JP2015021852A - 健全性検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子側にコイルを備える電気機械の健全性を、該回転子を回転させつつ簡易かつ容易に検査できる健全性検査装置を提供すること。【解決手段】固定子２００内に回転自在に収容する回転子１００側に回転コイル１０２を巻き掛けて、固定子と回転子の間に働く磁気的作用により機能する同期発電機に取り付けて回転コイルの健全性を検査する健全性検査装置であって、回転コイル内の磁束経路を共通にするように設けられている複数の付加コイル１１と、付加コイルに生じる起電力の電圧差を検出するコンパレータ回路２１と、を備えて、回転子の回転状態のまま励磁用電源３００を遮断して交流電源３０から交番電圧を回転コイルに印加することにより付加コイルに誘導起電力を発生させ、その電圧差が設定閾値を超えたときにコンパレータ回路２１が出力する検出信号を増幅して警報ライト２３を点灯させる。【選択図】図１

Description

本発明は、健全性検査装置に関し、詳しくは、回転体におけるコイルの健全性を検査する装置に関する。

回転子側のコイル内に磁束を発生させて機能する電動機や発電機などの電気機械が知られており、例えば、水力発電所の発電機では貯留水を落下させる水圧で回転子を回転させてコイルに発生する起電力を回収することが行われている。なお、電動機は、例えば、回転子側のコイルに駆動電力を供給して磁束を発生させることで固定子側の永久磁石の磁力に対する磁気的作用により、回転子を回転させる。
この種の電気機械のコイルは、回転軸周りの均等位置の複数個所に配置することでバランスのよい回転を実現している。このコイルは、絶縁性を確保して均等な電磁力（磁束）を発生するように、その線間の絶縁性を検査してメンテナンスを行う保全作業を行う必要がある。なお、コイルの健全性の検査については、例えば、特許文献１〜３で提案されている。

特開昭６３−４８３７２号公報 実開平０６−４７８８２号公報 特開平０３−１８７７１号公報

このような健全性検査装置にあっては、停止状態時だけでなく、回転時の遠心力を受けて回転子側のコイルに短絡等が生じる場合もあることから、回転状態のままコイルの健全性の検査を行うのが好ましい。
しかしながら、この電気機械の保全作業は、一般的に、稼働を停止した状態にして行うことから、短絡状態の再現性の信頼性が低い、という課題がある。
また、例えば、特許文献１、２に記載のように、磁気特性の変化を利用して故障検出をするのでは、磁気特性の変化が小さい場合には検出感度が低い、という課題がある。さらに、特許文献３に記載のように、コイル内に検出回路を組み込んでスリップリング等を設置するのでは、装置構成が複雑化するとともに、稼働効率を低下させてしまう可能性もある。
そこで、本発明は、回転子側にコイルを備える電気機械の当該コイルの健全性を、該回転子を回転させつつ簡易な構成で容易に検査することのできる健全性検査装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する健全性検査装置の発明の一態様は、固定子内に回転自在に収容する回転子側に回転コイルを巻き掛けて、前記固定子と前記回転子の間に働く磁気的作用により機能する電気機械に取り付けて前記回転コイルの健全性を検査する健全性検査装置であって、前記回転コイル内の磁束経路を共通にする当該回転コイル毎に設けられている複数の付加コイルと、前記付加コイルに生じる起電力を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出する前記付加コイルに生じた起電力の検出結果に基づいて前記回転コイルの健全性を判定する判定部と、を備えることを特徴とするものである。

このように本発明の一態様によれば、回転コイルと磁束経路を共通にする付加コイルにおける起電力を検出して健全性を判定するので、回転コイルを加工する必要がなく、付加コイルを追加する程度で回転コイルの健全性を検査することができる。したがって、付加コイルを追加する程度の簡易な構成で容易に回転コイルの健全性を検査することができる。

図１は、本発明に係る回転コイルを備える電気機械用の健全性検査装置の一実施形態を搭載する同期発電機の一例を示す図であり、その概略全体構成を示す概念斜視図である。 図２は、その健全性検査装置の構成を示す結線ブロック図である。

本発明の実施形態の一態様としては、固定子内に回転自在に収容する回転子側に回転コイルを巻き掛けて、前記固定子と前記回転子の間に働く磁気的作用により機能する電気機械に取り付けて前記回転コイルの健全性を検査する健全性検査装置であって、前記回転コイル内の磁束経路を共通にする当該回転コイル毎に設けられている複数の付加コイルと、前記付加コイルに生じる起電力を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出する前記付加コイルに生じた起電力の検出結果に基づいて前記回転コイルの健全性を判定する判定部と、を備えるのに加えて、次の構成を備えてもよい。

第１の他の態様としては、前記回転コイルに交番電圧を印加する交番電源を備えていてもよい。
この態様では、励磁電流に代えて、回転コイルに交番電圧を印加するだけで、付加コイルに容易に検出可能な起電力を発生させることができ、容易かつ確実に健全性を検査することができる。

第２の他の態様としては、前記回転コイルが接続されている本体側回路の途中に介在するように接続されている第１スイッチと、前記本体側回路の前記回転コイルと前記第１スイッチとの間に前記交番電源を分岐接続する分岐線と、前記分岐線の途中に介在するように接続されている第２スイッチと、を備えていてもよい。
この態様では、第１、第２スイッチを切り替えるだけで交番電源から交番電圧を付加コイルに印加することができ、稼働時に悪影響なく、簡易かつ容易に健全性を検査することができる。

第３の他の態様としては、前記判定部は、前記電圧検出部が検出する前記付加コイルに生じる起電力の電圧差に基づいて前記回転コイルの健全性を判定するようにしてもよい。
この態様では、回転コイル毎の付加コイル間に生じる起電力の電圧差を検出するだけで、回転コイル毎の健全性を判定することができ、簡易かつ容易に健全性を検査することができる。

第４の他の態様としては、前記判定部は、前記電圧差が生じた側の前記回転コイルに欠陥発生と判定するようにしてもよい。
この態様では、回転コイル毎の付加コイル間で起電力の電圧差の大きさに応じて、該当回転コイルの欠陥発生を判定することができ、簡易かつ容易に健全性を検査することができる。
この回転コイルの欠陥は、警報ライトを点灯・点滅させるだけで報知することができ、比較する回転コイルの組み合わせを組み替えることで欠陥発生の位置を容易に特定して報知することができ、その組み替えも自動化してもよい。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１および図２は本発明に係る回転コイルを備える電気機械用の健全性検査装置の一実施形態を搭載する同期発電機の一例を示す図である。
（同期発電機）
まずは、同期発電機の構成を説明する。図１において、突極形同期発電機（電気機械）は、例えば、水力発電所などに設置される電気機械である。同期発電機は、回転子１００を固定子２００内に回転自在に収容しており、水力などで回転させる回転子１００側に界磁を発生（形成）させて磁気的作用により固定子２００側の発電用コイル（巻線）に所望周波数の電磁電圧を発生させる構造に作製されている。

回転子１００は、固定子２００の発電用コイルに近接対面する胴体部１０１の外周面側に、回転コイル（界磁巻線）１０２が導通ケーブルおよび導帯１０５により直列接続されて均等配置されている。回転コイル１０２は、外部の励磁用電源（発電用電源）３００を供給元とする直流電流により電磁石（発電用界磁）として機能する。
励磁用電源３００は、回転コイル１０２にスリップリング１１１に導通接触する接続ケーブル１１９を介して接続されており、サイリスタ整流回路３０１と第１開閉スイッチ３０２とを介して直流電流を回転コイル１０２に供給・遮断可能に接続されている。すなわち、第１開閉スイッチ３０２は、本体側回路途中に介在する第１スイッチを構成する。

（健全性検査装置）
次に、その突極形同期発電機に設置する健全性検査装置の構成を説明する。
同期発電機の回転コイル１０２には、励磁用電源３００に加えて、スリップリング１１１と第１開閉スイッチ３０２との間に分岐ケーブル（分岐線）３９が分岐接続されて交流電源（交番電源）３０が並列接続されている。
交流電源３０は、第２開閉スイッチ３２が介在して、回転コイル１０２に交番電圧を供給・遮断可能に接続されている。すなわち、第２開閉スイッチ３２は、分岐ケーブル３９途中に介在する第２スイッチを構成する。

また、回転コイル１０２は、付加コイル１１がそれぞれの外面に設置されている。付加コイル１１は、回転コイル１０２への電圧供給により発生する励磁磁束をコイル内に通過させるように磁束経路を共通にするように設けられている。
これにより、付加コイル１１は、回転コイル１０２への電力供給により発生してコイル内を通過する磁束が変化したときに、誘導起電力を発生させることができる。
このため、付加コイル１１には、交流電源３０から回転コイル１０２に交番電圧を供給（印加）すると、直列接続されている回転コイル１０２毎の巻線のターン数に応じた分担電圧（誘導起電力）を発生させることができる。

この付加コイル１１は、２つ１組にして導通ケーブル１５を介してそれぞれコンパレータ回路２１に接続されている。コンパレータ回路２１は、付加コイル１１毎に発生する誘導起電力の電圧差を検出して、その検出電圧が予め設定されている閾値を超えたときに回転コイル１０２に欠陥発生（健全性欠如）と判定する検出信号を出力する。
すなわち、コンパレータ回路２１が電圧検出部と判定部とを構成する。なお、ここでは、コンパレータ回路２１で、付加コイル１１に発生する誘導起電力の電圧検出を行って欠陥発生の有無を判定する場合を一例にして説明するが、これに限るものではなく、電圧計で付加コイル１１毎の誘導起電力の電圧測定を行って比較することにより回転コイル１０２の欠陥の有無を判定するようにしてもよい。

コンパレータ回路２１は、増幅回路２２を介して警報ライト２３が接続されている。警報ライト２３は、コンパレータ回路２１からの検出信号を点灯信号として受け取って点灯する。なお、コンパレータ回路２１は、増幅器２２と共にケース２０内に収納されて設置されている。
これにより、突極形同期発電機のオペレータなどは、警報ライト２３が点灯したときに、回転コイル１０２の巻線間に短絡等の欠陥が生じていることを把握することができる。

（健全性検査方法）
次に、健全性検査装置を利用する健全性検査方法を説明する。
まず、突極形同期発電機の稼働を停止する際、回転子１００の回転を継続中あるいは惰性回転直後に、第１開閉スイッチ３０２を切って回転コイル１０２への励磁電流の供給を遮断した後に、第２開閉スイッチ３２を入れて回転コイル１０２に交番電圧を印加する。
すると、回転コイル１０２には、回転による遠心力が負荷された状態のまま、言い換えると、稼働中と同等の状態のまま、交番電圧が印加されてターン数に応じた誘導起電力を発生させることができる。

このとき、回転コイル１０２のそれぞれが健全で短絡等が発生していない場合には、発生する誘導起電力に差が生じることはなく、コンパレータ回路２１の検出する電圧差が設定閾値を超えることもなく、警報ライト２３が点灯することもない。この結果、回転コイル１０２が健全であることを稼働中と同等の状態で確認して判定することができる。
また、回転コイル１０２の例えば１つに短絡等が発生している場合に、発生する誘導起電力に差が生じて、コンパレータ回路２１の検出する電圧差が設定閾値を超えたときには、警報ライト２３が点灯する。この結果、回転コイル１０２に稼働中の状態で短絡等が発生して健全でないことを確認して判定することができる。

したがって、回転子１００本体側には付加コイル１１を追加するだけで大きな設計変更をすることなく、また、検出システムとしても交流電源３０やコンパレータ回路２１等を追加するだけの簡易な構成で、その回転子１００を稼働状態と同等に回転させつつ回転コイル１０２の健全性を判定して検査することができる。また、付加コイル１１は稼働時には切り離されているので、発電に悪影響もない。
この結果、オペレータ等は、回転時の回転コイル１０２に短絡等の欠陥が発生していると把握（判定）したときに、個々の回転コイル１０２の短絡等の有無を確認するメンテナンスを実行することができ、健全であるのにも拘わらずに無駄にメンテナンス時間を確保する必要がない。

ここで、本実施形態では、コンパレータ回路２１は付加コイル１１間における誘導起電力の電圧差で欠陥発生の有無を確認して健全性の判定を行っているが、欠陥が発生している回転コイル１０２を特定して簡易かつ容易にメンテナンスを行い得るようにしてもよい。
例えば、コンパレータ回路２１に代えて、付加コイル１１に発生する誘導起電力の電圧検出を個々に行って欠陥発生箇所を特定するようにしてもよい。また、交番電圧による誘導起電力を検出するのに代えて、稼働中の短絡発生に起因する界磁変化に応じた誘導起電力を検出するシステム構成を備えるようにしてもよい。
また、コンパレータ回路２１に接続する付加コイル１１の組み合わせを切り替えて誘導起電力の電圧差が生じる付加コイル１１の組み合わせから欠陥発生の回転コイル１０２を特定するようにしてもよい。
この場合には、警報ライト２３の発光色や点灯・点滅・繰り返し時間間隔などのパターンにより欠陥発生の回転コイル１０２を容易に把握可能にすることもできる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１１ 付加コイル
１５ 導通ケーブル
２１ コンパレータ回路
２２ 増幅回路
２３ 警報ライト
３０ 交流電源
３２ 第２開閉スイッチ
３９ 分岐ケーブル
１００ 回転子
１０１ 胴体部
１０２ 回転コイル
１０５ 導通ケーブルおよび導帯
１１１ スリップリング
１１９ 接続ケーブル
２００ 固定子
３００ 励磁用電源
３０１ サイリスタ整流回路
３０２ 第１開閉スイッチ

Claims (5)

1. 固定子内に回転自在に収容する回転子側に回転コイルを巻き掛けて、前記固定子と前記回転子の間に働く磁気的作用により機能する電気機械に取り付けて前記回転コイルの健全性を検査する健全性検査装置であって、
   前記回転コイル内の磁束経路を共通にする当該回転コイル毎に設けられている複数の付加コイルと、前記付加コイルに生じる起電力を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出する前記付加コイルに生じた起電力の検出結果に基づいて前記回転コイルの健全性を判定する判定部と、を備えることを特徴とする健全性検査装置。
2. 前記回転コイルに交番電圧を印加する交番電源を備えることを特徴とする請求項１に記載の健全性検査装置。
3. 前記回転コイルが接続されている本体側回路の途中に介在するように接続されている第１スイッチと、前記本体側回路の前記回転コイルと前記第１スイッチとの間に前記交番電源を分岐接続する分岐線と、前記分岐線の途中に介在するように接続されている第２スイッチと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の健全性検査装置。
4. 前記判定部は、前記電圧検出部が検出する前記付加コイルに生じる起電力の電圧差に基づいて前記回転コイルの健全性を判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の健全性検査装置。
5. 前記判定部は、前記電圧差が生じた側の前記回転コイルに欠陥発生と判定することを特徴とする請求項４に記載の健全性検査装置。

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