特許 7523973 回転電機の損傷診断システム及び損傷診断方法

(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】2024-07-19

(45)【発行日】2024-07-29

(54)【発明の名称】回転電機の損傷診断システム及び損傷診断方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 99/00 20110101AFI20240722BHJP

【ＦＩ】

G01M99/00 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020115390

(22)【出願日】2020-07-03

(65)【公開番号】P2022013082

(43)【公開日】2022-01-18

【審査請求日】2023-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】早坂 靖

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 雅章

(72)【発明者】

【氏名】福永 淳

【審査官】松岡 智也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１７８３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５０２２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６４－０２１２２６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１０－１６０６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７２１９０４４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】MIYAMOTO, N.，プラント設備の疲労評価に関する情報（その４－背景），[オンライン]，［検索日 2021.06.21］，2015年，インターネット:＜ＵＲＬ：https://catfood-tecsheet.ssl-lolipop.jp/se21tm004.pdf＞

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ１３／００－１３／０４５、９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機に設けたセンサで検知したセンサ信号に基づいて、前記回転電機の部品の疲労損傷を評価する回転電機の損傷診断システムであって、
前記センサにより検知した前記回転電機の回転数の２次関数として前記回転電機の評価部位における弾性ひずみと弾性応力を求め、前記評価部位の弾性ひずみ範囲の頻度と振幅、弾性応力範囲の頻度を求め、ノイバー則を用いて弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の全ひずみ範囲に変換するひずみ範囲算出部と、
変換された前記全ひずみ範囲から前記回転電機の評価部位における疲労損傷率を算出する疲労損傷率算出部と、
前記疲労損傷率を積算して累積疲労損傷率を算出する積算部を備えることを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機の損傷診断システムであって、
前記疲労損傷率算出部は、評価部位における材料のひずみ制御の時間強度線図と修正マイナー則を用いて前記回転電機の評価部位における疲労損傷率を算出することを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の回転電機の損傷診断システムであって、
前記疲労損傷率算出部あるいは前記積算部は、前記疲労損傷率あるいはその積算値が、あらかじめ設定された閾値を超えた場合には警報を与えることを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の損傷診断システムであって、
前記ひずみ範囲算出部と、疲労損傷率算出部と、積算部を備えて構成される損傷診断装置は、前記回転電機の設置場所との間に通信回線を介して接続され、遠隔診断を行うことを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項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損傷診断システムであって、
前記回転電機は、回転部品と非回転部品により構成されており、前記評価部位は前記回転部品における部位とされることを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項6】

請求項５に記載の回転電機の損傷診断システムであって、
前記評価部位は、回転による遠心力が加わる前記回転部品における、導電体である銅部材が回転する部材として使用されている箇所、部品であり、または回転による遠心力が加わる前記回転部品における、応力集中がある部位とされることを特徴とする回転電機の損傷診断システム。

【請求項7】

回転電機に設けたセンサで検知したセンサ信号に基づいて、前記回転電機の部品の疲労損傷を評価する回転電機の損傷診断方法であって、
前記センサにより検知した前記回転電機の回転数の２次関数として前記回転電機の評価部位における弾性ひずみと弾性応力を求め、前記評価部位の弾性ひずみ範囲の頻度と振幅、弾性応力範囲の頻度を求め、ノイバー則を用いて弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の全ひずみ範囲に変換し、変換された前記全ひずみ範囲から前記回転電機の評価部位における疲労損傷率を算出し、前記疲労損傷率を積算して累積疲労損傷率を算出することを特徴とする回転電機の損傷診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機やモータなどの回転電機に対する損傷診断システム及び損傷診断方法
に係り、特に、回転電機を構成する各種機器の損傷状態として、低サイクル疲労損傷などに代表される、ひずみを使った損傷の診断をすることができる回転電機の損傷診断システム及び損傷診断方法
に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、発電設備を構成する各種機器の損傷を診断する場合には、定期点検として、一定期間が経過する度毎に、または、一定回数の運転が実行された段階で各種機器の動作を停止させ、各種機器の部品の損傷状態を点検したり、各種機器の部品の損傷状態が決められた基準状態に達しているかを点検したりして、部品交換の時期に到達している部品があった場合、その部品について必要な補修や交換を行っている。

【0003】

また、発電設備を構成する各種機器の動作を一定期間毎または一定運転回数毎に停止させる代わりに、常時監視として、各種機器にそれぞれの機器の動作を監視するセンサを設け、それらのセンサから出力されるセンサ信号を常時監視し、センサ信号がある基準範囲を逸脱した場合に限って各種機器の動作を停止させ、各種機器の部品の損傷状態を点検することも行われている。

【0004】

一方、近年におけるコンピュータ（計算機）やインターネットに代表される通信ネットワークの進歩普及に伴って、発電設備を構成する各種機器の損傷を診断する場合に、各種機器の運転状態を示す監視信号を、通信ネットワークを通して遠隔地にある監視施設に送信し、監視施設において受信した監視信号に基づいて発電設備を構成する各種機器の劣化状態を診断するようにした診断システムが開発されており、その一例として、特許文献１に示す診断システムが知られている。

【0005】

特許文献１に開示された診断システムによれば、発電設備を構成する各種機器から得られた監視信号を、通信ネットワークを用いて遠隔地にある監視施設に送信することにより、監視施設において受信した監視信号に基づいて各種機器の劣化状態を常時監視することができる。特許文献１には、通信ネットワーク負荷の低減と機器損傷診断精度向上の適切化を図るために、データ取得のサンプリング周波数を２種類有し、これらの信号を使い損傷診断をする装置の発明が示されている。

【0006】

また診断システムにおける診断内容として、各種機器の疲労寿命評価を行う場合があり、これに関連して、特許文献２の疲労寿命評価装置は、部材形状及び構成材料の情報に基づきその弾性応力を導く解析部と、前記弾性応力に基づき前記構成材料における負荷時の応力及び歪を導く第１演算部と、前記負荷時の応力及び歪を基点とする除荷時の応力及び歪を導く第２演算部と、前記負荷時の応力及び歪並びに前記除荷時の応力及び歪に基づき塑性歪を導く算出部と、塑性歪に基づき部材の疲労様式が弾性変形のみによる高サイクル疲労であるか又は塑性変形を伴う低サイクル疲労であるかを導く判定部と、前記疲労様式に基づき機器１の寿命を導く評価部とから構成される。この装置は、第１演算部と第２演算部にノイバー則を使うこともある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許４１０５８５２号

【文献】特開２０１２－１１２７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１の従来技術では、機械設備の経年劣化的な損傷の大多数を占める、低サイクル疲労損傷などに代表される、ひずみを使った損傷診断においては、評価精度が不十分な場合があった。

【0009】

また特許文献２に開示された装置は、弾性応力を解析する際に機械の運転条件をセンサーから入手していないので弾性応力の解析精度が低く、引き続き解析されるひずみの予測精度が低くなり、その結果として、疲労寿命予測の正確さに課題がある。

【0010】

本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、機械設備の経年劣化的な損傷の大多数を占める、低サイクル疲労損傷などに代表される、ひずみを使った損傷の診断の精度を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

以上のことから本発明は、「回転電機に設けたセンサで検知したセンサ信号に基づいて、回転電機の部品の疲労損傷を評価する回転電機の損傷診断システムであって、センサにより検知した回転電機の回転数の２次関数として回転電機の評価部位における弾性ひずみと弾性応力を求め、評価部位の弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の頻度を計数し、弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の全ひずみ範囲に変換するひずみ範囲算出部と、変換された全ひずみ範囲から回転電機の評価部位における疲労損傷率を算出する疲労損傷率算出部と、疲労損傷率を積算して累積疲労損傷率を算出する積算部を備えることを特徴とする回転電機の損傷診断システム。」としたものである。

【0012】

また本発明は、「回転電機に設けたセンサで検知したセンサ信号に基づいて、回転電機の部品の疲労損傷を評価する回転電機の損傷診断方法であって、センサにより検知した回転電機の回転数の２次関数として回転電機の評価部位における弾性ひずみと弾性応力を求め、評価部位の弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の頻度を計数し、弾性ひずみ範囲と弾性応力範囲の全ひずみ範囲に変換し、変換された全ひずみ範囲から回転電機の評価部位における疲労損傷率を算出し、疲労損傷率を積算して累積疲労損傷率を算出することを特徴とする回転電機の損傷診断方法。」としたものである。

【発明の効果】

【0013】

これにより、機械設備の経年劣化的な損傷の大きな割合を占める、低サイクル疲労に代表される、ひずみを使った疲労損傷の評価、より具体的には、回転電機部品の回転に起因する損傷を正確に予測することができるので、残寿命を正確に評価でき、回転電機の信頼性を高めたり、メンテナンスの適切化を図ったりすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】風力発電装置に適用した損傷診断システムの構成例を示す図。

【図2】診断装置１１の処理機能を示すブロック図。

【図3】処理部１２における損傷診断処理フローの例を示す図。

【図4】回転数の時間関数Ｎ（ｔ）の例を示す図。

【図5】回転数の時間関数Ｎ（ｔ）から、評価部位ｉの弾性応力の時間関数σ_ｅｉ（ｔ）を作成した例を示す図。

【図6】回転数の時間関数Ｎ（ｔ）から、評価部位ｉの弾性ひずみの時間関数ε_ｅｉ（ｔ）を作成した例を示す図。

【図7】回転数の時間関数Ｎ（ｔ）と弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉの関係を示した図。

【図8】レインフロー法の考え方を示した図。

【図9】レインフロー法により求まる弾性ひずみ範囲と回数の関係を例示した図。

【図10】部材ｉの弾性ひずみ範囲Δεｅｉを全ひずみ範囲Δεｉに変換を示す図。

【図11】各点（ｉ）の弾性ひずみ範囲Δεｅｉの頻度分布を，全ひずみ範囲Δεｉの頻度分布への変換を示す図。

【図12】全ひずみ範囲Δεｉとその頻度の関係を示す図。

【図13】ひずみ範囲Δεと破断寿命（破断繰り返し回数Ｎ）の関係として疲労寿命曲線Ｌ３を示し，評価部位ｉの線形損傷則による疲労損傷率Ｄｆｉの算出方法を示す図。

【図14】修正グッドマン線図による補正の考え方を示す図。

【図15】平均応力の効果を考慮した、ひずみ範囲と破断寿命の関係を示す図。

【図16】部位ｉの応力範囲とひずみ範囲を弾塑性有限要素法解析によって求めた例を示す図。

【図17】ノイバー則を使って弾性応力範囲Δσ_ｅ０ｉと弾性応力範囲Δε_ｅ０ｉに変換することを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施例について図を用いて説明する。

【実施例1】

【0016】

本発明の実施例１について図１から図１５を用いて説明する。本発明の損傷診断システムは、各種の回転電機に適用可能であるが、ここでは風力発電装置における回転電機を例にして説明するものとする。

【0017】

図１は、風力発電装置に適用した損傷診断システムの構成例を示している。この図において、風力発電装置は、タワー１上のナセル２によりブレード３を回転可能に支持しており、ナセル２内でブレード３の回転が増速機４を介して回転電機である発電機５に伝達され発電している。また複数の風力発電装置１０によりウインドファーム７を形成することがある。損傷診断システムは、風力発電装置１０のナセル２内の回転部分に設置した回転数計６により回転数を検出し、一般にはウインドファーム７内の他の風力発電装置１０の回転数とともにファーム内制御監視部８に集約され、制御監視部８からインターネット９などの通信を介して遠方の診断装置１１に信号伝送する。診断装置１１は、計算機で構成された処理部１２とキーボードなどの入力部１４とモニタ画面などの出力部１３を含んで構成されている。なお診断装置１１は、ウインドファーム７内の制御監視部８に隣接して設置されるものであってもよい。

【0018】

図２は、診断装置１１の処理機能を示すブロック図である。処理機能は、回転数入力部１２ａ、部品ひずみ範囲算出部１２ｂ、疲労損傷率算出部１２ｃ、積算記憶部１２ｄ、表示制御部１２ｅから構成される。

【0019】

本発明では、診断装置１１は、回転部品５ｂと非回転部品５ａにより構成される回転電機５（発電機）に設けたセンサ６により回転数などを検知し、インターネット９などの通信を介して遠方の診断装置１１の信号入力部１２ａに取り込み、最終的にはセンサ信号と、回転電機の運転情報に基づいて、例えば回転部品５ｂの疲労損傷を評価する。このためにまず、部品ひずみ範囲算出部１２ｂでは回転数センサ信号の２次関数、弾性有限要素法解析結果、材料の応力ひずみ線図とノイバー則を用いて、部品のひずみ範囲を算出する。次に疲労損傷率算出部１２ｃでは、材料のひずみ制御の時間強度線図と修正マイナー則を用いて、回転部品５ｂの疲労損傷率を算出し、積算記憶部１２ｄでは累積疲労損傷率を積算、記憶する。表示制御部１２ｅは、解析結果をユーザが理解しやすい表示形式に変換してモニタ画面などの出力部１３に表示する。またこの時にユーザの指示をキーボードなどの入力部１４から取り込んで、演算手法や表示に反映する。

【0020】

図３は、処理部１２における損傷診断処理フローの例を示す図である。なおこの図の右側には、当該処理を示す処理ステップの記号（Ｓ１からＳ９）を、また左側には図２に示した各機能の演算処理部分（１２ａから１２ｅ）を表している。これによれば、例えば部品ひずみ範囲算出部１２ｂは、処理ステップＳ１からＳ５により実現されている。なお、図３における各処理ステップの処理順序は、必ずしも図２の各機能の演算処理部の処理順序と同じになるわけではない、これは実際の処理では繰り返し処理や、その都度の記憶処理、表示処理、修正処理などが適宜実行されることによる。

【0021】

この一連の処理では、最初に部品ひずみ範囲算出部１２ｂの処理として、処理ステップＳ１において、回転電機５の回転部品５ｂであるロータの回転数の信号を所定のサンプリング周波数で取得し、回転数の時間関数Ｎ（ｔ）を作成する。風車発電機５などでは、１Ｈｚ程度のサンプリング周波数で時間関数Ｎ（ｔ）を作成し、これを制御監視部８内の内部記憶装置に保持する。このサンプリング周波数は、回転電機の回転数変動を記述できる周波数とする。処理ステップＳ１における上記処理は、制御監視部８の入力段階において実施され、回転数の信号は、制御監視部８から通信ネットワーク９を用いて、遠隔地にある監視施設に送信したり、クラウドに送信したりして、保持される。

【0022】

図４に回転数の時間関数Ｎ（ｔ）の例を示す。この例ではＴ日間収集したものを示している。なおこの例では、Ｔ日間の前半分の期間では変動しながらも所定幅内で運用されているが、後半では時折瞬断現象を呈しているものとする。次に処理ステップＳ２において、回転数の時間関数の２乗の関数Ｎ^２（ｔ）を作成し、これを保持する。

【0023】

処理ステップＳ３において、回転数の時間関数の２乗の関数Ｎ^２（ｔ）に比例するロータ弾性応力関数σ_ｅｉ（ｔ）を作成し、これを保持する。ロータ弾性応力の関数σ_ｅｉ（ｔ）は、損傷を評価するロータの部位ごとに作成される。このとき、ロータの部位ｉの弾性応力の関数は（１）式にて表すことができる。なおｉは、評価する部位につけられたサフィックス（＝１、２、３、・・）である。

【0024】

【数1】

【0025】

また、この処理ステップＳ３は、（２）式にて示される弾性ひずみεｅｉ（ｔ）を算出するステップとしてもよい。なぜなら、弾性応力σｅｉ（ｔ）と弾性ひずみεｅｉ（ｔ）は、材料の縦弾性係数を比例定数とした比例関係にあるからである。ここでも、ｉは、評価するロータの部位につけられたサフィックス（＝１、２、３、・・）である。

【0026】

【数2】

【0027】

（１）（２）式において、係数項ｋ_ｓｉとｋ_ｅｉの設定は、以下のようにして行われる。図７は、横軸に定格回転数Ｎ_０を含む回転数Ｎ、縦軸に弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉを示した特性図である。ここに示される特性は、（１）（２）式に示した二次関数である。定格回転数Ｎ_０のときの弾性応力σｅｉ０と弾性ひずみεｅｉ０に対して、計測された現在時刻Ｎ（ｔ）の値が弾性応力σｅｉ（ｔ）と弾性ひずみεｅｉ（ｔ）である。（１）（２）式の係数項ｋ_ｓｉとｋ_ｅｉの設定については、弾性有限要素法などの数値計算や材料力学計算により、回転数Ｎ_０における、評価部位ｉの弾性応力σ_ｅ０ｉと弾性ひずみε_ｅ０ｉをそれぞれ求める。ここでｉは、評価する部位につけられたサフィックスである。残留応力がある部位ｉにおいては、（１）（２）式に（３）（４）式で示した定数項を設ける。

【0028】

【数3】

【0029】

【数4】

【0030】

（１）式と（３）式と図４の回転数の時間関数Ｎ（ｔ）から、評価部位ｉの弾性応力の時間関数σ_ｅｉ（ｔ）を作成した例を図５に示す。また、（２）式と（４）式と図４の回転数の時間関数Ｎ（ｔ）から、評価部位ｉの弾性ひずみの時間関数ε_ｅｉ（ｔ）を作成した例を図６に示す。

【0031】

図７は、（１）式から（４）式で表した、回転数の時間関数Ｎ（ｔ）と弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉの関係を示した図であり、横軸に回転数の時間関数Ｎ（ｔ）、縦軸に弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉを表記した時、弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉは回転数の時間関数Ｎ（ｔ）の二乗特性として表すことができる。また回転数が定格回転数Ｎ_０の時の弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉの値がそれぞれσｅｉ０と弾性ひずみεｅｉ０であり、また現時点での回転数がＮ（ｔ）である時の弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉの値がそれぞれσｅｉ（ｔ）と弾性ひずみεｅｉ（ｔ）である。この二乗特性によれば、回転数が高いほど弾性応力σｅｉと弾性ひずみεｅｉの増加分が大きく反映されてくることになる。

【0032】

図３の処理ステップＳ４では、弾性応力の時間関数σｅｉ（ｔ）または弾性ひずみの時間関数εｅｉ（ｔ）から、レインフロー法などに代表される応力範囲またはひずみ範囲頻度計数法を用いて、応力範囲またはひずみ範囲の頻度を求める。そして、損傷を評価する部位の弾性応力範囲Δσｅｉまたは弾性ひずみ範囲Δεｅｉとその発生数を算出し、これを保持する。

【0033】

図８は、レインフロー法の考え方を示した図であり、縦軸が弾性ひずみεｅｉ（または弾性応力σｅｉ）、横軸が時間で、左から右へ向かって時間が経過する。ひずみは下側が負、上側が正とする。ジグザグの太線Ｌ１はひずみの時間変化を示している。細線Ｌ２がレインフロー法にもとづいて流れる「雨だれ」である。ここでは、弾性ひずみ範囲Δεｅｉの頻度をレインフローにより計数した例を示している。頻度の計数は、レンジペア法、レンジペアミーン法など、適当な頻度読み取り法を用いてもよい。このとき、ある時間範囲のひずみの最大値Δε_Ｐも保持する。これにより、弾性ひずみ範囲Δεｅｉの頻度分布をヒストグラム表示がしやすい。

【0034】

図９は、レインフロー法により求まる弾性ひずみ範囲と回数の関係を例示したものである。弾性ひずみ範囲Δεｅｉは、ある時間範囲のひずみの最大値Δεｐをある分割数ｍで分割することにより、頻度分布の刻みが等分布になり、ひずみ範囲の頻度回数の分布の分析がしやすい。弾性応力範囲Δσｅｉの頻度分布を求める場合も同様である。

【0035】

図１０は、部材ｉの弾性ひずみ範囲Δεｅｉを全ひずみ範囲Δεｉに変換することを示す図であり、この図で横軸にはひずみ範囲Δε、縦軸には応力範囲Δσを表記している。またこの図上には部材ｉの弾性計算特性Ｌ１である直線と、応力範囲Δσとひずみ範囲Δεの関係を示す飽和特性Ｌ２が記述されている。この図に示されるように、弾性計算により求められた部材ｉの弾性応力範囲Δσｅｉと弾性ひずみ範囲Δεｅｉは比例関係にあり、弾性計算特性Ｌ１上に位置付けて表記することができる。

【0036】

これに対し、ノイバー則により、弾性計算特性Ｌ１上の点を応力範囲Δσとひずみ範囲Δεの関係を示す飽和特性Ｌ２上の点として反映することができる。因みに弾性の観点から求められた部材ｉの弾性応力範囲と弾性ひずみ範囲が示す点の座標は（Δσｅｉ、Δεｅｉ）であり、（５）式で示すノイバー則により求めた飽和特性上の点の座標は（Δσｉ、Δεｉ）である。飽和特性Ｌ２上の点の座標を示すΔσｉ、Δεｉは、それぞれ全応力範囲Δσｉ、全ひずみ範囲Δεｉである。

【0037】

【数5】

【0038】

処理ステップＳ５では、部材ｉの弾性応力範囲Δσｅｉと弾性ひずみ範囲Δεｅｉを、材料の応力範囲Δσとひずみ範囲Δεの関係を使って、全ひずみ範囲Δεｉに変換し、これを保持する。これはノイバー則として知られている方法である。すなわち、応力範囲Δσとひずみ範囲Δεの関係と（５）式から、全ひずみ範囲Δεｉを求めるものである。また、応力範囲Δσとひずみ範囲Δεの関係は、応力、ひずみの繰り返しにより変化するので、この関係を繰り返し数に応じて変化させてもよい。

【0039】

さらに、この結果として、図９の弾性ひずみ範囲Δεｅｉの頻度分布が示す各点（Δｅｉｍ）を、図１１に示すように、全ひずみ範囲Δεｉの頻度分布が示す各点（Δｉｍ）に変換することができる。これにより、図１２に示す如く、全ひずみ範囲Δεｉとその頻度の関係が求まったことになる。なお図１１は、各点（ｉ）の弾性ひずみ範囲Δεｅｉの頻度分布を，全ひずみ範囲Δεｉの頻度分布への変換することを示す図であり、図１２は全ひずみ範囲Δεｉとその頻度の関係を示す図である。

【0040】

ここまでが、図２の部品ひずみ範囲算出部１２ｂの処理であり、次に疲労損傷率算出部１２ｃの処理が処理ステップＳ６において実施される。ここでは、処理ステップＳ５で作成した図１２に示す全ひずみ範囲Δｅとその頻度（回数ｎ）の関係と、評価している部材の材料の疲労試験結果、すなわち、図１３に示す全ひずみ範囲Δｅと破断寿命（破断繰り返し回数Ｎ）の関係から、その部位ｉの疲労損傷率Ｄｆｉを算出する。疲労損傷率Ｄｆｉの算出には、例えば、（６）式に示すような修正マイナー則に代表される線形損傷則や各種の損傷則を使うことができる。

【0041】

【数6】

【0042】

なお図１３はひずみ範囲Δεと破断寿命（破断繰り返し回数Ｎ）の関係として疲労寿命曲線Ｌ３を示し，評価部位ｉの線形損傷則による疲労損傷率Ｄｆｉの算出方法を示す図であり、この特性は評価している部材の材料の疲労試験結果として予め求められた特性である。この特性Ｌ３を参照することで、図１２に纏めた全ひずみ範囲Δｅの値を参照することで、この値の時の破断繰り返し回数Ｎが求められ、図１２の回数ｎと破断繰り返し回数Ｎを用いて、（６）式が実行できる。

【0043】

なお、図１３に例示したところのひずみ範囲Δｅと破断寿命（破断繰り返し回数Ｎ）の関係について、ひずみ制御の疲労試験結果を用いて予め求めておくとしたが、これは引張保持の疲労試験結果を使い、引張保持により寿命低下の影響を考慮してもよい。

【0044】

また、平均応力の効果による寿命低下を考慮した、修正グッドマン線図を用いたひずみ範囲と破断寿命の関係を用いてもよい。図１４は、修正グッドマン線図による補正の考え方を示した図であり、横軸に平均応力、縦軸に交播応力の振幅を表記している。修正グッドマン線図とは、破断繰り返し数Ｎのひずみ範囲に縦弾性係数を乗じて、１／２とした破断繰り返し数Ｎのときの、応力振幅σＮと、材料の降伏応力σｙ、引張強さσｕから、平均応力の効果により低下した、破断繰り返し数Ｎのときの、応力振幅σ’Ｎを求める。そして、平均応力の効果により低下した、破断繰り返し数Ｎのときの応力振幅σ’Ｎを縦弾性係数にて除して、これを２倍して破断繰り返し数Ｎのときのひずみ範囲ΔεＮとするものである。

【0045】

この平均応力の効果を考慮した、ひずみ範囲と破断寿命の関係を図１５に示す。図１５のようなひずみ範囲（縦軸）と破断寿命（破断繰り返し回数：横軸）の関係を用いることにより、簡便に平均応力の効果を考慮することができる。平均応力の効果により、図１５中の点線のように、平均応力の効果により、寿命が短くなる。ここでは、平均応力の効果を考慮したひずみ範囲と破断繰り返し数の関係を述べたが、これらの関係に、保持応力の効果や腐食環境などの環境の効果を考慮した疲労試験結果によるひずみ範囲と破断繰り返し数の関係を用いてもよい。

【0046】

またこの処理ステップＳ６では、図２の積算記憶部１２ｄの機能として、これを保持し、積算する。

【0047】

処理ステップＳ７では、図２の表示制御部１２ｅの機能として、処理ステップＳ６で求めたその部位ｉの疲労損傷率Ｄｆｉとその積算値ΣＤｆｉを適宜の形式で表示する。

【0048】

さらに処理ステップＳ８では、図２の疲労損傷率算出部１２ｃあるいは積算部１２ｄ、及び表示制御部１２ｅの機能として、疲労損傷率Ｄｆｉ（ｉ＝１、２、３、・・・・、ｉは部材の番号）あるいはその積算値が、あらかじめ設定された閾値Ｄｔｈｉ（ｉ＝１、２、３、・・・・、ｉは部材の番号）を超えた場合には警報を表示する。これにより、部材ｉの疲労破壊前の補修や交換などメンテナンスを行うことができる。

【0049】

また処理ステップＳ９においては、実際に部材ｉが破損した事例がある場合は、実際に破損したときのＤｆａｉを算出し、これをデータベースに保持し、このＤｆａｉをもとに算出した閾値Ｄｔｈｉを変更する。

【0050】

実施例１によれば、回転電機部品の回転に起因する損傷を正確に予測することができるので、残寿命を正確に評価でき、回転電機の信頼性を高めたり、メンテナンスの適切化を図ったりすることができる。

【実施例2】

【0051】

実施例２では、回転電機５における好適な監視適用個所について説明する。監視適用個所の一つは、回転による遠心力が加わる回転電機５のなかで、導電体である銅部材が回転する部材として使用されている箇所、部品である。これらは特に、コイル、コイルエンド、亘り線、導体棒（バー）、端絡環（エンドリング）といったものである。このような銅部品では、加工性をよくするため降伏応力が低い熱処理材が使われ、あるいはバーやエンドリングの例のように、ロウ付けを行うことにより、８００℃程度高温にさらされ、降伏応力が低下することがある。

【0052】

本発明によれば、このような降伏応力が低くなりがちな部材が回転による遠心力に繰り返しさらされるときの寿命を評価し、損傷が発生する前に、補修や交換を行うことができる。

【0053】

また他の監視適用個所は、回転電機の回転する部位で、応力集中がある部位への適用にも好適である。すなわち、バーの鉄心コアを挿入するスロットや鉄心コアに設けられた冷却孔、ファンの取り付けボルトの穴などである。

【0054】

本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、水力タービン、風力タービン、圧縮機など、タービンのような、回転機械の回転による遠心力を受ける応力集中部位への適用も含むものである。

【実施例3】

【0055】

図１６に部位ｉの応力範囲とひずみ範囲を弾塑性有限要素法解析によって求めた例を示す。これは、回転数をパラメータとして部位ｉの応力とひずみを求めたものである。

【0056】

この図では、回転数を０からＮ_０まで上昇させることを繰り返した時の応力範囲はΔσ_０ｉでひずみ範囲がΔε_０ｉであることがわかる。この弾塑性応力解析で求めた、応力範囲Δσ_０ｉとひずみ範囲Δε_０ｉを使って、（１）式、（２）式に示した回転数と弾性応力と弾性ひずみの関数を作成してもよい。

【0057】

これは、図１７に示すように、図１６にて求められた応力範囲Δσ_０ｉとひずみ範囲Δε_０ｉを、ノイバー則を使って弾性応力範囲Δσ_ｅ０ｉと弾性応力範囲Δε_ｅ０ｉに変換するものである。

【0058】

変換された弾性応力範囲Δσ_ｅ０ｉと弾性応力範囲Δε_ｅ０ｉと（３）式、（４）式を使って係数ｋ_ｓｉ、ｋ_ｅｉを求めてもよい。疲労を評価する装置や部位の非線形性が強い場合には、図１６、図１７の方法は有効である。なぜなら、この方法は、有限要素法で、複雑な構造物の弾塑性挙動を計算するからである。

【符号の説明】

【0059】

１：タワー
２：ナセル
３：ブレード
４：増速機
５：発電機５
５ａ：非回転部品
５ｂ：回転部品
６：回転数計
７：ウインドファーム
８：ファーム内制御監視部
９：インターネット
１０：風力発電装置
１１：診断装置
１２：処理部
１２ａ：信号入力部
１２ｂ：部品ひずみ範囲算出部
１２ｃ：疲労損傷率算出部
１２ｄ積算記憶部
１２ｅ：表示制御部
１４：入力部
１３：出力部

【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】