用于高壓發(fā)電機定子棒的光纖磁通量傳感器的制造方法
【專利摘要】一種磁通量傳感器用于測量作用在高壓發(fā)電機的定子棒上的磁通量的徑向分量。該磁通量傳感器包括形成在光纖中且被包圍在磁致伸縮涂層中的光纖布拉格光柵。磁致伸縮涂層對磁通量中的變化作出響應，在光纖上施加應變，該應變改變了布拉格光柵的反射波長，可對反射波長進行測量以提供通量的測量結果。在一個實施例中，磁通量傳感器中的一個或多個被直接定位在特定定子棒的絕緣層中。
【專利說明】用于高壓發(fā)電機定子棒的光纖磁通量傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及用于測量高壓發(fā)電機定子棒中的磁通量的光纖磁通量傳感器，并且更具體地涉及一種光纖磁通量傳感器，其采用設置在光纖內(nèi)的磁致伸縮布拉格光柵(MBG)以便測量作用在高壓發(fā)電機定子棒上的磁通量的徑向分量。
【背景技術】
[0002]作為功率源的用于發(fā)電的高壓發(fā)電機是本領域公知的。發(fā)電廠可包括燃氣渦輪發(fā)動機，每個燃氣渦輪發(fā)動機通過如下方式使軸旋轉(zhuǎn):在燃燒室中燃燒燃料和空氣，其膨脹越過葉片，葉片進而導致軸旋轉(zhuǎn)。此類發(fā)動機的輸出軸聯(lián)接到高壓發(fā)電機的輸入軸，該輸入軸安裝到具有特殊線圈構造的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子線圈中所提供的電流產(chǎn)生圍繞轉(zhuǎn)子的磁通量，并且隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁通量與包圍轉(zhuǎn)子的定子芯中的繞組相互作用。定子芯繞組包括互連的定子棒，定子棒具有特殊構造以降低繞組中的渦流，否則渦流將會產(chǎn)生大量的熱并且有可能損壞各發(fā)電機部件。
[0003]通常，需要確定高壓發(fā)電機中的定子棒上的磁通量分布，以更準確地計算電損耗，從而更準確地對定子繞組的總損耗進行建模。這些測量結果的有用性在很大程度上取決于特定通量傳 感器能夠相對于定子棒放置得多么靠近，因為必須針對從傳感器到棒的距離上的通量場的衰減來校正在離開測量位置越來越遠的距離處獲得的測量結果。
[0004]通常采用如下方式來監(jiān)測大型發(fā)電機中的磁通量:將銅線探測線圈插入定子齒之間的槽中，在定子齒中，定子棒被提供或安裝到定子線圈上。設置在定子槽中的探測線圈可用于探測是否存在徑向通量，徑向通量能夠引起轉(zhuǎn)子中的循環(huán)電流，該循環(huán)電流導致定子繞組中的損耗。然而，導電銅線圈趨向于具有大的截面，這限制了測量小通量區(qū)域的能力，從而提供局部磁通量的平均測量結果。銅線圈還會引起危險，因為銅導電引線能夠引發(fā)接地電弧，該接地電弧會損壞定子繞組。
[0005]本領域已經(jīng)提出采用光纖布拉格光柵(FBG)作為傳感器來測量應變、振動和溫度，以用于各種應用。FBG傳感器測量布拉格光柵位置處的光纖上的應變。該應變略微改變FBG中的反射光柵線的間距，從而影響其反射性質(zhì)。寬帶紅外(IR)信號被通過光纖傳輸?shù)紽BG傳感器。通過從FBG反射的IR輻射的波長來測量FBG上的應變的程度。由于應變跨過光纖布拉格線，所以反射光的波長成比例地增大。通過適當?shù)卦O置布拉格光柵線之間的間距以防止從每個布拉格光柵反射的IR光重疊，可以在單根光纖上提供多達一百個此類測量。這種FBG系統(tǒng)也可在透射模式中操作。
[0006]對于FBG傳感器應變測量，通過在FBG傳感器附接位置處彎曲線圈結構，以通過機械方式對FBG傳感器施加應變。對于FBG傳感器振動測量，當附接到光纖的質(zhì)量塊對線圈上的附接部位處的振動作出響應時，該質(zhì)量塊改變了光纖中的張力。對于FBG傳感器溫度測量，布拉格光柵自身的熱膨脹改變了布拉格光柵線的間距。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]根據(jù)本發(fā)明的教導，公開了一種磁通量傳感器，其測量作用在高壓發(fā)電機的定子棒上的磁通量的徑向分量。該磁通量傳感器包括形成在光纖中且被包圍在磁致伸縮涂層中的光纖布拉格光柵。磁致伸縮涂層對磁通量中的變化作出響應，在光纖上施加應變，該應變改變了布拉格光柵的反射波長，可對反射波長進行測量以提供通量的測量結果。在一個實施例中，磁通量傳感器中的一個或多個被直接定位在定子棒的絕緣層中。
[0008]從以下描述和所附的權利要求并結合附圖，本發(fā)明的其他特征將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是高壓發(fā)電機的定子芯的剖切透視圖；
圖2是圖1中的定子芯的剖面圖；
圖3是光纖布拉格光柵探測系統(tǒng)的示意性方框圖；
圖4是光纖磁通量傳感器系統(tǒng)的方框圖；
圖5是通量傳感器系統(tǒng)中的磁致伸縮布拉格光柵傳感器的側視圖；
圖6是定子芯的一部分的剖面分開視圖，示出了磁通量傳感器相對于定子棒定位在槽中；并且
圖7是定子棒的剖面圖，定子棒包括多個定子棒線股和磁通量傳感器，磁通量傳感器位于定子棒的主絕緣層下面的非導電填料層中。
【具體實施方式】
[0010]對于涉及MBG傳感器的本發(fā)明實施例的以下討論在本質(zhì)上僅僅是示例性的并且不意圖以任何方式限制本發(fā)明或其應用或用途，所述MBG傳感器用于測量作用在高壓發(fā)電機的定子棒上的磁通量的徑向分量。
[0011]圖1是高壓發(fā)電機的定子芯10的剖切透視圖并且圖2是該定子芯10的剖面圖。定子芯10包括磁性圓筒形部分12，磁性圓筒形部分12由堆疊的薄的鐵疊片區(qū)段的組件形成，這些區(qū)段由鍵桿16對準并且限定內(nèi)孔18。一系列貫通螺栓20延伸穿過疊片區(qū)段以擠壓并保持這些區(qū)段以形成圓筒形部分12。圓筒形部分12的疊片區(qū)段限定了一系列周向定位的槽22，這些槽22向孔18開口并且限定其間的定子芯齒24。電隔離的頂部和底部定子棒26和28分別設置在槽22中，其中，每個定子棒26和28延伸圓筒形部分12的長度。如下面將要更詳細描述的，每個定子棒26和28包括多個纏繞銅線線股和設置在線股周圍的絕緣構件。定子棒26和28彼此電耦接以形成三個連續(xù)繞組，其中，芯10的每端處的定子端部繞組30將定子棒26和28電耦接。絕緣支撐構件32被安裝到芯10的每端并且提供支撐結構以將定子端部繞組30保持就位。
[0012]如下面將要詳細討論的，本發(fā)明提出了一種包括FBG的MBG傳感器，用于測量一個或多個槽22中的來自定子棒26和28的磁通量。本文討論的MBG傳感器被放置成盡可能靠近定子棒26和28中的線股以提供準確的通量測量結果。
[0013]圖3是FBG探測系統(tǒng)40的示意圖，F(xiàn)BG探測系統(tǒng)40包括形成在一段光纖46中的FBG傳感器42。光纖46包括光纖芯48，光纖芯48被外包層50圍繞。包層50的折射率大于光纖芯48的折射率,使得沿著光纖芯48傳輸?shù)墓馐粡墓饫w芯48和包層50之間的過渡反射并且被俘獲在其內(nèi)。在一個實施例中，光纖芯48的直徑約為10 μπι,其提供了用于傳輸多個光學模式的多模光纖。通過如下方式在光纖46中提供FBG傳感器42:利用合適的光學寫入工藝產(chǎn)生FBG 52，以在光纖芯48中提供區(qū)段54的周期性圖案，其中，區(qū)段54的折射率高于光纖芯48的其余部分的折射率，但是低于包層50的折射率。例如，區(qū)段54的折射率n3大于光纖芯48的折射率n2，并且區(qū)段44的折射率n3小于包層50的折射率Ii1。
[0014]如本領域技術人員已知的，可基于以下公式(I)將FBG 52選擇性地設計成使得光纖芯48的折射率112、區(qū)段54的折射率113以及區(qū)段54之間的間距Λ限定了 FBG 52反射哪個波長入Β。
Ib = IniA ⑴。
[0015]系統(tǒng)40還包括電路58，電路58產(chǎn)生光輸入信號并且探測從FBG 52中的一個或多個反射的信號。電路58包括寬帶光源60，寬帶光源60產(chǎn)生光束62，光束62經(jīng)過光耦合器64并且被引導到光纖46中且沿著光纖46朝向FBG傳感器52傳輸。被FBG傳感器42反射的光經(jīng)過光纖46向回傳輸并且被光耦合器64引導到色散元件68，色散元件68將反射光束的各種波長分量分布到線性電荷耦合傳感器(CCD) 66或者其他某種合適的光探測器陣列(例如布拉格示波器)上的不同位置。也可使用光濾波器的系統(tǒng)來降低系統(tǒng)成本，而同時限制光纖46上的FBG的數(shù)量。通過提供寬帶源60和色散元件68，CXD傳感器66能夠探測到多于一個反射波長λ B，這允許在光纖46中設置多于一個FBG傳感器42。
[0016]圖4是MBG傳感器系統(tǒng)70的方框圖，MBG傳感器系統(tǒng)70包括多個MBG傳感器72，每個MBG傳感器72具有形成在光纖74內(nèi)的一個或多個光纖布拉格光柵，例如FBG 52。注意，光纖74的布拉格光柵部分與定子棒材料機械地隔離，從而棒的熱膨脹不會引起傳感器72上的應變。系統(tǒng)70包括分析裝置76，它們中的許多是本領域已知的，例如基于上面討論的電路58的裝置,該裝置產(chǎn)生光輸入信號,使光輸入信號沿光纖74傳輸并且從MBG傳感器72接收反射信號λ B ，該反射信號的波長取決于在傳感器72的特定位置處的光纖74上的應變。壓力密封件被設置在系統(tǒng)70中，以表明MBG傳感器72可以處于壓力環(huán)境內(nèi)，例如對于測量定子芯10中的磁通量是有必要的。每個MBG傳感器72反射不同波長的光，并且光纖74上的應變改變該反射光束的波長λΒ，這可以被裝置76探測到。
[0017]MBG傳感器72各自包括磁致伸縮材料的外層，該外層響應于磁通量而改變形狀，取決于通量強度，這或者增大或者減小光纖74上的應變，可以如上面討論的測量通量強度。圖5是光纖74中的MBG傳感器72之一的側視圖。MBG傳感器72包括磁致伸縮材料的外涂層80，其可以通過任何合適方式沉積在光纖74上，例如氣相沉積。在一個限制性實施例中，傳感器72的長度約為1.125英寸并且傳感器72的厚度約為0.125英寸，包括涂層
80。能夠承受高壓發(fā)電機的溫度并且能夠適當?shù)爻练e在非常窄的光纖上的任何合適的磁致伸縮材料可以用于此目的。磁致伸縮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)。通過向MBG傳感器72施加已知磁場并且測量被FBG反射的光束的波長的對應偏移來校準MBG傳感器72。這樣，裝置76被校準，使得反射信號的波長的特定變化代表了磁場的已知變化。
[0018]FBG的溫度變化將會改變FBG中的區(qū)段54的間距，這改變反射信號的波長?；谠摤F(xiàn)象，已知使用FBG傳感器來測量溫度以提供溫度校準。一旦MBG傳感器72被針對特定磁通量校準，MBG傳感 器72的溫度變化將會影響通量測量。大多數(shù)測量高壓發(fā)電機的定子棒中的磁通量的應用都是測量隨時間交變的AC通量。AC測量通常不需要溫度補償，因為溫度變化將會是一偏移量，該偏移量在信號接觸時施加到所有的通量測量結果。然而，對于DC磁通量測量而言，為了通量的準確測量，通常需要知道MBG的溫度變化。因此，本發(fā)明設想了提供第二 MBG傳感器，該第二 MBG傳感器或者處于同一光纖74中，靠近MBG傳感器72，或者處于鄰近于MBG傳感器72的分開的光纖(未示出)中。因此，隨著溫度變化，并且測量溫度的FBG提供溫度變化的指示，該溫度變化可用于校準以確定被測量的DC磁通量。
[0019]圖6是定子芯90的一部分的剖面分來類型的視圖，示出了定子棒92 (例如定子棒26或28之一)定位在兩個定子齒96 (例如齒24)之間的槽94 (例如槽22之一)中。定子棒92被楔形件98保持在槽94內(nèi)，楔形件98定位在定子齒96中的適當?shù)南鄬﹂_口 100內(nèi)。定子棒92包括外絕緣層102，外絕緣層102包圍多個定子棒線股104，每個定子棒線股104包括被絕緣層包圍的銅線股。定子棒線股104被設置為由絕緣層圍繞且相對于彼此堆疊成列的多段銅線股，從而以本領域技術人員公知的方式減小定子棒92中的任何渦流。楔形件填料區(qū)域106設置在楔形件98和定子棒92之間，以便為定子棒92提供間隔和穩(wěn)定性。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，上述類型的一個或多個MBG傳感器108被設置在填料區(qū)域106內(nèi)，用于測量期望位置處的定子棒92的磁通量。在該非限制性示例中，五個MBG傳感器108被設置成測量跨過槽94的特定位置處的通量。然而，這是非限制性的示例，因為對于特定應用，為了期望的通量測量精度，可以設置任何合適數(shù)量的MBG傳感器108。如上所述，傳感器108可以是任何合適的探測系統(tǒng)的一部分，其中，傳感器108可被設置在單根光纖中，設置在多根光纖中，等等，并且其中，傳感器108中的一些可被設置成用于溫度測量補償。在該非限制性實施例中，傳感器108僅被設置在定子芯10的槽94的一個中，以提供磁通量測量。然而，MBG傳感器108可以在沿著定子芯10的長度的任何期望位置被設置在任何數(shù)量的槽94中，如可行的那樣。
[0021]雖然MBG傳感器108非常靠近產(chǎn)生磁通量的定子棒繞組104，它們可以定位成更加靠近以提供更準確的通量讀數(shù)。圖7是定子棒110的剖面圖，定子棒110包括多個定子棒線股112，定子棒線股112與定子棒線股104相同或相似。定子棒110也可位于定子棒的槽中。定子棒線股112位于Roebel填料114中，Roebel填料114以本領域技術人員公知的方式為線股112提供對準、規(guī)則性和穩(wěn)定性。彎折繞組(crimp winding) 116被設置在Roebel填料114中，也以本領域技術人員公知的方式為定子線股112提供對準。彎折繞組116允許從一個線列到下一個線列的適當電連接。定子棒110包括形成在定子線股112周圍的內(nèi)電暈保護層118，其可以在上述定子棒92的絕緣層102下面。在如圖所示的定子棒110的正常構造中，異型條120被設置在棒120的頂部，位于保護層118和Roebel填料114之間，并且提供符合于保護層118的曲率的非導電填料部分。腔122被設置在異型條120內(nèi)以提供用于安裝一個或多個MBG傳感器124的開口。因此，在該構造中，MBG傳感器124非?？拷ㄗ泳€股112，從而提供非常準確的磁通量讀數(shù)。
[0022]前面的討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領域技術人員從這些討論并且從附圖和權利要求將會易于認識到可以在不偏離如限定在所附權利要求中的本發(fā)明范圍的情況下在本發(fā)明中作出各種改變、修改和變形。
【權利要求】
1.一種用于測量高壓發(fā)電機的定子芯中的磁通量的磁通量傳感器系統(tǒng)，所述通量傳感器系統(tǒng)包括: 至少一個磁致伸縮布拉格光柵(MBG)傳感器，所述至少一個磁致伸縮布拉格光柵傳感器相對于所述定子芯中的至少一個定子棒定位，所述至少一個MBG傳感器包括形成在光纖中的光纖布拉格光柵(FBG)和磁致伸縮材料的外涂層；和 分析裝置，所述分析裝置向所述光纖提供光輸入信號并且從所述至少一個MBG傳感器接收反射的光信號，其中，所述反射的光信號提供來自所述定子棒的磁通量的測量結果。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述至少一個MBG傳感器被設置在所述定子芯中的定子齒之間的槽中。
3.根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述至少一個MBG傳感器位于楔形件和所述定子棒之間，在填料區(qū)域中。
4.根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述至少一個MBG傳感器位于保護層內(nèi)的異型條中，所述保護層被設置在所述定子棒內(nèi)的多個堆疊定子棒線股周圍。
5.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述磁致伸縮材料的涂層是磁致伸縮松散材料。
6.根據(jù)權利要求5的系統(tǒng),其中，所述磁致伸縮松散材料選自由Terfenol-D、Galfenol和Metglas組成的組。
7.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述磁致伸縮材料的涂層是薄膜材料。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，其中，所述薄膜材料選自由Sm-Fe、Tb-Fe,FeTb和FeCo組成的組。
9.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述至少一個MBG傳感器是所述光纖中的間隔開的多個MBG傳感器,每個MBG傳感器反射具有不同波長的光信號。
10.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，還包括與所述至少一個MBG傳感器相關聯(lián)地設置的溫度FBG傳感器，用于測量溫度并且提供反射的溫度補償光信號。
11.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述MBG傳感器和溫度FBG傳感器被設置在所述光纖中。
12.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述MBG傳感器和溫度FBG傳感器被設置在分開的光纖中。
13.一種用于測量高壓發(fā)電機的定子芯中的磁通量的磁通量傳感器系統(tǒng)，所述通量傳感器系統(tǒng)包括: 多個磁致伸縮布拉格光柵(MBG)傳感器,所述多個磁致伸縮布拉格光柵傳感器被設置在公共的光纖中并且彼此間隔開，所述多個MBG傳感器各自包括形成在所述光纖中的光纖布拉格光柵(FBG)和磁致伸縮材料的外涂層，所述多個MBG傳感器定位在所述定子芯中的定子齒之間的槽中，靠近多個堆疊的定子棒線股；和 分析裝置，所述分析裝置向所述光纖提供光輸入信號并且從所述多個MBG傳感器的每一個接收反射的光信號，其中，每個MBG傳感器反射具有不同波長的光信號，并且其中，所述反射的光信號提供來自所述定子棒的磁通量的測量結果。
14.根據(jù)權利要求13的系統(tǒng)，其中，所述多個MBG傳感器位于楔形件和所述定子棒之間，在填料區(qū)域中。
15.根據(jù)權利要求13的系統(tǒng)，其中，所述多個MBG傳感器位于保護層內(nèi)的異型條中，所述保護層被設置在所述定子棒內(nèi)的多個堆疊定子棒線股周圍。
16.根據(jù)權利要求13的系統(tǒng)，還包括與每個MBG傳感器相關聯(lián)地設置的溫度FBG傳感器，用于測量溫度并且提供反射的溫度補償光信號。
17.一種用于高壓發(fā)電機的定子芯，所述定子芯包括: 芯部分，所述芯部分具有中心孔、與所述孔連通的一系列周向布置的槽、以及所述槽之間的定子齒； 至少一個定子棒，所述至少一個定子棒定位在所述芯部分的每個槽中，并且與彼此以及與所述定子芯的端部處的定子端部繞組電連通；和 至少一個磁致伸縮布拉格光柵(MBG)傳感器，所述至少一個磁致伸縮布拉格光柵傳感器被設置在所述槽的至少一個中，所述至少一個MBG傳感器包括形成在光纖中的光纖布拉格光柵(FBG)和磁致伸縮材料的外涂層。
18.根據(jù)權利要求17的定子芯，其中，所述至少一個MBG傳感器是被設置在所述至少一個槽中的多個MBG傳感器，在所述光纖中彼此間隔開，其中，每個MBG傳感器反射具有不同波長的光信號。
19.根據(jù)權利要求17的定子芯，其中，所述至少一個MBG傳感器位于楔形件和所述定子棒之間，在填料區(qū)域中。
20.根據(jù)權利要求17的定子棒，其中，所述至少一個MBG傳感器位于異型條中，所述異型條在定子棒線股和所 述定子棒內(nèi)的保護層之間。
【文檔編號】H02K11/00GK104040844SQ201280037389
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年6月27日 優(yōu)先權日:2011年7月27日
【發(fā)明者】M.特沃多赫利布, E.阿布羅米蒂斯 申請人:西門子能源公司