(57)【要約】【課題】電気機械（１）の構成部品の特徴を測定するシステム及び方法を提供する。【解決手段】本システムは、構成部品に隣接して配置された光ファイバ（５１）と、構成部品の温度を検出するために光ファイバ（５１）に沿って配置された少なくとも１つのセンサ（５２）と、電気機械（１）の動作中に部品の検出温度によるリアルタイムデータを生成するために光ファイバ（５１）を介して少なくとも１つのセンサ（５２）に動作可能に結合されたデータ収集システム（７０）とを含む。【選択図】      図３
2009222715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械（１）の構成部品の温度を測定するシステムであって、
前記構成部品に隣接して配置された光ファイバ（５１）と、
前記構成部品の温度を検出するために前記光ファイバ（５１）に沿って配置された少なくとも１つのセンサ（５２）と、
前記電気機械（１）の動作中に前記構成部品の前記検出温度によるリアルタイムデータを生成するため、前記光ファイバ（５１）を介して前記少なくとも１つのセンサ（５２）に動作可能に結合されたデータ収集システム（７０）と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記光ファイバ（５１）が、前記構成部品に応力伝達可能に結合される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記構成部品が、前記電気機械の鉄心（１０）内に設けられ且つ数が複数であり、
積層のスタック（１１）状に組み立てられた積層部（１３）と、
前記積層のスタック（１１）の遠位端部に配置されたステータバー（１２）のセットと、を含む、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記スタック（１１）内の積層部（１３）の各々が、
第１及び第２の面（２１及び２２）を有する本体（２０）と、
前記本体（２０）を通って前記第１の面（２１）から前記第２の面（２２）に延びるアパーチャ（２３）と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのセンサ（５２）がブラッグ格子センサを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記構成部品及び前記少なくとも１つのセンサ（５２）の数が複数であり、各センサ（５２）が、前記複数の構成部品の局所的なセットに隣接するように所定間隔で前記光ファイバ（５１）に沿って配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記所定間隔が約１ｃｍに設定される、
ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記センサ（５２）の少なくとも１つが、その監視中に温度上昇を生じる前記複数の構成部品の局所的なセットに隣接して配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
電気機械（１）の構成部品の温度を測定するためのシステムであって、
光ファイバ（５１）に沿って配置され且つ前記構成部品の対応する局所的部分の温度を各々が検出するために前記構成部品に対して所定方向に第１の間隔で互いに分散されたセンサ（５２）の第１のセットと、
前記構成部品のホットスポットに隣接した光ファイバ（５１）に沿って配置され且つ前記構成部品の対応する局所的部分の温度を各々が検出するために所定方向に第２の間隔で互いに分散されたセンサ（５２）の第２のセットと、
前記検出された温度によりリアルタイム温度データを生成するために、前記光ファイバ（５１）を介して前記センサ（５２）の第１及び第２のセットの各々に動作可能に結合されたデータ収集システム（７０）と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
電気機械（１）の構成部品の温度を監視することによって前記電気機械（１）を動作させる方法であって、
前記構成部品の温度を検出するように構成されたセンサ（５２）を含む光ファイバ（５１）のセットを前記構成部品に隣接する様々な位置に設置する段階と、
前記検出温度により、前記電気機械（１）の動作中に前記構成部品のリアルタイム温度データを生成するように前記センサ（５２）の各々に問い合わせする段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械に関し、より詳細には、電気機械の温度の監視に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械は、例えばタービン発電機、水力発電機、モータ、及び風力発電機とすることができる。電気機械は通常、鉄心、ステータバー、及びステータフランジなど様々な構成部品を含む。数千の積層部から成る鉄心、ステータバー、及びステータフランジは、これら自体が銅巻線を支持することができ、銅巻線は構成部品を貫通して挿通され、電気機械の運転時にこれに沿って電流が流れる。この電流は、通常は種々の構成部品の温度を有意には上昇させることはないが、銅巻線又は電気機械内部の他の何らかの特徴部の機能不良時には、特に積層部に関して局所的な過熱が観測される。この場合、過熱が過度になると（すなわち、積層部がそれぞれの材料の融点を超える温度まで加熱されると）、結果として電気機械に対する損傷が生じる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，２９５，３８８号公報
【特許文献２】米国特許第５，３９９，８５４号公報
【特許文献３】米国特許第５，６３６，０２１号公報
【特許文献４】米国特許第５，８２８，０５９号公報
【特許文献５】米国特許第６，０５６，４３６号公報
【特許文献６】米国特許第６，２１５，９２７号公報
【特許文献７】米国特許第６，２５６，０９０号公報
【特許文献８】米国特許第６，２０１，２３７号公報
【特許文献９】米国特許第６，２８５，４４６  Ｂ１号公報
【特許文献１０】米国特許第６，３３７，７３７  Ｂ１号公報
【特許文献１１】米国特許第６，６６８，１０５  Ｂ２号公報
【特許文献１２】米国特許第６，６４７，１６０  Ｂ１号公報
【特許文献１３】米国特許第６，７２１，４７０  Ｂ２号公報
【特許文献１４】米国特許第６，８８６，９７７  Ｂ２号公報
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００２／００２８０３４  Ａ１号公報
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００５／００１３３４２  Ａ１号公報
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００６／００１３５２３  Ａ１号公報
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００７／００６５０７７  Ａ１号公報
【特許文献１９】欧州特許出願第０５５３９６８  Ａ２号公報
【特許文献２０】欧州特許出願第０４１５０４２  Ａ２号公報
【特許文献２１】欧州特許出願第０９０７０７３  Ａ１号公報
【特許文献２２】英国特許出願第２３２９９６０  Ａ１号公報
【特許文献２３】国際特許出願第２００７／０２７５４０  Ａ３号公報
【特許文献２４】カナダ特許出願第１７０２４３６  Ａ号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Luna Innovations; Under Development.Fiber Optic Sensor Measurement System; "Distributed Sensing System"; 06/03/2004; two pages
【非特許文献２】Luna Innovations; "Distributed Sensing System Sensor Array Specification"; Document Revision L105/1.0, pgs 1-3;
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在のところ、例えば鉄心の温度を評価するために、抵抗温度検出（ＲＴＤ）及び温度係数（ＴＣ）監視システムのような様々な方法及びシステムが使用されている。しかしながら、これらの方法及びシステムは、電気機械によって引き起こされるものに類似した電磁波妨害に対して影響を受けやすい構成部品に依存するので、必要な測定を実行するためには電気機械をオフラインにしなければならない。加えて、現在の方法及びシステムは、オペレータの影響を受けやすく、且つオペレータの結果の解釈によって左右される傾向がある。更に、電気機械は、測定を実行するためには少なくとも部分的に分解する必要がある。機械を分解することにより、機械の停止時間が長くなり、関連のコストが増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、電気機械の構成部品の温度を測定するシステムが提供され、該システムは、構成部品に隣接して配置された光ファイバと、構成部品の温度を検出するために光ファイバに沿って配置された少なくとも１つのセンサと、電気機械の動作中に構成部品の検出温度によるリアルタイムデータを生成するために光ファイバを介してセンサに動作可能に結合されたデータ収集システムとを含む。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、電気機械の構成部品の温度を測定するシステムが提供され、該システムは、光ファイバに沿って配置され且つ構成部品の対応する局所的部分の温度を各々が検出するために、構成部品に対して所定方向に第１の間隔で互いに分散されたセンサの第１のセットと、構成部品のホットスポットに隣接した光ファイバに沿って配置され且つ構成部品の対応する局所的部分の温度を各々が検出するために、所定方向に第２の間隔で互いに分散されたセンサの第２のセットと、検出された温度によりリアルタイム温度データを生成するために、光ファイバを介してセンサの第１及び第２のセットの各々に動作可能に結合されたデータ収集システムとを含む。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、電気機械の構成部品の温度を監視することによって電気機械を動作させる方法が提供され、該方法は、構成部品の温度を検出するように構成されたセンサを含む光ファイバのセットを構成部品に隣接する様々な位置に設置する段階と、検出温度により電気機械の動作中に構成部品のリアルタイム温度データを生成するようにセンサの各々に問い合わせをする段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電気機械の構成部品の斜視図。
【図２】電気機械の構成部品の拡大斜視図。
【図３】光ファイバ及びデータ収集システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面全体を通して同様の文字が同様の要素を表す添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点がよく理解されるであろう。
【００１１】
図１及び２を参照すると、電気機械１は、これ自体が積層スタック１１と、積層スタック１１の遠位端部に配置されたステータバー１２とを含む鉄心１０、界磁巻線（図示せず）、ステータ端部巻線部品、ステータ電気構成部品、及びバスワークなどの構成部品を含む。積層スタック１１は、様々なサイズの積層パッケージ１４に編成されたスタック積層部１３を含む。換気ガスが貫流できるようにするバンドギャップ１５が、積層パッケージ１４の一部の間に定められる。
【００１２】
図１を参照すると、各積層部１３は、相対する環状面２１及び２２を有する本体２０と、該本体２０を通って一方の面２１から他方の面２２まで延びるアパーチャ２３とを含む。本体２０は、外側面２４と内側面２５とを含む。内側面２５は、本体２０の内側境界とアパーチャ２３の外側境界とを形成する環状に配置された歯部２６を含む。積層部１３が共に組み立てられて積層スタック１１を形成すると、積層スタック１１には、その軸線に沿って貫通孔２７が定められる。
【００１３】
図２を参照すると、積層スタック１１の遠位端部にある積層部１３は、階段状の積層パッケージ１４を形成し、その中で、局所的積層部１３の対応するアパーチャ２３は、他の積層部１３の直径よりも僅かに大きな直径を有する。従って、これら局所的積層部１３が組み立てられると、貫通孔２７の比較的丸みのある遠位端部２８が形成される。更に、積層スタック１１が組み立てられると、歯部２６は、軸方向に延びるコアスロット２９の環状列を形成する。
【００１４】
再度図１を参照すると、鉄心１０は、鉄心１０をシールするフレーム３０によって少なくとも部分的に包まれ、該フレーム３０には、換気ガスが噴射され且つ少なくとも１つの光ファイバセンサ５０が鉄心１０に向かって引き込まれる気密グランド４０によって穿孔されている。レール６０は、鉄心１０の周りの様々な位置のいずれかにおいて光ファイバセンサ５０を支持する。種々の実施形態では、光ファイバセンサ５０は、複数あり、光ファイバセンサ５０の各々が鉄心１０の周りの様々な円周方向位置において同時に支持されている。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、光ファイバセンサ５０は、積層部１３、ステータバー１２、又は光ファイバセンサ５０が取り付けられることになる他のいずれかの構成部品に沿って鉄心１０の内部に接合することができる。接合は、エポキシ又は他の同様の接着剤を使用することで行うことができる。別の実施形態では、光ファイバセンサ５０は、積層部１３、ステータバー１２、又は製造プロセス時に光ファイバセンサ５０が取り付けられることになる他のいずれかの構成部品に埋め込むことができる。
【００１６】
次に、図３を参照すると、光ファイバセンサ５０は各々、光ファイバケーブル５１を含み、該光ファイバケーブル５１に沿って、例えば約１ｃｍとすることができる所定空間間隔で複数のセンサ５２が分布される。センサ５２は、ブラッグ格子センサ又は他の同様のセンサを含むことができる。光ファイバセンサ５０は、データ収集システム７０に動作可能に結合される。光ファイバセンサ５０及びデータ収集システム７０は、例えば、その商品名で「分散型感知システム」（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）を提供する、Ｌｕｎａ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓから入手することができる。
【００１７】
一実施形態では、データ収集システム７０は、光ファイバケーブル５１に沿ってセンサ５２の各々に信号を送信し、次にセンサ５２の各々が、信号をデータ収集システム７０に返すことによってセンサ５２に問い合わせを行うように構成される。返された信号の各々は、対応するセンサ５２に局所的な及び／又は近接する構成部品の温度を示している。更なる実施形態では、センサ５２の各々から返された信号は、固有周波数によって変調することができる。これにより、返された信号に対してデータ収集システム７０がフィルタ処理を適用することが可能となり、これによりセンサ５２の各々からの返された特定の信号データを検索し識別することが可能となる。
【００１８】
データ収集システム７０は、所定空間間隔で設けられたセンサ５２に問い合わせを行うので、鉄心１０及びステータバー１２、並びに光ファイバセンサ５０が取り付けられる他のいずれかの構成部品の分布温度プロファイルを生成するよう構成される。更に、センサ５２間の所定空間間隔又は光ファイバケーブル５１の向きは変えることができる。換言すれば、センサ５２間の所定空間間隔又は光ファイバケーブル５１の向きは、可能性のある温度上昇領域において詳細な温度測定値を提供するために、少なくとも１つ又はそれ以上のセンサ５２が、例えば特定の積層部１３に沿って又はステータバー１２に隣接するような鉄心１０の既知のホットスポットに配置されるように選択することができる。このようなホットスポットは、互いに１ｃｍの空間間隔で分散されたセンサ５２によって識別され、次いで、ホットスポットに近接するセンサ５２の数の増加を修正することによって監視することができる。
【００１９】
例えば、鉄心１０の貫通孔２７の比較的丸みのある遠位端部２８は、温度上昇を引き起こす傾向がある軸方向磁束の影響を受ける可能性がある。従って、本発明の一実施形態では、光ファイバケーブル５１は、対応するセンサ５２の分散が丸みのある遠位端部２８に近接して増大するように、傾斜した角度で丸みのある遠位端部２８を横断するように配置することができる。代替の実施形態として、光ファイバケーブル５１は、周期的に振動するパターンで比較的丸みのある遠位端部２８の近くに配置され、或いは対応するセンサ５２の数が増加するように互いに交互させることができる。
【００２０】
電気機械１の動作中、積層部１３又はステータバー１２などの電気機械１の構成部品は、光ファイバセンサ５０によって追跡できる温度変化を受けることがある。換言すれば、例示的な温度変化は、個々の積層部１３の温度上昇を伴う可能性があり、これは、局所的なセンサ５２によって直接観測され、或いは局所的なセンサ５２内で引張及び／又は圧縮の測定値をもたらすことになる。データ収集システム７０は、観測された温度上昇又は正／負の歪みを測定し、温度上昇を示すように測定値を解釈する。
【００２１】
電気機械１の構成部品がその動作中に温度変化を生じると、測定温度の上昇により補修又は交換の必要性が示される場合がある。例えば、積層部１３の測定温度が積層部１３の構成で使用される材料の融点を超える場合、積層部１３及びこれに隣接する積層部１３は、交換の必要があるものとして識別することができる。しかしながら、光ファイバセンサ５０の利用は、電気機械１の動作中に一貫してその構成部品の温度のリアルタイム測定を可能にするので、測定値の一貫した監視を行うことが可能となる。従って、構成部品の温度上昇に関する問題は、測定温度が損傷を引き起こすレベルを超える前に解決することができる。
【００２２】
本明細書では、最良の態様を含む本発明を開示するため、更にあらゆる装置又はシステムを実施及び利用することを含めて当業者が本発明を実施することを可能にするために実施例を用いている。本発明の特許保護される範囲は請求項によって定義され、当業者には想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と相違しない構造的要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かに相違する均等な構造的要素を含む場合には、請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２３】
１  電気機械
１０  鉄心
１１  積層スタック
１２  ステータバー
１３  積層
１４  積層パッケージ
１５  バンドギャップ
２０  本体
２１  面
２２  面
２３  開口
２４  外側面
２５  内側面
２６  歯部
２７  貫通孔
２８  丸みのある遠位端部
２９  コアスロット
３０  フレーム
４０  グランド
５０  光ファイバセンサ
５１  光ファイバケーブル
５２  センサ
６０  レール
８０  データ収集システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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