CN100516865C - 评测迭片磁芯压力的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种评测磁芯(10)迭片(18)压力的方法包括：将磁轭(12，112，212，312，412)定位于磁芯附近，磁轭被激励绕组(14)缠绕；向激励绕组供给电流从而将磁通量注入磁芯；测量由注入磁通量得到的信号；以及使用所述测得信号评测迭片磁芯压力。一种用于实施该方法的系统(56)包括所述磁轭；用于供给电流的电流源(30)；用于测量所述信号的传感器(32或36)；以及使用所述测得信号评测所述迭片磁芯压力的计算机(28)。

Description

评测迭片磁芯压力的方法和系统

技术领域

本发明涉及对迭片磁芯(core stack)压力的评测。

背景技术

当机器定子或者转子叠层(lamination)松动时，叠层会出现振动。叠层振动会损坏机器叠层和绕组绝缘。

用于测量非正常迭片磁芯压力的常规测试方法包括尝试将刀片插入迭片磁芯的邻近叠层之间，如果刀片可插入，那么就可确定迭片磁芯压力可能是不足够的。一般情况下，压力在大约250磅/平方英尺(psi)(1724千牛顿/平方米-kN/m²)至大约350psi(2413kN/m²)的范围以下时刀片测试会失败。刀片测试的若干局限性在于精密度不足(因为这种方法是定性的并且是以通过-失败测试为基础的)并且可能会损坏叠层绝缘。

需要使用一种评测方法，该方法不需要将刀片插入迭片磁芯的邻接叠层之间。

发明内容

简而言之，根据本发明的一项实施例，一种评测迭片磁芯压力的方法包括：将磁轭定位于磁芯附近，磁轭被激励绕组缠绕；向激励绕组供给电流从而将磁通量注入磁芯；测量由注入磁通量得到的信号；以及从所测得的信号中获取磁滞损失信号并使用磁滞损失信号评测迭片磁芯压力。。

根据本发明的另一实施例，一种评测迭片磁芯压力的系统包括：至少一个被激励绕组缠绕的磁轭，所述磁轭定位于磁芯的至少一个齿附近；电流源，用于向激励绕组供给电流从而将磁通量注入磁芯的至少一个齿中；传感器，用于测量由注入磁通量得到的信号；以及计算机，用于从所测得的信号中获取磁滞损失信号，并使用磁滞损失信号评测所述迭片磁芯压力。

根据本发明的另一实施例，一种评测迭片磁芯压力的系统包括：至少一个被激励绕组缠绕的磁轭，所述磁轭定位于磁芯的至少一个齿附近；用于向激励绕组供给电流从而将磁通量注入磁芯的至少一个齿中的装置；用于测量由注入磁通量得到的信号的装置；以及使用所测得的信号评测迭片磁芯压力的装置。

附图说明

本申请具有新颖性的特征将在所附的权利要求中进行详细说明。然而，发明本身的结构和操作方法以及其他目的和优势可结合下述实施例并参照附图得以较好的理解，在附图中，类似的附图标记表示类似的组件，其中：

图1是根据本发明一个实施例所述的测试组件的俯视图；

图2是图1所示测试组件的侧视图；

图3是传统机器磁芯(machine core)的示意性透视图；

图4是根据本发明一个实施例所述的系统的透视图；

图5是根据本发明一个实施例的所使用的磁通量检测线圈的仰视图；

图6-9是根据本发明其他实施例的所使用的磁轭的视图；

图10-19是通过使用图1-2的测试组件而获得的数据的曲线图。

具体实施方式

如共同授予Kliman等人的2000年7月28日提交的美国专利申请No.09/575,715所述，该申请的完整内容在本文中以参考的方式纳入，磁芯的缺陷可通过下述方法检测到，即，在磁芯的至少一个齿的附近定位缠绕有绕组的磁轭；向绕组供给电流从而向至少一个齿部注入(inject)磁通量；测量由所产生磁通量而得到的至少一个信号；并且使用该测量信号检测磁芯缺陷。当磁芯的一小部分被激励时，如果叠层相互绝缘得较好，那么响应该激励而产生磁通量的主要原因就是可渗透的磁芯材料，该材料受叠层中的正常磁滞损失和涡流的影响。

已经发现美国专利申请No.09/575,715所述的磁轭还可获得根据本发明的若干实施例评测迭片磁芯压力所使用的信号。交替磁场中工作的磁性材料所得到的磁芯损失可分解为三个分量：磁滞损失、涡流损失和旋转损失。磁滞损失的半经验公式P_h(瓦/立方米-W/m³)如下所示：

P_h＝k_hB^1.6f，              (1)

其中B是最大磁通量密度(特斯拉-T)，f是激励频率(赫兹-Hz)，k_h定义为磁滞损失系数。虽然方程(1)可用于B的范围是从大约0.5T至大约1.5T的大多数磁性材料中，但是指数1.6的值的范围在1.5和2.5之间，而且对于一些材料来说不是恒定的。涡流损失P_e(W/m³)可描述为：

$P_e=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\ρ\β}}{t}^2{B}^2{f}^2=k_e{B}^2{f}^2,---\left(2\right)$

其中，t是叠层的厚度(米-m)，ρ是叠层材料的电阻率(欧姆米-ohm-m)，β是对于不同几何尺寸具有不同值的系数(对于厚度范围从大约4密耳(100微米)到大约40密耳(1毫米)的叠层一般大约等于6)，k_e定义为涡流损失系数。推荐使用实验的方法确定系数k_h和k_e，因为使用(1)&(2)计算损失会由于推导中的假设而产生错误。上述两个方程可用于理解所述损失和变量B、f和t之间的定性函数关系。

当测试不涉及交替磁场的旋转时(无旋转损失)时，所测量的磁芯损失P_c(W/m³)主要具有磁滞和涡流损失分量：

P_c＝P_h+P_e＝k_hB^1.6f+k_eB²f²                (3)

已观察到P_c会随着机械应力而变化。如果所测量的P_c可分解为P_h和P_e，那么磁芯严密度估测的灵敏度可进一步增加。

虽然(1)和(2)没有精确地描述磁芯损失，但是可有效地假设磁芯损失包含随着频率(P_h)和频率(P_e)的平方而变化的分量，如(1)-(3)所示。如(3)所示，如果磁芯损失可在固定磁通量密度条件下以若干不同的频率进行测量，那么这两个损失分量就可容易地、精确地分离开，而不考虑叠层材料或几何尺寸的假设。假设磁通量密度可调整为固定值，那么(3)可简化为下述方程

P_c＝P_h+P_e＝C_hf+C_ef²                      (4)

其中，C_h和C_e定义为磁滞和涡流损失常数。

图1是根据本发明一个实施例所述的测试组件58的俯视图，图2是图1所示的测试组件的侧视图。图3是传统机器磁芯10的示意性透视图。大型发电机的叠层部分22一般包括护铁60、齿部16和狭槽26。叠层部分(每部分的厚度大约10密耳(254微米)到大约20密耳(508微米))通过堆置而形成为磁芯。一般情况下，多个叠层部分(例如，18个叠层部分，每部分20度)用于形成完整的第一叠层环(例如，图3所示的叠层环24)，另外的多个叠层部分在第一叠层环的叠层部分上方并与第一叠层环的叠层部分偏离地形成完整的第二叠层环。然后继续堆叠，直至形成大约1英寸(2.54厘米)至大约4英寸(10.16厘米)厚的较短迭片(例如，图2示出迭片18的局部侧视图)。多个较短迭片进一步由螺栓和/或其他机械装置连接和/或夹住以形成迭片磁芯。典型的发电机定子磁芯的直径范围从大约3英尺(0.91米)至大约12英尺(3.66米)，长度范围从大约3英尺(0.91米)至大约30英尺(9.14米)。

图4是根据本发明一个实施例所述的系统的透视图，其中评测磁芯10迭片18压力的方法包括：在磁芯10附近定位磁轭12，磁轭12由激励绕组14缠绕；向激励绕组14供给电流(例如，经由电流源30)以激励绕组14从而向磁芯10中注入磁通量；测量来自注入磁通量的信号；并且使用所测量的信号评测迭片磁芯压力(例如，经由计算机28)。术语“附近”的意思是包括实际的物理接触或者足够接近从而使所得的信号具有足够的解析度用于叠层压力的评测。在一项实施例中，例如，磁轭12和磁芯10之间的距离处于大约0英寸至大约0.1英寸(2540微米)的范围中。在更加具体的实施例中，磁轭12和磁芯10之间的距离处于大约0.01英寸(254微米)至大约0.05英寸(1270微米)的范围中。

在更加具体的实施例中，使用所测量的信号评测迭片磁芯压力包括从所测量的信号中获得磁滞损失信号并且使用磁滞损失信号评测迭片磁芯压力。在另一项更加具体的实施例中，如下文所述，从测量信号中获得磁滞损失信号包括使用多项式拟合函数。

图6-9示出了根据本发明其他实施例的所使用的磁轭的视图，，使用参照出于举例的目的的图4所述的类似的步骤和机构。图5是根据本发明的特定磁通传感实施例的所使用的磁通量检测线圈38的仰视图。图4-9所示的任何实施例可单独使用，或者与一个或多个其他实施例相互结合使用。

更具体地说，在图4所示的实施例中，磁轭12位于两个齿部附近，更具体地说是定位于两个相邻齿部附近的U形(意思是U形或者C形)磁轭。虽然相邻的齿部如图4示出，但是所述两个齿部可在其间具有另一个齿或者多个齿，例如，如图7-9所示。

再次参照出于举例目的的图4，图4示出了用于测量所得信号的传感器(意思是至少一个传感器)的两个备选方案或者附加方案。在一项实例中，电压传感器32用于测量跨过激励绕组14的电压。在另一实例中，磁轭12还缠绕有至少一个磁通量检测绕组34，磁通量(幅值和/或相位角)通过磁通量传感器36在磁通量检测绕组上进行测量。在另一实施例中，磁通量检测绕组38(图5)包括至少一个平面线圈40，磁轭12包括两个面向磁芯的表面42(图1)，磁通量检测绕组位于两个面向磁芯表面的至少一个上。使用平面线圈的优势在于这种线圈可制造为薄膜。在一项实例中，具有若干匝数的线圈的厚度为大约0.0762毫米，线圈的每侧长大约0.7620毫米。平面线圈可使用传统的印刷电路板或者诸如铜的芯片互连材料通过标准的金属化和布图技术制成。在图4-9所示的磁通量测量实施例的优选变型方案中，磁通量检测绕组位于两个齿部附近。所得信号可由计算机28处理，该计算机可使用该信号来检测迭片磁芯压力。

在图4所示的实施例中，磁轭12一般包括层叠的(叠层22)U形磁轭，齿部16包括层叠磁芯的层叠(叠层54)齿，磁轭和磁芯具有相同方向的叠层，如叠层54和22所示。在更具体的实施例中，磁轭包括厚度大约为14密耳(356微米)的无约束(即，可自由移动)叠层，总的厚度和高度为大约1英寸(2.54厘米)×1英寸(2.54厘米)。叠层实施例的共同方向只出于举例的目的。在一项备选实施例中(未示出)，其中的磁轭包括绕带磁轭(tapewound yoke)，磁轭12叠层的方向垂直于例如迭片磁芯的方向。在其他备选实施例中，相关叠层方向的范围是例如从大约0度至大约90度的任何角度。

在一项实施例中，如图6所示，磁轭112位于磁芯10的一个齿部16附近。在该实施例中，磁轭112的叠层尤其可用于对准磁芯10的叠层。

在图7所示的实施例中，磁轭212被改造成定位于两个非邻近齿部16的附近。在该实施例中，可期望磁通量可比图4所示的实施例更加深入地进入磁芯10(图3)的护铁60(图1)部分。

在图8中，磁轭312包括跨越多个齿的层叠棒，该棒优选具有也平行于齿部16的叠层的矩形叠层。

图9所示的实施例是一项变型方案，其中磁轭412适于以任何角度定位。更具体地说，在图9中，磁轭412包括两个由铰链50连接的臂部52。在备选实施例中，没有铰链的磁轭可以以预定角度制成。

不论选择哪种磁轭，下述步骤一般都是重复进行的，即供给电流，测量所得信号并使用所测量的信号检测迭片磁芯压力，从而使多个信号用于检测迭片磁芯压力。这种测量可例如通过相对于至少一个齿部轴向移动磁轭而进行。测量最好一直进行直到磁芯的所有区域都已被测试到。

实验

使用机器定子中局部磁滞损失的估计值作为迭片磁芯压力(紧密度)的可行性通过使用由实验室装置获得的测量结果进行评价，从而示出磁芯损失(磁滞损失)估计值和磁芯紧密度之间的关系。图1-2中示出了测量叠层中的磁芯损失作为压力的函数的实验装置。三十片定向的硅钢叠层样本位于施加有压力的压力区(press)20中。磁通量使用磁轭12经过齿部16注入叠层22中。磁通量检测绕组34中的磁通量密度通过控制进入激励绕组14的输入电压而被调节为大约1特斯拉，叠层22上的激励频率和压力水平值分别如(5)和(6)所示变化。

f＝{25，50，75，100，125，150，175，200}(Hz)                  (5)

P＝{0，25，50，75，100，150，200，250，300，350}(psi)

或者

P＝{0，172，345，517，689，1034，1379，1724，2068，2413}(N/m²)(6)

叠层中的磁芯损失使用激励线圈电流和检测线圈电压进行计算从而排除激励线圈中的电阻损失。商用的电源分析器用于计算叠层和激励磁芯中的平均电源损失。

实验配置中的压力以方程(6)所示的间隔对应方程(5)所示的每个激励频率而在0和350psi(2413kN/m²)之间变化。为了在相同的条件下重复实验，激励磁芯的位置相对于叠层固定从而获得对激励磁芯的空气间隙变化、振荡和倾斜不敏感的结果。对于每个激励频率，压力水平每经50个样本而人工增加(电源分析器每4.5秒提供一个读数)。图10-19是使用图1-2所示的测试组件而获得的数据的曲线图(具有校正零点)。

对每个激励频率(图10)测得的磁芯损失表示随着压力水平的增加磁芯损失有所减小。检测线圈中的测得电压、激励线圈中的测得电流和测得功率因数分别如图11至13所示。在125Hz、150Hz、175Hz和200Hz处的磁芯损失的计算平均值如图14所示，25Hz、50Hz、75Hz和100Hz的损失如图15所示。可清楚地观察到，对于从0psi至大约200psi(1379kN/m²)的每个激励频率，磁芯损失明显减小，然后随着压力而稍稍有所增加。

测得磁芯损失使用MATLAB技术的计算软件(MATLAB是MathWorks，Inc.的商标)的多项式拟合函数分解为P_h和P_e。多项式拟合函数对多项式的特定阶次的系数进行估计，从而最大限度地减小估计曲线和给定曲线之间的平均平方误差。在这种情况下，对应于每个压力水平的P_c-f曲线拟合为二次方程，从而可估计出C_h和C_e。分别对应于0psi(0N/m²)和350psi(2413kN/m²)下的测得和估计P_c数据如图16所示。可知，测得曲线可使用多项式拟合函数高精度地估测得出。对应于0psi(0N/m²)、50psi(345kN/m²)、200psi(1379kN/m²)和350psi(2413kN/m²)的磁滞和涡流损失(C_hf和C_ef²)的估计值如图17所示。可知，如预计的那样，与对涡流损失的影响相比，压力会更大地影响磁滞损失。

涡流和磁滞常数的估计值C_e和C_h分别如图18-19所示。如预测的那样，C_h的百分比变化(12.14％)大于C_e的百分比变化(3.86％)，C_h的趋势与图2(e)和(f)所示的测得磁芯损失相一致。

结果表明，当叠层松动时(0psi或者N/m²)，测得的磁芯损失明显增加(6.5～8.5％)，这说明磁芯损失可用于测量磁芯紧密度。这也表明，如果通过分离磁滞和涡流损失而单独监控磁滞损失分量，那么磁芯紧密度估计的敏感度可增加(12％)；不过，这需要在若干不同激励频率下获得的磁芯损失测量值。

虽然上述实验使用正弦波型注入而进行，但是本发明并不局限于正弦波。任何适当形状的波或波形都可使用。在一项实施例中，例如，可使用方波。在备选或者其他实施例中，幅值、频率或者其结合都会变化。

虽然这里只示出并说明了本发明的特定特征，但是本领域技术人员可进行许多的改进和变化。因此，可知所附的权利要求覆盖了落入本发明本质中的所有这种改进和变化。

Claims (6)

1、一种评测迭片(18)磁芯(10)压力的方法，该方法包括：

(a)将磁轭(12，112，212，312，412)定位于所述磁芯附近，所述磁轭被激励绕组(14)缠绕；

(b)向所述激励绕组供给电流从而将磁通量注入所述磁芯；

(c)测量由所述注入磁通量得到的信号；以及

(d)从所测得的信号中获取磁滞损失信号并使用所述磁滞损失信号评测所述迭片磁芯压力。

2、根据权利要求1所述的方法，其中从所测得的信号获取所述磁滞损失信号包括使用多项式拟合函数。

3、根据权利要求1所述的方法，其中(a)包括将所述磁轭定位于所述磁芯的至少一个齿(16)附近。

4、一种评测迭片磁芯(10)压力的方法，该方法包括：

(a)在所述磁芯的不同位置处重复下述步骤，

(1)将磁轭(12，112，212，312，412)定位于所述磁芯的两个齿(16)附近，所述磁轭被激励绕组(14)缠绕；

(2)向所述激励绕组供给电流从而将磁通量注入所述磁芯的两个齿；

(3)测量由所述注入磁通量得到的信号；以及

(b)从所测得的信号获取磁滞损失信号并使用所述磁滞损失信号评测所述迭片磁芯压力。

5、一种评测迭片磁芯(10)压力的系统(56)，该系统包括：

(a)至少一个被激励绕组(14)缠绕的磁轭(12，112，212，312，412)，所述磁轭定位于所述磁芯的至少一个齿(16)附近；

(b)电流源(30)，用于向所述激励绕组供给电流从而将磁通量注入所述磁芯的至少一个齿中；

(c)传感器(32或36)，用于测量由所注入的磁通量得到的信号；以及

(d)计算机(28)，所述计算机用于从所测得的信号中获取磁滞损失信号，并使用所述磁滞损失信号评测所述迭片磁芯压力。

6、根据权利要求5所述的系统，其中，所述计算机通过使用多项式拟合函数从所述测得信号中获取磁滞损失信号。

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