CN109342877B - 一种分数槽集中绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法 - Google Patents

一种分数槽集中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

本发明提出一种分数槽集中绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法，在分数槽集中绕组永磁电机的绕组端部放置探测线圈，将对应不同相绕组的探测线圈的测量值组合成一组检测信号，通过比较一组探测线圈组合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

一种分数槽集中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
本发明涉及一种分数槽集中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，提供一种分数槽集中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：
一种分数槽集中绕组永磁电机的绕组匝间短路故障检测装置及方法。
在分数槽集中绕组永磁电机的绕组端部安置多个探测线圈，每个缠绕在一个定子齿上的绕组线圈的端部对应安置一个探测线圈，每个探测线圈有且仅覆盖一个缠绕在定子齿上的绕组线圈的端部，所有探测线圈沿轴向中心线在圆周上均布。将一组对应不同相绕组线圈的m个探测线圈的测量信号组成一个检测信号，一共形成n个检测信号，m为电机绕组相数，n为大于等于1的整数。每个检测信号设置一个检测阈值Tc，分别将每个检测信号与对应的Tc比较，或将多个检测信号之和与对应的阈值之和比较，若大于阈值，则该组检测信号所属的探测线圈对应的绕组出现了匝间短路故障。
在理想条件下，电机m相绕组电流对称，m相电流之和为零：
Figure BDA0001799646850000021
其中Im为电流幅值，fe为电流频率，θh为相位角，θ1～θm依次相差2π/m。
理想条件下，每一组对应不同相的m个探测线圈中检测到的磁链和电压仅与对应相绕组电流相关。
Figure BDA0001799646850000022
其中nT为探测线圈的匝数，Nc为定子齿上缠绕的线圈匝数，δxy为探测线圈探测面坐标系中(x，y)处的等效磁导，用于表示此处由通入电流后的线圈端部感生磁密的大小Bxy，Bxy＝NcImcos(2πfet-θh)δxy。
因此在理想状态下，对应不同相绕组的一组m个探测线圈，无论以电压之和还是磁链之和作为检测信号，则任意第i个检测信号值任意时刻均为零，i为1-n的整数。
Figure BDA0001799646850000031
若永磁电机绕组出现匝间短路，短路的线圈中将感生显著的短路电流，电机线圈电流不再对称，电机绕组端部探测线圈检测信号的不再为零，与短路电流有关。
因此理想状态下，检测阈值Tc为0。将n个检测信号一次与Tc比较，大于Tc值，则该检测信号中m个探测线圈对应的绕组线圈出现了匝间短路故障。
然而实际非理想因数，电机绕组m相电流很难严格意义上的对称，电流之和不再任意时刻为零。
以探测线圈电压为测量信号，测量n组m个探测线圈电压之和作为检测信号，依次为
Figure BDA0001799646850000032
h表示一组m个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-m之间的整数；在额定转速n0，额定电流I0激励下，分别测量n组的m个探测线圈电压之和的幅值，依次为
Figure BDA0001799646850000033
则在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号对应的阈值Tc为
Figure BDA0001799646850000034
i为1-n之间的整数，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。若此时第i个检测信号大于相应的阈值Tc，则该检测信号所属的m个探测线圈对应的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，可得探测线圈的磁链λ＝∫Udt，测量n组m个探测线圈磁链之和作为检测信号，依次为
Figure BDA0001799646850000035
h表示一组m个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-m之间的整数。在额定转速n0，额定电流I0激励下，分别测量n组m个的探测线圈磁链之和的幅值，依次为
Figure BDA0001799646850000036
Figure BDA0001799646850000037
则在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号对应的阈值Tc为
Figure BDA0001799646850000038
i为1-n之间的整数,k为调整值，用于调整检测的灵敏度。若第i个检测信号大于相应的阈值Tc,则该检测信号所属的m个探测线圈对应的电机绕组线圈发生了匝间短路故障。
可以在探测线圈远离绕组端部的一侧安置导磁背板，增加检测信号强度。
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双层分数槽集中绕组电机的探测线圈安置排布图；
图2本发明实施例2单层分数槽集中绕组电机的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。
图中：1定子铁芯，2绕组，3探测线圈，301为探测线圈的探测面，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。
本发明利用在分数槽集中绕组永磁电机的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和图2分别为双层分数槽绕组永磁电机和单层分数槽集中绕组的端部探测线圈安置示意。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。
图1中的双层分数槽绕组永磁电机的12个定子齿上均缠绕一个线圈，每个线圈只属于特定的相，ABC三相排布如图1中所示，一共12个探测线圈，属于不同相的3个探测线圈的测量信号组成一个检测信号，共分为4个检测信号。每个探测线圈有且仅覆盖一相绕组的一个线圈的端部，探测线圈的探测面301与轴向中心线垂直，12个探测线圈在圆周上沿轴向中心线均布。
图2中的单层分数槽绕组永磁电机的只有一半定子齿上缠绕一个线圈，即6个定子齿上缠绕线圈，6个定子齿上无线圈，ABC三相排布如图2中所示，一共6个线圈。属于不同相的3个探测线圈的测量信号组成一个检测信号，共分为2个检测信号。每个探测线圈有且仅覆盖一相绕组的一个线圈的端部，探测线圈的探测面301与轴向中心线垂直，6个探测线圈在圆周上沿转轴轴线均布。
图3为发明实施例1的探测线圈安置爆炸图，在探测线圈远离绕组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。
实施案例1中，依次比较4个检测值与阈值Tc大小，来检测绕组匝间是否出现短路故障。也可将多个检测信号之和与相应的阈值之和比较，若大于阈值，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。
实施案例2中，依次比较2个检测值与阈值Tc大小，来检测绕组匝间是否出现短路故障。也可将2个检测信号之和与相应的阈值之和比较，若大于阈值，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。
在额定转速n0，额定电流I0激励下，测量探测线圈的电压，分别测量n组m个探测线圈的电压之和的幅值
Figure BDA0001799646850000051
对探测线圈的电压做积分，计算探测线圈的磁链λn_h＝∫Un_hdt，分别测量每组探测线圈的磁链之和的幅值
Figure BDA0001799646850000052
Figure BDA0001799646850000053
实施案例1和实施案例2中，相数m均为3。实施案例1中有4组检测信号，即n等于4。施案例2中有2组检测信号，即n等于2。
以电压作为测量信号，测量n组的3个探测线圈电压之和作为检测信号，依次为
Figure BDA0001799646850000054
Figure BDA0001799646850000055
h表示一组3个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-3之间的整数。在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号的阈值Tc为
Figure BDA0001799646850000056
i为1-n之间的整数，k为调整值，取1-10之间，用于调整检测信号的灵敏度。若第i个检测信号大于相应的阈值Tc，则该检测信号所属探测线圈对应的电机绕组线圈发生匝间短路故障。
以磁链作为测量信号，测量n组3个探测线圈磁链之和作为检测信号，依次为
Figure BDA0001799646850000057
Figure BDA0001799646850000058
h表示一组m个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-3之间的整数。在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号的阈值Tc为
Figure BDA0001799646850000059
i为1-n之间的整数，k为调整值，取1-10之间，用于调整检测信号的灵敏度。若第i个检测信号大于相应的阈值Tc，则该检测信号所属探测线圈对应的电机绕组线圈发生匝间短路故障。
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 (4)

1.一种分数槽集中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多个探测线圈，每个缠绕在一个定子齿上的绕组线圈的端部对应安置一个探测线圈，每个探测线圈有且仅覆盖一个绕组线圈的端部，所有探测线圈沿轴向中心线在圆周上均布；
在探测线圈远离绕组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；
将对应不同相绕组的m个探测线圈的测量信号组成一个检测信号，共有n组检测信号，m等于电机绕组相数，n为大于等于1的整数；每个检测信号设置一个检测阈值Tc，分别将每个检测信号与对应的阈值Tc比较；或将多个检测信号之和与对应的阈值Tc之和比较，若大于阈值，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。
2.一种采用权利要求1所述的分数槽集中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：将对应不同相绕组的m个探测线圈的测量信号组成一个检测信号，共有n组检测信号，m等于电机绕组相数，n为大于等于1的整数；每个检测信号设置一个检测阈值Tc，分别将每个检测信号与对应的阈值Tc比较；或将多个检测信号之和与对应的阈值Tc之和比较，若大于阈值，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。
3.根据权利要求2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U，分别测量n组m个探测线圈电压之和作为检测信号，依次为
Figure FDA0002892099530000011
Figure FDA0002892099530000012
h表示一组m个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-m之间的整数；在额定转速n0，额定电流I0激励下，分别测量n组的m个探测线圈电压之和的幅值，依次为
Figure FDA0002892099530000013
在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号对应的阈值Tc为
Figure FDA0002892099530000014
i为1-n的整数，k为调整值，用于调整检测信号的灵敏度。
4.根据权利要求2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λ，对探测线圈的电压做积分，可得探测线圈的磁链λ＝∫Udt，分别测量n组m个探测线圈磁链之和作为检测信号，依次为
Figure FDA0002892099530000021
h表示一组m个探测线圈的测量信号组合中的第h个线圈，h为1-m之间的整数；在额定转速n0，额定电流I0激励下，分别测量n组m个的探测线圈磁链之和的幅值，依次为
Figure FDA0002892099530000022
Figure FDA0002892099530000023
在任意转速nx，任意电流Ix下，第i个检测信号对应的阈值Tc为
Figure FDA0002892099530000024
i为1-n的整数，k为调整值，用于调整检测信号的灵敏度。
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