CN116420083A - 用于监控驱动组件的运行的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控驱动组件的运行的方法。为了最小化附加硬件开销而提出借助于在移动终端设备(28)中集成的线圈(30)执行监控方法，该方法包括以下步骤：借助于集成的线圈(30)在驱动组件的壳体(18)之外获取驱动组件的电磁变量(B)，基于获取的电磁变量(B)确定(42)至少一个第一频率(f1)，并从至少一个第一频率(f1)确定(44)驱动组件的第一状态变量(C1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控驱动组件的运行的方法。
本发明还涉及一种具有用于执行这种方法的机构的控制单元。
此外，本发明涉及一种计算机程序，其用于在控制单元中运行时执行这种方法。
此外，本发明涉及一种在移动终端设备中集成的线圈用于获取电磁变量的应用。
此外，本发明涉及一种用于监控驱动组件的运行的装置。
背景技术
这种用于监控驱动组件的运行的方法例如在具有大量自动化过程的工业环境中使用，以便协调维护间隔或在必要时在早期阶段启动对策。这种驱动组件例如是旋转电机，特别是电动机或发电机，或者是功率变换器，特别是整流器、逆变器、转换器或直流电压变换器。这种状态变量的确定通常需要高水平的计量能力。然而，这种监控方法应该能够在不改变驱动组件的结构的情况下进行，以免影响实际运行。此外，应最小化用于监控方法的附加硬件开销。
公开的申请EP 3 499 710 A1描述了一种用于监控旋转电机、特别是异步电机的运行的方法，该电机具有转子、定子和容纳转子和定子的电机壳体。为了尽可能简单地执行监测方法并且无需改变旋转电机的结构而提出：通过获取机器壳体外部的漏磁场来确定滑差频率和同步频率，其中能够从滑差频率和同步频率确定转矩和/或转子旋转频率。
已公布的申请EP 3 404 810 A1描述了一种用于监控具有转子、定子和容纳转子和定子的机器壳体的旋转电机的运行的方法。与现有技术相比，为了在不进行结构性改变的情况下实现更高的可靠性而提出：在机器壳体的外表面上的至少一个已知位置处获取至少一个外部温度，其中从获取到的外部温度借助于在云中提供的温度模型来确定至少一个内部温度。
专利公开文献EP 2 650 667 A2描述了一种用于在移动终端设备中分析电机状态的装置，其包括：第一识别单元，其被配置用于识别与其接触的电机的振动并将振动提供给控制器；第二识别单元，其用于识别电极的噪声并将噪声提供给控制器；以及控制器，其被配置用于从发电机的振动和噪声分析频率来检查振动的变化，以获得电机状态的分析结果。
已公布的申请DE 10 2018 103 428 A1描述了一种用于与电机通信的系统，该系统包含耦接到电机装置并配置用于从电机控制单元接收信号的NFC天线。NFC天线被配置用于以选定的频率发射磁场。该系统还包括一个通信接口，其配置为将信号从NFC天线转发到手持设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监控驱动组件的运行的方法，该方法能够以最少的附加硬件开销来实现。
根据本发明，该目的通过一种借助于在移动终端设备中集成的线圈监控驱动组件的运行的方法来实现，该方法包括以下步骤：借助于集成的线圈在驱动组件的壳体之外获取驱动组件的电磁变量，基于获取的电磁变量确定至少一个第一频率，并且从至少一个第一频率确定驱动组件的第一状态变量。
此外，根据本发明，该目的通过具有用于执行这种方法的机构的控制单元来实现。
此外，根据本发明，该目的通过用于在控制单元中运行时执行这种方法的计算机程序来实现。
此外，根据本发明，该目的通过在移动终端设备中集成的线圈用于获取驱动组件的电磁变量的应用来实现。
此外，根据本发明，该目的通过用于监控驱动组件的运行的装置来实现，该装置包括以下部件：在移动终端设备中集成的线圈，其被配置用于在驱动组件的壳体获取驱动组件的电磁变量，以及评估单元，其被配置用于基于获取的电磁变量来确定至少一个第一频率并且从至少一个第一频率确定驱动组件的第一状态变量。
下面列出的关于该方法的优点和优选配置可以类似地转用到控制单元、计算机程序、应用和装置。
本发明基于使用在移动终端设备(尤其是智能手机或平板电脑)中集成的线圈的构思，以最大限度地减少用于监控驱动组件运行的额外硬件开销。这种集成的线圈例如布置在移动终端设备的壳体内部和/或永久地连接到移动终端设备。特别地，这样的集成线圈在出厂时已经存在于移动终端设备中并且被配置用于移动终端设备的非接触式充电，例如根据Qi标准。例如，集成的线圈设计为平面空心线圈。硬件开销的最小化意味着用于监控驱动组件的运行的额外的、特别是专用的硬件被减少到最少。在此上下文中，用于监控的“专用硬件”意味着它专门为此目的而配置。例如，这种驱动组件是旋转电机，特别是电动机或发电机，或功率转换器，特别是整流器、逆变器、转换器或直流电压变换器。当监控驱动组件的运行时，移动终端设备为了在驱动组件的壳体之外获取电磁变量而特别地布置在杂散磁场的区域中。例如，通过将移动终端设备放置在壳体上来将集成的线圈定位在驱动组件的杂散磁场中。电磁变量尤其是例如通过驱动组件的交变电磁场感应到集成线圈中的电流。具体地，电磁变量在移动终端设备中的整流器之前分接。例如，对存在的信号进行评估。
然后根据获取到的电磁变量确定至少一个第一频率。至少一个第一频率的确定例如通过采样和随后的数字信号处理来实现。然后根据至少一个第一频率确定驱动组件的第一状态变量。这种状态变量例如是关于驱动组件的运行状态的信息，尤其是驱动组件是否运行和/或以何种频率运行。
至少一个第一频率和接下来第一状态变量的确定例如在中央IT(信息技术)基础设施中实现。例如，中央IT基础设施至少是一个本地计算机系统或一个基于云的IT平台。中央IT基础设施提供存储空间、计算能力和/或应用软件。移动终端设备连接到中央IT基础设施，尤其通过蓝牙或WLAN进行非接触式连接。例如，用于执行监控过程的计算机程序被实现为移动终端设备上的应用程序。控制单元，其特别是移动终端设备的一部分，具有用于执行监控方法的装置，其包括例如数字逻辑模块，特别是微处理器、微控制器或ASIC(专用集成电路)。使用在移动终端设备中集成的线圈使得无需对驱动组件本身进行结构改变就可以监控驱动组件的运行。此外，监控方法不需要专门的硬件，使得硬件开销最小化。
另一个设计方案提出，第一频率的确定至少通过移动终端设备的评估单元来执行，该评估单元与集成的线圈连接。这种评估单元例如是数字逻辑模块，尤其是微处理器、微控制器或ASIC。由于评估单元也是移动终端设备的一部分，因此额外降低了硬件开销并简化了监控方法。
另一个设计方案提出，使用快速傅立叶变换来实现至少一个第一频率的确定。使用快速傅里叶变换可以很容易地识别和高精度分析频谱中的频率。特别是，通过在快速傅立叶变换期间进行平均，即使在要检查的频率的信号电平非常低的情况下也可以进行分析。
另一个设计方案提出，驱动组件是旋转电机，特别是异步电机，具有容纳在壳体中的转子和定子，并且其中，电磁变量的获取在旋转电机的壳体之外实现。例如，利用集成的线圈测量定子的外部漏磁场，从该漏磁场的时间上的、特别是周期性的变化确定定子频率，从其中可以推导出旋转电机的运行状态。使用移动终端设备的集成的线圈通过定子频率确定旋转电机的运行状态可以容易且廉价地实现。
另一设计方案提供以下附加步骤：通过在移动终端设备中集成的传感器获取驱动组件的附加物理变量，基于获取的附加物理变量确定至少一个第二频率，从至少一个第一频率和至少一个第二频率确定驱动组件的第二状态变量。例如，至少一个第一频率包括定子频率并且至少一个第二频率包括异步电机的转子频率。确定的第二状态变量例如是异步电机的输出转矩，其可以由定子频率和转子频率确定。这样的第二状态变量的确定可以容易且精确地实现。
另一设计方案提出，通过测量振动和/或声学信号来获取附加物理变量。特别地，集成的传感器具有加速度传感器和/或声学传感器。振动和/或声学信号的测量基本上在机器壳体之外无接触地实现，因此不需要设计改变。特别地，加速度传感器和/或声学传感器通常是移动终端设备的一部分，例如智能手机或平板电脑的一部分，因此不需要专用硬件并且因此使得硬件开销最小化。
下面参考附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
附图说明
附图示出：
图1示出了具有监控装置的第一实施例的旋转电机的示意图，
图2示出了具有监控装置的第二实施例的旋转电机的示意图，
图3示出了用于监控驱动组件的运行的方法的第一实施例的流程图，
图4示出了具有监控装置的第三实施例的旋转电机的示意图，以及
图5示出了用于监控驱动组件的运行的方法的第二实施例的流程图。
具体实施方式
以下说明的实施例是本发明的优选实施例。在实施例中，所描述的实施例的部件各自代表本发明的独立特征，这些特征彼此独立地被考虑，这些特征也彼此独立地改进本发明并且因此也被单独地或不同于所示组合地作为本发明的组成部分示出。此外，所描述的实施例也可以由已经描述的本发明的其他特征来补充。
相同的附图标记在不同的图中具有相同的含义。
图1示出了具有监控装置4的第一实施例的旋转电机2的示意图。旋转电机2例如构造为异步电机并且具有可绕旋转轴线6旋转的转子8和围绕转子8的定子10，在转子8和定子10之间具有间隙12，其具体体现为气隙。旋转轴线6限定轴向方向和径向方向。转子8包括轴14和转子叠片组16。定子10包括具有定子绕组20的定子芯18，定子芯18由大量分层电叠片构成。定子绕组20在轴向方向上穿过定子芯18并且在其轴向端部形成端部绕组22。转子8的轴14由轴承24支撑。转子8和定子10容纳在封闭的壳体26中。
监控装置4包括移动终端设备28，其例如位于旋转电机2的壳体26上。可选地，移动终端设备28放置在另一个驱动组件、例如功率变换器的壳体26上。移动终端设备28设计为具有集成的线圈30的智能设备，例如智能手机或平板电脑。集成的线圈30布置在移动终端设备28的壳体内和/或永久地连接到移动终端设备28。特别地，集成的线圈30在出厂时已经存在于移动终端设备28中并且被配置用于移动终端设备28的非接触式充电，例如根据Qi标准。被配置用于移动终端设备28的非接触式充电的集成的线圈30特别地被设计为平面空心线圈，其例如具有从1μH到200μH的范围内的电感。
在移动终端设备28中集成的线圈30被配置用于在旋转电机2的壳体26之外获取电磁变量。通过将移动终端设备28放置在壳体26上，集成的线圈30例如布置在旋转电机2的杂散磁场中，由此可以获取电磁变量。电磁变量尤其是由旋转电机2的交变电磁场在集成的线圈30中感应出的电流。
集成的线圈30连接到评估单元32，其中评估单元32是移动终端设备28的一部分。移动终端设备28的评估单元32被配置用于基于获取的电磁变量来确定至少一个第一频率。至少一个第一频率包括例如定子频率。此外，评估单元32被配置用于从至少一个第一频率确定驱动组件的第一状态变量。这种状态变量例如是关于旋转电机2的运行状态的信息，尤其是旋转电机2是否运行和/或以什么频率运行。此外，移动终端设备28具有控制单元34，其也是移动终端设备28的一部分。
移动终端设备28尤其无接触地连接到中央IT基础设施36。例如，连接是通过蓝牙或WLAN建立的。中央IT基础设施36例如是至少一个本地计算机系统或基于云的IT平台。在中央IT基础设施36中提供存储空间、计算能力和/或应用软件。例如，中央IT基础设施36包括中央评估单元38，其例如用于确定第一状态变量。可选地，控制单元34的至少一部分被分配给中央IT基础设施36和/或中央IT基础设施36具有数字孪生，其也称为数字孪生体，其用于确定第一状态变量。例如，在已公布的申请US 2017/0286572A1中描述了这种数字孪生。US 2017/0286572A1的公开内容通过引用并入本申请。
图2示出旋转电机2的示意图，其具有监控装置4的第二实施例、位于旋转电机2上的移动终端设备28，其包括集成的线圈30、评估单元32和控制单元34。评估单元32被配置用于，基于获取到的电磁变量来确定至少一个第一频率并且根据至少一个第一频率来确定旋转电机2的第一状态变量。评估单元32是移动终端设备28的一部分。可选地，外部评估单元例如经由电缆、电线或开关装置连接到集成的线圈30，其被配置用于确定至少一个第一频率并且确定第一状态变量。这种外部评估单元例如设计为微控制器或另外的可编程逻辑模块。特别地，电磁变量B在移动终端设备28中的整流器之前被分接。例如，对已经存在的信号进行评估。如果信号强度较弱，例如由于集成的线圈30的滤波效应，则可以通过相关性来确定至少一个第一频率。图2中带有监控装置4的旋转电机2的另外的设计对应于图1中的设计。
图3示出了用于监控驱动组件的运行的方法的第一实施例的流程图。该监控方法包括借助集成的线圈30在驱动组件的壳体26之外获取40电磁变量B。驱动组件例如设计为旋转电机2或功率变换器。电磁变量B尤其是通过将移动终端设备28布置在驱动组件的漏磁场区域中在集成的线圈30中感生的电流。
监控方法还包括基于获取到的电磁变量B确定42至少一个第一频率f1。至少一个第一频率(f1)具体地使用快速傅立叶变换来确定42。至少一个第一频率f1包括例如旋转电机的定子频率或功率转换器的频率。
监控方法还包括根据至少一个第一频率(f1)确定44驱动组件的第一状态变量C1。这种状态变量例如是关于驱动组件的运行状态的信息，尤其是驱动组件是否运行和/或以何种频率运行。
图4示出具有监控装置4的第三实施例的旋转电机2的示意图。移动终端设备28包括在移动终端设备28中集成的传感器46，其被配置用于获取驱动组件的附加物理变量。特别地，传感器46具有声学传感器和/或加速度传感器。附加物理变量例如是声学信号和/或加速度信号。具体地，通过安装移动终端装置28，由加速度传感器获知旋转电机2的振动。
移动终端设备28的评估单元32被配置用于基于获取的附加物理变量来确定至少一个第二频率。例如，旋转电机2的转子频率可以根据获取到的声学信号和/或加速度信号来确定。图4中带有监控装置4的旋转电机2的另外的设计对应于图2中的设计。
图5示出了用于监控驱动组件的运行的方法的第二实施例的流程图。监控方法包括：借助于在移动终端设备28中集成的传感器46获取48驱动组件的附加物理变量A。附加物理变量A尤其是例如由声学传感器获取的声学信号和/或例如由加速度传感器获取的加速度信号。
监控方法还包括基于获取的附加物理变量A来确定50至少一个第二频率f2。至少一个第二频率f2的确定50尤其使用快速傅里叶变换来实现。至少一个第二频率f2包括例如旋转电机的转子频率。
根据图3中的流程图获取40第一电磁变量B并且确定42至少一个第一频率f1。监控方法还包括：根据至少一个第一频率f1和至少一个第二频率f2确定52驱动组件的第二状态变量C2。所确定的第二状态变量C2例如是异步电机的输出扭矩M。为此，由定子频率和转子频率确定异步电机的滑差频率fΔ。从滑差频率fΔ和定子频率fs(也称为同步频率)计算出与定子频率fs相关的滑差S，例如：
异步电机提供的当前扭矩M由滑差S计算得出，例如使用克洛斯公式：
其中Mk表示倾覆力矩，SK表示倾覆滑差。倾覆力矩Mk和倾覆滑差SK是电机的特定参数，其例如可通过应用程序提供。
综上，本发明涉及一种用于监控驱动组件的运行的方法。为了最小化附加硬件开销而提出借助于在移动终端设备28中集成的线圈30来执行监控方法，该方法包括以下步骤：借助于集成的线圈30在驱动组件的壳体18之外获取驱动组件的电磁变量B，基于获取的电磁变量B确定42至少一个第一频率f1，并且从至少一个第一频率f1确定44驱动组件的第一状态变量C1。
Claims (22)
1.一种借助于在移动终端设备(28)中集成的线圈(30)监控驱动组件的运行的方法，包括以下步骤：
-借助于集成的所述线圈(30)在所述驱动组件的壳体(26)之外获取(40)所述驱动组件的电磁变量(B)，
-基于获取的所述电磁变量(B)确定(42)至少一个第一频率(f1)，
-从至少一个所述第一频率(f1)确定(44)所述驱动组件的第一状态变量(C1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁变量(B)是由所述驱动组件的交变电磁场在集成的所述线圈(30)中感应出的电流。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用集成的所述线圈(30)获取所述驱动组件的外部漏磁场。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于所述移动终端设备(28)的评估单元(32)至少执行对所述第一频率(f1)的所述确定(42)，所述评估单元与集成的所述线圈(30)连接。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，利用快速傅里叶变换进行对至少一个所述第一频率(f1)的所述确定(42)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中，所述驱动组件是具有转子(8)和定子(10)的旋转电机(2)，特别是异步电机，
其中，所述转子(8)和所述定子(10)被容纳在所述壳体(26)中，并且
其中，在所述旋转电机(2)的所述壳体(26)之外进行对所述电磁变量(B)的所述获取。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，测量所述定子(10)的漏磁场，
其中，从所述漏磁场的时间上的、特别是周期性的变化确定定子频率(fs)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，借助所述定子频率(fs)确定所述旋转电机(2)的运行状态。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下另外的步骤：
-借助于在所述移动终端设备(28)中集成的传感器(46)获取(48)所述驱动组件的附加物理变量(A)，
-基于获取的所述附加物理变量(A)确定(50)至少一个第二频率(f2)，
-从至少一个所述第一频率(f1)和至少一个所述第二频率(f2)确定(52)所述驱动组件的第二状态变量(C2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过测量振动和/或声学信号实现对所述附加物理变量(A)的获取。
11.一种控制单元(34)，具有用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的机构。
12.一种计算机程序，用于当所述计算机程序在根据权利要求11所述的控制单元(34)中运行时执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
13.一种在移动终端设备(28)中集成的线圈(30)用于获取驱动组件的电磁变量(B)的应用。
14.根据权利要求13所述的应用，其中，集成的所述线圈(30)用于获取所述驱动组件的漏磁场。
15.根据权利要求13或14所述的应用，其中，所述移动终端设备(28)的评估单元(32)用于基于获取的所述电磁变量(B)确定至少一个第一频率(f1)。
16.一种用于监控驱动组件运行的装置(4)，所述装置包括：
-在移动终端设备(28)中集成的线圈(30)，
所述线圈被配置用于在所述驱动组件的壳体(18)之外获取所述驱动组件的电磁变量(B)，
-评估单元(32)，
所述评估单元被配置用于基于获取的所述电磁变量(B)确定至少一个第一频率并且从至少一个所述第一频率(f1)确定所述驱动组件的第一状态变量(C1)。
17.根据权利要求16所述的装置(4)，其中，所述评估单元(32)是所述移动终端设备(28)的一部分。
18.根据权利要求16或17所述的装置(4)，其中，集成的所述线圈(30)被配置用于获取由所述驱动组件的交变电磁场在集成的所述线圈(30)中感应出的电流。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的装置(4)，其中，集成的所述线圈(30)被配置用于获取所述驱动组件的漏磁场。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的装置(4)，其中，所述评估单元(32)被至少部分地分配给中央IT基础设施(36)。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的装置(4)，包括在所述移动终端设备(28)中集成的传感器(46)，所述传感器被配置用于获取所述驱动组件的附加物理变量(A)，
其中，所述移动终端设备(28)的所述评估单元(32)被配置用于基于获取的所述附加物理变量(A)确定至少一个第二频率(f2)，并且
所述评估单元被配置用于从至少一个所述第一频率(f1)和至少一个所述第二频率(f2)确定所述驱动组件的第二状态变量(C2)。
22.根据权利要求21所述的装置(4)，其中，集成的所述传感器(46)具有加速度传感器和/或声学传感器。
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