大型水力発電機におけるステーターとローター間の不均一なエアギャップ（一般に「エアギャップ偏心」と呼ばれる）は、ユニットの安定した動作と寿命に一連の悪影響を及ぼす可能性のある重大な故障モードです。
簡単に言えば、不均一なエアギャップは非対称な磁場分布を引き起こし、それが一連​​の電磁気的および機械的な問題を引き起こします。以下では、ステータ電流と電圧への影響、そしてその他の関連する悪影響について詳細に分析します。
I. 固定子電流への影響
これは最も直接的かつ明白な効果です。
1. 電流と波形の歪みの増加
原理：エアギャップが小さい領域では磁気抵抗が小さく、磁束密度が大きくなります。一方、エアギャップが大きい領域では磁気抵抗が大きくなり、磁束密度が小さくなります。この非対称磁場がステータ巻線に不平衡な起電力を誘起します。
性能：これにより、三相ステータ電流に不均衡が生じます。さらに重要な点として、多数の高次高調波、特に奇数次高調波（3次、5次、7次など）が電流波形に導入され、電流波形が滑らかな正弦波ではなく歪んだ波形になります。
2. 特性周波数を持つ電流成分の生成
原理：回転する偏心磁場は、基本電力周波数電流を変調する低周波変調源と同等です。
性能：ステータ電流スペクトルにサイドバンドが現れます。具体的には、基本周波数（50Hz）の両側に特性周波数成分が現れます。
3. 巻線の局所過熱
原理：電流の高調波成分は、固定子巻線の銅損（I²R損失）を増加させます。同時に、高調波電流は鉄心に渦電流損失とヒステリシス損失を発生させ、鉄損の増加につながります。
性能：固定子巻線と鉄心の局所的な温度が異常に上昇し、絶縁材料の許容限度を超え、絶縁の劣化が加速し、さらには短絡焼損事故を引き起こす可能性があります。
II. 固定子電圧への影響
電圧への影響は電流ほど直接的ではありませんが、同様に重要です。
1. 電圧波形の歪み
原理：発電機によって発生する起電力は、空隙磁束と直接関係しています。空隙が不均一であると磁束波形が歪み、その結果、誘導された固定子電圧波形も歪み、高調波電圧が発生します。
パフォーマンス: 出力電圧の品質が低下し、標準的な正弦波ではなくなります。
2. 電圧の不均衡
非対称性が著しく高い場合、三相出力電圧にある程度の不均衡が生じる可能性があります。
III. その他のより深刻な悪影響（電流および電圧の問題によって引き起こされる）
上記の電流と電圧の問題は、一連の連鎖反応をさらに引き起こし、多くの場合、より致命的になります。
1. 不均衡磁気引力（UMP）
これは、エアギャップの偏心の最も中核的かつ危険な結果です。
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原理：エアギャップが小さい側では、エアギャップが大きい側よりも磁力が大幅に大きくなります。この正味の磁力（UMP）により、ローターはエアギャップが小さい側へとさらに引き寄せられます。
悪循環：UMPはエアギャップの不均一性という問題を悪化させ、悪循環を形成します。偏心が大きいほどUMPは大きくなり、UMPが大きいほど偏心も大きくなります。
結果：
•振動と騒音の増加：ユニットは強力な周波数倍増振動（主に電源周波数の2倍、100Hz）を生成し、振動と騒音レベルが大幅に増加します。
• コンポーネントへの機械的損傷: 長期にわたる UMP は、ベアリングの摩耗、ジャーナルの疲労、シャフトの曲がりの増加を引き起こし、さらにはステーターとローターが互いに擦れ合う (相互摩擦と衝突) 原因となることもあり、これは壊滅的な障害です。
2. ユニットの振動の増加

情報源: 主に2つの側面から:
1.電磁振動：不平衡磁気吸引力（UMP）によって引き起こされ、その周波数は回転磁場とグリッド周波数に関連しています。
2. 機械的振動: ベアリングの摩耗、シャフトのずれ、および UMP によって引き起こされるその他の問題によって発生します。
結果: 発電機セット全体(タービンを含む)の安定した動作に影響を与え、発電所構造の安全性を脅かします。
3. 系統連系と電力システムへの影響
電圧波形の歪みと電流高調波はプラントの電力システムを汚染し、グリッドに注入されます。これにより、同じバス上の他の機器の正常な動作に影響を及ぼし、電力品質要件を満たさなくなります。
4. 効率と出力の低下
追加の高調波損失と加熱により発電機の効率が低下し、同じ入力水力では有効な有効電力出力が減少します。
結論

大型水力発電機におけるステータとロータ間のエアギャップの不均一性は、決して軽視すべき問題ではありません。これは電磁気的な問題として始まりますが、急速に電気的、機械的、熱的側面を統合した包括的な深刻な障害へと発展します。不均一な磁気吸引力（UMP）とそれに伴う激しい振動は、発電機の安全な運転を脅かす主な要因となります。そのため、発電機の設置、保守、そして日常の運転・保守においては、エアギャップの均一性を厳密に管理する必要があり、偏心障害の兆候を早期に検知し、オンライン監視システム（振動、電流、エアギャップ監視など）を通じて迅速に対処する必要があります。