(57)【要約】【課題】回転電機運転時の特徴量を評価して寿命予測を可能として信頼性を向上させた回転電機の診断システム及び診断方法を提供することにある。【解決手段】特徴量に対して物性値が非線形な特性を有する回転電機の診断システムであって、回転電機の監視点について、計測により、或は計測信号からの推定により特徴量を得る入力部と、特徴量に対して物性値が非線形な特性を保持し、入力部で得た特徴量のときの等価物性値を算出する等価物性値算出部と、等価物性値を用いて得られた回転電機の情報を外部提供する出力部とを備えたことを特徴とする回転電機の診断システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特徴量に対して物性値が非線形な特性を有する回転電機の診断システムであって、
回転電機の監視点について、計測により、或は計測信号からの推定により特徴量を得る入力部と、特徴量に対して物性値が非線形な前記特性を保持し、前記入力部で得た前記特徴量のときの等価物性値を算出する等価物性値算出部と、前記等価物性値を用いて得られた前記回転電機の情報を外部提供する出力部とを備えたことを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の診断システムであって、
前記回転電機の監視点は、固定子のブラケットベアリングであり、特徴量は変位であることを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転電機の診断システムであって、
前記物性値あるいは等価物性値は弾性率であることを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機の診断システムであって、
前記等価物性値算出部は、前記入力部で得た前記特徴量のときの前記特性上の点と前記特性の基準点で定まる傾きの情報を前記等価物性値として算出することを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の回転電機の診断システムであって、
前記物性値あるいは等価物性値は減衰比であることを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の診断システムであって、
前記入力部は、振動計などで構成される特徴量計測装置と、高速フーリエ変換器等からなる実測データ解析装置と、特徴量計測装置で得た特徴量を前記監視点の特徴量へと換算する特徴量換算装置を備え、
前記等価物性値算出部は、発電機出荷前試験結果やそれまでの運転時の特徴量データを集約した実機特性データベースと、非線形性を示す特徴量の要素試験結果を集約した非線形データベースと、実測データ解析装置で得た特徴量から等価物性値を算出する等価物性値評価装置を備え、
前記出力部は、数値計算や有限要素法などによる数値解析装置を備えて構成されており、特徴量の大きさの変化に従って等価物性値を調整することを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の診断システムであって、
前記入力部は、加速度計などで構成される振動計測装置と、高速フーリエ変換器等からなり振動振幅を評価する振動実測データ解析装置と、振動計測装置で得た振幅を部材の振幅へ換算する変位変換装置とを備え、
前記等価物性値算出部は、発電機出荷前試験結果を集約した実機特性データベースと、非線形部材の要素試験結果を集約した非線形部材データベースと、振動データ解析装置で得た振幅から等価弾性率や等価減衰比を算出する等価物性値評価装置とを備え、
前記出力部は、数値計算や有限要素法による振動数値解析装置とで構成されており、振動振幅の大きさの変化に従って等価物性値を調整できることを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の回転電機の診断システムであって、
閾値を上回った時に警告音もしくは警告表示を行う警告発信装置を有することを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の診断システムであって、
温度計測装置を有することを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項１０】
請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の回転電機の診断システムであって、
振動振幅の計測が高速度カメラなどを用いた画像認識に基づくものであることを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項１１】
請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機の診断システムであって、
振動計測装置として高速度カメラおよびストロボ等の一連の撮影補助装置を用い、回転電機の振動計測位置に塗装等による手法によってマーキングを施すことを特徴とする回転電機の診断システム。
【請求項１２】
特徴量に対して物性値が非線形な特性を有する回転電機の診断方法であって、
回転電機の監視点について、計測により、或は計測信号からの推定により特徴量を得、特徴量に対して物性値が非線形な前記特性について、前記特徴量のときの等価物性値を算出し、前記等価物性値を用いて前記回転電機の情報を得ることを特徴とする回転電機の診断方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の回転電機の診断方法であって、
前記回転電機の監視点は、固定子のブラケットベアリングであり、特徴量は変位であることを特徴とする回転電機の診断方法。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の回転電機の診断方法であって、
前記物性値あるいは等価物性値は弾性率であることを特徴とする回転電機の診断方法。
【請求項１５】
請求項１２または請求項１３に記載の回転電機の診断方法であって、
前記物性値あるいは等価物性値は減衰比であることを特徴とする回転電機の診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の診断システム及び診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機のような回転電機を運転する場合、例えば回転電機の固定子コイルエンド部巻線は運転時に作用する電磁力によって加振される。コイルエンド部巻線が振動すると繰り返し応力が作用してコイルエンド部巻線に疲労が生じる可能性がある。
【０００３】
この電磁振動によるコイルエンド部巻線の振動を抑制するために、コイルエンド部巻線は固定子鉄心の両端に配置された支持板に繊維強化樹脂のような材料で作られた紐状の結束材によって縛り付けられ、固定されている。支持板と固定子鉄心の間は支持構造体で締結されており、支持構造体に高分子化合物からなる挿入物を挿入して固定子の長軸方向が摺動し、熱伸びに耐えうる構造となっている。
【０００４】
電磁振動は強制加振による振動であり、回転電機においては他の機械的振動や流体的振動と比較して主の振動となる。電磁振動で励起される固定子コイルエンド端部の振動モードの固有振動数は運転周波数もしくは運転周波数の整数倍の周波数から離調すればよい。ただし、支持板と固定子鉄心の間の支持構造体は接触によってコイルエンド部を支持する構成であり、荷重と変位の関係で非線形性を有する。したがって、発電機固定子コイルエンド部の振動に対するさらなる信頼性向上のためには、この非線形性を考慮して振動特性を評価する必要がある。
【０００５】
このような課題に対して、特許文献１には、熱交換器の蒸気発生管を対象として構造部材の衝突や摩擦等に伴う非線形性を考慮した耐震評価方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−４９０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、回転電機運転時の特徴量を評価して寿命予測を可能として信頼性を向上させた回転電機の診断システム及び診断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上のことから本発明においては、「特徴量に対して物性値が非線形な特性を有する回転電機の診断システムであって、回転電機の監視点について、計測により、或は計測信号からの推定により特徴量を得る入力部と、特徴量に対して物性値が非線形な特性を保持し、前記入力部で得た特徴量のときの等価物性値を算出する等価物性値算出部と、等価物性値を用いて得られた回転電機の情報を外部提供する出力部とを備えたことを特徴とする回転電機の診断システム。」としたものである。
【０００９】
また本発明においては、「特徴量に対して物性値が非線形な特性を有する回転電機の診断方法であって、回転電機の監視点について、計測により、或は計測信号からの推定により特徴量を得、特徴量に対して物性値が非線形な特性について、特徴量のときの等価物性値を算出し、等価物性値を用いて回転電機の情報を得ることを特徴とする回転電機の診断方法。」としたものである
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回転電機運転時の特徴量を評価して寿命予測を可能として信頼性を向上させることができる。
【００１１】
さらに詳細には、本発明の実施例によれば、回転電機の診断システムは、実機特性データベースと実際の運転データと非線形部材データベースとを照合することにより、実運転時の等価材料物性値をより正確に取得できるとともに、実測データと振動数値解析装置とを併用して状態監視することで、回転電機の信頼性を向上させることが可能な回転電機の診断システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る回転電機の診断システムの構成を上位概念化して示したブロック図。
【図２】回転電機の全体構成を示す図。
【図３】回転電機の固定子コイルエンド部近傍を拡大した一部断面図。
【図４】固定子コイルエンド近傍の主要部材の配置を示した図。
【図５】ブラケットベアリングなどのサポートの摺動を認める部材における荷重（縦軸）−変位（横軸）特性を示した図。
【図６】本発明の実施例１に係る回転電機の診断システムの構成例であって、固定子コイルエンドの振動に対して適用する場合のブロック図。
【図７】本発明の実施例２に係る回転電機の診断システムの構成例であって、警告発信装置４１を設けた場合のブロック図。
【図８】本発明の実施例３に係る回転電機の診断システムの構成例であって、温度計測装置を設けた場合のブロック図。
【図９】本発明の実施例４に係る回転電機の診断システムの構成例であって、数値解析データベースを設けた場合のブロック図。
【図１０】変位と荷重の関係を示した図。
【図１１】最大変位量を変化させた場合の等価減衰比を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、各実施例の共通する部分は省略すると共に、各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１に係る回転電機の診断システムついて、図１から図６を用いて説明する。
【００１５】
まず、診断システムが適用される典型的な回転電機の例について図２から図４を用いて説明する。図２は回転電機の全体構成図、図３はその一部断面図、図４は固定子コイルエンド部１１４を拡大表示した図である。
【００１６】
図２に示す回転電機１００は、円筒状の固定子１１０と固定子の内側に回転可能に支持された回転子１２０とで構成される。固定子１１０は固定子鉄心１１１、固定子コイル１１２、固定子フレーム１１３から構成される。固定子コイル１１２は、固定子鉄心１１１の内周に形成されたスロットに巻回される。
【００１７】
また回転電機１００の一部断面を拡大表示した図３において、回転電機１００の固定子コイルエンド部１１４は、固定子鉄心１１１から軸方向に固定子コイル１１２が突出した部分とそれを支持する支持部材群とで構成されている。
【００１８】
ここで本発明の診断システムでは、回転電機１００の固定子側について、固定子コイルエンド部１１４の振動について取り上げるが、回転電機１００のどの部分の振動を取り扱ってもよく、また振動以外の特徴量の評価のために本発明を用いてもよい。
【００１９】
固定子コイルエンド部１１４は、運転時に作用する電磁力によって振動する場合がある。より詳細に述べると、回転電機１００のコイルエンド部巻線１１１は、運転時に作用する電磁加振力によって振動する。特に、定格運転時においては電磁力が楕円に変形するように作用し、かつ変形は回転子１２０の回転に合わせて回転する。
【００２０】
このことから、固定子コイルエンド部１１４について、径・周方向で構成される面を見た場合に、固定子コイルエンド部１１４が楕円状に変形する振動モードを抑制する必要がある。打撃試験においてはこの固定子コイルエンド部１１４が楕円状に変形するモードが複数存在する。運転２倍周波数と楕円状に変形するモードの固有振動数とが合致する場合、固定子コイルエンド部１１４で大きな振動が発生する。
【００２１】
この現象に対して、運転状態を監視するために固定子系である固定子鉄心１１１、固定子コイル１１２、固定子フレーム１１３に振動センサが取り付けられる場合がある。例えば、この振動センサは振動量が大きくなりやすく振動モードが捕捉しやすい固定子コイル４の端部や固定子鉄心１１１の端部に振動モードや振動の方向性を考慮して複数個取り付けられる。また、固定子鉄心１１１の振動モードの捕捉をするために固定子鉄心１１１の振動の腹部と腹部などに振動モードや振動の方向性を考慮して複数個取り付けられる。
【００２２】
図４は、固定子コイルエンド部１１４を拡大表示した図であり、突出した固定子コイル１１２を、コアエンドプレート１２３、ブラケットベアリング１２２、サポート１２１から構成された支持部材群により支持している。なお、ブラケットベアリング１２２ａと１２２ｂは、それぞれ外周側と内周側のブラケットベアリング１２２である。
【００２３】
本発明の回転電機の診断システムにおける振動監視点のうち、その代表的な振動監視点は外周側のブラケットベアリング１２２ａである。なお、振動を検知するセンサを直接外周側のブラケットベアリング１２２ａに取り付けることが困難であることから近傍点に設置することになる。ここに最も近い位置のセンサ取付箇所が、図４にＸ印を付けた固定子コイル１１２の部位である。振動計測の際には、固定子コイル１１２のＸ印の部位の周方向の複数個所にセンサ１Ａ、１Ｂを取り付けるのがよい。
【００２４】
主として、打撃試験においてはこのコイル端部が楕円状に変形するモードが複数存在する。運転周波数と楕円状に変形するモードの固有振動数が合致する場合、固定子コイルエンド部１１４の振動振幅が大きくなる。振動振幅が大きくなる場合、ブラケットベアリング１２２などのサポート１２１の摺動を認める部材では荷重−変位特性に非線形性を認める場合があり、振動解析に必要な等価弾性率が変動する場合がある。また、この他の接触を介した構造単位においても荷重−変位特性に非線形性を認める可能性がある。
【００２５】
図５は、ブラケットベアリング１２２などのサポート１２１の摺動を認める部材における荷重（縦軸）−変位（横軸）特性を示したものであり、本来は傾きα１の直線上の特性Ｌ１であるところ、振動に伴う変位が大きい領域では非線形特性Ｌ２を示すことを表している。
【００２６】
次に上記説明の回転電機１００を対象とし、主として振動についての診断を行う回転電機の診断システムについて説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る回転電機の診断システムの構成を上位概念化して示したブロック図である。
【００２８】
図１の診断システム２００は、１個または複数の加速度計からなる特徴量計測装置１Ａ・１Ｂ、データロガーや波形分析装置などで構成される実測データ解析装置２、実測データから部材の等価物性値を逆算評価する等価物性値評価装置３、等価物性値評価装置３で得た材料の等価物性値を入力として数値解析を線形条件で予備的に実施する数値解析装置４、等価物性値を定める特徴量の特性を格納した非線形部材データベース１１、当該の回転電機１００および他の回転電機の実機特性データベース１２、特徴量計測装置１で計測された特徴量から当該部の特徴量へと変換する特徴量変換装置１３などで構成されている。なお、診断の結果を表示するモニタ１３０を備えるものであってもよい。
【００２９】
この構成を、機能的に表現すると、特徴量計測装置１Ａ・１Ｂ、実測データ解析装置２、特徴量変換装置１３で構成された部分は入力部２０１ということができ、計測、或は計測信号からの推定により特徴量を得る機能である。上記した回転電機１００の例でいうと、図４の固定子コイル１１２のＸ印の部位の周方向の複数個所に設けられたセンサである特徴量計測装置１Ａ、１Ｂの出力から、代表的な振動監視点である外周側のブラケットベアリング１２２ａにおける変位を特徴量として推定したものということができる。
【００３０】
また等価物性値評価装置３、非線形部材データベース１１、回転電機の実機特性データベース１２で構成された部分は等価物性値算出部２０２ということができ、特徴量から図５の特性を参照して物性値についての等価値（等価物性値）を得る機能である。図５に則して述べると、傾きα１の直線Ｌ１が弾性率を示すものである時、本来は直線Ｌ１のような直線性を示すものにＬ２に示す非線形性が認められるとき、この弾性率を傾きα３の直線（等価弾性率）として把握する機能である。
【００３１】
より具体的に述べると、図５の弾性率の非直線特性について、当該変位のときの非直線特性上の点と基準点として例えば原点Ｏを結ぶ傾きα３の直線Ｌ３を等価弾性率として求めたものである。
【００３２】
また数値解析装置４やモニタ１３０で構成された部分は、出力部２０３ということができ、等価物性値算出機能２０２で求めた結果を用いて、利用者が視認しやすく、利用しやすい情報の形態に変換するなどして外部提供するものである。従って、ここで外部提供される情報は、等価物性値および等価物性値を用いて新たに得られた情報、さらには回転電機全体としての運転状況についての情報を含む。
【００３３】
図６は、固定子のブラケットベアリングに適用して固定子コイルエンドの振動監視に適用した本発明の実施例１に係る回転電機の診断システムの構成例を示している。
【００３４】
図６に示す実施例１は、１個または複数の振動計測装置２１Ａ・２１Ｂ、データロガーや波形分析装置などで構成される振動実測データ解析装置２２、振動実測データの振幅値から部材の等価物性値を逆算評価する等価物性値評価装置３、等価物性値評価装置３で得た材料の等価物性値を入力として当該部の振動数値解析を実施する振動数値解析装置２４、等価物性値を定める対象である非線形性を有する材料に対する荷重−変位特性や加振試験結果を格納した非線形部材データベース１１、当該の回転電機および他の回転電機の出荷前試験データや打撃試験結果および運転時に連続的に取得したデータを格納した実機特性データベース１２、振動計測装置２１Ａ・２１Ｂで計測された振動から当該部の変位へと変換する変位変換装置３３などで構成されている。なお、診断の結果を表示するモニタ１３０を備えるものであってもよい。
【００３５】
なお、図６の構成を図１と同様に、入力部２０１、等価物性値算出機能２０２、出力部２０３という括りで整理した場合、各部に含まれる構成機器は図６に示したとおりであり、以降この括りについての説明を省略する。
【００３６】
図６に示した回転電機の診断システムにおいて、振動計測装置２１は、光振動計や圧電素子型の加速度計、速度計、変位計、高速度カメラなど振動を計測できる形態となっていればよい。また振動計測装置２１によって、振動を任意の間隔で長期にわたって取得する。また、実機特性データベース１２では情報を格納した自機および他機の体格や発電機出力などの基本情報も格納される。
【００３７】
図６の構成によれば、回転電機１００に取り付けた振動計測装置２１で計測されるデータを振動実測データ解析装置２２にて解析し、得られた振動振幅の実測値を変位変換装置３３で変換した部材の変位とする。そのうえで、部材の変位について図５に示す特性を記憶している非線形部材データベース１１を参照し、照合して部材の等価物性値Ｌ３を得る。
【００３８】
ここで等価物性値Ｌ３とは等価弾性率や等価減衰比などの振動に寄与するパラメータである。回転電機のうち、とくに発電機では系統周波数での運転が必要であり、出荷前に周波数を掃引して振動試験を実施した場合に実機特性データベース１２を用いることでより正確な等価物性値の同定が可能となる。
【００３９】
また、実機特性データベース１２にはそれまでの運転で得られた振動等の特徴量も集約され、特徴量の履歴を比較することができる。ここで得られた等価物性値を用いて振動数値解析装置２４により回転電機の状態を擬似的に評価することが可能となる。なお、装置１〜１３において、そのうちのいずれか複数の機能を一体化させた装置を用いてもよい。また図６において等価物性値は線形的に評価したが、ハーモニックバランス法や非線形振動応答解析をはじめとする、非線形的な評価手法を用いてもよい。
【００４０】
本発明により、振動データを任意の間隔で定期的に連続取得して適切に等価物性値を更新することで、回転電機の異常や経時変化を適切に検出することができ、補修計画を最適化させることで信頼性向上に寄与する。正確な等価弾性率や等価減衰比を算出することによってこれらの補修計画も適切に決定することができる。異常状態が悪化する前に適切に部材を補修することで計画外停止や修理費用の低減が可能となる。
【実施例２】
【００４１】
図７は、本発明の実施例２に係る回転電機の診断システムの構成例であって、警告発信装置４１を設けたものである。警告発信装置４１は、実施例１において計算した等価物性値や等価物性値を用いて計算した振幅、もしくは運転時相当の固有振動数が予め設定した範囲から外れる場合に警告を発するものである。警告は画面に表示したものや音を発するものの一方もしくは両方でよい。
【００４２】
本発明により、回転電機の異常や経時変化を迅速に検出することができ、これらの現象が発生して甚大な損害が発生する前に補修を実施することで修理費用の低減が可能となる。
【実施例３】
【００４３】
図８は、本発明の実施例３に係る回転電機の診断システムの構成例であって、温度計測装置４２を設けたものである。実施例１において温度計測装置４２を用いて温度を計測し、計測結果を非線形部材データベースの温度条件へ反映させている。
【００４４】
本発明により、回転電機の運転温度に合わせて非線形部材データベースの材料物性値を設定することができ、より正確な等価物性値を評価できる。
【実施例４】
【００４５】
図９は、本発明の実施例４に係る回転電機の診断システムの構成例であって、数値解析データベースを設けたものである。実施例１において数値解析装置４は数値解析データベース４３としてデータベース化されている。
【００４６】
本発明により予め計算結果に対してデータベース化を行うことで、より迅速に等価物性値の決定が可能となる。
【実施例５】
【００４７】
以上の説明においては、等価物性値Ｌ３とは主として等価弾性率について述べてきたが、これは非線形性が認められるものであれば他の物性値であっても同様に適用が可能である。物性値として、実施例６では、等価減衰比を取り上げる。
【００４８】
図１０は、変位と荷重の関係を示しているが、一般に、変位量が小さく弾性領域内で変形が収まる場合（図１０のＯＡ間で最大変位が収まる場合）は、変位と荷重の関係が線形となるため減衰比が小さくなる。
【００４９】
一方、図５のようなすべり系において変位量が大きくなる場合（例えば図１０のＯＢ間で最大変位が生じた）には、図１０の荷重―変位特性に非線形性が生じ、すべりで消費するエネルギーが発生するため減衰比が大きくなる。この図１０のΔＯＢＣの面積に対する荷重―変位特性のヒステリシスループの面積率は減衰比に比例する。
【００５０】
図１０の面積率に基づいて計算される、すべり系において最大変位量を変化させた場合の等価減衰比は図１１の通りとなる。
【００５１】
なお本発明の実施に当たり、上記複数の実施例は適宜組み合わせて構成することが可能であり、実施例の診断システムを他の非線形性を有する特徴量の評価のために用いてもよい。
【００５２】
また本発明の実現に当たり、振動振幅の計測が高速度カメラなどを用いた画像認識に基づくものとすることができる。また振動計測装置として高速度カメラおよびストロボ等の一連の撮影補助装置を用い、回転電機の振動計測位置に塗装等による手法によってマーキングを施すものとすることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１Ａ：特徴量計測装置
１Ｂ：特徴量計測装置
２：実測データ解析装置
３：等価物性値評価装置
４：数値解析装置
１１：非線形部材データベース
１２：実機特性データベース
１３：特徴量変換装置
２１Ａ：振動計測装置
２１Ｂ：振動計測装置
２２：振動実測データ解析装置
３３：変位変換装置
４１：警告発信装置
４２：温度計測装置
４３：数値解析結果データベース
１００：回転電機
１１０：固定子
１１１：固定子鉄心
１１２：固定子コイル
１１３：固定子フレーム
１１４：固定子コイルエンド部
１２０：回転子
１２１：サポート
１２２：ブラケットベアリング
１２３：コアエンドプレート
１３０：モニタ
【図１】
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【図２】
2019041517.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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