JP6076039B2 - 回転電機の摺動状態診断装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、摺動通電機構を備えた発電機や電動機などの回転電機に係り、例えばスリップリングと集電ブラシに代表される摺動通電機構の異常摺動を早期に検出する回転電機の摺動状態診断装置及び方法に関する。

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、発電機の集電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（ここでは集電ブラシ）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する。また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。このため摺動状態の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。例えば発電機の集電ブラシ（固定側）とスリップリング（回転側）とで異常摺動が発生した場合、予期せぬスリップリング交換作業等による発電機の停止期間や保守コストが発生する。

これに対し発電機の異常摺動を早期検知するには、スリップリングの表面状態を診断する事が効果的であるが、光沢や色合い或いは凹凸に代表される表面状態の判断は、目視や触診といった保守作業者の経験に委ねられる場合が多い。このため実際問題としては、経験豊富な保守作業者による十分な異常摺動早期検知の機会が得られないのが実情である。

そこで、経験に依存しない摺動表面状態の定量的診断技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、電動機の整流子表面から受光した反射光のうち正反射成分を抽出し、その光沢度を閾値と比較する事によって摺動状態の異常を検出する構成が記載されている。

特開２００９−２２２５７５号公報

例えば集電ブラシとスリップリングが正常摺動している状態では、局面形成された集電ブラシとスリップリングはほぼ全面で接触摺動しており、通過電流はほぼ全面を均一に流れている。

これに対し、異常摺動状態とは、何らかの理由によりスリップリングに対して集電ブラシが飛び跳ね、あるいは偏った位置に置かれた状態である。この状態では、集電ブラシの接触摺動状態にある一部面に過大電流が流れる。また両者の位置関係が接近し離れる開離の時に発生する微小放電の頻度が高くなる。

微小放電が発生すると、集電ブラシ材料が飛散しスリップリング表面に付着する。集電ブラシとして主に使用される金属黒鉛質ブラシは銅と黒鉛の合金で構成されるが、銅は黒鉛に比べ融点・沸点が低いため放電耐性が低く、微小放電により飛散し、スリップリング表面に過剰付着し銅リッチな表面皮膜状態となる。

異常摺動状態においては、上記のような現象が徐々に進展していくものと考えられる。これに対し特許文献１の手法では、正反射光の光沢度を利用するが、光沢度計測では波長を選定せず、摺動面の正反射光強度を定量化するのみであり、上述の色合いの相違識別までは至らない。このため、異常摺動の付随現象である銅の過剰付着を見分ける事が出来ない。

また、正反射光を取得するためには、光を出射する光源と反射光を検出する受光部とを、整流子表面の法線に対して線対称（入反射角が２０度または６０度）となるように配置する必要があるが、実際の設置場面においてこの関係を順守して所望の結果を得ることは容易でない。特にスリップリングのように回転体表面近傍となると設置が更に困難となる。

以上のことから本発明においては、簡易で配置自由度の高い構成にて異常摺動を早期に検出し、回転電機の停止期間と保守コストを低減することができる回転電機の摺動状態診断装置及び方法を提供する事を目的としている。

本発明では、上記目的を達成するために、回転電機の回転体表面における集電ブラシとの摺動面に向けて入射する光源と、摺動面からの反射光を受光する受光部と、受光部からの信号を処理する判定部とから構成される回転電機の摺動状態診断装置であって、判定部は、反射光の特定波長成分の増加を検知して回転電機の回転体表面における摺動状態の異常を判定する。

本発明によれば、簡易で配置自由度の高い構成にて異常摺動を早期に検出が可なり、予期せぬスリップリング故障等による突然の発電機停止や、それに伴う保守コスト低減を図ることができる。

本発明の第１の実施例の構成を示す図。 本発明の第１の実施例の判定部９の内部処理を時系列に説明する図。 本発明の第２の実施例の構成を示す図。 本発明の第２の実施例の判定部９内部処理を時系列で説明する図。 本発明の第３の実施例の構成を示す図。 本発明の第４の実施例の構成を示す図。 スリップリング摺動面の反射光スペクトルの変化を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、その前に本発明における新たな知見の存在について説明する。まず、異常摺動により微小放電が発生すると、集電ブラシ材料が飛散してスリップリング表面に過剰付着し、例えば銅リッチな表面皮膜状態を形成することについて述べた。

本発明者等は、スリップリングに白色光源を入射し、反射光の分光スペクトルを計測するとともに、この計測を正常摺動時からの長期にわたり観測した。その結果を図７に示す。図７において横軸は反射光の分光スペクトルの波長を示しており、縦軸には波長ごとの反射光強度を表している。図７においてＬ１は正常摺動時の反射光の波長ごとの反射光強度を示した線（直線）である。Ｌ２、Ｌ３は時間経過とともに異常摺動を経験した後の反射光の波長ごとの反射光強度を示している。

但し、Ｌ２は集電ブラシ材料である銅が飛散して銅リッチな表面皮膜状態を形成したときの特性であり、Ｌ３は集電ブラシ材料である銀が飛散して銀リッチな表面皮膜状態を形成したときの特性である。

この計測結果により、正常摺動時の表面は反射光強度が波長依存せずほぼ一定であるに対し、集電ブラシ材料が銅の場合には異常摺動時は波長６００ｎｍ以上で強度が上昇する事を発見した。これは、銅金属の分光反射率が可視域赤色側（６００〜８００ｎｍ）で増加する特性に合致している。また集電ブラシ材料が銀の場合には異常摺動時は波長３００ｎｍ以上で強度が上昇する事を発見した。なお、図示では８００ｎｍ以上の領域を表示していないが、これらの領域でも同じ増加傾向を示す。

本発明においては、図７の特性における波長領域のうち、異常摺動により反射光強度が増加する波長領域の波長成分を特定波長成分と称し、異常摺動により反射光強度が増加しない波長領域の波長成分を非特定波長成分と称する。図７の集電ブラシ材料が銅である場合には、反射光強度が顕著に表れる例えば６００ｎｍ以上の波長領域の波長成分が特定波長成分であり、６００ｎｍ未満の波長領域の波長成分が非特定波長成分である。

本発明では、以上説明した新知見（異常摺動時は特定波長以上の波長の反射光強度が上昇する）を利用した幾つかの実施例を紹介する。

本発明に係る回転電機の摺動状態診断装置の第１の実施例について、図１と図２を参照して詳細に説明する。図１に本発明の第１の実施例の回転電機の摺動状態診断装置の構成を示す。

図１の回転電機の摺動通電機構では、例えばステンレス製のスリップリング１表面に、金属黒鉛質の集電ブラシ２が１個接触し、両者が通電しながら摺動し、リード線３を経由して外部に電流を流している。運転中は、スリップリング１と集電ブラシ２の界面で、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、接触が不安定になると微小放電Ｄが頻発し、集電ブラシ２との摺動面Ｓが荒れ、スリップリング１の大幅な表面荒れ及び集電ブラシ２の異常摩耗、即ち異常摺動状態に至る。

この回転電機の摺動通電機構に対し、本発明の摺動状態診断装置は検出部２０と判定部９で構成されており、まず検出部２０として以下の機器を設置している。ここでは、集電ブラシ２の材料（ここでは銅と黒鉛）で皮膜されたスリップリング１の摺動面Ｓ近傍に、ハロゲンランプ等の幅広い連続スペクトルを有する白色光源４と、摺動面Ｓでの反射光のうち例えば波長λ_１＝８００ｎｍ付近のみを透過するフィルタ７と、フィルタ７を透過した光を光電変換する受光部５を備える。この波長λ_１＝８００ｎｍの信号は特定波長成分に相当する。

受光部５で光電変換された電気信号Ｉは信号線６を通じて判定部９に入力される。本発明の摺動状態診断装置の判定部９では以下の処理を実行する。判定部９内部には、運転前に予め取得した透過光の電気信号強度Ｉｏを記憶しておく。ここで運転前の透過光とは、スリップリング１の材料であるステンレス自体の反射光をフィルタ７で透過した光である。この電気信号強度Ｉｏは、図７の正常摺動時の反射光の波長ごとの反射光強度を示した線（直線）Ｌ１に対応する信号と考えることができる。

上記した検出部２０での信号強度検出は、運転開始後、定期的（１時間または１日といった周期）に実施されてその都度の透過光強度Ｉを取得し、判定部９に入力されて運転前の透過光強度Ｉｏと逐次比較される。この実現のために、ゲート１０では前記定期的にその都度の透過光強度Ｉをとりこみ、設定値記憶部１５に記憶された運転前の透過光強度Ｉｏと、演算部１６において逐次比較する。

この演算部１６での比較結果、両者の差Ｉ−Ｉｏが所定の閾値Ｉｃを超えなければ（Ｎｏ側）正常運転と判定する。閾値Ｉｃを超えた場合（Ｙｅｓ側）は、摺動面Ｓに銅が過剰付着しているとして、異常摺動警報を発する。なおこの閾値Ｉｃは、回転電機の回転速度や使用環境（温度・湿度・天候）等に応じて値が変わるため、これら条件毎にデータベース化しておき、計測時の状態に応じて値を調整する。

上記の判定部９内部の処理過程を、図２を用いて時系列に詳細に説明する。図２は、横軸に運転前の日時と、運転開始後の複数日時を示している。また縦軸に一定周期でのゲート開閉信号と、これにより取り込まれる透過光強度信号Ｉの大きさを示している。ここでは例えば、毎日定まった時刻に透過光強度の電気信号を所定時間（例えば１００ｍｓ程度）だけ、ゲート１０を「開」にして通過させる。

最初のゲート１０の「開」操作は、発電機運転前の１月１日の所定時刻に実施され、このときの皮膜されていないスリップリング１からの反射透過光強度Ｉｏを計測し記憶しておく。このときの値がＩｏであり、この値は初期値として使用される。次のゲート１０の「開」操作は、運転開始日の１月２日から毎日定刻に行われ、その都度の透過光強度Ｉを計測し、初期値Ｉｏとの差が閾値Ｉｃ以内の場合は正常摺動として運転を継続する。

その後も毎日上記判断が繰り返し実行され、図２の事例では１月２１日から反射透過光強度Ｉが増加し、１月２３日に閾値Ｉｃを超えたとする。この時には、異常摺動状態と判定して判定部９が警報を発する。

以上説明したように本発明では、微小放電Ｄにより集電ブラシ２の構成粒子（ここでは銅）が飛散及びスリップリング１表面に付着し、反射透過光強度Ｉが増加したことを定期的な監視で検知している。このように処理することで、異常摺動の早期検出に貢献できることについて以下説明する。

まず異常摺動が発生するのは、摺動部品保持部材の不具合による接触不安定や、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。これにより摺動面Ｓにてアーク放電等の微小放電Ｄが発生し、集電ブラシ２の構成粒子（ここでは銅）が飛散及びスリップリング１表面に過剰付着し、それに伴って生じた凹凸が更に微小放電Ｄを高頻度化させ、これら一連の繰り返しが異常摺動（集電ブラシ２側では異常摩耗）を加速させる。

従って、この微小放電Ｄは異常摺動の前駆現象と言える。そこで、本実施例のように付着物の反射率が高い波長に特定したフィルタ７で反射光の波長を絞り込み、その強度をモニタリングする事で微小放電Ｄに起因する異常摺動を早期に検出できる。

また、本発明の受光方法は正反射光に限定する必要がないため、十分な信号強度が得られる範囲で、摺動面Ｓ近傍に光源４とフィルタ７及び受光部５を自由に配置する事ができる。

なお、本実施例の集電ブラシ２の材料としては銀と黒鉛の合金からなる電気黒鉛質ブラシを使用する場合もある。その場合は、銀がスリップリング１表面に過剰付着するが、銀は可視域の短波長側（波長：３００〜４００ｎｍ）で高い分光反射率を有するので、例えば波長λ_１＝４００ｎｍ付近のみの光を透過するフィルタに変更すれば集電ブラシ２の材料変更にも対応できる。図７には特性Ｌ３に銀の場合の特性を示している。

本発明の摺動状態診断装置の第２の実施例について、図３と図４を参照して詳細に説明する。図３は本発明の第２の実施例の構成図である。なお図３の構成のうち、回転電機の摺動通電機構は図１と同一の記載のため説明を省略し、摺動状態診断装置の検出部２１以降の構成について詳細に説明する。

第２の実施例の摺動状態診断装置の検出部２１は、以下の機器を設置している。ここでは、集電ブラシ２の材料（ここでは銅と黒鉛）で皮膜されたスリップリング１の摺動面Ｓ近傍に、ハロゲンランプ等の幅広い連続スペクトルを有する白色光源４と、摺動面Ｓでの反射光のうち例えば波長λ_１＝８００ｎｍ付近のみを透過するフィルタ７ｂと、摺動面Ｓでの反射光のうち例えば波長λ_２＝４００ｎｍ付近のみを透過するフィルタ７ａと、フィルタ７ａ，７ｂを透過した光を光電変換する受光部５ａ，５ｂを備える。波長λ_１＝８００ｎｍの信号が特定波長成分に相当し、波長λ_２＝４００ｎｍの信号が非特定波長成分に相当する。

そして、受光部５ａ，５ｂで光電変換された電気信号Ｉａ，Ｉｂは信号線６ａ，６ｂを通じて判定部９に入力される。本発明の摺動状態診断装置の判定部９では以下の処理を実行する。上記した検出部２１での信号強度検出は、運転開始後、定期的（１時間または１日といった周期）に実施されてその都度のフィルタ７ａ，７ｂ各々の透過光強度Ｉａ，Ｉｂを取得し、判定部９に入力されてその差分Ｉｂ−Ｉａが閾値ΔＩｃと比較される。この実現のために、ゲート１０では定期的にその都度の透過光強度Ｉａ，Ｉｂをとりこみ、演算部１６においてその差分Ｉｂ−Ｉａが求められ、閾値ΔＩｃと比較される。両者の差Ｉｂ−Ｉａが所定の閾値ΔＩｃを超えなければ（Ｎｏ側）正常運転と判定する。閾値ΔＩｃを超えた場合（Ｙｅｓ側）は、摺動面Ｓに銅が過剰付着しているとして、異常摺動警報を発する。

上記の判定部９内部の処理過程を、図４を用いて時系列で詳細に説明する。図４は、横軸に運転前の日時と、運転開始後の複数日時を示している。また縦軸に一定周期でのゲート開閉信号と、これにより取り込まれる透過光強度信号Ｉの大きさを示している。ここでは例えば、毎日定まった時刻に透過光強度の電気信号を所定時間（例えば１００ｍｓ程度）だけ、ゲート１０を「開」にして通過させる。

ゲート１０は透過光強度の電気信号を所定時間（例えば１００ｍｓ程度）だけ「開」にして通過させるものである。まず、発電機運転前の１月１日に、皮膜されていないスリップリング１からの反射透過光強度Ｉａｏ，Ｉｂｏを計測し、その差分Ｉａｏ−Ｉｂｏを確認する。この差分は正常運転状態において、波長λ_１＝８００ｎｍ付近と波長λ_２＝４００ｎｍ付近の反射光強度の間で定常的に発生している値であり、これに対し十分に大きな値であるΔＩｃを閾値として設定しておく。

次のゲート１０の「開」操作は、運転開始日の１月２日から毎日定刻に行われ、その都度の透過光強度度Ｉａ，Ｉｂを計測し、両者の差Ｉｂ−Ｉａが閾値ΔＩｃと比較され、閾値ΔＩｃ以内の場合は正常摺動として運転を継続する。

その後も毎日上記判断が繰り返し実行され、図４の事例では１月２２日からＩｂ−Ｉａが増加し１月２３日に閾値ΔＩｃを超えたとする。異常摺動状態と判定して判定部９が警報を発する。

本実施例では、波長λ_１＝８００ｎｍ付近と波長λ_２＝４００ｎｍ付近の反射光強度の差分を因子として診断している。この差分は定常状態においても発生しているものであって、かつ異常摺動時における特定波長以上の波長の反射光強度が上昇する現象の影響を受ける要因でもある。

このうち、定常状態における差分Ｉａｏ−Ｉｂｏは、例えば天候や計測時間帯の違いによる周辺外部光の変動或いは光源４強度の変動が原因となって変化するが、この原因要件は波長λ_１＝８００ｎｍ付近と波長λ_２＝４００ｎｍ付近の反射光強度のいずれに対しても同程度に作用すると考えられる。従って、この原因要件により受光部５ａ，５ｂに入射する反射光強度が計測毎に変化しても、その変動に依存せず（差分を求めることで影響がキャンセルされる）、より信頼性の高い状態診断が可能となる。

また波長λ_１＝８００ｎｍ付近の反射光強度は、異常摺動時における特定波長以上の波長の反射光強度が上昇する現象の影響を受ける波長であるが、波長λ_２＝４００ｎｍ付近の反射光強度はこの影響を受けない波長である。このため、波長λ_２＝４００ｎｍ付近の反射光強度を基準値として波長λ_１＝８００ｎｍ付近の反射光強度の増加を監視することになり、異常摺堂の早期発見を可能とする。

なお実施例１と同様に、銀と黒鉛の合金からなる電気黒鉛質ブラシを採用する場合には、フィルタ７ａの透過波長λ＝２００ｎｍとし、フィルタ７ｂの透過波長λ＝４００ｎｍのフィルタに変更することで診断可能である。

本発明の摺動状態診断装置の第３の実施例について、図５を参照して詳細に説明する。図５に本発明の第３の実施例の構成図を示す。

図５の実施例でも回転電機の摺動通電機構は図１などと同じ構成である。摺動状態診断装置の検出部２２以降の構成が相違している。第３の実施例の摺動状態診断装置の検出部２２では、摺動面Ｓからの反射光を、光電変換しない受光部５’で受光し光ファイバ１２を経由して分光器１１に入力する。

分光器１１の出力は、判定部９に入力され、判定部９内部の分光スペクトル化処理部１７にて分光スペクトル化処理される。本発明の摺動状態診断装置の判定部９では以下の処理を実行する。まず運転前に予め分光スペクトルを取得し、波長λ＝８００ｎｍでの光強度Ｉｏを記憶しておく。そして運転開始後、１時間または１日といった周期で定期的に透過光強度Ｉを取得し、運転前の透過光強度Ｉｏと逐次比較する。

この演算部１６での比較結果、両者の差Ｉ−Ｉｏが所定の閾値Ｉ_ｃを超えなければ（Ｎｏ側）正常運転と判定する。閾値Ｉｃを超えた場合（Ｙｅｓ側）は、摺動面Ｓに銅が過剰付着しているとして、異常摺動警報を発する。なおこの閾値Ｉｃは、回転電機の回転速度や使用環境（温度・湿度・天候）等に応じて値が変わるため、これら条件毎にデータベース化しておき、計測時の状態に応じて値を調整する。

上記機能の実現のために、判定部９内部では、図２の時系列説明図と同様の処理により、ゲート１０を所定時間（例えば１００ｍｓ程度）だけ「開」にし、発電機運転前の１月１日に皮膜されていないスリップリング１からの分光スペクトルデータ及び８００ｎｍでの反射光強度Ｉｏを得ておく。

運転開始日の１月２日から毎日定刻に透過光強度Ｉを計測し、Ｉｏとの差が閾値Ｉｃ以内の場合は正常摺動として運転を継続する。その後、１月２１日からＩが増加し１月２３日に閾値Ｉｃを超えた時、異常摺動状態と判定して判定部９が警報を発する。

本実施例のようにフィルタ７の代わりに分光器１１を用いる方式の場合、上述のように集電ブラシ２の材質変更で摺動面Ｓからの反射光特性が変わっても、判定部９内部で取得した分光スペクトルから抽出する波長λをソフト的に設定変更するだけで良く、集電ブラシ２の材料変更への対応が容易である。また、選定波長を８００ｎｍだけでなく、例えば近傍の７５０ｎｍや８５０ｎｍも同時に比較することで、誤診断を回避でき、診断の信頼性を更に向上することができる。

本発明の摺動状態診断装置の第４の実施例について、図６を参照して詳細に説明する。図６に本発明の第４の実施例の回転電機の摺動状態診断装置の構成図を示す。

本実施例では、摺動状態診断装置の検出部２３において、光源を白色光源ではなく、例えば波長λ＝８００ｎｍの単色光源４’とする。このことにより、受光部５の前にはフィルタ７を備える必要がなく、波長λ＝８００ｎｍの信号強度Ｉ_８００をＩｏと比較する処理で済み、他の実施例と比べ非常に簡易な構成で診断可能となる。

１：スリップリング
２：集電ブラシ
３：リード線
４、４’：光源
５、５ａ、５ｂ、５’：受光部
６、６ａ、６ｂ：信号線
７、７ａ、７ｂ：フィルタ
９：判定部
１０：ゲート
２０，２１，２２，２３：検出部
Ｓ：摺動面
Ｄ：微小放電
Ｉ：透過光信号強度

Claims (9)

1. 回転電機の回転体表面における集電ブラシとの摺動面に向けて入射する光源と、前記摺動面からの反射光を受光する受光部と、該受光部からの信号を処理する判定部とから構成される回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記判定部は、前記反射光の特定波長成分の増加を検知して回転電機の回転体表面における摺動状態の異常を判定するとともに、
   前記判定部は、前記反射光の特定波長成分と、特定波長成分以外の波長成分である非特定波長成分とを比較し、その差分の増加を検知して回転電機の回転体表面における摺動状態の異常を判定することを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
2. 請求項１に記載の回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記受光部は、前記反射光の特定波長成分を透過するフィルタを介して前記摺動面からの反射光を受光することを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記判定部内部の分光スペクトル化処理により、前記反射光の特定波長成分が求められることを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記光源が前特定波長成分の単色光源とされることを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記集電ブラシの材料が銅である場合に、前記反射光の特定波長成分は６００ｎｍ以上の波長とされることを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の摺動状態診断装置であって、
   前記集電ブラシの材料が銀である場合に、前記反射光の特定波長成分は３００ｎｍ以上の波長とされることを特徴とする回転電機の摺動状態診断装置。
7. 回転電機の回転体表面における集電ブラシとの摺動面に向けて入射した光の反射光を利用する回転電機の摺動状態診断方法であって、
   前記反射光の特定波長成分の増加を検知して回転電機の回転体表面における摺動状態の異常を判定するとともに、
   前記反射光の特定波長成分と、特定波長成分以外の波長成分である非特定波長成分とを比較し、その差分の増加を検知して回転電機の回転体表面における摺動状態の異常を判定することを特徴とする回転電機の摺動状態診断方法。
8. 請求項７に記載の回転電機の摺動状態診断方法であって、
   前記集電ブラシの材料が銅である場合に、前記反射光の特定波長成分は６００ｎｍ以上の波長とされることを特徴とする回転電機の摺動状態診断方法。
9. 請求項７または請求項８に記載の回転電機の摺動状態診断方法であって、
   前記集電ブラシの材料が銀である場合に、前記反射光の特定波長成分は３００ｎｍ以上の波長とされることを特徴とする回転電機の摺動状態診断方法。

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