电机转子温度监测方法研究现状及展望.pdf

2024 年第 1 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金资助项目(11774432)收稿日期:2023-06-19电机转子温度监测方法研究现状及展望陈思彤1,黄俊斌1,顾宏灿1,徐 丹21.海军工程大学兵器工程学院;2.海军工程大学电子工程学院 摘要:随着高速电机的发展,转子的温度已成为电机设计和健康监测的重要指标,舰船电机的强电磁工作环境、狭小的气隙、较大的旋转离心力是转子温度监测面临的难题。文中针对电机转子温度的监测方法,主要包括电阻法、红外测温法、电子类传感器测温法、半导体温敏元件法和光纤光栅测温法,阐述了各方法的原理和特点,介绍了转子温度在线监测领域的研究现状和取得的主要成果,重点聚焦光纤布拉格光栅的应用和研究进展,分析总结了各方法的适用性和存在的主要问题,并展望了未来的技术路线和发展方向。关键词:电机转子温度监测;无线测温法;红外测温法;光纤布拉格光栅测温法中图分类号:TP212 文献标识码:AResearch Status and Outlook for Motor Rotor TemperatureMonitoring MethodsCHEN Sitong1,HUANG Junbin1,GU Hongcan1,XU Dan21.College of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering;2.College of Electronic Engineering,Naval University of EngineeringAbstract:Rotor temperature has become an important indicator for motor design and health monitoring with the development of high-speed motors.The strong electromagnetic working environment of the motor,the narrow air gap,and the large rotational centrifugal force are the challenges of rotor temperature sensing.This paper aims at the monitoring method of motor rotor tempera-ture,including resistance method,infrared temperature measurement method,temperature measurement method by electronic sen-sors,semiconductor temperature sensitive element method and fiber grating temperature measurement method This paper de-scribed the principle and characteristics of various methods.The current state of research in the field of online rotor temperature monitoring and the main results achieved were presented.The application and research progress of fiber Bragg grating was focused on,the applicability and the main problems of each method were analyzed and summarized.The future technical paths and devel-opment directions were predicted.Keywords:motor rotor temperature monitoring;wireless temperature measurement method;infrared temperature measurement method;fiber Bragg grating temperature measurement method0 引言在发电机运行过程中,机械能有一部分转换成了电能,还有一部分变成了各类损耗,比如铁损、铜损、机械损耗和杂散损耗等1-2,这些损耗通常均以热的形式释放3。转子是发电机的核心部件之一,相比于定子,转子由于长期做高速的旋转运动,风摩损耗也会导致转子发生温升效应,发热严重是影响发电机的工作效率和运行性能的主要因素之一,感应电机中约40%的故障是由绕组绝缘击穿和由此产生的热应力引起的4;此外,永磁体材料在长期高温条件下也可能会发生逐步退磁的现象5,这些问题将严重影响到电机运行的安全性;舰船发电机的结构紧凑,一般来说,气隙越小,磁极表面的磁损耗越大,转子的温度越高。因此,有效的温度监测是确保电机的可靠性和最佳性能的关键。同时,监测转子的温度还可以控制发电机的输出功率和容量水平,解决裕量过大而引起的浪费6-7。通过对机器内部热点的定位也有利于电机的设计和冷却系统的开发8,因而研究转子测温系统具有明确的意义和现实需要9-10。定子的温度监测一般通过在指定位置埋置热电阻或热电偶等温度传感器11-13,具体位置可以选择负荷端轴承座、自由端轴承座以及定子绕组内部;但由于监测转子温度的传感器需要跟随转子一起旋转,51 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期动、静端之间的信号传输是转子温度监测的阻碍之一,热电阻和热电偶等因为尺寸和供电问题难以适应于高速转子,故而转子的温度一直是电机设计和状态监测的难点。本文基于以上研究背景,对国内外近年来监测转子温度的方法进行了综述,指出各种方法的适用性及研究前景,为进一步研究电机转子的温度监测技术提供参考。1 平均温度监测法电机转子绕组的绝缘等级分为 A、E、B、F、H 5 个等级,对应的最高允许温度分别为 105、120、130、155、180 14。根据测温的范围,可以将温度监测方法分为平均温度监测法和局部温度监测法,前者主要包括电阻法和红外测温法,其中,电阻法仅适用于绕组型电机转子;局部温度监测法主要是在转子上埋置电子类测温传感器和光纤光栅测温传感器,下面对这些方法的研究现状及适用范围进行综述。1.1 电阻法如图1 所示,在一定的温度范围内,金属铜的电阻值与温度成线性关系,利用预先标定好的电阻值与温度的对应关系,通过测量绕组整体的电阻值,便可以估算出绕组的温度,该方法的原理较为简单,已被广泛地应用于估算电机绕组的平均温升。其中,铜在 2个不同温度点下电阻值的对应关系可以表示为R2/R1=(T2+235)/(235+T1)(1)式中:T2为励磁电压 U2、励磁电流为 I2时绕组对应的温度,U2、I2需要通过实验测得;T1为参考温度;R1为参考温度下的电阻值;T1和 R1为已知量。图 1 金属铜的电阻与温度的对应关系通常情况下,电阻法需要在电机停机后迅速地外接测温系统,并认为电机断能后一段时间内的电阻温度近似等于停机前的温度,不同功率水平电机的停机时间如表1 所示,若操作超出了一定时间,则需要外推停机温度15。表 1 电机断能后转子温度近似不变的最长时间额定功率 P/kW断能后的时间/sP503050P20090200P5 0001205 000P按专门协议 通过辅助电刷等方式来实时地采集工作条件下的电阻值,进而达到监测转子绕组整体温度的目的,该方法的关键在于动态条件下励磁电流和励磁电压测量的准确性,其中,励磁电压可由集电刷获取,而励磁电流的测量具有一定难度。2007 年,任鹏辉16通过在励磁机定子的磁极间装设探测线圈,利用线圈中产生的感应电流与励磁电流成正比,转换得到励磁电流。2013 年,张磊17则采用霍尔元件测量绕组的励磁电流和励磁电压。2011 年,张霞18假设初始时刻氢冷的平均温度与发电机转子的温度相同,若已知初始时刻转子绕组的电阻值,由电阻和励磁电流计算出励磁功率,再由励磁功率、氢冷的平均温升和压力计算出转子绕组的温升,最后根据绕组的温度可以计算出绕组的电阻值,多次迭代,直到2 次计算的绕组温度差值在 0.01 时结束迭代,该方法的关键在于励磁功率计算的准确性,并且需要实时采集励磁电流和氢冷的平均温升等参数。当采用辅助滑环测量励磁电压时,主要的误差来源于线圈外电阻引起的电压降,比如碳刷的接触压降,一般按照 25 V 来估算,但当励磁电压较小时,接触压降引起电阻的计算误差较大;此外,参考温度下的电阻值不精确,影响了绕组平均温度估算的准确性,以下研究对电阻法提出了改进。2019 年,周宇等19提出了通过实际测量 2 种工况下绕组的电阻值和温度值,对电阻与温度对应关系的斜率进行修正,但铜的电阻温度常数依然取为-235,实际上由于线圈外电阻的存在,曲线不一定过-235 这点。2010年,李国东等20一方面通过减去额外电阻引起的压降来提高励磁电压测量的准确性,另一方面去掉了“在-235 时铜电阻为 0”的假设,但需要厂家测定满负荷、0 时绕组的电阻值和温度值,而这 2 个值较难获得。一些研究者采用信号注入法、神经网络法、集总参数法来实时获取转子绕组的电阻值。2017 年,D.D.Reigosa 等21提出了利用高频信号注入法对转子温度进行估算的方法,该方法基于转子的高频电阻是绕组温度的函数,高频信号的注入不会对电机的工61 第 1 期陈思彤等:电机转子温度监测方法研究现状及展望 作状态造成影响,并且不需要额外的硬件。2018 年,Y.M.Inkov 等22给出了通过引入直流电压分量来确定定子绕组的电阻,以及通过引入直流和高频电压分量来确定转子绕组电阻方法,根据异步电动机绕组的有功电阻来间接测定了转子绕组的温度。2020 年,T.P.Van 等23采用人工神经网络对感应电机转子的电阻进行了在线估计,以学习率为函数的前馈神经网络法取得了较好的估算精度,为估算电机在各种工作状态下的转子电阻提供了新思路。2021 年,P.N.Phuc等24建立了基于集总参数热网络和双卡尔曼滤波的感应电机转子温度估算模型,并在 1 台 5.5 kW 的四极感应电机上进行了试验,结果表明该方法估算温度误差大约在6。综上所述,电阻法能够估算转子的平均温度,是一种较为简单的获取转子绕组温度的方法,但电阻法没有定位能力、无法反映异常位置,事实表明,在发生故障时,局部热点的温度远高于绕组整体的平均温度,故而电阻法难以对局部热点进行预警。并且,电阻法在某些故障发生时失效,当发生匝间短路时,绕组整体的电阻值减小,但其温度值会迅速地升高,电阻和温度的对应关系不再是原先测定的线性规律,造成了温度估算结果的不准确;当励磁系统失磁时,端电压会发生大幅的波动,导致温度估算不准确。此外,电阻法还受到干扰信号和发电机自身渐变参数的影响,2020 年,李昊天25通过惯性滤波和去极值平均滤波法消除励磁电压和电流的变化,并且研究发现发电机自身渐变参数中转子电抗和触发角的变化对电阻的影响较大。1.2 红外测温法如图 2 所示,红外测温法是利用光学透镜将物体表面发出的红外辐射聚焦在光电探测器上,探测器将光信号转换成电信号,经过放大和处理电路后,按照目标发射率和一定的算法计算得到物体表面的温度。红外测温法属于一种非接触式测温方法,不需要将传感器安装在转子上,只需要将探头对正测温区域即可,故而该方法对传感器结构的要求较小,测温操作对转子的平衡性能不造成影响。由于转子的旋转速度较快,红外测温法通常得到的是其扫视圆周内的平均温度值,该方法的温度分辨率和测温精度较高、响应时间较快。2013 年,S.D.Milic 等26采用红外测温法对杰达普 2 号水电站的 10 台水轮发电机转子磁极的温度进行了监测,如图 3(a)所示,红外测温探头与磁极的轴图 2 红外法的测温原理向相对准,并研究了输出信号的特征与黑体运动速度之间的关系,结果表明100 km/h 的速度并不会对测温精度产生较大的影响。2012 年,S.Stipetic 等27用红外法测量了 400 kW 凸极同步发电机旋转时的励磁绕组温度,发电机标称转速为 1 000 r/min,在温度计前面,一对磁极和极间表面需要 10 ms 的时间通过,在红外法 165 ms 的响应时间内,转子旋转 2.75 r。2014年,C.Hudon 等28阐述了一种安装在定子侧测量转子的红外温度传感系统,如图 3(b)所示,红外测温探头与转子的径向相对准,利用单个传感器就可以扫描通过它前面的每一根磁极,当转子以200 km/h 的切向速度旋转时,转子表面与红外测温探头的距离大约为15 mm;通过对魁北克水电公司(HQ)和法国电力公司(EDF)的发电机转子进行测温试验,发现磁极前缘的温度普遍高于后缘的;但污染等原因可能导致转子表面的发射率并非定值,这会对红外测温法的精度造成不良影响。2016 年,贺德强等29设计将红外探头布放于定子槽内,并对准转子的径向,通过布置多个传感器和插值的方法求出转子轴向的温度场分布。通过在转子的轴向布放多个红外测温探头,可以增加红外测温法对转子轴向的空间分辨率。由于每根磁极往往是沿着轴向安装的,在转子工作过程中,一个转子径向截面上的所有磁极依次经过红外测温探头,红外测温法仅能得到该圆周的平均温度,而无法分辨出每根磁极的温度,故而一般情况下,红外测温法介于整体平均温度监测法与局部点温度监测法之间。2013 年,张磊17改进了红外测温法的故障定位能力,通过在转子上添加反光镜标志点、添加含有红外光电开关的“位置传感器”,如图 4 所示,准确地捕捉了旋转圆盘的异常温度区域,但标志点的维护具有一定难度。事实上,红外测温法的输出电压会随着被测物体的高速运动而减小,并且其测量结果受环境温度的影响,故而当转子的速度较高时,需要较复杂的速度和环境温度的补偿电路;限制其应用的原因还包括红外测温探头难以深入气隙为 mm 级别的电机转子中,故71 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期(a)与转子的轴向一致(b)与转子的径向一致图 3 红外测温探头的布放方式图 4 带有位置传感器的红外测温系统而其应用范围仅限于气隙较大的大型发电机上,比如上述水轮发电机或风力发电机;小型高速发电机的结构十分紧凑,难以将红外测温探头集成于内部。2 局部温度监测法通过将温度传感器埋置于转子内部,在转子工作过程中对多个局部点的温度进行实时监测,并将测温信息通过红外、射频、短信等无线方式30发送到位于定子端或电机外部的接收装置,传感器的类型主要有:热电偶、热电阻、半导体传感器和光纤光栅传感器等。2.1 电子类传感器测温法热敏电阻或热电偶具有性能稳定、价格低的优点,半导体电阻的温度系数是金属电阻的 515 倍,其测温灵敏度更高,测温信息可以通过无线装置传输,也可以通过辅助电滑环和集电刷进行回收。2010 年,M.Kovacic等31使用多个 DS18B20 数字温度计测量了转子的温度,如图5 所示,通过安装在联轴器附近的无线发射装置将测温信息同步发送到主机。2011 年,吴冬雪32将铂电阻安装在 2 个成 90的磁极上,每个磁极上布置12 个测温点(迎风面5 个、背风面5 个、上端面和下端面各 1 个),通过无线装置传递信号,电源由励磁电流转换得来,已成功测量水轮发电机 2 个转子磁极的温度。2017 年,李统33采用热电阻测量了永磁体电机转子的温度,并采用辅助滑环收集测温信号,通过与有限元仿真的结果进行比较,发现两者的差距在 10 以内。(a)无线发射模块的组成(b)无线发射模块的安装位置图 5 无线发射模块的组成及安装位置转子上铂电阻和无线发射装置的供电问题是该方法面临的难题,一般情况下,该系统需要携带电源,由于电源需要跟随转子一起旋转,极易引发电源故障,并且漏电的电源还可能引发电机故障;研究者采用励磁电流当作电源,该方法避免了上述问题;2018年,邓先明等34用铂电阻做探头,通过射频发射器将信号传输给位于定子外壳上的接收器,利用磁耦合共振给铂电阻和射频装置供电,研究了无线供电的稳定性、射频发送接收装置的传输距离,并将测温结果与红外测温法进行了对比,发现结果的吻合性较好,但该方法还处于初级研究阶段,缺乏应用于转子上的试验验证。2020 年,P.Bernardis35采用热电阻测量了旋转部件上的温度,如图 6 所示,利用电容耦合原理将交流电流从固定端耦合到旋转端的传感器内。2022 年,M.V.Moise 等36也利用储能的超级电容器为传感器提供电。2021 年,R.Benarrait 等37采用柔性光伏面板为传感器进行无线供电,如图7 所示,该面板与放置在旋转仪器中的 DC-DC 转换器耦合,并验证了系统的可靠性。2021 年,C.Cheshire 等38利用由逆变驱动系统中共模电压交替引起的功率转移制作成能量收81 第 1 期陈思彤等:电机转子温度监测方法研究现状及展望 集天线,并采用蓝牙完成转动端到静止端的信息传输。图 6 利用电容耦合原理为旋转部件上的传感器供电图 7 采用柔性光伏面板为嵌入电机轴上的温度传感器供电电子类传感器材料的导电性和传感器安装的复杂性为该方法增加了局限,电磁干扰也可能会对数据的传输造成一定的影响;并且,传感器、无线发射模块、电源等很可能影响转子的风摩损耗和动平衡性能,虽然有一些研究者试图通过无线供电的方式解决该方法携带电源的问题,但无线供电装置本身增加了系统的复杂性和故障风险,故该方法一般也只适用于低速、大型电机,以便留有足够的空间安装相关部件,难以适用于紧凑型高速发电机转子。2.2 半导体温敏元件测温法半导体温敏元件法是利用半导体晶体的吸收率或透射率是温度和波长的函数,其禁带宽度随着温度的升高而减小,当波长一定时,温度与透射率也呈线性关系,所以通过测量晶体的光吸收率可以推测出物体的温度。1998 年,关荣锋等39采用 GaAs 半导体作为温敏材料,将温敏元件固定在具有加温装置的转盘上模拟转子试验,通过光纤束耦合测温元件的反射光,研究表明动态与静态测试的一致性较好,温度每变化1,温敏元件的透射率变化为 0.36%。此外,通过改变入射光功率来模拟静态条件下的光源波动实验,研究表明系统抗光源扰动的性能较好,系统的误差在4 以内,但 70 以下的重复性较差。1999 年,印新达等40将砷化镓晶体的一端镀上反射金膜,布置于转子的表面,如图 8(a)所示,当光强为 I1的光照射晶体时,会被晶体表面反射、晶体内部吸收、反射金膜反射,其中,被晶体表面反射的光强为 I2、被反射金膜反射的光强为 I3。被晶体表面反射的光强 I2不会受到温度的影响,但会受到入射光强波动的影响,只有晶体内部吸收的光强会受到温度的影响,最终表现为反射金膜的光强受到温度的影响。如图 8(b)所示,被晶体表面反射的光强 I2可由未镀膜标识元件的表面反射试验得到,采用(I3+I2)/I2即可反映出温度的变化,在一定程度地消除了光源波动带来的影响。图 8 半导体温敏元件法的原理示意图综上所述,半导体温敏元件法通过光强的比值反映温度信息,必然会受到各环节光强波动引起的误差,特别是动态条件下转子的高速旋转和径向振动引起有效光斑面积与实际光斑面积的比例发生变化,进而影响光纤束与传感器反射光的耦合,导致测温误差,该方法仅处于实验室初期研究阶段。2.3 光纤光栅测温法光纤布拉格光栅(FBG)的传感原理如图 9 所示,当一束宽带光入射到光栅上时,光栅会将满足布拉格波长条件的光反射回来,其余波长的光沿着光栅透射出去,布拉格波长能够受到外界温度和应变的调制,从而达到传感的目的。光纤光栅测温法已被应用于许多领域,如生物医学传感、呼吸监测、结构健康监测、土木工程、航空、铁路系统和核环境的监测41-43。在电力工业中,高压和电磁干扰是使用热电阻等传感器的2 个主要障碍,相比之下,光纤光栅传感器不受电磁干扰的影响,传感器的尺寸小、能够准分布式测量,并且不需要携带电源。高压引起的绝缘击穿是大型发电机的一个主要问题,在早期很难检测到,已有很多研究者将光纤光栅传感器应用于电机定子的温度测量。2002 年,N.M.Theune 等44首次在 200 MW 空冷发电机的定子线棒内部和引线上嵌入光纤光栅温度传感器,在发电机原型试运行期间对定子绕组的温度进行了监测,这是世界上首次对高电位导体的温度进行测量,证明了将光纤光栅传感器安装在接近高压电位的位置是安全的、采用光纤光栅测温技术对电机绕组的温度进行测量是可行的。2012 年,C.Martelli 等45利用光纤光91 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期图 9 光纤布拉格光栅的传感原理栅传感器成功地监测了 175 MW 高功率水轮发电机定子表面的温度。2013 年,原鹏飞46设计了一种光纤光栅定子温度传感器的结构,如图 10 所示,封装光纤光栅的毛细钢管内部填充了改性丙烯酸酯,这种封装方式使传感器的温度灵敏度增大了 2.7 倍;传感器的工作温度范围为-30120,测量精度为0.5,分辨力为 0.1。光纤光栅温度传感器是一种较有应用前景电机测温技术,因为光纤光栅的质量和尺寸都很小,可以很容易地嵌入绝缘层附近,也不会对发电机造成伤害。图 10 采用毛细钢管封装的光纤光栅定子温度传感器电机绕组局部放电的早期现象之一是温度的急剧升高,因此可以将绕组的温度作为检测其绝缘退化程度的依据,已有很多研究者将光纤光栅传感技术应用于电机定子温度的监测。2009 年,张影47将光纤光栅与定子的铜导线一起进行挂漆处理,环氧树脂绝缘漆虽然增加了光栅的温敏性,但波长与温度的线性关系在 80 出现了折点,这说明挂漆处理对光纤光栅测温性能的影响较大;还分别采用环氧树脂和玻璃丝、以及空心铜管对光纤光栅进行了封装,将传感器埋置于定子导线排线间云母板处和实心股线的表面,实现了定子线棒 72 点同时测温,测量精度为0.5,分辨率为 0.1。2013 年,王鹏48分别将裸光纤光栅和铜管封装的光纤光栅植入电机定子线棒内部,如图11 所示,植入的位置为定子排间绝缘、实心股线、主绝缘、主绝缘与铁心界面等,光纤光栅传感器与热电偶测温结果的最大偏差仅为 1.2。文献49比较了采用铂电阻和光纤光栅测量发图 11 FBG 传感器在定子线棒中的位置电机定子绕组温度时的情况,发现光纤光栅的响应时间明显小于铂电阻,这说明采用光纤光栅监测绕组的局部热点更加具有优势。2013 年,M.M.Werneck等50使用光纤光栅监测了 216 MW UHE Samuel 水力发电机组在 95 下满负荷运行时的定子温度变化,他们将光纤光栅传感器插入 U 形铜管内,以确保传感器的导热性能良好,并且能够避免光纤光栅受到应变的影响,该传感器的温度响应范围为 2085,不确定度为0.08,平均灵敏度约为13 pm/,研究证明了 FBG 传感器在发电机温度监测中的应用具有高重复性、可靠性和准确性。2015 年,U.J.Dreyer 等51采用光纤光栅传感器对水轮发电机的换热器和轴承进行了准分布式的温度监测,为避免光纤光栅对温度和应力的交叉敏感,将光纤光栅封装在外径为 3.18 mm、内径为 1.7 mm 的不锈钢管中制作成温度传感器,并在传感器内部填充了硅油以改善传热性能,试验结果表明:在发电机以 180 MW 运行期间,换热器达到的最高温度为 38,证实光纤光栅温度传感器可以高效连续地监测水力发电设施。2012 年,K.Sousa 等52采用不锈钢毛细管封装单个光纤光栅制作成温度传感器,如图 12(a)所示,利用光纤光栅传感器测量了三相感应电动机在不同供电条件下和启动过程中定子温度的动态变化,传感器的安装位置如图 12(b)所示,试验结果表明:无论绕组内有无平衡电压,定子内的温度分布都不均匀;该电机的机械损耗导致的定子温升为 4.5,定子绕组和定子的铁耗导致的温升为 15.5,该研究表明温度的实测数据有助于优化电机的耗散特性、提高能源的利用效率。2017 年,A.Mohammed 等53应用绕组原位FBG 传感器提供的温度测量值来估计运行中电机绕组的剩余寿命,为电机性能的高效控制、防止裕量过大引起的浪费、预防重大事故等提供了依据。2019年,A.Mohammed 等54采用 PEEK 管封装的 FBG 监测02 第 1 期陈思彤等:电机转子温度监测方法研究现状及展望 了永磁同步电机定子的温度,并采用 2D-TSR 技术对定子进行了拓扑展示,增强了监测数据的可理解性,试验有效地识别了绕组端部的局部热点,并发现热故障的出现与负载的关系较小,而在很大程度上取决于运行的速度。2022 年,Y.H.Wu 等55探讨了通过在感应电机端部绕组中应用单个镀镍 FBG 传感头同时实现相对通量和绝对温度传感的方案,光纤光栅传感器的直径仅为 0.5 mm,长度仅为 10 mm,通过滤波对温度和磁场信号进行解耦,结果表明匝间短路故障在初始阶段便可以被检测到,有效地降低了电机的维护和停机成本。(a)光纤光栅传感器的结构(b)光纤光栅传感器在定子上的布放位置图 12 光纤光栅传感器的结构及其布放位置相比于上述电机定子的温度监测,转子的温度测量由于信号传输的问题,导致其起步比较晚、相关研究也较少,并且主要集中在国外。2004 年,X Li 等56将光纤光栅嵌入旋转金属部件中,如图 13 所示,采用可调谐窄带激光器扫描光纤光栅,利用透镜完成转动端和固定端光信号的传输,通过测量透射光脉冲的缺失得到光纤光栅的布拉格波长及其变化,最终成功测量了由 600 r/min 电动机带动的旋转板的温度。2011年,王彦晓57提出了可以采用光纤旋转耦合器实现旋转部件温度的监测。2016 年,C.Hudon 等58采用 4条光纤光栅传感器链路和多通道光纤旋转耦合器测量了 Hydro-Quebec 水电站 1 台 74.75 MW 发电机转子磁极的温度,测量点一共有 60 个,并与通过励磁电流和电压换算得到的温度进行了比较,结果表明光纤光栅的测量值高于估算的平均温度,这对局部热点的发现和临界热老化的研究具有重要意义。在采用光纤光栅测量电机转子温度的同时,一些研究者致力于多物理场的监测。2017 年,D.Hind等59采用光纤光栅测量了2 kW 永磁电机定子和转子(a)传感原理示意图(b)扫描激光的光斑与耦合透镜的相对位置图 13 采用扫描激光器监测旋转部件的温度的温度,监测了该电机的定子外壳振动、转轴的扭矩等,证实了采用光纤光栅对电机进行多参数监测的可能性。2018 年,F.Matthias 等60采用光纤光栅测量了2 kW 电动机的转子轴承、转子绕组、定子绕组的温度,以及转子轴承扭矩、转速、定子齿位移等,其系统组成见图 14,其中,转动部件温度测量的光纤通过旋转连接头引出,但该测温光纤光栅传感器没有设计封装结构,仅采用树脂直接黏贴在指定测点,未考虑高速旋转和长期使用条件下的可靠性。图 14 2 kW 电机光纤光栅温度监测系统的组成由于光纤光栅存在温度和应变交叉敏感,未经封装的光纤光栅在测量过程中很可能受到热应力和机械应力的影响,进而影响其测温的精度。2017 年,R.C.Leite 等61将光纤光栅粘贴在绕组顶端,传感器通过硅树脂层与冷却空气热隔离,通过仿真和试验研究了光纤光栅受到的热应力及其测温精度,并与铂电阻的读数进行比较,结果表明在 40100 范围内两者存在 4.5 的差异。因此,将光纤光栅进行封装处理来减小其对转子表面应变的耦合十分必要,并且封装结构也适合可靠地长期使用,封装材料和结构的选12 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期择需要考虑电机的电磁环境、传感器的热响应特性等。2022 年,R.Abboud 等62将光栅传感器集成到车辆的电动机转子中,如图 15 所示,采用 2 个距离 0.5 cm 的准直器传输光信号,该转子的最高转速为 860 r/min,传感器的温度灵敏度为 4.7 pm/,测温范围为 20 70,该研究成功测量到了旋转机械内部的温度变化。2021 年,A.Mohammed 等63采用特氟龙管封装的聚酰亚胺涂覆型光纤光栅制作成传感器阵列,由于特氟龙管的力学特性,可以避免光纤光栅受到转子表面应变的影响,但可以耦合转子的温度和振动信息,转动端与静止端的信息传输依靠如图 16 所示的商用光纤旋转连接头,根据振动激励的高频性和热激励的低频性,将中心波长变化情况分为热致变化和振动致变化,同时采集到了 0.55 kW 鼠笼式感应电机转子的温度和振动信息,证实了采用光纤光栅同时进行多物理场监测的可行性;其中,阵列中的传输光纤采用的是耐微弯光纤,转子的最高转速为 1 380 r/min,用于传输转子上传感器信号的是商用光纤旋转连接头。图 15 集成 FBG 传感器的转子测温系统图 16 商用光纤旋转连接头综上所述,采用光纤光栅传感器测量电机转子的温度具有一定的研究价值和应用前景,光纤光栅传感器适合于电机的电磁环境,并且,安装在转子上对其动平衡性能的影响较小,同时,波长传感特性可以避免转子的振动对光强造成的扰动;利用光学透镜对光信号进行耦合传输是从旋转部件中提取温度信息的唯一方法,旋转条件下光信号的传输损耗及其变化是研究的重点之一。但国内外对光纤光栅转子温度监测系统的相关研究还比较少,且近年来的研究越来越多,该方法有利于电机转子温度的监测甚至是多参量的同时监测,目前该方法正处于起步阶段,对其关键技术展开系统性的研究十分必要。3 总结与展望由于电机故障造成的损失很可能大于电机本身,故而对电机进行预测性维护的意义重大,测量电机转子温度不仅可以防止系统过热,还可以提高电机的效率。基于国内外多年来对电机转子温度监测的研究现状,目前投入使用的主要是电阻法,它能够估算转子绕组整体的平均温度,但平均温度有时难以反映出局部热点的出现,且其测量精度也偏低。红外测温法能够得到其扫视圆周上的平均温度,其测温精度和分辨率均较高,并且,测温过程对转子的动平衡性能不会产生影响,但测温探头难以深入气隙狭小的发电机中,这限制了红外测温法的应用。局部热点导致的匝间短路是电机实际运行寿命低于预期寿命的原因之一,监测局部热点的方法主要是将测温传感器埋置于指定位置,由于热电偶、热电阻或半导体温度传感器的尺寸和质量较大,并且可能存在供电问题,同样难以适用于紧凑性强、转速高的转子上。此外,电子类传感器对电磁干扰的敏感性还会影响采集信号的准确性;较大的传感器尺寸可能会对某些监测位置造成阻碍,例如绕组槽等。相比之下,光学测量具有抗电磁干扰的优势,光纤光栅传感器的尺寸小、质量轻,能够轻松地将其集成在转子内部,且对转子的运行性能影响很小,故而使用光纤光栅传感器监测转子的温度是检测电机早期热老化的良好解决方法,对延长旋转电机的寿命十分有利。总的来说,国内外对光纤光栅转子温度监测方法的关键科学和技术问题还缺乏系统性的研究,比如缺乏适合电机转子的温度传感器的结构设计、转子工作条件下传感器的传热耦合性能的研究;并且,由于光纤光栅对应变和温度具有交叉敏感性,故而有必要开展转子表面应变和振动对传感器测温精度影响的研究。参考文献:1 梁正卓,朱琬璐,朱志宇,等.船舶综合电力系统重构技术现状及展望J.中国舰船研究,2022,17(6):36-47.2 杨京渝,严文交,罗隆福,等.风储联合发电系统三站合一智能监控系统设计与实现J.电力系统保护与控制,2022,50(17):167-177.3 江善林.高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.4 董剑宁,黄允凯,金龙,等.高速永磁电机设计与分析技术综述J.中国电机工程学报,2014,34(27):4640-4653.5 李永建,范子容,张长庚,等.变温条件下钐钴永磁材料22 第 1 期陈思彤等:电机转子温度监测方法研究现状及展望 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