用于检测电磁装置的绕组的健康状况的方法和系统与流程

本申请是要求于2014年4月24日提交的美国申请序号14/261,210的权益的国际申请。

有关联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用。

附录的引用

不适用。

技术领域

本公开一般地涉及电绕组。更具体地，本公开涉及电磁装置的电绕组的退化的检测，所述电磁装置诸如螺管线圈、电感器、电磁铁、变压器、传感器线圈、电机和发电机。

背景技术：

电磁装置通常包括电绕组。绕组由诸如通常形状为线圈的电线(诸如螺线或螺旋线)的电导体制成，以形成连续的一系列绕组匝。

电磁装置的绕组在绕组周围具有某种类型的绝缘层。绝缘体通常很薄以允许绕组匝的紧密包装实现。绝缘体可以是具有因为各种服务状况而逐渐地退化的绝缘特性的材料。随着绕组绝缘退化，它最终使得底层导体局部暴露。如果相邻绕组匝的绝缘是完整的，则不发生各匝的短路。然而，如果两个或更多个暴露的绕组匝彼此相邻，则相邻暴露的导体之间的绕组匝短路。匝的短路是渐进性的，最终导致绕组故障。

电磁装置(诸如螺管操作阀中的螺管)的绕组常常被安排以远小于平均绕组寿命的间隔替换，使得意外的绕组故障减少。已知电磁装置中的绕组的健康状况期望减少过早的替换和意外的绕组故障两者，其中的每一个导致电磁装置为其一部分的过程的停机时间。其它电磁装置中的绕组被类似地定位。因此，原理适用于使用绕组的其它应用。

一些已知系统公开了监测螺管健康状况，诸如美国专利No.8055460。此专利公开了一种用于监测由电池供电的螺管的健康状态(SOH)的方法并且包括以下步骤：使用处理器来测量由电池供应给螺管的电压和电流以使用该电压和该电流来确定螺管的等效电阻和等效电感中的每一个；将等效电阻和等效电感与对应的校准阈值进行比较；以及将与所对应的校准阈值的偏差记录为一对SOH值。SOH值的趋势被连续地监测，并且当任何一个SOH值下降至校准下限以下时采取适当的控制动作。螺管监测系统包括螺管、电压和电流传感器以及具有用于连续地监测螺管的健康状态的算法的控制器。一般而言，美国专利No.8055460教导测量来自向电路供应电力的电池的电压、电路中的电流和电阻以及时间常数，以计算电路中的等效电感和等效电阻。这些计算出的值能够与具有电感和电阻的标称或校准值作为参考值的已知“好的”螺管进行比较，以指示所述的螺管的状况以及螺管中的诸如开路或短路绕组匝的故障的表观原因。

然而，本公开的发明人已经认识到，测量电压、电阻或电流参数以及映射改变不产出足以确定故障电绕组的灵敏度。因此，不管本领域中的一些努力，诸如以上示例性美国专利中所找到的那些，为了确定故障电绕组，然后仍然存在对于绕组的健康状况的改进检测的需要。

技术实现要素：

本公开提供了用于测量瓦数(wattage)的增加以检测潜在的绕组故障的方法和系统。当来自绕组的激活匝的时变磁场在绕组的短路匝上感应时变电流时发生绕组中的瓦特的增加。通过短路匝的电阻以及感应电流导致功率使用和增加的瓦特。瓦数增加比通过短路匝的绕组中的电阻减小大得多。测量瓦特导致以比测量电阻更大的灵敏度检测到短路绕组。在一个实施例中，能够利用瓦特计和电源离线测试绕组。在另一实施例中，能够利用可选传感器在本地或远程连续地或者周期性地监测使用中的绕组及其瓦数，以在达到瓦特方面的特定百分比增加时启动信号。

本公开提供了一种测量电磁装置的电绕组的健康状况的方法，该方法包括：对具有多个绕组匝的电绕组施加时变电压；测量绕组的瓦数；将所测量到的绕组的瓦数与绕组的预定参考瓦数进行比较；以及确定所测量到的瓦数是否大于参考瓦数以指示绕组中的一个或多个短路绕组匝。该方法还提供其中一个或多个短路绕组匝产生感应电流，并且其中测量瓦数包括测量短路绕组匝的感应电流的瓦数。

本公开提供了一种用于测量电绕组的健康状况的系统，包括：电绕组，该电绕组具有多个绕组匝；电源，该电源耦合到绕组以便向绕组提供时变电压；以及瓦特计，该瓦特计耦合到绕组。本发明还提供了其中短路绕组匝在绕组中产生感应电流，并且其中瓦特计测量瓦数，包括来自感应电流的瓦数，以用于参考绕组的参考瓦数，该参考瓦数是在预定状况下针对电绕组的。

附图说明

图1A是具有瓦特计来测量绕组的瓦数的示例性电磁装置(诸如螺管线圈)的电绕组的系统的示意图。

图1B是具有瓦特计来测量绕组的瓦数的另一示例性电磁装置(诸如电机或发电机)的电绕组的系统的示意图。

图2是带具有激活匝的一部分以及与激活匝磁耦合的短路匝的一部分的匝的电绕组的示意图。

图3是针对全体匝的短路匝的给定百分比与瓦数相比较的电流中的示例性百分比改变的曲线图。

图4是具有电绕组、瓦特计、时变电源、控制器、监测器和设备的系统的示意图。

图5是具有电绕组、直流电源、控制器以及来自时变电源和瓦特计的叠加时变信号的系统的示意图。

具体实施方式

以上所描述的图以及在下面所撰写的特定结构和功能的描述未被呈现以限制申请人已发明的范围或者所附权利要求的范围。相反，这些图和撰写的描述被提供来教导本领域的任何技术人员做出并使用专利保护寻求的发明。本领域的技术人员将了解，为了清楚和理解起见，未描述或者示出发明的商用实施方式的所有特征。本领域的技术人员还将了解，为了商用实施方式结合本公开的各方面的实际商用实施方式的开发将需要许多实施方式特定的决定来实现开发者的最终目标。这些实施方式特定的决定可以包括并且很可能不限于遵照系统相关、业务相关、政府相关及其它约束，所述约束可能由于特定实施方式、位置并且时常变化。虽然开发者的努力可能在绝对意义上是复杂且费时的，但是这些努力仍然将是受益于本公开的本领域的普通技术人员承担的例行程序。必须理解的是，本文中所公开和教导的发明对许多及各种修改和替代形式敏感。单数术语(诸如但不限于“一”)的使用不旨在为限制项目的数量。另外，关系术语(诸如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧面”等)的使用是为了在对图的特定参考中清楚而用在所撰写的描述中的，而不旨在限制本发明或所附权利要求的范围。在适当情况下，一个或多个元件可能已用“A”或“B”标记以指定元件的给定类别的各种构件。当一般地参考这些元件时，使用没有字母的数字。此外，这些指定不限制能够被用于该功能的构件的数量。

本公开提供了用于测量瓦数的增加以检测潜在的绕组故障的方法和系统。当来自绕组的激活匝的时变磁场在绕组的短路匝上感应时变电流时发生绕组中的瓦特的增加。通过短路匝的电阻以及感应电流导致功率使用和增加的瓦特。瓦数增加比通过短路匝的绕组中的电阻减小大得多。测量瓦特导致以比测量电阻更大的灵敏度检测到短路绕组。在一个实施例中，能够利用瓦特计和电源离线测试绕组。在另一实施例中，能够利用可选传感器在本地或远程连续地或者周期性地监测使用中的绕组及其瓦数，以在达到瓦特方面的特定百分比增加时启动信号。

图1A是具有瓦特计来测量绕组的瓦数的示例性电磁装置(诸如螺管线圈)的电绕组的系统的示意图。系统2包括螺管4，诸如可能与电绕组6被包括在一起。通常，螺管4利用其电绕组附接到设备(诸如阀8)或与螺管4接口对接以便于操作的其它设备。为了清楚，示例性实施方式不限于螺管和阀，而是能够与使用绕组的变压器和其它电磁装置一起使用。绕组包括引线10和引线12。引线连接到瓦特计14。绕组将在此实施例中被认为是离线的。电源28能够向电路绕组提供电力。瓦特计能够离线测量绕组并且确定其汲取的瓦数。能够在作为比较结果的基准点的已知好的操作状况或某个预定标准下，对照电绕组做出评估。如果来自电磁装置的瓦数超过基准点，则电绕组可能具有短路匝并且倾向于故障。能够做出目前替换绕组或者等待的决定。

图1B是具有瓦特计来测量绕组的瓦数的另一示例性电磁装置(诸如电机或发电机)的电绕组的系统的示意图。系统2包括定子9的绕组6A以及转子11的绕组6B。术语“引线”在本文中被广泛地使用，并且包括组件的可接入电连接。定子9能够包括能够连接到瓦特计14的引线10和引线12。电源28能够向电路绕组6A提供电力。类似地，转子11能够包括能够连接到瓦特计14’的引线10’和12’。电源28’能够向电路绕组6B提供电力。能够测量这些绕组中的一个或两个以得到瓦数。

图2是带具有激活匝的一部分以及与激活匝磁耦合的短路匝的一部分的匝的电绕组的示意图。一般而言，电绕组6包括环绕内部磁芯24的电线的一系列匝16。引线10和引线12允许电流通过匝流入绕组并流出绕组。绕组具有电流Ic流过的电阻Rc。当匝16的一部分变得短路时，电阻Rc减小并且短路匝20在它们的预定功能方面不再有效。短路22例示了图式地跨越短路匝20的这个短路。有效地，对于剩余激活匝18来说引线10移动到引线10’的绕组中的新的电位置。然而，短路匝20消耗由通过短路的感应电流Is所导致的能量并且所关联的短路匝具有所关联的电阻Rs。当经受时变电压(诸如具有关联电流的AC电压)时，激活匝18给予在短路匝20上产生时变电压的时变磁场。短路匝20中的感应电流Is通过流过磁耦合到短路匝20的激活匝18的时变电流而发生。激活匝18能够被认为是变压器的一次电路，并且短路匝20能够被认为是受一次电路影响的二次电路。

引线10(在引线10’的有效位置处)与引线12之间的瓦数的测量能够示意性地被认为是通过绕组电阻Rc的绕组电流Ic以及通过短路匝电阻Rs的感应电流Is的和。短路匝20以比Rc电阻的减小高得多的速率导致可测量的附加瓦数以说明短路匝的电阻Rs。因此，监测瓦数能够被有效地用来检测少量的短路匝，从而允许电绕组的将来故障的改进预测。如在下面图5中所描述的，对于具有电绕组的直流电路，时变信号能够被离线施加或者叠加在直流电上以在短路匝中感应时变电流。结合在绕组中或者在其外部的电时变电压电路能够供应信号。因此，本发明将与时变或直流绕组应用一起使用。

图3是针对电绕组的全体匝的短路匝的给定百分比，与瓦数相比较的电流中的示例性百分比改变的曲线图。X轴是与图2中所例示的匝16的满数比较的短路匝的增加百分比。Y轴对于线40来说为电流的增加或者对于线42来说为瓦特的增加。在0％短路匝的情况下，两条线通过定义在安培数或瓦特方面具有0％增加。在大约2％短路匝处，安培数的增加是约8％。然而，瓦特的增加几乎是60％。在4％短路匝处，安培数的增加是约15％，然而瓦特的增加是约110％。因此，与安培数相比，瓦特的显著上升对于短路匝的数量的任何增加的效应提供高得多的灵敏度。

图4是具有电绕组、瓦特计、时变电源、控制器、监测器和设备的系统的示意图。该系统包括具有引线10和12的电绕组6，该电绕组6耦合到设备26，诸如阀、变压器、电机或发电机，或可能使用电绕组的其它电磁装置。瓦特计14测量绕组6的性能和健康状况。时变电源28出于其与设备26关联的预定目的而向绕组6提供电力。控制器30能够被用来控制电源28对于绕组6的性能。在操作期间，瓦特计14能够被用来监测绕组6的状况。来自瓦特计14的输出能够被发送到监测器32。监测器32能够包括包含数字或模拟输出的可视显示器、指示器(诸如闪烁灯或可听警报器)以及为本领域的普通技术人员所知的其它度量和指示器。可选传感器34能够被用来在瓦数增加超过期望水平(诸如与正常健康绕组相比瓦数的特定百分比增加)的情况下触发警报或其它通知。监测器32可以是本地的，或者甚至附接到绕组6。另选地，监测器32能够在远程设施中，使得瓦特计14与监测器32之间的接口通过TCP/IP或其它连接或者通过无线传输在互联网上发生。监测器32能够被用来向控制器30提供输入以便于操作电源。

图5是具有电绕组、直流电(“DC”)电源、控制器以及来自时变电源和瓦特计的叠加时变信号的系统的示意图。除了电源可以是DC电源36之外，图5能够包括图4的电路的一个或多个方面。来自DC电源36的典型DC电流不通过以上所描述的并且在图2中例示的短路匝20来感应电流，因为它不是时变信号。因此，单独的时变信号能够被叠加到DC电路上以在短路匝中感应电流。瓦特计14和时变电源28能够耦合到引线10和12以将时变信号叠加到来自DC电源36的DC信号。虽然未示出，但是如图4中所描述的，瓦特计14能够向监测器32和可选传感器34提供输入并且监测器32能够向控制器30提供输入。

在操作中，瓦特计能够附接到电绕组以测量其状况。电源直接或者通过瓦特计能够向绕组提供电流。设想了标准绕组将具有预定可接受的瓦数作为参考瓦数。类似绕组的任何将来测量能够与参考瓦数进行比较。当为了健康状况测试而从操作中移除绕组时，瓦数的任何增加能够指示绝缘的退化、一个或多个短路匝以及绕组故障的增加潜在性。另选地，绕组能够保持在操作中并且瓦特计被用来在操作期间测量绕组匝的状况。因此，能够对绕组在其预期接近的故障之前的替换做出决定。绕组的健康状况的周期性或连续监测能够被用来指示电绕组何时接近其有用寿命的末期并且需要替换。对于操作绕组的DC电路，时变信号能够在绕组离线时被强加，或者叠加在DC信号上，使得瓦特计能够根据经叠加的时变信号来测量包括来自短路匝中的感应电流的瓦数的瓦数。能够针对特定阈值水平来监测和感测瓦数。

本系统的各种方法和实施方式能够被彼此相结合地包括以产生所公开的方法和实施方式的变化。对单数元件的讨论能够包括复数元件并且反之亦然。后面是对项目的参考的对至少一个项目的参考可以包括一个或多个项目。另外，能够彼此结合地使用实施方式的各个方面以实现本公开的所理解的目标。除非上下文另外要求，否则单词“包括”或诸如“包括”或“包括有”的变化应该被理解为暗示至少所陈述的元件或步骤或一组元件或步骤及其等同物的包括，而不暗示更大数量或任何其它元件或步骤或一组元件或步骤或其等同物的排除。可以在许多方向和定向上使用本装置或系统。术语“被耦合”、“耦合”、“耦合器”以及相似术语在本文中被广泛地使用，并且可以包括用于将一件或多件构件固定、绑定、结合、加固、附接、接合在一起、插入在其中、形成在其上或在其中、连通或者以其它方式使一件或多件构件与中间元件相关联(例如，机械地、磁力地、电力地、在化学性质上、可操作地、直接地或者间接地)的任何方法或装置，并且还可以包括但不限于以统一方式与另一功能构件整体地形成一个功能构件。可能在任何方向上(包括旋转地)发生耦合。

除非另外具体地限制，否则步骤的次序能够以各种顺序发生。本文中所描述的各种步骤能够与其它步骤组合，与所陈述的步骤合并，并且/或者被分割成多个步骤。类似地，元件已在功能上被描述并且能够被具体化为单独的组件或者能够被组合成具有多个功能的组件。

已经在优选和其它实施方式的上下文中描述了本发明并且尚未描述本发明的每个实施方式。对所描述的实施方式的显然修改和变更可被本领域的普通技术人员利用。所公开且未公开的实施方式不旨在限制或者约束由本申请人设想的本发明的范围或适用性，而是相反，和专利法一致，申请人旨在完全保护落入以下权利要求的范围或等价范围内的所有这些修改和改进。