用于電機的狀態監測的系統、移動電話機及其方法
【專利摘要】提出一種用于電機狀態監測的系統及其方法。系統包括：便攜單元，在電機周圍自由運動；磁場傳感器，在自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處測量磁場強度；處理單元，接收來自磁場傳感器的至少一個對應的磁場強度信號，將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，基于該比較的結果來確定電機中是否存在故障；其中磁場傳感器和處理單元被集成到便攜單元中。方法包括步驟：將便攜單元移動到在電機周圍自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處；測量在該自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處的至少一個磁場強度；將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，基于該比較的結果來確定電機中是否存在故障。
【專利說明】
用于電機的狀態監測的系統、移動電話機及其方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及電機的狀態監測的領域。
【背景技術】
[0002]為了檢測電機故障，至今已經開發了許多診斷方法。這些識別感應式電機故障的方法可以涉及數個不同的科學和技術的領域。最常用的方法有:
[0003]溫度測量；
[0004]紅外線識別；
[0005]噪聲和振動監測；
[0006]化學分析；
[0007]噪聲測量；
[0008]電機電流特征分析法。
[0009]其中，工業中最廣泛使用的是振動監測和電流特征分析法。上述所有方法都需要用于執行測量及隨后分析的傳感器。對于電流或振動的傳統測量實際上不能檢測到問題的根源，而是檢測到磁通量泄露的后果，這通常導致對結果的錯誤解釋。換句話說，從(諸如電動機和發電機)電機的狀態監測來說，測量電機的電流或振動得出的該電機的狀態不如測量轉子的磁場泄露得出的該電機的狀態更準確。
[0010]此外，通常為了執行電機的狀態監測，需要在電機上安裝傳感器并且使用數據收集器來測量各個信號。這樣的方法是昂貴的。傳感器和數據收集器可能已經很昂貴了，然而如果消費者沒有自己的傳感器和數據收集器的話，則還有與在電機上安裝傳感器相關的額外的費用。

【發明內容】

[0011]因此，本發明的一個目標是提供一種用于電機狀態監測的系統及其方法。所述系統包括:便攜單元，適于在所述電機周圍自由運動；磁場傳感器，適于在所述自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處測量磁場強度;處理單元，適于接收來自所述磁場傳感器的至少一個對應的磁場強度信號，將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，并且基于該比較的結果來確定所述電機中是否存在故障；其中所述磁場傳感器和所述處理單元被集成到所述便攜單元中。所述方法包括以下步驟:將便攜單元移動到在所述電機周圍自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處;測量在該自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處的至少一個磁場強度;將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，并且基于該比較的結果來確定所述電機中是否存在故障。
[0012]通過以上的系統及其方法，為了執行電機的狀態監測，操作員可以拿著便攜單元靠近無法安裝傳統的磁場傳感器并且存在軸向或徑向的轉子磁場泄露的電機。在由于機械的或電性的限制使得在電機上安裝磁場傳感器受到約束的位置處也能夠測量磁場泄露。此夕卜，通過直接對電機的磁場泄露進行狀態監測并且相應地確定該電機的狀態，可以使得結果更加準確。通過測量磁場而非電流或振動，不僅可以利用狀態監測系統來執行整個分析，而且通過測量磁場也能直接測量問題的根源。
[0013]本發明的另一目標是提供一種包括對電機進行狀態監測的系統及其方法的移動電話機。通過將移動電話機重新使用為狀態監測系統，不會有購買磁場傳感器和處理單元的額外費用。
[0014]本發明的另一目標是提供一種用于響應于處理單元確定在電機中存在故障而產生警告信號的警報設備。
[0015]根據本發明的另一目標，所述自由運動的路徑的所述多個點中的第一點位于所述電機周圍存在軸向磁通量泄露的區域中；所述便攜單元可移動到該第一點；并且所述磁場傳感器可測量在該第一點處出現的所述軸向磁通量泄露的磁場強度。因此，可以更容易地將所述便攜單元移動到難以安裝傳感器且在其中測量轉子磁場泄露的位置。又根據本發明的另一目標，所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中；所述便攜單元可移動到該第二個點；并且所述磁場傳感器可測量在該第二個點處出現的所述徑向磁通量泄露的磁場強度;所述處理單元可將所述軸向磁通量泄露的磁場強度信號與所述徑向磁通量泄露的磁場強度信號進行比較，并且確定故障類型。
[0016]根據本發明的另一目標，所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中；所述便攜單元可移動到該第二個點；并且所述磁場傳感器可測量在該第二個點處存在的所述徑向磁通量泄露的磁場強度。因此，可以更容易地將所述便攜單元移動到難以安裝傳感器且在其中測量轉子磁場泄露的位置。
【附圖說明】
[0017]參考在附圖中示出的優選的示意性實施例，以下將更詳細地解釋本發明的主題，其中:
[0018]圖1是用于電機的狀態監測的系統的系統框圖；
[0019]圖2示出了電機周圍的磁場的截面圖；
[0020]圖3說明了根據本發明實施例的便攜單元相對于電機移動的路徑；
[0021 ]圖4A示出了健康的電機的軸向磁場泄露的頻譜；
[0022]圖4B示出了圖4A的較低頻率部分；以及
[0023]圖5示出了健康的電機的徑向磁場泄露的較低頻率的頻譜，以及電機具有損壞的轉子條的兩個情況。
[0024]在附圖標記的列表中以簡要的形式列出了附圖中使用的附圖標記及其意義。原則上，相同的部件在附圖中具有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0025]圖1是用于電機的狀態監測的系統的系統框圖。根據圖1的系統整體上被指定為附圖標記I。如圖1所示，系統I包括便攜單元10、磁場傳感器11、處理單元12。磁場傳感器11和處理單元12集成在便攜單元10中。便攜單元10能夠相對于電機可自由運動，例如，線性運動、環形運動、前向運動、后向運動等。便攜單元10可以是任何設備，諸如移動電話機和其它電子設備;例如，處理單元和磁場傳感器嵌入到現代的移動電話機中，從而除了該移動電話機之外不需要其它硬件就能夠將健康的機器與具有損壞的轉子條或轉子不對中(misalignment)的機器區分開來；現代的移動電話機諸如是具有內嵌的磁場傳感器的iPhone(3代、4代、5代)或三星的蓋世(Galaxy)，內嵌的磁場傳感器可以以Ο.ΙμΤ到2kyT范圍內的分辨率和120Hz的采樣頻率來測量磁場;這些參數對于不同的移動電話機模型略有不同。通過利用移動電話機執行磁通量測量，不需要其它額外的傳感器、數據收集器、或數據處理工具，移動電話機就可以完成所有的數據獲取和處理。損壞的轉子條或端環的存在會引起轉子磁通量的不平衡，這是因為電流無法流經損壞的或破裂的條/端環。不平衡的轉子磁通量可以被認為是在相反方向中以滑差頻率(slip frequency)旋轉的正序轉子磁通量和負序轉子磁通量的組合。這引起電流的調制，電流的調制在頻譜中表現為工頻附近的兩倍滑差邊頻帶(slip sideband)。但是，在實際中，即使在電機健康的情況下也會存在基頻附近的電流邊頻帶。這可能是由于模鑄工藝、轉子非對稱、外部負載振蕩等造成的不規則的轉子條阻抗引起的。根據本發明的實施例，集成的磁場傳感器11用于測量轉子條損壞或轉子不對中情況下的磁通量泄露。當便攜單元10繞著電機移動時，集成在其中的磁場傳感器11可以測量該便攜單元10的自由移動的路徑上多個點中的至少一個點處的磁場強度，并且本領域技術人員將理解，任何路徑均由連接起來的多個點組成。處理單元12可以從磁場傳感器11接收至少一個對應的磁場強度信號，將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，并且基于比較結果確定電機是否存在故障。以下在例子中將結合附圖進行更詳細地說明。
[0026]通過利用以上的系統執行電機的狀態監測，操作員可以拿著便攜單元靠近無法安裝傳統的磁場傳感器并且存在軸向或徑向的轉子磁場泄露的電機。在由于機械的或電性的限制使得在電機上安裝磁場傳感器受到約束的位置處也能夠測量磁場泄露。
[0027]此外，通過直接對電機的磁場泄露進行狀態監測并且相應地確定該電機的狀態，可以使得結果更加準確。通過測量磁場而非電流或振動，不僅可以僅利用狀態監測系統來執行整個分析，而且通過測量磁場也能直接測量問題的根源。
[0028]最后，通過將移動電話機重新使用為狀態監測系統，不會有購買磁場傳感器和處理單元的額外費用。
[0029]圖2示出了電機周圍的磁場的截面圖。如圖2所示，電機周圍的磁場可以分為兩種情況，徑向場和軸向場。軸向場是包括電機軸線的平面，其由定子端繞組或轉子籠端環內的電流產生。徑向場位于與電軸線垂直的平面，其是由定子磁路(層疊結構包)和外部機器框架所減弱的氣隙通量密度的圖像。這兩種場能夠通過集成在便攜單元10內的磁場傳感器11的適宜定位分別進行測量。由于電機的損壞的轉子條引起軸向磁通量泄露，因此其會對磁軸向場密度的測量造成影響。此外，由于電機的轉子不對中引起徑向磁通量泄露，因此其會對磁徑向場密度的測量造成影響。
[0030]圖3說明了根據本發明實施例的便攜單元相對于電機移動的路徑。如圖3所示，路徑30由相互連接的多個點構成。例如，路徑的多個點中的第一點31位于電機周圍存在軸向磁通量泄露的區域中，路徑的多個點中的第二點32位于電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中。便攜單元10可以從另一點沿著路徑30移動到第一點31或者第二點32，也可以沿著路徑30在第一點31和第二點32之間移動。本領域技術人員應該理解，第一點31和第二點32僅僅示例性地表示軸向磁通量泄露區域和徑向磁通量泄露區域中的位置，并且路徑30示例性地表示便攜單元的可能路徑。本領域技術人員應該理解，電機的某些區域(例如轉子端部和定子之間的區域X)難以安裝磁場傳感器，或者在轉子的輸出端與軸機械連接之處，難以將磁場傳感器安裝在轉子的輸出端。通過根據本發明的實施方式的系統，易于將便攜單元移動至這樣的地方并測量其中的轉子磁場泄露。通過便攜單元10處于各種位置，例如在第一點31或第二點32，集成在便攜單元10中的磁場傳感器11能測量在第一點31處的軸向磁通量泄露的軸向磁場密度，或測量在第二點32處的徑向磁通量泄露的徑向磁場密度。集成在便攜單元10中的處理單元12能夠從集成在便攜單元10中的磁場傳感器11接收表示第一點31處的軸向磁場泄露的磁場強度信號，和/或從集成在便攜單元10中的磁場傳感器11接收表示第二點32處的徑向磁場泄露的磁場強度信號，并且能夠將接收到的磁場強度值與期望值相比較，并基于該比較確定電機是否存在故障。由處理單元12執行的比較和確定將結合以下附圖示例性地描述。
[0031]基于FEM(有限元方法)分析，磁通量泄露應當可見于磁場頻譜的低頻，如式(I)所給出的:
[0032]fb = S*fline(I)
[0033]其中fb是與損壞的轉子條相關的頻率，fline3是供電頻率，s是滑差(slip)。
[0034]圖4A示出了健康的電機的軸向磁場泄露的頻譜，以及電機具有損壞的轉子條時的兩種情況。全部情況都以20Hz供電，并且對于全部情況，20Hz是磁場頻譜中可見的優勢頻率。將頻譜歸一化為1，因此單位是[Pu]。如圖4A所示，右側的頻譜是將左側的優勢頻率20Hz附近的圈起部分的放大圖，其中表示健康的電機的軸向磁場泄露的曲線被標記為A，表示具有損壞的轉子條的兩個情況的曲線被標記為B和C。
[0035]圖4B示出了圖4A的低頻部分。如圖4B所示，右側的頻譜是左側的圈起部分的放大圖。對于健康的情況，電機在全負載下工作，且相應的損壞的轉子條頻率fb應該出現在0.67Hz。如圖4B所示，在健康的電機的情況下(曲線A)，在轉子條頻率fb處沒有容易與噪聲分離的峰值。對于在全負載下工作的轉子條損壞的電機，其fb頻率應該為1.45Hz。如圖4B清晰示出的，該頻率(曲線B)在低頻范圍內是優勢頻率，并且等于0.72的工頻。對于在50%負載下工作的轉子條損壞的電機，其fb頻率應該為1.16Hz ο與全負載的情況一樣，fb頻率在圖4B中清晰可見(曲線C)，該頻率在低頻范圍內也是優勢頻率，并且大約是0.68的工頻。還值得一提的是，負載越小，fb頻率的幅度就越小，這是因為，越小的負載就具有越小的轉子電流，越小的轉子電流產生越小的磁場。
[0036]圖5示出了健康的電機的徑向磁場泄露的較低頻率的頻譜，以及電機具有損壞的轉子條的兩個情況。和圖4一樣，全部情況都以20Hz供電，并且對于全部情況20Hz是優勢頻率(圖5中未示出)。將頻譜歸一化為I，因此單位是[pu]。對于健康的情況，電機在全負載下工作，且相應的損壞的轉子條頻率fb應該出現在0.67Hz。如圖5所示，在健康的電機的情況下(曲線A)，在轉子條頻率fb處沒有容易與噪聲分離的峰值。對于在全負載下工作的轉子條損壞的電機，其fb頻率應該為1.45Hz ο如圖5清晰示出的，該頻率(曲線B)在低頻范圍內是優勢頻率，并且等于0.4的工頻。對于在50%負載下工作的轉子條損壞的電機，其fb頻率應該為1.16Hz ο與全負載的情況一樣，fb頻率在圖5中清晰可見，該頻率在低頻范圍內也是優勢頻率，并且大約是0.38的工頻。還值得一提的是，徑向磁場中的fb頻率的幅度小于軸向磁場中相應的fb頻率的幅度，這確定轉子條損壞。如果徑向磁場中的fb頻率的幅度大于軸向磁場中相應的fb頻率的幅度，那么電機故障類型則是不對中，而不是轉子條損壞。
[0037]系統I還可進一步包括警報設備，用于響應于所述處理單元確定電機存在故障而生成警告信號。
[0038]下文描述通過使用如上所述的系統用于對電機進行狀態監測的方法。該方法包括:在步驟SI，將便攜單元移動到在電機周圍的自由移動的路徑的多個點中的至少一個點；在步驟S2，測量該自由移動的路徑的多個點中的所述至少一個點處的至少一個磁場強度；在步驟S3，將至少一個磁場強度值與至少一個對應的期望值進行比較，并基于該比較確定電機內是否存在故障。
[0039]優選地，該方法還包括:在步驟S4，響應于確定電機內存在故障而生成警告信號。
[0040]步驟SI可具有如下變型:
[0041]1.該自由移動的路徑的多個點中的第一點位于電機周圍存在軸向磁通量泄露的區域內；
[0042]將移動便攜單元移動至該第一點；以及
[0043]測量該第一點處存在的軸向磁通量泄露的磁場強度。
[0044]i1.該自由移動的路徑的多個點中的第二點位于電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域內；
[0045]將移動便攜單元移動至該第二點；以及
[0046]測量該第二點處存在的徑向磁通量泄露的磁場強度。
[0047]ii1.結合變型i，
[0048]該自由移動的路徑的多個點中的第二點位于電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域內；
[0049]將移動便攜單元移動至該第二點；
[0050]測量該第二點處存在的徑向磁通量泄露的磁場強度；以及
[0051]將針對該軸向磁通量泄露和該徑向磁通量泄露的磁場強度信號進行比較，并確定故障類型。
[0052]優選地，在步驟S3中，磁場強度值是磁場強度的頻率成分的幅值。
[0053]盡管已基于某些優選實施例對本發明進行了描述，然而本領域技術人員應該認識至IJ，這些實施例并不以任何方式對本發明范圍的進行限制。在不偏離本發明的精神和概念的情況下，這些實施例的任何變型和修改都在本領域普通技術人員的理解范圍內，并且因此落入由所附權利要求限定的本發明的范圍內。
【主權項】
1.一種用于電機狀態監測的系統，包括: 便攜單元，適于在所述電機周圍自由運動； 磁場傳感器，適于在所述自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處測量磁場強度；處理單元，適于接收來自所述磁場傳感器的至少一個磁場強度信號，將至少一個磁場強度值與至少一個相應的期望值進行比較，并且基于該比較的結果來確定所述電機中是否存在故障； 其中所述磁場傳感器和所述處理單元被集成到所述便攜單元中。2.根據任何在先權利要求之一所述的系統，包括: 警報設備，適于響應于在所述處理單元確定在所述電機中存在故障的情況下生成警告信號。3.根據任何在先權利要求之一所述的系統，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第一點位于所述電機周圍存在軸向磁通量泄露的區域中； 所述便攜單元可移動到該第一點;并且 所述磁場傳感器可測量在該第一點處存在的所述軸向磁通量泄露的磁場強度。4.根據任何在先權利要求之一所述的系統，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中； 所述便攜單元可移動到該第二個點;并且 所述磁場傳感器可測量在該第二個點處存在的所述徑向磁通量泄露的磁場強度。5.根據權利要求3所述的系統，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中； 所述便攜單元可移動到該第二個點;并且 所述磁場傳感器可測量在該第二個點處存在的所述徑向磁通量泄露的磁場強度；所述處理單元適于將所述軸向磁通量泄露的磁場強度信號與所述徑向磁通量泄露的磁場強度信號進行比較并且確定故障類型。6.根據任何在先權利要求之一所述的系統，其中: 所述磁場強度值是所述磁場強度的頻率成分的幅值。7.—種用于利用根據任何在先權利要求之一所述的系統進行電機狀態監測的方法，包括: 將所述便攜單元移動到所述電機周圍的所述自由運動的路徑的多個點中的至少一個點處； 測量在該自由運動的路徑的多個點中的所述至少一個點處的至少一個磁場強度；以及將至少一個磁場強度值與至少一個相應的期望值進行比較，并且基于該比較的結果來確定所述電機中是否存在故障。8.根據權利要求7所述的方法，包括: 響應于確定在所述電機中存在故障而生成警告信號。9.根據權利要求7或8所述的方法，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第一點位于所述電機周圍存在軸向磁通量泄露的區域中； 所述方法還包括: 將所述便攜單元移動到該第一點；以及 測量在該第一點處存在的所述軸向磁通量泄露的磁場強度。10.根據權利要求7至9之一所述的方法，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍存在徑向磁通量泄露的區域中； 所述方法還包括: 將所述便攜單元移動到該第二個點；以及 測量在該第二個點處存在的所述徑向磁通量泄露的磁場強度。11.根據權利要求9所述的方法，其中: 所述自由運動的路徑的所述多個點中的第二個點位于所述電機周圍出現徑向磁通量泄露的區域中； 所述方法還包括: 將所述便攜單元移動到該第二個點；以及 測量在該第二個點處存在的所述徑向磁通量泄露的磁場強度；以及將所述軸向磁通量泄露的磁場強度信號與所述徑向磁通量泄露的磁場強度信號進行比較，并且確定故障類型。12.根據權利要求7至11之一所述的方法，其中: 所述磁場強度值是所述磁場強度的頻率成分的幅值。13.—種具有根據權利要求1至6之一所述系統的移動電話機。
【文檔編號】G01R31/34GK105874344SQ201480071979
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年5月15日
【發明人】卡耶坦·平托, 馬切伊·奧曼, 普拉薩德·穆萊
【申請人】Abb技術有限公司