(57)【要約】【課題】シャフト周りで周方向に配置された符号化分極磁気領域（２０、２２、２４、２６）を有する磁気歪み測定システム（１０）であって、シャフトの一部に沿って隣接する磁気領域が対向する極性を有するシステムを提供する。【解決手段】一実施形態では、シャフトは中空であり、符号化は内部に配置され、別の実施形態では、符号化はシャフトの外部表面上にある。シャフト周りに配置された、接触センサなどの１つまたは複数のセンサ（２４０、２５０）があり、センサは曲げモーメントまたはトルク感知の少なくとも一方の測定を可能にする。センサはまた、回転シャフトから交互の磁場によって生じる磁束密度を測定する非接触センサ（２７５）を含む。処理部（２９５）は、センサ測定を処理するために使用され、センサ測定は、シャフト電力、トルク、速度、および曲げモーメントの少なくとも１つを演算するために使用される。【選択図】図２
2010175540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト周りで周方向に配置された複数の符号化領域と、
前記符号化領域の少なくともいくつかに近接して前記シャフトに結合された１つまたは複数の回転センサであって、前記シャフトと共に回転し、前記符号化領域の磁場特性の測定を可能にする回転センサとを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記回転センサは、前記シャフトの表面に固定される、または前記シャフトの表面に固定された固定具内に保持される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
シャフトは中空であり、前記符号化領域の少なくともいくつかは、前記シャフトの内部表面に配置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
１つまたは複数の固定センサをさらに備え、前記固定センサが前記シャフトと共に回転しないように、前記固定センサと前記シャフトの間に間隙を備えて前記符号化領域に近接して配置された、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
中空シャフトの周方向に沿った前記中空シャフトの内部表面上の１つまたは複数の分極符号化磁気領域と、
前記符号化磁気領域周りに配置された１つまたは複数のセンサとを備えた磁気歪みシャフトであって、前記センサの少なくとも１つは前記中空シャフトの磁場特性を測定するシャフト。
【請求項６】
前記センサは、非接触センサおよび回転センサの少なくとも１つである、請求項５記載のシャフト。
【請求項７】
前記センサの少なくとも１つは、前記中空シャフトの外部表面に結合されている、請求項５記載のシャフト。
【請求項８】
前記磁場特性を処理し、シャフト特性を演算する処理部をさらに備えた、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項９】
前記シャフトまたは無線送信機周りに配置された１つまたは複数のスリップリングをさらに備え、前記スリップリングまたは無線送信機は、前記磁場特性を前記処理部に通信する、請求項８記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１０】
前記符号化磁気領域は、別個のセグメントであり、前記シャフトに固定されている、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１１】
前記符号化磁気領域の少なくとも１つは、２層以上の符号化層を有する、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１２】
前記符号化領域は、第１の符号化領域および第２の符号化領域を備え、前記第１の符号化領域は前記第２の符号化領域とは異なるシャフトまたはシステムであって、第１の符号化領域でのシャフト特性を測定するように構成された１つまたは複数の第１の符号化領域センサと、第２の符号化領域でのシャフト特性を測定するように構成された１つまたは複数の第２の符号化領域センサとをさらに備えている、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１３】
前記符号化磁気領域間に空洞空間がある、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１４】
前記磁場特性は、トルクおよび曲げモーメントの少なくとも一方である、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【請求項１５】
前記磁場特性は、水平および垂直方向の曲げモーメントを含んでいる、請求項１および５記載のシャフトまたはシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
磁気歪み感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
持続的エネルギー源、例えば風力タービンは、増加するエネルギー需要、および油およびガスなどの天然資源の消費を減らしたいという願望により、広範囲にわたる人気を得てきている。現代の風力発電地帯は、その全エネルギー出力を増やすために、世界中に展開されている。
【０００３】
風力タービンは普通、典型的には高いタワーの上に配置された１つまたは複数のブレードを有し、ブレードは風の流れによって回転する。ブレードは、典型的にはギアボックス（変速装置）を介して、または直接結合によって発電機に結合された大径回転シャフトまたは回転子に結合されている。
【０００４】
風速は強度および方向が変動するので、制御技術は複雑である傾向がある。水平ウィンドシアおよびヨーミスアライメントは、自然の乱気流と共に、風力タービンハブ、したがってメインシャフトへの非対称負荷の原因となる。このような非対称負荷は、垂直ウィンドシアによるものと共に、極度の負荷、および風力タービンシステムによって蓄積される疲労サイクル数が増える一因となる。このような極度の負荷および疲労サイクルは、システム動作の障害、非効率性、およびおそらく風力タービン構成要素への損傷につながる可能性がある。風力タービンの寸法および単位毎のエネルギー出力需要が大きくなると、制御はさらにより複雑になる。
【０００５】
ハブおよびメインシャフトに作用する曲げモーメントを測定するために開発された非対称負荷制御システムがあり、これらのシステムは高度制御のための一次制御入力として働く。特定の非対称負荷制御システムは、非対称負荷に関連する影響を小さくするために開発された。一般的意味では、非対称負荷制御システムは測定信号を受信し、ブレードピッチ、回転数および／またはヨー角などの風力発電所の少なくとも１つの操作パラメータは、測定によって調節される。
【０００６】
制御処理の問題の１つは、非常に正確な測定を得るための能力である。別の要因は、満足のいく長さの時間にわたってこのような正確な測定を得ることができない場合とできる場合の間の平均時間に関する。別の要因は、業界が既存の製造と一体化させることができる費用効率の良い解決法を要求しているので、非対称負荷システムの実施に関連する費用に関する。測定不正確性は、無人風力発電所では検出することが特に難しく、ブレード、動力伝達装置およびタワーの疲労および寿命に悪影響を与える可能性がある。
【０００７】
１つの解決法は、タービンの固定要素で変位手段をとることによって非対称負荷を測定することであるが、これは所望の結果をもたらさなかった。別の解決法は、センサをブレード上に配置することによって、非対称負荷を測定することである。例えば、１つのシステムは、回転子ブレードへの負荷を感知するために回転子ブレードに取り付けられた歪みゲージを配置している。この非対称負荷感知解決法では、アクセスするのが難しく、稲妻によって危険にさらされる回転子ブレードの外側領域にセンサを取り付ける必要がある。加えて、これらの歪みゲージは典型的には、所要の寿命応力サイクルを得られない。別の知られている技術は、Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙなどの光ファイバを使用し、固有のＢｒａｇｇセンサ素子は、回転子ブレードに取り付けられた光ファイバに沿って分配されている。システムは稲妻に対して敏感ではないが、光ファイバは損傷およびその結果生じる故障の影響を受けやすい。
【０００８】
異なる解決法は、非対称負荷によって生じる風力タービンのシャフトの偏向を測定することに基づいている。非対称負荷により、回転子ブレード内に低速回転シャフトにその後に伝達される曲げモーメントを生じさせ、それによって非対称負荷は、タービンのメインシャフト内に力または曲げモーメント成分として現れる。非対称負荷の測定はしたがって、シャフト測定に基づく可能性がある。というのは、シャフトはその非負荷状態に関して偏向するからである。
【０００９】
既存の測定解決法は典型的には、近接センサに基づくものである。このような感知解決法は、高い剛性のある基準（重い支持構造）が必要であり、誤差原因としてブラケット偏向およびセンサドリフトに対して脆弱である。メインシャフトシステムは剛性があるが、０．１ｍｍなどのセンサ測定の小さなオフセット誤差は、２００ｋＮｍなどの曲げモーメント評価の高い誤差に対応している。センサ測定におけるオフセット誤差のある操作は、高度制御のない操作より極度の負荷および疲労につながる可能性がある。さらに、オフセット誤差を手動で取り除くことは、普通は望ましくない。例として、風力タービン応用例では、オフセット誤差を手動で取り除くことにより、全てのタービンの保守が必要となる。自動キャリブレーション機構は、このような問題を解決するために適用することができるが、特定のタイプのセンサ移動またはドリフトは、検出／障害なしでキャリブレーション間で除外することができない。また、操作中に疲労信号オフセットが現れるように、台板変形または軸受モーメント反応を、重力のみのキャリブレーション状態に対してスラスト負荷で非ゼロであるようにすることが可能である。
【００１０】
非対称負荷制御システムに対する測定入力の信頼性の問題は、適切に解決されず、タービンの公称電力に関する問題が大きくなっている。シャフト内のトルクまたは曲げモーメントなどの機械的力の成分を測定するための従来のシステムは、シャフト材料またはシャフトに取り付けられた強磁性ストリップの磁気歪み影響に基づくものであった。例えば、特定の磁気歪み感知解決法が、自動車業界で開発および適用され、回転シャフト内の機械的力の成分を特定することができる。このストリップまたはシャフトを磁化することによってセンサ性能を良くする方法も知られている。しかし、風力タービンシャフトなどのシャフトの大きな寸法は典型的には、より小さな直径のシャフトで使用される従来の符号化の影響を受けにくい。シャフトに磁化したストリップを利用する他の符号化技術は、長期間にわたる精度に関する問題がある傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７２４３５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の一実施形態は、測定方法およびシステム、より詳細には、回転シャフトの曲げモーメントおよび／またはトルクの感知を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態は、シャフトの周りで周方向に配置された複数の符号化領域と、符号化領域の少なくともいくつかに近接してシャフトに結合された１つまたは複数の回転センサとを備えた磁気歪み測定システムであり、回転センサはシャフトと共に回転し、符号化領域の磁場特性の測定を可能にする。磁場特性は、水平および垂直方向の曲げモーメントを含んでいる。
【００１４】
回転センサは、シャフトの表面に取り付けることができる、またはシャフトの表面に取り付けられた固定具内に保持することができる。システムはさらに、固定センサとシャフトの間に間隙を備えて、符号化領域に近接して配置された１つまたは複数の固定センサを備えることができる。一例では、シャフトは中空であり、符号化領域の少なくともいくつかは、シャフトの内部表面に配置されている。
【００１５】
符号化領域は一実施形態では、１つまたは複数の第１の符号化領域センサが第１の符号化領域でのシャフト特性を測定するように構成され、１つまたは複数の第２の符号化領域センサが第２の符号化領域でのシャフト特性を測定するように構成された状態で、第１の符号化領域および第２の符号化領域を含んでいる。第１の符号化領域は、第２の符号化領域と異なっていてもよい。
【００１６】
一実施形態は、磁場特性を処理し、シャフト特性を演算するための処理部を含んでいる。磁場特性を、シャフト周りに配置された１つまたは複数のスリップリングによって、または無線通信を介して処理部に通信することができる。
【００１７】
別の実施形態は、中空シャフトの周方向に沿った中空シャフトの内部表面上の少なくとも２つの分極された符号化磁気領域、および符号化磁気領域周りに配置された１つまたは複数のセンサを有する磁気歪みシャフトであり、センサの少なくとも１つは中空シャフトの磁場特性を測定する。センサは、非接触センサおよび回転センサの少なくとも一方であってもよい。一例では、符号化磁気領域の少なくとも１つは、２層以上の符号化層を有する。
【００１８】
本明細書に記載された特徴および利点は、包括的なものではなく、特に多くの追加の特徴および利点は、図面、明細書および特許請求の範囲を鑑みて、当業者には自明であろう。さらに、明細書で使用されている用語は主に、読み易さおよび指示する目的で選択されたものであり、本主題の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態により構成された、磁気符号化シャフトを示す断面図である。
【図２】一実施形態により構成された、符号化領域用磁気感知システムを示す断面斜視図である。
【図３ａ】一実施形態により構成された、中空シャフトの内部表面上の磁気符号化領域を示す断面図である。
【図３ｂ】一実施形態により構成された、中空シャフトの内部表面に対するインサート上の磁気符号化領域を示す断面図である。
【図４】一実施形態により構成された、図３ａの符号化システムの実施を示す図である。
【図５】一実施形態により構成された、周方向符号化を示す斜視図である。
【図６ａ】別の実施形態による、感知システム展開のブロック斜視図である。
【図６ｂ】一実施形態による、図６ａの感知システム展開の実施の斜視図である。
【図７ａ】一実施形態による、シャフト用感知システムの別の感知実施を示す図である。
【図７ｂ】一実施形態による、図７ａの感知実施の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の一実施形態は、非対称負荷制御および他の高度制御などの様々な目的、およびギアボックス状態の表示などの状態監視作業に使用することができるトルクおよび／または曲げモーメントの正確な長期にわたる安定した監視を可能にするために、風力タービンのメインシャフトなどのシャフトに永久磁気符号化を適用することに関する。別の実施形態により、風力タービンの電流発生、およびより高い電力の風力タービンの将来の発生のためにより信頼性のある感知が可能になる。
【００２１】
本明細書の磁気符号化およびシステム実施形態は、本明細書に参照として援用する、２００８年６月６日出願の関連米国特許出願第１２／１３４６８９号に記載されているような部分的磁気符号化の特定の概念および技術に関連させることができる。
【００２２】
一態様では、部分的符号化は、シャフトを測定システムの構成部品内に旋回させ、回転センサはシャフト上に配置され、曲げモーメントおよびトルクなどのシャフト特性を検出する。別の態様は、シャフト周りに固定または非接触センサを加え、回転シャフトにより、ＡＣ電流場成分を生成する磁場の変化につながる。得られるＡＣ電流場成分はその後、シャフトに近接するセンサによって測定可能である。
【００２３】
図１の符号化された中空シャフト１０の断面斜視図を参照すると、符号化された分極磁気領域は図では、シャフト周りで周方向に配置された２つの異なる符号化に対するものである。第１のセットの一次符号化磁場２０、２２、２４、２６はそれぞれ一次ドメイン境界６０を有し、互いに対して交互の極性を有する。本例では、一次符号化２０、２２、２４、２６はそれぞれ、互いの上で層状になった第１の層６２、および第２の層６４を有する。本明細書に記されたように、符号化の深度は、電流浸透に直接関連し、その後電流パルスの持続時間に関連する。一例では、第２の層符号化６４は最初に、深い電流浸透を可能にするのに十分な放電時間定数を利用する値のコンデンサバンク内で放電レジスタを使用して行われる。第１の層符号化６２はその後、より小さい深度の電流浸透を可能にする放電時間定数を変化させる異なる値の放電レジスタを使用して行われる。図示するように、この符号化配置の中心では、シャフト表面と水平配向である磁気ドメイン境界が、２つの符号化層６２と６４の間に生成されている。曲げモーメントがシャフトに加えられる場合、応力依存磁場ベクトルをシャフト表面で測定することができる。
【００２４】
本例では、一次または第１の符号化２０は反時計回りの磁場分布を有し、一次符号化２２は時計回りの磁場分布を有する。符号化磁気領域２０、２２、２４、２６は、各それぞれの領域に対する１対の対向する極性点３０、３２、３４、３６に基づくものであり、本例では、ほぼ９０度離れて配置された４つの符号化領域２０、２２、２４、２６がある。各それぞれの一次符号化２０、２２、２４、２６の間に空間または領域があるが、符号化磁気領域の数および符号化間の間隔は、シャフトの寸法および感知要件などの設計の詳細によるものであることを理解されたい。一例では、これらの符号化は、曲げモーメントおよびトルク感知を意図したものであり、シャフト１０のこのような特性を感知するために適用可能な磁場強さを有する。回転または接触感知システムの一態様では、曲げモーメント感知が普通は他の測定より複雑であり、典型的には固定（非回転）センサを備えた低速回転シャフトには難しすぎる。例えば、トルクがシャフトに加えられた場合、全てのセンサが同じ磁場変化を測定する。垂直または水平方向への曲げモーメントの場合、２つの対向する磁場センサは、異なる磁場変化を測定する。一例では、示差測定を可能にするように、センサ対が４つのセンサ位置に加えられる。感知システムの精度および信頼性は、より多くのセンサ対を加える際に大きくすることができる。
【００２５】
本例では、いくつかの追加の分極磁気領域４０、４２、４４、４６がシャフト１０内で符号化される。これらの二次符号化領域４０、４２、４４、４６は本例では、位置または速度などの異なるタイプの感知を意図している。これらの二次符号化４０、４２、４４、４６は典型的には、一次符号化２０、２２、２４、２６と異なる符号化特性を有する。第１の、第２の、一次および二次の使用は、単に要素間を特定することを意図したものであり、任意の他の特徴または優先傾向を意味することを意図したものではないことに留意されたい。
【００２６】
二次符号化４０、４２、４４、４６はそれぞれ、１対の対向する極性点５０、５２、５４、５６を有し、対応する極性場は、二次符号化領域４０、４２、４４、４６と一次符号化領域２０、２２、２４、２６の間に空洞空間を備えて二次ドメイン境界領域７０を形成する。本例では、互いに約９０度離れており、一次符号化領域２０、２２、２４、２６の間に散在された４つの二次符号化領域４０、４２、４４、４６がある。
【００２７】
本明細書で言及したような空洞空間は、符号化磁場が減少したまたは相当のものがない領域のことを言う。様々な符号化間の空洞空間は、感知応用例が様々な符号化領域を区別するのを助ける。一実施形態では、空洞空間がなく、符号化領域は基本的にはシャフト１０全体を占めている。
【００２８】
図１に示す例では、一次符号化領域と二次符号化領域の間の１つの相違点は、一次領域が互いの上に２層の磁化ドメインを有し、層は互いに対して対向する極性を有することができることである。別の区別としては、二次符号化部分がシャフト表面に垂直なドメイン境界を有することが挙げられる。二次符号化部分は、最大／最小検出などの磁気ピックアップセンサを使用することによって、角度位置またはシャフト速度の測定を可能にする。これらの二次センサはまた、２００８年６月６日出願の米国特許出願第１２／１３４６８９号により詳細に記載されているように、トルク依存磁場を測定するために使用することができる。
【００２９】
一次符号化領域により、シャフト曲げによって生じる剪断応力に比例する磁場成分をセンサが測定することが可能になる。図１に示すようないくつかの符号化部分では、水平および垂直方向の両方の曲げモーメントを測定し、トルクによって生じる剪断応力と曲げモーメントによって生じるものを容易に区別することが可能である。基本的に、トルクまたは曲げモーメントに比例する磁束密度成分を測定するのに同じ磁場センサを使用することができる。センサ位置および測定作業は、磁場センサの最適ベクトル配向（シャフトに対して軸方向、周方向または径方向）を規定するために使用することができる。
【００３０】
一実施形態では、非対称負荷および曲げモーメント感知は、回転または接触センサによって達成され、典型的にはシャフトの周面に沿って測定される。加えて、シャフトの回転により、非接触センサによって測定される周期的に交互の磁束成分が生成される。意図する応用例要件にしたがって、複数の符号化により、シャフトの回転中により多くのデータを抽出することが可能になり、より正確および適時の処理を行うことができる。
【００３１】
正確な曲げモーメント感知は、中空シャフトの内部表面、あるいは中空または中実シャフトの外部表面に磁場センサを直接配置することにより、一実施形態によるシステムおよび処理によって可能になる。追加の感知システムはまた、シャフト位置、シャフト速度、およびトルク依存磁場などの他の特性を測定するために固定センサを使用して展開することができる。図２を参照すると、感知システム２００は、中空符号化シャフト２１０に対して一実施形態により図示されている。
【００３２】
一例では、一次符号化領域２２０および対応する一次センサ２４０は、精密感知システム２００として組み合わせて使用される。特定の一次符号化領域２２０に対する１つまたは複数の一次センサ２４０は、シャフト２１０と共に回転し、シャフト２１０に、または一次ドメイン境界領域２８０内の固定具２６０内に直接または間接的に固定することができ、それによって曲げモーメントおよびトルクなどのシャフト特性を感知することができる。
【００３３】
固定具２６０は一態様では、センサを定位置に保持する金属リングであり、外部場およびソースからの相互作用を最小限に抑えるまたはなくすためにセンサを選別するように働くこともできる。固定具２６０は、設計基準によって他の材料および形状であってもよい。
【００３４】
この感知システムを風力タービンシャフト内などの特定の応用例に適用する場合、トルクおよび曲げモーメントは同時に現れる傾向がある。トルクは、シャフトの一次符号化部分２２０内に磁束密度／磁場を作り出す。曲げモーメントは、１８０度間隔で符号化部分２２０内に対向する磁場変化を作り出す。複数の符号化部分２２０の使用により、一次センサ２４０がトルクおよび曲げモーメントを区別することが可能になる。
【００３５】
追加の二次符号化部分２３０は一実施形態では、特に非理想的な状態で、または符号化が主に曲げモーメントではなく、トルクに対する感度が高い場合に、より正確なトルクおよび曲げモーメント感知結果を与えることができる。二次符号化領域２３０は、二次符号化領域２３０の分極磁場に関連する二次ドメイン磁場境界２９０を有する。同じ符号化ツールを使用することができるので、シャフト２１０の１つまたは複数の二次符号化部分２３０を符号化する必要がある多くの余分な労力がない。さらに、一次領域２２０の「全力符号化」と比較して、二次符号化部分２３０に対して異なるタイプの符号化を行うことが有利である可能性がある。この例示的な図では、一次符号化部分２２０の中心の磁気ドメイン境界はシャフト表面と平行であり、二次符号化部分２３０の中心の磁気ドメイン境界はシャフト表面に垂直である。したがって、異なる機械的負荷依存磁場をシャフト表面で測定することができる（両方の部分が同じ応力を受ける）。異なるタイプの符号化で部分の上の磁場を評価することにより、測定誤差をなくすことが可能になる。
【００３６】
本例によると、二次符号化磁場境界２９０内に１つまたは複数の二次センサ２５０があり、二次センサ２５０はシャフト２１０と共に回転する。二次固定センサ２５０は、曲げモーメントおよびトルクなどのシャフト２１０の特性を感知するために使用することができ、それによって追加のセンサデータがより正確な感知を行う。
【００３７】
一次および二次部分符号化２２０、２３０は本例では、より強固および正確な感知システムを得るために異なる符号化パターンを有する。一次または二次センサは一例では、周方向、軸方向または径方向の磁場変化を測定するためなどに位置合わせされている。位置合わせは、符号化方法およびセンサ位置によるものであり、一次センサ２４０および二次センサ２５０に対して異なっていてもよい。
【００３８】
回転センサ２４０、２５０に加えて、別の実施形態は、符号化部分２２０、２３０から情報を抽出することができる固定センサ２７５を含んでいる。固定または非接触センサ２７５は、シャフトハウジングに、または非接触固定具２７０内に固定することができ、それによってシャフト位置および速度などのシャフト特性を感知することができる。固定具２７０は一態様では、固定センサ２７５を保持し、風力タービンフレームなどのハウジング構造に結合され、回転シャフト２１０に対して固定されている。
【００３９】
固定センサ２７５は、角度シャフト位置およびシャフト速度などのシャフト特性を測定し、より正確なトルクおよび曲げモーメント測定を可能にする。固定センサ２７５からのデータは、センサ情報を回転座標系から固定座標に変換するのを助けることができる。一実施形態では、固定センサ２７５は、回転子位置などの特徴を監視するための選択肢である。例えば、シャフトの角度位置は、シャフト表面近くで測定可能な磁場から測定することができる。というのは、４つの符号化部分２３０は僅かに異なる磁気特性を有するからである。
【００４０】
別の方法では、シャフト位置を測定する既存の符号器を利用することができる。別の選択肢は、固定座標系に変換することなく、回転系内で直接ピッチ制御／非対称負荷制御を使用することである。磁気符号化に基づく回転子またはシャフト位置測定の使用の利点は、トルク、曲げモーメント、速度および角度位置などのシャフトからの全ての関連測定情報は、同じ感知システムから導き出すことができることである。全ての符号化は同じ製造ステップで作り出された同じツールに基づく可能性があり、全てのセンサは同じデバイスに基づくものであるので、これにより費用効率の高い設計が可能になる。
【００４１】
センサからのデータは典型的には、ハウジングと同一に配置することができる、またはシャフト感知アセンブリ２００とは離れて配置することができる処理ユニット２９５によって処理される。一例では、回転センサ２４０、２５０からのセンサデータは、スリップリングを介して、または無線通信により送信される。固定センサ２７５からのデータは、有線または無線方法によって通信させることができる。ＲＦ送信機などの無線通信を、感知システムの一部として一体化し、風力タービンシャフト周りに取り付けることができ、処理ユニット２９５の受信機に信号を送信することができる。処理ユニット２９５は、マイクロプロセッサおよび他の演算デバイスなどの、分野で知られているプロセッサの何れかであってもよい。処理ユニット２９５は一例では、シャフト感知システム２００に関連するシステムのより安全およびより効率の良い制御のために、システムパラメータを変更するようにセンサデータを利用するシステム制御の一部である。
【００４２】
その間の磁気符号化された分極領域および任意の中立または空洞区間の生成により、回転シャフトの周辺にトルク依存磁場成分を生成することが可能になり、それによってシャフト特徴を測定することができる。シャフト特徴を測定する一実施形態は、符号化領域内でシャフト上に磁場センサを直接取り付け、それによって高い感度を与えることによる。別の態様は、追加の感知能力のために使用される追加の符号化磁気領域の符号化に関し、符号化および感知は他の符号化領域およびセンサに対して異なる。
【００４３】
磁場センサは、シャフト表面に正接し、磁気ドメイン境界に垂直な磁場成分を測定するために、周方向に向けることができる。一例では、磁場感知は、大径シャフト周りに配置された磁場センサを使用することによって達成され、シャフトは低速度または適度の速度で回転している。センサは、磁場の磁束および／または強度および方向を測定し、磁気抵抗デバイス、フラックスゲートまたはコイルセンサ、ホール効果センサ、および／または磁気誘導センサを含むいくつかのタイプのセンサに基づいていてもよい。特定の磁場センサの選択は、設計基準により、磁束密度、解像度、精度および軸数などの特定の態様を含んでいる。シャフトに関して、測定した応答を最大限にするようにセンサを配置することができ、それによってセンサは例えば、０度、４５度、および／または９０度に配向することができる。様々なデータをシャフトから得るために異なるタイプのセンサを利用することができ、追加のデータを得る、または冗長性を提供するためにセンサのセットがある可能性がある。
【００４４】
一実施形態によると、風力タービンシステムには、複数のセンサが配備されており、したがってより大きなサンプリング速度、より大きな信頼性、および冗長性が得られる。別の例では、様々なタイプのデータを測定することができるように、様々なタイプのセンサが配備されている。例えば、トルクを曲げモーメントと区別するために異なるセンサを使用することができる。複数のセンサタイプは、特定のセンサの感知特性をうまく利用することができる、あるいは優れた感知機能が可能になる。別の実施形態では、部分符号化プロセスは、センサが複数の形のデータを得ることができるように、異なる符号化特性を有する異なる符号化部分を含んでいる。
【００４５】
図３ａを参照すると、シャフト３１０の内部表面の符号化の側面斜視図が示されており、シャフト３１０は中空であり、複数の正の符号化部材３１５があり、負の符号化部材３２０はシャフト３１０の内部表面３３０に近接して中空部分内に配置されている。導電性部材３１５、３２０は、対向する極性で対となっており、間に小さな間隙を備えて互いに密接して配置されている。部材３１５、３２０は典型的には、部材を適切な配向に保持するためにフレームまたは固定具（図示せず）に結合されており、フレームは典型的には非導電性材料で作られている。普通、部材３１５、３２０までの電源装置（図示せず）までの電気結合があり、電力を与えて、磁場を生成し、シャフト３１０を永久的に符号化する。
【００４６】
示すように、符号化プロセスは、磁場線が部材３１５、３２０の極性タイプに対応した状態で、シャフト３１０内に対向する分極磁場３３５、３４０を生成する。磁気分極領域３３５、３４０はそれぞれの境界３７０を有し、典型的には関連する磁場がない状態で境界３７０の間に空洞または中立区間３５０がある。
【００４７】
部分的磁気符号化の一実施形態は、本例では、シャフト３１０の内部周りに配置され、互いから約９０度でドメイン境界に配向された４対の導電性部材３１５、３２０を備えて示されている。各対３１５、３２０は、間にドメイン境界および中立区間３５０を備えて磁気分極領域を生成するために使用される。各対の導電性部材３１５、３２０は、交互の分極磁場を生成するために、各対の部材に異なる極性を与える符号化ソース（図示せず）に結合させることができる。一実施形態では、中立区間３５０がほとんどまたは全くなく、磁気分極領域はシャフト３１０全体を占めている。
【００４８】
再び図３ａを参照すると、４対の導電性部材３１５、３２０によって生成された、シャフト３１０上の４対の、すなわち８つの符号化領域がある。したがって、それぞれ４つの磁気ドメイン境界３７０を有する明確な磁気分極領域は、シャフト３１０全体を磁化する必要なく達成することができる。
【００４９】
例えば、導電性部材３１５は正の極性の符号化を利用し、対になった導電性部材３２０は負の極性の符号化を使用する。符号化から得られる対応する分極磁気領域３３５、３４０は、シャフトからの最適な応答の位置を示すドメイン境界領域３７０を有する。
【００５０】
例示的な目的で、いくつかの風力タービンメインシャフトは中空であり、符号化は中空シャフトの内面に内部配置されている。内部符号化の１つの特徴は、電磁干渉（ＥＭＩ）、稲妻、および操作人員によって生じる事故による損傷などの外部妨害に対する感知システムの優れた保護に関する。しかし、符号化はまた、典型的には機械的応力、例えば曲げモーメントに対するさらに高い感度を与える外側シャフト表面に行うことができる。別の一実施形態によると、符号化は、シャフトの内部表面およびシャフトの外部表面の両方に行われて、シャフトのより大きな可撓性および優れた測定の能力を可能にする。
【００５１】
図３ｂを参照すると、シャフト３１０に符号化領域を施行する一実施形態は、１つまたは複数の符号化部分３８０をシャフト３１０に結合させることによる。寸法は、本例では正しい縮尺比で描かれていないことに留意されたい。本例によると、１つまたは複数の別個の符号化部分３８０は、中空シャフト３１０の内部表面３８５上に結合される。符号化部分３８０は、シャフト３１０の内部表面３８５の上に固定することができ、それによって符号化部分３８０の新しい内部表面３９５が得られる。符号化部分３８０は、シャフト３１０内の溝に固定することができる、あるいは接着剤の使用、はんだ付け、および溶接などによって固定することができる。この例示的な図では、磁場センサの最適位置は、前に符号化した部分３８０とシャフト３１０の間であり、したがって外部ＡＣ磁場に対して選別される。直ぐに明らかなように、符号化部分をシャフトの外部に加えるように、符号化部分はシャフトの外部表面に加えることができる。符号化部分３８０はまた、より小さい部分に分割することができ、シャフトの内部または外部に置くことができ、定位置で符号化するまたは前に符号化し、シャフト表面に結合させることができる。
【００５２】
図４を参照すると、符号化構成は図では、中空シャフト４１０内の内部に配置された符号化システムを示すために、目立って示した中空シャフト４１０を備えている。本実施形態では、対になった導電性部材４２５、４３０は、非導電性フレーム４１５周りに結合されており、いくつかの対になった導電性部材はフレーム４１５周りに位置決めすることができる。対になった導電性部材４２５、４３０は典型的には、互いに近接してほぼ平行に配置され、間隙４３５だけ離れている。
【００５３】
導電性部材４２５、４３０は普通、２つの符号化ソース（図示せず）に結合され、それによって部材４２５、４３０は対向する極性と結合される。符号化ソースは一例では、２つの独立した電流流路がシャフト内を流れることを保証するために、コンデンサバンクなどの２つの電気的に別のソースである。導電性部材４２５、４３０の一端部を符号化ソースに電気的に結合させる接続があり、もう一端部はシャフト４１０に電気的に結合されている。符号化は一実施形態では、対になっており、図１〜３ａに示すように互いに対して隔離したドメイン境界を確立する部分的磁気符号化部分を作り出す。
【００５４】
一符号化実施形態による磁気分極領域またはチャネルの符号化が記載されている。前に記したように、中空シャフト４１０は強磁性材料であってもよい、またはシャフトに固定された強磁性材料の少なくとも一部を上に配置することができる。符号化は、いくつかの方法で達成することができ、１つの操作方法により、シャフト４１０の周りに配置されたケーブルまたは金属棒などの導電性部材４２５、４３０が配置される。図示するように、導電性部材４２５、４３０は、シャフト４１０に沿って長手方向に延びているが、他の実施形態では周方向または斜めに延びることもできる。
【００５５】
本実施形態のより特定の詳細では、符号化システムがシャフト４１０の少なくとも一部の周りに配置されている。本例では、符号化中にシャフト４１０内で結合されたユニット４１５が符号化システムには配備されており、それによって導電性部材４２５、４３０はシャフト４１０の少なくとも一部に沿って延びている。導電性部材４２５、４３０は本実施形態では、正および負の符号化導電性部材４２５、４３０があるように配置されている。フレーム４１５は典型的には非導電性材料であり、それによって導電性部材４２５、４３０は隔離された対となる。
【００５６】
符号化は、シャフトの製造またはポストの設置中に行うことができ、正しいタイプの材料に適用され、高い電流密度で生成された場合には永続的である。符号化構造は本例では、シャフト４１０内に示されており、シャフト周りにその配向および位置を維持するために追加のフレーム要素（図示せず）を備えることができる。これは、導電性部材が符号化動作に対して適切および十分に配置されることを保証するように、フレーム支持体（図示せず）を備えることができる。大径シャフト、またはより正確な測定では、別の磁気分極領域および対応する境界を追加するために追加の符号化を利用することができる。これらの追加の符号化は、その既存の符号化部材で固定具を回転させることによって、または固定具内により多くの符号化部材を備えることによって達成することができる。
【００５７】
図示したシステムは図では、シャフト４１０の一部内に配置されているが、別の実施形態では、シャフトの外部表面が符号化されている。別の実施形態では、各符号化構造が磁気分極領域を生成するように、シャフト周りに配置された複数の符号化構造がある。
【００５８】
導電性部材４２５、４３０は、部材４２５、４３０とシャフト４１０の内部表面の間に間隙を備えてシャフト４１０内に近接して配置されている。一例によると、導電性部材４２５、４３０は補強された絶縁銅棒であるが、他の適切な導体も本システムの範囲内である。導電性部材４２５、４３０は、例えば円形、楕円形、四角形または矩形であってもよい形状を有する棒であってもよい。長さは、設計基準によって変更することができる。より長い導電性部材４２５、４３０は、感知のためにより大きな表面積を与えることができる。導電性部材４２５、４３０の直径は、十分な剛性を有するべきであり、所要の電流パルスを与えるべきである。一例では、棒は１インチ未満または数インチの長さであり、１／１６インチから１／２インチの範囲の直径を有することができる。導電性部材は一例では、シャフトに沿って長手方向、周方向または斜めに電流の流れのための比較的真っ直ぐなチャネルを画定する剛性または半剛性棒を備えている。
【００５９】
導電性部材４２５、４３０は、第１の端部および第２の端部を有し、例示的目的で、第１の端部はそれぞれの符号化ソースに結合させ、第２の端部はシャフト４１０に結合させる。一実施形態では、２つの独立した電流流路を保証するために２つの電気的な別のソースがある。導電性部材４２５、４３０を符号化ソースに電気結合させるために、電気接続が導電性部材４２５、４３０の第１の端部で行われる。シャフト４１０から符号化ソースまで電気接続を確立するために使用される第１の端部電極がある。導電性部材の第２の端部からシャフト４１０まで電気接続を確立するために使用される第２の端部電極がある。第１および第２の端部電極は、シャフト４１０への電気結合のことを言い、一実施形態では、第１の端部電極はシャフト４１０に接触する非導電性フレーム４１５周りに結合された導電性素子である。第２の端部電極は一実施形態では、導電性部材４２５、２３０の第２の端部からシャフト４１０まで延びる導電性素子のことを言う。電極はまた、シャフト４１０に接続するジャンパまたはワイヤとの接点であってもよい。
【００６０】
正の導電性部材では、符号化ソースの正端子は、正の電気コネクタに沿って正の導電性部材の第１の端部に結合されている。符号化ソースの負の端子は、電気コネクタを介して電極およびシャフトに結合されている。負の導電性部材では、符号化ソースの負端子は、電気接続に沿って負の導電性部材の第１の端部に結合されている。符号化ソースの正端子は、電気コネクタを介して電極およびシャフトに接続されている。
【００６１】
一実施形態では、電気信号はシャフト４１０を通して進み、それによって磁化領域がその中に生成される。本符号化システムの特徴の１つは、シャフト内のチャネルまたは磁気分極領域を磁気符号化することができることである。特に、スチールシャフトは高い相対浸透率を有し、スチールシャフトを通して進む電流は別個の符号化チャネルを作り出す。
【００６２】
部分的磁気符号化の一例は、約９０度離れて均一に分配された４対の導電性部材を使用する。正の極性の電流パルスは、導電性部材に結合され、電流パルスは第２の端部周りでシャフトに接触する電極まで導電性部材に沿って進む。電極によって放電された電流は、電気コネクタを介して第１の端部電極および符号化ソースの負の接続までシャフトに沿って戻る。シャフトに沿って流れる電流は、シャフト上に分極された磁化チャネルを生成する。構造内の隣接する導電性部材はそれぞれ交互の極性を有し、パルス符号化は全て一度に、グループ化して、または個別に導電性部材を同時に符号化することができる。例えば、正の導電性部材の第１のセットは、負の導電性部材のセットの後に同時に符号化することができる。
【００６３】
電流浸透、すなわちシャフト内の電流密度の深度および幅は典型的には、電流パルスの持続時間によって制御される。電流パルスは本例では単極であり、負の半波のない、または負の電流パルスが加えられた場合に正の半波のない正の電流パルスである。一実施形態では、電流パルスはコンデンサバンクを放電することによって生成され、放電レジスタ［Ω］のサイズおよびコンデンサバンクのサイズ［μＦ］によって、放電時間定数τ＝Ｒ・Ｃ、したがって電流浸透の深度および幅が決まる。可変パルス長さを備えた電流パルスを生成する別の方法は、シャフト内に所望の形状の電流を射出する制御可能な電流源を使用することである。
【００６４】
単純な符号化手段によると、磁化された部分は一度に一回路符号化される。例えば、正の極性の電流パルスは、第２の回路に負の極性を加えることによって磁化された別の部分の後に、第１の符号化された部分を符号化するために加えることができる。その後の部分は、交互の極性の電流パルスを使用して符号化される。
【００６５】
図１の一次符号化のために第１および第２の層などの層状符号化は、電流パルスを加え、放電レジスタ値、したがって電流浸透を変更することによって達成することができる。
【００６６】
交互の極性の電流パルスでの順次符号化過程は、複数のほぼ同一の符号化部分を作り出す。１つの電流パルスのみが磁化される各部分に加えられる場合、部分は普通は同一ではない。というのは、第２の部分を磁化することにより第１の磁化部分にも影響を与えるからである。ほぼ同一の符号化部分は、複数の順次電流パルスを実行し、磁化しながら部分を交互にしているときに、電極がシャフトに接触する領域の近くで磁場測定を行うことによって達成することができる。シャフト内に磁化領域を順次作り出す別の例は、各セグメントまたは領域内に作り出された磁場強度を測定し、その後の符号化ステップに電流パルスの振幅を適合させる。
【００６７】
次の磁化による１つの部分の順次磁化の影響を避けるために、別の符号化実施形態は、同じ電流振幅を全ての導電性部材に加え、全ての部分を一度に符号化することである。一実施形態では、導電性部材は、複数の導電性部材に対応するために別個のまたは分割符号化ソースを使用する。一例では、別個のコンデンサバンクは、各導電性部材に使用される。別の例では、別個の制御可能な電流源が各導電性部材に使用される。
【００６８】
例えば、４つのセグメントがある場合、２つの符号化ソースを使用して、同じ電流パルスを対向する極性を有する４つの電流符号化ソースそれぞれに加えることができる。別の例では、８つの別個の符号化ソースがあり、それによって符号化過程中の異なる符号化電流間の短絡が避けられる。別の例では、切換方式を利用して、交互の極性を備えた電流パルス信号を加えることができる。
【００６９】
従来の技術は全周面シャフト磁化によるものであるが、本明細書のシステムの一実施形態は、戻り電流を使用してシャフト内の磁化チャネルを符号化する。部分的磁気符号化は、非対称表皮効果、および電流が最小インピーダンスの経路を常にとるという事実をうまく利用する。インピーダンスは、電流の周波数が十分高い場合にインダクタンスによって支配される。短い電流パルスの場合、シャフト内を流れる戻り電流は、より長いパルスの場合より局所化され、分極されたおよび十分規定された／狭い磁気パターンが可能になる。この効果は、同じ符号化電流振幅でのより高い磁束密度につながる、より局所化されたチャネルを備えたシャフトの部分を磁化するために使用される。比較的小さな符号化電流での高い磁束密度の１つの利点は、符号化ソースが、周方向でのシャフト表面全体を磁化することを目的とした符号化ソース設計のものよりはるかに小さくすることができることである。
【００７０】
部分的符号化は、シャフト部分を１つだけまたは複数符号化することを含むいくつかの方法で行うことができる。一実施形態によると、部分的磁気符号化は、シャフトの周面に沿って複数の符号化を生成するために行われ、典型的には製造段階中に行われる。磁気歪み測定は、工業用スチールなどの符号化された強磁性シャフトで達成することができる。磁気符号化はしたがって、シャフトを感知システムの構成要素内に旋回させ、それによって機械的トルクまたは曲げモーメントがシャフトに加えられると、力依存磁束がシャフトの符号化領域の直接環境内に現れ（例えば、シャフト表面から数ミリメートルの距離で０．２ｍＴ）、ホールセンサ、フラックスゲートセンサまたは誘導コイルなどの磁束密度センサによって取り上げることができる。センサは典型的には低費用であり、複数の冗長性を可能にし、小型であるので風力タービン駆動系設計内への一体化によく適している。
【００７１】
シャフトトルクおよび／またはシャフト曲げモーメントなどの機械的負荷状態が測定されるいくつかの実施形態では、最も高い感度が、磁束密度センサを導電性部材の電極が符号化過程中にシャフトに接触した領域に密接して配置する際に達成することができる。この特徴により、図４に示すのと同様の設計を備えているが、符号化ツールの半径が軸方向寸法より短いような比較的短い軸方向寸法を備えた符号化ツールを使用することが可能になる。これは、より小さい軸方向空間、例えば数センチメートルがトルクまたは曲げモーメント測定システムで利用可能である応用例に関連している。磁気符号化に基づく特定の従来のトルク測定は、実質的な軸方向空間が必要である。符号化チャネルの軸方向長さは、いくつかの実施形態では関係ないことに留意されたい。
【００７２】
一例によると、曲げモーメントを感知するための符号化は、２つ以上の符号化を使用する。符号化は、図１に示すように、シャフトの上で層状にすることができる。符号化はまた、シャフトの異なる部分に沿って位置することができる、またはシャフトの中空中心内に内部配置された符号化、またはそのいくつかの組合せを含むことができる。別の例では、一次符号化は、シャフトの外部に配置することができ、二次符号化は、それぞれのセンサ展開でシャフトの内部に配置することができる。
【００７３】
図５を参照すると、磁気符号化し、シャフト５０５の径方向周面に沿ってシャフト上に磁気ドメイン境界を作り出す、別の実施形態の符号化が示されている。本例では、符号化は中空シャフトの内部表面上にあり、シャフト５０５のセグメント周りに位置決めされた弓形セグメント５２０、５４０がある。１つの導電性弓形セグメント５２０は、正の端部５１０で正極符号化ソース（図示せず）に結合されており、それによって符号化電流が正の端部から弓形５２０に沿って進む。本例では、導電性弓形セグメント５２０のもう一端部は、シャフト５０５の内部表面に接触する電極５２５によってシャフト５０５に結合されている。符号化電流パルスはしたがって、導電性部材５２０に沿って進み、戻り電流は、符号化ソース（図示せず）に電気結合された戻り端部５１５で戻り電極までシャフト５０５の内部表面５７０に沿って進む。
【００７４】
他の導電性弓形セグメント５４０は、戻り端部５３０で符号化ソース（図示せず）に結合されている。符号化信号は、符号化ソース（図示せず）から正の端部５３５までシャフト５０５と接触する電極を介して、シャフトの内部表面５６０に沿って電極５４５を通して進む。符号化電流は、弓形セグメント５４０に沿って進み、戻り端部５３０を介して符号化ソース（図示せず）まで戻る。また、この符号化により、シャフト５０５の周面周りに部分的磁気領域が生成される。分極磁気領域を作り出す対の導電性弓形セグメント５２０、５４０の組合せはまた、最適な感知領域であるドメイン境界５５０をそれらの間に作り出す。
【００７５】
本例では、シャフトに対して軸方向に配向された２つの分極領域がある。磁場自体は、符号化領域内で角度位置依存しておらず、磁場を任意の位置に配向させることができる。別の例では、磁場は周方向に画定された位置依存性を有する可能性がある。ほぼ半円の弓形セグメントとして示されているが、弓形セグメントはシャフトの小さな部分、または円形周面のより大きな部分であってもよいことを直ぐに分かるべきである。さらに、弓形部分的磁気符号化はシャフトの少なくとも一部に沿った円周であるように示されているが、符号化したチャネルは、磁気分極チャネルに対して斜めなどのシャフトのあらゆる方向に沿うこともできる。一実施形態によると、符号化はシャフトの外部表面上に配置されている。別の実施形態によると、複数の弓形部分的磁気符号化は、図１に示すのと同様の方法でシャフト周りに周方向に配置されている。
【００７６】
図６ａを参照すると、単純化した測定システムの一実施形態が示されている。本例では、磁気符号化シャフト６０５は、これらの部分それぞれ内で極性を交互にしてパルスを符号化することによって生じる、その間の磁気ドメイン境界を備えた複数の分極磁化領域を備えている。磁気符号化分極領域の数は、符号化、およびシャフトの直径などの設計基準による。動作中、シャフト６０５にトルクまたは曲げが加えられない場合、磁束経路は主にシャフト材料内にある。シャフト６０５のいくつかのトルクまたは曲げモーメントを加えた場合、磁気ドメイン境界での磁束成分の切れ目が、センサ６１０、６１５、６２０、６２５のうちの１つまたは複数によって測定可能である空間内に（シャフト材料の外側に）追加の磁場を作り出す。
【００７７】
本例では、非接触または固定センサユニット６１０、６１５、６２０、６２５は、シャフト６０５からある短い距離にあり、磁場を検出するように配向されている。センサ６１０、６１５、６２０、６２５は、同じまたは同様のタイプのセンサであり、シャフト６０５に対して同じまたは同様の平面内に配向されている。別の実施形態では、センサ６１０、６１５、６２０、６２５は、異なる測定を検出することを可能にする異なる角度などの、異なる方法で配向されている。さらに別の実施形態では、センサ６１０、６１５、６２０、６２５は、異なる特性を検出するように構成された様々なタイプのものである。一例では、負荷を受けてメインシャフトによって生じた磁束密度を取る示差測定を可能にするセンサ６１０、６１５、６２０、６２５がある。
【００７８】
測定したデータには典型的には、測定した磁場データに基づきシャフトに関連する特徴を判断するために、その後の処理が行われる。センサデータは典型的には、システム制御などの様々な目的でセンサデータを使用するマイクロプロセッサまたは演算デバイスなどの処理ユニットに通信される。一例では、データは有線または無線インフラによって通信される。センサデータはまた、多くの風力タービンシャフト上で使用されるスリップリングを介して通信させることができる。
【００７９】
風力タービンのメインシャフトは典型的には、ゆっくり回転するシャフトから信号を抽出するスリップリングを有するので、磁気ドメイン境界に近接してシャフト表面上に直接磁場センサを設置することが可能であり、それによってセンサシステムはメインシャフトと共に回転し、極めて正確なトルクおよび屈曲モーメント出力信号が可能になる。というのは、センサは全ての回転子位置で同じ磁場出力を作り出すからである。したがって、磁場または屈曲モーメント信号を既存のスリップリングまたは無線通信を介して伝達した状態で、このような回転センサをメイン駆動シャフト内に永久的に設置することができる。
【００８０】
図６ｂを参照すると、シャフト６０５はメイン風力タービンシャフトであり、センサがハウジング６３０の一部の内側にあるように風力タービンアセンブリ６００内に配置される。一実施形態では、センサは、シャフトに接触して結合された回転センサと非接触センサを含んでおり、ハウジング６３０内に全て配置される。
【００８１】
風力タービンの一実施形態では、センサは、信号調整ユニットと共に、符号化された区間の領域に近接してシャフトの内部に設置される。トルクおよび曲げモーメント信号はその後、既存のスリップリングを介して制御システムに伝達される。シャフトの内部を符号化する１つの利点は、これらの区間および器具は、タービンが設置されるとアクセス不可能であり、外部場に対して十分保護されることである。風力タービンメインシャフトまたは低速シャフトはゆっくり回転するので、フラックスゲートセンサ、ホール効果センサ、異方性磁気歪みセンサ、および巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサを利用することができる。
【００８２】
一実施形態では、センサは対で動作し、異なる動作モードで動作することが望ましい。というのは、これにより室温または外部磁場などの普通のモードタイプの障害に対してより丈夫となり、反対方向のトルクに対する対称応答を与えるからである。一例では、第１のセンサ対は、第２のセンサ対と異なる角度でシャフトに対して配向されている。
【００８３】
特定の応用例では、部分的磁気符号化を行う場合、全てのシャフト部分内で同じ磁束分配および／または磁化を正確に達成することは難しい。異なる部分にその後に加えられる磁気符号化ツール、材料異質性、およびシャフト部分に加えられる異なる磁化電流密度などの、部分の間の一貫性の欠如のいくつかの原因がある。これは、磁化ツールを同時に、部分と並列に接続することができない場合に特に関連するものである。符号化されたチャネル間の磁気特性の違いにより、異なる磁気符号化シャフト部分の上で同一のセンサで同じトルクまたは電力を感知することは、不正確な結果につながることがある。したがって、磁場感知は一実施形態では、測定値が積分法に基づく方法およびシステムに基づくものである。積分は普通、積分処理のためにいくつかの要素を必要とする。積分は普通、シャフトの少なくとも１つのフル回転を含んでいる。
【００８４】
磁化された部分間の一貫性の欠如を回避する別の可能性は、図２のセンサ２５０などの、シャフト表面に直接取り付けられたセンサを使用することである。センサを磁化領域に直接関連させることにより、システムがセンサおよび磁化領域の各組合せをキャリブレーションすることが可能になる。センサ信号処理において異なる振幅要因を適用する際に、磁化部分が僅かに異なる磁気特性を有するが、センサ出力信号内で同じ感度（Ｖ／Ｎｍ）を達成することができる。
【００８５】
図７ａを参照すると、例示的目的の感知システムの別の実施形態が、風力タービンアセンブリ７００内にある。本実施形態では、センサ７２０は、風力タービン構造７００のメイン駆動シャフトハウジング７２５の内部に配置される。センサ７２０は一実施形態では、シャフト７３０の内壁に沿って固定された小型回転センサである。一態様では、センサは接着剤によって固定される。図７ｂは、センサ７２０が風力タービンハウジング７２５内に、シャフト７３０に密接して配置された、感知システムの異なる斜視図を示している。
【００８６】
一実施形態では、センサ７２０からの測定データは、システム内のスリップリング（図示せず）を介して通信される。通信されたデータはその後、シャフトの様々なトルクおよび曲げモーメントを決めるために処理される。フィードバックシステム処理は、測定により風力タービン動作に対して調節を行うために実施することができる。
【００８７】
一例では、センサはシャフトの周面の一部に沿って感知フレームアセンブリ内で配置する、またはセンサは周面全体周りに配置することができる。他の実施形態では、センサは既存のシャフトハウジング内に一定化され、それによって別個のセンサアセンブリは必要なく、一体化された構造はセンサアセンブリの機能を行う。ハウジングは、複数のセンサスロットを提供することができ、それによって任意の数のセンサを展開することができる。
【００８８】
風力タービン応用例では、シャフトの速度は低速であり、センサをシャフトに、内部または外部に固定することができ、さらに満足な結果を与える。というのは、シャフトまでのセンサ距離だけが時間が経過しても一定でなければならないので、時間により変化する接触挙動は重量ではないからである。別の態様は、駆動シャフト内で永続的に符号化された１つの長期安定感知システム内で、速度、角度位置、トルクおよび／または曲げモーメントなどのいくつかの従来のセンサを組み合わせる。シャフト内で複数の磁場部分を符号化することに関連する追加の費用は普通は低く、シャフトに固定された対応する磁場センサは低費用である。
【００８９】
風力タービンシャフトはゆっくり回転するので、小型信号処理ユニットを回転システム内に設置することができる。いくつかの磁場センサからの信号は、この処理ユニット用の入力信号であり、出力としてｘおよびｙ方向にトルクおよび曲げモーメントを運ぶ。風力タービンは典型的には、例えば、処理ユニットの出力信号および電力供給のために、タービンの非回転部へのおよびそこからの信号および低電力インターフェイスを可能にするスリップリングを有する。磁場センサからのデータはまた、スリップリング、または当技術分野で知られている他の非接触または無線信号伝達実施形態を使用して、その後の処理のために直接通信させることができる。信号処理ユニットはまた、データの処理を可能にするために、回転シャフトまたはハウジングに近接して配置することができ、処理されたデータを様々なシステムレベル使用手段を介して通信することができる。
【００９０】
記したように、センサから情報を収集するためにスリップリングを使用することができる。スリップリングは、回転アセンブリに電気接続を作るための方法を提供する。回転電気インターフェイス、回転電気コネクタ、コレクタ、スイベルまたは電気回転継手とも呼ばれるスリップリングは典型的には、風力タービンシャフト上に取り付けられているが、シャフトから隔離されている導電性円またはバンドからなる。固定接触子またはブラシは、リングと接触して進み、電力または信号をシステムの外部静電部に伝達する。スリップリングは当技術分野で知られており、風力タービンでの使用は、電気接続性を与えるために使用されてきた。
【００９１】
回転アセンブリからセンサ情報を伝達する別の実施形態は、２つのコイル間の誘導結合によるものであり、一方のコイルは回転アセンブリまたはフレーム内に設置され、もう一方のコイルは第１のコイルに近接して設置されるが、回転していない。典型的には、より高い周波数および変調方式を使用して、当技術分野で知られているような誘導信号伝達が可能になる。
【００９２】
記したように、本明細書で詳細に説明した測定システムから利益を受ける１つの例示的応用例は、風力タービンの駆動系に関する。風力タービンは、より大きな回転子に関する非対称風状態によって生じる、シャフト上の曲げモーメントでの問題を有する傾向があり、問題はより大きな回転子ブレードシステムで大きくなる。風力タービン負荷制御システムの一実施形態は、非対称負荷用一次センサとしてメインシャフトを使用することを含んでいる。別の態様は、時間が経過しても正確および安定した方法で、曲げモーメント、シャフトトルク、および他のパラメータを測定することを可能にするために磁気符号化が必要である。
【００９３】
１つの例示的実施形態は、風力タービンシャフトのシャフトトルクおよび曲げモーメントの信頼性のあるリアルタイム測定、および風力タービンの特別な負荷および制御要件に関する。システムは、迅速な制御動作を可能にし、それによって屈曲モーメント測定に基づく、屈曲モーメントの監視、および非対称荷重制御（ＡＬＣ）を行う際のこのようなモーメントの減少を含む、非対称および対称負荷に対するタービンの動的負荷が減少する。既存のタービンの反応時間は比較的ゆっくりである。というのは、従来の負荷感知は、負荷に対する反応である発電機出力電力を測定することに基づくからである。本システムは、シャフトのリアルタイム感知を行い、発電機出力を測定するシステムより速い応答を可能にする。したがって、本システムは、ピッチ角度または他のアクチュエータのリアルタイム制御でのより動的な非対称および対称負荷制御を行う。
【００９４】
高い帯域幅および再現性を備えたトルク測定はまた、システムが高度の維持計画のために、またはギアボックス故障の早期検出などの疲労診断のために、早期の段階で回転子シャフトシステム内の振動または技術的問題を検出することを可能にする。
【００９５】
全ての動作状態におけるトルクのリアルタイム監視はまた、風力タービンのより高いエネルギー出力を可能にする。一態様では、システムは、発電機電力を測定することに基づく負荷測定より迅速な動的負荷変化の検出を可能にする。直接トルク感知は、風力タービンピッチ角度または同様のアクチュエータのリアルタイム動的制御を可能にし、それによって動的負荷が最小限に抑えられる。風力タービンエネルギー出力は、タービンがより大きなブレードを備えている場合に大きくなることができ、風が強く吹いていない場合により大きな電力を生成することができる。強く動的な風状態の場合、高度な動的（リアルタイム）制御は、大きなタービンブレードを損傷から保護する。
【００９６】
正確および信頼性のある曲げモーメント感知に加えて、信頼性のあるリアルタイムトルク測定は、より少ない動的負荷のより積極的な風力タービン設計につながるより動的な制御を可能にし、それによって許容可能な構造重量を小さくし、より大きな回転子が可能になる。このような信頼性のある感知システムなしでは、複雑なフィードバックシステムが故障する危険性があり、したがって、風力発電所を稼動させることができない、または小さい電力特徴でしか稼動させることしかできない。
【００９７】
磁気符号化はまた、風力タービン制御システムで使用される、時間が経過しても高い精度および安定性での測定を可能にするために、ピッチおよびヨーシステムなどのメインシャフトおよび風力タービン構成要素の他の位置で使用することができる。特定の実施形態で詳細に説明した非対称負荷システムは、センサをエンジン室固定座標に組み込み、センサ寿命、信頼性、および比較的単純なエンジン室固定配線を提供する。いくつかの構成では、各センサは、メイン軸受に取り付けられたセンサブラケットに取り付けられている。センサからのセンサ読取は、非対称固定子負荷を小さくするための各固定子ブレードに対するピッチコマンド、およびピッチ活性を小さくするための望ましいヨー配向を決めるために、制御システムによって使用される測定変位またはモーメントを与える。
【００９８】
永久磁気符号化されたスチール部分に基づくトルク感知システムは、高い長期間安定性で異なるシャフト部分でシャフト電力出力および屈曲を測定することを可能にする。これは、風力タービンだけでなく、個別のタービン段階の間の電力出力の小さな減少を容易に検出することができ、それによって予防保守を行い、タービンまたはコンプレッサの耐用年数の間常にエネルギー効率を高く保持することを可能にする、蒸気タービン、ガスタービンまたは大型コンプレッサにも非常に関連している。
【００９９】
本発明の実施形態の前述の説明は、図示および説明の目的で提示したものである。包括的であること、または本発明を開示した正確な形態に限ることを意図したものではない。本開示を鑑みて、多くの変更形態および変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明ではなく、むしろ添付の特許請求の範囲によって限定することを意図している。
【符号の説明】
【０１００】
１０  符号化シャフト
２０  一次符号化
２２  一次符号化
２４  一次符号化
２６  一次符号化
３０  対の対向する極性点
３２  対の対向する極性点
３４  対の対向する極性点
３６  対の対向する極性点
４０  二次符号化領域
４２  二次符号化領域
４４  二次符号化領域
４６  二次符号化領域
５０  対の対向する極性点
５２  対の対向する極性点
５４  対の対向する極性点
５６  対の対向する極性点
６０  一次ドメイン境界
７０  二次ドメイン境界
２００  感知システム
２１０  符号化シャフト
２２０  一次符号化領域
２３０  二次符号化領域
２４０  一次センサ
２５０  二次センサ
２６０  固定具
２７０  非接触固定具
２７５  固定センサ
２８０  一次ドメイン境界
２９０  二次ドメイン境界
２９５  処理ユニット
３１０  シャフト
３１５  正の符号化部材
３２０  負の符号化部材
３３０  内部表面
３３５  正の分極磁場
３４０  負の分極磁場
３５０  空洞区間
３７０  境界
３８０  符号化部分
３８５  シャフト内部表面
３９５  新しい内部表面
４１０  中空シャフト
４１５  フレーム
４２５  対になった導電性部材
４３０  対になった導電性部材
４３５  間隙
５０５  シャフト
５１０  正の端部
５１５  戻り端部
５２０  弓形セグメント
５２５  電極
５３０  戻り端部
５３５  正の端部
５４０  弓形セグメント
５４５  電極
５５０  ドメイン境界
５６０  内部表面上の戻り電流
５７０  内部表面上の戻り電流
６００  風力タービンアセンブリ
６０５  シャフト
６１０  非接触センサユニット
６１５  非接触センサユニット
６２０  非接触センサユニット
６２５  非接触センサユニット
６３０  ハウジング
７００  風力タービンアセンブリ
７２０  センサ
７２５  駆動シャフトハウジング
７３０  シャフト
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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