基于无感线圈应用于电机在线检测和监控的探究

潘柏根,赵云峰,张 俊,张 兴,单军宝,杨 刚,何微波

(安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城 242500)

0 引 言

无感线圈作为传感器，在工业应用上越来越广泛。本文在电机温升试验的国家标准基础上，尝试采用无感线圈作为传感器对电机热试验稳态时的绕组温度进行在线精准直测。为了得到电机温升值，再通过对试验过程中的冷态和热态环境温度进行测量，就可准确计算出电机的温升值。为了对电机过温保护，将无感线圈在线得到的数据进行简单处理后输到过温控制器中，可以实现对电机过温保护。将来无感线圈在电机试验和监控方面得到广泛应用，不仅有利于电机安全使用，也为最终使用者节省大量的维护成本。

1 无感线圈的在线测温及电机温升值测量工作原理

1.1 在线测温工作原理

根据无感线圈的电阻值随温度变化来测量电机绕组温度。为了使无感线圈测得的温度就是电机绕组温度，将做好的无感线圈与电机绕组绑在一起嵌入铁芯槽中。通过电阻测试仪在线测量无感线圈的电阻值，再根据电机试验方法标准GB/T1032-2012中的换算公式(1)可以准确算出无感线圈测点处的温度，即对应每个时刻测点处的电机绕组温度。

(1)

式中，θ1为测点无感线圈温度，单位：℃；Rt为测点无感线圈电阻，单位：Ω；θe为冷态环境，单位：℃；K1为铜质导体材料在0℃时导体的电阻温度系数的倒数235。

1.2 电机温升值测量工作原理

根据GB / T1032-2012标准的电机试验方法，首先试验前测出无感线圈的冷态电阻和相应的冷态环境温度。通过1.1中在线测量电机绕组温度的方法，电机热试验稳态时的一组电机绕组温度及热态环境温度，并算得电机绕组在热试验时的最高温度。再根据电机试验方法标准GB / T1032-2012中的温升公式可以准确算出电机的温升值为

(2)

式中，Δθ为电机温升值，单位：K；Rn为稳态时无感线圈电阻，单位：Ω；Rc为热试验开始前测得的冷态绕组电阻，单位：Ω；θb为热试验结束时冷态介质温度，单位：℃；θc为冷态环境温度, 单位：℃；K1为铜质导体材料在0℃时导体的电阻温度系数的倒数，取235。

2 无感线圈应用于电机温度测量的可行性

从测量的可行性来说，由于电机在旋转过程中，三相交流电机绕组中存在旋转磁场。无感线圈是一根经过多次对折的铜导线，在电机铁芯槽中一定受到磁场线的切割。根据物理电磁原理可知，无感线圈的两端是存在一定的电势。这样对于用弱电路的电阻测试仪器来说可能就无法实现准确测量，电势过高可能将其损坏。如果电势高于安全电压，在不知情的情况下会造成人身安全问题。因此，使用无感线圈时必须做到：安全要有保障，测量数据要可靠。

2.1 无感线圈制作

这种无感线圈制作比较简单，就地取材即可。电机生产厂家在根据电机型号可以取一段直径不低于1 mm的电机绕组漆包线，将其对折1～3次，然后在两端分别接两根引出线。最后，用绝缘蜡管将无感线圈部分全部套起来,如图1所示。为了实现测温，必须将其放入恒温室测取基准温度及对应的无感线圈的电阻值，作为电机出厂数据之一。

图1 无感线圈示意图

2.2 在电机中埋置无感线圈

在Solidworks软件中建立电机定子模型，如图2所示，定子槽内沿着轴线方向，在定子绕组线包上放置无感电阻，无感电阻长度与定子铁心长度相等，出线端通过4根导线引出，这样利用电桥测量时，利用四线法原理消除引出线自身电阻的影响。

图2 无感线圈埋置图

2.3 无感线圈埋置不干扰电机本身性能

无感线圈与电机绕组一同嵌入铁芯槽中，必须考虑它对电机电磁性能有没有影响。当无感线圈太粗和不平整会对电机磁场有一定影响，可能造成电机运行性能降低。因此，无感线圈在制作时，尽量采用线径很小(一般取线径1 mm)的漆包线。为了避免造成电机绕组的磁场出现突变，无感线圈要平整且折叠长度要略长于铁芯的长度。

2.4 无感线圈的使用安全

电机在运行时，无感线圈两端相对地的电压通常不为零，一般可以根据式(3)进行计算的。由于无感线圈的两端的电势相同，所以其两端电压为零。电阻测试仪进行在线测量无感线圈的电阻，使用安全和其电阻测量准确可靠。无感线圈两端对地电压是存在的。通常在小功率电机中无感线圈两端对地电压较低，在大功率电机中无感线圈两端对地电压较高。

Eg=BLv

(3)

式中，Eg为无感线圈端部产生的感应电动势，单位：V；B为电动机通电时产生的旋转磁场强度大小，单位：T；L为无感线圈的有效长度，一般取电机的铁心长度,单位：m；v为旋转磁场的线速度，单位：m/s。

2.5 在Maxwell ansoft建立电机模型

利用Maxwell中RMxprt模块建立3 kW的YX3-112M-4电机仿真模型，定子绕线图如图3所示，经型式实验测定，该电机杂散损耗为42 W，机械摩擦损耗为16 W，铁耗为97 W,其中，仿真过程中电机的初始转速不能高于同步转速，取初始转速为1430 r/min。定子的长度为120 mm，外径和内径分别为160 mm和120 mm，槽数取36，且为梨型槽，扇形分瓣数为1。在转子部分，内外径分别取38 mm和102 mm，槽数为32，为消除气隙中的高次谐波成分，将斜槽数设置为1。仿真参数设置中，电机的负载类型取恒功率负载形式，电机的额定输出功率为3 kW,额定电压380 V，额定转速1430 r/min，采用星型连接方式。

图3 电机定子绕线图

2.6 在Maxwell ansoft中进行仿真分析

在建立的YX3-112M-4模型的基础上创建Maxwell2D分析模型，求解设置中选取恒定功率的加载方式，转速为1430 r/min，额定电压为380 V，仿真时间设定为0.2 s，仿真步长为0.001。

在仿真0.2 s时，磁力线分布如图4所示，定子中的交变电流在电机中产生交变的磁场，由于在转子轴上的磁密很低，在仿真中将转轴设置为不导磁材料，因此，磁力线从定子进入气隙，从气隙中进入转子的硅钢片，转子中的铸铝导条在相对运动的产生安培力，使电机产生旋转运动。图5显示了电机在瞬态场中的磁密云分布情况，从仿真结果中得出最大磁场强度为2.922特斯拉，由此可以得出埋置的无感线圈的定子槽中磁场强度小于等于2.922特斯拉，根据公式(3)，计算得出无感线圈对地电压约为4.2 V。

图4 磁场矢量图

图5 磁场磁密图

2.7 无感线圈的电阻测量的可靠性

由于在电机运行时，无感线圈的两端电势是在不断变化，但无感线圈两端之间电压始终为零，即无感线圈内部不存在感应电流。所以在电机运行的情况下，用弱电路的电阻测试仪是完全不受影响地测量出无感线圈的电阻。原因是对无感线圈在线测量时，仅有电阻测试仪上的微弱电流流过无感线圈的。

3 型式试验对比

表1 三相异步电动机型式试验热试验原始记录

3.1 型式试验

按照2.1节无感线圈的制作过程制作实验样机，在实验样机埋置一个无感线圈和一个PT100，对安装完成的实验样机进行型式试验，实验以恒定功率加载直至达到额定负载，实验开始前测量冷态无感电阻的阻值、三相异步电机三相绕组的阻值、环境温度。利用某公司的实验设备实验设备对样机实验过程中的数据进行采集和分析。根据GB1032-2012中规定，依据PT100测取温度值在半个小时内绕组温度变化不超过1 K时，电机达到热平衡状态。依据现在普遍使用的电阻法要求，停机后测取停机50～80 s后绕组数据,利用读取的数据反推停机零秒时的电阻，如图6所示。反推原理在GB1032-2012中有详细叙述，此处不再赘述。根据GB1032-2012中电阻变化与温度变化的对应关系式(2)，得到该实验样机热试验的温升值为66.4 K。

图6 反推电机绕组停机时零秒电阻

由PT100判断电机达到热平衡状态，因此最后一点测点温度值在127 s读取。结合无感线圈实时测量电机绕组温度表2，利用式(2)可以在不停机的状态下测取电机的温升值为66.57 K。

表2 利用无感线圈实时测量电机绕组温度表

3.2 型式试验结果分析

在型式试验中，电阻法测得的电机热试验平衡时的温升66.4 K，相应的利用无感线圈测得温升值为66.57 K，两种实验方法测得结果误差在±5%内，说明无感线圈测取电机绕组实时温度和稳态温升值的有效性。

4 无感线圈应用电机温升测量和过温保护的不足之处

无感线圈必须预先同绕组一起嵌入电机铁芯槽中，可能为绕组嵌线带来困难。目前，还没有一款直接将无感线圈的电阻值转换为温度值的仪表。因此，无感线圈应用电机温升测量还需要各电机生产厂家的大力推广和相应的仪表厂协同生产这种测温仪表。

5 结 语

无感线圈必须预先同绕组一起嵌入电机铁芯槽中，才能准确测量电机绕组温度。再次，无感线圈固定在电机铁芯槽里，测量值稳定可靠。无感线圈的线径尽量较小，其电阻就较大。电阻越大，对温度的计算值就较准确。该方式测量准确度和可靠性要高于目前的标准中的测量方法，并且能够弥补断电测量电机绕组温度的缺陷。