CN102195410A - 电机中磁性元件的振动监视 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机中磁性元件的振动监视。具体地，提供了一种电机，其包括两个活动元件，其中第一活动元件为电机的定子，另一活动元件为电机的转子。附接到活动元件之一的是在操作期间与电机中的磁通量相互作用的磁性元件。进一步地，传感器被提供用于测量电机的振动量，控制单元被配置用于根据所测振动量检测磁性元件的位移。电机可以是发电机或电动机。

Description

电机中磁性元件的振动监视

技术领域

本发明涉及诸如发电机或电动机的电机领域。

背景技术

在一些电机中，其绕组被容纳在芯槽中，并且该芯槽的开口由所谓的槽楔封闭。该槽楔可以是有磁性的或非磁性的。磁性槽楔具有一定的被设计为提供预期功能的磁性。例如，分别被配置的磁性槽楔用于减少磁芯损耗、振动、曲折转矩（zigzag torque）和磁化电流。磁性槽楔特别用在感应电机中。

然而，磁性槽楔承受高磁力和高热循环。结果，磁性槽楔会变松，因而会移位或者甚至从芯槽中脱出。结果，绕组绝缘不再受到任何保护，随时间变坏，最后导致短路。这种短路可能产生高脉动转矩，该高脉动转矩可损坏电机的某些部件。为了克服以上问题，已知的方案是使用非磁性槽楔。

鉴于上述情况，需要一种改进的技术，其能够提供基本上避免或至少减少上述问题中一个或多个问题的电机。

发明内容

这一需求可通过独立权利要求的主题得以实现。本申请公开主题的有利实施例通过各从属权利要求进行描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种电机，其包括能相对于彼此运动的两个活动元件，其中，所述活动元件中的一个活动元件形成了所述电机的定子，所述活动元件中的另一个活动元件形成了所述电机的转子。磁性元件被附接到所述活动元件之一。所述磁性元件在所述电机的操作期间与所述电机中的磁通量相互作用。进一步地，根据第一方面的电机包括用于测量所述电机的振动量的传感器。仍进一步地，所述电机包括控制单元，以用于根据所测振动量检测所述磁性元件的位移。

本发明的该方面基于下述思想：移位的磁性元件改变所述电机中的磁阻分布，并因而改变由电机内的磁力造成的振动。因而，通过测量所述电机的振动量，能够检测所述磁性元件的位移。

应理解，尽管在第一方面中提到一个磁性元件，当然，两个或多个磁性元件，并且通常是多个磁性元件被提供在所述电机中。

根据一个实施例，术语“磁性”包括“由磁活性物质制成”或者，“由高导磁材料制成”，只是为了列举一些示例。

一般地，在此，术语“与电机中的磁通量相互作用的磁性元件”包括下述实施例，其中，磁性元件被配置和/或定位在所述电机中，其中该磁性元件对所述电机中的磁通量具有一定影响。在一些示例性实施例中，“与磁通量相互作用”包括调节所述电机中的磁通量、增大所述电机中的磁通量、优化所述电机中的磁通量等等。

根据进一步的实施例，所述传感器为用于测量所述电机的加速度的加速度计。例如，根据一个实施例，所述转子围绕旋转轴线旋转，并且所述传感器被提供以测量沿与所述旋转轴向形成角度的方向的加速度，其中该角度不同于零度。例如，根据一个实施例，所述传感器可被提供以测量所述电机的径向振动。

根据进一步的实施例，所述电机包括所述活动元件之间的气隙，并且所述磁性元件被定位成面向所述气隙。这种实施例的示例为，磁性元件被提供成所述电机的磁性槽楔的形式。根据其他实施例，在此提到的所述磁性元件可以是所述电机的任一其他磁性元件。

根据进一步的实施例，所述活动元件中的所述磁性元件与其附接的那个活动元件包括绕组，并且这个磁性元件位于所述绕组与所述气隙之间，由此形成一个实施例中的槽楔。这种构造可导致改进的效率，例如导致所述电机的减少的磁芯损耗。

根据进一步的实施例，所述传感器被配置成用于测量对于多个频率的所述振动量，以提供所述振动量的波谱。根据这种实施例，根据进一步的实施例，所述控制单元被配置成用于监视所述波谱的至少一部分，并用于当所述振动量在预定区间外时确定所述磁性元件的位移。

例如，根据一个实施例，所述预定区间具有上限和下限，并且所述控制单元被配置成用于确定所述磁性元件在当所述振动量低于所述预定区间的所述下限和/或所述振动量高于所述预定区间的所述上限时是否被移位。根据进一步的实施例，所述预定区间为半开区间，并仅包括单个界限。例如，根据一个实施例，所述预定区间包括上限，并且所述控制单元被配置成用于确定所述磁性元件在当所测振动量高于所述预定区间的所述上限时是否被移位。进一步地，根据进一步的实施例，所述控制单元被配置成用于确定所述磁性元件在当所述振动量低于预定半开区间的下限时是否被移位。应理解，所述预定区间可根据所述振动量的性质进行选择。进一步地，所述预定区间可在操作所述电机之前，例如在制造所述电机期间被设定。根据其他实施例，所述预定区间在操作所述电机期间例如基于所述电机的操作参数和/或基于所述电机的所测振动量而被确定。

根据一个实施例，所述振动量是所述电机的机械振动的平均振幅。根据另一实施例，所述振动量为所述电机的机械振动的峰值振幅。根据进一步的实施例，所述振动量为所述电机的机械振动的频率。所述电机的其他振动量也是可以预期的。例如，在本发明的某种意义上来说，也可将电或磁振动或者电或磁振动的参数用作振动量，而不用确定电机的机械振动。

根据本申请公开主题的第二方面，提供了一种用于检测电机的磁性元件位移的方法，其中所述电机包括能相对于彼此运动的两个活动元件，且其中所述活动元件中的一个活动元件形成了所述电机的定子，所述活动元件中的另一个活动元件形成了所述电机的转子。其位移待检测的磁性元件被附接到所述活动元件之一。根据第二方面的方法包括：测量所述电机的振动量，并基于所测振动量确定所述磁性元件的位移。

根据本申请公开主题的第三方面，提供一种用于操作电机的控制单元的方法，该方法包括：接收表示所述电机的振动量的输入信号，响应所述输入信号检测所述电机的磁性元件的位移，并响应所述磁性元件的所测位移提供输出信号。

根据本申请公开主题的第四方面，提供一种用于处理输入信号的计算机程序，该输入信号表示电机的振动量。当所述计算机程序由数据处理器执行时适于控制根据第三方面或其实施例所述的方法。

如在此使用，参照计算机意在等同于参照程序单元和/或计算机可读介质，该程序单元和/或计算机可读介质包含用于控制计算机系统的指令，用于协调根据第三方面或其实施例所述方法的性能。

计算机程序通过使用任一合适的编程语言，例如JAVA、C++可被实现为计算机可读指令码，并可被存储在计算机可读介质（可移动磁盘、易失或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）。指令码可操作用于对计算机或任一其他可编程设备进行编程，以实现预期功能。计算机程序可通过网络，例如万维网获得，从网络上可下载该计算机程序。

本发明可通过计算机程序或软件实现。然而，本发明还可通过一个或多个专用电路或硬件实现。而且，本发明还可实现成混合形式，即软件模块和硬件模块的组合。

在下文中，将参照一种电机、一种用于检测电机的磁性元件的位移的方法以及一种用于操作控制单元的方法来描述本申请公开主题的各示例性实施例。应指明，当然，与本申请公开主题的不同方面相关的任一组合也是可以的。特别地，一些实施例参照设备类型权利要求进行描述，而其他实施例参照方法类型权利要求进行描述。然而，技术人员根据以上并根据以下描述应获悉，除非另有说明，除了属于一个方面的各特征的任一组合之外，另外，与不同方面或实施例有关的各特征之间的任一组合，例如甚至设备类型权利要求的各特征与方法类型权利要求的各特征之间的任一组合，被视为通过本申请而公开。

本发明上文中限定的各方面和各实施例以及进一步的各方面和各实施例根据待在下文中描述的示例是显而易见的，并参照附图进行解释，但本发明并不限于此。

附图说明

图1示意性地示出了根据本申请公开主题的实施例的电机的横截面图。

图2示出了根据本申请公开主题的具有和不具有移位磁性元件的电机的速度谱。

图3A示出了针对不同空间顺序和频率的气隙径向力的傅里叶变换，其中对于所有槽楔均就位的电机，主激励线已被消隐。

图3B示出了与图3A的波谱类似的波谱，其中已从电机中移除了一个磁性槽楔。

图4示出了用于根据本申请公开主题实施例的方法的数据流程图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应指出，在不同附图中，类似或相同的元件提供有相同的附图标记，或者所提供的附图标记仅在第一位数字或附加字母与相应附图标记不同。

图1部分地示出了根据本申请公开主题的实施例的电机100的横截面图。电机100包括两个活动元件，即定子形式的第一活动元件102和转子形式的第二活动元件104。转子104相对于定子102可动，如箭头106所示。应指出，尽管转子被图示为具有平坦表面108，但这仅是为了便于图示。通常，总体上看，转子104具有曲线形或大致圆形的表面108。同样地，定子102也具有曲线形内表面110，其在图1中也被图示为平坦表面。

在定子102与转子104之间的为气隙，在图1中以112图示。因而，转子104的表面108和定子102的表面110彼此面对，并且也都面对着气隙112。根据一个图示实施例，定子包括附接到定子的磁性元件114。根据一个实施例，如图1所示，定子进一步包括槽116，该槽116具有电机的位于该槽中的绕组118。进一步位于绕组118与磁性元件114之间的是中间元件120。

根据图1中所示的实施例，磁性元件114位于绕组118与气隙112之间。因而，磁性元件114面对气隙，并且根据进一步的实施例，磁性元件114封闭槽116并由此保护绕组118。进一步地，通过提供具有合适磁性的磁性元件114，其在一些实施例在也被称为磁性槽楔，能够减少电机的磁芯损耗。根据本申请公开主题的实施例，电机100进一步包括用于测量电机的振动量的传感器122。根据图1中所示的实施例，传感器为用于测量电机100的加速度的加速度计。

由传感器122测量的加速度例如可归因于电机的振动。如果缺失磁性元件114，则出现电机的这种（额外）加速度/振动。使磁性元件114变松改变沿气隙的磁组分布，因此改变通量密度的谐波含量以及径向磁性振动的谐波含量。通过这种方式，外部加速度计122因此能够用于检测振动的谐波含量的这种变化。

根据本申请公开主题的进一步的实施例，电机100进一步包括控制单元124，用于根据由传感器122测量到的所测振动量检测磁性元件114的位移或移除，并响应该检测输出输出信号125。例如，根据一个实施例，控制单元124被配置为通过电机100的振动波谱测量缺失的磁性元件114（磁性槽楔）。控制单元例如可以基于软件，即被提供成在一个或多个处理器上运行的计算机程序形式。根据其他实施例，控制单元124基于硬件，并被提供成分立电路的形式。

根据一个实施例，（有线与无线）通信连接126被提供在传感器122与控制单元124之间，从而用于这些实体各自的通信。

图2示出了两个电机的模拟振动波谱，其中一个电机是所有磁性槽楔均就位的标准电机，而另一个电机是去除了一个磁性槽楔的相同电机。标准电机的振动波谱在图2中以130表示，而缺失了一个磁性槽楔的电机的振动波谱在图2中以132表示。从图2中可清楚看出，转子槽通过频率的谐波倍数的振动幅度（在图2中由圆134的区域中的峰值表示）明显受缺失槽楔的影响。在模拟示例中，缺失槽楔导致速度增大大约15 dB。缺失的磁性槽楔导致速度增大所适用的频率根据电机100的电参数被很好地限定。在图2中，以dB为单位的速度水平V和频率f以任意单位给出。

代替图2中所示的速度谱或额外地，根据一个实施例，气隙径向力或其傅里叶变换可用作用于检测松动槽楔的振动量。

图3A示出了作为频率f和振动m的空间顺序的函数的麦克斯韦力F的径向分量。特别地，图3A示出了如果在电机中存在所有槽楔时的力F的波谱，而图3B示出了同一电机的但其中一个槽楔缺失时力F的波谱。进一步地，为了凸显本申请公开主题的结果，在图3A和在图3B中已对空间顺序和频率的主激励线进行了消隐。

如图3A所示，缺失槽楔明显导致更大幅度的力，并因而导致更大的振动幅度，从而导致图3B中在以136标示的范围内力F的相应峰值。

如根据图2、图3A和图3B可见，已移除的单个槽楔产生电机的振动中的可检测变化并还产生开槽谐波中的可视变化。应指出，通常不必检测哪一个槽楔缺失，而是应该检测是否有任何一个槽楔缺失，这是因为缺失槽楔的可靠检测允许电机的操作者在线圈（绕组）中发生线圈绝缘磨损和短路之前用槽楔将电机重新楔住。

本领域技术人员将认识到，当然，电机的任何振动量、这种电量、磁量或机械量可用于检测电机的移位磁性元件。只是为了给出一些示例，在本申请公开主题后面的一些示例性实施例中，描述了如何根据所测振动量来检测缺失的槽楔。

根据一个实施例，传感器，例如图1中的传感器122，被配置为用于测量对于多个频率的振动量，从而提供值得考虑的振动量的波谱。如已关于图2所述，这种振动量可以是电机的速度，其可由外部加速度计测量。进一步地，根据一个相应实施例，控制单元被配置为监视波谱的至少一部分。例如，控制单元可被配置为监视一个频率范围，如果磁性元件例如磁性槽楔114被移除的话，则预期可在该频率范围中存在振动量的可检测变化。例如，在图2中所示的实施例中，这种频率范围将位于以134标示的峰值区域中。

选择波谱的所述部分可被预选确定或者在电机的操作期间被执行。进一步地，可提供预定区间，用于确定电机的磁性元件是否被移位。例如，可在电机操作期间监视图2中以134标示的峰值的峰值高度随时间变化的情况。于是，根据一个实施例，提供固定的预定区间，并且，只要峰值高度在预定区间内，则电机的所有槽楔被视为到位。然而，控制单元可被配置为，如果峰值高度针对值得考虑的振动量在预定区间外，则控制单元提供表示松动槽楔的输出信号。

代替使用预定、静态预定区间，任何其他合适的算法可用于检测磁性元件的位移。例如，根据另一实施例，可监视操作期间振动量的波谱中特定峰值的峰值高度随时间变化的情况，并且，峰值高度的突然变化可触发控制单元，从而用于提供表示磁性元件的位移的输出信号。

其他控制策略也是预期的并且完全落入本申请公开主题的范围内。

图4示出了检测电机（例如图1所示电机100）中的缺失槽楔的流程图。

如图4所示，根据一个实施例，提供以222表示的径向加速度计。该加速度计提供表示电机的振动量的输出信号223。通过例如可在控制单元，例如图1的控制单元124中执行的数据采集和处理，根据径向加速度计222提供的输入信号223获得振动波谱。振动波谱在图4中以229表示。

通过线跟踪和数据分析（在图4中以238表示），获得由径向加速度计222测量的表示振动量的某种量。这个表示振动的量240随时间发展的情况被示于图4的曲线图242中。进一步示出的是具有下限246和上限248的预定区间244。如果所测的量240高于上限248或者低于下限246，则控制单元确定电机的至少一个槽楔，或者更一般地，电机的至少一个磁性元件，是否被移位。基于导出量240和预定区间244的这种检测过程在图4中以250表示。

尽管在以上实施例中，磁性槽楔已作为根据本申请公开主题的磁性元件的示例进行描述，本领域技术人员会容易地认识到，通过类似方式可确定和检测电机的任一其他磁性元件的位移。进一步地，根据其他实施例，多个磁性元件被提供在转子处，和/或多个磁性元件被提供在定子处。

根据本申请公开主题的进一步实施例，控制单元的任一部件，例如整个控制单元124，被提供成相应计算机程序产品的形式，该计算机程序产品使处理器能够提供本文公开的控制单元的功能。根据其他实施例，控制单元的任一部件可被提供成硬件形式。根据其他混合实施例，一些部件可被提供成软件形式，而其他部件可被提供成硬件形式。进一步地，应注意，可为本文公开的每种功能提供一个分离部件（例如模块）。根据其他实施例，至少一个部件（例如模块）被配置成用于提供本文公开的两种或更多功能。

应指出，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个。而且，结合不同实施例描述的各元件可进行组合。还应指出，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

为了概括本申请公开主题的上文所述实施例，可规定：

电机被描述成包括两个活动元件，其中第一活动元件为电机的定子，另一活动元件为电机的转子。附接到活动元件之一的是在操作期间与电机中的磁通量相互作用的磁性元件。进一步地，传感器被提供用于测量电机的振动量，并且控制单元被配置成用于根据所测振动量检测磁性元件的位移。电机可以是发电机或电动机。

Claims (7)

1.一种电机（100），包括：

相对于彼此可动的两个活动元件（102、104），所述活动元件中的一个活动元件形成了所述电机（100）的定子（102），所述活动元件中的另一个活动元件形成了所述电机的转子（104）；

附接到所述活动元件之一的磁性元件（114），所述磁性元件（114）与所述电机（100）中的磁通量相互作用；

传感器（122），用于测量所述电机（100）的振动量；以及

控制单元（14），用于根据所测振动量检测所述磁性元件（114）的位移。

2.根据权利要求1所述的电机，进一步包括：

所述活动元件（102、104）之间的气隙（112）；而且

所述磁性元件（114）面向所述气隙（112）。

3.根据权利要求2所述的电机，其中

所述活动元件中的所述一个活动元件（102）包括绕组（118）；而且

所述磁性元件（114）位于所述绕组（118）与所述气隙（112）之间。

4.根据前述权利要求之一所述的电机，其中

所述传感器（122）被配置成用于测量对于多个频率的所述振动量，以提供所述振动量的波谱（130、132）；而且

所述控制单元（124）被配置成用于，

监视所述波谱（130、132）的至少一部分；以及

当所述振动量处于预定区间（244）外时，确定所述磁性元件（114）的所述位移。

5.根据前述权利要求之一所述的电机，其中

所述传感器（114）是用于测量所述电机（100）的加速度的加速度计。

6.一种用于操作电机（100）控制单元（124）的方法，所述方法包括：

接收表示所述电机（100）的振动量的输入信号（223）；

响应所述输入信号（223），确定所述电机（100）的磁性元件（114）的位移（250）；以及

响应所述磁性元件（114）的所测位移提供输出信号（125）。

7.一种用于处理传感器（122）的输入信号（223）的计算机程序，所述输入信号（223）表示电机（100）的振动量，并且，所述计算机程序由数据处理器执行时适于控制权利要求6所述的方法。

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