CN109212374A - 一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法 - Google Patents

一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法，在整数槽绕组永磁电机绕组端部放置探测线圈，通过比较探测线圈的检测信号与阈值的大小，判断电机是否发生匝间短路故障。该方法不需要对检测值进行傅里叶变换，也不需要增加额外的数据采集设备，简单方便，成本低。

Description

一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法。
背景技术
随着节能减排的需求越来越迫切，永磁电机以其高效率的显著优点，广泛运用在工业应用领域的各个行业。随着永磁电机的广泛应用，永磁电机故障检测成为企业和科研院所的研究热点。在永磁电机故障中，绕组故障约占30％～40％，而绕组故障中匝间短路故障最为严重。因此及时便捷地检测绕组匝间短路故障，是提高永磁电机安全性和可靠性的有效手段。
专利201610491494.7提供了一种基于定子电流FFT计算的永磁电机匝间短路故障诊断方法。该方法利用电流传感器采集定子电流信号，经过数据采集仪对电流信号进行FFT分析，通过分析5次谐波与基波的幅值之比，判断电机是否发生匝间短路故障。
专利201710427321.3公开了一种基于磁场分布检测的永磁电机匝间短路故障诊断方法。通过测量定子齿磁通，对定子齿磁通的信号进行FFT分解，利用定子齿磁通的高频分量进行诊断电机是否发生匝间短路故障。
专利201580073491.5提出了一种借助安置在电机气隙内的线圈检测匝间短路的方法。该方法通过检测探测线圈的信号曲线过零点，通过比较过零点的时间间隔，来判断是否产生匝间短路故障。该方法虽然不需要进行FFT计算，但过零点检测需要占用额外的计算资源或检测电路。此外该方法需要检测信号至少具有电机转一圈的时间，检测速度受限。
总之，现有技术均需要通过FFT计算，检测速度受限，且占用额外的计算资源。
本发明在电机绕组端部安置探测线圈，利用电机多相绕组电流对称的特性，采用探测线圈检测仅与绕组电流相关的端部磁场，将对应不同相的探测线圈探测信号组合成检测信号，通过与设定的阈值比较，判断电机绕组是否发生匝间短路故障。该方法不需要进行FFT计算，且可实时判断电机是否发生故障，无需采集一个电周期或电机转动一圈的信号。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有绕组匝间短路故障检测方法需要FFT计算以及至少需要检测一个电周期的信号的不足，提供一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法，无需进行FFT计算，能快速检测匝间短路故障，无需占用额外的计算资源。
为达上述目的，本发明的技术方案为：
一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法。
在整数槽绕组永磁电机的绕组端部安置探测线圈，探测线圈的探测面所在的平面垂直于轴向中心线，且探测线圈的探测面中心位于轴向中心线上。将探测线圈的测量信号作为检测信号，将检测信号与设置的阈值Tc比较，若大于阈值，则绕组出现了匝间短路故障。
在探测线圈远离绕组端部的一侧安置导磁背板，可以增加检测信号强度。
对于整数槽绕组永磁电机，一相绕组的一个相带的线圈中，一半线圈中电流朝顺时针方向的相邻同相的相带中流入而另一半线圈中电流朝逆时针方向的相邻同相相带流入，或者一半线圈中电流由顺时针方向的相邻同相相带中流出而另一半线圈中电流由逆时针方向的相邻同相相带流出。因此整数槽绕组电机一相绕组线圈中，一半线圈端部电流流向与另一半线圈端部电流流向相反。在理想条件下，电流流向不同的两部分线圈产生的端部磁场大小相同，极性相反。因此探测线圈测量的一相绕组端部磁场感生的电压或磁链，理想条件下应为零。电机绕组多相对称，故理想状态下，探测线圈测量值应任意时刻均为零。
然而实际非理想因素，电机绕组端部形状很难保证一致，导致探测线圈检测到的每个线圈端部磁场略微不同，实际探测线圈测量到的一相绕组的端部磁场表征值不为零。因此结合实际测量的方法，排除非理想因素。
以探测线圈电压为测量信号，若采用单探测线圈,则检测信号为单探测线圈电压U1，若采用双探测线圈，检测信号为两个探测线圈电压之差(U1-U2)。在额定转速n0，额定电流I0激励下，若采用单探测线圈,测量单探测线圈电压的幅值若采用双探测线圈,测量两个探测线圈电压之差的幅值在任意转速nx，任意电流Ix下，采用单探测线圈的检测信号对应的阈值Tc为采用双探测线圈的检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，取值范围1～10，用于调整检测信号的灵敏度。若检测信号大于对应的阈值Tc，则电机绕组线圈发生匝间短路故障。
以探测线圈磁链为测量信号，对探测线圈的电压做积分，测量探测线圈的磁链λ＝∫Udt，若采用单探测线圈,则检测信号为单探测线圈磁链λ1，若采用双探测线圈，则检测信号为两个探测线圈磁链之差(λ1-λ2)。在额定转速n0，额定电流I0激励下，若采用单探测线圈,则测量单探测线圈磁链的幅值若采用双探测线圈,则测量探测线圈磁链之差的幅值则在任意转速nx，任意电流Ix下，采用单探测线圈的检测信号对应的阈值Tc为采用双探测线圈的检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，取值范围1～10，用于调整检测的灵敏度。若检测信号大于对应的阈值Tc,则电机绕组线圈发生了匝间短路故障。
本发明具有以下的优点：
(1)本发明不需要对检测值进行傅里叶变换，也不需要增加额外的数据采集设备，简单方便，成本低。
(2)本发明无需对检测信号进行FFT计算，不占用计算资源。
(3)本发明无需至少一个电周期的检测信号，检测速度快。
附图说明
图1本发明实施例1整数槽绕组电机的单探测线圈安置排布图；
图2本发明实施例1整数槽绕组电机的双探测线圈安置排布图；
图3本发明实施例1的探测线圈安置爆炸图；
图4本发明实施例1的A相绕组端部电流流向示意图；
图中：1定子铁芯，2绕组，3探测线圈，4为导磁背板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明利用在整数槽绕组永磁电机绕组端部安置探测线圈，通过测量探测线圈信号的组合，判断绕组是否发生匝间短路故障。
图1为发明实施案例1的整数槽绕组永磁电机绕组端部安置单探测线圈示意图。图2为发明实施案例1的整数槽绕组永磁电机绕组端部安置双探测线圈示意图。图3为发明实施案例1的探测线圈安置爆炸示意图。图中1为定子铁芯，2为绕组，3为探测线圈，301为探测线圈的探测面，4为导磁背板。图1-图3中，探测线圈的探测面所在的平面垂直于轴向中心线，且探测线圈的探测面中心位于轴向中心线上。在探测线圈远离绕组端部的一侧安置导磁板，可以增加检测信号强度。
图4为实施案例1的A相绕组电流流向示意图。在A相绕组1号槽和2号槽相带的线圈中，2号槽的线圈电流流向逆时针方向7号槽，1号槽的线圈电流流向相反，流向顺时针方向32号槽。两个线圈电流大小相等，方向相反，其端部产生的磁场大小相等，极性相反。其余相带的线圈电流流向依次类推。因此探测线圈测量的一相绕组端部磁场感生的电压或磁链，理想条件下应为零。电机绕组多相对称，故理想状态下，探测线圈测量值应任意时刻均为零。
实施案例1中，比较探测线圈的检测值与阈值Tc大小，来检测绕组匝间是否出现短路故障。若大于阈值Tc，则该组检测信号所属的探测线圈对应的绕组线圈出现了匝间短路故障。
探测线圈的测量值可以是探测线圈的电压U，也可以是探测线圈的磁链λ。以探测线圈电压为测量信号，若采用单探测线圈,则检测信号为单探测线圈电压U1，若采用双探测线圈，检测信号为两个探测线圈电压之差(U1-U2)。以探测线圈磁链为测量信号，对探测线圈的电压做积分，测量探测线圈的磁链λ＝∫Udt，若采用单探测线圈,则检测信号为单探测线圈磁链λ1，若采用双探测线圈，则检测信号为两个探测线圈磁链之差(λ1-λ2)。
以探测线圈电压为测量信号，在额定转速n0，额定电流I0激励下，若采用单探测线圈,测量单探测线圈电压的幅值若采用双探测线圈,测量两个探测线圈电压之差的幅值则在任意转速nx，任意电流Ix下，若采用单探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为若采用双探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，取1～10之间任意值，用于调整检测信号的灵敏度。当检测信号大于对应的阈值Tc，则电机绕组线圈发生匝间短路故障。
以探测线圈磁链为测量信号，在额定转速n0，额定电流I0激励下，若为采用单探测线圈,则测量单探测线圈磁链的幅值若采用双探测线圈,则测量两个探测线圈磁链之差的幅值则在任意转速nx，任意电流Ix下，若采用单探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为若采用双探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，取1～10之间任意值，用于调整检测的灵敏度。当检测信号大于对应的阈值Tc,则电机绕组线圈发生了匝间短路故障。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置，其特征在于：在永磁电机绕组线圈的端部安置探测线圈，探测线圈采用单探测线圈或采用匝数相同且大小不同的双探测线圈，探测线圈的探测面所在的平面垂直于轴向中心线，且探测线圈的探测面中心位于轴向中心线上。
2.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于：在探测线圈远离绕组的端部的一侧安置导磁材料制成的导磁背板，增加检测信号强度。
3.一种采用权利要求1或2所述的用于整数槽绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置的故障检测方法，其特征在于：将探测线圈的测量信号作为检测信号，将检测信号与设置的阈值Tc比较，若大于阈值，则绕组出现了匝间短路故障。
4.根据权利要求3所述的故障检测方法，其特征在于：所述测量信号为探测线圈的电压，若采用单探测线圈,则检测信号为单探测线圈的电压U1，若采用双探测线圈，则检测信号为两个探测线圈电压之差(U1-U2)；在额定转速n0，额定电流I0激励下，测量探测线圈电压，若采用单探测线圈,则测量单探测线圈电压的幅值若采用双探测线圈,则测量探测线圈电压之差的幅值在任意转速nx，任意电流Ix下，若采用单探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为若采用双探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，用于调整检测信号的灵敏度。
5.根据权利要求3所述的故障检测方法，其特征在于：所述测量信号为探测线圈的磁链，若采用单探测线圈，则检测信号为单探测线圈磁链λ1，若采用双探测线圈，则检测信号为两个探测线圈磁链之差(λ1-λ2)；在额定转速n0，额定电流I0激励下，对探测线圈的电压积分，得到探测线圈的磁链λ＝∫Udt，若采用单探测线圈,测量单探测线圈磁链的幅值若采用双探测线圈,则测量两个探测线圈磁链之差的幅值在任意转速nx，任意电流Ix下，若采用单探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为若采用双探测线圈，则检测信号对应的阈值Tc为k为调整值，用于调整检测信号的灵敏度。
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