CA2359207A1 - Appareil et methode permettant d'evaluer l'etat d'un circuit magnetique d'une machine electrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé qui consiste à placer une sonde (8) devant une paire de dents disposées sur la face d'un circuit magnétique d'une machine électrique. Cette sonde comporte des fourchons magnétiques (16, 18) pourvus de faces d'extrémités (17) afin de relier lesdites dents avec les faces d'extrémité alignées sur les dents. Les fourchons sont pourvus d'un enroulement d'excitation (20) et d'un enroulement de mesure (22).
L'enroulement d'excitation est excité afin d'induire un flux magnétique dans une zone d'essai formée par les dents situées devant la sonde et par une partie du circuit magnétique s'étendant entre lesdites dents. Le courant circulant dans l'enroulement d'excitation et la tension traversant l'enroulement de mesure sont mesurés afin de calculer une énergie électrique obtenue, laquelle donne des indications sur l'état de la zone d'essai. Cet appareil est constitué de la sonde et d'un dispositif électronique exécutant les fonctions mentionnées ci-dessus.

Description

APPAREIL ET MÉTHODE POUR ÉVALUER UN ÉTAT D'UN CIRCUIT
MAGNÉTIQUE D'UNE MACHINE ÉLECTRIQUE
CHAMP DE L'INVENTION
L'invention porte en général sur des dispositifs et des méthodes pour tester, et plus particulièrement sur un appareil et une méthode pour évaluer un état d'un circuit magnétique d'une machine électrique. L'appareil et la méthode peuvent être utilisés pour détecter et repérer rapidement des défauts possibles sur des circuits magnétiques de stators de grands alternateurs. Ils sont aussi applicables pour des moteurs et des transformateurs.
HISTORIQUE
Généralement, le circuit magnétique d'une machine électrique est constitué d'un empilage de tôles métalliques. Pour éviter l'échauffement des tôles causé par la circulation des courants de Foucault, les tôles sont isolées entre elles à l'aide de vernis ou autres matériaux isolants. Les défauts auxquels on réfère sont provoqués par des courts-circuits entre les tôles. Dans le cas des stators d'alternateurs, de tels défauts peuvent être provoqués par exemple par une pièce métallique (e.g. un boulon) se détachant et venant endommager la face du stator, un claquage entre le bobinage sous tension (13kV) et le stator, ou l'usure des vernis. Ces défauts doivent être localisés.
Une méthode de l'art antérieur consiste en une inspection visuelle. Cette méthode de base est toujours utilisée et permet de localiser certains défauts apparents. Cette méthode est subjective puisqu'elle dépend des habiletés de la personne qui l'applique. Elle ne peut être utilisée pour détecter des défauts dans les encoches ou entre les bandes de métal d'un stator. Cette méthode est de plus difficile à pratiquer avec un rotor en place.
Une autre méthode de l'art antérieur consiste en un essai de magnétisation. Dans cette méthode, un flux magnétique intense ~t (~80% du flux nominal) est généré dans la couronne du stator à l'aide de bobines d'excitation temporaires montées sur le stator à cet effet. Une caméra infrarouge observe la face intérieure du stator pour détecter les points chauds. Cette méthode est

2 qualitative et ne peut être utilisée pour détecter des défauts sur seulement une partie. Elle requiert une source d'excitation externe puissante, et les bobines d'excitation sont imposantes. Les temps d'installation et d'essai sont longs, elle requiert plusieurs ouvriers et est impraticable avec le rotor en place.
Une autre méthode de l'art antérieur consiste en un essai de détection d'imperfections du noyau électromagnétique (ELCID). Dans cette méthode, un flux magnétique faible ~t (~4% du flux nominal) est induit dans la couronne du stator à l'aide d'une bobine d'excitation temporaire montée sur le stator à
cet effet. Une sonde de mesure explore la face intérieure du stator pour détecter des anomalies. Dans cette méthode, la préparation du stator est similaire à
l'essai de magnétisation, à l'exception qu'elle implique une source moins puissante et une bobine d'excitation temporaire plus modeste. Cette méthode est quantitative.
Néanmoins, elle est plus ou moins appropriée pour détecter des défauts entre les tôles de métal, elle nécessite encore une source d'excitation externe et le montage d'une bobine d'excitation, et plusieurs ouvriers. De plus, le temps d'installation est long et le temps d'essai est dans la moyenne.
Les deux dernières méthodes mentionnées impliquent des coûts élevés, et peuvent fournir des résultats imprécis.
D'après le brevet US no 4,215,310 (Schwerer, III), une méthode et un appareil de test magnétique sont déjà connus dans lesquels une sonde de test portant des bobines d'excitation et de mesure est disposée contre une pièce de test de matériau magnétique et/ou électriquement conducteur. Des propriétés de la pièce en test sont déterminées en appliquant un courant d'attaque alternatif contrôlé dans la bobine d'excitation de manière à produire une tension AC dans la bobine de mesure et en mesurant le courant d'attaque appliqué à la bobine d'excitation lorsque l'intégrale-temps de la tension induite dans la bobine de mesure AC correspond à un flux magnétique nul dans les entrefers.
D'après le brevet US no 5,341,095 (Shelton et al.), un dispositif de test d'un stator d'une machine dynamoélectrique est déjà connu dans lequel une bobine et une paire d'aimants sont déplacés sur une longueur du stator pour détecter des courants axiaux de stator.

3 SOMMAIRE
Un objet de la présente invention est de proposer un appareil et une méthode pour évaluer un état d'un circuit magnétique d'une machine électrique, qui sont simples, précis et faciles à utiliser.
Un objet subsidiaire de l'invention est de proposer pareils appareil et méthode qui ne nécessitent pas le montage et l'installation de bobines d'excitation sur la machine électrique, et sont praticables avec un rotor et des bobines de stator en place.
Un objet subsidiaire de l'invention est de proposer pareils appareil et méthode qui ont des coûts compétitifs par rapport aux méthodes de l'art antérieur, et fournissent des résultats quantitatifs et reproductibles.
L'appareil selon la présente invention comprend une sonde ayant une partie transversale magnétique, des première et deuxième branches magnétiques espacées se projetant de la partie transversale sur un côté de celle-ci, un bobinage d'excitation enroulé autour de la première branche, et un bobinage de mesure enroulé autour de la deuxième branche, les branches ayant des faces terminales respectives adaptées pour concorder avec une paire de dents se projetant d'une face du circuit magnétique, avec les faces terminales alignées avec les dents. Une source d'excitation est connectée électriquement au bobinage d'excitation. Un moyen de mesure de courant mesure un courant circulant dans le bobinage d'excitation. Un moyen de mesure de tension mesure une tension à travers le bobinage de mesure. Un moyen de calcul calcule une puissance résultante à partir du courant et de la tension mesurés par le moyen de mesure, la puissance résultante étant indicative de l'état d'une zone en test formée des dents de la paire en face de la sonde et une partie du circuit magnétique s'étendant entre elles.
La méthode selon l'invention comprend les étapes de: (a) disposer une sonde en face d'une paire de dents du circuit magnétique, la sonde ayant une partie transversale magnétique, des première et deuxième branches magnétiques espacées se projetant de la partie transversale sur un côté de celle-ci, un bobinage d'excitation enroulé autour de la première branche, et un bobinage de mesure enroulé autour de la deuxième branche, les branches ayant , CA 02359207 2001-07-19

4 des faces terminales respectives adaptées pour concorder avec les dents de la paire en face de la sonde avec les faces terminales alignées avec les dents de la paire; (b) exciter le bobinage d'excitation pour induire un flux magnétique dans une zone en test formée des dents de la paire et une partie du circuit magnétique s'étendant entre elles; (c) mesurer un courant circulant dans le bobinage d'excitation; (d) mesurer une tension à travers le bobinage de mesure; et (e) calculer une puissance résultante à partir du courant et de la tension, la puissance résultante étant indicative de l'état de la zone en test.
L'invention est particulièrement avantageuse en ce qu'elle ne requiert pas d'installation de circuits d'excitation spéciaux autour du circuit magnétique de la machine électrique à tester. Une interprétation immédiate des résultats peut être réalisée avec l'invention. Cela prend relativement peu de temps pour inspecter le circuit magnétique à l'aide de l'invention, comparativement aux méthodes de l'art antérieur. L'invention fournit un appareil et une méthode simples, précis et faciles à utiliser.
DESCRIPTION BR~VE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera fournie ci-après en référence aux dessins suivants, dans lesquels les mêmes numéros se réfèrent aux mêmes éléments:
Figure 1 est un diagramme schématique d'un appareil selon l'invention, pour tester le circuit magnétique d'un stator;
Figure 2 est un circuit électrique équivalent simplifié de l'appareil avec le circuit magnétique tel qu'illustré à la Figure 1;
Figure 3 est un diagramme schématique d'un circuit d'excitation et de mesure analogique pour l'appareil selon l'invention;
Figure 4 est un diagramme schématique d'un circuit d'excitation et de mesure numérique pour l'appareil selon l'invention;
Figure 5 est une vue en perspective de la sonde de l'appareil selon l'invention; et Figure 6 est une vue partielle agrandie d'une face terminale de la sonde illustrée à la Figure 5.

, CA 02359207 2001-07-19 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATION PRÉFÉRÉES
En référence à la Figure 1, il est montré un diagramme schématique d'un appareil selon l'invention, pour évaluer l'état du circuit magnétique d'un stator 2

5 (la Figure montre une vue partielle transversale du stator 2) ayant une face dotée d'une série de dents 4 saillantes espacées. Un tel circuit magnétique est généralement formé d'un assemblage de tôles de matériau magnétique superposées, chacune revêtue avec un matériau électriquement isolant.
La méthode selon l'invention consiste à induire localement un flux magnétique ~ dans une partie 6 du circuit magnétique à tester, au moyen de l'appareil selon l'invention, qui comprend une sonde 8 formée d'un circuit magnétique 10 en forme de "C". Le même circuit magnétique 10 sert aussi à des fins de détection. En opération, la sonde 8 est placée en face d'une paire de dents 4 du circuit magnétique du stator 2. Le circuit magnétique 10 de la sonde 8 et de la zone en test 6 du stator 2, qui est magnétiquement couplé avec la sonde 8, forme un circuit magnétique en test. Le circuit magnétique 10 de la sonde 8 a une partie transversale 14, et des première et deuxième branches 16, 18 espacées se projetant de la partie transversale 14 sur un côté de celle-ci.
Les branches 16, 18 ont des faces terminales 17, 19 adaptées pour concorder avec la paire de dents 4 dans zone en test 6, avec les faces terminales 17, 19 en alignement avec les dents 4.
L'appareil a des composants électroniques 34 pour la génération et le traitement des signaux. Les composants électroniques 34 incluent une source d'excitation 12 connectée à un bobinage d'excitation 20 enroulé autour de la première branche 16 de la sonde 8, pour induire le flux magnétique ~ dans la zone en test 6. La sonde 8 a un bobinage de mesure 22 enroulé autour de la deuxième branche 18, pour mesurer le niveau de flux réel induit dans le circuit magnétique en test. L'appareil est muni d'un circuit de mesure de tension 24, pour mesurer une tension V(t) à travers le bobinage de mesure 22. La tension V(t) ainsi mesurée reflète le flux induit puisque V(t)=md~/dt, où m est le nombre de tours du bobinage de mesure 22 autour de la deuxième branche 18. Un circuit de mesure de courant 26 mesure le courant I(t) requis pour induire ce flux.
Ceci

6 peut être réalisé en utilisant un shunt 28 ou toute autre méthode et dispositif appropriés à cet effet. Un circuit de calcul 30 mesure une puissance résultante à
partir du courant et de la tension mesurés par les circuits de mesure 24, 26.
La puissance résultante peut être calculée en utilisant la formule de puissance instantanée P(t)=V(t)~1(t). Une lecture correspondant à la puissance résultante peut être affichée en utilisant un compteur 32 connecté au circuit de calcul 30.
En l'absence de défauts dans la zone en test 6, la puissance résultante correspond aux pertes normales dans tout le circuit magnétique en test. Les pertes normales ici référées sont des pertes fer normales. Elles sont constituées des pertes par hystérésis Wh et des pertes par courant de Foucault WF. Ces pertes sont généralement exprimées en Watt/cm3 et quelquefois en Watt/Kg. Les pertes par hystérésis sont données par Wh=rifB" où ri est un coefFcient associé à
la qualité des tôles impliquées dans le processus, f est la fréquence d'excitation, et B est l'induction maximale élevée à la puissance n, 1 <n<_2. Les pertes par courant de Foucault sont données par WF=(elp)f2B2 où e est l'épaisseur des tôles impliquées dans le processus, p est la résistivité des matériaux, f est la fréquence d'excitation, et B est l'induction maximale élevée à la puissance 2.
L'appareil mesure les pertes totales Wt=Wh+WF. Avec la présente configuration du circuit magnétique en test, les pertes totales peuvent être calculées avec la relation Wt=Kf'~5B'.s où K est un coefficient qui tient compte de la qualité des tôles (épaisseur, résistivité, facteur d'hystérésis, etc.). Les deux exposants peuvent .
être différents sur d'autres configurations.
En présence de défauts dans la zone en test 6, une augmentation de la valeur de la puissance résultante peut être observée, donc des pertes. En présence de défauts (e.g. un court-circuit entre les tôles) dans le circuit magnétique en test, la puissance mesurée augmente puisque ces défauts donnent lieu à des courants de Foucault additionnels. L'appareil mesure donc Wc-Wn+WF+W'F où W F représente les pertes additionnelles causées par les courants circulant dans les défauts (assimilables à des courants de Foucault).
Ainsi, la puissance résultante est indicative de l'état de la zone en test 6 formée des dents 4 de la paire impliquée dans le processus et une partie du circuit magnétique s'étendant entre elles.

7 En réalisant la différence entre les pertes typiques sans la présence de défauts et les pertes rapportées par le compteur 32, on obtient une valeur liée à
la gravité des défauts possibles. Cette opération peut être réalisée, par exemple, mentalement (l'utilisateur compare la lecture avec des enregistrements préétablis), en calibrant le "0" du compteur 32 avant le test, ou en concevant le circuit de calcul 30 pour tenir compte automatiquement des pertes typiques dans les calculs. En pareil cas, le circuit de calcul 30 a une entrée 31 pour recevoir un signal REF indicatif des pertes typiques.
La différence entre la puissance mesurée et la puissance typique laisse apparaître seulement le terme W F lié à l'ampleur du défaut. Le problème consiste à déterminer la valeur des pertes dites normales afin d'obtenir une lecture près de zéro lorsqu'il n'y a pas de défauts. Deux voies sont possibles. Une première voie consiste à déterminer les pertes normales (sonde 8 et zone de test 6) par calculs. Pour la machine électrique, les divers coefficients caractéristiques des tôles du stator en test, l'épaisseur des tôles, le volume effectif en test, les divers niveaux d'induction dans ce volume, les effets parasites tels le coefficient de foisonnement ou les flux de fuite, doivent tous être connus. La marge d'erreur sur la valeur finale risque d'être importante. Pour la sonde 8, c'est une constante qui peut être déterminée en laboratoire. Une deuxiéme voie consiste à déterminer statistiquement les pertes normales. Idéalement, on procédera à des mesures lors de la mise en route de la machine électrique. On obtient ainsi une valeur représentative (moyenne de la distribution à faible écart type) des pertes pour cette machine. C'est le zéro, la référence absolue de son historique. On peut aussi réaliser des mesures sur une machine ayant un certain âge mais dont l'état est réputé bon. Dans ce cas, la distribution pourrait être légèrement plus étalée avec une moyenne plus élevée s'il y a eu effectivement un vieillissement. Ce zéro relatif peut tout de même servir de référence pour le suivi et permettre de détecter l'apparition de défauts. Sur une machine en mauvais état, où l'on n'a jamais déterminé un zéro, la référence sera établie en procédant à des mesures dans une zone que l'on considère comme acceptable. Si aucune référence fiable ne peut être établie, il reste la solution d'analyser globalement, par des méthodes statistiques, les résultats d'un grand nombre de mesures sur la machine afin de

8 faire ressortir les défauts malgré la possibilité d'un écart type important, d'une distribution bimodale, etc.
Pour s'affranchir de l'entrefer résiduel 36 entre les faces terminales 17, 19 des branches 16, 18 et des dents 4 du circuit magnétique, la source d'excitation 12 est de préférence ajustée pour obtenir un flux ~ d'amplitude constante, donc un V(t) à travers le bobinage de mesure 22 d'amplitude constante. Cet ajustement peut être manuel ou automatisé.
Puisque les pertes sont directement liées au niveau d'induction B, il est important de connaître ce dernier. A cet effet, il est soit possible de normaliser (par calcul) les pertes mesurées à un niveau quelconque vers un niveau d'induction référence ou bien fonctionner à un niveau d'induction constant (pour rendre les mesures immédiatement comparables).
En pratique, les changements d'induction peuvent provenir de deux sources principales. La première source principale est les variations de l'entrefer 36 entre les faces terminales 17, 19 des branches 16, 18 et les dents 4 dans la zone en test 6. Sans correction, ces variations risquent d'entraîner un changement dans le niveau d'induction à chaque fois que l'on applique la sonde 8 sur le circuit magnétique de la machine électrique. La deuxième source principale est la réluctance du circuit magnétique de la machine électrique en test. D'une machine à l'autre, le circuit magnétique n'a pas nécessairement la même profondeur, le même écartement entre les dents 4, et n'est pas composé
de matériaux aux propriétés magnétiques identiques. Sans correction, ces variations entraînent un changement du niveau d'induction d'une machine à
l'autre.
Dans la réalisation de l'appareil illustré à la Figure 1, un circuit de contrôle 38 est fourni pour contrôler la tension du signal AC produit par la source d'excitation 12 en fonction de la tension V(t) à travers le bobinage de mesure 22.
La fonction du circuit de contrôle 38 est de contrôler automatiquement l'induction de la sonde 8 basée sur l'équation générale B=V/mSf. Ainsi, en mesurant la tension instantanée V à travers le bobinage de mesure 22, l'induction B peut être connue au niveau de cette branche (la branche 18) du circuit magnétique en test puisque le nombre de tours m du bobinage de mesure 22, la section S du circuit , CA 02359207 2001-07-19

9 magnétique en test (la section de la deuxième branche 18) et la fréquence d'excitation f sont connus. La tension de la source d'excitation 12 sera commandée en conséquence pour rencontrer la consigne d'induction BSet par exemple par le biais d'une comparaison. Le circuit de contrôle 38 peut être doté
d'une entrée 37 pour recevoir le signal de consigne d'induction Bit et, dans le cas où la source d'excitation a une fréquence contrôlable, d'une entrée 39 pour recevoir un signal de réglage de fréquence fsec.
En référence à la Figure 3, il est montrée une version analogique possible des composants électroniques 34 de l'appareil. Dans cette version, la source d'excitation 12 produit un signal AC ayant une tension donnée et une fréquence ajustable. Le circuit de contrôle est composé d'un intégrateur 40, un circuit RMS
("root-means-square"), un circuit différentiel 44, un potentiomètre 46 et un amplificateur à gain contrôlable 48.
L'intégrateur 40 est connecté au bobinage de mesure 22 et réalise la fonction (1/Sm)jV(t) où S est la section du circuit magnétique 10 sous le bobinage de mesure 22, m est le nombre de tours du bobinage de mesure 22 autour de la branche 18 et V(t) est la tension à travers le bobinage de mesure 22. Cette fonction fournit la densité de flux magnétique B(t) dans le circuit magnétique en test, sous la forme d'une tension. Cette tension est transmise au circuit RMS

qui fournit une valeur RMS de la densité de flux Bans, sous la forme d'une tension.
Cette tension est transmise au circuit différentiel 44 qui produit un signal de commande proportionnel à la différence entre la tension représentant Brins et une tension représentant l'induction désirée Blet dans le circuit en test. La tension représentant l'induction désirée Blet peut être produite à l'aide d'un simple potentiomètre 46 qui permet un ajustément. Le signal de commande est transmis à un amplificateur à gain contrôlé 48 connecté entre la source d'excitation 12 et le bobinage d'excitation 20.
Le bobinage d'excitation 20 est shunté à l'aide d'une résistance 52 ayant une faible résistance R. La tension V'S(t) à travers la résistance 52 est appliquée à un circuit de gain 1/R 54, pour produire un signal de tension représentant le courant instantané I(t) circulant dans le bobinage d'excitation 20. La tension V(t) à travers le bobinage de mesure 22 est appliquée à un circuit de gain n/m 56 pour produire un signal de tension V'(t) représentant la tension instantanée à
travers la partie inductive du bobinage d'excitation 20, n, m étant le nombre de tours des bobinages d'excitation et de mesure 20, 22, respectivement. Les deux signaux de tension produits par les circuits de gain 54, 56 sont transmis à un 5 multiplicateur 58 qui produit un signal de tension représentant la puissance instantanée P(t) dans le circuit magnétique en test. Le signal de tension produit par le multiplicateur 58 est passé dans un filtre passe-bas 60 pour obtenir un signal de tension représentant la puissance moyenne Pavera9e, indicative des pertes dans le circuit magnétique en test. Ce signal de tension filtré est transmis

10 à un circuit différentiel 62 qui soustrait une tension représentant les pertes typiques du circuit magnétique en test (i.e. sans défauts), et produit un signal indicatif des pertes de puissance engendrées par des défauts possibles dans le circuit magnétique en test (i.e. dans la zone en test 6 telle qu'illustrée à
la Figure 1 ). Les pertes typiques peuvent être ajustées à l'aide d'un potentiomètre 64.
En référence à la Figure 4, il est montrée une version numérique possible des composants électroniques 34 de l'appareil. Dans cette version, toutes les fonctions réalisées par les circuits de mesure, de calcul et de contrôle et la source d'excitation, sont commodément réalisés par un arrangement de circuit basé sur un microcontrôleur 66. Le microcontrôleur 66 est muni de convertisseurs analogiques-numériques 68, 70 pour convertir les tensions V'S(t) et V(t) en des signaux numériques lisibles par le microcontrôleur 66. La source d'excitation est réalisée par un convertisseur numérique-analogique 72 connecté
au microcontrôleur 66, et un amplificateur 74. Le microcontrôleur 66 a une entrée 92 connectable à un clavier 78 qui peut être utilisé pour régler le niveau d'induction désiré pour la sonde 8 et la fréquence d'opération de la source d'excitation, en plus de divers autres paramètres d'opération de l'appareil comme la référence des pertes de base, le type de sonde (nombre de tours des bobinages 20, 22), etc. Le microcontrôleur 66 a une entrée 94 connectable à un compteur 32 utilisé pour fournir une lecture des pertes calculées par le microcontrôleur 66, donc un affichage de la gravité du défaut, ainsi que d'autres données sur requête de l'utilisateur.

11 Le microcontrôleur 66 est ainsi programmé pour réaliser tous les calculs nécessaires, incluant le contrôle de la densité de flux.
Grâce à la puissance de calcul d'un microcontrôleur, la performance de l'appareil peut être améliorée de plusieurs façons, e.g. l'apprentissage automatique des valeurs des pertes de base, la mémorisation et la sélection de ces valeurs en relation avec des machines électriques identifiées, l'affichage de divers paramètres comme le niveau d'induction, le courant mesuré, des statistiques sur une série de mesures, la mémorisation des données pour analyse ultérieure.
En utilisant V(t) à travers le bobinage de mesure 22 au lieu de la tension du signal AC produit par la source d'excitation 12, les pertes cuivre dans le bobinage d'excitation 20 sont éliminées des calculs de perte. Ceci améliore donc la sensibilité de l'appareil. De la même façon, des matériaux magnétiques de haute qualité et une géométrie appropriée devraient être choisis pour construire la sonde 8 afin de minimiser les pertes dans la sonde 8 elle-même.
Le calcul des pertes tient compte des pertes dans la zone en test 6 et aussi dans la sonde 8 elle-même puisqu'elle est une partie intrinsèque de l'ensemble du circuit magnétique en test. L'appareil sera d'autant plus sensible que les pertes fixes seront minimisées. Du côté du stator, il y a toujours des pertes de base qui sont évaluées tel que décrit ci-dessus, pour les éliminer de la mesure. Du côté de la sonde 8, il y a des pertes dans le circuit magnétique 10 (pertes fer) et des pertes dans les bobinages 20, 22 (pertes cuivre).
En référence à la Figure 5, il est montrée une réalisation de la sonde 8. La sonde est faite de tôles 76 de haute qualité empilées et isolées électriquement, comme pour le stator. La qualité des tôles 76 est choisie pour minimiser les pertes (fer) dans la sonde 8 et pour obtenir un circuit magnétique ayant la plus faible réluctance possible.
Ceci est réalisé à l'aide de tôles 76 minces de haute permittivité, de faible facteur d'hystérésis, de haute résistivité, etc. II est aussi question d'une géométrie appropriée, i.e. de circuit magnétique 10 court, de volume minimal, d'angle optimal sur les faces terminales 17, 19 en contact magnétique avec le stator pour . CA 02359207 2001-07-19

12 minimiser l'entrefer 36 (tel que montré à la Figure 1), de bobinages 20, 22 concentrés pour minimiser le flux de fuite, etc.
En référence à la Figure 2, il est montré un circuit équivalent simplifié de l'appareil.
Pour minimiser les pertes cuivre, des conducteurs de très faible résistance Rp sont de préférence utilisés. Le calcul des pertes peut être réalisé avec la relation Wt=VS(t)~I(t) où VS(t) est la tension du signal AC produit par la source d'excitation 12, et I(t) est le courant circulant dans le bobinage d'excitation 20. En pareil cas, on tient compte des pertes fer représentées par Rf, et des pertes cuivre, représentées par Rp, de la sonde 8. II n'y a pas de pertes cuivre dans le bobinage secondaire 22 si le circuit est ouvert. Pour calculer les pertes fer seulement, il faudrait non pas utiliser la tension Vg(t) de la source 12 mais la tension à travers Rf. Ce point n'est pas physiquement accessible. Toutefois, cette tension correspond exactement (au rapport de tours près) à la tension de sortie V(t) si le bobinage 22 du secondaire est ouvert. Ainsi, Wt=V(t)~I(t) correspond uniquement aux pertes fer dans un circuit idéal tel que celui illustré à la Figure 2.
En référence à la Figure 1, le réglage de fréquence via le circuit de contrôle 38 permet de commander la fréquence f de la source d'excitation 12.
Cette particularité est avantageuse pour au moins deux raisons. Dans les machines électriques actuelles, la plage utilisable est de 50 Hz à quelques kilohertz. A mesure que la fréquence augmente, les pertes par courant de Foucault (f2) dominent sur les pertes par hystérésis (proportionnelles à f).
Or, les défauts recherchés sont vus comme des pertes par courant de Foucault. La sensibilité de l'appareil est donc augmentée. La construction de la sonde 8 est plus facile à haute fréquence. Le bobinage d'excitation 20 comporte moins de tours, et le circuit magnétique 10 nécessite moins de métal.
Les dimensions de la sonde 8 sont fixées par certaines considérations.
Préférablement, la longueur du chemin magnétique dans la sonde 8 est minimisée. II en va de même pour le volume de métal de la sonde 8. La sonde 8 devrait concorder avec les dents 4 du stator en test. La distance centre-à-centre entre les branches 16, 18 de la sonde 8 est de préférence la même que la distance centre-à-centre entre les dents 4 du stator. II est aussi préférable que

13 chaque branche 16, 18 de la sonde 8 soit légèrement plus étroite que l'épaisseur d'une dent 4. Ceci facilite l'alignement et assure un meilleur couplage magnétique. Les dents 4 sont normalement formées par des groupes de tôles, les groupes étant séparés par des canaux d'aération. La hauteur d'une dent est dans la plage des 4 à 5 cm, alors que la hauteur d'un canal d'aération est dans la plage des 5 à 6 mm. Les dents 4 sont aussi séparées par des encoches verticales 88 recevant les bobinages de puissance 90. En ce qui concerne l'épaisseur de la sonde 8, il y a deux limites. La sonde 8 pourrait être de la mëme épaisseur qu'une dent 4. Dans ce cas, il serait uniquement possible de localiser la dent défectueuse 4. La sonde 8 pourrait être très mince (quelques tôles).
Dans ce cas, la position du défaut pourrait être localisée à l'intérieur de la dent 4 elle-même. Toutefois, cette précision augmenterait considérablement le temps d'inspection et rendrait l'alignement de la sonde 8 plus difficile. De préférence, pour des configurations standards de stator, la sonde 8 a une épaisseur qui représente le tiers de la hauteur d'une dent 4. La portabilité et la facilité
d'utilisation sont aussi d'autres facteurs dont on peut tenir compte.
L'entrefer 36 devrait être minimisé et gardé le plus constant possible. Si l'entrefer 36 est trop grand, il n'y a plus de couplage magnétique avec le stator.
On ne peut donc repérer des défauts. Toutefois, cette situation est facilement détectable par l'appareil car le courant de la source d'excitation 12 devient anormalement élevé. Dans la plage normale de fonctionnement, de l'ordre du millimètre, le couplage est adéquat. Normalement, la partie de la face 86 du stator 2 impliquée dans le processus n'est pas plate; c'est une infime partie (~20 cm) d'un cercle (~10 m de diamètre). Pour améliorer le couplage magnétique et réduire l'entrefer 36 entre les faces terminales 17, 19 des branches 16, 18 et la dent 4 dans la zone en test 6, les faces terminales 17, sont de préférence usinées pour concorder avec la courbure du stator 2.
En référence à la Figure 6, puisque le diamètre du stator 2 est grand en comparaison avec l'espacement des branches 16, 18, il n'est pas nécessaire d'usiner les faces terminales 17, 19 en arcs de cercle; un simple angle 80 est suffisant.

14 En référence à la Figure 5, l'entrefer résiduel 36 provient donc de la rugosité des surfaces des dents, de la présence de peinture en surface et de la qualité de l'alignement de la sonde 8. Une manière simple de minimiser les variations de l'entrefer 36 est d'imposer un entrefer connu. Ceci peut être réalisé
en dotant les faces terminales 17, 19 de la sonde 8 de pièces d'espacement 82 (seul la pièce d'espacement 82 de la face terminale 19 est montrée dans la Figure, pour des raisons de clarté) d'épaisseur connue, e.g. couches de Teflon de 0,5 mm. Ainsi, l'effet de l'entrefer 36 est contrôlé et le glissement de la sonde 8 est même facilité. Les pièces d'espacement 82 peuvent être fixées à la sonde de n'importe quelle manière appropriée. Par exemple, chaque pièce d'espacement 82 peut être formée d'une seule feuille de Teflon pliée sur chaque branche 16, 18 de la sonde 8. Les boulons 84 utilisés pour retenir les tôles ensemble peuvent être utilisés pour retenir aussi les feuilles de Teflon.
L'assemblage des tôles 76 de la sonde 8 peut aussi être enveloppé dans un revêtement de plastique pour les retenir ensemble, les protéger et fournir en même temps les pièces d'espacement 82.
II devrait être noté que les explications et équations précédentes sont valides dans la mesure où le circuit magnétique n'est pas saturé. Le fait de fonctionner à une induction fixe et contrôlée surmonte ce problème.
Bien que des réalisations de l'invention ont été illustrées dans les dessins ci-joints et décrites ci-dessus, il sera évident pour ceux versés dans l'art que des changements et des modifications peuvent y être apportés sans s'écarter de l'essence de cette invention. Par exemple, la sonde 8 peut être dotée de branches additionnelles (non illustrées) pour couvrir plusieurs dents 4 à la fois. La forme de la sonde 8 peut être changée, dans la mesure où elle convient aux fonctions décrites ci-dessus. Les pièces d'espacement 82 peuvent être utilisées pour fournir l'angle 80 à la place des faces terminales 17, 19. La sonde 8 peut être appliquée à deux dents 4 adjacentes ou non (i.e. avec d'autres dents 4 entre elles). La sonde 8 peut être formée par exemple de poudre métallique. Toutes pareilles modifications ou variantes sont considérées être dans la portée de l'invention telle que définie par les revendications ci-annexées.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Un appareil pour évaluer un état d'un circuit magnétique d'une machine électrique, le circuit magnétique ayant une face (86) dotée d'une série de dents (4) saillantes espacées, l'appareil comprenant:
une sonde (8) ayant une partie magnétique transversale (14), des première et deuxième branches magnétiques espacées (16, 18) se projetant de la partie transversale (14) sur un côté de la partie transversale (14), un bobinage d'excitation (20) enroulé autour de la première branche (16), et un bobinage de mesure (22) enroulé autour de la deuxième branche (18), les branches (16, 18) ayant des faces terminales respectives (17, 19) adaptées pour concorder avec une paire desdites dents (4) avec les faces terminales (17, 19) en alignement avec les dents (4) de ladite paire;
une source d'excitation (12) électriquement connectée au bobinage d'excitation (20);
un moyen de mesure de courant (26) pour mesurer un courant circulant dans le bobinage d'excitation (20);
un moyen de mesure de tension (24) pour mesurer une tension à travers le bobinage de mesure (22); et un moyen de calcul (30) pour calculer une puissance résultante à partir des courant et tension mesurés par les moyens de mesure (24, 26), la puissance résultante étant indicative de l'état d'une zone en test (6) formée des dents (4) de ladite paire et une partie du circuit magnétique s'étendant entre les dents (4).

2. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel la source d'excitation (12) a une sortie pour produire un signal AC ayant une tension, l'appareil comprenant de plus un moyen de contrôle (38) pour contrôler la tension du signal AC en fonction de la tension à travers le bobinage de mesure (22).

3. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel le moyen de contrôle (38) comprend:

un moyen de comparaison (44) pour comparer une induction B dans la sonde (8) avec une consigne d'induction, l'induction B étant exprimée comme B=V/mSf où V est la tension à travers le bobinage de mesure (22), m est un nombre de tours du bobinage de mesure (22) autour de la deuxième branche (18), S est une section de la deuxième branche (18), et f est une fréquence du signal AC; et un moyen d'ajustement (46) répondant au moyen de comparaison (44), pour ajuster la tension du signal AC de sorte que l'induction B corresponde à
la consigne d'induction.

4. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel le moyens de calcul (30) comprend un moyen (62) pour soustraire une valeur de pertes de puissance de référence de la puissance résultante.

5. L'appareil selon la revendication 1, comprenant de plus un compteur (32) connecté au moyen de calcul (30) pour afficher une lecture représentative de la puissance résultante.

6. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel la partie et les branches (14, 16, 18) de la sonde (8) comprennent un nombre de tôles superposées (76) isolées électriquement les unes des autres.

7. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel les faces terminales (17, 19) des branches (16, 18) ont une distance centre-à-centre correspondant substantiellement à une distance centre-à-centre entre les dents (4) de ladite paire.

8. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel les dents (4) ont une épaisseur prédéterminée, et les faces terminales (17, 19) des branches (16, 18) ont une épaisseur plus petite que l'épaisseur des dents (4).

9. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel les faces terminales (17, 19) des branches (16, 18) sont dotées de pièces d'espacement électriquement isolants (82) adaptés pour s'appuyer contre les dents (4) de ladite paire pour fixer une épaisseur d'entrefer entre la sonde (8) et les dents (4) de ladite paire lorsque la sonde (8) est en position de fonctionnement.

10. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel la partie et les branches (14, 16, 18) de la sonde (8) ont généralement ensemble une configuration en forme de "C".

11. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel les faces terminales (17, 19) des branches (16, 18) sont biseautées par rapport à des axes principaux des branches (16, 18).

12. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mesure et de calcul (24, 26, 30) sont réalisés par un circuit comprenant:
un premier convertisseur analogique-numérique (68) ayant une entrée connectée au bobinage d'excitation (20), et une sortie;
un deuxième convertisseur analogique-numérique (70) ayant une entrée connectée au bobinage de mesure (22), et une sortie; et un microcontrôleur (66) ayant des première et deuxième entrées connectées respectivement aux sorties des convertisseurs analogiques-numériques (68, 70), et une sortie pour produire un signal représentatif de la puissance résultante.

13. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel les moyens de mesure et de calcul (24, 26, 30), la source d'excitation (12) et le moyen de contrôle (38) sont réalisés par un circuit comprenant:
un premier convertisseur analogique-numérique (68) ayant une entrée connectée au bobinage d'excitation (20), et une sortie;
un deuxième convertisseur analogique-numérique (70) ayant une entrée connectée au bobinage de mesure (22), et une sortie;

un microcontrôleur (66) ayant des première et deuxième entrées connectées respectivement aux sorties des convertisseurs analogiques-numériques (68, 70), une troisième entrée pour recevoir des signaux de consigne, une première sortie pour produire un signal représentatif de la puissance résultante, et une deuxième sortie pour produire un signal numérique représentatif du signal AC; et un arrangement convertisseur numérique-analogique et circuit amplificateur (72, 74), ayant une entrée connectée à la deuxième sortie du microcontrôleur (66), et une sortie pour produire le signal AC.

14. L'appareil selon la revendication 13, comprenant de plus:
un compteur (32) connecté à la première sortie du microcontrôleur (66) pour afficher une lecture représentative de la puissance résultante; et un clavier (78) connecté à la troisième entrée du microcontrôleur (66), pour générer les signaux de consigne.

15. Une méthode pour évaluer un état d'un circuit magnétique d'une machine électrique, le circuit magnétique ayant une face (86) dotée d'une série de dents (4) saillantes espacées, la méthode comprenant les étapes de:
placer une sonde (8) en face d'une paire desdites dents (4), la sonde (8) ayant une partie transversale magnétique (14), des première et deuxième branches magnétiques espacées (16, 18) se projetant de la partie transversale (14) sur un côté de la partie transversale (14), un bobinage d'excitation (20) enroulé autour de la première branche (16), et un bobinage de mesure (22) enroulé autour de la deuxième branche (18), les branches (16, 18) ayant des faces terminales (17, 19) respectives adaptées pour concorder avec les dents (4) de ladite paire avec les faces terminales (17, 19) en alignement avec les dents (4) de ladite paire;
exciter le bobinage d'excitation (20) pour induire un flux magnétique dans une zone en test (6) formée des dents (4) de ladite paire et une partie du circuit magnétique s'étendant entre les dents (4);
mesurer un courant circulant dans le bobinage d'excitation (20);

mesurer une tension à travers le bobinage de mesure (22); et calculer une puissance résultante à partir du courant et de la tension, la puissance résultante étant indicative de l'état de la zone en test.

16. La méthode selon la revendication 15, comprenant de plus les étapes de:
comparer la puissance résultante avec une valeur de puissance référence pour déterminer un état de défaut dans la zone en test (6).

17. La méthode selon la revendication 16, dans laquelle la valeur de puissance référence est déterminée en calculant une puissance typique à
s'attendre en fonction de caractéristiques physiques du circuit magnétique et de la sonde (8).

18. La méthode selon la revendication 16, dans laquelle la valeur de puissance référence est déterminée en réalisant la méthode avant une première utilisation du circuit magnétique.

19. La méthode selon la revendication 15, dans laquelle les étapes sont répétées pour toutes les dents (4) du circuit magnétique pour localiser des parties défectueuses possibles du circuit magnétique.

20. La méthode selon la revendication 19, dans laquelle la source d'excitation (12) est ajustée pour induire un flux magnétique ayant une amplitude constante dans chaque zone en test (6).