子の偏心運転、振れ回り運転、
電源の欠相、過負荷運転、固定子主捲線のレアショート
および回転子導体不良が発生したのであるから、これを
整流回路１６を介し比較回路１７にて検出し、リレー１
８を動作させ警報装置１３および保護遮断装置１４を駆
動し警報を発するとともに回転電機への通電を遮断し運
転を停止する。

このように、本運転監視装置では回転電機が正常運転を
行なっているか異常運転となっているかのみを検知する
ものであり、異常運転の種類については、回転電機の運
転停止後順次適宜試験を行なって確認すればよい。

なお、正常運転、異常運転の判別値は６０ｍＶに限るも
のではなく、各回転電機に応じて適宜設定するものであ
る。

また、指示装置１２としての電圧計はその板針の振れに
より１目で正常運転か異常運転かがわかるように目盛を
色分げしておくこともできる。

本発明によれば、２個の検出コイルを固定子鉄心に極ピ
ッチまたはその整数倍離して設けることにより両方の検
出コイルに発生する基本波電圧をそれぞれ同相とし、そ
してそれぞれの検出コイルを直列に接続することにより
基本波電圧を互いに相殺したので、空隙の変化を高調波
電圧の変化分のみにて検出できる。

しかも、半径方向空隙型回転電機の場合、回転子鉄心の
回転子溝数を検出コイルとの関係が同じくなるように定
めであるので、両方の検出コイルに発生する高調波電圧
は略同相となり、両方の検出コイルの出力端では高調波
電圧の差、換言すれば高調波電圧の変化分の和のみが検
出されることになり、また軸方向空隙型回転電機の場合
、回転子鉄心の回転子溝数を検出コイルとの関係位置か
回転子溝ピッチで０．５異なるように定めであるので、
両方の検出コイルに発生する高調波電圧は略逆相となり
１両方の検出コイルの出力端では高調波電圧の和が検出
されることになる。

つまり、空隙の変化に対して基本波電圧はさほど変化し
ないのに対して、高調波電圧は著しく変化するが、その
変化分は基本波電圧の絶対値に対して極めて小さい値で
あるため、基本波電圧を相殺して検出値にこの基本波電
圧を含ませないようにすることは検出精度の向上を意味
するものである。

このようにすることにより検出部の出力電圧は軸受摩耗
した場合正常運転時とは異なることになり、この出力電
圧により異常を検出できるものである。

また、半径方向空隙型回転電機においては、偏心運転の
ほか、振れ回り運転による場合にも検出できる。

すなわち、振れ回り運転があると、２個の検出コイルに
対応する空隙が互いに１８０°の位相差で振れ回りの周
期に応じて変化し、この周期と共に両高調波電圧の瞬時
値に大小関係が生じる結果、空隙の変化を高調波電圧の
差として検出部にて検出することができる。

このため、検出部の出力電圧が正常運転時と異なり異常
を検出できる。

更に、回転子の導体不良についても１回転子の回転によ
って不良導体部分が半回転毎に２個の検出コイルに交互
に対応し、両高調波電圧を半回転毎に交互に変化させる
ので、前記振れ回り運転と同様に検出できる。

また、欠相運転やレアショートが生じた場合には、高調
波電圧の変化は許容範囲内の空隙変化による高調波電圧
の変化程度にしかならず、この高調波電圧による検出は
実際上不可能であるが、基本波電圧に不平衡が生じてそ
の差が検出電圧として現われるため、検出部の出力電圧
が正常運転時とは異なり、これにより欠相運転、レアシ
ョートの発生という異常が検出可能となる。

このほか、検出部は固定子鉄心内に設けられた２個の検
出コイルをそれぞれ直列に接続して構成できるため、加
工および組立が容易であり、かつ安価にして堅牢である
利点を備える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の誘導電動機の断面図、第２
図は第１図■−■部の断面図、第３図は本発明の装置の
ブロック図、第４図ないし第１４図は本発明の装置の検
出コイル発生電圧波形図、第１５図ないし第１７図は本
発明の装置の実験性能曲線図である。 ２・・・固定子鉄心、γ・・・回転子鉄心、９．１０・
・・検出コイル、１１・・・検出部、１５・・・回転子
溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転電機の固定子鉄心に極ピッチまたはその整数倍
   離して２個の検出コイルを設け、この両方の検出コイル
   と空隙を隔ててそれぞれ対向する回転子鉄心の回転子溝
   との関係位置が同じくなるように該回転子溝の数を定め
   、前記両方の検出コイル中に発生する基本波電圧が互い
   に打消されかつ回転子溝数によって決定される周波数を
   もつ高調波電圧の瞬時値の差が検出されるように前記両
   方の検出コイルを直列に接続して検出部を構成したこと
   を特徴とする半径方向空隙型回転電機運転監視装置。 ２ 回転電機の固定子鉄心に極ピッチまたはその整数倍
   離して２個の検出コイルを設け、この両方の検出コイル
   と空隙を隔ててそれぞれ対向する回転子鉄心の回転子溝
   との関係位置が該回転子溝の溝ピッチで０．５異なるよ
   うに該回転子溝の数を定め、前記両方の検出コイル中に
   発生する基本波電圧が互いに打消されかつ回転子溝数に
   よって決定される周波数をもつ高調波電圧の瞬時値の和
   が検出されるように前記両方の検出コイルを直列に接続
   して検出部を構成したことを特徴とする軸方向空隙型回
   転電機運転監視装置。