具体实施方式

现在参考附图，其中无论何时可能，相同的附图标记表示相同的元件，示出了发动机-发电机或发电机组100，其是联接至发电机104的动力源102的组合。动力源102可以是任何合适的动力源，例如诸如柴油机、压燃式发动机或燃气轮机之类的内燃机。在这种动力源102中，烃基燃料与氧化剂燃烧以将其中的潜在化学能转化为导向驱动轴106的旋转机械动力。动力源102和驱动轴106可以与发电机104共线，使得旋转动力被传递到发动机104，并且发电机组100的部件由此沿发电机组的旋转轴线108对准。发电机104的旋转和静止部件可以被容纳在发电机壳体110中，该发电机壳体可以被配置成金属片或金属板外壳。安装到发电机壳体110的可以是开关壳体或端子壳体112，其容纳来自发电机104的导电电输出导线和开关，该导电电输出导线和开关可以与延伸到电负载的传输线物理连接。除了端子壳体112之外，可以在发电机104上包括控制柜或控制面板114，以容纳用于监测和调节发电机和相关联的动力源102的操作的各种控件、输入和输出。控件和接口可以包括适于与操作员交互的按钮、小键盘、拨号盘、读出器、视觉显示器等。

在所示实施方式中，发电机组100可以被额定用于产生数十或数百千伏量级的大量电力，并且由于动力源102和发电机104的相关尺寸，发电机组可以安装到底盘116。然而，本发明的各方面可应用于许多不同尺寸和等级的发电机组100。底盘116可以容纳用于发电机组100的运行的其他子系统和部件，例如用于动力源102的燃料储存器和用于激励发电机104的电池，并且可以组织并固定地紧固与发电机组100相关联的各种导管以及功率和信号发送导体。在所示实施方式中，为了热冷却在操作期间可能产生热能的动力源102和/或发电机104，发电机组100可包括在一个轴向端部处安装至底盘116的散热器118，该散热器可提供空气和/或液体冷却功能。

参考图2，示出了根据本发明的能够产生电力的发电机104的示例。在一个实施方式中，发电机104可以被配置成三相交流同步发电机以产生三相功率。发电机104可以包括转子120，该转子被定子122同心地围绕并且可旋转地设置在定子122内，并且与发电机组的旋转轴线108对准。转子120可以是圆柱形的并且可以被安装到细长的转子轴124上，该转子轴延伸穿过容纳转子120和定子122的发电机壳体110。转子轴124同样相对于旋转轴线108对准并且沿着旋转轴线108延伸。为了将转子120可旋转地支撑在同心定子122内，转子轴124可以通过轴承126安装到发电机壳体110的轴向端部。转子轴124的一个轴向端部可从动力源机械地联接到驱动轴106以转动定子122内的转子120。定子122可以固定地安装在发电机壳体110中并且可以是环形的以限定中心环形腔，该中心环形腔的尺寸被确定为容纳转子120并且在其间提供间隙或气隙128以允许转子的相对旋转。转子120和定子122可以在长度上轴向地共同延伸。

在发电机104同步运行的本实施方式中，转子120包括由在连续回路中横穿转子的轴向长度的多条旋转轴线108制成的多个转子绕组130。转子绕组130可以包括转子导线132，该转子导线可以从转子120延伸穿过发电机壳体110并且可以与小的外部电源134(有时称为励磁机，例如直流电源或电池)电连接。在转子120上的转子绕组130与到外部电源134的转子导线132之间的电接触可以通过电刷和/或通勤器发生。转子120可以由诸如铁或钢的铁电材料制成，使得当电流从外部电源134被引导通过转子绕组130时，转子生成围绕转子的圆周的电磁场，该电磁场穿过气隙128并且进入定子122中。转子轴124经由动力源的旋转使得激发的磁场沿旋转方向在定子122内圆周地通过。在不同实施方式中，转子绕组130可以成组布置，使得转子120能够以相对的磁极的不同布置(即，北和南)配置，例如两极布置、四极布置等。

为了与旋转磁场电磁地相互作用，定子122可以包括定子绕组136，其可以是多根旋转轴线108的形式，该多根旋转轴线108位于径向地设置在定子结构的内圆周表面中的多个轴向布置的凹槽或定子狭槽138中。类似于转子绕组130，定子绕组136可以沿着定子122的轴向长度轴向地前后移动并且可以在相邻的定子狭槽138之间成环或通过。当来自转子绕组130的旋转磁场例如沿逆时针方向穿过轴向布置的定子绕组136时，电磁感应在导电定子绕组中感应电动势(EMF)或电压。为了传送由感应电压产生的电流，定子绕组136还可以可操作地与从发电机壳体110延伸并且可以与负载142电连接的定子导线140相关联。在一个实施方式中，定子绕组136可以成组布置，使得感应电压和电流分离成不同的电相位，例如三相布置。

在正常操作期间，同心对准的转子120与定子122之间的电磁相互作用可以对称地平衡，并且轴承126可以相对于发电机壳体110固定地支撑转子轴124，使得转子与定子之间的相对旋转是同心的。在这种正常操作期间，所产生的旋转力和电磁相互作用使得气隙128的环形尺寸得以维持并且防止转子120与定子122之间的接触。然而，如所指示的，转子绕组130和定子绕组136都可以轴向地横穿转子120和定子122的轴向长度若干次，从而使绕组自身重复回转成为必要。这些端匝144出现在转子120和定子122的轴向端部。当转子和定子绕组130、136由导电线制成时，尖的端匝144可导致相邻导体彼此接触或来自相邻组的导体彼此接触，从而导致称为绕组匝间故障的电短路。当导体周围的绝缘体(通常为清漆)破裂或断裂时，可能发生绕组匝间故障和类似的电绕组故障。

匝间故障可以导致转子120与定子122之间的不平衡的磁相互作用，从而导致例如在沿着转子与定子之间的360°界面的某些段或弧的这些部件之间在径向方向上的更强或更弱的磁吸引。转子120与定子122之间的不平衡的或径向不对称的磁相互作用可以物理地试图将转子和定子一起径向地拉过气隙128。因此，转子120和定子122不是处于真正的同心布置，而是转子可以开始相对于定子偏心地旋转。偏心的相对旋转导致振荡的机械振动，该振动可以通过发电机壳体110传递。

转子120的偏心旋转以及所产生的振荡机械振动可以在各种不同的方向或取向上取向。例如，转子120和定子122之间的不平衡磁相互作用可导致相对于旋转轴线108(即，垂直于旋转轴线108)的径向定向的振动150，如箭头所示。转子120的连续偏心旋转还将导致围绕旋转轴线108连续移动的切向振动152。此外，由于端匝144位于转子120和/或定子122的轴向端部，因此匝间故障可导致转子轴124沿其轴向长度变得不平衡。转子轴124的不平衡旋转或偏斜旋转可以导致沿着旋转轴线108轴向定向的轴向振动154。在径向、切向和/或轴向方向中的每一个的机械振动可以经由转子轴124通过轴承126传递到发电机壳体110，从而引起发电机壳体在各种不同方向上振动。

参考图1，为了测量由绕组匝间故障引起的机械振动，一个或多个振动传感器160可以包括在发电机壳体110上的不同位置处。例如，振动传感器160可以位于发电机104的每个轴向端部，以感测在该位置处由偏心旋转引起的机械振动。此外，振动传感器160可以位于发电机壳体110的顶部上的每个轴向端部并且位于发电机外壳的任一侧。用于振动传感器160的这些位置使得能够在各个方向上进行所产生的机械振动的测量。例如，可以在发电机的轴向方向上进行振动测量，即，参考旋转轴线108进行轴向振动测量162。可以在垂直于旋转轴线108的径向方向上进行振动测量，例如垂直振动测量164。振动测量也可以从发电机104的一侧到另一侧获得，或者相对于旋转轴线108横向地获得，即横向振动测量166。轴向振动测量162、垂直振动测量164和横向振动测量166可对应于笛卡尔(x-y-z)坐标系。可以在发电机104和旋转轴线108的其他方向或取向上进行额外的测量。

振动传感器160可以利用任何合适的振动感测技术。例如，在一个实施方式中，振动传感器160可以是加速度计或加速度传感器。当使加速度计在特定方向上加速时，向加速度计施加可测量的加速力。该加速度计可以被配置成具有能够测量所施加的力或应力的感测元件。例如，加速度计可以包括压电元件，该压电元件可以是当力或应力施加到其上时产生并发射电信号或脉冲的晶体。在另一个实施方式中，加速度计可以利用电容感测技术，其中由柔性或柔韧的电介质分开的两个导电元件通过共同的电磁场电容性地耦合。当向加速度计施加力或应力时，导电元件可以朝向或远离彼此移动，从而以可测量的方式改变有效电容。用于振动传感器160的其他技术可包括微机电系统(MEMS)，其中微机械悬臂杆可通过施加的加速力位移并测量位移。

在一个实施方式中，振动传感器160可以测量一个或多个轴中的加速度，从而测量机械振动，并且有时表征为单轴或多轴传感器。不同的轴线可以相对于笛卡尔坐标系来定义。在一个实施方式中，振动传感器160可以包括多个输出导线，每个输出导线对应于在特定方向上测量的力。换言之，每个输出导线与坐标相关联，并且当激活时指示由机械振动引起的加速力沿着该特定方向被施加到振动传感器160。因此，不同的输出导线使得振动传感器160能够辨别发电机在各个方向上发生的机械振动，即轴向振动测量162、垂直振动测量164和横向振动测量166。

参考图3，振动传感器160可操作地与用于检测发电机104可能发生的绕组匝间故障的检测系统300相关联。检测系统300可以实施为利用可编程软件代码中的指令和数据的计算机可操作程序或应用。为了实施或执行检测系统300，检测系统可以包括电子控制器302或与电子控制器302相关联，电子控制器302有时被称为电子控制模块(ECM)或电子控制单元(ECU)。电子控制器302可以被配置成分析和识别定子和/或转子绕组故障，并且因此在本文中被称为故障分析器。为了处理电子数据并执行指令，故障分析器302可以包括一个或多个微处理器304或类似电路，如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列。如下所述，微处理器304可以包括或被编程为执行特定的逻辑功能，并且可以与用于执行这种操作的适当电路一起配置或相关联。微处理器304可被编程为读取、写入、访问和/或执行指令以执行与检测系统300相关联的功能、步骤、例程、访问和更新数据表等。为了存储实现检测系统的软件指令，故障分析器302可以包括系统存储器306或类似的数据存储器。在各个方面，系统存储器306可以是可读的、可写的或其组合。系统存储器306可经由总线308与微处理器304通信。

为了与振动传感器160通信，故障分析器302可以包括系统输入/输出(I/O)接口310，其可以使用任何合适的电子接口协议或标准，例如以太网等。系统I/O接口310可以包括一个或多个物理端口、插孔或总线(如USB)，这些物理端口、插孔或总线可以与信号发送和通信导体(诸如导线或光缆)连接。系统I/O接口310可以用振动传感器160以计算机可处理的位和字节的形式发送和接收电子数据信号。为了与操作员交互，故障分析器302可包括人机界面(HMI)312或与人机界面(HMI)312相关联，该人机界面可包括视觉显示器、触摸屏、小键盘和其他输入/输出技术。此外，与检测系统300相关联的故障分析器302可包括网络收发器314以经由网络316与其他计算机处理系统通信。参考图1，故障分析器302和相关部件可以是位于发电机组100上的控制面板114的一部分。尽管所示的故障分析器302被描述为单个单元，但是在其他实施方式中，故障分析器及其功能可以分布在各种装置和位置之间。

参考图4，示出了用于检测发电机可能发生的定子绕组匝间故障或短路的定子匝间故障检测过程400。定子匝间故障检测过程400可以表示为以计算机可执行软件代码编写的一系列步骤和操作，该计算机可执行软件代码可以由检测系统300的故障分析器302实施或运行。在初始测量步骤402中，检测系统300使用设置在发电机104的发电机壳体110上的一个或多个振动传感器160进行机械振动测量。机械振动测量值表示发电机壳体110的物理的、周期性的位移，并且振动传感器160根据加速度(例如，m/s²)或加速度随时间的变化来测量机械振动。

例如，参考图5，振动传感器160可以获得时间相关数据500，该时间相关数据表示相对于时间或作为时间的函数(X轴)的关于加速度(Y轴)的振动测量。时间数据500可以通过三个单独的时间图表502、504和506来描绘，这三个单独的时间图表可以表示由振动传感器160在发电机壳体110上的三个单独位置处进行的机械振动测量和/或可以与包括轴向振动测量162、垂直振动测量164和横向振动测量166的三个坐标相关联。然而，在其他实施方式中，可以使用更少或更多的振动传感器和/或方向。

图5示出了正常运行的发电机104的机械振动测量，如正常振动曲线510所示，在此期间转子120在定子122中同心且对称地旋转。图5还描绘了如故障振动曲线512所指示的在定子绕组匝间故障下操作的发电机104的机械振动测量。由定子绕组匝间故障引起的转子120的不对称或偏心旋转增加了由振动传感器160测量的位移和位移的加速度，因此故障振动曲线512的幅度大于正常振动曲线510的幅度或幅度。因为与发电机104相关联的振动将随着发电机的运行而连续发生，所以正常振动曲线510和故障振动曲线512可以被表示为时间上的周期性正弦波或周期性正弦曲线。

为了转换机械振动测量值以由检测系统300进行处理和分析，定子匝间故障检测过程400可以包括如图4所示的转换步骤404。在一个实施方式中，转换步骤404可以利用傅里叶变换计算或其他时间-频率转换技术来将机械振动测量值从由图5中的各个时间图502、504、506指示的时间数据500转换为由频率图指示的频率数据520。在频域中，机械振动测量值根据其组成频率和相关变量，即振幅和/或相位来表示。频率数据520可以根据以赫兹测量的机械振动测量值的不同频率(X轴)来描绘机械振动测量值的分量并且将它们各自的加速度(Y轴)描绘为所得到的曲线的幅度或量值。可以存在三个对应的频率图表522、524、526，每个频率图表可以包括与发电机104的正常操作相关联的正常振动曲线530以及与定子绕组匝间故障相关联的故障振动曲线532。为了将时间数据500转换成频率数据520，故障分析器302可以被配置成被编程或者包括例如通过进行快速傅立叶变换计算来执行傅立叶逻辑320的电路。此后，检测系统300可以分析频率数据520中得到的频谱，以用于定子绕组匝间故障的标记。

为了分析频率数据520，定子匝间故障检测过程400可以进行谐波分析以隔离频率数据中的各种谐波。例如，频率数据520中描绘的不同频率可以与机械振动测量值的不同谐波相关联。频率数据520的正常振动曲线530和故障振动曲线532可以包括基波和一个或多个高次谐波，其可以是基波的倍数。例如，机械振动测量值的基波可以出现在以赫兹为单位的特定频率处，二次谐波将出现在该频率的两倍处，三次谐波将出现在该频率的三倍处，并且四次谐波将出现在该频率的四倍处。

为了进行谐波分析，定子匝间故障检测过程400可以包括隔离步骤406，其中在描绘频率数据520的频谱中的高次谐波被与基波和其他高次谐波隔离。例如，隔离的谐波可以出现在由矩形534表示的特定频率处，该特定频率是基频的倍数。因为与定子绕组匝间故障相关联的机械振动测量值大于与正常操作相关联的机械振动测量值，所以在隔离的高次谐波534处的故障振动曲线532的加速度(即幅度或量值)可以大于正常振动曲线530的加速度(幅度或量值)。在一个实施方式中，由隔离步骤406识别的隔离的高次谐波534可以是由振动传感器160进行的机械振动测量的二次谐波。为了分离和隔离二阶谐波，隔离步骤406可以使用带通滤波器，该带通滤波器使具有特定频率的特定信号通过而阻止其他信号通过。参考图3，带通滤波器322可以实施为与检测系统300的微处理器304可操作地相关联的电子电路。

一旦高次谐波已经被隔离，则定子匝间故障检测过程400可以进行比较步骤408，在该比较步骤中，将与隔离的高次谐波相关联的机械振动测量值的加速度(即，频率图的幅度或量值)与指示定子绕组匝间故障的预定阈值410进行比较。阈值410可以通过正常地操作发电机组100或类似的发电机组或具有不同程度的定子绕组匝间故障以及测量所产生的发电机的机械振动来凭经验预先确定。例如，阈值410可以等同于图5中的正常操作曲线530，并且可以在该频率上与隔离的高次谐波534进行比较。参考图3，微处理器304可以包括编程逻辑或电路形式的比较器324，以确定两个输入中的哪一个(即隔离的高次谐波或阈值)具有更大的幅度或量值。

如果由振动传感器160获得的机械振动测量值的加速度在隔离的高次谐波534处超过阈值，则定子匝间故障检测过程400可以进行故障信号发送步骤412。例如，检测系统300可以生成指示定子绕组匝间故障的故障信号，该故障信号可以作为视觉或听觉警报通过HMI 312输出。在一个实施方式中，故障分析器302还可以进行传输步骤414以经由网络收发器314将故障信号传输到网络316。

检测系统300还可以被配置成检测转子120的绕组匝间故障。参考图6，示出了可以由检测系统300的故障分析器302实施或运行的转子匝间故障检测过程600。在初始测量步骤602中，检测系统300使用设置在发电机104的发电机壳体110上的振动传感器160进行机械振动测量。机械振动测量值表示发电机壳体110的物理周期性位移，并且振动传感器160根据加速度(例如，m/s²)或加速度随时间的变化来测量机械振动。在转子匝间故障检测过程600中，机械振动测量可以从多个振动传感器160进行，并且可以被分解或分割成多个方向。

为了将机械振动测量分割成不同的方向，转子匝间故障检测过程600可以包括分解步骤604。例如，在一个实施方式中，振动传感器160可以是多轴配置，并且可以在不同的可识别数据信号发送通道上输出与机械振动测量的不同方向相对应的电信号。数据信号发送通道可以被复用或保持不同。在另一个实施方式中，振动传感器160可以是单轴的，并且输出唯一地对应于机械振动测量的特定方向的电信号。参考图3，为了将在系统I/O接口310处从多个振动传感器接收的输入数据信号分成相对于发电机104进行的机械振动测量的不同方向或位置，故障分析器302可以包括多路分解器或类似的数据选择器逻辑326或电路。例如，机械振动测量可包括至少第一定向测量、第二定向测量和第三定向测量。

例如，参考图7，示出了描绘第一定向测量值的第一子图702，第二定向测量值的第二子图704和第三定向测量值的第三子图706的图表700。在一个实施方式中，第一、第二和第三子图702、704和706可以对应于与发电机104相关联的轴向振动测量162、垂直振动测量164和横向振动测量166。另外，图表700表示在发电机壳体110上的不同位置处来自多个不同振动传感器(由支架708表示)的测量结果。

图7描绘了对应于如正常振动曲线710所指示的正常运行的发电机104的机械振动测量的数据。图7还描绘了对应于以故障振动曲线712所指示的转子绕组匝间故障运行的发电机104的机械振动测量的数据。因为由转子匝间故障引起的转子120的不对称或偏心旋转增加了由振动传感器160测量的位移，所以故障振动曲线712的加速度(即振幅)大于正常振动曲线710的加速度(即振幅)。在一个实施方式中，图表700和子图702、704、706中描绘的数据可以是频域中的频率相关数据，具有相对于以赫兹(X轴)为单位测量的频率而测量的加速度(Y轴)。在图表700中表示的频域数据可以最初作为时间相关数据获得并且被转换到频域以便于分析。转子匝间故障检测过程600可以包括例如通过快速傅里叶变换从时域转换到频域的转换步骤606。时间数据和频率数据之间的转换可以由故障分析器302的傅立叶逻辑320来完成。

为了分析机械振动测量，转子匝间故障检测过程600可以进行到比较步骤608，在该比较步骤中，将与高次谐波相关联的机械振动测量的量值与指示转子绕组匝间故障的阈值610进行比较。阈值610可以包括与第一定向测量值进行比较的第一阈值、与第二定向测量值进行比较的第二阈值以及与第三定向测量值进行比较的第三阈值。可以基于与机械振动测量值相关的加速度(即，幅度或量值)来比较定向测量值和阈值。第一、第二和第三阈值可以彼此相同或不同。可以如上所述根据经验预先确定阈值610。如果定向测量值没有超过阈值610，则转子匝间故障检测过程600可以返回到测量步骤602。

如果机械振动测量值超过阈值610，则转子匝间故障检测过程600可以评估发电机是否在多个方向(例如，至少三个笛卡尔方向)上振动或波动。在特定数量的方向上可测量的振动可以表示不平衡发电机104。查询步骤612可以基于与不同方向相关联的子图702、704、706的数量或分析来做出该确定。如果在特定数量的方向(例如最小数量的方向)上没有发生机械振动测量，则转子匝间故障检测过程600可以返回到测量步骤602。

如果由振动传感器160获得的机械振动测量值超过阈值610，则转子匝间故障过程600可以进行另一个故障信号发送步骤614。例如，检测系统300可以生成指示通过HMI 312输出的转子绕组匝间故障的故障信号。转子匝间故障过程600还可以包括传输步骤616以经由网络收发器314将故障信号传输到网络316。

工业实用性

用于检测具有定子和/或转子绕组的绕组匝间故障的检测系统300可以被提供为在组装时与发电机组100结合的嵌入式系统。在发电机组100的组装期间可以获得用于与机械振动测量值进行比较的阈值。在一个实施方式中，检测系统300还可以设置成用于装配到在现场操作的发电机组100的售后套件。参考图3，多个振动传感器160和故障分析器302可以一起作为套件或封装提供。振动传感器160可以在选定位置处安装到发电机壳体110的外部，而不进入发电机104的内部或不干扰发电机的移动内部部件的布置和间隙。故障分析器302可以容纳在控制面板114中，或者在一个实施方式中，可以上载到控制面板中的现有计算装置。

在一个实施方式中，由检测系统300获得的信息可以被传输到远程后端系统318用于进一步分析和存储。特别地，由检测系统300进行的机械振动测量值和相关联的分析可以经由收发器314通过网络316传输到后端系统318。后端系统318可以提供用于与机械振动测量值进行比较的更新的阈值，可以跟踪机械振动测量的进度日志，并且可以安排采取校正动作来补救所识别的与定子和/或转子绕组一起发生的匝间故障和类似的绕组故障。

应当理解，以上描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以设想，本发明的其他实现方式在细节上可以不同于前述示例。对本发明或其示例的所有参考旨在引用此时正在讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。所有关于某些特征的区分和不一致的语言旨在表示对这些特征缺乏偏好，但并非将其完全排除在本发明的范围之外，除非另外指明。

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