基于無感線圈應用于電機在線檢測和監控的探究

潘柏根,趙云峰,張 俊,張 興,單軍寶,楊 剛,何微波

(安徽省電機產品及零部件質量監督檢驗中心，安徽 宣城 242500)

0 引 言

無感線圈作為傳感器，在工業應用上越來越廣泛。本文在電機溫升試驗的國家標準基礎上，嘗試采用無感線圈作為傳感器對電機熱試驗穩態時的繞組溫度進行在線精準直測。為了得到電機溫升值，再通過對試驗過程中的冷態和熱態環境溫度進行測量，就可準確計算出電機的溫升值。為了對電機過溫保護，將無感線圈在線得到的數據進行簡單處理后輸到過溫控制器中，可以實現對電機過溫保護。將來無感線圈在電機試驗和監控方面得到廣泛應用，不僅有利于電機安全使用，也為最終使用者節省大量的維護成本。

1 無感線圈的在線測溫及電機溫升值測量工作原理

1.1 在線測溫工作原理

根據無感線圈的電阻值隨溫度變化來測量電機繞組溫度。為了使無感線圈測得的溫度就是電機繞組溫度，將做好的無感線圈與電機繞組綁在一起嵌入鐵芯槽中。通過電阻測試儀在線測量無感線圈的電阻值，再根據電機試驗方法標準GB/T1032-2012中的換算公式(1)可以準確算出無感線圈測點處的溫度，即對應每個時刻測點處的電機繞組溫度。

(1)

式中，θ1為測點無感線圈溫度，單位：℃；Rt為測點無感線圈電阻，單位：Ω；θe為冷態環境，單位：℃；K1為銅質導體材料在0℃時導體的電阻溫度系數的倒數235。

1.2 電機溫升值測量工作原理

根據GB / T1032-2012標準的電機試驗方法，首先試驗前測出無感線圈的冷態電阻和相應的冷態環境溫度。通過1.1中在線測量電機繞組溫度的方法，電機熱試驗穩態時的一組電機繞組溫度及熱態環境溫度，并算得電機繞組在熱試驗時的最高溫度。再根據電機試驗方法標準GB / T1032-2012中的溫升公式可以準確算出電機的溫升值為

(2)

式中，Δθ為電機溫升值，單位：K；Rn為穩態時無感線圈電阻，單位：Ω；Rc為熱試驗開始前測得的冷態繞組電阻，單位：Ω；θb為熱試驗結束時冷態介質溫度，單位：℃；θc為冷態環境溫度, 單位：℃；K1為銅質導體材料在0℃時導體的電阻溫度系數的倒數，取235。

2 無感線圈應用于電機溫度測量的可行性

從測量的可行性來說，由于電機在旋轉過程中，三相交流電機繞組中存在旋轉磁場。無感線圈是一根經過多次對折的銅導線，在電機鐵芯槽中一定受到磁場線的切割。根據物理電磁原理可知，無感線圈的兩端是存在一定的電勢。這樣對于用弱電路的電阻測試儀器來說可能就無法實現準確測量，電勢過高可能將其損壞。如果電勢高于安全電壓，在不知情的情況下會造成人身安全問題。因此，使用無感線圈時必須做到：安全要有保障，測量數據要可靠。

2.1 無感線圈制作

這種無感線圈制作比較簡單，就地取材即可。電機生產廠家在根據電機型號可以取一段直徑不低于1 mm的電機繞組漆包線，將其對折1～3次，然后在兩端分別接兩根引出線。最后，用絕緣蠟管將無感線圈部分全部套起來,如圖1所示。為了實現測溫，必須將其放入恒溫室測取基準溫度及對應的無感線圈的電阻值，作為電機出廠數據之一。

圖1 無感線圈示意圖

2.2 在電機中埋置無感線圈

在Solidworks軟件中建立電機定子模型，如圖2所示，定子槽內沿著軸線方向，在定子繞組線包上放置無感電阻，無感電阻長度與定子鐵心長度相等，出線端通過4根導線引出，這樣利用電橋測量時，利用四線法原理消除引出線自身電阻的影響。

圖2 無感線圈埋置圖

2.3 無感線圈埋置不干擾電機本身性能

無感線圈與電機繞組一同嵌入鐵芯槽中，必須考慮它對電機電磁性能有沒有影響。當無感線圈太粗和不平整會對電機磁場有一定影響，可能造成電機運行性能降低。因此，無感線圈在制作時，盡量采用線徑很小(一般取線徑1 mm)的漆包線。為了避免造成電機繞組的磁場出現突變，無感線圈要平整且折疊長度要略長于鐵芯的長度。

2.4 無感線圈的使用安全

電機在運行時，無感線圈兩端相對地的電壓通常不為零，一般可以根據式(3)進行計算的。由于無感線圈的兩端的電勢相同，所以其兩端電壓為零。電阻測試儀進行在線測量無感線圈的電阻，使用安全和其電阻測量準確可靠。無感線圈兩端對地電壓是存在的。通常在小功率電機中無感線圈兩端對地電壓較低，在大功率電機中無感線圈兩端對地電壓較高。

Eg=BLv

(3)

式中，Eg為無感線圈端部產生的感應電動勢，單位：V；B為電動機通電時產生的旋轉磁場強度大小，單位：T；L為無感線圈的有效長度，一般取電機的鐵心長度,單位：m；v為旋轉磁場的線速度，單位：m/s。

2.5 在Maxwell ansoft建立電機模型

利用Maxwell中RMxprt模塊建立3 kW的YX3-112M-4電機仿真模型，定子繞線圖如圖3所示，經型式實驗測定，該電機雜散損耗為42 W，機械摩擦損耗為16 W，鐵耗為97 W,其中，仿真過程中電機的初始轉速不能高于同步轉速，取初始轉速為1430 r/min。定子的長度為120 mm，外徑和內徑分別為160 mm和120 mm，槽數取36，且為梨型槽，扇形分瓣數為1。在轉子部分，內外徑分別取38 mm和102 mm，槽數為32，為消除氣隙中的高次諧波成分，將斜槽數設置為1。仿真參數設置中，電機的負載類型取恒功率負載形式，電機的額定輸出功率為3 kW,額定電壓380 V，額定轉速1430 r/min，采用星型連接方式。

圖3 電機定子繞線圖

2.6 在Maxwell ansoft中進行仿真分析

在建立的YX3-112M-4模型的基礎上創建Maxwell2D分析模型，求解設置中選取恒定功率的加載方式，轉速為1430 r/min，額定電壓為380 V，仿真時間設定為0.2 s，仿真步長為0.001。

在仿真0.2 s時，磁力線分布如圖4所示，定子中的交變電流在電機中產生交變的磁場，由于在轉子軸上的磁密很低，在仿真中將轉軸設置為不導磁材料，因此，磁力線從定子進入氣隙，從氣隙中進入轉子的硅鋼片，轉子中的鑄鋁導條在相對運動的產生安培力，使電機產生旋轉運動。圖5顯示了電機在瞬態場中的磁密云分布情況，從仿真結果中得出最大磁場強度為2.922特斯拉，由此可以得出埋置的無感線圈的定子槽中磁場強度小于等于2.922特斯拉，根據公式(3)，計算得出無感線圈對地電壓約為4.2 V。

圖4 磁場矢量圖

圖5 磁場磁密圖

2.7 無感線圈的電阻測量的可靠性

由于在電機運行時，無感線圈的兩端電勢是在不斷變化，但無感線圈兩端之間電壓始終為零，即無感線圈內部不存在感應電流。所以在電機運行的情況下，用弱電路的電阻測試儀是完全不受影響地測量出無感線圈的電阻。原因是對無感線圈在線測量時，僅有電阻測試儀上的微弱電流流過無感線圈的。

3 型式試驗對比

表1 三相異步電動機型式試驗熱試驗原始記錄

3.1 型式試驗

按照2.1節無感線圈的制作過程制作實驗樣機，在實驗樣機埋置一個無感線圈和一個PT100，對安裝完成的實驗樣機進行型式試驗，實驗以恒定功率加載直至達到額定負載，實驗開始前測量冷態無感電阻的阻值、三相異步電機三相繞組的阻值、環境溫度。利用某公司的實驗設備實驗設備對樣機實驗過程中的數據進行采集和分析。根據GB1032-2012中規定，依據PT100測取溫度值在半個小時內繞組溫度變化不超過1 K時，電機達到熱平衡狀態。依據現在普遍使用的電阻法要求，停機后測取停機50～80 s后繞組數據,利用讀取的數據反推停機零秒時的電阻，如圖6所示。反推原理在GB1032-2012中有詳細敘述，此處不再贅述。根據GB1032-2012中電阻變化與溫度變化的對應關系式(2)，得到該實驗樣機熱試驗的溫升值為66.4 K。

圖6 反推電機繞組停機時零秒電阻

由PT100判斷電機達到熱平衡狀態，因此最后一點測點溫度值在127 s讀取。結合無感線圈實時測量電機繞組溫度表2，利用式(2)可以在不停機的狀態下測取電機的溫升值為66.57 K。

表2 利用無感線圈實時測量電機繞組溫度表

3.2 型式試驗結果分析

在型式試驗中，電阻法測得的電機熱試驗平衡時的溫升66.4 K，相應的利用無感線圈測得溫升值為66.57 K，兩種實驗方法測得結果誤差在±5%內，說明無感線圈測取電機繞組實時溫度和穩態溫升值的有效性。

4 無感線圈應用電機溫升測量和過溫保護的不足之處

無感線圈必須預先同繞組一起嵌入電機鐵芯槽中，可能為繞組嵌線帶來困難。目前，還沒有一款直接將無感線圈的電阻值轉換為溫度值的儀表。因此，無感線圈應用電機溫升測量還需要各電機生產廠家的大力推廣和相應的儀表廠協同生產這種測溫儀表。

5 結 語

無感線圈必須預先同繞組一起嵌入電機鐵芯槽中，才能準確測量電機繞組溫度。再次，無感線圈固定在電機鐵芯槽里，測量值穩定可靠。無感線圈的線徑盡量較小，其電阻就較大。電阻越大，對溫度的計算值就較準確。該方式測量準確度和可靠性要高于目前的標準中的測量方法，并且能夠彌補斷電測量電機繞組溫度的缺陷。