CN101825477B - 磁致伸缩感测系统和编码方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁致伸缩测量系统(10)具有沿圆周设置在轴周围的一个或多个编码极化磁区域(20，22，24，26)，其中沿轴的一部分的相邻磁区域具有相反的极性。在一个实施例中，轴是空心的，并且编码设置在内部，而在另一个实施例中，编码在轴的外表面上。在轴周围设置有一个或多个传感器(240，250)，例如接触传感器，其中这些传感器使得能够测量弯曲力矩或转矩感测中的至少一种。传感器还可包括用于测量由来自旋转轴的交变磁场引起的磁通密度的非接触传感器(275)。处理部分(295)用于处理传感器测量值，其中传感器测量值用于计算轴功率、转矩、速度和弯曲力矩中的至少一种。

Description

磁致伸缩感测系统和编码方法
相关申请的交叉引用
本申请是2008年6月6日提交的美国申请序列号12/134689的部分继续，该申请通过引用全部结合于本文中。
背景技术
由于不断增长的能量需求和减少诸如石油和天然气的自然资源的消耗的期望，诸如风轮机的可持续能源正在得到广泛普及。全世界都在部署现代风力发电厂来提高他们的总能量输出。
风轮机一般具有通常位于高塔之上的一个或多个叶片，其中通过风流来使这些叶片旋转。叶片耦合到大直径旋转轴或转子，而大直径旋转轴或转子通常经由变速箱(变速器)或通过直接耦合方式耦合到发电机。
控制技术往往是复杂的，因为风速的强度和方向会有波动。水平风切变和偏航不对准以及自然湍流是在风轮机毂上以及从而在主轴上造成不对称载荷的原因。这些不对称载荷与来自垂直风切变的那些载荷一起促成了极端载荷以及由风轮机系统累积的增大的疲劳周期数。这些极端载荷和疲劳周期可导致系统操作故障、低效，并且有可能对风轮机部件造成损害。随着风轮机的大小和每单元的能量输出要求的增大，控制变得甚至更加复杂。
开发了不对称载荷控制系统来测量作用在毂和主轴上的弯曲力矩，并且这些系统用作先行控制的初级控制输入。已经开发了某些不对称载荷控制系统来减少与不对称载荷相关联的影响。在一般意义上而言，不对称载荷控制系统接收测量信号，其中根据该测量来调整风力发电厂的至少一个操作参数，例如叶片螺距、转数和/或偏航角。
控制处理的困难之一是获得高度准确测量的能力。另一个因素涉及平均无故障时间以及在满意的时间长度内获得这种准确测量的能力。另一个因素涉及与实现不对称载荷系统相关联的成本，因为工业中要求能够与现有生产工艺结合的具成本效益的方法。测量不准确度在无人操纵的风力发电厂中特别难以检测到，并且可能不利地影响叶片、传动系和塔的疲劳和寿命。
一种方法是通过对涡轮机的固定元件进行位移测量来测量不对称载荷，然而这也没有提供期望的结果。另一种方法是通过在叶片上放置传感器来测量不对称载荷。例如，一种系统部署了安装在转子叶片上的应变仪来感测转子叶片上的载荷。这种不对称载荷感测解决方案需要在难以接近并且会受到闪电危害的转子叶片的外部区域中安装传感器。此外，这些应变仪通常达不到所需的寿命应力周期。另一已知技术使用光纤，例如光纤布拉格光栅技术，其中内在的布拉格传感器元件沿贴附于转子叶片的光纤分布。虽然该系统不易受闪电的影响，但是光纤易于损坏并随后失效。
一种不同的方法基于测量由不对称载荷引起的风轮机轴的偏斜。不对称载荷在转子叶片中引起弯曲力矩，弯曲力矩然后被传到旋转的低速轴，使得不对称载荷看起来就像是涡轮机的主轴中的力或弯曲力矩分量。不对称载荷的测量由此可基于轴测量，因为轴相对于其无载荷状态发生了偏斜。
现有的测量解决方案通常基于接近式传感器。这种感测解决方案需要极端刚性的基准(重支撑结构)，并且易受作为误差源的支架偏斜和传感器漂移的影响。由于主轴系统是刚性的，因此传感器测量中的诸如0.1mm的小偏移误差对应于弯曲力矩估计中的诸如200kNm的高误差。传感器测量中的具有偏移误差的操作可导致比没有先行控制的操作更多的极端载荷和疲劳。而且，偏移误差的人工去除通常是不可取的。举例来说，在风轮机应用中，偏移误差的人工去除将需要对所有涡轮机进行维护。可应用自动校准特征来解决这种问题，但是在无检测/故障的校准中间无法排除某些类型的传感器移动或漂移。还有可能的是，底板变形或轴承力矩反作用为非零，相对于只有重力的校准状态具有推力载荷，使得在操作时出现假信号偏移。
不对称载荷控制系统的测量输入的可靠性问题还没有充分解决，并且困难正在随着涡轮机的额定功率而增加。用于测量轴中的诸如转矩或弯曲力矩的机械力分量的常规系统已经基于轴材料或贴附于轴的铁磁条的磁致伸缩效应。例如，汽车工业中已经开发并应用了某些磁致伸缩感测解决方案，这些解决方案可识别旋转轴中的机械力的分量。通过磁化这个铁磁条或轴来改进传感器性能的方法也是已知的。然而，诸如风轮机轴的大尺寸轴通常不顺从在较小直径轴上使用的常规编码。对轴采用磁化条的其它编码技术往往会在长期的准确度方面具有问题。
发明内容
本发明的一个实施例提供测量方法和系统，更具体地说，涉及旋转轴的弯曲力矩和/或转矩的感测。
一个实施例是磁致伸缩测量系统，它包括沿圆周设置在轴周围的多个编码区域和靠近至少一些编码区域耦合到轴的一个或多个旋转传感器，其中旋转传感器与轴一起旋转，并且使得能够测量编码区域的磁场属性。磁场属性包括水平方向和垂直方向的弯曲力矩。
旋转传感器可贴附于轴的表面，或者固持在贴附于轴表面的固定物中。系统还可包括靠近编码区域设置的一个或多个静止传感器，在静止传感器与轴之间具有间隙。在一个示例中，轴是空心的，并且至少一些编码区域设置在轴的内表面上。
在一个实施例中，编码区域包括第一编码区域和第二编码区域，其中在第一编码区域具有配置成测量轴属性的一个或多个第一编码区域传感器，并且在第二编码区域具有配置成测量轴属性的一个或多个第二编码区域传感器。第一编码区域可不同于第二编码区域。
一个实施例包括用于处理磁场属性并计算轴属性的处理部分。磁场属性可通过设置在轴周围的一个或多个滑环或经由无线通信传递到处理部分。
另一个实施例是磁致伸缩轴，它具有沿空心轴的圆周方向位于空心轴的内表面上的至少两个极化编码磁区域以及设置在编码磁区域周围的一个或多个传感器，其中至少一个传感器测量空心轴的磁场属性。传感器可以是非接触传感器和旋转传感器中的至少一种。在一个示例中，至少一个编码磁区域具有两层或更多层编码。
本文所描述的特征和优点并不是包含全部的，具体来说，鉴于附图、说明书和权利要求书，许多附加特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的。此外，应注意，选择说明书中所用的语言主要是出于可读性和指导的目的，而不是为了限制本发明主题的范围。
附图说明
图1是示出根据一个实施例配置的磁编码轴的横截面视图。
图2是示出对于根据一个实施例配置的编码区域的磁感测系统的横截面透视图。
图3a是示出根据一个实施例配置的位于空心轴的内表面上的磁编码区域的横截面视图。
图3b是示出根据一个实施例配置的位于空心轴内表面的插入物上的磁编码区域的横截面视图。
图4是示出根据一个实施例配置的图3a中的编码系统的实现的图。
图5是示出根据一个实施例配置的圆周编码的透视图。
图6a示出根据另一实施例的感测系统部署的框图透视图。
图6b示出根据一个实施例的图6a中的感测系统部署的实现的透视图。
图7a示出根据一个实施例的轴的感测系统的另一感测实现。
图7b示出根据一个实施例的图7a中的感测实现的透视图。
具体实施方式
本发明的一个实施例涉及将永磁编码应用于轴，例如风轮机的主轴，以使得能够准确而长期稳定地监控转矩和/或弯曲力矩，这可用于各种目的，例如不对称载荷控制以及其它先行控制和状态监控任务，如指示变速箱状态。另一个实施例使得能够更可靠地感测风轮机的当前发电以及更高功率风轮机的未来发电。
本文的磁编码和系统实施例与在通过引用结合于此的2008年6月6日提交的相关美国申请序列号12/134689中所描述的部分磁编码(sectional magnetic encoding)的某些概念和技术有关。
在一个方面，部分编码将轴变成测量系统的部件，并且旋转传感器设置在轴上，并检测轴属性，例如弯曲力矩和转矩。另一方面在轴的周围增加静止或非接触传感器，其中旋转轴导致可生成AC场分量的变化的磁场。然后，所得AC场分量可由靠近轴的传感器测量。
参考图1中的编码空心轴10的横截面透视图，对于沿圆周设置在轴周围的两种截然不同的编码，示出编码极化磁区域。第一组初级编码磁场20、22、24、26各自具有初级畴界60，并且相对于彼此具有交变极性。在这个示例中，初级编码20、22、24、26各自具有第一层62和第二层64，这两层层叠在彼此之上。如本文所提到的，编码的深度直接与电流穿渗有关，而电流穿透又与电流脉冲的持续时间有关。在一个示例中，首先通过在电容器组中使用具有采用足以允许深电流穿透的放电时间常数的值的放电电阻器来完成第二层编码64。然后，通过使用具有改变放电时间常数以允许较小深度的电流穿透的不同值的放电电阻器来完成第一编码层62。如图所示，在这个编码布置的中心，已经在这两个编码层62和64之间创建了与轴表面平行定向的磁畴界。如果对轴施加弯曲力矩，则可以在轴表面测量应力相关磁场矢量。
在这个示例中，初级或第一编码20具有逆时针磁场分布，而初级编码22具有顺时针磁场分布。编码磁区域20、22、24、26基于每个相应区域的一对相反极性的点30、32、34、36，并且在这个示例中，存在相隔约90度定位的四个编码区域20、22、24、26。在每个相应初级编码20、22、24、26之间存在一个空间或区，然而，应该理解，编码磁区域的数量和编码之间的间隔取决于设计的细节，例如轴的大小和感测需求。在一个示例中，这些编码用于弯曲力矩或转矩感测，并且具有可应用于感测轴10的这种属性的场强度。旋转或接触感测系统的一个方面是，弯曲力矩感测一般比其它测量更复杂，并且对于具有固定(非旋转)传感器的低速旋转轴来说通常太难了。例如，如果对轴施加转矩，则所有传感器都测量到相同的磁场变化。在垂直方向或水平方向的弯曲力矩的情况下，两个相反的场传感器测量到不同的场变化。在一个示例中，在四个传感器位置应用传感器对，以使得能够进行差动测量。在增加更多传感器对时，可以提高感测系统的准确度和可靠性。
在这个示例中，将多个附加极化磁区域40、42、44、46编码到轴10中。在这个示例中，这些次级编码区域40、42、44、46用于不同类型的感测，例如位置或速度。这些次级编码40、42、44、46通常具有与初级编码20、22、24、26不同的编码属性。注意，第一、第二、初级和次级的使用仅仅用来区分这些元件，而不是用来表示任何其它特性或偏好。
次级编码40、42、44、46各自具有一对相反极性的点50、52、54、56，其中对应的极性场形成次级畴界区域70，在次级编码区域40、42、44、46与初级编码区域20、22、24、26之间具有空白空间。在这个示例中，存在四个次级编码区域40、42、44、46，它们彼此相隔约90度，并且散布在初级编码区域20、22、24、26之间。
本文提及的空白空间是指具有削弱的或没有可感知的编码磁场的区。各个编码之间的空白空间有助于感测应用区分各个编码区域。在一个实施例中，没有空白空间，并且编码区域基本上占据整个轴10。
在如图1所示的示例中，初级与次级编码区域之间的一个差别是，初级区域具有位于彼此之上的两层磁畴，并且这些层可相对于彼此具有相反的极性。另一个差别包括，次级编码部分具有垂直于轴表面的畴界。次级编码部分允许通过使用磁拾取传感器来测量角位置或轴速，例如最大值/最小值检测。这些次级传感器也可用于测量转矩相关磁场，这在2008年6月6日提交的美国申请序列号12/134689中有更详细的描述。
初级编码区域使得传感器能够测量与由轴弯曲所引起的切应力成比例的磁场分量。在如图1所示的几个编码部分(encoded section)的情况下，有可能测量水平方向和垂直方向的弯曲力矩，并且容易地区分由转矩所引起的切应力与由弯曲力矩所引起的切应力。基本上，可使用相同的磁场传感器来测量与转矩或弯曲力矩成比例的磁通密度分量。传感器位置和测量任务可用于定义磁场传感器的最优矢量定向(轴的轴向、周向或径向)。
在一个实施例中，不对称载荷和弯曲力矩感测是通过旋转或接触传感器来实现的，并且通常沿轴的圆周进行测量。此外，轴的旋转生成由非接触传感器测量的周期性交变磁通分量。根据预期的应用需求，上述多个编码允许在轴旋转期间提取更多的数据，由此可提供更加准确而及时的处理。
根据一个实施例的系统和处理通过在空心轴的内表面或空心或实心轴的外表面直接设置磁场传感器来实现准确的弯曲力矩感测。也可通过使用静止传感器来测量诸如轴位置、轴速以及转矩相关磁场的其它属性而部署附加的感测系统。参考图2，根据一个实施例示出用于空心编码轴210的感测系统200。
在一个示例中，初级编码区域220和对应的初级传感器240组合起来用作准确感测系统200。特定初级编码区域220的一个或多个初级传感器240与轴210一起旋转，并且可直接或间接地贴附到轴210或位于初级畴界区域280内的固定物260中，使得它可以感测轴属性，例如弯曲力矩和转矩。
在一个方面，固定物260是将传感器固持在适当位置的金属环，并且也可用来屏蔽传感器以尽量减小或消除来自外部场和源的交互作用。根据设计标准，固定物260可以是其它材料和形状。
当在诸如风轮机轴的某些应用中应用这种感测系统时，转矩和弯曲力矩往往同时出现。转矩在轴的初级编码部分220中引起磁通密度/磁场。弯曲力矩在间隔180°的编码部分220中引起相反的磁场变化。使用多个编码部分220允许初级传感器240区分转矩与弯曲力矩。
在一个实施例中，附加次级编码部分230可以提供更准确的转矩和弯曲力矩感测结果，特别是在非理想状态的情况下，或者在编码主要对转矩灵敏而对于弯曲力矩不灵敏的情况下。次级编码区域230具有与次级编码区域230的极化磁场相关联的次级场畴界290。在编码轴210的一个或多个次级编码部分230时无需花费太多的额外精力，因为可以使用相同的编码工具。而且，有益的是，与初级区域220的“合力编码”相比，可对次级编码部分230应用不同类型的编码。在这个示范性例子中，初级编码部分220中心的磁畴界平行于轴表面，而次级编码部分230中心的磁畴界垂直于轴表面。因此，可在轴表面测量不同的机械载荷相关磁场(而这两部分都经历相同的应力)。用不同类型的编码估计这些部分上的磁场使得能够消除测量误差。
根据这个示例，在次级编码场界290内存在一个或多个次级传感器250，其中次级传感器250与轴210一起旋转。次级静止传感器250可用于感测轴210的属性，例如弯曲力矩和转矩，以使得附加传感器数据提供更准确的感测。
在这个示例中，初级和次级部分编码220、230具有不同的编码模式，以得到更鲁棒且准确的感测系统。在一个示例中，初级或次级传感器对齐，以便例如用于测量在周向、轴向或径向方向的磁场变化。对齐取决于编码方法和传感器位置，并且对于初级传感器240和次级传感器250是不同的。
除了旋转传感器240、250以外，另一个实施例还包括可从编码部分220、230提取信息的静止传感器275。静止或非接触传感器275可贴附于轴外壳上或非接触固定物270中，以使得它可以感测轴属性，例如轴位置和速度。在一个方面，固定物270夹持静止传感器275，并且耦合到诸如风轮机框架的外壳结构，并相对于旋转轴210是静止的。
静止传感器275测量诸如轴角位置和轴速的轴属性，并使得能够进行更准确的转矩和弯曲力矩测量。来自静止传感器275的数据可帮助将传感器信息从旋转坐标系变换到固定坐标。在一个实施例中，静止传感器275是用于监控诸如转子位置的特征的选项。例如，轴的角位置可根据可接近轴表面测量的磁场进行测量，因为这四个编码部分230具有稍微不同的磁属性。
备选地，可以采用现有编码器来监控轴位置。另一个选项是，在旋转系统中直接使用螺距控制/不对称载荷控制，而无需变换到固定坐标系。使用基于磁编码的转子或轴位置测量的优点是，可从同一感测系统得出来自轴的所有相关测量信息，例如转矩、弯曲力矩、速度和角位置。这使得能够进行具成本效益的设计，因为所有编码都可基于相同的工具，以相同的制造步骤创建，并且所有传感器都基于相同的器件。
来自传感器的数据通常由处理单元295处理，处理单元295可与外壳处于同一位置或与轴感测组件200分开定位。在一个示例中，来自旋转传感器240、250的传感器数据经由滑环或通过无线通信发送。来自静止传感器275的数据可通过有线或无线方法传递。诸如RF发射器的无线通信可结合为感测系统的一部分，并且安装在风轮机轴的周围，并将信号传送到处理单元295的接收器。处理单元295可以是本领域已知的任何一种处理器，例如微处理器和其它计算装置。在一个示例中，处理单元295是利用传感器数据来修改系统参数以便更安全且更有效地控制与轴感测系统200相关联的系统的系统控制的一部分。
磁编码极化区域和其间的任何中性区或空白区的生成使得能够在旋转轴的周围生成转矩相关场分量，以使得可以测量轴特性。用于测量轴特性的一个实施例是，通过在编码区域中将磁场传感器直接贴附在轴上，由此提供高灵敏度。另一个方面涉及用于附加感测能力的附加编码磁区域的编码，其中该编码和感测相对于其它编码区域和传感器是不同的。
磁场传感器可沿圆周方向定向以测量与轴表面相切以及与磁畴界垂直的磁场分量。在一个示例中，通过使用位于大直径轴周围的磁场传感器来实现磁场感测，其中轴以低速或中速旋转。传感器测量磁场的磁通量和/或强度和方向，并可基于几种类型的传感器，包括磁致伸缩器件、磁通门或线圈传感器、霍尔效应传感器和/或磁感传感器。具体磁场传感器的选择取决于设计标准，并且包括某些方面，例如磁通密度、分辨率、准确度和轴线数。相对于轴，传感器可定位成使所测量的响应最大化，使得传感器能定向在例如0度、45度和/或90度。可利用不同类型的传感器来从轴获得各种数据，并且可以有几组传感器来获得附加数据，或提供冗余度。
根据一个实施例，风轮机系统部署多个传感器，并且因此获得更大采样率、更大可靠性和冗余度。在另一个示例中，部署不同类型的传感器，以使得可以测量不同类型的数据。例如，可使用不同的传感器类型来区分转矩和弯曲力矩。这些传感器类型可利用特定传感器的感测属性，或者以其它方式允许增强的感测功能性。在又一个实施例中，部分编码过程包括具有不同编码属性的不同编码部分，以使得传感器可获得多种形式的数据。
参考图3a，示出轴310的内表面的编码的侧视透视图，其中轴310是空心的，并有多个正编码构件315和负编码构件320位于靠近轴310的内表面330的空心部分中。导电构件315、320是成对的，它们具有相反极性，并且彼此靠近定位，其间具有小间隙。构件315、320通常耦合到框架或固定物(未示出)，以将构件保持在适当定向，其中框架通常由非导电材料制成。一般存在从电源(未示出)到构件315、320的电耦合，以便提供电流来生成磁场并对轴310进行永久编码。
如图所示，编码过程在轴310中生成相反极化的磁场335、340，其中场力线对应于构件315、320的极性类型。磁极化区域335、340具有相应的边界370，并且在边界370之间通常有空白区或中性区350，区350中没有相关磁场。
在这个示例中，描绘了部分磁编码的一个实施例，其中这四对导电构件315、320位于轴310的内部的周围，并且定向使得其畴界相对于彼此约90度。每对315、320用于创建磁极化区域，其间具有畴界和中性区350。每一对导电构件315、320可耦合到编码源(未示出)，该编码源对每对中的构件提供不同的极性，以便生成交变极化磁场。在一个实施例中，没有或几乎没有中性区350，并且磁极化区域占据整个轴310。
再次参考图3a，在轴310上存在由这四对导电构件315、320生成的四对或8个编码区域。由此，可以实现各具有四个磁畴界370的明确界定的磁极化区域，而不必磁化整个轴310。
例如，导电构件315采用正极性编码，而成对的导电构件320使用负极性编码。由编码引起的对应极化磁区域335、340具有表示来自轴的最优响应的位置的畴界区域370。
出于说明的目的，一些风轮机主轴是空心的，并且编码在内部设置在空心轴的内表面上。内部编码的一个特征涉及更好地保护感测系统免于外部干扰，例如电磁干扰(EMI)、闪电以及由操作人员引起的意外损坏。然而，编码也可应用在轴外表面上，这通常对诸如弯曲力矩的机械应力提供甚至更高的灵敏度。根据又一个实施例，编码应用到轴的内表面和轴的外表面，从而允许轴具有更大的灵活性和增强的测量能力。
参考图3b，用于对轴310实现编码区域的一个实施例是通过将一个或多个编码部分380耦合到轴310。注意，在这个示例中，尺寸未按比例绘制。根据这个示例，一个或多个分开的编码部分380耦合在空心轴310的内表面385上。编码部分380可贴附在轴310的内表面385上，使得产生编码部分380的新的内表面395。编码部分380可固定在轴310的槽中，或者另外通过例如使用粘合剂、锡焊和焊接紧固。在这个示范性例子中，磁场传感器的最佳位置在先前编码部分380与轴310之间，由此屏蔽了外部AC场。应该容易地明白，编码部分可以应用到轴的外表面，以将编码部分施加在轴的外面部分上。也可将编码部分380分成较小部分，并且放在轴的内部或外部上，并可现场编码或预先编码并耦合到轴表面。
参考图4，示出一种编码配置，其中以轮廓形式(in relief)示出空心轴410，以便示出在内部设置在空心轴410内的编码系统。在这个实施例中，成对的导电构件425、430耦合在非导电框架415周围，其中几个成对的导电构件可置于框架415周围。成对的导电构件425、430通常彼此靠近近似平行地定位，并间隔一定间隙435。
导电构件425、430一般耦合到两个编码源(未示出)，以使得构件425、430以相反极性耦合。在一个示例中，编码源是两个电分离源，例如电容器组，以确保两个独立的电流路径在轴中流动。存在将导电构件425、430的一端电耦合到编码源的连接，而另一端电耦合到轴410。在一个实施例中，编码产生成对的部分磁编码部分，并且这些部分磁编码部分建立相对于彼此隔离的畴界，例如如图1-3a所示。
描述了根据一个编码实施例的磁极化区域或通道的编码。如之前所提到的，空心轴410可以是铁磁材料，或者在其上设置有贴附于轴的至少一部分铁磁材料。编码可采用多种方式实现，并且一种操作方式是设置导电构件425、430，例如电缆或金属条，它们布置在轴410的周围。如图所描绘，导电构件425、430沿轴410纵向延伸，但是在其它实施例中，它们也可以周向或对角延伸。
在这个实施例的更具体细节中，编码系统设置在轴410的至少一部分的周围。在这个示例中，编码系统部署了在编码期间耦合在轴410内的单元415，使得导电构件425、430沿轴410的至少一部分延伸。在这个实施例中，导电构件425、430布置成使得有正、负编码导电构件425、430。框架415通常是非导电材料，以使得导电构件425、430是隔离对。
编码可以在轴制造期间或在安装以后进行，并且当应用于恰当类型的材料并以高电流密度创建时是永久的。在这个示例中，编码结构描绘为在轴410内，并可包括附加框架元件(未示出)以保持其在轴周围的定向和位置。这可包括框架支撑件(未示出)以确保导电构件正确布置并足以用于编码操作。对于大直径轴或更精确的测量，可以采用附加编码来增加另外的磁极化区域和对应的边界。这些附加编码可通过使固定物与其现有编码构件一起旋转或者通过在固定物中具有更多的编码构件来实现。
虽然所描绘的系统示为位于轴410的一部分内，但是在另一个实施例中，对轴的外表面进行编码。在又一个实施例中，存在布置在轴周围的多个编码结构，使得每个编码结构都生成磁极化区域。
导电构件425、430设置在轴410内并且靠近轴410的位置，在构件425、430与轴410的内表面之间具有间隙。根据一个示例，导电构件425、430是加固的隔离铜条，但是其它适当的导体也在本系统的范围内。导电构件425、430可以是具有例如圆形、椭圆形、方形或矩形形状的条。长度可根据设计标准变化。导电构件425、430越长，可以提供越大的感测表面面积。导电构件425、430的直径应具有足够的刚度，并提供所需的电流脉冲。在一个示例中，这些条的长度可以小于1英寸或几英寸，并且直径在从1/16英寸到1/2英寸的范围内。在一个示例中，导电构件包括用于界定沿轴在纵向、周向或对角方向的相对较直的电流流动路径的刚性或半刚性条。
导电构件425、430具有第一端和第二端，并且出于说明的目的，第一端应耦合到相应的编码源，而第二端应耦合到轴410。在一个实施例中，存在两个电分离源以确保两个独立的电流路径。为了将导电构件425、430电耦合到编码源，在导电构件425、430的第一端提供有电连接。存在用于建立从轴410到编码源的电连接的第一端电极。存在用于建立从导电构件的第二端到轴410的电连接的第二端电极。第一和第二端电极是指到轴410的电耦合，并且在一个实施例中，第一端电极是耦合在非导电框架415周围的接触轴410的导电元件。在一个实施例中，第二端电极是指从导电构件425、230的第二端延伸到轴410的导电元件。电极也可以是与连接到轴410的跳线或导线的接触点。
对于正导电构件，编码源正端子沿正电连接体耦合到正导电构件的第一端。编码源负端子经由电连接体耦合到电极和轴。对于负导电构件，编码源负端子沿电连接耦合到负导电构件的第一端。编码源正端子经由电连接体连接到电极和轴。
在一个实施例中，电信号穿过轴410行进，使得在其中生成磁化区域。这种编码系统的特征之一是对轴中的通道或磁极化区域进行磁编码的能力。具体地说，钢轴具有高相对磁导率，并且穿过钢轴行进的电流创建截然不同的编码通道。
部分磁编码的一个示例使用相隔约90度均匀分布的四对导电构件。正极性电流脉冲耦合到导电构件，并且电流脉冲沿导电构件行进到在第二端周围接触轴的电极。电极所释放的电流经由电连接体沿轴行进回到第一端电极和编码源的负连接。沿轴流动的电流在轴上创建极化磁通道。结构中的每个相邻导电构件将具有交变极性，并且脉冲编码可同时一次性地、分组地或个别地编码所有的导电构件。例如，可同时对第一组正导电构件进行编码，然后对负的那组导电构件进行编码。
电流穿透、即轴中的电流密度的深度和宽度通常由电流脉冲的持续时间控制。在这个示例中，电流脉冲是单极性的，并且是正电流脉冲，没有负半波；或者如果施加负电流脉冲，则没有正半波。在一个实施例中，通过使电容器组放电来生成电流脉冲，其中放电电阻器的大小[Ω]和电容器组的大小[μF]确定放电时间常数τ＝RC，并且因此确定电流穿透的深度和宽度。生成具有可变脉冲长度的电流脉冲的另一种方式是，使用将具有期望形状的电流注入轴中的可控电流源。
根据一种简单的编码方法，一次一个电路地编码磁化部分。例如，可施加正极性电流脉冲以编码第一编码部分，然后通过施加具有负极性的第二电路来磁化另一部分。使用交变极性电流脉冲来编码随后部分。
可通过施加电流脉冲并改变放电电阻器值并且因此改变电流穿透来实现分层编码，例如图1中的初级编码的第一和第二层。
这种利用交变极性电流脉冲的顺序编码过程创建了多个几乎相同的编码部分。如果只将一个电流脉冲施加到要磁化的每个部分，则这些部分一般不相同，因为磁化第二部分时也会影响第一磁化部分。通过执行多个顺序电流脉冲、在磁化时交变这些部分、以及通过在靠近电极接触轴的区域执行磁场测量，可以实现几乎相同的编码部分。用于在轴中顺序创建磁化区的另一个示例测量在每个段或区中创建的场强度，并使电流脉冲的幅度适应随后的编码步骤。
为了避免对一部分的顺序磁化受下一磁化的影响，另一个编码实施例将相同的电流幅度施加到所有导电构件，并一次编码所有部分。在一个实施例中，导电构件将使用分离的或分开的编码源来供应这些导电构件。在一个示例中，对每个导电构件使用分离的电容器组。在另一个示例中，对每个导电构件使用分离的可控电流源。
例如，如果存在四个段，则可使用两个编码源来将相同的电流脉冲施加到具有相反极性的这四个电流编码源中的每个电流编码源。在另一个示例中，存在八个分离的编码源，由此避免了在编码过程期间不同编码电流之间的短路。在另一个示例中，可采用切换方案来施加具有交变极性的电流脉冲信号。
虽然常规技术依赖于全圆周轴极化，但是本文中的系统的一个实施例使用返回电流来对轴中的磁通道进行编码。部分磁编码利用不对称趋肤效应以及电流总是采取最小阻抗的路径这一事实。如果电流的频率足够高，则阻抗以电感为主。在短电流脉冲的情况下，轴中流动的返回电流将比较长脉冲的情况下更局部化，从而实现极化且明确限定的/窄磁性图。利用这种效应来磁化具有更局部化的通道的轴的部分，更局部化的通道导致在相同的编码电流幅度具有更高的磁通密度。在比较小的编码电流具有高磁通密度的一个优点是，编码源可以比旨在沿圆周方向磁化整个轴表面的编码源设计小得多。
部分编码可以采用几种方式执行，包括只编码一个或多个轴部分。根据一个实施例，执行部分磁编码以沿轴的圆周创建多个编码，这通常是在制造阶段执行的。可以用诸如工业钢的编码铁磁轴来实现磁致伸缩测量。磁编码由此将轴变成感测系统的部件，使得当对轴施加机械转矩或弯曲力矩时，力相关磁通量出现在轴的编码区域的直接环境中(例如，在距轴表面几毫米的距离处0.2mT)，并且可通过诸如霍尔传感器、磁通门传感器或感应线圈的磁通密度传感器来拾取。传感器通常是低成本实现多个冗余度，并且非常适合于结合到风轮机传动系设计中，因为它们很小。
在要测量诸如轴转矩和/或轴弯曲力矩的机械载荷状态的一些实施例中，在将磁通密度传感器放置在其中导电构件的电极在编码过程期间接触轴的区域附近时，可以实现最高灵敏度。这个特性使得能够使用具有与图4中所示的设计相似的设计的编码工具，不过这些编码工具具有相对较短的轴向尺寸，使得编码工具的半径比轴向尺寸短。这对于只有诸如几厘米的较小轴向空间可供转矩或弯曲力矩测量系统使用的应用来说具有意义。基于磁编码的某些常规转矩测量需要相当大的轴向空间。应注意，在一些实施例中，编码通道的轴向长度无关紧要。
根据一个示例，用于感测弯曲力矩的编码使用两个或更多个编码。编码可层叠在轴上，例如如图1所示。编码也可以沿轴的不同部分定位，或者包括在内部设置在轴的空心中心内的编码，或者它们的某种组合。在又一示例中，初级编码可部署在轴的外部上，而次级编码可部署在轴的内部上，同时具有相应的传感器部署。
参考图5，描绘用于沿轴505的径向圆周在轴上磁编码和创建磁畴界的又一个编码实施例。在这个示例中，编码是在空心轴的内表面上，并且在轴505的一段周围定位有弧段520、540。一个导电弧段520在正端510上耦合到正极性编码源(未示出)，使得编码电流从正端沿弧520行进。在这个示例中，导电弧段520的另一端通过与轴505的内表面接触的电极525耦合到轴505。编码电流脉冲由此沿导电构件520行进，其中返回电流沿轴505的内表面570行进到在电耦合到编码源(未示出)的返回端515的返回电极。
另一导电弧段540在返回端530上耦合到编码源(未示出)。编码信号沿轴的内表面560经由与轴505接触的电极并通过电极545从编码源(未示出)行进到正端535。编码电流沿弧段540行进，并经由返回端530返回到编码源(未示出)。再次地，这种编码绕轴505的圆周生成部分磁区域。创建极化磁区域的这对导电弧段520、540的组合还在其间创建了作为最佳感测区域的畴界550。
在这个示例中，存在两个沿轴的轴向定向的极化区域。磁场本身在编码区域中不是角位置相关的，并且磁场可定向在任何位置。在另一个示例中，磁场可在圆周方向具有限定的位置相关性。应该容易明白，虽然描绘为绕半圆的弧段，但是弧段也可以是轴的一小部分，或者是圆形圆周的更大部分。而且，虽然弧部分磁编码示为是沿轴的至少一部分的圆周，但是编码通道也可以沿轴的任何方向，例如磁极化通道的对角线。根据一个实施例，编码设置在轴的外表面上。在另一个实施例中，多个弧部分磁编码以与如图1所示的方式类似的方式沿圆周设置在轴的周围。
参考图6a，描绘简化测量系统的一个实施例。在这个示例中，磁编码轴605包括多个极化磁化区域，其间的磁畴界是通过在这些部分中的每一部分中编码具有交变极性的脉冲引起的。磁编码极化区域的数量取决于编码和设计标准，例如轴的直径。在操作中，当轴605未受到转矩或弯曲时，磁通路径主要驻留在轴材料中。在对轴605施加一些转矩或弯曲力矩时，磁畴界的磁通分量的不连续性在空间(位于轴材料的外部)中创建了可由传感器610、615、620、625中的一个或多个传感器测量的附加磁场。
在这个示例中，非接触或静止传感器单元610、615、620、625驻留在距轴605一小段距离的位置处，并且定向成检测磁场。传感器610、615、620、625可以是相同或类似类型的传感器，并定向在相对于轴605的相同或类似的平面中。在另一个实施例中，传感器610、615、620、625以不同方式定向，例如成不同的角度定向，以便能够检测不同的测量。然而，在又一个实施例中，传感器610、615、620、625具有配置成检测不同属性的各种类型。在一个示例中，存在实现差动测量的传感器610、615、620、625，差动测量拾取由载荷下的主轴所引起的磁通密度。
通常对所测量的数据进行随后处理，以基于所测量的磁场数据确定与轴相关联的特性。通常将传感器数据传递到诸如微处理器或计算装置的处理单元，处理单元利用传感器数据用于各种目的，例如系统控制。在一个示例中，通过有线或无线基础设施传递数据。传感器数据也可经由在许多风轮机轴上使用的滑环来传递。
由于风轮机主轴通常具有滑环以从缓慢旋转的轴提取信号，因此磁场传感器也可以直接部署在轴表面上靠近磁畴界的位置，使得传感器系统与主轴一起旋转，从而实现非常准确的转矩和弯曲力矩输出信号，因为传感器在所有转子位置产生相同的磁场输出。由此，这种旋转传感器可永久地安装在主传动轴中，其中磁场或弯曲力矩信号经由现有滑环或无线通信传送。
参考图6b，轴605是风轮机主轴，它部署在风轮机组件600内，使得传感器在外壳630的一部分内。在一个实施例中，传感器包括与轴接触耦合的旋转传感器以及非接触传感器，并且全都部署在外壳630中。
在一个风轮机实施例中，传感器与信号调节单元一起安装在轴内部靠近编码区的区域的位置。然后，可经由现有滑环将转矩和弯曲力矩信号传送到控制系统。对轴的内部进行编码的一个优点是，涡轮机一旦安装好，这些区和基础设施便不可接近，并且受到很好的保护以免遭受外部场。由于风轮机主轴或低速轴旋转缓慢，因此可以应用其它可能的传感器，包括磁通门、霍尔效应、各向异性磁致伸缩和巨磁阻(GMR)传感器。
在一个实施例中，期望传感器成对操作，并以差动操作模式工作，因为这使得它们对诸如环境温度或外部磁场的常见干扰模式类型更具鲁棒性，并对相反方向的转矩提供对称响应。在一个示例中，第一传感器对以与第二传感器对不同的角度相对于轴定向。
在某些应用中，当应用部分磁编码时，很难准确地在所有轴部分中实现相同的磁通分布和/或磁化。各部分之间缺乏一致性有几个原因，例如随后应用于不同部分的磁编码工具、材料异质性以及施加到各轴部分的不同的磁化电流密度。当磁化工具不能同时与各部分串联连接时，这特别有意义。由于编码通道之间的磁属性存在差异，所以用同样的传感器在不同的磁编码轴部分上感测相同的转矩或功率可能导致不准确的结果。因此，在一个实施例中，磁场感测基于其中测量值基于积分法的方法和系统。积分通常涉及积分处理的几个因子。积分通常包括轴的至少一个整转。
克服磁化部分之间缺乏一致性的另一种可能性是，使用直接贴附于轴表面的传感器，例如图2中的传感器250。将传感器直接与磁化区域相关联使得系统能够校准传感器和磁化区域的每个组合。在传感器信号处理中应用不同的放大因子时，即使磁化部分具有稍微不同的磁属性，仍可实现传感器输出信号的相同灵敏度(V/Nm)。
参考图7a，出于说明的目的，感测系统的另一个实施例在风轮机组件700内。在这个实施例中，传感器720在内部部署在风轮机结构700的主传动轴外壳725内。在一个实施例中，传感器720是沿轴730的内壁贴附的小型旋转传感器。在一个方面，传感器通过粘合剂贴附。图7b示出该感测系统的不同透视图，其中传感器720部署在风轮机外壳725内并紧靠轴730。
在一个实施例中，来自传感器720的测量数据经由系统中的滑环(未示出)传递。然后，对所传递的数据进行处理，以确定轴的各种转矩和弯曲力矩。可以实现反馈系统处理，以根据测量值对风轮机操作进行调整。
在一个示例中，传感器可沿轴的圆周的一部分部署在感测框架组件内，或者设置在整个圆周周围。在其它实施例中，传感器结合到现有轴外壳中，使得不需要单独的传感器组件，并且结合式结构执行传感器组件的功能性。外壳可以提供多个传感器插槽，使得可以部署任何数量的传感器。
对于风轮机应用，轴的速度较低，并且传感器可在内部或外部贴附于轴上，并且仍提供满意的结果，这是因为，由于只有传感器到轴的距离必须随时间保持恒定，所以随时间改变的接触行为不是关键的。另一方面是在一个永久编码到传动轴中的长期稳定感测系统中组合几个常规传感器，例如速度、角位置、转矩和/或弯曲力矩。在将多个磁场部分编码到轴中时一般涉及低的附加成本，并且贴附于轴的对应磁场传感器也是低成本的。
由于风轮机轴旋转缓慢，所以可将紧凑型信号处理单元安装在旋转系统内。来自几个磁场传感器的信号是这个处理单元的输入信号，这个处理单元输送x和y方向的转矩和弯曲力矩作为输出。风轮机通常具有滑环，滑环实现到/自涡轮机的非旋转部分的信号和低功率接口，例如对于处理单元的输出信号和电源。来自磁场传感器的数据也可使用滑环或本领域已知的其它非接触或无线信号传输实施例来直接传递以用于进行随后处理。信号处理单元也可部署在旋转轴或外壳附近，以使得能够处理数据，其中所处理的数据可经由系统级用途的各种手段传递。
如所提到的，滑环可用于收集来自传感器的信息。滑环提供一种用于对旋转组件进行电连接的方法。滑环也称为旋转式电接口、旋转电连接体、收集器、转环或电旋转接点，它们通常由安装在风轮机轴上但与轴绝缘的导电圈或导电带构成。固定触点或电刷与环接触运行，以便将电功率或信号传送到系统的外部静态部分。滑环在本领域是已知的，并且它们在风轮机的用途已经用于提供电连接性。
传送来自旋转组件的传感器信息的另一个实施例是通过两个线圈之间的电感耦合，一个线圈安装在旋转组件或框架中，而另一个线圈安装在第一线圈附近，但不旋转。通常，使用较高频率和调制方案来实现诸如本领域已知的电感信号传输。
如所提到的，受益于本文详述的测量系统的一个示范应用涉及风轮机的传动系。风轮机往往具有在轴上存在由大转子上的不对称风力状态所引起的弯曲力矩的问题，并且该问题随较大转子叶片系统而增大。风轮机载荷控制系统的一个实施例包括使用主轴作为不对称载荷的初级传感器。另一方面涉及磁编码，以使得能够随着时间以准确而稳定的方式测量弯曲力矩、轴转矩和其它参数。
一个示范实施例涉及风轮机轴的轴转矩和弯曲力矩的可靠实时测量以及风轮机的特殊载荷和控制需求。该系统使得能够进行快速控制动作，由此减少了对于不对称和对称载荷涡轮机的动态加载，包括监控弯曲力矩以及基于弯曲力矩测量在施加不对称载荷控制(ALC)时减小这种力矩。现有涡轮机的反应时间相对较慢，这是因为常规载荷感测是基于测量作为对载荷的反应的发电机输出功率的。本系统提供了对轴的实时感测，并允许具有比测量发电机输出的系统更快的响应。由此，本系统通过实时控制螺距角或其它致动器提供了更动态的不对称和对称载荷控制。
具有高带宽和可重复性的转矩测量也使得本系统能够在早期阶段检测转子轴系统中的振动或技术问题，以便进行预先的维护计划或疲劳诊断，例如变速箱故障的早期检测。
在所有操作状态下实时监控转矩还实现了风轮机的更高能量输出。在一方面，系统使得能够比基于测量发电机功率的载荷测量更快地检测动态载荷变化。直接转矩感测使得能够实时动态地控制风轮机螺距角或类似致动器，由此将动态载荷减至最小。如果涡轮机配备有较大的叶片，则可以增加风轮机能量输出，以便在风吹得不强烈时产生较多的功率。在强的动态风的状态下，增强的动态(实时)控制将防止大涡轮机叶片受损。
除了准确而可靠的弯曲力矩感测以外，可靠的实时转矩测量使得能够进行更动态的控制，这导致更积极的风轮机设计，这些设计可具有较小动态载荷、因此具有较低的可接受结构重量、较大转子。在没有这种可靠的感测系统的情况下，存在复杂反馈系统失效并且因此风力发电厂不能运转或仅具有缩减功率特性的风险。
磁编码还可用在主轴的其它位置和风轮机部件上，例如用在螺距和偏航系统上，以便实现用于风轮机控制系统的随时间具有高准确度和稳定性的测量。在某些实施例中详述的不对称载荷系统将传感器结合在机舱固定坐标中，并提供传感器寿命、可靠性以及相对简单的机舱固定接线。在一些配置中，每个传感器安装在贴附于主轴承的传感器支架上。来自传感器的传感器读数提供所测量的位移或力矩，控制系统利用这些位移或力矩来确定每个转子叶片的螺距命令以减少不对称转子加载，并确定有利的偏航定向以减少螺距活动。
基于永久磁编码钢部分的转矩感测系统使得能够在不同轴部分以高长期稳定性测量轴功率输出和弯曲。这对于风轮机来说是高度有意义的，而且对于蒸汽轮机、燃气轮机或大型压缩机也是如此，其中可容易地检测到各个涡轮机级之间的功率输出的小下降，从而使得能够执行预防性维护，并在涡轮机或压缩机的寿命期间始终保持高能量效率。
出于说明和描述的目的，上文给出本发明的实施例的上述描述。它并不是详尽的或将本发明局限于所公开的精确形式。根据本公开，可以有许多修改和改变。意图是，本发明的范围不由本详细描述限定，而是由所附的权利要求书限定。零件清单
  10   编码轴
  20   初级编码
  22   初级编码
  24   初级编码
  26   初级编码
  30   相反极性点对
  32   相反极性点对
  34   相反极性点对
  36   相反极性点对
  40   次级编码区域
  42   次级编码区域
  44   次级编码区域
  46   次级编码区域
  50   相反极性点对
  52   相反极性点对
  54   相反极性点对
  56   相反极性点对
  60   初级畴界
  70   次级畴界
  200   感测系统
  210   编码轴
  220   初级编码区域
  230   次级编码区域
  240   初级传感器
  250   次级传感器
  260   固定物
  270   非接触固定物
  275   静止传感器
  280   初级畴界
  290   次级畴界
  295   处理单元
  310   轴
  315   正编码构件
  320   负编码构件
  330   内表面
  335   正极化磁场
  340   负极化磁场
  350   空白区
  370   边界
  380   编码部分
  385   轴内表面
  395   新的内表面
  410   空心轴
  415   框架
  425   成对导电构件
  430   成对导电构件
  435   间隙
  505   轴
  510   正端
  515   返回端
  520   弧段
  525   电极
  530   返回端
  535   正端
  540   弧段
  545   电极
  550   畴界
  560   内表面上的返回电流
  570   内表面上的返回电流
  600   风轮机组件
  605   轴
  610   非接触传感器单元
  615   非接触传感器单元
  620   非接触传感器单元
  625   非接触传感器单元
  630   外壳
  700   风轮机组件
  720   传感器
  725   传动轴外壳
  730   轴

Claims (19)

1.一种磁致伸缩测量系统，包括：
沿圆周设置在空心轴的内表面周围的多个编码区域；以及
靠近所述编码区域中的至少一些编码区域耦合到所述轴的一个或多个旋转传感器，其中所述旋转传感器与所述轴一起旋转，并且使得能够测量所述编码区域的磁场属性。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述旋转传感器贴附于所述轴的内表面，或者固持在贴附于所述轴的内表面的固定物中。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述编码区域包括第一编码区域和第二编码区域，在所述第一编码区域具有配置成测量轴属性的一个或多个第一编码区域传感器，并且在所述第二编码区域具有配置成测量轴属性的一个或多个第二编码区域传感器，所述第一编码区域传感器和第二编码区域传感器测量的轴属性包括弯曲力矩和转矩。
4.如权利要求1所述的系统，还包括靠近所述编码区域设置的一个或多个静止传感器，在所述静止传感器与所述轴之间具有间隙，以使得所述静止传感器不会与所述轴一起旋转。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述静止传感器测量轴速、轴位置或转矩中的至少一种。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述磁场属性包括水平方向和垂直方向的弯曲力矩。
7.如权利要求1所述的系统，还包括用于处理所述磁场属性并计算轴属性的处理部分。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述处理部分利用差动测量来计算所述轴属性。
9.如权利要求7所述的系统，还包括设置在所述轴周围的一个或多个滑环，其中所述滑环将所述磁场属性传递给所述处理部分。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述旋转传感器是霍尔效应传感器、巨磁阻（GMR）传感器、磁通门传感器或磁阻抗传感器中的至少一种。
11.一种磁致伸缩轴，包括：
在空心轴的内表面上沿所述空心轴的圆周方向的一个或多个极化编码磁区域；以及
设置在所述编码磁区域周围的一个或多个传感器，其中所述传感器中的至少一个传感器测量所述空心轴的磁场属性。
12.如权利要求11所述的轴，其中在所述编码磁区域之间存在空白空间。
13.如权利要求11所述的轴，其中所述传感器是非接触传感器和旋转传感器中的至少一种。
14.如权利要求11所述的轴，其中所述编码磁区域是分离的段，并且贴附于所述轴的所述内表面。
15.如权利要求11所述的轴，其中所述编码磁区域中的至少一个编码磁区域具有两层或两层以上编码。
16.如权利要求11所述的轴，其中由所述传感器测量的所述磁场属性使得所述传感器能够区分转矩和弯曲力矩。
17.如权利要求11所述的轴，其中所述传感器中的至少一个传感器耦合到所述空心轴的外表面。
18.如权利要求11所述的轴，其中来自所述传感器的测量传递到处理单元。
19.如权利要求11所述的轴，其中所述编码极化磁区域包括第一编码区域和第二编码区域，其中所述第一编码区域不同于所述第二编码区域。
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