CN105874344B - 用于电机的状态监测的系统、移动电话机及其方法 - Google Patents

Abstract

提出一种用于电机状态监测的系统及其方法。系统包括：便携单元，在电机周围自由运动；磁场传感器，在自由运动的路径的多个点中的至少一个点处测量磁场强度；处理单元，接收来自磁场传感器的至少一个对应的磁场强度信号，将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，基于该比较的结果来确定电机中是否存在故障；其中磁场传感器和处理单元被集成到便携单元中。方法包括步骤：将便携单元移动到在电机周围自由运动的路径的多个点中的至少一个点处；测量在该自由运动的路径的多个点中的至少一个点处的至少一个磁场强度；将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，基于该比较的结果来确定电机中是否存在故障。

Description

用于电机的状态监测的系统、移动电话机及其方法

技术领域

本发明涉及电机的状态监测的领域。

背景技术

为了检测电机故障，至今已经开发了许多诊断方法。这些识别感应式电机故障的方法可以涉及数个不同的科学和技术的领域。最常用的方法有：

温度测量；

红外线识别；

噪声和振动监测；

化学分析；

噪声测量；

电机电流特征分析法。

其中，工业中最广泛使用的是振动监测和电流特征分析法。上述所有方法都需要用于执行测量及随后分析的传感器。对于电流或振动的传统测量实际上不能检测到问题的根源，而是检测到磁通量泄露的后果，这通常导致对结果的错误解释。换句话说，从(诸如电动机和发电机)电机的状态监测来说，测量电机的电流或振动得出的该电机的状态不如测量转子的磁场泄露得出的该电机的状态更准确。

此外，通常为了执行电机的状态监测，需要在电机上安装传感器并且使用数据收集器来测量各个信号。这样的方法是昂贵的。传感器和数据收集器可能已经很昂贵了，然而如果消费者没有自己的传感器和数据收集器的话，则还有与在电机上安装传感器相关的额外的费用。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供一种用于电机状态监测的系统及其方法。所述系统包括：便携单元，适于在所述电机周围自由运动；磁场传感器，适于在所述自由运动的路径的多个点中的至少一个点处测量磁场强度；处理单元，适于接收来自所述磁场传感器的至少一个对应的磁场强度信号，将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，并且基于该比较的结果来确定所述电机中是否存在故障；其中所述磁场传感器和所述处理单元被集成到所述便携单元中。所述方法包括以下步骤：将便携单元移动到在所述电机周围自由运动的路径的多个点中的至少一个点处；测量在该自由运动的路径的多个点中的至少一个点处的至少一个磁场强度；将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，并且基于该比较的结果来确定所述电机中是否存在故障。

通过以上的系统及其方法，为了执行电机的状态监测，操作员可以拿着便携单元靠近无法安装传统的磁场传感器并且存在轴向或径向的转子磁场泄露的电机。在由于机械的或电性的限制使得在电机上安装磁场传感器受到约束的位置处也能够测量磁场泄露。此外，通过直接对电机的磁场泄露进行状态监测并且相应地确定该电机的状态，可以使得结果更加准确。通过测量磁场而非电流或振动，不仅可以利用状态监测系统来执行整个分析，而且通过测量磁场也能直接测量问题的根源。

本发明的另一目标是提供一种包括对电机进行状态监测的系统及其方法的移动电话机。通过将移动电话机重新使用为状态监测系统，不会有购买磁场传感器和处理单元的额外费用。

本发明的另一目标是提供一种用于响应于处理单元确定在电机中存在故障而产生警告信号的警报设备。

根据本发明的另一目标，所述自由运动的路径的所述多个点中的第一点位于所述电机周围存在轴向磁通量泄露的区域中；所述便携单元可移动到该第一点；并且所述磁场传感器可测量在该第一点处出现的所述轴向磁通量泄露的磁场强度。因此，可以更容易地将所述便携单元移动到难以安装传感器且在其中测量转子磁场泄露的位置。又根据本发明的另一目标，所述自由运动的路径的所述多个点中的第二个点位于所述电机周围存在径向磁通量泄露的区域中；所述便携单元可移动到该第二个点；并且所述磁场传感器可测量在该第二个点处出现的所述径向磁通量泄露的磁场强度；所述处理单元可将所述轴向磁通量泄露的磁场强度信号与所述径向磁通量泄露的磁场强度信号进行比较，并且确定故障类型。

根据本发明的另一目标，所述自由运动的路径的所述多个点中的第二个点位于所述电机周围存在径向磁通量泄露的区域中；所述便携单元可移动到该第二个点；并且所述磁场传感器可测量在该第二个点处存在的所述径向磁通量泄露的磁场强度。因此，可以更容易地将所述便携单元移动到难以安装传感器且在其中测量转子磁场泄露的位置。

附图说明

参考在附图中示出的优选的示意性实施例，以下将更详细地解释本发明的主题，其中：

图1是用于电机的状态监测的系统的系统框图；

图2示出了电机周围的磁场的截面图；

图3说明了根据本发明实施例的便携单元相对于电机移动的路径；

图4A示出了健康的电机的轴向磁场泄露的频谱；

图4B示出了图4A的较低频率部分；以及

图5示出了健康的电机的径向磁场泄露的较低频率的频谱，以及电机具有损坏的转子条的两个情况。

在附图标记的列表中以简要的形式列出了附图中使用的附图标记及其意义。原则上，相同的部件在附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1是用于电机的状态监测的系统的系统框图。根据图1的系统整体上被指定为附图标记1。如图1所示，系统1包括便携单元10、磁场传感器11、处理单元12。磁场传感器11和处理单元12集成在便携单元10中。便携单元10能够相对于电机可自由运动，例如，线性运动、环形运动、前向运动、后向运动等。便携单元10可以是任何设备，诸如移动电话机和其它电子设备；例如，处理单元和磁场传感器嵌入到现代的移动电话机中，从而除了该移动电话机之外不需要其它硬件就能够将健康的机器与具有损坏的转子条或转子不对中(misalignment)的机器区分开来；现代的移动电话机诸如是具有内嵌的磁场传感器的iPhone(3代、4代、5代)或三星的盖世(Galaxy)，内嵌的磁场传感器可以以0.1μT到2kμT范围内的分辨率和120Hz的采样频率来测量磁场；这些参数对于不同的移动电话机模型略有不同。通过利用移动电话机执行磁通量测量，不需要其它额外的传感器、数据收集器、或数据处理工具，移动电话机就可以完成所有的数据获取和处理。损坏的转子条或端环的存在会引起转子磁通量的不平衡，这是因为电流无法流经损坏的或破裂的条/端环。不平衡的转子磁通量可以被认为是在相反方向中以滑差频率(slip frequency)旋转的正序转子磁通量和负序转子磁通量的组合。这引起电流的调制，电流的调制在频谱中表现为工频附近的两倍滑差边频带(slip sideband)。但是，在实际中，即使在电机健康的情况下也会存在基频附近的电流边频带。这可能是由于模铸工艺、转子非对称、外部负载振荡等造成的不规则的转子条阻抗引起的。根据本发明的实施例，集成的磁场传感器11用于测量转子条损坏或转子不对中情况下的磁通量泄露。当便携单元10绕着电机移动时，集成在其中的磁场传感器11可以测量该便携单元10的自由移动的路径上多个点中的至少一个点处的磁场强度，并且本领域技术人员将理解，任何路径均由连接起来的多个点组成。处理单元12可以从磁场传感器11接收至少一个对应的磁场强度信号，将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，并且基于比较结果确定电机是否存在故障。以下在例子中将结合附图进行更详细地说明。

通过利用以上的系统执行电机的状态监测，操作员可以拿着便携单元靠近无法安装传统的磁场传感器并且存在轴向或径向的转子磁场泄露的电机。在由于机械的或电性的限制使得在电机上安装磁场传感器受到约束的位置处也能够测量磁场泄露。

此外，通过直接对电机的磁场泄露进行状态监测并且相应地确定该电机的状态，可以使得结果更加准确。通过测量磁场而非电流或振动，不仅可以仅利用状态监测系统来执行整个分析，而且通过测量磁场也能直接测量问题的根源。

最后，通过将移动电话机重新使用为状态监测系统，不会有购买磁场传感器和处理单元的额外费用。

图2示出了电机周围的磁场的截面图。如图2所示，电机周围的磁场可以分为两种情况，径向场和轴向场。轴向场是包括电机轴线的平面，其由定子端绕组或转子笼端环内的电流产生。径向场位于与电轴线垂直的平面，其是由定子磁路(层叠结构包)和外部机器框架所减弱的气隙通量密度的图像。这两种场能够通过集成在便携单元10内的磁场传感器11的适宜定位分别进行测量。由于电机的损坏的转子条引起轴向磁通量泄露，因此其会对磁轴向场密度的测量造成影响。此外，由于电机的转子不对中引起径向磁通量泄露，因此其会对磁径向场密度的测量造成影响。

图3说明了根据本发明实施例的便携单元相对于电机移动的路径。如图3所示，路径30由相互连接的多个点构成。例如，路径的多个点中的第一点31位于电机周围存在轴向磁通量泄露的区域中，路径的多个点中的第二点32位于电机周围存在径向磁通量泄露的区域中。便携单元10可以从另一点沿着路径30移动到第一点31或者第二点32，也可以沿着路径30在第一点31和第二点32之间移动。本领域技术人员应该理解，第一点31和第二点32仅仅示例性地表示轴向磁通量泄露区域和径向磁通量泄露区域中的位置，并且路径30示例性地表示便携单元的可能路径。本领域技术人员应该理解，电机的某些区域(例如转子端部和定子之间的区域X)难以安装磁场传感器，或者在转子的输出端与轴机械连接之处，难以将磁场传感器安装在转子的输出端。通过根据本发明的实施方式的系统，易于将便携单元移动至这样的地方并测量其中的转子磁场泄露。通过便携单元10处于各种位置，例如在第一点31或第二点32，集成在便携单元10中的磁场传感器11能测量在第一点31处的轴向磁通量泄露的轴向磁场密度，或测量在第二点32处的径向磁通量泄露的径向磁场密度。集成在便携单元10中的处理单元12能够从集成在便携单元10中的磁场传感器11接收表示第一点31处的轴向磁场泄露的磁场强度信号，和/或从集成在便携单元10中的磁场传感器11接收表示第二点32处的径向磁场泄露的磁场强度信号，并且能够将接收到的磁场强度值与期望值相比较，并基于该比较确定电机是否存在故障。由处理单元12执行的比较和确定将结合以下附图示例性地描述。

基于FEM(有限元方法)分析，磁通量泄露应当可见于磁场频谱的低频，如式(1)所给出的：

f_b＝s*f_line (1)

其中f_b是与损坏的转子条相关的频率，f_line是供电频率，s是滑差(slip)。

图4A示出了健康的电机的轴向磁场泄露的频谱，以及电机具有损坏的转子条时的两种情况。全部情况都以20Hz供电，并且对于全部情况，20Hz是磁场频谱中可见的优势频率。将频谱归一化为1，因此单位是[pu]。如图4A所示，右侧的频谱是将左侧的优势频率20Hz附近的圈起部分的放大图，其中表示健康的电机的轴向磁场泄露的曲线被标记为A，表示具有损坏的转子条的两个情况的曲线被标记为B和C。

图4B示出了图4A的低频部分。如图4B所示，右侧的频谱是左侧的圈起部分的放大图。对于健康的情况，电机在全负载下工作，且相应的损坏的转子条频率f_b应该出现在0.67Hz。如图4B所示，在健康的电机的情况下(曲线A)，在转子条频率f_b处没有容易与噪声分离的峰值。对于在全负载下工作的转子条损坏的电机，其f_b频率应该为1.45Hz。如图4B清晰示出的，该频率(曲线B)在低频范围内是优势频率，并且等于0.72的工频。对于在50％负载下工作的转子条损坏的电机，其f_b频率应该为1.16Hz。与全负载的情况一样，f_b频率在图4B中清晰可见(曲线C)，该频率在低频范围内也是优势频率，并且大约是0.68的工频。还值得一提的是，负载越小，f_b频率的幅度就越小，这是因为，越小的负载就具有越小的转子电流，越小的转子电流产生越小的磁场。

图5示出了健康的电机的径向磁场泄露的较低频率的频谱，以及电机具有损坏的转子条的两个情况。和图4一样，全部情况都以20Hz供电，并且对于全部情况20Hz是优势频率(图5中未示出)。将频谱归一化为1，因此单位是[pu]。对于健康的情况，电机在全负载下工作，且相应的损坏的转子条频率f_b应该出现在0.67Hz。如图5所示，在健康的电机的情况下(曲线A)，在转子条频率f_b处没有容易与噪声分离的峰值。对于在全负载下工作的转子条损坏的电机，其f_b频率应该为1.45Hz。如图5清晰示出的，该频率(曲线B)在低频范围内是优势频率，并且等于0.4的工频。对于在50％负载下工作的转子条损坏的电机，其f_b频率应该为1.16Hz。与全负载的情况一样，f_b频率在图5中清晰可见，该频率在低频范围内也是优势频率，并且大约是0.38的工频。还值得一提的是，径向磁场中的f_b频率的幅度小于轴向磁场中相应的f_b频率的幅度，这确定转子条损坏。如果径向磁场中的f_b频率的幅度大于轴向磁场中相应的f_b频率的幅度，那么电机故障类型则是不对中，而不是转子条损坏。

系统1还可进一步包括警报设备，用于响应于所述处理单元确定电机存在故障而生成警告信号。

下文描述通过使用如上所述的系统用于对电机进行状态监测的方法。该方法包括：在步骤S1，将便携单元移动到在电机周围的自由移动的路径的多个点中的至少一个点；在步骤S2，测量该自由移动的路径的多个点中的所述至少一个点处的至少一个磁场强度；在步骤S3，将至少一个磁场强度值与至少一个对应的期望值进行比较，并基于该比较确定电机内是否存在故障。

优选地，该方法还包括：在步骤S4，响应于确定电机内存在故障而生成警告信号。

步骤S1可具有如下变型：

i.该自由移动的路径的多个点中的第一点位于电机周围存在轴向磁通量泄露的区域内；

将移动便携单元移动至该第一点；以及

测量该第一点处存在的轴向磁通量泄露的磁场强度。

ii.该自由移动的路径的多个点中的第二点位于电机周围存在径向磁通量泄露的区域内；

将移动便携单元移动至该第二点；以及

测量该第二点处存在的径向磁通量泄露的磁场强度。

iii.结合变型i，

该自由移动的路径的多个点中的第二点位于电机周围存在径向磁通量泄露的区域内；

将移动便携单元移动至该第二点；

测量该第二点处存在的径向磁通量泄露的磁场强度；以及

将针对该轴向磁通量泄露和该径向磁通量泄露的磁场强度信号进行比较，并确定故障类型。

优选地，在步骤S3中，磁场强度值是磁场强度的频率成分的幅值。

尽管已基于某些优选实施例对本发明进行了描述，然而本领域技术人员应该认识到，这些实施例并不以任何方式对本发明范围的进行限制。在不偏离本发明的精神和概念的情况下，这些实施例的任何变型和修改都在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因此落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种用于电机状态监测的系统，包括：

便携单元，适于在所述电机周围自由运动；

磁场传感器，适于在所述自由运动的路径的多个点中的至少一个点处测量磁场强度；

处理单元，适于接收来自所述磁场传感器的至少一个磁场强度信号，将至少一个磁场强度值与至少一个相应的期望值进行比较，并且基于该比较的结果来确定所述电机中是否存在故障；

其中所述磁场传感器和所述处理单元被集成到所述便携单元中；

所述自由运动的路径的所述多个点中的第一点位于所述电机周围存在轴向磁通量泄露的区域中；

所述自由运动的路径的所述多个点中的第二个点位于所述电机周围存在径向磁通量泄露的区域中；

所述便携单元可移动到该第一点；

所述磁场传感器可测量在该第一点处存在的所述轴向磁通量泄露的磁场强度；

所述便携单元可移动到该第二个点；

所述磁场传感器可测量在该第二个点处存在的所述径向磁通量泄露的磁场强度；并且

所述处理单元适于将所述轴向磁通量泄露的磁场强度信号与所述径向磁通量泄露的磁场强度信号进行比较并且确定故障类型。

2.根据任何在先权利要求之一所述的系统，包括：

警报设备，适于响应于在所述处理单元确定在所述电机中存在故障的情况下生成警告信号。

3.根据任何在先权利要求之一所述的系统，其中：

所述磁场强度值是所述磁场强度的频率成分的幅值。

4.一种用于利用根据任何在先权利要求之一所述的系统进行电机状态监测的方法，包括：

将所述便携单元移动到所述电机周围的所述自由运动的路径的多个点中的至少一个点处；

测量在该自由运动的路径的多个点中的所述至少一个点处的至少一个磁场强度；

将至少一个磁场强度值与至少一个相应的期望值进行比较，并且基于该比较的结果来确定所述电机中是否存在故障；

所述自由运动的路径的所述多个点中的第一点位于所述电机周围存在轴向磁通量泄露的区域中；

所述自由运动的路径的所述多个点中的第二个点位于所述电机周围出现径向磁通量泄露的区域中；

将所述便携单元移动到该第一点；

测量在该第一点处存在的所述轴向磁通量泄露的磁场强度；

将所述便携单元移动到该第二个点；

测量在该第二个点处存在的所述径向磁通量泄露的磁场强度；以及

将所述轴向磁通量泄露的磁场强度信号与所述径向磁通量泄露的磁场强度信号进行比较，并且确定故障类型。

5.根据权利要求4所述的方法，包括：

响应于确定在所述电机中存在故障而生成警告信号。

6.根据权利要求4至5之一所述的方法，其中：

所述磁场强度值是所述磁场强度的频率成分的幅值。

7.一种具有根据权利要求1至3之一所述系统的移动电话机。