CN110632512B - 一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测方法及装置，包括振动信号传感器、漏磁传感器和计算单元，所述振动信号传感器和漏磁传感器的输出端均与计算单元的输入端连接，所述漏磁传感器用于采集电机的轴线、径向以及切向的漏磁信号，振动信号传感器用于采集感应电机机壳的振动信号，所述计算单元用于对漏磁和振动信号进行信号处理，得到电机的转速n_r、转差率s、实际转矩T以及供电频率f_s。解决了现有监测技术中存在的成本高、部署困难等问题，为中小型感应电机提供合适的状态监测方案。

Description

一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测方法及装置

技术领域

本发明属于电机的状态监测技术领域，具体涉及一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测方法及装置。

背景技术

感应电机是工业中应用广泛，是主要的能源消耗设备，而电机故障会导致高昂的维修成本、巨大的停产损失，甚至危及人身安全。掌握电机的工作状态，可以实现能源的优化配置，节约成本；而掌握电机的健康状态，对及时排除故障，降低经济损失有重要意义。

工业中常用的监测系统都是基于电流监测方法和振动监测方法。但是电流监测需要采集电机单相或三相电流，振动监测方法需要测量电机轴承振动，必须在电机的多个位置部署多个传感器。这导致整个监测系统价格昂贵，接线布线繁琐，部署难度大。然而在工业应用中的大量的中小型感应电机由于自身价格低廉且数量大而无法配备这种昂贵的监测系统。此外，这种监测系统部署难度大，信号获取成本高，尤其是对于已经工作的电机，需要停机安装甚至需要改变供电电路。

因此，需要一种新的、非侵入式的、经济且有效的监测方法及装置，来满足中小型电机的监测需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测方法及装置，解决了现有监测技术中存在的成本高、部署困难等问题，为中小型感应电机提供合适的状态监测方案。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是采用监测装置测量电机的机壳振动信号和机壳外漏磁信号，结合振动和漏磁信号用于电机的工作状态监测。

本发明所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，包括振动信号传感器、漏磁传感器和计算单元，振动信号传感器和漏磁传感器的输出端均与计算单元的输入端连接，漏磁传感器用于采集电机的轴线、径向以及切向的漏磁信号，振动信号传感器用于采集感应电机机壳的振动信号，计算单元用于对漏磁和振动信号进行信号处理，得到电机的转速n_r、电机实际转差率s、实际转矩T以及供电频率f_s。

进一步的，振动信号传感器以及漏磁传感器与计算单元之间设置有信号处理单元，信号处理单元用于对振动信号传感器和漏磁传感器采集到的信号进行放大、滤波和隔离。

进一步的，还包括电源管理模块、磁场能量收集模块和备用电源，磁场能量收集模块用于收集电机漏磁场的能量并转换为电能给监测装置的供电；当磁场能量转换的电能足以维持监测装置工作时，电源管理模块只使用磁场转换的电能；当磁场能量不足时，启用备用电源辅助供电。

进一步的，磁场能量收集模块包括收集线圈，根据下式选择收集线圈：

式中：n_c--线圈匝数；L_c--线圈长度；R_c--线圈到电机主轴的距离；p—电机极对数；

电机漏磁场磁感应强度；ω—电机供电频率；Δ—线圈相对电机主轴的空间角。

进一步的，计算单元与外部存储模块连接，外部存储模块用于存储漏磁信号和振动信号。

进一步的，计算单元与无线传输模块连接，无线传输模块为WI-FI、蓝牙或Zigbee。

进一步的，振动信号传感器为MEMS振动传感器，漏磁传感器为MEMS漏磁传感器。

一种基于上述的基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置的监测方法，采集电机的漏磁信号和振动信号，根据漏磁信号和振动信号计算电机的实际供电频率f_s、转速n_r、转差率s和电机实际转矩，过程为：

S1、在漏磁信号的频谱中取最大值计算出供电频率f_s；

S2、结合极对数p和供电频率f_s，得到旋转频率f_r在振动频谱中的搜索区间，在振动频谱搜索区间内找最大值作为旋转频率f_r；

S3、根据旋转频率f_r、供电频率f_s以及极对数p，求解电机转速n_r和电机实际转差率s；

S4、根据电机实际转差率s、额定负载转矩T_n，计算电机的电机实际转矩T。

进一步的，在(1-0.05)f_s/p<f_r<f_s/p表示的搜索区间内搜索旋转频率，在振动频谱中找到搜索区间内的最大值即为旋转频率f_r；电机转速n_r的计算公式为：n_r＝60×f_r；

电机实际转差率s通过下式计算：

当电机实际转差率s小于额定转差率s_n时，电机实际转矩T通过下式计算：

上述公式式中：式中：f_s—电机供电频率；f_r—电机旋转频率；n_s—电机同步转速；n_r—电机实际转速；p—电机极对数；T—电机实际转矩；T_n—电机额定转矩；s—电机实际转差率；S_m—电机最大转差率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，相比现有的监测系统，监测装置具有成本低廉、易于部署等优点，方案经济且有效，可以满足中小型电机的低成本、非侵入式的监测需求。监测装置还可以用于诊断电机电气、机械故障。掌握电机的健康状态，可以尽早维修，减少损失。

进一步的，还包括磁场能量收集模块和备用电源，磁场能量收集模块用于收集电机漏磁场的能量转换为电能给监测装置的供电，当磁场能量转换的电能足以维持监测装置工作时，电源管理模块只使用磁场转换的电能；当磁场能量不足时，启用备用电源辅助供电，用于提高监测装置的使用寿命。

监测方法实现了电机的工作状态监测，掌握电机的工作效率、负载，有助于优化配置，节约能源，当电机处于异常工作状态时，能够及时发现并诊断故障类型及部位，大大降低电机维护的难度，同时可以预测电机剩余寿命。

附图说明

图1是监测装置的简要示意图；

图2a是监测装置在感应电机的安装及信号方向示意图一；

图2b是监测装置在感应电机的安装及信号方向示意图二；

图3是感应电机径向漏磁信号频谱图；

图4是感应电机机壳径向振动信号频谱图；

图5是基于漏磁信合与振动信号求解转速流程图；

图6是感应电机机械特性曲线图。

附图中：100、外壳，101、计算单元，102、无线传输模块，103、外部存储模块，104、信号处理单元，105、电源管理模块，106、振动信号传感器，107、漏磁传感器，108、磁场能量收集模块，109、备用电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，在电机的安装位置如图2a和图2b所示，安装在电机机壳外壁上，且位于感应电机外壳的竖直方向的切面上，该装置距与电机底面的垂直距离为电机高度的一半，监测装置包括振动信号传感器106、漏磁传感器107，计算单元101和信号处理单元104，单轴或多轴漏磁传感器107用于采集图2a和图2b中所示的轴线、径向、切向的漏磁信号，单轴或多轴的振动信号传感器106用于采集感应电机机壳的切向和径向振动信号。其中，结合轴向、切向、径向漏磁信号可以代替经典的电流信号方法实现转子断条、气隙偏心、匝间短路等电气故障的监测诊断；监测装置测得的漏磁信号和机壳振动信号，可以代替常用的电流监测和振动监测方法实现电机的故障诊断。而机壳的径向、切向振动信号可以用于轴承故障、机壳松动等机械故障的监测诊断。振动信号传感器106为MEMS振动传感器，漏磁传感器107为MEMS漏磁传感器。信号处理单元104是通过放大、滤波以及隔离等信号调理技术，来提高振动传感器106、漏磁传感器107采集信号的质量。

监测装置还包括磁场能量收集模块108和备用电源109，其中，磁场能量收集模块108用于收集电机漏磁场的能量转换为电能给监测装置的供电，用于提高监测装置的使用寿命。当磁场能量转换的电能足以维持监测装置工作时，电源管理模块105只使用磁场转换的电能；当磁场能量不足时，启用备用电源109辅助供电。磁场能量收集模块108的核心部件是收集线圈，线圈将漏磁场的能量转换为电能。线圈两端的感应电压的大小与线圈的匝数、长度、形状有关，具体的关系可以用式(1)来表示，根据式(1)可以设计合适的线圈用于收集漏磁能量。

式中：n_c--线圈匝数；L_c--线圈长度；R_c--线圈到电机主轴的距离；p—电机极对数；

电机漏磁场磁感应强度；ω—电机供电频率；Δ—线圈相对电机主轴的空间角；

监测装置还包括计算单元101，用于控制各个模块正常工作，并对漏磁和振动信号进行信号处理，实现对电机的状态监测；监测装置还包括外部存储模块103，用于存储漏磁信号、振动信号或其他系统配置信息；监测装置包括无线传输模块102，无线传输模块102包括WIFI、蓝牙和Zigbee，用于向用户传输漏磁信号、振动信号或电机转速、转差率、供电频率、负载等状态参数。监测装置配备有外壳100，可直接安装在电机的机壳上，最好是机壳的中心位置，具体位置如图2a和图2b所示。

一种基于漏磁和振动信号的电机状态监测方法，结合漏磁信号和振动信号，计算电机的实际供电频率、转速和转差率。在漏磁信号的频谱中取最大值计算出供电频率；结合极对数和供电频率，给出旋转频率在振动频谱中的搜索区间；在振动频谱搜索区间内找最大值得到旋转频率；根据旋转频率、供电频率、极对数，求解电机实际转差率。最后根据转差率、额定负载，估计电机的实际负载。

一种基于漏磁和振动信号的电机状态监测新方法，监测装置测得的漏磁信号和机壳振动信号，可以用于监测电机转速、转差率、负载、供电频率，其中电机转速等于60*旋转频率。

供电频率、旋转频率转差率是电机的工作状态的关键参数，并且与故障诊断有密切的关系，因此计算供电频率、旋转频率、转差率是至关重要的。使用图1所示的监测装置采集供电频率为50Hz的电机的轴线、径向和切向漏磁信号，对感应电机的漏磁信号做快速傅里叶变换得到旋转频率。根据径向漏磁信号或轴向漏磁信号得到电源供电频率f_s，由于由径向漏磁信号和轴向漏磁信号得到电源供电频率f_s的原理相同，在此，仅以径向漏磁信号得到电源供电频率f_s的过程进行说明。

径向漏磁信号频谱图如图3所示。图3表明，在漏磁信号中，电源供电频率f_s占主导地位，电源供电频率f_s幅值最大且远远高于其他频率分量，因此找到漏磁信号的频谱中最大幅值对应的频率值，可计算出供电频率f_s。

转差率与供电频率、旋转频率的关系可以用式(2)表示，

式中：s—电机实际转差率；f_s—电机供电频率；f_r—电机旋转频率；n_s—电机同步转速；n_r—电机实际转速；p—电机极对数；

异步电机在正常工作时，电机转速很接近同步转速，因此转差率很小，一般在0～0.05之间。在漏磁频谱中获得供电频率后，基于电机的极对数p和转差率的先验知识，根据式(2)可以给出一个旋转频率的搜索区间，即实际的电机旋转频率f_r满足式(3)。

(1-0.05)f_s/p<f_r<f_s/p

因此结合漏磁和振动信号，可以自动识别电机供电频率、旋转频率以及转差率。

根据径向振动信号或切向振动信号得到旋转频率f_r，由于由径向振动信号和切向振动信号得到旋转频率f_r的原理相同，在此，仅以径向振动信号得到旋转频率f_r的过程进行说明。

图4为感应电机机壳径向振动信号频谱图。在振动信号，旋转频率f_r明显地脱离背景噪声，但旋转频率f_r幅值并不一定是最大的，在图4中2f_r的幅值要高于旋转频率，在其他工况条件下，还会有额外的作业频率，因此不能只通过振动信号来识别电机转速。但漏磁信号给出了可靠的电机供电频率f_s，则可以在式(3)表示的搜索区间内搜索旋转频率，在振动频谱中找到搜索区间内的最大值即为旋转频率。因此结合漏磁和振动信号，能够计算出电机转速，流程如图5所示。

以图4为例子，该实例电机供电频率f_s为50Hz,极对数p为1。漏磁传感器和振动传感器分别采集漏磁信号和振动信号得到时域波形图，经过快速傅里叶变换(FFT)之后得到漏磁信号、振动信号的频谱图。根据漏磁信号频谱图计算出准确的供电频率f_s，结合极对数和式(3)，得到旋转频率f_r在振动信号频谱图上的搜索区间为47.5～50Hz之间，从图中可以看出可以准确的找出旋转频率f_r。

转差率还与负载息息相关，可以依靠转差率对负载进行估计。电机的机械特性曲线与电机结构参数、定子绕组电压、转子电阻、感抗等相关，但在实际中通常采用T_max和S_m表示的简化表达式(3)来表示机械特性曲线，也叫转矩-转差率特性。绘制出式(3)表示的机械特性曲线如图6所示，图6中，T_st为电机启动转矩。

式中：T—电机实际转矩；T_max—电机最大转矩；s—电机实际转差率；S_m—电机最大转差率；

感应电机机械特性曲线图如图6所示。图6表明，在电机负载T小于额定负载T_n，即电机实际转差率s小于额定转差率s_n时机械特性曲线CD段基本为线性的，可以用式(4)表示。因此，求得电机实际转差率之后，结合额定转矩、额定转差率可以根据式(4)估计出电机的实际转矩。

式中：T—电机实际转矩；T_n—电机额定转矩；s—电机实际转差率；S_m—电机最大转差率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，其特征在于，包括振动信号传感器(106)、漏磁传感器(107)和计算单元(101)，所述振动信号传感器(106)和漏磁传感器(107)的输出端均与计算单元(101)的输入端连接，所述漏磁传感器(107)用于采集电机的轴线、径向以及切向的漏磁信号，振动信号传感器(106)用于采集感应电机机壳的振动信号，所述计算单元(101)用于对漏磁和振动信号进行信号处理，得到电机的转速n_r、电机实际转差率s、实际转矩T以及供电频率f_s；

还包括电源管理模块(105)、磁场能量收集模块(108)和备用电源(109)，所述磁场能量收集模块(108)用于收集电机漏磁场的能量并转换为电能给监测装置的供电；当磁场能量转换的电能足以维持监测装置工作时，电源管理模块(105)只使用磁场转换的电能；当磁场能量不足时，启用备用电源(109)辅助供电；

所述磁场能量收集模块(108)包括收集线圈，根据下式选择收集线圈：

式中：n_c--线圈匝数；L_c--线圈长度；R_c--线圈到电机主轴的距离；p—电机极对数；

—电机漏磁场磁感应强度；ω—电机供电频率；Δ—线圈相对电机主轴的空间角。

2.根据权利要求1所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，其特征在于，所述振动信号传感器(106)以及漏磁传感器(107)与计算单元(101)之间设置有信号处理单元(104)，所述信号处理单元(104)用于对振动信号传感器(106)和漏磁传感器(107)采集到的信号进行放大、滤波和隔离。

3.根据权利要求1所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，其特征在于，所述计算单元(101)与外部存储模块(103)连接，所述外部存储模块(103)用于存储漏磁信号和振动信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，其特征在于，所述计算单元(101)与无线传输模块(102)连接，所述无线传输模块(102)为WI-FI、蓝牙或Zigbee。

5.根据权利要求1所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置，其特征在于，所述振动信号传感器(106)为MEMS振动传感器，所述漏磁传感器(107)为MEMS漏磁传感器。

6.一种基于权利要求1所述的基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置的监测方法，其特征在于，采集电机的漏磁信号和振动信号，根据漏磁信号和振动信号计算电机的实际供电频率f_s、转速n_r、电机实际转差率s和电机实际转矩，过程为：

S1、在漏磁信号的频谱中取最大值计算出供电频率f_s；

S2、结合极对数p和供电频率f_s，得到旋转频率f_r在振动频谱中的搜索区间，在振动频谱搜索区间内找最大值作为旋转频率f_r；

S3、根据旋转频率f_r、供电频率f_s以及极对数p，求解电机转速n_r和电机实际转差率s；

S4、根据电机实际转差率s、额定负载转矩T_n，计算电机的电机实际转矩T。

7.根据权利要求6所述的一种基于漏磁和振动信号的感应电机监测装置的监测方法，其特征在于，

在(1-0.05)f_s/p<f_r<f_s/p表示的搜索区间内搜索旋转频率，在振动频谱中找到搜索区间内的最大值即为旋转频率f_r；电机转速n_r的计算公式为：n_r＝60×f_r；

电机实际转差率s通过下式计算：

当电机实际转差率s小于额定转差率s_n时，电机实际转矩T通过下式计算：

上述公式式中：式中：f_s—电机供电频率；f_r—电机旋转频率；n_s—电机同步转速；n_r—电机实际转速；p—电机极对数；T—电机实际转矩；T_n—电机额定转矩；s—电机实际转差率。

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