[发明专利]磁致伸缩感测系统和编码方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2008年6月6日提交的美国申请序列号12/134689 的部分继续，该申请通过引用全部结合于本文中。

背景技术

由于不断增长的能量需求和减少诸如石油和天然气的自然资 源的消耗的期望，诸如风轮机的可持续能源正在得到广泛普及。全世界 都在部署现代风力发电厂来提高他们的总能量输出。

风轮机一般具有通常位于高塔之上的一个或多个叶片，其中通 过风流来使这些叶片旋转。叶片耦合到大直径旋转轴或转子，而大直径 旋转轴或转子通常经由变速箱(变速器)或通过直接耦合方式耦合到发电 机。

控制技术往往是复杂的，因为风速的强度和方向会有波动。水 平风切变和偏航不对准以及自然湍流是在风轮机毂上以及从而在主轴上 造成不对称载荷的原因。这些不对称载荷与来自垂直风切变的那些载荷 一起促成了极端载荷以及由风轮机系统累积的增大的疲劳周期数。这些 极端载荷和疲劳周期可导致系统操作故障、低效，并且有可能对风轮机 部件造成损害。随着风轮机的大小和每单元的能量输出要求的增大，控 制变得甚至更加复杂。

开发了不对称载荷控制系统来测量作用在毂和主轴上的弯曲 力矩，并且这些系统用作先行控制的初级控制输入。已经开发了某些不 对称载荷控制系统来减少与不对称载荷相关联的影响。在一般意义上而 言，不对称载荷控制系统接收测量信号，其中根据该测量来调整风力发 电厂的至少一个操作参数，例如叶片螺距、转数和/或偏航角。

控制处理的困难之一是获得高度准确测量的能力。另一个因素 涉及平均无故障时间以及在满意的时间长度内获得这种准确测量的能 力。另一个因素涉及与实现不对称载荷系统相关联的成本，因为工业中 要求能够与现有生产工艺结合的具成本效益的方法。测量不准确度在无 人操纵的风力发电厂中特别难以检测到，并且可能不利地影响叶片、传 动系和塔的疲劳和寿命。

一种方法是通过对涡轮机的固定元件进行位移测量来测量不 对称载荷，然而这也没有提供期望的结果。另一种方法是通过在叶片上 放置传感器来测量不对称载荷。例如，一种系统部署了安装在转子叶片 上的应变仪来感测转子叶片上的载荷。这种不对称载荷感测解决方案需 要在难以接近并且会受到闪电危害的转子叶片的外部区域中安装传感 器。此外，这些应变仪通常达不到所需的寿命应力周期。另一已知技术 使用光纤，例如光纤布拉格光栅技术，其中内在的布拉格传感器元件沿 贴附于转子叶片的光纤分布。虽然该系统不易受闪电的影响，但是光纤 易于损坏并随后失效。

一种不同的方法基于测量由不对称载荷引起的风轮机轴的偏 斜。不对称载荷在转子叶片中引起弯曲力矩，弯曲力矩然后被传到旋转 的低速轴，使得不对称载荷看起来就像是涡轮机的主轴中的力或弯曲力 矩分量。不对称载荷的测量由此可基于轴测量，因为轴相对于其无载荷 状态发生了偏斜。

现有的测量解决方案通常基于接近式传感器。这种感测解决方 案需要极端刚性的基准(重支撑结构)，并且易受作为误差源的支架偏斜和 传感器漂移的影响。由于主轴系统是刚性的，因此传感器测量中的诸如 0.1mm的小偏移误差对应于弯曲力矩估计中的诸如200kNm的高误差。 传感器测量中的具有偏移误差的操作可导致比没有先行控制的操作更多 的极端载荷和疲劳。而且，偏移误差的人工去除通常是不可取的。举例 来说，在风轮机应用中，偏移误差的人工去除将需要对所有涡轮机进行 维护。可应用自动校准特征来解决这种问题，但是在无检测/故障的校准 中间无法排除某些类型的传感器移动或漂移。还有可能的是，底板变形 或轴承力矩反作用为非零，相对于只有重力的校准状态具有推力载荷， 使得在操作时出现假信号偏移。

不对称载荷控制系统的测量输入的可靠性问题还没有充分解 决，并且困难正在随着涡轮机的额定功率而增加。用于测量轴中的诸如 转矩或弯曲力矩的机械力分量的常规系统已经基于轴材料或贴附于轴的 铁磁条的磁致伸缩效应。例如，汽车工业中已经开发并应用了某些磁致 伸缩感测解决方案，这些解决方案可识别旋转轴中的机械力的分量。通 过磁化这个铁磁条或轴来改进传感器性能的方法也是已知的。然而，诸 如风轮机轴的大尺寸轴通常不顺从在较小直径轴上使用的常规编码。对 轴采用磁化条的其它编码技术往往会在长期的准确度方面具有问题。

发明内容