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CN110063023A - 用于监控旋转电机的运行的方法 - Google Patents

用于监控旋转电机的运行的方法 Download PDF

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CN110063023A
CN110063023A CN201780069508.9A CN201780069508A CN110063023A CN 110063023 A CN110063023 A CN 110063023A CN 201780069508 A CN201780069508 A CN 201780069508A CN 110063023 A CN110063023 A CN 110063023A
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Abstract

一种用于监控旋转电机(2)的运行的方法，该旋转电机具有转子(8)、定子(10)和机器壳体(18)，转子(8)和定子(10)容纳在该机器壳体中。为了在不对旋转电机(2)进行结构方面的改变的情况下实现该方法而提出：在机器壳体(18)的外部测量定子(10)的第一物理变量和转子(8)的第二物理变量，其中，由第一物理变量和第二物理变量确定旋转电机(2)的至少一个状态变量。

Description

用于监控旋转电机的运行的方法
技术领域
本发明涉及用于监控旋转电机的运行的方法，该旋转电机具有转子、定子和机器壳体，转子和定子容纳在该机器壳体中。
本发明还涉及一种用于旋转电机的传感器系统。
此外，本发明还涉及一种旋转电机，其具有定子、转子、机器壳体和至少一个这种传感器系统，转子和定子容纳在该机器壳体中。
背景技术
在监控旋转电机的运行时，以一定的间隔检查状态变量，以便调整维护间隔或在需要时尽早采取对策，其中状态变量例如是输送的扭矩、输送的机械功率或能量消耗。旋转电机例如是电动机或发电机。这种状态变量的确定需要在测量技术方面投入高成本，尤其当在没有变频器或者电动机管理设备和/或控制设备的情况下运行旋转电机时。
为了确定输送的扭矩，例如将专门的扭矩传感器安装在旋转电机的轴处。专利EP0 974 822 B1描述了一种扭矩传感器，其具有：第一信号发生器，其输出信号根据扭矩进行改变；第二信号发生器，其输出信号根据扭矩以相反方向进行改变；和评估装置，其具有与这两个信号发生器连接的求和装置。
可选地，利用电流互感器测量马达电流，并且借助于合适的评估电子装置将马达电流分解为作用分量和视在分量。专利EP 0 800 265 B1描述了一种利用多相转换器对旋转磁场电机进行直接扭矩控制的方法，其中由转换器电压和校正变量计算通量实际值，并且其中由转换器输出的电流和通量实际值计算扭矩实际值。
专利DE 44 02 152 C1描述了一种用于以异步电机驱动的车辆的防滑移方法，其中该方法所基于的方案是由机械频率的时间变化和转子频率的时间变化形成商。根据该商来影响控制变量，借助该控制变量能够调整扭矩或牵引力。
专利EP 2 300 793 B1描述了一种具有电机的装置，该电机具有定子和转子，并且该装置具有用于非接触式温度测量的红外温度传感器。为了改进对转子温度的监控，红外温度传感器的检测区域在此通过定子的开口指向转子的外罩面，其中，该开口通常是由结构决定的现有开口或者专门为红外温度测量而设置的开口。
专利US 6,199,018 B1描述了一种分布式诊断系统，其中多个本地监控装置收集关于不同机器的本地信息，并根据新定义的诊断参数处理该信息以用于诊断目的。由多个本地监控器收集的本地信息被提供给全局处理器，该全局处理器全局地处理所收集的信息以向本地监控设备提供更新的诊断参数。
专利US 6,138,078 A描述了一种监控装置，其为了确定机器的健康状态和运行状态而位于机器附近的支架处。
发明内容
本发明的目的是提供用于监控旋转电机的运行的方法，这种方法可以在不对旋转电机进行结构方面的改变的情况下实施。
该目的由一种用于监控旋转电机的运行的方法实现，该旋转电机具有转子、定子和机器壳体，转子和定子容纳在该机器壳体中，其中，在机器壳体的外部测量定子的第一物理变量和转子的第二物理变量，并且其中，由第一物理变量和第二物理变量确定旋转电机的至少一个状态变量，其中，将至少一个状态变量尤其以无线、有线或光学的方式发送到云。
此外，该目的由一种用于监控旋转电机的运行的方法实现，该旋转电机具有转子、定子和机器壳体，转子和定子容纳在该机器壳体中，其中，在机器壳体的外部测量定子的第一物理变量和转子的第二物理变量，其中，将第一物理变量和第二物理变量尤其以无线、有线或光学的方式发送到云，并且其中，在云中由第一物理变量和第二物理变量确定旋转电机的至少一个状态变量。
此外，该目的由一种用于旋转电机的传感器系统实现，该传感器系统具有至少一个第一传感器、至少一个第二传感器和评估装置，其中，至少一个第一传感器被设置用于在旋转电机的机器壳体的外部测量旋转电机的定子的第一物理变量，至少一个第二传感器被设置用于在旋转电机的机器壳体的外部测量旋转电机的转子的第二物理变量，并且评估装置被设置用于利用第一物理变量和第二物理变量确定旋转电机的至少一个状态变量。
此外，根据本发明，该目的由一种旋转电机实现，该旋转电机具有转子、定子和至少一个这种传感器系统，转子和定子容纳在该机器壳体中，其中，传感器系统布置在机器壳体的外部。
以下关于该方法阐述的优点和优选实施方案能够类似地用于传感器系统和旋转电机。
本发明所基于的构思是：在旋转电机的机器壳体的外部分别测量旋转电机的定子的和转子的至少一个物理变量，例如测量磁场、振荡和/或振动，以便由物理变量得出用于监控旋转电机的状态变量，例如得出输送的扭矩、输送的机械功率或功耗。特别无接触地测量物理变量，也就是在不与旋转电机的定子和转子直接接触的情况下进行测量。在机器壳体的外部进行尤其非接触式的测量的优点是不需要进行结构方面的改变。因此，该方法不影响旋转电机的运行，并且用于执行该方法的装置易于改装。旋转电机的数据被传输到云，其中，云是虚拟化的IT(信息技术)基础设施，其例如提供存储空间、计算能力和/或软件。通过通信接口，例如通过因特网来使用这种虚拟化的IT基础设施资源。如果仍然在旋转电机的区域中确定至少一个状态变量，则将较少量的数据发送到云并且需要较少的存储器。如果第一状态变量和第二状态变量被发送到云，并且如果在云中确定和存储至少一个状态变量，则节省旋转电机的区域中的计算能力。
在一个优选的设计方案中，经由蓝牙和/或WLAN(无线局域网)建立与云的无线连接。无线的数据传输特别在改装方面是灵活的。通过蓝牙和/或WLAN的无线连接既便宜又节能，并且在许多国家被作为标准提供。
在一个有利的设计方案中，将定子的电磁场作为第一物理变量来测量。例如，借助于安装在机器壳体外侧的磁场传感器来测量外部的定子漏磁场。磁场传感器例如被实施为霍尔传感器、GMR(巨磁阻)传感器、TMR(隧道磁阻)传感器或AMR(各向异性磁阻)传感器。对于可靠和快速的测量而言，定子漏磁场在机器壳体的外部仍然足够大。另一个优点是：定子的电磁场、特别是外部漏磁场的测量是非侵入式的，也就是对旋转电机不进行结构方面的改变。
以特别有利的方式，由电磁场确定定子频率。特别地，定子频率由定子的场的时间变化确定。尤其在电网供电的电动机的情况下，定子频率是恒定的并且取决于极对数和电网频率，其中电网频率例如是50Hz或60Hz。例如，在考虑定子频率的情况下，在确定状态变量时连带考虑了取决于电网的波动，该波动例如在直到0.2Hz的范围内。由定子的电磁场确定定子频率是快速和可靠的。
在另一个有利的设计方案中，将转子的振动特性作为第二物理变量来测量。特别地，转子的振动特性由加速度传感器或特别是光学式的振动传感器确定，该传感器与磁场传感器一起安装在机器壳体的外侧面处。转子振动特性的测量也在机器壳体的外部进行并且不对旋转电机进行结构方面的改变，转子振动特性的测量是可靠且快速的。
有利地，由振动特性确定转子频率。尤其由振动信号的周期性分量计算转子频率，该周期性分量例如由转子的轻微不平衡引起。即使在故障(特别是机械故障)的情况下，由转子的振动特性确定转子频率也是可靠的。
有利地，利用FFT和/或频率计数方法确定转子频率。FFT被理解为快速傅立叶变换，其将已测量的振动信号变换到频域中。在FFT之后，尤其近似恒定的转子频率在频域中以谱线的形式被表示。通过使用FFT，可以在频域中高精度地确定转子频率。尤其是在滤波之后执行的频率计数方法中，由例如是过零式的计数来确定特别是周期式的信号频率。通过该频率计数方法来有效地确定频率。
有利地，由定子频率和转子频率确定转差频率。在异步电机的情况下的转差频率尤其是转子频率与定子频率的偏差。能够由转差频率确定多个状态变量。
以特别有利的方式，由转差频率确定旋转电机的至少一个状态变量、特别是旋转电机的扭矩和/或输送的机械功率。特别地，输送的扭矩在被考虑的运行范围中与转差近似成比例，其中，例如由输送的扭矩计算旋转电机的输送的机械功率。借助于由非侵入式的测量确定的转差频率，以足够的精度确定旋转电机的状态变量，而不进行结构方面的改变。
附图说明
参考附图更详细地阐述本发明的实施例。图中以很简化的方式显示：
图1示出具有传感器系统的第一实施方案的旋转电机的纵向截面，以及
图2示出具有传感器系统的第二实施方案的旋转电机的纵向截面。
具体实施方式
在各个附图中，相同的参考标号具有相同的含义。
图1示出了具有传感器系统3的第一实施方案的旋转电机2的纵向截面。旋转电机2实施为异步电机4，并且该旋转电机具有可围绕旋转轴线6旋转的转子8和包围转子8的定子10，其中在转子8与定子10之间存在间隙12。转子8具有轴14，该轴分别经由至少一个轴承16支承在旋转电机2的驱动侧AS和非驱动侧BS上。转子8和定子10容纳在封闭的机器壳体18中。
传感器系统3包括至少一个第一传感器20、至少一个第二传感器22、评估装置24和输出单元26。传感器20、22、评估装置24和输出单元26位于封闭的传感装置壳体28中。传感装置壳体28放置在封闭的机器壳体18的表面上并且例如通过连接元件、特别是螺栓或磁体与机器壳体18可拆卸地连接。尤其当使用磁体作为连接元件时，该传感器系统能够被改装到旧款的旋转电机2上。
至少一个第一传感器20被实施为磁场传感器30，其中，在旋转电机2运行期间，由磁场传感器30测量定子10的外部的漏磁场，由该漏磁场的特别是周期性的时间变化确定定子频率。至少一个第二传感器22被实施为加速度传感器32，其检测转子8的振动特性。借助于快速傅立叶变换(简称FFT)，由加速度传感器32检测的振动信号被变换到频域中，并且随后由振动信号的已确定的频谱来确定机械的转子频率。由机械的转子频率和定子频率计算异步电机4的转差频率。
由异步电机4的转差频率和附加的、特别是特定类型的特性值来计算异步电机4的状态变量。特性值能够例如在数据表和/或铭牌中找到，并且特性值例如包括极对数、额定转速、机械输送的额定功率和效率。
在从空转直到大约一半的倾覆力矩和/或直到大约1.5倍的额定扭矩的被考虑的运行范围中，转差频率近似线性地表现特性并且与由旋转电机2输送的扭矩成比例。因此，在被考虑的运行范围中，由异步电机4的转差频率高精度地确定输送的扭矩。由输送的扭矩计算输送的机械功率。由输送的机械功率和效率来近似地计算所接收的电功率，其中假设效率在被考虑的运行范围中是恒定的。通过时间的积分确定接收的电能。
通过输出单元26输出旋转电机2的计算出的至少一个状态变量。这种输出单元26例如是显示器、扬声器、或其他视觉和/或声学方面的输出媒介。附加地或可选地，输出单元26具有用于将确定的数据传输到计算机系统和/或基于云的或虚拟化的数据库系统的装置。数据传输以无线、有线或光学的方式进行。例如，数据传输经由蓝牙或WLAN实现。此外，传感器系统3还包括控制装置34，其例如控制测量的和评估的、特别是时间上的进程。
图2示出了具有传感器系统3的第二实施方案的旋转电机2的纵向截面。传感器20、22与通信单元36连接，该通信单元将由传感器20、22测量的传感器信号尤其以无线方式传输到基站38。在基站38中，借助于评估装置24组合传感器信号并且确定旋转电机2的状态变量，如关于图1所说明的那样。此外，基站38具有控制装置34，其用于对测量进程、传输进程和评估进程尤其在时间方面进行控制。旋转电机2的已确定的状态变量被传输到输出单元26，该输出单元被实施为视觉和/或声学方面的输出媒介。附加地或可选地，输出单元26具有用于将确定的数据传输到计算机系统和/或基于云的或虚拟化的数据库系统的装置。数据传输以无线、有线或光学的方式进行。例如，数据传输经由蓝牙或WLAN实现。旋转电机2的和传感器系统3的另外的实施方案对应于图1中的实施方案。

Claims (19)

1.一种用于监控旋转电机(2)的运行的方法，所述旋转电机具有转子(8)、定子(10)和机器壳体(18)，所述转子(8)和所述定子(10)容纳在所述机器壳体中，
其中，在所述机器壳体(18)的外部测量所述定子(10)的第一物理变量和所述转子(8)的第二物理变量，并且
其中，由所述第一物理变量和所述第二物理变量确定所述旋转电机(2)的至少一个状态变量，
其中，将至少一个所述状态变量尤其以无线、有线或光学的方式发送到云。
2.一种用于监控旋转电机(2)的运行的方法，所述旋转电机具有转子(8)、定子(10)和机器壳体(18)，所述转子(8)和所述定子(10)容纳在所述机器壳体中，
其中，在所述机器壳体(18)的外部测量所述定子(10)的第一物理变量和所述转子(8)的第二物理变量，
其中，将所述第一物理变量和所述第二物理变量尤其以无线、有线或光学的方式发送到云，并且
其中，在所述云中由所述第一物理变量和所述第二物理变量确定所述旋转电机(2)的至少一个状态变量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，经由蓝牙和/或WLAN建立与所述云的无线连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述定子(10)的电磁场作为所述第一物理变量来测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，由所述电磁场确定定子频率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述转子(8)的振动特性作为所述第二物理变量来测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，由所述振动特性确定转子频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，利用FFT和/或频率计数方法确定所述转子频率。
9.根据权利要求3和权利要求7或8之一所述的方法，其中，由所述定子频率和所述转子频率确定转差频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述转差频率确定所述旋转电机(2)的至少一个所述状态变量、特别是所述旋转电机(2)的扭矩和/或所输送的机械功率。
11.一种用于旋转电机(2)的传感器系统(3)，所述传感器系统具有至少一个第一传感器(20)、至少一个第二传感器(22)和评估装置(24)，其中
-至少一个所述第一传感器(20)被设置用于在所述旋转电机(2)的机器壳体(18)的外部测量所述旋转电机(2)的定子(10)的第一物理变量，
-至少一个所述第二传感器(22)被设置用于在所述旋转电机(2)的所述机器壳体(18)的外部测量所述旋转电机(2)的转子(8)的第二物理变量，并且
-所述评估装置(24)被设置用于利用所述第一物理变量和所述第二物理变量确定所述旋转电机(2)的至少一个状态变量，
其中，所述传感器系统(3)具有用于尤其以无线、有线或光学的方式与云建立连接的装置。
12.根据权利要求10所述的传感器系统(3)，其中，所述评估装置(24)布置在所述云中。
13.根据权利要求10或11中任一项所述的传感器系统(3)，其中，所述传感器系统(3)具有用于经由蓝牙和/或WLAN建立与所述云的无线连接的装置。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的传感器系统(3)，其中，至少一个所述第一传感器(20)被实施为磁场传感器(30)。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的传感器系统(3)，其中，至少一个所述第二传感器(22)被实施为加速度传感器(32)。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的传感器系统(3)，所述传感器系统具有封闭的传感装置壳体(24)，所述传感器(20、22)容纳在所述传感装置壳体中。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的传感器系统(3)，所述传感器系统具有控制装置(34)。
18.一种旋转电机(2)，所述旋转电机具有转子(8)、定子(10)、机器壳体(18)和至少一个根据权利要求11至17中任一项所述的传感器系统(3)，所述转子(8)和所述定子(10)容纳在所述机器壳体中，
其中，所述传感器系统(3)布置在所述机器壳体(18)的外部。
19.根据权利要求18所述的旋转电机(2)，其中，所述传感器系统(3)放置在所述机器壳体(18)上。
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