(57)【要約】  発電機鉄心の絶縁欠陥識別用の一般的な方法論において、チャトックコイルを用いて、歯と歯の間の磁位差を測定する。物理の知識及び経験的知識を一つのモデルにおいて組み合わせて、絶縁損傷の位置及び深刻度を予測する。測定は複数の励磁周波数において行われて、欠陥の複数の特性が求められる。
2015504175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための方法であって、
前記発電機鉄心に隣接する励磁巻線に第一の励磁周波数の交流励磁電流を流して、欠陥のある層と層の間に第一の渦電流を誘起するステップと、
前記第一の励磁周波数において誘起された前記第一の渦電流によって生じた磁束を示す第一の電位差計電圧を測定するステップと、
前記発電機鉄心に隣接する前記励磁巻線に第二の励磁周波数の交流励磁電流を流して、前記欠陥のある層と層の間の第二の渦電流を誘起するステップと、
前記第二の励磁周波数において誘起された前記第二の渦電流によって生じた磁束を示す第二の電位差計電圧を測定するステップと、
前記電位差計電圧と、前記励磁周波数と、前記欠陥の深刻度と、前記欠陥の深さとの間の半経験的関係を用いて、前記欠陥の深刻度及び前記欠陥の深さを決定するステップと、を備えた方法。
【請求項２】
前記電位差計電圧を測定するステップが、前記発電機鉄心の歯と歯の間の磁位差を測定するチャトック電位差計の電圧を測定するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記渦電流によって生じた磁束を示す電位差計電圧を測定するステップが、前記励磁電流によって生じた磁位差を除去するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記半経験的関係が
Ｖ＝ｋｓω１＋βｅｘｐ［αｄｌｎω］
であり、Ｖが電位差計電圧であり、ｋ、α及びβがフィッティングパラメータであり、ｓが欠陥の深刻度であり、ωが所定の励磁周波数であり、ｄが欠陥の深さである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半経験的関係が、前記欠陥の深さの指数関数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記指数関数の被演算子が、前記励磁周波数の対数関数である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記半経験的関係が、前記欠陥の深刻度の一次関数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記半経験的関係が、前記励磁周波数がフィッティングパラメータの関数で累乗された項を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記欠陥の深刻度が、
ｌＦ／ＲＦ
によって表されて、ｌＦが欠陥誘起電流の全長であり、ＲＦが欠陥誘起電流の抵抗である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記発電機鉄心が発電機固定子鉄心である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するためのコンピュータ可読命令が記憶された非一時的コンピュータ可読媒体であって、プロセッサによる前記コンピュータ可読命令の実行が、前記プロセッサに、
前記発電機鉄心に隣接する励磁巻線に第一の励磁周波数の交流励磁電流を流すことによって、欠陥のある層と層の間に誘起される第一の渦電流によって生じた磁束を示す第一の電位差計電圧の測定結果を受信するステップと、
前記発電機鉄心に隣接する前記励磁巻線に第二の励磁周波数の交流励磁電流を流すことによって、前記欠陥のある層と層の間に誘起される第二の渦電流によって生じた磁束を示す第二の電位差計電圧の測定結果を受信するステップと、
前記電位差計電圧と、前記励磁周波数と、欠陥の深刻度と、欠陥の深さとの間の半経験的関係を用いて、前記欠陥の深刻度及び前記欠陥の深さを決定するステップとを備えた演算を実行させる、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
前記電位差計電圧を測定するステップが、前記発電機鉄心の歯と歯の間の磁位差を測定するチャトック電位差計の電圧を測定するステップを更に備える、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
前記渦電流によって生じた磁束を示す電位差計電圧を測定するステップが、前記励磁電流によって生じた磁位差を除去するステップを更に備える、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
前記半経験的関係が
Ｖ＝ｋｓω１＋βｅｘｐ［αｄｌｎω］
であり、Ｖが電位差計電圧であり、ｋ、α及びβがフィッティングパラメータであり、ｓが欠陥の深刻度であり、ωが所定の励磁周波数であり、ｄが欠陥の深さである、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記半経験的関係が、前記欠陥の深さの指数関数を含む、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
前記指数関数の被演算子が、前記励磁周波数の対数関数である、請求項１５に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記半経験的関係が、前記欠陥の深刻度の一次関数を含む、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記半経験的関係が、前記励磁周波数がフィッティングパラメータの関数で累乗された項を含む、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
前記欠陥の深刻度が、
ｌＦ／ＲＦ
によって表されて、ｌＦが欠陥誘起電流の全長であり、ＲＦが欠陥誘起電流の抵抗である、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記発電機鉄心が発電機固定子鉄心である、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[優先権主張]
本願は、“Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｆｅｃｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  Ｓｔａｔｏｒ  Ｃｏｒｅ”との名称で２０１２年１月２３日に出願された米国仮出願第６１／５８９４２５号の優先権を主張し、その全体は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般的に、発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための方法に関する。特に、本発明は、欠陥の位置及び深刻度を予測するのに鉄心の歯と歯の磁位差を用いることに関する。
【背景技術】
【０００３】
絶縁不良は、高電圧発電機鉄心における主な不良モードの一つである。機械的及び熱的ストレス（応力）が、絶縁性を劣化させて、微小欠陥を生じさせ得る。微小絶縁欠陥は、欠陥誘起電流が発生させる局所的な熱的及び電気的ストレスによって、重大な欠陥に発達し得る。こうしたストレスの組み合わせが、絶縁の時間依存性の劣化を生じさせる。
【０００４】
発電機には高い信頼性が要求されるため、事故を防止して、また、発電機の寿命までの稼働及びメンテナンスコストを低減するために、絶縁欠陥を早期の段階で識別しなければならない。従って、効果的で効率的な絶縁欠陥検出法が、現在の発電分野においては実際的要求になっている。この問題に関しては、１９８０年代初頭から精力的な研究が行われてきたが、発電機の停止時間を最小にしながらの欠陥の検出は、多くの分野の知識を含む複雑な技術的作業である。専門的知識のない一般的な技術者が確実な欠陥識別を上手く行うことは、自明な作業ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｓｕｔｔｏｎ、“Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ｓｔａｔｏｒ  ｃｏｒｅｓ”、Ｉｎｓｉｇｈｔ、第３６巻、ｐ．２４６−２５１、１９９４年
【非特許文献２】Ｒ．Ｍｙｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ．著、“Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ”、Ａｌｌｙｎ  ａｎｄ  Ｂａｃｏｎ  Ｂｏｓｔｏｎ、１９７１年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための方法を提供することによって上記の要求に対処するものである。本方法は、発電機鉄心に隣接する励磁巻線に第一の周波数の励磁電流を流して、欠陥のある層と層の間に第一の渦電流を誘起するステップと、第一の励磁周波数において誘起された第一の渦電流によって生じた磁束を示す第一の電位差計電圧を測定するステップとを含む。
【０００７】
第二の励磁周波数の励磁電流を発電機鉄心に隣接する励磁巻線に流し、欠陥のある層と層の間に第二の渦電流を誘起して、そして、第二の励磁周波数において誘起された第二の渦電流によって生じた磁束を示す第二の電位差計電圧を測定する。
【０００８】
欠陥の深刻度及び欠陥の深さが、電位差計電圧と、励磁周波数と、欠陥の深刻度と、欠陥の深さとの間の半経験的関係を用いて、決定される。
【０００９】
本発明の他の側面によると、上述のような発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための方法を実施するようにプロセッサによって実行されるコンピュータ可読命令が記憶された非一時的コンピュータ利用可能媒体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の方法によって検出されるタイプの絶縁欠陥を有する固定子鉄心の概略断面図である。
【図１Ｂ】本発明の方法によって検出されるタイプの絶縁欠陥を有する固定子鉄心の歯の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って用いられるチャトック電位差計の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って、正規化された磁位差と絶縁不良電流との間の関係を示すグラフを、フィッティング曲線と共に示す。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に従ってなされた仮定を示す電位差計の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に従ってなされた他の仮定を示す電位差計の概略図である。
【図５Ａ】本発明に一実施形態に従って人工的な絶縁欠陥の深さを示す固定子の歯の概略図である。
【図５Ｂ】本発明に一実施形態に従って人工的な絶縁欠陥の深刻度を示す固定子の歯の概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に従った多様な位置及び励磁周波数に対するＱＵＡＤトレースのグラフであり、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃはそれぞれ異なる欠陥深さにおけるものである。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に従った多様な位置及び励磁周波数に対するＱＵＡＤトレースのグラフであり、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃはそれぞれ異なる欠陥深さにおけるものである。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態に従った多様な位置及び励磁周波数に対するＱＵＡＤトレースのグラフであり、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃはそれぞれ異なる欠陥深さにおけるものである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に従った多様な位置及び励磁周波数に対するＱＵＡＤトレースのグラフであり、図７Ａ、図７Ｂはそれぞれ異なる欠陥深刻度におけるものである。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に従った多様な位置及び励磁周波数に対するＱＵＡＤトレースのグラフであり、図７Ａ、図７Ｂはそれぞれ異なる欠陥深刻度におけるものである。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に従った多様な励磁周波数及び多様な欠陥深さに対するＱＵＡＤピーク値についての応答曲面のグラフである。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態に従った多様な励磁周波数及び多様な欠陥深刻度に対するＱＵＡＤピーク値についての応答曲面のグラフである。
【図９Ａ】０．７５インチの短絡長さを用いた三つの異なる欠陥深さについて多様な励磁周波数における電流測定のグラフを、本発明の一実施形態に係るモデルによる予測と共に示す。
【図９Ｂ】１．０インチの短絡長さを用いた三つの異なる欠陥深さについて多様な励磁周波数における電流測定のグラフを、本発明の一実施形態に係るモデルによる予測と共に示す。
【図１０Ａ】０．５インチの短絡長さを用いたスロット４における五つの異なる欠陥深さについて多様な励磁周波数における電流測定のグラフを、本発明の一実施形態に係るモデルによる予測と共に示す。
【図１０Ｂ】０．５インチの短絡長さを用いたスロット５における五つの異なる欠陥深さについて多様な励磁周波数における電流測定のグラフを、本発明の一実施形態に係るモデルによる予測と共に示す。
【図１１】本発明の一実施形態に係る方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施形態に係るコンピュータシステムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
欠陥によって誘起される熱分布及び磁場変動を用いた発電機固定子鉄心の絶縁欠陥検出は、過去数十年間にわたって大いに注目されてきた。実際には、絶縁欠陥を生じさせる多数の不良機構が、絶縁材料、設計実践、動作環境、幾何学的形状等の因子によって存在している。従って、試験結果を解釈することは、高度な作業である。このような作業を行うためには、電気工学、物質科学、構造工学、機械工学等の多くの分野が含まれ、現場特有の専門的知識が一般的には必要とされる。エキスパートシステム等の報告されている研究の多くは、一般的にデータ駆動型の方法であり、主要な支配的物理を検討していない。十分な訓練データと、比較的静的な劣化機構を仮定すれば、データ駆動型の方法は十分な結果を与えることができる。しかしながら、主要な支配的物理を検討しなければ、予測結果を説明することの困難性が増す。産業用発電機の必要な訓練データを取得することは、非常に時間がかかり、高価である。従って、主要な物理を組み込むことで、限られたデータを用いて構築されたエキスパートシステムのロバスト性を改善することができる。
【００１２】
本開示では、発電機モーターの絶縁欠陥検出及び定量化のためのエキスパートシステムが開発される。電磁的鉄心欠陥検出器（ＥＬＣＩＤ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ  ｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）試験を行い、固定子鉄心を走査して、鉄心周辺の磁場データを得る。主要な物理法則及び専門知識を組み合わせて、絶縁欠陥の位置及び深刻度を予測するためのエキスパートシステムを形成する。エキスパートシステムは、現場担当者が発電機固定子鉄心の高速診断及び予測を行うのに役立つ分析ソフトウェアシステムとして実施される。
【００１３】
本開示のエキスパートシステムは、半経験的理論モデルが組み込まれた損傷識別及び深刻度予測用モデルである。エキスパートシステムは、データ取り込み及び可視化、並びに、損傷識別及び深刻度予測用のプラットフォームを提供する。
【００１４】
電磁的鉄心欠陥検出器（ＥＬＣＩＤ）試験
【００１５】
従来、大型モーター及び発電機の固定子鉄心は、ホットスポットについて試験されてきた。この方法は、外部励磁巻線を用いて、鉄心周辺に円周方向のリング状電磁束（フラックス）を生じさせる。絶縁欠陥及び固定子鉄心の他の部品（ビルディング・バー（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｂａｒ）やキー・バー（ｋｅｙ  ｂａｒ）等）が、誘起循環電流を発生させる。その結果としての局所的な熱が、欠陥周辺の温度を上昇させ得る。固定子鉄心の温度分布が安定すると、赤外線カメラが、ボア（穴）の表面に沿った走査及びボアの表面周辺の走査を行い、固定子歯の先端の温度を測定する。表面絶縁欠陥は、この方法を用いて検出するのが比較的容易なものであり得るが、深部に位置する欠陥及びコイル巻線の下の欠陥を検出するのは通常難しい。この方法の他の欠点は、固定子を損傷させる可能性である。ホットスポット法を用いた大型鉄心の試験は、略３００Ａの電流を流すことができる１１ｋＶケーブルの複数の巻き数を一般的には必要とする。欠陥誘起電流は、励磁電流が発生させる電磁束に略比例するので、顕著な温度上昇の発生には、鉄心内の通常の動作フラックス密度の８０％が必要とされる。例えば、５００ＭＷ発電機用の試験を行うのにこの方法を用いるには、３ＭＶＡ程度の電源に接続された励磁巻線が必要とされる。層間の短絡が生じると、誘起電流は、重大な過熱を発生させて、巻線を損傷させたり、微小絶縁欠陥を悪化させたりし得る。
【００１６】
電磁的鉄心欠陥検出器（ＥＬＣＩＤ）試験は、発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するために産業的に広く認められている他の方法である。これは、ホットスポット法の電流要求の問題を解決し、通常の動作フラックスの４％しか必要としない。その基本的アイディアは、絶縁欠陥によって誘起される不良電流に起因する磁場を感知することである。固定子鉄心の歯と歯の間に適用されたチャトック電位差計を用いて、磁場を検出することができる。ＥＬＣＩＤ試験の応答は、直角位相トレース（ＱＵＡＤ）と、位相トレース（ＰＨＡＳＥ）とを含む。一般的に、ＱＵＡＤトレースの値は、絶縁欠陥によって誘起される不良電流に比例し、ＰＨＡＳＥトレースの値は、励磁電流に比例する。ＱＵＡＤトレースを調べることによって、絶縁欠陥を識別することができる。
【００１７】
ＥＬＣＩＤ試験の構成要素
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂに示される発電機固定子の固定子鉄心１００は、磁性鋼の複数層１５５で構築される。全ての層が、金属キー・バー１３０で接続される。層１５５の間の絶縁が損傷すると、欠陥１２０が生じて、固定子鉄心１００交番磁束１６５が、層間を流れる渦電流１７０を発生させ得る。
【００１９】
固定子鉄心の歯１１０の間に適用されて歯の鉄表面に沿って流れる電流２２０を有するチャトック電位差計２３０（図２に示される）を用いて、あらゆる領域で誘起される渦電流１７０を検出することができる。チャトック電位差計２３０は、均一な空心コイルで構成されて、その端部間の磁位差（ＭＰＤ，ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を測定する。電圧測定２４０は一般的に不良電流に比例する。コイルのスパンを調整して、隣接する歯１１０の最も遠い角の間でのみ架橋する。励磁巻線（図示せず）が、歯と歯の間に大きなＭＰＤを発生させる。透磁率が、固定子鉄心１１０の周辺では略一定であるので、励磁巻線からのフラックスは鉄心周辺に均一に分布する。欠陥誘起電流を有さない歯と歯の間のＭＰＤは、ＩＷ／Ｎと表すことができ、ここで、ＩＷ（アンペアターン単位）は励磁巻線の電流であり、Ｎは、固定子鉄心１００の歯１１０の数である。例えば、４８歯の固定子鉄心で、典型的な５０Ａターンの励磁巻線では、隣接する歯と歯の間のＭＰＤは５０／４８≒１Ａである。
【００２０】
チャトック電位差計は、不良電流と励磁電流との両方に起因するＭＰＤを測定する。一般的には、励磁巻線のＭＰＤ（例えば、隣接する歯と歯の間で１Ａ）は、欠陥誘起電流よりも大きい。欠陥誘起電流を測定するためには、励磁巻線誘起電流を取り除かなければならない。これは、位相感知検出器を用いて、励磁電流とは直角位相のＭＰＤの成分を測定することによって達成される。瞬間励磁電流は、ＩＷ＝√（２）ＩＷｓｉｎωｔであり、ここで、ωは励磁周波数であり、ｔは時間である。表面短絡欠陥について、損傷領域を流れる瞬間欠陥誘起電流は
【数１】
2015504175.tif 000003
であり、ここで、ＲＦ、ＬＦ、ｌＦはそれぞれ、欠陥誘起電流１７０の抵抗、インダクタンス、長さであり、ｌＣは鉄心１００の長さであり、ＶＷは、鉄心周辺の一回巻の巻線に誘起される二乗平均平方根（ＲＭＳ，ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）電圧である。欠陥回路のインダクタンスがその抵抗よりも顕著に低い、つまり、ωＬＦ＜＜ＲＦとすると、上記の式が以下のように近似される：
【数２】
2015504175.tif 000004
励磁電流ｉＷ＝√（２）ＩＷｓｉｎωｔと比較すると、上記式の欠陥誘起電流ｉＦは、ｉＷと直角位相であり、位相感知検出器を用いて容易に測定可能である。実際のＥＬＣＩＤ試験デバイスは二つの出力トレースを有する。一方は、励磁電流に対応するＰＨＡＳＥトレースであり、他方は、欠陥誘起電流に対応するＱＵＡＤトレースである。上記式によると、欠陥誘起電流のＲＭＳ値を、近似的に
【数３】
2015504175.tif 000005
と表すことができ、この式は、欠陥誘起電流が、励磁巻線電圧ＶＷ及び欠陥電流長さｌＦに比例し、欠陥回路の抵抗ＲＦに反比例していることを示している。
【００２１】
ＥＬＣＩＤ試験の基礎理論
【００２２】
ＥＬＣＩＤの工程の基礎理論は、アンペールの法則に基づいていて、線積分の任意の閉路について、磁気強度が、囲まれた電流Ｉに等しい。アンペールの法則は、
【数４】
2015504175.tif 000006
と表され、ここで、Ｈは電磁束である。電流２２０が、図２に示されるように鉄表面に沿って流れる場合、この式を
【数５】
2015504175.tif 000007
と表すことができる。鉄の透磁率は、空気の透磁率と比較してはるかに大きいので、鉄内の磁場（磁場強度Ｈ）は、空気中のものよりもはるかに低い。従って、鉄に関係している電流成分は無視できて、上記の式が以下のように単純になる
【数６】
2015504175.tif 000008
【００２３】
チャトック電位差計は、その両端部の間の磁気スカラーポテンシャル（磁位）の差を測定する。電流による出力電圧は以下のように与えられる。
Ｖ＝μ０ωｎＡＩ
【００２４】
項μ０、ω、ｎ、Ａはそれぞれ、自由空間の透磁率、励磁電流の角周波数、巻線の１メートル当たりの巻き数、巻線の断面積である。この式は、コイルの感度又は出力値が、その長さ及び空気中での経路に依存しないことを示している。電流Ｉは、絶縁欠陥によって誘起される不良電流と、励磁電流という二つの成分を有する。実際には、励磁電流（ＥＬＣＩＤ試験の測定ＰＨＡＳＥトレース）は、補償コイルによって除去される。結果としての電圧測定を、
Ｖ∝μ０ωｎＡＩＦ
と問題なく表すことができる。ＩＦの上記近似をこの式に代入すると以下のように得られる。
【数７】
2015504175.tif 000009
【００２５】
ＥＬＣＩＤ試験の最終的な目標は、絶縁欠陥の存在を識別することだけではなく、タイミングよく且つ経済的なメンテナンス作業のために欠陥の正確な位置及び深刻度を決定することである。深さ情報は、現場での修復にとって非常に重要である。何故ならば、表面絶縁欠陥は、深部に位置する欠陥よりもはるかに特定が容易だからである。従って、検出可能な欠陥の深さ情報は、実際のメンテナンス作業をかなり促進する。上記式の応答電圧Ｖは、表面短絡欠陥から導出される。表面下に位置している欠陥については、図１Ａに示されるように、深さパラメータｄを導入することによって、式を修正する必要がある。変数ｄは、歯の先端から欠陥誘起電流の位置までの距離である。次に、深さパラメータｄを含む新たな電圧応答を、半経験的モデル化に基づいて展開する。
【００２６】
測定応答のモデル化及びパラメータの推定：半経験的モデル化に基づいた物理モデル
【００２７】
電圧応答を変動させる原因となる物理は多重機構である。例えば、欠陥の幾何学的形状、欠陥の位置、層の厚さ、絶縁性、他の多くの要因が応答に影響を与え得る。また、デバイス較正、測定、位相感知補償コイルが、応答に対して不確定性を導入し得る。主要な影響要因を考慮するようにモデルをパラメータ化するため、本開示においては、実験データの経験的モデル化に基づいて、複数の仮定を行う。一つの仮定は、欠陥誘起電流が、深さパラメータｄを含む指数関数的減衰関数であるというものである。本願にその全体が参照として組み込まれる非特許文献１で報告されているデータに基づき、特定の周波数における指数関数的減衰関数を用いて、欠陥によって誘起されるＭＰＤがモデル化可能であるという仮定を行う。非特許文献１のデータ３００が、本願の図３にまとめられていて、欠陥誘起電流３０１の深さに対して正規化されたＭＰＤ３１０の指数関数的変化が示されている。
【００２８】
この仮定を用いて、応答電圧Ｖを定める上記式から、以下の関係式を導出することができる：
【数８】
2015504175.tif 000010
ここで、αは減衰係数であり、ｄは欠陥の深さであり、ωは励磁周波数である。
【００２９】
項（ＶＷ／ｌＣ）μ０ｎＡは、電位差計に関係していて、また、特定の試験デバイスについては定数であるので、項ｌＦ／ＲＦを用いて、欠陥の深刻度ｓ（損傷レベル）を表すことができる。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、応答電圧４４０がチャトック電位差計によって生成される機構について、二つの更なる仮定を行う。第一に、図４Ａに示されるように、歯１１０に対して電流４２０が生成する磁束４１０が鉄心にわたって均一に分布していると仮定する。第二に、図４Ｂに示されるように、高周波数磁場４５０が高減衰係数値を有すると仮定する。従って、上記式を
Ｖ＝ｋｓω１＋βｅｘｐ［αｄｌｎω］
と問題なく表すことができ、ここで、α、β、ｋは三つのフィッティングパラメータである。項ｓ＝ｌＦ／ＲＦは欠陥の深刻度である。三つのフィッティングパラメータα、β、ｋは、ＥＬＣＩＤ試験データから推定される。
【００３０】
測定応答のモデル化及びパラメータの推定：応答曲面法に基づいたデータ駆動型モデル
【００３１】
代わりに、データ駆動型モデルを展開することができる。本開示においては、本願においてその全体が参照として組み込まれる非特許文献２に記載されている応答曲面法を用いて、データ駆動型モデルを展開する。深さｄ及び深刻度ｓという二つの変数が対象となる。例示目的で、二次の応答曲面モデルｇを用いて、測定可能な電圧と（ｄ，ｓ）との間の関係式を構築する。所定の励磁周波数ωについて、モデルは、
ｇ（ｄ，ｓ｜ω）＝ｐ００＋ｐ１０ｄ＋ｐ０１ｓ＋ｐ１１ｄｓ＋ｐ２０ｄ２＋ｐ０２ｓ２
と表され、ｐｉｊは、ｉ，ｊ＝０，…，２として、モデルパラメータである。当業者であれば、他のモデルが使用可能であることを理解できるものである。
【００３２】
ラテン超方格法を用いた実験方法論の設計
【００３３】
ラテン超方格法（ＬＨＳ，Ｌａｔｉｎ  ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ  ｓａｍｐｌｉｎｇ）は、多次元分布からパラメータ値の妥当な群の分布を発生させるための統計モデルである。これは、以下の二つの理由で設計最適化において使用されることが多い：（１）応答の推定及び必要とされる実験的試験の数を最小化するため、（２）数値的ノイズの影響を低下させるため。本研究の完全性のため、その基本的アイディアについて本願で説明する。
【００３４】
ラテン超方格法は、実際には、制約されたモンテカルロサンプリングである。ラテン超方格法では、以下の手順で、Ｋ個の変数Ｘ１，…，ＸＫの各々からＮ個の異なる値を選択する。各変数の範囲は、等確率でＮ個の重複しない区間に分割される。各区間から一つの値が、その区間における確率密度に対してランダムに選択される。そのようにしてＸ１について得られたＮ個の値を、Ｘ２のＮ個の値とランダムに（同程度の組み合わせで）ペアにする。これらＮ個のペアを、Ｘ３のＮ個の値とランダムに組み合わせて、Ｎ個のトリプレットを形成するといったように、Ｎ個のＫ次タプレットが形成されるまで続ける。
【００３５】
多くの統計パッケージで、ＬＨＳ法を実行することができる。こうした統計パッケージの一つが、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）のｌｈｓｄｅｓｉｇｎ関数である。
【００３６】
ＬＨＳの顕著な利点の一つは、実験計画法（ＤｏＥ，ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）のＬＨＳの結果が、モデル及びアプリケーションに依存していない点である。Ｋ個の変数及びＮ個の点についてのＤｏＥが定式化されると、異なるモデルを用いるまで、ＤｏＥの再計算は必要とされない。
【００３７】
ＥＬＣＩＤ試験用のＤｏＥスキームを得るため、ｓ及びｄの両方の変数を四つのレベルに分割する。以下の表は、（０，１）の範囲で正規化された正規化ＬＨＳの結果を示す。
【表１】
2015504175.tif 000011
この結果は、関数ｌｈｓｄｅｓｉｇｎ（４，２）を用いてＭａｔｌａｂ（登録商標）２０１０ｂで生成したものである。現場での試験用にＤｏＥを展開するため、まず、深さ及びサイズを定量化する必要がある。例えば、歯の全長Ｌ及び欠陥サイズ範囲０〜１０を仮定すると、試験番号１（０．７９８４，０．６４３６）は、０．７９８４×Ｌの実際の深さ及び、０．６４３６×１０≒６．４の実際の欠陥サイズに対応する。この表の他の試験の組み合わせも同じ手順に従って、正規化された値を実際の試験値に変換する。
【００３８】
実際には、正確なサイズ設定での欠陥は、人工的に形成して測定することが難しいものである。欠陥を人工的に形成する既知の手段の一つは、ネジを用いることである。一例として６．４（≒６）の欠陥サイズを取り上げてみると、６個のネジを、０．７９８４Ｌ≒０．８Ｌの深さにまで挿入して、この試験の組み合わせを再現することができる。はんだ及び或る長さの銅ワイヤも短絡を模倣するのに用いられる。
【００３９】
パラメータ推定用のＥＬＣＩＤ試験
【００４０】
複数のＥＬＣＩＤ試験を人工的な欠陥に対して行い、モデルパラメータを推定する。複数組の実験を行い、異なる励磁周波数において欠陥に対する応答を調べる。はんだを用いて人工的な短絡を層と層の間に形成して、実際の絶縁不良を表す。初めの二組の実験では、七つの励磁周波数を用いる（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ）。
【００４１】
ケース１：応答・対・欠陥の深さｄ
【００４２】
引退した発電機の回転子鉄心に対して三組の実験を行った。図５Ａに示されるように、歯１１０（巻線４と５との間に示される）の内部に、はんだを用いて人工的な短絡５２０を形成した。三つの異なる深さ設定５１０、具体的には、ｄ＝２．０インチ、６．０インチ、１０．０インチを、ＥＬＣＩＤ試験を用いて調べた。複数の励磁周波数を用いたＱＵＡＤトレースの結果が図６Ａ〜図６Ｃに示されている。図６Ａは、欠陥深さｄ＝２インチを用いたトレースを示す。図６Ｂは、欠陥深さｄ＝６インチを用いたトレースを示す。図６Ｃは、欠陥深さｄ＝１０インチを用いたトレースを示す。
【００４３】
ケース２：応答・対・欠陥の深刻度ｓ
【００４４】
このケースでは、二組の実験を行った。異なる損傷レベルを生成するため、一つの実験では、欠陥用に少量のはんだを用いる。例示目的で、通常の量のはんだで生成された欠陥がｓ＝１．０の深刻度に対応し、少量のはんだでの欠陥をｓ＝０とする。実験構成が図５Ｂに示されていて、深刻度の異なる欠陥５５０が歯１１０に導入されている。異なる励磁周波数を用いた二つの実験の結果及びＱＵＡＤトレースが図７Ａ及び図７Ｂに示されている。図７Ａは、深刻度レベルｓ＝０についてのトレースを示し、図７Ｂは、深刻度レベルｓ＝１についてのトレースを示す。
【００４５】
図６及び図７のｘ軸は、回転子鉄心の軸方向に沿った損傷の位置を反映しており、回転子鉄心の長さが与えられれば、容易に識別可能である。欠陥の深さ及び深刻度は、欠陥の軸方向位置とは無関係である。モデルの応答は、ＱＵＡＤトレースのピーク値である。ピーク選別アルゴリズムを用いて、ＱＵＡＤトレースからピーク値を抽出することができる。図８Ａは、異なる欠陥深さについての応答曲面（ＱＵＡＤトレースのピーク値）を示す。図８Ｂは、異なる欠陥深刻度についての応答曲面を示す。
【００４６】
モデルパラメータを識別するため、確率論的及び決定論的という両方の方法を用いることができる。確率論的パラメータ識別は、欠点論的識別よりもはるかに多くの情報を有し得る。結果としての確率論的モデルは、確率的論分析についての予測において不確定性をエンコードし得る。
【００４７】
更なるモデル評価データが、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、及び図１０Ｂに示されている。図９Ａは、０．７５インチの短絡長さを用いた三つの異なる欠陥深さについて、励磁周波数を変化させた際の電流測定の三つのグラフを、上述のような半経験的モデル化での物理モデルによる測定予測と共に示す。測定は、小円で接続されたセグメントによって表されていて、モデル予測についての９５％限界がシェーディングされた領域として示されている。図９Ｂは、１．０インチの短絡長さを用いた同様の実験についてのデータを示す。両方の場合において、モデル予測とデータとはおおよそ一致している。
【００４８】
図１０Ａは、０．５インチの短絡長さを用いたスロット４の五つの異なる欠陥深さについて、励磁周波数を変化させた際の電流測定の五つのグラフを、上述のような半経験的モデルによる予測と共に示す。図１０Ｂは、スロット５に位置する欠陥で行われた同様の実験についてのグラフを示す。各場合において、モデル予測と測定データとはおおよそ一致している。
【００４９】
方法
【００５０】
発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための例示的な方法が、図１１のフローチャート１１００に示されている。ブロック１１１０において、第一の励磁周波数の交流励磁電流が、発電機鉄心に隣接する励磁巻線に流されて、欠陥のある層と層の間に第一の渦電流を誘起する。ブロック１１２０において、第一の渦電流によって生じた磁束を示す第一の電位差計電圧を測定する。
【００５１】
次に、ブロック１１３０において、第二の励磁周波数の交流励磁電流が、発電機鉄心に隣接する励磁巻線に流されて、欠陥のある層と層の間に第二の渦電流を誘起する。ブロック１１４０において、第二の渦電流によって生じた磁束を示す第二の電位差計電圧を測定する。追加的な励磁周波数における測定を行って、計算精度を向上させたり、更なる未知数を求めてもよい。
【００５２】
ブロック１１５０において、本方法は、電位差計電圧と、励磁周波数と、欠陥の深刻度と、欠陥の深さとの間の半経験的な関係を用いて、欠陥の深刻度及び欠陥の深さを決定する。
【００５３】
システム
【００５４】
上述の方法論の要素は、単一ユニット、又はネットワークやバスで接続された複数のユニットを備えたコンピュータシステムにおいて実施され得る。例示的なシステム１２００が図１２に示されている。
【００５５】
計算装置１２１０は、メインフレームコンピュータ、デスクトップ若しくはラップトップコンピュータ、又はデータを処置することができる他の一若しくは複数のデバイスであり得る。計算装置１２１０は、装置に接続可能な任意の数のデータソースからデータを受信する。例えば、計算装置１２１０は、コンピュータや計算端末などの入出力デバイス１２４８を介して、ユーザからインプットを受信し得る。入出力デバイスは、入力部（マウス、ネットワークインターフェース、タッチスクリーン等であり得る）と、出力部（視覚的表示スクリーン、プリンタ等であり得る）とを含む。入出力データは、インターネット等の広域ネットワーク、ローカルエリアネットワーク、又は直接的なバス接続を介して、計算装置１２１０と入出力デバイス１２４８との間を流れ得る。計算装置１２１０は、例えば特定のタスクを実行するように入出力デバイス１２４８を使用することによって、演算を行い情報を表示するように構成され得る。一実施形態では、入出力デバイス１２４８を介して測定が開始されて、測定結果が、その同じ入出力デバイスを介してユーザに表示される。
【００５６】
計算装置１２１０は、一つ又は複数のプロセッサ１２２０（中央処理装置（ＣＰＵ，ｃｅｎｔｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ）等）を含み、更に、メモリ１２３０を含む。プロセッサ１２２０は、本開示に従ってソフトウェアを用いて構成される場合、本願で説明されているような発電機鉄心の絶縁欠陥を検出するための一又は複数の方法を実施するように構成されたモジュールを含む。そのモジュールは、励磁コイル１２５０を制御し、チャトックコイル１２６０からの測定結果及び参照コイル１２７０からの測定結果を受信し、これらの測定結果を処理して、欠陥によって生じる磁位差に起因したコイル電圧を決定する測定モジュール１２２４を含む。
【００５７】
また、モジュールは、欠陥の物理モデル及び測定データに基づいた欠陥のモデルを用いて、欠陥の深刻度及び欠陥の深さを求める測定処理モジュール１２２５も含む。
【００５８】
メモリ１２３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ，ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）及びリードオンリメモリ（ＲＯＭ，ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）を含み得る。また、メモリは、ディスクドライブ、テープドライブ、メモリカード等のリムーバブルメディア、又はこれらの組み合わせも含み得る。ＲＡＭは、プロセッサ１２２０においてプログラムを実行する際に用いられるデータを記憶するデータメモリとして機能するが、ＲＡＭは、プログラムワークエリアとしても用いられる。ＲＯＭは、プロセッサ１２２０において実行されるプログラムを記憶するためのプログラムメモリとして機能する。プログラムは、本発明の方法を実施するようにプロセッサによって実行されるコンピュータ可読命令が記憶されたＲＯＭ、又は他の有形若しくは不揮発性コンピュータ可読媒体１２４０に存在し得る。また、ＲＯＭは、そのプログラム又は他のプログラムによって使用されるデータも含み得る。
【００５９】
一般的に、上記プログラムモジュール１２２４、１２２５は、特定のタスクを実行したり、特定の抽象データ型を実施したりするルーティン、オブジェクト、コンポーネント等を含む。“プログラム”との用語は、本願において、単一のプログラムモジュール、又は共に機能する複数のプログラムモジュールを含むものである。本方法は、多様なタイプのコンピュータにおいて実施可能であり、そうしたコンピュータとして、パーソナルコンピュータ（ＰＣ，ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、携帯型デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのプログラム可能家電製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等が挙げられる。本方法は、分散型計算環境においても利用可能であり、タスクが、通信ネットワークで接続されたリモート処理デバイスによって実施される。分散型計算環境においては、モジュールは、ローカルメモリストレージデバイス及びリモートメモリストレージデバイスの両方に配置され得る。
【００６０】
上記方法論を実施するための例示的な処理モジュールは、コンピュータ可読媒体（ＲＯＭ、磁気ハードドライブ、光学ストレージ、テープ、フラッシュメモリ等の他のタイプ）から、一又は複数のプロセッサのメインメモリに読み込まれる個別メモリに組み込まれるか又は記憶され得る。メモリ媒体に記憶されたプログラムの場合、モジュールにおける命令シーケンスの実行によって、プロセッサが本願で説明されるプロセスステップを実施する。本開示の実施形態は、ハードウェア及びソフトウェアの特定の組み合わせに限定されるものではなく、上記のことを実施するように必要なコンピュータプルグラムコードは、当業者によって開発可能なものである。
【００６１】
“コンピュータ可読媒体”との用語は、本願において、一つ又は複数のプロセッサに命令を提供する又はその提供に関与する有形の機械コード化媒体を称する。例えば、コンピュータ可読媒体は、一つ又は複数の光学メモリディスク、磁気メモリディスク、フラッシュドライブ、フラッシュカード、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ（典型的にはメインメモリを構成するＤＲＡＭ等）であり得る。こうした媒体からは、有形ではない伝播信号が除外される。キャッシュ情報は、コンピュータ可読媒体に記憶されるものとされる。一般的なコンピュータ可読媒体は、当該分野において周知であり、本願では詳細に説明しない。
【００６２】
結論
【００６３】
発電機鉄心の絶縁欠陥識別用の一般的な方法論が開示される。欠陥識別用にチャトックコイルを使用するという基本的アイディアが詳細に説明され、物理の知識及び経験的な知識を組み合わせたモデルが、欠陥の位置及び深刻度を予測するために提案される。効率的な実験的試験を用いてモデルパラメータを得るため、ラテン超方格法が提案されて、実験計画法を実施して、実験的試験の全体的なコストを低減する。
【００６４】
上記詳細な説明は、あらゆる面において例示的なものであり、限定的なものではないと理解されるものであり、本開示の範囲は、上記説明によって定められるものではなく、特許法により許容される最大範囲内において解釈される特許請求の範囲によって定められるものである。多様な修正が、本開示の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者によって実施されることは理解されたい。
【符号の説明】
【００６５】
１００  鉄心
１１０  歯
１２０  欠陥
１３０  金属キー・バー
１５５  層
１６５  交番磁束
１７０  渦電流
２２０  電流
２３０  チャトック電位差計
【図１Ａ】
2015504175.tif 000012
【図１Ｂ】
2015504175.tif 000013
【図２】
2015504175.tif 000014
【図４Ａ】
2015504175.tif 000015
【図４Ｂ】
2015504175.tif 000016
【図５Ａ】
2015504175.tif 000017
【図５Ｂ】
2015504175.tif 000018
【図３】
2015504175.tif 000019
【図６Ａ】
2015504175.tif 000020
【図６Ｂ】
2015504175.tif 000021
【図６Ｃ】
2015504175.tif 000022
【図７Ａ】
2015504175.tif 000023
【図７Ｂ】
2015504175.tif 000024
【図８Ａ】
2015504175.tif 000025
【図８Ｂ】
2015504175.tif 000026
【図９Ａ】
2015504175.tif 000027
【図９Ｂ】
2015504175.tif 000028
【図１０Ａ】
2015504175.tif 000029
【図１０Ｂ】
2015504175.tif 000030
【図１１】
2015504175.tif 000031
【図１２】
2015504175.tif 000032
【国際調査報告】
2015504175.tif 000033
2015504175.tif 000034
2015504175.tif 000035