特許 7164468 状態監視装置および状態監視システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-24

(45)【発行日】2022-11-01

(54)【発明の名称】状態監視装置および状態監視システム

(51)【国際特許分類】

   G01M 99/00 20110101AFI20221025BHJP

   G01M 13/045 20190101ALI20221025BHJP

【ＦＩ】

G01M99/00 A

G01M13/045

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019039666

(22)【出願日】2019-03-05

(65)【公開番号】P2020016634

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-09-14

(31)【優先権主張番号】P 2018133003

(32)【優先日】2018-07-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼ 誠

【審査官】福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５７４４７２３（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２６９１１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０６－０２３９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０４３００９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１８５５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３６１２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｍ １３／００～１３／０４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転体の回転トルクが伝達される機器の状態を監視する状態監視装置であって、
前記回転体の回転速度に応じて変化する、前記機器の振動データから生成された特定情報が予め保存された記憶部と、
前記回転体の回転速度および前記機器の振動データを用いて前記機器の異常診断を行なう制御部とを備え、
前記制御部は、前記特定情報を用いて、前記機器の振動データが測定されたときの前記回転体の回転速度を推定し、
前記特定情報は、基準スペクトルパターンを含み、
前記基準スペクトルパターンは、前記機器の第１振動データから生成された第１周波数スペクトルの各周波数が回転次数に変換されたスペクトルであり、
前記第１振動データは、前記回転体が特定回転速度で回転している状態の前記機器の振動データであり、
前記回転次数は、前記特定回転速度に対応する回転周波数に対する前記第１周波数スペクトルの各周波数の比であり、
前記制御部は、前記機器の第２振動データから生成された第２周波数スペクトルと、前記基準スペクトルパターンの各回転次数に変換係数を乗じることによって得られる第３周波数スペクトルとの類似度を算出し、
前記制御部は、前記変換係数を所定の範囲で変化させたときに、前記類似度が最大となる前記変換係数に基づいて、前記第２振動データが測定されたときの回転速度を推定する、状態監視装置。

【請求項2】

前記第１周波数スペクトルは、前記機器に関する特定周波数および前記特定周波数の高調波周波数のそれぞれを含む複数の周波数帯を含み、
前記基準スペクトルパターンは、前記第１周波数スペクトルにおいて、前記複数の周波数帯に含まれない全ての周波数に対応する強度が０とされた後に、前記第１周波数スペクトルの各周波数が前記回転次数に変換されることによって得られたスペクトルである、請求項１に記載の状態監視装置。

【請求項3】

前記類似度は、前記第２周波数スペクトルと前記第３周波数スペクトルとの内積である、請求項１または２に記載の状態監視装置。

【請求項4】

前記振動データを測定する少なくとも１つの振動センサと、
前記回転速度を測定する回転センサと、
請求項１～３のいずれか１項に記載の状態監視装置とを備える、状態監視システム。

【請求項5】

前記制御部は、前記回転センサから前記回転体の回転速度を取得し、前記回転センサが故障していることを示す条件が成立する場合、推定された回転速度を用いて前記異常診断を行ない、前記条件が成立しない場合、前記回転センサから取得した回転速度を用いて前記異常診断を行なう、請求項４に記載の状態監視システム。

【請求項6】

前記少なくとも１つの振動センサの数は、２以上であり、
前記状態監視装置の記憶部には、前記特定情報として前記回転体の回転速度と前記機器の振動データの振動値との関係式が予め保存されており、
前記関係式は、前記回転体の回転速度および前記機器の振動データの振動値の、複数の組合せに対する回帰分析によって導かれ、
前記条件が成立する場合において、
前記制御部は、前記基準スペクトルパターンを用いて前記少なくとも１つの振動センサによって測定された複数の振動データにそれぞれ対応する複数の第１回転速度を算出し、
前記複数の第１回転速度の標準偏差がしきい値よりも大きいとき、前記制御部は、前記複数の振動データの振動値にそれぞれ対応する複数の第２回転速度の平均値または中央値を用いて前記異常診断を行ない、
前記標準偏差が前記しきい値よりも小さいとき、前記制御部は、前記複数の第１回転速度の平均値または中央値を用いて前記異常診断を行なう、請求項５に記載の状態監視システム。

【請求項7】

回転体の回転トルクが伝達される機器の状態を監視する状態監視装置であって、
前記回転体の回転速度に応じて変化する、前記機器の振動データから生成された特定情報が予め保存された記憶部と、
前記回転体の回転速度および前記機器の振動データを用いて前記機器の異常診断を行なう制御部とを備え、
前記制御部は、前記特定情報を用いて、前記機器の振動データが測定されたときの前記回転体の回転速度を推定し、
前記特定情報は、前記回転体の回転速度と前記機器の振動データの振動値との特定関係式を含み、
前記特定関係式は、前記回転体の回転速度および前記機器の振動データの振動値の、複数の組合せに対する回帰分析によって導かれ、
前記制御部は、前記回帰分析において前記回転体の回転速度と前記機器の振動データの振動値との関係式を複数の近似法の各々によって近似し、前記複数の近似法によってそれぞれ近似された複数の近似式のうち決定係数が１に最も近い近似式を前記特定関係式として前記記憶部に保存し、
前記制御部は、前記特定関係式において前記機器の特定振動データの振動値に対応する回転速度を用いて、前記機器の特定振動データが測定されたときの前記回転体の回転速度を推定する、状態監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、状態監視装置および状態監視システムに関し、特に回転体から回転トルクが伝達される機器の状態を監視する状態監視装置および状態監視システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転体から回転トルクが伝達される機器の状態を監視する状態監視装置、および状態監視システムが知られている。たとえば、特開２０１３－１８５５０７号公報（特許文献１）には、風力発電装置に設けられる機器（たとえば主軸受および増速機）の振動データから算出される診断パラメータがしきい値を超えるか否かを判定することによって、当該機器の状態の診断を行なう状態監視システムが開示されている。当該状態監視システムによれば、風力発電装置の運転条件が診断運転条件を満たす場合に測定された振動データからしきい値が生成されることにより、風力発電装置に設けられた機器に対する異常診断を精度よく行なうことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１８５５０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されている状態監視システムにおいては、回転体から回転トルクが伝達される機器の振動データから回転周波数成分、および当該回転周波数の高調波周波数成分が診断パラメータとして算出され、当該診断パラメータを用いた異常診断が行なわれる。当該診断パラメータの算出には回転体の回転速度が必要である。通常、当該回転速度は回転センサによって測定される。

【0005】

特許文献１に開示されている状態監視システムのように、回転体から回転トルクが伝達される機器の異常診断に当該回転体の回転速度が必要である場合、回転センサの故障等により回転センサから回転体の回転速度が取得できないと、当該機器に対する異常診断が困難になる。

【0006】

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る状態監視装置は、回転体の回転トルクが伝達される機器の状態を監視する。状態監視装置は、記憶部と、制御部とを備える。記憶部には、回転体の回転速度に応じて変化する、機器の振動データから生成された特定情報が予め保存されている。制御部は、回転体の回転速度および機器の振動データを用いて機器の異常診断を行なう。制御部は、特定情報を用いて、機器の振動データが測定されたときの回転体の回転速度を推定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る状態監視装置においては、回転体の回転速度に応じて変化する、機器の振動データから生成された特定情報を用いて回転体の回転速度を推定するため、当該回転体の回転速度を用いた異常診断が中断されることがない。本発明に係る状態監視装置によれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る状態監視システムの監視対象の機器を含む風力発電装置の外観図である。

【図2】図１の風力発電装置のナセルの内部を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態１に係る状態監視システムの機能構成を示す機能ブロック図である。

【図4】図３の制御部によって行なわれる異常診断の処理の流れを示すフローチャートである。

【図5】異常診断に先立って制御部によって行なわれる基準スペクトルパターン作成処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】図５の周波数スペクトル作成処理において作成される周波数スペクトルの一例を示す図である。

【図7】図６の周波数スペクトルから特徴周波数帯が抽出された周波数スペクトルを示す図である。

【図8】図７の周波数スペクトルの各周波数が回転次数に変換された基準スペクトルパターンを示す図である。

【図9】図４に示されるフローチャートの回転速度設定処理の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。

【図10】図９の回転速度推定処理の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。

【図11】（ａ）基準スペクトルパターンの一例と、（ｂ）異常診断時に測定された振動データから作成された周波数スペクトルの一例とを併せて示す図である。

【図12】参照周波数スペクトル（点線）と図１１の周波数スペクトル（実線）とを重ねて示す図である。

【図13】実施の形態２に係る状態監視装置が収容される、風力発電装置のナセルの内部を概略的に示す図である。

【図14】実施の形態２に係る状態監視システムの機能構成を示す機能ブロック図である。

【図15】図１４の制御部によって行なわれる異常診断の処理の流れを示すフローチャートである。

【図16】異常診断に先立って、実施の形態３に係る制御部によって行なわれる回転速度および振動値の関係式の導出処理の流れを示すフローチャートである。

【図17】増速機のおよび主軸の回転速度の複数の組合せの各々に指定される点がプロットされた座標平面を振動値示す図である。

【図18】主軸の振動値および主軸の回転速度の複数の組合せの各々に指定される点がプロットされた座標平面を示す図である。

【図19】実施の形態３における回転速度設定処理の流れを示すフローチャートである。

【図20】実施の形態３の変形例における異常診断の処理の流れを示すフローチャートである。

【図21】実施の形態４に係る状態監視装置を収容するナセルの内部を概略的に示す図である。

【図22】実施の形態４に係る状態監視システムの機能構成を示す機能ブロック図である。

【図23】実施の形態４において行なわれる回転速度設定処理の流れを示すフローチャートである。

【図24】図２３の回転速度推定処理の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0011】

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る状態監視システムの監視対象の機器を含む風力発電装置１０の外観図である。図１に示されるように、風力発電装置１０のタワー１００の上端部には、ナセル９０およびロータヘッド２０が設けられている。ロータヘッド２０には風力発電装置１０の主軸の先端部分が接続されている。主軸はナセル９０内部で支持され、増速機へと接続されている。ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。

【0012】

風力発電装置１０は、風力の強さに応じてブレード３０の風の方向に対する角度（以下、ブレードピッチともいう。）を変化させることによって、適度な回転を得ている。風車の起動および停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。その結果、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面（翼面、あるいは羽面ともいう。）を風の方向と平行にする。

【0013】

図２は、図１の風力発電装置１０のナセル９０の内部を概略的に示す図である。図２に示されるように、ナセル９０には、主軸２２（回転体）と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸受６０と、加速度センサ７０と、状態監視装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸受６０、加速度センサ７０（振動センサ）、回転センサ７７、および状態監視装置８０は、ナセル９０に格納される。ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

【0014】

主軸２２は、ナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続される。主軸２２は、主軸受６０によって回転自在に支持される。主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、ロータヘッド２０を介して、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。

【0015】

主軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、あるいは玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

【0016】

加速度センサ７０は、増速機４０の上面に設置され、増速機４０の振動データを測定する。回転センサ７７は、主軸受６０の内部に配置され、主軸２２の回転速度を測定する。

【0017】

増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤ、中間軸、および高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。

【0018】

発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。

【0019】

状態監視装置８０は、ナセル９０の内部に設けられ、加速度センサ７０によって測定された振動データ、および回転センサ７７によって測定された回転速度を受ける。状態監視装置８０は、加速度センサ７０および回転センサ７７と不図示の有線ケーブルで接続されている。

【0020】

図３は、実施の形態１に係る状態監視システム１の機能構成を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、状態監視システム１は、加速度センサ７０と、回転センサ７７と、状態監視装置８０とを備える。状態監視装置８０は、制御部８１と、記憶部８２と、表示部８３とを含む。

【0021】

加速度センサ７０は、たとえば圧電素子を用いた加速度センサである。加速度センサ７０は、監視対象の加速度を測定し、制御部８１に出力する。回転センサ７７は、主軸２２の回転速度を測定し、制御部８１に出力する。

【0022】

制御部８１は、加速度センサ７０によって測定された振動データ、および主軸２２の回転速度を用いて監視対象に対する異常診断を行なう。制御部８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなコンピュータを含む。

【0023】

記憶部８２は、不揮発性のメモリを含む。記憶部８２には、加速度センサ７０によって測定された振動データが保存される。記憶部８２には、増速機４０に含まれる歯車のかみ合い周波数、あるいは当該歯車のかみ合い周波数を求めるために必要な情報（たとえば歯車の歯数、および主軸２２の回転速度に対する歯車の回転速度の比）が予め保存されている。表示部８３には、制御部８１によって行なわれた異常診断の結果が表示される。

【0024】

図４は、図３の制御部８１によって行なわれる異常診断の処理の流れを示すフローチャートである。図４に示される処理は、図３の状態監視システム１を統合的に制御する不図示のメインルーチンによって呼び出される。以下ではステップを単にＳと記載する。

【0025】

図４に示されるように、制御部８１は、Ｓ１００において加速度センサ７０から振動データを取得し、処理をＳ２００に進める。制御部８１は、Ｓ２００において、異常診断に用いる主軸２２の回転速度を取得し、処理をＳ３００に進める。制御部８１は、Ｓ３００において、監視対象の異常診断を行なう。制御部８１は、Ｓ４００において異常診断の結果を表示部８３に表示して処理をメインルーチンに返す。

【0026】

Ｓ４００においては、たとえば、増速機４０の振動データから歯車のかみ合い周波数成分、および当該かみ合い周波数の高調波周波数成分が診断パラメータとして算出され、当該診断パラメータを用いて異常診断が行なわれる。歯車のかみ合い周波数を算出するには、主軸２２の回転速度が必要である。

【0027】

状態監視システム１において、回転センサ７７の故障により回転センサ７７から主軸２２の回転速度が取得できない場合、監視対象に対する異常診断を行なうことが困難になる。

【0028】

そこで、状態監視システム１においては、異常診断に先立って、回転センサ７７が正常な状態で監視対象の振動データを測定し、当該振動データおよび回転センサ７７によって測定された回転速度を用いて基準スペクトルパターンを作成する。異常診断時においては、回転センサ７７から主軸２２の回転速度が取得できない場合、基準スペクトルパターンを用いて主軸２２の回転速度を推定する。状態監視システム１においては、回転体の回転速度の推定機能により、回転センサ７７の故障等により異常診断が中断されることがない。状態監視システム１によれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。

【0029】

図５は、異常診断に先立って制御部８１によって行なわれる基準スペクトルパターン作成処理の流れを示すフローチャートである。図５に示されるように制御部８１は、Ｓ１１において、加速度センサ７０から振動データ（第１振動データ）を取得し、処理をＳ１２に進める。制御部８１は、Ｓ１２において回転センサ７７から主軸の回転速度（特定回転速度）を取得し、処理をＳ１３に進める。制御部８１は、Ｓ１３において振動データから周波数スペクトル（第１周波数スペクトル）を作成し、処理をＳ１４に進める。制御部８１は、Ｓ１４において周波数スペクトルにおいて特徴周波数帯（特徴周波数を含む周波数帯）に含まれない全ての周波数に対応する強度を０として処理をＳ１５に進める。制御部８１は、Ｓ１５において、周波数スペクトルの各周波数を回転次数（特定回転速度に対応する回転周波数に対する周波数スペクトルの各周波数の比）に変換して基準スペクトルパターンを作成し、処理をＳ１６に進める。制御部８１は、Ｓ１６において、基準スペクトルパターン（特定情報）を記憶部８２に保存して処理をメインルーチンに返す。

【0030】

図６は、図５の周波数スペクトル作成処理（Ｓ１３）において作成される周波数スペクトルの一例を示す図である。図６において、特徴周波数ｆ_１～ｆ_７は、増速機４０に含まれる歯車のかみ合い周波数（特定周波数）およびかみ合い周波数の高調波周波数である。

【0031】

図６に示されるように、特徴周波数ｆ_１～ｆ_７近傍においては、周波数スペクトルの特徴を表すピークが生じることが多い。そこで、状態監視システム１においては、図７に示されるように、特徴周波数ｆ_１～ｆ_７のそれぞれを含む特徴周波数帯Ｂ_１～Ｂ_７の成分を周波数スペクトルから抽出するとともに、特徴周波数帯Ｂ_１～Ｂ_７に含まれない全ての周波数に対応する強度を０とする。状態監視システム１においては、周波数帯Ｂ_ｎは、特徴周波数ｆ_ｎの±５％以内の範囲（０．９５・ｆ_ｎ～１．０５・ｆ_ｎ）である。

【0032】

図８は、図７の周波数スペクトルの各周波数が回転次数に変換された基準スペクトルパターンを示す図である。基準スペクトルパターンは、主軸２２の回転周波数の何倍の周波数近傍に特徴的なピークが発生するかを示すスペクトルである。基準スペクトルパターンは、異常診断に先立って作成され、記憶部８２に保存される。

【0033】

図９は、図４に示されるフローチャートの回転速度設定処理（Ｓ２００）の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。図９に示されるように、制御部８１は、Ｓ２１０において、回転センサ７７から回転速度ω_ｒを取得し、処理をＳ２２０に進める。制御部８１は、Ｓ２２０において振動データの振動値を算出し、処理をＳ２３０に進める。

【0034】

振動値は、振動エネルギーに相関するパラメータであれば、どのような値を用いてもよい。振動値としては、たとえば実効値（Root Mean Square）、あるいはＯＡ（Overall）値を挙げることができる。振動値は、周波数帯域が限定された振動データから算出されることが望ましい。振動データの周波数帯域が限定されることにより、たとえば振動データへのノイズの混入が除外されたり、あるいは振動データへの外乱振動の影響を低減することができるため、振動値を用いる異常診断の精度を向上させることができる。

【0035】

制御部８１は、Ｓ２３０において回転センサ７７が故障しているか否かを判定する。具体的には、回転速度ω_ｒの絶対値がしきい値δ以下であり、かつ振動値がしきい値ｔｈ以上という故障条件が成立する場合に、制御部８１は、回転センサ７７が故障していると判定する。回転速度ω_ｒの絶対値がしきい値δ以下である場合とは、回転速度ω_ｒを０と近似することができる程度に回転速度ω_ｒの絶対値が小さい場合である。振動値がしきい値ｔｈ以上である場合とは、監視対象に無視することができない程度に振動が発生している場合である。すなわち、主軸２２が十分に回転して回転トルクが増速機４０に伝達されて、増速機４０に無視することができない程度の振動が発生している場合である。このような場合に回転速度ω_ｒの絶対値がしきい値δ以下であることは、回転センサ７７が主軸２２の実際の回転速度を測定できていないことを意味する。

【0036】

故障条件が成立しない場合（Ｓ２３０においてＮＯ）、制御部８１は、Ｓ２４０において回転センサ７７からの回転速度ω_ｒを異常診断用の回転速度に設定して、処理をメインルーチンに返す。故障条件が成立する場合（Ｓ２３０においてＹＥＳ）、制御部８１は、Ｓ２５０において回転速度推定処理を行ない、推定された回転速度を異常診断用の回転速度に設定して処理をメインルーチンに返す。

【0037】

図１０は、図９の回転速度推定処理（Ｓ２５０）の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。制御部８１は、Ｓ２５１において、振動データから周波数スペクトル（第２周波数スペクトル）を作成し、処理をＳ２５２に進める。制御部８１は、Ｓ２５２において、変換係数ν_ｋを所定の範囲（ν_ｍｉｎ≦ν_ｋ≦ν_ｍａｘ）で変化させて、各変換係数ν_ｋについて、周波数スペクトルと参照周波数スペクトル（第３周波数スペクトル）との内積を両者の類似度ｓｍ（ν_ｋ）として算出し、処理をＳ２５３に進める。参照周波数スペクトルは、基準スペクトルの各回転次数に変換係数ν_ｋを乗じることによって得られるスペクトルである。類似度ｓｍ（ν_ｋ）は、以下の式（１）に従って算出される。式（１）において、Ｆ_ｍｅｓ（ｆ）は、周波数ｆにおける周波数スペクトルの強度である。Ｆ_ｒｅｆ（ν_ｋ）（ｆ）は、周波数ｆにおける参照周波数スペクトルの強度である。

【0038】

【数1】

【0039】

制御部８１は、Ｓ２５３において、類似度ｓｍ（ν_ｋ）が最大となる変換係数ν_Ｍを以下の式（２）に従って特定し、処理をＳ２５４に進める。

【0040】

【数2】

【0041】

制御部８１は、Ｓ２５４において、変換係数ν_Ｍを主軸２２の回転周波数として、当該回転周波数ν_Ｍに対応する回転速度ω_ｆを異常診断用の回転速度に設定して処理をメインルーチンに返す。回転速度ω_ｆは、振動データが測定されたときの主軸２２の回転速度として推定された回転速度である。

【0042】

以下では、図１１および図１２を用いて、図１０の類似度算出処理（Ｓ２５２）において算出される２つのスペクトルの内積と当該２つのスペクトルとの重なりの関係について説明する。

【0043】

図１１は、（ａ）基準スペクトルパターンの一例と、（ｂ）異常診断時に測定された振動データから作成された周波数スペクトルの一例とを併せて示す図である。図１１（ａ）に示されるように、回転次数ｒ１１～ｒ１４は特徴周波数に対応する回転次数であり、回転次数ｒ１１～ｒ１４においてピークが生じている。

【0044】

図１２は、参照周波数スペクトル（点線）と図１１の周波数スペクトル（実線）とを重ねて示す図である。図１２（ａ）～（ｃ）の参照周波数スペクトルは、図１１（ａ）の基準スペクトルパターンの各回転次数に変換係数ν_１～ν_３（ν_ｍｉｎ≦ν_１＜ν_２＜ν_３≦ν_ｍａｘ）をそれぞれ乗じることによって得られたスペクトルである。図１２において、参照周波数スペクトルと周波数スペクトルとが重なっている領域に斜線を付している。

【0045】

図１２に示されるように、参照周波数スペクトルと周波数スペクトルとが重なっている領域の面積は、図１２（ａ）～（ｃ）の中では、図１２（ｂ）の場合が最も大きい。参照周波数スペクトルと周波数スペクトルとが重なっている領域の面積が大きいほど、式（１）に従って算出される内積は大きい。参照周波数スペクトルと周波数スペクトルとが類似しているほど両者が重なっている領域の面積が大きくなるため、状態監視システム１においては両者の内積を類似度として用いている。

【0046】

実施の形態１においては、振動センサとして加速度センサを用いる場合について説明した。振動センサは、加速度センサに限定されず、たとえば、速度センサ、変位センサ、ＡＥ（Acoustic Emission）センサ、超音波センサ、温度センサ、あるいは音響センサを用いてもよい。

【0047】

また、実施の形態１に係る状態監視システムの制御部は、振動センサから得られた振動データを実効値、ピーク値、ＯＡ値、あるいは所定の時間間隔における平均値などの振動値に変換することができる。さらに、制御部は、ローパスフィルター、ハイパスフィルター、あるいはバンドパスフィルターなどのフィルターを選択し、振動データが測定される周波数帯を限定することができる。

【0048】

実施の形態１においては、風力発電装置の主軸の回転速度を用いて異常診断行なう場合について説明したが、異常診断に用いられる回転速度は当該主軸の回転速度に限定されない。また、実施の形態１においては、異常診断の対象が風力発電装置の増速機の場合について説明したが、異常診断の対象は当該増速機に限定されない。

【0049】

以上、実施の形態１に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。

【0050】

［実施の形態２］
実施の形態１においては、回転センサを含む異常診断システムについて説明した。実施の形態２においては、回転センサを含まない異常診断システムについて説明する。

【0051】

実施の形態２と実施の形態１との違いは、実施の形態２においては回転センサが用いられないという点である。実施の形態２においては、実施の形態１の図２～図４が、図１３～図１５にそれぞれ置き換えられる。

【0052】

図１３は、実施の形態２に係る状態監視装置８０Ｂを収容するナセル９０の内部を概略的に示す図である。図１３に示されるナセル９０の内部構成は、図２のナセル９０の内部構成から回転センサ７７が除かれるとともに、状態監視装置８０が状態監視装置８０Ｂに置き換えられた構成である。それら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0053】

図１４は、実施の形態２に係る状態監視システム２の機能構成を示す機能ブロック図である。図１４に示される状態監視システム２の構成は、図３の状態監視システム１の構成から回転センサ７７が除かれるとともに、制御部８１が制御部８１Ｂに置き換えられた構成である。それら以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0054】

制御部８１Ｂは、監視対象の設計データなどに基づいて図５のＳ１１～Ｓ１５に相当する処理をシミュレーションする。記憶部８２には、当該シミュレーションによって作成された基準スペクトルパターンが異常診断に先立って保存される。

【0055】

図１５は、図１４の制御部８１Ｂによって行なわれる異常診断の処理の流れを示すフローチャートである。図１５に示される処理は、図４のＳ２００が図９のＳ２５０に置き換えられた処理である。状態監視システム２においては、主軸２２の実際の回転速度が異常診断に用いられることはなく、推定された回転速度が異常診断に用いられる。

【0056】

以上、実施の形態２に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。また、実施の形態２に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、回転センサが不要であるため、状態監視システムのコストを低減することができる。

【0057】

［実施の形態３］
実施の形態１および実施の形態２においては、基準スペクトルパターンを用いて回転体の回転速度を推定する場合について説明した。実施の形態３においては、回転体の回転速度および機器の振動データの振動値の、複数の組合せに対する回帰分析によって導かれた関係式を用いて、回転体の回転速度を推定する場合について説明する。

【0058】

実施の形態３に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、基準スペクトルパターンを作成することが困難な場合（たとえば風力発電装置が増速機を備えない場合、あるいは増速機の歯車のかみ合い振動が風力発電装置全体の振動と比べて極端に小さい場合）でも、回転体の回転速度を精度よく推定することができる。

【0059】

実施の形態３と実施の形態１との違いは、異常診断に先立って制御部によって行われる処理、および回転速度設定処理である。すなわち、実施の形態１の図５および図９が、図１６および図１９にそれぞれ置き換えられる。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0060】

図１６は、異常診断に先立って、実施の形態３に係る制御部によって行なわれる回転速度および振動値の関係式の導出処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１６において、測定回数Ｎの初期値は０である。

【0061】

図１６に示されるように制御部は、Ｓ２１において、測定回数Ｎに１を足して処理をＳ２２に進める。制御部は、Ｓ２２において、加速度センサ７０から振動データを取得し、処理をＳ２３に進める。制御部は、Ｓ２３において回転センサ７７から主軸の回転速度ω_ｒを取得し、処理をＳ２４に進める。制御部は、Ｓ２４において、Ｓ２２で取得した振動データの振動値を算出し、処理をＳ２５に進める。制御部は、Ｓ２５において、Ｓ２３で取得した回転速度ω_ｒおよびＳ２４で算出した振動値を関連付けて記憶部に保存し、処理をＳ２６に進める。

【0062】

制御部は、Ｓ２６において、測定回数Ｎが予定回数Ｎ１より小さいか否かを判定する。測定回数Ｎが予定回数Ｎ１より小さい場合（Ｓ２６においてＹＥＳ）、制御部は、Ｓ２７において主軸の回転速度ω_ｒを変更し、処理をＳ２１に戻す。

【0063】

測定回数Ｎが予定回数Ｎ１以上である場合（Ｓ２６においてＮＯ）、制御部は、Ｓ２８において、記憶部に保存されている振動値および回転速度ω_ｒの複数の組合せに対して回帰分析を行なって、振動値および回転速度ω_ｒの関係式を複数の近似法の各々によって近似し、処理をＳ２９に進める。Ｓ２８において用いられる近似法は、たとえば多項式近似、指数近似、および線形近似である。制御部は、Ｓ２９において、Ｓ２８で算出された複数の近似式各々の決定係数Ｒ^２を算出し、決定係数Ｒ^２が１に最も近い近似式を振動値および回転速度ω_ｒの関係式（特定情報）として記憶部に保存し、処理をメインルーチンに返す。

【0064】

図１７は、増速機の振動値ＶＰ_１および主軸の回転速度ω_ｒの複数の組合せの各々に指定される点がプロットされた座標平面を示す図である。図１７に示されるように、増速機の振動値ＶＰ_１および主軸の回転速度ω_ｒの関係は、曲線Ｃ１として近似される。曲線Ｃ１に対応する関係式は、以下の式（３）のように表される。式（３）の決定係数Ｒ^２は、０．９８０６である。

【0065】

【数3】

【0066】

なお、主軸の回転速度ω_ｒの推定に用いられる振動値は、増速機の振動データから算出された振動値に限定されない。たとえば、振動値は、主軸の振動データから算出されてもよい。図１８は、主軸の振動値ＶＰ_２および主軸の回転速度ω_ｒの複数の組合せの各々に指定される点がプロットされた座標平面を示す図である。図１８に示されるように、主軸の振動値ＶＰ_２および主軸の回転速度ω_ｒの関係は、曲線Ｃ２として近似される。曲線Ｃ２に対応する関係式は、以下の式（４）のように表される。式（４）の決定係数Ｒ^２は、０．９９９である。

【0067】

【数4】

【0068】

記憶部には、振動値および回転速度ω_ｒの複数の関係式が保存されてもよい。たとえば、増速機の振動値および主軸の回転速度ω_ｒの関係式、および主軸の振動値および主軸の回転速度ω_ｒの関係式が記憶部に保存されてもよい。

【0069】

図１９は、実施の形態３における回転速度設定処理の流れを示すフローチャートである。図１９に示される処理は、図９のＳ２５０が、Ｓ２６０に置き換えられた処理である。

【0070】

図１９に示されるように、制御部は、Ｓ２１０、Ｓ２２０、およびＳ２３０を行なう。Ｓ２３０においてＮＯの場合、制御部は、Ｓ２４０を行なって処理をメインルーチンに返す。Ｓ２３０においてＹＥＳの場合、制御部は、Ｓ２６０において、記憶部に保存されている関係式を用いてＳ２２０で算出した振動値に対応する回転速度ω_ｃを算出し、回転速度ω_ｃを異常診断用の回転速度に設定して、処理をメインルーチンに返す。

【0071】

なお、実施の形態２と同様に、異常診断において回転センサを用いずに、記憶部に保存されている関係式において振動値に対応する回転速度ω_ｃを異常診断用の回転速度に設定してもよい。この場合の異常診断の処理は、図２０に示されるように、図１５のＳ２５０が図１９のＳ２６０に置き換えられた処理である。

【0072】

以上、実施の形態３に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。

【0073】

［実施の形態４］
実施の形態１～３においては状態監視システムに含まれる加速度センサの数が１つである場合について説明した。実施の形態４においては、状態監視システムに含まれる加速度センサが複数である場合について説明する。

【0074】

実施の形態４と実施の形態１との違いは、状態監視システムに含まれる加速度センサが複数である点、ならびに基準スペクトルパターンを用いた回転速度の推定および振動値と回転速度との関係式を用いた回転速度の推定が異常診断において使い分けられる点である。すなわち、実施の形態４においては、実施の形態１の図２、図３、図９、および図１０が、図２１～図２４にそれぞれ置き換えられる。実施の形態４に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、振動データに含まれるノイズによる回転速度の推定精度の低下を抑制することができる。

【0075】

図２１は、実施の形態４に係る状態監視装置８０Ｄを収容するナセル９０の内部を概略的に示す図である。図２１に示されるナセル９０の内部構成は、図２の増速機４０に複数の加速度センサ７０が設置されているとともに、状態監視装置８０が状態監視装置８０Ｄに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0076】

図２２は、実施の形態４に係る状態監視システム４の機能構成を示す機能ブロック図である。状態監視システム４の構成は、図３の状態監視システム１の構成に、１つ以上の加速度センサ７０が加えられているとともに、状態監視装置８０が状態監視装置８０Ｄに置き換えられた構成である。状態監視装置８０Ｄの構成は、状態監視装置８０の制御部８１が制御部８１Ｄに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0077】

制御部８１Ｄは、複数の加速度センサ７０の各々から振動データを受ける。制御部８１Ｄは、異常診断に先立って、図５に示される処理を各振動データに対して行なう。制御部８１Ｄは、異常診断に先立って、図１６に示される処理を各振動データに対して行なう。その結果、記憶部８２には、複数の基準スペクトルパターン、ならびに増速機４０の振動値および主軸２２の回転速度の関係式が保存される。

【0078】

図２３は、実施の形態４において行なわれる回転速度設定処理の流れを示すフローチャートである。図２３に示されるフローチャートは、図９に示されるＳ２２０、Ｓ２３０、およびＳ２５０が、Ｓ２２４、Ｓ２３４、およびＳ２７０にそれぞれ置き換えられたフローチャートである。

【0079】

図２３に示されるように、制御部８１Ｄは、Ｓ２１０を行なった後にＳ２２４において複数の加速度センサ７０から受けた各振動データの振動値を算出し、処理をＳ２３４に進める。制御部８１Ｄは、Ｓ２３４において回転センサ７７が故障しているか否かを判定する。具体的には、回転速度ω_ｒの絶対値がしきい値δ以下であり、かつ振動値の平均値がしきい値ｔｈ１以上という故障条件が成立する場合に、制御部８１Ｄは、回転センサ７７が故障していると判定する。

【0080】

故障条件が成立しない場合（Ｓ２３４においてＮＯ）、制御部８１Ｄは、Ｓ２４０を行なって処理をメインルーチンに返す。故障条件が成立する場合（Ｓ２３４においてＹＥＳ）、制御部８１Ｄは、Ｓ２７０において回転速度推定処理を行ない、推定された回転速度を異常診断用の回転速度に設定して処理をメインルーチンに返す。

【0081】

図２４は、図２３の回転速度推定処理（Ｓ２７０）の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。制御部８１Ｄは、Ｓ２７１において、各振動データに対して図１０に示される処理を行なって各振動データに対応する回転速度ω_ｆを算出し、処理をＳ２７２に進める。

【0082】

制御部８１Ｄは、Ｓ２７２において複数の回転速度ω_ｆの標準偏差がしきい値ｔｈ２以上か否かを判定する。複数の回転速度ω_ｆの標準偏差がしきい値ｔｈ２以上である場合（Ｓ２７２においてＹＥＳ）、複数の振動データに含まれるノイズのレベルが大きく、回転速度ω_ｆの精度が低いとして、処理をＳ２７３に進める。制御部８１Ｄは、Ｓ２７３において、記憶部に保存されている関係式を用いて、図２３のＳ２２４で算出した複数の振動値の各々に対応する回転速度ω_ｃを算出し、処理を図２４のＳ２７４に進める。制御部８１Ｄは、Ｓ２７４において、複数の回転速度ω_ｃの平均値を異常診断用の回転速度に設定して処理をメインルーチンに返す。Ｓ２７４において、複数の回転速度ω_ｃの中央値が異常診断用の回転速度に設定されてもよい。

【0083】

回転速度ω_ｆの標準偏差がしきい値ｔｈ２未満である場合（Ｓ２７２においてＮＯ）、制御部８１Ｄは、Ｓ２７５において回転速度ω_ｆの平均値を異常診断用の回転速度に設定して処理をメインルーチンに返す。Ｓ２７５において回転速度ω_ｆの中央値が異常診断用の回転速度に設定されてもよい。

【0084】

以上、実施の形態４に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、回転体から回転トルクが伝達される機器に対する異常診断の安定性を向上させることができる。また、実施の形態４に係る状態監視装置および状態監視システムによれば、複数の加速度センサによって測定された振動データに含まれるノイズのレベルに応じて、異常診断において、基準スペクトルパターンを用いた回転速度の推定および振動値と回転速度との関係式を用いた回転速度の推定が使い分けられるため、振動データに含まれるノイズによる回転速度の推定精度の低下を抑制することができる。

【0085】

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0086】

１，２ 状態監視システム、１０ 風力発電装置、２０ ロータヘッド、２２ 主軸、３０ ブレード、４０ 増速機、５０ 発電機、６０ 主軸受、７０ 加速度センサ、７７ 回転センサ、８０，８０Ｂ，８０Ｄ 状態監視装置、８１，８１Ｂ，８１Ｄ 制御部、８２ 記憶部、８３ 表示部、９０ ナセル、１００ タワー。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】