CN106537164B - 用于检测转子故障的方法与系统 - Google Patents

Abstract

在多方面中，本发明公开了一种使用数据分析单元检测电机中转子故障的方法。所述方法包括测量沿第一轴和第二轴的磁场强度、使用沿所述第一轴和所述第二轴的所测量的磁场强度来确定所述电机的操作转差频率、确定第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值和第二频率谱中操作转差频率的幅值、以及通过将所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中操作转差频率的幅值对照预定阈值进行比较来检测所述转子故障。

Description

用于检测转子故障的方法与系统

技术领域

当前发明涉及电机（electric machine）的状况监视领域，且更特定地，当前发明涉及使用磁场传感器的转子故障的检测与确定。

背景技术

转子绕组不对称是感应马达（motor）失效的主导原因之一。对转子故障的检测来说，迄今为止已经发展了许多的诊断方法。在它们中间，产业中最广泛使用的是振动监视和电流特征分析。

以上所提到的方法依赖于马达电流和振动的测量，以用于检测转子中的故障。然而，在马达电流以及马达振动中所看到的效应是由于损坏的或有故障的转子条（rotorbar）引起的磁场中的改变的后果，且因此对转子故障不那么敏感。由于该方法依赖于二次征兆来用于检测而不是问题的根源，这常常导致结果的曲解。换言之，在电机（诸如电力马达和电力发电机）的状况监视方面，从电机的电流或振动的测量推断出的电机的状况常常是不可靠的。

另外，为了完成测量，以上所提到的方法要求传感器以及其它设备，这些常常使用起来不方便并且花费高。此外，这些传感器必须被安装在马达的接线盒内部，这常常是费时的且要求关闭马达。进一步地，传感器的不正确安装能够造成对马达的损害，有故障的监视。

因此，根据以上的讨论，有对于一种系统与方法的需要，其解决以上所提到的问题。

发明内容

以上所提到的缺点、劣势、以及问题在本文中被处理（address），这将通过阅读并理解以下的说明书来被理解。

在一个方面中，本发明提供了一种使用数据分析单元来检测电机中转子故障的方法。所述方法包括如下步骤：测量沿第一轴和第二轴的磁场强度、使用沿所述第一轴和所述第二轴的所测量的磁场强度来确定所述电机的操作转差频率（slip frequency）、确定第一频率谱中的所确定的操作转差频率的幅值和第二频率谱中操作转差频率的幅值、以及通过将所述第一频率谱中的所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中的操作转差频率的幅值对照预定阈值进行比较来检测所述转子故障。

所述第一轴处于到所述电机的所述转子的轴的第一角度，且所述第二轴处于到所述电机的所述转子的轴的第二角度。确定操作转差频率的步骤包括：从沿所述第一轴的所测量的磁场强度生成第一频率谱和从沿所述第二轴的所述磁场强度生成第二频率谱、识别在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中在预定范围内的峰、以及确定在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中对应于在所述预定范围内的所识别的峰的频率。

在一实施例中，所述方法进一步包括：通过比较所述第一频率谱中的所确定的操作转差频率的幅值与所述第二频率谱中的操作转差频率的幅值来确定所检测的转子故障的类型、以及通过基于所述第一频率谱中的所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中的操作转差频率的幅值来确定所检测的转子故障的严重性。在一实施例中，所述方法进一步包括基于与所述电机相关联的标称转差频率以及与所述电机相关联的标称行频率来计算所述预定范围。

在一实施例中，所述方法进一步包括：测量沿第三轴（其处于到所述第一轴的第三角度）的磁场强度、从沿所述第三轴的所测量的磁场强度生成第三频率谱、识别在所述第三频率谱中在预定范围内的峰、确定在所述第三频率谱中对应于在所述预定范围内的所识别的峰的频率、以及将所确定的频率对照所确定的操作转差频率进行比较，以用于在来自所述一个或更多磁场传感器的磁场传感器中检测故障。

在另一个方面中，当前发明公开了一种用于检测电机中转子故障的系统。所述系统包括数据分析单元，所述数据分析单元包括：一个或更多磁场传感器，其用于测量沿第一轴和第二轴的磁场强度；网络接口，其配置成与远程服务装置相通信；一个或更多处理器，其配置成从沿所述第一轴和所述第二轴的所测量的磁场强度生成第一频率谱和第二频率谱、识别在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中在预定范围内的峰、确定对应于所识别的峰的操作转差频率、以及基于所述第一频率谱中的所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中的操作转差频率的幅值来检测所述转子故障；以及存储器模块，其操作地耦合到所述一个或更多处理器。所述数据分析单元120被附加在所述电机的框架上，大体上靠近所述电机的驱动侧支撑（bearing）。

变化范畴的系统与方法在本文中被描述。除了在本发明内容中描述的方面以及优势外，通过参考附图以及参考跟随的具体实施方式，进一步的方面和优势将变得显而易见。

附图说明

本发明的主题将在以下文本中参考优选的示范实施例来更加详细地被解释，所述优选的示范实施例在图中被示出，其中：

图1示出依照本发明的各种实施例的、用于检测转子故障的系统；

图2示出依照本发明的各种实施例的、电机周围径向磁场的截面视图以及轴向磁场的截面视图；

图3示出依照本发明的各种实施例的、用于检测转子故障的方法；

图4示出依照本发明的各种实施例的、健康电机的第一轴和第二轴中磁场的谱以及在带有转子条故障的电机的该第一轴和第二轴中的磁场的谱；以及

图5示出依照本发明的各种实施例的、在其中便携式单元相对于电机而运动的路径。

具体实施方式

在以下详细的描述中，对形成它的一部分的附图进行参考，且其中可被实践的具体实施例作为图示被示出。这些实施例以充分的细节被描述，以使本领域中那些技术人员能够实践实施例，且要被理解的是，其它实施例可被利用且逻辑的、机械的、电的以及其它改变可在不偏离实施例的范畴的情况下被做出。因此，以下详细描述不以限制性的意义被采纳。

损坏的转子条或端环（end ring）的出现引起转子磁通量的失衡，因为电流不能够流经该损坏的或破裂的转子条/端环。失衡的转子通量能够被认为是按照转差频率在相反的方向上旋转的正序和负序转子通量的组合。这造成电流的调制，其能够作为行频率周围的两倍转差（slip）边带而在谱中可见。然而，实际上，基频（fundamental）周围的电流边带可甚至在电机健康时存在。这能够是由于不均匀的转子条电阻导致的，其中所述不均匀的转子条电阻是因为压模铸造过程、转子不对称、外部负载振动等引起的。因此，使用电流特征分析的状况监视常常是不可靠的。

当前发明公开了一种用于检测转子故障的方法与系统，其不依赖于电流特征分析，而相反地利用马达周围的磁场来检测转子故障。当前发明公开包含了在预定位置中（诸如在驱动侧支撑附近的主体上）连同低功率处理器和无线广播（radio）一起将三轴低成本磁力计安装在马达的表面上的方法。处理器将使用三轴磁力计从所有三个轴同时周期性地采集磁力计数据、在所述三个轴上执行傅立叶变换、并检查所述三个轴上在转差频率的幅值中的失衡。如果失衡超出预定阈值，则检测到故障。通过检查支配分量是否在轴向或径向磁场中出现，故障随后被分类成损坏的转子条或未对齐。故障的严重性直接正比于在转差频率处出现在磁场中的失衡的量。故障指标（indicator）的严重性被存储在处理器的存储器中，且在请求时被发送到远程服务装置。因而，达到了转子的连续低成本状况监视。

图1示出依照本发明的各种实施例的、用于状况监视的系统100。如图1中所示，系统100包括电机110（在图1中示出为马达110，且在本文中之后被称作为马达110）。数据分析单元120安装在马达110的框架上，紧接于驱动侧支撑。数据分析单元120包括一个或更多处理器、操作耦合到所述一个或更多处理器的存储器模块、网络接口、以及三轴磁场传感器。

三轴磁场传感器测量在参考点中沿第一轴、第二轴以及第三轴的磁场强度。在一实施例中，第一轴大体上平行于电机110的转子的轴。第二轴和第三轴垂直于第一轴且垂直于彼此。在下文中，沿第一轴的磁场也被称作为轴向磁场，且沿第二轴的磁场也被称作为径向磁场。在一实施例中，三轴磁场传感器是能够按照周期间隔进行等距取样的数字磁场传感器。在另一个实施例中，三轴磁场传感器是模拟磁场传感器，其带有到数字转换器的集成模拟器。模拟三轴磁场传感器在接收到来自所述一个或更多处理器的测量请求时进行磁场强度测量。

三轴磁场传感器将所测量的磁场强度数据传送到所述一个或更多处理器。所述一个或更多处理器在所接收的数据上执行分析，以检测故障是否存在于转子中并确定故障的类型和严重性。这在图3的描述中进一步被解释。在该分析之后，所述一个或更多处理器经由网络接口与远程服务装置130和数据集中器135进行通信，以指示转子的状态。网路接口能够通过有线媒体（诸如Modbus、场总线等）以及无线媒体（诸如蓝牙、无线HART等）进行通信。

数据集中器135像数据分析单元120和历史库（historian）140之间的网关（gateway）一样起作用。数据集中器将从数据分析单元120中接收的关于马达健康的数据传送到历史库140以用于远程存储。

要被本领域中的技术人员所注意的是，尽管当前发明公开了三轴磁场传感器，但本领域中的技术人员能够利用两个或更多磁场传感器来达到类似功能。

图2示出依照本发明的各种实施例的、马达110周围的轴向磁场的截面视图以及径向磁场的截面视图。如图2中所示，马达110周围的磁场能够被归类为轴向磁场和径向磁场。轴向磁场在包括马达110的轴的平面中；它是由定子端绕组或转子罩（cage）端环中的电流生成的。径向场位于垂直于马达110的轴的平面中，它是气隙通量密度的图像，其被定子磁路（迭片结构包）且被马达110的框架所削弱。

已经通过实验确定，对电机的转子条的损害造成增加的轴向磁通量，且类似地转子的未对齐造成增加的径向磁通量。

图3示出依照本发明的各种实施例的、用于状况监视的方法300。在步骤310，使用三轴磁场传感器测量沿第一轴和第二轴的磁场强度。三轴磁场传感器将第一轴和第二轴的所测量的磁场强度数据（在下文中被称作为磁场数据）传送到所述一个或更多处理器。在一实施例中，为了区分马达110的磁场与背景磁场，超出预定阈值的测量值被记录，并且通过三轴磁场传感器被传送到所述一个或更多处理器。在一实施例中，预定的基底阈值通过实验被决定。在另一个实施例中，预定的基底阈值在马达的安装期间被确定。在另一个实施例中，三轴磁场传感器记录并在接收到来自加速计或马达驱动的指示马达110已被启动的信号时传送磁场数据。

在步骤320，所述一个或更多处理器对磁场数据进行预处理。在一实施例中，其中三轴磁场传感器的取样速率不恒定，或者其中来自第一和第二轴的样本按不同的取样周期来获取，所述一个或更多处理器执行插值（线性、三次或样条）来从第一和第二轴中得到磁场强度的近似等距且同时的磁场数据。在得到第一和第二轴的经插值的连续磁场数据时，磁场数据被去趋势化（de-trend），以去除静态背景磁通量和由磁场传感器所经历的漂移。去趋势化使用本领域中已知的技术来执行。

在步骤330，所述一个或更多处理器从与第一和第二轴中的磁场强度相对应的去趋势化磁场数据中确定操作转差频率。使用快速傅立叶变换将时域中每一个轴的去趋势化磁场数据转换成频率域中的频率谱。然后，所述一个或更多处理器执行在对应于第一轴的第一频率谱以及第二轴的第二频率谱中在预定范围内的峰检测，以检测出具有最大幅值的频率。峰检测通过本领域中众所周知的一个或更多技术（诸如，最小二乘方曲线拟合等）来执行。用于峰检测的该预定范围被确定如下：

实际行频率 <= 标称行频率+机器的定义运行容差 （1）

操作转差频率 <= 标称转差*实际行频率 （2）

操作转差频率 <= 标称转差*（标称行频率+定义运行容差） （3）

因此，依据方程3，操作转差频率将处于标称转差*（行频率+1%）和0赫兹（在没有负载的情形中）之间。在预定范围内的最大峰指示操作转差频率的值。

在步骤340，所述一个或更多处理器基于去趋势化的磁场数据以及所确定的操作转差频率来检测转子故障。在操作转差频率的检测之后，所述一个或更多处理器计算第一轴中操作转差频率的幅值和第二轴中操作转差频率的幅值的平均值。

所计算的平均值与预定值进行比较，以检测故障是否存在于转子中。在一实施例中，预定值是每一个轴中信号的累积平均值与预定常数的乘积。当所计算的平均值小于预定值时，所述一个或更多处理器确定转子是健康的。这基本上（essentially）意味着在沿第一轴的磁场和沿第二轴的磁场之间的不均衡是低的。当所计算的平均值大于预定值时，所述一个或更多处理器确定转子是有故障的。这基本上意味着在沿第一轴的磁场和沿第二轴的磁场之间的不均衡是高的。这进一步被解释在图4的描述中。

在步骤350，所述一个或更多处理器确定所检测的故障的类型以及故障的严重性。在一实施例中，其中第一轴（即轴向磁场）中操作转差频率的大小大于第二轴中（即径向磁场）操作转差频率的大小，指示了损坏的转子条故障。在一实施例中，其中第一轴（即轴向磁场）中操作转差频率的大小小于第二轴（即径向磁场）中操作转差频率的大小，指示了转子未对齐故障。故障的严重性被计算为在径向和轴向场中操作转差频率的峰大小或幅值之间的失衡的百分比。

在一实施例中，数据分析单元120测量沿第三轴的磁场强度，并从沿第三轴的所测量的磁场强度中生成第三频率谱。然后，数据分析单元120识别在第三频率谱中在预定范围内的峰，并确定对应于所识别的峰的频率。最后，数据分析单元120将所确定的频率对照所确定的操作转差频率进行比较，以用于在来自所述一个或更多磁场传感器的磁场传感器中检测故障。在所确定的频率不大体上类似于所确定的操作转差频率的情况中，数据分析单元120传送警告到远程服务装置130，以指示磁场传感器有故障或没有正确校准。

图4示出依照本发明的各种实施例的、在健康电机的第一轴（采用连续线示出的）和第二轴（采用短虚线示出的）中磁场的谱，以及在带有转子条故障的电机的第一轴和第二轴中磁场的谱。如先前所解释的，线410和420指示操作转差频率处于其内的预定范围的上限。指示预定范围内的操作转差频率的峰在健康马达中由圆圈415所指示，在有故障的马达中的第一轴中由圆圈427以及第二轴中由圆圈425所指示。如从图4（A）中所示，当马达是健康的时候，第一和第二轴中操作转差频率的幅值相对靠近谱的基面（floor），即平均值。如从图4（B）中所示，当转子故障存在时，第一和第二轴中操作转差频率的幅值相对远离谱的基面，即平均值。

在另一个实施例中，当前发明公开了便携式单元，其相对于马达110是自由可运动的，例如以线性运动方式、以圆周运动方式、以向前和向后运动方式，等等。便携式单元能够是诸如可移动电话以及其它电子装置的任何装置；其具有嵌入在便携式单元中的磁场传感器以及处理单元，以区分健康机器与带有损坏的转子条或转子未对齐的机器，通过这样，除了可移动电话没有额外的硬件被要求。当便携式单元在电机周围运动时，集成在其中的磁场传感器能够测量便携式单元的自由运动的路径的多个点的至少一个处的磁场强度，且技术人员应当理解任何路径包括链接在一起的多个点。处理单元能够从磁传感器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、以及基于该比较确定故障是否出现在电机中。

图5示出路径，在该路径中依据本发明的实施例的便携式单元相对于电机运动。如图5中所示，路径30包括链接在一起的多个点。例如，该路径的所述多个点的第一点31位于其中轴向磁场出现在电机的周围的区域中；该路径的所述多个点的第二点32位于其中径向磁场出现在电机的周围的区域中。便携式单元10能够沿路径30从另一个点运动到第一点31或第二点32，或者能够沿路径30在第一点31和第二点32之间运动。技术人员应当理解的是，第一点31以及50第二点32只是用于示例，指示在轴向磁场和径向磁场的区域中的位置，路径30用于便携式单元的可能路线的示例。技术人员应当理解的是，存在电机的一些区域，在其上难以安装传感器，例如在转子和定子的末端之间的间隔中，或者在其中难以将磁场传感器安装在转子的输出端上，其中转子的输出端机械地链接到轴柄（shaft）上。将便携式单元运动到此类地方之中并测量其中的转子磁场泄露是较容易的。集成在便携式单元10中的磁场传感器11能够测量第一点31处的轴向磁场的轴向磁场强度，或测量第二点32处的径向磁场的径向磁场强度。集成在便携式单元10中的处理单元12能够从集成在便携式单元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/或从集成在便携式单元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，并能够将所接收的磁场强度值和期望值进行比较且基于该比较确定故障是否出现在电机中。

依照当前发明，为了执行电机的状况监视，操作员仅必须在马达的框架上类似于名牌（name plate）地安装数据分析单元120。此外，通过直接状况监视电机的磁场并相应地确定电机的状况使得结果变得更加精确。通过测量磁场而不是电流或振动，不仅整个分析能够只采用状况监视系统来执行，而且通过测量磁场，问题的根源直接被测量。

该书面描述使用示例来描述本文中的主题，包括最佳模式，并且也使得本领域中任何技术人员能够制造和使用该主题。该主题的可取得专利的范畴是由权利要求来定义的，且可包括本领域中那些技术人员想到的其它示例。如果它们具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言有非本质差别的等同结构元件，则此类其它示例旨在位于权利要求的范畴之内。

Claims (7)

1.一种使用数据分析单元（120）来检测电机（110）中转子故障的方法，所述方法包括：

a. 测量沿第一轴和第二轴的磁场强度，其中所述第一轴处于到所述电机的所述转子的轴的第一角度，且所述第二轴处于到所述电机的所述转子的轴的第二角度；

b. 使用沿所述第一轴和所述第二轴的所测量的磁场强度来确定所述电机（110）的操作转差频率，其中确定操作转差频率包括

i. 从沿所述第一轴的所测量的磁场强度来生成第一频率谱，且从沿所述第二轴的磁场强度来生成第二频率谱；

ii. 识别在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中在预定范围内的峰；以及

iii. 确定在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中，对应于在所述预定范围内所识别的峰的频率；

c. 确定所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值以及所述第二频率谱中操作转差频率的幅值；以及

d. 通过将所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中操作转差频率的幅值对照预定阈值进行比较来检测所述转子故障。

2.如权利要求1中所要求的所述方法，进一步包括：通过比较所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值与所述第二频率谱中操作转差频率的幅值来确定所检测的转子故障的类型，以及通过基于所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值和所述第二频率谱中操作转差频率的幅值来确定所检测的转子故障的严重性。

3.如权利要求1中所要求的所述方法，进一步包括基于与所述电机（110）相关联的标称转差频率以及与所述电机（110）相关联的标称行频率来计算所述预定范围。

4.如权利要求1中所要求的所述方法，进一步包括：

a. 测量沿第三轴的磁场强度，其中所述第三轴处于到所述第一轴的第三角度；

b. 从沿所述第三轴的所测量的磁场强度来生成第三频率谱；

c. 识别在所述第三频率谱中在预定范围内的峰；

d. 确定在所述第三频率谱中对应于所述预定范围内所识别的峰的频率；以及

e. 将所确定的频率与所确定的操作转差频率进行比较，以用于检测磁场传感器中的故障。

5.一种用于检测电机（110）中转子故障的系统，所述系统包括：

a. 数据分析单元（120），包括：

i. 一个或更多磁场传感器，用于测量沿第一轴和第二轴的磁场强度，其中所述第一轴大体上平行于所述电机的所述转子的轴，且其中所述第二轴处于到所述第一轴的角度；

ii. 网络接口，配置成与远程服务装置（130）相通信；

iii. 一个或更多处理器，配置成：

从沿所述第一轴和所述第二轴的所测量的磁场强度来生成第一频率谱和第二频率谱；

识别在所述第一频率谱和所述第二频率谱的至少一个中在预定范围内的峰；

确定对应于所识别的峰的操作转差频率；

基于所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值以及所述第二频率谱中操作转差频率的幅值来检测所述转子故障；以及

iv. 存储器模块，操作地耦合到所述一个或更多处理器。

6.如权利要求5中所要求的所述系统，其中所述数据分析单元（120）被附加在所述电机（110）的框架上，大体上靠近所述电机（110）的驱动侧支撑。

7.如权利要求5中所要求的所述系统，其中所述一个或更多处理器进一步配置成基于所述第一频率谱中所确定的操作转差频率的幅值以及所述第二频率谱中操作转差频率的幅值来确定所检测的转子故障的类型和严重性。