СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ БАНДАЖНЫХ ОБОЛОЧЕК РОТОРОВ
METHOD FOR EDDY CURRENT MONITORING OF ROTOR BANDAGE SHELLS INTEGRITY

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электрических машинах при диагностировании состояния бандажных оболочек роторов.
Известен способ обнаружения трещин на деталях вращения (патент на изобретение RU №2517786, МПК G01N 27/90, 27.05.2014), заключающийся в том, что наличие трещины на контролируемом изделии определяют при получении порогового сигнала вихретокового преобразователя, при этом деталь вращают, а вихретоковый преобразователь скользит по поверхности детали в окружном направлении, получают пороговый сигнал о наличии трещины, при условии, что сигналы от конструктивных концентраторов напряжений при данном расположении вихретокового преобразователя не достигают порогового сигнала, определяют частоту вращения детали, обеспечивающую выявление трещины, строят зависимость минимально-выявляемой длины трещины от частоты вращения детали, перед вращением контролируемого изделия, на котором вблизи концентратора напряжений установлен вихретоковый преобразователь, выбирают по полученной зависимости частоту вращения контролируемого изделия, которая обеспечивает выявление трещины установленной минимальной длины, при вращении контролируемого изделия, по поверхности которого скользит вихретоковый преобразователь в окружном направлении, с выбранной частотой вращения по сигналу вихретокового преобразователя определяют наличие трещины в концентраторе напряжений, если сигнал достигает порогового сигнала, по выявленной зависимости определяют по частоте вращения контролируемого изделия длину трещины, размер которой больше или равен минимально-выявляемой величине, и контролируемое изделие снимают с эксплуатации, если сигнал вихретокового преобразователя не достигает порогового сигнала, то контролируемое изделие допускается к очередному этапу эксплуатации до следующего контроля.
Недостатком данного способа является невозможность обнаруживать дефекты на гладких поверхностях из-за установки вихретокового преобразователя на поверхность изделия вблизи концентратора напряжений.
Известен способ вихретокового контроля электропроводящих объектов и устройство для его реализации (патент на изобретение RU №2610931, МПК G01N 27/90, 17.02.2015), который основан на том, что в электропроводящем объекте постоянным магнитным полем возбуждают вихревой ток и сканируют электропроводящий объект вихретоковым преобразователем, содержащим по меньшей мере один индуктор постоянного поля и по меньшей мере один датчик изменения электромагнитного поля при перемещении вихретокового преобразователя и электропроводящего объекта, фиксируют сигналы, соответствующие изменению электромагнитного поля, по результатам измерений которых определяют наличие дефектов. При этом возбуждение вихревых токов в электропроводящем объекте осуществляют с помощью вихретокового преобразователя накладного типа, в котором датчики изменения электромагнитного поля устанавливают на полюсе индуктора постоянного поля, а возбуждение вихревых токов осуществляют через датчик изменения магнитного поля. Вихретоковый преобразователь состоит по меньшей мере из одного индуктора постоянного поля и по меньшей мере из одного датчика изменения электромагнитного поля, и блока обработки и анализа, вход которого связан с выходом датчика изменения электромагнитного поля. В качестве вихретокового преобразователя используют вихретоковый преобразователь накладного типа, при этом датчик изменения электромагнитного поля закреплен на полюсе индуктора постоянного поля, причем датчик изменения электромагнитного поля и индуктор постоянного поля выполнены в виде единого целого.
Недостатком данного способа является невозможность обнаружения дефектов во вращающихся изделиях из-за использования вихретокового преобразователя, состоящего из индуктора постоянного магнитного поля и датчика изменения магнитного поля.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ вихретокового контроля медной катанки и устройство для его реализации (патент на изобретение RU №2542624, МПК G01B 7/06, 20.02.2015), заключающийся в том, что в продольно перемещающемся со скоростью V (м/с) изделии в плоскости, перпендикулярной ее перемещению, возбуждают посредством вихретокового преобразователя проходного типа вихревой ток, измеряют напряжение, соответствующее изменению сопутствующего ему электромагнитного поля, полученный сигнал обрабатывают посредством фильтрации по низкой и высокой частоте, усиливают в усилителе, преобразуют в цифровую форму и после электронной обработки осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата с результатами, хранящимися в статистической базе данных, при этом возбуждение вихревых токов в контролируемом изделии осуществляют путем применения в вихретоковом преобразователе по крайней мере не менее одного мощного постоянного магнита, жестко закрепленного с соосно установленным ему датчиком изменения электромагнитного поля, наведенного вихревым током в контролируемом объекте, электронная обработка осуществляется компьютером, управляемым программой, разработанной на основе статистической базы данных, составленной по результатам измерения в образцах с искусственными дефектами.
Недостатком прототипа является невозможность обнаружения дефектов во вращающихся изделиях из-за использования вихретокового преобразователя, состоящего из постоянного магнита и датчика изменения магнитного поля, а также обеспечение расположения индуктора постоянного магнитного поля и датчика изменения магнитного поля по разные стороны относительно проверяемого объекта.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет возбуждения вихревых токов переменным напряжением высокой частоты и упрощения конструкции вихретокового преобразователя.
Техническим результатом является повышение достоверности диагностирования величин дефектов бандажных оболочек из углеродного волокна, а также повышение надежности при эксплуатации электрических машин.
Указанный результат достигается тем, что в изделии возбуждают посредством вихретокового преобразователя вихревой ток, измеряют напряжение, соответствующее изменению сопутствующего ему магнитного поля, полученный сигнал обрабатывают посредством фильтрации по низкой и высокой частоте, усиливают в усилителе, преобразуют в цифровую форму и после электронной обработки осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата с результатами, хранящимися в статистической базе данных, при этом, электронную обработку осуществляют компьютером, управляемым программой, разработанной на основе статистической базы данных, составленной по результатам измерения в образцах с искусственными дефектами, согласно изобретению, осуществляют контроль бандажной оболочки ротора электрической машины в виде полого цилиндра из углеродного волокна, вихретоковые преобразователи выполняют в виде дополнительных катушек, расположенных на кромках зубцов статора, при этом вихретоковые преобразователи совмещают работу источника магнитного поля и датчика изменения магнитного поля, возбуждение вихревых токов в бандажной оболочке осуществляют переменным магнитным полем путем подачи в вихретоковые преобразователи переменного напряжения высокой частоты, которая не совпадает с частотами пространственных и временных гармоник электрической машины, при отключении переменного напряжения высокой частоты в вихретоковых преобразователях фиксируют величины наведенных высокочастотных электродвижущих сил, соответствующих изменению магнитных полей, вызванных вихревыми токами, по которым определяют величину дефекта.
Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображено поперечное сечение электрической машины.
Пример конкретной реализации способа.
Способ реализуется на примере высокооборотного синхронного генератора с постоянными магнитами мощностью 100 кВт, частотой вращения ротора 60000 об/мин, частотой выходного напряжения 2000 Гц, выходным линейным напряжением 400 В. Магнитная система ротора представляет собой четыре полюса с четырьмя постоянными магнитами 1, активная длина ротора 2 составляет 180 мм, внешний диаметр 60 мм, поверх постоянных магнитов ротора установлен бандаж 3 из углеродного волокна. Внутренний диаметр магнитопровода статора 4 составляет 70 мм, внешний - 137 мм. Обмотка 5 статора имеет 24 катушки, четыре катушки приходятся на фазу.
При вращении ротора генератора в номинальном режиме, от источника питания подают переменное напряжение высокой частоты на вихретоковые преобразователи 6. При этом частоту подаваемого напряжения выбирают не совпадающей со значениями высших пространственных и временных гармоник электрической машины. За счет этого в бандаже 3 из углеродного волокна под действием «скин-эффекта» на поверхностном и подповерхностном слое на глубине в несколько миллиметров наводятся вихревые токи. Вихревые токи в бандаже 3 из углеродного волокна создают магнитное поле. Далее снимают переменное напряжение высокой частоты, и вихретоковые преобразователи 6 работают в качестве датчиков изменения магнитного поля. В бандаже 3 из углеродного волокна, не содержащем дефектов в виде обрыва углеродных волокон, вихревые токи генерируют противодействующее переменное магнитное поле, которое наводит в вихретоковом преобразователе 6, работающем в качестве датчика изменения магнитного поля, высокочастотную электродвижущую силу, которую фильтруют и усиливают по одной частоте в блоке фильтрации и усиления, далее оцифровывают в блоке аналого-цифрового преобразователя и передают в статистическую базу данных на компьютере. При возникновении дефекта, например при обрыве углеродных волокон в бандаже 3, снижается проводимость данного участка. Поэтому наведенные в бандаже 3 вихревые токи уменьшаются, противодействующее магнитное поле уменьшается, значит и наведенная данным полем амплитуда высокочастотной электродвижущей силы также снижается. Далее сравнивают амплитуды сигналов высокочастотной электродвижущей силы исправного и дефектного бандажа и определяют величину дефекта. Своевременное обнаружение дефекта на его ранних стадиях позволяет повысить надежность при эксплуатации электрической машины. В противном случае повреждение бандажа ротора может привести к разрушению электрической машины, работающей на высоких оборотах, вез возможности восстановления.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности за счет упрощения конструкции вихретокового преобразователя и возбуждения вихревых токов переменным напряжением высокой частоты. Кроме того, заявляемый способ обеспечивает диагностирование величины дефектов бандажных оболочек из углеродного волокна, а также повышение надежности при эксплуатации электрических машин.