[发明专利]用于连续分段磁编码以测量大型轴上的扭矩的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及美国专利申请No.___________，(代理人案卷号No.242588-1，题名为“Method and Apparatus for Sectional Magnetic Encoding of A Shaft and for Measuring Rotational Angle，Rotational Speed and Torque”，其被共同转让给本发明的相同受让人，与本文同时提交并通过引用而整体结合在本文中)。

本发明总体涉及轴的磁编码，且尤其涉及用于轴的分段编码的装置和方法，以用于确定尤其是大型轴上的旋转角度、旋转速度、弯矩和转矩的其中一个或多个。

背景技术

例如风力涡轮机的可持续的能源由于增加的能量需求和期望减少自然资源的消耗而正获得广泛的普及。

典型的风力涡轮机包括多个转子叶片，它们定位在高塔的顶上，用于将风能转换成旋转能量以驱动主轴。主轴直接或通过齿轮箱(变速器)而联接在发电机上。齿轮箱根据需要将低速风力驱动的旋转转换成高速旋转，以驱动发电机产生电力。风力涡轮机还包括结构支撑构件，例如塔架，和转子指向机构。

风力涡轮机的控制随着风速在强度和方向两者上的波动而倾向于变得复杂。水平和垂直的风切变、机械振荡和偏航失准与自然风湍流以及塔架运动一起还会在转子叶片上引起动态且非对称的负载。这些负载被传递给旋转的主涡轮轴，此处它们表现为作用力或弯矩/扭矩/转矩。具体而言，这些负载产生大的转矩、弯矩、扭矩、应力和应变力。对于风力涡轮机，轴的转矩还可能具有由在电网和涡轮控制系统上流动的电流所引起的动态分量。这些动态分量从设计、控制和可靠性的观点来看也是要关注的。

有时被称为负载的由这些操作条件施加的作用力也增加了由风力涡轮机所累积的疲劳循环的数量。此类负载和疲劳循环可能导致过早的系统故障、操作低效以及对风力涡轮机构件的损伤。

为了确保可靠且有效的操作，风力涡轮机控制系统应精确地测量作用在轴上的作用力和弯矩/扭矩/转矩，并且控制风力涡轮机系统的一个或多个操作参数，例如叶片桨距、每秒钟转数和/或偏航角度，以限制这些作用力。轴的旋转速度和轴位置(即，轴上的固定点与轴外部的固定点构成的角度)的精确测量对于风力涡轮机的恰当且安全的操作也是必须的。这些测量的精度必须在相对较长的周期期间保持。风力涡轮机的控制随着风力涡轮机尺寸和能量输出的增加而变得更加复杂。除了利用这些测量值来控制风力涡轮机之外，测量值可用于风力涡轮机设计。

为了解决利用旋转轴的任何设备的设计与操作问题，需要测量轴表面上任何外力引起的变形。这些测量值可用于数字化地确定施加于轴上的弯矩/扭矩/转矩以及其它作用力。

传统的轴控制技术采用了许多不同的传感器和/或系统，以感测或测量这些作用力和轴操作参数。这些传感器包括，但不局限于应变仪系统、编码器/齿系统、声波系统、弹性系统、磁致伸缩系统和磁致弹性系统。这些系统各具有某些特征和应用，以及特定的优点和缺点。

埋置或连接在轴上的应变仪提供了局部的轴应变测量。这些仪器需要电联接到旋转轴上，即，物理连接(例如滑动环)或无线连接，并且产生的信号具有相对低的信噪比。应变仪还遭受低稳定性，有限带宽的影响以及倾向于需要频繁校准。有限的应变仪的操作温度范围限制了它们在苛刻环境中的使用。另外，在大功率应用中具有大直径轴的应用中，应变仪可能在很短的使用周期之后由于施加于轴上的大应力而失效。因而应变仪很少用于商业传动系设备中。

编码器/齿-轮转矩传感器需要例如通过磁性齿-轮而与旋转轴发生一些机械的相互作用。但齿-轮的设计对于许多应用倾向于是昂贵且不实用的。此类设计对于较高速度的应用是不实用的，其在苛刻环境中引起可靠性问题，且尽管是稳定的但缺乏高分辨率。

声波系统利用传感器，例如表面声波(SAW)和体声波(BAW)传感器，其安装在轴上用于测量轴应变。滑动环或无线系统需要携带为外部传感器指示轴变形和施加于轴上的作用力的信号。

弹性转矩系统通过测量跨越轴长度设置的标记的角度位移而测量轴的扭转。此系统对于大直径轴可能不够精确，并且可能具有实际的实施问题。

近程传感器也被采用来测量轴的弯矩。这些传感器需要刚性基准(即，刚性支撑结构)，并且容易受到支撑结构的偏转和传感器漂移的影响，从而导致测量值上的误差。因为主轴系统是刚性的，所以测量上小的偏移误差，例如0.1mm，对应于弯矩分析中的高误差，例如200kNm的误差。这些误差可能造成轴控制系统的不正确的操作。