電機轉子溫度監測方法研究現狀及展望

陳思彤,黃俊斌,顧宏燦,徐 丹

1.海軍工程大學兵器工程學院;2.海軍工程大學電子工程學院

0 引言

在發電機運行過程中,機械能有一部分轉換成了電能,還有一部分變成了各類損耗,比如鐵損、銅損、機械損耗和雜散損耗等[1-2],這些損耗通常均以熱的形式釋放[3]。轉子是發電機的核心部件之一,相比于定子,轉子由于長期做高速的旋轉運動,風摩損耗也會導致轉子發生溫升效應,發熱嚴重是影響發電機的工作效率和運行性能的主要因素之一,感應電機中約40%的故障是由繞組絕緣擊穿和由此產生的熱應力引起的[4];此外,永磁體材料在長期高溫條件下也可能會發生逐步退磁的現象[5],這些問題將嚴重影響到電機運行的安全性;艦船發電機的結構緊湊,一般來說,氣隙越小,磁極表面的磁損耗越大,轉子的溫度越高。因此,有效的溫度監測是確保電機的可靠性和最佳性能的關鍵。同時,監測轉子的溫度還可以控制發電機的輸出功率和容量水平,解決裕量過大而引起的浪費[6-7]。通過對機器內部熱點的定位也有利于電機的設計和冷卻系統的開發[8],因而研究轉子測溫系統具有明確的意義和現實需要[9-10]。

定子的溫度監測一般通過在指定位置埋置熱電阻或熱電偶等溫度傳感器[11-13],具體位置可以選擇負荷端軸承座、自由端軸承座以及定子繞組內部;但由于監測轉子溫度的傳感器需要跟隨轉子一起旋轉,動、靜端之間的信號傳輸是轉子溫度監測的阻礙之一,熱電阻和熱電偶等因為尺寸和供電問題難以適應于高速轉子,故而轉子的溫度一直是電機設計和狀態監測的難點。本文基于以上研究背景,對國內外近年來監測轉子溫度的方法進行了綜述,指出各種方法的適用性及研究前景,為進一步研究電機轉子的溫度監測技術提供參考。

1 平均溫度監測法

電機轉子繞組的絕緣等級分為A、E、B、F、H 5個等級,對應的最高允許溫度分別為105、120、130、155、180 ℃[14]。根據測溫的范圍,可以將溫度監測方法分為平均溫度監測法和局部溫度監測法,前者主要包括電阻法和紅外測溫法,其中,電阻法僅適用于繞組型電機轉子;局部溫度監測法主要是在轉子上埋置電子類測溫傳感器和光纖光柵測溫傳感器,下面對這些方法的研究現狀及適用范圍進行綜述。

1.1 電阻法

如圖1所示,在一定的溫度范圍內,金屬銅的電阻值與溫度成線性關系,利用預先標定好的電阻值與溫度的對應關系,通過測量繞組整體的電阻值,便可以估算出繞組的溫度,該方法的原理較為簡單,已被廣泛地應用于估算電機繞組的平均溫升。其中,銅在2個不同溫度點下電阻值的對應關系可以表示為

圖1 金屬銅的電阻與溫度的對應關系

R2/R1=(T2+235)/(235+T1)

(1)

式中:T2為勵磁電壓U2、勵磁電流為I2時繞組對應的溫度,U2、I2需要通過實驗測得;T1為參考溫度;R1為參考溫度下的電阻值;T1和R1為已知量。

通常情況下,電阻法需要在電機停機后迅速地外接測溫系統,并認為電機斷能后一段時間內的電阻溫度近似等于停機前的溫度,不同功率水平電機的停機時間如表1所示,若操作超出了一定時間,則需要外推停機溫度[15]。

表1 電機斷能后轉子溫度近似不變的最長時間

通過輔助電刷等方式來實時地采集工作條件下的電阻值,進而達到監測轉子繞組整體溫度的目的,該方法的關鍵在于動態條件下勵磁電流和勵磁電壓測量的準確性,其中,勵磁電壓可由集電刷獲取,而勵磁電流的測量具有一定難度。2007年,任鵬輝[16]通過在勵磁機定子的磁極間裝設探測線圈,利用線圈中產生的感應電流與勵磁電流成正比,轉換得到勵磁電流。2013年,張磊[17]則采用霍爾元件測量繞組的勵磁電流和勵磁電壓。2011年,張霞[18]假設初始時刻氫冷的平均溫度與發電機轉子的溫度相同,若已知初始時刻轉子繞組的電阻值,由電阻和勵磁電流計算出勵磁功率,再由勵磁功率、氫冷的平均溫升和壓力計算出轉子繞組的溫升,最后根據繞組的溫度可以計算出繞組的電阻值,多次迭代,直到2次計算的繞組溫度差值在0.01 ℃時結束迭代,該方法的關鍵在于勵磁功率計算的準確性,并且需要實時采集勵磁電流和氫冷的平均溫升等參數。

當采用輔助滑環測量勵磁電壓時,主要的誤差來源于線圈外電阻引起的電壓降,比如碳刷的接觸壓降,一般按照2～5 V來估算,但當勵磁電壓較小時,接觸壓降引起電阻的計算誤差較大;此外,參考溫度下的電阻值不精確,影響了繞組平均溫度估算的準確性,以下研究對電阻法提出了改進。2019年,周宇等[19]提出了通過實際測量2種工況下繞組的電阻值和溫度值,對電阻與溫度對應關系的斜率進行修正,但銅的電阻溫度常數依然取為-235 ℃,實際上由于線圈外電阻的存在,曲線不一定過-235 ℃這點。2010年,李國東等[20]一方面通過減去額外電阻引起的壓降來提高勵磁電壓測量的準確性,另一方面去掉了“在-235 ℃時銅電阻為0”的假設,但需要廠家測定滿負荷、0℃時繞組的電阻值和溫度值,而這2個值較難獲得。

一些研究者采用信號注入法、神經網絡法、集總參數法來實時獲取轉子繞組的電阻值。2017年,D.D.Reigosa等[21]提出了利用高頻信號注入法對轉子溫度進行估算的方法,該方法基于轉子的高頻電阻是繞組溫度的函數,高頻信號的注入不會對電機的工作狀態造成影響,并且不需要額外的硬件。2018年,Y.M.In’kov等[22]給出了通過引入直流電壓分量來確定定子繞組的電阻,以及通過引入直流和高頻電壓分量來確定轉子繞組電阻方法,根據異步電動機繞組的有功電阻來間接測定了轉子繞組的溫度。2020年,T.P.Van等[23]采用人工神經網絡對感應電機轉子的電阻進行了在線估計,以學習率為函數的前饋神經網絡法取得了較好的估算精度,為估算電機在各種工作狀態下的轉子電阻提供了新思路。2021年,P.N.Phuc等[24]建立了基于集總參數熱網絡和雙卡爾曼濾波的感應電機轉子溫度估算模型,并在1臺5.5 kW的四極感應電機上進行了試驗,結果表明該方法估算溫度誤差大約在±6 ℃。

綜上所述,電阻法能夠估算轉子的平均溫度,是一種較為簡單的獲取轉子繞組溫度的方法,但電阻法沒有定位能力、無法反映異常位置,事實表明,在發生故障時,局部熱點的溫度遠高于繞組整體的平均溫度,故而電阻法難以對局部熱點進行預警。并且,電阻法在某些故障發生時失效,當發生匝間短路時,繞組整體的電阻值減小,但其溫度值會迅速地升高,電阻和溫度的對應關系不再是原先測定的線性規律,造成了溫度估算結果的不準確;當勵磁系統失磁時,端電壓會發生大幅的波動,導致溫度估算不準確。此外,電阻法還受到干擾信號和發電機自身漸變參數的影響,2020年,李昊天[25]通過慣性濾波和去極值平均濾波法消除勵磁電壓和電流的變化,并且研究發現發電機自身漸變參數中轉子電抗和觸發角的變化對電阻的影響較大。

1.2 紅外測溫法

如圖2所示,紅外測溫法是利用光學透鏡將物體表面發出的紅外輻射聚焦在光電探測器上,探測器將光信號轉換成電信號,經過放大和處理電路后,按照目標發射率和一定的算法計算得到物體表面的溫度。紅外測溫法屬于一種非接觸式測溫方法,不需要將傳感器安裝在轉子上,只需要將探頭對正測溫區域即可,故而該方法對傳感器結構的要求較小,測溫操作對轉子的平衡性能不造成影響。由于轉子的旋轉速度較快,紅外測溫法通常得到的是其掃視圓周內的平均溫度值,該方法的溫度分辨率和測溫精度較高、響應時間較快。

圖2 紅外法的測溫原理

2013年,S.D.Milic等[26]采用紅外測溫法對杰達普2號水電站的10臺水輪發電機轉子磁極的溫度進行了監測,如圖3(a)所示,紅外測溫探頭與磁極的軸向相對準,并研究了輸出信號的特征與黑體運動速度之間的關系,結果表明100 km/h的速度并不會對測溫精度產生較大的影響。2012年,S.Stipetic等[27]用紅外法測量了400 kW凸極同步發電機旋轉時的勵磁繞組溫度,發電機標稱轉速為1 000 r/min,在溫度計前面,一對磁極和極間表面需要10 ms的時間通過,在紅外法165 ms的響應時間內,轉子旋轉2.75 r。2014年,C.Hudon等[28]闡述了一種安裝在定子側測量轉子的紅外溫度傳感系統,如圖3(b)所示,紅外測溫探頭與轉子的徑向相對準,利用單個傳感器就可以掃描通過它前面的每一根磁極,當轉子以200 km/h的切向速度旋轉時,轉子表面與紅外測溫探頭的距離大約為15 mm;通過對魁北克水電公司(HQ)和法國電力公司(EDF)的發電機轉子進行測溫試驗,發現磁極前緣的溫度普遍高于后緣的;但污染等原因可能導致轉子表面的發射率并非定值,這會對紅外測溫法的精度造成不良影響。2016年,賀德強等[29]設計將紅外探頭布放于定子槽內,并對準轉子的徑向,通過布置多個傳感器和插值的方法求出轉子軸向的溫度場分布。

(a)與轉子的軸向一致

通過在轉子的軸向布放多個紅外測溫探頭,可以增加紅外測溫法對轉子軸向的空間分辨率。由于每根磁極往往是沿著軸向安裝的,在轉子工作過程中,一個轉子徑向截面上的所有磁極依次經過紅外測溫探頭,紅外測溫法僅能得到該圓周的平均溫度,而無法分辨出每根磁極的溫度,故而一般情況下,紅外測溫法介于整體平均溫度監測法與局部點溫度監測法之間。2013年,張磊[17]改進了紅外測溫法的故障定位能力,通過在轉子上添加反光鏡標志點、添加含有紅外光電開關的“位置傳感器”,如圖4所示,準確地捕捉了旋轉圓盤的異常溫度區域,但標志點的維護具有一定難度。

圖4 帶有位置傳感器的紅外測溫系統

事實上,紅外測溫法的輸出電壓會隨著被測物體的高速運動而減小,并且其測量結果受環境溫度的影響,故而當轉子的速度較高時,需要較復雜的速度和環境溫度的補償電路;限制其應用的原因還包括紅外測溫探頭難以深入氣隙為mm級別的電機轉子中,故而其應用范圍僅限于氣隙較大的大型發電機上,比如上述水輪發電機或風力發電機;小型高速發電機的結構十分緊湊,難以將紅外測溫探頭集成于內部。

2 局部溫度監測法

通過將溫度傳感器埋置于轉子內部,在轉子工作過程中對多個局部點的溫度進行實時監測,并將測溫信息通過紅外、射頻、短信等無線方式[30]發送到位于定子端或電機外部的接收裝置,傳感器的類型主要有:熱電偶、熱電阻、半導體傳感器和光纖光柵傳感器等。

2.1 電子類傳感器測溫法

(a)無線發射模塊的組成

轉子上鉑電阻和無線發射裝置的供電問題是該方法面臨的難題,一般情況下,該系統需要攜帶電源,由于電源需要跟隨轉子一起旋轉,極易引發電源故障,并且漏電的電源還可能引發電機故障;研究者采用勵磁電流當作電源,該方法避免了上述問題;2018年,鄧先明等[34]用鉑電阻做探頭,通過射頻發射器將信號傳輸給位于定子外殼上的接收器,利用磁耦合共振給鉑電阻和射頻裝置供電,研究了無線供電的穩定性、射頻發送接收裝置的傳輸距離,并將測溫結果與紅外測溫法進行了對比,發現結果的吻合性較好,但該方法還處于初級研究階段,缺乏應用于轉子上的試驗驗證。2020年,P.Bernardis[35]采用熱電阻測量了旋轉部件上的溫度,如圖6所示,利用電容耦合原理將交流電流從固定端耦合到旋轉端的傳感器內。2022年,M.V.Moise等[36]也利用儲能的超級電容器為傳感器提供電。2021年,R.Benarrait等[37]采用柔性光伏面板為傳感器進行無線供電,如圖7所示,該面板與放置在旋轉儀器中的DC-DC轉換器耦合,并驗證了系統的可靠性。2021年,C.Cheshire等[38]利用由逆變驅動系統中共模電壓交替引起的功率轉移制作成能量收集天線,并采用藍牙完成轉動端到靜止端的信息傳輸。

圖6 利用電容耦合原理為旋轉部件上的傳感器供電

圖7 采用柔性光伏面板為嵌入電機軸上的溫度傳感器供電

電子類傳感器材料的導電性和傳感器安裝的復雜性為該方法增加了局限,電磁干擾也可能會對數據的傳輸造成一定的影響;并且,傳感器、無線發射模塊、電源等很可能影響轉子的風摩損耗和動平衡性能,雖然有一些研究者試圖通過無線供電的方式解決該方法攜帶電源的問題,但無線供電裝置本身增加了系統的復雜性和故障風險,故該方法一般也只適用于低速、大型電機,以便留有足夠的空間安裝相關部件,難以適用于緊湊型高速發電機轉子。

2.2 半導體溫敏元件測溫法

半導體溫敏元件法是利用半導體晶體的吸收率或透射率是溫度和波長的函數,其禁帶寬度隨著溫度的升高而減小,當波長一定時,溫度與透射率也呈線性關系,所以通過測量晶體的光吸收率可以推測出物體的溫度。

1998年,關榮鋒等[39]采用GaAs半導體作為溫敏材料,將溫敏元件固定在具有加溫裝置的轉盤上模擬轉子試驗,通過光纖束耦合測溫元件的反射光,研究表明動態與靜態測試的一致性較好,溫度每變化1 ℃,溫敏元件的透射率變化為0.36%。此外,通過改變入射光功率來模擬靜態條件下的光源波動實驗,研究表明系統抗光源擾動的性能較好,系統的誤差在4 ℃以內,但70 ℃以下的重復性較差。1999年,印新達等[40]將砷化鎵晶體的一端鍍上反射金膜,布置于轉子的表面,如圖8(a)所示,當光強為I1的光照射晶體時,會被晶體表面反射、晶體內部吸收、反射金膜反射,其中,被晶體表面反射的光強為I2、被反射金膜反射的光強為I3。被晶體表面反射的光強I2不會受到溫度的影響,但會受到入射光強波動的影響,只有晶體內部吸收的光強會受到溫度的影響,最終表現為反射金膜的光強受到溫度的影響。如圖8(b)所示,被晶體表面反射的光強I2可由未鍍膜標識元件的表面反射試驗得到,采用(I3+I2)/I2即可反映出溫度的變化,在一定程度地消除了光源波動帶來的影響。

圖8 半導體溫敏元件法的原理示意圖

綜上所述,半導體溫敏元件法通過光強的比值反映溫度信息,必然會受到各環節光強波動引起的誤差,特別是動態條件下轉子的高速旋轉和徑向振動引起有效光斑面積與實際光斑面積的比例發生變化,進而影響光纖束與傳感器反射光的耦合,導致測溫誤差,該方法僅處于實驗室初期研究階段。

2.3 光纖光柵測溫法

光纖布拉格光柵(FBG)的傳感原理如圖9所示,當一束寬帶光入射到光柵上時,光柵會將滿足布拉格波長條件的光反射回來,其余波長的光沿著光柵透射出去,布拉格波長能夠受到外界溫度和應變的調制,從而達到傳感的目的。光纖光柵測溫法已被應用于許多領域,如生物醫學傳感、呼吸監測、結構健康監測、土木工程、航空、鐵路系統和核環境的監測[41-43]。在電力工業中,高壓和電磁干擾是使用熱電阻等傳感器的2個主要障礙,相比之下,光纖光柵傳感器不受電磁干擾的影響,傳感器的尺寸小、能夠準分布式測量,并且不需要攜帶電源。

圖9 光纖布拉格光柵的傳感原理

高壓引起的絕緣擊穿是大型發電機的一個主要問題,在早期很難檢測到,已有很多研究者將光纖光柵傳感器應用于電機定子的溫度測量。2002年,N.M.Theune等[44]首次在200 MW空冷發電機的定子線棒內部和引線上嵌入光纖光柵溫度傳感器,在發電機原型試運行期間對定子繞組的溫度進行了監測,這是世界上首次對高電位導體的溫度進行測量,證明了將光纖光柵傳感器安裝在接近高壓電位的位置是安全的、采用光纖光柵測溫技術對電機繞組的溫度進行測量是可行的。2012年,C.Martelli等[45]利用光纖光柵傳感器成功地監測了175 MW高功率水輪發電機定子表面的溫度。2013年,原鵬飛[46]設計了一種光纖光柵定子溫度傳感器的結構,如圖10所示,封裝光纖光柵的毛細鋼管內部填充了改性丙烯酸酯,這種封裝方式使傳感器的溫度靈敏度增大了2.7倍;傳感器的工作溫度范圍為-30～120 ℃,測量精度為±0.5 ℃,分辨力為0.1 ℃。光纖光柵溫度傳感器是一種較有應用前景電機測溫技術,因為光纖光柵的質量和尺寸都很小,可以很容易地嵌入絕緣層附近,也不會對發電機造成傷害。

圖10 采用毛細鋼管封裝的光纖光柵定子溫度傳感器

電機繞組局部放電的早期現象之一是溫度的急劇升高,因此可以將繞組的溫度作為檢測其絕緣退化程度的依據,已有很多研究者將光纖光柵傳感技術應用于電機定子溫度的監測。2009年,張影[47]將光纖光柵與定子的銅導線一起進行掛漆處理,環氧樹脂絕緣漆雖然增加了光柵的溫敏性,但波長與溫度的線性關系在80 ℃出現了折點,這說明掛漆處理對光纖光柵測溫性能的影響較大;還分別采用環氧樹脂和玻璃絲、以及空心銅管對光纖光柵進行了封裝,將傳感器埋置于定子導線排線間云母板處和實心股線的表面,實現了定子線棒72點同時測溫,測量精度為±0.5 ℃,分辨率為0.1 ℃。2013年,王鵬[48]分別將裸光纖光柵和銅管封裝的光纖光柵植入電機定子線棒內部,如圖11所示,植入的位置為定子排間絕緣、實心股線、主絕緣、主絕緣與鐵心界面等,光纖光柵傳感器與熱電偶測溫結果的最大偏差僅為1.2 ℃。

圖11 FBG傳感器在定子線棒中的位置

文獻[49]比較了采用鉑電阻和光纖光柵測量發電機定子繞組溫度時的情況,發現光纖光柵的響應時間明顯小于鉑電阻,這說明采用光纖光柵監測繞組的局部熱點更加具有優勢。2013年,M.M.Werneck等[50]使用光纖光柵監測了216 MW UHE Samuel水力發電機組在95 ℃下滿負荷運行時的定子溫度變化,他們將光纖光柵傳感器插入U形銅管內,以確保傳感器的導熱性能良好,并且能夠避免光纖光柵受到應變的影響,該傳感器的溫度響應范圍為20～85 ℃,不確定度為0.08 ℃,平均靈敏度約為13 pm/℃,研究證明了FBG傳感器在發電機溫度監測中的應用具有高重復性、可靠性和準確性。2015年,U.J.Dreyer等[51]采用光纖光柵傳感器對水輪發電機的換熱器和軸承進行了準分布式的溫度監測,為避免光纖光柵對溫度和應力的交叉敏感,將光纖光柵封裝在外徑為3.18 mm、內徑為1.7 mm的不銹鋼管中制作成溫度傳感器,并在傳感器內部填充了硅油以改善傳熱性能,試驗結果表明:在發電機以180 MW運行期間,換熱器達到的最高溫度為38 ℃,證實光纖光柵溫度傳感器可以高效連續地監測水力發電設施。

2012年,K.Sousa等[52]采用不銹鋼毛細管封裝單個光纖光柵制作成溫度傳感器,如圖12(a)所示,利用光纖光柵傳感器測量了三相感應電動機在不同供電條件下和啟動過程中定子溫度的動態變化,傳感器的安裝位置如圖12(b)所示,試驗結果表明:無論繞組內有無平衡電壓,定子內的溫度分布都不均勻;該電機的機械損耗導致的定子溫升為4.5 ℃,定子繞組和定子的鐵耗導致的溫升為15.5 ℃,該研究表明溫度的實測數據有助于優化電機的耗散特性、提高能源的利用效率。2017年,A.Mohammed等[53]應用繞組原位FBG傳感器提供的溫度測量值來估計運行中電機繞組的剩余壽命,為電機性能的高效控制、防止裕量過大引起的浪費、預防重大事故等提供了依據。2019年,A.Mohammed等[54]采用PEEK管封裝的FBG監測了永磁同步電機定子的溫度,并采用2D-TSR技術對定子進行了拓撲展示,增強了監測數據的可理解性,試驗有效地識別了繞組端部的局部熱點,并發現熱故障的出現與負載的關系較小,而在很大程度上取決于運行的速度。2022年,Y.H.Wu等[55]探討了通過在感應電機端部繞組中應用單個鍍鎳FBG傳感頭同時實現相對通量和絕對溫度傳感的方案,光纖光柵傳感器的直徑僅為0.5 mm,長度僅為10 mm,通過濾波對溫度和磁場信號進行解耦,結果表明匝間短路故障在初始階段便可以被檢測到,有效地降低了電機的維護和停機成本。

相比于上述電機定子的溫度監測,轉子的溫度測量由于信號傳輸的問題,導致其起步比較晚、相關研究也較少,并且主要集中在國外。2004年,X Li等[56]將光纖光柵嵌入旋轉金屬部件中,如圖13所示,采用可調諧窄帶激光器掃描光纖光柵,利用透鏡完成轉動端和固定端光信號的傳輸,通過測量透射光脈沖的缺失得到光纖光柵的布拉格波長及其變化,最終成功測量了由600 r/min電動機帶動的旋轉板的溫度。2011年,王彥曉[57]提出了可以采用光纖旋轉耦合器實現旋轉部件溫度的監測。2016年,C.Hudon等[58]采用4條光纖光柵傳感器鏈路和多通道光纖旋轉耦合器測量了Hydro-Quebec水電站1臺74.75 MW發電機轉子磁極的溫度,測量點一共有60個,并與通過勵磁電流和電壓換算得到的溫度進行了比較,結果表明光纖光柵的測量值高于估算的平均溫度,這對局部熱點的發現和臨界熱老化的研究具有重要意義。

(a)傳感原理示意圖

在采用光纖光柵測量電機轉子溫度的同時,一些研究者致力于多物理場的監測。2017年,D.Hind等[59]采用光纖光柵測量了2 kW永磁電機定子和轉子的溫度,監測了該電機的定子外殼振動、轉軸的扭矩等,證實了采用光纖光柵對電機進行多參數監測的可能性。2018年,F.Matthias 等[60]采用光纖光柵測量了2 kW電動機的轉子軸承、轉子繞組、定子繞組的溫度,以及轉子軸承扭矩、轉速、定子齒位移等,其系統組成見圖14,其中,轉動部件溫度測量的光纖通過旋轉連接頭引出,但該測溫光纖光柵傳感器沒有設計封裝結構,僅采用樹脂直接黏貼在指定測點,未考慮高速旋轉和長期使用條件下的可靠性。

圖14 2 kW電機光纖光柵溫度監測系統的組成

由于光纖光柵存在溫度和應變交叉敏感,未經封裝的光纖光柵在測量過程中很可能受到熱應力和機械應力的影響,進而影響其測溫的精度。2017年,R.C.Leite等[61]將光纖光柵粘貼在繞組頂端,傳感器通過硅樹脂層與冷卻空氣熱隔離,通過仿真和試驗研究了光纖光柵受到的熱應力及其測溫精度,并與鉑電阻的讀數進行比較,結果表明在40～100 ℃范圍內兩者存在4.5 ℃的差異。因此,將光纖光柵進行封裝處理來減小其對轉子表面應變的耦合十分必要,并且封裝結構也適合可靠地長期使用,封裝材料和結構的選擇需要考慮電機的電磁環境、傳感器的熱響應特性等。2022年,R.Abboud等[62]將光柵傳感器集成到車輛的電動機轉子中,如圖15所示,采用2個距離0.5 cm的準直器傳輸光信號,該轉子的最高轉速為860 r/min,傳感器的溫度靈敏度為4.7 pm/℃,測溫范圍為20～70 ℃,該研究成功測量到了旋轉機械內部的溫度變化。2021年,A.Mohammed等[63]采用特氟龍管封裝的聚酰亞胺涂覆型光纖光柵制作成傳感器陣列,由于特氟龍管的力學特性,可以避免光纖光柵受到轉子表面應變的影響,但可以耦合轉子的溫度和振動信息,轉動端與靜止端的信息傳輸依靠如圖16所示的商用光纖旋轉連接頭,根據振動激勵的高頻性和熱激勵的低頻性,將中心波長變化情況分為熱致變化和振動致變化,同時采集到了0.55 kW鼠籠式感應電機轉子的溫度和振動信息,證實了采用光纖光柵同時進行多物理場監測的可行性;其中,陣列中的傳輸光纖采用的是耐微彎光纖,轉子的最高轉速為1 380 r/min,用于傳輸轉子上傳感器信號的是商用光纖旋轉連接頭。

圖15 集成FBG傳感器的轉子測溫系統

圖16 商用光纖旋轉連接頭

綜上所述,采用光纖光柵傳感器測量電機轉子的溫度具有一定的研究價值和應用前景,光纖光柵傳感器適合于電機的電磁環境,并且,安裝在轉子上對其動平衡性能的影響較小,同時,波長傳感特性可以避免轉子的振動對光強造成的擾動;利用光學透鏡對光信號進行耦合傳輸是從旋轉部件中提取溫度信息的唯一方法,旋轉條件下光信號的傳輸損耗及其變化是研究的重點之一。但國內外對光纖光柵轉子溫度監測系統的相關研究還比較少,且近年來的研究越來越多,該方法有利于電機轉子溫度的監測甚至是多參量的同時監測,目前該方法正處于起步階段,對其關鍵技術展開系統性的研究十分必要。

3 總結與展望

由于電機故障造成的損失很可能大于電機本身,故而對電機進行預測性維護的意義重大,測量電機轉子溫度不僅可以防止系統過熱,還可以提高電機的效率?；趪鴥韧舛嗄陙韺﹄姍C轉子溫度監測的研究現狀,目前投入使用的主要是電阻法,它能夠估算轉子繞組整體的平均溫度,但平均溫度有時難以反映出局部熱點的出現,且其測量精度也偏低。紅外測溫法能夠得到其掃視圓周上的平均溫度,其測溫精度和分辨率均較高,并且,測溫過程對轉子的動平衡性能不會產生影響,但測溫探頭難以深入氣隙狹小的發電機中,這限制了紅外測溫法的應用。

局部熱點導致的匝間短路是電機實際運行壽命低于預期壽命的原因之一,監測局部熱點的方法主要是將測溫傳感器埋置于指定位置,由于熱電偶、熱電阻或半導體溫度傳感器的尺寸和質量較大,并且可能存在供電問題,同樣難以適用于緊湊性強、轉速高的轉子上。此外,電子類傳感器對電磁干擾的敏感性還會影響采集信號的準確性;較大的傳感器尺寸可能會對某些監測位置造成阻礙,例如繞組槽等。

相比之下,光學測量具有抗電磁干擾的優勢,光纖光柵傳感器的尺寸小、質量輕,能夠輕松地將其集成在轉子內部,且對轉子的運行性能影響很小,故而使用光纖光柵傳感器監測轉子的溫度是檢測電機早期熱老化的良好解決方法,對延長旋轉電機的壽命十分有利?？偟膩碚f,國內外對光纖光柵轉子溫度監測方法的關鍵科學和技術問題還缺乏系統性的研究,比如缺乏適合電機轉子的溫度傳感器的結構設計、轉子工作條件下傳感器的傳熱耦合性能的研究;并且,由于光纖光柵對應變和溫度具有交叉敏感性,故而有必要開展轉子表面應變和振動對傳感器測溫精度影響的研究。