CN104040844A

CN104040844A - 用于高压发电机定子棒的光纤磁通量传感器

Info

Publication number: CN104040844A
Application number: CN201280037389.6A
Authority: CN
Inventors: M.特沃多赫利布; E.阿布罗米蒂斯
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-09-10
Also published as: MX2014001047A; WO2013015931A3; EP2724171A2; WO2013015931A2; US20130027030A1; CA2843140A1; JP2014524035A; BR112014001923A2; KR20140053249A

Abstract

一种磁通量传感器用于测量作用在高压发电机的定子棒上的磁通量的径向分量。该磁通量传感器包括形成在光纤中且被包围在磁致伸缩涂层中的光纤布拉格光栅。磁致伸缩涂层对磁通量中的变化作出响应，在光纤上施加应变，该应变改变了布拉格光栅的反射波长，可对反射波长进行测量以提供通量的测量结果。在一个实施例中，磁通量传感器中的一个或多个被直接定位在特定定子棒的绝缘层中。

Description

用于高压发电机定子棒的光纤磁通量传感器

技术领域

本发明一般地涉及用于测量高压发电机定子棒中的磁通量的光纤磁通量传感器，并且更具体地涉及一种光纤磁通量传感器，其采用设置在光纤内的磁致伸缩布拉格光栅（MBG）以便测量作用在高压发电机定子棒上的磁通量的径向分量。

背景技术

作为功率源的用于发电的高压发电机是本领域公知的。发电厂可包括燃气涡轮发动机，每个燃气涡轮发动机通过如下方式使轴旋转：在燃烧室中燃烧燃料和空气，其膨胀越过叶片，叶片进而导致轴旋转。此类发动机的输出轴联接到高压发电机的输入轴，该输入轴安装到具有特殊线圈构造的转子。转子线圈中所提供的电流产生围绕转子的磁通量，并且随着转子旋转，磁通量与包围转子的定子芯中的绕组相互作用。定子芯绕组包括互连的定子棒，定子棒具有特殊构造以降低绕组中的涡流，否则涡流将会产生大量的热并且有可能损坏各发电机部件。

通常，需要确定高压发电机中的定子棒上的磁通量分布，以更准确地计算电损耗，从而更准确地对定子绕组的总损耗进行建模。这些测量结果的有用性在很大程度上取决于特定通量传感器能够相对于定子棒放置得多么靠近，因为必须针对从传感器到棒的距离上的通量场的衰减来校正在离开测量位置越来越远的距离处获得的测量结果。

通常采用如下方式来监测大型发电机中的磁通量：将铜线探测线圈插入定子齿之间的槽中，在定子齿中，定子棒被提供或安装到定子线圈上。设置在定子槽中的探测线圈可用于探测是否存在径向通量，径向通量能够引起转子中的循环电流，该循环电流导致定子绕组中的损耗。然而，导电铜线圈趋向于具有大的截面，这限制了测量小通量区域的能力，从而提供局部磁通量的平均测量结果。铜线圈还会引起危险，因为铜导电引线能够引发接地电弧，该接地电弧会损坏定子绕组。

本领域已经提出采用光纤布拉格光栅（FBG）作为传感器来测量应变、振动和温度，以用于各种应用。FBG传感器测量布拉格光栅位置处的光纤上的应变。该应变略微改变FBG中的反射光栅线的间距，从而影响其反射性质。宽带红外（IR）信号被通过光纤传输到FBG传感器。通过从FBG反射的IR辐射的波长来测量FBG上的应变的程度。由于应变跨过光纤布拉格线，所以反射光的波长成比例地增大。通过适当地设置布拉格光栅线之间的间距以防止从每个布拉格光栅反射的IR光重叠，可以在单根光纤上提供多达一百个此类测量。这种FBG系统也可在透射模式中操作。

对于FBG传感器应变测量，通过在FBG传感器附接位置处弯曲线圈结构，以通过机械方式对FBG传感器施加应变。对于FBG传感器振动测量，当附接到光纤的质量块对线圈上的附接部位处的振动作出响应时，该质量块改变了光纤中的张力。对于FBG传感器温度测量，布拉格光栅自身的热膨胀改变了布拉格光栅线的间距。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种磁通量传感器，其测量作用在高压发电机的定子棒上的磁通量的径向分量。该磁通量传感器包括形成在光纤中且被包围在磁致伸缩涂层中的光纤布拉格光栅。磁致伸缩涂层对磁通量中的变化作出响应，在光纤上施加应变，该应变改变了布拉格光栅的反射波长，可对反射波长进行测量以提供通量的测量结果。在一个实施例中，磁通量传感器中的一个或多个被直接定位在定子棒的绝缘层中。

从以下描述和所附的权利要求并结合附图，本发明的其他特征将变得明显。

附图说明

图1是高压发电机的定子芯的剖切透视图；

图2是图1中的定子芯的剖面图；

图3是光纤布拉格光栅探测系统的示意性方框图；

图4是光纤磁通量传感器系统的方框图；

图5是通量传感器系统中的磁致伸缩布拉格光栅传感器的侧视图；

图6是定子芯的一部分的剖面分开视图，示出了磁通量传感器相对于定子棒定位在槽中；并且

图7是定子棒的剖面图，定子棒包括多个定子棒线股和磁通量传感器，磁通量传感器位于定子棒的主绝缘层下面的非导电填料层中。

具体实施方式

对于涉及MBG传感器的本发明实施例的以下讨论在本质上仅仅是示例性的并且不意图以任何方式限制本发明或其应用或用途，所述MBG传感器用于测量作用在高压发电机的定子棒上的磁通量的径向分量。

图1是高压发电机的定子芯10的剖切透视图并且图2是该定子芯10的剖面图。定子芯10包括磁性圆筒形部分12，磁性圆筒形部分12由堆叠的薄的铁叠片区段的组件形成，这些区段由键杆16对准并且限定内孔18。一系列贯通螺栓20延伸穿过叠片区段以挤压并保持这些区段以形成圆筒形部分12。圆筒形部分12的叠片区段限定了一系列周向定位的槽22，这些槽22向孔18开口并且限定其间的定子芯齿24。电隔离的顶部和底部定子棒26和28分别设置在槽22中，其中，每个定子棒26和28延伸圆筒形部分12的长度。如下面将要更详细描述的，每个定子棒26和28包括多个缠绕铜线线股和设置在线股周围的绝缘构件。定子棒26和28彼此电耦接以形成三个连续绕组，其中，芯10的每端处的定子端部绕组30将定子棒26和28电耦接。绝缘支撑构件32被安装到芯10的每端并且提供支撑结构以将定子端部绕组30保持就位。

如下面将要详细讨论的，本发明提出了一种包括FBG的MBG传感器，用于测量一个或多个槽22中的来自定子棒26和28的磁通量。本文讨论的MBG传感器被放置成尽可能靠近定子棒26和28中的线股以提供准确的通量测量结果。

图3是FBG探测系统40的示意图，FBG探测系统40包括形成在一段光纤46中的FBG传感器42。光纤46包括光纤芯48，光纤芯48被外包层50围绕。包层50的折射率大于光纤芯48的折射率，使得沿着光纤芯48传输的光束被从光纤芯48和包层50之间的过渡反射并且被俘获在其内。在一个实施例中，光纤芯48的直径约为10 μm，其提供了用于传输多个光学模式的多模光纤。通过如下方式在光纤46中提供FBG传感器42：利用合适的光学写入工艺产生FBG 52，以在光纤芯48中提供区段54的周期性图案，其中，区段54的折射率高于光纤芯48的其余部分的折射率，但是低于包层50的折射率。例如，区段54的折射率n₃大于光纤芯48的折射率n₂，并且区段44的折射率n₃小于包层50的折射率n₁。

如本领域技术人员已知的，可基于以下公式（1）将FBG 52选择性地设计成使得光纤芯48的折射率n₂、区段54的折射率n₃以及区段54之间的间距Λ限定了FBG 52反射哪个波长λ_B。

（1）。

系统40还包括电路58，电路58产生光输入信号并且探测从FBG 52中的一个或多个反射的信号。电路58包括宽带光源60，宽带光源60产生光束62，光束62经过光耦合器64并且被引导到光纤46中且沿着光纤46朝向FBG传感器52传输。被FBG传感器42反射的光经过光纤46向回传输并且被光耦合器64引导到色散元件68，色散元件68将反射光束的各种波长分量分布到线性电荷耦合传感器（CCD）66或者其他某种合适的光探测器阵列（例如布拉格示波器）上的不同位置。也可使用光滤波器的系统来降低系统成本，而同时限制光纤46上的FBG的数量。通过提供宽带源60和色散元件68，CCD传感器66能够探测到多于一个反射波长λ_B，这允许在光纤46中设置多于一个FBG传感器42。

图4是MBG传感器系统70的方框图，MBG传感器系统70包括多个MBG传感器72，每个MBG传感器72具有形成在光纤74内的一个或多个光纤布拉格光栅，例如FBG 52。注意，光纤74的布拉格光栅部分与定子棒材料机械地隔离，从而棒的热膨胀不会引起传感器72上的应变。系统70包括分析装置76，它们中的许多是本领域已知的，例如基于上面讨论的电路58的装置，该装置产生光输入信号，使光输入信号沿光纤74传输并且从MBG传感器72接收反射信号λ_B，该反射信号的波长取决于在传感器72的特定位置处的光纤74上的应变。压力密封件被设置在系统70中，以表明MBG传感器72可以处于压力环境内，例如对于测量定子芯10中的磁通量是有必要的。每个MBG传感器72反射不同波长的光，并且光纤74上的应变改变该反射光束的波长λ_B，这可以被装置76探测到。

MBG传感器72各自包括磁致伸缩材料的外层，该外层响应于磁通量而改变形状，取决于通量强度，这或者增大或者减小光纤74上的应变，可以如上面讨论的测量通量强度。图5是光纤74中的MBG传感器72之一的侧视图。MBG传感器72包括磁致伸缩材料的外涂层80，其可以通过任何合适方式沉积在光纤74上，例如气相沉积。在一个限制性实施例中，传感器72的长度约为1.125英寸并且传感器72的厚度约为0.125英寸，包括涂层80。能够承受高压发电机的温度并且能够适当地沉积在非常窄的光纤上的任何合适的磁致伸缩材料可以用于此目的。磁致伸缩材料可以是松散材料（例如Terfenol-D、Galfenol、Metglas等）或者薄膜材料（例如Sm-Fe、Tb-Fe、FeTb、FeCo等）。通过向MBG传感器72施加已知磁场并且测量被FBG反射的光束的波长的对应偏移来校准MBG传感器72。这样，装置76被校准，使得反射信号的波长的特定变化代表了磁场的已知变化。

FBG的温度变化将会改变FBG中的区段54的间距，这改变反射信号的波长。基于该现象，已知使用FBG传感器来测量温度以提供温度校准。一旦MBG传感器72被针对特定磁通量校准，MBG传感器72的温度变化将会影响通量测量。大多数测量高压发电机的定子棒中的磁通量的应用都是测量随时间交变的AC通量。AC测量通常不需要温度补偿，因为温度变化将会是一偏移量，该偏移量在信号接触时施加到所有的通量测量结果。然而，对于DC磁通量测量而言，为了通量的准确测量，通常需要知道MBG的温度变化。因此，本发明设想了提供第二MBG传感器，该第二MBG传感器或者处于同一光纤74中，靠近MBG传感器72，或者处于邻近于MBG传感器72的分开的光纤（未示出）中。因此，随着温度变化，并且测量温度的FBG提供温度变化的指示，该温度变化可用于校准以确定被测量的DC磁通量。

图6是定子芯90的一部分的剖面分来类型的视图，示出了定子棒92（例如定子棒26或28之一）定位在两个定子齿96（例如齿24）之间的槽94（例如槽22之一）中。定子棒92被楔形件98保持在槽94内，楔形件98定位在定子齿96中的适当的相对开口100内。定子棒92包括外绝缘层102，外绝缘层102包围多个定子棒线股104，每个定子棒线股104包括被绝缘层包围的铜线股。定子棒线股104被设置为由绝缘层围绕且相对于彼此堆叠成列的多段铜线股，从而以本领域技术人员公知的方式减小定子棒92中的任何涡流。楔形件填料区域106设置在楔形件98和定子棒92之间，以便为定子棒92提供间隔和稳定性。

根据本发明，上述类型的一个或多个MBG传感器108被设置在填料区域106内，用于测量期望位置处的定子棒92的磁通量。在该非限制性示例中，五个MBG传感器108被设置成测量跨过槽94的特定位置处的通量。然而，这是非限制性的示例，因为对于特定应用，为了期望的通量测量精度，可以设置任何合适数量的MBG传感器108。如上所述，传感器108可以是任何合适的探测系统的一部分，其中，传感器108可被设置在单根光纤中，设置在多根光纤中，等等，并且其中，传感器108中的一些可被设置成用于温度测量补偿。在该非限制性实施例中，传感器108仅被设置在定子芯10的槽94的一个中，以提供磁通量测量。然而，MBG传感器108可以在沿着定子芯10的长度的任何期望位置被设置在任何数量的槽94中，如可行的那样。

虽然MBG传感器108非常靠近产生磁通量的定子棒绕组104，它们可以定位成更加靠近以提供更准确的通量读数。图7是定子棒110的剖面图，定子棒110包括多个定子棒线股112，定子棒线股112与定子棒线股104相同或相似。定子棒110也可位于定子棒的槽中。定子棒线股112位于Roebel填料114中，Roebel填料114以本领域技术人员公知的方式为线股112提供对准、规则性和稳定性。弯折绕组（crimp winding）116被设置在Roebel填料114中，也以本领域技术人员公知的方式为定子线股112提供对准。弯折绕组116允许从一个线列到下一个线列的适当电连接。定子棒110包括形成在定子线股112周围的内电晕保护层118，其可以在上述定子棒92的绝缘层102下面。在如图所示的定子棒110的正常构造中，异型条120被设置在棒120的顶部，位于保护层118和Roebel填料114之间，并且提供符合于保护层118的曲率的非导电填料部分。腔122被设置在异型条120内以提供用于安装一个或多个MBG传感器124的开口。因此，在该构造中，MBG传感器124非常靠近定子线股112，从而提供非常准确的磁通量读数。

前面的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这些讨论并且从附图和权利要求将会易于认识到可以在不偏离如限定在所附权利要求中的本发明范围的情况下在本发明中作出各种改变、修改和变形。

Claims

1.一种用于测量高压发电机的定子芯中的磁通量的磁通量传感器系统，所述通量传感器系统包括：

至少一个磁致伸缩布拉格光栅（MBG）传感器，所述至少一个磁致伸缩布拉格光栅传感器相对于所述定子芯中的至少一个定子棒定位，所述至少一个MBG传感器包括形成在光纤中的光纤布拉格光栅（FBG）和磁致伸缩材料的外涂层；和

分析装置，所述分析装置向所述光纤提供光输入信号并且从所述至少一个MBG传感器接收反射的光信号，其中，所述反射的光信号提供来自所述定子棒的磁通量的测量结果。

2.根据权利要求1的系统，其中，所述至少一个MBG传感器被设置在所述定子芯中的定子齿之间的槽中。

3.根据权利要求2的系统，其中，所述至少一个MBG传感器位于楔形件和所述定子棒之间，在填料区域中。

4.根据权利要求2的系统，其中，所述至少一个MBG传感器位于保护层内的异型条中，所述保护层被设置在所述定子棒内的多个堆叠定子棒线股周围。

5.根据权利要求1的系统，其中，所述磁致伸缩材料的涂层是磁致伸缩松散材料。

6.根据权利要求5的系统，其中，所述磁致伸缩松散材料选自由Terfenol-D、Galfenol和Metglas组成的组。

7.根据权利要求1的系统，其中，所述磁致伸缩材料的涂层是薄膜材料。

8.根据权利要求7的系统，其中，所述薄膜材料选自由Sm-Fe、Tb-Fe、FeTb和FeCo组成的组。

9.根据权利要求1的系统，其中，所述至少一个MBG传感器是所述光纤中的间隔开的多个MBG传感器，每个MBG传感器反射具有不同波长的光信号。

10.根据权利要求1的系统，还包括与所述至少一个MBG传感器相关联地设置的温度FBG传感器，用于测量温度并且提供反射的温度补偿光信号。

11.根据权利要求10的系统，其中，所述MBG传感器和温度FBG传感器被设置在所述光纤中。

12.根据权利要求10的系统，其中，所述MBG传感器和温度FBG传感器被设置在分开的光纤中。

13.一种用于测量高压发电机的定子芯中的磁通量的磁通量传感器系统，所述通量传感器系统包括：

多个磁致伸缩布拉格光栅（MBG）传感器，所述多个磁致伸缩布拉格光栅传感器被设置在公共的光纤中并且彼此间隔开，所述多个MBG传感器各自包括形成在所述光纤中的光纤布拉格光栅（FBG）和磁致伸缩材料的外涂层，所述多个MBG传感器定位在所述定子芯中的定子齿之间的槽中，靠近多个堆叠的定子棒线股；和

分析装置，所述分析装置向所述光纤提供光输入信号并且从所述多个MBG传感器的每一个接收反射的光信号，其中，每个MBG传感器反射具有不同波长的光信号，并且其中，所述反射的光信号提供来自所述定子棒的磁通量的测量结果。

14.根据权利要求13的系统，其中，所述多个MBG传感器位于楔形件和所述定子棒之间，在填料区域中。

15.根据权利要求13的系统，其中，所述多个MBG传感器位于保护层内的异型条中，所述保护层被设置在所述定子棒内的多个堆叠定子棒线股周围。

16.根据权利要求13的系统，还包括与每个MBG传感器相关联地设置的温度FBG传感器，用于测量温度并且提供反射的温度补偿光信号。

17.一种用于高压发电机的定子芯，所述定子芯包括：

芯部分，所述芯部分具有中心孔、与所述孔连通的一系列周向布置的槽、以及所述槽之间的定子齿；

至少一个定子棒，所述至少一个定子棒定位在所述芯部分的每个槽中，并且与彼此以及与所述定子芯的端部处的定子端部绕组电连通；和

至少一个磁致伸缩布拉格光栅（MBG）传感器，所述至少一个磁致伸缩布拉格光栅传感器被设置在所述槽的至少一个中，所述至少一个MBG传感器包括形成在光纤中的光纤布拉格光栅（FBG）和磁致伸缩材料的外涂层。

18.根据权利要求17的定子芯，其中，所述至少一个MBG传感器是被设置在所述至少一个槽中的多个MBG传感器，在所述光纤中彼此间隔开，其中，每个MBG传感器反射具有不同波长的光信号。

19.根据权利要求17的定子芯，其中，所述至少一个MBG传感器位于楔形件和所述定子棒之间，在填料区域中。

20.根据权利要求17的定子棒，其中，所述至少一个MBG传感器位于异型条中，所述异型条在定子棒线股和所述定子棒内的保护层之间。