KR101433212B1

KR101433212B1 - 코어 내의 자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101433212B1
Application number: KR1020127029862A
Authority: KR
Inventors: 페터 함베르거; 알베르트 라이커모저
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2014-08-22
Also published as: CA2800551A1; MX2012011889A; WO2011127969A1; AU2010350863B2; US8896306B2; EP2558875A1; RU2524056C2; US20130049751A1; UA104373C2; CN102985838B; RU2012143740A; EP2558875B8; BR112012026073B1; HRP20140422T1; KR20130021386A; BR112012026073A2; EP2558875B1; AU2010350863A1; CA2800551C; CN102985838A

Abstract

자속이 흐르는 코어(2)의 섹션(L1) 내의 자기 특성 변수, 특히 자기장 세기(H1)를 검출하기 위한 방법으로서, 자속의 일부(18)은 코어(2)로부터 분기(branch off)되고, 적어도 섹션들 내에서 자기 분로 부분(7)으로 가이드되며, 분로 부분(7)의 자기 재료는 포화되지 않고, 자기 특성 변수(H1)는 이러한 분기된 자속의 일부(18)으로부터 또는 센서 및 평가 디바이스(8, 10)를 이용하여 그로부터 유도되는 변수로부터 결정된다.

Description

코어 내의 자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING A MAGNETIC CHARACTERISTIC VARIABLE IN A CORE}

본 발명은 자속에 의해 투자되는(permeated) 코어의 섹션 내의 자기 특성 변수, 특히 자기장 세기를 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

전력 분배 시스템들에서 이용되는 종류의 전기 트랜스포머들에서, 예를 들어 전기 드라이브들 또는 무효 전력(reactive power) 보상 장비와 함께 이용되는 것과 같은 전력 전자 부품들의 증가된 이용 때문에, 시스템의 관점에서 DC로서 고려되어야만 하는 전류 성분이 생산될 수 있다. 이러한 직류 전류 또는 "DC 성분"은 일반적으로 트랜스포머의 정격의 전류의 단지 수천분의 1(a few thousandths)만을 차지하지만, 이는 트랜스포머의 코어 내에, 교번 자속 상에 중첩되는 단일방향 자속을 생성한다.

이른바 지자기적으로 유도된 전류들(GIC; geomagnetically induced currents)은 또한 트랜스포머 코어 내에 단일방향 자속 성분을 생성할 수 있다.

최신의 코어 재료들은 매우 높은 자기 투자율(permeability)을 가지며, 코어들은 스텝-랩(step-lap) 라미네이션 처리들로 생성된다. 그 결과, 트랜스포머 코어들은 매우 높은 투자율을 가지며, 일반적으로 트랜스포머 코어의 자기 재료가 많이 활용되며, 이는 트랜스포머를 일정한 필드들에 특히 민감하게 만든다.

심지어 적절한 DC 암페어-턴(ampere-turn)들이 B-H 곡선 내에 이러한 포화 비대칭성을 초래할 수 있어서, 각각의 반주기(half-period)에서 자속 밀도는 코어 재료의 포화 자속 밀도에 가까워진다. 그 결과, 자화 전류는 더이상 사인파(sinusoidal)가 아니고, 왜곡된다(distorted). 코어 내의 그리고 전기 권선 내의 온도는 상승한다. 동작 동안, 증가된 잡음 발생이 일어나며, 이는 특히, 트랜스포머가 주거 지역에 가까이 설치된 경우에 바람직하지 않다.

트랜스포머에 대한 동작 잡음을 감소시키기 위해, DE 40 21 860 C 2는 트랜스포머에 대한 잡음 측정을 제안한다. 트랜스포머 잡음에 따라, DC 발생기는 보상 전류를 트랜스포머의 보상 권선 내로 주입하여, 동작 잡음이 감소된다. 그러나, 잡음 측정은 복잡하고 결함이 있기 쉽다(fault-prone).

전력 트랜스포머의 경우에, 단일방향 자속 성분은 기본적으로, 1차 권선들 및 2차 권선들에 흐르는 전류를 측정하고, 그리고 측정 신호로부터, 코어 내의 자기 단일방향 자속과 상관되는 짝수 고조파(even harmonic)들의 성분들을 필터링(filtering out)함으로써, 전류 트랜스포머들에 의해 또한 결정될 수 있다. 그러나, 이에 대한 결점은, 전류 트랜스포머들은 보다 높은 전압 전위의 구역에 설치되어야만 하며 이는 높은 절연 요건의 측면에서 고비용이라는 점이다.

다른 가능성은, 전압 신호들의 짝수 고조파들의 스펙트럼 콘텐트를 결정함으로써 일정한 필드 성분을 필터링 제거하는 것일 것이다. 그러나, 짝수 고조파들의 진폭은 단지, 시스템 주파수 기본의 천분의 1의 구역에만 있을 뿐이며, 이는 측정 데이터 처리를 복잡하게 한다.

더욱이, 전력 트랜스포머는 항상, 매우 낮은 유지보수(low maintenance)를 갖는 매우 긴 동작 수명을 위해 설계된다는 특정 요구사항들이 이러한 측정 시스템에 관해 제기된다. 자명하게, DC 성분을 검출하기 위한 측정 시스템은, 자기 코어 및 전기 권선 및 다른 기계적 구조의 부품들 모두의 설계에 대해 최소한의 영향을 가져야 한다.

PCT/EP2007/055728은 단일방향 자속 보상을 갖는 트랜스포머를 기술하며, 여기서 자기장 측정에 기초하여, 보상 전류가 미리 규정되어서, 직류 (제로 주파수) 성분이 감소된다. 자기장은 트랜스포머 코어 상에 배치된 센서 코일을 이용하여 측정된다. 코일은 신뢰적이지만, 센서 신호가 약하기 때문에, 측정 신호의 처리는 신호 조절을 위한 매우 정교한(sophisticated) 하드웨어 컴포넌트들을 필요로 하고, 또한 매우 복잡한 신호 처리 알고리즘들을 필요로 한다.

그러나, 코어 내의 직류 성분(direct component)를 검출하기 위한, 현재 알려진 만족스러운 만능의 솔루션은 존재하지 않는다.

본 발명의 목적은 가장 단순한 가능한 방식으로, 비대칭 코어 포화가 검출되는 것을 가능하게 하는 접근방식을 생성하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 방법 및 청구항 제 10 항의 특징들을 갖는 장치에 대해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 각각의 종속 청구항들에서 규정된다.

본 발명은 자기 재료의 비대칭 포화를 초래하는 물리적 변수를 검출하는 신규한 방식을 제안한다. 본 발명에 따르면, 일종의 "자기 바이패스(magnetic bypass)"로서 동작하는 센서 디바이스가 이용되며: 강자성 분로 부분(shunt part)에 의해, 메인 자속의 일부는 트랜스포머 코어에서 분기(branch off)되고 다운스트림으로 다시(again) 공급된다. 코어를 우회하는 이러한 분기된 자속 성분로부터, 분로 브랜치에 의해 우회되는 코어 섹션 내의 자기장의 세기는 직접적으로, 또는 이로부터 도출되는 물리적 변수로부터 간접적으로 결정된다. 아래에서 자기 여기(magnetic excitation)로 또한 지칭되는, 자기장 세기의 이러한 검출은, 다수의 이점들을 갖는다. 한편으로는, 자기적으로 소프트한 코어 내의 일정한 필드 성분을 결정하기 위한 신호 복잡성이 감소되는데, 그 이유는 트랜스포머 코어 내의 초기의 포화의 경우에, 누설 자속 성분이 증가하는 것으로 알려졌기 때문이다. 이는, 분로 부분(센서)에 의해 우회되는 구역 내의 코어(측정된 대상들)의 자기 재료가 비대칭성 때문에 포화되어 가는 각각의 반주기에 대해, 분로 브랜치를 통해 통과하는 자속 성분은, 분로 부분의 이론적으로 매우 더 높은 자기 포화 제한 때문에, 측정된 대상 내의 메인 자속에 비해 증가한다는 것을 의미한다. 다시 말해, 본 발명은, 코어의 섹션 내의 자기 특성 변수를 검출하기 위해, 분로 부분(센서)에 의해 우회되는 코어(측정된 대상)의 섹션의 구역에서의 심한(heavy) 자기 포화의 경우에서조차, 분로 브랜치 그 자체는 여전히 어떠한 종류의 자기 포화 영향들이 없음을 보이고 그의 "자기 저항(magnetic resistance)", 즉 본질적으로 자기 분로의 rms 투자율은, 측정된 대상의 포화 상황에 의해 크게 영향받지 않으며, 일정하게 유지된다는 기술적 효과의 이점을 인지한다. 이러한 효과는 상이한 수단에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예에서, 분기된 자속은, 적어도 하나의 비-강자성 갭 ― 명료성을 위해 아래에서 "에어 갭"으로 지칭됨 ― 을 통해 공급된다. 이는, 전체 분로 브랜치의 rms 투자율에 대한, 그러므로 측정 정확도에 대한 선형화(linearizing) 효과를 또한 생성하는 동안 자기 포화 제한을 상승시키는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 코어의 강력한 자기 포화의 경우에서조차, 분로 부분의 자기 재료는 여전히 자기 포화 영향들이 없게 유지되며, 이러한 분기된 자속 성분은 측정된 대상의 모니터링된 구역의 자기 여기에 정비례(directly proportional)한다.

다른 바람직한 실시예에서, 분로 브랜치 ― 상기 분로 브랜치를 통해 자속의 분기된 일부들이 통과함 ― 는 자기적으로 소프트한 코어 재료의 투자율보다 낮은 rms 투자율을 갖는 것으로 제공될 수 있다. 마찬가지로, 이는, 코어의 심한 자기 포화의 경우에서조차, 분로 부분은 여전히 자기 포화 영향들이 없고, 그의 자속은 측정된 대상의 모니터링된 구역의 자기 여기에 정비례한다는 점을 보장한다. 이러한 실시예의 다른 추가의 전개에서, 분기된 자속은 비-강자성 갭을 통해 공급되고, 이에 의해 분로 브랜치가 포화 영향들에 훨씬 덜 민감하게 만드는 것으로 제공될 수 있다.

자기 분로 부분은 유리하게, 분로 브랜치 내의 분기된 자속을 측정하기 위한 측정 디바이스를 갖는다. 이는 분로 부분 상에 배치되는 센서 코일에 의해 기술적으로 단순한 방식으로 구현될 수 있다. 센서 코일을 투자하는 분기된 자속 부분이 시간에 걸쳐 변화하는 경우, 센서 신호가 상기 코일 내에 유도된다. 그러나, 홀 센서(Hall sensor)와 같은 상이한 자기장 검출기가 또한 이용될 수 있다.

평가의 목적을 위해, 센서 신호가 평가 디바이스에 공급된다. 평가 디바이스는, 예를 들어 센서 신호로부터, 트랜스포머의 코어 내의 자속의 직류 성분을 결정하기 위해 이용될 수 있다.

저-주파수 기본 성분이 노치 필터를 이용하여 먼저 제거되고 다음으로 센서 신호가 디지털화되는 경우에, 평가를 위해 유리하며, 샘플링은, 트랜스포머의 시스템 주파수의 정수배(integral multiple)에 대응하는 샘플링 주파수를 이용하여 등거리 시간 순간(equidistant time instant)들에서 발생한다.

디지털 신호 값들이, 각각의 경우에서 반주기만큼 시스템 주파수보다 지연되는(lagging) 디지털 신호 값들에 부가되는 경우에 신호 처리 유닛을 위해 유리할 수 있다.

여기서, 시스템 주파수의 2배를 갖는 신호 성분들이 대역통과 필터를 이용하여 디지털 신호 값들로부터 필터링(filtered-out)되고, 필터링된 신호 값들이 푸리에 변환되는 경우에 유리하다.

목적은 또한, 코어로부터 분기된 자속 부분을 운반(carry)하는 자기 분로 부분을 가지며 ― 분로 부분의 자기 재료는 포화되지 않음 ―, 그리고 자속의 이러한 분기된 일부로부터, 코어 섹션 내의 자기장 세기 또는 그로부터 도출되는 변수를 결정하도록 설계되는 센서 및 평가 디바이스를 갖는 장치를 제공함으로써 달성된다.

신뢰성의 측면에서 본 발명의 유리한 실시예는, 자기 분로 부분의 하나 또는 둘 이상의 섹션들이 적어도 하나의 센서 코일이 감겨지고, 센서 신호가 유도(induction)에 의해 상기 적어도 하나의 센서 코일에서, 생성되고, 이로부터 직류 성분이 평가 디바이스에 의해 결정되는 것으로 이루어진다. 액티브 구조적 컴포넌트들이 요구되지 않으며, 센서 코일은 임의의 종류의 드리프트에 종속되지 않는다.

바람직한 실시예는, 분로 부분이 U-형상이도록 그리고 센서 코일이 각각의 다리 상에 배치되도록 설계될 수 있다. 2개의 센서 코일들의 적합한 권선에 의해 간섭이 감소될 수 있다.

가장 단순한 가능한 방식으로 센서 신호로부터, 코어 내의 단일방향 자속 성분을 표시하는 짝수의 고조파들을 추출하기 위해, 센서 신호의 디지털화가 평가 디바이스 내에서 수행되는 경우에 유리하며, 샘플링은 트랜스포머의 시스템 주파수의 정수배에 대응하는 샘플링 주파수를 이용하여 등거리 시간 순간들에서 발생한다.

센서 코일의 측정 신호 내에 존재하는 시스템 주파수 신호 성분들을 억제하기 위해, 그 자체로 알려진 노치 필터가 유리하게 이용될 수 있다. 그 결과, 시스템 주파수 신호 성분들은 상당히 제거될 수 있다. 노치 필터는 디지털 및 아날로그 형태 양측 모두로 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 장치의 특히 바람직한 애플리케이션은 전력 트랜스포머들 내의 동작 잡음을 억제하는 것이다. 본 발명은, 트랜스포머의 코어 내의 일정한 자기장이, 기술적으로 간단하게 동시에 신뢰적인 방식으로, 긴 동작 기간에 걸쳐 검출되는 것을 가능하게 한다. 보상 전류를 발생시키기 위한 디바이스 및 트랜스포머 상에 부가적으로 장착된 보상 권선과 함께, 비대칭성을 초래하는 단일방향 자속이 무효화(nullify) 될 수 있다. 본 발명은 효과적인 보상을 위한 전제조건인 코어 내의 관련된 자기 특성 변수의 간단하고 동작적으로 신뢰적인 검출을 허용한다.

본 발명은 또한, 트랜스포머 코어 내의 자속을 기록하는 간단한 수단을 제공하여서, 동작 동안 발생하는 로드 상태들이 로깅(logged) 및 플로팅(plotted)(모니터링)될 수 있다.

본 발명이 기초하는 측정 원리는 또한 고려가능하게, 전기 머신들을 위한 자기적으로 소프트한 코어들의 측정에서 유리하게 이용될 수 있다. 전기 공급 네트워크들에서 이용되는 타입의 트랜스포머들의 제조시, 라미네이팅된 자기 코어의 질적인 특성들이 검출되고 제조 동안 모니터링될 수 있다.

본 발명의 다른 가능한 애플리케이션은 자기 특성 변수들에 대한 이동성의 또는 고정된 측정 기구 내에 있을 수 있다.

본 발명의 추가의 설명을 위해, 본 발명의 다른 유리한 실시예들, 세부사항들, 및 전개들을 예시하는 첨부 도면들에 대한 참조가 아래의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 섹션에서 이루어질 것이다.
도 1은 신호 처리 유닛의 블록도 및 코어 내의 단일방향 자속 성분을 검출하기 위한 본 발명의 장치의 가능한 어레인지먼트를 도시하는 트랜스포머의 개략도이다.
도 2는 메인 자속 방향을 우회함으로써 자기 분로로서 작용하는 분로 부분의 확대된 도면을 도시하는 개략도이다.

도 1은 자기 직류 성분을 검출하기 위한 본 발명에 따른 장치를 갖는 트랜스포머(1)의 개략적 사시도를 도시한다. 직류 성분의 검출은 단일방향 자속 성분(DC 성분) 및 이에 수반되는 자기 재료의 비대칭 포화 정도를 효율적으로 상쇄시키기(counteract) 위해 필수적이며, 이에 의해 동작 동안 발생하는 잡음 및 국부적인 가열을 감소시킨다.

트랜스포머(1)는 3개의 다리들(6)을 갖는 코어(2)를 소유한다. 이들 다리들(6)의 각각은 권선 어레인지먼트(3)를 보유한다. 3개의 다리들(6)은, 최상부에서 상부 요크(upper yoke)(4)에 접속되고 바닥부에서 하부 요크(5)에 접속되는 통상의 구성이다. 본 발명에 따르면, 이른바 분로 부분(7)이 요크(4)의 상부 부분의 표면(14)의 노출된 섹션 상에, 그와 직접적으로 접촉되게 또는 그로부터 떨어져서 배치된다. 이러한 분로 부분(7)의 목적은 코어(2) 내의 단일방향 자속 성분을 검출하기 위한 것이다.

분로 부분(7) ― 상기 분로 부분(7)의 동작은 아래에서 매우 상세하게 설명될 것임 ― 은 평가 디바이스(10)에 센서 신호(9)를 공급한다. 평가 디바이스(10)는 제어 신호(11)를 발생시키며, 상기 제어 신호(11)는 다운스트림 보상 전류 발생 디바이스(12)에 공급된다. 보상 전류 발생 디바이스(12)는, 인가된 제어 신호(11)의 함수로써, 보상 전류(13)를 발생시키며, 상기 보상 전류(13)는 트랜스포머(1)의 보상 권선(20)(도 2) 내로 주입된다. 보상 전류(13)가 트랜스포머(1)의 코어(2) 내의 자속의 직류 성분(15)을 상쇄시키거나 또는 오히려 상기 직류 성분(15)을 보상하도록, 상기 보상 전류(13)의 방향 및 크기가 미리 규정된다.

도 2는 분로 부분(7)을 확대된 도면으로 도시한다. 분로 부분(7)은 트랜스포머(2)의 상부 요크(4) 상의 섹션에 거의 평행하게 배치된다. 이는, 트랜스포머(1)의 상부 요크 섹션(4)을 통해 통과하는 자속(17)의 일부분(fraction)을 운반한다. 포화의 경우에, 누설 자속이 증가되고, 그러므로 분로를 통해 통과하는 자속 성분이 또한 증가된다.

도 2가 도시하는 바와 같이, 분로 부분(7)의 도움으로, 자속의 일부(18)(

)는 전기 머신의 메인 자속로부터 분기되어 "자기 바이패스(magnetic bypass)"로 진입한다. 분기점에서, 상기 분기된 자속(18)(

)의 경로는 먼저 에어 갭(S1)을 통해 분로 부분(7)의 제 1 다리(21) 내로 통과한다. 그 다음으로, 분기된 자속은 중간 섹션을 통해 제 2 다리(22)로 통과한다. 이로부터, 자속의 분기된 일부(

)는 에어 갭(S2)을 통해 상부 요크 섹션(4)으로 복귀한다. 우회된 섹션(L1)의 자속(

)과의 재통합(reunification) 후에, 메인 자속(

)이 회복(resume)된다.

도 2에서, 이들 자속 성분들(

및

)의 각각에 대해, 연관된 자기 여기가 H1 및 H2로 표시되고, 아이언(iron) 내의 경로는 L1 및 L2로 표시되며, 각각의 단면적은 A1 및 A2로 표시된다. 화살표(15)에 의해 식별되는 것은, 메인 교번 자속(17) 상에 중첩되는 자속의 직류 성분이다.

암페어의 법칙을 적용함으로써, 센서 내의, 예를 들어 분로 브랜치(23) 내의 자속(

)이 센서에 의해 우회되는 측정된 대상의 구역에서의 자기 여기(H)에 정비례해서 거동한다는 것이 확인될 수 있다.

여기서,

이고,

총 에어 갭 길이는 S = S1 + S2이고, 분로 부분의 상대 투자율(relative permeability)은

이다.

전기 트랜스포머들 및 다른 전기 머신들은 일반적으로, 낮은 소스 임피던스를 갖는 사인파 전압 소스들로부터 동작되기 때문에, 패러데이 법칙에 기초하여, 자속(

)(소스 전압에 정비례함)의 제 1 미분의 파형, 및 또한 그로부터 바로 뒤따르는 그의 적분 즉, 자속(

) 그 자체, 및 그러므로 또한 자속 밀도 또는 유도(B)는 대체로 사인파일 것으로 가정될 수 있다. 자기 재료의 강하게 감소하는 투자율 때문에, 자기 포화 영향들이 발생할 때, 자기 여기(H)는 요구되는 자속 밀도(B)에 도달하기 위해 상당히 증가되어야만 한다. 이는 또한, 자기 포화 영향들이, 자속 밀도(B)에 비해 자기 여기(H)에서 (그러므로, 시간에 걸쳐 그의 제 1 미분에서 또한) 훨씬 강하게 나타나는 이유를 설명한다. 그러므로, 자기 여기(H) 또는 그의 제 1 미분(dH/dt)에 비례적인 측정 신호를 생성하는 검출기들이 유리하다. 더욱이, 상술된 애플리케이션에 부가하여, 이러한 측정 방법은 또한, 테스트 하의 부분에서 획득되는 자기 여기(H)를 측정하기 위한, 또는 이와 함께 테스트 하의 부분에서 이용되는 자기 재료의 자화 곡선을 결정하기 위한 자속 밀도 측정을 위한, 측정 기구들을 구성하기 위해 이용될 수 있다.

자기 분로 브랜치(23)는 코어 섹션의 임의의 부분에, 예를 들어 요크 또는 다리에 최소의 복잡성으로 부착될 수 있다. 트랜스포머 코어, 전기 권선, 또는 다른 기계적 부품들의 설계는 상기 분로 브랜치에 의해 영향받지 않는다. 신규한 원리는, 통합 없이 그러므로 드리프트 없이 단일방향 자속 성분이 검출되는 것을 가능하게 한다. 그러므로 본 발명에 따른 측정 원리는 장기간의 레코딩(모니터링)을 위해 유리하게 이용될 수 있다. 제조 비용들이 낮다.

테스트 하의 부분 내의 자기 여기(H)와 센서 내의 자속(

) 사이의 상술된 비례(proportionality) 때문에, 센서 내로 유도된 전압은 테스트 하의 부분에서 시간에 걸친 자기 여기의 제 1 미분(dH/dt)에 대응하며, 적합한 평가 방법들을 이용하여 그 전체 서비스 수명에 걸쳐 전기 머신의 자기 회로 내의 또는 트랜스포머 내의 직류 전류 자기장 성분들의 장기간의 안정된 픽쳐를 제공할 수 있다.

특히 유리한 것은, 각각의 다리들(21, 22) 상에 배치되고, 전기적으로 직렬로 접속되며, 자기 분로 브랜치(23)를 따라 배치되는 2개의 센서 코일들(도 2에서 짧은 선과 점으로 연결된 선들(dash-dotted lines)에 의해 표시됨)의 이용이어서, 한편으로는 외부 필드들의 영향 및/또는 누설 필드들이 보상되는 한편, 센서 내의 테스트 하의 부분에 의해 초래되는 자속(

)의 영향들이 전압 측정 신호 내에 함께 부가된다. 예를 들어, 이는 U-형상 센서의 각각의 측의 다리들에 2개의 센서 코일들을 대칭적으로 장착함으로써 달성될 수 있다.

센서의 자기 분로 회로(23) 내에, 예를 들어 그의 에어 갭 내에 또는 에어 갭들 중 하나 내에, 이른바 홀(Hall) 센서를 삽입함으로써, 센서 내의 자기 유도(B) 및/또는 자속과 테스트 하의 부분(측정된 대상) 내의 자기 여기(H) 사이의 상술된 비례 때문에, 센서에 의해 우회되는 테스트 하의 부분의 구역 내의 자기 여기(H)를 직접적으로 측정하기 위한 측정 시스템이 구현될 수 있다. 물론, 홀 센서 대신에, 유도(B)에 비례하는 출력 신호를 전달하는 임의의 다른 동등한 측정 방법이 이러한 목적을 위해 또한 이용될 수 있다. 본질적인 요건은, 테스트 하의 부분(측정된 대상) 내의 자기 여기(H)를 그에 비례하는 자속으로, 그러므로 또한, 센서 내의 그에 비례하는 자속 밀도(유도)(B)로 변환하는 센서 원리이다.

테스트 하의 부분에서 획득되는 자기 여기(H)의 상술된 측정과 함께, 테스트 하의 부분에서 자속 밀도(유도)(B)가 동시에 측정되는 경우, 테스트 하의 부분에서 이용되는 강자성 재료들의 자기 특징들을 결정하기 위한 측정 시스템이 구현될 수 있다.

분기된 자속 성분(18)(

)은 센서 코일(19)을 투자하며, 상기 센서 코일(19)은, 2개의 다리들(21, 22)을 링크시키는 C-형상 분로 부분(7)의 중간 섹션 둘레에 감겨지거나 또는 2개의 각각의 센서 다리들 상에 배치되는 2개의 직렬-접속된 부분-코일들의 형태로 구현된다. 트랜스포머(1)의 동작 동안, 센서 전압(8)(도 2에서 U로 또한 표시됨)이 상기 센서 코일(19) 내에 유도된다. 이러한 센서 전압(8)은 센서 신호(9)로서 전기 라인을 통해 평가 디바이스(10)에 공급된다.

평가 디바이스(10)에서, 이러한 센서 신호는 먼저, 상기 센서 신호를 증폭시킴으로써 그리고 이를 저역통과(lowpass) 필터 및 대역통과 필터를 통과시켜 필터링함으로서 처리된다. 직류 성분(DC 성분)에 대해 센서 신호(9)를 분석하기 위한 제 1 오버톤(overtone), 즉 제 2 고조파는 잘 알려져 있다. "반파장 비대칭(half-wave asymmetry)" 때문에, 자화 전류는 짝수 고조파들을 가져야만 한다. 이러한 짝수 성분들은 또한, 측정 코일(19)의 센서 전압에서 발견될 수 있다. 본 발명은 측정 코일(19) 내의 유도된 전압의 적합한 신호 처리에 의해 이러한 효과를 활용한다.

이제 평가 디바이스(10)의 신호 처리가 매우 상세하게 설명될 것이다:

센서 신호 내의 우세한 시스템 주파수 신호 성분들을 억제하기 위해, 이른바 노치 필터가 이용되며, 상기 노치 필터는 상기 시스템 주파수 신호 성분들을 최대로 가능한 범위까지 억제한다. 노치 필터는 아날로그 및 디지털 기술 양측 모두로 실현될 수 있다.

그 다음으로, 센서 신호는 종래의 아날로그/디지털 컨버터를 이용하여 디지털화된다. 신호는 시스템 주파수의 짝수 배(even multiple)에 정확하게 대응하는 샘플링 주파수에서 샘플링된다. 샘플링 주파수는 제어된 발진기와 함께 아날로그 또는 디지털 PLL에 의해 발생된다.

그 다음으로, 상기 노치 필터에 부가적으로 또는 대안적으로, 평가 디바이스에서, 현재 디지털 신호 값은 정확하게 반주기만큼 시스템 주파수보다 지연되는(lagging) 디지털 신호 값에 부가된다.

그 결과, 평가 디바이스(10)는 제어 신호(11)를 공급하고, 상기 제어 신호(11)는, 결정될 트랜스포머(1)의 일정한 자기장(15)에 함수적으로 관련된다.

갭(S1 및 S2)은 각각 코어(2)의 표면(14)과 2개의 다리들(21, 22)의 단부 면들 사이에 제공된다. 각각의 갭(S1, S2)은, 자속(18)에 비교적 높은 저항을 각각 제공하도록 구현된다. 갭(S1, S2)의 이러한 비-강자성 구현은, 코어(2)의 자기 재료가 이미 포화되어 가고 있는 B의 이러한 반파장들에서, 분로 부분(7)의 강자성 합금(alloy)은 아직 포화되지 않는다는 것을 보장한다. 다시 말해, 본 발명은, 관련된 투자율이 감소하는 측정된 대상에서 자기 포화 영향들이 발생할 때, 이에 의해 자기 저항을 증가시키는 특징을 이용하게 한다. 이는 자기 누설 필드에 있어서의 증가를 초래하며, 누설 필드의 자기 저항이 변화되지 않고 유지되기 때문에, 즉 초기의 자기 포화의 경우에서, 자속 내의 추가의 증가는 트랜스포머의 아이언 코어에 의해 비례하여 덜 운반되기 때문에, 그러므로 증가된 누설 자속이 발생해야만 한다. 일정한 필드 성분이 트랜스포머의 코어 내에 존재하는 경우, 비례적인 누설 필드 증가의 이러한 "변위 효과"는 단지, 단일방향 자속 및 교번 자속이 부가적으로 결합되는 반주기에서만 발생한다.

분로 부분(7)이 테스트 하의 부분(2)(측정된 대상)의 심한 자기 포화의 경우에서조차 자기 포화 영향들이 없게 유지되도록, 분로 부분(7)은 강자성 합금의 스택된 시트들로 이루어질 수 있거나, 또는 페라이트(ferrite) 기반으로 그리고 기계적으로 설계될 수 있다. 2개의 다리들(21, 22)은 또한, 2개의 센서 측정 코일들을 수용하도록 단면적으로 스테핑(stepped)될 수 있다. 측정 코일의 개개의 컨덕터들을 손상으로부터 보호하기 위해, 절연체로 이루어진 캐리어가 시트 스택과 측정 코일(들) 사이에 제공될 수 있다. 측정 코일(들) 그들 자체는 종래의 에나멜을 입힌(enameled) 라운드형의 또는 평탄한 와이어로 구성될 수 있다.

상술된 예시적인 실시예에서, 분로 부분(7)은 U-형상이다. 분로 부분(7)은 또한, 임의의 다른 기하학적 형상, 예를 들어 라운드형, C-형상, 또는 원형을 가질 수 있다는 것은 자명하다.

상부 요크(4) 상의 분로 부분(4)의 어레인지먼트는 예시로서 선택되었다. 기본적으로, 코어(2)의 표면(14) 상의 메인 자속을 운반하는 임의의 노출된 영역이 여기서 가능하다. 그러므로, 분로 부분(7)은 또한, 요크(5)의 하부 부분 상에 또는 다리(6) 상에 배치될 수 있다.

트랜스포머 코어의 예를 이용하여 상술된 측정 원리는 또한, 예를 들어, 전기 머신들을 위한 라미네이팅된 코어들의 생산을 위해 품질 제어에서 이용될 수 있는 측정 기구에 적용될 수 있다.

1 : 트랜스포머 2 : 코어
3 : 전기 권선 4 : 상부 요크
5 : 하부 요크 6 : 다리
7 : 분로 부분 8 : 센서 디바이스(검출기)
9 : 센서 신호 10 : 평가 디바이스
11 : 제어 신호 12 : 보상 전류 발생 디바이스
13 : 보상 전류 14 : 코어의 표면
15 : 직류 성분 16 : 보상 자속
17 : 메인 자속 18 : 자속의 분기된 일부
19 : 센서 코일 20 : 보상 권선
21 : 다리 22 : 다리
23 : 분로 브랜치 S1 : 제 1 에어 갭
S2 : 제 2 에어 갭 A2 : 분로 부분(7) 내의 단면 영역
A1 : 요크(4) 내의 단면 영역 L1 : 요크(4) 내의 자기 경로 길이
L2 : 분로 부분(7) 내의 자기 경로 길이

Claims

자속에 의해 투자되는(permeated) 코어(2)의 섹션(L1) 내의 자기 특성 변수(H1)를 검출하기 위한 방법으로서,
a. 상기 자속의 일부(18)가 상기 코어(2)로부터 분기(branch off)되어, 자기 분로 브랜치(magnetic shunt branch)(23)를 통해 통과하고, 상기 자기 분로 브랜치(23)에 적어도 하나의 비-강자성 갭(S1, S2)이 형성되고,
b. 상기 분로 브랜치(23) 내에 분로 부분(7)이 배치되고, 상기 분로 부분(7)의 자기 재료는 포화되지 않고,
c. 상기 분로 부분(7)의 적어도 하나의 섹션은 적어도 하나의 센서 코일(19)로 감겨지고, 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)는 상기 적어도 하나의 센서 코일(19)에서 유도(induction)에 의해 센서 신호(9)를 발생시키고,
d. 상기 자기 특성 변수(H1)는, 상기 센서 신호(9)가 공급되는 센서 및 평가 디바이스(8, 10)를 이용하여, 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)로부터 또는 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)로부터 도출되는 변수로부터 결정되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자속의 상기 분기된 일부(18)가 통과하는 상기 분로 브랜치(23)는, 상기 코어(2)의 투자율(permeability)보다 낮은 rms 투자율을 갖는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 자속의 직류 성분(direct component)은 상기 평가 디바이스(10)를 이용하여 상기 센서 신호(9)로부터 결정되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)에서, 시스템 주파수 기본 성분은 노치 필터를 이용하여 제거되고, 상기 센서 신호(9)의 디지털화가 실행되며,
트랜스포머의 상기 시스템 주파수의 정수배(integral multiple)에 대응하는 샘플링 주파수를 이용하여 등간격 시간 순간(equidistant time instant)들에서 샘플링이 수행되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 4 항에 있어서,
디지털 신호 값들은 각각 반주기((half-period))만큼 상기 시스템 주파수보다 지연되는(lagging) 디지털 신호 값에 부가되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 시스템 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호 성분들이 대역통과 필터를 이용하여 디지털 신호 값들로부터 필터링(filtered-out)되고, 상기 필터링된 신호 성분들은 푸리에 변환되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
자속에 의해 투자되는 코어(2)의 섹션(L1) 내의 자기 특성 변수(H1)를 검출하기 위한 장치로서,
상기 자속의 일부(18)가 상기 코어(2)로부터 분기되고 자기 분로 브랜치(23)를 통해 통과되고,
상기 장치는,
상기 분로 브랜치(23)에 배치되고 상기 코어(2)로부터 분기된 상기 자속의 상기 일부(18)를 전달(carry)하는 자기 분로 부분(7) ― 상기 분로 부분(7)의 자기 재료가 포화되지 않도록 상기 분로 브랜치(23)에 적어도 하나의 비-강자성 갭(S1, S2)이 형성되고, 상기 분로 부분(7)의 적어도 하나의 섹션은 적어도 하나의 센서 코일(19)로 감겨지고, 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)는 상기 적어도 하나의 센서 코일(19)에서 유도에 의해 센서 신호(9)를 발생시킴 ―; 및
상기 센서 신호(9)가 공급되는 센서 및 평가 디바이스(8, 10) ― 상기 센서 및 평가 디바이스(8, 10)는 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)로부터 또는 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)로부터 도출되는 변수로부터 상기 자기 특성 변수(H1)를 결정하도록 설계됨 ―
를 포함하는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 자속의 상기 분기된 일부(18)가 통과하는 상기 분로 브랜치(23) 내에서, rms 투자율은 상기 코어(2)의 투자율보다 낮은,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는, 공급된 상기 센서 신호(9)로부터 상기 자속의 직류 성분을 결정하도록 설계되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 자기 분로 부분(7)은 U-형상이고, 2개의 다리들(21, 22)을 가지며, 상기 2개의 다리들(21, 22) 상에 각각 센서 코일(19)이 배치되고,
상기 센서 코일(19)은 전기적으로 직렬로 접속되고, 외부장들의 영향이 보상되도록 상기 분로 브랜치(23)에 공간적으로 배치되는 한편, 상기 자속의 상기 분기된 일부(18)에 의해 생성된 유도 전기 전압이 부가되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는 상기 센서 신호(9)로부터 시스템 주파수 기본 성분을 제거하는 노치 필터를 갖는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는 상기 센서 신호(9)의 디지털화를 수행하도록 설계되고, 상기 시스템 주파수의 정수배에 대응하는 샘플링 주파수를 이용하여 등간격 시간 순간들에서 샘플링이 수행되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는, 디지털 신호 값들이 각각 반주기만큼 상기 시스템 주파수보다 지연되는 디지털 신호 값에 부가되도록 설계되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는, 상기 디지털 신호 값들로부터 상기 시스템 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호 성분들을 필터링(filter out)하기 위해, 대역통과 필터를 구비하는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 평가 디바이스(10)는 계산 디바이스를 또한 구비하며, 상기 계산 디바이스를 이용하여 상기 필터링된(filtered-out) 신호 성분들로부터 푸리에 변환이 계산될 수 있는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 분로 부분(7)은 C-형상 강자성 시트(sheet)들의 스택으로부터 형성되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 C-형상 시트들은 제 1 다리들(21) 및 제 2 다리들(22)을 갖고,
이들 다리들(21, 22)의 각각이 상기 코어와 마주하는 단부와 상기 코어(2)의 표면(14) 사이에 갭(S1, S2)을 형성하도록, 상기 코어(2)에 대한 배치가 선택되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법은, 전기 공급 시스템 내에 통합된 트랜스포머에서 상기 트랜스포머의 코어(2) 내의 단일방향 자속 성분을 상쇄(counteract)시키는 것 및 상기 트랜스포머의 동작 상태를 기록하는 것 중 적어도 하나에 적용되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치는, 전기 공급 시스템 내에 통합된 트랜스포머에서 상기 트랜스포머의 코어(2) 내의 단일방향 자속 성분을 상쇄시키는 것 및 상기 트랜스포머의 동작 상태를 기록하는 것 중 적어도 하나에 적용되는,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 특성 변수(H1)는 자기장 세기(H1)인,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 자기 특성 변수(H1)는 자기장 세기(H1)인,
자기 특성 변수를 검출하기 위한 장치.
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