超高溫電路耦合器的制造方法
【專利摘要】一種具有穩(wěn)定電感的超高溫電路耦合變壓器(50)，用于接收和發(fā)送交流電力和/或數(shù)據(jù)信號(hào)(29",33")。初級(jí)繞組(30")和次級(jí)繞組(34")在具有超過(guò)超高工作溫度的居里溫度的納米結(jié)構(gòu)疊片式(31')初級(jí)和次級(jí)鋼芯(32")上形成。在各種實(shí)施方式中，工作溫度范圍可從環(huán)境溫度延伸至250℃，或者延伸至550℃或700℃以上，而電感變化小于10%。
【專利說(shuō)明】超局溫電路輔合器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及處于超高溫環(huán)境中(例如在燃?xì)廨啓C(jī)中)的電路耦合器(例如變壓器)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]本發(fā)明可用于監(jiān)測(cè)工作環(huán)境，尤其涉及用于在超高溫工作環(huán)境(例如燃?xì)廨啓C(jī)的工作環(huán)境)中無(wú)線傳送表征各個(gè)元件的工況的儀表元件和遙測(cè)系統(tǒng)。在于2007年11月18日提交的編號(hào)為11/936，936的未決美國(guó)專利申請(qǐng)中說(shuō)明了一個(gè)此類系統(tǒng)，該專利申請(qǐng)于2009年5月14日以美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)文件2009/0121896A1公開(kāi)，代理人案號(hào)為2007P20938US,其內(nèi)容通過(guò)弓I用結(jié)合在此。
[0003]變壓器的通常工作溫度范圍是從環(huán)境溫度到200°C。但是，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的最佳化要求設(shè)備傳感器能夠在從環(huán)境溫度到200°C以上溫度的溫度條件下可靠工作并收發(fā)電力信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。根據(jù)所需的電源和信號(hào)傳送通路的規(guī)格和構(gòu)造，變壓器可構(gòu)成儀表電路的一部分和/或用于調(diào)節(jié)和發(fā)送用于特定用途的頻率和電壓信號(hào)。
[0004]在不能直接從外部向處于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的密閉殼(例如燃?xì)廨啓C(jī))中的傳感器接線時(shí)，需要通過(guò)縫隙感生方式來(lái)傳送電力和/或數(shù)據(jù)，以最大限度地提高可靠性和再現(xiàn)性。為了有效地通過(guò)縫隙傳送電力和/或數(shù)據(jù)，使用布置在一側(cè)的初級(jí)線圈和布置在對(duì)側(cè)的次級(jí)線圈。通過(guò)初級(jí)線圈發(fā)送的電力和頻率在次級(jí)線圈中感生電力和頻率，從而完成電信號(hào)的傳送。由于效率低于100%，因此在次級(jí)線圈中感生的電量少于通過(guò)初級(jí)線圈提供的電量。當(dāng)前用作變壓器芯的材料有導(dǎo)磁性，隨著溫度的提高，該導(dǎo)磁性會(huì)降低，從而降低通過(guò)變壓器傳送電力的效率。因此，變壓器芯廠家不設(shè)定其變壓器芯材料在250°c以上的溫度時(shí)是有效。
[0005]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)型閉式芯變壓器28。通過(guò)具有多個(gè)繞組的初級(jí)線圈30的交變頻率初級(jí)電路電流29在芯32中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。該交變磁場(chǎng)被芯32傳送至具有多個(gè)繞組的次級(jí)線圈34，從而產(chǎn)生次級(jí)電路交變頻率電流33。
[0006]Glenn Research Center (格倫研究中心)的拉塞爾G.迪安娜在于2000年3月發(fā)表的〃Wireless Telemetry for Gas-Turbine Applications (用于燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的無(wú)線遙測(cè)技術(shù))〃(NASNTM-200-209815) (ARL-MR-474)中聲稱:
[0007](第8頁(yè))〃這些遙測(cè)系統(tǒng)的合理目標(biāo)是在500°F(260°C)以下的溫度工作。這能使處于壓縮機(jī)區(qū)的氣路之外的組件不需要冷卻。處于燃燒室和渦輪段的發(fā)送組件則需要冷卻。設(shè)計(jì)出工作溫度為260°C以上的遙測(cè)系統(tǒng)非常困難。
[0008]卡拉尼(1998)展示了工作在392 T (200°C )的利用感性電力和數(shù)據(jù)耦合器的無(wú)線遙測(cè)技術(shù)，并給出了電容、電阻、振蕩器和焊料等高溫元件的建議。...電阻率隨溫度的變化是對(duì)電阻的最重要影響。...高溫電子元件的故障常常是由組裝工藝導(dǎo)致的，而不是由所用的實(shí)際材料或元件的電氣故障導(dǎo)致的。
[0009]......[0010]當(dāng)前的遙測(cè)系統(tǒng)使用的是上世紀(jì)七十年代的模擬技術(shù)，需要冷卻至低于257 T(125 °C),并且在精度和通道容量上有限制。新型系統(tǒng)應(yīng)為數(shù)字型，并能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量，同時(shí)能夠在這些系統(tǒng)的常用環(huán)境一熱齒輪箱油中以較高的溫度(至少為392 T (2000C))工作。系統(tǒng)需要軸上安裝。由于遙測(cè)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此傳感器通常硬接線至遙測(cè)系統(tǒng)。
[0011]......[0012](第10頁(yè))需要高Q電路來(lái)最大限度地提高電力輸送。但是，在寬溫度范圍應(yīng)用中，高Q電路不是唯一目標(biāo)，因?yàn)長(zhǎng)RC元件具有隨溫度變化的特性，并且如果電路的Q值過(guò)高，電路有可能漂移，發(fā)生失諧。因此，電路增益應(yīng)分布在較大的頻段上，以適應(yīng)任何頻率變化。在設(shè)計(jì)為在392 °F (200°C )溫度范圍內(nèi)工作的電路中，卡拉尼(1998)采用了 Q=23。較低的Q值是利用僅有兩匝銅線的發(fā)送線圈獲得的。
[0013]燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是線圈與磁性材料(例如鋼材)的接近距離。...因此，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為使電力線圈盡可能遠(yuǎn)離鋼材，否則初級(jí)線圈處必須有足夠的剩余功率，以便抵消損耗。在次級(jí)線圈中可使用鐵氧體芯，以提高效率。但是，在使用鐵氧體時(shí)，必須注意頻率與導(dǎo)磁性的依從關(guān)系，以避免在高頻時(shí)發(fā)生飽和。"
[0014]圖2是迪安娜推薦的用于提高輸送效率的空氣芯變壓器40的示意圖，該變壓器在次級(jí)線圈中具有鐵氧體芯37。流過(guò)具有多個(gè)繞組的初級(jí)線圈35的交變頻率初級(jí)電路電流36在初級(jí)線圈35中和初級(jí)線圈35周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)在鐵氧體芯37和具有處于鐵氧體芯周圍的多個(gè)繞組的次級(jí)線圈38中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生次級(jí)電路交變頻率電流39。
[0015]現(xiàn)在仍需要在溫度超過(guò)200°C的條件下可靠、可重復(fù)地驅(qū)動(dòng)超高溫電子元件、同時(shí)減少或消除電路特性隨溫度變化的能力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]下面將參照附圖詳述本發(fā)明。在附圖中:
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的閉式實(shí)心整體材料芯變壓器的示意圖。
[0018]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的空氣芯變壓器的示意圖，其中，在次級(jí)線圈中采用鐵氧體芯，以提聞效率。
[0019]圖3是閉式疊片芯變壓器的示意圖。
[0020]圖4是圖3所示的閉式芯變壓器的電感(單位為微亨，μ H)與溫度關(guān)系曲線的示意圖。
[0021]圖5是疊片式納米結(jié)構(gòu)氣隙鋼芯變壓器的示意圖。
[0022]圖6是圖3所示的閉式芯變壓器與圖5所示的氣隙疊片式納米結(jié)構(gòu)鋼芯變壓器的電感與溫度關(guān)系曲線的對(duì)比圖。
[0023]圖7是包含傳感器的殼體的固定部分的截面示意圖，其中，傳感器的回路跨過(guò)殼體接縫的氣隙。
[0024]圖8是渦輪機(jī)靜密封件和渦輪機(jī)葉片組件的局部截面示意圖，其中示出了變壓器的固定和轉(zhuǎn)動(dòng)元件，這些元件作為傳感器回路的一部分，該傳感器回路用于感測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)元件在超高溫環(huán)境中的工作參數(shù)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]智能元件提供了在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(例如工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、以及用于石油和天然氣行業(yè)的渦輪機(jī))的工作過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)元件工況的可能性。掌握渦輪機(jī)的元件工況有很多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化渦輪機(jī)工況以及根據(jù)具體情況進(jìn)行維護(hù)等。掌握該信息后，可實(shí)現(xiàn)顯著提高先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能并降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。為渦輪機(jī)元件增加感測(cè)能力的現(xiàn)用方法是在元件上安裝傳感器，把引線連接至路由裝置，并把大量線束從渦輪機(jī)連接至遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)。這種過(guò)程非常緩慢、勞動(dòng)強(qiáng)度高、昂貴、并且不可靠，需要對(duì)渦輪機(jī)的許多元件進(jìn)行修改才能納入所有引線并提供傳送電子信號(hào)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)元件上的電子線路的手段。無(wú)線遙測(cè)技術(shù)特別適合于從固定或運(yùn)動(dòng)元件獲取數(shù)據(jù)，并且降低甚至消除了復(fù)雜的布線和機(jī)械連接器接線的需求。在較低溫度下，可以使用電池供電回路；但是，在溫度過(guò)高而不能使用電池(通常>125°C)的場(chǎng)所，為了驅(qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等裝置中的固定和運(yùn)動(dòng)元件上的電路，需要使用感生RF電源等新技術(shù)。為了在工作溫度>200°C的區(qū)域中使用感生電源，需要使用變壓器在這種溫度下工作。這種要求超過(guò)了目前最新高溫變壓器的能力，這些變壓器的當(dāng)前工作溫度限值為200°C左右。 [0026]本申請(qǐng)的發(fā)明人未聽(tīng)說(shuō)有任何額定工作溫度超過(guò)200°C的變壓器。本文中所揭示的實(shí)施方式提供一種獨(dú)特的組合，該組成構(gòu)成一種能夠在溫度超過(guò)200°C時(shí)提供無(wú)線遙測(cè)能力的系統(tǒng)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部分的溫度通常超過(guò)250°C，在需要布置傳感器的某些位置，溫度范圍可能高達(dá)550 V。本文所述的實(shí)施方式示出了一種能夠在高達(dá)250 V、300 V、400 V、500°C、甚至700°C以上溫度下有效工作的變壓器。
[0027]當(dāng)前的實(shí)芯和氣隙芯變壓器的變壓器設(shè)計(jì)給出了以下指導(dǎo)信息，該信息可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)址 http: //new.epanorama.net/documents/components/transformers, html 找到。
[0028]〃無(wú)氣隙變壓器
[0029]若知道芯面積，則可以使用以下公式計(jì)算芯中無(wú)氣隙的變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù):
[0030]Nl=sqrt ((10~8*L1*1)/ (u*Afe))
[0031]其中:
[0032]*N1=初級(jí)線圈中的匝數(shù)
[0033]^Afe=芯面積(平方厘米)
[0034]*L1=初級(jí)線圈電感(亨)
[0035]*1=磁流力線的平均長(zhǎng)度(厘米)
[0036](通過(guò)芯內(nèi)部的磁力線在芯周圍的長(zhǎng)度)
[0037]*u=磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率(對(duì)于典型的變壓器芯，為500左右)
[0038]可以使用以下公式確定次級(jí)線圈的匝數(shù)(預(yù)期變壓器效率為90%):
[0039]N2=l.1*U2/U1=1.l*sqrt (Z2/Z1)=
[0040]其中:
[0041]*N1=初級(jí)線圈中的匝數(shù)
[0042]*N2=次級(jí)線圈中的匝數(shù)
[0043]*U1=初級(jí)電壓[0044]*U2=次級(jí)電壓
[0045]*Z1=初級(jí)阻抗
[0046]*Z2=次級(jí)阻抗
[0047]有氣隙變壓器
[0048]如果變壓器的初級(jí)有任何直流電流流過(guò)，則初線電感會(huì)減小。為了補(bǔ)償這種情況的影響(在存在此問(wèn)題的電路中),芯中必須有小氣隙。實(shí)際應(yīng)用中,氣隙應(yīng)選擇為芯中的磁力線長(zhǎng)度的1/1000左右。在此情況中，可使用以下方程式來(lái)確定初級(jí)線圈的必要匝數(shù):
[0049]Nl=sqrt ((Ll*Ii)/ (Afe*10'8))
[0050]其中:
[0051]*N1=初級(jí)線圈中的匝數(shù)
[0052]*Afe=芯面積(平方厘米)
[0053]*L1=初級(jí)線圈電感(亨)
[0054]*Ii=氣隙的尺寸(毫米)
[0055]應(yīng)注意，與無(wú)氣隙變壓器的方程式相比，此公式給出的初級(jí)線圈的匝數(shù)要高得多。
[0056]對(duì)比初級(jí)繞組方程式中的閉式芯變壓器與氣隙芯變壓器的電感(L)關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn):
[0057]LI= (NI'2*(u*Afe))/(10~8*1)[閉式芯]
[0058]Ll=(Nr2*/(Afe*10~8))/(Ii)[氣隙芯]。
[0059]這表明，閉式芯變壓器中的電感與〃磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率(U) 〃成正比，而氣隙芯變壓器中的電感與"氣隙尺寸(毫米)(Ii))"成反比。這些關(guān)系確定了常規(guī)的預(yù)期情況，即，對(duì)于具有選定(閉式或氣隙芯)構(gòu)造的變壓器中的電感，當(dāng)所有其它變量保持不變時(shí)，該電感為常數(shù)。
[0060]發(fā)明人對(duì)電路和新型變壓器構(gòu)造進(jìn)行了測(cè)試，以建立用于超高溫環(huán)境的原型構(gòu)造的模型。特定頻率下的閉式芯變壓器構(gòu)造(如圖3所示)與溫度的關(guān)系在圖4中示出。在元件命名時(shí)，項(xiàng)目29’、30’、32’、33’和34’與圖1所示的類似編號(hào)項(xiàng)目(即29、30、32、33和34)對(duì)應(yīng)，但是，圖3所示的變壓器的芯32’是采用高居里溫度的納米結(jié)構(gòu)鋼片31制成的。
[0061]如圖4所示，在150°C時(shí)，閉式芯變壓器的電感開(kāi)始降低，并在溫度升高至525°C的過(guò)程中快速線性降低。電感隨溫度升高而降低的變壓器不能用于傳感器回路。對(duì)于能在從環(huán)境溫度到超高溫度的整個(gè)溫度范圍內(nèi)正確工作的傳感器，必須能夠接受不隨溫度變化的恒定電壓，因?yàn)闊犭娕嫉葌鞲衅髟诠ぷ鲿r(shí)會(huì)隨溫度的變化改變其輸出電壓。傳感電路電壓的變化會(huì)抹殺因熱電偶溫度變化而導(dǎo)致的電壓變化，從而使這種系統(tǒng)不適合。由于閉式芯變壓器的電感隨溫度升高而急劇降低，因此，也難以實(shí)現(xiàn)恒定供電電壓的目標(biāo)。通常在較低溫度下用于穩(wěn)定電路輸出的齊納二極管等電路元件在高溫下不能正常工作。沒(méi)有能夠在300至500°C溫度范圍內(nèi)工作的齊納二極管。
[0062]本申請(qǐng)的發(fā)明人創(chuàng)新性地發(fā)明了采用能夠承受超高溫度(200至550°C范圍和更高溫度)的專用材料的電路和變壓器構(gòu)造(電路耦合器)，并找到了解決變壓器電感在超高溫度下降低問(wèn)題的特殊解決方案。因而，本發(fā)明提供了一種在超高溫環(huán)境中使用遙測(cè)變壓器的令人驚奇且前所未有的解決方案。在使用由高居里溫度芯材料和能承受超高溫的接線構(gòu)成的氣隙芯變壓器時(shí)，能夠從環(huán)境溫度到超高工作溫度的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低電感(在環(huán)境溫度下，電感的變化值小于電感值的10%)。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則上，金屬材料在不超過(guò)其熔化溫度的一半值的溫度下可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。例如，銅的熔點(diǎn)為1083°c，因此銅材可在500-550°C以下的溫度下使用。對(duì)于較高的溫度，需要使用高熔點(diǎn)材料，例如鉬。材料的居里溫度必須高于工作溫度。
[0063]在一種實(shí)施方式中，測(cè)試了 一種在初級(jí)繞組和次級(jí)繞組中采用納米結(jié)構(gòu)鋼芯的疊片式氣隙鐵心變壓器50 (如圖5所示)，以確定電感與溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，該變壓器的元件的命名(項(xiàng)目29〃、30〃、32〃、33〃和34〃與圖3中的相似編號(hào)的項(xiàng)目29’、30’、32’、33’和34’對(duì)應(yīng))與圖3所示的類似。結(jié)果曲線與圖4所示的曲線的對(duì)比在圖6中示出。雖然該電感在低溫(<150°C)時(shí)效率較低，但是在從環(huán)境溫度升高至525°C的過(guò)程中，它不隨溫度升高而發(fā)生顯著變化(變化量遠(yuǎn)低于10%)。因此，在能夠容忍低效率的電路中，氣隙芯變壓器的跨氣隙恒定電感(以及因此導(dǎo)致的恒定電壓)的優(yōu)點(diǎn)提供了一種為超高溫電路提供恒定電壓的前所未有方案。
[0064]電感應(yīng)穩(wěn)定或恒定，以便在超高溫(>250°C)下使用變壓器。為了在超高溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電感，應(yīng)使用具有高居里溫度和足夠的導(dǎo)磁性的芯材料，例如陶瓷鐵氧體、納米結(jié)構(gòu)鋼材、納米晶體鐵合金、以及某些硅鋼材料。在各種實(shí)施方式中，可使用標(biāo)準(zhǔn)和納米結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)。
[0065]標(biāo)準(zhǔn)硅鋼的工作溫度最高為350°C，但是在更高溫度時(shí)，它們開(kāi)始電阻加熱，并使自身的溫度提高。
[0066]可用的其它芯材應(yīng)具有高居里溫度，例如鐵氧體或多層鋼片材料。多層鋼片材料通常為富含鐵的合金，包含硅、鈷、硼、碳、鑭、鎳等元素，并且可具有標(biāo)準(zhǔn)或納米晶體顯微結(jié)構(gòu)。
[0067]市場(chǎng)上銷售的一種納米晶體鐵合金的商品名是NAMGLASS.RTM,其成分約含82%鐵，其余為硅、鈮、硼、銅、碳、鎳和鑰。經(jīng)確定，這種納米晶體鐵合金材料具有令人期望的特性，例如居里溫度高于500°C、矯頑磁性極低、渦流損耗小、飽和磁通密度高，并且導(dǎo)磁性在從環(huán)境溫度到超高溫的整個(gè)工作范圍內(nèi)很穩(wěn)定。市場(chǎng)上銷售的納米晶體鐵合金材料以帶卷結(jié)構(gòu)供貨，采用環(huán)形線圈或"C〃型芯變壓器芯的形式。本文中所述的實(shí)施方式采用T型芯形狀結(jié)構(gòu)的納米晶體鐵合金材料(或另一種材料)，該材料在下文中詳述。
[0068]另一種可用的市售產(chǎn)品為Vitroperm800,它是由德國(guó)Vacuumschmelze公司(全球總部:VACUUMSCHMELZE GmbH&C0.KG-德國(guó)哈瑙市 Gruner Weg 大街 37 號(hào)，D-63450)生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)疊片式硅鋼芯。
[0069]在用作變壓器芯時(shí)，如果能避免電阻加熱，那么在鋼材或其它基材上涂裝納米結(jié)構(gòu)涂層(與整體材料相比)有可能獲得相似的益處。
[0070]本申請(qǐng)的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，薄疊片之間的絕緣層可以是一層很薄的環(huán)氧材料。實(shí)際證明，即使環(huán)氧層在加熱過(guò)程中發(fā)生氧化，其絕緣功能也不會(huì)喪失，因?yàn)閷娱g電流很小，很少的剩余氧化環(huán)氧材料就足以保持足夠的電氣隔離，這可能部分地是由于芯堆疊件的幾何形狀不會(huì)形成良好的導(dǎo)電連接。100小時(shí)老化試驗(yàn)表明功能不發(fā)生降低。
[0071]納米結(jié)構(gòu)鋼材能在從室溫至570°C左右的溫度范圍內(nèi)保持其磁性，但是在高于上述溫度時(shí)開(kāi)始喪失其功能。硅鋼能在從室溫至700°C左右的溫度范圍內(nèi)保持其磁性。
[0072]這種變壓器的繞組線需要在目標(biāo)超高溫度下具有足夠的導(dǎo)電性和抗氧化能力?？赡艿慕泳€材料可由貴金屬、導(dǎo)電金屬材料(例如鎳、鎳鉻、90/10鎳/銘(Chromel.?)、鉬等)或具有防氧化層的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體(例如包鎳銅)和具有陶瓷涂層的導(dǎo)線制成。為了確保變壓器能正確工作，繞組必須彼此電絕緣，并與周圍或相鄰的導(dǎo)體電絕緣。在常規(guī)變壓器中，這通常是利用環(huán)氧聚合材料實(shí)現(xiàn)的。但是，由于在此所考慮的變壓器的使用溫度超高，因此不能使用這種絕緣材料。
[0073]除了在線上涂裝用于防氧化的薄陶瓷涂層，還可使用陶瓷膠結(jié)材料作為封裝材料，以確保繞組之間電絕緣。
[0074]用于纏繞芯的繞線可由帶有陶瓷絕緣層的27%包鎳銅材構(gòu)成，以減少超高溫度下的氧化和故障。繞線可為帶有陶瓷涂層的包鎳銅材。發(fā)明人已嘗試了純鎳絲，但是鎳絲的電阻很高，因此只能在有限的構(gòu)造中提供最佳性能，包括芯上的繞組很少以及使用很短繞線的情況。由于具有保護(hù)陶瓷涂層，因此陶瓷涂層繞線的可加工性比標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)絕緣銅線的差得多，在纏繞線圈時(shí)必須小心操作，以確保絕緣材料的完整性。其它繞線材料有絕緣銀絲、陽(yáng)極氧化鋁絲或鉬絲。在一種實(shí)施方式中，使用陶瓷涂層包鎳銅材，在由于溫度過(guò)高而無(wú)法使用銅絲的情況中，可使用鉬絲。
[0075]Ceramawire (美國(guó)北卡羅來(lái)納州伊_莎白市Pitts Chapel路786號(hào)，27909)和California Fine Wire (美國(guó)加利福尼亞州S0.Fourth大街338號(hào)，93433-0199)供應(yīng)陶瓷涂層金屬絲。陶瓷涂層可作為稀漿封層涂裝，或者通過(guò)濺射來(lái)涂裝，濺射涂層通常具有更高的附著性，并且更厚。
[0076]對(duì)于初級(jí)線圈和轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)線圈組件186、195 (在下文中說(shuō)明)的絕緣，可以使用很多類型的陶瓷封裝材料。重要的是確保繞組192、201與芯元件190、200之間不會(huì)短路(導(dǎo)通)。除了在繞線上提供的陶瓷絕緣層，還可在繞線芯190、200上涂裝某種復(fù)合物(例如H水泥，即，極細(xì)粒度的陶瓷水泥)，作為絕緣底涂層。在纏繞好繞組芯190、200后，可以使用氧化鋁基陶瓷水泥Cotronics940對(duì)其進(jìn)行封裝。防氧化的一個(gè)目標(biāo)是把氧化速度降低所需的比率，從而在預(yù)期工作環(huán)境中達(dá)到所需的使用壽命。
[0077]可以在圖7所示的固定構(gòu)造中使用氣隙芯變壓器。為了避免必須跨裝置的第42、44部分的邊界從處于內(nèi)部溫度超過(guò)200°C的外殼中的傳感器46、48斷開(kāi)，優(yōu)選在相鄰裝置或殼體部分42、44之間采用非接觸連接器。氣隙芯變壓器49、51提供跨接頭的電氣連接，而無(wú)需機(jī)械連接器。虛線55代表充有噴吹氣體(或其它氣體)的內(nèi)部殼體或噴吹腔的邊界，該充氣殼體或腔體用于保護(hù)元件，使元件至少部分地不受超高溫處理室(或渦輪機(jī))中的惡劣環(huán)境的影響。雖然此處所示的殼體42、44在殼體結(jié)構(gòu)的外界處，但是噴吹空間也可位于中央部分，作為轉(zhuǎn)軸的襯層或保護(hù)層(例如在渦輪機(jī)葉片的根部)。在這兩種情況中，基本原理是外殼中的最高溫度受噴吹氣流的限制。燃?xì)廨啓C(jī)的正常工作溫度為1300°C左右，傳感器可在發(fā)動(dòng)機(jī)的最熱區(qū)域中工作。遙測(cè)系統(tǒng)(包括此處所示的元件)安裝在噴吹腔中，其中的溫度不會(huì)超過(guò)550°C。
[0078]感測(cè)線或電源線可連至殼體分割線的第一側(cè)的第一模塊的初級(jí)線圈，而傳感器的接線連至殼體分割線的第二側(cè)。由于分割線兩側(cè)的線圈非常接近，在工作過(guò)程中能夠自動(dòng)傳送信號(hào)和/或電力，而無(wú)需跨殼體接縫布置連接器或接頭，因此在分解殼體時(shí)，檢修人員無(wú)需脫開(kāi)接線。由于在維護(hù)工作過(guò)程中不需要封裝或連接/斷開(kāi)機(jī)械連接器，因此在維護(hù)處于超高溫工作環(huán)境中的傳感器和傳感器電路時(shí)很方便，并且能節(jié)省時(shí)間。[0079]渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體是分體殼。目前的靜態(tài)電路和傳感器跨殼體的分割線硬接線。在分開(kāi)殼體時(shí)(例如在維護(hù)過(guò)程中)，需要斷開(kāi)(切斷)每條接線，在閉合殼體時(shí)，需要重新連接(例如重新分接)。這種重新連接工作非常耗時(shí)，并且會(huì)降低儀表裝置的可靠性。此系統(tǒng)可跨殼體氣隙以無(wú)線方式連接電路。在這種構(gòu)造中，殼體在打開(kāi)和閉合時(shí)不會(huì)干擾硬接線的電路和傳感器。由于不需要重新接線，因而此系統(tǒng)可立即使用，沒(méi)有延遲。它消除了可能不可靠的重新接線步驟。只要電路(傳感器)元件在工作過(guò)程中是固定不動(dòng)的但是需要保持分開(kāi)狀態(tài)以便維護(hù)，就可在這種位置使用固定無(wú)線電路連接。
[0080]可以使用這種無(wú)線連接的一個(gè)電路例子是〃半無(wú)源〃轉(zhuǎn)動(dòng)收發(fā)電路。在這種情況中，可以把半無(wú)源電路與全有源電路(產(chǎn)生自己的電力)對(duì)比。在此，半無(wú)源電路從外部源獲取感生電力，短時(shí)間蓄能(即，使用電容)，并通過(guò)傳感器處理該能量，然后跨氣隙回送其數(shù)據(jù)讀數(shù)。這種半無(wú)源電路和傳感器可與接收啟動(dòng)信號(hào)(例如RFID元素)并立即發(fā)送響應(yīng)信號(hào)的無(wú)源傳感器對(duì)比。半無(wú)源傳感器激活的電路不是RFID電路。
[0081]圖8示出了渦輪機(jī)靜態(tài)密封裝置的一部分，該密封裝置可安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片根部，在該處次級(jí)感應(yīng)線圈組件195通過(guò)電路稱合與靜止感應(yīng)線圈組件186通訊。在一段或多段靜態(tài)密封件180的內(nèi)表面上可布置一個(gè)或多個(gè)固定初級(jí)感應(yīng)線圈186，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，這些密封段構(gòu)成一個(gè)由旋轉(zhuǎn)次級(jí)感應(yīng)線圈組件195限定的弧形。
[0082]在一種實(shí)施方式中，每個(gè)感應(yīng)線圈組件186、195的感應(yīng)芯190、200由多個(gè)0.007英寸厚的納米晶體鐵合金片構(gòu)成，這些疊片之間分布有絕緣層(例如環(huán)氧層)，形成一段約十一英寸長(zhǎng)的弧形。由多個(gè)疊片構(gòu)成的一個(gè)示例性芯疊片組件的尺寸為3/8英寸厚X3/8英寸寬X 1/2英寸高。
[0083]利用一個(gè)內(nèi)部有溝槽的弧形架182。固定初級(jí)感應(yīng)線圈組件186可安裝在這些溝槽中?？梢岳靡粋€(gè)不導(dǎo)電座(未示出)來(lái)確保初級(jí)感應(yīng)線圈組件186不與可由金屬材料制成的托架182接觸。不導(dǎo)電座可由氧化鋯、氧化鋁、氧化鋯強(qiáng)化氧化鋁(ZTA- —種強(qiáng)化陶瓷材料)或其它結(jié)構(gòu)陶瓷材料制成，這些材料還可用于RF透明蓋板170。
[0084]初級(jí)感應(yīng)線圈組件186可在附接至托架182的區(qū)域中具有葉瓣。托架182中的相應(yīng)材料區(qū)被按相同的葉瓣形狀去除，其尺寸稍大一些，以適應(yīng)安裝。葉瓣形狀限定出有效地留存感應(yīng)線圈組件186的曲率半徑，該感應(yīng)線圈組件186可從一端放入托架182中，并滑動(dòng)到位。葉辦的形狀能夠保持有效的留存功能，冋時(shí)確保在感應(yīng)線圈組件186 (可能由在張拉應(yīng)力下易發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞的較脆材料制成)中不產(chǎn)生張拉應(yīng)力。在感應(yīng)線圈組件186的表面之間可添加陶瓷水泥，以便實(shí)現(xiàn)牢固配合，并適應(yīng)加熱和冷卻過(guò)程中的熱膨脹差異。在托架的每端可附接一個(gè)薄片(未示出)，它遮蓋感應(yīng)線圈組件186的葉瓣區(qū)域，確保在工作過(guò)程中保持有效的留存作用。一個(gè)或多個(gè)支架可由與靜密封段180相同的合金材料(例如lnconel625)制成，并具有弧形形狀，從而與靜密封段180的內(nèi)表面相配。
[0085]托架182可通過(guò)多段焊縫固定至靜密封段180的內(nèi)表面上，以最大限度地減少靜密封段180的變形。感應(yīng)線圈組件186可包括至少一個(gè)靜止芯190和至少一個(gè)靜止初級(jí)繞組192，芯190和初級(jí)繞組192由購(gòu)自JP Technologies的〃H水泥〃固定。芯190、200可具有多個(gè)并排疊置的芯元件(構(gòu)造單元)，每個(gè)元件由相應(yīng)的0.007英寸厚疊片構(gòu)成，每個(gè)單元的尺寸為3/8英寸厚X 3/8英寸寬X 1/2英寸高。
[0086]一個(gè)或多個(gè)靜止初級(jí)繞組192可由高頻高電流電源供電?？梢韵蚋鱾€(gè)靜止感應(yīng)線圈組件186分別供電，或者一系列靜止感應(yīng)線圈組件186可電連接起來(lái)，并由單個(gè)電源驅(qū)動(dòng)。在一種示例性實(shí)施方式中，可有五個(gè)相鄰的靜止感應(yīng)線圈組件186，每個(gè)由自己的電源供電。流過(guò)每個(gè)靜止初級(jí)繞組192的電流在旋轉(zhuǎn)次級(jí)感應(yīng)線圈組件195中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)二次繞組201中產(chǎn)生電流。來(lái)自旋轉(zhuǎn)二次繞組201的電流向包含在無(wú)線遙測(cè)發(fā)射機(jī)組件中的無(wú)線遙測(cè)發(fā)射電路供電。
[0087]圖8示出了在燃?xì)廨啓C(jī)10起動(dòng)前存在于RF透明蓋板170和靜止芯190之間的原有氣隙"A"。在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，原有氣隙"A"可為13毫米左右，在最低載荷下，當(dāng)渦輪機(jī)葉片和靜密封段180彼此靠近時(shí)，該氣隙會(huì)減小至4毫米左右。氣隙〃A〃可為2毫米至30-50毫米之間的任何值，這取決于可用空間的大小。在一種構(gòu)造中，初級(jí)線圈的尺寸為次級(jí)線圈的三倍。效率會(huì)隨兩個(gè)線圈的間距的增大而降低，因此，初級(jí)芯和線圈越大，在信號(hào)由于能量傳遞效率降低而消失前，初級(jí)線圈距次級(jí)線圈的距離就能越大。
[0088]可以使用多個(gè)初級(jí)和次級(jí)感應(yīng)線圈組件186、195來(lái)適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的不同幾何形狀。例如，靜止感應(yīng)線圈組件186可能需要橫跨一定距離的靜密封段180，以便在系統(tǒng)元件中感生足夠的電力，從而為電路供電并發(fā)送所需的數(shù)據(jù)。感應(yīng)線圈組件186可能需要為四英尺長(zhǎng)度。在此例中，為了便于制造，可以制造四個(gè)單獨(dú)的電源/天線組件，每個(gè)組件的長(zhǎng)度約為I英尺，并具有各自的支架182，并且彼此相鄰安裝在一段或多段靜密封件180上。若各個(gè)線圈組件之間的端到端距離足夠小，則多個(gè)線圈組件可作為一個(gè)四英尺長(zhǎng)的線圈組件工作。這種線圈組件可由順直或彎曲的元件構(gòu)成，從而根據(jù)具體應(yīng)用的需要提供順直、彎曲或其它構(gòu)造的不同長(zhǎng)度的組件。多個(gè)這種線圈組件可在渦輪機(jī)中的一段或多段靜密封件180的上半部分中橫跨約112度的弧線。
[0089]雖然本發(fā)明在上文中是通過(guò)各種實(shí)施例來(lái)展示和說(shuō)明的，但顯而易見(jiàn)的是，這些實(shí)施例僅是示例性的。在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，能夠進(jìn)行無(wú)數(shù)的變更、更改和替換。因此，本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍的限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于高溫裝置中、在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定電感的電路耦合器，包括: 初級(jí)感應(yīng)線圈組件，包括疊片式初級(jí)芯，所述初級(jí)芯的居里溫度超過(guò)工作溫度范圍的最高溫度，初級(jí)線圈纏繞在所述初級(jí)芯周圍，在溫度超過(guò)工作溫度范圍的最高溫度時(shí)能保持自身的導(dǎo)電性并保持與附近導(dǎo)體電絕緣； 次級(jí)感應(yīng)線圈組件，包括疊片式次級(jí)芯，所述次級(jí)芯的居里溫度超過(guò)工作溫度范圍的最高溫度，次級(jí)線圈纏繞在所述次級(jí)芯周圍，在溫度超過(guò)工作溫度范圍的最高溫度時(shí)能保持自身的導(dǎo)電性并保持與附近導(dǎo)體電絕緣； 其中，初級(jí)和次級(jí)感應(yīng)線圈組件布置在所述高溫裝置內(nèi)，初級(jí)和次級(jí)感應(yīng)線圈組件彼此靠近，并且在它們之間有氣隙距離，該氣隙距離能夠在從環(huán)境溫度到至少250攝氏度的工作溫度范圍內(nèi)有效地把電路耦合器的電感穩(wěn)定保持在變化范圍不超過(guò)10%的電感值。
2.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，所述工作溫度范圍包括從環(huán)境溫度到700攝氏度。
3.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，感應(yīng)線圈組件中的第一個(gè)附著到所述高溫裝置的靜止元件上，感應(yīng)線圈組件中的第二個(gè)附著到所述高溫裝置的旋轉(zhuǎn)元件上，在旋轉(zhuǎn)元件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在其間周期性地形成氣隙距離。
4.如權(quán)利要求3所述的電路耦合器，其中，所述旋轉(zhuǎn)元件包括燃?xì)廨啓C(jī)中的葉片。
5.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，感應(yīng)線圈組件中的至少一個(gè)包括納米結(jié)構(gòu)的置片鋼芯。
6.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，感應(yīng)線圈組件中的至少一個(gè)包括疊片式陶瓷鐵氧體芯。
7.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，感應(yīng)線圈組件中的至少一個(gè)包括疊片式納米結(jié)構(gòu)的鐵合金芯，所述疊片式納米結(jié)構(gòu)的鐵合金芯包括硅、鈷、硼、碳、鑭和鎳元素中的至少一種元素。
8.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，感應(yīng)線圈組件中的至少一個(gè)包括疊片式硅鋼芯。
9.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)線圈中的至少一個(gè)包括貴金屬導(dǎo)線。
10.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)線圈中的至少一個(gè)包括包鎳銅、鎳、鎳鉻或鉬線。
11.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)線圈中的至少一個(gè)包括具有陶瓷涂層的導(dǎo)線。
12.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)線圈中的至少一個(gè)包括具有陶瓷絕緣層的27%包鎳銅線。
13.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)線圈中的至少一個(gè)包括陶瓷封裝材料。
14.如權(quán)利要求1所述的電路耦合器，其中，初級(jí)和次級(jí)芯均包括多個(gè)疊片式芯元件，每個(gè)芯元件包括多個(gè)由各自的環(huán)氧層分隔的納米結(jié)構(gòu)鋼疊壓結(jié)構(gòu)。
15.—種電路稱合器,用于具有第一和第二殼體部分的燃?xì)廨啓C(jī)中，該第一和第二殼體部分在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沿一條接縫以可拆卸的方式結(jié)合在一起，該電路耦合器包括:開(kāi)式芯變壓器的初級(jí)側(cè)，該初級(jí)側(cè)附接至第一殼體部分上，靠近所述接縫，并處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的從環(huán)境溫度到工作溫度的溫度范圍之內(nèi)； 開(kāi)式芯變壓器的次級(jí)側(cè)，該次級(jí)側(cè)附接至第二殼體部分上，靠近所述接縫和所述變壓器的初級(jí)側(cè)，并處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的所述溫度范圍之內(nèi)；和 開(kāi)口芯變壓器的芯部分，每個(gè)芯部分包括多個(gè)由居里溫度超過(guò)所述溫度范圍的最高溫度的材料制成的疊壓結(jié)構(gòu)，使得當(dāng)所述電路耦合器結(jié)合在電路中時(shí)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)其電感變化小于10%。
16.一種電路耦合器，用于具有布置在靜止元件中的旋轉(zhuǎn)元件和布置在旋轉(zhuǎn)元件上的傳感元件的燃?xì)廨啓C(jī)中,包括: 開(kāi)式芯變壓器的初級(jí)側(cè)，該初級(jí)側(cè)附接至旋轉(zhuǎn)元件上，并從傳感元件接收信號(hào)； 開(kāi)式芯變壓器的次級(jí)側(cè)，該次級(jí)側(cè)附接至靜止元件上； 開(kāi)式芯變壓器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)布置為在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中彼此周期性地靠近，在其間具有氣隙距離，用于跨過(guò)氣隙傳送信號(hào)； 開(kāi)式芯變壓器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的芯部分，包括各自的多個(gè)由納米晶體鋼材料制的疊壓結(jié)構(gòu)，在從環(huán)境溫度到 至少250°C的溫度范圍內(nèi)，能夠有效地把跨氣隙距離的電感變化保持小于10%。
【文檔編號(hào)】H01F38/14GK103650078SQ201280033520
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月6日
【發(fā)明者】D.J.米切爾, C.希利格, R.韋茨, A.A.庫(kù)爾卡尼 申請(qǐng)人:西門子能量股份有限公司