(57)【要約】【課題】回転電機において、異常摩耗発生のためブラシを交換しても、スリップリング表面の劣化は残留するため異常摩耗再発の可能性は高くなり、運転寿命の短縮は回避できない。本発明は、異常摩耗発生を早期に発見し、摺動通電機構の運転寿命を向上させるための異常摩耗診断装置を提供することを目的としている。【解決手段】ブラシ／スリップリング間の摺動界面で発生するパルス状の微小放電信号を検出し、パルス波高とカウント数をヒストグラム化する。このヒストグラムを、同様にパルス波高とカウント数をパラメータとした閾値関数と比較し、ヒストグラムが閾値関数の値を超過した場合に異常摩耗警報を発する異常摩耗診断装置を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる二つの電気部品が互いを通電しながら摺動する機構において、前記二つの電気部品界面で発生するパルス状の放電信号を検出し、前記放電信号の波高とカウント数をヒストグラム化し、前記波高とカウント数をパラメータとして組み合わせた閾値関数と前記ヒストグラムを比較し、前記ヒストグラムが前記閾値関数の値を超過した場合に前記電気部品の異常摩耗警報を発することを特徴とした異常摩耗診断装置。
【請求項２】
上記放電信号を検出する検出器として、電磁波検出素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項３】
上記放電信号を検出する検出器として、光検出素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項４】
上記放電信号を検出する検出器として、音波検出素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項５】
上記検出器は、上記放電信号を検出しながら放電発生源近傍を走査する機構を備えたことを特徴とする請求項４に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項６】
上記放電信号を検出する検出器として、上記電気部品間を流れる通電電流に重畳するパルス状電流成分を検出する電流計を用いたことを特徴とする請求項１に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項７】
上記通電電流の周期に応じて、所定の位相の間のみ上記放電信号を検出可能とする位相ゲートを備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の異常摩耗診断装置。
【請求項８】
上記電磁波検出素子、光検出素子、音波検出素子、電流計のうち少なくとも２つ以上の検出器を併用し、前記いずれか１つの検出器が出力する放電検出信号を主信号とし、前記主信号が入力したら所定時間のタイムゲートを開き、前記タイムゲートが開いている間に残りの検出器から放電信号を検出した場合に、前記主信号を出力する同時判定回路を有した請求項１に記載の異常摩耗診断装置。
【請求項９】
上記異なる二つの電気部品として、一方を集電ブラシ、もう一方をスリップリングとし、請求項１から８に記載の異常摩耗診断装置を備えた回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機や電動機などに使用されるスリップリングとブラシに代表される、摺動通電部品の異常摩耗の発生を早期に発見する異常摩耗診断装置及びそれを備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる二つの電気部品が互いに接触し、その電気部品間で通電しながら摺動する、いわゆる摺動通電機構は、鉄道のトロリ線とパンタグラフや回転電機のブラシとスリップリングに代表されるように、様々な製品に用いられている。このような摺動通電機構では電気部品が次第に摩耗していくため、点検や交換といった保守作業が欠かせない。しかし、電気部品の摩耗状態は周囲の環境条件や負荷変動によって影響を受けて摩耗速度が変化し、個々の部品に流れる電流が異なるために部品毎に摩耗速度が異なる場合もあるため、点検漏れが摺動通電機構の機能停止という重大事故発生につながる恐れがある。そこで、電気部品の摩耗状態を監視する技術がこれまでに提案されている。
【０００３】
本技術分野の従来技術として、特許文献１が知られている。特許文献１では、ブラシに押圧力を付与するブラシ押し金具の回転動作に応動して出力信号を発生する可変抵抗器を設け、摩耗量に応じて出力電圧が変化することによりブラシ摩耗をオンラインで監視する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８９７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般にブラシの摩耗特性は、図８に示すように回転電機の運転初期は摩耗速度が高く、次第に緩やかな摩耗速度に変化する特性（図８中の正常摩耗）にある。これが極端な湿度や温度、塵埃といった過酷な環境下で運転を開始する、あるいは運転途中から環境が急変すると摩耗速度が急激に速くなる（図８中の異常摩耗（ａ）（ｂ））。この異常摩耗発生の主な原因は、界面での放電による電蝕でスリップリング表面が荒れや劣化を起こし、ブラシの潤滑性が損なわれるためである。スリップリング表面が一旦荒れると放電発生頻度が上がり、それが更なる表面劣化を招き、結果的に異常摩耗が加速的に進行する。このような異常摩耗が発生してもブラシは交換すれば対処可能であるが、スリップリングのような回転部品は容易に交換できない。従って、ブラシ交換後もスリップリング表面の荒れが残留したまま再運転することになるため、異常摩耗再発の可能性は高くなり、結果的に運転寿命の短縮は回避できない。特許文献１に記載のように摩耗量を監視する方法は、既にスリップリング表面劣化が進行した状態をモニタリングしているため、ブラシ交換時期を把握することはできても、スリップリングを含んだ回転電機全体の長寿命化や保守作業軽減までには至らない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、異常摩耗発生を早期に発見し、摺動通電機構の運転寿命を向上させるための異常摩耗診断装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、前述の目的を達成するために、異なる二つの電気部品が互いを通電しながら摺動する機構において、前記二つの電気部品界面で発生するパルス状の放電信号を検出する検出器を備える。本発明では前記放電信号検出として、電磁波、光、音波、及びパルス電流の検出素子を備える。そして、パルス波高と検出頻度データを取り込み、前記放電信号の波高とカウント数をヒストグラム化し、前記波高とカウント数をパラメータとして組み合わせた閾値関数と前記ヒストグラムを比較し、前記ヒストグラムが前記閾値関数の値を超過した場合に異常摩耗の発生を通知する異常摩耗診断装置を備える。具体的には、摺動通電機構の周辺に、電磁波を検出するアンテナ、発光を検出する光電変換素子、音響計測器、あるいは通電線上に電流計のいずれかを備える。これら検出器から取得した、パルス波高とカウント数をヒストグラム化し、予め設定した閾値関数を境界として、正常摩耗か異常摩耗かを診断し、後者と判定された場合警報を通知する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、異常摩耗を早期の段階で発見することにより、摺動部品の劣化を早期の段階で防止することができる。その結果、摺動通電機構の運転寿命が向上し、保守作業の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の異常摩耗診断装置１２内部の処理の流れを詳細に説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の構成を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例の構成を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例の構成を示す図である。
【図７】本発明の第５に実施例おける同時判定回路２０内部処理の流れを説明するタイムチャートである。
【図８】ブラシの代表的な摩耗特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の異常摩耗診断装置を用いた回転電機の第１の実施例について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１に本実施例の異常摩耗診断装置を用いた回転電機の構成を示す。本実施例では異なる電気部品としてスリップリング１とブラシ２を例に記述している。なお異なる電気部品の組み合わせとしては、他分野として鉄道のトロリ線とパンタグラフや、開閉器の固定子と可動子としても本実施例を適用できる。スリップリング１表面に集電用のブラシ２が２個接触し、両者が通電しながら摺動している。ブラシ２はブラシホルダ３で保持されながらブラシ押し金具４でスリップリング１に当てられており、リード線５を経由して外部に電流を流している。運転中はブラシ２／スリップリング１界面、特にブラシ２端部では、両者の電気的な接触と解離により断続的に微小放電Ｄが発生し、放電に起因して電磁波Ｅを放射する。この微小放電Ｄは互いに良好な接触状態で摺動する場合はほとんど発生しないが、表面の荒れによる凹凸が顕著になる等接触性が不安定になるほど頻発する。ブラシ２／スリップリング１界面近傍に電磁波Ｅを検出するための電磁波検出素子として、ここではループアンテナ６を設置し、検出した電磁波Ｅ信号を増幅器７で増幅する。ここで通電電流が交流の場合、電流がゼロの瞬間は放電が発生しないので、リード線５から電流計８で電流波形を読み取り、９０度および２７０度付近のみ検出する位相ゲート９を付加することにより、誤検出の可能性が下がり、測定の信頼性が向上する。増幅された電磁波Ｅ信号のうち、微小放電Ｄに起因する電磁波Ｅの周波数は数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚであるため、バンドパスフィルタ１０を介して所定の周波数帯のみフィルタリングする。フィルタリングされた電磁波Ｅ信号は、ＡＤ変換器１１でパルス波高がデジタル値に変換され、異常摩耗診断装置１２に入力される。この断続的に送られてくる信号を、異常摩耗診断装置１２内部でカウントしてヒストグラム化し、所定の閾値を超えた場合に異常警報を発する。
【００１３】
異常摩耗が発生するのは、摺動部品保持部材（ここではブラシホルダ３）の不具合による接触不安定や、前述の湿度や温度および塵埃などによる周囲環境の悪化などが原因に挙げられる。これらにより接触界面にてアーク放電等の微小放電Ｄが発生し、その熱的影響により摺動部品表面で荒れや劣化を促進し、そこで生じた凹凸が更に微小放電Ｄを高頻度に引き起こし、これら一連の繰り返しが異常摩耗へと繋がる。即ち、この微小放電が異常摩耗の予兆を知らせる前駆現象であり、本実施例のように電磁波検出素子を用いて、この微小放電Ｄを早期に検出するのが異常摩耗の防止に望ましい。
【００１４】
次に、図２に異常摩耗診断装置１２内部の処理の流れを、下記のＳｔｅｐ１〜３に沿って詳細に説明する。なお、ケースＡは正常摩耗（警報不要）の場合、ケースＢは異常摩耗（警報発信）の場合である。
Ｓｔｅｐ１：
ＡＤ変換器１１から逐次入力されるパルス信号の波高値をサンプリング部１２ａにて…，Ｉn-1，Ｉn，Ｉn+1，…にサンプリングして蓄積する。
Ｓｔｅｐ２：
波高−カウントヒストグラム部１２ｂにてパルス波高Ｉとパルスカウント数Ｎをヒストグラム化する。
Ｓｔｅｐ３：
Ｓｔｅｐ２で作成したヒストグラムと同じグラフ上に閾値曲線Ｔを加え、ヒストグラムと閾値曲線Ｔとの関係から、ケースＡ：正常摩耗（Ｓｔｅｐ３Ａ）とケースＢ：異常摩耗（Ｓｔｅｐ３Ｂ）にステップが分かれる。各々以下に述べる。
Ｓｔｅｐ３Ａ：
ケースＡのようにパルス波高と頻度が低い場合は、波高−カウントヒストグラム部１２ｂが原点側に集中する。予め設定した閾値曲線Ｔより左下側にヒストグラムが存在する場合は、正常摩耗と判定してそのまま運転を継続する。
Ｓｔｅｐ３Ｂ：
ケースＢのようにパルス波高と頻度が高い場合は、ヒストグラムがグラフ縦軸・横軸方向に拡大する。このヒストグラムが閾値曲線Ｔより右上側に存在する場合、異常摩耗として警報を発する。
【００１５】
この閾値曲線Ｔは、本実施例のようなパルス波高とカウント数の関数としなくとも、カウント数に依らずに或るパルス波高を超えた場合に異常警報を発する方法でも良い。ただし、微小放電Ｄ発生のパターンとして、波高の低いパルスが頻発するパターンや、低頻度ながら波高の高いパルスが発生するパターンが有り得る。これらを考慮して関数化した閾値曲線Ｔとすれば、誤判定を回避し精度の高い異常摩耗診断が可能となる。また、回転電機の運転初期はブラシ２／スリップリング１界面の馴染みが十分ではないため微小放電Ｄを発生する可能性が高い。そこで、閾値曲線Ｔを運転初期の閾値曲線Ｔ1から安定期の閾値曲線Ｔ2へと変わる時間の関数にすると、更に診断精度が向上する。
【００１６】
本実施例のように、微小放電Ｄで放射する電磁波Ｅを信号として検出する方式では、検出周波数帯が数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚと高い帯域にあるため、外来気中ノイズと容易に分離でき、しいては診断精度の優れた異常摩耗診断装置を提供することができる。
【実施例２】
【００１７】
本実施例は、検出する物理信号として放電発光を利用した異常摩耗診断装置を用いた回転電機の例を説明する。図３は、実施例２における異常摩耗診断装置を用いた回転電機の構成である。図３のうち、ＡＤ変換器１１以降の異常摩耗診断装置１２内部の処理の流れについては、図１及び図２と同一の記載のため、説明を省略する。
【００１８】
運転中のブラシ２／スリップリング１界面、特にブラシ２端部では、両者の電気的な接触と解離により断続的に微小放電Ｄが発生し、それに付随した放電発光Ｌを放射する。ブラシ２／スリップリング１界面近傍に光ファイバ１３を配置し、光ファイバ１３の発光源側の一端には、摩耗粉塵が受光面に付着するのを防止する防塵キャップ１４を備える。光ファイバ１３のもう一方の端に、光検出素子としてここでは光電子増倍管１５を接続する。放電発光Ｌは光電子増倍管１５で光電変換され、電気的なパルス信号として断続的にＡＤ変換器１１へ送られ、ＡＤ変換器１１でパルス波高をデジタル値に変換し、異常摩耗診断装置１２に入力される。
【００１９】
本実施例のように、微小放電Ｄで放射する放電発光Ｌを信号として検出する方式は、光ファイバを経由することにより光電子増倍管１５以降の構成を遠隔に配置することができる。ブラシ２／スリップリング１近傍の構造が複雑で、検出器の近傍配置が困難な場合は、本実施例を採用すれば遠隔からの検出が容易となる。
【実施例３】
【００２０】
本実施例は、検出する物理信号として音波を利用した異常摩耗診断装置を用いた回転電機の例を説明する。図４は、実施例３における異常摩耗診断装置を用いた回転電機の構成である。図４のうち、ＡＤ変換器１１以降の異常摩耗診断装置１２と装置内部の処理の流れは図１及び図２と同一の記載のため、説明を省略する。
【００２１】
運転中のブラシ２／スリップリング１で発生する断続的な微小放電に付随し放電音波Ｓを放射する。ブラシ２／スリップリング１界面近傍に、音波検出素子としてここではＡＥ（Acoustic Emission）センサに代表される音響センサ１６を備える。音響センサ１６は走行レール１７に搭載され、界面に沿って走行するものとする。音響センサ１６は走行しながら放電音波Ｓを検出して電気信号に変換し、電気的パルス信号として断続的にＡＤ変換器１１に送信する、ＡＤ変換器１１でパルス波高をデジタル値に変換し、異常摩耗診断装置１２に入力される。
【００２２】
一般に音波は電磁波や光と比べて空間伝搬中の減衰が強いため、本実施例のように音響センサ１６を走査することにより音源を特定しやすいため、放電発生位置を高精度に特定できる。例えば、ブラシ数が多くブラシを全て交換するのが困難な構造の場合、本実施例の方式を用いれば、交換すべきブラシを選択でき、交換作業の負荷が軽減される。なお、図示していないが、１個の音響センサ１６を走査せずに複数の音響センサを適宜配置する構成でも上記と同等の効果を得ることが可能である。
【実施例４】
【００２３】
本実施例は、検出する物理信号として通電電流波形を利用した異常摩耗診断装置を用いた回転電機の例を説明する。図５は、実施例４における異常摩耗診断装置を用いた回転電機の構成である。図５のうち、ＡＤ変換器１１以降の異常摩耗診断装置と装置内部の処理の流れは図１及び図２と同一の記載のため、説明を省略する。
【００２４】
微小放電Ｄが発生すると、リード線５を流れる通電電流ＩA（本実施例では交流電流）にパルス状の放電電流ＩDが重畳する。電流計１８からバンドパスフィルタ１９で、電流波形から通電電流成分を除去すると放電電流ＩD成分のみが抽出される。この放電電流のパルス波高をＡＤ変換器１１でデジタル値に変換し、異常摩耗診断装置１２に入力する。
【００２５】
本実施例ではブラシ後段のリード線５に接続するだけで実現が可能となり、必ずしも回転電機近傍に配置する必要がない。従って、装置の設置が容易で設置場所の自由度が高いため、設置コストが安価で済む。
【実施例５】
【００２６】
本実施例は、前記実施例１から４に記載の電磁波検出素子（ループアンテナ６）、光検出素子（光電子増倍管１５）、音波検出素子（音響センサ１６）、電流計１８を併用した異常摩耗診断装置を用いた回転電機の例を説明する。図６は、実施例５における異常摩耗診断装置を用いた回転電機の構成である。ブラシ２／スリップリング１界面近傍に設置したループアンテナ６、光電子増倍管１５、音響センサ１６、及びリード線５に接続した電流計１８からＡＤ変換器１１を経由して各々のパルス状の放電検出信号ＳI，ＳE，ＳL，ＳSが同時判定回路に入力される。これら放電検出信号のうちいずれか１つの放電検出信号を主信号と指定して、主信号が入力されたら所定時間のタイムゲートを開き、タイムゲートが開いている間に残りのいずれかの放電検出信号が入力された場合、同時判定回路２０から異常摩耗診断装置１２に主信号のパルス波高に相当するＳOが出力される。
【００２７】
次に同時判定回路２０内部処理の流れを、図７に示すタイムチャートを用いて詳細に説明する。ここでは電磁波検出素子からの信号ＳEを主信号とし、タイムゲートの時間間隔をτとする。主信号ＳEが入力した各タイミング１〜６での処理は以下の通りである。
タイミング１：タイムゲートτの間にＳI，ＳL，ＳSが入力    →    ＳOを出力。
タイミング２：タイムゲートτの間にＳIが入力              →    ＳOを出力。
タイミング３：タイムゲートτの間にＳL，ＳSが入力         →    ＳOを出力。
タイミング４：タイムゲートτの間に入力なし               →    出力なし。
タイミング５：タイムゲートτの間にＳI，ＳSが入力         →    ＳOを出力。
タイミング６：タイムゲートτの間に入力なし               →    出力なし。
【００２８】
本実施例では、主信号のタイムゲート間に他の信号と入力した場合に異常摩耗診断装置１２へ出力する同時判定回路２０を用いることにより、偶発の偽信号を除去することでＳ／Ｎ比が向上し、より確度の高いヒストグラムとなり、異常摩耗診断の信頼性が向上する。
【符号の説明】
【００２９】
１  スリップリング
２  ブラシ
３  ブラシホルダ
４  ブラシ押し金具
５  リード線
６  ループアンテナ
７  増幅器
８、１８  電流計
９  位相ゲート
１０、１９  バンドパスフィルタ
１１  ＡＤ変換器
１２  異常摩耗診断装置
１２ａ  サンプリング部
１２ｂ  波高−カウントヒストグラム部
１３  光ファイバ
１４  防塵キャップ
１５  光電子増倍管
１６  音響センサ
１７  走行レール
２０  同時判定回路
Ｄ  微小放電
Ｅ  電磁波
ＩA  通電電流
ＩD  放電電流
Ｌ  放電発光
Ｓ  放電音波
Ｔ  閾値曲線
Ｔ1  閾値曲線（初期）
Ｔ2  閾値曲線（安定期）
【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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