電機(jī)故障檢測(cè)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有改進(jìn)的故障檢測(cè)的電機(jī)(例如，電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)）以及一種確 定電機(jī)的故障的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)包含線繞線圈，其用于從機(jī)械功率生成電功率或者用于將電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械 功率。這種繞組可位于電機(jī)的固定部分(定子)或位于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分(轉(zhuǎn)子）。不希望出現(xiàn) 電機(jī)繞組的故障。為方便起見，將主要參照電動(dòng)機(jī)來描述本發(fā)明，但是應(yīng)理解，本發(fā)明同樣 適用于發(fā)電機(jī)。
[0003] 電機(jī)通常包含具有多個(gè)繞組相的定子。由于絕緣失效引起的定子繞組故障為常見 的故障狀態(tài)。定子繞組故障經(jīng)常以匝間失效開始，其中特定繞組的匝之間產(chǎn)生短路。這種失 效能夠迅速發(fā)展成接地短路，其導(dǎo)致能夠損壞定子的較大電流并且進(jìn)一步導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 失效。例如，定子過電流可損壞繞組并且可使轉(zhuǎn)子永磁鐵部分地退磁。
[0004] 在一些電動(dòng)機(jī)中，絕緣的退化主要是由于用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC) 的使用。VSC生成用于向電動(dòng)機(jī)供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電壓波形。PWM使用高頻電壓脈沖 合成用于電動(dòng)機(jī)的低頻電壓。盡管PWM允許高功率效率和無低階諧波的電動(dòng)機(jī)電源電壓，其 中低階諧波負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速振蕩，但是其生成高頻諧波和急斜的電壓上升速率，此可增加 對(duì)匝到匝或匝到接地絕緣的應(yīng)力。
[0005] 近年來，由于例如SiC(碳化硅)或GaN(氮化鎵)設(shè)備等用于電源開關(guān)的新技術(shù)的引 入，這些問題已加重。這些設(shè)備允許更高的切換頻率，降低了功率損耗并允許VSC尺寸和成 本的減少，但是也可導(dǎo)致對(duì)繞組絕緣的應(yīng)力的增加。
[0006] 在高安全應(yīng)用中，例如，在核動(dòng)力應(yīng)用中或在航空器(固定翼或旋翼機(jī)）中，繞組絕 緣的失效尤其成問題。以后一種情況為例，這種失效可導(dǎo)致火災(zāi)，其具有對(duì)整個(gè)航空器產(chǎn)生 危險(xiǎn)情況的潛在可能性。
[0007] 電機(jī)電感可抑制由外部短路(例如，接地短路）引起的外部短路。通過設(shè)計(jì)電機(jī)具 有更高的電感，由此抑制這些電流，從而能夠減小與這種故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。此方法的缺點(diǎn)是 其傾向于導(dǎo)致更大的機(jī)器、更低的功率因子和更大的轉(zhuǎn)換器kVA。
[0008] 由于通常很難檢測(cè)這種故障，所以內(nèi)部短路故障的減輕更成問題。若檢測(cè)到這種 故障，則僅存在極為有限的方式來減輕這種故障。由于不能關(guān)閉磁激，所以當(dāng)處理永磁電機(jī) 時(shí)，該情況尤其嚴(yán)重。
[0009 ]希望提供一種在出現(xiàn)之前(或成問題之前)檢測(cè)電機(jī)的內(nèi)部短路故障的方法。
[0010]永磁同步電機(jī)(PMSM)是一種電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，其傾向于具有相對(duì)較高的速度運(yùn)行、 精確的轉(zhuǎn)矩控制、較高的功率重量比和較高的效率。由于所有的這些原因，PMSM當(dāng)前被廣泛 地應(yīng)用，并且成為正在進(jìn)行的研究活動(dòng)的對(duì)象。尤其，關(guān)于多電航空器(MEA)概念展望PMSM 的大量應(yīng)用。MEA概念展望以電力系統(tǒng)替代水力、氣動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)，從而在減輕重量、降低成 本、增加安全性以及增強(qiáng)可靠性等方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)。由于其緊湊的結(jié)構(gòu)以及高功率和轉(zhuǎn)矩密 度，MSM尤其適用于這種應(yīng)用。
[0011]然而，這種應(yīng)用的高安全性質(zhì)意味著希望存在一些形式的電動(dòng)機(jī)在線故障監(jiān)測(cè)和 診斷。
[0012] 近年來，為了嘗試獲得對(duì)定子故障的早期檢測(cè)并防止后續(xù)損壞，已研制出用于電 動(dòng)機(jī)的大量故障檢測(cè)技術(shù)。這些技術(shù)包括:噪音和振動(dòng)監(jiān)測(cè)、噪聲測(cè)量、定子電流監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)矩 和速度諧波分析以及高頻注入方法。然而，繞組退化的初期階段仍難以檢測(cè)，并且希望提供 一種用于檢測(cè)這種故障的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是解決至少一些前述問題。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種電機(jī)，包含:轉(zhuǎn)子或定子繞組，其中所述繞組包含電纜，所述 電纜包括內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體以及將所述內(nèi)導(dǎo)體與所述外導(dǎo)體隔離的絕緣體。
[0015] 提供包含具有以外導(dǎo)體環(huán)繞的內(nèi)導(dǎo)體的電纜的繞組允許通過檢測(cè)繞組的內(nèi)導(dǎo)體 和外導(dǎo)體之間的短路來在繞組的匝之間出現(xiàn)短路之前檢測(cè)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的絕緣的 失效。因此，對(duì)這種短路的檢測(cè)允許檢測(cè)初期匝到匝故障并在其發(fā)生之前進(jìn)行解決。
[0016] 此方法可適用于轉(zhuǎn)子繞組以及定子繞組，并且非局限于特定類型的電機(jī)，例如永 磁同步電機(jī)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，對(duì)繞組的外導(dǎo)體的監(jiān)測(cè)可用于在其發(fā)展成匝到匝故障之前 確定繞組的故障狀態(tài)。
[0017] 電纜可為同軸電纜，其中內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體是同軸的，并且通過環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體的絕緣 層將外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體隔開。
[0018] 電纜可為L(zhǎng)itz電纜，其中內(nèi)導(dǎo)體包含多個(gè)絕緣的導(dǎo)線。電纜可包含位于絕緣的導(dǎo) 線和外導(dǎo)體之間的又一絕緣體。外導(dǎo)體可包含環(huán)繞所述內(nèi)導(dǎo)體的導(dǎo)電套管。外導(dǎo)體可設(shè)置 有環(huán)繞其外部的絕緣層(例如，絕緣套管）。
[0019] 外導(dǎo)體可完全或大部分地環(huán)繞在內(nèi)導(dǎo)體周圍的絕緣體。外導(dǎo)體可包含螺旋形繞在 絕緣體周圍的至少一個(gè)導(dǎo)體元件，其可環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體。外導(dǎo)體的每個(gè)導(dǎo)體元件可為扁平帶狀 的導(dǎo)線，或者可為具有大體上圓形橫截面的導(dǎo)線。外導(dǎo)體可為乳制在絕緣體周圍的薄箱，而 絕緣體又環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體布置。外導(dǎo)體和/或絕緣體中可存在間隙。
[0020] 電動(dòng)機(jī)可為永磁同步電機(jī)，并且繞組可包含多個(gè)定子相繞組。
[0021] 可存在三相繞組，其中各相繞組包含電纜，所述電纜具有內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體以及將所 述內(nèi)導(dǎo)體與所述外導(dǎo)體隔離的絕緣體。
[0022] 每個(gè)繞組可包含第一端和第二端，并且每個(gè)繞組的內(nèi)導(dǎo)體可在每個(gè)繞組的第二端 以Y型構(gòu)造連接在一起。
[0023] 每個(gè)繞組的外導(dǎo)體可在以下位置以Y型構(gòu)造連接在一起：
[0024] 繞組的第二端；
[0025]繞組的第一端;或
[0026]繞組的第一和第二端之間的點(diǎn)。
[0027]電機(jī)可進(jìn)一步包含連接至外導(dǎo)體的故障檢測(cè)電路，所述故障檢測(cè)電路被配置成監(jiān) 測(cè)外導(dǎo)體的電性質(zhì)以確定故障狀態(tài)。
[0028] 故障檢測(cè)電路可包含處理器。
[0029] 外導(dǎo)體的電性質(zhì)可包含電流或電壓。
[0030] 故障檢測(cè)電路可被布置成通過所述Y型構(gòu)造的星形點(diǎn)監(jiān)測(cè)外導(dǎo)體中的電流。
[0031 ]故障檢測(cè)電路可被布置成監(jiān)測(cè)向每個(gè)繞組的內(nèi)導(dǎo)體提供的電流。
[0032]故障檢測(cè)電路可被配置成至少部分地基于下列各項(xiàng)中的至少一個(gè)來確定故障狀 態(tài)：
[0033]在所述內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體中的監(jiān)測(cè)到的電流的諧波含量;以及 [0034]在所述內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體中的監(jiān)測(cè)到的電流的三階諧波含量的振幅。
[0035]故障檢測(cè)電路可被配置成對(duì)所述外導(dǎo)體的監(jiān)測(cè)到的電壓和所述內(nèi)導(dǎo)體的監(jiān)測(cè)到 的電流執(zhí)行Clarke變換，并且自其確定Clarke參考幀中的功率。
[0036]功率可包含實(shí)功率，并且故障檢測(cè)電路可被配置成對(duì)所述實(shí)功率執(zhí)行諧波分析， 并且至少部分地基于所述諧波分析的結(jié)果來確定故障狀態(tài)。
[0037]故障檢測(cè)電路可被配置成在執(zhí)行所述諧波分析之前對(duì)瞬時(shí)實(shí)功率執(zhí)行Park變換。 [0038]諧波分析的結(jié)果可包含四階諧波的振幅，并且可至少部分地基于四階諧波的振幅 來確定故障狀態(tài)。
[0039]絕緣體可包含聚酰亞胺，外導(dǎo)體可包含鋁，并且電纜可包含環(huán)繞外導(dǎo)體的又一聚 酰亞胺絕緣層。
[0040]絕緣體可包含聚酰亞胺，而外導(dǎo)體可包含金屬化聚酰亞胺。
[0041 ]絕緣體可包含聚酰亞胺，而外導(dǎo)體可包含導(dǎo)電清漆層。
[0042]可以不存在環(huán)繞所述外導(dǎo)體的絕緣體層。
[0043]根據(jù)第二方面，提供一種航空器，其包含根據(jù)第一方面的電機(jī)。
[0044]根據(jù)第三方面，提供一種用于監(jiān)測(cè)根據(jù)第一方面的電機(jī)的故障的方法，其包含：
[0045] 通過旋轉(zhuǎn)所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子來運(yùn)行所述電機(jī)；以及
[0046] 在所述電機(jī)運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)所述內(nèi)導(dǎo)體和/或所述外導(dǎo)體的至少一個(gè)電性質(zhì)以確定是 否存在故障狀態(tài)。
[0047] 所述至少一個(gè)電性質(zhì)可包含下列各項(xiàng)中的至少一個(gè)：
[0048]流經(jīng)所述內(nèi)導(dǎo)體的電流；
[0049 ]流經(jīng)所述內(nèi)導(dǎo)體的電流的諧波含量；
[0050] 向所述內(nèi)導(dǎo)體提供的電流的第三諧波含量;以及
[0051] 所述外導(dǎo)體的電壓或電流。
[0052] 所述至少一個(gè)電性質(zhì)可包含在每個(gè)繞組的內(nèi)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流以及各相繞組的 外導(dǎo)體的電壓。所述方法可包含:對(duì)在所述內(nèi)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流和所述外導(dǎo)體的電壓執(zhí)行 Clarke變換，并基于所述電壓和電流確定Clarke參考幀中的功率。
[0053] 功率可包含實(shí)功率，并且所述方法可包含對(duì)所述實(shí)功率執(zhí)行諧波分析。
[0054]可在執(zhí)行所述諧波分析之前對(duì)實(shí)功率執(zhí)行Park變換。
[0055] 執(zhí)行諧波分析可包含:確定d