CN110998343A - 用以检测电动机漏磁通异常的技术 - Google Patents

Abstract

信号处理器被配置成接收包含信息的信令，所述信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，所述正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及基于接收到的所述信令确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。可以通过外部附接到电动机机架的电动机磁通传感器来感测并提供所述信令。

Description

用以检测电动机漏磁通异常的技术

发明背景

1.发明领域

本申请涉及一种用于检测电动机漏磁通异常的技术；更具体地说，涉及用于检测电动机中的电动机漏磁通异常的技术。

2.相关技术的简要说明

以下技术是本领域已知的：

EP 1046044 B1公开了一种技术，该技术基于使用差动电流互感器来感测接地泄漏电流，并且例如通过使用与向电动机供电的电力导体串联设置的电流互感器(安培数)传感器来处理信号以实现容易的警报跳闸。EP 1046044 B1技术没有通过漏磁通和磁通传感器来跟踪电动机负载，以感测负载变化从而指示在发生灾难性损坏之前运行中的异常情况。

美国专利号5,680,025公开了一种使用磁通线圈来感测电动机负载和磁通信号的技术，但是没有公开消除正弦波的能力。

美国专利号6,308,140 B1公开了一种技术，该技术感测电动机电流而不是磁通，并且使用电动机电流来检测电动机中损坏的转子条。

美国专利号7,880,473公开了一种用于非侵入性监测和诊断电动机的技术，该技术通过将在电动机外部各个点处测得的磁场值的组合值与期望的组合值进行比较来测量外部磁通密度，以确定电动机中是否存在故障。

在本领域中，用于非侵入性地感测电动机磁通、消除正弦波形并将所得信号用于基线和趋势分析，从而允许准确地比较和诊断以便以准确的诊断来指示待处理的电动机故障的技术是未知的。

鉴于此，行业中需要一种更好的方法来检测驱动泵的电动机中的电气和机械故障。

发明内容

概括地说，且与上述现有技术形成对比，本发明提供了一种新的独特技术，用于检测电动机漏磁通异常，该技术基于将磁通传感器附接到电动机机架。特别地，可将例如包括磁通门装置的电动机漏磁通检测器附接到电动机的外机架。

本发明的具体实施方案

根据一些实施方案，本发明可以呈设备的形式，例如，用于驱动泵的电动机的控制器，其特征在于：

信号处理器，其被配置成

接收包含信息的信令，该信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，该正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及

基于接收到的所述信令，确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。

本发明还可以包括以下一个或多个特征：

可以通过相对于绕组布置的电动机磁通传感器来感测并提供该信令。

该设备可以包括电动机磁通传感器。

该设备可以包括具有电动机机架的电动机；并且电动机磁通传感器附接到电动机机架上，包括其中电动机机架是外部电动机机架，并且电动机磁通传感器是漏磁通传感器。

感测到的正弦波形具有正弦波分量，失真存在于感测到的正弦波形上。

该关系可以是该正弦波形与磁通的基频的纯正弦波形之间的差异，该差异导致具有磁通失真的非正弦磁通波形。

信号处理器可以被配置成将包含关于基线差异的信息的基线信令存储和记录在存储器模块中，以用于后续的与在稍后时间点确定的后续差异进行比较。

磁通失真可能包含关于待处理的机械或电气故障的信息。

机械故障可能包括由未对准、失衡状态或一个或多个故障轴承引起的振动。

电气故障可能包括例如绕组部分短路、转子断条、偏心气隙或叠片损坏。

信号处理器可以被配置成例如通过使用以下一种或多种技术来处理包含关于非正弦磁通波形的信息的相关信令，以确定待处理的机械或电气故障：

对所述相关信令实施动态增强增益技术来放大微小的磁通失真，以用于进一步分析；或

实施基本正弦波消除技术，所述基本正弦波消除技术允许在已知的用于建立电动机非正弦磁通“签名”基线的正确运行期间记录/存储电动机非正弦磁通“签名”，允许在后续运行期间记录/存储后续电动机非正弦磁通“签名”，并且还允许对所述电动机非正弦磁通“签名”基线和所述后续电动机非正弦磁通“签名”进行比较分析，以确定关于相应波形在振幅和频率两方面随时间的一个或多个最小偏差；或

为指示异常状况的偏差值建立警报阈值，包括其中所述异常状况不是引起立即损坏的状况，因此可以在电动机系统正在运转时调查所述电动机系统的潜在异常状况，并且所述电动机系统不会由于损坏性故障而停止。

信号处理器可以被配置成执行频谱分析(包括使用快速傅里叶变换分析)以处理包含关于非正弦磁通波形的信息的相关信令，以基于在第一时间点在正常运行期间确定的基线正弦波形和在稍后的第二时间点确定的后续正弦波形的比较来确定异常。

在第一时间点接收到的信令可以包含关于在电动机的绕组中流动的电流的基线正弦波形的信息，该基线正弦波形具有至少部分地由在正常运行期间的电流流动产生的磁通引起的失真，并且在第二时间点接收到的信令包含关于在电动机的绕组中流动的电流的后续正弦波形的信息，该后续正弦波形具有至少部分地由在稍后的第二时间点的电流流动产生的磁通引起的失真。

电动机可以是交流感应电动机，其被配置成在被供应正弦交流电压时汲取纯正弦波形的电流。

信号处理器可以被配置成分解所接收到的信令以确定包含关于在电动机的绕组中流动的电流的正弦波形的信息的第一信令，并且确定包含关于至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真的信息的第二信令。

所接收到的信令可以包括包含关于在电动机的绕组中流动的电流的正弦波形的信息的第一信令，并且包括包含关于至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真的信息的第二信令。

信号处理器可以被配置成提供所确定的包含关于电动机中的异常的信息的相应信令。

所确定的相应信令包含关于机械故障的信息，机械故障包括由未对准、失衡状态或一个或多个故障轴承引起的振动。

所确定的相应信令包含关于电气故障的信息，电气故障包括绕组部分短路、转子断条、偏心气隙或叠片损坏。

信号处理器可以被配置成提供所述相应信令用于进一步处理，包括作为控制信令。

该设备可以包括例如具有信号处理器的控制器，或呈所述控制器的形式。

根据一些实施方案，该设备可以包括泵系统或呈泵系统的形式，该泵系统具有带有信号处理器的控制器，用于实现上述信号处理功能。泵系统可以包括电动机和由电动机驱动的泵。

根据一些实施方案，本发明可以呈方法的形式，该方法的特征在于以下步骤：

在信号处理器中接收包含信息的信令，所述信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，所述正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及

基于接收到的所述信令，在所述信号处理器中确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。

该方法可以包括向信号处理器提供所述相应信令以用于进一步处理，包括作为控制信令，以及本文阐述的一个或多个特征。

实际上，本发明提供了一种新颖且独特的方法，用于非侵入性地感测电动机磁通、消除正弦波形并将所得信号用于基线和趋势分析，从而允许准确地比较和诊断以便以准确的诊断来指示待处理的电动机故障。

附图说明

附图(未必按比例绘制)包括以下图：

图1示出了例如通常提供给交流感应电动机的电流的纯正弦波形的正弦波函数(振幅相对于时间)的曲线图。

图2示出了由交流感应电动机中流动的电流产生的磁通的波形的曲线图(振幅相对于时间)，例如，该波形是从附接到电动机外机架的电动机磁通传感器接收到的，其具有正弦波分量，失真存在于波形上。

图3示出了通过在交流感应电动机中流动的电流的磁通减去正弦波函数的非正弦波形(振幅相对于时间)的曲线图，例如用于诊断潜在的电动机和/或负载问题。

图4示出了根据本发明的一些实施方案的具有信号处理器的设备，该信号处理器被配置成处理接收到的信号并确定包含关于电动机中的异常的信息的相应信令，例如用于驱动泵。

图5示出了根据本发明的一些实施方案的具有外机架的电动机的框图，该外机架具有布置在其上的电动机漏磁通检测器，例如，包括磁通门装置。

图6示出了根据本发明的一些实施方案的基本方法/算法的流程图。

并非每个图中都包括每个附图标记，例如以便整体上减少附图中的混乱。

具体实施方式

基本发明

例如用于驱动泵如元件30(图4)的交流感应电动机如元件20(图4)被设计成当被提供正弦交流电压时汲取纯正弦波形的电流。例如，参见图1所示的正弦波函数。

在电动机绕组(20c(图5))中流动的电流将产生正弦磁通。根据本发明，为了诊断电动机和/或负载问题，必须检查不呈正弦的磁通。例如，参见图2中所示的电动机磁通函数。

例如从电动机磁通传感器如元件20b接收到的图2中的波形具有正弦分量，失真存在于波形上。磁通失真是允许诊断异常的异常指示分量。这种磁通失真可能表示待处理的机械或电气故障。机械故障的示例包括由未对准、失衡、轴承故障等引起的振动。电气故障的示例也可以代表电动机绕组或转子出现待处理的故障，例如绕组部分短路、转子断条、偏心气隙、叠片损坏等。

根据本发明，本文的技术提出感测磁通的基频，并在数学上减去与纯正弦波形完全相同的频率。剩下的信号是非正弦磁通(参见图3)，可以对其进行处理以诊断潜在的电动机和/或负载问题。

可以对所得信号执行许多处理。例如，一种非常重要的技术是所得信号的动态增强增益，以允许大大改善对微小磁通失真的检查。通过大大放大这些非常小的信号，可以对先前未发现的异常进行改进的诊断。

此外，基本正弦波消除功能允许在已知的正确运行期间记录电动机的非正弦磁通“签名”(例如，感测并存储在合适的存储模块，如构成元件10b一部分的模块中)，也称为“基线定线”。提供与非正弦分量非常详细的比较的这种能力可以在已知的良好运行期间建立更准确的基线信号。

通过对可疑信号与记录的基线信号进行比较分析，可以确定关于波形在振幅和频率两方面随时间的最小偏差。通过为表示异常状况(而不是引起立即损坏的状况)的偏差值建立警报阈值，用户可以在系统正运转时调查潜在的异常状况，并且不会由于损坏性故障而停止运转。

最后，可容易地进行频谱分析，例如使用快速傅立叶变换分析，以指示正常运行中的异常。

通过使用附接至电动机20的外机架如元件20a的电动机泄漏传感器如元件20b，可以非侵入性地感测电动机泄漏。通过从电动机的非正弦磁通签名中减去已知的良好正弦信号，可以记录已知的良好工作电动机的基线。该唯一配置文件可用于与将来的异常进行比较，以确定待处理的故障。

作为进一步的示例，还设想了相比漏磁通传感器使用附加的电流传感器如20d来感测电动机电流的实施方案，但是可以使用相同的方法来分析电动机的电流签名的趋势并比较未来的运行。但是，添加电流传感器如20d将是一种非侵入性的解决方案。

图4：基本设备10，包括泵系统

图4示出了根据本发明的一些实施方案的总体上表示为10的设备，例如，包括信号处理器或信号处理模块10a、其他信号处理器电路或部件10b、电动机20和泵30的组合。

在运行中，信号处理器或信号处理器模块10a可以被配置成

接收包含信息的信令，所述信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，所述正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及

基于接收到的信令，确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。

举例来说，可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现信号处理器10a的功能。在典型的软件实现方式中，信号处理器或信号处理模块10a将包括一个或多个基于微处理器的架构，所述架构具有例如至少一个处理器或微处理器、随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)、输入/输出装置和控件、以及连接它们的数据和地址总线，和/或至少一个输入处理器和至少一个输出处理器。本领域的技术人员将能够无需过度实验而对这种基于微控制器(或微处理器)的实现方式进行编程，以执行本文所述的功能。本发明的范围无意限于使用现在已知或将来开发的技术的任何特定实现方式。本发明的范围旨在包括将信号处理器的功能实现为独立处理器或处理器模块、实现为分离的处理器或处理器模块以及它们的某种组合。

举例来说，在阅读了本专利申请之后，本领域的技术人员将无需过度实验就能知道如何实现信号处理器10a以接收包含信息的信令，该信息关于感测到的、由在电动机的绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，该正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形。该实现方式可以包括信号处理器10a，该信号处理器与形成另一部件的一部分的输入/输出模块或形成元件10b的一部分的电路协作或一起工作。

作为进一步的示例，在阅读了本专利申请之后，本领域的技术人员将无需进行过多的实验就能知道如何实现信号处理器10a以确定包含关于电动机中的异常的信息的相应信令，该信息取决于感测到的正弦波形与纯正弦波形之间的关系，例如包括如本文所述的机械和/或电气异常。举例来说，电动机和电动机泄漏传感器20b相对于电动机绕组的振动可能会导致感测到的电动机磁通中的不规则性，这些不规则性可能会使电动机泄漏传感器20b感测到的磁通的波形失真。信号处理器10a可以被配置成使用基线签名分析来处理非正弦波形，例如，如图3所示的波形，并基于感测到的电动机磁通中的不规则性来确定关于电动机20中的异常的信息，这些不规则性使由电动机泄漏传感器20b感测到的磁通的波形失真并且由振动引起。类似地，本领域的技术人员无需过度实验也将能够实施相应的基线特征分析技术以确定电动机中的其他类型或种类的电气和/或机械异常。

重要的是要注意，本发明的范围无意限于所确定的电动机中的任何特定类型或种类的电气和/或机械异常，并且可以包括现在已知的以及将来发生的异常。换句话说，设想了实施方案，并且本发明的范围旨在包括确定除本文所阐述的异常之外的其他类型或种类的异常。

设备10还可以包括一个或多个其他模块、部件等，通常被表示为10b，用于实现与该设备相关联的其他功能，但是它们不构成基础发明的一部分，因此不详细描述。

该设备还可以包括具有外壳20a的电动机20，电动机漏磁通检测器20b附接到该外壳上，例如，如图5所示。作为进一步的示例，电动机20还可包括具有绕组的转子和定子组合20c、电流传感器20d以及本领域已知的其他电动机部件20e。

图6：基本方法

图6示出了根据本发明的一些实施方案的具有用于确定电动机中的异常的步骤的方法/算法的流程图50，例如，包括实现步骤50a、50b、50c和50d的某种组合。举例来说，流程图50包括例如步骤50d，该步骤用于在电动机20的外机架20a上布置电动机漏磁通检测器20b，以感测在电动机的绕组中流动的电流的正弦波形，该正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真。

发明范围

应当理解，除非本文另有说明，否则关于本文的特定实施方案而描述的任何特征、特性、替代方案或修改也可以被应用、使用或与本文描述的任何其他实施方案结合。另外，本文的附图未按比例绘制。

尽管已经相对于本发明的示例性实施方案描述和示出了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中以及对其做出前述和各种其他添加和省略。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

信号处理器，其被配置成：

接收包含信息的信令，所述信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，所述正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及

基于接收到的所述信令，确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述信令通过相对于所述绕组布置的电动机磁通传感器来感测。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备包括所述电动机磁通传感器。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备具有电动机机架的电动机；并且所述电动机磁通传感器附接到所述电动机机架上，包括其中所述电动机机架是外部电动机机架，并且所述电动机磁通传感器是漏磁通传感器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述感测到的正弦波形具有正弦波分量，失真存在于所述感测到的正弦波形上。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述关系是所述感测的正弦波形与所述磁通基频的所述纯正弦波形之间的差异，所述差异导致具有磁通失真的非正弦磁通波形，包括通过从所述感测到的正弦波形中减去所述纯正弦波形。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述信号处理器被配置成将包含关于基线差异的信息的基线信令存储和记录在存储器模块中，以用于后续的与在稍后时间点确定的后续差异进行比较。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述磁通失真包含关于待处理的机械或电气故障的信息。

9.根据权利要求8所述的设备，其中机械故障包括由未对准、失衡状态或一个或多个故障轴承引起的振动。

10.根据权利要求8所述的设备，其中电气故障包括绕组部分短路、转子断条、偏心气隙或叠片损坏。

11.根据权利要求6所述的设备，其中所述信号处理器被配置成使用以下一种或多种技术来处理包含关于所述非正弦磁通波形的信息的相关信令，以确定待处理的机械或电气故障：

对所述相关信令实施动态增强增益技术来放大微小的磁通失真，以用于进一步分析；或

实施基本正弦波消除技术，所述基本正弦波消除技术允许在已知的用于建立电动机非正弦磁通“签名”基线的正确运行期间记录/存储电动机非正弦磁通“签名”，允许在后续运行期间记录/存储后续电动机非正弦磁通“签名”，并且还允许对所述电动机非正弦磁通“签名”基线和所述后续电动机非正弦磁通“签名”进行比较分析，以确定关于相应波形在振幅和频率两方面随时间的一个或多个最小偏差；或

为指示异常状况的偏差值建立警报阈值，包括其中所述异常状况不是引起立即损坏的状况，因此可以在电动机系统正在运转时调查所述电动机系统的潜在异常状况，并且所述电动机系统不会由于损坏性故障而停止。

12.根据权利要求6所述的设备，其中所述信号处理器被配置成执行频谱分析，包括使用快速傅里叶变换分析，以处理包含关于所述非正弦磁通波形的信息的相关信令，以基于在第一时间点在正常运行期间确定的基线正弦波形和在稍后的第二时间点确定的后续正弦波形的比较来确定所述异常。

13.根据权利要求12所述的设备，其中在所述第一时间点接收到的所述信令包含关于在所述电动机的所述绕组中流动的所述电流的所述基线正弦波形的信息，所述基线正弦波形具有至少部分地由在正常运行期间的电流流动产生的磁通引起的失真，并且在所述第二时间点接收到的所述信令包含关于在所述电动机的所述绕组中流动的所述电流的所述后续正弦波形的信息，所述后续正弦波形具有至少部分地由在稍后的第二时间点的所述电流流动产生的所述磁通引起的失真。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述电动机是交流感应电动机，所述交流感应电动机被配置成在被供应正弦交流电压时汲取纯正弦波形的电流。

15.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理器被配置成分解所接收到的所述信令以确定包含关于在所述电动机的所述绕组中流动的所述电流的所述正弦波形的信息的第一信令，并且确定包含关于至少部分地由所述电流流动产生的所述磁通引起的所述失真的信息的第二信令。

16.根据权利要求1所述的设备，其中所接收到的所述信令包括包含关于在所述电动机的所述绕组中流动的所述电流的所述正弦波形的信息的第一信令，并且包括包含关于至少部分地由所述电流流动产生的所述磁通引起的所述失真的信息的第二信令。

17.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理器被配置成提供所确定的包含关于所述电动机中的所述异常的信息的所述相应信令。

18.根据权利要求8所述的设备，其中所确定的所述相应信令包含关于所述机械故障的信息，所述机械故障包括由所述未对准、所述失衡状态或所述一个或多个故障轴承引起的所述振动。

19.根据权利要求8所述的设备，其中所确定的所述相应信令包含关于所述电气故障的信息，所述电气故障包括所述绕组部分短路、所述转子断条、所述偏心气隙或所述叠片损坏。

20.一种方法，包括：

在信号处理器中接收包含信息的信令，所述信息关于感测到的、由在电动机绕组中流动的电流引起的磁通的正弦波形，所述正弦波形具有至少部分地由电流流动产生的磁通引起的失真分量，并且还关于感测到的磁通基频的纯正弦波形；以及

基于接收到的所述信令，在所述信号处理器中确定相应信令，所述相应信令包含关于所述电动机的异常的信息，所述信息取决于所述感测到的正弦波形与所述纯正弦波形之间的关系。

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