CN117949822A - 一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置，属于超导电机失超检测技术领域，所述方法包括：获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。本发明将超导电机用超导磁体端电压耦合的感应电压消除，提高了基于电压的失超检测方法应用于超导电机时的可靠性和准确性，并且该方法便于实施，不需要对超导电机的拓扑结构进行额外改动。

Description

一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置

技术领域

本发明涉及超导电机失超检测技术领域，特别是指一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置。

背景技术

超导电机由于具有功率密度高和高效率等优势，在大容量推进系统、大功率直驱风力发电机等领域具有潜在应用前景。然而，由于外界扰动等原因，超导电机用超导磁体可能发生失超故障。超导磁体失超时，不仅载流能力下降，甚至还会对超导电机造成不可逆的损伤。因此必须在超导电机失超故障处于早期时进行检测，以避免超导磁体失超程度加深引起的严重后果。

目前，超导磁体的失超检测方法有温度检测、压力检测、流速检测、超声波检测、光纤测温、电压检测等。如发明专利申请200710175335.7公开了一种超导线圈失超检测方法，202210224963.4公开了一种基于有源功率法的线圈失超检测装置，202311555618.X公开了一种基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统及方法，202311535540.5公开了基于超声导波的高温超导体失超检测方法和系统，等等。

基于温度检测通过在超导磁体上布置热电偶或其他温度传感器实现超导磁体温度的检测，只能检测某个点的温度变化，需要增加传感器的安装密度从而实现对磁体整体的检测，这具有一定的困难，此外温度检测存在滞后，只能作为后备失超检测方法。压力检测、流速检测通过检测冷却管道内冷却剂的压力和流速变化失超对超导磁体进行失超检测，滞后较大且可靠性差。超声波检测检测的信号微弱，容易受外界干扰，可靠性差。光纤测温通过检测安装在超导磁体上光纤的反射波参数实现对超导磁体温度变化的检测，所需设备成本较高。传统的基于电压信号的失超检测方法便于使用，但由于超导电机内部存在励磁磁场和电枢磁场，导致超导磁体端电压耦合有感应电压分量，导致基于电压信号的失超检测方法准确性和可靠性下降，所以如何解决感应电压干扰的问题是基于电压信号的失超检测方法目前的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置，以解决目前基于电压信号的失超检测方法应用于超导电机时感应电压干扰的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，包括：

步骤101：获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

步骤102：计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

步骤103：判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

另一方面，提供一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测装置，用于超导电机，包括：

获取模块，用于获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

计算模块，用于计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

判断模块，用于判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置，首先获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；然后计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；最后判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。本发明中，超导磁体的端电压检测具有非侵入性，且超导磁体的端电压在工程应用中极易获取，超导磁体的端电压变化也能直观快速的反应失超现象的发生。本发明将超导电机中超导磁体端电压分组后相减，经过处理后的超导磁体端电压差值不包含感应电压分量，避免感应电压对基于电压信号的失超检测方法的干扰，提高了基于电压信号的失超检测方法在应用于超导电机时的准确性、可靠性，此外本发明基于超导磁体端电压对超导电机进行失超检测，无需对超导电机的结构进行额外改动。

附图说明

图1为本发明的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法的流程示意图；

图2为本发明实例的研究对象超导电机的结构模型图；

图3为本发明实例的研究对象超导电机的电枢绕组展开图；

图4为本发明实例的超导电机超导磁体在未发生失超时的端电压波形图；

图5为本发明实例的超导电机径向磁场强度图；

图6为本发明实例的超导电机超导磁体在未发生失超时的端电压波形图；

图7为本发明实例的超导磁体端电压差值绝对值波形图；

图8为本发明的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，如图1所示，包括：

步骤101：获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

本发明利用电机旋转对称性将超导电机分为多个单元电机，将每个单元电机对应位置的超导磁体分为一组，采集每组超导磁体端电压进行后续处理和判断。

作为一种可选的实施例，超导电机可以由T个以360°/T的间隔排列并且具有相同结构的单元电机构成，T≥ 2（T为整数，优选为偶数），每个单元电机都具有N个分布在位置1至位置N的超导磁体（N为整数），每个单元电机中处于对应位置的超导磁体具有相同的几何结构并以360°/T的间隔排布在超导电机中。

作为另一种可选的实施例，所述步骤101可以包括：

将T个单元电机中处于对应位置的超导磁体分为一组，每个单元电机具有N个超导磁体，因此可以将所有超导磁体分为N组，每组超导磁体由T个超导磁体组成，随后实时获取每组超导磁体的端电压：

其中，n代表超导磁体在单元电机中所处的位置，t代表超导磁体所处的单元电机，u _nt为处于单元电机t中位置n处的超导磁体的端电压。

具体实施时，在本发明一个实例中，超导电机结构模型可以如图2和图3所示。利用电机的旋转对称性将该超导电机划分为2个单元电机：单元电机310和单元电机320，2个单元电机以180°间隔排列并且具有相同结构。单元电机310中有4个超导磁体，分别是处于位置1的超导磁体311、处于位置2的超导磁体312、处于位置3的超导磁体313、处于位置4的超导磁体314。单元电机320有4个超导磁体，分别是位于位置1的超导磁体321、位于位置2的超导磁体322、位于位置3的超导磁体323、位于位置4的超导磁体324。将2个单元电机中处于对应位置的超导磁体分为一组，每个单元电机具有4个超导磁体，因此可以将所有超导磁体分为4组，每组超导磁体由处于2个单元电机中对应位置的超导磁体组成，随后实时采集每个超导磁体端电压：

此时超导磁体的端电压耦合有感应电压，图4为采集到的超导磁体311的端电压波形，未经过任何处理的超导磁体端电压的幅值远超预设阈值，此时基于电压信号的失超检测方法无法直接应用，因此需要下面的步骤进一步处理超导磁体端电压。

步骤102：计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

作为一种可选的实施例，所述步骤102可以包括：

将超导磁体的N组端电压按照如下表达式进行计算，得到N组端电压差值：

其中，U _nt(t+1)为处于单元电机t中位置n处的超导磁体端电压与处于单元电机t+1中位置n处的超导磁体端电压的差值；

随后将端电压差值取绝对值得到：

即得端电压差值绝对值。

在前述实例中，如图5所示，穿过单元电机1位置1处的超导磁体311和位于单元电机2位置1处的超导磁体321的磁场具有相同的波形和变化过程，因此，两个超导磁体中的感应电压分量也具有相同的变化过程，根据这一特点，本步骤可以将4组超导磁体端电压按照如下表达式进行计算，得到4组端电压差值：

图6为U ₁₁₂波形示意图，此时超导磁体311和超导磁体312均未发生失超，此时端电压差值U ₁₁₂远小于本发明中超导电机使用的超导磁体的预设阈值2mV，不会导致失超的误判。随后将端电压差值取绝对值得到：

步骤103：判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

本步骤中，若否，则判定超导磁体未处于失超状态。

作为一种可选的实施例，所述步骤103可以包括：

将得到的端电压差值绝对值与预设阈值进行比较，若|U _n(t-1)t|和|U _nt(t+1)|均大于预设阈值，则认为处于单元电机t中位置n处的超导磁体处于失超状态。

此时，若否，则认为处于单元电机t中位置n处的超导磁体未处于失超状态。

在前述实例中，图7为|U ₁₁₂|和|U ₁₂₁|的波形，虚线为预设阈值2mV，将端电压差值绝对值|U ₁₁₂|和|U ₁₂₁|与预设阈值进行比较，若|U ₁₁₂|和|U ₁₂₁|均大于预设阈值，则认为处于单元电机1中位置1处的超导磁体311和处于单元电机2中位置1处的超导磁体321均处于失超状态。其他超导磁体分组也根据超导磁体311和超导磁体321相同的流程进行失超检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明提出的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，使用超导磁体端电压进行失超检测。电压信号的检测具有非侵入性，且电压信号在工程应用中极易获取，克服了侵入式方法在电机内部检测信号的困难。此外电压信号响应速度快，能快速直观的反应超导磁体失超时失超电阻的产生，基于电压信号的失超检测方法在应用于超导电机时具有响应速度快的优点。

（2）本发明提出的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，提高了使用电压信号诊断失超故障的准确性和可靠性。现有基于电压信号的失超检测方法受到感应电压的干扰，导致准确性和可靠性低。本发明对超导电机内部的超导磁体端电压信号做差，能够消除端电压差值中耦合的感应电压分量，使基于电压信号的失超检测方法能够在超导电机中可靠的应用，能够检测超导电机中超导磁体的失超故障。

（3）本发明提出的基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，将超导电机用超导磁体端电压耦合的感应电压消除，通过检测超导磁体端电压实现，提高了基于电压的失超检测方法应用于超导电机时的可靠性和准确性，并且该方法便于实施，不需要对超导电机的拓扑结构进行额外改动。

另一方面，本发明提供一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测装置，用于超导电机，如图8所示，包括：

获取模块11，用于获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

计算模块12，用于计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

判断模块13，用于判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

优选的，所述超导电机可以由T个以360°/T的间隔排列并且具有相同结构的单元电机构成，T≥ 2（T为整数，优选为偶数），每个单元电机都具有N个分布在位置1至位置N的超导磁体（N为整数），每个单元电机中处于对应位置的超导磁体具有相同的几何结构并以360°/T的间隔排布在超导电机中。

优选的，所述获取模块11可以包括：

获取子模块，用于将T个单元电机中处于对应位置的超导磁体分为一组，每个单元电机具有N个超导磁体，将所有超导磁体分为N组，每组超导磁体由T个超导磁体组成，随后实时获取每组超导磁体的端电压：

其中，n代表超导磁体在单元电机中所处的位置，t代表超导磁体所处的单元电机，u _nt为处于单元电机t中位置n处的超导磁体的端电压。

优选的，所述计算模块12可以包括：

计算子模块，用于将超导磁体的N组端电压按照如下表达式进行计算，得到N组端电压差值：

其中，U _nt(t+1)为处于单元电机t中位置n处的超导磁体端电压与处于单元电机t+1中位置n处的超导磁体端电压的差值；

随后将端电压差值取绝对值得到：

即得端电压差值绝对值。

优选的，所述判断模块13可以包括：

判断子模块，用于将得到的端电压差值绝对值与预设阈值进行比较，若|U _n(t-1)t|和|U _nt(t+1)|均大于预设阈值，则认为处于单元电机t中位置n处的超导磁体处于失超状态。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法，其特征在于，包括：

步骤101：获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

步骤102：计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

步骤103：判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超导电机由T个以360°/T的间隔排列并且具有相同结构的单元电机构成，T ≥ 2，每个单元电机都具有N个分布在位置1至位置N的超导磁体，每个单元电机中处于对应位置的超导磁体具有相同的几何结构并以360°/T的间隔排布在超导电机中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤101包括：

将T个单元电机中处于对应位置的超导磁体分为一组，每个单元电机具有N个超导磁体，将所有超导磁体分为N组，每组超导磁体由T个超导磁体组成，随后实时获取每组超导磁体的端电压：

其中，n代表超导磁体在单元电机中所处的位置，t代表超导磁体所处的单元电机，u _nt为处于单元电机t中位置n处的超导磁体的端电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤102包括：

将超导磁体的N组端电压按照如下表达式进行计算，得到N组端电压差值：

其中，U _nt(t+1)为处于单元电机t中位置n处的超导磁体端电压与处于单元电机t+1中位置n处的超导磁体端电压的差值；

随后将端电压差值取绝对值得到：

即得端电压差值绝对值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤103包括：

将得到的端电压差值绝对值与预设阈值进行比较，若|U _n(t-1)t|和|U _nt(t+1)|均大于预设阈值，则认为处于单元电机t中位置n处的超导磁体处于失超状态。

6.一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测装置，用于超导电机，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取超导电机中每组超导磁体的端电压，其中，预先利用电机的旋转对称性将超导电机划分为至少2个单元电机，从所述至少2个单元电机中选择处于对应位置的超导磁体作为一组超导磁体；

计算模块，用于计算每组超导磁体的端电压差值的绝对值；

判断模块，用于判断所述绝对值是否超过预设阈值，若是，则判定超导磁体处于失超状态。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述超导电机由T个以360°/T的间隔排列并且具有相同结构的单元电机构成，T ≥ 2，每个单元电机都具有N个分布在位置1至位置N的超导磁体，每个单元电机中处于对应位置的超导磁体具有相同的几何结构并以360°/T的间隔排布在超导电机中。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：

获取子模块，用于将T个单元电机中处于对应位置的超导磁体分为一组，每个单元电机具有N个超导磁体，将所有超导磁体分为N组，每组超导磁体由T个超导磁体组成，随后实时获取每组超导磁体的端电压：

其中，n代表超导磁体在单元电机中所处的位置，t代表超导磁体所处的单元电机，u _nt为处于单元电机t中位置n处的超导磁体的端电压。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：

计算子模块，用于将超导磁体的N组端电压按照如下表达式进行计算，得到N组端电压差值：

其中，U _nt(t+1)为处于单元电机t中位置n处的超导磁体端电压与处于单元电机t+1中位置n处的超导磁体端电压的差值；

随后将端电压差值取绝对值得到：

即得端电压差值绝对值。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判断模块包括：

判断子模块，用于将得到的端电压差值绝对值与预设阈值进行比较，若|U _n(t-1)t|和|U _nt(t+1)|均大于预设阈值，则认为处于单元电机t中位置n处的超导磁体处于失超状态。