专利名称：利用光学纤维测量电气机械静止零件的温度的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光学纤维测量电气机械的温度、更具体地说，涉及通过访问从被注入沿电枢绕组规定线路的光纤中的一系列激光脉冲发出的反射波来监测绕组的温度。
背景技术：
当前的实际情况是利用电阻温度检测器(RTD)来测量电枢温度。这只能提供在RTD位置上和在电枢杆或线圈的外表面上的局部温度信息。关于实际的铜的温度信息只能用埋入铜铰合线中的热电偶得到。这要求热电偶要通过接地壁的绝缘材料，因此这个方法只用于特殊的试验，很少在生产机器中应用。
热点的位置通常是靠将多个RTD沿着堆叠长度安置在定子槽中来得到。这只能提供有关定子槽中热点的近似信息，不能提供有关在定子末端绕组中的绕组温度的信息。
利用光纤测量温度在埋入电缆中成功地进行，但用于监测发电机或电机绕组的温度，则分辨率不够。基于安置在分开的位置上的光栅的其他方法，在航天应用中的空间分辨率较好。因此，希望寻找一种方法，在不损害机器完整性的条件下，将这个原理应用在电气机械(例如涡轮机，水轮发电机或电马达)的电气绕组中。
发明概述在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种利用光纤测量电气机械静止零件的温度的方法。
该方法包括下列步骤(a)将光纤埋入非金属的带中；(b)在该带上切出缺口，使该带弯曲，以适应静止零件的形状；(c)将该带和光纤固定在该静止零件上；(d)从光纤的至少一个末端注入一系列激光脉冲；(e)通过访问从这些激光脉冲序列发出的反射波，监测静止零件的温度。
在本发明的另一个示例性实施件，一种测量在电气机械静止零件温度的装置，该装置包括埋入一非金属材料带(14)中的光纤(16)，在带上作出缺口，以适应静止零件的弯曲，该带由充分的蠕变强度的材料制成，用以支承光纤，同时防止光纤被压碎。
附图简述
图1表示埋入平的带状材料中的光纤；图2表示安装在电枢杆上的成形的传感器；图3表示安装在电枢杆上的第二个成形的传感器；图4表示包括按照正弦曲线排列的光纤的传感器的另一个实施例；和图5表示另一种结构。
发明详述图1～3表示一个电枢杆的双通道结构，它包括末端臂和一个支承结构。该支承结构在绕组装配过程中，可保护光纤不受损坏；并且在机械工作过程中，保护光纤不受作用在该杆上的电磁力的影响。为了构造传感器10，在一个平的带状材料条上加工出槽12。将光纤16放入该加工的槽12中，使光纤16埋入材料14中。然后，利用粘接剂(例如环氧树脂)将光纤16固定在带状材料14中。
平的带状材料14应有足够的蠕变强度，以支承纤维16，不致压碎它。最好该材料为可与粘接剂树脂(例如二组分的环氧树脂膏粘接剂)匹配的非金属材料。
如图2所示，带状材料14的宽度最好大约为裸电枢杆18的高度的一半。带状材料14切成比一个线圈的MLT(平均长度圈)的一半稍长的长度。在带工作出缺口20，使带可以弯曲，以适应涡轮上的渐开线和杆18的集电器末端。
如图2所示，在通过使带14的顶部边缘与杆18的顶部边缘对齐，形成末端臂后，将第一个传感器18固定在裸杆18的侧面上。参见图3，通过使带14的下边缘与杆18的底部对准，将第二个传感器10’固定在杆18中。最好，利用粘接剂(例如，环氧树脂等)，将传感器10、10’固定在杆18上。虽然图3表示了利用固定在杆18上的二个传感器10，10’的一个优选实施例，但另一种方案是，可将一个传感器10安置在杆的中心，或将3个或更多个传感器固定在该杆上，以得到较高的径向分辨率。如果只需监测一根杆，则可以将在涡轮末端上的纤维连接在一起(在铜焊了串联环圈后)，并且最好沿着中间的连接引线，将连接的纤维取出至机械外面，置于集电器端上。
串联环圈是在定子轴向末端处的顶部和底部杆端之间的电气连接。顶部杆和底部杆从不同的定子槽伸出，并且一般跟随着该二根杆在圆周上和轴向对准的圆锥表面上的一条通道。顶杆离回转轴线的径向距离比底杆的该距离小。串联环圈包括将顶部杆和底部杆连接的电气零件(一般为铜)。串联环圈连接器利用铜焊固定在顶部杆和底部杆上，以保证电气和机械连接都好。
图4表示传感器的另一种结构。在这个结构中，传感器100上加工出基本上为正弦曲线形状的槽12’，使得光纤16呈正弦形状埋入带状材料14中。这种结构不但使径向的温度测量的平均范围较宽，而且克服铜杆的热膨胀，使光纤16的应变减轻。如图4所示，最好光纤16中的正弦波的间距可调整，使缺口21在该波的波节上。
一旦制造和安装后，可以从光纤16的两端注入激光脉冲，并且通过访问从激光脉冲序列发出的反射波，可以监测绕组温度。通过分析从注入光纤中的一系列激光脉冲发生的反射被监测温度是已知的，这里不再作详细说明。
在本发明中的传感器可以沿着电枢绕组的全长或某一部分铺设。在一种结构中，传感器可沿着在绝缘材料外面的杆铺设。这样，除了可以得到杆的完整的温度分布以外，还可以直接与RTD读数比较。另一种方案是，传感器可以布置在定子接地壁绝缘材料上，可以直接得到在杆中的铜的分布温度读数。
参见图5，在另一个结构中，传感器10可以穿过埋入杆内的空心电缆或导管22，使得在构成电枢绕组的各对杆之间形成铜焊连接后，可以插入光纤。为了作轴向运动，设有间隙24。在一个实施例中，间隙24用润滑剂(例如润滑脂)充满。这个结构可保护光纤不致暴露在铜焊需要的高温中。
通过将光纤16埋入横截面为矩形的平的带状材料14中，可将光纤固定在杆的侧面，而不会损害原来杆的外部矩形结构。由于存在单排或双排没有保护的光纤而引起的窄的凸起，可以逐渐损害槽支承系统限制电枢杆运动的能力，或者可造成光纤16压碎。
通过从光纤16的两端注入激光脉冲，可以改善温度读数的空间分辨率。另外，从光纤的两端注入激光脉冲，可以增加测量的可靠性，因为即使沿着光纤通道的任何位置上出现断裂，也可以在分析的通道的全长上得到数据。光纤沿着它铺设的通道可以分开成N个单独的要分析的长度，一个长度可供N相绕组的每一个相使用。另外，可以形成光纤沿着它铺设的一条通道，它可适用于Δ连接的绕组的所有N个相。通过在接近绕组的中性端的定子绕组的低电压端上，将激光脉冲通过接地壁的绝缘材料注入，则可在电气上受力的绕组的所有其他截面上，保持绝缘材料的整体性。
在二个电路的绕组中，可以铺设光纤使光纤形成一个向一个电路下面延伸而沿着相同相的平行电路返回的通道，同时使纤维的进口和出口靠近该相的中性端。这种结构可使在电路的低电压端接地壁绝缘材料贯穿。这种铺设图形可在N相绕组的几个相或每一个相中重复。
另一种方式是，二个电路绕组件中的光纤可以这样铺设使光纤形成向着一个绕组电路的一条腿下面延伸，在绕组的低电压端开始，并沿着相同的相的平行电路返回至绕组的低电压端的单一通道；并在每一个相中重复这种方式。
同样，可以在包括偶数电路2N的多电路绕组中铺设光纤。所用的方法是，将光纤作为单一串联通道，从一个电路开始，并返回至另一个电路几次，使每一个电路的全长都被访问，这样来铺设。采用奇数2N+1个电路时，光纤可以作为单一串联通道铺设。该通道从一个电路开始，并返回至另一个电路N次，同时保持不成对的电路沿着相同的杆出去和返回，使得每一个电路的全长至少被访问一次。
光纤还可沿着连接引线，在机械外面铺设，使可从机械外面加激光脉冲。在氢冷却的机械中，光纤可通过高电压的套筒或通过工具压盖，铺设在连接引线的外面，使得可以从机械外部加激光脉冲。
如上所述，光纤可以沿着选择的杆铺设，以便得到沿着常用的电枢杆的常用电枢杆性能的样件。同样，可以沿着选择的杆在二个方向铺设光纤，以形成一个回路，该回路在一根杆之一上断开，而半个回路靠近该杆的一个径向末端或方位末端，并且该半个回路更靠近另一个末端。
在多匝线圈中，光纤可以沿着单个匝铺设。另外，光纤可以沿着电枢绕组的绝缘材料连接环的表面铺设，以测量该表面的温度；或埋入连接环的接地壁绝缘材料下面，以测量铜的温度。光纤还可以沿着定子楔的顶部，定子齿或芯子的背面铺设，以得到定子芯子的选择区域，以及机械的气隙的冷却气体的温度分布。光纤还可以沿着定子的结构零件(例如框架零件，定子法兰，终端盒零件和轴承的静止零件)铺设，以得到机械的定子的这些选择区域的温度分布。
采用本发明的传感器，可以在暂时的测试阶段中或连续工作过程中，得到电气机械的所有静止零件的温度信息，以便于连续(在时间和空间上)监测和诊断机械。可以在发电机零件寿命估计模型中使用利用本发明的传感器，在机械中测量的工作温度的连续的或离散的数据。该模型根据在机械工作过程中，这些零件所暴露的温度，确定在每一个零件中保有的预期寿命。这个零件寿命估计模型的结果可以利用来安排所监测的发电机零件的预防性维修和整修。
虽然结合目前认为是最实际和优选的实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不是仅限于所述的实施例。相反，在所附权利要求书的精神和范围内，它涵盖各种改进和等同的改变。
零件清单传感器 10槽 12带状材料 14光纤 16电枢杆 18缺口 20第二个传感器 10’传感器 100槽 12’导管 22间隙 2权利要求
1.一种利用光纤测量发电机的静止零件温度的方法，该方法包括(a)将光纤(16)埋入非金属的带(14)中；(b)在该带上切出缺口(20)，使该带弯曲，以适应静止零件的形状；(c)将该带和光纤固定在该静止零件上；(d)从光纤的至少一个末端注入一系列激光脉冲；和(e)通过访问从这些激光脉冲序列发出的反射波，监测静止零件的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，该静止零件为电枢杆(18)，并且，在该电枢杆的周围设有绝缘材料，其中步骤(c)是通过将带(14)和光纤(16)固定在该绝缘材料的外面来实现的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征为，该静止零件为一根电枢杆(18)，并且其步骤(c)是通过直接将带(14)和光纤(16)固定在该电枢杆上实现的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，步骤(a)是通过将埋入带(14)中的光纤(16)布置成正弦曲线形状来实现的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，步骤(d)是通过仅光纤(16)两端注入激光脉冲序列而实现的。
6.一种测量发电机静止零件温度的装置，该装置包括埋入一非金属材料带(14)中的光纤(16)，在带上作出缺口(20)，以适应静止零件的弯曲，该带由充分蠕变强度的材料制成，用以支承光纤，同时防止光纤被压碎。
7.如权利要求6所述的装置，其特征为，光纤(16)按正弦波的形状被埋入带(14)中。
8.如权利要求7所述的装置，其特征为，缺口(20)与正弦波的波节相符。
9.如权利要求6所述的装置，其特征为，它还包括第二个带(10’，14)和相应的第二条光纤(10’，16)。
10.如权利要求6所述的装置，其特征为，该静止零件为电枢杆(18)，其中，带(14)的高度大约为该电枢杆的高度的一半。
全文摘要
传感器(10)利用光纤测量在电气机械的静止零件中的温度。光纤(16)埋入非金属带(14)中。在带上切出缺口(20)，使带弯曲，以适应静止零件的形状。该带和光纤固定在该静止零件上。从光纤的至少一端可以注入一系列激光脉冲，通过分析从激光脉冲序列发出的反射波，可以监测静止零件的温度。
文档编号H02K11/00GK1576811SQ200410071630
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月17日
发明者C·A·卡明斯基, K·R·韦伯, T·邦纳, T·G·维策尔, J·W·德维特, V·P·拉金德兰 申请人:通用电气公司