KR20140077968A

KR20140077968A - 전자기 코어 결함 테스팅 또는 el-cid 테스팅 전에 발전기 컴포넌트들을 자기소거하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140077968A
Application number: KR1020147013260A
Authority: KR
Inventors: 마이클 제이. 메탈라; 워너 젤만
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-06-24
Also published as: WO2013059268A3; MX2014004642A; US20130094117A1; CN103890872A; CA2852086A1; EP2769388A2; JP2014532392A; WO2013059268A2; US8941970B2

Abstract

본 발명은 발전기 고정자 코어(generator stator core)(20)의 자력(magnetism)을 결정 및 감소시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 코어 가까이 하나 또는 둘 이상의 전도체들(38)을 연장시키는 단계, 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 극성-반전 여기 전압(polarity-reversing excitation voltage)을 인가하는 단계, 및 시간에 걸쳐 상기 전압의 진폭을 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 전압은 전류가 상기 전도체들에서 흐르도록 초래하고, 상기 전류는 상기 코어를 자기소거하는 자기장을 발생시킨다. 상기 방법 및 장치는 상기 코어의 핫스팟(hot spot)들을 결정하는데 유용하다.

Description

전자기 코어 결함 테스팅 또는 EL-CID 테스팅 전에 발전기 컴포넌트들을 자기소거하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DEMAGNETIZING GENERATOR COMPONENTS PRIOR TO ELECTROMAGNETIC CORE IMPERFECTION TESTING OR EL-CID TESTING}

본 발명은 일반적으로, 발전기 코어 단락(generator core short)들 및 다른 코어 결함(core imperfection)들을 식별하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 이러한 단락들 및 다른 결함들을 테스팅(testing)하기 전에 발전기 코어를 자기소거(demagnetize)하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다.

전기 발전기는, 다이나모일렉트릭 머신(dynamoelectric machine)의 발전기-작동 원리들에 따라 회전 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 터닝 토크(turning torque)가, 연소 또는 스팀-구동 터빈(combustion or steam-driven turbine)에 의해 회전 및 자화되는 회전자에 공급되고, 고정적인 쉘-형의 원통형 고정자(stationary shell-like cylindrical stator)에서, 교류(AC) 전기, 통상적으로 3상 AC로 전환된다. 고정자의 축방향 보어(axial bore) 내의 회전자의 회전은, 고정자 코어(stator core)에 의해 지지되는 고정자 권선들 내에 AC 전기를 발생시킨다.

발전기는, 27 킬로볼트(kilovolts)까지의 전압들에서 2,222 MVA까지의 출력 전력을 공급하는 기계적으로 부피가 크고 전기적으로 복잡한 구조이다. 큰 발전기, 예를 들어 500 메가와트(megawatt) 발전기 ― 무게가 약 200 톤(tons)임 ― 는, 길이가 대략 6 미터(meters)이고, 직경이 2.6 미터이며, 약 1.3 미터의 보어 직경 및 약 0.75 내지 약 2.0 인치(inches)의 에어 갭(air gap)(즉, 회전자와 고정자 사이)을 갖는다. 전기 발전기들은 전기 전력 시스템의 1차 전력 생성기들이다.

고정자 코어는, 수평으로 스택(stack)되고 함께 클램핑(clamp)되는 수천개의 얇은 고-투자율(예를 들어, 강철)의, 원주방향으로-슬롯형성된 라미네이션(thin high-permeability(e.g., steel) circumferentially-slotted lamination)들(일 실시예에서, 약 200,000 개의 라미네이션들)을 포함한다. 각각의 라미네이션은 중앙 개구(central opening)를 규정하고, 따라서 스택될 때, 복수의 개구들은 코어의 축방향 길이를 연장시키는 축방향 보어를 규정한다. 복수의 라미네이션들은 고정자 코어를 규정한다. 각각의 라미네이션은 두께가 약 0.3 ㎜이고, 각각의 라미네이션이 접촉하는 인접한 라미네이션들로부터 각각의 라미네이션을 전기적으로 절연하기 위해, 그리고 이에 의해 와전류 손실(eddy current loss)들을 감소시키기 위해 절연 재료, 예를 들어 바니쉬(varnish)로 코팅(coat)된다. 코어 라미네이션들은, 코어의 원주 둘레에 분포되는 바아(bar)들 또는 로드(rod)들에 의해 함께 홀딩(hold)되고, 각각의 라미네이션을 통해 축방향으로 연장된다.

각각의 라미네이션(및 따라서 고정자 코어)은 복수의 내부로 향하는(inwardly facing)(즉, 코어의 중심선을 향하는) 치형부들(teeth)을 더 포함한다. 통상적으로 전기적으로 절연된 구리 바아(copper bar)들을 포함하는 고정자 권선들은, 연속적인 치형부들 사이에서 규정되는 평행 슬롯(parallel slot)들 내에 배치된다. 구리 바아들은 코어의 길이를 따라 축방향으로 연장된다. 발전기 출력 전류는 이들 구리 바아들 내에서 발생된다.

회전자는 회전 터빈(rotating turbine)에 의해 회전가능하게 구동되고, 여자기(exciter)로부터 공급된 직류에 의해 에너지가 가해진 축방향 필드 권선(또한 회전자 권선으로 지칭됨)을 보유한다. 회전자 권선에 의해 생성된 (시간에 대해) 일정한 자속(magnetic flux)이 고정자 코어 내에서 회전하기 때문에, 이는 고정자 권선들을 컷팅(cut)하고, 이들 권선들 내에서 교류를 발생시킨다. 강철 라미네이션들은, 고정자 코어가 스피닝 회전자(spinning rotor)의 자속에 대한 낮은 자기 임피던스(magnetic impedance)의 경로(path)를 제공하는 것을 보장한다.

회전자 및 고정자는 프레임(frame) 내에 인클로징(enclose)된다. 각각의 회전자 단부는, 회전자와 프레임 사이에 저-마찰 계면(low-friction interface)을 제공하기 위해 프레임에 부착된 베어링(bearing)들과 협력하는 베어링 저널(bearing journal)을 포함한다.

회전자의 회전하는 자기장의 작용에 의해 고정자 권선들에서 유도된 AC 전기는, 외부 전기 부하로의 연결을 위해 발전기 프레임(generator frame) 상의 외부 단자들로 흐른다. 3상 교류는, 고정자 코어 둘레에 120°로 이격된 3개의 독립적인 고정자 권선들을 포함하는 발전기에 의해 생성된다. 단상(single-phase) 교류는 단일 고정자 권선으로부터 공급된다.

(고정자 권선들에서의 원하는 전류들과 대조적으로) 검출되어 수리되지 않는 경우, 심각한 코어 과열, 폭발, 또는 화재를 초래할 수 있는 고정자 코어에서의 원하지 않는 전류들의 발생을 방지하는 것이 필수적이다. 인접한 라미네이션들 사이의 절연은, 이러한 전류들의 형성 및 흐름을 방지하도록 의도된다. 그러나, 라미네이션들 사이의 절연, 특히 보어 개구에 가까운 치형부 에지(tooth edge)를 따르는 절연이, 어셈블리(assembly), 동작 또는 유지보수 동안 손상되는 경우, 전도 회로(conducting circuit)들이 형성될 수 있다. 회전하는 플럭스(rotating flux)가 이들 회로들 내에 전류들을 유도할 수 있고; 이들 전류들의 흐름은 손상된 영역에 핫 스팟(hot spot)들(과열을 유도하는 높은 전류 밀도의 구역들)을 초래할 수 있다. 계속되도록 허용되는 경우, 핫 스팟을 둘러싸는 구역에서 발생된 고온은 또한, 고정자 전도체들을 둘러싸는 전기 절연을 손상시키거나 또는 가능하게는 상기 전기 절연의 장애를 초래할 수 있어서, 이들 고정자 전도체들의 교체를 필요하게 만든다. 전체적인 코어가 재건(rebuild)되어야할 정도로 핫 스팟들이 크게 성장되는 상황들이 존재할 수 있다.

루프 테스트(loop test)로 지칭되는 하나의 종래 기술의 핫 스팟 검출기(hot spot detector)는, 일시적인 고전력의 링 플럭스 루프(temporary high-power ring flux loop)를 이용하여 코어를 그의 동작 플럭스 밀도(operating flux density)에 가까운 자속 밀도(예를 들어, 동작 플럭스 밀도의 약 85%)로 여기시킨다. 이러한 기법은, 발전기 프레임의 외측 둘레에서, 고정자 보어를 통해 연장되고, 그 다음으로 보어를 통해 후퇴(back through)되는 헤비 게이지 전도체(heavy gauge conductor)를 이용한다. 이러한 전도체의 3 내지 10회의 턴들(turns)이 일반적으로 요구된다. 루프에는 고전압으로 에너지가 가해지고, 기술자들은, 핫 스팟들을 찾아서 고정자의 표면을 수동으로 검사하기 위해 보어 내에 위치된다.

써모그래픽 인스펙션 기법(thermographic inspection technique)은, 수동 관측(hands-on observation)들을 실시하는 것에 대한 대안이다. 이러한 기법은 또한, 코어를 그의 가동의(또는 거의 가동의) 자속 밀도로 여기시키기 위해 헤비 게이지 전도체를 이용한다. 그 다음으로, 적외선 검출기를 이용하여 코어의 전체 표면이 스캐닝(scan)된다. 스캔 프로세스(scan process)는 코어의 일 단부로부터 다른 단부로 실시되고, 이때, 검출기는, 코어 핫 스팟(core hot spot)들을 나타내는 적외선 방사를 찾아서 축방향으로 그리고 원주방향으로 횡단한다.

루프 테스트는 통상적으로, 새로운 또는 다시 감긴(rewind) 고정자 코어 상에서 수행되는데, 그 이유는 테스트가 수행될 수 있기 전에 회전자가 제거되어야만 하기 때문이다. 테스트는, 그러한 코어 상에서 실시되는 후속 루프 테스트들(또는 다른 핫 스팟 검출 테스트들)에 대한 비교를 위해 베이스라인 결과(baseline result)를 제공한다. 이들 나중의 테스트들은 잠재적인 핫 스팟들을 드러낼 수 있다. 베이스라인 테스트 결과(baseline test result)들과의 비교에 의해, 특정 핫 스팟이 최근에 전개되었는지 또는 베이스라인 테스트 동안 존재했었는지를 결정할 수 있다.

더욱 최근에는, 전자기 검출기들, 이를 테면 미국 특허 번호 제 5,321,362호에서 기술된 바와 같은 EL-CID(Electromagnetic Core Imperfection Detector)가, 코어 핫 스팟들을 식별하기 위해 이용되어 왔다. 이러한 기법은, 일 실시예에서, 고정자 코어의 보어에 설치된 번호 10 AWG 300-볼트 와이어(No. 10 AWG 300-volt wire)의 여기 전류 루프(excitation current loop)(일반적으로 6회의 턴들)를 이용한다. 와이어는 보통, 상술된 고전력 루프 테스트 기법에서 이용되는 전도체의 경로와 유사한 방식으로, 보어 중심선을 따라 그리고 프레임 둘레에 서스펜딩(suspend)된다.

전도체 루프(conductor loop)는 일정-주파수 진폭-조정가능 AC 전압의 소스(예를 들어, 240-볼트 가변 변압기(variable transformer))에 연결된다. 별개의 단일-턴 탐색 코일(separate single-turn search coil)은, 코어 여기의 적합한 레벨(proper level)이 언제 달성되었는지를 결정한다. 통상적으로, 전압은, 발전기 코어의 동작 플럭스 밀도의 대략 4%의 플럭스 밀도를 생성하도록 조정된다. 이러한 낮은 플럭스 밀도에서, 기술자들은, 축방향 전류들이, 단락된 라미네이션들을 통해 흐름에 따라, 그러한 전류들로부터 나오는(emanating) 자기장들을 검출함으로써, 라미네이션들에서의 축방향 전류들을 검출하기 위해, 검출기 픽업 코일(detector pickup coil)(즉, 채턱 코일 또는 센서(Chattock coil or sensor))을 이용하여 보어에 안전하게 진입할 수 있다. 대안적으로, 특히, EL-CID 테스트가 실시될 때, 회전자가 적소에 있는 애플리케이션에서, 픽업 코일은 보어 내에서 움직이도록 원격으로 제어된다.

적소의 회전자를 이용하여 테스트들을 실시하기 위해, 본 발명의 양수인은, EL-CID 센서(EL-CID sensor)를 운반하는 로봇 캐리지(robotic carriage)가 회전자와 고정자 사이의 에어 갭 공간에 공급되는 프로세스(상업적으로 FAST GEN^SM 테스트(FAST GEN^SM test)로 지칭됨)를 개발하였다. FAST GEN 인스펙션(FAST GEN inspection)들에 있어서, 여기 전류 루프는, 에어 갭을 통해 또한 스레딩(thread)되는, 약 6 또는 7회의 턴들의 평평한 전도체 케이블을 포함한다.

EL-CID 테스트가, 회전자가 적소에 있는 채로 실시되든 또는 회전자가 제거된 채 실시되든, EL-CID 픽업 코일(pickup coil) 또는 센서는, 보어를 규정하는 전체적인 내부로-향하는 표면(inwardly-facing surface) 위에서 움직인다. 센서는, 전체 360° 원주 둘레의 그리고 코어의 전체 축방향 길이에 걸쳐 모든 코일 슬롯(coil slot)들 및 치형부들을 테스트하기 위해, 일련의 오버랩핑 원주 패턴(overlapping circumferential pattern)들에서 움직인다. 출력 신호는 출력 디바이스 상에서 관측되거나 또는 플로팅(plot)된다. 라미네이션들에서의 상승된 축방향 전류의 임의의 영역들은, 보어를 규정하는 코어의 표면을 따르든 또는 그러한 표면 아래에 얼마간 떨어져 있든, 출력 신호에서 피크(peak)들로서 표시된다. 교정 조치(corrective action)에 대한 필요성은, 이들 피크들을 분석함으로써 결정될 수 있다.

EL-CID 여기 전압의 원하는 값은, 고정자 라인-투-라인 전압(stator line-to-line voltage), 상 권선 당 턴들의 수(the number of turns per phase winding), 코일 피치(coil pitch), 회전자 극들의 수, 및 고정자 권선 슬롯(stator winding slot)들의 수를 포함하는 여러 코어 및 고정자 파라미터(core and stator parameter)들의 함수이다. 결과적인 여기 전압은, 원하는 레벨의 자속을 생성하고, 이는 차례로, 픽업 코일(pick-up coil)에서 원하는 전압을 발생시킨다. 이러한 값의 플럭스는, 코어의 축방향 길이를 따라 고정자 코어의 인접한 치형부들 사이에서 균일한 스칼라 자기 전위 강하(uniform scalar magnetic potential drop)를 생성한다. 코어의 핫 스팟들은, 축방향 및 원주방향 양측 모두에서 이러한 균일한 전위를 방해하여서, 상이한 전위 값을 생성하고, 이는 센서 코일에 의해 검출될 수 있다.

검출기 픽업 코일로부터의 출력 신호들은, 식별되었던 임의의 핫 스팟 또는 결점(flaw)을 특징화하는 것을 돕기 위해 (예를 들어, 동일한 코어의 더 이른 스캔들, 이를 테면 베이스라인 스캔(baseline scan)에 기초하여), 출력 신호들을 알려진 기준 값들과 비교함으로써, 추가로 프로세싱 및 분석될 수 있다.

발전기 동작 동안 그리고 루프 테스트(이는 발전기의 정격 플럭스(rated flux)의 약 85%에서 수행됨) 동안 강한 실시간 자기장들이 생성되고; 잔류(residual) 자기장들은, 발전기가 셧다운(shutdown)된 후 또는 루프 테스트가 종결된 후 남아있는 자기장들이다. 이들 잔류 필드들의 특징 및 세기는 코어 재료(core material)의 자기 특성(magnetic property)들, 코어 재료의 열 처리, 잔류 응력(residual stress)들, 및 코어가 셧다운되었던 방식의 함수들이다.

(루프 테스트 또는 EL-CID 테스트 중 어느 하나를 실시함으로써) 코어 핫 스팟들을 식별하는 데 있어서, (예를 들어, 새로운, 재스택(restack)된 또는 다시 감긴 코어 상에서) 잔류 자력(residual magnetism)이 0 또는 거의 0인 경우에 핫 스팟 테스트를 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 테스트의 결과들은 베이스라인 결과들 또는 플랫 라인 결과(flat line result)들(예를 들어, 최소 또는 0 잔류 자력, 이때 잔류 자력에 의해 초래된 테스트 출력에서 어떠한 잡음도 없음)을 지칭한다. 새롭게-제조된 코어들을 테스트할 때, "플랫 라인" 트레이스 플롯("flat line" trace plot)이 각각의 테스트된 코일 슬롯에 대해 생성된다. 이러한 플롯은 이상적인 베이스라인을 제공하는데, 그 이유는 잔류 자력이 0이기 때문이다. 베이스라인은, 발전기에 대한 모든 미래의 테스트 결과들과의 비교 및 경향 분석(trend analysis)들을 위해 나중에 이용될 수 있다.

코어 셧다운 후에 코어에 남아있는 잔류 자력의 양은 정확하게 결정가능하지도 않고 정확하게 제어가능하지도 않다. 이는, 발전기가 셧다운될 때의 자기장 세기의 레벨 및 특정 코어에 대한 BH 곡선(자속(B) 및 자기장 세기(H) 곡선)으로부터 결정된다. 루프 테스트 후에 남아있는 잔류 자력의 양은 또한, 코어에 대한 BH 곡선으로부터 결정된다.

잔류 자력의 원인 및 영향들을 이해하기 위해, EL-CID 여기 루프(EL-CID excitation loop)를 1차 변압기 코일로서, 그리고 EL-CID 센서를 2차 변압기 코일(감압(step down))로서 고려할 수 있다. 고정자는, 변압기 코어로서 기능하고, 따라서 변압기 효율성의 1차 결정요인(determinant)이다. 자기소거된 코어(이는, 높은 투자율 및 낮은 자기저항(reluctance)을 갖는데, 그 이유는 자기저항 및 투자율이 반비례 관계(inversely related)에 있기 때문임)는 더욱 효율적이고 균질하며; 자기장들이 고정자 코어를 용이하게 통과하기 때문에, 전력이 1차 회로로부터 2차 회로로 깨끗하게(즉, 잡음을 거의 갖지 않음) 그리고 용이하게 전송된다. 코어의 잔류 자력은 코어 투자율을 감소시키고(결국 자기장들의 자기저항 또는 저항을 증가시킴), 코어에서의 전기 손실들을 상승시키고, 1차 및 2차 코일들 사이의 전력의 전송에서의 변동(fluctuation)들을 초래한다. 이러한 잔류 자력의 결과로서, 1차 코일 전압에서의 작은 변화가 2차 코일 전압에서의 큰 변화를 초래한다. 이들 큰 전압들은 고정자 "단락 회로들"에 의해 생성된 신호들을 모방(mimic)하고, EL-CID 테스트가 이를 검출하도록 설계된다. 따라서, 고정자(즉, 변압기 코어)의 잔류 자력은, EL-CID 여자기와 검출기 사이의 전력의 전송과 간섭함으로써, EL-CID 신호들을 마스킹(mask)하거나 또는 악화(exacerbate)시킨다.

불행하게도, 결과적인 노이지 EL-CID 테스트 결과(resulting noisy EL-CID test result)들(수치적인 형태로든 또는 그래픽적 형태(graphical form)로든)은, 정확한 테스트 결과(true test result)들로부터, 잔류 자력으로 인한 영향들을 제거하기 위해, 지루한 해석 및 경향 분석을 요구한다. 루프 테스트 후에 수행된 EL-CID 테스트의 결과들은 통상적으로, 루프 테스트 후에 남아 있는 잔류 자력으로 인해 높은 잡음 레벨(noise level)을 보인다. 발전기 셧다운 후에 수행된 EL-CID 테스트의 결과들은 또한, 발전기 동작으로부터 초래된 잔류 자력으로 인해 다시(again) 높은 잡음 레벨들을 보인다. 루프 테스트 전에 수행된 EL-CID 테스트들은 통상적으로, 훨씬 더 낮은 잡음 신호 레벨(noise signal level)을, 그러나 여전히 문제가 있는 레벨을 표시한다.

잔류 자력의 양은 또한, 발전기가 셧다운되는 방식 ― 즉, 정상 셧다운(normal shutdown) 또는 강제 셧다운(forced shutdown) ― 에 의존한다. 정상 셧다운은 통상적으로, 최소 잔류 자력을 생성한다. 이머전시 셧다운(emergency shutdown) 또는 부하의 급속한 손실(rapid loss of load)(즉, 강제 셧다운)은 상당한 잔류 자기장들이 고정자에 존재하도록 초래할 수 있다.

새로운 코어들이 실제 사용되지(in active service) 않았고, 이전의 루프 테스트도 겪지 않았기 때문에, EL-CID 테스트가, 거의-이상적인 테스트 컨디션(test condition)들 하에서, 즉 잔류 자력의 영향들 없이 새로운 코어에 대해 수행될 수 있다. 각각의 테스트의 시간에서 잔류 자력의 양에 있어서의 가능한 차이로 인해, 새로운 코어의 EL-CID 테스트 결과들을, 코어가 사용된(in service) 후의 코어로부터의 결과들과 비교하는 것은 어렵다. 잔류 자력 ― 존재하는 경우 ― 은 테스트 결과들을 오염시켜서(foul), 결과들을 정확하게 비교하고, 경향 분석들을 실시하고, 이전의 테스트 결과들과의 비교에 의해 핫 스팟들의 추가의 악화(deterioration)를 식별하는 것을 어렵게 한다.

이전의 EL-CID 테스트 결과들은 조악한 신호-대-잡음비를 디스플레이(display)하였을 뿐만 아니라, 이들은 또한, "밴딩(banding)"으로 지칭되는 현상을 나타내었다. 밴딩은, 전체적인 트레이스의 일부분 동안 0 레벨 위 및/또는 아래의 EL-CID 트레이스 플롯의 움직임 또는 발진(oscillation)을 지칭한다. 이러한 "밴딩"이, 고정자 코어의 길이를 따라 자기 투자율(magnetic permeability)의 차이들로 인한 것이라는 것이 명백하다. "밴딩"은 코어의 잔류 자기장들의 존재에 의해 악화된다(exacerbated).

전기 방전 손상을 방지하기 위한, 회전하는 기계류의 자기소거 또는 소자(demagnetization or degaussing)는 당해 기술분야에 알려져 있다. 자기 파티클 NDE(magnetic particle NDE)(nondestructive evaluation) 후의 기계류 컴포넌트(machinery component)들의 자기소거는 또한 산업 실시(industry practice)에서 공통적이다. 그러나, 핫 스팟 테스팅을 실시하기 전의 발전기 코어의 자기소거는 지금까지 성공적으로 달성되지 않았다.

본 발명은 다음을 도시하는 도면들을 고려하여, 다음의 설명에서 설명된다:
도 1은 고정자 코어를 자기소거하기 위한 본 발명의 실시예의 부분 평면도 및 부분 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 연관된 단계들을 도시하는 흐름도이다.

본 실시예들은, 코어의 잔류 자기장들, 및 EL-CID 테스트 결과들에서 나타나는 결과적인 "밴딩(banding)" 현상 및 잡음을 감소 또는 가능하게는 제거하는 신규한 그리고 자명하지 않은 기법을 기술한다. 이러한 잔류 자력은, 최근의 루프 핫-스팟 테스트(loop hot-spot test)들에 의해 또는 사용중(active service)으로부터의 발전기의 셧다운(특히, 강제 셧다운) 후에 초래될 수 있다. 또한, 실시예들은, 일정한 계산된 여기 전압 레벨(constant calculated excitation voltage level)에 기초하여 예상된 여기 전류와 비교되는 실제 EL-CID 여기 전류를 이용하여 잔류 자기장들의 감소량을 양적으로(quantitatively) 측정하기 위한 신규한 그리고 자명하지 않은 기법을 기술한다.

본 발명자들은, 노이지, 밴딩, EL-CID 테스트 결과(noisy, banding, EL-CID test result)들(예를 들어, 테스트 결과들의 플롯)과, 고정자 코어에 존재하는 잔류 자력 사이의 관계(link)를 식별하였다. 원하는 4% 플럭스 레벨(flux level)을 생성하기 위해 EL-CID 여기/전도체 루프(excitation/conductor loop)에 인가될 전압을 결정하기 위해, 다양한 발전기 크기 및 가동 파라미터(operational parameter)들이, 당업자들에게 잘 알려진 방정식에 삽입된다. 이러한 전압은 여기/전도체 루프에서 전류를 생성하고, 상기 전류 값이 또한 계산될 수 있다. 그러나, 루프의 실제 전류가, 계산 값보다 더 높은 경우(때때로, 공칭 계산 값보다 3 또는 4 암페어(amperes) 큼), 이는 통상적으로 잔류 자력이 코어에 남아있다는 표시이다.

예상된 것보다 더 높은 전류 및 수반되는 잔류 자력은, 코어가 자기장들에 대해 더 낮은 자기 투자율 및 더 높은 자기저항을 갖는 증거이다. 이들 컨디션들은, 자기 손실들을 초래하고, 이는 더 많은 전류가 여기/전도체 루프를 통해 드로잉(draw)될 것을 요구한다. 부가적인 전류는, 더 많은 전기 잡음의 발생을 초래한다. EL-CID 테스트를 실시하기 전에 코어를 자기소거하는 것은, 코어를 거의 비-자화된 상태로 복원(restore)하여, 전도체 루프에 의해 더 적은 전류가 드로잉되도록, 결국 결과적인 EL-CID 테스트 신호에서의 더 적은 잡음을 초래한다.

또한, 이론적으로, 코어의 잔류 자력의 감소는, 본 발명의 실시예들에 의해 달성되는 바와 같이, 코어의 상대적인 투자율을 증가시키고(자기저항을 낮춤), 결국, EL-CID 테스트를 위해 요구되는 필드들을 확립하기 위해 더 낮은 여기 전류를 요구한다. 또한, 더 낮은 EL-CID 여기 전류는, 검출기로부터의 출력 신호의 더 양호한 신호-대-잡음비, 결국 더욱 정확한 EL-CID 테스트 결과들을 제공한다.

역으로, 높은 값의 잔류 자력을 나타내는 코어는 더 높은 여기 전류를 요구한다. 상기 논의된 바와 같이, EL-CID 테스트 동안, 비교적 낮은 전류가 코어에 공급된다. 그러나, 코어가 높은 잔류 자력을 나타내는 경우, 공급된 전류에 의해 발생된 자기장은, 잔류 자기장에 의해 압도되거나 또는 적어도 영향받을 수 있다. 따라서, EL-CID 테스트 동안 공급된 전류(코어 단락들에 의해 초래된 전류, 이는 차례로, 핫 스팟들을 초래함)에 의해 생성된 자기장들을, 잔류 자기장들로부터 분리하는 것이 더욱 어렵다. 이러한 상황을 극복하기 위해, 더 높은 값의 여기 전류가 EL-CID 테스트들 동안 요구된다.

강자성 재료들은 자기 도메인(magnetic domain)들, 즉 원자 또는 분자 자기 모멘트(atomic or molecular magnetic moment)들이 병렬로 정렬되는 로컬라이징된 구역(localized region)들을 포함한다. 자화되지 않은 재료에서, 도메인들은 무작위로(randomly) 배향되고, 자기 모멘트들(이들은 벡터량(vector quantity)들임)이 0에 부가된다. 재료가 자기장 세기 H에 노출되는 경우, 도메인들은 인가된 필드에 정렬되고 그러한 필드에 부가되는 경향이 있다.

일반적으로, 자기소거 프로세스(demagnetization process)는, 시간이 흐름에 따라 세기가 점진적으로 약화되는 반전 자기장(reversing magnetizing field)에 대상물을 노출시킨다. 필드는, 대상물의 자기 도메인들을 스크램블링(scrambling)함으로써, 잔류 자기장 세기의 대응하는 반전(reversal) 및 감소를 초래한다. 자기소거는 자기소거될 대상물과 관련하여 가까이 배치된 전도체에 전압을 인가함으로써 달성된다. 전압은 전류가 전도체에서 흐르도록 초래하고, 전류는 자기장을 생성한다. 필드 극성을 교번함으로써 그리고 전압을 감소시킴으로써 ― 이는 차례로 전류를 감소시킴 ―, 자기장은 세기가 상응하게 감소되고, 방향이 반전된다. 자기장에서의 이들 변화들은 대상물을 자기소거한다.

제공된 실시예들에 따르면, 코어의 자기소거는, 고정자 코어의 축방향 보어를 통과하는 또는 고정자와 회전자 사이의 에어 갭을 통과하는 전도체를 포함하는 장치를 이용하여 달성된다. 일 실시예에서, 전도체는 4/0 게이지(직경이 12㎜ 또는 0.45 인치임) 멀티-스트랜드 전도체(4/0 gage multi-strand conductor)의 2개의 루프들을 포함한다.

전원으로부터 전도체에 공급된 전류는 AC 전류, 또는 약 3 내지 5초마다 극성이 반전되는 DC 전류를 포함한다. 초기에 높은 값의 전류(예를 들어, 약 500 내지 20,000 A)가 전도체에 공급되고, 이때 시간에 걸쳐 감소된 전류는 자기장 세기(H)를 감소시키고, 따라서 자속 밀도(B)의 0 또는 거의 0 값에 도달할 때까지 BH 이력 곡선(BH hysteresis curve)을 아래로 진행시킨다(progress down).

AC 전류가 이용되는 경우, 상기 AC 전류는, 수동으로 또는 자동으로, 약 0까지 아래로 제어(control down)되는 2차 출력을 갖는 가변 변압기를 이용하여 감소될 수 있다. 대안적으로, 출력 전류는, 탭핑된 변압기 2차 권선(tapped transformer secondary winding)에 연결된 스텝-다운 스위치(step-down switch)를 이용하여 감소될 수 있다. 당업자들에게 알려진 바와 같은 특정 고체 상태 시스템들이 또한, 출력 전류를 약 0까지 댐핑(damp)하기 위해 이용될 수 있다. 통상적으로, AC 전류는 약 500 내지 2000 A의 값에서 시작한다. 출력 전압은 통상적으로 약 18 내지 60 V이고, 이는 자기소거 프로세스에 있어 중요하지 않은데, 그 이유는 전류가 자기소거 전력을 규정하기 때문이다.

DC 전류가 이용되는 경우, 디바이스는 (선형으로, 고정된 증분들로(in fixed increments), 또는 가변 증분들로(in variable increments)) DC 전압을 감소시키는 것 및 DC 전압의 극성을 반전시키는 것 양측 모두를 위한 기법을 요구한다. 극성 반전은, 포지티브 및 네거티브 극성의 펄스(pulse)들을, 예를 들어 초당 약 5 내지 10 사이클(cycle)들(즉, 극성-반전 주파수)로 교번함으로써 달성될 수 있다. 코어를 자기소거하기 위해 DC 전류를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. AC 전류는 전도체의 표면 가까이 흐르는 경향이 있고; DC 전류는 1인치만큼 많이, 표면에 더 깊이 침투하는 경향이 있다. 따라서, DC 전류의 이용은, 코어 내 더 먼 거리들에서 자기소거를 제공한다.

자기소거 전류를 공급하기 위한 장치는, 0 암페어 내지 매우 높은 최대 전류 값으로 전류를 제공하고, 이때, 0과 최대 값 사이에서 전류 값들을 다수회 조정가능하다. 최대 전류 출력 값들은, 예를 들어 500, 1000, 2000, 4000, 6000, 10,000 및 20,000 암페어일 수 있다. 통상의 AC 자화 여기는 약 0.5초의 지속기간을 가질 수 있고, AC 자기소거 여기는 약 10초의 지속기간을 가질 수 있다.

DC 극성을 반전시키는 것은 더 깊은(즉, 코어의 더 큰 깊이까지 연장되는) 코어 자기소거를 생성한다. 자동 시스템들은 통상적으로, 3초 펄스를 공급하고, 펄스 극성(pulse polarity)을 스위칭(switch)하고, 약 200-500 암페어만큼 전류를 감소시킨다. 이러한 사이클 다음에는 다른 3초 펄스, 극성 스위칭, 및 전류의 추가의 감소가 뒤따른다. 프로세스는 0 전류 값에 도달할 때까지 계속된다. 수동 DC 자기소거 시스템에서, 각각의 펄스에 대한 특정 시간 지속기간이 존재하지 않을 수 있지만, 수동 시스템은 각각의 펄스의 전류의 더 양호한 제어를 제공할 수 있다.

전체 코어는, 단지 하나의 코어 위치에서 전도체(또는 권선을 형성하는 복수의 전도체들)를 이용하여 자기소거 프로세스를 실시함으로써, 효율적으로 자기소거될 수 있는 것으로 결정되었다. 이는, 코어 재료의 높은 투자율 때문이다. 다른 애플리케이션들에서, 코어의 둘 또는 셋 이상의 위치들에서 자기소거 프로세스를 수행하는 것이 필요할 수 있다.

도 1은 연속적인 치형부들(24) 사이에 규정된 홈(groove)들(28)을 갖는 고정자 치형부들(24)을 포함하는 고정자 코어(20)를 예시한다. 통상적으로 전도성 바아(conductive bar)(30)의 형태의 고정자 권선이 각각의 홈(28) 내에 배치된다. 고정자 권선들은 코어(20)의 단부 구역에서 함께 연결된다(도시되지 않음).

전압원(34)은, 회전자도 고정자 권선들도 적소에 있지 않은 경우에, 홈들(28) 중 하나 내에 배치되는 전도체(38)에 전류를 공급한다. 이러한 시나리오는, 어셈블링(assembled)되는 새로운 코어에 대해, 그리고 코어의 컨디션을 더 양호하게 평가하기 위해, 오래된 권선들이 제거된 후에 다시 감기(rewind) 동작을 겪는 코어에 대해 발생한다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술되는 바와 같이, 반전 극성 및 감소 진폭 전압이 전도체(38)에 공급됨에 따라, 전류가 반전되고 진폭이 감소되며, 대응하는 자기장이 반전되고 세기가 감소된다. 반전 자기장 및 감소 필드 세기의 결합은 고정자 코어(20)를 자기소거한다. 자기소거 프로세스는 또한, 적소에 있는 회전자 코어와 함께 수행될 수 있다. 이러한 애플리케이션에 있어서, 전도체(38)는 고정자와 회전자 사이의 에어 갭 내에 배치된다.

도 2는 본 발명과 연관된 단계들을 예시하는 흐름도이다. 단계(50)에서, 하나 또는 둘 이상의 전도체들이 고정자 코어를 통해 또는 고정자 코어 가까이 연장된다. 단계(54)에서, 전압이 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 인가된다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술되는 바와 같이, 전압은 극성-반전 전압을 포함하고, 대응하는 전류는 동작 플럭스 밀도의 약 33%까지의 플럭스 레벨을 생성할 수 있다.

단계(58)에서, 전압은, 최소 요구 전압에 도달할 때까지 점진적으로 감소된다(reduced incrementally). 이러한 전압 감소는 전류 크기를 감소시키고, 이는 차례로, 자기장의 세기를 감소시킨다. 코어 자기소거가 완료된 후에, 단계(62)에서, EL-CID 또는 다른 코어 결함 테스트가 수행된다.

본 발명자들은, 테스트들을 실시하는 것을 통해, 본 명세서에 기술된 바와 같이 자기소거된 코어가 더욱 가능성 있게, 핫 스팟 테스트 동안 어떠한 핫 스팟들도 검출되지 않는 플랫 라인 결과(flat line result)를 생성한다는 것을 보았다. 즉, 코어 단락 회로들로 인한 어떠한 코어 핫 스팟들도 존재하지 않는 경우, 테스트 결과들은, 잔류 자기장이 제거된, 상술된 바와 같은 공칭으로 플랫 라인(nominally flat line)을 도시한다. 기술된 자기소거 프로세스가, 루프 테스트를 실시한 후에 그리고 EL-CID 테스트를 실시하기 전에 실시되는 경우, 임의의 검출된 이상(anomaly)들은, 잔류 자력으로 인한 것이기보다는 단락된 코어 라미네이션(shorted core lamination)들의 결과이다.

본 발명자들은 또한, 자기소거 전에 스캐닝된 코어 세그먼트(core segment)에 대한 트레이스 플롯이, 알려진 코어 단락을 표시하는 신호의 감소-진폭 응답(reduced-amplitude response) 및 밴딩을 보인다는 것을 보았다. 자기소거 후의 트레이스 플롯은, 알려진 단락으로부터의 증가된 진폭 응답 및 더욱 평탄한 트레이스(flatter trace)(밴딩 없음)를 나타낸다.

당업자들에게 알려진 바와 같이, 발전기 코어의 잔류 자기장들을 감소 또는 제거하기 위해 이용될 수 있는 다른 기법들이 존재한다. 단상 AC 전압에 의해 에너지가 가해진 요크(yoke)(즉, 솔레노이드 코일(solenoidal coil))가 자기장을 발생시킨다. 코일을 코어 가까이 위치시키고 코어로부터 떨어뜨려서 (또는 대안적으로 코어를 통과하여) 코어를 자기소거할 수 있다.

코어는 또한, 코어를 완전히 자기소거하기 위해 자신의 퀴리 온도(Curie temperature)(강철에 대해 약 1440 ℉(degrees F))로 가열될 수 있다. 퀴리 온도 미만의 온도들로 가열하는 것은 코어를 부분적으로 자기소거한다. 코어의 크기 및 질량을 고려해볼 때, 이들 프로세스들은 구현하기 어렵다.

본 발명의 일 실시예는, 심지어 EL-CID 테스트가 루프 테스트 후에 수행되는 경우에도, EL-CID 출력 신호의 신호-대-잡음비에 있어서 약 30%의 개선을 제공한다. 이러한 개선은, 현재의 테스트 결과들을 이전의 EL-CID 테스트 결과들 또는 고정자 코어에 대한 베이스라인 결과들과 비교할 때, 더욱 민감하고 정확한 EL-CID 테스트 결과들을 제공하고, 테스트 결과들을 해석하기 위해 요구되는 시간을 감소시키고, 더욱 정확한 경향 분석을 허용한다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 기술되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로만 제공된다는 것이 명백할 것이다. 많은 변형들, 변화들, 및 대체들이 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 한정되도록 의도된다.

Claims

방법으로서,
발전기 고정자 코어(generator stator core)를 통해 또는 상기 발전기 고정자 코어 가까이 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계;
상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 극성-반전 여기 전압(polarity-reversing excitation voltage)을 인가하는 단계; 및
시간에 걸쳐 상기 전압의 진폭을 감소시키는 단계 ― 상기 전압은, 전류가 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에서 흐르도록 초래하고, 상기 전류는 상기 고정자 코어를 자기소거(demagnetize)하는 자기장을 발생시킴 ―
를 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 여기 전압은 AC 전압 또는 맥동 DC 전압(pulsating DC voltage)을 포함하는,
방법.
제 2 항에 있어서,
상기 맥동 DC 전압은, 약 0.0001 내지 12 ㎐의 극성-반전 주파수를 갖는 DC 전압을 포함하는,
방법.
제 2 항에 있어서,
상기 DC 전압은 약 200 내지 500 암페어(amperes)의 증분들로(in increments) 상기 전류를 감소시킬 증분들로 감소되는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 여기 전압은 AC 전압을 포함하고,
상기 여기 전압을 인가하는 단계는 약 10초(seconds)의 지속기간을 갖는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 통해 흐르는 상기 전류는 약 500 내지 20,000 A의 전류를 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연장시키는 단계는, 상기 고정자 코어의 보어(bore)를 통해 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계 및 상기 고정자 코어와 발전기 회전자(generator rotor) 사이에 규정된 에어 갭(air gap)을 통해 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계 중 하나의 단계를 포함하는,
방법.
제 7 항에 있어서,
상기 보어를 통해 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계는, 제 1 및 제 2 인접 고정자 치형부들(stator teeth) 사이에 규정된 슬롯(slot)을 통해 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계를 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 코어를 자기소거하는 것과 연관된 상기 연장시키는 단계, 인가하는 단계, 및 감소시키는 단계를 실행한 후에,
상기 방법은,
상기 고정자 코어의 핫 스팟(hot spot)들을 검출하는 단계를 더 포함하고,
코어 핫 스팟들을 표시하는, 검출기에 의해 발생된 제 1 신호는, 상기 고정자 코어를 자기소거하는 것과 연관된 단계들을 실행하기 전에 상기 검출기에 의해 발생된 제 2 신호보다 개선된 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio)를 나타내는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전류는 동작 플럭스 밀도(operating flux density)의 약 33%까지의 플럭스 레벨(flux level)을 생성하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연장시키는 단계는,
상기 인가하는 단계 및 감소시키는 단계 전에, 제 1 위치에서 상기 고정자 코어를 통해 또는 상기 고정자 코어 가까이 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계, 및
상기 인가하는 단계 및 감소시키는 단계 전에, 제 2 위치에서 상기 고정자 코어를 통해 또는 상기 고정자 코어 가까이 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키는 단계를 포함하는,
방법.
제 11 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들은, 루프(loop)를 형성하는 복수의 전도체들을 포함하는,
방법.
장치로서,
발전기 고정자 코어를 통해 연장되도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 전도체들;
극성-반전 전압을 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 공급하기 위한 전원
을 포함하고,
상기 전원은, 시간이 흐름에 따라, 상기 전압의 진폭을 감소시키도록 제어가능하고,
상기 전압은 전류가 상기 전도체에서 흐르도록 초래하고,
상기 전류의 자기 유도(magnetic induction)는 상기 고정자 코어를 자기소거하도록 작용하는,
장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전도체는 4/0 게이지 멀티-스트랜드 전도체(4/0 gage multi-strand conductor)의 2개의 루프들을 포함하는,
장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전원은 AC 전압 또는 맥동 DC 전압을 공급하고,
상기 맥동 DC 전압은 약 0.0001 내지 12 ㎐의 주파수를 갖는,
장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전원은 AC 전압 전원이고,
상기 전압은 약 10초 동안 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 인가되는,
장치.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들은 고정자 보어(stator bore)를 통해 또는 상기 고정자와 발전기 회전자 사이의 에어 갭을 통해 연장되는,
장치.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들은 루프를 형성하는 복수의 전도체들을 포함하는,
장치.
방법으로서,
고정자 코어를 통해 또는 상기 고정자 코어 가까이 하나 또는 둘 이상의 전도체들을 연장시키고,
극성-반전 제 1 전압을 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에 인가하고, 그리고
시간에 걸쳐 상기 제 1 전압의 진폭을 감소시킴으로써 ― 상기 제 1 전압은 전류가 상기 하나 또는 둘 이상의 전도체들에서 흐르도록 초래하고, 상기 전류는 상기 코어를 자기소거하는 자기장을 발생시킴 ― 상기 고정자 코어를 자기소거하는 단계;
제 2 전압을 여기 전류 루프(excitation current loop)에 공급하는 단계; 및
상기 제 2 전압에 의해 상기 고정자 코어에서 생성된 자속(magnetic flux)을 결정하고, 상기 자속이 상기 고정자 코어의 핫 스팟들에 의해 영향받는 곳을 검출하기 위해, 상기 고정자 코어의 내부 표면 가까이 검출기 코일(detector coil)을 전달하는 단계
를 포함하는,
방법.
제 19 항에 있어서,
상기 고정자 코어를 자기소거하는 단계로부터 초래된, 상기 고정자 코어의 잔류 자력(residual magnetism)의 감소된 레벨은, 상기 여기 전류 루프의 전류를 감소시키고, 상기 자속을 나타내는 신호의 신호-대-잡음비를 개선하는,
방법.
방법으로서,
고정자 코어에 미리 결정된 자속을 발생시키기 위해 여기 루프에서 흐를 전류의 예상 값을 계산하는 단계;
상기 전류의 예상 값이 상기 여기 루프에서 흐르도록 초래하기 위해 제 1 전압을 상기 여기 루프에 인가하는 단계;
상기 여기 루프에서 흐르는 전류의 실제 값을 측정하는 단계;
상기 전류의 예상 값과 상기 전류의 실제 값을 비교하는 단계; 및
상기 비교하는 단계로부터, 상기 전류의 실제 값이 상기 전류의 예상 값보다 더 큰 경우에, 상기 고정자 코어의 잔류 자속의 존재를 결정하는 단계
를 포함하는,
방법.