JP5584036B2

JP5584036B2 - 劣化診断装置

Info

Publication number: JP5584036B2
Application number: JP2010166862A
Authority: JP
Inventors: 彰小椋
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: JP2011107123A

Description

ロータとステータとを有する電動機を試験治具に取り付け、取り付けられた電動機の巻線絶縁状態を診断する劣化診断装置に関する。

従来から、化学プラント工場の産業機械に用いられている電動機では、一旦絶縁劣化等による事故が発生すると、当該機器の復旧にかかる時間と費用以外にプラント停止などの社会的に莫大な損失が発生することがある。このため、大容量のターボポンプを駆動する高電圧電動機では、ステータの巻線に対するさまざまな絶縁診断技術が開発された。

特許文献１には、ハンマリングにより絶縁コイルを加振して固有振動数を測定し、経時変化と共に変化する振動波形に基づいて絶縁劣化に伴う巻線の緩みを判定する診断方法が開示されている。また、特許文献２には、大電流サージにより直接的もしくは間接的に巻線を加振し、その振動ピーク値、周波数、波形減衰率などから巻線の緩みを検出する方法が開示されている。さらに、特許文献３には、ガス絶縁開閉装置、ガス遮断器、キュービクル等の電力用電気機器の絶縁診断装置に関し、電気機器の絶縁劣化の前兆現象として発生する部分放電を電気機器内部又は外部に設けたアンテナにより検出する技術が開示されている。

このように高電圧電動機では、目視点検方法としての汚損、緩み、変色等の点検、電気的診断方法としての絶縁抵抗、ＰＩ値、ｔａｎδ、交流電圧・電流特性、部分放電試験、衝撃波比較試験などの点検、及び機械的診断方法としての打音診断等を組み合わせて総合的に判断する方法が確立され、一応の成果が得られている。

一方、低電圧電動機の絶縁診断技術は次に示す理由により進んでいないのが現状である。その第１の理由としては、高電圧電動機で有効とされる放電現象による診断は、コロナ放電の始まる電圧は３０００Ｖといわれ、低電圧電動機の耐電圧を超えることになり、低電圧電動機において不向きである。第２の理由としては、低電圧電動機より軸受部が先に故障し易く、低電圧電動機は更新コストが安いことから低電圧電動機そのものを交換する場合が多く、絶縁診断データが蓄積しにくいためであった。

特公平０１−２６５００号公報特開平１１−０８６６８９号公報特開平０９−２２９９９２号公報

ここで、低電圧電動機を用いたキャンドモータポンプは、遠心ポンプを駆動する電動機のステータの内部をキャンで覆い、キャン内部にロータを支持すると共に、取扱い液を満たすことでキャンドモータポンプの回転部分は取扱い液中となる。キャンドモータポンプでは、ロータと遠心ポンプのインペラとシャフトは取扱い液中となるため回転部分のシールが不要であり、軸受けは滑り軸受けのような簡単な構造となる。

キャンドモータポンプのステータは、キャン、電動機外筒、エンドプレートにより密封されていることから、ステータの巻線の点検及び交換は、取扱い液の抜き取りと密閉されたステータの分解等を伴う。これらの作業は、単なる低電圧電動機の交換に留まらずプラントに関連する作業となるため、適切な絶縁診断を行い巻線の寿命を判断し、プラントの点検時にタイミングを合わせて行う必要がある。

そこで、本発明は、巻線絶縁の劣化診断装置に関し、特にキャンドモータポンプ等のような低電圧電動機の劣化状態を把握することのできる劣化診断装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る劣化診断装置は、ロータとステータとを有する電動機を試験治具に取り付け、取り付けられた電動機の巻線絶縁状態を診断する劣化診断装置において、試験治具は、電動機を固定する電動機固定治具と、電動機のシャフトに嵌り込むスリーブにアームが設けられたアーム付きスリーブを固定するシャフト固定治具と、電動機固定治具とシャフト固定治具とを別々に支持し、互いの振動を絶縁する振動絶縁台と、交流電圧を電動機に供給することで電動機を励振する電力供給手段と、を有し、劣化診断装置は、ステータに巻き付けられた巻線の振動値を含む電動機固定治具の振動値を測定する第１の振動測定手段と、シャフトに接続されたシャフト固定治具の振動値を測定する第２の振動測定手段と、電動機固定治具の振動値とシャフト固定治具の振動値との差分を算出する差分算出手段と、を有し差分算出手段から算出された振動値に基づいて電動機の巻線絶縁状態を診断することを特徴とする。

言い換えると、第１の振動測定手段で測定された振動成分はロータの振動成分とステータ（巻線）の振動成分とを含み、第２の振動測定手段で測定された振動成分は主にロータの振動成分を含む。ロータ自身とステータ自身の振動成分が変化しないと仮定すると、差分算出手段により、巻線の振動成分が算出することができる。

その他の好適な発明である劣化診断装置において、シャフト固定治具は、予め測定された電動機固定治具の質量とシャフト固定治具の質量とシャフトを有するロータの質量とに基づき、シャフト固定治具の質量がシャフトを有するロータの質量と等しくなるようにシャフト固定治具の質量を調整する調整手段を有することを特徴とする。

一般的に、固有振動数ｆ₀（Ｈｚ）は、バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ），質量Ｍ（ｋｇ）ｆ₀＝１／２π・√（ｋ／Ｍ）で求められることから、巻線の振動周波数に重ならないように各構成物の振動数を予め設定することが重要となる。

また、その他の好適な発明である劣化診断装置において、電力供給手段は、予め設定された交流電圧を電動機の巻線に供給し、巻線に印加された交流電圧のｎ次周波数（ｎは自然数）で励振される振動値に基づいて電動機の劣化状態を診断することを特徴とする。ワニスの固着力低下に伴う巻線の振動数は経験的に分かっていることから、その周波数に近い交流電圧のｎ次周波数による励振が重要となることはいうまでもない。

本発明に係る劣化診断装置を用いることにより、電動機を分解することなく、例えば、納入初期時の振動を測定しておき、また、定期点検時にそのデータを取得することで、経時変化を読み取ることができる。そのデータが徐々に増加傾向にあるならば、コイルを固定しているワニスの固着力が低下していると考えられ、電動機の絶縁状態が劣化していると判断できる。このことから、定期的にデータを収集することにより、電動機の健全性を把握し、予防保全に役立たせるだけでなく、計画的な保全が可能となり、プラントへの影響も小さく済ませることができるという効果がある。

本発明の実施形態に係る劣化診断装置であって、ロータとステータとを有する電動機を試験治具に取り付け、取り付けられた電動機の巻線絶縁状態を診断する劣化診断装置の構成を示す構成図である。図１の電動機に取り付けられたシャフト固定具の側面図である。本発明を理解する上で参考となるキャンドモータポンプの構造を示す構造図である。図１の試験治具に取り付けられた電動機の振動モデルを示す振動モデル図である。図１の劣化診断装置で測定した特性図である。図１の劣化診断装置で測定した振動値と定格電流の倍率との関係を示す特性図である。本実施形態における劣化診断装置の処理の流れを示すフローチャート図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１に電動機１４を固定するための試験治具及び電動機１４の巻線絶縁状態を診断する劣化診断装置３０の構成を示す。試験治具６０は、ロータ２２とステータ１５を有する電動機１４を固定する振動伝達防止台５１と、シャフト２４に接続されたシャフト固定具６１を固定する振動伝達防止台５２と、を有している。また、シャフト固定具６１は、トルク計内蔵アーム６２を有し、電動機の回転トルク力を測定することができる。劣化診断装置３０は、制御を司る制御装置２と、制御装置２の出力命令により電動機１４へ電力を供給する電源４と、電動機１４の振動を測定するセンサ５ａとシャフト固定具６１の振動を測定するセンサ５ｂとが接続された振動計アンプ６と、振動計アンプ６からの信号を分析するＦＦＴアナライザ７と、制御装置２はＦＦＴアナライザ７からの分析結果及びトルク計内蔵アーム６２からの回転トルク力を取得して劣化状況を診断し、制御装置２からの情報を表示する表示器８ａと、さまざまな情報を入力可能な入力器８ｂと、を有している。

ここで、本発明を理解する上で参考となるキャンドモータポンプ１０の構造について図３を用いて説明する。キャンドモータポンプ１０は、ポンプ部１２と電動機１４とが一体として形成され、電動機１４はスタンド４２と三相交流を入力する端子部１１とを有している。ポンプ部１２は、取扱い流体に速度を与えるインペラ１６と、これを納めるケーシング１８と、を含む。電動機１４は、円筒形状のステータ１５と、このステータ１５の内側に配置されているロータ２２を有している。ロータ２２は、シャフト２４に固定され、このシャフト２４はポンプ部１２まで延び、そこにインペラ１６が固定されている。キャン２６は、ステータ１５とロータ２２の間を仕切るように配置されており、ステータ１５の外側は電動機外筒２８で覆われており、キャン２６と電動機外筒２８の両端は、円環条のエンドプレート３１，３２にて密封されている。

ポンプ側のエンドプレート３１は、ケーシング１８に固定された接続プレート３４に固定されている。反対側のエンドプレート３２には、軸受けホルダ３６が固定され、キャン２６と、２つのエンドプレート３１，３２と、軸受けホルダ３６にて、ロータ２２が配置されたキャン２６の内側の空間が密閉されると共に、ポンプ部１２と連通されている。シャフト２４は、接続プレート３４及び軸受けホルダ３６にそれぞれ固定された滑り軸受けである軸受け３８，４０にて支持され、取扱い流体が潤滑効果を発揮することになる。言い換えると、取扱い流体が無い状態で試験治具に取り付けて振動測定をする場合は、シャフト２４と軸受け３８，４０との隙間によるがたつきに対処する必要がある。

そこで、本実施形態に係る試験治具では、図２に示すようなシャフト固定具６１を用いてシャフトと軸受けとの隙間によるがたつきを低減させることにした。キャンドモータポンプ１０は、図３のポンプ部１２を取り外し、インペラ１６の代わりにトルク計内蔵アーム６２を有するスリーブ６３をシャフト２４にはめ込んでいる。シャフトにはめ込まれたトルク計内蔵アーム６２はアーム固定ボルトでスタンド６６に固定されている。トルク計内蔵アーム６２が固定されたスタンド６６は、アーム固定ボルトを固定するための穴と、振動を測定するためのセンサ５ｂと、シャフト固定具の質量を調整する複数枚の重りと、を有している。

本実施形態では、振動方向を垂直方向に集中させるため、トルク計内蔵アームを水平に配置すべく、スタンド６６のアーム固定ボルト６５の穴を設けた。電動機に交流電力を供給すると、トルク計内蔵アームが回転トルクによって重力方向にスタンド６６を押しつけ、シャフトは、スタンド６６から受ける垂直方向の反力により、軸受けに押し上げられてシャフトと軸受けの隙間によるがたつきが低減されることになる。また、シャフト固定具の質量をロータ等の質量と等しくなるように調整することにより、押し上げられた部分を支点としてロータとシャフト固定具が釣り合い、ロータによって発生する振動をシャフト固定部のセンサ５ｂで効率よく測定することが可能となる。

次に、試験治具に取り付けられた電動機の振動モデルについて概説する。本発明で特徴的な事項は測定作業を簡略化するため、ロータを取り外すことなく、ワニス固着力低下による巻線の振動を検出するものである。一般的には、ロータを挿入した状態でステータ一次巻線に定格電流を超える大電流を通電するためには、負荷率を強制的に上昇させることが必要であり、負荷率を増減することのできる専用装置が必要となる。そこで、本実施形態では、シャフト固定治具によりロータの回転を止め、ロータが回転することで発生する振動、及び、ロータとステータの相互間に働く電磁力により発生する振動を低減させると共に、ロータが発生する加振力を後述する振動伝達防止台で分離しつつ、コイル自身の緩みによる振動を強調させる試験治具となるように質量、バネ定数及び減衰係数を設定した。

図４の振動モデルの概要を説明する。振動モデルは、（Ａ）ステータモデル７２と、（Ｂ）ロータモデル７３と、（Ｃ）シャフト固定モデル７４と、ロータモデル７３とシャフト固定モデル７４を機械的に接続するシーソモデル７１と、を有する並進多自由度系の振動モデルである。このモデルは、電動機外筒の振動を測定するセンサ５ａと、シャフト固定具の振動を測定するセンサ５ｂにより、ステータとロータの振動を分けて測定するための構成を示している。また、巻線の振動を含むステータの振動を効率よく取り出す振動モデルとするため、振動方向を垂直方向に集中させることで振動モデルを簡略化した。

ステータモデル７２は、巻線を有するステータを質量ｍ₁（ｋｇ），バネ定数ｋ₁（Ｎ／ｍ），速度に比例する減衰係数ｃ₁（Ｎ・ｓ／ｍ），グランドの変位をｘ₀，質量ｍ₁の変位をｘ₁として表現している。ロータモデル７３は、ステータモデル７２に接続されており、シャフトを有するロータを質量ｍ₂，バネ定数ｋ₂，減衰係数ｃ₂，質量ｍ₂の変位をｘ₂として表現している。

シャフト固定モデル７４は、質量ｍ₃，バネ定数ｋ₃，減衰係数ｃ₃、グランドの変位をｘ₀，質量ｍ₃の変位をｘ₃として表現している。また、シャフト固定モデル７４は、軸受けとシャフト及びトルク計内蔵アームをモデル化したシーソモデル７１を介してロータモデル７３に接続されており、シャフト固定モデル７４は、ロータモデル７３とほぼ同じ質量ｍ₃を有することにより、ロータモデル７３と釣り合うように構成されている。

最初にステータモデル７２の運動方程式について述べる。ステータモデル７２は、図４の符号Ａで示した範囲のように、質量ｍ₁を挟んでグランド側のバネ定数ｋ₁，減衰係数ｃ₁と、質量ｍ₂側のバネ定数ｋ₂，減衰係数ｃ₂と、によって式１として表現することができる。ここで、バネ定数は変位に応じた特性を示し、減衰係数は速度に応じた特性示すことになり、式１に示すように左辺がグランド側の項で、右辺が質量ｍ₂側の項を有する式となる。

次に、質量ｍ₁がグランドであると仮定すると、符号Ｂで示した範囲のようなロータモデル７３と、符号Ｃで示した範囲のようなシャフト固定モデル７４とは、質量ｍ２と質量ｍ３とによって同様に表現することができる。また、ロータモデル７３には、交流電力を供給することにより発生する励振力の振幅Ｐ（Ｎ），角振動数（円振動数：ｒａｄ／ｓ）としてＰｃｏｓωｔが加わると仮定すると、式２に示すような左辺がロータ側の項、右辺がシャフト固定側の項となり、それぞれＰｃｏｓωｔと等しい式となる。

ここで、励振力を発生するロータモデル７３に着目して式２を変形すると式３が求まり、式１の右辺と同じ項になる。

得られた式３を式１へ代入すると式４のようなステータモデルとロータモデルに関係する式となる。

ここで、ロータモデル７３とシャフト固定モデル７４とに加わる励振力がシーソ接続されていることから、式５のように逆位相の値となると仮定する。

式５を式４に代入して左辺にステータモデル７２の項とロータモデル７３の項とを移動させると、ロータモデル７３の励振力とステータモデルとシャフト固定モデル７４とが関連する式６となる。

式６を変形して左辺にステータモデルとシャフト固定モデル７４の項をまとめると式７に示すように、ステータの加速度からシャフト固定具の加速度を差し引いた値が励振力Ｐｃｏｓωｔに関係する所定の値を持つことが分かる。

次に、本実施形態における劣化診断装置の試験の流れを図７のフローチャートと図１を用いて説明する。試験方法は、図１のロータ２２がステータ１５に組み付けられた状態で定格電流のｎ倍の電流が流れるように交流電圧を印加し、その時の振動を測定して診断する。

最初に、ステップＳ１０において、電動機１４のシリアルナンバーに基づいて製造時のステータ質量及びロータ質量、振動特性、使用時間、メンテナンス記録等の経時情報を劣化情報データベース３（以下、ＤＢと略す。）から情報を取得してステップＳ１２へ移る。

次に、ステップＳ１２において、電動機を試験治具６０に取り付け、ロータ２２が回転しないようにシャフト固定具６１をシャフトに取り付ける。ここで、電動機（ステータ側）を固定する振動伝達防止台５１と、シャフト固定具６１を支持する振動伝達防止台５２は振動が伝達しないように分離されている。また、振動を検出するセンサ５ａ，５ｂ（加速度計）を電動機１４とシャフト固定具６１に取り付け、シャフト固定具からのトルク計出力を劣化診断装置２に接続すると共に、劣化診断装置２によって制御される電源４を電動機１４に接続する。

次に、ステップＳ１４において、劣化診断装置に印加する電流の設定を行う。定格電流の設定は、例えば、定格電流の０．５倍（５０％）／１．０倍（１００％）／１．２５倍（１２５％）／１．５倍（１５０％）／１．７５倍（１７５％）／２．０倍（２００％）／３．０倍（３００％）の電流が流れるようにする。電流が電動機１４に印加されると、ステップＳ１６において、測定信号の測定を行うため、振動計アンプ６で増幅された信号をＦＦＴアナライザ７にて周波数分析すると共にトルク計の出力を取得する。分析結果には、振動伝達防止台の共振周波数（例えば、１０Ｈｚに設定）と、交流電圧の周波数ｆＨｚのｎ次数にピークが現れる。電動機１４に取り付けたセンサ５ａの振動成分は、ロータの振動成分とステータ（巻線）の振動成分を含み、シャフト固定具６１に取り付けたセンサ５ｂの振動成分は、ロータの振動成分が主な成分となる。

次に、ステップＳ１８において、センサ５ａとセンサ５ｂとの差分値を演算して、「ワニス固着力低下による振動成分」を検出することが可能となる。ステップＳ２０において特徴的な２ｆ成分をはじめとするｎ倍周波数の成分を取り出し、ステップＳ２２に移る。ステップＳ２２において、劣化情報ＤＢに取り出した結果を定格電流値及びトルク値と共に格納する。ステップＳ２４において、上記処理を定格の３００％まで繰り返して試験を行う。

一連の試験が終了した後に、ステップＳ２６において、劣化情報ＤＢから格納したデータを読み出す。ステップＳ２８において、過去に測定した結果と比較する傾向管理を行うことにより、データ値が上昇傾向にあれば、ワニスの固着力の低下によりコイル振動が大きくなることが考えられ、絶縁状態が悪くなる傾向にあることが判断でき、電動機絶縁状態の良否判定が可能となる。

図５は劣化診断装置３０で測定した特性図の一例であり、横軸には周波数、縦軸には振動値を示している。図中、交流電圧の周波数６０Ｈｚのｎ倍にピークが見られる一方、振動伝達防止台の共振周波数である１０Ｈｚにもピークが見られる。このように、２つの振動伝達防止台は電動機の回転を止めるだけでなく、２ｆに現れる巻線の振動数への影響を最小に抑えることにより巻線の振動値を効率的に検出することが可能となる。

さらに、ステータ側とシャフト側とで測定した振動値の差分によると、２ｆ以外にも差分が現れることから、２ｆだけで判定せず、例えば、２ｆ〜６ｆまでの差分に基づいてワニスの固着力の低下を判定することも好適である。

図６は劣化診断装置で測定した振動値と定格電流の倍率を５０％〜３００％まで測定した特性図である。図中、横軸に定格電流の倍率、縦軸に振動値及び電動機の使用年数による特性を示している。

特性図より、使用年数１５年以下のものは定格電流の倍率を変化させても振動値に変化はなく、ワニスの固着力が低下していないことを示している。使用年数２０年、３０年と使用年数が増えるに従い、振動値の変化は大きくなることから、一応の規則性を見いだすことができた。

これに対して、使用年数が２０年程度のものでも、ワニスの固着力が低下している劣化品では、通常の使用年数品と比べて振動値が大きく、定格電流の倍率にも比例して振動値が大きくなることから、劣化品の判定は可能であることが分かる。

以上、上述したように、本実施形態に係る劣化診断装置を用いて、納入初期時の電磁振動を計測しておき、また、定期点検時にそのデータを取得することで、経時変化を読み取ることが可能である。また、そのデータが徐々に増加傾向にあるならば、コイルを固定しているワニスの固着力が低下していると考えられ電動機の絶縁状態が悪化していると判断できるという利点がある。

従って、定期的にデータを収集することにより、電動機の健全性を把握し、予防保全に役立たせる。さらに、計画的な保全が可能となり、プラントへの影響も小さく済ませることができる。また、本実施形態に係る劣化診断装置を用いることにより、電動機を分解することなく、ロータを挿入したまま、試験を実施できるので、試験工数も少なくできるという利点がある。

なお、本実施形態では、２つの振動伝達防止台を用いて電動機とシャフト固定治具を支持したが、振動伝達防止台は単なる振動の伝達を防止するという機能の他に、振動方向を垂直方向に集中させるため、支持する構造物の重心を考慮してコイルスプリングやゴム等の弾性体及び、減衰材料としてのダンパーや制振樹脂等を配置することが必要であることはいうまでもない。

２制御装置、３劣化情報データベース、４電源、５センサ、６振動計アンプ、７ＦＦＴアナライザ、８ａ表示器、８ｂ入力器、１０キャンドモータポンプ、１１端子部、１２ポンプ部、１４電動機、１５ステータ、１６インペラ、１８ケーシング、２２ロータ、２４シャフト、２６キャン、２８電動機外筒、３０劣化診断装置、３１，３２エンドプレート、３４接続プレート、３６軸受けホルダ、３８，４０軸受け、４２スタンド、５１，５２振動伝達防止台、６０試験治具、６１シャフト固定具、６２トルク計内蔵アーム、６３スリーブ、６５アーム固定ボルト、６６スタンド、７１シーソモデル、７２ステータモデル、７３ロータモデル、７４シャフト固定モデル。

Claims

ロータとステータとを有する電動機を試験治具に取り付け、取り付けられた電動機の巻線絶縁状態を診断する劣化診断装置において、
試験治具は、
電動機を固定する電動機固定治具と、
電動機のシャフトに嵌り込むスリーブにアームが設けられたアーム付きスリーブを固定するシャフト固定治具と、
電動機固定治具とシャフト固定治具とを別々に支持し、互いの振動を絶縁する振動絶縁台と、
交流電圧を電動機に供給することで電動機を励振する電力供給手段と、を有し、
劣化診断装置は、
ステータに巻き付けられた巻線の振動値を含む電動機固定治具の振動値を測定する第１の振動測定手段と、
シャフトに接続されたシャフト固定治具の振動値を測定する第２の振動測定手段と、
電動機固定治具の振動値とシャフト固定治具の振動値との差分を算出する差分算出手段と、を有し
差分算出手段から算出された振動値に基づいて電動機の巻線絶縁状態を診断することを特徴とする劣化診断装置。
請求項１に記載の劣化診断装置において、
シャフト固定治具は、予め測定された電動機固定治具の質量とシャフト固定治具の質量とシャフトを有するロータの質量とに基づき、シャフト固定治具の質量がシャフトを有するロータの質量と等しくなるようにシャフト固定治具の質量を調整する調整手段を有することを特徴とする劣化診断装置。
請求項１又は２に記載の劣化診断装置において、
電力供給手段は、予め設定された交流電圧を電動機の巻線に供給し、
巻線に印加された交流電圧のｎ次周波数（ｎは自然数）で励振される振動値に基づいて電動機の劣化状態を診断することを特徴とする劣化診断装置。