Ontwerp-, instrumentatie- en gebruiksprotocollen voor gedistribueerde in situ thermische hotspots monitoring in elektrische spoelen met behulp van FBG Sensor Multiplexing

Summary

Dit document presenteert een protocol dat instrumentatie van willekeurige wond elektrische spoelen met vezel Bragg rooster (FBG) thermische sensoren met het oog op gedistribueerde conditie monitoring van interne thermische hot spots mogelijk maakt.

Abstract

Willekeurige wondspoelen zijn een belangrijk operationeel element van de meeste elektrische apparaten in moderne industriële systemen, waaronder laagspanningselektrische machines. Een van de belangrijkste huidige knelpunten bij een betere exploitatie van elektrische apparaten is de hoge gevoeligheid van hun wondcomponenten voor thermische belasting in het gebruik. De toepassing van conventionele thermische detectiemethoden (bijvoorbeeld thermoparen, weerstandstemperatuurdetectoren) voor thermische toestandsbewaking van stroom die willekeurige wondspoelen vervoert, kan aanzienlijke operationele beperkingen opleggen als gevolg van sensorgrootte, EMI gevoeligheid en het bestaan van elektrisch geleidend materiaal in hun constructie. Een andere aanzienlijke beperking bestaat in gedistribueerde detectie toepassingen en wordt veroorzaakt door wat vaak een aanzienlijke lengte en volume van conventionele sensor bedrading leidt.

Dit document rapporteert het ontwerp van een fiber optic FBG sensing systeem bedoeld voor het mogelijk maken van real-time gedistribueerde interne thermische conditie monitoring binnen willekeurige wondspoelen. De procedure van willekeurige wondspoel instrumentatie met het FBG sensing systeem wordt gemeld in een case study op een IEEE standaard wondspoel representatief voor die gebruikt in elektrische machines. Het gerapporteerde werk presenteert en bespreekt ook belangrijke praktische en technische aspecten van fbg sensing systeem implementatie en toepassing, met inbegrip van de FBG array geometrie ontwerp, sensing hoofd en vezel verpakking, de sensor array installatie en kalibratieprocedure en het gebruik van een commercieel ondervragingssysteem voor het verkrijgen van thermische metingen. Ten slotte wordt de thermische bewakingsprestaties van het in situ multiplexed FBG-detectiesysteem aangetoond in representatieve statische en dynamische thermische omstandigheden.

Introduction

Willekeurige wondspoelen zijn een belangrijk ontwerpelement van de meeste elektrische apparaten in moderne industriële systemen en worden vaak gebruikt in laagspanningselektrische machines. Een belangrijke barrière voor een beter gebruik van wondspoelen in deze toepassingen is hun gevoeligheid voor in-service elektrothermische stress. Thermische overbelasting is in dit verband bijzonder relevant, aangezien deze kunnen leiden tot isolatievanspoelisolatie systeem afbraak en uiteindelijk de totale storing¹; dit kan ontstaan als gevolg van overmatige spoelstroom niveaus, of andere oorzaken, zoals een spoel elektrische fout of een koelsysteem storing, waar gelokaliseerde hot spots worden geïnduceerd in de spoel structuur leidt tot isolatie afbraak. Het mogelijk maken van operationele in situ gedistribueerde thermische monitoring van de interne structuur van een in-service spoel maakt de ontwikkeling van verbeterde gebruiks- en conditiegebaseerde onderhoudsroutines mogelijk; het zou een geavanceerd begrip en identificatie mogelijk maken van de bedrijfsstatus van de spoelen en elk afbraakproces, en dus op voorwaarde gebaseerde corrigerende maatregelen om de bedrijfsstatus te handhaven en verdere schade te voorkomen of te vertragen^2,3.

De gepresenteerde methode is gericht op het mogelijk maken in situ monitoring van elektrische spoel structuur ingebedde thermische omstandigheden door gebruik van flexibele en elektromagnetische interferentie immuun (EMI) vezel Bragg geraspte optische thermische sensoren. De methode biedt een aantal functionele voordelen ten opzichte van bestaande thermische bewakingstechnieken die in elektrische spoelen worden gebruikt: deze zijn bijna altijd afhankelijk van het gebruik van thermokoppel (TCs) of weerstandstemperatuurdetectoren (RTD's) die niet EMI-immuun zijn; ze zijn gemaakt van geleidend materiaal; en ze zijn over het algemeen redelijk omvangrijk dus niet bij uitstek geschikt voor het detecteren van toepassingen binnen de structuur van wond elektrische spoelen. Het gebruik van robuuste en flexibele glasvezel FBG thermische sensoren biedt een aantal aanzienlijke verbeteringen in dit opzicht, niet alleen te wijten aan sensor EMI immuniteit, maar ook de kleine omvang, multiplexing vermogen en de flexibiliteit, die hen in staat stelt om te worden ingebed in en voldoen aan een willekeurige wondspoel architectuur om thermische sensing te bereiken met uiterste nauwkeurigheid in de gewenste structurele locaties⁴. Deze functies zijn vooral aantrekkelijk in elektrische machine (EM) toepassingen waar thermische grenswaarden voor apparaten worden gedefinieerd door thermische omstandigheden in elektrische spoel en zijn bijzonder relevant in het licht van de verwachte aanzienlijke groei van het EM-gebruik met proliferatie van elektrisch vervoer.

Dit document presenteert de methodologie van het instrumenteren van een typische laagspanning willekeurige wondspoel structuur met thermische FBG sensoren om on-line monitoring van interne hotspots mogelijk te maken. Een gedetailleerd protocol van de FBG sensor keuze, ontwerp, verpakking, instrumentatie, kalibratie en gebruik wordt gerapporteerd. Dit wordt gepresenteerd op een IEEE standaard random wound coil motorette systeem. Het papier rapporteert ook de verkregen thermische metingen ter plaatse onder statische en niet-uniforme thermische bedrijfstoestand van de onderzochte testspoel.

FBG's worden gevormd door het proces van 'raspen' van de optische vezel kern om periodieke longitudinale afdrukken te creëren (meestal aangeduid als sensing koppen in FBG sensing toepassingen); wanneer de vezel die FBGs bevat aan ultraviolet licht wordt blootgesteld, zal elke bestaande FBG-kop ervoor zorgen dat de brekingsindex periodiek wordt gemoduleerd⁵. De sensor hoofd gereflecteerdgolflengten zal worden beïnvloed door de thermische en mechanische omstandigheden die de vezel wordt blootgesteld aan, en dus in staat stellen de geraspte vezel worden toegepast als een thermische of mechanische sensor uitgaande van voldoende ontwerp en toepassing.

De FBG-technologie is vooral aantrekkelijk voor gedistribueerde detectietoepassingen: het maakt het mogelijk om één optische vezel te geraspt om meerdere FBG-detectiekoppen te bevatten, waarbij elke kop is gecodeerd met een duidelijke Bragg-golflengte en fungeert als een duidelijk detectiepunt. Dit type FBG-gebaseerde detectieapparaat staat bekend als een FBG-arraysensor⁶ en het bedieningsconcept wordt geïllustreerd in figuur 1. Breedband licht wordt gebruikt om de array wat resulteert in verschillende gereflecteerde golflengten van elk bevatte FBG hoofd te prikkelen; hier weerspiegelt elk hoofd een gedefinieerde golflengte (d.w.z. Bragg golflengte) die overeenkomt met het roosterontwerp en ook afhankelijk is van de heersende thermische en mechanische omstandigheden aan het hoofd (d.w.z. sensing) locatie. Een ondervrager apparaat is nodig om array vezel opwinding met licht en de inspectie van de gereflecteerde spectra voor verschillende Bragg golflengten met informatie over gelokaliseerde thermische en / of mechanische omstandigheden mogelijk te maken.

Een bijzonder belangrijk aspect van de implementatie van fbg-thermische sensor is de beperking van thermomechanische kruisgevoeligheidseffecten om zo dicht mogelijk bij uitsluitend thermische metingen te komen⁷. De FBG inherente functie van thermo-mechanische kruisgevoeligheid vereist zorgvuldig ontwerp van FBG sensoren gericht op thermische alleen of mechanische alleen sensing toepassingen. Wanneer het gaat om thermische detectie is een doeltreffende methode voor het beperken van de mechanische excitatiegevoeligheid van FBG, is het isoleren van de sensorkop met een verpakkingscapillaire die is gemaakt van materiaal dat geschikt is voor een bepaalde toepassing; in de spoel ingebedde thermische sensing applicatie onderzocht in dit werk dit niet alleen vermindert cross-gevoeligheid problemen, maar dient ook ter bescherming van de fragiele sensing vezelstructuur tegen onderkant en potentieel destructieve mechanische stress⁸.

Figuur 2A toont het willekeurige monster van de elektrische spoeltest die in dit document als demonstratievoertuig wordt gebruikt. De spoel is ontworpen volgens IEEE-normen⁹ voor thermische evaluatieprocedures van het isolatiesysteem van willekeurige wondspoelen; het resulterende testsysteem in figuur 2B staat bekend als een motorettesysteem en is representatief voor een wikkeling sein- en isolatiesysteem in een laagspanningselektrische machine. In de gepresenteerde case study zal de motorette worden uitgerust met een FBG array thermische sensor bestaande uit vier thermische detectiepunten, om typische thermische detectie hot spots van belang in praktische machine toepassingen die de neiging hebben te worden gelokaliseerd in coil end winding en sleuf secties emuleren. Voor kalibratie en prestatie-evaluatie zal de FBG embedded motorette thermisch opgewonden zijn met behulp van een commerciële thermische kamer en een DC-voeding.

Protocol

1. Glasvezel thermische sensor ontwerp

1. Identificeer eerst het sensorontwerp en de specificaties op basis van de doelspoelstructuur en de functies van het ondervragingssysteem. De testspoel die in dit werk wordt gebruikt, heeft een ovale geometrie die typisch is voor elektrische machinespoelen (zoals geïllustreerd in figuur 1A. Voordat individuele detectielocaties worden bepaald, neem ontwerpbeslissingen om ervoor te zorgen dat de optische detectievezel operationeel blijft in de mechanische en thermische omgeving die kenmerkend is voor ingebedde wondspoeltoepassing.
2. Gebruik een standaard buig-ongevoelige polyimide-gecoate single mode vezel waarvan algemeen bekend is dat het kan werken bij temperaturen tot ongeveer 300 °C; deze vezel is dus geschikt voor toepassing in wondspoelen die worden gebruikt in conventionele elektrische machines.
   OPMERKING: De gekozen glasvezel zorgt voor sensorfunctionaliteit in de thermische omgeving van een typische willekeurige wondspoel die werkt in elektrische machines zoals die in dit werk worden gebruikt (klasse F en H met een nominale temperatuur van respectievelijk 155 en 180 °C^10. Bend-ongevoelige vezels heeft de voorkeur voor deze toepassing, omdat het is ontworpen om een kleine buigradius mogelijk te maken en een lager buigverlies te hebben. Hierdoor kan de sensor effectief worden aangepast aan de gewenste spoelstructuur en detectielocatie(en) met minimale nadelige gevolgen voor de detectiefunctionaliteit.
3. Stel de vezellengte in op 1,5 m.
   OPMERKING: Vezellengte wordt ingesteld op basis van de geometrie van de doelwondspoel die moet worden beinstrumenten en de gewenste afstand tot de ondervragingseenheid. De testspoel omtreklengte (zie figuur 1A) is 0,3 meter en de gekozen vezellengte om ondervrager van spoel is 1,2 meter met een totale lengte van 1,5 m – dit maakt het mogelijk om voldoende vezellengte te lussen binnen de testspoel om ervoor te zorgen dat de gewenste detectielocaties op de juiste wijze zijn vastgesteld en er is een geschikte afstand tussen de testspoel en de ondervrager: Figuur 3A illustreert de algemene lengteontwerpbenadering.
   LET OP: FBGSs kan worden gevestigd op enkele kilometers van de ondervraging eenheid. Dit komt omdat een glasvezel is een efficiënte enkele vervoerder.
4. Ontwerp de FBG-array om uit vier FBG-koppen (5 mm) te bestaan om gedistribueerde detectie binnen de spoelstructuur mogelijk te maken, zodat twee detectielocaties in de spoelzijkanten worden geplaatst en twee in de spoeluiteinden zitten.
   OPMERKING: Thermische detectielocaties worden geïdentificeerd op basis van relevante thermische bewakingsnormen voor elektrische machines (d.w.z. 2 FBGS voor sleufsecties en 2 voor eindwikkelsecties)¹⁰. De commerciële ondervrager ontwerp gebruikt in dit werk kan gelijktijdige ondervraging van maximaal 16 FBG sensing punten naar beneden een enkele optische vezel.
5. Gebruik een FBG-detectiekoplengte van 5 mm; dit wordt voldoende geacht om gelokaliseerde hot spot monitoring mogelijk te maken in de huidige uitvoering van willekeurige wondspoelen.
   OPMERKING: Alternatieve commerciële waarden van FBG-koplengte (3 mm, 5 mm of 10 mm) kunnen ook worden gebruikt voor het geval de detectiepunttoepassing een andere detectiepuntdimensie vereist.
6. Geef afzonderlijke FBG-koppen op die moeten worden geraspt met verschillende golflengten verdeeld over een bandbreedte van 1529-60 nm om de gebruikte commerciële ondervragerrating te evenaren; dit zorgt voor het voorkomen van FBG verschoven golflengten interferentie.
   OPMERKING: De FBG hoofden golflengte, hun verwachte golflengte verschuiving bandbreedte, en de toepassing temperatuur variatie moeten worden binnen de ondervraging eenheid breedband lichtbandbreedte om ervoor te zorgen dat het sensing systeem goed kan werken.
7. Gebruik een FC/ APC fiber probe connector type, die overeenkomt met de ondervrager eenheid.
   OPMERKING: FC/APC is over het algemeen de voorkeur voor FBG sensing als gevolg van lage return verliezen.
8. Geef het ontwerp en de specificaties van de sensor aan een commerciële FBG fabrikant - Figuur 3B toont een laatste schets van de FBG array ontwerp gebruikt in dit werk.

2. Ondervragingssysteem en sensorconfiguratie

1. Controleer en configureer de ontworpen en vervaardigde FBG-arraysensor om te werken met het commerciële ondervragingssysteem.
2. Verwijder de beschermkap van de FC/APC connector ferrule.
3. Maak de connector end-face schoon door deze voorzichtig af te vegen met een optische connectorreiniger.
   OPMERKING: Het is ten zeerste aan te raden om deze stap uit te voeren elke keer dat de sensor is aangesloten op de ondervrager. Een Cletop-s commerciële serie optische reiniger werd gebruikt in dit werk.
4. Sluit de gereinigde FBG-sondeconnector aan op de ondervragerkanaalconnector.
   OPMERKING: Zorg ervoor dat de sleutelweg correct is uitgelijnd bij het koppelen van de connectoren.
5. Zet de ondervrager aan.
   LET OP: De ondervrager is aangesloten op de pc via een RJ45-connector en internetkabel.
6. Voer de configuratiesoftware uit.
   OPMERKING: De ondervrager software is een eigen LabVIEW gebaseerde software pakket geleverd door de ondervrager fabrikant ontworpen om de ondervrager hardware-eenheid werking mogelijk te maken.
7. Op het instrument set-up tab observeren de gereflecteerde golflengte spectrums van de FBG array sonde (voor de FBG array ontwerp gebruikt in dit werk vier pieken moeten worden waargenomen in het bijbehorende kanaalspectrum).
   OPMERKING: De gereflecteerde lichtintensiteit is afhankelijk van FBG-kenmerken (boven 50% wordt geaccepteerd).
8. Stel de bemonsteringsfrequentie in op 10 Hz. Dit bepaalt direct het aantal temperatuurmetingen in een bepaalde periode van 1 s.
   OPMERKING: Het gebruikte ondervragingssysteem kan werken op bemonsteringsfrequenties tot 2,5 kHz; voor de thermische dynamiek van de huidige draagspoelen die in dit werk worden gecontroleerd, wordt 10 Hz echter als een voldoende aanschafsnelheid beschouwd.
9. Noem in de meetinstelling de FBG-koppen als FBG1, FBG2, FBG3 en FBG4. Kies golflengte als type hoeveelheid dat in dit stadium grafisch moet worden gepresenteerd. De FBG-array is geconfigureerd en klaar voor de kalibratiestap.

3. Verpakkingsvoorbereiding

1. De gebieden waar FBG-koppen zijn bedrukt (d.w.z., geraspt) in de arrayvezel op de juiste wijze verpakken om te zorgen voor detectie van hoofdisolatie van mechanische opwinding en dus uitsluitend thermische excitatieresponsieve sensor op te leveren. Bovendien is de vezelstructuur kwetsbaar en is het niet wenselijk om deze direct in de rolgeleiders te verankeren: het vereist voldoende mechanische bescherming om de integriteit te behouden. In dit werk wordt het detectiegebied met de vier FBG-koppen die in de spoelstructuur zijn ingebed, verpakt met polyetheretherketon (PEEK) en wordt de rest van de vezel beschermd door Teflon – dit wordt geïllustreerd in figuur 3C.
2. Ontwerp de verpakking in de vorm van een smalle ronde capillaire buis, zodat de sensing vezel kan worden gerouteerd door en dus beschermd door de capillaire.
   OPMERKING: De capillaire afmetingen en thermische eigenschappen zijn bijzonder belangrijk voor de verpakking van het gebied dat FBG-detectiekoppen bevat. Het is over het algemeen wenselijk om te zorgen voor een relatief smalle wanddikte en materiaal te gebruiken dat niet elektrisch geleidend is, maar een redelijke mate van thermische geleidbaarheid biedt. De buitendiameter van de PEEK capillaire die in dit werk werd gebruikt, was 0,8 mm en de wanddikte 0,1 mm.
3. Bereid de PEEK-capillaire voor door de voldoende lengte van de commerciële PEEK-buizen (lengte van de doelspoelstructuur met een paar extra centimeters te snijden om vezelinvoeging en Teflon naar PEEK capillaire gezamenlijke voorbereiding) te snijden.
   OPMERKING: De in situ instrumentatie van de FBG array vereist eerst de installatie van de verpakking die vervolgens met de sensorvezel wordt ingevoegd. Er moet voor worden gezorgd dat er gladde en gereinigde capillaire eindopeningen zijn.
4. Neem zorgvuldige metingen van de FBG-array en de PEEK-capillaire om nauwkeurig detectielocaties aan het buitenoppervlak van de PEEK-capillaire aard te identificeren. Dit maakt het mogelijk fbg-detectiekoppen te positioneren op doellocaties binnen de motorettetestspoel.
5. Bereid de Teflon capillaire door het snijden van een voldoende lengte van commerciële Teflon buizen om ervoor te zorgen dat de vezel sectie buiten de test spoel geometrie is beschermd en opgenomen.
   OPMERKING: Het externe verpakkingsmateriaal van de niet-detectiearraysectie moet voldoende stijfheid hebben om voldoende mechanische bescherming te bieden, maar moet ook flexibel zijn om een praktische verbinding met de ondervrager mogelijk te maken; het is ook wenselijk dat dit materiaal EMI-immuun is in deze toepassing. Teflon blijkt in deze studie bevredigende prestaties te leveren, maar alternatieve materialen kunnen worden toegepast.
6. Bereid de juiste krimpbuislengte voor om het gewricht tussen de PEEK en de Teflon-haarvaten te maken.

4. Gratis thermische kalibratie

1. Kalibreer de verpakte FBG-arraysensor door deze in de thermische kamer te plaatsen om de discrete temperatuur versus golflengtepunten te extraheren.
   OPMERKING: Bij voorkeur is het detectiegebied gevormd om die van de doelspoelstructuur te evenaren om kalibratie te bieden onder spanningsniveaus die vergelijkbaar zijn met die wanneer de verpakking in de testspoel is ingebed.
2. Sluit de geraspte glasvezel aan op de ondervrager en start de vooraf geconfigureerde ondervrager software routine.
3. Stel de thermische kameroven in om te werken in een opeenvolging van thermische steady state punten – deze zijn in een bereik van ambient tot 170 °C en in stappen van elke 10 graden in dit werk. Maak een tabel van de gemeten gereflecteerde golflengten van elke afzonderlijke FBG in de array voor elke constante temperatuur die in de kamer wordt geëmuleerd.
   OPMERKING: Tijdens kalibratietests moet voldoende tijd worden toegestaan om bij elk onderzochte thermische toestandsthermisch punt te bereiken.
4. Gebruik de geregistreerde verschoven golflengte versus temperatuurmetingen in stappen van 10 °C om de optimale temperatuur-golflengte verschuiving skrommen en hun coëfficiënten voor elke FBG te bepalen. Figuur 4 en tabel 1 tonen respectievelijk de geregistreerde kalibratiegegevensmetingen en de berekende fitcurve.
   OPMERKING: De relatie tussen de golflengteverschuiving en de temperatuurvariatie van de FBG-koppen in de array wordt geanalyseerd door polynomiale kwadratische regressie in dit werk, omdat dit bleek een optimale karakterisering te leveren. Uit deze analyse worden de polynomitale kwadratische regressiefit curvecoëfficiënten berekend¹¹.
5. Voer de berekende coëfficiënten in bij de relevante instelling van de ondervragersoftware om on-line temperatuurmetingen van de FBG-array mogelijk te maken.

5. Test coil build en FBG instrumentatie

1. Eerst bouwen en instrument de motorette willekeurige wondspoel.
   1. Ontwerp een kronkelende spoel om op het winderapparaat te passen.
      OPMERKING: De spoelgeometrie is ontworpen om de gewenste draaigeometrie van de spoel aan te passen en ervoor te zorgen dat de gewenste wondspoelafmetingen. De spoel is ontworpen om gemakkelijk te worden gedemonteerd, zodat eenvoudige verwijdering van de wondspoel te vergemakkelijken zonder beschadiging van de isolatie.
   2. Plaats de geselecteerde geëmailleerde koperen draadhaspel in het winderapparaat en trek de koperdraad door de windrolrollen en de spancontroller.
      OPMERKING: Klasse F geëmailleerde koperdraad wordt gebruikt in dit werk.
   3. Stel de draaiteller van het winderapparaat in op nul.
   4. Stel de winder in om op lage snelheid te werken en de gewenste draadspanning te regelen.
   5. Wind de helft van de spoel draait.
   6. Plaats de voorbereide PEEK-capillaire in het midden van de spoel met Kapton tape.
      OPMERKING: Er moet voor worden gezorgd dat de indexen op de PEEK-capillaire positie op de doelplaatsen worden geplaatst.
   7. Wind de rest van de spoel draait.
   8. Verwijder de spoel uit de windmachine en demonteer om de wondspoel te bevrijden die is ingebed met een GL-capillaire.
   9. Plaats de spoel in het motoretteframe.
      OPMERKING: Het motorettespoelisolatiesysteem (sleufisolatie en sleufwiggen) moet op de juiste manier met de spoel worden geïnstalleerd.
   10. Bereid coilterminals voor en sluit ze aan op motoretteterminals.
   11. Vernis de motorette met behulp van een opwindende vernis en plaats in een oven op de juiste temperatuur (150 °C) te genezen.
2. FBG array instrumentatie:
   1. Sluit eerst de FBG-array aan op de ondervrager; start de ondervrager software om de FBG gereflecteerde golflengte te controleren tijdens het installeren.
   2. Trek de vezel door de voorbereide krimpende buis.
   3. Plaats de vezel (detectiegebied) voorzichtig in de PEEK-capillaire tot de eindopeningen van Teflon en PEEK haarvaten in contact zijn.
   4. Verplaats de krimpbuis om de haarvaten uiteinden te bedekken en op de juiste manier verwarmen totdat de gewenste pasvorm is bereikt.

6. In situ kalibratie en evaluatie

1. Valideer de verkregen thermische kalibratie in stap 4 na de inbedding en corrigeer indien nodig. De test maakt het ook mogelijk om de FBG-arrayprestaties in gecontroleerde statische thermische toestand te evalueren.
2. Plaats de motorette ingebed met de FBG thermische array in de thermische oven.
   OPMERKING: Conventionele thermische sensor kan worden gebruikt voor prestatievergelijkingsdoeleinden. Hier worden thermokoppels gebruikt die op het motorettespoeloppervlak zijn geïnstalleerd.
3. Herhaal stap 4.3 en 4.4.
4. Herhaal stap 4.5 inclusief de temperatuur gemeten door FBG-koppen op basis van gekalibreerde pasvorm in stap 4.
5. Evalueer en vergelijk de temperatuurmetingen van de FBG-array met de referentietemperatuur. Als de meetfout hoog is, kan de opgenomen meting in stap 6.4 worden gebruikt om de kalibratie bij te werken.
6. Haal de motorette uit de thermische oven; het is klaar om te testen.

7. Testen

1. Voer een statische thermische conditietest uit.
   1. Sluit de motorette aan op de DC-voeding.
   2. Sluit de FBG-array aan op de ondervrager; controleren en registreren van de FBG temperatuurmetingen.
   3. Regel de DC-voeding om de motorette te injecteren met een gelijkstroom.
      OPMERKING: Het gekozen dc-stroomniveau moet ervoor zorgen dat de T-rise in coil interne thermische hotspots lager is dan de toegestane isolatietemperatuur; dit maakt het mogelijk voor niet-destructieve testen op het prototype spoel.
   4. Stop met het registreren van metingen wanneer het thermisch evenwicht van de motorettespoel is bereikt.
2. Voer een niet-uniforme thermische conditietest uit.
   1. Wind de externe spoel met 20 bochten rond een geselecteerde testspoel sectie.
   2. Sluit de externe spoel aan op een aparte DC-voeding.
   3. Activeer de motorette met de DC stroom toegepast in 7.1.3.
   4. Begin met het registreren van thermische metingen zodra het thermisch evenwicht is bereikt.
   5. Activeer de externe spoel met een gelijkstroom om niet-uniforme thermische omstandigheden te bieden door gelokaliseerde thermische opwinding op de testspoel te leveren.
   6. Stop met het opnemen van metingen zodra het thermisch evenwicht is bereikt.

Representative Results

Figuur 5 geeft de temperaturen weer die door de arraysensor worden gemeten in de statische thermische test. De vier interne temperatuurmetingen, die door de respectieve array FBG-koppen in overeenkomstige spoellocaties worden genomen, worden geacht nauw op elkaar te lijken, zoals algemeen wordt verwacht voor de onderzochte testomstandigheden; er is een lichte variatie tussen de gerapporteerde individuele meting van minder dan 1,5 °C tussen de waargenomen gemiddelde hotspottemperaturen van ∙75,5 °C.

Figuur 6 meldt de metingen van de arraysensor die zijn verkregen in de niet-uniforme thermische conditietest. Deze worden eerst weergegeven voor de periode waarin er geen opwinding in de externe spoel (eerste ∙75s) is die wijst op nauw uniforme gemeten thermische niveaus, zoals verwacht. De externe spoel wordt vervolgens opgewonden, wat resulteert in extra gelokaliseerde thermische opwinding: dit resulteert in een duidelijke verandering in de waargenomen metingen, waarbij het detectiepunt in de nabijheid van de externe spoel (d.w.z., FBG4) het hoogste thermische niveau (∙128,6 °C) meet en dat het verst het laagst (∙117,6 °C) meet; de FBG-temperatuursensoren tussen deze rapporteren tussenliggende en nauw vergelijkbare temperatuurniveaus (∙122,7 en ∙121,6 °C). De waargenomen metingen hebben duidelijk betrekking op de individuele verdeling van de detectiekop in de onderzochte testspoelgeometrie. Bovendien tonen de resultaten duidelijk het functionele vermogen aan van de coil embedded array sensor voor het monitoren en identificeren van interne gedistribueerde thermische hotspotdistributie in willekeurige wondspoelen.

Figuur 1. Het FBG array sensor bedieningsconcept. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van een eerdere publicatie⁴. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2. IEEE standaard motorette spoel montage. (A) willekeurige wond elektrische spoel; zie IEEE-standaarden⁹. (B) Geassembleerde en gelakte IEEE standaard motorette. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3. FBG thermische sensor array ontwerp. (A) FBG array fiber length, (B) FBG hoofd locaties in de array structuur, (C) FBG array verpakking ontwerp. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 4. De verpakte arraysensor FBG kopt kalibratiekenmerken. De kenmerken zijn afgeleid van de gegevens verkregen in de array vrije thermische kalibratie tests. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van een eerdere publicatie⁴. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 5. FBG array thermische metingen verkregen in steady state thermische conditie test. De individuele hoofd thermische metingen gerapporteerd door de FBG array sensor worden weergegeven met een inset detail steady-state meetweergave. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van een eerdere publicatie⁴. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 6. Thermische metingen in de niet-uniforme thermische conditietest. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van een eerdere publicatie⁴. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

	Onderscheppen		B1 B1		B2		Statistieken
	Waarde	Standaardfout	Waarde	Standaardfout	Waarde	Standaardfout	Adj. R-Square
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: Berekende polynomitale qudratische fit curve parameters. De standaardfout van de berekende parameters en de individuele hoofdcorrectiecoëfficiënten zijn inbegrepen; goede lineariteit en een coorection factor coëfficiënt van meer dan 0,999 werd waargenomen voor de vier geteste FBG hoofden. Deze tabel is gewijzigd ten opzichte van een eerdere publicatie⁴.

Discussion

Het papier heeft aangetoond dat de procedure die nodig is voor het ontwerpen, kalibreren en testen in situ FBG thermische sensoren in lage spanning wondspoelen. Deze sensoren bieden een aantal voordelen voor in situ sensing toepassingen binnen de huidige dragende wondspoel structuren: ze zijn volledig EMI immuun, zijn flexibel en kunnen voldoen aan een willekeurige gewenste geometrie om willekeurige gewenste sensing punt locaties te leveren met hoge nauwkeurigheid, en kan een groot aantal detectiepunten op een enkele sensor. Terwijl thermische detectie in wondspoelen kan worden bereikt met conventionele thermische bewakingstechnieken die thermokoppel- of weerstandstemperatuurdetectoren gebruiken, blijkt de toepassing van FBGs een aantal aantrekkelijke functionele voordelen te bieden.

De juiste verpakking van de FBG-arraysensor is de sleutel tot het effectieve gebruik ervan. Het is belangrijk dat individuele detectiekoppen of het gehele detectiegebied van de vezel op de juiste manier worden verpakt om de isolatie van FBG-koppen van mechanische opwinding in een stijve maar flexibele thermisch geleidende capillaire capitaire capitulerende capillaire te garanderen. Het is wenselijk dat de capillaire wordt ontworpen van niet-elektrisch geleidend materiaal, omdat dit zorgt voor optimale prestaties in de EMI rijke omgeving die kenmerkend is voor de huidige draagspoelen.

Zorg moet worden genomen tijdens het proces van de verpakking capillaire installatie in de spoel om nauwkeurig positie van de pakketsegmenten in hun overeenkomstige sensing locaties. Het is ook essentieel om de capillaire geometrie te optimaliseren voor het geval zeer dynamische thermische omstandigheden moeten worden waargenomen.

Het is van vitaal belang om nauwkeurige karakterisering van de spoel embedded sensor te garanderen. Dit kan het beste worden gedaan door het uitvoeren van gratis verpakte sensor kalibratie voor de installatie in de wondspoel geometrie. Terwijl een hoge mate van bescherming tegen mechanische opwinding wordt geboden door de in situ verpakking, kan het installatieproces resulteren in golflengteverschuiving als gevolg van spanningsgevoeligheid. Indien zorgvuldig uitgevoerd kan dit verwaarloosbaar zijn; Het is echter een goede gewoonte om dit waar mogelijk vast te stellen in de kalibratietests ter plaatse.

Deze toepassing van FBGs in wondspoelen is relatief nieuw en opent een aantal mogelijkheden voor een beter ontwerp, gebruik, monitoring en gezondheidsdiagnose van elektrische machines. Verder werk is nodig om de kosten hiervan te verlagen en ze een geloofwaardig haalbare optie te maken voor grootschalige toepassing in elektrische machines.

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