WO2022190236A1 - 回転電機の短絡検知装置 - Google Patents

回転電機の短絡検知装置 Download PDF

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WO2022190236A1
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rotor
signal
short circuit
stator
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勇二 滝澤
篤史 山本
進 前田
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三菱電機株式会社
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines

Definitions

  • This application relates to a short-circuit detection device for rotating electric machines.
  • a probe with a built-in pickup coil is used to detect changes in field magnetic flux due to a short circuit in the field winding of a rotor. detected by The probe has a mechanism that allows it to slide radially through cooling ventilation ducts provided axially of the stator core so as not to interfere with the rotor's withdrawal or reinsertion. During operation of the rotating electrical machine, the probes are extended and fixed within the air gap so as to be close to the rotor.
  • Patent Document 1 requires a movable mechanism that allows the probe to slide, and a probe structure that has sufficient strength against vibrations caused by cooling airflow flowing in the gap between the stator and the rotor.
  • a complicated and large-sized configuration is required.
  • the present application discloses a technology for solving the above problems, and a short-circuit detection device for a rotating electric machine that can reliably detect a short-circuit in the field winding of a rotor with a small and simple configuration. intended to provide
  • a short-circuit detection device for a rotating electric machine disclosed in the present application includes magnetic detectors arranged facing field windings provided in a plurality of slots of a rotor of the rotating electric machine, and signals from the magnetic detectors. and a signal processor for processing to detect a short circuit in the field winding.
  • the magnetic detector is arranged inside a stator provided with an air gap with respect to the rotor.
  • the signal processing device includes a signal acquisition unit that acquires a voltage signal, which is the signal from the magnetic detector, and decomposes the voltage signal acquired by the signal acquisition unit into a plurality of frequency components of different orders.
  • a signal decomposition unit using an order lower than a fundamental order of slot harmonics, which are harmonics correlated with the pitches of the plurality of slots, as a threshold, odd-numbered frequency components among the plurality of frequency components, and the threshold; a specific frequency component reduction unit that reduces even-order frequency components higher than the specific frequency component reduction unit; a signal conversion unit that converts a plurality of frequency components output from the specific frequency component reduction unit into a voltage signal; The generated voltage signal is divided for each angle in the circumferential direction of the rotor corresponding to each of the plurality of magnetic poles of the rotor, and differential waveforms of voltage signals corresponding to adjacent magnetic poles among the plurality of magnetic poles are generated. and a short-circuit detection unit that detects a short-circuit in the field winding based on the shape of the differential waveform and estimates at which position in the circumferential direction of the rotor the short-circuit occurs.
  • a short-circuit in the field winding of the rotor can be reliably detected with a small and simple configuration.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a rotating electrical machine and a short-circuit detection device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the positions of search coils according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing the range of positions of the search coil according to Embodiment 1 according to the magnetic flux density;
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of a voltage signal acquired by a signal acquisition section according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a spectrum diagram showing the frequency spectrum of the amplitude component of the voltage signal frequency-analyzed by the signal decomposing unit according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a spectrum diagram showing a frequency spectrum of an amplitude component after reduction processing by a specific frequency component reduction section according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing a voltage signal converted by a signal converter according to Embodiment 1;
  • FIG. 5 is a diagram showing differential waveforms obtained by the short-circuit detection unit according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing differential waveforms obtained by a short-circuit detection unit according to a comparative example;
  • 2 is a configuration diagram showing an example of hardware that implements each function of the signal processing device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing another example of hardware that implements each function of the signal processing device according to the first embodiment;
  • FIG. FIG. 7 is a configuration diagram showing a rotating electric machine and a short-circuit detection device according to Embodiment 2;
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a rotating electric machine and a short-circuit detection device according to Embodiment 1.
  • a turbine generator 10 is employed as the rotating electric machine.
  • FIG. 1 shows a cross section of the turbogenerator 10 perpendicular to the axial direction of the turbogenerator 10 .
  • the turbine generator 10 includes a stator 20 as an armature and a rotor 30 as a magnetic field.
  • the stator 20 has a cylindrical stator core 21 and multiphase windings 22 .
  • the stator 20 is provided outside the rotor 30 .
  • the axial direction of the stator core 21 is the direction along the axis of the stator core 21 and the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the radial direction of the stator core 21 is the radial direction of a circle centered on the axis of the stator core 21 .
  • the circumferential direction of the stator core 21 is a direction along an arc around the axial center of the stator core 21 .
  • a plurality of stator slots 23 are formed in the inner peripheral portion of the stator core 21 .
  • Each stator slot 23 is formed along the radial direction of the stator core 21 .
  • the plurality of stator slots 23 are arranged at equal pitches in the circumferential direction of the stator core 21 .
  • the total number of stator slots 23 is 84.
  • Multiphase windings 22 are wound around the plurality of stator slots 23 .
  • the rotor 30 has a rotor core 31, a field winding 32, and a rotating shaft (not shown).
  • the rotor core 31 and the rotating shaft are arranged coaxially with the stator core 21 .
  • the rotor 30 is rotatable around the rotation axis.
  • the axial direction of the rotor core 31 is the direction along the axis O of the rotor core 31 and the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the radial direction of the rotor core 31 is the radial direction of a circle centered on the axis O of the rotor core 31 .
  • the circumferential direction of the rotor core 31 is a direction along an arc centered on the axis O of the rotor core 31 .
  • a plurality of rotor slots 33 are formed in the outer peripheral portion of the rotor core 31 .
  • Each rotor slot 33 is formed along the radial direction of the rotor core 31 .
  • the multiple rotor slots 33 are divided into a first slot group 34 and a second slot group 35 .
  • the first slot group 34 and the second slot group 35 each include 16 rotor slots 33 . That is, the total number of rotor slots 33 is 32.
  • the plurality of rotor slots 33 are arranged in the circumferential direction of the rotor core 31 at equal pitches.
  • the pitch of the rotor slots 33 is the distance between the centers in the width direction of two adjacent rotor slots 33 in the circumferential direction of the rotor core 31 .
  • the pitch of the rotor slots 33 in Embodiment 1 is 7.42° when represented by the circumferential angle of the rotor core 31 .
  • the pitch of each rotor slot 33 will be referred to as rotor slot pitch Sp.
  • a first magnetic pole 36 and a second magnetic pole 37 are formed between the first slot group 34 and the second slot group 35 .
  • a dashed line passing through the axis O of the rotor core 31, the center of the first magnetic pole 36 in the circumferential direction of the rotor 30, and the center of the second magnetic pole 37 is hereinafter referred to as the magnetic pole center line C1.
  • the first slot group 34 and the second slot group 35 are arranged symmetrically about the magnetic pole center line C1.
  • the dashed-dotted line passing through the axial center O of the rotor core 31, the center of the first slot group 34 in the circumferential direction of the rotor core 31, and the center of the second slot group 35 is hereinafter referred to as the inter-polar center line C2. called.
  • Each of the plurality of rotor slots 33 is called a first slot, a second slot, .
  • each of the plurality of rotor slots 33 is called a first slot, a second slot, .
  • a field winding 32 is wound around the plurality of rotor slots 33 so as to reciprocate between the first slot group 34 and the second slot group 35 with the magnetic pole center line C1 interposed therebetween. Portions of the field winding 32 located in adjacent rotor slots 33 are connected in series with each other.
  • the field winding 32 is DC-excited by an external power supply (not shown). As a result, one of the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 becomes the N pole, and the other becomes the S pole. That is, the turbogenerator 10 is a two-pole generator.
  • a gap 40 is formed between the stator core 21 and the rotor core 31 .
  • the multiphase winding 22 is AC-excited by an external power source (not shown). A rotating magnetic field is thereby generated in the air gap 40 .
  • the short-circuit detection device 100 detects a short-circuit in the field winding 32 of the turbine generator 10, and includes a search coil 50 as a magnetic detector, a signal processing device 60 that processes detection signals from the search coil 50, and a display device 70 .
  • a search coil 50 is arranged inside the stator 20 , in this case fixed in one stator slot 23 of the stator core 21 . Also, the search coil 50 faces the field winding 32 with the air gap 40 therebetween.
  • the search coil 50 is interlinked with the main magnetic flux and the leakage magnetic flux.
  • the main magnetic flux is the magnetic flux generated in the air gap 40
  • the leakage magnetic flux is the magnetic flux leaking from each rotor slot 33 .
  • the magnetic flux that links the search coil 50 is called flux linkage.
  • the search coil 50 has a first terminal 51 and a second terminal 52 .
  • a voltage signal which is a detection signal, is induced between the first terminal 51 and the second terminal 52 .
  • the distribution of the interlinkage magnetic flux within the search coil 50 varies as the rotor 30 rotates.
  • the signal processing device 60 includes a signal acquisition unit 61, a signal decomposition unit 62, a specific frequency component reduction unit 63, a signal conversion unit 64, and a short circuit detection unit 65 as functional blocks.
  • the signal acquisition unit 61 acquires the voltage signal induced in the search coil 50.
  • the signal decomposing unit 62 decomposes the voltage signal acquired by the signal acquiring unit 61 into a plurality of frequency components of different orders. Further, the signal decomposing unit 62 separates each decomposed frequency component into amplitude and phase.
  • the specific frequency component reduction unit 63 sets the order of the frequency component lower than the fundamental order of the slot harmonic as the threshold.
  • Slot harmonics are harmonics that are correlated to the rotor slot pitch Sp.
  • the specific frequency component reduction unit 63 reduces odd-order frequency components and even-order frequency components higher than the threshold, among the separated amplitudes.
  • the signal conversion unit 64 integrates the phase and the amplitude obtained after the reduction processing by the specific frequency component reduction unit 63 for each order of the frequency component, thereby converting it into a voltage signal after reduction of the specific frequency component.
  • the short-circuit detection unit 65 divides the converted voltage signal after the reduction of the specific frequency component for each angle in the circumferential direction of the rotor 30 corresponding to the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 of the rotor 30 . Furthermore, the short-circuit detector 65 generates differential waveforms of voltage signals corresponding to the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 . Based on the shape of the difference waveform, the short-circuit detection unit 65 detects a short-circuit of the field winding 32, and detects at which position in the rotor 30 the short-circuit of the field winding 32 occurs in the circumferential direction. to estimate whether
  • the short-circuit detection unit 65 outputs to the display device 70 information regarding whether or not a short-circuit has occurred in the field winding 32 and the position of the rotor slot 33 in which the short-circuit has occurred.
  • the display device 70 is provided outside the signal processing device 60 .
  • the display device 70 displays the presence or absence of a short circuit in the field winding 32 and the position of the rotor slot 33 where the short circuit occurs based on the information from the short circuit detector 65 . Note that the display device 70 may be provided outside the short circuit detection device 100 .
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the position of the search coil 50.
  • search coil 50 is fixed to stator wedge 24 inside stator slot 23 sandwiched between two teeth 25 .
  • the stator wedges 24 are made of a nonmagnetic material and are filled outside (open side) of the multiphase windings 22 inside the stator slots 23 .
  • the search coils 50 are also arranged outside the multiphase windings 22 inside the stator slots 23 .
  • the radial position of the opening surface of the stator slot 23, that is, the radial distance y from the radial position of the tooth tip 21A to the arrangement position of the search coil 50 is the multiphase winding from the radial position of the tooth tip 21A. is less than the radial distance d to the surface of 22, 0 ⁇ y ⁇ d.
  • the stator core 21 gradually becomes magnetically saturated. Since the magnetic flux leaks from the magnetically saturated stator core 21 to the stator slot 23, the change in the magnetic flux amount of the main magnetic flux, which is unrelated to the short-circuiting of the field winding 32, is more important than the change in the magnetic flux amount caused by the short circuit. influence will be greater. Therefore, it becomes difficult to accurately detect the occurrence of a short circuit or the position of the rotor slot 33 where the short circuit occurs.
  • FIG. 3 is a diagram showing the range of positions of the search coil according to the magnetic flux density.
  • the current of the field winding 32 is gradually increased, and under the condition that the stator core 21 is magnetically saturated, the magnetic flux density , the position range Sxy of the search coil 50 with respect to .
  • the vertical axis represents the maximum magnetic flux density x[T] (T: Tesla) at the tooth tip 21A.
  • the horizontal axis is the ratio (y/d) of the radial distance y to the arrangement position of the search coil 50 with respect to the radial distance d to the surface of the multiphase winding 22, with the tooth tip 21A as a reference for the radial position. is expressed as a percentage %.
  • the search coil 50 is arranged in a range where the ratio (y/d) is between 0 and 100% and is further restricted by the function f(x) of the maximum magnetic flux density x.
  • This positional range Sxy indicates the positional range of the search coil 50 inside the stator slot 23 in which no erroneous detection of a short circuit occurs. It is obtained by simulating the state. That is, the function f(x) is set so as not to erroneously detect the short circuit of the field winding 32 under the condition that the stator core 21 is magnetically saturated.
  • erroneous detection means erroneously detecting the occurrence of a short circuit in the field winding 32 and the position of the short circuit, the details of which will be described later.
  • the ratio (y/d) indicating the position of the search coil 50 may be anywhere from 0 to 100%.
  • the short-circuited portion of the field winding 32 can be estimated without erroneous detection.
  • the position of the search coil 50 must be adjusted to estimate the location of the short circuit normally without erroneous detection.
  • the ratio (y/d) shown is less than 20%.
  • the search coil 50 is located at the slot opening where there is little magnetic material around and the magnetic flux amount change due to the short circuit in the field winding 32 is large. placed nearby.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of the voltage signal acquired by the signal acquisition section 61.
  • This waveform diagram was obtained by simulating the no-load operation state of the turbine generator 10 of FIG. 1 using an electromagnetic field analysis program. The simulation is performed under the condition that, for example, one turn of the field winding 32 is short-circuited in the second slot on the first magnetic pole 36 side. Therefore, in the example described below based on the waveform diagram of FIG. 4, the field winding 32 is short-circuited by one turn in the second slot on the first magnetic pole 36 side.
  • a circumferential angle of 0° to 180° corresponds to the first magnetic pole 36
  • a circumferential angle of 180° to 360° corresponds to the second magnetic pole 37. Therefore, the center of the first magnetic pole 36 is closest to the search coil 50 at a circumferential angle of 90°, and the center of the second magnetic pole 37 is closest to the search coil 50 at a circumferential angle of 270°.
  • 32 fine voltage fluctuations occur at every rotor slot pitch Sp, that is, 7.42°.
  • FIG. 5 is a spectrum diagram showing the frequency spectrum of the amplitude component of the voltage signal frequency-analyzed by the signal decomposing unit 62.
  • FIG. The horizontal axis is the order n of harmonics, and one peak of the bar graph in the figure is the first order.
  • FIG. 5 shows harmonics up to the 110th order. n is an integer of 1 or more. It should be noted that harmonics of the 111st order and higher are not shown because their amplitudes are small.
  • the vertical axis indicates the voltage intensity of harmonics of each order.
  • the voltage intensity of odd-order harmonics is greater than the voltage intensity of even-order harmonics. Odd harmonics occur regardless of whether the field winding 32 is shorted or not. On the other hand, even harmonics are generated when the field winding 32 is short-circuited.
  • the voltage intensity of the first-order harmonic is particularly large.
  • the first harmonic also called the fundamental wave, is the frequency component of the main magnetic flux.
  • the 47th harmonic has a higher voltage intensity than the surrounding harmonics.
  • the 47th harmonic is a slot harmonic and has a correlation with the rotor slot pitch Sp.
  • the 47th order is the fundamental order of slot harmonics. Slot harmonics are generated by the difference between the primary magnetomotive force in the rotor 30 and the permeance change of the rotor slot pitch Sp. Permeance is the conversion factor from magnetomotive force to magnetic flux density. In this case, the difference 47 between the magnetomotive force order and the permeance order is the slot harmonic order.
  • the 48th and higher harmonics are harmonics corresponding to pitches narrower than the rotor slot pitch Sp, that is, angles smaller than the rotor slot pitch Sp in the circumferential direction. Frequency components corresponding to angles smaller than the rotor slot pitch Sp are not necessary components for estimating the short-circuit position of the field winding 32 . Therefore, the specific frequency component reduction unit 63 selects an order smaller than the 47th order as the order of the threshold for removing even-order frequency components. Then, the specific frequency component reduction unit 63 removes all even-order frequency components that are greater than the selected threshold.
  • the voltage intensity of slot harmonics is higher than the voltage intensity of odd-order frequency components close to slot harmonics. Therefore, even-numbered frequency components closer to the order of the slot harmonics are more likely to be affected by the slot harmonics and become unstable. Therefore, it is more preferable to set the threshold so as to remove even-order frequency components that are susceptible to slot harmonics.
  • odd-order frequency components are a factor that hinders detection of even-order frequency components.
  • the odd-order frequency components contain the information necessary to specify the circumferential angle. Specifically, by including odd-numbered frequency components, it is possible to determine on which magnetic pole side the short circuit has occurred. Therefore, it is not desirable to completely remove odd-order frequency components in order to estimate the short-circuit position of the field winding 32 . Therefore, the specific frequency component reduction unit 63 attenuates rather than completely removes the odd-order frequency components.
  • the specific frequency component reduction unit 63 sets the threshold to 12, and removes even-numbered frequency components equal to or higher than the 14th order.
  • the specific frequency component reduction unit 63 attenuates all odd-order frequency components, in this case, attenuates or removes odd-numbered 11th and lower frequencies to 1/50, and odd-ordered 13th and higher to almost zero.
  • reducing frequency components includes removing frequency components and attenuating frequency components.
  • FIG. 6 is a spectrum diagram showing the frequency spectrum of the amplitude component after reduction processing by the specific frequency component reduction section 63.
  • FIG. 6 the frequency spectrum of the amplitude component output from the specific frequency component reduction unit 63 includes even-order frequency components from the 2nd order to the 12th order and attenuated odd-order frequency components.
  • the specific frequency component reduction unit 63 reduces even-order frequency components higher than the threshold, which are orders lower than the fundamental order of the slot harmonics, and odd-order frequency components. Factors that interfere with detection of shorts on line 32 can be reduced. Thereby, the detection accuracy of a short circuit can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram showing the voltage signal converted by the signal converter 64.
  • the signal conversion unit 64 integrates the phase and the amplitude after reduction processing by the specific frequency component reduction unit 63 for each order of the frequency component, and converts them into a voltage signal. Since the converted voltage signal does not contain slot harmonic components, as shown in FIG. 7, the voltage fluctuation period is longer than that of the voltage signal shown in FIG. In other words, the detailed waveform of the rotor slot pitch Sp does not appear in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing differential waveforms obtained by the short-circuit detector 65.
  • the voltage signal converted by the signal converter 64 is input to the short-circuit detector 65 .
  • the short-circuit detection unit 65 divides the input voltage signal for each circumferential angle of the rotor 30 corresponding to the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 of the rotor 30 . Since the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 have different polarities, the waveform from 0° to 180° corresponding to the first magnetic pole 36 and the waveform from 180° to 360° corresponding to the second magnetic pole 37 to generate a differential waveform of each voltage signal corresponding to the first magnetic pole 36 and the second magnetic pole 37 . That is, the differential waveform shown in FIG. 8 is obtained by dividing the waveform shown in FIG. 7 into left and right parts and adding them together.
  • a peak waveform P1 due to one wave of the peak voltage in the positive direction appears at the position of 50°
  • a peak waveform P2 due to one wave of the peak voltage in the negative direction appears at the position of 130°.
  • “one wave” is from the circumferential angle at which the voltage absolute value is the smallest on one side of the peak voltage to the circumferential angle at which the voltage absolute value is the smallest on the other side of the peak voltage. is one waveform in the range W ⁇ of .
  • the vertical dashed line in FIG. 8 represents the circumferential angle from the first slot to the eighth slot.
  • the dashed line closest to 90° corresponding to the center of the magnetic pole is the first slot, and the dashed line closest to 0° and 180° is the eighth slot.
  • the interval between adjacent dashed lines corresponds to the rotor slot pitch Sp.
  • the appearance of the peak waveforms P1 and P2 in the range W ⁇ wider than the rotor slot pitch Sp in the differential waveform indicates that the field winding 32 is short-circuited.
  • Both the 50° peak voltage and the 130° peak voltage are closest to the dashed lines ⁇ 1 and ⁇ 2 representing the second slots. Based on this result, the short-circuit detector 65 estimates that the field winding 32 is short-circuited in the second slot.
  • FIG. 9 is a diagram showing differential waveforms obtained by a short-circuit detection unit according to a comparative example.
  • the comparative example shown in FIG. 9 shows the case where the stator core 21 is magnetically saturated, and peak waveforms PP1 and PP2 having peak voltages at circumferential angles other than the second slot where the short circuit originally occurs are generated.
  • the peak voltages of the peak waveforms PP1 and PP2 are closer to the dashed line of the first slot than the dashed lines ⁇ 1 and ⁇ 2 representing the second slot, indicating that the field winding 32 is short-circuited in the first slot.
  • an erroneous determination that a short circuit occurs in a slot that is not originally shorted that is, an erroneous detection of a short circuit position.
  • the conditions under which erroneous detection does not occur are the angles of the peak voltages of the peak waveforms P1 and P2 wider than the rotor slot pitch Sp appearing in the differential waveform obtained by the short circuit detection unit 65, and the rotor slot where the short circuit actually occurs. 33 angle is less than 1/2 of the rotor slot pitch Sp. When this difference becomes 1/2 or more of the rotor slot pitch Sp, it is erroneously detected as if a short circuit has occurred in an adjacent slot that is not originally short-circuited or in an adjacent slot.
  • the search coil 50 since the search coil 50 is arranged inside the stator slot 23, it does not become an obstacle when the rotor 30 is attached or detached. not be directly exposed to high-velocity circulating cooling air currents. Therefore, the search coil 50 does not require a movable and complicated probe, nor does it require a robust and large-sized probe that can withstand vibrations caused by the cooling airflow. For example, it is possible to construct a simple probe that is protected by a thin plate hardened with resin and fixed to the stator wedge 24 by adhesion or the like. Therefore, the short circuit detection device 100 can reliably detect the short circuit of the field winding 32 of the rotor 30 with a small and simple configuration.
  • a fixing jig may be interposed between the stator wedge 24 and the search coil 50 .
  • the search coil 50 has a range in which the distance to the radial position of the tooth tip 21A in the stator slot 23 decreases as the maximum magnetic flux density at the tooth tip 21A of the stator 20 accompanying the rotation of the rotor 30 increases. placed in Therefore, even under operating conditions of the turbine generator 10 where the magnetic flux density is high, it is possible to reliably detect at which position in the rotor 30 the short circuit of the field winding 32 occurs in the circumferential direction.
  • the ratio (y/d) of the radial distance y to the position of the search coil 50 with respect to the radial distance d to the surface of the multiphase winding 22, with the tooth tip 21A as a reference for the radial position is 0 to 100. %, the search coil 50 is arranged in a range further restricted by the function f(x) of the maximum magnetic flux density x. That is, by arranging the search coil 50 in the position range Sxy shown in FIG. 3, it is possible to easily and reliably detect a short circuit in the field winding 32 with high reliability.
  • the number of stator slots 23, the number of rotor slots 33, the number of magnetic poles 36 and 37, and the rotor slot pitch Sp are not limited to the above examples.
  • the short circuit detection section 65 should generate a differential waveform as follows.
  • the short-circuit detection unit 65 first divides the voltage signal converted by the signal conversion unit 64 for each angle in the circumferential direction of the rotor 30 corresponding to each of the plurality of magnetic poles of the rotor 30 .
  • the short-circuit detection unit 65 may generate differential waveforms of voltage signals corresponding to adjacent magnetic poles among the plurality of magnetic poles.
  • Embodiment 1 there is one rotor slot pitch Sp, but there may be a plurality of rotor slot pitches Sp.
  • the largest voltage component of the rotor slot pitch Sp that is, the order of the smallest slot harmonic among the plurality of slot harmonics is defined as the fundamental order of the slot harmonics.
  • a threshold may be set on the basis of this assumption. Thereby, frequency components corresponding to all rotor slot pitches Sp can be removed.
  • the specific frequency component reduction unit 63 does not necessarily have to reduce all odd-order frequency components. That is, the specific frequency component reduction unit 63 may leave some odd-order frequency components without reducing them within a range in which even-order frequency components can be detected.
  • the specific frequency component reduction unit 63 does not necessarily have to remove all even-numbered frequency components higher than the threshold. That is, the specific frequency component reduction unit 63 reduces even-order frequency components higher than the threshold value to the difference waveform in the short-circuit detection unit 65 within a range in which peak waveforms P1 and P2 wider than the rotor slot pitch Sp can be obtained. may be attenuated.
  • the signal decomposing unit 62 decomposes the voltage signal into a plurality of frequency components of different orders, and further separates the plurality of frequency components into amplitude and phase. Then, the specific frequency component reduction unit 63 performs processing to reduce a specific frequency component of the amplitude.
  • the method of decomposing the signal is not particularly limited to this.
  • the signal decomposition unit 62 decomposes the voltage signal into a plurality of frequency components of different orders, and the specific frequency component reduction unit 63 performs processing to reduce specific frequency components of the decomposed plurality of frequency components. good too. According to this, the processing of signal decomposition can be simplified.
  • the rotor 30 is arranged on the inner peripheral side of the stator 20 in Embodiment 1, the rotor 30 may be arranged on the outer peripheral side of the stator 20 .
  • the turbine generator 10 is used as the rotating electrical machine, but the rotating electrical machine may be a generator other than the turbine generator 10 or an electric motor.
  • the search coil 50 is used as the magnetic detector, the magnetic detector is not limited to this.
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing an example of hardware that implements each function of the signal processing device 60.
  • the signal processing device 60 is configured with a processing circuit 60A that is dedicated hardware.
  • the processing circuit 60A is, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof. Applicable.
  • FIG. 11 is a configuration diagram showing another example of hardware that implements each function of the signal processing device 60 according to the first embodiment.
  • the processing circuit 60B comprises a processor 201 and a memory 202.
  • FIG. 11 is a configuration diagram showing another example of hardware that implements each function of the signal processing device 60 according to the first embodiment.
  • the processing circuit 60B comprises a processor 201 and a memory 202.
  • the functions of the signal processing device 60 are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are written as programs and stored in memory 202 .
  • the processor 201 implements each function by reading and executing a program stored in the memory 202 .
  • the program stored in the memory 202 causes the computer to execute the procedure or method of each unit described above.
  • the memory 202 is, for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable and volatile or volatile semiconductor memory.
  • the memory 202 also includes magnetic disks, flexible disks, optical disks, compact disks, mini disks, DVDs, and the like.
  • the processing circuit can realize the functions of the signal processing device 60 described above by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
  • Embodiment 2 the search coil 50 is arranged inside the stator slot 23.
  • a ventilation passage is installed in the stator core to supply cooling air.
  • the search coil 50 can also be installed in the ventilation path.
  • FIG. 12 is a configuration diagram showing a rotating electric machine and a short-circuit detection device according to Embodiment 2.
  • FIG. 12 shows an axial cross-sectional view of the turbogenerator 10 .
  • the stator core 21 is provided with a plurality of ventilation passages 80 radially penetrating the stator core 21 in the axial direction to pass the cooling air.
  • the short-circuit detection device 100A includes a search coil 50, a signal processing device 60 that processes detection signals from the search coil 50, and a display device 70. A short circuit in the magnetic winding 32 is detected.
  • the air passages 80 are axially sandwiched between the stator cores 21 , and the search coil 50 is fixed within one air passage 80 . Also, the search coil 50 faces the field winding 32 (not shown) through the air gap 40 .
  • the radial position of the search coil 50 within the ventilation passage 80 can be determined in the same manner as the radial position within the stator slot 23 of the first embodiment. That is, the search coil 50 is arranged in the position range Sxy shown in FIG. 3 of the first embodiment.
  • the ventilation passage 80 radially penetrates the stator core 21 , it becomes easy to pull out the search coil 50 and its lead wire to the outside of the turbine generator 10 . Moreover, unlike the case where the search coil 50 is arranged in the stator slot 23, there is an advantage that it does not interfere with inspection of the stator wedge 24. FIG. Furthermore, by inserting the search coil 50 from the outside of the turbine generator 10 as necessary, it becomes possible to temporarily install the search coil 50 later only when inspecting the short circuit of the field winding 32 .
  • 10 turbine generator (rotating electric machine), 20 stator, 21 stator core, 21A tooth tip, 22 polyphase winding, 23 stator slot, 25 tooth, 30 rotor, 32 field winding, 33 rotor slot , 36 first magnetic pole, 37 second magnetic pole, 40 air gap, 50 search coil (magnetic detector), 60 signal processing device, 61 signal acquisition unit, 62 signal decomposition unit, 63 specific frequency component reduction unit, 64 signal conversion unit, 65 short-circuit detection unit, 80 ventilation path, 100, 100A short-circuit detection device, f function, d, y radial distance, S xy position range, Sp rotor slot pitch.

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Abstract

回転電機（１０）の短絡検知装置（１００）は、信号取得部（６１）、信号分解部（６２）、特定周波数成分低減部（６３）、信号変換部（６４）および短絡検知部（６５）を有する信号処理装置（６０）と、固定子（２０）内部に配置された磁気検出器（５０）とを備えて、界磁巻線（３２）の短絡を検知する。信号分解部（６２）は、信号取得部（６１）からの電圧信号を、次数の異なる複数の周波数成分に分解し、特定周波数成分低減部（６３）は、奇数次の周波数成分と、スロット高調波の基本次数未満の閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させ、信号変換部（６４）は、電圧信号に変換する。短絡検知部（６５）は、各磁極に対応する電圧信号の差分波形を生成して、界磁巻線（３２）の短絡および短絡位置を検知する。

Description

回転電機の短絡検知装置
　本願は、回転電機の短絡検知装置に関するものである。
　回転電機の界磁巻線で発生する短絡を検知するため、例えば、特許文献１記載の従来技術では、回転子の界磁巻線の短絡による界磁磁束の変化を、ピックアップコイルを内蔵したプローブによって検知する。プローブは、回転子の引き抜き時あるいは再挿入時の障害とならないように、固定子鉄心の軸方向に設けられた冷却通風ダクトを通じて半径方向にスライド可能とする機構を有している。回転電機の運転時には、プローブは空隙内で回転子に近接するように伸展して固定される。
特許第２８２５３７３号公報
　上記特許文献１記載の従来の技術では、プローブをスライド可能とする可動機構と、固定子と回転子との間の空隙に流れる冷却気流による振動に対して十分な強度を有するプローブ構造とを要し、界磁巻線の短絡を検知するために、複雑で大型な構成を要するものであった。
　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型で簡略な構成にて回転子の界磁巻線の短絡を信頼性良く検知できる、回転電機の短絡検知装置を提供することを目的とする。
　本願に開示される回転電機の短絡検知装置は、回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する。前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置される。前記信号処理装置は、前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部と、を備える。
　本願に開示される回転電機の短絡検知装置によれば、小型で簡略な構成にて回転子の界磁巻線の短絡を信頼性良く検知できる。
実施の形態１による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。 実施の形態１によるサーチコイルの位置を説明する図である。 実施の形態１によるサーチコイルの位置の範囲を、磁束密度に応じて示す図である。 実施の形態１による信号取得部によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。 実施の形態１による信号分解部によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 実施の形態１による特定周波数成分低減部による低減処理後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 実施の形態１による信号変換部によって変換された電圧信号を示す図である。 実施の形態１による短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。 比較例による、短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。 実施の形態１による信号処理装置の各機能を実現するハードウェアの例を示す構成図である。 実施の形態１による信号処理装置の各機能を実現するハードウェアの別例を示す構成図である。 実施の形態２による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。
実施の形態１．
　以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、実施の形態１による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。実施の形態１では、回転電機としてタービン発電機１０が採用されている。図１において、タービン発電機１０については、タービン発電機１０の軸方向に垂直な断面が示されている。
　図１に示したように、タービン発電機１０は、電機子としての固定子２０及び界磁としての回転子３０を備えている。固定子２０は、円筒状の固定子コア２１と、多相巻線２２とを有している。固定子２０は、回転子３０の外側に設けられている。
　固定子コア２１の軸方向は、固定子コア２１の軸心に沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。固定子コア２１の径方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円の径方向である。固定子コア２１の周方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円弧に沿う方向である。
　固定子コア２１の内周部には、複数の固定子スロット２３が形成されている。各固定子スロット２３は、固定子コア２１の径方向に沿って形成されている。また、複数の固定子スロット２３は、固定子コア２１の周方向に等ピッチで配置されている。実施の形態１では、固定子スロット２３の総数は８４である。複数の固定子スロット２３には、多相巻線２２が巻かれている。
　回転子３０は、回転子コア３１、界磁巻線３２、及び図示しない回転軸を有している。回転子コア３１及び回転軸は、固定子コア２１と同軸に配置されている。回転子３０は、回転軸を中心に回転可能である。
　回転子コア３１の軸方向は、回転子コア３１の軸心Ｏに沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。回転子コア３１の径方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円の径方向である。回転子コア３１の周方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円弧に沿う方向である。
　回転子コア３１の外周部には、複数の回転子スロット３３が形成されている。各回転子スロット３３は、回転子コア３１の径方向に沿って形成されている。
　実施の形態１では、複数の回転子スロット３３は、第１スロット群３４と第２スロット群３５とに分かれている。第１スロット群３４及び第２スロット群３５には、それぞれ１６個の回転子スロット３３が含まれている。即ち、回転子スロット３３の総数は、３２である。
　第１スロット群３４及び第２スロット群３５において、複数の回転子スロット３３は、回転子コア３１の周方向に等ピッチで配置されている。回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向に隣り合う２つの回転子スロット３３の幅方向中心間の距離である。実施の形態１における回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向角度によって表すと７．４２°である。以下、各回転子スロット３３のピッチは、回転子スロットピッチＳｐと呼ばれる。
　第１スロット群３４と第２スロット群３５との間には、第１磁極３６及び第２磁極３７が形成されている。図１において、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子３０の周方向における第１磁極３６の中心と、第２磁極３７の中心とを通る一点鎖線は、以下、磁極中心線Ｃ１と呼ばれる。第１スロット群３４と第２スロット群３５とは、磁極中心線Ｃ１を中心として対称に配置されている。
　また、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子コア３１の周方向における第１スロット群３４の中心と、第２スロット群３５の中心とを通る一点鎖線は、以下、極間中心線Ｃ２と呼ばれる。
　複数の回転子スロット３３のそれぞれは、磁極中心線Ｃ１に近い方から順に第１スロット、第２スロット、・・・、第８スロットと呼ばれる。言い換えると、複数の回転子スロット３３のそれぞれは、極間中心線Ｃ２に遠い方から順に第１スロット、第２スロット、・・・、第８スロットと呼ばれる。
　複数の回転子スロット３３には、磁極中心線Ｃ１を挟んで、第１スロット群３４と第２スロット群３５とを往復するように界磁巻線３２が巻かれている。界磁巻線３２において、隣り合う回転子スロット３３に配置されている部分は、互いに直列に接続されている。
　界磁巻線３２は、図示しない外部電源によって直流励磁される。これにより、第１磁極３６及び第２磁極３７の一方がＮ極となり、他方がＳ極となる。つまり、タービン発電機１０は２極の発電機である。
　固定子コア２１と回転子コア３１との間には空隙４０が形成されている。多相巻線２２は、図示しない外部電源によって交流励磁される。これにより、空隙４０内に回転磁界が発生する。
　短絡検知装置１００は、タービン発電機１０の界磁巻線３２の短絡を検知するもので、磁気検出器としてのサーチコイル５０と、サーチコイル５０からの検出信号を処理する信号処理装置６０と、表示装置７０とを備える。サーチコイル５０は、固定子２０の内部に配置され、この場合、固定子コア２１の１つの固定子スロット２３内に固定されている。また、サーチコイル５０は、空隙４０を介して界磁巻線３２に対向している。
　サーチコイル５０には、主磁束及び漏れ磁束が鎖交する。主磁束は、空隙４０に発生する磁束であり、漏れ磁束は、各回転子スロット３３から漏出する磁束である。サーチコイル５０に鎖交する磁束は、鎖交磁束と呼ばれる。
　サーチコイル５０は、第１端子５１及び第２端子５２を有している。サーチコイル５０に磁束が鎖交すると、第１端子５１と第２端子５２との間に検出信号である電圧信号が誘起される。サーチコイル５０内の鎖交磁束の分布は、回転子３０の回転に伴って変動する。
　信号処理装置６０は、機能ブロックとして、信号取得部６１、信号分解部６２、特定周波数成分低減部６３、信号変換部６４、及び短絡検知部６５を備えている。
　信号取得部６１は、サーチコイル５０に誘起される電圧信号を取得する。信号分解部６２は、信号取得部６１によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する。さらに、信号分解部６２は、分解された各周波数成分を振幅と位相とに分離する。
　特定周波数成分低減部６３は、スロット高調波の基本次数よりも低い周波数成分の次数を閾値として設定する。スロット高調波は、回転子スロットピッチＳｐに相関を有する高調波である。
　さらに、特定周波数成分低減部６３は、分離された振幅のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる。
　信号変換部６４は、位相と、特定周波数成分低減部６３による低減処理後に得られた振幅とを、周波数成分の次数ごとにすべて積算することにより特定周波数成分の低減後の電圧信号に変換する。
　短絡検知部６５は、変換された特定周波数成分低減後の電圧信号を、回転子３０の第１磁極３６及び第２磁極３７にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、第１磁極３６及び第２磁極３７に対応する各電圧信号の差分波形を生成する。そして、短絡検知部６５は、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線３２の短絡を検知するとともに、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する。
　さらに、短絡検知部６５は、界磁巻線３２の短絡の発生有無、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置に関する情報を表示装置７０へ出力する。
　表示装置７０は、信号処理装置６０の外部に設けられている。表示装置７０は、短絡検知部６５からの情報に基づいて、界磁巻線３２の短絡の有無、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置を表示する。
　なお、表示装置７０は、短絡検知装置１００の外部に設けられても良い。
　固定子スロット２３内に配置されたサーチコイル５０について、以下に説明する。
　図２は、サーチコイル５０の位置を説明する図である。図に示すように、サーチコイル５０は、２つのティース２５で挟まれた固定子スロット２３の内部にある固定子ウェッジ２４に固定されている。固定子ウェッジ２４は非磁性材料から成り、固定子スロット２３の内部で多相巻線２２の外側（開口側）に充填される。そして、サーチコイル５０も、固定子スロット２３の内部で多相巻線２２の外側に配置される。
　そして、固定子スロット２３の開口面の径方向位置、即ちティース先端２１Ａの径方向位置からサーチコイル５０の配設位置までの径方向距離ｙは、ティース先端２１Ａの径方向位置から多相巻線２２の表面までの径方向距離ｄより小さく、０＜ｙ＜ｄとなる。
　ところで、界磁巻線３２に流れる電流が増加していくと主磁束も増加していくため、次第に固定子コア２１が磁気飽和していく。磁気飽和した固定子コア２１からは固定子スロット２３へ磁束が漏れ出すため、界磁巻線３２の短絡で生じた磁束量の変化よりも、これとは無関係な主磁束の磁束量の変化の方の影響が大きくなる。したがって、正確に短絡が発生していること、あるいは短絡が発生している回転子スロット３３の位置を検知することが困難になる。
　図３は、サーチコイルの位置の範囲を、磁束密度に応じて示す図である。
　ここでは、界磁巻線３２の電流を次第に増加させていき、固定子コア２１が磁気飽和するまでの条件において、固定子スロット２３に隣接している固定子コア２１のティース先端２１Ａの磁束密度に対する、サーチコイル５０の位置範囲Ｓｘｙを示す。縦軸は、ティース先端２１Ａでの最大磁束密度ｘ［Ｔ］（Ｔ：テスラ）を示す。横軸は、ティース先端２１Ａを径方向位置の基準として、多相巻線２２の表面までの径方向距離ｄに対する、サーチコイル５０の配設位置までの径方向距離ｙの比率（ｙ／ｄ）を百分率％で示す。
　図に示すように、比率（ｙ／ｄ）が、０～１００％の内で、さらに最大磁束密度ｘの関数ｆ（ｘ）で制限される範囲に、サーチコイル５０が配置される。この位置範囲Ｓｘｙは、短絡の誤検知が発生しないサーチコイル５０の固定子スロット２３内部での位置範囲を示したもので、関数ｆ（ｘ）は、図１のタービン発電機１０の無負荷運転状態をシミュレーションすることにより得たものである。即ち、関数ｆ（ｘ）は、固定子コア２１が磁気飽和するまでの条件で、界磁巻線３２の短絡を誤検知しないように設定される。
　なお、誤検知とは、界磁巻線３２の短絡発生および短絡位置を誤って検知することであるが、その詳細については後述する。
　なお、関数ｆ（ｘ）は、最大磁束密度ｘ［Ｔ］を用いて以下の式で表される。
　ｆ（ｘ）＝８０１×５．９（（１．５－ｘ）＾（５．９））＋３．６
　一般に、ティース２５の磁束密度が１Ｔを超える領域では、それ以下の領域に比べて磁気飽和しやすく、かつ、固定子コア２１の積層鋼板の一般的な磁気特性から、磁束密度が大きくなると磁束漏れが指数関数的に急速に増加していく。即ち、この実施の形態においても、図３の縦軸に示す磁束密度が高くなっていくと、ティース２５から固定子スロット２３への漏れ磁束が大きくなる。この漏れ磁束は、回転子３０からの界磁磁束に対して大きくなるほど、サーチコイル５０で検出する界磁磁束に対して外乱となる。
　このため、磁束密度が高くなっていくと、サーチコイル５０の位置範囲Ｓｘｙは狭くなっていく。
　例えば、最大磁束密度ｘ［Ｔ］が０．８以下となる運転条件で短絡検知する場合では、サーチコイル５０の位置を示す比率（ｙ／ｄ）は、０～１００％のいずれであっても、界磁巻線３２の短絡した箇所を誤検知せずに推定することができる。
　また、例えば、最大磁束密度ｘ［Ｔ］が１．０以上となる運転条件で短絡検知する場合では、誤検知せずに正常に短絡した箇所を推定するためには、サーチコイル５０の位置を示す比率（ｙ／ｄ）は、２０％未満である。
　周囲に非線形な磁気特性を有する磁性材が存在する固定子スロット２３では、外周側であるスロット底に向かうほど、界磁巻線３２の短絡と無関係な磁束量変化による影響が顕著になる。このため、磁束密度が高い運転条件で界磁巻線３２の短絡を検知する場合、サーチコイル５０は、周囲に磁性材が少なく、界磁巻線３２の短絡による磁束量変化が大きいスロット開口部近くに配置される。
　次に、短絡検知装置１００の信号処理装置６０について、図面を参照しながら、より詳細に説明する。
　図４は、信号取得部６１によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。この波形図は、電磁界解析プログラムを用いて、図１のタービン発電機１０の無負荷運転状態をシミュレーションすることにより得られたものである。
　なお、シミュレーションは、例えば、第１磁極３６側の第２スロットにおいて、界磁巻線３２が１ターン分だけ短絡しているという条件で実行されている。このため、図４の波形図に基づいて以下に説明する例は、第１磁極３６側の第２スロットにおいて、界磁巻線３２が１ターン分だけ短絡している場合である。
　図４に示すように、例えば、周方向角度０°から１８０°までが第１磁極３６に対応し、周方向角度１８０°から３６０°までが第２磁極３７に対応している。従って、周方向角度９０°では、第１磁極３６の中心がサーチコイル５０に最も近付いており、周方向角度２７０°では、第２磁極３７の中心がサーチコイル５０に最も近付いている。図４の波形図において、３２個の細かな電圧変動は、回転子スロットピッチＳｐ、即ち、７．４２°ごとに発生している。
　図５は、信号分解部６２によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。横軸は、高調波の次数ｎであり、図中の棒グラフの一山を１次とする。図５では、１１０次までの高調波を示している。ｎは、１以上の整数である。なお、１１１次以上の次数の高調波は、振幅が小さいため表示を割愛する。縦軸は、各次数の高調波の電圧強度を示している。
　図５に示すように、奇数次の高調波の電圧強度は、偶数次の高調波の電圧強度よりも大きい。奇数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生しているか否かにかかわりなく発生する。一方、偶数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生している場合に発生する。
　また、奇数次の高調波のうち、１次の高調波の電圧強度が特に大きい。１次の高調波は、基本波とも呼ばれ、主磁束の周波数成分である。
　また、奇数次の高調波のうち、４７次の高調波は、その周辺の高調波に比べて電圧強度が大きい。４７次の高調波は、スロット高調波であり、回転子スロットピッチＳｐに相関を有する高調波である。４７次は、スロット高調波の基本次数である。スロット高調波は、回転子３０における１次の起磁力と、回転子スロットピッチＳｐのパーミアンス変化との差分によって発生する。パーミアンスは、起磁力から磁束密度への変換係数である。この場合、起磁力次数と、パーミアンス次数との差分４７がスロット高調波の次数となる。
　４８次以上の高調波は、回転子スロットピッチＳｐよりも狭いピッチ、つまり、周方向において回転子スロットピッチＳｐよりも小さい角度に相当する高調波である。回転子スロットピッチＳｐよりも小さい角度に対応する周波数成分は、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために必要な成分ではない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、４７次よりも小さい次数を、偶数次の周波数成分を除去するための閾値の次数として選択する。そして、特定周波数成分低減部６３は、選択された閾値よりも大きいすべての偶数次の周波数成分を除去する。
　スロット高調波の電圧強度は、スロット高調波に近い奇数次の周波数成分の電圧強度に比べて高い。そのため、スロット高調波の次数に近い偶数次の周波数成分ほど、スロット高調波の影響を受け、不安定になり易い。従って、スロット高調波の影響を受け易い偶数次の周波数成分が除去されるように閾値が設定されることがより好ましい。
　また、奇数次の周波数成分は、偶数次の周波数成分を検知することを阻害する要因となる。一方で、奇数次の周波数成分は、周方向角度を特定するために必要な情報を含んでいる。具体的には、奇数次の周波数成分を含むことにより、どちらの磁極側で短絡が発生したかを判別できる。
　そのため、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために、奇数次の周波数成分を完全に除去することは望ましくない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、奇数次の周波数成分を完全に除去するのではなく、減衰させる。
　より具体的に述べると、実施の形態１では、特定周波数成分低減部６３は、閾値を１２に設定し、１４次以上の偶数次の周波数成分を除去する。また、特定周波数成分低減部６３は、すべての奇数次の周波数成分を減衰させ、この場合、奇数次の１１次以下は１／５０に、奇数次の１３次以上はほぼゼロに減衰あるいは除去する。
　このように、この実施の形態において、周波数成分を低減させることには、周波数成分を除去すること、及び周波数成分を減衰させることが含まれる。
　図６は、特定周波数成分低減部６３による低減処理後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。図６に示すように、特定周波数成分低減部６３から出力される振幅成分の周波数スペクトルは、２次から１２次までの偶数次の周波数成分と、減衰された奇数次の周波数成分とを含んでいる。
　このように、特定周波数成分低減部６３が、スロット高調波の基本次数よりも低い次数である閾値よりも高い偶数次の周波数成分と、奇数次の周波数成分とを低減させることにより、界磁巻線３２での短絡検知の妨げとなる要因を小さくすることができる。これにより、短絡の検知精度を向上することができる。
　図７は、信号変換部６４によって変換された電圧信号を示す図である。
　信号変換部６４は、周波数成分の次数ごとに、位相と、特定周波数成分低減部６３による低減処理後の振幅とを、すべて積算して電圧信号に変換する。変換された電圧信号には、スロット高調波の成分が含まれていないので、図７に示すように、図４で示した電圧信号に比べて、電圧の変動周期が長くなっている。言い換えると、図７には、回転子スロットピッチＳｐの細かな波形が現れない。
　図８は、短絡検知部６５にて得られる差分波形を示す図である。
　短絡検知部６５には、信号変換部６４にて変換された電圧信号が入力される。そして、短絡検知部６５は、入力された電圧信号を、回転子３０の第１磁極３６及び第２磁極３７にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。第１磁極３６と第２磁極３７とは互いに極性が異なるため、第１磁極３６に対応する０°から１８０°までの波形と、第２磁極３７に対応する１８０°から３６０°までの波形とを足し合わせることで、第１磁極３６及び第２磁極３７に対応する各電圧信号の差分波形を生成する。
　即ち、図８に示した差分波形は、図７に示した波形を左右に分割し、互いに足し合わせることにより得られる。
　図８の差分波形では、５０°の位置に正方向のピーク電圧の一波によるピーク波形Ｐ１が現れ、１３０°の位置に負方向のピーク電圧の一波によるピーク波形Ｐ２が現れている。なお、「一波」とは、ピーク電圧の一側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度から、ピーク電圧の他側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度までの範囲Ｗαの一波形である。
　図８中の縦の破線は、第１スロットから第８スロットまでの周方向角度を表している。磁極の中心に対応する９０°に最も近い破線が第１スロットであり、０°及び１８０°に最も近い破線が第８スロットである。隣り合う破線同士の間隔は、回転子スロットピッチＳｐに相当する。
　このように、回転子スロットピッチＳｐよりも幅広の範囲Ｗαのピーク波形Ｐ１、Ｐ２が差分波形に現れることは、界磁巻線３２に短絡が発生していることを示している。
　５０°のピーク電圧及び１３０°のピーク電圧は、いずれも第２スロットを表す破線α１、α２に最も近い。この結果から、短絡検知部６５は、第２スロットにおいて界磁巻線３２の短絡が発生していると推定する。
　上述したように、界磁巻線３２に流れる電流が増加して固定子コア２１が磁気飽和すると、固定子コア２１から固定子スロット２３へ磁束が漏れ出して、界磁巻線３２の短絡検知に悪影響を及ぼす。
　図９は、比較例による、短絡検知部にて得られる差分波形を示す図である。図９に示す比較例では、固定子コア２１が磁気飽和した場合を示し、本来短絡が発生した第２スロットではない周方向角度にピーク電圧を有するピーク波形ＰＰ１、ＰＰ２が発生している。この場合、ピーク波形ＰＰ１、ＰＰ２の各ピーク電圧は、いずれも第２スロットを表す破線α１、α２よりも第１スロットの破線に最も近く、界磁巻線３２の短絡が第１スロットで発生していると誤って推定される。
　上記比較例に示すように、本来、短絡していないスロットで短絡が発生しているように、誤判断してしまう、即ち、短絡位置を誤って検知する誤検知について、この誤検知が発生しない条件を以下に説明する。
　誤検知が発生しない条件は、短絡検知部６５にて得られる差分波形に現れる、回転子スロットピッチＳｐより幅広のピーク波形Ｐ１、Ｐ２のピーク電圧の角度と、実際に短絡が発生した回転子スロット３３の角度との差分が、回転子スロットピッチＳｐの１／２未満であることである。この差分が回転子スロットピッチＳｐの１／２以上になると、本来、短絡していない隣接、あるいはさらに隣のスロットで短絡が発生しているように、誤検知される。
　以上のように、この実施の形態では、サーチコイル５０が、固定子スロット２３内部に配置されるので、回転子３０を着脱する時の障害にならない他、回転子３０の回転に伴って空隙４０で高速度に循環する冷却気流に直接的に晒されない。
　従ってサーチコイル５０は、可動式で複雑なプローブを要さず、また、冷却気流による振動に耐えうる強固で大型のプローブも必要ない。例えば、樹脂で固められた薄板で保護し、これを固定子ウェッジ２４に接着等で固定する等の簡素なプローブで構成できる。このため、短絡検知装置１００は、小型で簡略な構成にて回転子３０の界磁巻線３２の短絡を信頼性良く検知できる。
　なお、サーチコイル５０と固定子ウェッジ２４とが大きく離間する場合は、固定子ウェッジ２４とサーチコイル５０との間に、固定治具を介しても良い。
　また、サーチコイル５０は、固定子スロット２３内部で、回転子３０の回転に伴う固定子２０のティース先端２１Ａにおける最大磁束密度が大きいほど、ティース先端２１Ａの径方向位置までの距離が小さくなる範囲に配置される。このため、磁束密度が大きいタービン発電機１０の運転条件においても、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているか、信頼性良く検知できる。
　さらに、ティース先端２１Ａを径方向位置の基準として、多相巻線２２表面までの径方向距離ｄに対する、サーチコイル５０の位置までの径方向距離ｙの比率（ｙ／ｄ）が、０～１００％の内で、さらに最大磁束密度ｘの関数ｆ（ｘ）で制限される範囲に、サーチコイル５０が配置される。即ち、図３で示す位置範囲Ｓｘｙにサーチコイル５０を配置することにより、信頼性の高い界磁巻線３２の短絡検知を容易で確実に行える。
　また、実施の形態１において、固定子スロット２３の数、回転子スロット３３の数、磁極３６、３７の数、回転子スロットピッチＳｐは、上記の例に限定されない。
　例えば、磁極の数が２よりも多い場合、短絡検知部６５は、次のように差分波形を生成すればよい。短絡検知部６５は、まず、信号変換部６４により変換された電圧信号を、回転子３０の複数の磁極にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成すればよい。
　また、実施の形態１において、回転子スロットピッチＳｐは１通りであったが、回転子スロットピッチＳｐは、複数通り存在してもよい。回転子スロットピッチＳｐが複数通り存在する場合、回転子スロットピッチＳｐの最も大きな電圧成分、即ち、複数のスロット高調波のうち、最も次数の小さいスロット高調波の次数をスロット高調波の基本次数と見做して閾値を設定すればよい。これにより、すべての回転子スロットピッチＳｐに対応する周波数成分を除去することができる。
　また、実施の形態１において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしも全ての奇数次の周波数成分を低減させなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、偶数次の周波数成分を検知することができる範囲内で、一部の奇数次の周波数成分を低減せず残してもよい。
　また、実施の形態１において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしも閾値よりも高い偶数次の周波数成分を全て除去しなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、短絡検知部６５における差分波形に、回転子スロットピッチＳｐよりも幅広のピーク波形Ｐ１、Ｐ２が得られる範囲内で、閾値よりも高い偶数次の周波数成分を減衰させてもよい。
　また、実施の形態１において、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、さらに、複数の周波数成分を振幅と位相とに分離していた。そして、特定周波数成分低減部６３は、振幅について特定の周波数成分を低減させる処理を行っていた。しかし、信号を分解する方法は、これに特に限定されない。
　例えば、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、特定周波数成分低減部６３は、分解された複数の周波数成分について特定の周波数成分を低減させる処理を行ってもよい。これによれば、信号分解の処理をより簡易にすることができる。
　また、実施の形態１において、回転子３０は、固定子２０の内周側に配置されていたが、回転子３０は、固定子２０の外周側に配置されてもよい。
　また、実施の形態１において、回転電機としてタービン発電機１０が採用されていたが、回転電機は、タービン発電機１０以外の発電機であってもよいし、電動機であってもよい。
　また、磁気検出器としてサーチコイル５０を用いたが、これに限るものでは無い。
　また、実施の形態１の信号処理装置６０の機能は、処理回路によって実現される。
　図１０は、信号処理装置６０の各機能を実現するハードウェアの例を示す構成図である。この場合、専用のハードウェアである処理回路６０Ａにて信号処理装置６０が構成される。
　また、処理回路６０Ａは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
　また、図１１は、実施の形態１による信号処理装置６０の各機能を実現するハードウェアの別例を示す構成図である。この場合、処理回路６０Ｂは、プロセッサ２０１及びメモリ２０２を備えている。
　処理回路６０Ｂでは、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより、信号処理装置６０の機能が実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２０２に格納される。プロセッサ２０１は、メモリ２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。
　メモリ２０２に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２０２に該当する。
　なお、上述した信号処理装置６０の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。
　このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した信号処理装置６０の機能を実現することができる。
実施の形態２．
　上記実施の形態１では、サーチコイル５０を固定子スロット２３の内部に配置したが、タービン発電機１０では、上記特許文献１のように、固定子コア内に通風路を設置して冷却風を通風する場合があり、通風路内にサーチコイル５０を設置することもできる。
　図１２は、実施の形態２による回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。なお、回転電機であるタービン発電機１０は、通風路を設置したこと以外、実施の形態１で示したものと同様であり、適宜、図示および説明を省略する。図１２は、タービン発電機１０の軸方向断面図を示している。
　この実施の形態２では、固定子コア２１に、固定子コア２１を径方向に貫通する通風路８０が軸方向に複数個設けられて、冷却風が通風される。
　上記実施の形態１と同様に、短絡検知装置１００Ａは、サーチコイル５０と、サーチコイル５０からの検出信号を処理する信号処理装置６０と、表示装置７０とを備えて、タービン発電機１０の界磁巻線３２の短絡を検知する。
　図に示すように、通風路８０は軸方向に固定子コア２１に挟まれており、サーチコイル５０は、１つの通風路８０内に固定されている。また、サーチコイル５０は、空隙４０を介して図示しない界磁巻線３２に対向している。
　通風路８０内のサーチコイル５０の径方向位置は、上記実施の形態１の固定子スロット２３内の径方向位置と同様に決定できる。即ち、上記実施の形態１の図３で示す位置範囲Ｓｘｙにサーチコイル５０を配置する。
　上記実施の形態１で示したシミュレーションは、このような非磁性部分が存在する割合を加味しているので、サーチコイル５０を通風路８０内に設置しても同様の効果が得られる。
　また、通風路８０は、固定子コア２１を径方向に貫通しているため、サーチコイル５０及びそのリード線をタービン発電機１０の外側に引き出すことが容易となる。また、サーチコイル５０は、固定子スロット２３内に配置される場合と異なり、固定子ウェッジ２４の点検時に障害にならない、と言う利点がある。
　さらに、必要に応じてタービン発電機１０の外側からサーチコイル５０を挿入することで、界磁巻線３２の短絡検査の時のみ、臨時で後からサーチコイル５０を設置することが可能になる。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１０　タービン発電機（回転電機）、２０　固定子、２１　固定子コア、２１Ａ　ティース先端、２２　多相巻線、２３　固定子スロット、２５　ティース、３０　回転子、３２　界磁巻線、３３　回転子スロット、３６　第１磁極、３７　第２磁極、４０　空隙、５０　サーチコイル（磁気検出器）、６０　信号処理装置、６１　信号取得部、６２　信号分解部、６３　特定周波数成分低減部、６４　信号変換部、６５　短絡検知部、８０　通風路、１００，１００Ａ　短絡検知装置、ｆ　関数、ｄ，ｙ　径方向距離、Ｓｘｙ　位置範囲、Ｓｐ　回転子スロットピッチ。

Claims (8)

  1. 　回転電機の回転子の複数スロットに設けられている界磁巻線に対向して配置された磁気検出器と、該磁気検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備えて、前記界磁巻線の短絡を検知する回転電機の短絡検知装置において、
    　前記磁気検出器は、前記回転子に対し空隙を介して設けられた固定子の内部に配置され、
    　前記信号処理装置は、
    　　前記磁気検出器からの前記信号である電圧信号を取得する信号取得部と、
    　　前記信号取得部によって取得された前記電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部と、
    　　前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部と、
    　　前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部と、
    　　前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する前記回転子の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、該短絡が前記回転子の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部と、
    　を備える、
    回転電機の短絡検知装置。
  2. 　前記磁気検出器は前記固定子のスロット内部に配置される、
    請求項１に記載の回転電機の短絡検知装置。
  3. 　前記固定子には、冷却風の通風路が径方向に設けられ、前記磁気検出器は前記通風路の内部に配置される、
    請求項１に記載の回転電機の短絡検知装置。
  4. 　前記磁気検出器は、前記固定子のティース先端の径方向位置と前記固定子内部の多相巻線表面の径方向位置との間の径方向位置で、前記回転子の回転に伴う前記固定子の前記ティース先端における最大磁束密度が大きいほど、前記ティース先端の径方向位置までの距離が小さくなる範囲に配置される、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
  5. 　前記ティース先端を径方向位置の基準として、前記多相巻線表面までの径方向距離に対する、前記磁気検出器の位置までの径方向距離の比率が、０～１００％の内で、さらに前記最大磁束密度の関数で制限される範囲に、前記磁気検出器が配置される、
    請求項４に記載の回転電機の短絡検知装置。
  6. 　前記関数は、前記固定子のコアが磁気飽和するまでの条件で、前記界磁巻線の前記短絡を誤検知しないように設定される、
    請求項５に記載の回転電機の短絡検知装置。
  7. 　前記関数は、前記最大磁束密度をｘＴとした場合
    　８０１×５．９（（１．５－ｘ）＾（５．９））＋３．６
    で表される、
    請求項５または請求項６に記載の回転電機の短絡検知装置。
  8. 　前記磁気検出器は、サーチコイルである、
    請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
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