(57)【要約】【課題】回転電機内において長期運転に耐え得る十分な耐久性を確保しつつ、回転電機内に生じる流れの状態を高い分解能で検出することができる回転電機の状態監視システムを提供する。【解決手段】回転電機の状態監視システムを、圧電センサ３０と状態検出装置４０とで構成する。圧電センサ３０は、圧電材料３１と圧電材料３１を挟み込む少なくとも１組の電極対３２とを有し、電極対３２における一方の電極が回転ギャップ２４に向くように回転電機内に配置される。状態検出装置４０は、圧電センサ３０からの電気信号に基づいて、回転ギャップ２４内に生じる流れの状態を検出する。【選択図】図２
2019132703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の回転子と固定子との間に形成される回転ギャップ内に生じる流れの状態を監視するための回転電機の状態監視システムであって、
圧電材料と前記圧電材料を挟み込む少なくとも１組の電極対とを有し、前記電極対における一方の電極が前記回転ギャップに向くように前記回転電機内に配置され、前記圧電材料の変形に応じて前記電極対における一方又は他方の電極から電気信号を出力する圧電センサと、
前記圧電センサからの電気信号に基づいて、前記回転ギャップ内に生じる流れの状態を検出する状態検出装置と、を備える回転電機の状態監視システム。
【請求項２】
前記圧電センサは、複数の前記電極対を有し、
前記状態検出装置は、互いに隣接する２つの前記電極対からの電気信号を用いて前記回転ギャップ内に生じる流れに起因する圧力の移動速度を検出する、請求項１に記載の回転電機の状態監視システム。
【請求項３】
前記圧電センサは、互いに異なる少なくとも２つの方向に隣接して並ぶように配置された３組以上の前記電極対を有し、
前記状態検出装置は、各前記電極対からの電気信号を用いて前記回転ギャップ内に生じる流れに起因する圧力の前記少なくとも２つの方向における移動速度を検出する、請求項２に記載の回転電機の状態監視システム。
【請求項４】
前記圧電センサは、互いに異なる少なくとも２つの方向に隣接して並ぶように配置された３組以上の前記電極対を有し、
前記電極対のそれぞれにおいて前記回転ギャップ側を向く各電極は、突起構造物によって覆われ、
前記突起構造物が受けた圧力が前記回転ギャップ側を向く各電極が接する前記圧電材料の領域に伝わるようになっており、
前記状態検出装置は、前記回転ギャップ内に生じる流れによって前記突起構造物の表面に生じる圧力分布を各前記電極対からの電気信号を用いて検出し、前記圧力分布に基づいて、前記流れの方向を検出する、請求項１に記載の回転電機の状態監視システム。
【請求項５】
前記状態検出装置は、前記圧力分布及び前記圧力分布における圧力の値に基づいて、前記流れの流速をさらに検出する、請求項４に記載の回転電機の状態監視システム。
【請求項６】
回転電機の回転子と固定子との間に形成される回転ギャップ内に生じる流れの状態を監視するための回転電機の状態監視方法であって、
圧電材料と前記圧電材料を挟み込む少なくとも１組の電極対とを有し、前記圧電材料の変形に応じて前記電極対における一方又は他方の電極から電気信号を出力する圧電センサを、前記電極対における一方の電極が前記回転ギャップに向くように前記回転電機内に配置する工程と、
前記圧電センサからの電気信号に基づいて、前記回転ギャップ内に生じる流れの状態を検出する工程と、を備える回転電機の状態監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、回転電機の状態監視システム及び状態監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転界磁形の突極形回転電機では、突極形をなす複数の界磁鉄心が回転子に設けられて周方向に並び、回転子が回転した際、回転子と固定子との間の空間である回転ギャップ内に界磁鉄心によって複雑な非定常流れ、詳しくは非定常三次元流れが形成される。このような流動現象を状態監視することは、機器性能を安定に維持し、内部流れにより誘起される流体振動などによる機器の破損を防止する上で重要である。
【０００３】
例えば水車発電に用いられる大型の突極形回転電機は、一般に冷却空気を循環させて回転子及び固定子を冷却する。このような回転電機では、機内を循環する冷却空気が回転子の回転によって攪拌されることで複雑な非定常流れが生じ易く、回転ギャップ内の冷却空気の撹拌によるエネルギ損失の増加及びそれによる機械効率の低下の抑制が重要な課題とされている。しかしながら、現状、機内を循環する冷却空気の流れの安定化或いは冷却性能の最適化に向けて、必ずしも詳細な分析がなされているわけではない。
【０００４】
そのため、上述のような回転電機において回転ギャップ内の非定常流れに対する状態監視を行うことは非常に有用であり、このような状態監視を有効に実施した場合には、例えば機内全体の冷却空気の流れの異常状態を早期に発見して、これを解消するための対策を早期に実施することが可能となる。
【０００５】
回転電機内における空気の流れを計測する手法として、定常流れ又は時間変化の少ない準定常流れに対してはピトー管による計測が有効な手段である。しかしながら、ピトー管は構造上、周波数応答性に制限がある。言い換えると、流れの時間変化を高い分解能で検出することが現段階において実現されていない。そのため、時間変化の速い非定常流れを正確に計測することは困難となっている。
【０００６】
一方で、近年においては周波数応答性に優れた半導体歪みゲージを利用する圧力センサが流体計測に適用されている。このような半導体歪ゲージを有する圧力センサは、圧力変動を高い分解能で検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２６６４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
回転電機内の流動現象に起因する不所望な状態を早期に発見して回避するためには、非定常流れの状態を種々の観点から正確に検出或いは計測することが必須である。具体的には、流れによって生じる圧力の変動に加えて、例えば圧力の移動速度、流れの向き、流れの速度（流速）を正確に計測可能であれば、有用な状態監視を実施することができる。
【０００９】
しかしながら、上述したようにピトー管では時間変化の速い非定常流れを正確に計測することは困難である。また、半導体歪ゲージを利用する圧力センサは時間変化の速い非定常流れの圧力変動を計測し得るが、半導体歪ゲージの変形を促進させるために半導体歪ゲージと一体化されるダイヤフラムなどの可撓性部材と、この部材を浮いた状態で支持するための支持部材とを通常必要とする。そのため、サイズが比較的大きくなり、回転電機内の流れを大きく乱す虞がある。また、部材間の接続箇所、具体的には可撓性部材と支持部材との接続箇所が設置面から離れて位置し、この接続箇所に流れの影響で圧力が集中し得るため、その耐久性が十分であるとは言い難い。また、圧力は直接的に計測できるものの、流れの方向や速度は検出できない。
【００１０】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、回転電機内において長期運転に耐え得る十分な耐久性を確保しつつ、回転電機内に生じる流れの状態を高い分解能で検出することができ、さらには流れの状態監視のために回転電機内に配置する必要のある部材によって、回転電機内の流れが不所望に乱れることも抑制できる回転電機の状態監視システム及び状態監視方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施の形態にかかる回転電機の状態監視システムは、回転電機の回転子と固定子との間に形成される回転ギャップ内に生じる流れの状態を監視するための回転電機の状態監視システムであって、圧電材料と前記圧電材料を挟み込む少なくとも１組の電極対とを有し、前記電極対における一方の電極が前記回転ギャップに向くように前記回転電機内に配置され、前記圧電材料の変形に応じて前記電極対における一方又は他方の電極から電気信号を出力する圧電センサと、前記圧電センサからの電気信号に基づいて、前記回転ギャップ内に生じる流れの状態を検出する状態検出装置と、を備える状態監視システムである。
【００１２】
また、一実施の形態にかかる回転電機の状態監視方法は、回転電機の回転子と固定子との間に形成される回転ギャップ内に生じる流れの状態を監視するための回転電機の状態監視方法であって、圧電材料と前記圧電材料を挟み込む少なくとも１組の電極対とを有し、前記圧電材料の変形に応じて前記電極対における一方又は他方の電極から電気信号を出力する圧電センサを、前記電極対における一方の電極が前記回転ギャップに向くように前記回転電機内に配置する工程と、前記圧電センサからの電気信号に基づいて、前記回転ギャップ内に生じる流れの状態を検出する工程と、を備える状態監視方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転電機内において長期運転に耐え得る十分な耐久性を確保しつつ、回転電機内に生じる流れの状態を高い分解能で検出することができ、さらには流れの状態監視のために回転電機内に配置する必要がある部材によって、回転電機内の流れが不所望に乱れることも抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る状態監視システムが適用される回転電機の回転軸方向に沿う断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図２】図１（Ｂ）の拡大図である。
【図３】図３（Ａ）は、第１の実施の形態に係る状態監視システムの概略図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の矢印ＩＩＩの方向に状態監視システムを構成する圧電センサを見た図である。
【図４】図４（Ａ）は、第２の実施の形態に係る状態監視システムの概略図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の矢印ＩＶＢの方向に状態監視システムを構成する圧電センサを見た図である。
【図５】図５（Ａ），（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る状態監視システムにおける圧力の移動速度の検出手法を説明するための図である。
【図６】図６（Ａ）は、第３の実施の形態に係る状態監視システムを構成する圧電センサの斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印ＶＩＢの方向に圧電センサを見た図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の矢印ＶＩＣの方向に圧電センサを見た図である。
【図７】第３の実施の形態に係る状態監視システムの概略図である。
【図８】図８（Ａ），（Ｂ）は、第３の実施の形態に係る状態監視システムにおける流速の検出手法を説明するための図である。
【図９】第４の実施の形態に係る状態監視システムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の各実施の形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る状態監視システム１が適用される回転電機１０の回転軸方向に沿う断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図である。また、図２は、図１（Ｂ）の拡大図であり、図３（Ａ）は、状態監視システム１の概略図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の矢印ＩＩＩの方向に状態監視システム１を構成する圧電センサ３０を見た図である。
【００１７】
まず、本実施の形態に係る状態監視システム１が適用される回転電機１０の構成について説明する。図１に示される回転電機１０は大容量の水車用発電機として用いられる突極形回転電機であり、回転子１０Ｒと固定子１０Ｓとを備え、回転子１０Ｒは、回転子シャフト１１の外周側に配置される回転子スパイダ１２と回転子リム１３とを有している。
【００１８】
回転子スパイダ１２及び回転子リム１３はともに円環状をなし、回転子リム１３は回転子スパイダ１２を径方向の外側から囲い込んで回転子スパイダ１２に結合している。回転子リム１３の外周面には複数の突極形の界磁鉄心１４が固定され、界磁鉄心１４には回転子巻線１５が巻回されて界磁極１６が形成されている。
【００１９】
固定子１０Ｓは、図示しない例えば円筒状の固定子枠と、固定子枠の内周側に配置された円筒状の固定子鉄心１７とを有し、固定子鉄心１７は回転子巻線１５からの励磁により電力を発生する固定子巻線１８を収納している。また、固定子鉄心１７の外周面には複数の熱交換器１９が周方向に並ぶように配置されている。
【００２０】
本実施の形態における回転電機１０は、回転子シャフト１１の回転を利用して、図１（Ａ）の矢印で示す冷却空気２０を径方向の外側に向けて通風させる冷却方式を採用している。
【００２１】
詳しくは、回転子スパイダ１２に軸方向に沿って開口する通気孔２１が形成され、冷却空気２０は通気孔２１から回転子スパイダ１２の内部に流入した後、回転子シャフト１１の回転に伴う遠心ファン効果により回転子リム１３に設けられて径方向に貫通する通風ダクト２２を通り、隣り合う界磁鉄心１４の間の空間である磁極間空間２３へ吐出されるようになっている。この磁極間空間２３へ導かれた冷却空気２０は、回転子１０Ｒと固定子１０Ｓとの間の空間である回転ギャップ２４を経由し図示しない固定子鉄心ダクトを通ることで、固定子鉄心１７及び固定子巻線１８を冷却する。その後、冷却空気２０は、熱交換器１９で冷却されてから回転子スパイダ１２に戻されるようになっている。
【００２２】
このような回転電機１０では回転子リム１３に界磁鉄心１４が周方向に複数配置されるため、回転する界磁鉄心１４からの流れの剥離により、例えば図２に示される冷却空気２０ａのような非定常流れとしての渦が磁極間空間２３内に発生し得る。また回転ギャップ２４では、界磁鉄心１４の影響により回転方向Ｒに向かう冷却空気２０ｂのような流れが形成される。冷却空気２０ａ，２０ｂのような乱れた流れが生じた場合、径方向に沿って流れようとする冷却空気２０は、これら冷却空気２０ａ，２０ｂと干渉し得るために、磁極間空間２３内や回転ギャップ２４内には複雑な変動流れが形成され得る。このような複雑な変動流れは、撹拌損失を増加させるとともに機械効率を低下させる要因となる。
【００２３】
これに対し、本実施の形態では回転ギャップ２４内の流れ及びそれによる流体振動などの状態監視を行うべく、図２に示すように圧電センサ３０を固定子鉄心１７の内周面に配置するとともに圧電センサ３０を状態検出装置４０に電気的に接続することにより、状態監視システム１を構成している。この状態監視システム１では、状態検出装置４０が圧電センサ３０からの電気信号に基づき回転ギャップ２４内に生じる流れの状態を検出することで、当該流れに対する状態監視を行うようになっている。
【００２４】
図３（Ａ），（Ｂ）には圧電センサ３０の外観が概略的に示されており、圧電センサ３０は、圧電材料３１と、圧電材料３１を挟み込む陽極３３及び陰極３４からなる電極対３２とを有し、特に本実施の形態の圧電センサ３０は一組の電極対３２を有している。圧電材料３１は圧電効果が生じる材料であって、セラミック圧電素子や、例えば高分子強誘電体材料からなる高分子圧電フィルムなどであってもよい。圧電効果とは、圧電材料３１に圧力が作用することで生じる歪みに応じて電圧が発生する現象である。圧電材料３１では圧力が作用することにより、その結晶格子の中に配置されたイオンの位置にずれが発生する。これにより結晶が電気分極を起こすことで、圧電材料３１の両端に電圧が発生する。圧電材料３１は、このような圧電効果を利用して電気信号を取り出す電子部品或いは材料のことである。
【００２５】
本実施の形態では、圧電材料３１が高分子圧電フィルムから形成され、高分子強誘電体材料などの圧電効果が生じるプラスチックから形成される高分子圧電フィルムは、加工性に優れ、大面積で薄膜の圧電センサ３０を容易に実現することを可能とする。また、このような高分子圧電フィルムからなる圧電材料はセラミック圧電材料と比較して、柔軟性、耐衝撃性、耐高電圧性、耐水性、化学的安定性にも優れている。なお、図３（Ｂ）に示されるように、本実施の形態における圧電材料３１は円形状に形成されるが、その形状は特に限定されるものではなく、例えば矩形状などでもよい。
【００２６】
一方、陽極３３及び陰極３４もフィルム状であり、例えば銅箔や、アルミニウム箔などから形成され、それぞれ状態検出装置４０に電気的に接続されている。陽極３３及び陰極３４と状態検出装置４０は有線で接続されてもよいし、無線で接続されてもよい。陽極３３及び陰極３４は圧電材料よりも小径の円形状に形成され、圧電材料３１と同軸状に配置されているが、陽極３３及び陰極３４の形状及び大きさは特に限定されるものではない。本実施の形態では、陽極３３が回転ギャップ２４に向いて冷却空気２０に面するとともに、陰極３４が固定子鉄心１７の内周面に接触するように圧電センサ３０が回転電機１０内に配置される。より詳しくは、陽極３３の一方の主面が径方向に沿って回転ギャップ２４に向いている。
【００２７】
陽極３３は、陽極３３と陰極３４とが対向する方向に圧電材料３１が圧縮変形された際に、正の電圧が発生する電極のことを意味する。そのため、本実施の形態の場合、例えば冷却空気２０から圧力が陽極３３に作用した際に、陽極３３と陰極３４とが対向する方向に圧電材料３１が圧縮変形して圧電効果が生じ、この圧電効果によって陽極３３に正の電圧が発生して、陽極３３から電気信号が出力される。なお、陽極３３が固定子鉄心１７の内周面に接触され、陰極３４が回転ギャップ２４の方を向く配置が採用されもよい。
【００２８】
状態検出装置４０は圧電センサ３０からの上述のような電圧信号に基づいて、回転ギャップ２４内に生じる流れの状態を検出し、本実施の形態においては、上記電圧信号を圧力に換算することにより回転ギャップ２４内に生じる流れに起因する圧力の時間変化を常時計測するように構成される。すなわち、本実施の形態では、回転ギャップ２４内に生じる流れの状態として「流れに起因する圧力の変動状態」を検出することで、回転電機１０内の流れに対する状態監視を実施するようになっている。
【００２９】
以上のような状態監視システム１では、圧電センサ３０の基本的な構造が圧電材料３１を陽極３３と陰極３４で挟むだけの単純なものであるため、圧電センサ３０の薄型化が可能となり、特に本実施の形態では、圧電材料３１、陽極３３及び陰極３４がフィルム状であることで圧電センサ３０の厚さが非常に薄くなっている。さらに圧電センサ３０は、半導体歪ゲージのように浮かせた状態で支持されることなく壁面（本実施の形態では、固定子鉄心１７の内周面）に直接的に設置された状態にて流れに起因する圧力変動を高い分解能で検出することができる。そのため、圧力変動の検出に際して半導体歪ゲージを浮かせて支持するような部材が必要なく、局所的に応力が集中する部位もないため、好適な耐久性が確保される。また、回転ギャップ２４内に大きく張り出すこともないので、回転電機１０内の流れを大きく乱すこともない。
【００３０】
したがって、本実施の形態に係る状態監視システム１によれば、回転電機１０内において長期運転に耐え得る十分な耐久性を確保しつつ、回転電機１０内に生じる流れの状態を高い分解能で検出することができ、さらには、状態監視のために回転電機１０内に配置する必要のある部材によって、具体的には圧電センサ３０によって回転電機１０内の流れが不所望に乱れることも抑制できる。特に本実施の形態では、圧電材料３１が高分子圧電フィルムからなるため、柔軟性、耐衝撃性、耐高電圧性、耐水性、化学的安定性に優れており、圧電センサ３０に良好な耐久性が確保される。これにより、高温、高圧の雰囲気中に適用された場合であっても、長期にわたり有用な状態監視を行うことが可能となる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、図４及び図５を参照しつつ第２の実施の形態に係る状態監視システム２を説明する。本実施の形態の構成部分のうちの第１の実施の形態と同様のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。図４（Ａ）は、第２の実施の形態に係る状態監視システム２の概略図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の矢印ＩＶＢの方向に状態監視システム２を構成する圧電センサ３０を見た図である。
【００３２】
図４（Ａ），（Ｂ）に示される圧電センサ３０は、圧電材料３１と、４組の電極対３２と、を有している。電極対３２は、第１〜第４電極対３２Ａ〜３２Ｄを含む。第１電極対３２Ａは、陽極３３Ａ及び陰極３４Ａからなり、第２電極対３２Ｂは、陽極３３Ｂ及び陰極３４Ｂからなり、第３電極対３２Ｃは、陽極３３Ｃ及び陰極３４Ｃからなり、第４電極対３２Ｄは、陽極３３Ｄ及び陰極３４Ｄからなる。各陽極３３Ａ〜３３Ｄ及び各陰極３４Ａ〜３４Ｄはフィルム状であり、例えば銅箔や、アルミニウム箔などから形成され、それぞれ状態検出装置４０に電気的に接続されている。
【００３３】
各陽極３３Ａ〜３３Ｄ及び各陰極３４Ａ〜３４Ｄはそれぞれ、中心角が９０度をなす扇形となっている。第１電極対３２Ａの陽極３３Ａと第２電極対３２Ｂの陽極３３Ｂは、互いの中心角をｘ方向（第１方向）に対向させるように配置され、第１電極対３２Ａの陰極３４Ａと第２電極対３２Ｂの陰極３４Ｂも、互いの中心角をｘ方向に対向させるように配置されている。
【００３４】
一方で、第３電極対３２Ｃの陽極３３Ｃと第４電極対３２Ｄの陽極３３Ｄは、互いの中心角を、ｘ方向と同一面上でｘ方向に直交するｙ方向（第２方向）に対向させるように配置され、第３電極対３２Ｃの陰極３４Ｃと第４電極対３２Ｄの陰極３４Ｄも、互いの中心角をｙ方向に対向させるように配置されている。さらに、第３電極対３２Ｃの陽極３３Ｃ及び第４電極対３２Ｄの陽極３３Ｄはそれぞれ、第１電極対３２Ａの陽極３３Ａと第２電極対３２Ｂの陽極３３Ｂとの間に配置されるとともに、第３電極対３２Ｃの陰極３４Ｃ及び第４電極対３２Ｄの陰極３４Ｄはそれぞれ、第１電極対３２Ａの陰極３４Ａと第２電極対３２Ｂの陰極３４Ｂとの間に配置されている。
【００３５】
以上のような配置により、陽極３３Ａ〜３３Ｄ及び陰極３４Ａ〜３４Ｄはそれぞれ全体として円形状をなすように配置されている。言い換えると、圧電材料３１の一方側に配置される円形の陽極部材は、複数の陽極に分割（本例では、周方向に４分割）されており、圧電材料３１の他方側に配置される円形の陰極部材は、複数の陰極に分割（本例では、周方向に４分割）されている。なお、陽極３３Ａ〜３３Ｄはそれぞれ互いに分離されて電気的に接続されておらず、同様に陰極３４Ａ〜３４Ｄもそれぞれ互いに分離されて電気的に接続されていない。
【００３６】
本実施の形態においても陽極３３Ａ〜３３Ｄは回転ギャップ２４（図２参照）を向いており、例えば冷却空気２０から圧力が陽極３３Ａ〜３３Ｄに作用した際に、圧電効果によって陽極３３Ａ〜３３Ｄに正の電圧が発生して、陽極３３Ａ〜３３Ｄから電気信号が出力される。
【００３７】
本実施の形態では、状態検出装置４０が４つの電極対３２Ａ〜３２Ｄで発生する電圧に応じて出力される上述のような電気信号から陽極３３Ａ〜３３Ｄのそれぞれに作用する圧力を同時計測することができる。これにより、圧電センサ３０に作用する圧力分布の時間変化をとらえ、局所的に生じた異常な流体振動などを状態監視することが可能となっている。
【００３８】
また本実施の形態では、互いに異なる方向であるｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおいて電極対が隣接して並んでおり、状態検出装置４０が各電極対３２Ａ〜３２Ｄからの電気信号を用いて、回転ギャップ２４内の流れに起因する圧力のｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおける移動速度を検出するようになっている。
【００３９】
詳しくは、状態検出装置４０はｘ方向において互いに隣接する第１電極対３２Ａ及び第２電極対３２Ｂからの２つの電気信号を用いて、回転ギャップ２４内の流れに起因する圧力のｘ方向における移動速度を検出するとともに、ｙ方向において互いに隣接する第３電極対３２Ｃ及び第４電極対３２Ｄからの２つの電気信号を用いて、回転ギャップ２４内の流れに起因する圧力のｙ方向における移動速度を検出するようになっている。
【００４０】
図５（Ａ），（Ｂ）は、本実施の形態にかかる圧力の移動速度の検出手法を説明するための図である。図５（Ａ），（Ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸は電極対からの電気信号に基づき演算された圧力を示している。ｘ方向において第２電極対３２Ｂ側から第１電極対３２Ａ側に向けて圧力の移動が生じている場合、図５（Ａ）に示されるように、第２電極対３２Ｂからの電気信号に基づいて演算された圧力Ｐｂと、第１電極対３２Ａからの電気信号に基づいて演算された圧力Ｐａとの間には、時間差ｔｘが生じる。本実施の形態では、一例として第１電極対３２Ａの陽極３３Ａと第２電極対３２Ｂの陽極３３Ｂとの重心間の距離を時間差ｔｘで割ることで、ｘ方向における圧力の移動速度が検出されるようになっている。
【００４１】
一方で、ｙ方向における圧力の移動速度は、図５（Ｂ）に示されるように、第４電極対３２Ｄからの電気信号に基づいて演算された圧力Ｐｄと、第３電極対３２Ｃからの電気信号に基づいて演算された圧力Ｐｃとの間に生じる時間差ｔｙに基づいて検出される。本実施の形態では、このように圧力の移動速度を検出することで圧力の移動パターンを把握することが可能となり、不安定な非定常流れの状態を詳細に監視することが可能となる。
【００４２】
以上に説明した第２の実施の形態によれば、圧電センサ３０が複数の電極対３２Ａ〜３２Ｄを有することで、回転ギャップ２４内に生じる流れに起因する圧力の分布や圧力の移動速度などを検出することが可能となり、回転ギャップ２４内の流れの状態を正確に監視することが可能となる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
次に、図６乃至図８を参照しつつ第３の実施の形態に係る状態監視システム３を説明する。本実施の形態の構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態と同様のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。図６（Ａ）は、第３の実施の形態に係る状態監視システム３を構成する圧電センサ３０の斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印ＶＩＢの方向に圧電センサ３０を見た図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の矢印ＶＩＣの方向に圧電センサ３０を見た図である。また、図７は状態監視システム３の概略図である。
【００４４】
本実施の形態における圧電センサ３０は、第２の実施の形態と同様の圧電材料３１と、４組の電極対３２Ａ〜３２Ｄとを有している。一方で、電極対３２Ａ〜３２Ｄのそれぞれにおいて回転ギャップ２４側を向く各陽極３３Ａ〜３３Ｄは突起構造物３６によって覆われており、突起構造物３６が受けた圧力が圧電材料３１における各陽極３３Ａ〜３３Ｄが接する領域に伝わるようになっている。
【００４５】
突起構造物３６は一例として半球状の中実な構造物であり、球面が回転ギャップ２４に晒され、半球底面が各陽極３３Ａ〜３３Ｄに接している。このような構成においては、例えば冷却空気２０がある流速ベクトルを有している場合、この流れが半球状の突起構造物３６と干渉することによって、突起構造物３６の半球表面に圧力分布が発生する。この圧力分布は冷却空気２０の圧力ではなく、冷却空気２０の流速ベクトルを反映した圧力分布となる。
【００４６】
本実施の形態における状態検出装置４０は、上述のような流速ベクトルを反映した圧力分布を各電極対からの電気信号を用いて検出し、この圧力分布に基づいて、まず回転ギャップ２４内に生じる流れの方向を検出するようになっている。例えば図６（Ａ），（Ｃ）における矢印αで示されるように、冷却空気２０の流速方向がｙ軸に対して角度φ（但し、φ＜４５°）で傾いて第３電極対３２Ｃ側から第４電極対３２Ｄ側に向いている場合、突起構造物３６の球面においては、第３電極対３２Ｃの真上に位置するＣ点（図６（Ｃ）参照）を含む領域に流れが衝突するため、当該領域に作用する圧力が最も大きくなる。これに対し、流れが衝突する領域の裏側になるＤ点を含む領域の圧力は低下する。また、突起構造物３６により流れが加速されるＡ点を含む領域及びＢ点を含む領域においても圧力は低下し、点Ａを含む領域及びＢ点を含む領域に作用する圧力は、Ｄ点を含む領域に作用する圧力よりも小さくなる。
【００４７】
上述のように突起構造物３６の球面に作用する圧力が突起構造物３６の底面を経て陽極３３Ａ〜３３Ｄに伝達されることで、状態検出装置４０には各陽極３３Ａ〜３３Ｄに作用した圧力に対応する電気信号が入力され、これにより状態検出装置４０は流速ベクトルを反映した圧力分布を検出することが可能となる。そして状態検出装置４０は、この圧力分布に基づいて流れの方向を検出することができる。具体的に状態検出装置４０は、各陽極３３Ａ〜３３Ｄに対応する電気信号に基づいて各陽極３３Ａ〜３３Ｄに対応する圧力を演算し、演算した圧力のうち最も大きい圧力が演算された陽極の側からこれにｘ方向又はｙ方向で対向する陽極の側に向かう向きを「流れの向き」として特定することができる。
【００４８】
また本実施の形態における状態検出装置４０は、上述のようにして検出される圧力分布及び圧力分布における圧力の値に基づいて、流れの流速をさらに検出するようになっている。具体的には、ｘ方向における流速Ｕｘを、以下の式（１）により検出し、ｙ方向における流速Ｕｙを、以下の式（２）により検出する。
【００４９】
Ｕｘ＝ｆｘ（Ｐｂ−Ｐａ）・・・（１）
Ｕｙ＝ｆｙ（Ｐｄ−Ｐｃ）・・・（２）
【００５０】
つまり、本実施の形態では、ｘ方向に対向する第１電極対３２Ａ、第２電極対３２Ｂの各陽極３３Ａ，３３Ｂに作用した圧力の差を所定の関数ｆｘに代入することにより、ｘ方向における流速Ｕｘを検出し、ｙ方向に対向する第３電極対３２Ｃ、第４電極対３２Ｄの各陽極３３Ｃ，３３Ｄに作用した圧力の差を所定の関数ｆｙに代入することにより、ｙ方向における流速Ｕｙを検出する。
【００５１】
図８（Ａ），（Ｂ）は、上述のような流速の検出手法を説明するための図である。図８（Ａ）において、横軸は陽極３３Ａ，３３Ｂに作用した圧力の差を示し、縦軸はｘ方向における流速Ｕｘを示している。図８（Ｂ）において、横軸は陽極３３Ｃ，３３Ｄに作用した圧力の差を示し、縦軸はｙ方向における流速Ｕｙを示している。図８（Ａ），（Ｂ）においては、圧力差の増加に伴い、所定の増加量で流速が増加する。このような増加傾向は、関数形ｆｘ，ｆｙによって定まり、ここで使用される関数形ｆｘ，ｆｙは突起構造物３６の形状に依存する。このような関数形ｆｘ，ｆｙは、突起構造物３６に対する風洞試験により取得した特性データに基づいて特定され、本例では状態検出装置４０に予め記憶されている。
【００５２】
以上に説明した第３の実施の形態によれば、圧電センサ３０が複数の電極対３２Ａ〜３２Ｄを有するとともに、圧電センサ３０は、電極対３２Ａ〜３２Ｄのそれぞれにおいて回転ギャップ２４側を向く各陽極３３Ａ〜３３Ｄを覆うように配置された突起構造物３６をさらに有している。これにより、回転ギャップ２４内に生じた流れの流速ベクトルを反映した圧力分布を検出し、これに基づき流れの方向及び流れの流速を検出することができるため、有用な状態監視を実施することが可能となる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
次に、図９を参照しつつ第４の実施の形態に係る状態監視システム４を説明する。本実施の形態の構成部分のうちの第１乃至第３の実施の形態と同様のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。図９は、第３の実施の形態に係る状態監視システム４の概略図である。
【００５４】
本実施の形態では、回転ギャップ２４内の異常な流体振動などを広範囲に状態監視するために、複数の圧電センサ３０が固定子鉄心１７の内周面に間隔を空けて設けられる。状態検出装置４０は複数の圧電センサ３０からの電気信号に基づき、回転ギャップ２４内の流れの状態を複数点で検出するようになっている。このような実施の形態では、回転ギャップ２４内の流れの状態を広範囲にわたって監視可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【００５６】
例えば第２及び第３の実施の形態では、圧電センサ３０が４組の電極対３２Ａ〜３２Ｄを有するが、１つの方向の圧力の移動速度のみを検出する場合においては、圧電センサ３０が２組の電極対を有すればよい。また、少なくとも２つの方向のそれぞれにおける圧力の移動速度を検出する場合においては、圧電センサ３０が互いに異なる少なくとも２つの方向に隣接して並ぶように配置される３組以上の電極対を有すればよい。
【００５７】
また第３の実施の形態では、圧電センサ３０が半球状の突起構造物３６を有するが、突起構造物３６の形状は、先細りの形状であることが好ましく、円錐状、三角錐状、四角錐状などであってもよい。ただし、突起構造物３６が半球状である場合には、流れが干渉した際に剥離や渦の発生が抑制されるため、その他の形状よりも機械効率の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、上述の各実施の形態では、水車用の発電機として用いられる回転電機の状態監視について説明したが、状態監視の対象となる回転電機の用途は特に限定されるものではない。また、圧電センサ３０は固定子鉄心１７の内周面に設けられるが、その設置位置は特に限られるものではなく、回転子１０Ｒ側に圧電センサ３０が設けられてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１，２，３，４…状態監視システム、１０…回転電機、１０Ｒ…回転子、１０Ｓ…固定子、２４…回転ギャップ、３０…圧電センサ、３１…圧電材料、３２…電極対、３２Ａ…第１電極対、３２Ｂ…第２電極対、３２Ｃ…第３電極対、３２Ｄ…第４電極対、３３（３３Ａ〜３３Ｄ）…陽極、３４（３４Ａ〜３４Ｄ）…陰極、３６…突起構造物、４０…状態検出装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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