CN110690795A - 永磁电机定转子温度和振动测量装置和永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种永磁电机定转子温度和振动测量装置和永磁电机，测量装置包括：用于插入定子齿上预设的传感器孔的长条形的一体式传感器组；传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向；一体式传感器组包括依次排列的非接触式测温传感器、接触式测温传感器和振动传感器；非接触式测温传感器用于设置在传感器孔中靠近定子齿顶部的一端，以检测转子的温度；振动传感器用于设置在传感器孔中靠近定子轭的一端，以检测电机的振动；接触式测温传感器用于设置在非接触式测温传感器和振动传感器之间，以检测定子的温度。上述方案中，可以同时测量转子、定子的温度以及电机的振动情况，且上述装置结构简单、安装过程便捷，便于使用。
Description
技术领域
本申请涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种永磁电机定转子温度和振动测量装置和永磁电机。
背景技术
目前，永磁电机以其转矩密度高、效率高、转速范围宽、功率因数高、节能等特点，逐步代替传统的异步电机。但相比于异步电机，由于稀土永磁体的应用，其和铁芯中的涡流以及由于电机高频次载波和齿槽等影响所引起的谐波使得电机转子产生较大的铁磁损耗，这些损耗大都转化为热量散发出去，散发的热量导致定子温度过高，继而可能使定子绕组线圈发生绝缘损坏或击穿，严重时可能导致线圈短路起火。另一方面，电机由于生产制造、装配等环节设计、工艺问题或者长期运行出现的不确定因素会导致电机旋转时发生振动，振动也会导致永磁体退磁或失磁，进而可能导致设备失效。综上所述，累积的高温以及机械振动可能会使永磁体产生永久不可恢复的退磁，严重影响电机的带载能力。因此，对永磁电机实时进行定转子温度测量、定子振动测量有十分迫切的需要。明确永磁电机不同工况下定、转子温度、电机振动的数据，不仅可以为维护设备长期可靠工作还能对电机优化设计提供重要依据。
相关技术中，对永磁电机的定转子温度测量、电机振动测量是通过分立式的传感器实现的，其结构安装复杂，且不便于长期进行实时数据监测处理及控制。
发明内容
本申请提供一种永磁电机定转子温度和振动测量装置和永磁电机，以解决相关技术中对永磁电机的定转子温度、振动的测量方法中存在的传感器安装结构复杂、使用不便的问题。
本申请的上述目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种永磁电机定转子温度和振动测量装置，包括：长条形的一体式传感器组，用于插入定子齿上预设的传感器孔；所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向；
所述一体式传感器组包括依次排列的非接触式测温传感器、接触式测温传感器和振动传感器；
所述非接触式测温传感器用于设置在所述传感器孔中靠近定子齿顶部的一端，以检测转子的温度；所述振动传感器用于设置在所述传感器孔中靠近定子轭的一端，以检测电机的振动；所述接触式测温传感器用于设置在所述传感器孔中的所述非接触式测温传感器和所述振动传感器之间，以检测定子的温度。
可选的，所述非接触式测温传感器为红外热电堆传感器，所述接触式测温传感器为热敏电阻传感器，所述振动传感器为电感式振动传感器。
可选的，所述传感器组中的各传感器均为微机电系统封装传感器，尺寸均为底面圆直径4毫米、高3毫米。
可选的，所述永磁电机定转子温度和振动测量装置还包括铝管；所述传感器组设置在所述铝管内，所述铝管用于插入所述传感器孔。
可选的，所述传感器孔的直径为5毫米，所述铝管的外直径为4.5毫米。
可选的，所述铝管内灌装有环氧胶，用于固定所述传感器组。
可选的，所述永磁电机定转子温度和振动测量装置还包括信号处理装置；所述传感器组中的各传感器均采用两条引出线接入所述信号处理装置；所述信号处理装置用于对各传感器采集的信号进行放大、隔离和滤波处理，以及将处理后的模拟信号转换为数字信号并传输至主控制器。
可选的，各传感器的所有引出线外还包括屏蔽层。
可选的，所述信号处理装置包括放大器、单片机和通信电路。
第二方面，本申请实施例还提供一种永磁电机，包括带有传感器孔的永磁电机本体和设置在所述传感器孔内的、上述任一种永磁电机定转子温度和振动测量装置；其中，所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请的实施例提供的技术方案中，将传统的三种分立的测量传感器结合起来，通过将一体式传感器组设置在定子齿内，从而可以同时测量转子、定子的温度以及电机的振动情况，如此便于对电机进行长期实时有效的监控；此外，传感器组的结构简单、安装过程便捷，便于用户使用，在此基础上可以收集电机的关键运行信息，为电机设计、安装和使用提供数据支持。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的一种永磁电机定转子温度和振动测量装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种包含永磁电机定转子温度和振动测量装置的永磁电机的径向剖面示意图；
图3为本申请实施例提供的一种包含永磁电机定转子温度和振动测量装置的永磁电机的轴向剖面示意图；
图4为图3(b)的局部放大示意图；
图5为本申请实施例提供的一种信号处理装置的结构示意图；
附图标记：1-传感器组；11-非接触式测温传感器；12-接触式测温传感器；13-振动传感器；2-定子；21-定子齿；22-定子轭；3-转子；4-铝管；5-信号处理装置。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在对本申请的技术方案进行详细说明之前，首先对现有技术中永磁电机定转子的温度和振动的测量方式以及上述方式存在的问题进行说明。
目前，主流的定子测温方式为在电机生产过程中，具体为在定子绕线过程中埋入热电阻温度传感器，传感器的两条信号线随电机编码器线组并入插头，然后接到电机驱动器。这种结构接线复杂、走线长，且热电阻传感器长距离的引线将导致电阻值发生偏移，无法准确获得定子线包温度。
而主流电机厂商尤其针对电主轴、节能电机等的现有技术中涉及到永磁电机转子测温的方式基本都是间接测量，具体为：在轴中心开孔，电机运行一段时间后，将热电阻温度传感器或者红外温度传感器深入到轴孔中，间接测量转子温度。这种方式无法准确测试电机运行过程中的发热情况及永磁体的实际温度，无法实时监控温度数据进而进行相应措施，只是电机生产商对于电机进行的出厂测试。而若要对转子直接测温，则通常采用热电阻、热电偶或光纤光栅，实际测温时需要在转子表面布置测温探头，每个探头分别引出信号线，通过轴中心引出，这种方式安装复杂，操作难度高，且会增加设备运行故障率。
测量振动在电机制造和试验环节运用最为广泛的是电机振动测试仪。电机振动测试仪是电机制造厂商必不可少的检测设备。其检测时，将电机放置在测试台，利用夹具固定，将振动测试仪的若干测试传感器探头用胶粘在电机外壳，当转子旋转时，测试电机振动情况。不过，振动测试仪只能在电机出厂时检测，而无法对电机安装到设备后长期进行有效监视。对于设备配套电机，用户往往需要配备振动检测装置通过与控制器联合使用，进行算法配置，将对电机振动异常时进行相应降速、急停或断电保护。面对用户的需求，振动测试仪无法满足应用需求。
本申请的下述实施例首先解决上述指出的传感器结构安装复杂，且不便于长期进行实时数据监测处理及控制的问题。
实施例一
请参阅图1-4，图1为本申请实施例提供的一种永磁电机定转子温度和振动测量装置的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种包含永磁电机定转子温度和振动测量装置的永磁电机的径向剖面示意图；图3为本申请实施例提供的一种包含永磁电机定转子温度和振动测量装置的永磁电机的轴向剖面示意图，其中图3(a)为内嵌式磁钢电机，图3(b)为表贴式磁钢电机；图4为图3(b)的局部放大示意图。
如图1-3所示，该测量装置包括：长条形的一体式传感器组1，用于插入定子齿21上预设的传感器孔；所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿21中心线的径向方向；
一体式传感器组1包括依次排列的非接触式测温传感器11、接触式测温传感器12和振动传感器13；
非接触式测温传感器11用于设置在所述传感器孔中靠近定子齿21顶部的一端，以检测转子3的温度；振动传感器13用于设置在所述传感器孔中靠近定子轭22的一端，以检测电机的振动；接触式测温传感器12用于设置在所述传感器孔中的非接触式测温传感器11和振动传感器13之间，以检测定子2的温度。
具体的，非接触式测温传感器11可以为红外热电堆传感器，接触式测温传感器12可以为热敏电阻传感器，振动传感器13为电感式振动传感器。
红外热电堆传感器依据任何物体只要在绝对零度以上时，都会以一定的波长向外辐射能量的原理(即黑体辐射的基本定律)，将吸收的红外辐射转化为热能，并把温度变化转化成电子信号，放大显示出来。红外热电堆传感器的优点在于，无需像红外线测温装置那样需要红外线发射和接受装置，即结构更简单。在使用时，将红外热电堆传感器的探头对准被测的转子3方向，即可获取转子3的温度。
需要说明的是，如图3(b)或图4所示，一般表贴式电机的转子磁钢外有一层不锈钢保护套或碳纤维保护套(即图3(b)或图4中，定子2与转子3之间的黑色弧线部分)。而由于物体的红外辐射特性除物体的温度外，还与材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等因素有关。不锈钢保护套作为光滑金属表面辐射率只有0.16，而氧化后辐射率为0.85。由于辐射率越高，测温传感器采集数据越准确。因此，在使用时需将热电堆红外测温探头对应的不锈钢保护套刷黑色亚光油漆，增加辐射率。如果是碳纤维保护套，则无需处理。基于同样的原因，对于图3(a)所示的内嵌式电机，转子轴线中心位置的硅钢片表面也需要刷黑色亚光油漆。
热敏电阻传感器(也称热电阻传感器)，基于导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性获取自身电阻值，再基于电阻值与温度的唯一对应关系，获取周围的温度，并把温度变化转化成电子信号，放大显示出来。其中，热敏电阻传感器可以做成两线制或三线制，以消除线路阻抗的影响。在使用时，将热敏电阻传感器的探头紧靠定子齿21设置，即可获取定子2的温度。
电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。电感式振动传感器即是用于测量振动。需要注意的是，理论上说，将振动传感器设置在电机的任意位置都可以测量电机的振动情况，但是由于靠近定子轭22一侧相对靠近转子3一侧的振动情况通常更明显，因此，将振动传感器设置在定子轭22一侧时，更容易检测到振动，测量效果更好。
在具体实施时，作为一种可行的实现方式，非接触式测温传感器11和接触式测温传感器12可以选择SPD Micro Corporation公司的型号为STP2481的一体式传感器，该传感器包含上述二者的功能。振动传感器可以选择Analog Devices公司的型号ADXL001的产品。当然，三个传感器也可以选择其他的型号，非接触式测温传感器11和接触式测温传感器12也可以选择相互独立的产品，只要能够满足大小和其他测量要求即可。
上述实例中的三种传感器均为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)封装传感器，尺寸均为底面圆直径4mm(毫米)、高3mm(毫米)。
上述方案中，将传统的三种分立的测量传感器结合起来，通过将一体式传感器组1设置在定子齿21内，从而可以同时测量转子3、定子2的温度以及电机的振动情况，如此便于对电机进行长期实时有效的监控；此外，传感器组1的结构简单、安装过程便捷，便于用户使用，在此基础上可以收集电机的关键运行信息，为电机设计、安装和使用提供数据支持。
进一步的，为了便于用户安装和使用，可以将传感器组1设置在铝管4内，从而通过铝管4将传感器组1设置在所述传感器孔内。
此外，结合上述说明以及附图可知，传感器孔的直径必须小于定子齿21的横截面宽度，而为了满足定子齿21横截面宽度较小的永磁电机的使用，因此设计时应尽量减小传感器孔的直径，再考虑到目前可用的传感器的体积，可以将传感器孔的直径设置为5mm左右，对应的，铝管4的外直径可以为4.5mm左右。
进一步的，如果选择的传感器组1的直径小于铝管4的内径(例如选择上述实施例列举的型号)，则需要采取措施对传感器组1进行固定，一些实施例中，可以通过在铝管4中灌装环氧胶的方式实现。环氧胶又称为环氧树脂、环氧树脂胶，其固化后的产物具有耐水、耐化学腐蚀、晶莹剔透等特点。需要注意的是，由于环氧胶导热性差，因此如果灌装环氧胶，环氧胶不能覆盖非接触式测温传感器11的探头，且应将接触式测温传感器12的探头紧贴铝管4内壁设置，即通过铝管4将定子齿21的温度传导给接触式测温传感器12的探头，否则温度传感器无法准确测量定子2和转子3的温度。
此外，可以直接采取间隙配合的方式将铝管4固定在传感器孔内，或者将传感器孔设置为带一点锥度的锥形孔，从而提高固定的稳定性。并且，为了避免因振动而导致传感器组1从传感器孔中脱落，通常建议从电机上方(指的是使用时的上方)钻取传感器孔，以正上方为最佳(如图3所示)。
以上实施例一仅对温度和振动信号的采集部分(传感器组1)进行了说明，在使用时，采集的信号还需要传输至信号处理装置进行处理，从而才能对电机的状态进行监测。基于此，以下实施例将对信号的传输和处理部分进行说明。
实施例二
请继续参阅图1，如图1所示，永磁电机定转子温度和振动测量装置还包括：信号处理装置5；传感器组1中的各传感器均采用两条引出线接入信号处理装置5；信号处理装置5用于对各传感器采集的信号进行放大、隔离和滤波处理，以及将处理后的模拟信号转换为数字信号并传输至主控制器。
具体的，所有引出线均可以从振动传感器13尾部引出，信号处理装置5包括放大器、单片机和通信电路；其对信号的处理过程如图5所示：各传感器采集的模拟信号通过放大器进行放大、隔离和滤波处理，然后将处理后的模拟信号传输至单片机(具体可以是ST公司的任一款STM8L系列8位单片机)转换为数字信号，最后由通信电路通过RS485总线形式将数字信号传输至电机的主控制器。当然应当理解的是，也可以选择其他类似的总线形式，例如Modbus、CAN总线等，对此不进行限制。
需要注意的是，对于以上所述的信号处理装置5，在现有的永磁电机温度和振动测量技术中也存在类似的装置，起到相同的功能；此外，电机的主控制器用于对电机的实时运行参数进行显示和监测，以及对电机的运行进行控制和保护等，这与现有技术中一致，对此不再详述。
此外，为了避免传感器组1采集的信号在传输过程被外部电磁信号干扰，可以设置屏蔽层，也就是在传感器的引出线外设置金属网状编织层把信号线包裹起来，屏蔽层也有防止线路向外辐射电磁能的作用。屏蔽层可以固定在电机外壳上。一些实施例中，引出线与屏蔽层的长度为20cm。
基于与上述同样的构思，本申请实施例还提供一种永磁电机，其包括带有传感器孔的永磁电机本体和设置在所述传感器孔内的、上述任一实施例所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置；其中，所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向。
相较于现有技术而言，本申请提供的结构克服安装不便的问题，本申请提供的测量方式和手段解决了电机关键数据的实时采集和处理的问题，能够对数据进行相应的分析，从而达到对电机设备故障提前预警和判断的效果。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，包括：长条形的一体式传感器组，用于插入定子齿上预设的传感器孔；所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向；
所述一体式传感器组包括依次排列的非接触式测温传感器、接触式测温传感器和振动传感器；
所述非接触式测温传感器用于设置在所述传感器孔中靠近定子齿顶部的一端，以检测转子的温度；所述振动传感器用于设置在所述传感器孔中靠近定子轭的一端，以检测电机的振动；所述接触式测温传感器用于设置在所述传感器孔中的所述非接触式测温传感器和所述振动传感器之间，以检测定子的温度。
2.根据权利要求1所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，所述非接触式测温传感器为红外热电堆传感器，所述接触式测温传感器为热敏电阻传感器，所述振动传感器为电感式振动传感器。
3.根据权利要求2所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，所述传感器组中的各传感器均为微机电系统封装传感器，尺寸均为底面圆直径4毫米、高3毫米。
4.根据权利要求3所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，还包括铝管；所述传感器组设置在所述铝管内，所述铝管用于插入所述传感器孔。
5.根据权利要求4所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，所述传感器孔的直径为5毫米，所述铝管的外直径为4.5毫米。
6.根据权利要求4所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，所述铝管内灌装有环氧胶，用于固定所述传感器组。
7.根据权利要求1-6任一项所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，还包括信号处理装置；所述传感器组中的各传感器均采用两条引出线接入所述信号处理装置；所述信号处理装置用于对各传感器采集的信号进行放大、隔离和滤波处理，以及将处理后的模拟信号转换为数字信号并传输至主控制器。
8.根据权利要求7所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，各传感器的所有引出线外还包括屏蔽层。
9.根据权利要求7所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置，其特征在于，所述信号处理装置包括放大器、单片机和通信电路。
10.一种永磁电机，其特征在于，包括带有传感器孔的永磁电机本体和设置在所述传感器孔内的、如权利要求1-9任一项所述的永磁电机定转子温度和振动测量装置；其中，所述传感器孔位于电机定子轴向中心位置且位于定子齿中心线的径向方向。
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