CN102323514B - 电机绕组磁势的智能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机测试技术，涉及一种电机绕组磁势的智能检测方法。本发明采用机械分度装置、各向同性软磁材料无槽工艺转子或定子、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机，利用工艺转子和工艺定子对电机绕组的定子和转子进行检测，并用预先存储在计算机中的样本判断电机绕组的下线正确与否，并提示出错位置和改正方法。本发明设备要求简单。仅需精度不低于2′的机械分度装置、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机，容易配置，并且容易实现自动检测；适于批量生产；可用于各种电机绕组的检测，尤其更适于检查线圈匝数各异、下线极性变化、单元绕组换位等技术难度高、容易局部出错的情况，检测准确度高。

Description

电机绕组磁势的智能检测方法

技术领域

本发明属于电机测试技术，涉及一种电机绕组磁势的智能检测方法。

背景技术

对于线圈匝数各异、下线极性变化、单元绕组换位等技术难度高(如多极旋变的III型正弦绕组等)，容易局部出错的情况，下线正确性检查是必要的环节。以往多采用将磁量转换为电量的间接检查方法，如利用变压器原理的感应电势法，其缺点是探测线圈的位置误差影响较大，且用交流电压表仅能测得有效值，无法判别极性，因此结果不直观；利用已确认正确的转子与被测定子组合成整机，进行电气误差检测的综合测试法，当性能与正常结果比较出现较大偏差时，一般情况下可以给出下线错误的笼统判断，当性能出现偏差不大，就无法给出准确结论，并且这种方法工作量大，检测成本高。

发明内容

本发明的目的是提出一种检测结论准确、检测成本低、检测设备简单的电机绕组磁势的智能检测方法。本发明的技术解决方案是：

1)检测设备包括机械分度装置、各向同性软磁材料无槽工艺转子或定子、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机；

2)机械分度装置固定安装在工作台面上，将被测定子或被测转子与机械分度装置连接，并由直流稳压电源为绕组激磁，以不饱和为度；当被测定子与机械分度装置连接时，各向同性软磁材料无槽工艺转子与被测定子同轴并固定在工作台面上；当被测转子与机械分度装置连接时，各向同性软磁材料无槽工艺定子与被测转子同轴并固定在工作台面上；

3)依据设计图纸规定的1号槽齿中心线起始，当被测件为定子时，测量各向同性软磁材料无槽工艺转子与被测定子之间的气隙磁感应强度B_δ(i)，在360°内每隔1个齿距测试一次，由计算机采集气隙磁感应强度数据；当被测件为转子时，测量各向同性软磁材料无槽工艺定子与被测转子之间的气隙磁感应强度B_δ(i)，在360°内每隔1个齿距测试一次，由计算机采集气隙磁感应强度数据，借助于计算机内的绕组磁势智能检测程序，得到检测结果；其中绕组磁势智能检测程序流程包括：

(I)建立标准样本磁势数据库，样本磁势数据库包括正确绕组标准样本磁势数据和各种工程常见绕组错误模式标准样本磁势数据，

a)正确绕组标准样本磁势数据是根据被测产品绕组参数通过以下计算得到的：

由元件匝数W(i)计算槽导体数N(i)

当绕组为单层绕组时，按(1)式计算；

N(i)＝w(i)                    (1)

当绕组为双层绕组时，按(2)式计算；

N(i)＝w(i)-w(i-C)             (2)

其中C为元件跨距。若(i-C)≤0则，N(i)＝w(i)-w(i-C+Z₀)，

Z₀为单元绕组槽数；

气隙磁势F_δ(i)按(3)式计算为：

$F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=I\·\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)-f_0=F\left(i\right)-f_0$ (i＝1，2，…，m，…Z₀)            (3)

其中：

$F\left(i\right)=I\·\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)$ 为槽安匝数；                      (4)

$f_0=\frac{I\·\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)}{Z}$ 为零位磁势                        (5)

式中Z为总槽数，

将(3)式计算的全部0°～360°齿气隙磁势F_δ(i)中的最大绝对值|F_δ(i)|_m作为基值，各气隙磁势除以基值，得到归一化标准样本磁势数据；

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δB}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{{\left|F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)\right|}_m}---\left(6\right)$

b)各种工程常见绕组错误模式标准样本磁势数据通过以下计算得到的：

根据工程常见绕组错误模式设置n种错误模式标准样本，每个样本只需将相应的单个槽序号导体数N(i)符号改变，按(3)式计算，并归一化为绕组错误模式标准样本磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δWBk}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δW}}\left(i\right)}{F_{\mathrm{\δW}}{\left(i\right)}_m}$ (k＝1，2，……n)                  (7)

(II)建立被测绕组实测磁势数据，将0°～360°全部测得的齿磁感应强度中的最大绝对值|B_δ(i)|_m作为基值，用每个齿磁感应强度除以基值，得到归一化被测绕组实测磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δc}}}\left(i\right)=\frac{B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{{\left|B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)\right|}_m}---\left(8\right)$

4)将被测绕组实测磁势数据与正确绕组标准样本磁势数据和绕组错误模式标准样本磁势数据进行比较；被测绕组实测磁势数据与正确绕组标准样本磁势数据曲线相符，则输出下线正确的测试结论；被测绕组实测磁势数据与n种绕组错误模式标准样本磁势数据逐一进行比较，若与第k种模式曲线相符，则输出下线为第k种模式的测试结论，并提示出错位置和改正方法。

本发明具有的优点和有益效果：

(1)设备要求简单。仅需精度不低于2′的机械分度装置、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机，容易配置，并且容易实现自动检测；

(2)操作简便快捷。可作为工序检验或自检设备，适于批量生产；

(3)检测准确度高。不会出现误判现象，优于感应电势法、综合测试法检测；

(4)人性化检测结论。给出纠错方法，方便绕组的局部返修，提高工作效率。

(5)适用范围广。可用于各种电机绕组的检测，尤其更适于检查线圈匝数各异、下线极性变化、单元绕组换位等技术难度高、容易局部出错的情况，如III型正弦绕组等。

(6)由于数字式绕线机的普遍应用，匝数差错极少出现。偶尔出现匝数差错时，该方法也可查出，但差错匝数的判断精度不高。若适当提高工艺转子同轴度，可使匝数判断精度明显改善。

附图说明

图1是本发明磁势智能检测设备构成示意图；

图2是本发明绕组磁势实测与理论曲线图，其中，(a)为实测分布曲线，(b)为理论磁势分布曲线；

图3是本发明绕组磁势智能检测程序方框图；

图4是正确绕组标准样本磁势分布曲线图；

图5是绕组第3槽单槽绕组极性错误标准样本磁势分布曲线图；

图6是正确绕组实测磁势分布曲线图；

图7是绕组第3槽单槽绕组极性错误实测磁势分布曲线图。

具体实施方式

电机磁势是检验电机绕组下线正确性最直接、有效的判据，电机绕组磁势的智能检测方法可实现电机磁势智能检测。该方法只需要精度不低于2′的机械分度装置、各项同性软磁材料无槽工艺转子(或定子)、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机及其测试应用程序。磁势智能检测设备构成示意图见图1所示：

(1)电机绕组磁势的智能检测的工作原理

电机磁势是检验电机绕组下线正确性最直接、有效的判据，本发明可实现电机绕组磁势的智能检测。其工作原理是基于在磁路各向同性、电机工作气隙均匀、磁路不饱合、铁心磁导率μ→∞、齿槽影响可略的假设条件下，气隙磁感应强度B_δ(i)与气隙磁势F_δ(i)具有严格的线性关系，二者分布曲线具有相似性：

$B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\δ}}{F}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)$

式中μ₀为空气磁导率，常数；δ为单边工作气隙，常数。

然而，实际条件下由于齿槽的存在，使得接近槽口的气隙逐渐增大，而使此处的气隙磁感应强度逐渐减小；但齿中心线附近气隙均匀，则气隙磁感应强度恒定。实测磁感应强度分布曲线见图2(a)所示，图中黑色曲线为实际磁感应强度分布曲线，绿色区域为齿中心线附近的恒值区域(该区域很宽，通常不小于±20′)；红色曲线为以恒值区磁感应强度绘制的理想分布曲线；图2(b)是，红色曲线为以恒值区磁感应强度绘制的理想分布曲线；图2(b)是气隙磁势分布曲线。在归一化的条件下，理想磁感应强度分布曲线与隙磁势分布曲线具有极高的吻合度，因此，可以采用理想磁感应强度分布曲线实现绕组磁势的智能检测。

(2)电机绕组磁势的智能检测的试验方法

将被测定子与分度机构连接，并由直流稳压电源为绕组激磁(以不饱和为度)；无槽工艺转子与定子同轴固定于基面，各向同性软磁材料无槽工艺转子与齿中心附近的气隙磁阻近似均匀，它是气隙磁感应强度(亦称磁密)B_δ(i)线性转换为气隙磁势的必要条件，其中i为槽序号。特斯拉计探头置于工艺转子表面。从约定的1号槽齿中心线附近起始，测量气隙磁感应强度B_δ(i)，在360°内每隔1个齿距测试一次，由计算机采集气隙磁感应强度数据。借助于绕组磁势智能检测程序，可以得到下线正确、下线错误——指明出错槽序号等检测结论。

(3)被测绕组磁势数据的生成

采集各齿磁感应强度B_δ(i)，将其最大绝对值|B_δ(i)|_m作为基值，各齿磁感应强度除以基值，得到归一化实测磁势至此生成被测绕组磁势曲线数据。

(4)绕组标准样本磁势数据库的建立

绕组磁势智能检测程序中的标准样本磁势数据库，应包括正确绕组标准样本磁势数据和各种工程常见绕组错误模式标准样本磁势数据。

1)正确绕组标准样本磁势数据

根据被测产品绕组参数计算标准样本磁势数据。以III型正弦绕组为例，磁势分布是以其单元槽数Z₀为周期的。由元件匝数W(i)计算槽导体数N(i)：

单层绕组按(1)式计算；

N(i)＝w(i)                            (1)

双层绕组按(2)式计算；

N(i)＝w(i)-w(i-C)                     (2)

其中C为元件跨距。若(i-C)≤0则，N(i)＝w(i)-w(i-C+Z₀)。

气隙磁势F_δ(i)按(2)式计算为：

$F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=I\·\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)-f_0=F\left(i\right)-f_0$ (i＝1，2，…，m，…Z0)                    (3)

其中：

$F\left(i\right)=I\·\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)$ 为槽安匝数；                              (4)

$f_0=\frac{I\·\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)}{Z}$ 为零位磁势                                (5)

式中Z为总槽数，因此，局部下线错误对全局零位磁势影响很小，仅影响局部磁势分布。

零位磁势f₀的计算公式根据磁路克希霍夫定律导出：

$\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=0$ (磁路克希霍夫定律)

将(2)式代入(5)式可得：

$\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=I\·\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)-Z\·f_0=0$

则零位磁势f₀的计算公式即为(4)式。

将(2)式计算的各气隙磁势F_δ(i)中的最大绝对值|F_δ(i)|_m作为基值，各气隙磁势除以基值，至此生成归一化正确绕组标准样本磁势数据

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δB}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{{\left|F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)\right|}_m}---\left(6\right)$

对于其它绕组类型，同样按上述方法处理。

2)常见绕组错误模式标准样本磁势数据

根据工程常见n种绕组错误模式设置相应错误模式标准样本。

例如其中最为常见的单槽绕组极性错误，则可设置相应的Z₀种错误模式标准样本，每个样本依次将一个序号的槽导体数N(i)符号改变，按“1)正确绕组标准样本磁势数据”流程计算，得到错误模式标准样本磁势F_δW(i)，将其最大绝对值|F_δW(i)|_m作为基值，各气隙磁势除以基值，即可生成绕组错误模式标准样本磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δWBk}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δW}}\left(i\right)}{{|F}_{\mathrm{\δW}}{\left(i\right)|}_m},(k=\mathrm{1,2},\·\·\·\·\·\·Z_0)---\left(7\right)$

式中k为单槽绕组极性错误样本数。

建立被测绕组实测磁势数据，将0°～360°全部测得的齿磁感应强度中的最大绝对值|B_δ(i)|_m作为基值，用每个齿磁感应强度除以基值，得到归一化被测绕组实测磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δc}}}\left(i\right)=\frac{B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{{\left|B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)\right|}_m}---\left(8\right)$

电机绕组磁势智能检测程序框图见图3。

(5)将被测绕组实测磁势数据与正确绕组标准样本磁势数据和绕组错误模式标准样本磁势数据进行比较。被测绕组实测磁势数据与正确绕组标准样本磁势数据曲线在给定误差(根据实测结果确定)范围内相符，则输出下线正确的测试结论；被测绕组实测磁势数据与n种绕组错误模式标准样本磁势数据逐一进行比较，若与第k种错误模式曲线相符，则输出下线为第k种错误模式的测试结论，并提示出错位置和改正方法。

实施例

1.正确绕组标准样本磁势数据的生成方法

以双通道旋变发送机精机定子绕组为例。双通道旋变发送机极对数P＝8；定子槽数Zs＝36；

定子精机单元数n＝4；定子精机单元槽数Z₀＝9；元件跨距C＝2，精机定子III型正弦绕组余弦相单元绕

组正确参数及各中间量如表1所示：

表1

正确绕组标准样本磁势分布曲线如图4所示。

2.常见绕组错误模式标准样本磁势数据的生成方法

以实施例1的双通道旋变发送机精机定子绕组第3槽单槽绕组极性错误为例，精机定子III型正弦绕组余弦相单元绕组错误参数及各中间量如表2所示：

表2

绕组第3槽单槽绕组极性错误实测磁势分布曲线如图7所示。

3.正确绕组磁势的检测结果

被测磁势与实施例1中的正确绕组标准样本磁势数据符合时，计算机显示的电机绕组磁势智能检测结果为：

检测结论：

精机B(余弦，红-白)相输出绕组下线正确。

实测磁势分布图如图6所示。

4.错误绕组磁势的检测结果

被测磁势与实施例2中的绕组错误模式标准样本磁势数据符合时，计算机显示的电机绕组磁势智能检测结果为：

检测结论：

精机B(余弦，红-白)相输出绕组共有1个元件极性下反，请予以更正，

极性下反的槽序号/匝数为3/-102。

实测磁势分布图如图7所示。

Claims (1)

1.电机绕组磁势的智能检测方法，其特征是：

1)检测设备包括机械分度装置、各向同性软磁材料无槽工艺转子或定子、数字式特斯拉计、直流稳压电源和台式计算机；

2)机械分度装置固定安装在工作台面上，将被测定子或被测转子与机械分度装置连接，并由直流稳压电源为绕组激磁，以不饱和为度；当被测定子与机械分度装置连接时，各向同性软磁材料无槽工艺转子与被测定子同轴并固定在工作台面上；当被测转子与机械分度装置连接时，各向同性软磁材料无槽工艺定子与被测转子同轴并固定在工作台面上；

3)依据设计图纸规定的1号槽齿中心线起始，当被测件为定子时，测量各向同性软磁材料无槽工艺转子与被测定子之间的气隙磁感应强度B_δ(i)，在360°内每隔1个齿距测试一次，由计算机采集气隙磁感应强度数据；当被测件为转子时，测量各向同性软磁材料无槽工艺定子与被测转子之间的气隙磁感应强度B_δ(i)，在360°内每隔1个齿距测试一次，由计算机采集气隙磁感应强度数据，借助于计算机内的绕组磁势智能检测程序，得到检测结果；其中i为槽序号；绕组磁势智能检测程序流程包括：

(Ⅰ)建立标准样本磁势数据库，样本磁势数据库包括正确绕组标准样本磁势数据和各种工程常见绕组错误模式标准样本磁势数据，

a)正确绕组标准样本磁势数据是根据被测产品绕组参数通过以下计算得到的：

由元件匝数W(i)计算槽导体数N(i)，

当绕组为单层绕组时，按(1)式计算；

N(i)＝W(i)            (1)

当绕组为双层绕组时，按(2)式计算；

N(i)＝W(i)-W(i-C)          (2)

其中C为元件跨距，若(i-C)≤0则，N(i)＝W(i)-W(i-C+Z₀)，

Z₀为单元绕组槽数；

气隙磁势F_δ(i)按(3)式计算为：

$F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=I\·\underset{p=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(p\right)-f_0=F\left(i\right)-f_0---\left(3\right)$

其中：i＝1,2,…,…Z₀，磁势分布以单元绕组槽数Z₀为周期，

其中：

$F\left(i\right)=I\·\underset{p=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(p\right)$ 为槽安匝数；      (4)

$f_0=\frac{I\·\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}N\left(p\right)}{Z}$ 为零位磁势     (5)

式中Z为总槽数，

将(3)式计算的全部0°～360°齿气隙磁势F_δ(i)中的最大绝对值|F_δ(i)|_m作为基值，各气隙磁势除以基值，得到归一化标准样本磁势数据；

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δB}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{|F_{\mathrm{\δ}}\left(i\right){|}_m}---\left(6\right)$

b)各种工程常见绕组错误模式标准样本磁势数据通过以下计算得到的：

根据工程常见绕组错误模式设置n种错误模式标准样本，每个样本只需将相应的单个槽序号导体数N(i)符号改变，按(3)式计算，并归一化为绕组错误模式标准样本磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δwBk}}}\left(i\right)=\frac{F_{\mathrm{\δw}}\left(i\right)}{{\left|F_{\mathrm{\δw}}\left(i\right)\right|}_m}---\left(7\right)$

其中F_δw(i)是错误模式标准样本磁势，其最大绝对值为|F_δw(i)|_m，k为单槽绕组极性错误样本数，k＝1，2，……n，

(Ⅱ)建立被测绕组实测磁势数据，将0°～360°全部测得的齿磁感应强度中的最大绝对值|B_δ(i)|_m作为基值，用每个齿磁感应强度除以基值，得到归一化被测绕组实测磁势数据：

$\stackrel{\‾}{F_{\mathrm{\δc}}}\left(i\right)=\frac{B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{|B_{\mathrm{\δ}}\left(i\right){|}_m}---\left(8\right)$

4)将归一化被测绕组实测磁势数据与归一化正确绕组标准样本磁势数据和归一化绕组错误模式标准样本磁势数据进行比较，被测绕组实测磁势数据与正确绕组标准样本磁势数据曲线相符，则输出下线正确的测试结论；被测绕组实测磁势数据与n种绕组错误模式标准样本磁势数据逐一进行比较，若与第k种模式曲线相符，则输出下线为第k种模式的测试结论，并提示出错位置和改正方法。