Design, instrumentering og brug protokoller for distribueret in situ termiskhot spots overvågning i elektriske spoler ved hjælp af FBG Sensor Multiplexing

Summary

Dette papir præsenterer en protokol, der muliggør instrumentering af tilfældige sår elektriske spoler med fiber Bragg rist (FBG) termiske sensorer med henblik på distribueret tilstand overvågning af interne termiske hot spots.

Abstract

Tilfældige sårspoler er et centralt operationelt element i de fleste elektriske apparater i moderne industrielle systemer, herunder lavspænding elektriske maskiner. En af de største aktuelle flaskehalse i forbedret udnyttelse af elektriske apparater er den høje følsomhed af deres sårkomponenter til in-service termisk stress. Anvendelse af konventionelle termiske sensing metoder (f.eks termoelementer, modstand temperatur detektorer) til termisk tilstand overvågning af strøm transporterer tilfældige sår spoler kan pålægge betydelige operationelle begrænsninger på grund af sensorstørrelse, EMI følsomhed og eksistensen af elektrisk ledende materiale i deres konstruktion. En anden væsentlig begrænsning findes i distribuerede sensing applikationer og er forårsaget af, hvad der ofte er en betydelig længde og volumen af konventionelle sensor ledninger ledninger.

Dette papir rapporterer udformningen af en fiberoptisk FBG sensing system beregnet til at muliggøre real-time distribueret intern termisk tilstand overvågning inden for tilfældige sår spoler. Proceduren for tilfældig spoleinstrumentering med FBG-følersystemet rapporteres i et casestudie på en IEEE-standardspole, der er repræsentativ for dem, der anvendes i elektriske maskiner. Det rapporterede arbejde præsenterer og diskuterer også vigtige praktiske og tekniske aspekter af FBG sensing system implementering og anvendelse, herunder FBG array geometri design, sensing hoved og fiber emballage, sensorarray installation og kalibreringsprocedure og anvendelse af et kommercielt forhørssystem til opnåelse af termiske målinger. Endelig påvises den in situ multiplexed FBG-sensorsystem, der er termisk overvågningsydeevne, under repræsentative statiske og dynamiske termiske forhold.

Introduction

Tilfældige sårspoler er et centralt designelement i de fleste elektriske apparater i moderne industrielle systemer og er almindeligt anvendt i lavspænding elektriske maskiner. En væsentlig hindring for forbedret brug af sårspoler i disse applikationer er deres følsomhed over for in-service elektro-termisk stress. Termiskoverbelastning er særlig relevant i denne henseende, da disse kan forårsage isolering coil isolering system nedbrud og i sidste ende dens samlede svigt^1; dette kan opstå på grund af overdreven spole nuværende niveauer, eller andre årsager såsom en spole elektrisk fejl eller et kølesystem fejl, hvor lokaliserede hot spots er induceret i spolen struktur, der fører til isolering opdeling. Aktivering af operationel in situ distribueret termisk overvågning af en in-service spole interne struktur giver mulighed for udvikling af forbedret udnyttelse og tilstandbaseret vedligeholdelse rutiner; det vil give mulighed for avanceret forståelse og identifikation af spolernes driftsstatus og enhver nedbrydningsproces og dermed tilstandsbaserede korrigerende foranstaltninger for at opretholde driftsstatus og forebygge eller bremse yderligere skader^2,3.

Den præsenterede metode har til formål at muliggøre in situ overvågning af elektrisk coil struktur indlejrede termiske forhold ved hjælp af fleksible og elektromagnetiske interferens immun (EMI) fiber Bragg revet optiske termiske sensorer. Metoden giver en række funktionelle fordele i forhold til eksisterende termiske overvågningsteknikker, der anvendes i elektriske spoler: disse er næsten altid afhængige af brugen af termoelement (TC' er) eller modstandstemperaturdetektorer (FT'er), der ikke er EMI-immune; de er fremstillet af ledende materialer og de er generelt rimeligt omfangsrige derfor ikke ideelt egnet til sensing applikationer inden for strukturen af sår elektriske spoler. Brugen af robuste og fleksible fiberoptiske FBG termiske sensorer giver en række betydelige forbedringer i denne henseende, ikke kun på grund af sensor EMI immunitet, men også dens lille størrelse, multiplexing evne og dens fleksibilitet, som gør det muligt for dem at blive indlejret i og i overensstemmelse med en vilkårlig sårspole arkitektur for at opnå termisk sensing med stor nøjagtighed i ønskede strukturelle steder⁴. Disse egenskaber er særligt attraktive i elektriske maskiner (EM) applikationer, hvor enheden termiske grænser er defineret ved elektrisk coil termiske forhold og er særligt relevante i lyset af den forventede betydelige vækst i EM-anvendelse med spredning af elektrisk transport.

Dette papir præsenterer metoden til at instrumentere en typisk lavspænding tilfældig spole struktur med termiske FBG sensorer til at muliggøre on-line overvågning af interne hotspots. En detaljeret protokol over FBG sensor valg, design, emballage, instrumentering, kalibrering og brug er rapporteret. Dette præsenteres på en IEEE standard tilfældigspole motorette system. Papiret rapporterer også de opnåede termiske målinger på stedet under statisk og ikke-ensartet termisk driftstilstand for den undersøgte testspole.

FBGs dannes ved processen med at 'riste' den optiske fiberkerne for at skabe periodiske langsgående aftryk (normalt kaldet følerhoveder i FBG-sensingapplikationer); når fiberen, der indeholder FBGs er udsat for ultraviolet lys hver eksisterende FBG hoved vil medføre sin brydningsindeks, der skal periodisk moduleret⁵. Den sensing hoved reflekteret bølgelængder vil blive påvirket af de termiske og mekaniske forhold, at fiberen er udsat for, og dermed gøre det muligt for revet fiber, der skal anvendes som en termisk eller mekanisk sensor under forudsætning af passende design og anvendelse.

FBG-teknologien er især attraktiv for distribuerede sensing applikationer: det giver mulighed for en enkelt optisk fiber, der skal revet til at indeholde flere FBG sensing hoveder, hvor hvert hoved er kodet med en særskilt Bragg bølgelængde og fungerer som en særskilt sensing punkt. Denne type FBG-baseret følerenhed er kendt som en FBG array sensor⁶ og dens driftskoncept er illustreret i figur 1. Bredbånd lys bruges til at ophidse array resulterer i forskellige reflekterede bølgelængder fra hver indeholdt FBG hoved; Her afspejler hvert hoved en defineret bølgelængde (dvs. Bragg bølgelængde), der matcher dens rist design og er også afhængig af de fremherskende termiske og mekaniske forhold på hovedet (dvs. sensing) placering. En forhørsanordning er nødvendig for at muliggøre array fiber excitation med lys og inspektion af de reflekterede spektre for forskellige Bragg bølgelængder, der indeholder oplysninger om lokaliserede termiske og / eller mekaniske forhold.

Et særligt vigtigt aspekt af Gennemførelsen af FBG-termiske sensorer er afbødning af termomekaniske krydsfølsomhedseffekter for at opnå så tæt som muligt på udelukkende termiske aflæsninger⁷. FBG's iboende træk ved termomekanisk krydsfølsomhed kræver omhyggelig design af FBG-sensorer, der udelukkende er rettet mod termiske eller mekaniske kun sensingapplikationer. For så angår termisk sensing er en effektiv metode til afbødning Af FBG mekanisk excitationsfølsomhed at isolere det følerhoved med en emballagekapillær, der er fremstillet af materiale, der er egnet til en given anvendelse. i coil indlejret termisk sensing ansøgning undersøgt i dette arbejde dette ikke kun reducerer krydsfølsomhed problemer, men tjener også til at beskytte den skrøbelige sensing fiber struktur fra undersiden og potentielt ødelæggende mekanisk stress⁸.

Figur 2A viser den tilfældige prøveprøve for sårelektrisk spole, der anvendes som demonstrationskøretøj i dette papir. Spolen er designet i henhold til IEEE standarder⁹ for termiske evalueringsprocedurer af tilfældige sårspoler 'isoleringssystem; det resulterende testsystem, der er vist i figur 2B, er kendt som et motorettesystem og er repræsentativt for en vikling og dets isoleringssystem i en elektrisk lavspændingsmaskine. I det fremlagte casestudie vil motoretten blive instrumenteret med en FBG array termisk sensor bestående af fire termiske følerpunkter, for at efterligne typiske termiske sensing hot spots af interesse i praktiske maskine applikationer, der har tendens til at være lokaliseret i coil ende vikling og slot sektioner. Til kalibrering og evaluering af ydeevnen vil FBG's integrerede motorette blive termisk begejstret ved hjælp af et kommercielt termisk kammer og en DC-strømforsyning.

Protocol

1. Fiberoptisk termisk sensor design

1. Først identificere sensoren design og specifikationer baseret på målet spole struktur og forhør system funktioner. Den prøvespole, der anvendes i dette værk, har en oval geometri, der er typisk for elektriske maskinspoler (som vist i figur 1A. Før individuelle sensing steder bestemmes, træffe design beslutninger for at sikre, at den optiske sensing fiber forbliver aktiv i det mekaniske og termiske miljø typisk for indlejret spole ansøgning.
2. Brug en standard bøjning-ufølsom polyimid-belagt enkelt tilstand fiber, der er almindeligt kendt for at være i stand til at operere i temperaturer op til ca 300 °C; denne fiber er således velegnet til anvendelse i sårspoler, der anvendes i konventionelle elektriske maskiner.
   BEMÆRK: Den valgte optiske fiber sikrer sensorfunktionalitet i det termiske miljø af en typisk tilfældig sårspole, der opererer i elektriske maskiner som anvendt i dette arbejde (klasse F og H med en nominel temperatur på henholdsvis 155 og 180 °C^10. Bend-ufølsom fiber foretrækkes til denne ansøgning, da det er designet til at tillade en lille bøjning radius og at have en lavere bøjning tab. Dette gør det muligt at tilpasse sensoren effektivt til den ønskede spolestruktur og følerplacering(er) med minimal skadelig virkning på sensorfunktionaliteten.
3. Indstil fiberlængde til 1,5 m.
   BEMÆRK: Fiberlængden indstilles i henhold til geometrien af målsårpolen, der skal instrumenteret, og den ønskede afstand til forhørsenheden. Testspolens omkredslængde (vist i figur 1A)er 0,3 meter, og den valgte fiberlængde til forhørsleder fra spole er 1,2 meter, hvilket giver en samlet længde på 1,5 m – dette giver mulighed for tilstrækkelig fiberlængde, der skal sløjfes i testspolen for at sikre, at de ønskede følersteder er passende etableret, og der er passende afstand mellem testspolen og forhørsoren: 3A illustrerer den generelle længdedesigntilgang.
   BEMÆRK: FBGSs kan placeres flere kilometer fra forhørsenheden. Dette skyldes, at en optisk fiber er en effektiv enkelt bærer.
4. Design FBG-arrayet, så det består af fire FBG-hoveder (5 mm) for at muliggøre distribueret sensing inden for spolestrukturen, således at to følersteder er placeret i spolesiderne, og to er i spolenender.
   BEMÆRK: Termiske følersteder identificeres på grundlag af relevante standarder for termisk overvågning af elektriske maskiner (dvs. 2 FBGS for slotsektioner og 2 for endesnoede sektioner)¹⁰. Den kommercielle forhørsgenstand design, der anvendes i dette arbejde kan muliggøre samtidig forhør af op til 16 FBG sensing punkter ned en enkelt optisk fiber.
5. Brug en FBG-følerhovedlængde på 5 mm. dette anses for tilstrækkeligt til at muliggøre lokaliseret hot spot overvågning i strøm transporterer tilfældige sår spoler.
   BEMÆRK: Alternative kommercielle værdier af FBG-hovedlængde (3 mm, 5 mm eller 10 mm) kan også anvendes i tilfælde af, at følerapplikationen kræver en anden følerpunktsdimension.
6. Angiv de enkelte FBG-hoveder, der skal rives med forskellige bølgelængder fordelt i en båndbredde på 1529-60 nm for at matche den anvendte kommercielle forhørsledervurdering. dette sikrer forebyggelse af FBG flyttet bølgelængder interferens.
   BEMÆRK: FBG hoveder bølgelængde, deres forventede bølgelængde skift båndbredde, og ansøgningen temperatur variation skal være inden for forhør enhed bredbånd lys båndbredde for at sikre, at sensing systemet kan fungere korrekt.
7. Brug en FC/APC fibersondestiktype, som er i overensstemmelse med forhørsenheden.
   BEMÆRK: FC/APC er generelt det foretrukne valg for FBG sensing på grund af lave afkast tab.
8. Giv sensorens design og specifikationer til en kommerciel FBG-producent - Figur 3B viser en endelig skitse af FBG-arraydesignet, der anvendes i dette arbejde.

2. Forhørssystem og sensorkonfiguration

1. Kontroller og konfigurer den designede og fremstillede FBG-systemsensor til at fungere med det kommercielle forhørssystem.
2. Fjern beskyttelseshætten fra FC/APC-stikket.
3. Rengør stikkets endeflade ved at tørre det forsigtigt af med en optisk stikrenser.
   BEMÆRK: Det anbefales på det kraftigste at udføre dette trin, hver gang sensoren er tilsluttet forhørsoren. En Cletop-s kommercielle serie optisk renere blev brugt i dette arbejde.
4. Tilslut det rensede FBG-sondestik til interrogatorkanalstikket.
   BEMÆRK: Sørg for, at tastebanen er korrekt justeret, når stikkene parres.
5. Tænd forhørsoren.
   BEMÆRK: Forhørsoren er tilsluttet pc'en via et RJ45-stik og internetkabel.
6. Kør konfigurationssoftwaren.
   BEMÆRK: Forhørssoftwaren er en proprietær LabVIEW-baseret softwarepakke, der leveres af forhørsproducenten, der er designet til at muliggøre drift af interrogatorhardwareenheden.
7. På instrumentset-up fanen observere de reflekterede bølgelængde spektre fra FBG array sonden (for FBG array design, der anvendes i dette arbejde fire toppe skal observeres i de relaterede kanalspektrum).
   BEMÆRK: Den reflekterede lysintensitet afhænger af FBG's egenskaber (over 50 % accepteres).
8. Indstil samplingfrekvensen til 10 Hz. Dette bestemmer direkte antallet af temperaturaflæsninger i en given periode på 1.
   BEMÆRK: Det anvendte forhørssystem kan fungere ved prøvetagningsfrekvenser op til 2,5 kHz. for termisk dynamik af strømførende spoler, der overvåges i dette arbejde, anses 10 Hz dog for at være en tilstrækkelig erhvervelsesrate.
9. I indstillingen for målinger skal FBG-lederne navngives som FBG1, FBG2, FBG3 og FBG4. Vælg bølgelængde som mængdetype, der skal præsenteres grafisk på dette tidspunkt. FBG-arrayet er konfigureret og klar til kalibreringstrinnet.

3. Tilberedning af emballage

1. Korrekt pakke de områder, hvor FBG hoveder er præget (dvs. revet) i array fiber for at sikre sensing hoved isolation fra mekanisk excitation og dermed give udelukkende termisk excitation lydhør sensor. Desuden er fiberstrukturen skrøbelig, og det er ikke ønskeligt at indlejre den direkte i spolens ledere: det kræver tilstrækkelig mekanisk beskyttelse for at bevare integriteten. I dette arbejde er det følerområde, der indeholder de fire FBG-hoveder, der er indlejret i spolens struktur, pakket med polyetheretherketone (PEEK), og resten af fiberen er beskyttet af Teflon – dette er illustreret i figur 3C.
2. Design emballagen i form af et smalt rundt kapillær rør, så sensorfibrene kan føres igennem og dermed beskyttes af kapillæren.
   BEMÆRK: Kapillær dimensioner og termiske egenskaber er særligt vigtige, når det drejer sig om emballering af det område, der indeholder FBG-følerhoveder. Det er generelt ønskeligt at sikre en relativt smal vægtykkelse og bruge materiale, der ikke er elektrisk ledende, men giver en rimelig grad af varmeledningsevne. Den ydre diameter af PEEK kapillær, der anvendes i dette arbejde var 0,8 mm og dens vægtykkelse er 0,1 mm.
3. Forbered PEEK kapillær ved at skære tilstrækkelig længde af kommercielle PEEK slanger (længden af målet spole struktur med et par ekstra centimeter for at give mulighed for fiber indsættelse og Teflon til PEEK kapillær fælles forberedelse).
   BEMÆRK: In situ-instrumenteringen af FBG-arrayet kræver installation af emballagen først, som derefter indsættes med sensorfiberen. Der skal udvises forsigtighed for at sikre glatte og rensede kapillære endeåbninger.
4. Tag omhyggelige målinger af FBG-systemet og PEEK-kapillæren for præcist at identificere følersteder på den ydre overflade af PEEK-kapillæren. Dette gør det muligt at placere FBG-følerhoveder på målsteder i motorettetestspolen.
5. Forbered Teflon kapillær ved at skære en passende længde af kommercielle Teflon slanger for at sikre, at fiberen sektion uden for testspole geometri er beskyttet og indeholdt.
   BEMÆRK: Det eksterne emballagemateriale i den ikke-sensing-arraysektion skal have tilstrækkelig stivhed til at yde tilstrækkelig mekanisk beskyttelse, men også være fleksibelt for at muliggøre en praktisk tilslutning til forhørsmaskinen. det er også ønskeligt, at dette materiale er EMI-immunt i denne applikation. Teflon viser sig at give tilfredsstillende resultater i denne undersøgelse, men alternative materialer kan anvendes.
6. Forbered den passende krymperør længde for at gøre fælles mellem PEEK og Teflon kapillærer.

4. Gratis termisk kalibrering

1. Kalibrer den pakkede FBG-arraysensor ved at sætte den ind i det termiske kammer for at udtrække dens diskrete temperatur versus bølgelængdepunkter.
   BEMÆRK: Følerområdet fortrinsvis er formet til at matche målspolens struktur for at give kalibrering under belastningsniveauer svarende til dem, når pakken er indlejret i testspolen.
2. Tilslut den revne optiske fiber til forhørsanlægget og lancere præ-konfigureret forhørsmaskine software rutine.
3. Indstil den termiske kammerovn til at fungere i en sekvens af termiske steady state punkter – disse er i en række omgivende til 170 °C og i trin på hver 10 grader i dette arbejde. Opret en tabel ud fra de målte reflekterede bølgelængder for hver enkelt FBG i matrixen for hver konstant temperatur, der er emuleret i kammeret.
   BEMÆRK: Der skal være tilstrækkelig tid under kalibreringsprøvningerne til, at den termiske ligevægt kan nås ved hvert undersøgt termisk punkt i konstant tilstand.
4. Brug de registrerede forskydningsbølgelængde versus temperaturmålinger i 10 °C trin til at bestemme de optimale temperatur-bølgelængde skift fit kurver og deres koefficienter for hver FBG. Figur 4 og tabel 1 viser henholdsvis de registrerede kalibreringsdatamålinger og den beregnede tilpasningskurve.
   BEMÆRK: Forholdet mellem bølgelængdeskift og temperaturvariationen af FBG-lederne i arrayet analyseres ved polynomial kvadratisk regression i dette arbejde, da dette viste sig at levere optimal karakterisering. Ud fra denne analyse beregnes de polynomiske kvadratiske regressionskurvekoefficienter¹¹.
5. Input de beregnede koefficienter i den relevante indstilling af forhørssoftwaren for at muliggøre onlinetemperaturmålinger fra FBG-systemet.

5. Test coil bygge og FBG instrumentering

1. Først bygge og instrument motorette tilfældige sår spole.
   1. Design en snoet spole, så den passer til winder-enheden.
      BEMÆRK: Spolens geometri er designet til at matche spolens ønskede drejegeometri og sikre, at den ønskede sårspole dimensionerer. Spolen er designet til let at kunne demonteres, så den letter den enkle fjernelse af sårspolen uden at beskadige isoleringen.
   2. Placer den valgte emaljeret kobbertråd hjul i winder enhed og trække kobbertråd gennem winder ruller og spændingen controller.
      BEMÆRK: Klasse F emaljeret kobbertråd anvendes i dette arbejde.
   3. Indstil winder-enhedens drejetæller til nul.
   4. Indstil winder til at operere ved lav hastighed og styre den ønskede wire spænding.
   5. Vind halvdelen af spolen vender.
   6. Monter den forberedte PEEK kapillær i midten af spolen ved hjælp af Kapton tape.
      BEMÆRK: Der skal udvises forsigtighed for at sikre, at indeksene på PEEK-kapillæren er placeret på målstederne.
   7. Vind resten af spolen vender.
   8. Fjern spolen fra winder maskinen og demontere for at frigøre sårspolen indlejret med en PEEK kapillær.
   9. Placer spolen i motoretterammen.
      BEMÆRK: Motorettespoleisoleringssystemet (slotisolering og slotkiler) skal installeres korrekt med spolen.
   10. Forbered coil terminaler og forbinde dem til motorette terminaler.
   11. Laminer motorette med en viklingslak og anbring den i en ovn ved passende temperatur (150 °C) for at hærde.
2. FBG array instrumentering:
   1. Først forbinde FBG array til forhørsmaskine; starte forhørsmaskine software til at overvåge FBG reflekteret bølgelængde under installation.
   2. Træk fiberen gennem det forberedte krympende rør.
   3. Sæt forsigtigt fiberen (følerområdet) ind i PEEK-kapillæren, indtil de sidste åbninger af Teflon og PEEK-kapillærer er i kontakt.
   4. Flyt krymperøret til at dække kapillærerne ender og passende varme det, indtil den ønskede pasform er opnået.

6. In situ kalibrering og evaluering

1. Valider den opnåede termiske kalibrering i trin 4 efter indlejring, og ret, hvis det er nødvendigt. Testen gør det også muligt at evaluere FBG-systemets ydeevne i kontrolleret statisk termisk tilstand.
2. Placer motorette indlejret med FBG termisk array i den termiske ovn.
   BEMÆRK: Konventionel termisk sensor kan bruges til sammenligning af ydeevne. Her anvendes termoelementer installeret på motorettespolens overflade.
3. Gentag trin 4.3 og 4.4.
4. Gentag trin 4.5, herunder temperaturen målt af FBG-hoveder baseret på kalibreret pasform i trin 4.
5. Vurder og sammenlign FBG-arraytemperaturmålingerne med referencetemperaturen. Hvis målefejlen er høj, kan den registrerede måling i trin 6.4 bruges til at opdatere kalibreringen.
6. Tag motorette ud af den termiske ovn; den er klar til test.

7. Test

1. Udfør en statisk termisk tilstandstest.
   1. Tilslut motoretten til DC-strømforsyningen.
   2. Tilslut FBG-arrayet til forhørsoren. overvåge og registrere sine FBG-temperaturmålinger.
   3. Styr dc strømforsyningen til at injicere motorette med en DC strøm.
      BEMÆRK: Det valgte jævnstrømsniveau skal sikre, at T-stigningen i spoleindvendige indvendige termiske hotspots er mindre end den tilladte isoleringstemperatur. dette giver mulighed for ikke-destruktiv test på prototypen spole.
   4. Stop optagelsesmålingerne, når motortetenspoletermiskligevægt er nået.
2. Udføre en ikke-ensartet termisk tilstandstest.
   1. Vind den eksterne spole, der indeholder 20 omdrejninger omkring en udvalgt testspolesektion.
   2. Tilslut den eksterne spole til en separat DC strømforsyning.
   3. Energize motorette med DC strøm anvendes i 7.1.3.
   4. Start registreringen af termiske målinger, når den termiske ligevægt er nået.
   5. Giv energi til den eksterne spole med en JÆVNstrøm for at give uensartede termiske forhold ved at levere lokaliseret termisk excitation på testspolen.
   6. Stop optagelsesmålingerne, når den termiske ligevægt er nået.

Representative Results

Figur 5 viser de temperaturer, der måles af arraysensoren i den statiske termiske test. De fire indvendige temperaturaflæsninger, der indtages af de respektive FBG-arrayhoveder på tilsvarende spolesteder, anses for at være tæt de samme som for de undersøgte testbetingelser. der er en lille variation mellem den rapporterede individuelle måling på mindre end 1,5 °C mellem de observerede gennemsnitlige hotspottemperaturer på ≈75,5 °C.

Figur 6 rapporterer de arraysensormålinger, der er opnået ved den uensartede termiske tilstandstest. Disse vises først i den periode, hvor der ikke er nogen excitation i den eksterne spole (første ≈75s), der angiver nøje ensartede målte termiske niveauer, som man kunne forvente. Den eksterne spole er derefter ophidset resulterer i yderligere lokaliseret termisk excitation: dette resulterer i en klar ændring i de observerede målinger, med følepunkt i umiddelbar nærhed af den eksterne spole (dvs. FBG4) måling det højeste termiske niveau (≈128.6 °C), og at længst væk den laveste (≈117.6 °C); FBG-temperatursensorerne mellem disse rapporter er mellemliggende og nært ensartede temperaturniveauer (≈122.7 og ≈121,6 °C). De observerede aflæsninger vedrører klart individuel mærkehovedfordeling i den undersøgte testspolegeometri. Desuden viser resultaterne tydeligt den funktionelle evne til at spoleindbygget arraysensor til overvågning og identifikation af intern distribueret termisk hotspotfordeling i tilfældige sårspoler.

Figur 1. FBG array sensor driftskoncept. Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation⁴. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. IEEE standard motorette spole samling. (A) Tilfældig sår elektrisk spole; se IEEE-standarder⁹. (B) Samlet og lakeret IEEE standard motorette. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. FBG termisk sensor array design. (A) FBG array fiber længde, (B) FBG hoved steder i array struktur, (C) FBG array emballage design. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. Den pakkede array sensor FBG hoveder kalibrering egenskaber. Egenskaberne er afledt af de data, der er opnået i de systemfrie termiske kalibreringstest. Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation⁴. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5. FBG array termiske målinger opnået i steady state termisk tilstand test. De enkelte termiske hovedmålinger, der rapporteres af FBG-arraysensoren, vises med en indsat detaljeret steady-state målevisning. Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation⁴. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6. Termiske målinger i den uensartede termiske tilstandstest. Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation⁴. Klik her for at se en større version af dette tal.

	Opfange		B1 (B1)		B2		Statistik
	Værdi	Standardfejl	Værdi	Standardfejl	Værdi	Standardfejl	Adj. R-Pladsen
FBG1 (FBG1)	1555.771	0.0137	0.00855	2.85E-04	1.50E-05	1.34E-06	0.99978
FBG2 (FBG2)	1547.669	0.0112	0.00851	2.34E-04	1.41E-05	1.10E-06	0.99985
FBG3 (FBG3)	1539.852	0.0101	0.00871	2.11E-04	1.30E-05	9.90E-07	0.99988
FBG4 (FBG4)	1531.768	0.0131	0.00808	2.72E-04	1.67E-05	1.28E-06	0.9998

Tabel 1: Beregnede polynomiske qudratiske fit kurveparametre. De beregnede parametre standardfejl og individuelle hovedkorrektionskoefficienter er inkluderet. god linearitet og en coorektionsfaktorkoefficient på over 0,999 blev observeret for de fire testede FBG-hoveder. Denne tabel er blevet ændret fra en tidligere publikation⁴.

Discussion

Papiret har demonstreret den procedure, der kræves for at designe, kalibrere og teste in situ FBG termiske sensorer i lavspænding sårspoler. Disse sensorer tilbyder en række fordele for in situ sensing applikationer inden for nuværende transporterer sårspole strukturer: de er fuldt EMI immune, er fleksible og kan tilpasse sig en vilkårlig ønsket geometri til at levere vilkårligønskede sensing punkt steder med høj nøjagtighed, og kan give et stort antal føler punkter på en enkelt sensor. Mens termisk sensing inden for sårspoler kan opnås med konventionelle termiske overvågningsteknikker, der anvender termoelement eller modstandtemperaturdetektorer, har anvendelsen af FBGs vist sig at give en række attraktive funktionelle fordele.

Passende emballering af FBG array sensor er nøglen til dens effektive udnyttelse. Det er vigtigt, at individuelle føler hoveder eller hele sensing område af fiberen være passende pakket for at sikre isolering af FBG hoveder fra mekanisk excitation i en stiv endnu fleksibel termisk ledende kapillær. Det er ønskeligt, at kapillær skal konstrueres af ikke-elektrisk ledende materiale, da dette sikrer optimal ydeevne i EMI rige miljø karakteristisk for nuværende bærespoler.

Der skal udvises forsigtighed under emballeringen af kapillær installation i spolen for præcist at placere pakkesegmenterne på deres tilsvarende følersteder. Det er også vigtigt at optimere kapillærgeometrien i tilfælde af, at meget dynamiske termiske forhold skal overholdes.

Det er vigtigt at sikre nøjagtig karakterisering af spolen indlejrede sensor. Dette gøres bedst ved at udføre gratis pakket sensorkalibrering før dens installation inden for sårpolegeometrien. Mens en høj grad af beskyttelse mod mekanisk excitation leveres af in situ-emballagen, kan installationsprocessen resultere i bølgelængdeskift på grund af belastningsfølsomhed. Hvis det udføres omhyggeligt dette kan være ubetydelig; det er imidlertid god praksis, at dette så vidt muligt konstateres i in situ-kalibreringsprøvninger.

Denne anvendelse af FBGs i sårspoler er forholdsvis ny og åbner en række muligheder for forbedret design, udnyttelse, overvågning og sundhedsdiagnose af elektriske maskiner. Der er behov for en yderligere indsats for at reducere omkostningerne ved disse og gøre dem til en troværdig og holdbar mulighed for storstilet anvendelse i elektriske maskiner.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cletop-S	Fujikura	14110601	Commercial optic connector cleaner
Copper wire AWG24	RS	357-744	Commercial insulated copper wire
DC power supply	TTi	CPX400SP	Commercial 420W DC power supply
FBG sensors	ATGratings	NA	Commerically manufactured FBG array to design spec
Heat Shrink Tubing	RS	700-4532	Heat Shrink Tubing 3mm Sleeve Dia. x 10m
Kapton masking tape	RS	436-2762	Orange Masking Tape Tesa 51408
PEEK tubing	Polyflon	4901000060	Commercial PEEK tubing
SmartScan04	Smartfibres UK	S-Scan-04-F-60-U-UK	Commercial interrogator system
Thermal Oven	Lenton	WHT6/30	Commercial thermal oven
Winder machine	RS	244-2636	Commercial winder machine