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JP6159793B2 - 表面電位分布計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機の電界緩和システムの表面電位分布を計測するための表面電位分布計測装置に関する。
インバータにより回転電機を駆動させるインバータ駆動回転電機システムが開発され普及してきている。このインバータ駆動回転電機システムにおいて、インバータは、スイッチング動作により直流電圧からパルス電圧に変換し、そのパルス電圧を、ケーブルを介して回転電機に供給する。回転電機は、このパルス電圧により駆動される。
従来、高電圧回転電機では、特に固定子コイルの鉄心端部付近で発生する部分放電や発熱の発生を防ぐために、固定子鉄心端部付近のコイル表面に、固定子鉄心スロット内から導出される低抵抗層とこの低抵抗層に一部重ねて形成される電界緩和層とを組み合わせた電界緩和システムが設けられる例が多い。
一方、インバータ駆動回転電機システムでは、インバータとケーブルと回転電機とのインピーダンス不整合により、反射波が発生する。その反射波がパルス電圧に重畳することにより、ケーブルと回転電機との間の部分、特に、ケーブルと回転電機との接続部で、高電圧ノイズ、いわゆる、インバータサージが発生する可能性がある。
これらインバータサージを含むパルス電圧(以下、インバータパルス電圧と称する)が繰り返し発生した場合、上述した鉄心端部の固定子コイル(以下、固定子コイルエンドと称する)には、商用周波数による運転時に発生する部分放電や発熱がより大きくなり、電界緩和システム上でも、信頼性に支障をきたす部分放電や発熱が生じ、最終的に、固定子コイルの信頼性を著しく減じる可能性がある。
この部分放電や発熱の発生は電界緩和システムの表面電位に依存する(非特許文献1参照)。そのため、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を正しく計測する技術が強く望まれてきた。
特開2011−22007号公報
熊田亜紀子、千葉政邦、日高邦彦 「ポッケルス効果を用いた負極性沿面放電進展時の電位分布直接測定」 電気学会論文誌A Vol.118−A No.6 pp.723−728 (1998−6) Hirokazu Matsumoto, Shigeyasu Matsuoka, Akiko Kumada, Kunihiko Hidaka, "Oscillatory Waveform Caused by Piezoelectric Vibration of Pockels Crystal and its Effective Suppression", IEEJ TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING, 6: 1-6 (2011)
表面電位を計測する場合、通常、表面電位計が用いられる。たとえば特許文献1に記載された技術では、電界緩和システムにプローブを接触または接近させて、表面電位計で計測される表面電位を用いて非線形抵抗を算出している。
しかし、インバータパルス電圧は、kHzオーダー以上の高周波成分を有している。この場合、表面電位計は、上述の高周波成分に追従できず、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。
また、プローブには、通常、金属材料が用いられる。このため、電界緩和システムにプローブを接触または接近させる方法では、電界緩和システムとプローブとの間で静電気が発生する可能性がある。また、インバータサージが発生したときなどには電界緩和システムとプローブとの間でコロナ放電が発生する可能性がある。このように、測定点に金属材料を用いる場合、測定対象への擾乱により、インバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができない。
このために、ポッケルス結晶を用いて、電界緩和システムの表面電位に応じて変化する屈折率の変化に起因する光度変化を計測することによって電界緩和システムの表面電位を計測する技術が開発されている(非特許文献1)。
一方、ポッケルス結晶に特定の周波数の電圧を印加すると、ポッケルス結晶の長手方向の側面に面外振動が発生し、この振動に起因して、出力光度に振動成分が重畳するという問題があった。
この振動についての研究の結果、この振動は、ポッケルス結晶の形状、寸法に依存することが確認された。この問題に関するこれまでの試験、解析の結果、ポッケルス結晶の形状を、長手方向にテーパ付とすることによりこの振動が抑制されることが確認された(非特許文献2)。
しかしながら、ポッケルス結晶をテーパ付とすることにより先端が細くなり、構造上の強度が低下する。このため、テーパ付のポッケルス結晶を電界緩和システムの表面電位の計測に使用することについては、結晶が傷ついたり欠けたりすることにより計測機能が喪失する、あるいは高価な結晶を再度製作する必要が生ずるなどの可能性があるという問題があった。
そこで、本発明は、テーパ付のポッケルス結晶の健全性を損なうことなくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明は、回転電機の固定子の固定子コイル端部である固定子コイルエンドの長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第1の端面から入射されるポッケルス結晶と、その表面が前記ポッケルス結晶の前記第1の端面の反対側の第2の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面と前記第2の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、少なくとも前記ポッケルス結晶を保持し移動する保持搭載部と、前記ミラーの裏面に各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、前記ミラーの裏面が前記電界緩和システムの表面の一部を試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性に基づいて、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、を具備し、前記ポッケルス結晶は、軸方向に沿って前記軸方向に垂直な断面の大きさが変化するように形成され、前記保持搭載部は、前記ポッケルス結晶の構造を保護する保護部と、前記ポッケルス結晶を把持し前記ポッケルス結晶と一体で前記保護部に沿って移動するポッケルス結晶把持部と、前記ポッケルス結晶を前記電界緩和システムの表面電位の計測のために移動させる移動部と、前記移動部を制御する駆動制御部と、を有し、前記保護部には、前記ポッケルス結晶の前記第2の端部の前記保護部からの突出が制限されるように、前記ポッケルス結晶把持部の移動を制限する移動制限部が形成されている、ことを特徴とする。
また、本発明は、回転電機の固定子の固定子コイル端部である固定子コイルエンドの長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第1の端面から入射されるポッケルス結晶と、その表面が前記ポッケルス結晶の前記第1の端面の反対側の第2の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面と前記第2の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、少なくとも前記ポッケルス結晶を保持し移動する保持搭載部と、前記ミラーの裏面に各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、前記ミラーの裏面が前記電界緩和システムの表面の一部を試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性に基づいて、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、を具備し、前記ポッケルス結晶は、軸方向に沿って前記第1の端面から前記第2の端面に向かって次第に細くなるように形成されており、前記保持搭載部は、前記ポッケルス結晶の構造を保護する保護部と、前記ポッケルス結晶を前記電界緩和システムの表面電位の計測のために移動させる移動部と、前記移動部を制御する駆動制御部と、を有し、前記保護部には、前記ポッケルス結晶が移動するために前記ポッケルス結晶の移動方向に貫通するガイド孔が形成され、前記ガイド孔は、前記ポッケルス結晶の前記第2の端部の前記保護部からの突出が制限されるように、前記電界緩和システムに向かって次第に細くなるように形成されている、ことを特徴とする。
本発明によれば、テーパ付のポッケルス結晶の健全性を損なうことなくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システムの表面電位を計測することができる。
第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を示す斜視図である。 第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の電圧校正処理の手順を示すフロー図である。 第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の表面電位測定の手順を示すフロー図である。 第2の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第3の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第4の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。 第5の実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を含む固定子の立断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る表面電位分布計測装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を示す斜視図である。また、図2は、第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。
本発明の実施形態に係る表面電位分布計測装置70は、回転電機に施される電界緩和システム3に適用される。まず、計測対象である電界緩和システム3を含む回転電機の構成について説明する。
回転電機は固定子2(図8参照)と回転子(図示せず)とを具備している。回転子は固定子2の内部に配置されて回転軸(図示せず)まわりを回転する。回転子は回転軸と回転子コア(図示せず)と回転子コイル(図示せず)とを具備している。回転子コアは回転軸とともに回転する。回転子コイルは回転子コアに巻回される。
固定子2は、固定子コア7と、固定子コイルと、主絶縁層4とを具備している。
固定子コア7は、回転子の径方向外側に所定の間隔をあけて配置される。固定子コア7の内周縁に沿って周方向に所定の間隔をあけて複数のスロットが形成されている。
そのスロット内には、固定子コイル導体1である型巻コイルが収納される。固定子コア7の外では型巻コイル同士が結線される。すなわち、型巻コイル同士が電気的に接続され、固定子コイルが製作される。この固定子コイルがU相、V相、W相に対して製作されることにより、U相、V相、W相の三相巻線コイルが製作される。
固定子コイル導体1の外周には、固定子コイル導体1に対して絶縁被覆を行うための主絶縁層4が設けられる。具体的には、固定子コイル導体1の外周には、マイカエポキシを主成分とする対地絶縁テープが主絶縁層4として巻回される。
主絶縁層4が設けられた固定子コイルの端部(以下、固定子コイルエンドと称する)8は直接発電に寄与する部分ではないため、固定子コイルエンド8における型巻コイル同士の結線部が3次元的に曲げられた(湾曲された)形状が採用される。いわゆる、インボリュート形状が採用される。これにより、回転電機をコンパクトにすることができる。
固定子コイルエンド8には、後述のコロナ放電の発生を防ぐための電界緩和システム3が施される。電界緩和システム3は、低抵抗層5と、電界緩和層6とを有している。
固定子コイルエンド8の主絶縁層4と固定子コア7のスロット壁面に面する部分との間では、コロナ放電である部分放電が発生する可能性がある。その部分放電の発生を防ぐために、主絶縁層4の外周には、低抵抗層5が設けられる。
具体的には、主絶縁層4の外周には、主絶縁層4が固定子コア7の内周に対面する部分から、主絶縁層4が固定子コア7の外に露出される部分まで、低抵抗半導電テープが低抵抗層5として巻回される。固定子コア7の外に設けられた低抵抗層5の幅は数十mm程度である。
低抵抗層5は固定子コア7とともに接地される。そのため、固定子コイル導体1に電圧(交流電圧)が印加された場合、固定子コイル導体1が駆動電極となり、低抵抗層5が接地電極となる。この場合、固定子コイル導体1と固定子コア7内の低抵抗層5との間で生じる等電位線はほぼ並行となる。
一方、固定子コイル導体1と固定子コイルエンド8における低抵抗層5との間で生じる等電位線は、主絶縁層4の厚み方向に分布する。固定子コイルエンド8では、主絶縁層4と固定子コイル導体1との比誘電率の相違や固定子コイル導体1の表面の抵抗率に依存して等電位線が密に分布する。
このため、固定子コイルエンド8の表面では電位傾度が大きくなり、固定子コイルエンド8の沿面方向に電界が集中する。特に、低抵抗層5の端部においては、電位傾度が著しく大きくなり、コロナ放電である部分放電または沿面放電が発生しやすくなる。
したがって、部分放電または沿面放電の発生を防ぐために、低抵抗層5の端部と固定子コイルエンド8の主絶縁層4との外周には、電界緩和層6が設けられる。
具体的には、固定子コイルエンド8の主絶縁層4の外周には、電位傾度を緩やかにするための高抵抗半導電テープが電界緩和層6として、低抵抗層5の端部を覆うように巻回される。
表面電位分布計測装置70は、固定子コイルエンド8に施された電界緩和システム3の表面電位を計測する。なお、本実施形態では、単独の固定子コイル導体1の電界緩和システム3を測定対象として説明する。
表面電位分布計測装置70は、計測装置本体10(図2参照)、演算装置20および保持搭載部30を備える。
計測装置本体10は、半導体レーザ発生器(以下、レーザ光源と称する)13、偏光ビームスプリッタ(以下、PBSと称する)15、ポッケルス結晶11、誘電体ミラー(以下、ミラーと称する)14、光検出器16を有する。
レーザ光源13は、電界緩和システム3の長手方向(y方向)に垂直な入射方向(x方向)に向かって、レーザ光を出射する。そのレーザ光は、その波長が532.0nmであり、最大出力が10mWであり、口径が0.34mmである。ここではレーザ光の波長を、532.0nmとしているが、ポッケルス結晶11内や光学部品内を大きく減衰することなく伝搬できればこれと異なる波長でもよい。
レーザ光は直線偏光であり、その直線偏光の偏波面は、入射方向(x方向)および電界緩和システム3の長手方向(y方向)に垂直な方向(z方向)に対して平行である。
PBS15は、上記直線偏光だけを通過させる。PBS15は、レーザ光源13から出射されたレーザ光を入射方向(x方向)に向かって通過させる。
ポッケルス結晶11は、その軸方向が入射方向(x方向)に平行になるように配置され、レーザ光源13およびPBS15とともに入射方向(x方向)に並べて配置されている。
ポッケルス結晶11は、第1の端面11aと第2の端面11bとの間で第1の端面11aから第2の端面11bに向かって軸方向(x方向)に延びている。また、ポッケルス結晶11の軸方向に沿って、軸方向に垂直な断面(横断面)の大きさが変化するように形成されている。
本実施形態では、ポッケルス結晶11は、軸方向に垂直な断面の形状は正方形であり、x方向に沿って正方形の辺の長さが直線的に減少する。
また、軸方向に延びたポッケルス結晶11の4つの側面のうち隣接する2つの側面は軸方向に平行な面であり、残る2つの面は軸方向に対して傾斜している。
ポッケルス結晶11の第1の端面11aは接地されているか、または、ポッケルス結晶11の第1の端面11aは電源装置により0[V]になっている。
PBS15からのレーザ光は、ポッケルス結晶11の第1の端面11aに入射され、ポッケルス結晶11の第1の端面11aに交わらない第2の端面11bに向かう。
ミラー14の表面は、ポッケルス結晶11の第2の端面11bに設けられている。ミラー14の裏面であるポッケルス結晶11の第2の端面11bは電界緩和システム3の周囲の電磁場の影響を受けて電圧が印加された状態になっている。
ミラー14の裏面は、試験箇所すなわち電界緩和システム3の試験対象部分に対して所定距離だけ離れて設けられる。この所定距離は、電界緩和システム3表面の樹脂の凹凸の程度、空間分解能等を考慮して設定される。
ミラー14は、ポッケルス結晶11の第1の端面11aから入射されたレーザ光を入射方向(x方向)とは反対方向に反射する。
ポッケルス結晶11は、「結晶点群3m」に属する圧電性のある等方性結晶であり、ポッケルス効果を発生させる。ポッケルス効果とは、誘電体の等方性結晶が電場に置かれたとき、あるいは電圧をかけられたときに複屈折性を示す現象である。
すなわち、かかった電圧に依存して屈折率が変化するものである。この結果として光強度が変化する。ポッケルス結晶11としては、BGO(たとえばBi12GeO20)結晶などが例示される。
ポッケルス結晶は、結晶方位と入射光の伝搬方向との成す向きにより、外部電場の光の伝搬方向と平行もしくは垂直な成分に対して感度を持たせることができる。前者は縦型変調、後者は横型変調と呼ばれる。
「結晶点群3m」に属するポッケルス結晶は縦型変調配置が行える結晶であり、縦型変調配置とした場合、光強度は、外部電場の光路に平行な成分の積分値、即ち電圧に比例して変化する。
ミラー14により反射されたレーザ光の光強度は、ポッケルス結晶11の第1の端面11aと第2の端面11bとの間の電位差である出力電圧VPoutに対応する。
PBS15は、ミラー14により反射されたレーザ光を長手方向y(本実施形態では長手方向yとは反対方向)に通過させる。
光検出器16は、インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有している。その光検出器16は、PBS15に対して長手方向y(本実施形態では長手方向yとは反対方向)に配置されている。光検出器16にはPBS15からのレーザ光が入射される。光検出器16は、そのレーザ光の光強度として、検出光強度Poutを検出する。
検出光強度Poutは、ポッケルス結晶11の第1の端面11aと第2の端面11bとの間の電位差である出力電圧VPoutに対応する。その検出光強度Poutは、出力電圧VPoutの余弦関数として下式のように表される。
Pout
=(Pin/2)×{1−cos(π(VPout/Vπ)−θ0)}
上記余弦関数において、Pinはポッケルス結晶11の入射光強度であり、Vπは半波長電圧であり、θ0は波長板によって与える位相差(任意)である。本実施形態では、検出光強度Poutにより、上記余弦関数の逆関数からポッケルス結晶11の出力電圧VPoutを求めている。
ポッケルス結晶11は、たとえば100mm長と比較的長い結晶を用いているため、ポッケルス結晶11を近づけることによる誘電体表面の電界分布の乱れは小さい。そのため、ポッケルス結晶11の出力電圧VPoutは、測定対象である電界緩和システム3の表面電位に比例する。
演算装置20は、光検出器16および出力装置24に接続されたコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)と記憶装置とを備えている。
記憶装置にはコンピュータプログラムが格納され、CPUは、記憶装置からコンピュータプログラムを読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。出力装置24としては表示装置や印刷装置が例示される。
演算装置20は、CPUの機能ブロックとして、演算部21と、電圧校正データベース22と、表面電位測定データベース23とを有している。また演算装置20は、出力装置24と接続され出力装置24に演算結果を出力する。
保持搭載部30は、保護部31、筐体32、軸方向移動部35および軸方向移動部35を駆動する軸方向駆動部35a、長手方向移動部36および長手方向移動部36を駆動する長手方向駆動部36a、軸方向駆動部35aおよび長手方向駆動部36aを制御する駆動制御部37を有する。
保護部31は、ポッケルス結晶11を保護するために設けられている。保護部31は、ポッケルス結晶11の1つの傾斜面と同じ傾斜度であって軸方向に沿って逆方向に形成された側面を有しており、保護部31のこの側面は、ポッケルス結晶11の傾斜面に密着、固定されている。
保護部31の電界緩和システム3側の先端は、ポッケルス結晶11の第2の端面11bおよびミラー14よりも突出するように保護部31とポッケルス結晶11との相対的位置が設定されている。このため、ポッケルス結晶11の第2の端面11bのミラー14が電界緩和システム3に到達する前に保護部31の先端が電界緩和システム3に到達し、ポッケルス結晶11が計測対象である電界緩和システム3に触れることがない。
なお、保護部31の電界緩和システム3側の先端には、先端切り欠き部31aが形成されている。これは、ポッケルス結晶11の第2の端面11bに誘電体が近づくと電界を乱すことから、先端切り欠き部31aを形成することによって、保護部31の先端とポッケルス結晶11の第2の端面11bとが隣接せず離れるようにするためである。
ポッケルス結晶11、PBS15および保護部31は筐体32内に取り付けられている。
筐体32は、軸方向移動部35上に搭載されている。軸方向移動部35は軸方向駆動部35aによって駆動されて軸方向(x方向)を前後する。
また、軸方向移動部35は、長手方向移動部36上に搭載されている。長手方向移動部36は長手方向駆動部36aによって駆動されて、長手方向(y方向)を前後する。
軸方向駆動部35aおよび長手方向駆動部36aは、駆動制御部37からの指令によって駆動を行う。また、軸方向駆動部35aおよび長手方向駆動部36aは、それぞれの走行方向と走行距離の情報を駆動制御部37に出力する。
次に、第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置70の動作について説明する。
表面電位分布計測装置70は、試験前に後述の電圧校正処理を行い、その後の試験時に後述の表面電位測定処理を行う。演算部21は、電圧校正処理により電圧校正データベース22を構築し、表面電位測定処理において電圧校正データベース22を参照する。演算部21には、たとえば試験者の入力操作により電圧校正処理または表面電位測定処理が設定される。
図3は、第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の電圧校正処理の手順を示すフロー図である。
まず、演算部21に電圧校正処理が設定される(ステップS11;電圧校正設定処理)。
次に、表面電位分布計測装置70のポッケルス結晶11の端部に設けられたミラー14の裏面に対して、たとえば50Hzの交流電圧が入力電圧Vin[kV]として印加される(ステップS12;入力電圧印加処理)。
このとき、レーザ光源13から出射されたレーザ光はPBS15およびポッケルス結晶11を介してミラー14により反射され、ミラー14により反射されたレーザ光はポッケルス結晶11およびPBS15を介して光検出器16に入射される。光検出器16は、PBS15からのレーザ光の光強度を検出光強度Poutとして検出する(ステップS13;光強度検出処理)。
電圧校正処理において、演算部21は、次の処理を行う。
まず、演算部21は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Poutからポッケルス結晶11の出力電圧VPout[V]を算出する。すなわち、検出光強度Poutから、検出光強度Poutに対応する出力電圧VPout[V]を導き出す(ステップS14;出力電圧算出処理)。
演算部21は、たとえば試験者の入力操作により入力される上記の入力電圧Vin[kV]とともに、上記出力電圧VPout[V]を電圧校正データベース22に格納する(ステップS15;出力電圧格納処理)。
その後、電圧校正処理を終了しない場合(ステップS16−NO)、入力電圧Vin[kV]を変えながら、上述のステップS11〜S15を繰り返す。
これにより、電圧校正データベース22には、各々異なる入力電圧Vin[kV]と、そのときのポッケルス結晶11の出力電圧VPout[V]との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納される。このような入力電圧対出力電圧特性が生成され、電圧校正データベース22が構築される。
電圧校正処理を終了する場合(ステップS16−YES)、演算部21は、電圧校正データベース22に格納された入力電圧対出力電圧特性を出力装置24に出力する。出力装置24が表示装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が表示装置に表示され、出力装置24が印刷装置である場合、入力電圧対出力電圧特性が印刷装置により印字される(ステップS17;入力電圧対出力電圧特性出力処理)。
図4は、第1の実施形態に係る表面電位分布計測装置の表面電位測定の手順を示すフロー図である。
まず、演算部21に表面電位測定処理が設定される(ステップS21;表面電位測定設定処理)。
次に、固定子コイルエンド8の両端部の電界緩和システム3の表面を順次測定するように、表面電位分布計測装置70のポッケルス結晶11の位置を選定し、駆動制御部37によって制御する(ステップS22;試験箇所配置処理)。
具体的には、駆動制御部37において、軸方向移動部35および長手方向移動部36の必要移動距離を演算し、軸方向駆動部35aおよび長手方向駆動部36aのそれぞれにそれぞれ駆動すべき距離指令を出力することにより、必要位置にポッケルス結晶11を移動させる。
この際、ポッケルス結晶11とともに保護部31も移動することにより、万が一ポッケルス結晶11の目標位置が、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3と干渉するように設定されてしまった場合でも、保護部31が先に電界緩和システム3に接触することから、ポッケルス結晶11に負荷がかかってポッケルス結晶11を傷つけるおそれはない。
次に、回転電機の固定子コイルに対して、たとえば周波数が50Hzであり、波高値が10kVの交流電圧が試験電圧として印加される(ステップS23;試験電圧印加処理)。
このとき、レーザ光源13から出射されたレーザ光はPBS15およびポッケルス結晶11を介してミラー14により反射され、ミラー14により反射されたレーザ光はポッケルス結晶11およびPBS15を介して光検出器16に入射される。光検出器16は、PBS15からのレーザ光の光強度を検出光強度Poutとして検出する(ステップS24;光強度検出処理)。
表面電位測定処理において、演算部21は、次の処理を行う。
まず、演算部21は、上述の余弦関数を用いて、検出光強度Poutからポッケルス結晶11の出力電圧VPout[V]を算出する。すなわち、検出光強度Poutから、検出光強度Poutに対応する出力電圧VPout[V]を導き出す。ここで、出力電圧VPout[V]を試験時出力電圧Vout[V]とする(ステップS25;出力電圧算出処理)。
演算部21は、電圧校正データベース22に格納された入力電圧対出力電圧特性から、試験時出力電圧Vout[V]に対応する入力電圧Vin[kV]を電界緩和システム3の表面電位Vsuf[kV]として特定する(ステップS26;表面電位特定処理)。
演算部21は、たとえば試験者の入力操作により入力される上述の試験箇所L[mm]とともに、上記表面電位Vsuf[kV]を表面電位測定データベース23に格納する(ステップS27;表面電位格納処理)。
その後、表面電位測定処理を終了しない場合(ステップS28−NO)、試験箇所L[mm]を変えながら、上述のステップS21〜S27を繰り返す。
終了と判定されたら(ステップS28−YES)、繰り返しを終了し、試験箇所対表面電位特性出力処理を行う(ステップS29)。
このようにして、ミラー14の裏面に対して、各々異なる位置に試験箇所が設けられたときに、演算部21は、各々異なる試験箇所と、そのときに特定される電界緩和システム3の表面電位Vsuf[kV]とを表面電位測定データベース23に格納する。
これにより、表面電位測定データベース23には、各々異なる試験箇所と、そのときに特定される電界緩和システム3の表面電位Vsuf[kV]との関係を示す試験箇所対表面電位特性が格納される。
以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶11を使用することにより、電圧印加時のポッケルス結晶11の側面の面外振動を抑制して、この面外振動に伴うノイズを抑制し、精度の良い計測をすることができる。
さらに、ポッケルス結晶11の保護部31を設けることによって、ポッケルス結晶11の健全性を損なうことなくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム3の表面電位を計測することができる。
[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。
本実施形態においては、保護部31にギャップセンサ41が設けられている。ギャップセンサ41は、当該ギャップセンサ41と計測対象である電界緩和システム3との間隔を計測して、その間隔を駆動制御部37に出力する。
駆動制御部37は、ギャップセンサ41からのギャップ出力が所定の目標値となるように、軸方向駆動部35aを制御する。ここで、目標値は、ポッケルス結晶11と電界緩和システム3との間隙寸法を望ましい寸法とするような値に設定される。
以上のような本実施形態によれば、電界緩和システム3の長手方向に沿っての計測において、仮に長手方向移動部36の移動方向が電界緩和システム3の長手方向に平行に設定されていない場合でも、軸方向駆動部35aがギャップセンサ41からのギャップ出力が一定となるようにポッケルス結晶11と電界緩和システム3との間隔を制御する。
すなわち、ポッケルス結晶11は、電界緩和システム3に沿って移動する際には、電界緩和システム3と平行に移動する。
この結果、電圧校正処理の際に、ポッケルス結晶11と計測対象との間隔をパラメータにした広範な校正処理を行う必要がなくなる。すなわち、特定の間隔における校正を行って、表面電位測定のステップにおいては校正時のギャップになるようにギャップセンサ41でのギャップ目標値を設定することにより、測定精度を確保することができる。
以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶11の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム3の表面電位を計測することができる。
[第3の実施形態]
図6は、第3の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。
本実施形態においては、ポッケルス結晶11の側面をポッケルス結晶把持部51が把持している。ポッケルス結晶把持部51は、ポッケルス結晶11に有意な歪を生じない程度の力でポッケルス結晶11を把持している。
ポッケルス結晶把持部51は、ポッケルス結晶11を把持した状態で軸方向に駆動される。ポッケルス結晶把持部51は、保護部52に形成された凹部である移動制限部53と一部嵌め合い部分を有する。
移動制限部53とポッケルス結晶把持部51との嵌め合いは、ポッケルス結晶把持部51が、軸方向に駆動されて最も電界緩和システム3に近づいた場合にも、ポッケルス結晶11の第2の端面11bおよびミラー14が保護部52の電界緩和システム3側の端部よりも突出しないように形成されている。
なお、保護部52の電界緩和システム3側の先端には、保護部52の先端とポッケルス結晶11の第2の端面11bとが離れるように先端切り欠き部54が形成されている。
以上のような本実施形態によれば、電界緩和システム3の長手方向に沿っての計測において、万が一ポッケルス結晶11の目標位置が、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3と干渉するように設定されてしまった場合でも、保護部52よりは突出しないように形成されており、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3と接触してポッケルス結晶11が傷つけられるおそれはない。
以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶11の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム3の表面電位を計測することができる。
[第4の実施形態]
図7は、第4の実施形態に係る表面電位分布計測装置のポッケルス結晶を含む本体部分の長手方向の平断面図である。本実施形態は、第3の実施形態の変形である。
保護部55には、ポッケルス結晶11が移動できるガイド孔56が形成されている。ガイド孔56は、ポッケルス結晶11の長手方向に貫通している。ガイド孔56は、ポッケルス結晶11の第1の端面11aに対応する側から第2の端面11bに対応する側に向けて、面積が小さくなっていくように形成されている。ガイド孔56の面積は、ポッケルス結晶11が保護部55から突出しない位置で停止するような大きさに設定されている。なお、突出しないことには限定されない。突出する場合にその突出する長さを制限することでもよい。
また、ポッケルス結晶11が移動制限された状態においてポッケルス結晶11に局部的に荷重がかからないように、ガイド孔56の4つの内側側面は、ポッケルス結晶11の4つの側面と同じ傾斜をもって形成されていることが望ましい。
ポッケルス結晶11は、テーパが形成されていない側の側面を、この側面に対向するガイド孔56の内側側面に沿って移動する。
保護部55の電界緩和システム3側の先端には、保護部55の先端とポッケルス結晶11の第2の端面11bとが離れるように先端切り欠き部55aが形成されている。また、先端切り欠き部55aが形成された保護部55の先端の円筒部分(先端切り欠き部55aの周囲)の長さは、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3側に最も突出してもポッケルス結晶11よりも円筒部分の先端が電界緩和システム3側に近いように形成されている。
なお、円筒部分がなく、ポッケルス結晶11が保護部55より電界緩和システム3側に突出する場合でも、ギャップセンサなどによって、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3に接触することがないようにポッケルス結晶11と電界緩和システム3の間隔が確保されることが担保できれば、円筒部分がないことでもよい。
以上のような本実施形態によれば、第3の実施形態におけるポッケルス結晶把持部51のような特別な部分を付加しなくとも、ポッケルス結晶11にテーパ部が形成されていることを利用してポッケルス結晶11を保護することができる。すなわち、ポッケルス結晶11の目標位置が、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3と干渉するように設定されてしまった場合でも、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3に近づくほどガイド孔56が狭くなるため、途中でガイド孔56内に止まる。このような移動制限構造によって、保護部52の端面より内側に止まる。あるいは保護部52より極端に突出することがない、この結果、ポッケルス結晶11が電界緩和システム3と接触してポッケルス結晶11が傷つけられるおそれはない。
以上のように、本実施形態によれば、テーパ付のポッケルス結晶11の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム3の表面電位を計測することができる。
[第5の実施形態]
図8は、第5の実施形態に係る表面電位分布計測装置の構成を含む固定子の立断面図である。
本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態は、それぞれの固定子コイル導体1の単独の試験の場合だけではなく、固定子2の各スロットに固定子コイル導体1が組み込まれ、結線された状態で計測を行う場合を示している。
固定子2は、固定子コア7と固定子コイルを備え円筒形状である。固定子コア7の内周面に沿って周方向に所定間隔をあけて複数のスロットが軸方向に延びて形成されている。
それぞれのスロット内には、固定子コイル導体1である型巻コイルが収納され、固定子コア7の外で型巻コイル同士が結線されている。また、固定子2は、固定子組立架台2a上に搭載されている。
図示しない回転子は固定子2内には組み込まれておらず、固定子2の内部は中空の状態である。
本実施形態における表面電位分布計測装置70は、この状態において固定子コイル導体1に電圧が印加されたときの電界緩和システム3の表面電位分布を計測する。
本実施形態における表面電位分布計測装置70は、計測装置本体10、演算装置20および保持搭載部30に加えて、支持台61、支持軸62および回転駆動部63をさらに有する。なお、演算装置20および駆動制御部37は図示を省略している。
支持軸62は、両端を支持台61に支持されて固定子2内の空間を貫通するように設置されている。支持軸62は、回転駆動部63により回転駆動される。
支持軸62は保持搭載部30を支持している。すなわち、支持軸62は、長手方向駆動部36aの取り付けられた長手方向移動部36を支持している。長手方向移動部36は、軸方向駆動部35aの取り付けられた軸方向移動部35を支持している。軸方向移動部35は計測装置本体10を支持している。
保持搭載部30は、支持軸62に支持され、軸方向駆動部64に駆動されて支持軸62の軸方向に沿って移動可能である。なお、本実施形態では移動可能としたが移動可能に限定されない。たとえば、両側の固定子端部に対応する支持軸62の軸方向位置に取り付け、取り外しが可能であってもよい。
以上のように構成された本実施形態においては、支持軸62上であって、両側の固定子端部に対応する位置に保持搭載部30を取り付けることによって、固定子内面の全周に保持搭載部30を近接させることができる。
保持搭載部30に取り付けられた計測装置本体10は、保持搭載部30の動きによって、ポッケルス結晶11の先端が、電界緩和システム3と適切な間隙を保ちながらそれぞれの位置での計測を行うことができる。
以上のように、本実施形態によれば、固定子に組み込まれた状態でも、テーパ付のポッケルス結晶11の健全性を損なうことなく、かつ、精度よくインバータパルス電圧の発生を想定した電界緩和システム3の表面電位を計測することができる。
[その他の実施形態]
以上、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。
たとえば、ポッケルス結晶の形状は断面が正方形の場合であって、辺の長さが軸方向に沿って直線的に減少する場合を示したが、これに限定されない。たとえば、ポッケルス結晶の形状は断面が長方形や多角形であってもよい。また、辺の長さが軸方向に沿って単調に減少するものであればよい。
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第2の実施形態におけるギャップセンサ41によるギャップ計測と、第3の実施形態における移動制限部53とポッケルス結晶把持部51との嵌め合い構造とを組み合わせてもよい。また、第2の実施形態におけるギャップセンサ41によるギャップ計測と、第4の実施形態における保護部55のガイド孔56による移動制限構造とを組み合わせてもよい。
さらに、これらと、第5の実施形態における固定子2の組立て状態においての固定子2への適用形態とを組み合わせてもよい。
さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。
1…固定子コイル導体、2…固定子、2a…固定子組立架台、3…電界緩和システム、4…主絶縁層、5…低抵抗層、6…電界緩和層、7…固定子コア、8…固定子コイルエンド、10…計測装置本体、11…ポッケルス結晶、11a…第1の端面、11b…第2の端面、13…レーザ光源、14…ミラー、15…PBS(偏光ビームスプリッタ)、16…光検出器、20…演算装置、21…演算部、22…電圧校正データベース、23…表面電位測定データベース、24…出力装置、30…保持搭載部、31…保護部、31a…先端切り欠き部、32…筐体、35…軸方向移動部(移動部)、35a…軸方向駆動部、36…長手方向移動部(移動部)、36a…長手方向駆動部、37…駆動制御部、41…ギャップセンサ、51…ポッケルス結晶把持部、52…保護部、53…移動制限部、54…先端切り欠き部、55…保護部、55a…先端切り欠き部、56…ガイド孔、61…支持台、62…支持軸、63…回転駆動部、64…軸方向駆動部、70…表面電位分布計測装置

Claims (9)

  1. 回転電機の固定子の固定子コイル端部である固定子コイルエンドの長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、
    レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第1の端面から入射されるポッケルス結晶と、
    その表面が前記ポッケルス結晶の前記第1の端面の反対側の第2の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、
    インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面と前記第2の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、
    少なくとも前記ポッケルス結晶を保持し移動する保持搭載部と、
    前記ミラーの裏面に各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、
    前記ミラーの裏面が前記電界緩和システムの表面の一部を試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性に基づいて、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、
    を具備し、
    前記ポッケルス結晶は、軸方向に沿って前記軸方向に垂直な断面の大きさが変化するように形成され、
    前記保持搭載部は、
    前記ポッケルス結晶の構造を保護する保護部と、
    前記ポッケルス結晶を把持し前記ポッケルス結晶と一体で前記保護部に沿って移動するポッケルス結晶把持部と、
    前記ポッケルス結晶を前記電界緩和システムの表面電位の計測のために移動させる移動部と、
    前記移動部を制御する駆動制御部と、
    を有し、
    前記保護部には、前記ポッケルス結晶の前記第2の端部の前記保護部からの突出が制限されるように、前記ポッケルス結晶把持部の移動を制限する移動制限部が形成されている、
    ことを特徴とする表面電位分布計測装置。
  2. 回転電機の固定子の固定子コイル端部である固定子コイルエンドの長手方向に沿って施された電界緩和システムの表面電位を計測する表面電位分布計測装置であって、
    レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が第1の端面から入射されるポッケルス結晶と、
    その表面が前記ポッケルス結晶の前記第1の端面の反対側の第2の端面に設けられて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面から入射された前記レーザ光を前記入射の方向と反対方向に反射するミラーと、
    インバータパルス電圧の高周波成分に追従する帯域を有し、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を受け入れて、前記ポッケルス結晶の前記第1の端面と前記第2の端面との間の電位差である出力電圧に対応する前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と、
    少なくとも前記ポッケルス結晶を保持し移動する保持搭載部と、
    前記ミラーの裏面に各々異なる入力電圧が印加されたときに、各々異なる前記入力電圧と前記ポッケルス結晶の前記出力電圧との関係を示す入力電圧対出力電圧特性が格納された電圧校正データベースと、
    前記ミラーの裏面が前記電界緩和システムの表面の一部を試験箇所として配置された場合に、前記固定子コイルに電圧が印加されたときの前記ポッケルス結晶の前記出力電圧を試験時出力電圧とし、前記電圧校正データベースに格納された前記入力電圧対出力電圧特性に基づいて、前記試験時出力電圧に対応する入力電圧を前記電界緩和システムの表面電位として特定する演算部と、
    を具備し、
    前記ポッケルス結晶は、軸方向に沿って前記第1の端面から前記第2の端面に向かって次第に細くなるように形成されており、
    前記保持搭載部は、
    前記ポッケルス結晶の構造を保護する保護部と、
    前記ポッケルス結晶を前記電界緩和システムの表面電位の計測のために移動させる移動部と、
    前記移動部を制御する駆動制御部と、
    を有し、
    前記保護部には、前記ポッケルス結晶が移動するために前記ポッケルス結晶の移動方向に貫通するガイド孔が形成され、
    前記ガイド孔は、前記ポッケルス結晶の前記第2の端部の前記保護部からの突出が制限されるように、前記電界緩和システムに向かって次第に細くなるように形成されている、
    ことを特徴とする表面電位分布計測装置。
  3. 前記保護部の前記軸方向の先端は、前記ポッケルス結晶の前記第2の端面より前記軸方向に突出していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面電位分布計測装置。
  4. 前記保持搭載部は、
    前記ポッケルス結晶および前記保護部を前記電界緩和システムの長手方向に移動させる長手方向移動部と、
    前記ポッケルス結晶および前記保護部を前記軸方向に移動させる軸方向移動部と、
    を有し、
    前記駆動制御部は前記長手方向移動部および前記軸方向移動部に移動指令を出力する、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
  5. 前記保持搭載部は、前記ポッケルス結晶と前記電界緩和システム間のギャップを計測してギャップ信号を前記駆動制御部に出力するギャップセンサをさらに有することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
  6. 回転可能であって前記保持搭載部を支持し前記固定子の軸中心に沿って延びた支持軸と、
    前記支持軸を回転駆動する回転駆動部と、
    前記支持軸を支持する支持台と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
  7. 直線偏光だけを通過させる偏光ビームスプリッタをさらに具備し、
    前記レーザ光源は、前記電界緩和システムへの入射方向に前記直線偏光である前記レーザ光を出射し、
    前記偏光ビームスプリッタは、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記入射方向に向かって通過させ、
    前記ポッケルス結晶は、その軸方向が前記入射方向に平行になるように配置され、前記レーザ光源および前記偏光ビームスプリッタとともに前記入射方向に並べて配置され、前記偏光ビームスプリッタからの前記レーザ光が前記第1の端面に入射され、
    前記偏光ビームスプリッタは、前記ミラーにより反射された前記レーザ光を前記軸方向に垂直な方向に通過させる、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
  8. 前記ポッケルス結晶の第1の端面は接地されている、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
  9. 前記ポッケルス結晶は、BGO結晶である、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の表面電位分布計測装置。
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