CN110426635A - 智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，属于智能制造技术领域。包括集成式传感器、电流互感器、电压互感器、温度探头、电机接线柱、电机接线盒、物联网终端等。根据电机接线盒内部结构特点，利用电机接线柱，将电压互感器、电流互感器和温度探头设计成集成式传感器，并合理配置其他参数传感器及物联网终端，预装在电机接线盒中，不改变电机的结构、能够实现绝大多数电机运行多参数传感器的集成化安装，有效降低升级改造成本，实现智能电机系统所需传感器等设备的集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。建立了电机运行大数据的物联网传感器平台，可广泛适用于各类中小型电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机物联网传感器，特别是一种集成在电机接线盒内部的、一体式的、智能电机多参数物联网传感器。属于智能制造技术领域。
背景技术
随着信息技术的发展和最近智能制造的提出，电气设备的智能化是未来发展的主流趋势，相应的进行电气设备智能化在线监测起着越来越重要的作用。在电机运行中，包括电能质量的监测、电机的智能运行故障诊断和智能控制等，都依托于对电机运行参数的在线实时采集和运行大数据的积累，而目前的主流技术没有与电机集成为一体，仅在需要时安装。而且一是采用分立式传感器、二是不同的系统都有独立的传感器，存在体积大、成本高、智能化程度差等多种缺陷。智能电机系统是实现智能制造和智能工厂的重要基础，智能电机物联网传感器是智能电机系统的最重要硬件平台。
目前电机的运行监测主要是针对大型电机或特殊电机，而且采用的都是多个分体式设备、临时性安装的模式。对电机电参量的监测最为普遍，这就需要采集电机的实时运行电压和电流信号。如中国专利“高压隔爆电机的中性点接线盒”（申请号： 201120309600.8）提出了一种“盒体内电流传感器与电机接线端子的直接连接，不需再连接电流传感器与接线端子，直接输出电流传感器二次信号”。提到将电流传感器直接安装在接线盒，但是中性点接法只适用于电机的星形接法，电流传感器的摆放没有充分利用电机的接线柱，造成接线盒占用空间大，而且装置只能采集电机的相电流信号，监测参数过于单一，仅仅依靠电流信息不能全面了解电机运行状况，不具有通用性。又如中国专利“一种监控电机运行数据的接线盒”（申请号：201120133292.8）提出了一种“一种监控电机运行数据的接线盒，集成度高，同时可以检测电机的振动、温度和电流，实现监控和方便检查，并可以通过报警输出”。仅是提到有电流传感器与接线柱的配合使用，但是没有公开具体的安装结构和安装方法，而常规情况下，接线柱比较短，通用的传感器无法进行安装，因此如果不对接线柱、接线座以及各种传感器做创造性合理性的改进，是不能直接实现的。
本申请的发明人申报的中国专利“集成式电机智能化大数据在线监测装置”（申请号：201710259101.4）提出了“包括电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块、转速采集模块、环境参数采集模块、数据分析处理模块、日历模块、存储模块、通讯模块和电源模块。所述装置在电机出厂时安装，与电机集成为一体，采集电机各项运行参数送给数据分析处理模块进行分析处理，建立电机实时运行参数大数据库”，但是也未公开各传感器的结构和具体安装方式，而由于电机接线盒内部的空间狭窄、具有强电回路、传感器也需要合理的安装才能获取真实准确的信号等，也需要解决多传感器的特殊结构设计和合理装配等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器。根据电机接线盒内部结构特点将电压互感器、电流互感器和温度探头设计成集成式传感器，并合理配置其他参数传感器及物联网终端，预装在电机接线盒中，解决了智能电机系统的多参数传感器的特殊结构设计和合理装配等问题。实现智能电机系统需传感器等设备的集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。为智能电机系统实现提供全新的思路。同时也便于对在运电机进行升级改造和安装，有效降低升级改造成本，十分有利于电机智能化的推广。实现电机在线监测和大数据采集的智能化，具有结构简单、可带电监测、使用方便、成本低廉等诸多优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器包括集成式传感器（1）、电流互感器（2）、电压互感器（3）、导电片（4）、温度探头（5）、限流电阻槽（6）、限流电阻（7）、温度探头槽（8）、电流输出端（9）、电压输出端（10）、温度传感器输出端（11）、导电片引出端（12）、中线输入端（13）、电源进线（14）、电压互感器第一输入端（15）、电压互感器第二输入端（16）、电机接线柱（17）、连接片（18）、电机接线盒（19）、物联网终端（20）、电机接线盒盖（21）、天线（22）。
集成式传感器（1）由如环氧树脂等绝缘材料将电流互感器（2）、电压互感器（3）和导电片（4）浇注而成，由于空间所限，电流互感器（2）最好为扁圆形结构，导电片（4）为裸露的金属片，位于电流互感器（2）上部，与电流互感器（2）之间有绝缘层隔离。
电压互感器（3）位于电流互感器（2）的侧部，两者之间有限流电阻槽（6），位于集成式传感器（1）的上表面，限流电阻（7）安装在限流电阻槽（6）中，也可以安装在其他部位，主要是要保证结构紧凑、安装方便。
电压互感器（3）的下部有温度探头槽（8），位于集成式传感器（1）的下表面，温度探头（5）安装在温度探头槽（8）中。一般接触式的采用热电阻如PT100等，根据需要还可采用其他类型温度传感器，如非接触式的红外温度探头等。
集成式传感器（1）上设置有电流输出端（9）、电压输出端（10），采用双端子或屏蔽双绞线方式分别将电流互感器（2）和电压互感器（3）的信号引出，温度传感器输出端（11）采用屏蔽双绞线将温度探头（5）的信号引出；集成式传感器（1）上有导电片引出端（12），采用单端子或屏蔽软线将导电片（4）的电压引出；还有中线输入端（13），采用单端子或屏蔽软线将电源进线（14）的中线引入。上述的所有端子都是固定在集成式传感器（1）的表面，合理配置位置，避免相互干扰且便于接线，而且向外引出线均为屏蔽线，以有效提高抗干扰能力。
电压互感器（3）的电压互感器第一输入端（15）经限流电阻（7）与导电片（4）相连，电压互感器第二输入端（16）与中线输入端（13）相连；通过限流电阻（7）将强电压信号转换为弱电流信号，为电压互感器（3）提供电压信号。
集成式传感器（1）利用电流互感器（2）和导电片（4）中部的通孔，套装在电机接线柱（17）上，下表面安装的温度探头（5）与连接片（18）紧密接触。这种结构及装配方式可以方便地获取到准确的电流、电压及温度信号。
3个集成式传感器（1）分别安装在电机接线盒（19）内部的三相的3个电机接线柱（17）上；从而对三相同时进行监测。
物联网终端（20）固定在电机接线盒盖（21）的内表面，天线（22）从电机接线盒盖（21）引出到外部；物联网终端（20）从导电片引出端（12）和电源进线（14）的中线获取电源，从3个集成式传感器（1）的电流输出端（9）、电压输出端（10）和温度传感器输出端（11）分别获取三相的电流、电压及温度信号，经计算、分析和处理后，利用天线（22）与外部设备进行数据交换。从而构成智能电机系统的一体式物联网传感器。物联网终端（20）也可以安装在电机接线盒（19）的外部，集成性相对要差，而且需要加装特殊的防护和固定。
进一步地，所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器包括电源模块（23），固定在电机接线盒盖（21）的内表面，通过导电片引出端（12）和中线输入端（13）获取交流电源，转换成标准直流后，为物联网终端（20）供电。
进一步地，所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器包括显示模块（24），固定在电机接线盒盖（21）的外表面，为物联网终端（20）提供数据显示。
进一步地，所述的集成式传感器（1）外表面有电流方向标识（25）。避免安装时接错方向，导致不能够获取正确的电流信号、温度信号。
进一步地，所述的物联网终端（20）安装在屏蔽外壳（26）内。当物联网终端（20）安装在电机接线盒（19）的内部时，由于周围有电源进线（14）等强电，为了提高电磁兼容性，需要采取屏蔽外壳（26）进行防护。
进一步地，所述的集成式传感器（1）在电机接线柱（17）上安装时，从上至下依次安装电源进线（6）、集成式传感器（1）、连接片（18）、电机绕组进线（27），中间采用螺母（28）固定压紧。一是保证电流从电流互感器（2）中间流过，二是导电片（4）可以通过螺母（28）从电机接线柱（17）上获取稳定可靠的电压，三是温度探头（5）可以从连接片（18）获得准确的温度信息。从而实现集成式传感器（1）的高度集成化和可靠性。
进一步地，所述的集成式传感器（1）的所有不对外连接的导线均由绝缘材料封装在内部。简化了外部结构，避免安装时进行二次接线，以及造成干扰，同时保证了长期运行的稳定性和可靠性。
进一步地，所述的导电片（4）为上下两个圆环和一个空心半圆柱组合为一体的结构，套装在集成式传感器（1）的电流互感器（2）的位置，上下两个圆环中间的通孔与电流互感器（2）的通孔重叠。可以保证采用螺母（28）固定压紧时不会对集成式传感器（1）造成损伤，同时进一步提高取电的可靠性。
进一步地，包括转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）、环境参数传感器（32）；转速传感器（29）安装于电机内部的主轴上，测量电机的实时转速，振动传感器（30）安装固定在电机接线盒盖（21）侧壁上，测量电机的振动数据；绕组温度传感器（31）安装于电机的绕组中，测量电机的绕组温度，环境参数传感器（32）安装于电机接线盒盖（21）的外表面，测量电机工作的环境温度、湿度、粉尘浓度和气压；转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）和环境参数传感器（32）测得的信号经屏蔽线送给物联网终端（20）。实现了多参数的集成化安装，如果需要测量更多的参数，也可以采用类似的思路进行设计。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1）根据电机接线盒内部结构特点，利用电机接线柱，将电压互感器、电流互感器和温度探头设计成集成式传感器，并合理配置其他参数传感器及物联网终端，预装在电机接线盒中，解决了智能电机系统的多参数传感器的特殊结构设计和合理装配等问题。实现智能电机系统所需传感器等设备的集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。建立了电机运行大数据的物联网传感器平台，且整个装置结构简单、成本低廉、体积小，可广泛适用于各类中小型电机。
2）将智能电机物联网传感器集成在电机接线盒内部，仅对电机接线座做出适应性改进，不改变电机的结构、不对电机造成任何其他影响，能够实现绝大多数电机运行参数传感器的集成化安装，为智能电机系统实现提供了全新的思路。同时也便于对在运电机进行升级改造和安装，有效降低升级改造成本，十分有利于电机智能化的推广。
3）集成式传感器结合电机接线柱的结构设计，能够稳定可靠地获得电流、电压及温度信号，结构紧凑、集成度高，且安装拆卸十分方便。集成传感器上的温度探头，还能够实时监测电机接线柱的温度变化，并在异常时进行预警或报警，有效防止接线柱由于螺栓松动或接触不良等导致的热故障。
4）导电片的上下两个圆环和一个空心半圆柱结构设计，为可靠稳定的安装和良好接触提供了机械支撑，不但可以保证采用固定压紧时不会对集成式传感器造成损伤，同时进一步提高取电的可靠性。
附图说明
图1：物联网传感器结构示意图。
图中：1-集成式传感器、2-电流互感器、3-电压互感器、4-导电片、5-温度探头、6-限流电阻槽、7-限流电阻、8-温度探头槽、9-电流输出端、10-电压输出端、11-温度传感器输出端、12-导电片引出端、13-中线输入端、14-电源进线、15-电压互感器第一输入端、16-电压互感器第二输入端、17-电机接线柱、18-连接片、19-电机接线盒、20-物联网终端、21-电机接线盒盖、22-天线、23-电源模块、24-显示模块、25-电流方向标识、26-屏蔽外壳、27-电机绕组进线、28-螺母、29-转速传感器、30-振动传感器、31-绕组温度传感器、32-环境参数传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示为物联网传感器结构示意图。图1中，所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器包括集成式传感器（1）、电流互感器（2）、电压互感器（3）、导电片（4）、温度探头（5）、限流电阻槽（6）、限流电阻（7）、温度探头槽（8）、电流输出端（9）、电压输出端（10）、温度传感器输出端（11）、导电片引出端（12）、中线输入端（13）、电源进线（14）、电压互感器第一输入端（15）、电压互感器第二输入端（16）、电机接线柱（17）、连接片（18）、电机接线盒（19）、物联网终端（20）、电机接线盒盖（21）、天线（22）、电源模块（23）、显示模块（24）、电流方向标识（25）、屏蔽外壳（26）、电机绕组进线（27）、螺母（28）、转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）、环境参数传感器（32）。
图1中，集成式传感器（1）由绝缘材料将电流互感器（2）、电压互感器（3）和导电片（4）浇注而成，电流互感器（2）为扁圆形结构，内径略大于电机接线柱（17）的直径，导电片（4）为裸露中空环形金属片，浇注于电流互感器（2）上部。
集成式传感器（1）在电机接线柱（17）上安装时，从上至下依次安装电源进线（6）、集成式传感器（1）、连接片（18）、电机绕组进线（27）。首先将电机绕组进线（27）安装在电机接线柱（17）上，用螺母（28）压紧固定，然后依次将连接片（18）、集成式传感器（1）套装在电机接线柱（17）上，安装时注意集成式传感器（1）外表面的电流方向标识（25），最后将电源进线（14）叠放在导电片（4）上面，温度探头（5）安装在电压互感器（3）下部的温度探头槽（8）中，采用螺母（28）压紧后，使得导电片（4）与电源进线（14）可靠紧密接触，同时温度探头（5）与连接片（18）紧密接触。显然，设计的这种结构及装配方式可以方便、可靠地获取到准确的电流、电压及温度信号，从而实现集成式传感器（1）的高度集成化和可靠性。所述的集成式传感器（1）外表面有电流方向标识（25）。避免安装时接错方向，导致不能够获取正确的电流信号、温度信号。
图1为侧视图，展示了单相的安装方式，3个集成式传感器（1）可以采用相同的方式分别安装在电机接线盒（19）内部的三相的3个电机接线柱（17）上，从而对三相同时进行监测。
图1中，电压互感器（3）位于电流互感器（2）的右侧，将限流电阻槽（6）设置在两者之间的集成式传感器（1）上表面，限流电阻（7）可以采用卡扣、压线端子等方式安装在限流电阻槽（6）中，需要保证接口的可靠连接，同时也要方便取出更换等，以便根据电压等级和测量装置的要求调整限流电阻的阻值。限流电阻槽（6）上部可设置透明保护盖，或者橡皮塞进行封闭，起到防水、防尘的效果。
电压互感器（3）的电压互感器第一输入端（15）经限流电阻（7）与导电片（4）相连，电压互感器第二输入端（16）与中线输入端（13）相连；通过限流电阻（7）将强电压信号转换为弱电流信号，为电压互感器（3）提供电压信号。连接限流电阻（7）的导线采用屏蔽线，均采用绝缘材料封装在集成式传感器（1）的内部，简化外部结构，避免安装时进行二次接线，以及造成干扰，同时保证了长期运行的稳定性和可靠性。
图1中，电流输出端（9）和电压输出端（10）采用双端子固定在集成式传感器（1）上，经屏蔽双绞线方式引出，温度传感器输出端（11）也采用屏蔽双绞线引出。导电片引出端（12）采用单端子固定在导电片（4）上，电压互感器第一输入端（15）和电压互感器第二输入端（16）采用单端子固定在集成式传感器（1）上，经屏蔽线方式引出。
图1中，物联网终端（20）固定在电机接线盒盖（21）的内表面，安装在屏蔽外壳（26）内，天线（22）从电机接线盒盖（21）引出到外部。电源模块（23）固定在电机接线盒盖（21）的内表面，通过导电片引出端（12）和中线输入端（13）获取交流电源，转换成标准直流后，为物联网终端（20）供电。显示模块（24）固定在电机接线盒盖（21）的外表面，为物联网终端（20）提供数据显示。
物联网终端（20）从集成式传感器（1）的电流输出端（9）、电压输出端（10）和温度传感器输出端（11）分别获取电流、电压及温度信号，经计算、分析和处理后，利用天线（22）与外部设备进行数据交换。从而构成智能电机系统的一体式物联网传感器。
图1中，转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）和环境参数传感器（32）的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量，均采用屏蔽线方式将信号引入到物联网终端（20）。其中，振动传感器（30）安装固定在电机接线盒（19）侧壁上，测量电机的振动数据；环境参数传感器（32）安装于电机接线盒盖（21）的外表面，测量电机工作的环境温度、湿度、粉尘浓度和气压，这两种传感器可以直接与电机接线盒（19）集成，图1中具体标注了传感器的安装位置。
而转速传感器（29）安装于电机内部的主轴上，测量电机的实时转速，绕组温度传感器（31）安装于电机的绕组中，测量电机的绕组温度，这两种传感器无法集成在电机接线盒（19）内部，但是信号线可以通过电机接线座底部的通孔方便地汇集到物联网终端（20）上，因此图1中仅标注了连接关系，未标出传感器具体的安装位置。上述的设计思路还可用于其它传感器的安装和数据集成获取。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：包括集成式传感器（1）、电流互感器（2）、电压互感器（3）、导电片（4）、温度探头（5）、限流电阻槽（6）、限流电阻（7）、温度探头槽（8）、电流输出端（9）、电压输出端（10）、温度传感器输出端（11）、导电片引出端（12）、中线输入端（13）、电源进线（14）、电压互感器第一输入端（15）、电压互感器第二输入端（16）、电机接线柱（17）、连接片（18）、电机接线盒（19）、物联网终端（20）、电机接线盒盖（21）、天线（22）；
集成式传感器（1）由绝缘材料将电流互感器（2）、电压互感器（3）和导电片（4）浇注而成，导电片（4）位于电流互感器（2）上部；
电压互感器（3）位于电流互感器（2）的侧部，两者之间有限流电阻槽（6），位于集成式传感器（1）的上表面，限流电阻（7）安装在限流电阻槽（6）中；
电压互感器（3）的下部有温度探头槽（8），位于集成式传感器（1）的下表面，温度探头（5）安装在温度探头槽（8）中；
集成式传感器（1）上设置有电流输出端（9）、电压输出端（10），采用双端子或屏蔽双绞线方式分别将电流互感器（2）和电压互感器（3）的信号引出，温度传感器输出端（11）采用屏蔽双绞线将温度探头（5）的信号引出；
集成式传感器（1）上有导电片引出端（12），采用单端子或屏蔽软线将导电片（4）的电压引出；还有中线输入端（13），采用单端子或屏蔽软线将电源进线（14）的中线引入；
电压互感器（3）的电压互感器第一输入端（15）经限流电阻（7）与导电片（4）相连，电压互感器第二输入端（16）与中线输入端（13）相连；
集成式传感器（1）利用电流互感器（2）和导电片（4）中部的通孔，套装在电机接线柱（17）上，下表面安装的温度探头（5）与连接片（18）紧密接触；3个集成式传感器（1）分别安装在电机接线盒（19）内部的三相的3个电机接线柱（17）上；
物联网终端（20）固定在电机接线盒盖（21）的内表面，天线（22）从电机接线盒盖（21）引出到外部；物联网终端（20）从导电片引出端（12）和电源进线（14）的中线获取电源，从3个集成式传感器（1）的电流输出端（9）、电压输出端（10）和温度传感器输出端（11）分别获取三相的电流、电压及温度信号，经计算、分析和处理后，利用天线（22）与外部设备进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：包括电源模块（23），固定在电机接线盒盖（21）的内表面，通过导电片引出端（12）和中线输入端（13）获取交流电源，转换成标准直流后，为物联网终端（20）供电。
3.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：包括显示模块（24），固定在电机接线盒盖（21）的外表面，为物联网终端（20）提供数据显示。
4.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：所述的集成式传感器（1）外表面有电流方向标识（25）。
5.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：所述的物联网终端（20）安装在屏蔽外壳（26）内。
6.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：所述的集成式传感器（1）在电机接线柱（17）上安装时，从上至下依次安装电源进线（6）、集成式传感器（1）、连接片（18）、电机绕组进线（27），中间采用螺母（28）固定压紧。
7.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：所述的集成式传感器（1）的所有不对外连接的导线均由绝缘材料封装在内部。
8.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：所述的导电片（4）为上下两个圆环和一个空心半圆柱组合为一体的结构，套装在集成式传感器（1）的电流互感器（2）的位置，上下两个圆环中间的通孔与电流互感器（2）的通孔重叠。
9.根据权利要求1所述的智能电机接线盒一体式多参数物联网传感器，其特征在于：包括转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）、环境参数传感器（32）；转速传感器（29）安装于电机内部的主轴上，测量电机的实时转速，振动传感器（30）安装固定在电机接线盒盖（21）侧壁上，测量电机的振动数据；绕组温度传感器（31）安装于电机的绕组中，测量电机的绕组温度，环境参数传感器（32）安装于电机接线盒盖（21）的外表面，测量电机工作的环境温度、湿度、粉尘浓度和气压；转速传感器（29）、振动传感器（30）、绕组温度传感器（31）和环境参数传感器（32）测得的信号经屏蔽线送给物联网终端（20）。
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