JPWO2015186160A1 - ３次元表面電位分布計測装置 - Google Patents

Abstract

３次元表面電位分布計測装置（７０）は、レーザ光源（１３）と、ポッケルス結晶（１１）と、ミラーと、光検出器（１６）と、これらの互いの位置関係を維持しながらこれらを保持する保持構造（３１）と、保持構造（３１）を３次元的に移動駆動可能な移動駆動部と、試験対象物（８）を保持し試験対象物（８）の長手方向を軸として回転駆動可能な回転駆動部（３５）と、移動駆動部および回転駆動部（３５）を制御する駆動制御部（３７）とを有する。駆動制御部（３７）は、ポッケルス結晶（１１）の端面と試験対象物（８）の表面との間隔を所定の間隔に保持しながら、ポッケルス結晶（１１）の端面を試験対象物（８）の電界緩和システム（３）の全表面に近接するように移動駆動部による保持構造（３１）の移動駆動動作と回転駆動部（３５）による試験対象物（８）の回転駆動動作とを協調させる。

Description

本発明は、回転電機の電界緩和システムの表面電位分布を計測するための３次元表面電位分布計測装置に関する。

インバータにより電動機等の回転電機を駆動させるインバータ駆動システムが開発され普及してきている。このインバータ駆動システムにおいて、インバータは、スイッチング動作により直流電圧からパルス電圧に変換し、そのパルス電圧を、ケーブルを介して回転電機に供給する。回転電機は、このパルス電圧により駆動される。

従来、高電圧回転電機では、特に固定子コイルの鉄心端部付近で発生する部分放電や発熱の発生を防ぐために、固定子鉄心端部付近のコイル表面に、固定子鉄心スロット内から導出される低抵抗層とこの低抵抗層に一部重ねて形成される電界緩和層とを組み合わせた電界緩和システムが設けられる例が多い。

一方、インバータ駆動システムでは、インバータとケーブルと回転電機とのインピーダンス不整合により、反射波が発生する。その反射波がパルス電圧に重畳することにより、ケーブルと回転電機との間の部分、特に、ケーブルと回転電機との接続部で、高電圧ノイズ、いわゆる、インバータサージが発生する可能性がある。

これらインバータサージを含むパルス電圧（以下、インバータパルス電圧と称する）が繰り返し発生した場合、上述した鉄心端部の固定子コイル（以下、固定子コイルエンドと称する）には、商用周波数による運転時には発生しなかった部分放電や発熱が生じ、電界緩和システム上でも、信頼性に支障をきたす部分放電や発熱が生じ、最終的に、固定子コイルの信頼性を著しく減じる可能性がある。

この部分放電や発熱の発生は電界緩和システムの表面電位の勾配に依存する（非特許文献１参照）。そのため、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を正しく計測する技術が強く望まれてきた。

特開２０１１−２２００７号公報

熊田亜紀子、千葉政邦、日高邦彦 「ポッケルス効果を用いた負極性沿面放電進展時の電位分布直接測定」 電気学会論文誌Ａ Ｖｏｌ．１１８−Ａ Ｎｏ．６ ｐｐ．７２３−７２８ （１９９８−６） Hirokazu Matsumoto, Shigeyasu Matsuoka, Akiko Kumada, Kunihiko Hidaka, "Oscillatory Waveform Caused by Piezoelectric Vibration of Pockels Crystal and its Effective Suppression", IEEJ TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING, 6: 1-6 (2011)

表面電位を計測する場合、通常、表面電位計が用いられる。たとえば特許文献１に記載された技術では、電界緩和システムにプローブを接触または接近させて、表面電位計で計測される表面電位を用いて非線形抵抗を算出している。

しかし、インバータパルス電圧は、ｋＨｚオーダー以上の高周波成分を有している。この場合、表面電位計は、上述の高周波成分に追従できず、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。

また、プローブには、通常、金属材料が用いられる。このため、電界緩和システムにプローブを接触または接近させる方法では、電界緩和システムとプローブとの間で電位変動が生じ、正確な測定が阻害される可能性がある。また、インバータサージが発生したときなどには電界緩和システムとプローブとの間でコロナ放電が発生する可能性がある。このように、測定点に金属材料を用いる場合、測定対象への擾乱により、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。

さらに、特にコイルの角部は、電位分布の変化が大きく、コイルの平面部分のみならず角部についても正確な電位分布の測定の必要性が大きい。

そこで、本発明は、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの３次元的な表面電位分布を計測することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、回転電機の固定子コイル端部である固定子コイルエンドを模擬した試験対象物の長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する３次元表面電位分布計測装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第１の端面から入射されるポッケルス結晶と、その表面が前記ポッケルス結晶の前記第１の端面の反対側の第２の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第１の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第１の端面と前記第２の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、前記レーザ光源と、前記ポッケルス結晶と、前記ミラーと、前記光検出器との互いの相対的位置関係を維持しながら、前記レーザ光源と、前記ポッケルス結晶と、前記ミラーと、前記光検出器を保持する保持構造と、前記保持構造を３次元的に移動駆動可能な移動駆動部と、前記試験対象物を保持し、前記試験対象物の長手方向を軸として当該軸まわりを両方向に回転駆動可能な回転駆動部と、前記移動駆動部および前記回転駆動部を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記ポッケルス結晶の前記第２の端面と前記試験対象物の表面との間隔を所定の間隔に保持しながら、前記ポッケルス結晶の前記第２の端面を前記試験対象物の電界緩和システムの全表面に近接するように前記移動駆動部による前記保持構造の移動駆動動作と前記回転駆動部による前記試験対象物の回転駆動動作とを協調させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの３次元的な表面電位分布を計測することができる。

第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の電圧校正処理の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の表面電位測定の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の駆動移動の推移を示す立断面図であり、（ａ）は、電界緩和システムの第１の面の計測開始時、（ｂ）は、電界緩和システムの第１の面の計測終了時、（ｃ）は電解緩和システムのコーナー部の計測時、（ｄ）は隣接する第２の面の計測時を示す。 第２の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第３の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第４の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置および表面電位分布計測方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置７０の測定対象である試験対象物は、回転電機を構成する固定子（図示せず）と回転子（図示せず）のうち、固定子の端部に施されたコロナ放電の発生を防ぐための電界緩和システム３を模擬した固定子コイルエンド模擬試験体８である。

試験対象物であるこの固定子コイルエンド模擬試験体８の表面電位分布を測定する３次元表面電位分布計測装置７０は、計測装置本体１０（図２参照）、演算装置２０および保持搭載部３０を備える。計測装置本体１０は、半導体レーザ発生器（以下、レーザ光源と称する）１３からレーザ光を保持構造３１に保持されたポッケルス結晶１１に照射し、測定対象である固定子コイルエンド模擬試験体８の表面電位に依存した反射光を光検出器１６で取り出し、演算装置２０で、測定対象の電位を算出する。計測装置本体１０の詳細については、図２の説明の際に説明する。

保持構造３１に保持されたポッケルス結晶１１と測定対象である固定子コイルエンド模擬試験体８との相対的位置を調節する仕組みとして、保持構造３１を測定対象の表面にアクセスさせる保持搭載部３０、固定子コイルエンド模擬試験体８を長手方向の軸のまわりに回転させる回転駆動部３５が設けられている。

保持搭載部３０は、保持構造３１、Ｘ方向移動部３２およびＸ方向移動部３２を移動駆動するＸ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向移動部３３およびＹ方向移動部３３を移動駆動するＹ方向駆動部３３ａ、保持構造３１を移動駆動するＺ方向駆動部３４ａ、回転駆動部３５、ベース３６、および駆動制御部３７を有する。駆動制御部３７は、Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、およびＺ方向駆動部３４ａを制御する。ここで、Ｘ方向は、水平方向でかつポッケルス結晶１１（図２）の長手方向、Ｙ方向は、水平方向でＸ方向に垂直な固定子コイル導体１の長手方向、Ｚ方向は図１の上向き方向、すなわち鉛直方向である。

ポッケルス結晶１１等を保持する保持構造３１は、Ｘ方向移動部３２に支持されながらＺ方向駆動部３４ａによって移動駆動されてＺ方向（鉛直上下方向）を昇降移動する。Ｘ方向移動部３２は、Ｙ方向移動部３３に支持されながらＸ方向駆動部３２ａによって移動駆動されてＹ方向移動部３３上をＸ方向に前後移動する。Ｙ方向移動部３３は、ベース３６に支持されながらベース３６上をＹ方向に前後移動する。

Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、およびＺ方向駆動部３４ａを総称して移動駆動部と呼こととする。移動駆動部は、ポッケルス結晶１１を３次元的に移動させる。移動駆動部のそれぞれの要素、すなわち、Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、およびＺ方向駆動部３４ａは、駆動制御部３７からの指令によって駆動する。また、Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、およびＺ方向駆動部３４ａは、それぞれの走行方向と走行距離の情報を駆動制御部３７に出力する。

一方、固定子コイルエンド模擬試験体８は、回転駆動部３５によって、回転可能に支持されている。回転駆動部３５は、駆動制御部３７からの指令によって試験体を回転駆動する。回転駆動部３５は、回転方向および回転角度の情報を駆動制御部３７に出力する。

次に、固定子コイルエンド模擬試験体８にも設けられている電界緩和システム３について説明する。固定子コイル導体１の外周には、固定子コイル導体１に対して絶縁被覆を行うためマイカエポキシを主成分とする対地絶縁テープが主絶縁層４として巻回されている。固定子コイルエンド模擬試験体８の主絶縁層４の外周には、電位傾度を緩やかにするための高抵抗半導電テープが電界緩和層６として、低抵抗層５の端部を覆うように巻回されている。

低抵抗層５では、主絶縁層４の外周に、主絶縁層４が固定子コア７の内周に対面する部分から、主絶縁層４が固定子コア７の外側に露出される部分まで、低抵抗半導電テープが巻回されている。固定子コア７の外側に設けられた低抵抗層５の幅は数十ｍｍ程度である。

低抵抗層５は固定子コア７とともに接地される。そのため、固定子コイル導体１に電圧（交流電圧）が印加された場合、固定子コイル導体１が駆動電極となり、低抵抗層５が接地電極となる。この場合、固定子コイル導体１と固定子コア７内の低抵抗層５との間で生じる等電位線はほぼ並行となる。

固定子コイル導体１と固定子コイルエンド模擬試験体８における低抵抗層５との間で生じる等電位線は、主絶縁層４の厚み方向に分布する。固定子コイルエンド模擬試験体８では、主絶縁層４と固定子コイル導体１との比誘電率の相違や固定子コイル導体１の表面の抵抗率に依存して等電位線が密に分布する。

このため、固定子コイルエンド模擬試験体８の表面では電位傾度が大きくなり、固定子コイルエンド模擬試験体８の沿面方向に電界が集中する。特に、低抵抗層５の端部においては、電位傾度が著しく大きくなり、コロナ放電である部分放電または沿面放電が発生しやすくなる。

したがって、部分放電または沿面放電の発生を防ぐために、低抵抗層５の端部と固定子コイルエンド模擬試験体８の主絶縁層４との外周には、電界緩和層６が設けられる。

ここで、固定子コイル導体１の断面形状は長方形であり、電界緩和層６の断面形状も、内部の固定子コイル導体１の長方形の形状に沿って丸みを帯びた形状となっている。すなわち、電界緩和層６は、ほぼ平坦な側部と、側部と側部のあいだの丸みを帯びてはいるが角部とを有している。この表面の電界分布は、略平坦な側部と丸みを帯びた角部とでは、様相を異にしており、特に角部の電界分布に注意する必要がある。

以上、固定子コイルエンド模擬試験体８について説明したが、実機の固定子コイルエンドに施された電界緩和層までを模擬したものである。

図２は、実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。計測装置本体１０は、レーザ光源１３、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと称する）１５、波長板１７、ポッケルス結晶１１、誘電体ミラー（以下、ミラーと称する）１４、光検出器１６、およびこれらを保持する保持構造３１を有する。

レーザ光源１３は、電界緩和システム３の長手方向（Ｙ方向）に垂直な入射方向（Ｘ方向）に向かって、レーザ光を出射する。そのレーザ光は、その波長が５３２．０ｎｍであり、最大出力が１０ｍＷであり、口径が０．３４ｍｍである。ここではレーザ光の波長を、５３２．０ｎｍとしているが、ポッケルス結晶１１内や光学部品内を大きく減衰することなく伝搬できればこれと異なる波長でもよい。

レーザ光は直線偏光であり、その直線偏光の偏波面は、入射方向（Ｘ方向）および電界緩和システム３の長手方向（Ｙ方向）に垂直な方向（Ｚ方向）に対して平行である。

ＰＢＳ１５は、上記直線偏光だけを通過させる。ＰＢＳ１５は、レーザ光源１３から出射されたレーザ光を入射方向（Ｘ方向）に向かって通過させる。

ポッケルス結晶１１は、その軸方向が入射方向（Ｘ方向）に平行になるように配置され、レーザ光源１３およびＰＢＳ１５とともに入射方向（Ｘ方向）に並べて配置されている。

ポッケルス結晶１１は、第１の端面１１ａと第２の端面１１ｂとの間で第１の端面１１ａから第２の端面１１ｂに向かって軸方向（Ｘ方向）に延びている。また、ポッケルス結晶１１の軸方向に沿って、軸方向に垂直な断面（横断面）の大きさが変化するように形成されている。波長板は、後述するように、検出光強度Ｐｏｕｔを表す余弦関数の位相に関わる要素である。

本実施形態では、ポッケルス結晶１１は、軸方向に垂直な断面の形状は正方形であり、Ｘ方向に沿って正方形の辺の長さが直線的に減少する。

また、軸方向に延びたポッケルス結晶１１の４つの側面のうち隣接する２つの側面は軸方向に平行な面であり、残る２つの面は軸方向に対して傾斜している。なお、これには限定されず、軸方向に断面積（横断面）が変化するように、少なくとも１つの側面は軸方向に対して傾斜しており、残る側面は軸方向に平行な面であればよい。

ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａは接地されているか、または、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａは電源装置により０［Ｖ］になっている。

ＰＢＳ１５からのレーザ光は、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａに入射され、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａに交わらない第２の端面１１ｂに向かう。

ミラー１４の表面は、ポッケルス結晶１１の第２の端面１１ｂに設けられている。ミラー１４の裏面であるポッケルス結晶１１の第２の端面１１ｂは電界緩和システム３の周囲の電磁場の影響を受けて電圧が印加された状態になっている。

ミラー１４の裏面は、試験箇所すなわち電界緩和システム３の試験対象部分に対して所定距離だけ離れて設けられる。この所定距離は、電界緩和システム３表面の樹脂の凹凸の程度、空間分解能等を考慮して設定される。詳細は、図５の説明の部分で述べる。

ミラー１４は、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａから入射されたレーザ光を入射方向（Ｘ方向）とは反対方向（Ｘのマイナス方向）に反射する。

ポッケルス結晶１１は、「結晶点群４３ｍもしくは結晶点群２３ｍ」に属する圧電性のある等方性結晶であり、ポッケルス効果を発生させる。ポッケルス効果とは、誘電体の等方性結晶が電場に置かれたとき、あるいは電圧をかけられたときに複屈折性を示す現象である。

すなわち、かかった電圧に依存して屈折率が変化するものである。この結果として光強度が変化する。ポッケルス結晶１１としては、ＢＧＯ（たとえばＢｉ_１２ＧｅＯ_２０）結晶などが例示される。

ポッケルス結晶は、結晶方位と入射光の伝搬方向との成す向きにより、外部電場の光の伝搬方向と平行もしくは垂直な成分に対して感度を持たせることができる。前者は縦型変調、後者は横型変調と呼ばれる。

「結晶点群４３ｍもしくは結晶点群２３ｍ」に属するポッケルス結晶は縦型変調配置が行える結晶であり、縦型変調配置とした場合、光強度は、外部電場の光路に平行な成分の積分値、即ち電圧に比例して変化する。

ミラー１４により反射されたレーザ光の光強度は、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａと第２の端面１１ｂとの間の電位差である出力電圧ＶＰｏｕｔに対応する。

ＰＢＳ１５は、ミラー１４により反射されたレーザ光を長手方向Ｙ（本実施形態では長手方向Ｙのマイナス方向）に通過させる。

光検出器１６は、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有している。その光検出器１６は、ＰＢＳ１５に対して長手方向Ｙ（本実施形態では長手方向Ｙのマイナス方向）に配置されている。光検出器１６にはＰＢＳ１５からのレーザ光が入射される。光検出器１６は、そのレーザ光の光強度として、検出光強度Ｐｏｕｔを検出する。

検出光強度Ｐｏｕｔは、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａと第２の端面１１ｂとの間の電位差である出力電圧ＶＰｏｕｔに対応する。その検出光強度Ｐｏｕｔは、出力電圧ＶＰｏｕｔの余弦関数として下式のように表される。
Ｐｏｕｔ
＝（Ｐｉｎ／２）×｛１−ｃｏｓ（π（ＶＰｏｕｔ／Ｖπ）−θ０）｝

上記余弦関数において、Ｐｉｎはポッケルス結晶１１の入射光強度であり、Ｖπは半波長電圧であり、θ０は波長板１７によって与える位相差（任意）である。波長板１７を用いると、出力電圧ＶＰｏｕｔが０ｋＶ付近では感度が向上する一方、測定電圧範囲Ｖπはほぼ半減する。波長板１７を用いない場合、測定電圧範囲Ｖπは、レーザの波長が５３２ｎｍの場合で１６ｋＶ程度、また、レーザの波長が１．３μｍの場合で３５ｋＶ程度となる。したがって、レーザの波長が１．３μｍの場合には、波長板を用いることによって、レーザの波長が５３２ｎｍの場合と電圧測定が同等となる。

本実施形態では、検出光強度Ｐｏｕｔにより、上記余弦関数の逆関数からポッケルス結晶１１の出力電圧ＶＰｏｕｔを求めている。

ポッケルス結晶１１は、たとえば１００ｍｍ長と比較的長い結晶を用いているため、ポッケルス結晶１１を近づけることによる誘電体表面の電界分布の乱れは小さい。そのため、ポッケルス結晶１１の出力電圧ＶＰｏｕｔは、測定対象である電界緩和システム３の表面電位に比例する。

演算装置２０は、光検出器１６および出力装置２４に接続されたコンピュータであり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と記憶装置とを備えている。

記憶装置にはコンピュータプログラムが格納され、ＣＰＵは、記憶装置からコンピュータプログラムを読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。出力装置２４としては表示装置や印刷装置が例示される。

演算装置２０は、ＣＰＵの機能ブロックとして、演算部２１と、電圧校正データベース２２と、表面電位測定データベース２３とを有している。また演算装置２０は、出力装置２４と接続され、出力装置２４に演算結果を出力する。

次に、第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置７０の動作について説明する。

３次元表面電位分布計測装置７０は、試験前に後述の電圧校正処理を行い、その後の試験時に後述の表面電位測定処理を行う。演算部２１は、電圧校正処理により電圧校正データベース２２を構築し、表面電位測定処理において電圧校正データベース２２を参照する。演算部２１には、たとえば試験者の入力操作により電圧校正処理または表面電位測定処理が設定される。

図３は、実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の電圧校正処理の手順を示すフロー図である。

まず、演算部２１は、電圧校正のモードに設定される（ステップＳ１１；電圧校正設定）。次に、３次元表面電位分布計測装置７０のポッケルス結晶１１の端部に設けられたミラー１４の裏面に対して、たとえば５０Ｈｚの交流電圧が入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］として印加される（ステップＳ１２；入力電圧印加）。

このとき、レーザ光源１３から出射されたレーザ光はＰＢＳ１５およびポッケルス結晶１１を介してミラー１４により反射され、ミラー１４により反射されたレーザ光はポッケルス結晶１１およびＰＢＳ１５を介して光検出器１６に入射される。光検出器１６は、ＰＢＳ１５からのレーザ光の光強度を検出光強度Ｐｏｕｔとして検出する（ステップＳ１３；光強度検出）。

電圧校正モードにおいて、演算部２１は、以下の処理を行う。まず、演算部２１は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Ｐｏｕｔからポッケルス結晶１１の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を算出する。すなわち、検出光強度Ｐｏｕｔから、検出光強度Ｐｏｕｔに対応する出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を導き出す（ステップＳ１４；出力電圧算出）。

演算部２１は、たとえば試験者の入力操作により入力される上述の入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］とともに、上記出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を電圧校正データベース２２に格納する（ステップＳ１５；出力電圧格納）。

その後、電圧校正処理を終了しない場合（ステップＳ１６−ＮＯ）、入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］を変えながら、上述のステップＳ１１〜Ｓ１５を繰り返す。これにより、電圧校正データベース２２には、各々異なる入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］と、そのときのポッケルス結晶１１の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納される。このような入力電圧対出力電圧特性が生成され、電圧校正データベース２２が構築される。

電圧校正処理を終了する場合（ステップＳ１６−ＹＥＳ）、演算部２１は、電圧校正データベース２２に格納された入力電圧対出力電圧特性を出力装置２４に出力する。出力装置２４が表示装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が表示装置に表示され、出力装置２４が印刷装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が印刷装置により印字される（ステップＳ１７；入力電圧対出力電圧特性出力）。

図４は、実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の表面電位測定の手順を示すフロー図である。まず、演算部２１は表面電位測定モードに設定される（ステップＳ２１；表面電位測定設定）。

次に、固定子コイルエンド模擬試験体８の両端部の電界緩和システム３の表面を順次測定するように、３次元表面電位分布計測装置７０のポッケルス結晶１１の位置を選定し、駆動制御部３７によって制御する（ステップＳ２２；試験箇所配置）。詳細は、図５の説明において述べる。

次に、回転電機の固定子コイルに対して、たとえば周波数が５０Ｈｚであり、波高値が１０ｋＶの交流電圧が試験電圧として印加される（ステップＳ２３；試験電圧印加）。このとき、レーザ光源１３から出射されたレーザ光はＰＢＳ１５およびポッケルス結晶１１を介してミラー１４により反射され、ミラー１４により反射されたレーザ光はポッケルス結晶１１およびＰＢＳ１５を介して光検出器１６に入射される。光検出器１６は、ＰＢＳ１５からのレーザ光の光強度を検出光強度Ｐｏｕｔとして検出する（ステップＳ２４；光強度検出）。

表面電位測定モードにおいて、演算部２１は、以下の処理を行う。まず、演算部２１は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Ｐｏｕｔからポッケルス結晶１１の出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を算出する。すなわち、検出光強度Ｐｏｕｔから、検出光強度Ｐｏｕｔに対応する出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を導き出す。ここで、出力電圧ＶＰｏｕｔ［Ｖ］を試験時出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］とする（ステップＳ２５；出力電圧算出）。

演算部２１は、電圧校正データベース２２に格納された入力電圧対出力電圧特性から、試験時出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］に対応する入力電圧Ｖｉｎ［ｋＶ］を電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］として特定する（ステップＳ２６；表面電位特定）。

演算部２１は、たとえば試験者の入力操作により入力される上述の試験箇所Ｌ［ｍｍ］とともに、上記表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］を表面電位測定データベース２３に格納する（ステップＳ２７；表面電位格納）。

その後、表面電位測定処理を終了しない場合（ステップＳ２８−ＮＯ）、試験箇所Ｌ［ｍｍ］を変えながら、上述のステップＳ２１〜Ｓ２７を繰り返す。終了と判定されたら（ステップＳ２８−ＹＥＳ）、繰り返しを終了し、試験箇所対表面電位特性出力を行う（ステップＳ２９）。

このようにして、ミラー１４の裏面に対して、各々異なる位置に試験箇所が設けられたときに、演算部２１は、各々異なる試験箇所と、そのときに特定される電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］とを表面電位測定データベース２３に格納する。

これにより、表面電位測定データベース２３には、各々異なる試験箇所と、そのときに特定される電界緩和システム３の表面電位Ｖｓｕｆ［ｋＶ］との関係を示す試験箇所対表面電位特性が格納される。

図５は、第１の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置の駆動移動の推移を示す立断面図であり、（ａ）は、電界緩和システムの第１の面の計測開始時、（ｂ）は、電界緩和システムの第１の面の計測終了時、（ｃ）は電界緩和システムのコーナー部の計測時、（ｄ）は隣接する第２の面の計測時を示す。なお、図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）中で、ポッケルス結晶１１および保持構造３１の破線の表示は、移動前の状態の位置を示している。

基本的には、駆動制御部３７が、保持構造３１のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の必要移動距離と、固定子コイルエンド模擬試験体８の電界緩和システム３の必要回転角度を演算し、Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、Ｚ方向駆動部３４ａのそれぞれにそれぞれ駆動すべき距離指令を出力し、回転駆動部３５に駆動すべき回転角度指令を出力することにより、必要位置にポッケルス結晶１１を移動させ、また、必要角度に固定子コイルエンド模擬試験体８を回転移動させる。

この際、駆動制御部３７は、ポッケルス結晶１１の先端と電界緩和システム３の表面との間の距離を所定の距離に維持するように、それぞれの位置を算出する。なお、駆動制御部３７は、ポッケルス結晶１１の先端以外の部分と電界緩和システム３とが干渉しないように、それぞれの移動方向と距離あるいは回転方向と角度を算出する。このように、駆動制御部３７は、保持構造３１の移動駆動動作と、回転駆動部３５による固定子コイルエンド模擬試験体８の回転駆動動作とを協調させながら、制御を行う。

図５（ａ）で示す電界緩和システム３の第１の面の計測開始時においては、測定対象部である電界緩和システム３側は固定状態で、ポッケルス結晶１１を保持する保持構造３１を、電界緩和システム３の第１の面に近接するように移動させる。

図５（ａ）で示す第１の面の計測開始時から図５（ｂ）で示す第１の面の計測終了時までについては、測定対象部である電界緩和システム３側は固定状態で、ポッケルス結晶１１を保持する保持構造３１を、電界緩和システム３の側面に沿って、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる。

図５（ｂ）で示す第１の面の計測終了時から図５（ｃ）で示す電解緩和システムのコーナー部までについては、測定対象部である電界緩和システム３側を回転させる。この際、保持構造３１が停止状態では、電界緩和システム３と干渉することになるため、保持構造３１をＸ方向（マイナス方向）に移動させる。その上で、さらに、新たな電界緩和システム３のコーナー部に対応する位置まで、Ｚ方向（マイナス方向）に保持構造３１を移動させる。

図５（ｃ）で示すコーナー部から第１の面に隣接する図５（ｄ）で示す第２の面までについては、まず、測定対象である電界緩和システム３を回転させる。この際、電界緩和システム３との干渉を避けるために保持構造３１をＸ方向（マイナス方向）に移動させる。その上で、さらに、新たな電界緩和システム３の第２の面に対応する位置まで、Ｚ方向（マイナス方向）に保持構造３１を移動させる。

このような動作を繰り返すことによって、電界緩和システム３の全周にわたって電界分布を測定することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ポッケルス結晶１１を使用することにより、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム３の表面電位を、高い応答性を確保しながら計測することができる。また、電界緩和システム３のコーナー部での電位分布も、大掛かりな装置を設けることなく、測定することができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本実施形態においては、ポッケルス結晶１１の側面をポッケルス結晶把持部５１が把持している。ポッケルス結晶把持部５１は、ポッケルス結晶１１に有意な歪を生じない程度の力でポッケルス結晶１１を把持している。

ポッケルス結晶把持部５１は、ポッケルス結晶１１を把持した状態で軸方向に駆動される。ポッケルス結晶把持部５１は、保護部５２に形成された凹部である移動制限部５３と一部嵌め合い部分を有する。

移動制限部５３とポッケルス結晶把持部５１との嵌め合いは、ポッケルス結晶把持部５１が、軸方向に駆動されて最も電界緩和システム３に近づいた場合にも、ポッケルス結晶１１の第２の端面１１ｂおよびミラー１４が保護部５２の電界緩和システム３側の端部よりも突出しないように形成されている。

以上のような本実施形態によれば、電界緩和システム３の長手方向に沿っての計測において、万が一ポッケルス結晶１１の目標位置が、ポッケルス結晶１１が電界緩和システム３と干渉するように設定されてしまった場合でも、保護部５２よりは突出しないように形成されており、ポッケルス結晶１１が電界緩和システム３と接触してポッケルス結晶１１が傷つけられるおそれはない。

以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶１１の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム３の表面電位を計測することができる。

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

保護部５５には、ポッケルス結晶１１が移動できるガイド孔５６が形成されている。ガイド孔５６は、ポッケルス結晶１１の長手方向に貫通している。ガイド孔５６は、ポッケルス結晶１１の第１の端面１１ａに対応する側から第２の端面１１ｂに対応する側に向けて、面積が小さくなっていくように形成されている。ガイド孔５６の面積は、ポッケルス結晶１１が保護部５５から突出しない位置で停止するような大きさに設定されている。なお、突出しないことには限定されない。突出する場合にその突出する長さを制限することでもよい。

また、ポッケルス結晶１１が移動制限された状態においてポッケルス結晶１１に局部的に荷重がかからないように、ガイド孔５６の４つの内側側面は、ポッケルス結晶１１の４つの側面と同じ傾斜をもって形成されていることが望ましい。

ポッケルス結晶１１は、テーパが形成されていない側の側面を、この側面に対向するガイド孔５６の内側側面に沿って移動する。

以上のような本実施形態によれば、第２の実施形態におけるポッケルス結晶把持部５１のような特別な部分を付加しなくとも、ポッケルス結晶１１にテーパ部が形成されていることを利用してポッケルス結晶１１を保護することができる。すなわち、ポッケルス結晶１１の目標位置が、ポッケルス結晶１１が電界緩和システム３と干渉するように設定されてしまった場合でも、ポッケルス結晶１１が電界緩和システム３に近づくほどガイド孔５６が狭くなるため、途中でガイド孔５６内に止まる。このような移動制限構造によって、保護部５５の端面より内側に止まる。あるいは保護部５５より極端に突出することがない、この結果、ポッケルス結晶１１が電界緩和システム３と接触してポッケルス結晶１１が傷つけられるおそれはない。

以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶１１の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム３の表面電位を計測することができる。

［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係る３次元表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本実施形態においては、保持構造３１にギャップセンサ５７が設けられている。ギャップセンサ５７は、当該ギャップセンサ５７と計測対象である電界緩和システム３との間隔を計測して、その間隔を駆動制御部３７に出力する。

駆動制御部３７は、ギャップセンサ５７からのギャップ出力が所定の目標値となるように、Ｘ方向駆動部３２ａ、Ｙ方向駆動部３３ａ、Ｚ方向駆動部３４ａおよび回転駆動部３５を制御する。ここで、目標値は、ポッケルス結晶１１と電界緩和システム３との間隙寸法を望ましい寸法とするような値に設定される。

以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶１１の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム３の表面電位を計測することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、実施形態では、説明の便宜上、Ｘ方向、Ｙ方向を水平方向に、Ｚ方向を鉛直方向にした場合を、示したが、これに限定されず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元空間を任意の方向に回転する空間内であってもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…固定子コイル導体、３…電界緩和システム、４…主絶縁層、５…低抵抗層、６…電界緩和層、７…固定子コア、８…固定子コイルエンド模擬試験体（試験対象物）、１０…計測装置本体、１１…ポッケルス結晶、１１ａ…第１の端面、１１ｂ…第２の端面、１３…レーザ光源、１４…ミラー、１５…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、１６…光検出器、１７…波長板、２０…演算装置、２１…演算部、２２…電圧校正データベース、２３…表面電位測定データベース、２４…出力装置、３０…保持搭載部、３１…保持構造、３２…Ｘ方向移動部、３２ａ…Ｘ方向駆動部、３３…Ｙ方向移動部、３３ａ…Ｙ方向駆動部、３４ａ…Ｚ方向駆動部、３５…回転駆動部、３６…ベース、３７…駆動制御部、５１…ポッケルス結晶把持部、５２…保護部、５３…移動制限部、５５…保護部、５６…ガイド孔、５７…ギャップセンサ、７０…３次元表面電位分布計測装置

Claims (6)

1. 回転電機の固定子コイル端部である固定子コイルエンドを模擬した試験対象物の長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する３次元表面電位分布計測装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第１の端面から入射されるポッケルス結晶と、
   その表面が前記ポッケルス結晶の前記第１の端面の反対側の第２の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第１の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、
   インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第１の端面と前記第２の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、
   前記レーザ光源と、前記ポッケルス結晶と、前記ミラーと、前記光検出器との互いの相対的位置関係を維持しながら、前記レーザ光源と、前記ポッケルス結晶と、前記ミラーと、前記光検出器を保持する保持構造と、
   前記保持構造を３次元的に移動駆動可能な移動駆動部と、
   前記試験対象物を保持し、前記試験対象物の長手方向を軸として当該軸まわりを両方向に回転駆動可能な回転駆動部と、
   前記移動駆動部および前記回転駆動部を制御する駆動制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部は、前記ポッケルス結晶の前記第２の端面と前記試験対象物の表面との間隔を所定の間隔に保持しながら、前記ポッケルス結晶の前記第２の端面を前記試験対象物の電界緩和システムの全表面に近接するように前記移動駆動部による前記保持構造の移動駆動動作と前記回転駆動部による前記試験対象物の回転駆動動作とを協調させる、
   ことを特徴とする３次元表面電位分布計測装置。
2. 前記ポッケルス結晶は、前記第１の端面から前記第２の端面に向かって次第に細くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元表面電位分布計測装置。
3. 前記保持構造は、前記ポッケルス結晶を把持し前記ポッケルス結晶と一体で移動するポッケルス結晶把持部を有し、前記保持構造は、前記ポッケルス結晶把持部の移動を制限する移動制限部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表面電位分布計測装置。
4. 前記保持構造には、前記ポッケルス結晶が移動するために前記ポッケルス結晶の移動方向に貫通するガイド孔が形成され、
   前記ガイド孔は、前記ポッケルス結晶の前記第２の端部の前記保持構造からの突出が制限されるように、前記電界緩和システムに向かって次第に細くなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の３次元表面電位分布計測装置。
5. 前記保持構造は、前記ポッケルス結晶と前記電界緩和システム間のギャップを計測してギャップ信号を前記駆動制御部に出力するギャップセンサをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の３次元表面電位分布計測装置。
6. 前記ポッケルス結晶は、ＢＧＯ結晶であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の３次元表面電位分布計測装置。

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