JP6852521B2 - 固定子コイル部材の摩耗評価方法および寿命評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子コイル部材の摩耗および寿命を評価する方法に関する。

従来、回転電機は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機として用いられたり、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として用いられたりしている。

図１は、発電機の一例を示す概略図である。図１に示す発電機１０は、円筒状の固定子１２と、固定子１２内に設けられる回転子１４とを備えている。固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と、固定子鉄心１６に取り付けられた固定子コイル１８とを有している。詳細な図示および説明は省略するが、回転子１４も同様に、回転子鉄心と回転子コイルとを有している。

固定子鉄心１６には、複数のスロット１６ａが形成されている。各スロット１６ａは、固定子鉄心１６の内周面から、固定子鉄心１６の径方向外側に向かって凹むように形成されている。すなわち、各スロット１６ａは、固定子鉄心１６の内周面において開口している。また、各スロット１６ａは、固定子鉄心１６の軸方向に延びるように形成されている。複数のスロット１６ａは、固定子鉄心１６の周方向において等間隔に並ぶように形成されている。複数のスロット１６ａに、固定子コイル１８が嵌められている。詳細な説明は省略するが、固定子コイル１８は、例えば、複数のコイルセグメント（固定子コイル部材）１８ａ（図２参照）を連結した構成を有する。

図３は、固定子鉄心１６と固定子コイル１８との関係を説明するための図である。なお、図３では、固定子鉄心１６の軸方向に対して直交する断面を示している。

図３を参照して、固定子鉄心１６のスロット１６ａ内には、２つのコイルセグメント１８ａそれぞれの一部が嵌められている。具体的には、２つのコイルセグメント１８ａが、スロット１６ａ内において、板状のスペーサ２０を介して固定子鉄心１６の径方向に積層されている。スロット１６ａの開口端側（固定子鉄心１６の径方向内側）は、ウェッジ２２によって塞がれている。スロット１６ａの開口端側のコイルセグメント１８ａとウェッジ２２との間には、板状のスペーサ２４が設けられ、スロット１６ａの底部側（固定子鉄心１６の径方向外側）のコイルセグメント１８ａとスロット１６ａの底部との間には、支持板２６が設けられている。

各コイルセグメント１８ａは、複数の素線１８０と、複数の素線１８０を覆う主絶縁部材１８２と、主絶縁部材１８２を覆うコロナ防止テープ１８４とを備えている。

上記のような構成を有する発電機１０では、絶縁破壊等に基づく不具合の発生を防止するために、固定子コイル１８の寿命を適切に評価することが望まれている。そこで、従来、固定子コイルの寿命を評価するための種々の方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、タービン発電機固定子コイルの余寿命評価方法が開示されている。特許文献１に開示された方法では、固定子コイルの絶縁破壊電圧がワイブル分布で表され、このワイブル分布から固定子コイルの絶縁耐力が求められる。そして、求めた固定子コイルの絶縁耐力によって固定子コイルの余寿命が評価される。

特開２００８−２８９３号公報

しかしながら、本発明者らの種々の検討の結果、特許文献１に開示された方法のように、絶縁破壊電圧に基づいて固定子コイルの余寿命を評価する場合、余寿命を適切に評価できない場合があることが分かった。

そこで、本発明の目的は、固定子コイル部材の適切な寿命評価を可能にするための方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、回転電機の固定子コイルの寿命を適切に評価するために、種々の検討を行った。この検討の中で、本発明者らは、運転中の回転電機において、以下に説明するような現象が生じていると推定した。図４は、運転中の回転電機において生じている現象を説明するための図である。なお、以下においては、回転電機の一例として上述の発電機１０において生じている現象について説明する。

図４（ａ）を参照して、まず、本発明者らは、コロナ防止テープ１８４のうちスペーサ２０と接触する部分が劣化することによって、その劣化した部分において放電が発生すると考えた。そして、この放電により、図４（ｂ）に示すように、コロナ防止テープ１８４の一部が消失し、コイルセグメント１８ａとスペーサ２０との間に隙間が生じると考えた。

発電機１０の運転中には、固定子コイル１８に対して電磁加振力が作用している。このため、コイルセグメント１８ａとスペーサ２０との間に隙間が生じた場合、図４（ｃ）に示すように、コイルセグメント１８ａが固定子鉄心１６の径方向に振動すると考えられる。そして、コイルセグメント１８ａとスペーサ２０とが繰り返し衝突することによって、コイルセグメント１８ａのスペーサ２０側の部分が摩耗すると考えられる。コイルセグメント１８ａにおいてこのような摩耗が生じることによって、地絡が発生すると考えられる。このため、コイルセグメント１８ａの摩耗量を適切に予測することができれば、固定子コイル１８の寿命を適切に評価することができると考えられる。

本発明者らは、上記のような推定に基づいて、固定子コイル１８の摩耗量を予測する方法について詳細な検討を行った。具体的には、まず、電磁加振力に基づくコイルセグメント１８ａとスペーサ２０との衝突を想定して、コイルセグメント１８ａの表面（スペーサ２０と接触する部分）に、板状の押し付け部材を繰り返し押し付ける実験を行った。

しかしながら、押し付け部材を単に押し付けても、コイルセグメント１８ａの表面は、ほとんど摩耗しなかった。この結果から、本発明者らは、発電機１０の運転中には、コイルセグメント１８ａとスペーサ２０とが、固定子鉄心１６の径方向における衝突を繰り返しているだけではなく、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に対して、固定子鉄心１６の軸方向もしくは周方向に摺動していると考えた。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の摩耗評価方法および寿命評価方法を要旨とする。

（１）円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内において前記固定子鉄心の径方向にスペーサを介して積層される複数の固定子コイル部材とを有する回転電機の前記固定子コイル部材の摩耗評価方法であって、
前記固定子コイル部材は、前記回転電機において前記スペーサに接触する接触面を有し、
前記固定子コイル部材から所定長さの試験材を切り出す、切り出しステップと、
前記試験材における前記接触面の法線方向に押し付け荷重を付与するようにスペーサ切出し部材を前記試験材に接触させた状態で、前記試験材を、前記スペーサ切出し部材に対して相対的に往復運動させて、前記往復運動の回数と前記接触面の摩耗量との関係を示す摩耗評価情報を取得する、評価情報取得ステップと、
を備える固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（２）前記摩耗量は、前記往復運動によって摩耗された部分の前記法線方向における高さである、上記（１）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（３）前記評価情報取得ステップでは、前記押し付け荷重および前記往復運動における前記試験材の前記スペーサ切出し部材に対する変位量を変化させて、前記押し付け荷重ごとの前記摩耗評価情報および前記変位量ごとの前記摩耗評価情報を取得する、上記（１）または（２）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（４）前記押し付け荷重ごとの前記摩耗評価情報および前記変位量ごとの前記摩耗評価情報に基づいて、前記押し付け荷重と前記変位量と前記接触面の摩耗速度との関係を示す摩耗速度情報を取得する、摩耗速度情報取得ステップ、
をさらに備える上記（３）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（５）前記摩耗速度は、１回の前記往復運動における前記接触面の摩耗量である、上記（４）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（６）前記回転電機において電磁加振力によって前記固定子コイル部材が前記径方向に振動して前記固定子コイル部材が前記スペーサに衝突する際に、前記固定子コイル部材に付与される衝撃荷重を前記押し付け荷重とし、かつ
前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が前記スペーサに衝突する際の、前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子コイル部材の前記スペーサに対するすべり量を前記変位量として、
前記摩耗速度情報に基づいて、前記固定子コイル部材の摩耗速度を評価する、上記（４）または（５）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（７）前記すべり量は、０．０３５〜０．１０５ｍｍに設定される、上記（６）に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。

（８）前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、上記（１）から（３）のいずれかに記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって取得された摩耗評価情報に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。

（９）前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、上記（４）または（５）に記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって取得された摩耗速度情報に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。

（１０）前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、上記（６）または（７）に記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって評価された摩耗速度に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。

本発明によれば、固定子コイル部材の適切な寿命評価が可能になる。

図１は、発電機の一例を示す概略図である。 図２は、コイルセグメントを示す斜視図である。 図３は、固定子鉄心と固定子コイルとの関係を説明するための図である。 図４は、運転中の回転電機において生じている現象を説明するための図である。 図５は、試験材を示す斜視図である。 図６は、すべり試験を説明するための図である。 図７は、摩耗評価情報の一例を示す図である。 図８は、変位量と摩耗速度との関係の一例を示す図である。 図９は、押し付け荷重と摩耗速度との関係の一例を示す図である。 図１０は、摩耗評価情報の他の例を示す図である。 図１１は、摩耗評価情報のその他の例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る固定子コイル部材の摩耗評価方法および寿命評価方法について説明する。なお、本実施形態においては、固定子コイル部材の寿命評価方法は、摩耗評価方法を含む。以下においては、一例として、上述の発電機１０のコイルセグメント１８ａの寿命を評価する場合について説明するが、本実施形態に係る寿命評価方法は、他の回転電機の固定子コイル部材の寿命評価にも好適に利用することができる。

（寿命評価方法の概要）
本実施形態に係る寿命評価方法は、切り出しステップと、評価情報取得ステップと、摩耗速度情報取得ステップと、寿命評価ステップとを備えている。なお、本実施形態では、切り出しステップと、評価情報取得ステップと、摩耗速度情報取得ステップとが、摩耗評価方法に含まれる。以下、各ステップについて説明する。

（切り出しステップ）
図２および図５を参照して、切り出しステップでは、コイルセグメント（固定子コイル部材）１８ａから、所定長さの試験材３０を切り出す。図５を参照して、試験材３０は、コイルセグメント１８ａが発電機１０に組み込まれた場合にスペーサ２０（図４参照）に接触する接触面３０ａを有している。なお、図５においては、試験材３０の長さ方向および幅方向を矢印で示している。長さ方向および幅方向に直交する方向が、固定子鉄心１６（図１参照）の径方向に対応する。

（評価情報取得ステップ）
図６を参照して、評価情報取得ステップでは、試験装置４０を用いてすべり試験が行われる。なお、図６においては、試験装置４０の概略構成が示されている。本実施形態では、試験装置４０は、凹部４２ａを設けた板状の押し付け部材４２と、一対のロータ４４ａを有する支持部４４とを備えている。

すべり試験では、板状のスペーサ切出し部材２０ａを、押し付け部材４２の凹部４２ａに装着し、スペーサ切出し部材２０ａと支持部４４とで試験材３０を挟むように支持する。具体的には、試験材３０の接触面３０ａの法線方向に所定の押し付け荷重Ｆｐを付与するように、図示しない加圧装置によって、押し付け部材４２に装着したスペーサ切出し部材２０ａを接触面３０ａに接触させる。試験材３０の表面のうち、前記法線方向において接触面３０ａと反対側の面３０ｂは、ロータ４４ａによって、試験材３０の長さ方向に移動自在に支持される。なお、スペーサ切出し部材２０ａは、例えば、上述のスペーサ２０から切り出した部材、またはスペーサ２０と同様の材料から切り出した部材である。

上記のように試験材３０を支持した状態で、図示しない駆動装置によって、試験材３０を、例えば、試験材３０の長さ方向に往復運動させる。図６においては、往復運動する際の一端位置の試験材３０を実線で示し、他端位置の試験材３０を一点鎖線で示している。なお、往復運動の方向は、長さ方向に限定するものではなく、幅方向でも良い。本発明者らによって、往復運動の方向によらず、同様な摩耗特性が得られることが確認されている。

上述したように、押し付け部材４２に装着したスペーサ切出し部材２０ａが接触面３０ａに押し付けられているので、試験材３０を往復運動させることによって、接触面３０ａがスペーサ切出し部材２０ａに対して摺動し、接触面３０ａが摩耗する。本実施形態では、このすべり試験によって、図７に示すような、試験材３０の往復運動の回数と接触面３０ａの摩耗量との関係を示す摩耗評価情報を取得する。なお、本実施形態では、接触面３０ａの摩耗量は、試験材３０の往復運動によって摩耗した部分の前記法線方向における高さ（以下、摩耗高さとも記載する。）である。

また、本実施形態では、押し付け荷重Ｆｐおよび変位量ΔＳ（往復運動における試験材３０のスペーサ切出し部材２０ａに対する変位量）を変更して、図７に示すような摩耗評価情報を、押し付け荷重Ｆｐごとおよび変位量ΔＳごとに取得する。

なお、上記の例では、試験材３０を往復運動させているが、試験材３０がスペーサ切出し部材２０ａに対して相対的に移動すればよく、スペーサ切出し部材２０ａを試験材３０の長さ方向または幅方向に往復運動させてもよい。

（摩耗速度情報取得ステップ）
摩耗速度情報取得ステップでは、押し付け荷重Ｆｐごとの摩耗評価情報および変位量ΔＳごとの摩耗評価情報に基づいて、押し付け荷重Ｆｐと変位量ΔＳと接触面３０ａの摩耗速度との関係を示す摩耗速度情報を取得する。

図７を参照して、本実施形態では、まず、すべり試験によって押し付け荷重Ｆｐごとおよび変位量ΔＳごとに得た摩耗量と往復運動の回数との関係を線形近似して近似直線を求め、その近似直線の傾きを摩耗速度として求める。すなわち、押し付け荷重Ｆｐごとに、複数の異なる変位量ΔＳに対応する複数の摩耗速度を求め、変位量ΔＳごとに、複数の異なる押し付け荷重Ｆｐに対応する複数の摩耗速度を求める。

また、本実施形態では、押し付け荷重Ｆｐごとに求めた複数の摩耗速度に基づいて、図８に示すような、変位量ΔＳと摩耗速度との関係を求める。具体的には、例えば、押し付け荷重Ｆｐごとに求めた複数の摩耗速度をべき乗近似して、摩耗速度と変位量ΔＳとの関係を示す近似式を算出する。同様に、変位量ΔＳごとに求めた複数の摩耗速度に基づいて、図９に示すような、押し付け荷重Ｆｐと摩耗速度との関係を求める。具体的には、例えば、変位量ΔＳごとに求めた複数の摩耗速度をべき乗近似して、摩耗速度と押し付け荷重Ｆｐとの関係を示す近似式を算出する。

さらに、本実施形態では、上記のようにして得た近似式から、下記式（ｉ）で示される摩耗速度情報を求める。なお、下記式（ｉ）において、ｄｙ_ｔ／ｄＮは摩耗速度であり、すべり試験における試験材３０の１回の往復運動による接触面３０ａの摩耗高さｙ_ｔ（ｍｍ）を示す。Ｆｐ_ｕは、すべり試験において試験材３０に付与される単位長さ当たりの荷重（Ｎ／ｍ）を示す。また、ΔＳは、上述したように、試験材３０のスペーサ切出し部材２０ａに対する変位量（ｍｍ）である。ａ、ｂ、ｃはそれぞれ係数である。
ｄｙ_ｔ／ｄＮ＝ａ・Ｆｐ_ｕ ^ｂ・ΔＳ^ｃ ・・・（ｉ）

図４を参照して、上述したように、発電機１０において電磁加振力によってコイルセグメント１８ａが固定子鉄心１６の径方向に振動する際に、コイルセグメント１８ａとスペーサ２０とが衝突する。摩耗速度情報取得ステップでは、この衝突の際に、コイルセグメント１８ａに付与される単位長さ当たりの衝撃荷重（Ｎ／ｍ）を求める。なお、詳細な説明は省略するが、コイルセグメント１８ａに付与される衝撃荷重は、発電機１０の仕様および運転条件等に基づいて求めることができる。本実施形態では、コイルセグメント１８ａに付与される衝撃荷重Ｆｃ（Ｎ／ｍ）は、例えば、下記式（ii）で表される。なお、下記式（ii）において、ｍ_０はコイルセグメント１８ａの単位長さ当たりの質量（ｋｇ／ｍ）であり、ｖ_１は、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際の速度である。
Ｆｃ＝ｍ_０・ｖ_１／（４．６０×１０^−４） ・・・（ii）

また、本実施形態では、電磁加振力によってコイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際の、固定子鉄心１６の軸方向におけるコイルセグメント１８ａのスペーサ２０に対するすべり量を推定する。上記すべり量は、発電機１０の仕様および運転条件等に基づいて、適宜推定される。すべり量は、例えば、０．０３５〜０．１０５ｍｍに設定される。

本実施形態では、荷重Ｆｐ_ｕとして上記の衝撃荷重Ｆｃを用い、変位量ΔＳとして上記のすべり量を用いて上記式（ｉ）によって求められる摩耗速度に基づいて、コイルセグメント１８ａの摩耗速度を評価する。

（寿命評価ステップ）
寿命評価ステップでは、電磁加振力によってコイルセグメント１８ａが振動する際の振動数が１秒当たりの試験材３０の往復運動の回数に対応するとして、上記式（ｉ）によって求められた摩耗速度に基づいて、コイルセグメント１８ａの寿命を評価する。

なお、上述の実施形態では、上記式（ｉ）によって求められた摩耗速度に基づいて、固定子コイル部材の寿命を評価する場合について説明したが、押し付け荷重Ｆｐごとおよび変位量ΔＳごとに取得した摩耗評価情報に基づいて、コイルセグメント１８ａの寿命を評価してもよい。また、押し付け荷重Ｆｐごとおよび変位量ΔＳごとに取得した摩耗速度情報に基づいて、コイルセグメント１８ａの寿命を評価してもよい。

以下、実施例によって、本発明をより具体的に説明する。実施例では、まず、コイルセグメント１８ａから、複数の試験材３０（長さ４５ｍｍ、幅１７ｍｍ）を採取した。各試験材３０の単位長さ当たりの質量は、６．０１５ｋｇ／ｍであった。

次に、発電機１０においてコイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際に、コイルセグメント１８ａに付与される単位長さ当たりの衝撃荷重（Ｎ／ｍ）を推定した。

具体的には、試験材３０を自由落下によってスペーサ２０に衝突させる試験を行い、その際に生じる衝撃力Ｆを測定した。その結果，衝撃力Ｆは力積の考え方で整理でき、下記式（iii）で表わすことができた。なお、下記式（iii）において、ｍは試験材３０の質量であり、ｖは試験材３０がスペーサ２０に衝突する際の速度である。
Ｆ＝ｍ・ｖ／（４．６０×１０^−４） ・・・（iii）

上記式（iii）に基づいて、発電機１０においてコイルセグメント１８ａに付与される衝撃荷重Ｆｃ（Ｎ／ｍ）は、下記式（ii）で表すことができる。なお、下記式（ii）において、ｍ_０はコイルセグメント１８ａの単位長さ当たりの質量（ｋｇ／ｍ）であり、ｖ_１は、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際の速度である。
Ｆｃ＝ｍ_０・ｖ_１／（４．６０×１０^−４） ・・・（ii）

発電機１０において電磁加振力によってコイルセグメント１８ａが振動している際のコイルセグメント１８ａの加速度が一定であると仮定すると、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際の速度ｖ_１は、下記式（iv）で表わすことができる。なお、下記式（iv）において、ａ_０は固定子鉄心１６の径方向におけるコイルセグメント１８ａの加速度であり、ｔ_１は、コイルセグメント１８ａがウェッジ２２（図４参照）側からスペーサ２０（図４参照）側へ移動するのに要する時間である。
ｖ_１＝ａ_０・ｔ_１ ・・・（iv）

ここで、ウェッジ２２（図４参照）側からスペーサ２０（図４参照）側へのコイルセグメント１８ａの移動距離ｙ_１（ｍ）は、下記式（ｖ）で表すことができる。
ｙ_１＝（１／２）・ａ_０・ｔ_１ ^２ ・・・（ｖ）

上記式（ｖ）から、移動時間ｔ_１は、下記式（vi）で表すことができる。
ｔ_１＝√（２ｙ_１／ａ_０） ・・・（vi）

上記式（iv）および（vi）から、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際の速度ｖ_１は、下記式（vii）で表すことができる。
ｖ_１＝√（２ａ_０・ｙ_１） ・・・（vii）

ここで、寿命を評価する対象である発電機１０の加振力Ｆ_０は、１５６８Ｎ／ｍであり、コイルセグメント１８ａの質量ｍ_０は、６．０１５ｋｇ／ｍであった。このため、固定子鉄心１６の径方向におけるコイルセグメント１８ａの加速度ａ_０（＝Ｆ_０／ｍ_０）は、２６１ｍ／ｓ^２と推定できる。コイルセグメント１８ａの移動距離ｙ_１が０．００５ｍであると仮定すると、上記式（ii）および（vii）に基づいて、コイルセグメント１８ａがスペーサ２０に衝突する際に、コイルセグメント１８ａに付与される単位長さ当たりの衝撃荷重Ｆｃは、２０．９ｋＮ／ｍであると推定される。

次に、採取した複数の試験材３０を用いて、上述のすべり試験を実施した。なお、すべり試験では、上記のように推定した衝撃荷重Ｆｃを考慮して、押し付け荷重Ｆｐを設定した。具体的には、試験材３０の長さは４５ｍｍであるので、試験材３０に２０．９ｋＮ／ｍの荷重を付与するためには、押し付け荷重Ｆｐを９４０．５Ｎに設定する必要がある。ただし、一般に、コイルセグメント１８ａの移動距離ｙ_１は０．００５ｍ以下であると考えられるので、押し付け荷重Ｆｐは、９４０．５Ｎよりも小さい値に設定した。具体的には、押し付け荷重Ｆｐは、３５０Ｎおよび７００Ｎに設定した。

また、本実施例では、変位量ΔＳは、０．３ｍｍおよび０．５ｍｍに設定した。すべり試験における試験材３０の振動数は、２０Ｈｚに設定した。すべり試験によって得られた摩耗評価情報を図１０および図１１に示す。なお、図１０は、変位量ΔＳを０．５ｍｍに設定した場合の摩耗評価情報であり、図１１は、押し付け荷重Ｆｐを７００Ｎに設定したときの摩耗評価情報である。

次に、上記の摩耗評価情報において、摩耗高さと往復運動の回数との関係を線形近似することによって、摩耗速度を求めた。その結果、押し付け荷重Ｆｐが７００Ｎで変位量ΔＳが０．５ｍｍの場合は、摩耗速度が２．０４５×１０^−７（ｍｍ／回）であり、押し付け荷重Ｆｐが３５０Ｎで変位量ΔＳが０．５ｍｍの場合は、摩耗速度が２．５７０×１０^−８（ｍｍ／回）であり、押し付け荷重Ｆｐが７００Ｎで変位量ΔＳが０．３ｍｍの場合は、摩耗速度が６．４７０×１０^−８（ｍｍ／回）であった。これらの関係から、上述の（ｉ）式を求めた。ここで、摩耗速度のΔＳに対する依存性（図８中の傾きｃ）は荷重によらず一定であり、摩耗速度の荷重に対する依存性（図９中の傾きｂ）はΔＳによらず一定であるとの前提に立つと、上述の（ｉ）式の係数ｂは、２．９９２であり、係数ｃは、２．２５３であった。これらを（ｉ）式に代入すると，係数ａはおのずと求まり、２．７９８×１０^−１９となった。

ここで、本実施例では、コイルセグメント１８ａの単位長さ当たりの質量は、６．０１５ｋｇ／ｍであり、コイルセグメント１８ａの加速度ａ_０は、２６１ｍ／ｓ^２である。コイルセグメント１８ａの移動距離ｙ_１（ｍ）がコイルセグメント１８ａの摩耗高さｙ_ｈ（固定子鉄心１６の径方向における摩耗量。単位はｍ。）に等しいとすると、上記式（ii）および（vii）に基づいて、コイルセグメント１８ａに付与される衝撃荷重Ｆｃ（Ｎ／ｍ）は、下記式（viii）で表すことができる。
Ｆｃ＝（２．９８８×１０^５）√ｙ_ｈ ・・・（viii）

さらに、衝撃荷重Ｆｃは、摩耗高さｙ_ｈをｍｍの単位で表した摩耗高さｙ_ｈｍ（＝１０００×ｙ_ｈ）を用いると、下記式（ix）で表すことができる。
Ｆｃ＝９４４９√ｙ_ｈｍ ・・・（ix）

固定子鉄心１６の軸方向もしくは幅方向におけるコイルセグメント１８ａのすべり量を０．１ｍｍと仮定して、上記式（i）の変位量ΔＳに０．１を代入し、上記式（ix）の衝撃荷重Ｆｃを上記式（i）の荷重Ｆｐ_ｕに代入することによって、コイルセグメント１８ａの摩耗速度ｄｙ_ｈｍ／ｄＮは、下記式（ｘ）で表すことができる。なお、上述したように、上記式（i）の係数a、ｂ、およびｃの値はそれぞれ、２．７９８×１０^−１９、２．９９２、および２．２５３である。なお、摩耗速度ｄｙ_ｈｍ／ｄＮは、電磁加振力によってコイルセグメント１８ａが１回振動する際の、コイルセグメント１８ａの摩耗量を示す。
ｄｙ_ｈｍ／ｄＮ＝（１．２２６×１０^−９）ｙ_ｈｍ ^{１．４９６} ・・・（ｘ）

ここで、係数ｐ（＝１．２２６×１０^−９）およびｑ（＝１．４９６）を用いて、上記式（ｘ）は、下記式（xi）に変換できる。
ｄＮ＝（１／ｐ）ｙ_ｈｍ ^−ｑｄｙ_ｈｍ ・・・（xi）

上記式（xi）を積分することによって、摩耗高さｙ_ｈｍ１から摩耗高さｙ_ｈｍ２になるまでの間のコイルセグメント１８ａの振動回数Ｎは、下記式（xii）で示すことができる。
Ｎ＝１／（ｐ（１‐ｑ））×（ｙ_ｈｍ２ ^１−ｑ−ｙ_ｈｍ１ ^１−ｑ） ・・・（xii）

係数ｐおよびｑはそれぞれ、１．２２６×１０^−９および１．４９６であるので、コイルセグメント１８ａの振動回数Ｎは、下記式（xiii）で表すことができる。
Ｎ＝−１．６４４×１０^９（ｙ_ｈｍ２ ^{−０．４９６}−ｙ_ｈｍ１ ^{−０．４９６}） ・・・（xiii）

例えば、摩耗高さｙ_ｈｍ１を０．１ｍｍとし、摩耗高さｙ_ｈｍ２を３．０ｍｍとすると、上記式（xiii）に基づいて、コイルセグメント１８ａの振動回数Ｎは、４．２×１０^９回となる。発電機１０における電磁加振力の振動数（周波数）が１２０Ｈｚであるとすると、コイルセグメント１８ａの摩耗高さが０．１ｍｍから３．０ｍｍになるまでの発電機１０の運転時間は、１．１年になる。このように、本発明によれば、コイルセグメント１８ａが所定の摩耗高さになるまでの時間（コイルセグメント１８ａの寿命）を推定することができる。

なお、コイルセグメント１８ａのすべり量を０．０３５ｍｍおよび０．１０５ｍｍとした場合、摩耗高さが０．１ｍｍから３．０ｍｍになるまでの発電機１０の運転時間は、それぞれ１２年および１年となる。コイルセグメント１８ａの寿命は、一般に１〜１２年であると考えられるので、上記すべり量を０．０３５〜０．１０５ｍｍの範囲の値に設定することによって、コイルセグメント１８ａの寿命をより適切に評価できると考えられる。
また、ある事例では部分放電が起こってから，５〜６年で絶縁破壊による不具合が生じたことが判明した。この場合，上記すべり量が０．０５１〜０．０５７ｍｍの範囲であったことが推定される。

なお、全く使用実績のない回転電気を評価対象とする場合には、例えば、上記すべり量を０．１０５ｍｍに設定すればよい。なお、上記すべり量は、メンテナンス実績に応じて調整すればよい。

本発明によれば、固定子コイル部材の適切な寿命評価が可能になる。

１０ 発電機
１２ 固定子
１４ 回転子
１６ 固定子鉄心
１８ 固定子コイル
１８ａ コイルセグメント
２０ スペーサ
２０ａ スペーサ切出し部材
３０ 試験材

Claims (10)

1. 円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内において前記固定子鉄心の径方向にスペーサを介して積層される複数の固定子コイル部材とを有する回転電機の前記固定子コイル部材の摩耗評価方法であって、
   前記固定子コイル部材は、前記回転電機において前記スペーサに接触する接触面を有し、
   前記固定子コイル部材から所定長さの試験材を切り出す、切り出しステップと、
   前記試験材における前記接触面の法線方向に押し付け荷重を付与するようにスペーサ切出し部材を前記試験材に接触させた状態で、前記試験材を、前記スペーサ切出し部材に対して相対的に往復運動させて、前記往復運動の回数と前記接触面の摩耗量との関係を示す摩耗評価情報を取得する、評価情報取得ステップと、
   を備え、
   前記スペーサ切出し部材は、前記スペーサから切り出した部材、または前記スペーサと同じ材料から切り出した部材であり、
   前記評価情報取得ステップでは、前記押し付け荷重または前記往復運動における前記試験材の前記スペーサ切出し部材に対する変位量を変化させて、前記押し付け荷重ごとの前記摩耗評価情報または前記変位量ごとの前記摩耗評価情報を取得する、固定子コイル部材の摩耗評価方法。
2. 前記摩耗量は、前記往復運動によって摩耗された部分の前記法線方向における高さである、請求項１に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
3. 前記評価情報取得ステップでは、前記押し付け荷重および前記往復運動における前記試験材の前記スペーサ切出し部材に対する変位量を変化させて、前記押し付け荷重ごとの前記摩耗評価情報および前記変位量ごとの前記摩耗評価情報を取得する、請求項１または２に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
4. 前記押し付け荷重ごとの前記摩耗評価情報および前記変位量ごとの前記摩耗評価情報に基づいて、前記押し付け荷重と前記変位量と前記接触面の摩耗速度との関係を示す摩耗速度情報を取得する、摩耗速度情報取得ステップ、
   をさらに備える請求項３に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
5. 前記摩耗速度は、１回の前記往復運動における前記接触面の摩耗量である、請求項４に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
6. 前記回転電機において電磁加振力によって前記固定子コイル部材が前記径方向に振動して前記固定子コイル部材が前記スペーサに衝突する際に、前記固定子コイル部材に付与される衝撃荷重を前記押し付け荷重とし、かつ
   前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が前記スペーサに衝突する際の、前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子コイル部材の前記スペーサに対するすべり量を前記変位量として、
   前記摩耗速度情報に基づいて、前記固定子コイル部材の摩耗速度を評価する、請求項４または５に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
7. 前記すべり量は、０．０３５〜０．１０５ｍｍに設定される、請求項６に記載の固定子コイル部材の摩耗評価方法。
8. 前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、請求項１から３のいずれかに記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって取得された摩耗評価情報に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
   を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。
9. 前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、請求項４または５に記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって取得された摩耗速度情報に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
   を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。
10. 前記電磁加振力によって前記固定子コイル部材が振動する際の振動数を１秒当たりの前記往復運動の回数として、請求項６または７に記載された固定子コイル部材の摩耗評価方法によって評価された摩耗速度に基づいて、前記固定子コイル部材の寿命を評価する、寿命評価ステップ、
    を備える固定子コイル部材の寿命評価方法。
    

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