本申請是要求于2014年4月24日提交的美國申請序號14/261,210的權(quán)益的國際申請。

有關(guān)聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明

不適用。

附錄的引用

不適用。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開一般地涉及電繞組。更具體地，本公開涉及電磁裝置的電繞組的退化的檢測，所述電磁裝置諸如螺管線圈、電感器、電磁鐵、變壓器、傳感器線圈、電機(jī)和發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

電磁裝置通常包括電繞組。繞組由諸如通常形狀為線圈的電線(諸如螺線或螺旋線)的電導(dǎo)體制成，以形成連續(xù)的一系列繞組匝。

電磁裝置的繞組在繞組周圍具有某種類型的絕緣層。絕緣體通常很薄以允許繞組匝的緊密包裝實(shí)現(xiàn)。絕緣體可以是具有因?yàn)楦鞣N服務(wù)狀況而逐漸地退化的絕緣特性的材料。隨著繞組絕緣退化，它最終使得底層導(dǎo)體局部暴露。如果相鄰繞組匝的絕緣是完整的，則不發(fā)生各匝的短路。然而，如果兩個(gè)或更多個(gè)暴露的繞組匝彼此相鄰，則相鄰暴露的導(dǎo)體之間的繞組匝短路。匝的短路是漸進(jìn)性的，最終導(dǎo)致繞組故障。

電磁裝置(諸如螺管操作閥中的螺管)的繞組常常被安排以遠(yuǎn)小于平均繞組壽命的間隔替換，使得意外的繞組故障減少。已知電磁裝置中的繞組的健康狀況期望減少過早的替換和意外的繞組故障兩者，其中的每一個(gè)導(dǎo)致電磁裝置為其一部分的過程的停機(jī)時(shí)間。其它電磁裝置中的繞組被類似地定位。因此，原理適用于使用繞組的其它應(yīng)用。

一些已知系統(tǒng)公開了監(jiān)測螺管健康狀況，諸如美國專利No.8055460。此專利公開了一種用于監(jiān)測由電池供電的螺管的健康狀態(tài)(SOH)的方法并且包括以下步驟：使用處理器來測量由電池供應(yīng)給螺管的電壓和電流以使用該電壓和該電流來確定螺管的等效電阻和等效電感中的每一個(gè)；將等效電阻和等效電感與對應(yīng)的校準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較；以及將與所對應(yīng)的校準(zhǔn)閾值的偏差記錄為一對SOH值。SOH值的趨勢被連續(xù)地監(jiān)測，并且當(dāng)任何一個(gè)SOH值下降至校準(zhǔn)下限以下時(shí)采取適當(dāng)?shù)目刂苿幼?。螺管監(jiān)測系統(tǒng)包括螺管、電壓和電流傳感器以及具有用于連續(xù)地監(jiān)測螺管的健康狀態(tài)的算法的控制器。一般而言，美國專利No.8055460教導(dǎo)測量來自向電路供應(yīng)電力的電池的電壓、電路中的電流和電阻以及時(shí)間常數(shù)，以計(jì)算電路中的等效電感和等效電阻。這些計(jì)算出的值能夠與具有電感和電阻的標(biāo)稱或校準(zhǔn)值作為參考值的已知“好的”螺管進(jìn)行比較，以指示所述的螺管的狀況以及螺管中的諸如開路或短路繞組匝的故障的表觀原因。

然而，本公開的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，測量電壓、電阻或電流參數(shù)以及映射改變不產(chǎn)出足以確定故障電繞組的靈敏度。因此，不管本領(lǐng)域中的一些努力，諸如以上示例性美國專利中所找到的那些，為了確定故障電繞組，然后仍然存在對于繞組的健康狀況的改進(jìn)檢測的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供了用于測量瓦數(shù)(wattage)的增加以檢測潛在的繞組故障的方法和系統(tǒng)。當(dāng)來自繞組的激活匝的時(shí)變磁場在繞組的短路匝上感應(yīng)時(shí)變電流時(shí)發(fā)生繞組中的瓦特的增加。通過短路匝的電阻以及感應(yīng)電流導(dǎo)致功率使用和增加的瓦特。瓦數(shù)增加比通過短路匝的繞組中的電阻減小大得多。測量瓦特導(dǎo)致以比測量電阻更大的靈敏度檢測到短路繞組。在一個(gè)實(shí)施例中，能夠利用瓦特計(jì)和電源離線測試?yán)@組。在另一實(shí)施例中，能夠利用可選傳感器在本地或遠(yuǎn)程連續(xù)地或者周期性地監(jiān)測使用中的繞組及其瓦數(shù)，以在達(dá)到瓦特方面的特定百分比增加時(shí)啟動信號。

本公開提供了一種測量電磁裝置的電繞組的健康狀況的方法，該方法包括：對具有多個(gè)繞組匝的電繞組施加時(shí)變電壓；測量繞組的瓦數(shù)；將所測量到的繞組的瓦數(shù)與繞組的預(yù)定參考瓦數(shù)進(jìn)行比較；以及確定所測量到的瓦數(shù)是否大于參考瓦數(shù)以指示繞組中的一個(gè)或多個(gè)短路繞組匝。該方法還提供其中一個(gè)或多個(gè)短路繞組匝產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且其中測量瓦數(shù)包括測量短路繞組匝的感應(yīng)電流的瓦數(shù)。

本公開提供了一種用于測量電繞組的健康狀況的系統(tǒng)，包括：電繞組，該電繞組具有多個(gè)繞組匝；電源，該電源耦合到繞組以便向繞組提供時(shí)變電壓；以及瓦特計(jì)，該瓦特計(jì)耦合到繞組。本發(fā)明還提供了其中短路繞組匝在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且其中瓦特計(jì)測量瓦數(shù)，包括來自感應(yīng)電流的瓦數(shù)，以用于參考繞組的參考瓦數(shù)，該參考瓦數(shù)是在預(yù)定狀況下針對電繞組的。

附圖說明

圖1A是具有瓦特計(jì)來測量繞組的瓦數(shù)的示例性電磁裝置(諸如螺管線圈)的電繞組的系統(tǒng)的示意圖。

圖1B是具有瓦特計(jì)來測量繞組的瓦數(shù)的另一示例性電磁裝置(諸如電機(jī)或發(fā)電機(jī))的電繞組的系統(tǒng)的示意圖。

圖2是帶具有激活匝的一部分以及與激活匝磁耦合的短路匝的一部分的匝的電繞組的示意圖。

圖3是針對全體匝的短路匝的給定百分比與瓦數(shù)相比較的電流中的示例性百分比改變的曲線圖。

圖4是具有電繞組、瓦特計(jì)、時(shí)變電源、控制器、監(jiān)測器和設(shè)備的系統(tǒng)的示意圖。

圖5是具有電繞組、直流電源、控制器以及來自時(shí)變電源和瓦特計(jì)的疊加時(shí)變信號的系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

以上所描述的圖以及在下面所撰寫的特定結(jié)構(gòu)和功能的描述未被呈現(xiàn)以限制申請人已發(fā)明的范圍或者所附權(quán)利要求的范圍。相反，這些圖和撰寫的描述被提供來教導(dǎo)本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員做出并使用專利保護(hù)尋求的發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，為了清楚和理解起見，未描述或者示出發(fā)明的商用實(shí)施方式的所有特征。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將了解，為了商用實(shí)施方式結(jié)合本公開的各方面的實(shí)際商用實(shí)施方式的開發(fā)將需要許多實(shí)施方式特定的決定來實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的最終目標(biāo)。這些實(shí)施方式特定的決定可以包括并且很可能不限于遵照系統(tǒng)相關(guān)、業(yè)務(wù)相關(guān)、政府相關(guān)及其它約束，所述約束可能由于特定實(shí)施方式、位置并且時(shí)常變化。雖然開發(fā)者的努力可能在絕對意義上是復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的，但是這些努力仍然將是受益于本公開的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員承擔(dān)的例行程序。必須理解的是，本文中所公開和教導(dǎo)的發(fā)明對許多及各種修改和替代形式敏感。單數(shù)術(shù)語(諸如但不限于“一”)的使用不旨在為限制項(xiàng)目的數(shù)量。另外，關(guān)系術(shù)語(諸如但不限于“頂部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“側(cè)面”等)的使用是為了在對圖的特定參考中清楚而用在所撰寫的描述中的，而不旨在限制本發(fā)明或所附權(quán)利要求的范圍。在適當(dāng)情況下，一個(gè)或多個(gè)元件可能已用“A”或“B”標(biāo)記以指定元件的給定類別的各種構(gòu)件。當(dāng)一般地參考這些元件時(shí)，使用沒有字母的數(shù)字。此外，這些指定不限制能夠被用于該功能的構(gòu)件的數(shù)量。

本公開提供了用于測量瓦數(shù)的增加以檢測潛在的繞組故障的方法和系統(tǒng)。當(dāng)來自繞組的激活匝的時(shí)變磁場在繞組的短路匝上感應(yīng)時(shí)變電流時(shí)發(fā)生繞組中的瓦特的增加。通過短路匝的電阻以及感應(yīng)電流導(dǎo)致功率使用和增加的瓦特。瓦數(shù)增加比通過短路匝的繞組中的電阻減小大得多。測量瓦特導(dǎo)致以比測量電阻更大的靈敏度檢測到短路繞組。在一個(gè)實(shí)施例中，能夠利用瓦特計(jì)和電源離線測試?yán)@組。在另一實(shí)施例中，能夠利用可選傳感器在本地或遠(yuǎn)程連續(xù)地或者周期性地監(jiān)測使用中的繞組及其瓦數(shù)，以在達(dá)到瓦特方面的特定百分比增加時(shí)啟動信號。

圖1A是具有瓦特計(jì)來測量繞組的瓦數(shù)的示例性電磁裝置(諸如螺管線圈)的電繞組的系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)2包括螺管4，諸如可能與電繞組6被包括在一起。通常，螺管4利用其電繞組附接到設(shè)備(諸如閥8)或與螺管4接口對接以便于操作的其它設(shè)備。為了清楚，示例性實(shí)施方式不限于螺管和閥，而是能夠與使用繞組的變壓器和其它電磁裝置一起使用。繞組包括引線10和引線12。引線連接到瓦特計(jì)14。繞組將在此實(shí)施例中被認(rèn)為是離線的。電源28能夠向電路繞組提供電力。瓦特計(jì)能夠離線測量繞組并且確定其汲取的瓦數(shù)。能夠在作為比較結(jié)果的基準(zhǔn)點(diǎn)的已知好的操作狀況或某個(gè)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)下，對照電繞組做出評估。如果來自電磁裝置的瓦數(shù)超過基準(zhǔn)點(diǎn)，則電繞組可能具有短路匝并且傾向于故障。能夠做出目前替換繞組或者等待的決定。

圖1B是具有瓦特計(jì)來測量繞組的瓦數(shù)的另一示例性電磁裝置(諸如電機(jī)或發(fā)電機(jī))的電繞組的系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)2包括定子9的繞組6A以及轉(zhuǎn)子11的繞組6B。術(shù)語“引線”在本文中被廣泛地使用，并且包括組件的可接入電連接。定子9能夠包括能夠連接到瓦特計(jì)14的引線10和引線12。電源28能夠向電路繞組6A提供電力。類似地，轉(zhuǎn)子11能夠包括能夠連接到瓦特計(jì)14’的引線10’和12’。電源28’能夠向電路繞組6B提供電力。能夠測量這些繞組中的一個(gè)或兩個(gè)以得到瓦數(shù)。

圖2是帶具有激活匝的一部分以及與激活匝磁耦合的短路匝的一部分的匝的電繞組的示意圖。一般而言，電繞組6包括環(huán)繞內(nèi)部磁芯24的電線的一系列匝16。引線10和引線12允許電流通過匝流入繞組并流出繞組。繞組具有電流Ic流過的電阻Rc。當(dāng)匝16的一部分變得短路時(shí)，電阻Rc減小并且短路匝20在它們的預(yù)定功能方面不再有效。短路22例示了圖式地跨越短路匝20的這個(gè)短路。有效地，對于剩余激活匝18來說引線10移動到引線10’的繞組中的新的電位置。然而，短路匝20消耗由通過短路的感應(yīng)電流Is所導(dǎo)致的能量并且所關(guān)聯(lián)的短路匝具有所關(guān)聯(lián)的電阻Rs。當(dāng)經(jīng)受時(shí)變電壓(諸如具有關(guān)聯(lián)電流的AC電壓)時(shí)，激活匝18給予在短路匝20上產(chǎn)生時(shí)變電壓的時(shí)變磁場。短路匝20中的感應(yīng)電流Is通過流過磁耦合到短路匝20的激活匝18的時(shí)變電流而發(fā)生。激活匝18能夠被認(rèn)為是變壓器的一次電路，并且短路匝20能夠被認(rèn)為是受一次電路影響的二次電路。

引線10(在引線10’的有效位置處)與引線12之間的瓦數(shù)的測量能夠示意性地被認(rèn)為是通過繞組電阻Rc的繞組電流Ic以及通過短路匝電阻Rs的感應(yīng)電流Is的和。短路匝20以比Rc電阻的減小高得多的速率導(dǎo)致可測量的附加瓦數(shù)以說明短路匝的電阻Rs。因此，監(jiān)測瓦數(shù)能夠被有效地用來檢測少量的短路匝，從而允許電繞組的將來故障的改進(jìn)預(yù)測。如在下面圖5中所描述的，對于具有電繞組的直流電路，時(shí)變信號能夠被離線施加或者疊加在直流電上以在短路匝中感應(yīng)時(shí)變電流。結(jié)合在繞組中或者在其外部的電時(shí)變電壓電路能夠供應(yīng)信號。因此，本發(fā)明將與時(shí)變或直流繞組應(yīng)用一起使用。

圖3是針對電繞組的全體匝的短路匝的給定百分比，與瓦數(shù)相比較的電流中的示例性百分比改變的曲線圖。X軸是與圖2中所例示的匝16的滿數(shù)比較的短路匝的增加百分比。Y軸對于線40來說為電流的增加或者對于線42來說為瓦特的增加。在0％短路匝的情況下，兩條線通過定義在安培數(shù)或瓦特方面具有0％增加。在大約2％短路匝處，安培數(shù)的增加是約8％。然而，瓦特的增加幾乎是60％。在4％短路匝處，安培數(shù)的增加是約15％，然而瓦特的增加是約110％。因此，與安培數(shù)相比，瓦特的顯著上升對于短路匝的數(shù)量的任何增加的效應(yīng)提供高得多的靈敏度。

圖4是具有電繞組、瓦特計(jì)、時(shí)變電源、控制器、監(jiān)測器和設(shè)備的系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括具有引線10和12的電繞組6，該電繞組6耦合到設(shè)備26，諸如閥、變壓器、電機(jī)或發(fā)電機(jī)，或可能使用電繞組的其它電磁裝置。瓦特計(jì)14測量繞組6的性能和健康狀況。時(shí)變電源28出于其與設(shè)備26關(guān)聯(lián)的預(yù)定目的而向繞組6提供電力?？刂破?0能夠被用來控制電源28對于繞組6的性能。在操作期間，瓦特計(jì)14能夠被用來監(jiān)測繞組6的狀況。來自瓦特計(jì)14的輸出能夠被發(fā)送到監(jiān)測器32。監(jiān)測器32能夠包括包含數(shù)字或模擬輸出的可視顯示器、指示器(諸如閃爍燈或可聽警報(bào)器)以及為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知的其它度量和指示器?？蛇x傳感器34能夠被用來在瓦數(shù)增加超過期望水平(諸如與正常健康繞組相比瓦數(shù)的特定百分比增加)的情況下觸發(fā)警報(bào)或其它通知。監(jiān)測器32可以是本地的，或者甚至附接到繞組6。另選地，監(jiān)測器32能夠在遠(yuǎn)程設(shè)施中，使得瓦特計(jì)14與監(jiān)測器32之間的接口通過TCP/IP或其它連接或者通過無線傳輸在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)生。監(jiān)測器32能夠被用來向控制器30提供輸入以便于操作電源。

圖5是具有電繞組、直流電(“DC”)電源、控制器以及來自時(shí)變電源和瓦特計(jì)的疊加時(shí)變信號的系統(tǒng)的示意圖。除了電源可以是DC電源36之外，圖5能夠包括圖4的電路的一個(gè)或多個(gè)方面。來自DC電源36的典型DC電流不通過以上所描述的并且在圖2中例示的短路匝20來感應(yīng)電流，因?yàn)樗皇菚r(shí)變信號。因此，單獨(dú)的時(shí)變信號能夠被疊加到DC電路上以在短路匝中感應(yīng)電流。瓦特計(jì)14和時(shí)變電源28能夠耦合到引線10和12以將時(shí)變信號疊加到來自DC電源36的DC信號。雖然未示出，但是如圖4中所描述的，瓦特計(jì)14能夠向監(jiān)測器32和可選傳感器34提供輸入并且監(jiān)測器32能夠向控制器30提供輸入。

在操作中，瓦特計(jì)能夠附接到電繞組以測量其狀況。電源直接或者通過瓦特計(jì)能夠向繞組提供電流。設(shè)想了標(biāo)準(zhǔn)繞組將具有預(yù)定可接受的瓦數(shù)作為參考瓦數(shù)。類似繞組的任何將來測量能夠與參考瓦數(shù)進(jìn)行比較。當(dāng)為了健康狀況測試而從操作中移除繞組時(shí)，瓦數(shù)的任何增加能夠指示絕緣的退化、一個(gè)或多個(gè)短路匝以及繞組故障的增加潛在性。另選地，繞組能夠保持在操作中并且瓦特計(jì)被用來在操作期間測量繞組匝的狀況。因此，能夠?qū)@組在其預(yù)期接近的故障之前的替換做出決定。繞組的健康狀況的周期性或連續(xù)監(jiān)測能夠被用來指示電繞組何時(shí)接近其有用壽命的末期并且需要替換。對于操作繞組的DC電路，時(shí)變信號能夠在繞組離線時(shí)被強(qiáng)加，或者疊加在DC信號上，使得瓦特計(jì)能夠根據(jù)經(jīng)疊加的時(shí)變信號來測量包括來自短路匝中的感應(yīng)電流的瓦數(shù)的瓦數(shù)。能夠針對特定閾值水平來監(jiān)測和感測瓦數(shù)。

本系統(tǒng)的各種方法和實(shí)施方式能夠被彼此相結(jié)合地包括以產(chǎn)生所公開的方法和實(shí)施方式的變化。對單數(shù)元件的討論能夠包括復(fù)數(shù)元件并且反之亦然。后面是對項(xiàng)目的參考的對至少一個(gè)項(xiàng)目的參考可以包括一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目。另外，能夠彼此結(jié)合地使用實(shí)施方式的各個(gè)方面以實(shí)現(xiàn)本公開的所理解的目標(biāo)。除非上下文另外要求，否則單詞“包括”或諸如“包括”或“包括有”的變化應(yīng)該被理解為暗示至少所陳述的元件或步驟或一組元件或步驟及其等同物的包括，而不暗示更大數(shù)量或任何其它元件或步驟或一組元件或步驟或其等同物的排除?？梢栽谠S多方向和定向上使用本裝置或系統(tǒng)。術(shù)語“被耦合”、“耦合”、“耦合器”以及相似術(shù)語在本文中被廣泛地使用，并且可以包括用于將一件或多件構(gòu)件固定、綁定、結(jié)合、加固、附接、接合在一起、插入在其中、形成在其上或在其中、連通或者以其它方式使一件或多件構(gòu)件與中間元件相關(guān)聯(lián)(例如，機(jī)械地、磁力地、電力地、在化學(xué)性質(zhì)上、可操作地、直接地或者間接地)的任何方法或裝置，并且還可以包括但不限于以統(tǒng)一方式與另一功能構(gòu)件整體地形成一個(gè)功能構(gòu)件?？赡茉谌魏畏较蛏?包括旋轉(zhuǎn)地)發(fā)生耦合。

除非另外具體地限制，否則步驟的次序能夠以各種順序發(fā)生。本文中所描述的各種步驟能夠與其它步驟組合，與所陳述的步驟合并，并且/或者被分割成多個(gè)步驟。類似地，元件已在功能上被描述并且能夠被具體化為單獨(dú)的組件或者能夠被組合成具有多個(gè)功能的組件。

已經(jīng)在優(yōu)選和其它實(shí)施方式的上下文中描述了本發(fā)明并且尚未描述本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施方式。對所描述的實(shí)施方式的顯然修改和變更可被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員利用。所公開且未公開的實(shí)施方式不旨在限制或者約束由本申請人設(shè)想的本發(fā)明的范圍或適用性，而是相反，和專利法一致，申請人旨在完全保護(hù)落入以下權(quán)利要求的范圍或等價(jià)范圍內(nèi)的所有這些修改和改進(jìn)。