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Diese
Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf Sensorsonden und speziell
auf eine universelle magnetische Sensorsonde zur Verwendung in der
Nut einer elektrischen Maschine, wobei die Sonde justierbare Elemente
zur Verwendung in einer Vielzahl von elektrischen Maschinen mit
unterschiedlichen Nutöffnungen
umfasst.
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Auf
dem Gebiet der Stromerzeugung und Stromverwendung ist es wichtig,
dass die Elemente eines Elektromaschinensystems über ihre erwartete Lebensdauer
voll funktionstüchtig
bleiben, so dass unerwartete Ausfallzeiten und/oder katastrophale Ausfälle vermieden
werden können.
Um derartige Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, dass Elemente
wie große
Statoren, die Teil der Elektromaschinensysteme sind, bei regelmäßiger Wartung
oder bevor sie verkauft und installiert werden, insbesondere vor der
Installation zur Stromerzeugung, sorgfältig überprüft und getestet werden.
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Der
Statorkern elektrischer Maschinen verwendet dünne isolierte Stahlbleche,
um einen Durchfluss zu ermöglichen
und den Wirbelstromfluss für den
effizienteren Betrieb zu verringern. Die Bleche werden oft geschichtet,
indem eine Schwalbenschwanznut der Bleche in einen Schwalbenschwanz eines
Keilstahls platziert wird, der an dem Rahmen angebracht ist. Um
die Bleche zusammenzuhalten und eine Blechvibration zu verhindern,
wird der Kern axial mit einer Kraft von ungefähr 300-350 Pfund pro Quadratzoll
(psi) (2,07 Megapascal (MPa)-2,41 MPa) gehalten.
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Das
Kurzschließen
von einem Blech zu einem anderen Blech kann ausgelöst werden
durch Herstellungsfehler, Schä den
während
der Montage/Inspektion/Wiederaufrollung, Stator-Rotor-Kontakt, Vibration
loser Spulenkeile/-bleche, fremdes Magnetmaterial, etc. Wenn die
Bleche aus irgendeinem Grund kurzgeschlossen werden, wird ein zirkulierender
Fehlerstrom induziert. Der zirkulierende Fehlerstrom nimmt mit der
Anzahl der kurzgeschlossenen Bleche und der Leitfähigkeit
zwischen den Blechen und dem kurzgeschlossenen Stangenstahl/Keilstahl
zu. Der Fehlerstrom erhöht
die Verlustleistung in dem Statorkern und verursacht eine örtliche
Erwärmung.
Diese heißen
Stellen (Hot Spots) können
sich zu ernsterem örtlichen
Erwärmen weiterentwickeln
und schließlich
ein Brennen oder Schmelzen der Bleche auslösen. Demzufolge können auch
die Statorstahlisolierung und die Wicklungen beschädigt werden
und einen Erdstromfluss durch den Statorkern und die völlige Zerstörung der Maschinen
zur Folge haben. Daher sollten Zwischenblechfehler entdeckt und
repariert werden, während der
Schaden gering ist, um zunehmende Schäden zu verhindern und die Zuverlässigkeit
des Betriebs der elektrischen Maschine zu verbessern. Derartige
Fehler können
mit einer Sensorsonde entdeckt werden, welche in einer Nutöffnung einer
elektrischen Maschine positioniert wird, in der Veränderungen
im Streufluss, die sich ergeben, wenn der Stator entsprechend unter
Strom gesetzt wird, überwacht
werden können.
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Elektrische
Maschinen (z. B. Generatoren, Motoren etc.) verschiedener Ausführungen
werden stets unterschiedlich breite Nutöffnungen aufweisen. Insbesondere
die unterschiedlichen Hersteller liefern elektrische Maschinen mit
geblechten Zähnen
in unterschiedlichen Größen. Ferner
sind die Nutöffnungen
zwischen den geblechten Zähnen
auch unterschiedlich breit und unterschiedlich groß. Demzufolge
kann ein Satz aus 12-15 verschiedenen Sensorsonden erforderlich sein,
um die verschiedenen Nutöffnungen
elektrischer Maschinen aufzunehmen. Es können Fälle auftreten, in denen eine
genaue Passform oder ein gewünschter
Luftspalt nicht mithilfe der vorgefertigten Sensorsonden erreicht
werden kann. Daher entstehen Ineffizienzen wie höhere Herstellungskosten und
ein verstärkter
Aufwand.
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US 5,341,095 offenbart ein
Testgerät
für den Stator
einer dynamoelektrischen Maschine.
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US 5,990,688 offenbart ein
Gerät und
ein Verfahren zur Evaluierung eines Zustandes eines Magnetkreises
einer elektrischen Maschine.
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Diese
und andere Nachteile gibt es in den derzeitigen Systemen und Techniken.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung wird ein justierbarer Sensorkopf zur Verwendung in
mehreren elektrischen Maschinen nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäß anderer
Aspekte dieser speziellen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind der
erste und zweite justierbare Abschnitt Stellabschnitte; sind die
Stellabschnitte vorgespannt, um eine gute oder enge Passung zwischen
dem Paar aus Zähnen,
die geblechte Zähne
sind, zu bieten; ist eine Oberfläche
eines jeden der Stellabschnitte in Kontakt mit dem Paar geblechte
Zähne mit
einem glatten Kunststoffmaterial beschichtet; ist eine Oberfläche eines
jeden der Stellabschnitte in Kontakt mit dem Paar geblechte Zähne mit
einem oder mehreren Eisenpulvern und einer ferromagnetischen Flüssigkeit
beschichtet, um einen auftretenden Luftspalt zu verringern; sind
der erste und zweite justierbare Abschnitt justierbare Schrauben
und das Paar aus Zähnen
geblechte Zähne;
ist eine Oberfläche
einer jeden der justierbaren Schrauben in Kontakt mit dem Paar geblechte
Zähne mit
einem glatten Kunststoffmaterial beschichtet; ist eine Oberfläche einer
jeden der justierbaren Schrauben in Kontakt mit dem Paar geblechte
Zähne mit
Eisenpulver beschichtet, um einen auftretenden Luftspalt zu verringern,
ist eine Oberfläche
einer jeden der justierbaren Schrauben in Kontakt mit dem Paar geblechte
Zähne mit
einer ferromagnetischen Flüssigkeit
beschichtet, um einen auftretenden Luftspalt zu verringern; bestehen
der erste und zweite justierbare Abschnitt aus magnetischem Material;
umfasst das magnetische Material ein oder mehrere Bleche und weichmagnetische
Verbundwerkstoffe; ist der erste justierbare Abschnitt eine Mehrzahl
aus geschachtelten Stahlblechen, die eine vorgespannte Federkraft
liefern; kommuniziert der zweite justierbare Abschnitt mit der Mehrzahl
der geschachtelten Stahlbleche zum Kontaktieren von einem Zahn des
Paares; ist die Empfindlichkeit in der Fähigkeit, eine Änderung
im Flussmuster zu erkennen, erhöht
durch das Verringern des Luftspalts zwischen dem Kern und dem Paar
Zähnen,
die geblechte Zähne
sind; und umfassen der Kern, der erste justierbare Abschnitt und
der zweite justierbare Abschnitt ein magnetisches Material für den effektiven Flusstransfer.
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Die
Aspekte der Erfindung werden nun ausführlicher mit Bezug auf die
beispielhaften Ausführungsformen
beschrieben, wie sie in den beiliegenden Figuren dargestellt sind,
in denen:
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1 eine
schematische Vorderansicht ist, welche die Verwendung einer Sonde
oder eines Sensors zeigt und den Streufluss darstellt, welcher in
Abwesenheit eines Fehlers auftritt.
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2 eine
schematische Vorderansicht ähnlich
der in 1 dargestellten ist, die eine Situation darstellt,
in der ein Fehler aufgetreten ist und der Streufluss sich entsprechend
verändert
hat.
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3 ein
Beispiel eines justierbaren Sensors mit Stellelementen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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4 ein
Beispiel eines justierbaren Sensors mit Schraubabschnitten gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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5 ein
Beispiel eines variablen Wellblechsensors gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist.
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6 ein
Beispiel eines variablen Sensors mit Stahlblechbalgen gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung ist.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist auf einen universellen Sensor mit einem
ferromagnetischen Kern gerichtet, umfassend justierbare Abschnitte,
um in verschiedene Nutöffnungen
zu passen, während
ein geringer magnetischer Widerstand und eine sichere Halterung
für die
Spule beibehalten werden. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist auf
integrierte Stellelemente gerichtet. Die Stellelemente können auch
eine Federvorspannung umfassen für
eine gute oder enge Passung. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist
auf integrierte Schraubabschnitte gerichtet, die justiert werden
können,
um in verschiedene Nutöffnungen
zu passen. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist auf einen variablen
Sensorkopf gerichtet, der eine Reihe Wellbleche enthält. Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist auf das Integrieren einer Reihe
von Blechbalgen zwischen einem Kern und einem justierbaren Abschnitt
gerichtet.
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Kurz
gesagt, kann eine Ausführungsform
der Erfindung einen Sensor oder eine Sonde umfassen, der/die einen
ferromagnetischen Kern umfasst sowie eine Spule, die den Kern umgibt.
Der Kern kann zwischen den gegenüberliegenden
Oberflächen
eines Gerätes
angeordnet sein. Diese Oberflächen
können die
Seitenwände
von angrenzenden geblechten Zähnen
eines Stators sein. Die Ausführungsformen
der Erfindung können
auf verschiedene Geräte
und/oder Anwendungen angewendet werden.
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Die
Verwendung eines Sensors oder einer Sonde mit einem aus einem magnetischen
Material gebildeten Kern sorgt für
einen erheblichen Anstieg im Signalpegel, während der Sensor oder die Sonde für einen
geringen magnetischen Widerstandsweg für den Fluss sorgt. Die gemessene
Sondenspannung kann zum Teil aufgrund einer hohen Flusskonzentration
in der Sonde ungefähr
2-3 Größenordnungen
höher sein
als die einer Luftkernsonde. Demzufolge wird das Signal-Rausch-Verhältnis der
Messspannung verbessert. Der Sensor bzw. die Sonde kann in einer
Keilabfallfläche
einer Nut mit einem Gesamtluftspalt von bis zu 200 mils (5,08 mm)
angeordnet sein, zum Beispiel auf jeder Seite der Sonde.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst der ferromagnetische Kern des
Sensorkopfes justierbare Elemente, um in verschiedene Nutöffnungen
zu passen, während
ein geringer magnetischer Widerstand und eine sichere Halterung
für die Spule
beibehalten werden. Der ferromagnetische Kern kann variabel gestaltet
sein, um in verschiedene Nutöffnungen
zu passen. Der Kern kann justiert werden für keinen Luftspalt und/oder
um einen vorbestimmten Luftspalt auf jeder Seite beizubehalten. Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist auf einen justierbaren Sensorkopf gerichtet, um
in eine große
Anzahl von Nutöffnungen
verschiedener Breite und Größe zu passen.
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1 ist
eine schematische Vorderansicht, welche die Verwendung einer Sonde
oder eines Sensors zeigt und den Streufluss darstellt, welcher in
Abwesenheit eines Fehlers auftritt. Wie in 1 dargestellt,
ist der Sensor 100 ein fixierter Sensorkopf, der einen
ferromagnetischen Kern 102 umfasst sowie eine Spule 104,
die den Kern 102 umgibt. Der Sensor 100 kann in
einer Keilabfallfläche 116 positioniert werden.
Die Spule 104 kann mit einer Schaltungsanordnung verbunden
werden. Der Kern 102 kann hinsichtlich der geblechten Zähne 110, 112 angeordnet sein,
so dass zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der
angrenzenden Zähne
Luftspalte 108, 109 definiert werden, zwischen
denen der Sensor 100 und die jeweiligen Enden des Kerns 102 angeordnet
sind. Ein geblechter oder geformter (z. B. weichmagnetischer Verbundwerkstoff „SMC") ferromagnetischer
Kern 102 kann zwischen die Zähne 110 und 112 eingepasst
werden. Der fixierte Sensorkopf kann auch als ein Injektionskopf
oder eine Injektionssonde verwendet werden. Ein Verfahren zum Erkennen
von Kernfehlern umfasst (a) das Positionieren eines Magnetjochs
in der Nähe
von mindestens einem Zahn des Kerns, wobei das Magnetjoch von einer
Wicklung gewickelt ist; (b) das Liefern eines Stroms an die Wicklung,
um einen Magnetfluss in den mindestens einen Zahn des Kerns zu inji zieren; (c)
das Messen eines Signals (d.h. mindestens ein Signal), das aus dem
injizierten Magnetfluss resultiert; und (d) das Verwenden des gemessenen
Signals, um Kernfehler zu erkennen. Der Sensor bzw. die Sonde 100 kann
verwendet werden, um eine Veränderung
im Flussmuster 114 zu erkennen.
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2 ist
eine schematische Vorderansicht ähnlich
der in 1 dargestellten, die eine Situation darstellt,
in der ein Fehler aufgetreten ist und sich der Streufluss entsprechend
verändert
hat. Wie in dieser Abbildung dargestellt, liefert der Sensor 100,
unter Fehlerbedingungen 210, aktiv einen Weg für den resultierenden
Streufluss aufgrund des Fehlerstroms 212, wie durch 214 dargestellt.
Ferner kann der Flusspegel um mehrere Größenordnungen erhöht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Sensor 100 für eine Änderung in Flussmustern noch
empfindlicher sein, wenn die Luftspalte zwischen dem Sensor 100 und
den geblechten Zähnen 110, 112 verringert
werden. Daher kann der justierbare Sensor einer Ausführungsform der
Erfindung den Luftspalt zwischen dem Sensor 100 und den
geblechten Zähnen
effektiv verringern und dadurch die Empfindlichkeit und Fähigkeit,
Veränderungen
wie z. B. Veränderungen
in den Flussmustern zu erkennen, erhöhen. Zusätzlich kann der justierbare
Sensor einer Ausführungsform
der Erfindung in verschiedenartigen elektrischen Maschinen mit verschiedenen
Nutöffnungen
verwendet werden und dadurch die Messeffizienz fördern. In einem anderen Beispiel
kann der justierbare Sensor implementiert werden, um einen vorbestimmten
oder festgesetzten Luftspalt zwischen dem Sensor 100 und den
geblechten Zähnen 110, 112 beizubehalten.
Daher kann ein einzelner Sensor verwendet werden, um in eine Mehrzahl
elektrischer Maschinen mit unterschiedlichen Nutöffnungen zu passen.
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3 ist
ein Beispiel eines justierbaren Sensors mit Stellelementen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Im Speziellen stellt 3 eine justierbare
Sonde mit Stellelementen 310, 320 dar, um in Nutöffnungen
unterschiedlicher Breite oder Größe zu passen.
Gemäß einer
anderen Variation einer Ausführungsform
der Erfindung kann anstelle von mehreren Stellelementen 310, 320 ein
einzelnes Stellelement verwendet werden. Im Speziellen kann ein
einzelnes Stellelement gebildet werden, indem die Enden bei 330 und 332 verbunden
werden. Der Sensor mit dem ferromagnetischen Kern 102 kann durch
die Stellelemente 310, 320 an jedem Ende justierbar
gestaltet werden. Zum Beispiel können
einige oder alle Teile aus einem magnetischen Material bestehen,
das geblecht oder geformt wurde, und passen genau zusammen für einen
effektiven Flusstransfer in jeder Position. Die Stellelemente 310, 320 können für eine gewünschte Passung
justiert werden. In einem anderen Beispiel können Federn an der Rückseite
der beweglichen Teile (z. B. Stellelemente 310, 320)
bei 330, 332 hinzugefügt werden, um die sensoraktiven
Oberflächen 312, 322 fest
gegen die geblechten Zähne
zu halten, um eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen. In diesem
Beispiel können
die Oberflächen 312, 322 mit
einem glatten Kunststoffmaterial beschichtet und ferner mit einem Metallpulver
(z. B. Eisenpulver) beladen sein, um eine Durchlässigkeit zu bewahren und einen
auftretenden Luftspalt zu verringern und dadurch zu ermöglichen,
dass die Oberflächen 312, 322 ohne Schaden
auf den Blechen gleiten. In einem anderen Beispiel kann eine ferromagnetische
Flüssigkeit
verwendet werden, um den auftretenden Luftspalt zu verringern.
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Durch
das Verringern des Luftspalts zwischen dem Sensor und den geblechten
Zähnen
kann der Flusstransfer gesteigert werden. Wenn zum Beispiel die
Veränderung
in der Geometrie minimal ist, dann wird der durch ein Ende eintretende
Magnetfluss in dem Kern gesammelt und bewegt sich mit geringem magnetischem
Widerstand durch das andere Ende. Ferner ist der Widerstand des
Weges des Magnetflusses minimal, verglichen mit einem Weg mit Luftspalten.
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4 ist
ein Beispiel eines justierbaren Sensors mit Schraubabschnitten gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. 4 stellt eine justierbare Sonde
mit Schraubabschnitten 410, 420 dar. Die Schraubabschnitte 410, 420 können aus
geformten, pulverisiertem Metall (z. B. weichmagnetischer Verbundwerkstoff)
mit Schraubgewinden zur Anpassbarkeit bestehen. Die Schraubabschnitte 410, 420 können justiert
werden, um in eine gewünschte
Nutöffnung
zu passen. Zusätzlich
können
die Oberflächen 412, 422 mit
einem glatten Kunststoffmaterial beschichtet und ferner mit einem
Metallpulver (z. B. Eisenpulver) beladen sein, um einen auftretenden Luftspalt
zu verringern und dadurch zu ermöglichen, dass
die Oberflächen 412, 422 ohne
Schaden auf den Blechen gleiten. In einem anderen Beispiel kann eine
ferromagnetische Flüssigkeit
verwendet werden, um den auftretenden Luftspalt zu verringern.
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5 ist
ein Beispiel eines variablen Sensorkopfes aus Wellblech gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung. In dieser Ausführungsform
kann ein ferromagnetischer Kern 102 gebildet sein als (oder umfassen)
Wellbleche 500, die von der Spule 104 umgeben
sind. Die Wellbleche 500 können geschachtelte, wellenförmige Federn
zum Halten der Oberflä chen 520, 522 des
ferromagnetischen Kerns gegen die geblechten Zähne sein, um die Spalte zwischen
dem Kern und den geblechten Zähnen
zu minimieren. In dieser Darstellung können die Wellbleche 500 eine
Mehrzahl Bleche umfassen, wo die 510 ein einzelnes Blech
darstellt. Die Wellbleche 500 können einen Federvorspannungseffekt
liefern, um gut zwischen die Nute verschiedener Breite oder Größe zu passen.
Ferner kann jedes Blech 510 der Wellbleche 510 aus
metallischem Material bestehen.
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6 ist
ein Beispiel eines variablen Sensors mit Stahlblechbalgen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Fluss kann durch eine Reihe geschachtelter Balgen 610 geleitet
werden, die ebenfalls dazu dienen können, eine der Sensorseiten
mit einer Federkraft zu versehen, so dass die Sensoroberfläche gleichmäßig mit
einer Wand des geblechten Zahnes in Berührung kommt. In diesem Beispiel kann
der Kern 102 einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff oder
einen Blechkern umfassen. Es können
auch andere Magnetmaterialarten verwendet werden. Der Kern 102 kann
von der Spule 104 umgeben sein. Die geschachtelten Stahlblechbalgen 610 können eine
Seite des Kerns 102 und ein Element 620 verbinden,
wo die geschachtelten Stahlblechbalgen 610 eine vorgespannte
Federkraft liefern, um eine gute oder enge Passung zwischen den
geblechten Zähnen
zu bilden. Das Element 620 kann aus einem ähnlichen
Magnetmaterial bestehen wie der Kern 102 oder es können andere
metallische Materialien verwendet werden.
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Andere
magnetische Materialien können auch
Eisenpulver in einem Kunststoffbindemittel, keramisches Ferrit,
Eisendrahtbündel
und andere äquivalente
Materialien umfassen.