特許 7378381 回転電機用放電検出装置

(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】2023-11-02

(45)【発行日】2023-11-13

(54)【発明の名称】回転電機用放電検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/12 20200101AFI20231106BHJP

   G01R 31/34 20200101ALI20231106BHJP

【ＦＩ】

G01R31/12 A

G01R31/34 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020187200

(22)【出願日】2020-11-10

(65)【公開番号】P2022076688

(43)【公開日】2022-05-20

【審査請求日】2023-01-27

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田上 剣汰

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１５９８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６８５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１５８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１０７１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第０７２８７６１（ＫＲ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３１／１２－３１／２０、

３１／３２７－３１／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定子鉄心と前記固定子鉄心に対して回転する回転子鉄心とを備えた回転電機の前記固定子鉄心に設けられ、部分放電に伴って放射された波を受信する固定子センサと、
前記回転子鉄心に設けられ、前記波を受信する回転子センサと、
前記固定子センサおよび前記回転子センサに対する前記波の到達時間差に基づいて、前記部分放電の位置を特定する放電発生位置特定部と、
を備えた回転電機用放電検出装置。

【請求項2】

一つの前記固定子センサと一つ以上の前記回転子センサとが、前記回転子鉄心の軸方向と直交する平面上に設けられた、請求項１に記載の回転電機用放電検出装置。

【請求項3】

前記回転子鉄心の軸方向に互いに間隔を空けて並べられた複数の前記固定子センサと、
前記回転子鉄心の軸方向に互いに間隔を空けて並べられた複数の前記回転子センサと、
を備えた請求項１または２に記載の回転電機用放電検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機用放電検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転電機で発生する部分放電を検出する回転電機用放電検出装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－２１２１２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の回転電機用放電検出装置では、鉄心で発生した部品放電の位置の特定をしやすい構成が得られれば有益である。

【0005】

そこで、本発明の課題の一つは、鉄心で発生した部分放電の位置を特定しやすい回転電機用放電検出装置を得ることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態の回転電機用放電検出装置は、固定子鉄心と前記固定子鉄心に対して回転する回転子鉄心とを備えた回転電機の前記固定子鉄心に設けられ、部分放電に伴って放射された波を受信する固定子センサと、前記回転子鉄心に設けられ、前記波を受信する回転子センサと、前記固定子センサおよび前記回転子センサに対する前記波の到達時間差に基づいて、前記部分放電の位置を特定する放電発生位置特定部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態の回転電機用放電検出装置によれば、鉄心で発生した部分放電の位置を特定しやすい回転電機用放電検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態の回転電機システムの構成を例示的に示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態の回転電機の一部の例示的な正面図である。

【図3】図３は、第１実施形態の回転電機の一部の例示的な断面図である。

【図4】図４は、第１実施形態の絶縁診断装置の構成を例示的に示すブロック図である。

【図5】図５は、第１実施形態の絶縁診断装置の制御部が実行する放電検出処理を例示的に示すフローチャートである。

【図6】図６は、第２実施形態の回転電機システムの一部の例示的な正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

【0010】

また、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。それら同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。

【0011】

（第１実施形態）
＜回転電機システム１＞
図１は、第１実施形態の回転電機システム１の構成を例示的に示す図である。図１に示されるように、回転電機システム１は、回転電機１００と、絶縁診断装置２００と、を備える。回転電機１００は、例えば三相誘電電動機である。なお、回転電機１００は、上記に限定されない。絶縁診断装置２００は、回転電機１００の絶縁診断を行う。絶縁診断装置２００は、回転電機１００の絶縁診断として部分放電の検出を行う。

【0012】

＜回転電機１００＞
回転電機１００は、筐体１０と、回転子２０と、固定子３０と、を有する。

【0013】

筐体１０は、箱型に形成されている。筐体１０は、回転子２０の一部と固定子３０と、を収容している。筐体１０は、ケースとも称される。

【0014】

回転子２０は、ロータシャフト２１と、回転子鉄心２２と、を有する。ロータシャフト２１のうち軸方向の両端部の間の部分に回転子鉄心２２が固定されている。回転子２０は、固定子３０に対して回転軸Ａｘ１回りに回転する。回転軸Ａｘ１は、例えばロータシャフト２１の中心軸（中心線）である。以後、特に言及しない限り、軸方向、径方向、および周方向は、回転子２０の軸方向、径方向、および周方向、すなわち回転軸Ａｘ１の軸方向、径方向、および周方向である。

【0015】

ロータシャフト２１は、回転軸Ａｘ１回りに回転可能に、二つの軸受２３を介して筐体１０に支持されている。二つの軸受２３は、軸方向において回転子鉄心２２の両側に位置している。軸受２３は、例えば、すべり軸受やころがり軸受等である。

【0016】

ロータシャフト２１の軸方向の両端部は、筐体１０から筐体１０の外部に突出している。ロータシャフト２１の軸方向の一方の端部には、結合部１４Ａが設けられている。結合部１４Ａは、結合対象（不図示）と結合される。回転電機１００には、回転子２０の回転角度を検出する角度センサ２５が設けられている。

【0017】

図２は、第１実施形態の回転電機１００の一部の例示的な正面図である。図３は、第１実施形態の回転電機１００の一部の例示的な断面図である。

【0018】

図２に示されるように、回転子鉄心２２は、外周部２２ａと、内周部２２ｂと、を有する。外周部２２ａには、複数の凹部２２ｃと複数の凸部２２ｄとが周方向に交互に設けられている。別の言い方をすると、回転子鉄心２２は、ベース部２２ｅと、ベース部２２ｅの外周部から径方向外側に突出し互いに周方向に間隔を空けて並べられた複数の凸部２２ｄと、を有する。隣り合う凸部２２ｄ間に凹部２２ｃが設けられている。複数の凹部２２ｃと複数の凸部２２ｄとは、軸方向に延びる。

【0019】

また、図３に示されるように、回転子鉄心２２は、軸方向に並べられた複数の円盤状の鉄心ブロック２４を有する。複数の鉄心ブロック２４は、連結バー２７およびエンドリング２６によって一体化されている。軸方向に隣り合う二つの鉄心ブロック３３の間には、ダクト２２ｆが設けられている。ダクト２２ｆは、空気の通路である。

【0020】

図１に示されるように、固定子３０は、固定子鉄心３１と、固定子巻線３２と、を有する。固定子鉄心３１は、回転子鉄心２２の径方向外側に位置し、回転子鉄心２２を囲む円筒状に形成されている。固定子鉄心３１は、筐体１０に固定されている。

【0021】

図２に示されるように、固定子鉄心３１は、外周部３１ａと、内周部３１ｂと、を有する。内周部３１ｂには、複数のスロット３１ｃと複数のティース３１ｄとが周方向に交互に設けられている。別の言い方をすると、固定子鉄心３１は、ベース部３１ｅと、ベース部３１ｅの内周部から径方向内側に突出し互いに周方向に間隔を空けて並べられた複数のティース３１ｄと、を有する。隣り合うティース３１ｄ間にスロット３１ｃが設けられている。ベース部３１ｅは、固定子コアバック部とも称される。

【0022】

また、図３に示されるように、固定子鉄心３１は、軸方向に並べられた複数の円盤状の鉄心ブロック３３を有する。複数の鉄心ブロック３３は、互いに一体化されている。軸方向に隣り合う二つの鉄心ブロック３３の間には、ダクト３１ｆが設けられている。ダクト３１ｆは、空気の通路である。

【0023】

図１および図３に示される固定子巻線３２は、固定子鉄心３１のスロット３１ｃ内に入れられて固定子鉄心３１に固定されている。固定子巻線３２は、軸方向に延びる。

【0024】

また、図２および図３に示されるように、回転電機１００は、複数の回転子センサ４０と、複数の固定子センサ５０と、を有する。回転子センサ４０および固定子センサ５０は、回転電機１００で発生する部分放電に伴って放射される波を受信可能である。部分放電は、例えば、固定子鉄心３１のスロット３１ｃ内の固定子巻線３２で発生したり、固定子巻線３２と固定子鉄心３１との間で発生したりする。すなわち、部分放電は、例えば、固定子鉄心３１で発生する、回転子センサ４０および固定子センサ５０は、波として電磁波を受信可能である。なお、回転子センサ４０および固定子センサ５０は、波として、光、超音波等を受信可能なものであってもよい。波は、放射波や放射信号とも称される。

【0025】

本実施形態では、回転子鉄心２２の各鉄心ブロック２４に、二つの回転子センサ４０が固定されている。二つの回転子センサ４０は、第１回転子センサ４０Ａと第２回転子センサ４０Ｂとである。回転子センサ４０は、回転子鉄心２２の各鉄心ブロック２４の外周部２２ａに配置されている。回転子センサ４０は、ダクト２２ｆ内に入れられている。また、固定子鉄心３１の各鉄心ブロック３３に、一つの固定子センサ５０が固定されている。固定子センサ５０は、固定子鉄心３１の各鉄心ブロック３３のベース部３１ｅに配置されている。回転子センサ４０は、ダクト３１ｆ内に入れられている。固定子センサ５０は、ダクト３１ｆ内に入れられている。また、径方向に並ぶ鉄心ブロック２４，３３に設けられた二つの回転子センサ４０および固定子センサ５０は、同一の平面Ｅ上に配置されている。また、複数の回転子センサ４０は、軸方向に延びる二列に並べられ、当該二列は、周方向に間隔を空けている。また、複数の固定子センサ５０は、軸方向に延びる一例に並べられている。回転子センサ４０および固定子センサ５０は、放電センサとも称される。

【0026】

＜絶縁診断装置２００＞
図４は、第１実施形態の絶縁診断装置２００の構成を例示的に示すブロック図である。図４に示されるように、絶縁診断装置２００は、制御部２０１と、記憶装置２０２と、通信部２０３と、入出力部２０４と、を備える。制御部２０１と、記憶装置２０２、通信部２０３、および入出力部２０４とは、情報および信号を授受可能に接続されている。

【0027】

記憶装置２０２は、各種の情報を記憶する。本実施形態では、記憶装置２０２は、各回転子センサ４０および各固定子センサ５０の位置を記憶している。回転子センサ４０の位置は、例えば、回転子鉄心２２中の所定の基準位置である回転子基準位置に対する位置である。この回転子基準位置に対する回転子センサ４０の位置と、角度センサ２５の出力（回転基準に対する回転子２０の角度）とから、所定のセンサ基準位置に対する回転子センサ４０の位置を算出することができる。センサ基準位置は、任意であるが、例えば、ある固定子センサ５０の位置であってよい。固定子センサ５０の位置は、センサ基準位置に対する位置である。記憶装置２０２は、公知の記憶媒体である。

【0028】

通信部２０３は、他の装置と通信するための通信インターフェースである。例えば、通信部２０３は、回転子センサ４０と無線通信する通信インターフェースと、固定子センサ５０と有線通信する通信インターフェースと、角度センサ２５と有線通信する通信インターフェースと、を有する。なお、通信部２０３は、固定子センサ５０および角度センサ２５と無線通信してもよい。

【0029】

入出力部２０４は、作業者等の操作者からの操作指示を受け付ける入力部と、画像を表示する表示部と、を備える。入力部は、例えば、キーボード、マウス、などである。表示部は、例えば、液晶表示装置や、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイなどである。入出力部２０４は、入力部と表示部とを一体に備えたタッチパネル付ディスプレイであってもよい。

【0030】

制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、を有する。すなわち、制御部２０１は、コンピュータである。ＣＰＵは、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムを読み出して実行する。また、ＣＰＵは、各種演算処理を並列処理可能に構成されている。ＲＡＭは、ＣＰＵがプログラムを実行して種々の演算処理を実行する際に用いられる各種データを一時的に記憶する。制御部２０１は、演算部や情報処理部とも称される。

【0031】

制御部２０１は、機能的構成として、取得部２０１ａと、放電発生位置特定部２０１ｂと、を有する。これらの機能的構成は、ＣＰＵがＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行した結果として実現される。なお、上記の機能的構成の一部または全部が専用のハードウェア（回路）によって実現されてもよい。

【0032】

取得部２０１ａは、回転子センサ４０、固定子センサ５０、および角度センサ２５等から各種情報や信号を取得する。

【0033】

放電発生位置特定部２０１ｂは、取得部２０１ａによって取得された情報に基づいて、部分放電の発生位置を特定する。放電発生位置特定部２０１ｂによる部分放電の位置の特定には、双曲線法が用いられる。以下に、放電発生位置特定部２０１ｂによる部分放電の位置の特定方法について説明する。

【0034】

部分放電発生部Ｄ（図２，３）で部分放電が発生すると、当該部分放電に伴って波である電磁波がパルス信号として放射される。この電磁波は、各回転子センサ４０および各固定子センサ５０に到達する。各回転子センサ４０および各固定子センサ５０は、受信した波を電圧に変換したデジタル信号と当該電磁波の受信時刻とを含む放電情報を、絶縁診断装置２００に送信する。部分放電発生部Ｄの位置によっては、各回転子センサ４０および各固定子センサ５０と部分放電発生部Ｄとの距離により、同じパルス信号でも各回転子センサ４０および各固定子センサ５０に到達する時間に差が生じる。つまり、ある固定子センサ５０に電磁波が到着する時刻と、ある回転子センサ４０に電磁波が到着する時刻と、に差が生じる。すなわち、固定子センサ５０および回転子センサ４０に対する電磁波の到達時間差が生じる。換言すると、固定子センサ５０が電磁波を受信する時刻と、回転子センサ４０が電磁波を受信する時刻と、に差が生じる。到達時間差は、受信時間差とも称される。

【0035】

ここで、各回転子センサ４０および各固定子センサ５０の総称として受信センサを用いる。ある２つの受信センサを基準点としてこれらの基準点からの距離差が一定な点の軌跡は両基準点を焦点とする双曲線となる。ある平面Ｅ上の固定子センサ５０と当該平面Ｅ上の第１回転子センサ４０Ａとの間の双曲線と、当該固定子センサ５０と当該平面Ｅ上の第２回転子センサ４０Ｂとの間の双曲線と、を求める。なお、このとき、電磁波を受信したときの各回転子センサ４０の位置は、角度センサ２５の出力から算出することができる。そして、上記平面Ｅ上の固定子センサ５０と当該平面Ｅ上の第１回転子センサ４０Ａとの間の双曲線と、当該固定子センサ５０と当該平面Ｅ上の第２回転子センサ４０Ｂとの間の双曲線との交点座標（交点位置）を求めることにより、部分放電発生部Ｄの平面Ｅ上の位置（周方向および径方向の位置）を特定することができる。また、複数の固定子センサ５０または複数の回転子センサ４０のうち受信した電磁波の強度（電圧の値）が最も大きい固定子センサ５０または複数の回転子センサ４０の軸方向の位置を部分放電発生部Ｄの軸方向の位置として特定（決定）する。このようにして、部分放電発生部Ｄの位置（周方向、径方向および軸方向の位置）を求めることができる。なお、複数の回転子センサ４０と複数の固定子センサ５０との複数の組のそれぞれの双曲線を求め、それら複数の双曲線の交点座標を部分放電発生部Ｄの位置として特定してもよい。

【0036】

絶縁診断装置２００は、回転子センサ４０および固定子センサ５０とともに、部分放電の位置を特定する回転電機用放電検出装置３００を構成している。

【0037】

次に、絶縁診断装置２００の制御部２０１が実行する放電検出処理を図５に基づいて説明する。図５は、第１実施形態の絶縁診断装置２００の制御部２０１が実行する放電検出処理を例示的に示すフローチャートである。

【0038】

まず、取得部２０１ａが、回転子センサ４０および固定子センサ５０から放電情報を取得する（Ｓ１１）。また、取得部２０１ａは、角度センサ２５から送信された回転子２０の角度を示す角度情報を通信部２０３を介して受信する。

【0039】

次に、放電発生位置特定部２０１ｂが、取得部２０１ａによって取得された情報から固定子センサ５０および回転子センサ４０への電磁波の到達時間差を算出し、上述した方法で部分放電の発生位置を特定する（Ｓ１２）。

【0040】

次に、制御部２０１が、放電発生位置特定部２０１ｂによって特定された部分放電の位置を示す放電発生位置情報を出力する（Ｓ１３）。例えば、制御部２０１は、放電発生位置情報を表示部に表示する。なお、この出力は、放電発生位置特定部２０１ｂが行ってもよいし、機能部としての出力部（不図示）が行ってもよい。

【0041】

＜実施形態の効果＞
以上のように、本実施形態では、回転電機用放電検出装置３００は、固定子センサ５０と、回転子センサ４０と、放電発生位置特定部２０１ｂと、を備える。固定子センサ５０は、固定子鉄心３１と固定子鉄心３１に対して回転する回転子鉄心２２とを備えた回転電機１００の固定子鉄心３１に設けられ、部分放電に伴って放射された波（一例として、電磁波）を受信する。回転子センサ４０は、回転子鉄心２２に設けられ、波（一例として、電磁波）を受信する。放電発生位置特定部２０１ｂは、固定子センサ５０および回転子センサ４０に対する波の到達時間差に基づいて、部分放電の位置を特定する。

【0042】

このような構成によれば、放電発生位置特定部２０１ｂが、固定子鉄心３１に設けられた固定子センサ５０および回転子鉄心２２に設けられた回転子センサ４０に対する波の到達時間差に基づいて、部分放電の位置を特定するので、鉄心（例えば固定子鉄心３１）で発生した部分放電の位置を特定しやすい。また、このような構成によれば、異相間および同相間の両方の部分放電を検出することができる。

【0043】

また、本実施形態では、例えば、一つの固定子センサ５０と一つ以上の回転子センサ４０とが、回転子鉄心２２の軸方向と直交する平面Ｅ上に設けられている。

【0044】

このような構成によれば、例えば、部分放電の周方向および径方向の位置を特定（推定）することができる。

【0045】

また、本実施形態では、回転電機用放電検出装置３００は、軸方向に互いに間隔を空けて並べられた複数の固定子センサ５０と、軸方向に互いに間隔を空けて並べられた複数の回転子センサ４０と、を備える。

【0046】

このような構成によれば、例えば、部分放電の軸方向の位置を特定（推定）することができる。

【0047】

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の回転電機システム１の一部の例示的な正面図である。本実施形態は、各平面Ｅ上に一つの回転子センサ４０と一つの固定子センサ５０とが設けられている点と、放電発生位置特定部２０１ｂによる部分放電の位置の特定方法とが第１実施形態と異なる。

【0048】

回転子２０の回転中に複数のパルス信号が放射された場合、あるパルス信号である第１パル信号を受信したときの回転子センサ４０の第１位置Ｐ１と、第１パルス信号の次のパルス信号である第２パルス信号を受信したときの回転子センサ４０の第２位置Ｐ２と、を角度センサ２５の出力から算出する。そして、第１パルス信号の受信による平面Ｅ上の固定子センサ５０と回転子センサ４０の間の双曲線と、第２パルス信号の受信による平面Ｅ上の固定子センサ５０と回転子センサ４０の間の双曲線と、を求める。そして、第１パルス信号の受信による平面Ｅ上の固定子センサ５０と回転子センサ４０の間の双曲線と、第２パルス信号の受信による平面Ｅ上の固定子センサ５０と回転子センサ４０との間の双曲線との交点座標を求めることにより、部分放電発生部Ｄの周方向の位置を特定することができる。部分放電発生部Ｄの径方向の位置は、第１実施形態と同様の方法によって求めることができる。

【0049】

このような構成によれば、各平面Ｅ上に回転子センサ４０および固定子センサ５０が、それぞれ一つだけ設けられているので、回転電機用放電検出装置３００の構成を簡素化しやすい。

【0050】

なお、上記各実施形態では、各平面Ｅに固定子センサ５０が一つだけ設けられた例が示されたが、これに限定されない。例えば、固定子センサ５０は、各平面Ｅに複数設けられていてもよい。

【0051】

また、上記各実施形態では、回転子鉄心２２および固定子鉄心３１にダクト２２ｆ，３１ｆが設けられ、ダクト２２ｆ，３１ｆに回転子センサ４０および固定子センサ５０が配置された例が示されたが、これに限定されない。例えば、回転子鉄心２２および固定子鉄心３１にダクト２２ｆ，３１ｆが設けられておらず、回転子センサ４０および固定子センサ５０が回転子鉄心２２および固定子鉄心３１に埋め込まれていてもよい。

【0052】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0053】

２２…回転子鉄心、３１…固定子鉄心、４０…回転子センサ、５０…固定子センサ、１００…回転電機、３００…回転電機用放電検出装置、Ｅ…平面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】