Design-, instrumenterings- og bruksprotokoller for distribuert i Situ termiske hot spots overvåking i elektriske spoler ved hjelp av FBG Sensor Multiplexing

Summary

Dette papiret presenterer en protokoll som muliggjør instrumentering av tilfeldige sår elektriske spoler med fiber Bragg rist (FBG) termiske sensorer med det formål å distribuert tilstand overvåking av interne termiske hot spots.

Abstract

Tilfeldige sårspoler er et viktig driftselement for de fleste elektriske apparater i moderne industrielle systemer, inkludert lavspentelektriske maskiner. En av de store nåværende flaskehalser i forbedret utnyttelse av elektriske enheter er den høye følsomheten til deres sårkomponenter til in-service termisk stress. Anvendelsen av konvensjonelle termiske sensormetoder (f.eks. termoelementer, motstandstemperaturdetektorer) for termisk tilstandsovervåking av strømføring av tilfeldige sårspoler kan pålegge betydelige driftsbegrensninger på grunn av sensorstørrelse, EMI følsomhet og eksistensen av elektrisk ledende materiale i konstruksjonen. En annen betydelig begrensning finnes i distribuerte sensing applikasjoner og er forårsaket av det som ofte er en betydelig lengde og volum av konvensjonelle sensor ledninger fører.

Dette papiret rapporterer utformingen av et fiberoptisk FBG-sensingssystem beregnet for å muliggjøre sanntidsdistribuert intern termisk tilstandsovervåking i tilfeldige sårspoler. Prosedyren for tilfeldig senpoleinstrumentering med FBG sensing systemet rapporteres i en case-studie på en IEEE standard sårspole representant for de som brukes i elektriske maskiner. Det rapporterte arbeidet presenterer og drøfter også viktige praktiske og tekniske aspekter ved FBG sensing system implementering og anvendelse, inkludert FBG array geometri design, sensing hode og fiber emballasje, sensor array installasjon og kalibreringsprosedyren og bruk av et kommersielt avhørssystem for å oppnå termiske målinger. Til slutt, in situ multiplexed FBG sensing system termisk overvåking ytelse er demonstrert i representative statiske og dynamiske termiske forhold.

Introduction

Tilfeldige sårspoler er et viktig designelement i de fleste elektriske apparater i moderne industrielle systemer og brukes ofte i lavspentelektriske maskiner. En stor barriere for forbedret bruk av sårspoler i disse applikasjonene er deres følsomhet for elektrotermisk stress i tjenesten. Termiskoverbelastning er spesielt relevant i denne forbindelse, da disse kan forårsake isolasjonsspiralisolasjonssystemsammenbrudd og til slutt den totale feilen^1; Dette kan oppstå på grunn av overdreven spolestrømnivåer, eller andre årsaker som en spole elektrisk feil eller en kjølesystemfeil, hvor lokaliserte hot spots er indusert i spolestrukturen som fører til isolasjonsnedbrytning. Aktivering av operativ in situ distribuert termisk overvåking av en in-service coil interne struktur gjør det mulig for utvikling av forbedret utnyttelse og tilstandbasert vedlikeholdsrutiner; det ville tillate avansert forståelse og identifisering av spolenes driftsstatus og eventuelle nedbrytningsprosess, og dermed tilstandsbaserte korrigerende tiltak for å opprettholde driftsstatusen og forhindre eller redusere ytterligere skade^2,3.

Den presenterte metoden er rettet mot å muliggjøre in situ overvåking av elektrisk coil struktur innebygdtermiske forhold gjennom bruk av fleksibel og elektromagnetisk interferens immun (EMI) fiber Bragg revet optiske termiske sensorer. Metoden gir en rekke funksjonelle fordeler fremfor eksisterende termiske overvåkingsteknikker som brukes i elektriske spoler: disse er nesten alltid avhengige av bruk av termoelement (TCer) eller motstandstemperaturdetektorer (RTDs) som ikke er EMI immune; de er laget av ledende materialer; og de er generelt rimelig klumpete dermed ikke ideelt egnet for sensing applikasjoner innenfor strukturen av sår elektriske spoler. Bruken av robuste og fleksible fiberoptiske FBG termiske sensorer gir en rekke betydelige forbedringer i denne forbindelse, ikke utelukkende på grunn av sensor EMI immunitet, men også dens lille størrelse, multiplexing evne og dens fleksibilitet, som gjør dem i stand til å bli innebygd i og samsvare med en vilkårlig sår spole arkitektur for å oppnå termisk sensing med nøyaktig nøyaktighet i ønskede strukturelle steder⁴. Disse funksjonene er spesielt attraktive i elektriske maskin (EM) applikasjoner der enhetentermiske grenser er definert av elektriske coil termiske forhold og er spesielt relevant i lys av forventet betydelig vekst i EM-bruk med spredning av elektrisk transport.

Dette papiret presenterer metodikken for å instrumentere en typisk lavspenningstilfeldig spolestruktur med termiske FBG-sensorer for å muliggjøre on-line overvåking av interne hotspots. En detaljert protokoll for FBG-sensorvalg, design, emballasje, instrumentering, kalibrering og bruk rapporteres. Dette er presentert på en IEEE standard tilfeldig sår coil motorette system. Papiret rapporterer også de oppnådde i situ termiske målinger under statisk og ikke-uniform termisk driftstilstand av den undersøkte testspolen.

FBGs er dannet av prosessen med å "riste" den optiske fiberkjernen for å skape periodiske langsgående avtrykk (vanligvis referert til som sensing hoder i FBG sensing applikasjoner); når fiberen som inneholder FBGs utsettes for ultrafiolett lys, vil hvert eksisterende FBG-hode føre til at brytningsindeksen periodisk moduleres⁵. Det sensing hodet reflektert bølgelengder vil bli påvirket av de termiske og mekaniske forholdene som fiberen er utsatt for, og dermed aktivere revet fiber som skal brukes som en termisk eller mekanisk sensor forutsatt tilstrekkelig design og anvendelse.

FBG-teknologien er spesielt attraktiv for distribuerte sensing applikasjoner: det gjør det mulig for en enkelt optisk fiber å bli revet for å inneholde flere FBG sensing hoder, hvor hvert hode er kodet med en distinkt Bragg bølgelengde og fungerer som et distinkt sensing punkt. Denne typen FBG-basert sensor enhet er kjent som en FBG array sensor⁶ og driftskonseptet er illustrert i figur 1. Bredbåndslys brukes til å opphisse matrisen som resulterer i tydelige reflekterte bølgelengder fra hvert inneholdt FBG-hode; her reflekterer hvert hode en definert bølgelengde (dvs. Bragg bølgelengde) som samsvarer med sin ristdesign og er også avhengig av de rådende termiske og mekaniske forholdene i hodet (dvs. sensing) plassering. En forhørsenhet er nødvendig for å muliggjøre array fiber eksitasjon med lys og inspeksjon av reflektert spektra for distinkte Bragg bølgelengder som inneholder informasjon om lokaliserte termiske og / eller mekaniske forhold.

Et spesielt viktig aspekt ved IMPLEMENTERING AV FBG termisk sensor er reduksjonen av termomekaniske kryssfølsomhetseffekter for å oppnå så nært som mulig for utelukkende termiske avlesninger⁷. FBG iboende funksjon av termomekanisk kryssfølsomhet krever nøye design av FBG-sensorer rettet mot termiske bare eller mekaniske bare sensorapplikasjoner. Der termisk sensing er opptatt av en effektiv metode for reduksjon FBG mekanisk eksitasjonsfølsomhet er å isolere sensing hodet med en emballasje kapillær laget av materiale egnet for en gitt applikasjon; i coil innebygd termisk sensing søknad undersøkt i dette arbeidet dette ikke bare reduserer kryss-følsomhet problemer, men også tjener til å beskytte skjøre sensing fiber struktur fra undersiden og potensielt ødeleggende mekanisk stress⁸.

Figur 2A viser den tilfeldige sårelektriske spoletestprøven som brukes som demonstrasjonskjøretøy i dette papiret. Spolen er utformet i henhold til IEEE-standarder⁹ for termiske evalueringsprosedyrer for tilfeldige sårspolerisolasjonssystem; det resulterende testsystemet som vises i figur 2B er kjent som et motorettesystem og er representativt for et svingete og isolasjonssystem i en lavspent elektrisk maskin. I den presenterte case-studien vil motoretten være instrumentert med en FBG array termisk sensor bestående av fire termiske sensorpunkter, for å etterligne typiske termiske sensorhot spots av interesse i praktiske maskinapplikasjoner som har en tendens til å være lokalisert i coil end svingete og spor seksjoner. For kalibrering og ytelsesevaluering vil FBG-innebygd motorette være termisk spent ved hjelp av et kommersielt termisk kammer og en DC-strømforsyning.

Protocol

1. Fiberoptisk termisk sensor design

1. Først identifisere sensordesign og spesifikasjoner basert på målet spole struktur og avhør system funksjoner. Testspolen som brukes i dette arbeidet har en oval geometri som er typisk for elektriske maskinspoler (som vist i figur 1A. Før individuelle sensing steder bestemmes, ta design beslutninger for å sikre at den optiske sensing fiber forblir operativ i mekanisk og termisk miljø som er typisk for innebygd sår coil søknad.
2. Bruk en standard bøyeufølsom polyimidbelagt enkeltmodusfiber som vanligvis er kjent for å kunne operere i temperaturer opp til ca. 300 °C; denne fiberen er dermed egnet for påføring i sårspoler som brukes i konvensjonelle elektriske maskiner.
   MERK: Den valgte optiske fiberen sikrer sensorfunksjonalitet i det termiske miljøet til en typisk tilfeldig spole som opererer i elektriske maskiner som brukes i dette arbeidet (klasse F og H med nominell temperatur på henholdsvis 155 og 180 °C^10. Bend-ufølsom fiber er foretrukket for dette programmet siden det er designet for å tillate en liten bøyeradius og å ha et lavere bøyingstap. Dette gjør at sensoren effektivt kan tilpasses ønsket spolestruktur og sensorplassering(er) med minimal skadelig effekt for å registrere funksjonalitet.
3. Sett fiberlengde til 1,5 m.
   MERK: Fiberlengden er satt i henhold til geometrien til målstolen som skal instrumenteres og ønsket avstand til avhørsenheten. Testspiralcircumferential lengde (vist i figur 1A)er 0,3 meter og den valgte fiberlengden til avhørsmann fra spolen er 1,2 meter som gir en total lengde på 1,5 m – dette gjør det mulig for tilstrekkelig fiberlengde å bli loopet innenfor testspolen for å sikre at ønskede sensingsteder er hensiktsmessig etablert og det er egnet avstand mellom testspolen og forhørsmannen: Figur 3A illustrerer den generelle lengdedesigntilnærmingen.
   MERK: FBGSs kan lokaliseres flere kilometer fra avhørsenheten. Dette er fordi en optisk fiber er en effektiv enkeltbærer.
4. Design FBG-arrayet for å bestå av fire FBG-hoder (5 mm) for å muliggjøre distribuert sensing i spolestrukturen slik at to sensingssteder er plassert i spolesidene og to er i spoleendene.
   MERK: Termiske sensingsteder identifiseres basert på relevante termiske overvåkingsstandarder for elektriske maskiner (dvs. 2 FBGS for sporseksjoner og 2 for endesvingete seksjoner)¹⁰. Den kommersielle forhørsdesignen som brukes i dette arbeidet, kan muliggjøre samtidig avhør av opptil 16 FBG-sensingpunkter ned en enkelt optisk fiber.
5. Bruk en FBG sensing hode lengde på 5 mm; dette anses som tilstrekkelig for å muliggjøre lokalisert hot spot overvåking i strøm bærer tilfeldige sår spoler.
   MERK: Alternative kommersielle verdier av FBG hodelengde (3 mm, 5 mm eller 10 mm) kan også brukes i tilfelle en annen sensing punkt dimensjon kreves av sensing programmet.
6. Angi individuelle FBG hoder som skal revet med forskjellige bølgelengder fordelt i en båndbredde på 1529-60 nm for å matche den brukte kommersielle forhørslisten; dette sikrer forebygging av FBG forskjøvet bølgelengder interferens.
   MERK: FBG hoder bølgelengde, deres forventede bølgelengde skift båndbredde, og programmet temperaturvariasjon må være innenfor avhør enhet bredbåndslys båndbredde for å sikre at sensorsystemet kan fungere riktig.
7. Bruk en FC/APC fiberprobekontakttype, som er i samsvar med forhørsenheten.
   MERK: FC/APC er generelt det foretrukne valget for FBG-sensing på grunn av lave avkastningstap.
8. Gi sensorens design og spesifikasjoner til en kommersiell FBG-produsent - Figur 3B viser en endelig skisse av FBG-arraydesignen som brukes i dette arbeidet.

2. Konfigurasjon av avhørssystem og sensor

1. Kontroller og konfigurer den designede og produserte FBG-arraysensoren for å fungere med det kommersielle avhørssystemet.
2. Fjern beskyttelseshetten fra FC/APC-kontaktregelen.
3. Rengjør kontaktens endeansikt ved å tørke den forsiktig med en optisk kontaktrengjøringsmiddel.
   MERK: Det anbefales på det sterkeste å utføre dette trinnet hver gang sensoren er koblet til forhørsmannen. En Cletop-s kommersiellserie optisk renere ble brukt i dette arbeidet.
4. Plugg inn den rengjorte FBG-probekontakten til forhørskanalkontakten.
   MERK: Kontroller at tastebanen er riktig justert når du parrer kontaktene.
5. Slå på avhørsmannen.
   MERK: Forhørsenheten er koblet til PCen via en RJ45-kontakt og Internett-kabel.
6. Kjør konfigurasjonsprogramvaren.
   MERK: Forhørsprogrammet er en proprietær LabVIEW-basert programvarepakke levert av forhørsprodusenten som er utformet for å aktivere driften av forhørsenheten.
7. På instrumentoppsettfanen observerer du de reflekterte bølgelengdespekterete fra FBG-arraysonden (for FBG-arraydesignen som brukes i dette arbeidet, bør fire topper observeres i det relaterte kanalspekteret).
   MERK: Den reflekterte lysintensiteten avhenger av FBG-egenskaper (over 50 % godtas).
8. Sett samplingsfrekvensen til 10 Hz. Dette bestemmer direkte antall temperaturavlesninger gitt i en gitt 1 s periode.
   MERK: Det brukte avhørssystemet kan fungere ved samplingsfrekvenser på opptil 2,5 kHz; Men for termisk dynamikk av gjeldende bærende spoler overvåket i dette arbeidet 10 Hz anses en tilstrekkelig anskaffelsesrate.
9. I innstillingen for målinger, navngi FBG hoder som FBG1, FBG2, FBG3 og FBG4. Velg bølgelengde som type mengde som skal presenteres grafisk på dette stadiet. FBG-matrisen er konfigurert og klar for kalibreringstrinnet.

3. Matlaging av emballasje

1. Pakken områdene der FBG-hoder er trykt (dvs. revet) i matrisefiberen for å sikre sensing hodeisolasjon fra mekanisk eksitasjon og dermed gi utelukkende termisk eksitasjonresponsiv sensor. I tillegg er fiberstrukturen skjør, og det er ikke ønskelig å direkte innebygd den i spolelederne: det krever tilstrekkelig mekanisk beskyttelse for å beholde integriteten. I dette arbeidet er sensingområdet som inneholder de fire FBG-hodene som er innebygd i spolestrukturen pakket med polyetheretherketon (PEEK) og resten av fiberen er beskyttet av Teflon – dette er illustrert i figur 3C.
2. Design emballasjen i form av et smalt rundt kapillærrør slik at sensingfiberen kan rutes gjennom og dermed beskyttes av kapillæren.
   MERK: Kapillærdimensjonene og termiske egenskaper er spesielt viktige der emballasje av området som inneholder FBG-sensinghoder er bekymret. Det er generelt ønskelig å sikre en relativt smal veggtykkelse og bruke materiale som ikke er elektrisk ledende, men gir en rimelig grad av varmeledningsevne. Den ytre diameteren på PEEK-kapillæren som brukes i dette arbeidet var 0,8 mm og veggtykkelsen er 0,1 mm.
3. Forbered PEEK kapillær ved å kutte tilstrekkelig lengde på kommersielle PEEK rør (lengden på målet spole struktur med noen ekstra centimeter for å tillate fiber innsetting og Teflon å PEEK kapillær felles forberedelse).
   MERK: In situ-instrumenteringen av FBG-arrayet krever installasjon av emballasjen først som deretter settes inn med sensingfiberen. Det må utvises forsiktighet for å sikre glatte og renvaskede kapillære endeåpninger.
4. Ta nøye målinger av FBG-arrayet og PEEK-kapillæren for å nøyaktig identifisere sensing steder på den ytre overflaten av PEEK kapillær. Dette gjør det mulig å posisjonere FBG sensing hoder i målsteder innenfor motorette test spolen.
5. Forbered Teflon-kapillæren ved å kutte en tilstrekkelig lengde på kommersielle Teflon-rør for å sikre at fiberdelen utenfor testspolegeometrien er beskyttet og inneholdt.
   MERK: Det eksterne emballasjematerialet i den ikke-sensing array delen må ha tilstrekkelig stivhet til å gi tilstrekkelig mekanisk beskyttelse, men også være fleksibel for å tillate en praktisk forbindelse til forhørsmannen; det er også ønskelig for dette materialet å være EMI immun i denne applikasjonen. Teflon er funnet å gi tilfredsstillende ytelse i denne studien, men alternative materialer kan brukes.
6. Forbered riktig krymperørlengde for å gjøre skjøten mellom PEEK og Teflon-kapillærene.

4. Gratis termisk kalibrering

1. Kalibrer den pakkede FBG-arraysensoren ved å sette den inn i det termiske kammeret for å trekke ut den diskrete temperaturen kontra bølgelengdepunkter.
   MERK: Fortrinnsvis er sensingområdet formet for å matche målspolestrukturen for å gi kalibrering under belastningsnivåer som ligner på de når pakken er innebygd i testspolen.
2. Koble revet optisk fiber til forhørsmannen og start den forhåndskonfigurerte forhørsprogramprogramvarerutinen.
3. Sett varmekammerovnen til å fungere i en sekvens av termiske steady state punkter - disse er i en rekke omgivelsestil 170 °C og i trinn på hver 10 grader i dette arbeidet. Lag en tabell fra de målte reflekterte bølgelengdene til hver enkelt FBG i matrisen for hver konstant temperatur emulert i kammeret.
   MERK: Tilstrekkelig tid må tillates under kalibreringstester for at termisk likevekt skal nås ved hvert undersøkt e-nivå.
4. Bruk den registrerte forskjøvet bølgelengden versus temperaturmålinger i trinn på 10 °C for å bestemme de optimale temperaturbølgelengdeforskyvningspassformkurvene og koeffisientene for hver FBG. Figur 4 og tabell 1 viser de registrerte kalibreringsdatamålingene og den beregnede tilpasningskurven.
   MERK: Forholdet mellom bølgelengdeskiftet og temperaturvariasjonen av FBG-hodene i matrisen analyseres av polynomkvadratisk kvadratisk regresjon i dette arbeidet, da dette ble funnet å levere optimal karakterisering. Fra denne analysen beregnes polynomial kvadratisk regresjonspassformkoeffisienter¹¹.
5. Skriv inn de beregnede koeffisientene i den relevante innstillingen til forhørsprogrammet for å aktivere målinger på nettet fra FBG-arrayet.

5. Test coil build og FBG instrumentering

1. Først bygge og instrumenter motorette tilfeldig spole.
   1. Design en svingete spole som passer på vindenheten.
      MERK: Spolegeometrien er utformet for å matche den ønskede svinggeometrien på spolen og sikre at de ønskede sårspoledimensjonene. Spolen er designet for å enkelt demonteres slik at den forenkler enkel fjerning av sårspolen uten å skade isolasjonen.
   2. Plasser den valgte emaljerte kobbertrådhjulet i vindenheten og trekk kobbertråden gjennom vinsvinene og spenningsregulatoren.
      MERK: Klasse F emaljert kobbertråd brukes i dette arbeidet.
   3. Sett dreienummertelleren for vinderenheten til null.
   4. Still inn vinderen til å fungere med lav hastighet og kontrollere ønsket trådspenning.
   5. Vind halvparten av spolen svinger.
   6. Monter den tilberedte PEEK-kapillæren i midten av spolen ved hjelp av Kapton-tape.
      MERK: Det må utvises forsiktighet for å sikre at indeksene på PEEK-kapillæren er plassert på målstedene.
   7. Vind resten av spolen svinger.
   8. Fjern spolen fra vidstraktmaskinen og demonter for å frigjøre sårspolen innebygd med en PEEK-kapillær.
   9. Plasser spolen i motoretterammen.
      MERK: Motorettecoilisolasjonssystemet (sporisolasjon og sporkiler) må installeres på riktig måte med spolen.
   10. Forbered spoleterminaler og koble dem til motoretteterminaler.
   11. Varnish motorette ved hjelp av en svingete lakk og plasser i en ovn ved riktig temperatur (150 °C) for å kurere.
2. FBG array instrumentering:
   1. Koble først FBG-arrayet til forhørsmannen; starte forhørsprogrammet for å overvåke FBG-reflektert bølgelengde mens du installerer.
   2. Trekk fiberen gjennom det tilberedte krymperøret.
   3. Sett fiberen (sensingområdet) forsiktig inn i PEEK-kapillæren til endeåpningene til Teflon og PEEK-kapillærene er i kontakt.
   4. Flytt krymperøret for å dekke kapillærene ender og riktig varme det til ønsket passform er oppnådd.

6. In situ kalibrering og evaluering

1. Valider den oppnådde termiske kalibreringen i trinn 4 etter innebygging og korriger om nødvendig. Testen gjør det også mulig å evaluere FBG-arrayytelsen i kontrollert statisk termisk tilstand.
2. Plasser motoretten som er innebygd med FBG-termiske array i varmeovnen.
   MERK: Konvensjonell termisk sensor kan brukes til ytelsessammenligningsformål. Her brukes termoelementer som er installert på motorettespoleoverflaten.
3. Gjenta trinn 4.3 og 4.4.
4. Gjenta trinn 4.5 inkludert temperaturen målt av FBG hoder basert på kalibrert passform i trinn 4.
5. Evaluer og sammenlign FBG-matrisetemperaturmålingene med referansetemperaturen. Hvis målefeilen er høy, kan den registrerte målingen i trinn 6.4 brukes til å oppdatere kalibreringen.
6. Ta motoretten ut av den termiske ovnen; den er klar for testing.

7. Testing

1. Utfør en statisk termisk tilstandstest.
   1. Koble motoretten til likestrømsstrømforsyningen.
   2. Koble FBG-matrisen til forhørsmannen; overvåke og registrere sine FBG temperaturmålinger.
   3. Kontroller likestrømstilførselen for å injisere motoretten med en likestrøm.
      MERK: Det valgte likestrømsnivået må sikre at T-stigningen i spoleinterne termiske hotspots er mindre enn den tillatte isolasjonstemperaturen; Dette gjør det mulig for ikke-destruktiv testing på prototypespolen.
   4. Stopp opptaksmålinger når motorettespole termisk likevekt er nådd.
2. Utfør en ikke-ensartet termisk tilstandstest.
   1. Vind den ytre spolen som inneholder 20 svinger rundt en valgt testspoleseksjon.
   2. Koble den eksterne spolen til en egen likestrømsstrømforsyning.
   3. Energiser motoretten med likestrøm brukt i 7.1.3.
   4. Begynn å registrere termiske målinger når den termiske likevekten er nådd.
   5. Gi energi til den eksterne spolen med en likestrøm for å gi ikke-ensartede termiske forhold ved å levere lokalisert termisk eksitasjon på testspolen.
   6. Stopp opptaksmålinger når termisk likevekt er nådd.

Representative Results

Figur 5 presenterer temperaturen målt av arraysensoren i den statiske termiske testen. De fire interne temperaturavlesningene, tatt av respektive array FBG-hoder på tilsvarende spolesteder, observeres å være nært lik som det vanligvis forventes for de undersøkte testforholdene; det er en liten variasjon mellom den rapporterte individuelle målingen av mindre som 1,5 °C mellom de observerte gjennomsnittstemperaturene på 75,5 °C.

Figur 6 rapporterer matrisesensormålingene som er oppnådd i den ikke-ensartede termiske tilstandstesten. Disse vises først for perioden der det ikke er eksitasjon i den eksterne spolen (første ‰75s) som indikerer nært ensartede målte termiske nivåer, som forventet. Den eksterne spolen er deretter spent, noe som resulterer i ytterligere lokalisert termisk eksitasjon: dette resulterer i en klar endring i de observerte målingene, med sensorpunktet i nærmeste nærhet til den eksterne spolen (dvs. FBG4) som måler det høyeste termiske nivået (128,6 °C) og som lengst borte den laveste (117,6 °C); FBG-temperatursensorene som ligger mellom disse rapportens mellomliggende og nært lignende temperaturnivåer (122.7 og ‰121.6 °C). De observerte avlesningene er tydelig knyttet til individuell sensing hodefordeling i den undersøkte testspolegeometrien. Videre viser resultatene tydelig den funksjonelle evnen til spolen innebygd array sensor for overvåking og identifisering av intern distribuert termisk hotspot distribusjon i tilfeldige sårspoler.

Figur 1. Driftskonseptet for FBG-arraysensoren. Dette tallet er endret fra en tidligere publikasjon⁴. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2. IEEE standard motorette spoleenhet. (A) Tilfeldig sår elektrisk spole; se IEEE standarder⁹. (B) Montert og lakkert IEEE standard motorette. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3. FBG termisk sensor array design. (A) FBG matrise fiber lengde, (B) FBG hodet steder i matrisestrukturen, (C) FBG array emballasje design. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4. Den pakkede matrisesensoren FBG leder kalibreringsegenskaper. Egenskapene er avledet fra dataene som er innhentet i array frie termiske kalibreringstester. Dette tallet er endret fra en tidligere publikasjon⁴. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5. FBG array termiske målinger oppnådd i steady state termisk tilstand test. De enkelte hodetermiske målingene rapportert av FBG-arraysensoren vises med en innfelt detalj visning av steady-state måling. Dette tallet er endret fra en tidligere publikasjon⁴. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 6. Termiske målinger i den ikke-ensartede termiske tilstandstesten. Dette tallet er endret fra en tidligere publikasjon⁴. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

	Fange opp		B1 (andre kan si)		B2		Statistikk
	Verdi	Standard feil	Verdi	Standard feil	Verdi	Standard feil	Adj. R-Kvadrat
Fbg1 (andre kan være på den siden)	1555.771	0.0137	0.00855	2.85E-04 (andre kan være på vei til 2.85E-04)	1.50E-05 (1.50E-05)	1.34E-06 (1.34E-06)	0.99978
Fbg2 (andre er i kraft)	1547.669	0.0112	0.00851	2.34E-04 (andre kan være på vei til å se i denne siden)	1.41E-05 (1.41E-05)	1.10E-06 (1.10E-06)	0.99985
Fbg3 (andre er i kraft)	1539.852	0.0101	0.00871	2.11E-04 (andre kan være på vei til 1000-04-	1.30E-05 (1.30E-05)	9.90E-07 (9.90E-07)	0.99988
Fbg4 (andre er i kraft)	1531.768	0.0131	0.00808	2.72E-04 (2.72E-04)	1.67E-05 (1.67E-05)	1.28E-06 (andre kan være på vei mot	0.9998

Tabell 1: Beregnede polynomqudratiske passformkurveparametere. De beregnede parameterne standardfeil og individuelle hodekorrigeringskoeffisienter er inkludert; god linearitet og en coorection faktor koeffisient i overkant av 0,999 ble observert for de fire testede FBG hoder. Denne tabellen er endret fra en tidligere publikasjon⁴.

Discussion

Papiret har vist prosedyren som kreves for å designe, kalibrere og teste in situ FBG termiske sensorer i lavspenningsssårspoler. Disse sensorene gir en rekke fordeler for in situ sensing applikasjoner innenfor dagens bærende sår coil strukturer: de er fullt EMI immun, er fleksible og kan samsvare med en vilkårlig ønsket geometri for å levere vilkårlig ønsket sensing punkt steder med høy nøyaktighet, og kan gi et stort antall sensorpunkter på en enkelt sensor. Mens termisk sensing i sårspoler kan oppnås med konvensjonelle termiske overvåkingsteknikker som bruker termoelement eller motstandtemperaturdetektorer, er bruk av FBGs vist å gi en rekke attraktive funksjonelle fordeler.

Passende emballasje av FBG-arraysensoren er nøkkelen til effektiv utnyttelse. Det er viktig at individuelle sensing hoder eller hele sensing området av fiberen være hensiktsmessig pakket for å sikre isolering av FBG hoder fra mekanisk eksitasjon i en stiv, men fleksibel termisk ledende kapillær. Det er ønskelig for kapillæren å være designet av ikke-elektrisk ledende materiale som dette sikrer optimal ytelse i EMI rike miljø karakteristisk for dagens bærende spoler.

Det må utvises forsiktighet under prosessen med emballasjekapillærinstallasjon i spolen for å plassere pakkesegmentene nøyaktig i tilsvarende sensingssteder. Det er også viktig å optimalisere kapillærgeometrien i tilfelle svært dynamiske termiske forhold skal observeres.

Det er viktig å sikre nøyaktig karakterisering av den innebygde spolen. Dette gjøres best ved å utføre gratis pakket sensorkalibrering før installasjonen i sårspolegeometrien. Mens en høy grad av beskyttelse mot mekanisk eksitasjon er gitt av in situ emballasje, kan installasjonsprosessen resultere i bølgelengde skift på grunn av belastningfølsomhet. Hvis det utføres nøye, kan dette være ubetydelig; Det er imidlertid god praksis at dette skal fastslås i in situ-kalibreringstester der det er mulig.

Denne anvendelsen av FBGs innenfor sårspoler er relativt ny og åpner en rekke muligheter for forbedret design, utnyttelse, overvåking og helsediagnose av elektriske maskiner. Videre arbeid er nødvendig for å redusere kostnadene for disse og gjøre dem til et troverdig levedyktig alternativ for storskala bruk 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