(57)【要約】【課題】  ファイバオプティクスを用いて電気機械の固定部品の温度を測定するためのセンサ（１０）を提供する。【解決手段】  光ファイバ（１６）が、非金属リボン（１４）内に埋込まれる。固定部品の形状に適合する屈曲部を形成するためにリボン内にノッチ（２０）が切込まれる。リボン及び光ファイバが固定部品に取付けられる。光ファイバの少なくとも１つの端部から一連のレーザパルスを注入することができ、一連のレーザパルスによる反射の状態表示によって固定部品温度をモニタすることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバオプティクスを用いて電気機械の固定部品の温度を測定する方法であって、
（ａ）光ファイバ（１６）を非金属リボン（１４）内に埋込む段階と、
（ｂ）固定部品の形状に適合する屈曲部を形成するために前記リボン内にノッチ（２０）を切込む段階と、
（ｃ）前記リボン及び光ファイバを前記固定部品に取付ける段階と、
（ｄ）前記光ファイバの少なくとも１つの端部から一連のレーザパルスを注入する段階と、
（ｅ）前記一連のレーザパルスによる反射の状態表示によって固定部品温度をモニタする段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記固定部品がアーマチュアバー（１８）でありかつ前記アーマチュアバーを囲む絶縁材を設け、前記段階（ｃ）が、リボン（１４）及び光ファイバ（１６）を前記絶縁材の外側に取付けることによって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記固定部品がアーマチュアバー（１８）であり、前記段階（ｃ）が、リボン（１４）及び光ファイバ（１６）を前記アーマチュアバーに直接取付けることによって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記段階（ａ）が、前記リボン（１４）内に埋込まれた光ファイバ（１６）を正弦波構成に配置することによって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記段階（ｄ）が、前記光ファイバ（１６）の両端部から一連のレーザパルスを注入することによって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
電気機械の固定部品の温度を測定するための装置であって、
非金属材料リボン（１４）内に埋込まれた光ファイバ（１６）を含み、
前記固定部品内の屈曲部に適合するように前記リボン内にノッチ（２０）が形成され、
前記リボンが、前記光ファイバが圧壊されるのを防止しながら該光ファイバを支持するのに十分なクリープ強度を有する材料で形成されている、
装置。
【請求項７】
前記光ファイバ（１６）が、正弦波構成で前記リボン（１４）内に埋込まれている、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記ノッチ（２０）が、前記正弦波の節と一致している、請求項７の装置。
【請求項９】
第２のリボン（１０’、１４）及び対応する第２の光ファイバ（１０’、１６）をさらに含む、請求項６記載の装置。
【請求項１０】
前記固定部品がアーマチュアバー（１８）であり、前記リボン（１４）の高さが、前記アーマチュアバーの高さの約半分である、請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバオプティクスを用いて電気機械の温度を測定することに関し、より具体的には、アーマチュア巻線に沿って経路を定めた光ファイバ内に注入した一連のレーザパルスによる反射の状態表示によって巻線温度をモニタすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の常法では、アーマチュア温度を測定するのに抵抗温度検知器（ＲＴＤ）を用いる。これは、ＲＴＤの位置のみのかつアーマチュアバー又はコイルの外側面のみの局所的温度情報をもたらす。実際の銅温度に関する情報は、銅ストランド内に埋込んだ熱電対を用いてのみ収集することができる。これは、接地壁絶縁材（ｇｒｏｕｎｄ  ｗａｌｌ  ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）を貫通して熱電対を通す必要があり、従って、この方法は特別な試験目的のためのみに使用され、生産機に使用されるのはまれである。
【０００３】
ホットスポットの位置は、現在ではステータスロット内にスタック長さに沿って多数のＲＴＤを設置することによって収集される。これは、ステータスロット内のホットスポットに関するおよその情報をもたらすが、ステータ末端巻線内の巻線温度についての情報は全く得られない。
【特許文献１】米国特許６,３９９,９４９号公報
【特許文献２】米国特許６,２６２,５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファイバオプティクスを用いる温度測定は、埋設ケーブルでは成功裏に実施されてきたが、発電機又は電動機巻線を温度モニタするのに有効であるような十分な分解能は備えていない。航空宇宙用途では、別個の位置に配置した光学格子に基づいた他の方法により、より微細な間隔分解能が得られてきた。ターボ機械、水力発電機又は電動機のような電気機械において機械の健全性を損なわずに電気巻線内でこの原理を働かせる方法を見出すことが望ましいと思われる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態では、ファイバオプティクスを用いて電気機械の固定部品の温度を測定する方法を提供する。本方法は、（ａ）光ファイバを非金属リボン内に埋込む段階と、（ｂ）固定部品の形状に適合する屈曲部を形成するためにリボン内にノッチを切込む段階と、（ｃ）リボン及び光ファイバを固定部品に取付ける段階と、（ｄ）光ファイバの少なくとも１つの端部から一連のレーザパルスを注入する段階と、（ｅ）一連のレーザパルスによる反射の状態表示によって巻線温度をモニタする段階とを含む。
【０００６】
本発明の別の例示的な実施形態では、電気機械の固定部品の温度を測定するための装置は、非金属材料リボン内に埋込まれた光ファイバを含む。固定部品内の屈曲部に適合するようにリボン内にノッチが形成され、リボンは、光ファイバが圧壊されるのを防止しながら該光ファイバを支持するのに十分なクリープ強度を有する材料で形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１〜図３は、単一アーマチュアバーの複光路方式の状態表示（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）を示し、この単一アーマチュアバーは、支持構造体と共に、巻線組立て時に光ファイバが損傷するのを保護しまた機械運転時にバーに作用する電磁力から光ファイバを保護するエンドアームを含む。センサ１０を製作するために、平坦なリボン材料のストリップ内に溝１２が機械加工される。光ファイバ１６を材料１４内に埋込むために、光ファイバ１６は機械加工溝１２内に配置される。次ぎに、光ファイバ１６は、例えばエポキシのような接着剤でリボン材料１４内に固定される。
【０００８】
平坦なリボン１４の材料は、光ファイバ１６を圧壊せずに該光ファイバを支持するのに十分なクリープ強度を有することが必要である。材料は、二成分エポキシペースト接着剤のような接着性樹脂と相容性がある非金属材料であることが好ましい。
【０００９】
図２に示すように、リボンの材料１４の幅は、裸アーマチュアバー１８の高さの約半分であることが好ましい。リボンの材料１４は、１つのコイルのＭＬＴ（平均巻き長さ）の半分よりも僅かに大きい長さに切断される。リボンを屈曲させてタービン上及びバー１８のコレクタ端部上の伸開線（インボリュート）に適合させることができるように、該リボン内に切込み２０が形成される。
【００１０】
図２に示すように、次ぎに、リボン１４の上部端縁をバー１８の上部端縁と揃えることによってエンドアームを形成した後に、第１のセンサ１０が、裸バー１８の側面に取付けられる。図３を参照すると、次ぎに、第2のセンサ１０’が、その下部端縁をバー１８の底部と整列させることによってバー１８に固定される。センサ１０、１０’は、例えばエポキシ又は類似の接着剤によりバー１８に固定されるのが好ましい。図３はバー１８に固定された２つのセンサ１０、１０’を使用する好ましい実施形態を示しているが、これに代えて単一のセンサ１０をバーの中央に配置することができ、或いは３つ又はそれ以上のセンサをより高い半径方向分解能を得るようにバーに固定することもできる。ただ１つのバーをモニタする場合には、タービン端部上のファイバを互いに接続する（直列のループがろう付けされた後に）ことが可能であり、接続したファイバは、コレクタ端部上で好ましくはニュートラル接続リード線に沿って機械から外に引き出すことができる。
【００１１】
直列のループは、ステータの軸方向末端部の上部及び底部バーの端部間での電気接続部である。上部及び底部バーは、異なるステータスロットから出て、それらが円周方向及び軸方向に整列されるようになる円錐面上の経路を辿るのが一般的であって、上部バーは底部バーよりも回転軸線からより小さい半径方向距離にある。直列のループは、一般的には銅製である電気部品を含み、該部品は、上部バーを底部バーと接続する。直列のループコネクタは、ろう付けによって上部及び底部バーに取付けられて、電気的かつ機械的に良好な接続を保証する。
【００１２】
図４は、センサの別の構造を示す。この構造では、センサ１００には、光ファイバ１６がリボン材料１４内に正弦波形状で埋込まれるように、ほぼ正弦波形状の溝１２’が機械加工されている。この構成は、温度測定のより幅広い半径方向平均値をもたらすだけでなく、銅製バーの熱膨張に対する光ファイバ１６のひずみの軽減をもたらす。図４に示すように、光ファイバ１６内の正弦波のピッチは、ノッチ２０が波の節にあるように調整されるのが好ましい。
【００１３】
作製して取付けられると、レーザパルスを光ファイバ１６の両端部から注入することができ、一連のレーザパルスによる反射を状態表示することによって巻線温度をモニタすることができる。光ファイバ内に注入した一連のレーザパルスによる反射の状態表示によって温度をモニタすることは、公知であるのでその詳細はこれ以上説明しないことにする。
【００１４】
本発明のセンサは、アーマチュア巻線の全長又は一部に沿って経路を定めることができる。１つの構成では、センサは、絶縁材の外側上でバーに沿って通すことができ、それによって、バーの完全な温度プロフィールを得るのに加えて、ＲＴＤ読取り値と直接比較することを可能にする。これに代えて、センサは、バーの銅の温度読取り値の分布を直接得るようにステータ接地壁絶縁材の下を通すことができる。
【００１５】
別の構成では、図５を参照すると、センサ１０はバー内に埋込まれた中空のケーブル又は導管２２内を通すようにして、アーマチュア巻線を構成する個々の対のバー間にろう付け継手を形成した後に光ファイバを挿入できるようにすることができる。軸方向の動きのために隙間２４が設けられる。１つの実施形態では、隙間２４は、グリースのような潤滑剤で充填される。この構成は、ろう付けのために必要な高温に曝されることから光ファイバを保護する。
【００１６】
長方形の断面を有する平坦なリボン材料１４内に光ファイバ１６を埋込むことによって、元のバーの外側長方形構成を損なわずにファイバをバーの側面に取付けることができる。単列又は二重列のどちらかの非保護ファイバが存在することによって形成された浅い膨出部により、アーマチュアバーの動きを抑制するスロット支持システムの能力が損なわれるおそれがあり或いはその代わりに光ファイバ１６が圧壊されるおそれがある。
【００１７】
光ファイバ１６の両端部からレーザパルスを注入することによって、温度読取りの間隔分解能を向上させることができる。その上、光ファイバの両端部からレーザパルスを注入することにより、光ファイバの経路に沿った任意の位置で破断が生じた場合であっても、状態表示経路の全長にわたってデータを収集できる点で測定の信頼性が向上する。それに沿って光ファイバが配置される経路は、Ｎ相巻線の各相に対して１つある、Ｎ個の別個の状態表示長さに区分することができる。これに代えて、それに沿って光ファイバが配置される単一の経路を、デルタ接続巻線のＮ相全てに沿って形成することができる。ステータ巻線のニュートラル端部に近接する該巻線の低電圧端部において接地壁絶縁材を貫通してレーザパルスを注入することによって、電気的な応力が掛かる巻線の他のセクション全てにおいて絶縁完全性を維持することができる。
【００１８】
二回路式巻線の場合、光ファイバは、該ファイバが１つの回路を通って下方に延びかつ同じ相の並列回路に沿って戻る単一経路を形成し、該光ファイバがその同じ相のニュートラル端部に近接して入りかつ出る経路になるように、経路を定めることができる。この構成は、回路の低電圧端部において接地壁絶縁材を貫通することを可能にする。この経路パターンは、Ｎ相巻線の幾つかの相又は各相において繰り返すことができる。
【００１９】
これに代えて、２回路式巻線における光ファイバは、該光ファイバが１つの巻線回路の１つの脚部を通って下方に延び、巻線のより低電圧端部から開始し、かつ同じ相の平行な回路に沿って該巻線の低電圧端部に戻る単一経路を形成するように、経路を定めることができ、これを各相で繰り返すことができる。
【００２０】
同様の考え方で、光ファイバは、偶数の回路２Ｎを含む任意の多回路式巻線において、単一の直列接続した経路として該光ファイバの経路を定めることができ、該経路は、１つの回路を上方に進み、Ｎ回他の回路に戻り、各回路の全長が状態表示されるようになる。奇数２Ｎ＋１回路の場合には、光ファイバは、単一の直列接続した経路として経路を定めることができ、該経路は、１つの回路を上方に進み、Ｎ回他の回路に戻り、残りの対になっていない回路への経路は同一のバーに沿った往復となり、各回路の全長が少なくとも１回は状態表示されるようになる。
【００２１】
光ファイバは、レーザパルスを外部から機械に加えることができるように、接続リード線に沿って機械から外に経路を導くことができる。水素冷却式機械においては、光ファイバは、レーザパルスを外部から機械に加えることができるように、高電圧ブッシュを通して又は計器グランドを通して接続リード線から外に経路を導くことができる。
【００２２】
上述のように、光ファイバは、典型的なアーマチュアバーに沿って典型的なアーマチュアバー性能のサンプルを収集することに注目した選択バーに沿って経路を定めることができる。同様に、光ファイバは、バーのうちの１つに開口するループを形成するように選択バーに沿って両方向に経路を定めることができ、ループの半分はバーの１つの半径方向又は方位角方向の末端部の近くに位置しまたループのもう半分は他の末端部により近いところに位置する。
【００２３】
多巻数コイルでは、光ファイバは、個々の巻きに沿って経路を定めることができる。さらに、光ファイバは、アーマチュア巻線の絶縁接続リングの表面に沿って経路を定めてその表面温度を測定するか或いは接続リングの接地壁絶縁材の下に埋込んでそれらの銅温度を測定することができる。光ファイバは、さらに付加的にステータウェッジの上部、ステータ歯又はコアの背部に沿って経路を定めて、ステータコアの選択領域の温度プロフィール及び機械の空隙内の冷却ガスの温度プロフィールを収集することもできる。光ファイバは、さらに付加的にフレーム要素、ステータフランジ、端子ボックス要素及び軸受の静止要素のようなステータの構造部品に沿って経路を定めて、機械のステータのこれら選択領域の温度プロフィールを収集することもできる。
【００２４】
本発明のセンサの場合には、電気機械の固定部品全体にわたる温度情報を、一時的試験段階時又は連続運転時のいずれかの間に収集して、連続した（時間及び空間の両方において）機械モニタ及び診断を可能にすることができる。本発明のセンサを用いて機械内で測定した運転温度の連続又は個別データは、これらの部品が機械の運転時に曝される温度に基づいて各部品の残存予測寿命を判定する発電機部品寿命評価モデルにおいて使用することができる。この部品寿命評価モデルの結果を使用して、モニタした発電機部品の予防保守及び改修を計画することができる。
【００２５】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】平坦なリボン材料内に埋込まれた光ファイバを示す図。
【図２】アーマチュアバー上に取付けられる成形センサを示す図。
【図３】アーマチュアバー上に取付けられる第２の成形センサを示す図。
【図４】正弦波状に配置された光ファイバを含むセンサの別の実施形態を示す図。
【図５】別の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  センサ
１２  溝
１４  非金属リボン
１６  光ファイバ
１８  アーマチュアバー
２０  ノッチ
【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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