Design-, instrumenterings- och användningsprotokoll för distribuerad övervakning av termiska hotspots i elektriska spolar med FBG-sensormultiplexing

Summary

Detta dokument presenterar ett protokoll som möjliggör instrumentering av slumpmässiga sår elektriska spolar med fiber Bragg galler (FBG) termiska sensorer för distribuerad skick övervakning av inre termiska hotspots.

Abstract

Slumpmässiga sårspolar är en viktig operativ del av de flesta elektriska apparater i moderna industriella system, inklusive lågspänningelektriska maskiner. En av de största nuvarande flaskhalsarna i det förbättrade utnyttjandet av elektriska apparater är den höga känsligheten hos deras sårkomponenter till termisk stress i drift. Tillämpningav konventionella termiska avsensämningsmetoder (t.ex. termoelement, motståndstemperaturdetektorer) för termisk tillståndsövervakning av strömsommanande slumpmässiga sårspolar kan medföra betydande driftsbegränsningar på grund av sensorstorlek, EMI känslighet och förekomsten av elektriskt ledande material i deras konstruktion. En annan betydande begränsning finns i distribuerade avkännande applikationer och orsakas av vad som ofta är en betydande längd och volym av konventionella sensorledningar ledningar.

Detta dokument rapporterar utformningen av en fiberoptisk FBG avsensing system avsedd för att möjliggöra realtid distribueras interna termiska tillstånd övervakning inom slumpmässiga sårspolar. Förfarandet för slumpmässigsår spole instrumentering med FBG sensing systemet rapporteras i en fallstudie på en IEEE standard sårspole representant för dem som används i elektriska maskiner. Det rapporterade arbetet presenterar och diskuterar också viktiga praktiska och tekniska aspekter av FBG sensing system genomförande och tillämpning, inklusive FBG array geometri design, avkännande huvud och fiberförpackningar, sensorarray installation och kalibreringsförfarande och användning av ett kommersiellt förhörssystem för att erhålla termiska mätningar. Slutligen visas prestanda för den in situ multiplexed FBG-avsensingssystemets termiska övervakningsprestanda i representativa statiska och dynamiska termiska förhållanden.

Introduction

Slumpmässiga sårspolar är en viktig konstruktionsdel av de flesta elektriska apparater i moderna industriella system och används ofta i lågspänningselektriska maskiner. Ett stort hinder för förbättrad användning av sårspolar i dessa tillämpningar är deras känslighet för elektrotermisk stress i drift. Termisköverbelastning ar är särskilt beständig i detta avseende eftersom dessa kan orsaka isolering spole isoleringssystem uppdelning och i slutändan dess totala fel¹; Detta kan uppstå på grund av överdriven spole strömnivåer, eller andra orsaker såsom en spole elektriskfel eller ett kylsystem fel, där lokaliserade hotspots induceras i spolen struktur som leder till isolering svikt. Möjliggör operativ in situ-distribuerad termisk övervakning av en in-service-spoles interna struktur möjliggör utveckling av förbättrade utnyttjande- och tillståndsbaserade underhållsrutiner. Det skulle möjliggöra avancerad förståelse och identifiering av spolarnas driftsstatus och eventuella nedbrytningsprocesser, och därmed villkorsbaserade korrigerande åtgärder för att upprätthålla driftsstatus och förhindra eller bromsa ytterligare skador^2,3.

Den presenterade metoden syftar till att möjliggöra in situ-övervakning av elektriska spolestruktur inbäddade termiska förhållanden genom användning av flexibel och elektromagnetisk interferens immun (EMI) fiber Bragg rivna optiska termiska sensorer. Metoden erbjuder ett antal funktionella fördelar jämfört med befintliga termiska övervakningstekniker som används i elektriska spolar: dessa är nästan alltid beroende av användning av termoelement (TCs) eller motståndstemperaturdetektorer (FoTU) som inte är EMI immuna; De är tillverkade av ledande material. och de är i allmänhet någorlunda skrymmande därför inte idealiska för avsensing applikationer inom strukturen av sår elektriska spolar. Användningen av robusta och flexibla fiberoptiska FBG termiska sensorer ger ett antal betydande förbättringar i detta avseende, inte bara på grund av sensor EMI immunitet men också dess ringa storlek, multiplexing förmåga och dess flexibilitet, vilket gör att de kan bäddas in och överensstämmer med en godtycklig sår spole arkitektur för att uppnå termisk avkänning med precision i önskade strukturella platser⁴. Dessa funktioner är särskilt attraktiva i elektriska maskin (EM) applikationer där enhetentermiska gränser definieras av elektriska spole termiska förhållanden och är särskilt dämpande mot bakgrund av den förväntade betydande ökningen av EM-användning med spridning av elektriska transporter.

Detta dokument presenterar metoden för att instrumentera en typisk lågspänning slumpmässigsårspole struktur med termiska FBG-sensorer för att möjliggöra on-line övervakning av interna hotspots. Ett detaljerat protokoll av FBG-sensorns val, design, förpackning, instrumentering, kalibrering och användning rapporteras. Detta presenteras på en IEEE standard slumpmässiga sår spole motorettsystem. Papperet rapporterar också de erhållna termiska mätningarna på plats under statiskt och icke-enhetligt termiskt driftstillstånd hos den undersökta testspolen.

FBGs bildas av processen att "galler" den optiska fiberkärnan för att skapa periodiska längsgående avtryck (vanligtvis kallad avkännande huvuden i FBG avkännande applikationer); när fibern som innehåller FBGs utsätts för ultraviolett ljus varje befintligFBG-huvud kommer att orsaka att dess brytningsindex regelbundet moduleras⁵. Avkänningshuvudet reflekterade våglängder kommer att påverkas av de termiska och mekaniska förhållanden som fibern utsätts för, och därmed göra det möjligt att applicera riven fiber som en termisk eller mekanisk sensor förutsatt att tillräcklig design och applicering.

FBG-tekniken är särskilt attraktiv för distribuerade avsensingapplikationer: det gör det möjligt för en enda optisk fiber att rivas för att innehålla flera FBG-avsensinghuvuden, där varje huvud kodas med en distinkt Bragg våglängd och fungerar som en distinkt avsensingspunkt. Denna typ av FBG-baserad avsensingsenhet kallas en FBG-matrissensor⁶ och dess driftkoncept illustreras i figur 1. Bredbandsljus används för att excitera matrisen vilket resulterar i distinkta reflekterade våglängder från varje innehöll FBG-huvud; Här reflekterar varje huvud en definierad våglängd (dvs. Bragg våglängd) som matchar dess gallerdesign och är också beroende av den rådande termiska och mekaniska förhållanden vid huvudet (dvs. avkänning) plats. En förhörsledare sett till att aktivera arrayfiberexcitation med ljus och inspektion av det reflekterade spektrat för distinkta Bragg-våglängder som innehåller information om lokaliserade termiska och/eller mekaniska förhållanden.

En särskilt viktig aspekt av FBG termisk sensor genomförande är begränsning av termomekaniska tvärkänslighetseffekter för att få så nära som möjligt till uteslutande termiska avläsningar⁷. FBG inneboende inslag i termomekanisk tvärkänslighet kräver noggrann design av FBG-sensorer som syftar till termisk endast eller mekanisk endast avkänning applikationer. När det gäller termisk avkänning är en effektiv metod för att mildra FBG:s mekaniska exciteringskänslighet att isolera avkänningshuvudet med en förpackningskapillär av material som lämpar sig för en viss applicering. i spolen inbäddade termisk avkänning ansökan granskas i detta arbete detta inte bara minskar tvärkänslighet problem men tjänar också till att skydda den bräckliga avkänning fiberstruktur från undersidan och potentiellt destruktiva mekanisk stress⁸.

Figur 2A visar det slumpmässiga sårelektriska spoleprov som används som demonstrationsfordon i detta papper. Spolen är utformad enligt IEEE standarder⁹ för termisk utvärdering förfaranden av slumpmässiga sårspolar isoleringssystem; Det resulterande provningssystemet som visas i figur 2B kallas motorettsystem och är representativt för en lindning och dess isoleringssystem i en elektrisk lågspänningsmaskin. I den presenterade fallstudien kommer motoretten att instrumenteras med en FBG array termalsensor bestående av fyra termiska avkännande punkter, för att efterlikna typiska termiska avkännare hotspots av intresse för praktiska maskinapplikationer som tenderar att lokaliseras i coil end slingrande och facksektioner. För kalibrering och prestandautvärdering kommer FBG-inbäddad motorett vara termiskt upphetsad med hjälp av en kommersiell värmekammare och en likströmsströmförsörjning.

Protocol

1. Fiberoptisk termisk sensor design

1. Först identifiera sensorns design och specifikationer baserat på målspolestrukturen och förhörssystemens funktioner. Testspolen som används i detta arbete har en oval geometri som är typisk för elektriska maskinspolar (som illustreras i figur 1A. Innan enskilda avkänningsplatser bestäms, fatta designbeslut för att säkerställa att den optiska avkänningsfibern förblir operativ i den mekaniska och termiska miljö som är typisk för inbäddad sårspoleapplikation.
2. Använd en standard böj-okänslig polyimid-belagda single mode fiber som är allmänt känd för att kunna arbeta i temperaturer upp till cirka 300 °C; Denna fiber är således lämplig för applicering i sårspolar som används i konventionella elektriska maskiner.
   OBS: Den valda optiska fibern säkerställer sensorfunktionalitet i den termiska miljön av en typisk slumpmässig sårspole som arbetar i elektriska maskiner som används i detta arbete (klass F och H med nominell temperatur på 155 respektive 180 °C¹⁰. Böjkänslig fiber är att föredra för denna applikation eftersom den är utformad för att möjliggöra en liten böjradie och att ha en lägre böjningförlust. Detta gör det möjligt för sensorn att effektivt anpassas till önskad spolestruktur och avkännande platser med minimal skadlig effekt på avkännarfunktionen.
3. Ställ in fiberlängden till 1,5 m.
   OBS: Fiberlängd är inställd enligt geometrin hos målsårspolen som ska instrumenteras och önskat avstånd till förhörsenheten. Testpolens cirkumferential längd (visas i figur 1A)är 0,3 meter och den valda fiberlängden till förhörsledare från spolen är 1,2 meter vilket ger en total längd på 1,5 m – detta gör att tillräcklig fiberlängd kan slingas in i testspolen för att säkerställa att önskade avkännande platser är lämpligt etablerade och det finns lämpligt avstånd mellan testspolen och förhörsledaren: Figur 3A illustrerar den allmänna längdens inflygningskonstruktion.
   OBS: FBGSs kan placeras flera kilometer från förhörsenheten. Detta beror på att en optisk fiber är en effektiv enda bärare.
4. Utforma FBG-matrisen så att den består av fyra FBG-huvuden (5 mm) för att möjliggöra distribuerad avsensing inom spolestrukturen så att två avsensningsplatser placeras i spolens sidor och två är i spolens ändar.
   OBS: Termisk adring platser identifieras baserat på relevanta termiska övervakningsstandarder för elektriska maskiner (dvs. 2 FBGS för facksektioner och 2 för ändelslindning sektioner)¹⁰. Den kommersiella förhörsledare design som används i detta arbete kan möjliggöra samtidig förhör av upp till 16 FBG avsande punkter ner en enda optisk fiber.
5. Använd en FBG-avsensingshuvudlängd på 5 mm; Detta anses vara tillräckligt för att möjliggöra lokaliserad hot spot-övervakning i strömsomdelande som transporterar slumpmässiga sårspolar.
   OBS: Alternativa kommersiella värden för FBG-huvudlängd (3 mm, 5 mm eller 10 mm) kan också användas om en annan avsensingpunktsdimension krävs av avsensämningsapplikationen.
6. Ange enskilda FBG-huvuden som ska rivs med olika våglängder fördelade i en bandbredd på 1529–60 nm för att matcha den använda kommersiella förhörsklassificeringen. detta säkerställer förebyggande av FBG skiftade våglängder störningar.
   OBS: FBG huvuden våglängd, deras förväntade våglängd skift bandbredd, och ansökan temperaturvariation måste vara inom förhörsenheten bredband ljus bandbredd för att säkerställa att avsikanssystemet kan fungera korrekt.
7. Använd en FC/APC fibersondkontakttyp, vilket är förenligt med förhörsledaren.
   OBS: FC/APC är i allmänhet det självklara valet för FBG-avsensing på grund av låga avkastningsförluster.
8. Ge design och specifikationer av sensorn till en kommersiell FBG tillverkare - Figur 3B visar en slutlig skiss av FBG array design som används i detta arbete.

2. Förhörssystem och sensorkonfiguration

1. Kontrollera och konfigurera den konstruerade och tillverkade FBG-matrissensorn så att den fungerar med det kommersiella förhörssystemet.
2. Ta bort skyddslocket från FC/APC-kontaktens glödregel.
3. Rengör kontaktens ändyta genom att försiktigt torka av den med en optisk kontaktrenare.
   OBS: Det rekommenderas starkt att utföra detta steg varje gång sensorn är ansluten till förhörsledaren. En Cletop-s kommersiella serien optisk renare användes i detta arbete.
4. Koppla in den rengjorda FBG-avsökningskontakten till förhörsledarens kanalkontakt.
   OBS: Se till att inledningsvägen är korrekt justerad vid parning av kontakterna.
5. Sätt på förhörsledaren.
   Förhörsledaren är ansluten till datorn via en RJ45-kontakt och internetkabel.
6. Kör konfigurationsprogrammet.
   Obs: Förhörsledaren programvara är en egen LabVIEW-baserad programvara paket som tillhandahålls av förhörsledare tillverkaren utformad för att möjliggöra interrogator hårdvara enhet drift.
7. På instrumentpanelsfliken observerade de reflekterade våglängdsspektrumen från FBG-matrissonden (för FBG-matrisdesignen som används i detta arbete bör fyra toppar observeras i det relaterade kanalspektrumet).
   OBS: Den reflekterade ljusintensiteten beror på FBG-egenskaper (över 50 % accepteras).
8. Ställ in provtagningsfrekvensen på 10 Hz. Detta bestämmer direkt antalet temperaturavläsningar som tillhandahålls under en given 1 s-period.
   OBS: Det använda förhörssystemet kan fungera vid provtagningsfrekvenser upp till 2,5 kHz. För termisk dynamik i strömbärande spolar som övervakas i detta arbete anses dock 10 Hz vara en tillräcklig förvärvstakt.
9. I mätinställningen namnger FBG-huvudena som FBG1, FBG2, FBG3 och FBG4. Välj våglängd som typ av kvantitet som ska presenteras grafiskt i detta skede. FBG-matrisen är konfigurerad och klar för kalibreringssteget.

3. Beredning av förpackningar

1. Lämpligt paketera de områden där FBG-huvuden är märkta (dvs. riven) i matrisfibern för att säkerställa avkänning av huvudets isolering från mekanisk magnetisering och ger därmed uteslutande termisk excitationresponsiv sensor. Dessutom är fiberstrukturen bräcklig och det är inte önskvärt att direkt inbäddade den i spolen ledare: det kräver tillräckligt mekaniskt skydd för att behålla integriteten. I detta arbete är avsensingområdet som innehåller de fyra FBG-huvudensom är inbäddade i spolestrukturen förpackad med polyetheretherketon (PEEK) och resten av fibern skyddas av Teflon – detta illustreras i figur 3C.
2. Designa förpackningen i form av ett smalt runt kapillärrör så att avsensingfibern kan dras igenom och därmed skyddas av kapillären.
   ANMÄRKNING: Kapillärdimensionerna och de termiska egenskaperna är särskilt viktiga när det gäller förpackning av det område som innehåller FBG-avsensinghuvuden. Det är i allmänhet önskvärt att säkerställa en relativt smal väggtjocklek och använda material som inte är elektriskt ledande men ger en rimlig grad av värmeledningsförmåga. Den yttre diametern på PEEK kapillär som används i detta arbete var 0,8 mm och dess väggtjocklek är 0,1 mm.
3. Förbered PEEK kapillär genom att skära tillräcklig längd kommersiella PEEK slangar (längden på målet spole struktur med några extra centimeter för att möjliggöra fiber insättning och Teflon till PEEK kapillär gemensamma beredning).
   OBS: In situ-instrumenteringen av FBG-matrisen kräver installation av förpackningen först som sedan sätts in med avsensingfibern. Försiktighet måste iakttas för att säkerställa släta och rengjorda kapillärändöppningar.
4. Ta noggranna mätningar av FBG-matrisen och PEEK-kapillären för att exakt identifiera avsensingplatser på peek-kapillärens yttre yta. Detta möjliggör placering av FBG-avsensinghuvuden på målplatser inom motoretttestspolen.
5. Förbered Teflonkapillären genom att skära en tillräcklig längd av kommersiella Teflon-slangar för att säkerställa att fiberdelen utanför testspolegeometrin skyddas och begränsas.
   OBS: Det externa förpackningsmaterialet i den icke-avkänningsmatrissektionen måste ha tillräcklig styvhet för att ge tillräckligt mekaniskt skydd men också vara flexibelt för att möjliggöra en praktisk anslutning till förhörsledaren. det är också önskvärt att detta material är EMI immun i denna ansökan. Teflon befinns ge tillfredsställande prestanda i denna studie men alternativa material kan tillämpas.
6. Förbered lämplig krymprörlängd för att göra fogen mellan PEEK och Teflonkapillärerna.

4. Fri termisk kalibrering

1. Kalibrera den förpackade FBG-matrissensorn genom att sätta in den i värmekammaren för att extrahera dess diskreta temperatur kontra våglängdspunkter.
   OBS: Helst avsensing området är formad för att matcha målspolen struktur för att ge kalibrering under belastningsnivåer som liknar dem när förpackningen är inbäddad i testspolen.
2. Anslut den rivna optiska fibern till förhörsledaren och starta den förkonfigurerade interrogatorprogramrutinen.
3. Ställ in den termiska kammarugnen så att den fungerar i en sekvens av termiska steady state-punkter – dessa är i en rad omgivande till 170 °C och i steg var 10 grader i detta arbete. Skapa en tabell från de uppmätta reflekterade våglängderna för varje enskild FBG i matrisen för varje konstant temperatur som emuleras i kammaren.
   OBS: Tillräckligt med tid måste tillåtas under kalibreringsprovningar för termisk jämvikt som skall uppnås vid varje undersökt steady state termisk punkt.
4. Använd den inspelade skiftade våglängden jämfört med temperaturmätningar i steg 10 °C för att bestämma de optimala temperaturvåglängdsförskjutningskurvorna och deras koefficienter för varje FBG. Figur 4 och tabell 1 visar de inspelade kalibreringsdatamätningarna respektive den beräknade passformskurvan.
   OBS: Förhållandet mellan våglängdsförskjutningen och temperaturvariationen hos FBG-huvudena i matrisen analyseras av polynomial kvadratisk regression i detta arbete eftersom detta befanns leverera optimal karakterisering. Från denna analys beräknas de polynomiala kvadratiska regressionsfitkurkoefficienterna¹¹.
5. Mata in de beräknade koefficienterna i relevant inställning av interrogatorprogramvaran för att möjliggöra on-line temperaturmätningar från FBG-matrisen.

5. Testcoil build och FBG instrumentering

1. Först bygga och instrument agasetten slumpmässig sårspole.
   1. Designa en slingrande spol för att passa på rullerenheten.
      OBS: Spolens geometri är utformad för att matcha spolens önskade svänggeometri och se till att de önskade sårspoledimensionerna. Spolen är utformad för att enkelt demonteras så att den enkelt kan avlägsna sårspolen utan att skada dess isolering.
   2. Placera den valda emalda koppartrådsrullen i rulleranordningen och dra koppartråden genom rullrullarna och spänningsregulatorn.
      OBS: Klass F emaljrad koppartråd används i detta arbete.
   3. Ställ in rullerenhetens svängnummerräknare till noll.
   4. Ställ in rullmaskinen så att den fungerar med låg hastighet och kontrollera önskad trådspänning.
   5. Vind hälften av spolen vänder.
   6. Montera den förberedda PEEK kapillären i mitten av spolen med Kapton tejp.
      OBS: Försiktighet måste iakttas för att säkerställa att indexen på PEEK-kapillären är placerade på målplatserna.
   7. Linda resten av spolen varv.
   8. Ta bort spolen från rullmaskinen och ta isär för att frigöra sårspolen inbäddad med en PEEK kapillär.
   9. Placera spolen i motorettramen.
      OBS: Motorette coil isoleringssystem (spårisolering och fackkilar) måste installeras på lämpligt sätt med spolen.
   10. Förbered spoleterminaler och anslut dem till motorettterminaler.
   11. Lacka motoretten med lindningslack och placera i en ugn vid lämplig temperatur (150 °C) för att härda.
2. FBG array instrumentering:
   1. Anslut först FBG-matrisen till förhörsledaren. starta interrogator programvara för att övervaka FBG reflekterad våglängd medan du installerar.
   2. Dra fibern genom det förberedda krympröret.
   3. Sätt försiktigt in fibern (avsensningsområdet) i PEEK-kapillären tills slutöppningarna av Teflon och PEEK-kapillärer är i kontakt.
   4. Flytta krympröret för att täcka kapillärerna slutar och värm den på lämpligt sätt tills önskad passform uppnås.

6. In situ kalibrering och utvärdering

1. Validera den erhållna termiska kalibreringen i steg 4 efter inbäddning och korrigera vid behov. Testet gör det också möjligt att utvärdera FBG-matrisens prestanda i kontrollerat statiskt termiskt tillstånd.
2. Placera motoretten inbäddad med FBG-värmematrisen i värmeugnen.
   OBS: Konventionell termisk sensor kan användas för prestandajämförelseändamål. Här används termoelement installerade på motorettspoleytan.
3. Upprepa steg 4.3 och 4.4.
4. Upprepa steg 4.5 inklusive den temperatur som mäts av FBG-huvuden baserat på kalibrerad passform i steg 4.
5. Utvärdera och jämför FBG-matristemperaturmätningarna med referenstemperaturen. Om mätfelet är högt kan den registrerade mätningen i steg 6.4 användas för att uppdatera kalibreringen.
6. Ta ut motoretten ur värmeugnen; den är klar för testning.

7. Testning

1. Utför ett statiskt termiskt tillståndstest.
   1. Anslut motoretten till likströmsnätet.
   2. Anslut FBG-matrisen till förhörsledaren. övervaka och registrera sina FBG-temperaturmätningar.
   3. Styr likströmsaggregatet för att injicera motoretten med en likström.
      OBS: Den valda dc-strömnivån måste säkerställa att T-ökningen av interna termiska regulatorer i spole är mindre än den tillåtna isoleringstemperaturen. Detta möjliggör icke-förstörande testning på prototypspolen.
   4. Sluta registrera mätningar när motorettspolens termiska jämvikt uppnås.
2. Utför ett icke-enhetligt termiskt tillståndstest.
   1. Linda den yttre spolen som innehåller 20 varv runt en vald testspolesektion.
   2. Anslut den externa spolen till en separat likströmsströmförsörjning.
   3. Ladda motoretten med dc-strömmen applicerad i 7.1.3.
   4. Börja registrera termiska mätningar när den termiska jämvikten har uppnåtts.
   5. Ladda ner den yttre spolen med en LIKSTRÖM för att ge icke-enhetliga termiska förhållanden genom att leverera lokaliserad termisk excitation på testspolen.
   6. Sluta registrera mätningar när termisk jämvikt har uppnåtts.

Representative Results

Figur 5 visar de temperaturer som mäts av matrissensorn i det statiska termiska testet. De fyra interna temperaturavläsningarna, tagna av respektive matris FBG-huvuden på motsvarande spoleplatser, observeras vara nära likartade som i allmänhet förväntas för de undersökta provningsförhållandena. det finns en liten variation mellan den rapporterade individuella mätningen av mindre än ≈1,5 °C mellan de observerade genomsnittliga hotspot-temperaturerna på ≈75,5 °C.

Figur 6 rapporterar de matrissensormätningar som erhålls vid det icke-enhetliga värmetillståndstestet. Dessa visas först för den period där det inte finns någon excitation i den yttre spolen (första ≈75s) som anger nära enhetliga uppmätta termiska nivåer, som skulle förväntas. Den yttre spolen är sedan upphetsad resulterar i ytterligare lokaliserad termisk excitation: detta resulterar i en tydlig förändring i de observerade mätningarna, med avstämningspunkten i närmaste närhet till den yttre spolen (dvs. FBG4) som mäter den högsta termiska nivån (≈128,6 °C) och som längst bort den lägsta (≈117,6 °C); FBG temperatursensorer som finns mellan dessa rapporterar mellanliggande och nära liknande temperaturnivåer (≈122,7 och ≈121,6 °C). De observerade avläsningarna avser tydligt individuell avsensinghuvudfördelning i den undersökta testspolegeometrin. Dessutom visar resultaten tydligt den funktionella förmågan hos den inbyggda matrissensorn för spolen för övervakning och identifiering av intern distribuerad termisk hotspot-fördelning i slumpmässiga sårspolar.

Bild 1. FBG-arraysensorfunktionskonceptet. Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation⁴. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. IEEE standard motorettspole montering. A)Elektrisk sårsspole. se IEEE-standarder⁹. (B)Monterad och lackerad IEEE-standardmotorett. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. FBG termisk sensor array design. (A)FBG array fiber längd, (B) FBG huvud platser i matrisstrukturen,(C) FBG array förpackning design. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Bild 4. Den förpackade matrissensorn FBG-huvudenkalibreringsegenskaper. Egenskaperna härleds från de data som erhålls i matrisfria termiska kalibreringstester. Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation⁴. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Bild 5. FBG array termiska mätningar som erhållits i stabilt tillstånd termiska tillstånd test. De individuella huvudtermiska mätningar som rapporteras av FBG-matrissensorn visas med en inställd detaljmätningsvy för steady state. Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation⁴. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Bild 6. Termiska mätningar i det icke-enhetliga värmetillståndstestet. Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation⁴. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

	Avlyssna		B1 (B1)		B2		Statistik
	Värde	Standardfel	Värde	Standardfel	Värde	Standardfel	Adj. R-Square
FBG1 (på 80)	1555.771	0.0137	0.00855	2.85E-04	1.50E-05	1.34E-06	0.99978
FBG2 (på 800)	1547.669	0.0112	0.00851	2.34E-04	1.41E-05	1.10E-06	0.99985
FBG3 (på 800)	1539.852	0.0101	0.00871	2.11E-04	1.30E-05	9.90E-07	0.99988
FBG4 (på 80)	1531.768	0.0131	0.00808	2.72E-04	1.67E-05	1.28E-06	0.9998

Tabell 1: Beräknade polynomial aqudratic fit curve parametrar. De beräknade parametrarna standardfel och individuella huvudkorrigeringskoefficienter ingår. god linjäritet och en koefficient för coorectionfaktor som översteg 0,999 observerades för de fyra testade FBG-huvudena. Den här tabellen har ändrats från en tidigare publikation⁴.

Discussion

Papperet har visat det förfarande som krävs för att konstruera, kalibrera och testa in situ FBG termiska sensorer i lågspänningssspolar. Dessa sensorer erbjuder ett antal fördelar för in situ sensing applikationer inom nuvarande bärsårspole strukturer: de är helt EMI immuna, är flexibla och kan överensstämma med en godtycklig önskad geometri för att leverera godtyckliga önskade avkänningspunkt platser med hög noggrannhet, och kan ge ett stort antal avsensing punkter på en enda sensor. Medan termisk avsensing inom sårspolar kan uppnås med konventionella termiska övervakningstekniker som använder termoelement eller motstånd temperaturdetektorer, är tillämpningen av FBGs visat sig ge ett antal attraktiva funktionella fördelar.

Lämplig förpackning av FBG-matrissensorn är nyckeln till dess effektiva användning. Det är viktigt att enskilda avkänningshuvuden eller fiberns hela avkänningsområde förpackas på lämpligt sätt för att säkerställa isolering av FBG-huvuden från mekanisk excitation i en styv men flexibel termiskt ledande kapillär. Det är önskvärt att kapillären utformas av icke-elektriskt ledande material eftersom detta säkerställer optimal prestanda i EMI rika miljö kännetecknande för nuvarande bärspolar.

Försiktighet måste iakttas under förpackningskapillärinstallation i spolen för att korrekt placera paketsegmenten på motsvarande avsensingsplatser. Det är också viktigt att optimera kapillärgeometrin om mycket dynamiska termiska förhållanden ska observeras.

Det är viktigt att säkerställa korrekt karakterisering av spolen inbäddade sensorn. Detta görs bäst genom att utföra gratis förpackad sensorkalibrering innan den installeras inom sårspole geometrin. Medan en hög grad av skydd mot mekanisk excitation tillhandahålls av in situ-förpackningen, kan installationsprocessen resultera i våglängdsförskjutning på grund av stamkänslighet. Om det utförs noggrant kan detta vara försumbart; Det är dock god praxis att detta där så är möjligt fastställas i in situ-kalibreringsprovningar.

Denna tillämpning av FBGs inom sårspolar är relativt ny och öppnar ett antal möjligheter till förbättrad design, utnyttjande, övervakning och hälsodiagnos av elektriska maskiner. Ytterligare arbete krävs för att minska kostnaderna för dessa och göra dem till ett trovärdigt genomförbart alternativ för storskalig tillämpning i elektriska 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