УСТАНОВКА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВИБРАЦИИ ОБМОТКИ СТАТОРА Российский патент 2014 года по МПК G01H1/00 H02K11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к вращающимся механизмам, а более конкретно к способам и установкам для мониторинга вибраций обмотки статора.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оценка вибрации, возникающей в электрических вращающихся механизмах, проводилась на протяжении десятилетий, но большинство стандартных способов предусматривало мониторинг внешних компонентов механизма для выявления проблем, вызванных динамическими изменениями, происходящими внутри механизма. Однако в недавних разработках отмечено использование датчиков близости и акселерометров, устанавливаемых на внутренних компонентах механизма для обеспечения измерения вибрации подшипников и валов в электрических ротационных механизмах в попытке мониторинга механического состояния механизмов. Но большинство датчиков близости в процессе использования выполняют статические измерения при неработающем электрическом вращающемся механизме, таким образом, для контроля состояния механизма требуется прервать его работу.

В электрических вращающихся механизмах для обеспечения предотвращения электрического разряда и для эффективной работы механизма обмотки статора выполнены изолированными. Изоляция обмотки статора подвержена воздействию суровых условий эксплуатации, например высокой температуры. Замедленное, но постоянное воздействие многочисленных напряжений, таких как градиенты электрического напряжения, механические усилия и тепловые воздействия, в процессе работы механизма приводит к изменению основных свойств изоляции. Разрушение изоляции, обусловленное указанными многочисленными напряжениями, вызывает вибрацию обмоток статора, что в свою очередь ведет к их последующему разрушению. В дальнейшем вибрация приводит к повышению частичного электрического разряда в обмотках статора и в конце концов - к отказу механизма. При отсутствии изоляции возникает контакт проводящих обмоток статора друг с другом или с заземленным сердечником статора, что приводит к прохождению тока по нежелательным путям и, таким образом, препятствует надлежащей работе механизма. Следовательно, крайне важно обнаружить вибрации на ранней стадии в процессе эксплуатации механизма и принять корректирующие меры, иначе разрушение изоляции может привести к необратимым повреждениям.

Следовательно, существует необходимость в способах и установках для мониторинга вибраций обмотки статора, обеспечивающих обнаружение и динамический контроль вибраций на ранней стадии в процессе эксплуатации электрического вращающегося механизма.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты выполнения изобретения могут быть направлены на удовлетворение некоторых или всех вышеописанных требований. В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения предложена установка для мониторинга обмотки статора. Указанная установка содержит по меньшей мере один датчик, содержащий по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну, нанесенную на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы. По меньшей мере часть токопроводящей сенсорной антенны по существу обращена к обмотке статора. Кроме того, датчик содержит непроводящий экран, установленный на обратной стороне указанного по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы, так что по меньшей мере часть непроводящего экрана по существу обращена в сторону от обмотки статора. Установка дополнительно содержит по меньшей мере один источник переменного тока, соединенный с указанным по меньшей мере одним датчиком и выполненный с возможностью подачи тока к указанной по меньшей мере одной токопроводящей сенсорной антенне. Более того, к указанному по меньшей мере одному датчику может быть подключен по меньшей мере один блок обработки сигналов, используемый для обеспечения измерения нагрузки на указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне и передачи данных по вибрации к контроллеру в ответ на указанную нагрузку.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предложено устройство для мониторинга обмотки статора. Устройство может содержать подложку печатной платы, имеющую лицевую сторону, которая может быть расположена напротив обмотки статора, и обратную сторону. Кроме того, устройство может содержать по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну, выполненную осаждением на лицевой стороне подложки печатной платы. Устройство также может иметь по меньшей мере одну линию электропитания, которая электрически соединена с указанной по меньшей мере одной токопроводящей сенсорной антенной и может обеспечивать соединение с источником питания и блоком обработки сигналов. Более того, на обратной стороне подложки печатной платы может быть установлен по меньшей мере один непроводящий экран. Источник питания может использоваться для обеспечения подачи тока к указанной по меньшей мере одной токопроводящей сенсорной антенне с помощью указанной по меньшей мере одной линии электропитания. Блок обработки сигналов, соединенный с указанной по меньшей мере одной линией электропитания, может использоваться для обеспечения измерения нагрузки на указанной по меньшей мере одной токопроводящей сенсорной антенне, когда она подвергается воздействию изменений электромагнитного поля, вызванных перемещением обмотки статора. Данные по вибрации, выдаваемые блоком обработки сигналов, могут быть переданы к контроллеру в ответ на указанную нагрузку.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения изобретения предложен способ мониторинга обмотки статора. Способ включает создание по меньшей мере одного датчика, который содержит по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну, выполненную по существу осаждением на лицевой стороне подложки печатной платы, и непроводящий экран, установленный на обратной стороне подложки печатной платы. По меньшей мере часть указанного по меньшей мере одного датчика может быть расположена вдоль обмотки статора, причем лицевая сторона подложки печатной платы по существу обращена к обмотке статора, а обратная сторона по существу обращена в сторону от обмотки статора. Способ может дополнительно включать подачу переменного тока от источника переменного тока к указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне. Кроме того, способ может включать получение параметров нагрузки на указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне, измеренных блоком обработки сигналов, в котором нагрузка подвергается воздействию изменений электромагнитного поля, вызванных перемещением обмотки статора, и передачу данных по вибрации от блока обработки сигналов к контроллеру в ответ на указанную нагрузку.

Другие варианты выполнения, аспекты и характерные особенности изобретения станут понятны специалистам в данной области техники из приведенного ниже подробного описания, сопроводительных чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

После приведенного выше описания сущности изобретения обратимся к прилагаемым чертежам, которые не обязательно выполнены в масштабе и на которых:

фиг.1 изображает частичный вид примера установки для мониторинга обмотки статора в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.2 изображает пример датчика в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.3 изображает пример датчика в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.4 изображает пример датчика в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.5 изображает примеры форм сенсорной антенны в соответствии с вариантами выполнения изобретения,

фиг.6 изображает пример датчика в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.7 изображает рабочий вид примера установки для мониторинга обмотки статора в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

фиг.8 изображает блок-схему примера способа мониторинга вибрации обмотки статора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведено более подробное описание иллюстративных вариантов выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Разумеется, изобретение может быть реализовано в различных видах и не ограничено изложенными в данном документе вариантами выполнения, описанные варианты выполнения скорее предполагают, что данное описание будет удовлетворять соответствующим законодательным требованиям. По всему тексту документа одинаковые номера обозначают одинаковые элементы.

Описаны способы и установки для мониторинга вибрации обмотки статора. В соответствии с вариантом выполнения изобретения установка содержит по меньшей мере один датчик, который дополнительно содержит по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну, выполненную осаждением на лицевой стороне по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы. По меньшей мере часть токопроводящей сенсорной антенны по существу обращена к обмотке статора. Датчик дополнительно содержит непроводящий экран, установленный на обратной стороне указанного по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы, так что по меньшей мере часть непроводящего экрана по существу обращена в сторону от обмотки статора.

На фиг.1 изображен частичный вид примера установки 100 для мониторинга обмотки статора в соответствии с вариантом выполнения изобретения. На фиг.1 показаны некоторые элементы установки 100, к которым относятся датчик 102, расположенный около сердечника 104 статора, внутренний стержень 106а статора и внешний стержень 106b статора. Между сердечником 104 и внешним стержнем 106b может быть установлена пазовая изоляция 108, а между внутренним стержнем 106а и внешним стержнем 106b может быть установлена пазовая прокладка 110. Между внутренним стержнем 106а статора и рифленым упругим элементом 114 может быть расположена пазовая прокладка 112 с выемкой. Кроме того, под рифленым упругим элементом 114 могут быть расположены скользящий клин 116а и концевой клин 116b, обеспечивающие удерживание указанной прокладки прижатой к внутреннему стержню 106а статора. Для упрощения внутренний стержень 106а и внешний стержень 106b можно называть стержнями 106 статора, а скользящий клин 116а и концевой клин 116b - клиньями 116. Кроме того, клинья 116, расположенные под упругой прокладкой 114, могут с возможностью скольжения взаимодействовать в клинообразных выемках 118, выполненных в боковых стенках сердечника 104 статора. По истечении определенного времени работы механизма упругая прокладка 114 может терять способность удерживать стержни 104 в пазах 120 статора, в результате чего может возникнуть вибрация указанных стержней 106. В процессе эксплуатации рифленый упругий элемент 114 подвергается сжатию, подстраиваясь под вибрацию стержней 106 статора. Следовательно, если вибрация стержней 106 не обнаружена на ранней стадии, она может привести к износу слоя стержня статора, что вызовет частичный электрический разряд. Поэтому вблизи стержней 106 расположен датчик 102, предназначенный для мониторинга такой вибрации стержней 106 на ранней стадии.

В одном варианте выполнения изобретения датчик 102 может содержать по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну 122, выполненную на лицевой стороне подложки 124 печатной платы. Сенсорная антенна 122 создает вокруг датчика 102 симметричное электромагнитное поле. Датчик 102 может измерять вибрацию стержней 106 статора путем измерения колебаний электромагнитного поля, созданного сенсорной антенной 122. В одном варианте выполнения изобретения датчик 102 может быть расположен вплотную к клиньям 116 и, соответственно, находиться между сердечником 104 статора и ротором (на чертежах не показан). Датчик 102 может быть расположен таким образом, что лицевая сторона подложки 124 печатной платы, содержащая токопроводящую сенсорную антенну 122, может быть в значительной степени обращена к вибрирующим стержням 106 статора, тогда как обратная сторона подложки 124 может быть в значительной степени обращена к ротору. Однако поскольку электромагнитное поле, созданное токопроводящей сенсорной антенной 122, распределено вокруг датчика 102 симметричным образом, то колебания электромагнитного поля, вызванные близостью стержней 106, а также ротора электрического вращающегося механизма в процессе эксплуатации, могут быть измерены датчиком 102. Соответственно для обеспечения ограничения влияния ротора на датчик 102 на обратную сторону подложки 124 печатной платы может быть установлен непроводящий экран 126. Непроводящий экран 126 может быть выполнен из железа или феррита либо из полупроводниковых материалов, например кремния, германия и т.п. В варианте выполнения изобретения подложка 124 печатной платы может представлять собой жесткую или гибкую подложку. Указанная подложка 124 изготовлена из изолирующих материалов и в целом может быть выполнена из керамики, пластмассы и т.п. Гибкие подложки печатной платы облегчают согласование с изогнутыми или неплоскими поверхностями. Например, датчики на гибких печатных платах могут быть прикреплены к изогнутым стенкам трубы, изогнутым стенкам статора небольшого двигателя, неплоским поверхностям лопастей турбины или компрессора, валам и т.д. Толщина подложки 124 печатной платы может иметь значение в диапазоне примерно от 1 мм до 100 мм. В одном иллюстративном варианте выполнения толщина подложки 124 может составлять примерно от 0,3 мм до 4,0 мм.

Кроме того, установка 100 может содержать источник переменного тока (на чертежах не показан), обеспечивающий питание датчика 102. В одном варианте выполнения указанный источник переменного тока может представлять собой источник тока низкого напряжения и высокой частоты и может быть присоединен к токопроводящей сенсорной антенне 122 с помощью линии 128 электропитания. Указанная антенна 122, возбуждаемая источником переменного тока, может передавать электромагнитные волны по направлению к стержням 106 статора, в результате чего вокруг антенны 122 возникает электромагнитное поле. Колебания электромагнитного поля, вызванные перемещением обмотки статора, могут привести к возникновению нагрузки на токопроводящей сенсорной антенне 122. Нагрузка может приниматься и измеряться блоком 130 обработки сигналов, выполненным в последовательном соединении с сенсорной антенной 122. В одном иллюстративном варианте выполнения изобретения источник переменного тока может быть совмещен с блоком 130 обработки сигналов. На основании нагрузки, измеренной и обработанной блоком 130 обработки сигналов, могут быть получены данные по вибрации, представленные в виде изменения полного сопротивления. Затем данные по вибрации или изменению полного сопротивления подаются в контроллер 132, последовательно соединенный с блоком 130 обработки сигналов. Однако в одном примере варианта выполнения изобретения блок 130 обработки сигналов может быть совмещен с контроллером 132. В дополнительном варианте выполнения изобретения датчик 102 может содержать ряд токопроводящих сенсорных антенн 122, выполненных травлением или осаждением на подложке 124 печатной платы или прикрепленных к ней иным способом. В еще одном варианте выполнения изобретения датчик 102 может содержать набор рядов, образованных токопроводящими сенсорными антеннами 122, которые выполнены травлением или осаждением на подложке 124 печатной платы или прикреплены к ней иным способом с образованием, таким образом, антенной решетки. Увеличение числа антенн 122, образующих датчик 102, может увеличить его линейный диапазон. Однако в дополнение к увеличению линейного диапазона датчика 102 его чувствительность может быть повышена путем подбора соответствующих геометрических параметров датчика 102. Проводящая сенсорная антенна 122 может быть сформирована на подложке 124 печатной платы в виде разных профилей.

На фиг.2 изображен пример датчика 200 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. В одном иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг.2, датчик 200 содержит проводящую сенсорную антенну 202, сформированную в виде эллиптической спирали на одной стороне подложки 204 печатной платы. На обратной стороне подложки 204 может быть установлен непроводящий экран, обеспечивающий ограничение электромагнитного поля, создаваемого указанной антенной 202, установленной на противоположной стороне подложки 204 печатной платы. Кроме геометрических параметров, на чувствительность сенсорной антенны 202, изображенной на фиг.2, также может влиять число витков эллиптической спирали. Однако в некоторых вариантах выполнения число витков, которое может быть сформировано на подложке 204 печатной платы, может достигать заданного максимума, в зависимости от ограничений на размеры датчика 200. В этих вариантах выполнения число витков может быть увеличено путем создания дополнительных слоев подложки 204 печатной платы, на которой может быть сформирована сенсорная антенна 202.

На фиг.3 изображен пример датчика 300 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. На фиг.3 показан иллюстративный вариант выполнения датчика 300 с токопроводящей сенсорной антенной 302 в виде эллиптических спиралей, выполненной травлением, осаждением или прикрепленной иным способом к трем слоям, например первому слою 304а, второму слою 304b и третьему слою 304с подложки 304 печатной платы. Эллиптические спирали, вытравленные, осажденные на разных слоях 304а, 304b и 304с подложки 304 печатной платы или иным способом прикрепленные к ним, могут быть соединены друг с другом с помощью сквозного соединения, электромагнитной связи или любым другим соответствующим известным способом. Таким образом, сенсорная антенна 302 может иметь по существу спиральную эллиптическую форму. На многочисленных слоях подложки 304 печатной платы размещено большее число витков эллиптической спирали, что повышает чувствительность датчика 300. В дополнительном варианте выполнения изобретения каждый из различных слоев 304а, 304b и 304с подложки 304 печатной платы может быть жестким или гибким. В иллюстративном варианте выполнения направление закручивания витков или направление тока в эллиптических спиралях, выполненных в слоях 304а, 304b и 304с, чередуется от одного слоя к другому. Например, в первом слое 304а направление витков или тока проходит снаружи внутрь, тогда как второй слой 302b, который связан с первым слоем 302а сквозным соединением, имеет направление витков или тока изнутри наружу и т.д.

В одном варианте выполнения изобретения датчик 300 может быть размещен вплотную к клиньям 116 и, таким образом, может быть расположен между сердечником 104 статора и ротором. Положение датчика 300 может быть выбрано таким образом, что лицевая сторона первого слоя 304а подложки 304 печатной платы может быть по существу обращена к стержням 106 статора, тогда как обратная сторона третьего слоя 304с может быть по существу обращена в сторону от стержней 106 статора к ротору. Для обеспечения ограничения влияния электромагнитного поля, создаваемого сенсорной антенной 302 в направлении ротора, в качестве четвертого слоя на подложке 304 печатной платы может быть установлен непроводящий экран 306. Это называется «нагрузкой обратной стороны» датчика 300. Указанный процесс нагрузки датчика 300 включает установку четвертого слоя 306 подложки 304 печатной платы, проложенного сталью или ферритом, и последующее закрепление стали или феррита с образованием непроводящего экрана 306. Количество вставляемого железа или феррита может быть таким, что электромагнитное поле, создаваемое сенсорной антенной 302, по существу погашено.

На фиг.4 изображен пример датчика 400 в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. На фиг.4 показан вид датчика 400, содержащего токопроводящую патч-антенну 402, выполненную травлением или осаждением на одной стороне подложки 404 печатной платы или прикрепленную к ней иным способом. Функциональные возможности и работа датчика 400, изображенного на фиг.4, аналогичны возможностям и работе датчика 300, описанного применительно к фиг.3. В изображенном на фиг.4 иллюстративном варианте выполнения датчик 400 содержит токопроводящую патч-антенну 402, выполненную травлением или осаждением на подложке 404 печатной платы или прикрепленную к ней иным способом. Форма и геометрические параметры токопроводящей патч-антенны 402 могут быть такими, что электромагнитное поле, созданное вокруг датчика 400, является более узким и длинным по сравнению с полем, созданным эллиптической спиралью в датчике 300. Кроме того, токопроводящая патч-антенна 402 может быть расположена в датчике 400 таким образом, что электромагнитное поле, созданное указанной патч-антенной 402, не влияет на железо сердечника статора, а направлено исключительно к обмотке статора и оказывает влияние только на нее. Таким образом, благодаря соответствующему позиционированию/ориентации токопроводящей патч-антенны 402 предотвращено увеличение нагрузки на датчик 400 или иного воздействия на него электромагнитного поля под действием железа сердечника статора, которое окружает обмотки статора. Поскольку электромагнитное поле, созданное токопроводящей патч-антенной 402, является направленным по своей природе, то в данном случае нет необходимости нагружать обратную сторону какого-либо слоя подложки 404 печатной платы. Таким образом, при размещении между статором и ротором вращающегося механизма в процессе эксплуатации противоположная сторона датчика 400, обращенная в сторону от статора, оказывается автоматически защищена от влияния ротора. Наряду с направленностью излучаемых электромагнитных волн, форма и геометрические параметры проводящей патч-антенны также могут влиять на диапазон рабочих частот сенсорной антенны.

На фиг.5 изображены иллюстративные формы датчика 500 в соответствии с вариантами выполнения изобретения. На фиг.5 показаны виды патч-антенн 500, 502 и 504 различной формы: прямоугольная патч-антенна 500 с выступающими частями, которые характеризуются размерами Y0 и Х0, ромбовидная токопроводящая патч-антенна 502 и круглая токопроводящая патч-антенна 504. Следует понимать, что патч-антенны 500, 502 и 504 представлены исключительно в качестве примеров и что могут иметь место другие конфигурации патч-датчика в зависимости от заданных характеристик и других конструктивных ограничений. В варианте выполнения изобретения различные геометрические параметры проводящих патч-антенн 500, 502 и 504 могут быть обусловлены необходимой рабочей частотой или диапазоном рабочих частот датчика (на чертеже не показан). Патч-антенны, имеющие большую поверхностную площадь, имеют более низкую рабочую частоту, тогда как патч-антенны с меньшей поверхностной площадью имеют более высокие рабочие частоты. Таким образом, геометрические параметры длины (L), ширины (W) или радиуса (R) различных патч-антенн 500, 502 и 504 определяют диапазон рабочих частот датчика, в то время как ширина (w₀) «хвоста», определяемая как расстояние между двумя параллельными линиями питания, подключенными к датчику, влияет на входной импеданс патч-антенн 500, 502 и 504. Поскольку входной импеданс датчика может меняться в зависимости от ширины (w₀) хвоста патч-антенн, то датчик может настраиваться для обеспечения согласования импеданса. Согласование импеданса в датчике может применяться для обеспечения максимального использования мощности и, следовательно, минимизации потерь, возникающих в датчике.

В варианте выполнения изобретения датчик может содержать ряд токопроводящих патч-антенн с последовательным возбуждением. Поскольку последовательное возбуждение вносит задержку в решетку патч-антенн, то для обеспечения изменения импеданса отдельных проводящих патч-антенн и, таким образом, исключения задержки в ряду и настройки всех отдельных патч-антенн ряда может использоваться ширина (w₀) хвоста.

В другом варианте выполнения изобретения электромагнитные волны, излучаемые токопроводящими патч-антеннами, образующими ряд, могут быть поляризованы. Поляризация излучаемых электромагнитных волн может обеспечивать минимальные потери при приеме электромагнитных волн и исключать шум, возникающий в принимаемых электромагнитных волнах. В варианте выполнения изобретения излучаемые электромагнитные волны могут быть линейно-поляризованными или циркулярно-поляризованными. Применение той или иной геометрии токопроводящей патч-антенны в датчике может зависеть от характера детектируемого металла, который может изменять или не изменять плоскость поляризации случайных электромагнитных волн, исходящих от датчика.

Обычно поляризация излучения прямоугольной патч-антенны является линейной, например, в вертикальном направлении и/или горизонтальном направлении. Однако в одном иллюстративном варианте выполнения патч-антенна 500, 502 и 504 может иметь щель, изображенную на фиг.5. Щель обуславливает круговую или по существу круговую поляризацию излучения антенны. При проведении измерений близости круговая поляризация может облегчить создание вихревого тока в заданном металле по сравнению с линейной поляризацией. Кроме того, щели могут способствовать упрощению конструкции ряда антенн, поскольку отсутствует необходимость наличия двух линий питания, идущих к отдельному излучателю, требующему круговой поляризации. Следует понимать, что несмотря на то что в патч-антеннах 500, 502 и 504, изображенных на фиг.5, выполнены щели, патч-антенны других вариантов выполнения могут быть выполнены сплошными и не иметь щели. Более того, хотя изображенные щели имеют прямоугольную форму, могут быть выполнены щели других форм.

На фиг.6 изображен пример датчика 600 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. На фиг.6 показан датчик 600, содержащий несколько рядов 602а и 602b патч-антенн, выполненных на одной стороне подложки 604 печатной платы. В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг.6, датчик 600 содержит решетку из токопроводящих патч-антенн. Использование указанной решетки повышает линейный диапазон датчика 600 и создает более узкое и более сфокусированное электромагнитное поле. В изображенном на фиг.6 иллюстративном варианте выполнения ряды 602а и 602b патч-антенн могут получать энергию с помощью последовательных линий 606 питания. Последовательные линии 606 питания вводят задержку отдельных патч-антенн, образующих ряды 602а и 602b. Указанная задержка может потребовать настройки для получения более высокой эффективности датчика 600. Настройка рядов 602а и 602b патч-антенн может привести к излучению и приему отдельными патч-антеннами электромагнитных волн, совпадающих по фазе. Кроме того, настройка датчика 600 может обуславливать кумулятивный эффект отдельных патч-антенн, входящих в решетку, что обеспечивает увеличение линейного диапазона датчика 600. Таким образом, при настройке датчика 600 для устранения задержки в отдельных патч-антеннах в них применяются и/или регулируются соответствующие элементы задержки, обеспечивающие устранение любой задержки датчика 600 в целом. В иллюстративном варианте выполнения датчик 600 может быть настроен путем дополнительной регулировки длины линии питания отдельных сенсорных антенн, образующих ряды 602а и/или 602b. Различная длина пути до отдельных сенсорных антенн может быть отрегулирована соответствующим образом для обеспечения компенсации общей задержки датчика 600. В дополнительном варианте выполнения изобретения для аннулирования общей задержки датчика 600 может быть соответствующим образом отрегулирована ширина (w₀) хвоста отдельных патч-антенн. В другом варианте выполнения изобретения для аннулирования общей задержки датчика 600 в отдельных патч-антеннах могут быть введены и/или соответствующим образом отрегулированы элементы сопротивления (R), индуктивности (L) и емкости (С). В одном варианте выполнения изобретения блок обработки сигналов и контроллер могут быть заменены на проксиметр, который может по меньшей мере частично выполнять настройку датчика 600.

В другом варианте выполнения изобретения настройка датчика 600, обеспечивающая ограничение или устранение его задержки, может не предусматриваться. Отдельные сенсорные антенны, образующие ряды 602а и/или 602b, могут быть выполнены с обеспечением задержек, влияющих на интерференционную картину или фазовый сдвиг поступающих сигналов. В некоторых примерах может быть желательным создание длинного и/или узкого поля в пределах допустимого линейного диапазона датчика 600 в результате задержек в датчике 600. Задержки в рядах датчика могут быть обеспечены/по желанию изменены путем регулировки длины линий питания или с помощью введения в отдельные патч-антенны соответствующих элементов сопротивления (R), индуктивности (L) и емкости (С).

В варианте выполнения изобретения патч-антенны ряда могут снабжаться энергией с помощью общей линии питания. Применение указанной общей линии гарантирует отсутствие задержек в подаче питания к отдельным токопроводящим патч-антеннам. Такая конструкция обеспечивает установку с самонастройкой и не требует применения каких бы то ни было элементов задержки для коррекции задержки отдельных токопроводящих патч-антенн.

На фиг.7 изображен функциональный вид примера установки 700 для мониторинга обмотки статора в соответствии с вариантом выполнения изобретения. На фиг.7 показан один иллюстративный вариант выполнения, в котором несколько датчиков 702а, 702b и 702с может быть расположено в разных местах на стержнях 106 статора, как описано со ссылкой на фиг.1.

Датчики 702а, 702b и 702с могут содержать по меньшей мере одну сенсорную антенну, как описано более подробно, например, со ссылкой на фиг.2-6. На фиг.7 изображен сердечник 706 статора, содержащий стержни 106 статора, прижатые клиньями 116. Датчики 702а, 702b и 702с могут быть расположены на поверхности клиньев 116 и получать питание от источника переменного тока (на чертеже не показан) по линии 128 электропитания. Блок 130 обработки сигналов, находящийся в электрическом соединении с датчиками 702а, 702b и 702с, может измерять нагрузку, возникающую в каждом из датчиков под действием колебаний электромагнитного поля, вызванных перемещением обмотки статора. Затем измеренная нагрузка обрабатывается в блоке 130 обработки сигналов, и формируются данные по вибрации. После этого указанные данные подаются в контроллер 132, последовательно соединенный с блоком 130 обработки сигналов. В одном из вариантов выполнения блок 130 обработки сигналов и контроллер 132 могут быть заменены проксиметром. Относительное положение датчиков 702а, 702b и 702с обуславливает взаимодействие их электромагнитных полей. Следовательно, относительное расположение датчиков 702а, 702b и 702с может быть соответствующим образом отрегулировано для обеспечения получения необходимого увеличения линейного диапазона, а также более узкого и более сфокусированного электромагнитного поля.

В варианте выполнения изобретения каждый из датчиков 702а, 702b и 702с соединен с различным проксиметром. Геометрические параметры и расположение датчиков 702а, 702b и 702с обусловлены заданным электромагнитным полем. В варианте выполнения изобретения датчики 702а, 702b и 702с могут применяться для измерения параметров вибрации обмотки статора в различных местах стержней 106 статора и могут использовать ортогональные рабочие частоты. Измерение параметров в различных точках стержней 106 обеспечивает возможность выполнения трехмерного мониторинга вибрации обмотки статора.

Фиг.8 изображает блок-схему, иллюстрирующую пример способа 800 мониторинга вибрации обмотки статора. В изображенном варианте выполнения указанный способ 800 может применяться для мониторинга вибрации обмотки статора с помощью токопроводящих антенн, выполненных травлением или осаждением на подложке печатной платы или прикрепленных к ней иным способом.

Выполнение способа начинают с этапа, отмеченного прямоугольником 802. На этапе 802 выполняют первый датчик, который содержит по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну, по существу нанесенную на лицевую сторону подложки печатной платы, как описано со ссылкой на фиг.2-6.

Например, в одном варианте выполнения изобретения сенсорная антенна может представлять собой по меньшей мере одну токопроводящую эллиптическую спираль. Указанная спираль может иметь несколько витков и может быть выполнена травлением или осаждением на слоях подложки печатной платы или прикреплена к ним иным способом. В другом иллюстративном варианте выполнения изобретения сенсорная антенна может содержать по меньшей мере одну токопроводящую патч-антенну. В еще одном варианте выполнения сенсорная антенна может содержать несколько токопроводящих патч-антенн. В следующем варианте выполнения датчик может содержать набор датчиков, каждый из которых может быть расположен в соответствующем месте вдоль обмотки статора. Датчики могут использоваться для измерения вибрации в различных точках стержней статора. Разные датчики могут иметь разные ортогональные частоты, которые не влияют друг на друга.

Следом за этапом 802 выполняют этап 804, в ходе которого для обеспечения нагрузки обратной стороны на стороне подложки печатной платы, противоположной стороне, на которой формируют антенну/антенны, устанавливают непроводящий экран. В одном варианте выполнения непроводящий экран может быть установлен в процессе изготовления датчика, например, одновременно или почти одновременно с осаждением антенны на подложке либо прикреплением к ней иным способом. Однако в другом варианте выполнения непроводящий экран может быть установлен в определенный момент после изготовления датчика. Обратная поверхность подложки печатной платы может быть проложена сталью или ферритом и затем закреплена. Количество вставляемого железа или феррита может быть таким, что электромагнитное поле, создаваемое сенсорной антенной на обратной поверхности подложки печатной платы, пропадает.

После этапа 804 выполняют этап 806, в ходе которого по меньшей мере часть датчика располагают вдоль обмотки статора, при этом лицевая сторона подложки печатной платы обращена по существу к обмотке статора, а обратная сторона обращена по существу в сторону от обмотки статора, в результате чего сенсорная антенна ориентирована к обмотке статора, а непроводящий экран обращен к ротору. Обмотка статора может содержать стержень статора, рифленый упругий элемент, расположенный вплотную к нижнему краю стержня статора, и клин, расположенный вплотную к указанному элементу. Таким образом, датчик может быть расположен на стержне статора вплотную к клину, при этом лицевая сторона подложки печатной платы прижата к клину и обращена по существу в направлении обмотки статора, а обратная сторона обращена по существу в сторону от обмотки статора.

За этапом 806 выполняют этап 808, в ходе которого к указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне от источника переменного тока подают переменный ток. Источник переменного тока может представлять собой источник тока низкого напряжения и высокой частоты и может быть соединен с токопроводящей сенсорной антенной с помощью линии электропитания.

После этапа 808 выполняют этап 810, в ходе которого с помощью блока обработки сигналов могут быть получены параметры нагрузки на по меньшей мере одной сенсорной антенне, причем на указанную нагрузку влияют колебания электромагнитного поля, вызванные перемещением обмотки статора. Токопроводящая сенсорная антенна, возбуждаемая источником переменного тока по линии электропитания, передает электромагнитные волны, в результате чего вокруг указанной антенны возникает электромагнитное поле. Вибрации, возникающие в обмотке статора, могут вызвать изменение напряженности электромагнитного поля вокруг сенсорной антенны. Изменение напряженности электромагнитного поля может привести к изменению индуктивности, в результате чего повышается измеряемая нагрузка на сенсорной антенне. Нагрузка может приниматься блоком обработки сигналов, последовательно соединенным с сенсорной антенной.

За этапом 810 выполняют этап 812, в ходе которого данные по вибрации передают от блока обработки сигналов к контроллеру в ответ на нагрузку на по меньшей мере одной сенсорной антенне. Блок обработки сигналов, принимающий указанную нагрузку, формирует данные по вибрации. Данные по вибрации, выдаваемые блоком обработки сигналов, могут быть переданы к контроллеру, последовательно соединенному с указанным блоком.

В соответствии с разнообразными иллюстративными вариантами выполнения изобретения контроллер может представлять собой любое устройство на основе процессора, способное принимать и передавать сигналы и/или выполнять операции с указанными сигналами. Например, контроллер может представлять собой любой программируемый логический контроллер (ПЛК), такой как универсальный компьютер, служебная компьютерная система, основная ЭВМ, устройство обработки сигналов, контролирующее устройство и т.п. Кроме того, в одном варианте выполнения контроллер может быть совмещен с блоком обработки сигналов.

Несмотря на то, что изобретение описано применительно к различным вариантам выполнения, которые на настоящий момент считаются наиболее целесообразными, следует понимать, что оно не ограничено описанными вариантами выполнения, а напротив, охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации, находящиеся в рамках сущности прилагаемой формулы изобретения.

В приведенном описании использованы примеры, способствующие раскрытию изобретения, в том числе наиболее предпочтительного варианта его выполнения, а также позволяющие специалистам в данной области техники реализовать изобретение на практике, включая создание и использование устройств или установок, а также выполнение любых связанных с ними способов. Патентоспособный объем изобретения определен в формуле изобретения и может охватывать другие варианты выполнения, очевидные для специалистов в данной области техники. Предполагается, что эти другие варианты выполнения находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые точно соответствуют дословному тексту формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы, имеющие несущественные отличия с точки зрения дословного текста формулы изобретения.

Перечень элементов:

100 - установка для мониторинга вибрации обмотки статора

102 - датчик

104 - сердечник статора

106 - стержни статора

106а - внутренний стержень статора

106b - внешний стержень статора

108 - пазовая изоляция

110 - пазовая прокладка

112 - пазовая прокладка с выемкой

114 - рифленый упругий элемент

116 - клинья

116а - скользящий клин

116b - концевой клин

118 - клинообразные выемки

120 - пазы статора

122 - сенсорная антенна

124 - подложка печатной платы

126 - непроводящий экран

128 - линия электропитания

130 - блок обработки сигналов

132 - контроллер

200 - датчик

202 - сенсорная антенна

204 - подложка печатной платы

300 - датчик

302 - сенсорная антенна

304 - подложка печатной платы

304а - первый слой подложки 304

304b - второй слой подложки 304

304с - третий слой подложки 304

306 - непроводящий экран

400 - датчик

402 - токопроводящая патч-антенна

404 - подложка печатной платы

540 - Т-образная токопроводящая патч-антенна

502 - ромбовидная токопроводящая патч-антенна

504 - круглая токопроводящая патч-антенна

600 - датчик

602а - ряд патч-антенн

602b - ряд патч-антенн

604 - подложка печатной платы

606 - линии электропитания

700 - установка для мониторинга вибрации обмотки статора

702а - датчик

702b - датчик

702с - датчик

800 - способ мониторинга вибрации обмотки статора

802 - элемент блок-схемы

804 - элемент блок-схемы

806 - элемент блок-схемы

808 - элемент блок-схемы

810 - элемент блок-схемы

812 - элемент блок-схемы

Изобретение относится к вращающимся механизмам, а более конкретно к установкам для мониторинга вибраций обмотки статора. Установка для мониторинга вибрации обмотки статора вращающегося электрического механизма (100) содержит по меньшей мере один датчик (102), содержащий по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну (122), нанесенную на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы и обращенную к обмотке статора, а также непроводящий экран (126), установленный на обратной стороне указанной подложки (124) и обращенный в сторону от обмотки статора. Установка (100) содержит по меньшей мере один источник переменного тока, соединенный с датчиком и обеспечивающий подачу тока к указанной по меньшей мере одной токопроводящей сенсорной антенне (122). К датчику подключен блок (130) обработки сигналов, измеряющий нагрузку на сенсорной антенне (122) и передающий данные по вибрации к контроллеру (132) в ответ на указанную нагрузку. Техническим результатом является обнаружение и динамический контроль вибраций в процессе эксплуатации механизма. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Установка (100) для мониторинга обмотки статора, содержащая по меньшей мере один датчик (102), содержащий
по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну (122), которая нанесена на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки (124) печатной платы и по меньшей мере часть которой по существу обращена к обмотке статора, и
непроводящий экран (126), который установлен на обратной стороне указанного по меньшей мере одного слоя подложки (124) печатной платы и по меньшей мере часть которого по существу обращена в сторону от обмотки статора,
по меньшей мере один источник переменного тока, соединенный с указанным по меньшей мере одним датчиком (102) и выполненный с возможностью подачи тока к указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне (122), и
по меньшей мере один блок (130) обработки сигналов, подключенный к указанному по меньшей мере одному датчику (102) и используемый для обеспечения измерения нагрузки на указанной по меньшей мере одной сенсорной антенне (122) и передачи данных по вибрации к контроллеру (132) в ответ на указанную нагрузку.

2. Установка по п.1, в которой указанная по меньшей мере одна сенсорная антенна (122) содержит по меньшей мере одну токопроводящую эллиптическую спираль.

3. Установка по п.2, в которой указанная по меньшей мере одна эллиптическая спираль имеет несколько витков, каждый из которых расположен в одном из нескольких слоев подложки (124) печатной платы с образованием по существу винтовой эллиптической спирали.

4. Установка по п.1, в которой подложка (124) печатной платы представляет собой либо по существу жесткую подложку, либо гибкую подложку.

5. Установка по п.1, в которой указанная по меньшей мере одна сенсорная антенна (122) содержит по меньшей мере одну проводящую патч-антенну.

6. Установка по п.1, в которой указанная по меньшей мере одна сенсорная антенна (122) содержит ряд патч-антенн, в который входит несколько патч-антенн.

7. Установка по п.1, в которой указанная по меньшей мере одна сенсорная антенна (122) содержит набор рядов патч-антенн, в каждый из которых входит несколько патч-антенн.

8. Установка по п.1, в которой обмотка статора содержит по меньшей мере один стержень (106) статора, по меньшей мере один рифленый упругий элемент (114), расположенный вплотную к нижнему краю указанного стержня (106), и по меньшей мере один клин (116), расположенный вплотную к указанному по меньшей мере одному рифленому упругому элементу (114), причем по меньшей мере часть указанного по меньшей мере одного датчика (102) расположена вплотную к указанному по меньшей мере одному клину (116).

9. Установка по п.1, в которой указанный по меньшей мере один датчик (102) содержит набор датчиков, каждый из которых расположен в соответствующем месте вдоль обмотки статора.

10. Установка по п.1, в которой указанный по меньшей мере один датчик (102) содержит набор сенсорных антенн (122) и расположен с обеспечением размещения каждой из сенсорных антенн (122) в соответствующем месте вдоль обмотки статора.