CN107110913A - 用于检测匝间短路的方法 - Google Patents

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CN107110913A CN201580073491.5A CN201580073491A CN107110913A CN 107110913 A CN107110913 A CN 107110913A CN 201580073491 A CN201580073491 A CN 201580073491A CN 107110913 A CN107110913 A CN 107110913A
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Abstract

用于检测电机(24)中的匝间短路的方法，其具有如下步骤：a)将线圈(25)设置在气隙(26)中，所述气隙位于电机的转子(21)和定子(20)之间；c)记录在电机运行时借助于线圈产生的信号曲线U(t)，所述信号曲线至少具有电机转一圈的持续时间；d)确定信号曲线U(t)的过零点并且存储该过零点的时间点；e)确定借助偏移量c校正的信号曲线U(t)‑c的过零点并且识别至少一个对(12，13)的直接彼此相继的过零点，所述过零点的时间间隔比最小持续时间更长，其中c不等于零；f)在步骤e)中未识别出对，重复步骤e)直至识别出对，其中偏移量c在从所述信号曲线U(t)的零点至全局极值的方向上变化；g)识别出所存储的时间点中的两个时间点的至少之一，所述两个时间点在时间上位于对(12，13)之间并且在时间上距对(12，13)最近；h)利用步骤g)中识别的时间点从信号曲线U(t)中提取两个半波，其中每个半波对应于转子(21)的转半圈。

Description

用于检测匝间短路的方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测电机中的转子匝间短路的方法。
背景技术
如发电机或马达的电机具有定子和转子。为了产生磁场，转子具有电导体的绕组。绝缘体包覆电导体，以使电导体相对于绕组的相邻设置的线匝电绝缘且相对于环境电绝缘。
转子的绝缘体中的缺陷能够引起匝间短路，即引起绕组的相邻设置的线匝之间的短路。这引起：绕组的短路的线匝相较于绕组的未短路的线匝被更小的励磁电流穿流，由此短路的线匝具有比未短路的线匝更低的温度。这能够引起转子的工作温度不均匀。不均匀的工作温度能够引起转子内的机械应力，其中所述应力能够导致质量分布与旋转对称性的偏差。不对称的质量分布能够引起转子在电机运行时的振动。此外，匝间短路导致磁场减弱，这必须通过更高的励磁电流来补偿。更高的励磁电流不利地导致电机效率的降低。
在电机运行中，借助于气隙线圈测量方法确定匝间短路，其中借助于线圈测量在转子和定子之间的位置处的磁通量。为此，需要在借助于线圈产生的信号曲线中识别转子的转半圈。因为信号曲线可以被噪声信号叠加，所以转子的转半圈的识别可能会出现误差，使得气隙线圈测量方法的评估可能导致不明确的结果。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于检测电机的绕组中的匝间短路的方法，其中信号曲线的记录和评估是简单的，并且能够以高的精度检测匝间短路。
根据本发明的用于检测电机中的匝间短路的方法具有如下步骤：a)将线圈设置在气隙中，所述气隙位于电机的转子和定子之间；b)利用电机的转动频率和极对数计算两个时间上直接彼此相继的过零点的最小持续时间，这两个过零点是借助于线圈产生的信号曲线U(t)的过零点；c)记录在电机运行时借助于线圈产生的信号曲线U(t)，所述信号曲线至少具有转子转一圈的持续时间；d)确定信号曲线U(t)的过零点，并且存储所述过零点的时间点；e)确定借助偏移量c校正的信号曲线U(t)-c的过零点，并且识别至少一对的直接彼此相继的过零点，所述过零点的时间间隔比最小持续时间更长，其中c不等于零；f)在步骤e)中未识别出对的情况下，重复步骤e)直至识别出对，其中偏移量c在从信号曲线U(t)的零点至全局极值的方向上变化；g)识别出所存储的时间点中的两个时间点的至少之一，所述两个时间点在时间上位于所述对之间并且在时间上距所述对最近；h)利用在步骤g)中识别出的时间点从信号曲线U(t)中提取两个半波，其中每个半波对应于转子的转半圈；i)将两个半波进行比较。
在步骤i)中，能够通过比较两个半波来检测磁场中的非对称性。这例如能够通过如下方式进行：使两个半波在时间上重合，并且随后将两个半波彼此相加。如果两个半波的相加的时间曲线偏离数值零，那么能够推导出非对称性。从非对称性中于是能够推导出存在匝间短路。
在信号曲线U(t)中并非所有过零点限界一个半波。通过该方法，识别信号曲线U(t)中的如下过零点的时间点，所述过零点实际上限界半波中的一个半波。根据本发明的方法基于如下认知：两个直接彼此相继的过零点的时间间隔越大，偏移量c就选择为越大，借助所述偏移量校正信号曲线U(t)。术语直接彼此相继的过零点表示：在这两个过零点之间不存在另一过零点。偏移量c以递增的方式从最小值变化至最大值，所述最大值都小于信号曲线U(t)的极值，直至在校正的信号曲线U(t)-c中发现一对直接彼此相继的过零点，其中该对具有比所计算的最小持续时间更大的间隔。实际上限界一个半波的过零点在时间上位于该对之内并且是位于该对之内的过零点的在时间上距该对最近的过零点。在此，对于每个对存在两个过零点，所述过零点实际上限界一个半波，其中在步骤g)中可以识别这些过零点中的一个过零点或两个过零点。
因为在步骤e)中寻找如下过零点，所述过零点的时间间隔长于在步骤b)中计算出的最小持续时间，而不是如下过零点，所述过零点精确地对应于所计算出的最小持续时间，即使实际的转动频率与为了计算而在步骤b)中假设的转动频率略有偏差时，该方法也毫无疑问地且有利地起作用。该方法也可有利地起作用，而无需使用测量转子的精确转速的转速计的信息，而是粗略估计步骤b)中的最小持续时间就足够。
该方法有利地可简单执行，使得其也能够自动地执行。此外，能够无误差地识别实际限界半波的零位，由此能够以高的精度执行该方法。
该方法优选地具有如下步骤：e1)确定借助偏移量d校正的信号曲线U(t)-d的过零点，并且识别至少一对的直接彼此相继的过零点，所述过零点的时间间隔长于最小持续时间，其中d不等于零并且具有与c相反的符号；f1)在步骤e1)中未识别出对的情况下，重复步骤e1)直至识别出对，其中偏移量d在从信号曲线U(t)的零点至另一全局极值的方向上变化；并且其中在步骤h中利用在步骤e1)中识别出的时间点来提取两个半波中的一个。如果将正偏移量用于校正信号曲线U(t)，那么能够识别出上半波，并且如果将负偏移量用于校正信号曲线U(t)，那么能够识别出下半波，通过应用正偏移量和负偏移量，能够有利地识别上半波和下半波。此外可行的是：通过将上半波的积分与下半波的积分进行比较来确定：信号曲线U(t)是否整体上具有偏移。
电机的极对数优选为一，并且两个半波中的每个半波分别由两个在步骤g)和/或g1)中识别出的时间点限界，所述时间点直接彼此相继。替选地，电机的极对数大于一，并且每个半波由与电机的极对数相同数量的部分波(Teilwelle)中的一个形成，其中每个部分波分别由两个在步骤g)和/或g1)中识别出的且直接彼此相继的时间点限界。因此，在具有任意数量的极对数的电机中能够有利地执行该方法。
优选的是：在步骤d)、e)和/或e1)中，借助于对于信号曲线U(t)的和校正的信号曲线U(t)-c的所有点形成y0＝Ut＝α*Ut＝α+1来确定过零点(6至9)，其中Ut＝α是在U(t)或U(t)-c中的信号值，并且Ut＝α+1是直接紧随其后的信号值。如果y0＝0，那么两个信号值中的至少一个信号值是过零点。如果y0>0，那么不存在过零点。如果y0<0，那么在这两个信号值之间存在过零点。优选地，在y0为负的情况下，为了确定过零点，对属于Ut＝α和Ut＝α+1的两个点进行线性内插。由此能够有利地以比信号曲线U(t)中的测量点的时间间隔更高的分辨率来确定过零点。例如，能够借助于下述方程式执行线性内插：
其中tα是属于Ut＝α的时间点，并且tα+1是属于Ut＝α+1的时间点。通过根据t重排方程式能够确定过零点。
优选的是：信号曲线U(t)具有在线圈中产生的电压或者在线圈中产生的电流强度。在步骤c)中记录的信号曲线U(t)优选借助于滤波器，尤其贝塞尔滤波器、中值滤波器和/或梯度滤波器来平滑。由此，能够消除由于机械和电磁影响而在信号中出现的畸变，使得能够以高的精度确定过零点。电机优选是发电机，尤其同步电机，和/或电动马达。
附图说明
下面，根据所附的示意图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出具有基波的信号曲线，
图2示出具有函数fc(t)＝c的基波UG(t)，其中c>0，
图3示出具有基波UG(t)的信号曲线U(t)，
图4示出具有函数f1(t)＝c1的信号曲线，其中c1>0，
图5示出具有函数f2(t)＝c2的信号曲线，其中c2>c1>0，
图6示出图5的细节，
图7、8示出对两个半波进行比较的示意图，
图9示出具有两个缺陷位置的信号曲线，
图10示出贯穿电机的横截面图。
具体实施方式
图10示出贯穿电机24的横截面图。电机24具有径向外置的定子20和径向内置的转子21。定子20具有多个沿环周方向并排设置的定子槽23，电导体引入到所述定子槽中。定子槽23中的每个定子槽沿环周方向分别由两个定子齿27限界。转子21具有多个沿环周方向并排设置的转子槽22，为了产生磁场将电导体引入到所述转子槽中。在每个转子槽22中引入多个电的部分导体，所述部分导体分别由电绝缘体包围，以便将部分导体相对于彼此电绝缘。绝缘体的损坏能够引起匝间短路。转子槽22中的每个转子槽沿环周方向分别由两个转子齿28限界。图10中的电机24的极对数是一。在定子20和转子21之间设置有气隙26。在气隙26中为了测量磁通量变化而引入线圈25。图10中的线圈25安置在定子齿27中的一个的径向内置的面上。
图1示出借助于线圈25记录的信号曲线U(t)的绘图。在横坐标4上绘制时间，并且在纵坐标5上绘制电压或电流强度。同样地，在绘图中，绘出形式为的基波1，其中ω是转子21的旋转的角频率，并且是幅度。因为电机24的极对数是一，所以基波1的每个振动周期由第一半波2和第二半波3构成，所述第一半波特征在于UG(t)的正号，并且所述第二半波的特征在于UG(t)的负号。两个半波2、3中的每个对应于转子21的转半圈。在根据本发明的方法中，识别出信号曲线U(t)的如下部段，所述部段属于第一部分波2或第二部分波3。随后，执行两个部段的比较。如从图1可见，并非信号曲线U(t)的全部过零点6都对应于基波1的过零点11。过零点表示信号曲线U(t)中的U(t)＝0的点。
在图2中示出基波1与其过零点11。过零点11在图2中作为基波1与函数f0＝0的交点示出。如果借助偏移量c校正信号曲线UG(t)，使得校正的信号曲线具有UG(t)-c的形式，那么与信号曲线UG(t)的过零点11相比，两个直接彼此相继的过零点7的时间间隔变化。校正的信号曲线U(t)-c的过零点7在图2中作为与函数fc(t)＝c的交点示出，其中c>0。在此，两个直接彼此相继的过零点7的时间间隔交替地短于和长于信号曲线UG(t)的两个直接彼此相继的过零点11的时间间隔。
在图3至6中示出：如何找出信号曲线U(t)的如下零位6，所述零位对应于基波1的零位11。对此，如在图3中示出的，确定信号曲线U(t)的全部零位6。在图3中同样绘制基波1和最小持续时间tmin，所述最小持续时间是基波1的两个直接相邻的过零点11的时间间隔。最小持续时间tmin通过公式tmin＝1/(f*2*n)估算，其中f是转子21的转动频率，并且n是电机24的极对数。
如从图4中可见：在确定信号曲线U(t)的过零点6之后，确定借助偏移量c1校正的信号曲线U(t)-c1中的过零点8。信号曲线U(t)-c1中的过零点8在图4中作为信号曲线U(t)与函数f1(t)＝c1的交点示出。为了确定偏移量c1，首先确定信号曲线U(t)中的全局最大值，并且随后将c1选择为正的，并且选择为全局最大值的一小部分，例如选择为全局最大值的十分之一。现在，在信号曲线U(t)-c1中寻找如下直接彼此相继的过零点8，所述过零点的间隔比最小持续时间tmin更长。如从图4中可见，借助偏移量c1在信号曲线U(t)-c1中不能够发现这种直接彼此相继的过零点8的对。
出于该原因，随后确定借助偏移量c2校正的信号曲线U(t)-c2中的过零点9。信号曲线U(t)-c2中的过零点9在图5中作为信号曲线U(t)与函数f2(t)＝c2的交点示出。在此，偏移量c2相对于c1提高一小部分。现在，在信号曲线U(t)-c2中寻找如下直接彼此相继的过零点9，所述过零点的间隔比最小持续时间tmin更长。如从图5中可见，在信号曲线U(t)-c2中能够发现直接彼此相继的过零点9的两个这种对。这两个对中的每个对具有第一过零点12和第二过零点13，其中第一过零点12在时间上位于第二过零点13之前。信号曲线U(t)的过零点6中的对应于基波1的过零点11的过零点识别为如下过零点，所述过零点在时间上位于第一过零点12和第二过零点13之间并且在时间上距第一过零点12和第二过零点13最近。图5示出图4中的细节，即示出第二过零点13连同基波1的过零点11。
图7和8示意性地示出如何将第一半波2与第二半波3进行比较。对此，从信号曲线U(t)中根据过零点11对于第一半波2和第二半波3提取各自的起点和终点。例如，这能够通过如下方式进行：根据基波1的直接彼此相继的过零点11的所找到的对，首先提取两个半波2、3中的一个半波作为信号曲线U(t)的部段，该部段由所述对限界。两个半波2、3中的第二半波例如能够作为信号曲线U(t)的部段来提取，该部段位于所述对的第一过零点12之前或者位于所述对的第二过零点13之后一定持续时间，所述持续时间对应于所述对的时间间隔。同样能够考虑的是：找到基波1的另外的过零点11，其中负偏移量d朝信号曲线U(t)的全局最大值的方向变化。通过改变正偏移量c和负偏移量d能够总计找到基波1的三个直接彼此相继的过零点11，其中三个过零点11中的时间上的前两个过零点限界第一半波2，并且三个过零点的时间上的第二和第三过零点限界第二半波3。
如从图7和8中可见，通过两个半波2、3中的一个半波沿横轴4的方向移动将两个半波2、3重合，如这通过箭头14表明。两个半波2、3彼此相加，这通过箭头15在图8中表明。在无误差的情况下，彼此相加的半波2、3的时间上的信号曲线为零。如果彼此相加的半波2、3的信号曲线不等于零，那么必须分析该信号曲线：是否实际上存在匝间短路或者外部影响是否在信号曲线U(t)中引起扭曲。
在图9中示出典型的故障情况，第一故障信号16位于第一半波2中并且第二故障信号17位于第二半波3中。故障信号16、17在零点11的时间间隔是相同的，所述零点将两个半波2、3彼此分开。故障信号16、17能够与转子槽23中的一个相关联，因为信号曲线U(t)中的局部最小值18对应于转子齿28，并且信号曲线U(t)中的局部最大值19对应于转子槽23。
虽然通过优选的实施例详细地阐述和描述本发明的细节，然而本发明不受到所公开的实例的局限，并且能够由本领域技术人员从中导出其他的变型形式，而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于检测电机(24)中的匝间短路的方法，所述方法具有如下步骤：
a)将线圈(25)设置在气隙(26)中，所述气隙位于所述电机(24)的转子(21)和定子(20)之间；
b)利用所述电机(24)的转动频率和极对数来计算两个在时间上直接彼此相继的过零点(11)的最小持续时间(tmin)，这两个过零点是借助于所述线圈(25)产生的信号曲线U(t)的过零点；
c)记录在所述电机(24)运行时借助于所述线圈(25)产生的信号曲线U(t)，所述信号曲线至少具有转子转一圈的持续时间；
d)确定所述信号曲线U(t)的过零点(6)，并且存储所述过零点(6)的时间点；
e)确定借助偏移量c校正的信号曲线U(t)-c的过零点(7，8)，并且识别至少一对(12，13)的直接彼此相继的过零点(7，8)，所述过零点的时间间隔比所述最小持续时间(tmin)更长，其中c不等于零；
f)在步骤e)中未识别出对(12，13)的情况下，重复步骤e)直至识别出对(12，13)，其中所述偏移量c在从所述信号曲线U(t)的零点至全局极值的方向上变化；
g)识别出所存储的时间点中的两个时间点的至少之一，所述两个时间点在时间上位于所述对(12，13)之间并且在时间上距所述对(12，13)最近；
h)利用在步骤g)中识别出的时间点从所述信号曲线U(t)中提取两个半波(2，3)，其中每个半波(2，3)对应于所述转子(21)的转半圈；
i)将两个所述半波(2，3)进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其具有如下步骤：
e1)确定借助偏移量d校正的信号曲线U(t)-d的过零点(7，8)，并且识别至少一对(12，13)的直接彼此相继的过零点(7，8)，所述过零点的时间间隔比所述最小持续时间(tmin)更长，其中d不等于零并且具有与c相反的符号；
f1)在步骤e1)中未识别出对(12，13)的情况下，重复步骤e1)直至识别出对(12，13)，其中所述偏移量d在从信号曲线U(t)的零点至另一全局极值的方向上变化；并且其中在步骤h中利用在步骤e1)中识别出的时间点提取两个所述半波(2，3)中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述电机(24)的极对数是一，并且两个所述半波(2，3)中的每个半波分别由两个在步骤g)和/或g1)中识别出的时间点限界，所述时间点直接彼此相继。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述电机(24)的极对数大于一，并且两个所述半波(2，3)中的每个半波由对应于所述极对数的数量的部分波中的一个形成，其中每个部分波分别由两个在步骤g)和/或g1)中识别出的且直接彼此相继的时间点限界。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在步骤d)、e)和/或e1)中，借助于对于所述信号曲线U(t)的和校正的所述信号曲线U(t)-c的所有点形成y0＝Ut＝α*Ut＝α+1来确定过零点(6至9)，其中Ut＝α是U(t)或U(t)-c中的信号值，并且Ut＝α+1是直接紧随其后的信号值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在y0为负的情况下，为了确定所述过零点(6至9)，对属于Ut＝α和Ut＝α+1的两个点进行线性内插。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述信号曲线U(t)具有在所述线圈(25)中产生的电压或者在所述线圈(25)中产生的电流强度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中在步骤c)中记录的所述信号曲线U(t)借助于滤波器，尤其贝塞尔滤波器、中值滤波器和/或梯度滤波器来平滑。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述电机(24)是发电机，尤其同步电机，和/或电动马达。
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