JPH0638700B2

JPH0638700B2 - 回転電機用の動的エアギヤツプ測定装置

Info

Publication number: JPH0638700B2
Application number: JP8788887A
Authority: JP
Inventors: リンチャーチルトーマス; エムロスジェイムズ
Original assignee: エレクトリツクパワ− リサ−チインスチテユ−トインコ−ポレ−テツド
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1987-04-09
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: CA1273098A; SE8701477D0; BR8701640A; EP0242107A2; SE8701477L; EP0242107A3; US4704906A; JPS63129830A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、一般に回転電機に関し、特に回転電機の回
転子と固定子間におけるエアギャップの測定に関する。

（従来の技術）大型の水力発電機を稼動する電力事業体は、回転電機に
おけるエアギャップの動的挙動に関心を持ち続けてき
た。熱的な膨張と収縮が遠心力及び磁力に加わると、発
電機の機械的構造内に移動が生じ、エアギャップの寸法
に変化をもたらす。ひどく悪い条件下では、エアギャッ
プが事実上閉じ、回転子−固定子間の接触損傷を引き起
こす。また閉じないまでも、エアギャップの方位変化が
それに応じた変化をエアギャップの磁気抵抗に生じる。
この結果、電機子の磁束結合における変化、従って誘起
電圧（磁束の線形関数）と磁力（磁束密度の２乗の関
数）両方における変化がもたらされる。かかる系は低イ
ンピーダンスの電力グリッドに常時接続されているの
で、誘起電圧の端子電圧からの変化は分相電流として知
られるコイル電流の変化によって補償され、これが消散
と温度の上昇を引き起こす。

（発明が解決しようとする問題点）動的なエアギャップの挙動を測定する各種の試みがなさ
れてきた。比較的成功を収めているそのような１つの試
みは、Talas とToomの「大型水力発電機におけるエアギ
ャップ変化の動的測定及び分析」、電力装置及びシステ
ムに関するＩＥＥ会報、Vol.ＰＡＳ−１０２、No.９、
１９８３年９月、３０９８〜３１０６頁に開示されてい
る。この方式では、２つの光ファイバ束が回転子のハブ
からリムに導かれ、そこでファイバの各端が発電機の軸
と同一直線状になりガラス玉形の逆反射体ストリップを
見込むように混合及び／又は配向される。回転子が回転
するにつれ、一方のファイバ束から発生し、反射後他方
のファイバ束に入る赤外線ビームが、固定子の冷却スロ
ットから突き出たフィンによって周期的且つ部分的に隠
蔽される。各フィンの部分的遮断によって隠蔽されるフ
ァイバ部分の変化が、エアギャップ寸法の変化の尺度と
なる。

（問題点を解決するための手段、作用）本発明は、ソナー技術を用いてエアギャップを測定する
改良装置と方法を提供するものである。ソナーつまり音
波水中探知機は周知で、距離の測定において使われてい
る。例えば、Duncanの米国特許No.4,240,152は、移動車
両に対する距離と位置の両情報を与えるソナーを用いて
いる。Soltzの米国特許No.4,470,299は、開放チャネル
またはその他の液体容器中における液体のレベルを測定
する超音波エコー探知機を用いている。Shelmentsev他
の米国特許No.4,452,074は、超音波の伝播を利用し内燃
機関の移動部分をモニターしている。機構の性能特性を
求めるため、反射信号のスペクトル分析が行われる。

本発明によれば、音波送／受信手段が、エアギャップを
横切って超音波パルスを発信し且つ該パルスの反射を受
信してエアギャップの連続測定を行うように取り付けら
れる。送／受信手段は静止している固定子に取り付けれ
ば回転子の変化によるエアギャップの変化を検出でき、
あるいは回転子に取り付ければ固定子の変化を検出でき
る。

好ましい実施例において、送／受信器はトランシーバと
して機能する１つの変換器要素から成る。この実施例で
は、往復のパルス伝播時間が充分に長く持続し、反射パ
ルスの戻りを受けるためトランシーバが静止状態へ減衰
するのを可能とする。

送／受信手段が回転子に取り付けられる場合には、送／
受信手段を制御する信号を伝送し、また送／受信手段か
らギャップ距離測定コンピュータに信号を伝送するのに
遠隔測定手段が使われる。

本発明の内容とその目的及び特徴は、以下の詳細な説明
と特許請求の範囲からより容易に明らかとなろう。

（実施例）第１図は、本発明によるエアギャップモニター装置を含
む発電機の部分断面斜視図である。発電機はほゞ円筒状
の固定子１０を含み、固定子１０内で回転子１２がシャ
フト１４を中心に回転する。エアギャップモニター装置
のセンサアレイ１６を示すため、固定子は一部断面で示
してある。この実施例において、エアギャップモニター
装置は回転子に取り付けられている。

センサアレイ１６は、概略的に２０で示した電気的且つ
光学的遠隔測定カップラーを介して、電気的且つ光学的
に中央コンピュータ１８と接続されている。カップラー
２０の一部はシャフト１４に取り付けられ、撚りケーブ
ル対２２によってセンサアレイ１６へ電気的に接続され
ている。カップラー２０の他の一部は固定子構造体に取
り付けられ、シャフト１４の回転につれてカップラーの
回転子取付部分と周期的に整列する。カップラー２０の
固定子取付部分は、光ファイバリンク２４を介してコン
ピュータ１８に接続されている。

第２図は固定子１０と回転子１２の各一部の断面図で、
回転子の界磁極片２８間に配置されたセンサアレイ１６
を示している。センサアレイ１６は、回転子と固定子間
のエアギャップを横切ってパルス状の超音波を発信し、
該パルスの反射を受信する。パルスを発信してその反射
を受信するのに必要な時間が、エアギャップの間隔を表
わす。

センサアレイ１６のハウジングは断面矩形の加工アルミ
製容器であるのが好ましく、アルミ製ハウジングはステ
ンレス鋼製の支持フレームまたはブリッジ２６等適切な
手段で極片２８に取り付けられている。

エアギャップモニター装置の送／受信器は別個の装置で
も、あるいは１つのトランシーバ装置でもよい。第３図
は一実施例の機能ブロック図で、１つの超音波変換器３
０がトランシーバとして使われている。超音波変換器３
０はパルス発生器（ドライバ）３２によって付勢され、
固定子からの信号の反射が同じ変換器３０で受信され
る。超音波変換器３０が反射に応じて電気信号を発生
し、この電気信号が増巾器３４で増巾され、弁別器３６
（例えばレベルセンサ）を介して出力ドライバ３８に加
えられる。出力ドライバ３８は弁別器の出力をノイズ汚
染を含まない低インピーダンス信号に変換し、弁別器３
６からの停止タイミング信号つまり停止パルスを撚り線
対４０を介して第５図に示すような遠隔測定カップラー
に送る。タイミング回路４２がドライバ３２を始動さ
せ、反射信号が超音波変換器３０で受信されている期間
を除き、スタートタイミング信号を送って増巾器３４の
動作を停止する。回転子上の回路用電源は、２０KHzの
矩形波が変圧器４４に送られ、全波整流器４６とコンデ
ンサ４８で直流に変換された後、電圧調整器５０に加え
られることによって得られる。こゝに記す系で使われる
電源と遠隔測定器は、従来技術において周知なものであ
る。

第４図は第３図と同様の回路だが、該回路では別々の送
／受信変換器３１、３１′が使われている。第４図の回
路の他の構成部分は全て、同じ参照番号で示したように
第３図の回路の構成部分と対応している。

１つのエアギャップセンサは、１４５ＭＶＡ、１２０rp
m、１２区分、突極形の水力発電機に取り付けられた回
転子用に設計されている。この種の発電機は３２．２５
フィート（約９．６８ｍ）の回転子直径、０．７０５イ
ンチ（約１．７９cm）のエアギャップ、５０４個の電機
子コイルスロット、及び６０個の界磁極片を有する。ソ
ナー形エアギャップモニター装置は５０ミクロン秒巾の
パルスバーストを用いて、２００KHz の圧電音響変換器
を駆動する。ドライバと変換器は共に、第２図を参照し
て説明したように２つの界磁極片間に取り付けられ、変
換器は同図に示すごとく固定子の方に向けて配向されて
いる。パルス状にした超音波が開孔を介し距離“ｘ”だ
け離れた固定子に向かって発せされると、第１の反射は
次式で与えられる時間“ｔ”後に戻ってくる；ｔ＝２ｘ／（ｖ^２−ｓ²）^1/2 但し“ｓ”はセンサの接線方向速度、“ｖ”は次式で与
えられる空中での音速；ｖ＝49.04(T)^1/2＝1200フィート(約360m)／秒但しＴ＝
６００゜Ｒ（１４０゜Ｆまたは６０℃）の場合。時間対
距離の感度は： dt／dx＝２／（ｖ^２−ｓ²）^1/2＝ｔ／ｘ変換器と固定子間の距離が０．３３３フィート（約９．
９９cm）で、極片の先端速度が２０３フィート（約６
０．９ｍ）／秒（ｓ＝２０１フィート（約６０．３ｍ）
／秒）の場合、往復時間と感度はそれぞれ５６３μse
c、１４１μsec／インチである。

０．１インチ（約０．２５cm）のエアギャップ変化を分
解するためには、５０μsec巾のパルスバーストに対し
て約１４μsecの往復時間を分解する必要がある。この
能力は、センサを取り付ける領域の幾何形状によって保
証される。ゴースト反射は必然的に、変換器へ至るまで
の直接経路よりはるかに長い距離を移動しなければなら
ない。こうして得られる遅延が、主及び副両戻りパルス
間の弁別を大巾に簡略化する。

動作中、センサが固定子を走査する。適切な信号／ノイ
ズ比を達成するためには、トランシーバが主エコーを捕
えるのに充分広い放射／受容コーン（円錐体）を持つ必
要がある。音パルスの往復時間とセンサの接線方向速度
は、１．３６インチ（約３．４５cm）の掃引距離と１
９．３度の掃引円錐角度に対応する。圧電変換器の主ロ
ーブは一般に２０度の広さなので、こゝでの特定電機用
のセンサはトランシーバの設計で受け入れられる。もっ
とはるかに高い掃引速度を持つ電機では、２つの変換器
を用い、送信器を掃引コーンの半分の角度だけ前方に傾
斜させ、受信器も同じく後方に傾斜させる必要がある。
受信器の運転によるドップラーシフトに伴う受信周波数
のズレは問題とならない。固定子はシフトしていない音
調を２０゜で約６％受け取って反射し、受信器は正確に
同じ量だけダウンシフトした音調を受信する。

変換器のパルス反復速度は、必要な方位分解能に依存す
る。この反復速度には、先行パルスの反射が減衰する時
間に関連して上限が存在する。こゝに記す実施例では、
減衰時間が往復時間の５倍と仮定することができる。こ
の場合、最大反復速度は３６０Ｈz だが、６０Ｈz 高調
波とのエレクトロニクス上の問題を避けるため３３０Ｈ
z に下げられる。この反復速度においても、上記電機の
方位分解能は２．２機械角度つまり１区分当り約１４回
の測定で、電機全体については１６５回の測定となる。

電機に取り付けるセンサの数は、固定子、回転子または
その両方が作動中に歪むと見込まれるかどうかに依存す
る。固定子だけが歪むと見込まれる場合には、回転子に
１つのセンサを取り付けるだけで充分である。回転子ま
たは回転子と固定子の両方が歪むと見込まれる場合、も
しくは部品が歪むかどうかについてはっきりしない場合
には、ロータの周囲に等しい間隔で離間した３つのセン
サを用いることで次のように全ての組合せの測定を可能
とする。(1)固定子だけが歪む場合：１回転中に、３つ
のセンサ出力全てがエアギャップの位置に依存した同等
の変化を与えるが、１２０機械角度だけ相互にズレてい
る。(2)回転子だけが歪む場合：１回転中に、３つのセ
ンサ出力全てがそれぞれ一定だが、異なった出力を示
す。(3)固定子と回転子の両方が歪む場合：１回転中
に、３つのＳＡＭ出力全てが形状において等しいが、相
互に振巾が異なり、しかも１２０゜づつ位相がズレてい
る。

出力ドライバ３８からの信号は、第５図に示したような
任意の適切な遠隔測定系を介してコンピュータに送られ
る。第５図を参照すると、センサモジュールからの信号
はライン５２、光アイソレータ５４及びＭＵＸ（多重）
セレクタ５６を介して出力ＦＭドライバ５８に加えられ
る。ＦＭドライバ５８が送信コイル６０を連続的に駆動
する。コイル６０はフェライトアンテナ６１と結合さ
れ、これが増巾後光パルスに変換される信号を発生す
る。光パルスは光ファイバケーブルを介してコントロー
ラのコンピュータに送られる。他方、コントローラから
の光信号はカップラー６２を介し１回転毎に、センサ選
択のためアドレスラッチ６３に伝送される。こうして伝
送されたコードはアドレスラッチ６３内にストアされ、
どのセンサモジュールが出力を送っているかを判定する
のに使われる。コードの受信に応じ、長いパルスが出力
ドライバから伝送される。この長いパルスがシステムコ
ンピュータによって検出され、回転子が別のセンサ送出
データで新しい回転をスタートする時点を指示するのに
使われる。各センサへの電力は、磁石６５、全波整流器
６６、電圧調整器６７、インバータ６８、及び変圧器６
９等周知の技術を用いて与えられる。

第６図はコントローラインターフェースの機能ブロック
図である。遠隔測定系からの光センサパルスは電気パル
スに復元された後、スタートパルス検出器７０、ストッ
プパルス検出器７２、及び回転スタート検出器７４によ
ってモニターされる。スタートパルスが検出されると、
エコー持続時間カウンタ７６がリセットされスタートす
る。ストップパルスが検出されると、エコー持続時間カ
ウンタ７６が停止され、コンピュータがエコー持続時間
カウントを読取るようにトリガーされる。回転スタート
検出器７４が回転角度カウンタ７８を同期化し、同カウ
ンタ７８は回転子の角度位置を追跡する位相ロック式の
ループ回路である。回転角度カウンタ７８からのデータ
は、エコー持続時間カウンタ７６の読取と同時に、コン
ピュータによって読取られる。所望のセンサデータを選
ぶコンピュータからの並列データコードは並／直変換器
８０によって直列コードに変更された後、直列コードの
各ビットは光ファイバケーブルを介して発電機の光送信
器に伝送され、そこで並列ビットに再変換される。

本発明の動的なエアギャップ測定装置は、前述したよう
な大型回転電機で特に有用だが、相対的に移動する２つ
の表面間における動的ギャップの任意の非接触測定で使
用可能である。つまり上記説明は発明を例示するもの
で、発明を制限するものと解釈されるべきでない。特許
請求の範囲に記載の発明の真の精神及び範囲から逸脱せ
ずに、さまざまな変更及び適用が当業によって可能であ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるエアギャップモニタ
ー装置を含む発電機の部分断面斜視図；第２図は、第１図の発電機の固定子と回転子各一部の断
面図であって、エアギャップモニター装置の配置を示す
図；第３図は、エアギャップモニター装置のトランシーバ実
行用の機能ブロック図；第４図は、エアギャップモニター装置の送／受信器が別
個な構成の機能ブロック図；第５図は、第１図の系における遠隔測定器の機能ブロッ
ク図；及び第６図は第１図の系で使われるコンピュータインタフェ
ース回路の機能ブロック図である。１０……固定子、１２……回転子、１６；３０；３１、３１′……送／受信手段、１８……コンピュータ、２０……遠隔測定手段、３４……増巾手段、３６……弁別器、３２，３８……ドライバ手段、４２……タイミング手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−234310（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−156653（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−9401（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−97212（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転電機における回転子と固定子間のエア
ギャップを測定する装置であって：パルス状の信号を発信する信号送信手段；パルス状のエコー信号を受取り、該エコー信号に応答し
て電気受信信号を発生する信号受信手段；上記信号送信手段と信号受信手段を回転子と固定子の一
方に取り付け、信号が回転子と固定子の他方に送られて
信号受信手段へ反射して戻されるようにする手段；及び信号の発信とエコー信号の受信と間の時間を求め、回転
子と固定子と間のエアギャップを求める手段；を備えている装置。
【請求項２】前記信号送信手段が、信号の発信を制御し
てスタートパルスを発生するタイミング手段、該タイミ
ング手段に応答して駆動信号を信号送信手段に加えるド
ライバ手段、前記電気受信信号を受信して増巾する増巾
手段、及び前記電気受信信号に応答してストップパルス
を発生する弁別器を含む特許請求の範囲第１項記載の装
置。
【請求項３】前記エアギャップを求める手段がコンピュ
ータを含み、該コンピュータから及びコンピュータに信
号を伝送する遠隔測定手段を更に含む特許請求の範囲第
１項記載の装置。