專利名稱：評測迭片磁芯壓力的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對迭片磁芯(core stack)壓力的評測。
背景技術(shù)：
當(dāng)機器定子或者轉(zhuǎn)子疊層(1amination)松動時，疊層會出現(xiàn)振動。疊層振動會損壞機器疊層和繞組絕緣。
用于測量非正常迭片磁芯壓力的常規(guī)測試方法包括嘗試將刀片插入迭片磁芯的鄰近疊層之間，如果刀片可插入，那么就可確定迭片磁芯壓力可能是不足夠的。一般情況下，壓力在大約250磅/平方英尺(psi)(1724千牛頓/平方米-kN/m2)至大約350psi(2413kN/m2)的范圍以下時刀片測試會失敗。刀片測試的若干局限性在于精密度不足(因為這種方法是定性的并且是以通過-失敗測試為基礎(chǔ)的)并且可能會損壞疊層絕緣。
需要使用一種評測方法，該方法不需要將刀片插入迭片磁芯的鄰接疊層之間。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的一項實施例，一種評測迭片磁芯壓力的方法包括將磁軛定位于磁芯附近，磁軛被激勵繞組纏繞；向激勵繞組供給電流從而將磁通量注入磁芯；測量由注入磁通量得到的信號；以及使用所測得的信號評測迭片磁芯壓力。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種評測迭片磁芯壓力的系統(tǒng)包括至少一個被激勵繞組纏繞的磁軛，所述磁軛定位于磁芯的至少一個齒附近；電流源，用于向激勵繞組供給電流從而將磁通量注入磁芯的至少一個齒中；傳感器，用于測量由注入磁通量得到的信號；以及計算機，該計算機使用所測得的信號來評測迭片磁芯壓力。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種評測迭片磁芯壓力的系統(tǒng)包括至少一個被激勵繞組纏繞的磁軛，所述磁軛定位于磁芯的至少一個齒附近；用于向激勵繞組供給電流從而將磁通量注入磁芯的至少一個齒中的裝置；用于測量由注入磁通量得到的信號的裝置；以及使用所測得的信號評測迭片磁芯壓力的裝置。


本申請具有新穎性的特征將在所附的權(quán)利要求中進行詳細說明。然而，發(fā)明本身的結(jié)構(gòu)和操作方法以及其他目的和優(yōu)勢可結(jié)合下述實施例并參照附圖得以較好的理解，在附圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似的組件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的測試組件的俯視圖；圖2是圖1所示測試組件的側(cè)視圖；圖3是傳統(tǒng)機器磁芯(machine core)的示意性透視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的系統(tǒng)的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的所使用的磁通量檢測線圈的仰視圖；圖6-9是根據(jù)本發(fā)明其他實施例的所使用的磁軛的視圖；圖10-19是通過使用圖1-2的測試組件而獲得的數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實施例方式
如共同授予Kliman等人的2000年7月28日提交的美國專利申請No.09/575,715所述，該申請的完整內(nèi)容在本文中以參考的方式納入，磁芯的缺陷可通過下述方法檢測到，即，在磁芯的至少一個齒的附近定位纏繞有繞組的磁軛；向繞組供給電流從而向至少一個齒部注入(inject)磁通量；測量由所產(chǎn)生磁通量而得到的至少一個信號；并且使用該測量信號檢測磁芯缺陷。當(dāng)磁芯的一小部分被激勵時，如果疊層相互絕緣得較好，那么響應(yīng)該激勵而產(chǎn)生磁通量的主要原因就是可滲透的磁芯材料，該材料受疊層中的正常磁滯損失和渦流的影響。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)美國專利申請No.09/575,715所述的磁軛還可獲得根據(jù)本發(fā)明的若干實施例評測迭片磁芯壓力所使用的信號。交替磁場中工作的磁性材料所得到的磁芯損失可分解為三個分量磁滯損失、渦流損失和旋轉(zhuǎn)損失。磁滯損失的半經(jīng)驗公式Ph(瓦/立方米-W/m3)如下所示Ph＝khB1.6f， (1)其中B是最大磁通量密度(特斯拉-T)，f是激勵頻率(赫茲-Hz)，kh定義為磁滯損失系數(shù)。雖然方程(1)可用于B的范圍是從大約0.5T至大約1.5T的大多數(shù)磁性材料中，但是指數(shù)1.6的值的范圍在1.5和2.5之間，而且對于一些材料來說不是恒定的。渦流損失Pe(W/m3)可描述為Pe=π2ρβt2B2f2=keB2f2,---(2)]]>其中，t是疊層的厚度(米-m)，ρ是疊層材料的電阻率(歐姆米-ohm-m)，β是對于不同幾何尺寸具有不同值的系數(shù)(對于厚度范圍從大約4密耳(100微米)到大約40密耳(1毫米)的疊層一般大約等于6)，ke定義為渦流損失系數(shù)。推薦使用實驗的方法確定系數(shù)kh和ke，因為使用(1)&(2)計算損失會由于推導(dǎo)中的假設(shè)而產(chǎn)生錯誤。上述兩個方程可用于理解所述損失和變量B、f和t之間的定性函數(shù)關(guān)系。
當(dāng)測試不涉及交替磁場的旋轉(zhuǎn)時(無旋轉(zhuǎn)損失)時，所測量的磁芯損失Pc(W/m3)主要具有磁滯和渦流損失分量Pc＝Ph+Pe＝khB1.6f+keB2f2(3)已觀察到Pc會隨著機械應(yīng)力而變化。如果所測量的Pc可分解為Ph和Pe，那么磁芯嚴密度估測的靈敏度可進一步增加。
雖然(1)和(2)沒有精確地描述磁芯損失，但是可有效地假設(shè)磁芯損失包含隨著頻率(Ph)和頻率(Pe)的平方而變化的分量，如(1)-(3)所示。如(3)所示，如果磁芯損失可在固定磁通量密度條件下以若干不同的頻率進行測量，那么這兩個損失分量就可容易地、精確地分離開，而不考慮疊層材料或幾何尺寸的假設(shè)。假設(shè)磁通量密度可調(diào)整為固定值，那么(3)可簡化為下述方程Pc＝Ph+Pe＝Chf+Cef2(4)其中，Ch和Ce定義為磁滯和渦流損失常數(shù)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的測試組件58的俯視圖，圖2是圖1所示的測試組件的側(cè)視圖。圖3是傳統(tǒng)機器磁芯10的示意性透視圖。大型發(fā)電機的疊層部分22一般包括護鐵60、齒部16和狹槽26。疊層部分(每部分的厚度大約10密耳(254微米)到大約20密耳(508微米))通過堆置而形成為磁芯。一般情況下，多個疊層部分(例如，18個疊層部分，每部分20度)用于形成完整的第一疊層環(huán)(例如，圖3所示的疊層環(huán)24)，另外的多個疊層部分在第一疊層環(huán)的疊層部分上方并與第一疊層環(huán)的疊層部分偏離地形成完整的第二疊層環(huán)。然后繼續(xù)堆疊，直至形成大約1英寸(2.54厘米)至大約4英寸(10.16厘米)厚的較短迭片(例如，圖2示出迭片18的局部側(cè)視圖)。多個較短迭片進一步由螺栓和/或其他機械裝置連接和/或夾住以形成迭片磁芯。典型的發(fā)電機定子磁芯的直徑范圍從大約3英尺(0.91米)至大約12英尺(3.66米)，長度范圍從大約3英尺(0.91米)至大約30英尺(9.14米)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的系統(tǒng)的透視圖，其中評測磁芯10迭片18壓力的方法包括在磁芯10附近定位磁軛12，磁軛12由激勵繞組14纏繞；向激勵繞組14供給電流(例如，經(jīng)由電流源30)以激勵繞組14從而向磁芯10中注入磁通量；測量來自注入磁通量的信號；并且使用所測量的信號評測迭片磁芯壓力(例如，經(jīng)由計算機28)。術(shù)語“附近”的意思是包括實際的物理接觸或者足夠接近從而使所得的信號具有足夠的解析度用于疊層壓力的評測。在一項實施例中，例如，磁軛12和磁芯10之間的距離處于大約0英寸至大約0.1英寸(2540微米)的范圍中。在更加具體的實施例中，磁軛12和磁芯10之間的距離處于大約0.01英寸(254微米)至大約0.05英寸(1270微米)的范圍中。
在更加具體的實施例中，使用所測量的信號評測迭片磁芯壓力包括從所測量的信號中獲得磁滯損失信號并且使用磁滯損失信號評測迭片磁芯壓力。在另一項更加具體的實施例中，如下文所述，從測量信號中獲得磁滯損失信號包括使用多項式擬合函數(shù)。
圖6-9示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施例的所使用的磁軛的視圖，，使用參照出于舉例的目的的圖4所述的類似的步驟和機構(gòu)。圖5是根據(jù)本發(fā)明的特定磁通傳感實施例的所使用的磁通量檢測線圈38的仰視圖。圖4-9所示的任何實施例可單獨使用，或者與一個或多個其他實施例相互結(jié)合使用。
更具體地說，在圖4所示的實施例中，磁軛12位于兩個齒部附近，更具體地說是定位于兩個相鄰齒部附近的U形(意思是U形或者C形)磁軛。雖然相鄰的齒部如圖4示出，但是所述兩個齒部可在其間具有另一個齒或者多個齒，例如，如圖7-9所示。
再次參照出于舉例目的的圖4，圖4示出了用于測量所得信號的傳感器(意思是至少一個傳感器)的兩個備選方案或者附加方案。在一項實例中，電壓傳感器32用于測量跨過激勵繞組14的電壓。在另一實例中，磁軛12還纏繞有至少一個磁通量檢測繞組34，磁通量(幅值和/或相位角)通過磁通量傳感器36在磁通量檢測繞組上進行測量。在另一實施例中，磁通量檢測繞組38(圖5)包括至少一個平面線圈40，磁軛12包括兩個面向磁芯的表面42(圖1)，磁通量檢測繞組位于兩個面向磁芯表面的至少一個上。使用平面線圈的優(yōu)勢在于這種線圈可制造為薄膜。在一項實例中，具有若干匝數(shù)的線圈的厚度為大約0.0762毫米，線圈的每側(cè)長大約0.7620毫米。平面線圈可使用傳統(tǒng)的印刷電路板或者諸如銅的芯片互連材料通過標(biāo)準(zhǔn)的金屬化和布圖技術(shù)制成。在圖4-9所示的磁通量測量實施例的優(yōu)選變型方案中，磁通量檢測繞組位于兩個齒部附近。所得信號可由計算機28處理，該計算機可使用該信號來檢測迭片磁芯壓力。
在圖4所示的實施例中，磁軛12一般包括層疊的(疊層22)U形磁軛，齒部16包括層疊磁芯的層疊(疊層54)齒，磁軛和磁芯具有相同方向的疊層，如疊層54和22所示。在更具體的實施例中，磁軛包括厚度大約為14密耳(356微米)的無約束(即，可自由移動)疊層，總的厚度和高度為大約1英寸(2.54厘米)×1英寸(2.54厘米)。疊層實施例的共同方向只出于舉例的目的。在一項備選實施例中(未示出)，其中的磁軛包括繞帶磁軛(tapewound yoke)，磁軛12疊層的方向垂直于例如迭片磁芯的方向。在其他備選實施例中，相關(guān)疊層方向的范圍是例如從大約0度至大約90度的任何角度。
在一項實施例中，如圖6所示，磁軛112位于磁芯10的一個齒部16附近。在該實施例中，磁軛112的疊層尤其可用于對準(zhǔn)磁芯10的疊層。
在圖7所示的實施例中，磁軛212被改造成定位于兩個非鄰近齒部16的附近。在該實施例中，可期望磁通量可比圖4所示的實施例更加深入地進入磁芯10(圖3)的護鐵60(圖1)部分。
在圖8中，磁軛312包括跨越多個齒的層疊棒，該棒優(yōu)選具有也平行于齒部16的疊層的矩形疊層。
圖9所示的實施例是一項變型方案，其中磁軛412適于以任何角度定位。更具體地說，在圖9中，磁軛412包括兩個由鉸鏈50連接的臂部52。在備選實施例中，沒有鉸鏈的磁軛可以以預(yù)定角度制成。
不論選擇哪種磁軛，下述步驟一般都是重復(fù)進行的，即供給電流，測量所得信號并使用所測量的信號檢測迭片磁芯壓力，從而使多個信號用于檢測迭片磁芯壓力。這種測量可例如通過相對于至少一個齒部軸向移動磁軛而進行。測量最好一直進行直到磁芯的所有區(qū)域都已被測試到。
實驗使用機器定子中局部磁滯損失的估計值作為迭片磁芯壓力(緊密度)的可行性通過使用由實驗室裝置獲得的測量結(jié)果進行評價，從而示出磁芯損失(磁滯損失)估計值和磁芯緊密度之間的關(guān)系。圖1-2中示出了測量疊層中的磁芯損失作為壓力的函數(shù)的實驗裝置。三十片定向的硅鋼疊層樣本位于施加有壓力的壓力區(qū)(press)20中。磁通量使用磁軛12經(jīng)過齒部16注入疊層22中。磁通量檢測繞組34中的磁通量密度通過控制進入激勵繞組14的輸入電壓而被調(diào)節(jié)為大約1特斯拉，疊層22上的激勵頻率和壓力水平值分別如(5)和(6)所示變化。
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)疊層中的磁芯損失使用激勵線圈電流和檢測線圈電壓進行計算從而排除激勵線圈中的電阻損失。商用的電源分析器用于計算疊層和激勵磁芯中的平均電源損失。
實驗配置中的壓力以方程(6)所示的間隔對應(yīng)方程(5)所示的每個激勵頻率而在0和350psi(2413kN/m2)之間變化。為了在相同的條件下重復(fù)實驗，激勵磁芯的位置相對于疊層固定從而獲得對激勵磁芯的空氣間隙變化、振蕩和傾斜不敏感的結(jié)果。對于每個激勵頻率，壓力水平每經(jīng)50個樣本而人工增加(電源分析器每4.5秒提供一個讀數(shù))。圖10-19是使用圖1-2所示的測試組件而獲得的數(shù)據(jù)的曲線圖(具有校正零點)。
對每個激勵頻率(圖10)測得的磁芯損失表示隨著壓力水平的增加磁芯損失有所減小。檢測線圈中的測得電壓、激勵線圈中的測得電流和測得功率因數(shù)分別如圖11至13所示。在125Hz、150Hz、175Hz和200Hz處的磁芯損失的計算平均值如圖14所示，25Hz、50Hz、75Hz和100Hz的損失如圖15所示?？汕宄赜^察到，對于從0psi至大約200psi(1379kN/m2)的每個激勵頻率，磁芯損失明顯減小，然后隨著壓力而稍稍有所增加。
測得磁芯損失使用MATLAB技術(shù)的計算軟件(MATLAB是MathWorks，Inc.的商標(biāo))的多項式擬合函數(shù)分解為Ph和Pe。多項式擬合函數(shù)對多項式的特定階次的系數(shù)進行估計，從而最大限度地減小估計曲線和給定曲線之間的平均平方誤差。在這種情況下，對應(yīng)于每個壓力水平的Pc-f曲線擬合為二次方程，從而可估計出Ch和Ce。分別對應(yīng)于0psi(0N/m2)和350psi(2413kN/m2)下的測得和估計Pc數(shù)據(jù)如圖16所示?？芍瑴y得曲線可使用多項式擬合函數(shù)高精度地估測得出。對應(yīng)于0psi(0N/m2)、50psi(345kN/m2)、200psi(1379kN/m2)和350psi(2413kN/m2)的磁滯和渦流損失(Chf和Cef2)的估計值如圖17所示?？芍?，如預(yù)計的那樣，與對渦流損失的影響相比，壓力會更大地影響磁滯損失。
渦流和磁滯常數(shù)的估計值Ce和Ch分別如圖18-19所示。如預(yù)測的那樣，Ch的百分比變化(12.14％)大于Ce的百分比變化(3.86％)，Ch的趨勢與圖2(e)和(f)所示的測得磁芯損失相一致。
結(jié)果表明，當(dāng)疊層松動時(0psi或者N/m2)，測得的磁芯損失明顯增加(6.5～8.5％)，這說明磁芯損失可用于測量磁芯緊密度。這也表明，如果通過分離磁阻和渦流損失而單獨監(jiān)控磁阻損失分量，那么磁芯緊密度估計的敏感度可增加(12％)；不過，這需要在若干不同激勵頻率下獲得的磁芯損失測量值。
雖然上述實驗使用正弦波型注入而進行，但是本發(fā)明并不局限于正弦波。任何適當(dāng)形狀的波或波形都可使用。在一項實施例中，例如，可使用方波。在備選或者其他實施例中，幅值、頻率或者其結(jié)合都會變化。
雖然這里只示出并說明了本發(fā)明的特定特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行許多的改進和變化。因此，可知所附的權(quán)利要求覆蓋了落入本發(fā)明本質(zhì)中的所有這種改進和變化。
權(quán)利要求
1.一種評測磁芯(10)迭片(18)壓力的方法，包括(a)將磁軛(12，112，212，312，412)定位于所述磁芯附近，所述磁軛被激勵繞組(14)纏繞；(b)向所述激勵繞組供給電流從而將磁通量注入所述磁芯；(c)測量由所述注入磁通量得到的信號；以及(d)使用所述測得信號評測所述迭片磁芯的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中(d)包括從所測得的信號中獲取磁滯損失信號并使用所述磁滯損失信號評測所述迭片磁芯壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中從所測得的信號獲取所述磁滯損失信號包括使用多項式擬合函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中(a)包括將所述磁軛定位于所述磁芯的至少一個齒(16)附近。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中(d)包括從所測得的信號獲取磁滯損失信號并使用所述磁滯損失信號評測所述迭片磁芯壓力。
6.一種評測迭片磁芯(10)壓力的方法包括(a)在所述磁芯的不同位置處重復(fù)下述步驟，(1)將磁軛(12，112，212，312，412)定位于所述磁芯的兩個齒(16)附近，所述磁軛被激勵繞組(14)纏繞；(2)向所述激勵繞組供給電流從而將磁通量注入所述磁芯的兩個齒；(3)測量由所述注入磁通量得到的信號；以及(b)使用所測得的信號來評測所述迭片磁芯壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中(d)包括從所測得的信號獲取磁滯損失信號并使用所述磁滯損失信號評測所述迭片磁芯壓力。
8.一種評測磁芯(10)迭片壓力的系統(tǒng)(56)，包括(a)至少一個被激勵繞組(14)纏繞的磁軛(12，112，212，312，412)，所述磁軛定位于所述磁芯的至少一個齒(16)附近；(b)電流源(30)，用于向所述激勵繞組供給電流從而將磁通量注入所述磁芯的至少一個齒中；(c)傳感器(32或36)，用于測量由所注入的磁通量得到的信號；以及(d)計算機(28)，所述計算機使用所測得的信號來評測所述迭片磁芯壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機用于從所測得的信號中獲取磁阻損失信號，并使用所述磁滯損失信號評測所述迭片磁芯壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機通過使用多項式擬合函數(shù)從所述測得信號中獲取磁阻損失信號。
全文摘要
一種評測磁芯(10)迭片(18)壓力的方法包括將磁軛(12，112，212，312，412)定位于磁芯附近，磁軛被激勵繞組(14)纏繞；向激勵繞組供給電流從而將磁通量注入磁芯；測量由注入磁通量得到的信號；以及使用所述測得信號評測迭片磁芯壓力。一種用于實施該方法的系統(tǒng)(56)包括所述磁軛；用于供給電流的電流源(30)；用于測量所述信號的傳感器(32或36)；以及使用所述測得信號評測所述迭片磁芯壓力的計算機(28)。
文檔編號H02K15/02GK1771436SQ03826453
公開日2006年5月10日 申請日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者杰拉爾德·B·克利曼, 約翰·A·馬利克, 馬諾杰·R·沙, 李桑冰 申請人:通用電氣公司