本发明涉及一种测量电机的转子表面和定子表面之间的气隙的尺寸的方法。此外，本发明涉及一种电机，并且还涉及一种包括该电机的风力涡轮机。
背景技术：
1、在电机的转子和定子之间存在气隙。根据电机的设计要求，气隙必须具有特定的形状和/或尺寸。为了确保电机的可靠操作，所组装的电机的气隙（气隙尺寸和/或形状）应当符合设计要求。
2、通常，被组装或部分组装的电机的气隙由特定的测量确定。通常，使用卡尺以测量气隙尺寸。然而，使用卡尺测量的精度和/或可重复性是不够的。此外，这种类型的测量仅能够测量气隙尺寸的一些点，并且不能够执行气隙尺寸的360°扫描。
3、因此，可能需要一种方法和电机，其中改善了气隙尺寸的测量，并且还改善了可靠性和/或精度。此外，可能需要一种方法和相应的电机，其中可以以更可靠和精确的方式在转子和定子之间的多个点处测量气隙。
技术实现思路
1、该需要可以由独立权利要求的主题满足，独立权利要求涉及一种测量气隙的尺寸的方法、并且涉及一种可以被装备用于测量在转子表面和定子表面之间的气隙的尺寸的电机。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
2、根据本发明的实施例，提供了一种测量（例如，至少部分组装的）电机、特别是永磁电机的转子表面和定子表面之间的气隙的尺寸的方法，该方法包括：基于电磁辐射来执行测量，特别是使用被安装在定子和/或转子处的至少一个测量探针，以获得气隙尺寸相关信息；基于所述气隙尺寸相关信息来确定所述气隙的尺寸。
3、根据本发明的实施例，执行测量包括：执行光学测量，特别是应用彩色共焦感测，特别是使用至少彩色共焦探针来获得气隙尺寸相关信息；基于所述气隙尺寸相关信息来确定所述气隙的尺寸。
4、根据另一实施例，执行测量包括替代地或附加地执行光学测量，以执行雷达测量，特别是使用波导。
5、波导可以被认为是根据本发明的实施例的测量探针的示例。在其他实施例中，彩色共焦探针可以被认为是根据本发明的实施例的测量探针的示例。
6、该方法可以完全或部分地由至少一个彩色共焦探针和/或波导和测量控制器和/或光和/或微波生成和/或处理部分来执行。
7、测量控制器例如可以包括用于产生基本上白色的光的光源、用于引导所产生的光的一个或多个光纤部分、用于光谱地分离从彩色共焦探针返回的光的光谱仪以及用于检测从彩色共焦探针返回的光谱分离的光的不同波长的强度的检测器。
8、彩色共焦探针可以具有基本上圆柱对称性。
9、彩色共焦感测可涉及使用被安装在转子和/或定子处的至少一个彩色共焦探针将基本上白色的光引导到转子表面和定子表面中的一者或两者。彩色共焦探针（例如第一和/或第二彩色共焦探针）可以包括光学器件，该光学器件可以聚焦或会聚已经被供应到彩色共焦探针的基本上白色的光，以便将会聚光引导到转子表面和/或定子表面。彩色共焦感测可进一步涉及在转子表面和/或定子表面处的会聚光的反射，并且可涉及使反射光穿过（相同的）至少一个彩色共焦探针的光学器件。彩色共焦感测可进一步涉及将已经穿过彩色共焦探针的反射光引导到光谱仪，所述光谱仪被配置成根据相应波长来光谱地分离反射光。此外，彩色共焦感测可以涉及使用检测器（例如，线检测器）来检测光谱反射光的强度。根据针对不同波长的分离的反射光的所检测的强度，可以导出相应的彩色共焦探针（或其参考平面）到转子表面和/或定子表面之间的距离。
10、根据本发明的实施例，执行测量包括执行雷达测量，特别是包括经由被安装在定子和/或转子处的波导发射至少一个微波并且分析从转子和/或定子反射的辐射，以获得气隙尺寸相关信息。
11、雷达测量可以采用所谓的fmcw方法（调频连续波）来确定距离，或者例如cw雷达和/或多普勒雷达。所应用的雷达方法可以例如类似于wo2016/204641a1中公开的方法。
12、第一波导可以例如被安装在定子处和/或第二波导可以被安装在转子处。每个波导可以被配置和布置成从定子向转子和/或从转子向定子发射微波辐射。所发射的微波可以在转子和/或定子处被反射，并且可以由先前发射微波的波导接收。执行雷达测量还可以包括分析所反射的微波，以便确定气隙尺寸相关信息，或者特别是还以便确定气隙尺寸。
13、根据本发明的实施例，发射信号被发射并从定子表面或转子表面被反射，该发射信号的频率随时间连续地变化。所发射的信号可以例如是具有随时间线性增加的增加频率的辐射。在具有特定传播时间差的接收器处接收所反射的信号。所发射的雷达信号和所接收的雷达信号之间的频率差可以与距离或气隙尺寸成比例。
14、可以适当地选择或选取波导的长度，以便限定特定的传播时间，并且还以便限定气隙尺寸的测量精度和/或测量范围。
15、气隙尺寸相关信息可以是如下信息，所述信息可以能够导出或确定气隙尺寸或至少在参考平面或参考线与转子表面和定子表面之一之间的距离。此外，为了基于气隙尺寸相关信息获得气隙尺寸，可能需要校准。可能需要校准以确定零点偏移，零点偏移例如是与第一和第二彩色共焦探针相关联的参考平面之间的距离。基于气隙尺寸相关信息确定气隙的尺寸由此可以利用气隙尺寸相关信息和至少校准数据。此外，可以利用第一和/或第二彩色共焦探针关于它们的光学性质（诸如，折射能力和例如所生成的基本上白色的光的波长分布）的配置。
16、气隙的尺寸的确定例如还可以包括光谱图的峰值检测，以便确定反射光强度具有最大值所在的波长。因此，本发明的实施例提供了光学测量。该方法可以基本上在没有人的交互的情况下被执行。测量可以在电机的不同高度（轴向位置）上被执行。通过简单地旋转电机的转子，可以执行例如超过100000次单个测量的完整360°视图。精度可以比使用卡尺测量的精度高得多。此外，可以改善可重复性。
17、该方法可以不需要将任何测量装置插入气隙中，而将任何测量装置插入气隙中传统上可能引起问题，特别是当气隙沿圆周方向变得更小时。
18、所安装的任何测量探针可能不会填充或伸入间隙中，从而防止任何碰撞。
19、彩色共焦感测的测量原理可以基于色散光学器件。由此，光源（例如，被包括在测量控制器中或是测量控制器的一部分中）可以通过轴向色散光学器件（被包括在彩色共焦探针中）辐射白光。色散光学器件将白光会聚成不同波长的光谱。由此，白光被编码为其彩色分量，并且在光轴上为每个波长创建不同的焦点。例如，白光的蓝光波长比红光波长更靠近光学透镜聚焦。不同的波长限定了表示传感器或探针的测量范围的色场。当表面（例如，转子表面或定子表面）位于色场中时，仅有少量的不同波长聚焦在其表面上。转子表面或定子表面反射光，然后该光由彩色共焦探针的相同光学系统重新合成。
20、光纤耦合器或半透明反射镜可以将反射光从照明光束或照明光中分离出来，然后该照明光可以通过例如过滤针孔孔口进入光谱仪。该孔口可以将透射光束限制到在转子表面或定子表面上的焦点处的部分。计算光束的特定波长以确定测量场中转子表面或定子表面的位置，从而表示气隙尺寸相关信息。彩色共焦感测可以提供高分辨率距离，由于尺寸仅为例如几微米的小测量光斑，该高分辨率距离也可以被横向分辨。该方法可以包括反射被会聚在不同表面类型上的基本上白色的光，该表面类型可以典型地作为转子表面或定子表面存在。
21、电机可以至少部分地在以下意义上被组装，即，转子和定子被相对于彼此安装，使得转子在固定配置中相对于定子被可旋转地支撑。
22、根据本发明的实施例，应用彩色共焦感测包括使用第一彩色共焦探针，其被安装在转子或定子处，特别是被安装在空气管道和/或开口和/或孔中或空气管道和/或开口和/或孔处；其中获得所述气隙尺寸相关信息包括从所述第一彩色共焦探针获得第一气隙尺寸数据。
23、第一彩色共焦探针（以及可能的或可选的第二彩色共焦探针）可以可逆地或不可逆地安装在转子或定子处。例如，一个或多个传统上存在的开口或空气管道可用于容纳或接收相应的彩色共焦探针。第一彩色共焦探针可允许确定当会聚的白光从转子表面和定子表面中的一个表面反射时的气隙尺寸相关信息。采用第一彩色共焦探针可足以确定气隙尺寸，而不必还需要第二彩色共焦探针。
24、根据本发明的实施例，应用彩色共焦感测包括使用被安装在转子或定子处的第二彩色共焦探针；其中获得所述气隙尺寸相关信息包括从所述第二彩色共焦探针获得第二气隙尺寸数据。
25、第二彩色共焦探针（与第一探针类似或相同地配置）可用于将基本上白色的会聚光照射或引导到转子表面和定子表面中的另一个表面，以便获得与补充的气隙尺寸相关信息。可以将第二气隙尺寸相关信息和第一气隙尺寸数据组合以确定气隙尺寸。由此，可以提高气隙尺寸确定的可靠性，并且还可以提高精度。
26、根据本发明的实施例，如果第一彩色共焦探针被安装在转子处，则第二彩色共焦探针被安装在定子处，其中如果第一彩色共焦探针被安装在定子处，则第二彩色共焦探针被安装在转子处。
27、因此，通过从被安装在定子处的彩色共焦探针和从被安装在转子处的另一彩色共焦探针获得气隙尺寸相关信息，可以确定气隙尺寸。为了正常地操作电机，彩色共焦探针可以被移除或者可以不被移除。
28、根据本发明的实施例，第一和第二彩色共焦探针被安装在基本相同的轴向位置。
29、电机的轴向方向可与转子的旋转轴线平行或基本重合。当第一彩色共焦探针和第二彩色共焦探针被安装在基本上相同的轴向位置处时，可以以准确且可靠的方式确定在该相同的轴向位置处的气隙尺寸。
30、根据本发明的实施例，该方法包括：针对转子相对于定子的多个相对圆周位置应用彩色共焦感测，特别是使用第一彩色共焦探针和第二彩色共焦探针，以便用于多个相对圆周位置的气隙尺寸相关信息。
31、由此，可以在转子相对于定子的不同或多个相对圆周位置处测量气隙尺寸，特别是围绕整个圆周整圈。例如，对于10个和1000个圆周位置之间，可测量和确定相应的气隙尺寸。由此，可以获得关于气隙在圆周方向上的形状的信息。由此，可以以改进的方式获得气隙的结构特征。
32、根据本发明的实施例，转子以步进或连续的方式旋转，特别是包括整圈旋转，以便获得用于多个相对圆周位置的气隙尺寸相关信息。
33、转子可以相对于定子旋转到第一圆周位置，并且可以执行由第一和/或第二彩色共焦探针进行的第一测量。然后，转子可以相对于定子旋转到第二圆周位置，并且可以执行一个或多个另外的第二测量。这个过程可以继续，直到转子已经旋转到完整的整圈。在测量期间，转子可以不移动并且可以相对于定子处于固定位置。在其他实施例中，转子也可以在测量期间移动。由此，可以以简单且可靠的方式获得气隙的几何表征。
34、根据本发明的实施例，对于多个相对圆周位置中的任何一个，第一传感器输出第一气隙尺寸数据“a”，第二传感器输出第二气隙尺寸数据“b”，其中，根据以下等式计算气隙尺寸：[气隙尺寸] = a + b - [零点偏移]，其中，所述零点偏移是所述传感器零点到所述转子的旋转轴线或到参考线的距离的差，所述方法特别是还包括：通过执行至少一个校准测量来确定零点偏移。
35、该方法可以允许测量转子和定子的不同表面类型之间的相应气隙尺寸，所述表面类型是例如转子中的磁体的涂漆定子段或金属表面。转子表面可以包括或者是永磁模块的表面，特别是覆盖永磁体的覆盖表面。定子表面可以是包括磁性高渗透材料的薄片或层的定子轭的表面。定子表面还可以包括多个齿的表面，定子绕组围绕所述多个齿缠绕。
36、可以测量转子壳体（的表面）和外环上的永磁体。也可测量涂漆定子（例如包括一个或多个或10个或多更个定子段）（的表面），所述涂漆定子由例如软铁叠片和铜以及用于在内侧冷却的空气管道构成。
37、彩色共焦探针可以具有例如在3 mm与10 mm之间、例如在4 mm与8 mm之间的直径。彩色共焦探针可以允许所产生的白光通过具有几微米直径的微小针孔进入色散光学器件，在色散光学器件处，光被轴向地分成连续的波长（环编码）。色散光学器件可以包括一个或多个掺杂玻璃的透镜。在校准步骤中，将距离分配给已由光谱仪分离的波长的光的每个可测量波长。
38、使用量“a”和“b”允许使用两个彩色共焦探针来准确地确定气隙尺寸。在其他实施例中，甚至更多数量的彩色共焦探针可以用于测量，并且这些探针可以被安装在例如电机的不同轴向位置处。
39、根据本发明的实施例，该方法还包括：基于多个相对圆周位置的气隙尺寸相关信息，确定气隙的形状，特别是至少轴向位置的形状。
40、特别是，从测量数据可以确定气隙的最小宽度和/或所谓的静态和/或动态偏心率。因此，使用或采用该方法，可以得到传统地表征气隙的几何形状的数量。
41、根据本发明的实施例，该方法包括应用彩色共焦感测以通过以下操作中的一个获得另外的气隙尺寸相关信息：使用另外的第一彩色共焦探针和/或使用另外的第二彩色共焦探针，所述另外的第一彩色共焦探针和/或所述另外的第二彩色共焦探针各自分别布置在所述定子和所述转子处位于不同于所述轴向位置的另外的轴向位置处，并且应用彩色共焦感测以获得另外的气隙尺寸相关信息；将第一彩色共焦探针和/或第二彩色共焦探针移动到不同于所述轴向位置的另一轴向位置，并且应用彩色共焦感测以获得另外的气隙尺寸相关信息。
42、由此，特别是在整个圆周整圈上的气隙尺寸可以针对不同的轴向位置导出或获得，以用于进一步充分表征气隙几何形状。
43、根据本发明的实施例，该方法还包括以下中的至少一个：基于所述气隙尺寸相关信息确定最小气隙尺寸；基于所述气隙尺寸相关信息确定（静态和动态）偏心率。由此，能够实现传统上所需或期望的几何表征。
44、根据本发明的实施例，以下中的至少一个成立：所述转子表面包括金属表面，特别是磁体模块的表面；定子表面包括轭表面，特别是涂漆表面；气隙尺寸测量的绝对精度例如在0.2 mm和0.05 mm之间或者在0.1 mm和0.05 mm之间。
45、因此，与传统方法相比，可以支撑转子和/或定子的传统使用的表面，并且可以提高精度。
46、根据本发明的实施例，应用彩色共焦感测包括：通过轴向色散光学器件，特别是彩色共焦探针的轴向色散光学器件，朝向转子表面或定子表面发射基本上白色的光；允许从所述转子表面或所述定子表面反射的光以相反的方式穿过所述轴向色散光学器件；对所穿过的反射光进行光谱分析；基于所述光谱分析导出所述气隙尺寸相关信息。
47、由此，可以使用传统上可用的部件来实现传统的共焦感测。
48、应当理解，单独地或以任何组合提供、解释、描述或采用的用于测量电机的转子表面和定子表面之间的气隙的尺寸的方法的特征也可以单独地或以任何组合地应用于或提供用于根据本发明的实施例的电机，反之亦然。
49、根据本发明的实施例，提供了一种电机，特别是永磁电机，所述电机包括：转子；定子；至少一个测量探针，其被安装在所述定子（103）或所述转子（102）处，所述探针使用电磁辐射来获得气隙尺寸相关信息；所述电机特别是包括：控制器，其通信地和/或光纤地和/或使用波导耦合到所述测量探针并且被配置为执行或控制根据前述实施例中的任一个所述的方法。
50、测量探针特别是包括以下中的至少一个：至少一个第一彩色共焦探针，其被安装在所述定子或所述转子处并且被布置和配置成应用彩色共焦感测；至少一个波导，其被安装在所述定子和/或所述转子处，所述至少一个波导被布置和配置为朝向所述转子和/或所述定子发射微波。
51、测量探针（例如，第一彩色共焦探针）可以可逆地或不可逆地安装在定子或转子处。在特定实施例中，测量控制器可以是电机的一部分。在其他实施例中，测量控制器可以不是电机的一部分。在测量之后和/或在试运行之前，可以将探针从定子和/或转子拆卸。
52、根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：多个转子叶片，其被连接到转子轴；根据前述权利要求所述的电机，其被配置为发电机，所述转子轴被连接到所述转子。
53、电机可以包括一个或多个光纤部分，该光纤部分将第一彩色共焦探针与测量控制器光学耦合。
54、本发明的上述方面和其他方面从下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例被解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例的示例。