CN105474025B - 电机、航空器、监测电机故障的方法及电机的转子或定子 - Google Patents

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Abstract

一种电机(150)包含转子或定子绕组(210a、210b、210c)，其中所述绕组(210a、210b、210c)包含电缆，所述电缆包括内导体(a、b、c)、外导体(a"、b"、c")以及将所述内导体(a、b、c)与所述外导体(a"、b"、c")隔离的绝缘体。

Description

电机、航空器、监测电机故障的方法及电机的转子或定子
技术领域
本发明涉及一种具有改进的故障检测的电机(例如，电动机或发电机)以及一种确定电机的故障的方法。
背景技术
电机包含线绕线圈，其用于从机械功率生成电功率或者用于将电功率转换成机械功率。这种绕组可位于电机的固定部分(定子)或位于电机的运动部分(转子)。不希望出现电机绕组的故障。为方便起见，将主要参照电动机来描述本发明，但是应理解，本发明同样适用于发电机。
电机通常包含具有多个绕组相的定子。由于绝缘失效引起的定子绕组故障为常见的故障状态。定子绕组故障经常以匝间失效开始，其中特定绕组的匝之间产生短路。这种失效能够迅速发展成接地短路，其导致能够损坏定子的较大电流并且进一步导致驱动系统的失效。例如，定子过电流可损坏绕组并且可使转子永磁铁部分地退磁。
在一些电动机中，绝缘的退化主要是由于用于驱动电动机的电压源转换器(VSC)的使用。VSC生成用于向电动机供应脉冲宽度调制(PWM)的电压波形。PWM使用高频电压脉冲合成用于电动机的低频电压。尽管PWM允许高功率效率和无低阶谐波的电动机电源电压，其中低阶谐波负责转矩和转速振荡，但是其生成高频谐波和急斜的电压上升速率，此可增加对匝到匝或匝到接地绝缘的应力。
近年来，由于例如SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)设备等用于电源开关的新技术的引入，这些问题已加重。这些设备允许更高的切换频率，降低了功率损耗并允许VSC尺寸和成本的减少，但是也可导致对绕组绝缘的应力的增加。
在高安全应用中，例如，在核动力应用中或在航空器(固定翼或旋翼机)中，绕组绝缘的失效尤其成问题。以后一种情况为例，这种失效可导致火灾，其具有对整个航空器产生危险情况的潜在可能性。
电机电感可抑制由外部短路(例如，接地短路)引起的外部短路。通过设计电机具有更高的电感，由此抑制这些电流，从而能够减小与这种故障相关的风险。此方法的缺点是其倾向于导致更大的机器、更低的功率因子和更大的转换器kVA。
由于通常很难检测这种故障，所以内部短路故障的减轻更成问题。若检测到这种故障，则仅存在极为有限的方式来减轻这种故障。由于不能关闭磁激，所以当处理永磁电机时，该情况尤其严重。
希望提供一种在出现之前(或成问题之前)检测电机的内部短路故障的方法。
永磁同步电机(PMSM)是一种电动机/发电机，其倾向于具有相对较高的速度运行、精确的转矩控制、较高的功率重量比和较高的效率。由于所有的这些原因，PMSM当前被广泛地应用，并且成为正在进行的研究活动的对象。尤其，关于多电航空器(MEA)概念展望PMSM的大量应用。MEA概念展望以电力系统替代水力、气动和机械系统，从而在减轻重量、降低成本、增加安全性以及增强可靠性等方面实现优点。由于其紧凑的结构以及高功率和转矩密度，MSM尤其适用于这种应用。
然而，这种应用的高安全性质意味着希望存在一些形式的电动机在线故障监测和诊断。
近年来，为了尝试获得对定子故障的早期检测并防止后续损坏，已研制出用于电动机的大量故障检测技术。这些技术包括：噪音和振动监测、噪声测量、定子电流监测、转矩和速度谐波分析以及高频注入方法。然而，绕组退化的初期阶段仍难以检测，并且希望提供一种用于检测这种故障的有效方法。
发明内容
本发明的目的是解决至少一些前述问题。
根据本发明，提供一种电机，包含：转子或定子绕组，其中所述绕组包含电缆，所述电缆包括内导体、外导体以及将所述内导体与所述外导体隔离的绝缘体。
提供包含具有以外导体环绕的内导体的电缆的绕组允许通过检测绕组的内导体和外导体之间的短路来在绕组的匝之间出现短路之前检测内导体和外导体之间的绝缘的失效。因此，对这种短路的检测允许检测初期匝到匝故障并在其发生之前进行解决。
此方法可适用于转子绕组以及定子绕组，并且非局限于特定类型的电机，例如永磁同步电机。根据一个实施例，对绕组的外导体的监测可用于在其发展成匝到匝故障之前确定绕组的故障状态。
电缆可为同轴电缆，其中内导体和外导体是同轴的，并且通过环绕内导体的绝缘层将外导体与内导体隔开。
电缆可为Litz电缆，其中内导体包含多个绝缘的导线。电缆可包含位于绝缘的导线和外导体之间的又一绝缘体。外导体可包含环绕所述内导体的导电套管。外导体可设置有环绕其外部的绝缘层(例如，绝缘套管)。
外导体可完全或大部分地环绕在内导体周围的绝缘体。外导体可包含螺旋形绕在绝缘体周围的至少一个导体元件，其可环绕内导体。外导体的每个导体元件可为扁平带状的导线，或者可为具有大体上圆形横截面的导线。外导体可为轧制在绝缘体周围的薄箔，而绝缘体又环绕内导体布置。外导体和/或绝缘体中可存在间隙。
电动机可为永磁同步电机，并且绕组可包含多个定子相绕组。
可存在三相绕组，其中各相绕组包含电缆，所述电缆具有内导体、外导体以及将所述内导体与所述外导体隔离的绝缘体。
每个绕组可包含第一端和第二端，并且每个绕组的内导体可在每个绕组的第二端以Y型构造连接在一起。
每个绕组的外导体可在以下位置以Y型构造连接在一起：
绕组的第二端；
绕组的第一端；或
绕组的第一和第二端之间的点。
电机可进一步包含连接至外导体的故障检测电路，所述故障检测电路被配置成监测外导体的电性质以确定故障状态。
故障检测电路可包含处理器。
外导体的电性质可包含电流或电压。
故障检测电路可被布置成通过所述Y型构造的星形点监测外导体中的电流。
故障检测电路可被布置成监测向每个绕组的内导体提供的电流。
故障检测电路可被配置成至少部分地基于下列各项中的至少一个来确定故障状态：
在所述内导体或外导体中的监测到的电流的谐波含量；以及
在所述内导体或外导体中的监测到的电流的三阶谐波含量的振幅。
故障检测电路可被配置成对所述外导体的监测到的电压和所述内导体的监测到的电流执行Clarke变换，并且自其确定Clarke参考帧中的功率。
功率可包含实功率，并且故障检测电路可被配置成对所述实功率执行谐波分析，并且至少部分地基于所述谐波分析的结果来确定故障状态。
故障检测电路可被配置成在执行所述谐波分析之前对瞬时实功率执行Park变换。
谐波分析的结果可包含四阶谐波的振幅，并且可至少部分地基于四阶谐波的振幅来确定故障状态。
绝缘体可包含聚酰亚胺，外导体可包含铝，并且电缆可包含环绕外导体的又一聚酰亚胺绝缘层。
绝缘体可包含聚酰亚胺，而外导体可包含金属化聚酰亚胺。
绝缘体可包含聚酰亚胺，而外导体可包含导电清漆层。
可以不存在环绕所述外导体的绝缘体层。
根据第二方面，提供一种航空器，其包含根据第一方面的电机。
根据第三方面，提供一种用于监测根据第一方面的电机的故障的方法，其包含：
通过旋转所述电机的转子来运行所述电机；以及
在所述电机运行时监测所述内导体和/或所述外导体的至少一个电性质以确定是否存在故障状态。
所述至少一个电性质可包含下列各项中的至少一个：
流经所述内导体的电流；
流经所述内导体的电流的谐波含量；
向所述内导体提供的电流的第三谐波含量；以及
所述外导体的电压或电流。
所述至少一个电性质可包含在每个绕组的内导体中流动的电流以及各相绕组的外导体的电压。所述方法可包含：对在所述内导体中流动的电流和所述外导体的电压执行Clarke变换，并基于所述电压和电流确定Clarke参考帧中的功率。
功率可包含实功率，并且所述方法可包含对所述实功率执行谐波分析。
可在执行所述谐波分析之前对实功率执行Park变换。
执行谐波分析可包含：确定dq0参考帧中的实功率的四阶谐波的振幅。
在又一方面，提供一种用于电机的转子或定子，其包含绕组，所述绕组包含电缆，所述电缆包括内导体、外导体以及将所述内导体与所述外导体隔离的绝缘体。
附图说明
下文将参照附图来描述本发明的例示性实施例，其中：
图1为根据一实施例的电缆的透视图；
图1a为根据一实施例的电动机的示意图；
图2为根据本发明一实施例的电机的电路图；
图3为根据一实施例的具有故障状态的电动机的电路图；
图4为根据本发明一实施例的故障计算方法的流程图；
图5为根据本发明一实施例的电动机的电路图，其示出监测到的电流和测得的电压；
图6示出实功率振幅的第四谐波，其为根据示出相对较低电动机转速下的故障检测的实施例确定的如图4所示的第一相绕组的位置3和3”之间的短路电阻的函数；
图7示出实功率振幅的第四谐波，其为根据一实施例确定的电动机转速的函数；
图8示出实功率振幅的第四谐波，其分别为位置1和1”、2和2”以及3和3”之间的短路电阻的函数；
图9为电路图，示出对流经星形点的外导体中的电流的监测；
图10为一种配置的电路图，其中内导体和外导体的星形点分别位于各相绕组的对端；
图11为示出用于类似于图10所示实施例的一个实施例的故障电流的电路图；
图12示出一种配置的电路图，其中外导体的星形点为相绕组的始末之间的一半长度；
图13a至13f示出使用根据本发明实施例的故障检测方法获得的结果；
图14为根据本发明一实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出适用于本发明实施例的电缆。电缆100包含内导体101、外导体102和将内导体101与外导体102隔离的绝缘体。内导体101包含一束导线103。隔离绝缘体包含环绕每个导线103的导线绝缘套管104以及环绕导线103的束绝缘层105。在其它实施例中，隔离绝缘体可仅包含每个导线的导线绝缘套管104，或仅包含束绝缘层105。可省略导线绝缘套管104或束绝缘层中的一个。
束绝缘层105继而被环绕束绝缘层105的外导体102环绕。可在外导体102上提供又一绝缘层(未示出)。电缆100可为Litz电缆。
对具有内导体101和外导体102的电缆的使用为电动机的每一相提供两个独立的电路。导线或电缆的一个导体(例如，外导体102)可为有效开路，例如，连接至高输入阻抗电压测量电路。其它导电层(例如，内导体101)可连接至电动机电源。
例如，内导体101可提供有电动机电源，而外导体102可用于监测电动机绕组健康状态。在出现匝-匝短路之前，首先将存在匝-导电层/护层接触。在图1所示的电缆100的情况下，若隔离绝缘体104、105失效，则内导体101和外导体102之间将产生接触。然而，失效尚未到达下一个导线的内导体101，所以尚未出现匝-匝失效。类似地，内导体101和外导体102之间的短路也先于匝-接地或相到相失效。
图1a示出根据一实施例的电动机150的示意图。所述电动机包含转子160和定子170。定子170缠绕有至少一个相。定子170的各相包含电缆100，电缆100具有内导体101和环绕内导体101并通过绝缘体与其隔离的外导体102。提供第一组连接器151以与各相的内导体电接触，提供第二组连接器152以与各相的外导体电接触。转子160包含永磁铁。
参照图2，其示出根据一实施例的三相PMSM定子200的电路图，其连接至电机驱动器(或电源转换器)300。电机驱动器300包含H桥(H-bridge)驱动器，通过DC电源向其供应DC电压VDC，其中DC电源可为串联的一对电池205。因此，在该对电池205之间定义参考电压VDC/2。
PMSM定子包含三相绕组210a、210b、210c。各相绕组210a、210b、210c包含具有内导体和外导体的电缆。
对于每个定子相，电缆的内导体和外导体形成两个导体，其电绝缘、环绕相同的线圈架并且具有相同的匝数。因此，各相绕组可具有：归因于电缆内导体的三个对称的绕组(图2中的a、b、c)，其照常连接至向电动机供电的电源转换器；以及归因于电缆外导体的三个额外的绕组，其表示为图2中的a"、b"、c"，并且能够保持开路(或连接至高阻抗)。
以电阻元件R,电感元件L和电压源e的串联组合表示各相绕组的导体，其中电压源e表示导体中生成的反电动势。分别以下标a,b或c表示代表第一、第二和第三相绕组的电路元件，而以双划符号:”表示代表外导体的电路元件。
各相210a、210b、210c的内导体和外导体之间存在磁耦合，并且不同相的内导体和外导体之间也存在磁耦合。各相绕组的外导体非用于向电动机供电，但是可采用其电压来获得关于电机状态的信息，例如，以确定故障状态。因为负载电流不流过外导体，所以外导体可具有小于内导体的横截面积，此至少部分地减少了由于使用具有内导体和外导体的电缆引起的尺寸和重量问题。
各相绕组210a、210、210c的内导体a、b、c在第一端201连接到电机驱动器300，并且在第二端202以Y型构造彼此连接。外导体a"、b"、c"在第二端202连接到VDC/2，并且在第一端201被表示为开路(这有效地是其连接至具有高输入阻抗的又一电路例如电压监测电路的情况)。
对于第一、第二和第三相绕组，分别以va”、vb”和vc”表示每个外导体a"、b"、c"的第一端201处的电压(相对于VDC/2)。以ia、ib和ic分别表示流经第一、第二和第三相绕组210a、210b、210c中的每一个的内导体的电流。
描述定子参考帧中的健康PMSM(无故障状态)的方程式如下：
其中电压和电流可被表示为：
[Vsh]＝[Va,Vb,Vc,va”,vb”,vc”]t＝[[Vs],[vs”]]t,
[ish]＝[ia,ib,ic,ia”,ib”,ic”]t＝[[is],[is”]]t,
[esh]＝[ea,eb,ec,ea”,eb”,ec”]t＝[[es],[es”]]t
假设PMSM是对称的并且不存在磁饱和。因此，电阻和电感的矩阵可被表示为：
其中，Ra＝Rb＝Rc＝R且La＝Lb＝Lc＝L。
可预期，各相210a、210b、210c的内导体和外导体应呈现相同的自感值和相同的磁链(即，相同的反电动势)，这是因为其环绕相同的线圈架并且具有相同的匝数。此外，给定相绕组的内导体和外导体之间的磁耦合系数近似一致。
因此，可粗略估计：
La＝La”＝Maa”＝L，Mab”＝Mac”＝Mba”＝Mbc”＝Mcb”＝Mca”＝M且[es]＝[es”]。
因此，电阻和电感的矩阵为：
其中，子矩阵为：
由于外导体处于开路，所以可从方程式忽略电流[is”]，这是因为大体上无电流流过外导体，因此：
方程式2中的第一行用于描述定子参考帧中的健康PMSM。方程式2的第二行示出外导体的电压等于内导体的电压，小于由内导体电阻中的驱动电流下降的电压。此可解决关于先前技术中的故障检测技术的重大问题。
已知可监测定子电压和电流的谐波分量以获得关于电动机状态的信息。然而，定子电压通常可受到电动机驱动器的影响，电动机驱动器通常包含脉冲宽度调制转换器，其导致难以获得和分析定子电流和电压的谐波分量。
本发明的实施例通过提供在每个定子相绕组的外导体上测量的电压[vs”]来解决这些问题，所述电压与任何脉冲宽度调制效应去耦合，并且能够易于代替[vs]来检测绕组的电故障。
将参照图3来考虑具有故障状态的电动机的示例。定子绕组中的故障通常是由于绕组绝缘的退化而导致。这种退化能够最终导致“匝到匝”或“匝到接地”故障。其中，绕组包含内导体以及环绕内导体并通过绝缘体与内导体隔离的外导体，最有可能的是：绝缘失效最初出现在电缆的内外导体层之间。对电缆绝缘层的这种退化的早期检测能够消除后续损坏，由此减少修理成本和电动机中断时间。
图3示出表示第一相210a具有初期故障的定子的电路。相210a的内导体a和相210a的外导体a"被表示成串联的两个子绕组，对于a为a1、a2而对于a"为a1”、a2”。电缆的内导体a和外导体a"之间的绝缘层在两个子绕组之间的点301处退化。电阻Rf用于模拟隔离层的损坏。其值取决于故障严重性：当Rf向零降低时，故障表示内导体a和外导体a"之间的完全短路。
在图3中，Ra1、La1和ea1为子绕组a1的电阻、自感和反EMF。Ra2、La2和ea2为子绕组a2的对应参数。将相同的符号和等效电路应用于子绕组a"。
考虑到绕组的匝数N和与匝n一致的绝缘层的损坏，可写成：
La1＝La1”＝(1-μ)2L且La2＝La2”＝μ2L，其中μ＝n/N。
同样，引入Ma1a2为子绕组a1和a2之间的互感，则其遵循：
为图3中的电路建立网格方程：
从图3和电压方程式，还可写成：
其中，vsp和vsp”为绕组相的内导体和外导体的绕组星形点电压，而if为内导体a和外导体a"之间的故障电流。
考虑到La1、La2的表达式，替代方程式4中的方程式3并且重写方程式，具有同轴电缆绝缘故障的电机方程式可简化为：
其中[Vsf]＝[[Vs],[vs”]]t,[isf]＝[ia,ib,ic,if]t,[esf]＝[[es],[es”]]t，并且
方程式6示出if对相电流ia、ib、ic的影响。如可见，由于电动机的特定构造，一旦在电缆的内导体和外导体之间的绝缘层出现故障，故障电流不会影响归因于磁链的方程式6的部分，而是仅电阻的矩阵发生变化。此行为不同于先前技术的PMSM，其中匝间短路产生电动机的磁特性的改变，其可通过分析电动机对叠加在电源电压上的高频分量的响应来检测。方程式6指示此方法可能不适用于根据一实施例的电动机。
此外，(5)的第三行导致：
Rfif＝μR(ia-if)-μR"if+(vsp-v"sp) (方程式7)
方程式7中的第一项主要受到电源电流的影响，因此，受到电源频率的第一谐波的影响。由于来自转子的永磁铁的感应效应，方程式7的最后一项是重要的。难以制造具有正弦波反电动势而不存在不同于基频的电动势谐波的电机。在反EMF中存在第三谐波分量的存在下，Y型连接的定子中的中心星形连接相电压以该频率振荡。振荡的振幅主要取决于转子磁铁的特定几何结构。
根据方程式7，若可将各相210a、210b、210c的外导体a"、b"、c"的第二端vsp"销至固定的电压值(如图3所示的DC电源的中点电压)，则故障电流将呈现归因于vsp的第三谐波分量。
此外，根据方程式6，每个定子相绕组的if与内导体电流ia、ib和ic之间存在关系。为此，定子相绕组的内导体的定子电流的频谱将呈现由电缆的内外连接器之间的短路Rf导致的第三谐波分量。因此，可通过分析流过内导体的电流的谐波含量来检测电缆的内导体和外导体之间的绝缘故障。
已示出，在一些实施例中，电缆的内导体和外导体之间的绝缘层的初期故障(即，电阻性短路)导致了到内导体的电源电流中的第三谐波分量。然而，所得第三谐波的振幅倾向于远低于基频电源电流的振幅。此外，流过内导体的电源电流的谐波与负载条件、转速以及故障的严重性和几何位置相关。由于所有这些原因，在一些情况下，通过分析流过内导体的定子电流的谐波含量来监测电机状态可具有挑战性。例如，在低速下，谐波可被确定的精确度可能不足以检测故障的存在。
尽管监测电源电流的谐波是适用于一些情况下的确定定子故障的一种方法(例如，高速度运行)，但是替代方法为监测电机的瞬时有功功率和无功功率消耗。
先前已关于电源线的电源品质问题采用了被称为瞬时p-q原理的此技术，但其非用于确定电动机的电故障。此方法允许对三相系统进行时域分析，并且先前已被应用于检测电力网的谐波含量以及设计并控制有功功率滤波器。
有故障的电动机可被看作是具有谐波的三相失衡系统，其中电流和电压根据方程式6而关联。因此，可利用电流和电压的采集信号来计算电动机的瞬时功率消耗并执行用于检测初期故障出现的方法。对此特定的电动机，最有益的是采用电压[vs"]代替电源电压[vs"]，这是因为线圈架从脉冲宽度调制转换器的效应去耦合。
具有谐波电压的失衡三相系统通常可被写入Clarke(或αβ0)参考帧：
在方程式8中，V+n、V-n、V0n为第n谐波的正、负和零序电压分量的均方根值；ωn为第n谐波角频率，而ΦV+n、ΦV-n、ΦV0n为第n正、负和零序电压分量的相角。相同的概念可应用于电流ia、ib、ic。
表达Clarke参考帧中的实功率p、虚功率q和零序功率p0：
方程式8描述了实功率、虚功率和零序功率的平均量和交变部分
通过使用方程式8和Clarke参考帧中的电流的对应表达式，并且仅考虑电流和电压的基频和第三谐波，可获得瞬时实功率、虚功率和零序功率如下：
方程式10示出，对于实功率、虚功率和零序功率均存在第二(2ω)、第四(4ω)和第六(6ω)阶谐波。尤其，通过外导体电压的基频与内导体电流的第三谐波的叉积给出四阶谐波。此特征暗示了，仅在定子相绕组的电缆的内导体和外导体之间的绝缘层出现初期故障的情况下存在第四谐波分量。
即使电流的第三谐波的振幅较小，由于电源电压的基频的作用，瞬时功率的第四谐波也显著，并且即使在其中速度相对较低且负载相对较轻的情况下也可直接检测。最适合的第四谐波功率为实第四谐波功率
如方程式10所示，虚功率的第四阶谐波包含符号不同的分量，因此的振幅可低于此外，可忽略的振幅，因为其仅归因于电流和电压的零序分量，其在初期故障的情况下较低。
尽管第四谐波功率(具体地，实第四谐波功率)可为用于确定故障的良好候选，但是在一些实施例中可使用其它谐波分量。
参照图4，其示出根据本发明实施例的故障检测程序400的框图。所述故障检测程序包含：第一和第二Clarke变换框401,402；瞬时功率框403和谐波估算框404。
在第一Clarke变换框401接收在外导体a”、b”、c”的第一端测得的测量电压va”,vb”,vc”，并将这些电压变换成αβ0参考帧中的电压vα”,vβ”。在第二Clarke变换框402接收监测到的电流ia、ib、ic，并将这些电流变换成αβ0参考帧中的电流iα、iβ。
在瞬时功率框403从Clarke参考帧中的电流和电压计算瞬时实功率p。在计算瞬时实功率之后，通过谐波估算框404来检测第四谐波。谐波估算框404确定与该电角度的第四谐波同步的参考帧中的瞬时实功率的平均值。Park变换用于从固定参考帧转换成旋转dq0帧。因为旋转dq0帧与第四谐波同步，所以的空间矢量具有常数分量，而所有其它谐波的空间矢量具有脉动分量。使用积分算子以对dq0参考帧中的瞬时功率的第四谐波的值进行积分，从而提供输出从该输出可确定第四谐波的振幅
图5示出根据实施例的用于具有相绕组的PMSM的模型500。使用PLECS工具箱模拟此模型以调查故障检测的效用。
基于在下文的表1中报告的电参数执行模拟：
表1
为模拟目的，将图5中的各相绕组210a、210b、210c分成三个相同的子绕组。用于图5中的各相子绕组的内导体和外导体的电阻R、R”的值为R＝R"＝0.94/3Ω。自感的值为L＝L”＝8.3/3mH，且采用互感的值为M＝M”＝-4.15/3mH。此外，模型中包括反电动势e的谐波含量，如具有等于基频的十分之一的第三谐波的值。对于方波发电机，va、vb、vc表示用于驱动电动机的脉冲宽度调制电源转换器的输出电压。电阻器Rf用于模拟对第一相绕组210a的电缆的内导体和外导体进行隔离的绝缘体的损坏。
为了调查低转速和轻负载的相对具有挑战性的情况，使用60至120rpm的机械速度范围、1Nm的额定转矩和1A的额定电流来执行模拟。这些值显著低于表1中报告的额定标称值。
图6示出在电动机转速wmecc＝60rpm和电动机转矩Tr＝1Nm下的实功率的第四谐波的振幅与故障电阻Rf的值之间的关系。图6中的曲线用于连接在3和3”之间的故障电阻器。
可识别两个操作区域。在第一区域601，当故障电阻Rf的值较高时，实功率的四阶谐波的振幅几乎恒定并且相对较低。在第二区域602，一旦Rf的值充分降低(即，当故障足够严重时)，则的振幅开始随着Rf的降低大体上线性地上升。两个区域601、602之间发生转变的Rf的值为大约10Ω。此表明根据一实施例的方法能够在绝缘层开始退化时但是在出现潜在危险的完全短路之前的初期阶段检测初期故障。
图7示出在故障电阻Rf＝几何位置10Ω且电动机转矩Tr＝1Nm下的实功率的第四谐波的振幅与电动机转速(从30到120rpm)之间的关系。如所期望，与电动机转速成线性关系变化。
模拟还示出取决于故障的几何位置，其可用于确定故障的位置。
图8示出实功率的第四谐波的振幅与故障电阻器的三个不同位置的故障电阻之间的关系。在其它方面，条件与图6中的条件相同。曲线801、802、803分别示出用于连接在1和1”、2和2”以及3和3”之间的故障电阻器Rf。
能够看出，当故障更靠近所述相的第一端201时，的值增加。这是因为，对于靠近第一端201的故障，故障电流将乘以更高的互感值，此意味着当故障更靠近第一端201时，给定的Rf值对系统具有更大的影响。
其中外导体的第二端202以Y型构造连接到DC链路的中点(VDC/2)的图2的配置允许检测初期故障，但是与负载条件、电机转速和故障位置的相关性较强。若故障出现在绕组210a、210b、210c的第一端201附近，则故障电流振幅将大于故障出现在绕组的第二端202附近的情况下的故障电流振幅。尤其，若绝缘层的退化出现在星形点，则根本不能检测到故障的存在。绝缘层的退化更可能接近绕组的末端这一事实部分地减轻了此缺点。这是因为，由于PWM方法，对绝缘层的电应力沿绕组非均匀地分布，而是在绕组的第一匝更为突出。
此外，使用图2的配置来检测故障可能需要三个电流传感器和三个电压传感器。尽管两个电流传感器可能足以驱动电动机，但是在可靠应用中通常将三个电流传感器嵌入VSC中，例如，以在驱动器的一个相崩溃的情况下实现替代控制策略。因此，对于监测初期故障，通常无需额外的电流传感器。
然而，用于监测外导体的电压的电压传感器不是常规VSC的部分。实际上，即使需要关于电动机电源电压的信息以实现无传感器控制，该信息通常也是从控制器的数字变量获得，其不会受到PWM效应的影响，因此通常不提供电压传感器。
上文结合图2的配置描述的方法的一个替代方法为在连接绕组的外导体的中心星形接线相250与DC源的中点的路径上添加电流传感器。此方法示于图9中。
在故障电阻中流动的电流与在搜索绕组的星形点和DC链路的中点之间的连接中循环的电流相同。此方法允许检测故障电流if,，即使故障处于绕组210a、210b、210c的中心星形点250也是如此。由于故障电流if相对于到电动机绕组的内导体的电源电流具有较低振幅，因此可将用于感测这种故障电流if的电流传感器与用于主绕组的电流传感器隔开。理想地，其应更为灵敏。能够检测振幅为几个mA的电流的市售电流传感器通常不具有较高的最大电流额定值，并且在初期故障包含严重短路的情况下，传感器的损坏可上升。
可减少此问题的替代配置为重新布置相连接以改变搜索绕组的末端的位置，如图10和11所示。在此配置中，外导体的末端位于绕组的第二端202；而在第一端201，外导体与DC链路的中点连接在一起。
以此方式，内导体和外导体的末端的位置反转，并且其之间的差分电压高于前述情况下差分电压。因此，对于故障电阻Rf的给定值，故障电流if更大。随后，可使用具有更高的最大电流额定值的较不灵敏的电流传感器来检测故障的存在。然而，根据此方式，对同轴电缆的绝缘层的电应力更大，其可减少电动机使用寿命。
在其它配置中，绕组的外导体的中性连接250可位于第一端201和第二端202之间。例如，各相绕组可包含一系列的子绕组，在其之间可常规地连接至外导体。星形点250可再次连接至DC链路的中点。在相绕组的第一端201和第二端202之间提供星形点连接250导致与星形点250到相绕组210a、210b、210c的第一端201的近程成比例降低的电压。例如，可通过将绕组的外导体的中点连接到DC链路的中点来提供被限制为DC链路的电压的一半的内导体和外导体之间的电压差，如图12所示。
如图11和12两者所示，在电流监测电阻器Rcm上降低的电压V可用于推断故障电流if。
与常规VSC相比，参照图9至12提出的方法仅采用一个额外的电流传感器，并且不存在额外的电压传感器。因此，就相对于其中外导体的末端处于与内导体的末端相同的绕组端的方案的成本而言，其呈现较低的影响。此外，可降低用于确定故障的计算的复杂度。无需复杂的计算，并且比较器足以容易地检测初期故障的存在。
通过原型电动机可执行试验性测试，其电参数示出在表2。
表2
为了模拟具有同轴绝缘绕组的PMSM，在各相中添加额外的导线以模拟电缆外导体的存在。
提供到达绕组的若干接入点以再现不同的故障位置。以连接在每个绕组的主导体(表示内导体)和额外的导线(表示外导体)之间的可变电阻器来模拟故障电阻Rf，如图11所示。
使用故障电阻Rf的值100、10、1、0.2Ω来模拟不同严重性等级的初期故障。当再现健康电动机的性能时，断开可变电阻器。
为了证明所提出的诊断方法在低转速和轻负载情况下的可行性，使用180到780rpm的机械速度范围和1Nm的额定转矩来执行试验性测试。这些值显著低于表2中报告的额定值。
图13a至13f示出大量的理论和实验结果。在这些附图中，分别以1401、1402和1403来指示与转速ωr＝188,386和574rpm相关的曲线。分别以1404、1405、1406来指示与故障位置1-1”、2-2”和3-3”相关的曲线。
在图13a和13b中，为故障电阻Rf和机械速度ωr的不同值报告所计算的αβ0参考帧中的瞬时有功功率的第四谐波的振幅(图13a)。图13b示出当故障电阻Rf＝10Ω且考虑初期故障的不同位置(图5中的1-1'、2-2'和3-3')时作为ωr的函数的相同功率。αβ0参考帧中的瞬时有功功率的第四谐波示出与电动机转速、故障严重性以及故障位置的线性相关性。此外，能够识别两个运行区域。当故障电阻Rf的值较高时，第四谐波的振幅几乎恒定。当故障的严重性升高(即，Rf降低)时，振幅开始线性上升。两个性能状态之间的Rf的值接近10Ω。图13c和13d示出在分别与图13a和13b相同的测试条件下根据前述方法检测到的故障电流的第三谐波的振幅。如所期望，即使出现在绕组的星形中心250时，也能够检测到故障。
图13e和13f示出在相同的测试条件下但是当绕组如图10所示连接时的故障电流if的第三谐波的振幅。如所期望，电流振幅大于图13c和13d所示的电流振幅。尽管需要额外的电流传感器，但是将外导体配置为处于与内导体不同的电压可实现更简单的初期故障检测方法。此外，此方法仍能够检测故障电阻Rf的相对较高的值，因此适用于检测即使处于初期阶段的初期故障。
在一些实施例中，可通过外部电压或电流源对外导体进行偏压以提供对内导体和外导体之间的电压差和/或故障电流的进一步控制。能够应用此方法，而不考虑外导体的构造和连接，并且此方法适用于所有的实施例。
在替代配置中，外导体上可不存在绝缘层，从而将每个绕组的每个匝(和/或每个绕组)的外导体电连接在一起。此外导电层可被布置成处于与内导体不同的电压，从而当内导体和外导体之间产生电连接时，故障电流上升。对于此方法外导电层可具有相对较高的电阻率，和/或可包含薄导电层。导电层的厚度可小于10μm、1μm、500nm、200nm或100nm。导电层的薄膜电阻可小于10ohm/sq、5ohm/sq、1ohm/sq,或0.1ohm/sq。
内导体和外导体可包含任何合适的材料，例如，如铜或铝等金属。在一些配置中，外导体可具有相对较高的电阻率，并且可包含半导体材料。因为外导体通常不运载电流(除了在故障状态的情况下)，所以其可极薄，例如，具有小于1mm、0.5mm2、0.25mm2、01mm2或0.05mm2的横截面积。内导体和外导体之间的绝缘体和环绕外导体的绝缘体可各自包含任何合适的材料，例如，清漆或聚酰亚胺材料(例如，)。可对每个绝缘体进行喷涂、或沉积或以一些其它方式进行涂布。内导体和外导体之间的绝缘体可包含金属化聚酰亚胺薄膜，或涂布有导电树脂、聚合物或清漆的聚酰亚胺薄膜。
图14示出一种监测电动机的故障状态的方法的流程图，其包含大量的步骤901-904。第一步骤901包含：提供根据本发明实施例的电动机，其具有一个或多个绕组，每个绕组具有通过绝缘体隔离的内导体和外导体。第二步骤902包含：通过驱动电流流经所述一个或多个绕组的内导体来运行所述电动机。第三步骤903包含：在电动机运行时监测内和/或外导体的电性质。第四步骤904包含：基于监测确定是否存在故障状态。
本领域的技术人员将理解，可在如附加的权利要求所界定的本发明的范围内对本发明的例示性实施例进行大量的修改。例如，电机可为发电机，从而通过施加在转子上的机械功率感应出在定子中流动的电流，而不是通过电动机驱动器施加。在又一配置中，转子可被缠绕，而定子可包含永磁铁(例如，电机可为有刷DC电动机)。

Claims (27)

1.一种电机，包含：转子或定子绕组，其中所述绕组包含电缆，所述电缆包括内导体、外导体以及将所述内导体与所述外导体隔离的绝缘体，
其中所述内导体可操作用于运载负载电流，并且
其中所述电机还包含：连接至所述外导体的故障检测电路，所述故障检测电路被配置成监测所述外导体的电性质以确定故障状态。
2.如权利要求1所述的电机，其中，所述电缆为同轴电缆。
3.如权利要求1或2所述的电机，其中，所述内导体包含多个绝缘的导线，而所述外导体包含环绕所述内导体的导电套管。
4.如前述权利要求1或2所述的电机，其中，所述电机为永磁同步电机，所述绕组包含多个定子相绕组。
5.如权利要求4所述的电机，其中，存在三相绕组，各相绕组均包含电缆，所述电缆具有内导体、外导体以及将所述内导体与所述外导体隔离的绝缘体。
6.如权利要求5所述的电机，其中，每个绕组包含第一端和第二端，并且每个绕组的内导体在每个绕组的第二端以Y型构造连接在一起。
7.如权利要求6所述的电机，其中，每个绕组的外导体在所述绕组的第二端以Y型构造连接在一起。
8.如权利要求6所述的电机，其中，每个绕组的外导体在所述绕组的第一端处或在所述绕组的第一和第二端之间的点处以Y型构造连接在一起。
9.如权利要求1所述的电机，其中，所述外导体的电性质包含电流或电压。
10.如权利要求8所述的电机，其中，所述故障检测电路被布置成通过所述Y型构造的星形点监测外导体中的电流。
11.如权利要求1或9或10所述的电机，其中，所述故障检测电路被布置成监测向每个绕组的内导体提供的电流。
12.如权利要求1或9或10所述的电机，其中，所述故障检测电路被配置成至少部分地基于下列各项中的至少一个来确定故障状态：
在所述内导体或外导体中的监测到的电流的谐波含量；以及
在所述内导体或外导体中的监测到的电流的三阶谐波含量的振幅。
13.如权利要求12所述的电机，其中，所述故障检测电路被配置成对所述外导体的监测到的电压和所述内导体的监测到的电流执行Clarke变换，并且自其确定Clarke参考帧中的功率。
14.如权利要求13所述的电机，其中，所述功率包含实功率，并且所述故障检测电路被配置成对所述实功率执行谐波分析，并至少部分地基于所述谐波分析的结果来确定故障状态。
15.如权利要求14所述的电机，其中，所述故障检测电路被配置成在执行所述谐波分析之前对瞬时实功率执行Park变换。
16.如权利要求14或15所述的电机，其中，所述谐波分析的结果包含四阶谐波的振幅，并且至少部分地基于所述四阶谐波的振幅来确定所述故障状态。
17.如前述权利要求16所述的电机，其中，所述绝缘体包含聚酰亚胺，所述外导体包含铝，而所述电缆包含围绕所述外导体的又一聚酰亚胺绝缘层。
18.如权利要求16所述的电机，其中，所述绝缘体包含聚酰亚胺，而所述外导体包含金属化聚酰亚胺。
19.如权利要求16所述的电机，其中，所述绝缘体包含聚酰亚胺，而所述外导体包含导电清漆层。
20.如前述权利要求16所述的电机，其中，不存在围绕所述外导体的绝缘体层。
21.一种航空器，其包含如权利要求1至20中的任一项所述的电机。
22.一种用于监测如权利要求1至20中的任一项所述的电机的故障的方法，包含：
通过旋转所述电机的转子来运行所述电机；以及
在所述电机运行时监测所述外导体的至少一个电性质以确定是否存在故障状态。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述至少一个电性质包含下列各项中的至少一个：
流过所述内导体的电流；
流过所述内导体的电流的谐波含量；
向所述内导体提供的电流的第三谐波含量；以及
所述外导体的电压或电流。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个电性质包含：在每个绕组的内导体中流动的电流和各相绕组的外导体的电压；所述方法包含：对在所述内导体中流动的电流和所述外导体的电压执行Clarke变换，并基于所述电压和电流确定Clarke参考帧中的功率。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述功率包含实功率，并且所述方法包含对所述实功率执行谐波分析。
26.如权利要求25所述的方法，包含：在执行所述谐波分析之前，对所述实功率执行Park变换。
27.如权利要求26所述的方法，其中，执行所述谐波分析包含：确定dq0参考帧中的实功率的四阶谐波的振幅。
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