彭昱，黃守道，何赟澤，郭昕，羅德榮，張曉飛

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

0 引 言

電機(jī)繞組常見的故障類型為匝間短路故障與斷線故障，其故障主要由絕緣缺陷與銅條缺陷引起，主要缺陷形式包括銅條表面橫向裂紋、絕緣破損及絕緣減薄與銅條橫向裂紋復(fù)合缺陷。絕緣系統(tǒng)長期經(jīng)受電、熱、機(jī)械振動(dòng)的作用而產(chǎn)生劣化，造成其有效厚度逐漸降低，最終擊穿破損，引發(fā)電機(jī)繞組匝間短路故障。銅條在壓型制造過程中容易造成表面裂紋，并逐漸演化成變形甚至斷裂，最終導(dǎo)致電機(jī)繞組斷線故障[1-3]。因此，電機(jī)繞組缺陷建模、多物理場演化機(jī)理及可視化檢測方法的研究，對(duì)電機(jī)繞組實(shí)現(xiàn)快速出廠檢測及早期故障預(yù)警具有重要意義[4-6]。

目前，關(guān)于電機(jī)繞組缺陷檢測的研究大多基于電信號(hào)[7-9]、磁信號(hào)[10-12]等物理量來進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8]提出了一種以擬序阻抗為特征量的海上雙饋定子繞組匝間短路早期故障辨識(shí)方法，該方法具有高靈敏度和非侵入式的優(yōu)點(diǎn)。然而，缺陷信息隱藏在電流信號(hào)中，檢測結(jié)果易受噪聲等信號(hào)干擾而降低準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[10]提出了一種在電機(jī)定子槽內(nèi)放置觀測線圈來監(jiān)測氣隙磁場的方法。這種方法信號(hào)強(qiáng)度大，準(zhǔn)確性高。但需要在電機(jī)中放置侵入式的探測線圈。因此，需要研發(fā)一種非侵入式、準(zhǔn)確性高的電機(jī)繞組缺陷可視化檢測技術(shù)。

脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，具有非接觸測量、結(jié)果形象直觀、可定量測量、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬材料的評(píng)估[13-16]。文獻(xiàn)[17]提出了一種渦流激勵(lì)視場動(dòng)態(tài)掃描熱成像檢測方法，實(shí)現(xiàn)了碳鋼多裂紋缺陷可視化檢測。文獻(xiàn)[18]通過對(duì)渦流熱成像的仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究，探究了鋼表面裂紋缺陷處的渦流分布和熱傳導(dǎo)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了缺陷尺寸的定量檢測。文獻(xiàn)[19]結(jié)合仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了表面涂層脫粘缺陷無損檢測。以上文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)在于圖像增強(qiáng)及特征提取技術(shù)的研究，并未通過建立電-磁-熱多物理場耦合模型探究缺陷尺寸變化對(duì)溫度場分布及檢測結(jié)果的影響機(jī)理。此外，傳統(tǒng)的渦流熱成像檢測對(duì)象為表面光滑無絕緣層覆蓋的試件，而本文研究對(duì)象電機(jī)繞組可能存在絕緣層表面缺陷或內(nèi)部銅條裂紋缺陷，該缺陷尺寸將影響檢測效果，在電磁激勵(lì)熱成像過程中有一定的難度。因此，為減小缺陷尺寸對(duì)檢測結(jié)果的影響，需要通過建立多物理場模型深入研究缺陷尺寸變化對(duì)溫度分布及檢測結(jié)果的影響機(jī)理[20-22]。

本文提出了一種考慮電-磁-熱耦合效應(yīng)的多物理場仿真建模方法，分析電機(jī)繞組缺陷脈沖渦流熱成像檢測過程，揭示缺陷對(duì)電、磁、熱輻射分布的擾動(dòng)機(jī)理，建立缺陷模型，量化缺陷幾何尺寸。所設(shè)計(jì)的主動(dòng)式紅外熱成像電機(jī)繞組缺陷檢測系統(tǒng)通過采集缺陷處的溫度場信息，提取熱響應(yīng)特征，并利用瞬態(tài)溫度響應(yīng)分析方法、快速傅里葉變換、主成分分析等算法處理熱像圖，從而實(shí)現(xiàn)繞組缺陷定量、可視化檢測，為電機(jī)繞組高效出廠檢測與狀態(tài)評(píng)估提供有效的理論與方法。

1 檢測技術(shù)原理及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 脈沖渦流熱成像檢測原理

電機(jī)繞組脈沖渦流熱成像檢測原理如圖1所示。當(dāng)載有高頻交流電的感應(yīng)線圈靠近電機(jī)繞組試件時(shí)，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)體材料表面或內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出渦流，根據(jù)焦耳定律，部分渦流轉(zhuǎn)化為焦耳熱，這些熱量會(huì)在繞組表面和內(nèi)部進(jìn)行傳播，從而引起繞組表面溫度變化，熱量信息向外輻射。在電機(jī)繞組損傷的情況下，渦流會(huì)在缺陷處聚集從而產(chǎn)生大量焦耳熱，使缺陷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，熱輻射增強(qiáng)。采用紅外成像儀捕捉繞組表面紅外輻射能量，在計(jì)算機(jī)中映射為直觀的熱像圖。

圖1 電機(jī)繞組脈沖渦流熱成像檢測原理圖

由于集膚效應(yīng)，繞組表面感應(yīng)出的渦流會(huì)聚集在試件表面，渦流密度隨深度指數(shù)衰減，集膚深度δ與激勵(lì)電流頻率f和材料屬性有關(guān)，公式如下：

(1)

式中：μ為磁導(dǎo)率(H/m)；σ為電導(dǎo)率(S/m)。

由焦耳定律可知，電機(jī)繞組內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q與渦流密度Js和電場強(qiáng)度E的平方成正比，即

(2)

熱量以熱波的形式在材料內(nèi)部傳播，但傳播的距離并不是無限的，隨著時(shí)間t的變化，熱波的透入深度δth可表示如下：

(3)

式中：α是熱擴(kuò)散系數(shù)，是ρ、Cp、k的函數(shù)。由上式可知，時(shí)間越長，熱波透入深度越大。

采用紅外熱像儀記錄繞組表面溫度時(shí)，遵循紅外輻射基本定律，即斯特凡-玻爾茲曼定律，繞組表面單位時(shí)間輻射的能量正比于物體熱力學(xué)溫度的4次方和發(fā)射率，即

j*=σsbεT4。

(4)

式中：σsb為斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)；T代表熱力學(xué)溫度(即絕對(duì)溫度)；ε代表發(fā)射率。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 瞬態(tài)溫度響應(yīng)處理方法

1)絕對(duì)溫度升高法。

把感應(yīng)加熱過程中熱像儀采集的所有幀的溫度數(shù)據(jù)減去第一幀(即未施加激勵(lì)時(shí))的溫度，從而得到每一點(diǎn)的絕對(duì)溫度升高值，由下式表示。絕對(duì)溫度升高法可去掉固有環(huán)境干擾，容易對(duì)比幾個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢。

ΔT(i,j,k)=T(i,j,k)-T(i,j,1)(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n,k=1,2,…,p)。

(5)

2)離差標(biāo)準(zhǔn)化。

離差化標(biāo)準(zhǔn)化將數(shù)據(jù)歸一化至[0,1]范圍內(nèi)，可有效抑制材料表面發(fā)射率不均的影響，消除非均勻的影響，增強(qiáng)缺陷的對(duì)比度，但歸一化后丟掉了原始幅值信息，也改變了熱像圖溫度的分布規(guī)律。在t時(shí)刻，像素P(m,n)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果可用下式表示：

(6)

式中：T(i,j,t)表示在t時(shí)刻下，像素點(diǎn)P(m,n)的溫度值；T(i,j)max和T(i,j)min分別為所有幀像素點(diǎn)P(m,n)的最大值和最小值。對(duì)t時(shí)刻所有像素點(diǎn)執(zhí)行上式，則可得到時(shí)刻t下的歸一化圖像。

1.2.2 脈沖相位法(PPT)

PPT是對(duì)熱像圖序列中的每一幀瞬態(tài)溫度響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換(FFT)，采用相位信息進(jìn)行缺陷檢測與評(píng)估。通過傅里葉變換可把時(shí)域熱像圖轉(zhuǎn)換到頻域，能有效抑制激勵(lì)不均勻、熱發(fā)射率變化等負(fù)面影響，增強(qiáng)缺陷對(duì)比度，提高缺陷檢測率。

1.2.3 主成分分析(PCA)

主成分分析(PCA)是一種有效的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過將原始的高維數(shù)據(jù)映射到維度較低的數(shù)據(jù)空間，可有效去除冗余數(shù)據(jù)和噪聲，同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)缺陷顯示效果和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的。具體步驟如下：1)標(biāo)準(zhǔn)化原始熱響應(yīng)信號(hào)；2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣；3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量；4)求取主成分。

2 多物理場耦合仿真研究

2.1 仿真模型建立

利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.4的“感應(yīng)加熱”模塊，建立了如圖2所示的三維模型。采用含有冷卻通道的空心銅制線圈作為激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈外徑為1 mm，長10 mm，位于試件上方5 mm處，冷卻通道內(nèi)通入冷卻水以降低激勵(lì)線圈溫度。電機(jī)繞組試件尺寸為10 mm×5.1 mm×1.95 mm，在試件上表面中心設(shè)置尺寸為0.4 mm×5.1 mm×0.4 mm的淺槽型缺陷，與試件長度方向垂直，缺陷內(nèi)部為空氣，上面覆蓋一層0.05 mm厚的聚酰亞胺薄膜(PI膜)，模擬電機(jī)繞組表面絕緣層。仿真所用材料參數(shù)見表1。仿真所用的激勵(lì)電流頻率為100 kHz，幅值為5 A，加熱時(shí)間為15 s，初始溫度為293 K。

表1 材料參數(shù)

圖2 多物理場仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 電磁場與溫度場分析

由于該模型具有對(duì)稱性，故可截取三維模型中的一個(gè)截面進(jìn)行二維仿真。該二維數(shù)值仿真可模擬銅條表面橫向裂紋缺陷在渦流脈沖激勵(lì)下缺陷處的感應(yīng)加熱過程。由式(4)可計(jì)算出在100 kHz下，趨膚深度為0.205 mm，小于缺陷深度0.4 mm，趨膚深度內(nèi)的缺陷檢測是渦流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果，而趨膚深度外的缺陷對(duì)渦流分布的影響可以忽略，缺陷主要影響熱傳導(dǎo)過程。試件在加熱結(jié)束時(shí)刻(t=15 s)缺陷二維截面上的磁場分布、感應(yīng)電流分布與熱分布如圖3所示。

如圖3(a)所示，試件表面電磁場由于缺陷的存在而發(fā)生畸變，尤其是缺陷尖端區(qū)域?；兊碾姶艌龃┻^試件時(shí)由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，試件內(nèi)部感應(yīng)出的渦流也發(fā)生嚴(yán)重畸變。由圖3(b)可看出，表面電流密度在裂紋缺陷尖端達(dá)到最大，并向缺陷兩側(cè)逐漸減小。根據(jù)焦耳定律，加熱功率與渦流密度的平方成正比，因此在缺陷兩側(cè)頂部形成高溫區(qū)域，如圖3(c)和3(d)所示。隨著感應(yīng)加熱時(shí)間的延長，熱量將會(huì)在熱傳導(dǎo)的作用下從試件表面?zhèn)鬟f至試件內(nèi)部。由表1可知各材料的導(dǎo)熱系數(shù)由大到小依次為銅、聚酰亞胺、空氣，因此熱量向試件無缺陷部位傳導(dǎo)得比向缺陷中心更快；且熱傳導(dǎo)的作用遠(yuǎn)大于熱輻射的作用，因此試件內(nèi)部溫度比試件表面溫度高，圖3(d)所示的等溫線圖與上述分析一致。

圖3 t=15 s時(shí)電磁與溫度分布圖

2.2.2 不同槽深度缺陷溫度分布規(guī)律分析

為研究不同槽深度對(duì)電機(jī)繞組槽表面裂紋檢測的影響，本節(jié)仿真設(shè)置了4種寬度相同，深度不同的矩形缺陷，其寬度為0.4 mm，深度依次為0.1、0.3、0.5和0.7 mm。為本文從溫度響應(yīng)信號(hào)中提取了4個(gè)特征量以研究溫度變化規(guī)律，提高裂紋識(shí)別性能。第一個(gè)特征量為峰-峰值距離(dp-p)，即溫度曲線2個(gè)振幅峰值之間的距離；第2個(gè)特征量為差分峰值(dp)，即不同溫度曲線峰值之間的距離；第3個(gè)特征量為差分谷值(dt)，即不同溫度曲線谷值之間的距離；第4個(gè)特征量為差分峰谷值(dp-t)，即溫度曲線峰值與谷值之間的距離。

圖4所示為加熱15 s后，不同槽深度下缺陷表面與缺陷底部溫度曲線圖。溫度曲線以缺陷中心對(duì)稱，2個(gè)正峰值位于為缺陷兩側(cè)，波谷位于缺陷中心處。由圖可知，缺陷中心處溫度低于缺陷兩側(cè)非缺陷處溫度，與圖3(c)、3(d)結(jié)論一致。各曲線的dp-p值相同，說明缺陷寬度相同。隨著缺陷深度的增加，各溫度曲線峰值和谷值減小，dp、dt、dp-t均減小，說明缺陷處與缺陷兩側(cè)的非缺陷處的溫度均隨深度的增加而降低，且降低速率減小。這是由于缺陷兩側(cè)表面在外部激勵(lì)作用下形成高溫區(qū)，熱量在熱傳導(dǎo)作用下逐漸向下傳遞，在相同時(shí)間下，缺陷深度越大，缺陷底部距離熱源越遠(yuǎn)，所獲得熱量越少，因此缺陷底部溫度隨缺陷深度增加而減少。

圖4 不同槽深缺陷表面及底部溫度曲線圖

2.2.3 不同絕緣層厚度缺陷溫度分布規(guī)律分析

為模擬電機(jī)繞組絕緣減薄與絕緣破損缺陷，現(xiàn)研究不同絕緣層厚度d下缺陷的溫度分布變化規(guī)律。仿真在相同尺寸矩形缺陷上設(shè)置了4種不同厚度的絕緣層，厚度分布為：0.15 mm、0.1 mm、0.05 mm、0(模擬電機(jī)繞組絕緣破損缺陷)。如圖5所示為感應(yīng)加熱15 s后，不同絕緣層厚度d的仿真計(jì)算溫度分布。

圖5 不同絕緣層厚度d下的缺陷溫度分布

在外部激勵(lì)源的作用下，試件表面感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量經(jīng)PI膜擴(kuò)散至缺陷內(nèi)部的空氣或者絕緣材料中。由于空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)大于PI膜，因此熱量在填充了空氣的裂紋中擴(kuò)散得更快，與圖5(a)至圖5(d)的結(jié)果一致。

圖6所示為不同絕緣層厚度d下缺陷銅表面與PI膜表面溫度變化曲線，選取上節(jié)中的4個(gè)特征量進(jìn)行分析。

圖6 不同絕緣層厚度d下的缺陷銅表面與PI膜表面的溫度分布曲線

圖6中，銅表面和絕緣層表面的溫度曲線在缺陷兩側(cè)出現(xiàn)2個(gè)波峰，在缺陷中心處出現(xiàn)一個(gè)波谷。波谷的值逐漸增大，即缺陷中心處溫度隨絕緣層變薄而增大。各曲線dp-p值保持不變，說明缺陷寬度相同。絕緣層厚度由0.15 mm減小至0.05 mm的過程中，隨著d的減小，dp和dt值降低而PI膜表面溫度變化曲線的dp-t值升高。這是因?yàn)樵谕獠考?lì)作用下，缺陷表面兩側(cè)形成2個(gè)熱源，熱量在熱傳導(dǎo)作用下逐漸向PI層與試件內(nèi)部傳遞，隨著d的減小，PI膜與銅表面距離減小，因此溫差(即dp和dt值)降低。而缺陷兩側(cè)上越薄的PI膜獲得的熱量越多，因此膜表面缺陷處與非缺陷處溫差dp-t值隨d減小而增大。當(dāng)d=0 mm時(shí)，由圖6(d)可知，缺陷處溫度低于缺陷兩側(cè)的非缺陷處溫度。

以上仿真結(jié)果表明，缺陷的存在使得電磁場和溫度場發(fā)生了畸變，缺陷表面溫度低于非缺陷表面溫度。通過分析4種特征量的變化規(guī)律，揭示了缺陷尺寸變化對(duì)溫度分布及檢測結(jié)果的影響機(jī)理，即缺陷底部溫度隨缺陷深度增大而減小，缺陷中心處溫度隨絕緣層變薄而增大。仿真結(jié)果為后續(xù)提供了理論依據(jù)，驗(yàn)證了電磁感應(yīng)熱成像技術(shù)在電機(jī)繞組缺陷檢測中的可行性。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原始數(shù)據(jù)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文搭建了基于脈沖渦流熱成像的電機(jī)繞組缺陷可視化檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置如圖7所示，主要包括電機(jī)繞組試件、電磁激勵(lì)器、激勵(lì)線圈、電磁激勵(lì)信號(hào)控制電路、水冷系統(tǒng)、FLIR A6702sc紅外熱像儀、PC等。實(shí)驗(yàn)過程中，激勵(lì)線圈置于電機(jī)繞組試件上方15 mm處，利用信號(hào)控制電路產(chǎn)生高頻激勵(lì)信號(hào)(本次實(shí)驗(yàn)采用的頻率為100 kHz)，對(duì)繞組試件進(jìn)行感應(yīng)加熱15 s，冷卻35 s，總實(shí)驗(yàn)時(shí)長50 s。紅外熱像儀安裝在試件上方約70 cm處。

圖7 電磁激勵(lì)紅外熱輻射電機(jī)繞組缺陷檢測系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)被檢對(duì)象電機(jī)繞組試件由寬5.1 mm，厚0.95 mm的銅條表面覆蓋0.05 mm厚的聚酰亞胺薄膜(絕緣)制成。人為割破銅條或絕緣，設(shè)置銅條表面裂紋(tc)、絕緣破損(ib)、絕緣減薄與銅條表面裂紋復(fù)合缺陷(it-tc)。表2給出了試件及缺陷的詳細(xì)信息。

表2 實(shí)驗(yàn)試件及缺陷詳細(xì)信息

實(shí)驗(yàn)中，電磁激勵(lì)器選用株洲三湘機(jī)電公司生產(chǎn)的GGC-15 A大功率高頻感應(yīng)加熱器，最大15 kW的勵(lì)磁功率，輸入電壓范圍：180～240 V，最大電流1 000 A，激勵(lì)的頻率范圍為100～150 kHz。冷卻水壓：0.2～0.3 MPa，線圈的冷卻水被用來降低線圈溫度。電磁激勵(lì)線圈采用平面矩形線圈，由直徑為6.5 mm的圓形銅管繞制而成，內(nèi)置冷卻通道。紅外熱成像儀為FLIR A6702sc搭載制冷式銻化銦(InSb)探測器，擁有熱靈敏度(NETD)<20 mK的高熱靈敏度，測溫范圍-20 ℃～+350 ℃，制冷微熱量型，圖像分辨率為512×640像素，用FLIR ResearchIR軟件對(duì)采集信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行軟件濾波、圖像去噪等信號(hào)處理。

3.2 原始熱像圖

利用MATLAB對(duì)紅外熱像儀采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖8(a)～圖8(c)分別展示了銅條橫向裂紋缺陷(tc)、絕緣破損缺陷(ib)和絕緣減薄與銅條裂紋復(fù)合缺陷(it-tc)在加熱階段結(jié)束時(shí)刻(t=15 s)的原始熱像圖。可以看到，在加熱結(jié)束時(shí)刻，缺陷處與非缺陷處熱像圖顏色不同，顏色明亮處代表溫度高處，說明電機(jī)繞組缺陷影響了試件表面溫度分布。圖8(a)，圖8(b)中的缺陷較明顯；在圖8(c)中，覆蓋了2層絕緣處熱像圖顏色較一層絕緣處深，一層絕緣下的銅條裂紋缺陷不明顯。

圖8 3類電機(jī)繞組缺陷原始熱像圖

由此可見，時(shí)域熱分析是一種有效的電機(jī)繞組缺陷檢測方法，時(shí)域熱像圖能在一定程度上顯示出缺陷，但對(duì)于復(fù)雜缺陷的檢測效果并不理想，因此仍需進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，以獲得更好的檢測效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 瞬態(tài)溫度響應(yīng)分析

為研究試件不同部位的瞬態(tài)熱響應(yīng)，圖9為實(shí)驗(yàn)所用3類缺陷的采樣點(diǎn)的位置示意圖，表3給出了3類缺陷實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的相關(guān)信息。用MATLAB分析各采樣點(diǎn)的溫度變化信息，各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的絕對(duì)溫升曲線與離差標(biāo)準(zhǔn)化曲線如圖10～圖12所示。

圖9 3類缺陷實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置示意圖

表3 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置

在圖10(a)、圖10(b)中，A1、B1溫度變化趨勢一致，在加熱階段溫度均急劇上升，在加熱結(jié)束時(shí)刻(第15 s)，溫度達(dá)到最高，隨后在冷卻階段由于熱擴(kuò)散作用，溫度持續(xù)下降。在圖10(a)中銅條裂紋缺陷中心A1點(diǎn)溫度峰值低于無缺陷處B1點(diǎn)，在圖11(b)中，B1點(diǎn)溫度下將速率大于A1點(diǎn)。由于材料的溫度變化與溫度梯度有關(guān)，梯度越大，溫度變化越快，在加熱結(jié)束時(shí)刻B1點(diǎn)聚集了更多熱量，溫度梯度大于A1點(diǎn)，因此B1點(diǎn)溫度下降速率大于A1點(diǎn)。

圖10 tc缺陷瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

在圖11(a)中，繞組絕緣完好處B2、C2兩點(diǎn)溫度幾乎一致，均高于ib中心A2點(diǎn)。由于A2點(diǎn)處為銅，其發(fā)射率約為0.2，而B2、C2兩點(diǎn)處為聚酰亞胺薄膜，發(fā)射率為0.98，由式(4)可知，單位時(shí)間內(nèi)，物體表面輻射量與發(fā)射率成正比，故B2、C2兩點(diǎn)溫度高于A2點(diǎn)。在圖11b中，A2點(diǎn)溫度下降速率大于B2、C2兩點(diǎn)，這是因?yàn)锳2處銅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B2、C2兩處聚酰亞胺薄膜的熱導(dǎo)率，所以A2點(diǎn)在冷卻階段的溫度下降速率大于B2、C2兩點(diǎn)。

圖11 ib缺陷瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

在圖12(a)中，各點(diǎn)溫度變化趨勢一致，溫度在加熱階段均上升，在加熱結(jié)束時(shí)刻(第15 s)達(dá)到最高，而在冷卻階段持續(xù)下降。一層絕緣與二層絕緣下銅條裂紋缺陷中心A1、C1兩點(diǎn)溫度明顯低于同等厚度絕緣層下無缺陷處B1、D1兩點(diǎn)。同時(shí)，A1點(diǎn)溫度曲線峰值高于C1點(diǎn)，由此可見隨著絕緣層變薄，缺陷中心處溫度逐漸升高，與仿真結(jié)果圖7結(jié)論一致。在圖12(b)中可看出，A1、C1兩點(diǎn)的離差標(biāo)準(zhǔn)化曲線在加熱階段基本重合，在冷卻階段，A1溫度下降速率大于C1點(diǎn)，這是因?yàn)椴牧系臏囟茸兓c溫度梯度有關(guān)，梯度越大，溫度變化越快，在加熱結(jié)束時(shí)刻A1點(diǎn)聚集了更多熱量，溫度梯度大于C1點(diǎn)，因此A1點(diǎn)溫度下降速率大于C1點(diǎn)。

圖12 it-tc缺陷瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

由以上分析可知，繞組缺陷處瞬態(tài)溫度響應(yīng)與無缺陷處明顯不同，絕對(duì)溫升法消除了固有環(huán)境的影響，有助于比較幾個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的溫度變化趨勢，不僅可以判斷銅條表面是否有裂紋，實(shí)現(xiàn)銅條裂紋缺陷檢測，還可以區(qū)分絕緣層的厚度，有效地檢測出絕緣減薄缺陷。離差標(biāo)準(zhǔn)化曲線有效地減小了提離效應(yīng)，消除了不均勻的加熱效果，增強(qiáng)了缺陷對(duì)比度，提高了繞組缺陷檢測效果。

4.2 FFT處理分析

對(duì)圖8所示的熱像圖做FFT變換，采樣頻率為10 Hz，幀速率10f/s，幀間隔為0.1 s，共150幀數(shù)據(jù)，熱像儀記錄時(shí)間為15 s。圖13(a)～圖13(c)分別為銅條裂紋缺陷、絕緣破損缺陷、絕緣減薄與銅條裂紋復(fù)合缺陷的最佳幅值圖；圖14(a)～圖14(c)為上述3種缺陷的最佳相位圖。圖15(a)、15(b)與原始熱像圖圖8(a)相比，經(jīng)FFT處理后的圖像更清晰的顯示了橫向裂紋缺陷的位置和形狀。在圖8(c)中看不出來的一層絕緣下的缺陷，在幅值圖(圖13(c))和相位圖(圖14(c))下也顯示了出來。圖14(b)、14(b)與圖8(b)相比，大部分背景噪聲被濾除，絕緣破損缺陷邊緣更清晰。由以上分析可知，F(xiàn)FT不僅能通過分析相位圖的異常實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測，還能起到很好的濾波效果，提高性噪比，將缺陷與背景噪聲很好的分離，獲得更好缺陷的檢測效果。

圖13 3類缺陷經(jīng)FFT處理后最佳幅值圖

圖14 3類缺陷經(jīng)FFT處理后最佳相位圖

4.3 PCA處理分析

利用PCA對(duì)熱成像序列進(jìn)行分析和處理，得到3類缺陷的各主成分圖，其中第一主成分和第3主成分檢測效果最佳，如圖15所示。圖15(b)與圖8(b)相比，絕緣破損缺陷邊緣更清晰，缺陷位置及尺寸更明顯；從圖15(c)中可以看出，絕緣減薄與銅條裂紋復(fù)合缺陷更明顯，且原來檢測不出來的一層絕緣下的缺陷也能被檢出。由以上可知，PCA作為一種降維與特征提取算法，能有效去除冗余數(shù)據(jù)和背景噪聲，同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)缺陷顯示效果與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的。

圖15 3類缺陷最佳PCA熱像圖

4.4 信噪比分析

為了更直觀地分析熱像圖信號(hào)處理結(jié)果，本文采用各類信噪比作為量化指標(biāo)評(píng)定圖像處理結(jié)果。3類缺陷經(jīng)FFT和PCA處理后圖像的信噪比結(jié)果如表3所示。信噪比(SNR)描述為缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域的熱對(duì)比度，其中缺陷區(qū)域作為信號(hào)區(qū)域，無缺陷區(qū)域作為噪聲區(qū)域。幅值信噪比(SNRA)、相位信噪比(SNRP)和PCA圖像信噪比(SNRPCA)分別定義為經(jīng)過FFT后最佳幅值圖、經(jīng)FFT后最佳相位圖、最佳檢測效果的PCA圖像的(缺陷區(qū)域平均溫度-無缺陷區(qū)域平均溫度)與無缺陷區(qū)域平均溫度的比值。

由表4可知，經(jīng)FFT與PCA處理后的圖像信噪比高于原始圖像的信噪比。證明上述圖像處理方法有效的增強(qiáng)了缺陷特征，提高了缺陷的可檢測性與可視化程度。

表4 各數(shù)據(jù)處理方法的信噪比結(jié)果

5 結(jié) 論

本文建立了考慮電-磁-熱耦合的繞組缺陷的多物理場模型，提出了基于脈沖渦流熱成像的繞組缺陷定量檢測方法。通過多物理場仿真揭示了感應(yīng)加熱過程中缺陷對(duì)電磁感應(yīng)及熱傳導(dǎo)的擾動(dòng)機(jī)理：缺陷會(huì)使渦流場與溫度場發(fā)生畸變，渦流聚集在缺陷邊緣兩側(cè)而形成高溫區(qū)，缺陷處渦流密度低而形成低溫區(qū)，缺陷底部溫度隨缺陷深度增大而減小，且缺陷中心處溫度隨絕緣層變薄而增大。

搭建了主動(dòng)式電磁感應(yīng)熱成像電機(jī)繞組缺陷檢測系統(tǒng)，并對(duì)電機(jī)繞組銅條裂紋、絕緣破損、絕緣減薄等缺陷進(jìn)行定量檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)很大程度上消除了環(huán)境背景噪聲和非均勻的影響，提高了缺陷檢測效率和可視化程度。同時(shí)與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

本文的局限性在于僅用表面覆蓋聚酰亞胺薄膜模擬電機(jī)繞組絕緣工藝，未考慮實(shí)際電機(jī)繞組絕緣處理中的浸漆工藝；所提方法目前僅適用于出廠檢測中，未考慮實(shí)際鑲嵌在定子鐵心中，并有機(jī)殼覆蓋的電機(jī)繞組缺陷檢測的難度；仿真與實(shí)驗(yàn)僅設(shè)置規(guī)則的矩形缺陷，并未對(duì)更實(shí)際不規(guī)則損傷進(jìn)行研究。在未來的工作中，將對(duì)經(jīng)過浸漆處理、嵌在定子鐵心中的電機(jī)繞組表面不規(guī)則幾何缺陷進(jìn)行建模，研究其對(duì)電磁熱場的擾動(dòng)機(jī)理，研發(fā)更先進(jìn)的特征提取算法，提高缺陷檢測的效率與準(zhǔn)確性。