一種用于識(shí)別電機(jī)中的故障的方法
【專利摘要】為了識(shí)別電機(jī)中的故障，在定子30的多個(gè)徑向上測(cè)量振動(dòng)?；谡駝?dòng)測(cè)量，確定振動(dòng)頻率和該頻率處的振動(dòng)的模態(tài)振型。振動(dòng)在振動(dòng)頻率和模態(tài)振型方面的特性用于識(shí)別電機(jī)的故障情況。
【專利說(shuō)明】—種用于識(shí)別電機(jī)中的故障的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于識(shí)別電機(jī)中的故障的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]像任何科技設(shè)備那樣，電機(jī)可能遇到機(jī)械或電子性質(zhì)的各種故障。由于電機(jī)具有轉(zhuǎn)子形式的移動(dòng)元件，最通常的故障情況大多會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的振動(dòng)。已知的是，不同的故障情況導(dǎo)致不同類型的振動(dòng)。因此，通過(guò)了解某些故障情況導(dǎo)致了哪種類型的振動(dòng)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器的振動(dòng)特性來(lái)檢測(cè)故障。
[0003]振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)地用于檢測(cè)電機(jī)中的機(jī)械故障。該監(jiān)測(cè)方法例如在檢測(cè)軸承故障時(shí)是成功的。然而，目前仍不能通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法滿意地檢測(cè)電子故障，即使已經(jīng)對(duì)于此研究方向進(jìn)行了嘗試。例如，來(lái)自Finley, W.R.et al.1999 (Dl)的會(huì)議論文“An analyticalapproach to solving motor vibration problems”公開(kāi)了表格(表 I),其具有用于識(shí)別感應(yīng)電機(jī)中的機(jī)械和電子故障的指標(biāo)。主要故障指標(biāo)是振動(dòng)的頻率及其邊帶。其需要大量的經(jīng)驗(yàn)解釋來(lái)在Dl的幫助下確定振動(dòng)的根本來(lái)源，并且不能滿意地區(qū)分不同的故障情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的ー個(gè)目標(biāo)是提供能夠改進(jìn)地識(shí)別電機(jī)中的故障的方法。
[0005]本發(fā)明的進(jìn)ー步目標(biāo)是提供能夠改進(jìn)地識(shí)別電機(jī)中的故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0006]這些目標(biāo)通過(guò)根據(jù)所附權(quán)利要求1的方法和根據(jù)所附權(quán)利要求12的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0007]本發(fā)明基于特定頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型是許多故障情況的重要指標(biāo)。在現(xiàn)有技術(shù)中，特定振動(dòng)的模態(tài)振型還沒(méi)有被考慮作為故障指標(biāo)。例如，利用Dl的圖15中公開(kāi)的測(cè)量設(shè)置，甚至不能確定不同振動(dòng)頻率的模態(tài)振型。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供ー種用于識(shí)別具有轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)中的故障的方法。該方法包括以下步驟:在定子的第一徑向上進(jìn)行第一振動(dòng)測(cè)量；在定子的第二徑向上進(jìn)行第二振動(dòng)測(cè)量；基于第一振動(dòng)測(cè)量和第二振動(dòng)測(cè)量中至少之ー來(lái)確定第一振動(dòng)頻率；基于第一振動(dòng)測(cè)量和第二振動(dòng)測(cè)量來(lái)確定第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型；以及使用第一振動(dòng)頻率和模態(tài)振型的組合來(lái)識(shí)別電機(jī)的故障情況。
[0009]通過(guò)使用第一振動(dòng)頻率和模態(tài)振型的組合作為故障指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障情況的更可靠的識(shí)別。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:在定子的至少三個(gè)不同徑向上，諸如在定子的至少四個(gè)、至少六個(gè)或至少八個(gè)不同徑向上進(jìn)行多次振動(dòng)測(cè)量；基于多次振動(dòng)測(cè)量中至少之ー來(lái)確定第一振動(dòng)頻率；以及基于多次振動(dòng)測(cè)量來(lái)確定第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型。在定子的不同徑向上進(jìn)行越多的測(cè)量，可以檢測(cè)的模態(tài)數(shù)越高，檢測(cè)的可靠性越好。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)在第一振動(dòng)頻率處的振幅超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，識(shí)別故障情況。確定振幅的閾值是合理的，這是因?yàn)榉浅Ｐ〉恼穹恼駝?dòng)對(duì)機(jī)器沒(méi)有害處，并且由此可以避免錯(cuò)誤的故障情況振動(dòng)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:利用機(jī)器的第一負(fù)載和第二負(fù)載進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量；在第一振動(dòng)頻率處利用第一負(fù)載和第二負(fù)載來(lái)確定振幅的差異；以及使用第一振動(dòng)頻率、模態(tài)振型和振幅的差異的組合來(lái)識(shí)別電機(jī)的故障情況。通過(guò)使用振幅的差異作為另外的故障指標(biāo)，能夠進(jìn)行進(jìn)ー步的故障情況之間的區(qū)分，并且實(shí)現(xiàn)故障情況的更可靠的識(shí)別。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，故障情況是以下中之一:斷裂的轉(zhuǎn)子條、動(dòng)態(tài)偏心、靜態(tài)偏心、匝間短路、線圈間短路。本方法特別適用于識(shí)別所列出的故障情況，因?yàn)榭梢哉业秸駝?dòng)特性和故障情況之間的清楚關(guān)聯(lián)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動(dòng)頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子條斷裂:f=n ? fr或f=n ? f；±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l,3, 5,-), f；=電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，S=轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率，以及fs=電源頻率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對(duì)斷裂轉(zhuǎn)子條的可靠故障指標(biāo)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動(dòng)頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心:f=2 ? fr和m=2 ；f=2 ? fs-fr和m=2 ? p -1 ;f=2 ? fs+fr和m=2 ? p+1,其中，f=電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對(duì)數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心的可靠故障指標(biāo)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動(dòng)頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心:f=2 *fs和m=2 *p+l或m=2 *p -1,其中fs=電源頻率以及P=定子極對(duì)數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對(duì)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的可靠故障指標(biāo)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動(dòng)頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定定子線圈具有匝間短路或線圈間短路:f=2 ? k ? fs和m= (2，4，6，…)，其中k=(l，2，3，…)，以及fs=電源頻率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對(duì)匝間短路或線圈間短路的可靠故障指標(biāo)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:利用機(jī)器的第一負(fù)載和第二負(fù)載進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，第一負(fù)載小于第二負(fù)載；在第一振動(dòng)頻率處利用第一負(fù)載和第二負(fù)載來(lái)確定振幅的差異；以及基于以下來(lái)確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負(fù)載增大而增大，以及振幅的増大超過(guò)預(yù)定閾值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)振幅隨著負(fù)載增大而增大是用于區(qū)分匝間短路和線圈間短路的可靠故障指標(biāo)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)。本方法特別適用于識(shí)別感應(yīng)電機(jī)中的故障情況，其中，可以找到振動(dòng)特性和故障情況之間的清楚關(guān)聯(lián)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供ー種用于識(shí)別具有轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)中的故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括:第一傳感器，被配置為在定子的第一徑向上測(cè)量振動(dòng)；第二傳感器，被配置為在定子的第二徑向上測(cè)量振動(dòng)。處理器接收來(lái)自第一傳感器和第二傳感器的測(cè)量信號(hào)。處理器包括第一算法，用于從測(cè)量信號(hào)檢測(cè)第一振動(dòng)頻率和第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型。處理器還包括第二算法，用于從第一振動(dòng)頻率和模態(tài)振型的組合識(shí)別電機(jī)的故障情況。利用能夠使用第一振動(dòng)頻率和模態(tài)振型的組合作為故障指標(biāo)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障情況的更可靠的識(shí)別。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，該多個(gè)傳感器被配置為在定子的至少三個(gè)徑向上，諸如在定子的至少四個(gè)、至少六個(gè)或至少八個(gè)不同徑向上測(cè)量振動(dòng)，以及處理器接收來(lái)自多個(gè)傳感器的測(cè)量信號(hào)。在定子的不同徑向處的多次測(cè)量允許以較好可靠性檢測(cè)高模態(tài)數(shù)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，傳感器是加速度計(jì)。加速度計(jì)是優(yōu)選的振動(dòng)傳感器，因?yàn)槠涑叽缧?，價(jià)格低。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供ー種包括根據(jù)上述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0024]將參考附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，其中:
[0025]圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的物理安裝，
[0026]圖2示出振動(dòng)的第一四種模態(tài)振型，以及
[0027]圖3示出列出特定振動(dòng)特性和特定故障情況之間的關(guān)聯(lián)的表。
【具體實(shí)施方式】
[0028]參考圖1，示出了用于測(cè)量電機(jī)中的振動(dòng)的測(cè)量設(shè)備10。八個(gè)加速度計(jì)20均勻地圍繞定子30的圓周分布。大量的加速度計(jì)20能夠檢測(cè)高數(shù)量的模態(tài)，因而，加速度計(jì)20越多，測(cè)量設(shè)備10的故障識(shí)別能力越好。然而，由于我們主要對(duì)低數(shù)量的模態(tài)(I至4)感興趣，因而八個(gè)或甚至更少的加速度計(jì)20應(yīng)該是足夠的。加速度計(jì)20通過(guò)測(cè)量電纜40連接至放大器50，并且進(jìn)一步連接至A/D轉(zhuǎn)換器60。加速度計(jì)20給出時(shí)間空間上的振動(dòng)信息，即作為時(shí)間函數(shù)的加速度。另外，每個(gè)加速度計(jì)20的角位置是已知的。測(cè)量結(jié)果最終以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器70中來(lái)用于進(jìn)一歩處理。
`[0029]處理器80接收并處理來(lái)自計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器70的測(cè)量結(jié)果。處理器80包括第一算法90，用于從測(cè)量信號(hào)檢測(cè)第一振動(dòng)頻率和第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型。第一算法90包括以下更詳細(xì)描述的二維傅里葉變換。處理器80進(jìn)ー步包括第二算法100，用于從第一振動(dòng)頻率和模態(tài)振型的組合識(shí)別電機(jī)的故障情況。
[0030]關(guān)于(由傳感器位置限定的)位置和關(guān)于時(shí)間的二維傅里葉變換被應(yīng)用至測(cè)量結(jié)
果，以得出振動(dòng)的模態(tài)振型和頻率。傅里葉變換的等式可以被寫(xiě)成:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.ー種用于識(shí)別具有轉(zhuǎn)子和定子(30)的電機(jī)中的故障的方法，該方法包括以下步驟: -在所述定子(30)的第一徑向上進(jìn)行第一振動(dòng)測(cè)量； -在所述定子(30)的第二徑向上進(jìn)行第二振動(dòng)測(cè)量； -基于所述第一振動(dòng)測(cè)量和所述第二振動(dòng)測(cè)量中至少之ー來(lái)確定第一振動(dòng)頻率； -基于所述第一振動(dòng)測(cè)量和所述第二振動(dòng)測(cè)量來(lái)確定所述第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型；以及 -使用所述第一振動(dòng)頻率和所述模態(tài)振型的組合來(lái)識(shí)別所述電機(jī)的故障情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步驟: -在所述定子(30)的至少三個(gè)不同徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個(gè)、至少六個(gè)或至少八個(gè)不同徑向上進(jìn)行多次振動(dòng)測(cè)量； -基于所述多次振動(dòng)測(cè)量中至少之ー來(lái)確定第一振動(dòng)頻率；以及 -基于所述多次振動(dòng)測(cè)量來(lái)確定所述第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)在所述第一振動(dòng)頻率處的振幅超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，識(shí)別故障情況。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -利用機(jī)器的 第一負(fù)載和第二負(fù)載進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量； -在所述第一振動(dòng)頻率處利用第一負(fù)載和第二負(fù)載來(lái)確定振幅的差異；以及-使用所述第一振動(dòng)頻率、所述模態(tài)振型和所述振幅的差異的組合來(lái)識(shí)別電機(jī)的故障情況。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述故障情況是以下中之一:斷裂的轉(zhuǎn)子條、動(dòng)態(tài)偏心、靜態(tài)偏心、匝間短路、線圈間短路。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動(dòng)頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子條斷裂:f=n ? fr或f=n ? fr±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l, 3，5，…),fr=電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，S=轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率，以及fs=電源頻率。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動(dòng)頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心:f=2 ? fr 和 m=2 ば=2 ? fs-fr 和 m=2 ? p -1 ば=2 ? fs+fr 和 m=2 ? p+1，其中，fr=電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對(duì)數(shù)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動(dòng)頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心:f=2 ? fs和m=2 ? p+1或m=2 ? p -1,其中fs=電源頻率以及P=定子極對(duì)數(shù)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動(dòng)頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來(lái)確定定子線圈具有匝間短路或線圈間短路:f=2 *k*fs和m=(2，4，6，…)，其中k=(l,2, 3，--?)，以及fs=電源頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -利用機(jī)器的第一負(fù)載和第二負(fù)載進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，所述第一負(fù)載小于所述第二負(fù)載； -在所述第一振動(dòng)頻率處利用所述第一負(fù)載和所述第二負(fù)載來(lái)確定振幅的差異；以及-基于以下來(lái)確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負(fù)載增大而増大，以及振幅的增大超過(guò)預(yù)定閾值。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)。
12.ー種用于識(shí)別具有轉(zhuǎn)子和定子(30)的電機(jī)中的故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括: 第一傳感器，被配置為在所述定子(30)的第一徑向上測(cè)量振動(dòng)； 第二傳感器，被配置為在所述定子(30)的第二徑向上測(cè)量振動(dòng)； 處理器(80)，接收來(lái)自所述第一傳感器和所述第二傳感器的測(cè)量信號(hào)，所述處理器(80)包括第一算法(90)，用于從所述測(cè)量信號(hào)檢測(cè)第一振動(dòng)頻率和所述第一振動(dòng)頻率的振動(dòng)的模態(tài)振型，所述處理器(80)還包括第二算法(100)，用于從所述第一振動(dòng)頻率和所述模態(tài)振型的組合識(shí)別電機(jī)的故障情況。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，該多個(gè)傳感器被配置為在所述定子(30)的至少三個(gè)徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個(gè)、至少六個(gè)或至少八個(gè)不同徑向上測(cè)量振動(dòng)，以及所述處理器(80)接收來(lái)自所述多個(gè)傳感器的測(cè)量信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感器是加速度計(jì)(20)。
15.ー種包括根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01H1/00GK103608652SQ201280030679
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月29日
【發(fā)明者】P·羅德里格斯 申請(qǐng)人:Abb研究公司