一种用于识别电机中的故障的方法
【专利摘要】为了识别电机中的故障，在定子30的多个径向上测量振动。基于振动测量，确定振动频率和该频率处的振动的模态振型。振动在振动频率和模态振型方面的特性用于识别电机的故障情况。
【专利说明】—种用于识别电机中的故障的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于识别电机中的故障的方法和系统。
【背景技术】
[0002]像任何科技设备那样，电机可能遇到机械或电子性质的各种故障。由于电机具有转子形式的移动元件，最通常的故障情况大多会导致机器的振动。已知的是，不同的故障情况导致不同类型的振动。因此，通过了解某些故障情况导致了哪种类型的振动，可以通过监测机器的振动特性来检测故障。
[0003]振动监测传统地用于检测电机中的机械故障。该监测方法例如在检测轴承故障时是成功的。然而，目前仍不能通过振动监测的方法满意地检测电子故障，即使已经对于此研究方向进行了尝试。例如，来自Finley, W.R.et al.1999 (Dl)的会议论文“An analyticalapproach to solving motor vibration problems”公开了表格(表 I),其具有用于识别感应电机中的机械和电子故障的指标。主要故障指标是振动的频率及其边带。其需要大量的经验解释来在Dl的帮助下确定振动的根本来源，并且不能满意地区分不同的故障情況。
【发明内容】
[0004]本发明的ー个目标是提供能够改进地识别电机中的故障的方法。
[0005]本发明的进ー步目标是提供能够改进地识别电机中的故障的监测系统。
[0006]这些目标通过根据所附权利要求1的方法和根据所附权利要求12的设备来实现。
[0007]本发明基于特定频率的振动的模态振型是许多故障情况的重要指标。在现有技术中，特定振动的模态振型还没有被考虑作为故障指标。例如，利用Dl的图15中公开的测量设置，甚至不能确定不同振动频率的模态振型。
[0008]根据本发明的第一方面，提供ー种用于识别具有转子和定子的电机中的故障的方法。该方法包括以下步骤:在定子的第一径向上进行第一振动测量；在定子的第二径向上进行第二振动测量；基于第一振动测量和第二振动测量中至少之ー来确定第一振动频率；基于第一振动测量和第二振动测量来确定第一振动频率的振动的模态振型；以及使用第一振动频率和模态振型的组合来识别电机的故障情況。
[0009]通过使用第一振动频率和模态振型的组合作为故障指标，实现了对故障情况的更可靠的识别。
[0010]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:在定子的至少三个不同径向上，诸如在定子的至少四个、至少六个或至少八个不同径向上进行多次振动测量；基于多次振动测量中至少之ー来确定第一振动频率；以及基于多次振动测量来确定第一振动频率的振动的模态振型。在定子的不同径向上进行越多的测量，可以检测的模态数越高，检测的可靠性越好。
[0011]根据本发明的一个实施例，当在第一振动频率处的振幅超过预定阈值时，识别故障情况。确定振幅的阈值是合理的，这是因为非常小的振幅的振动对机器没有害处，并且由此可以避免错误的故障情况振动。
[0012]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:利用机器的第一负载和第二负载进行振动测量；在第一振动频率处利用第一负载和第二负载来确定振幅的差异；以及使用第一振动频率、模态振型和振幅的差异的组合来识别电机的故障情況。通过使用振幅的差异作为另外的故障指标，能够进行进ー步的故障情况之间的区分，并且实现故障情况的更可靠的识别。
[0013]根据本发明的一个实施例，故障情况是以下中之一:断裂的转子条、动态偏心、静态偏心、匝间短路、线圈间短路。本方法特别适用于识别所列出的故障情況，因为可以找到振动特性和故障情况之间的清楚关联。
[0014]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:基于第一振动频率f?和模态振型m满足以下条件中之一来确定转子条断裂:f=n ? fr或f=n ? f；±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l,3, 5,-), f；=电机的旋转频率，S=转子转差率，以及fs=电源频率。已经发现所述条件是针对断裂转子条的可靠故障指标。
[0015]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:基于第一振动频率f?和模态振型m满足以下条件中之一来确定转子动态偏心: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=电机的旋转频率，fs=电源频率，以及P=定子极对数。已经发现所述条件是针对转子动态偏心的可靠故障指标。
[0016]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:基于第一振动频率f?和模态振型m满足以下条件中之一来确定转子静态偏心:f=2 *fs和m=2 *p+l或m=2 *p -1,其中fs=电源频率以及P=定子极对数。已经发现所述条件是针对转子静态偏心的可靠故障指标。
[0017]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:基于第一振动频率f?和模态振型m满足以下条件中之一来确定定子线圈具有匝间短路或线圈间短路:f=2 ? k ? fs和m= (2，4，6，…)，其中k=(l，2，3，…)，以及fs=电源频率。已经发现所述条件是针对匝间短路或线圈间短路的可靠故障指标。
[0018]根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤:利用机器的第一负载和第二负载进行振动测量，第一负载小于第二负载；在第一振动频率处利用第一负载和第二负载来确定振幅的差异；以及基于以下来确定定子线圈具有匝间短路:振幅随着负载增大而增大，以及振幅的増大超过预定阈值。已经发现振幅随着负载增大而增大是用于区分匝间短路和线圈间短路的可靠故障指标。
[0019]根据本发明的一个实施例，电机是感应电机。本方法特别适用于识别感应电机中的故障情况，其中，可以找到振动特性和故障情况之间的清楚关联。
[0020]根据本发明的第二方面，提供ー种用于识别具有转子和定子的电机中的故障的监测系统。该监测系统包括:第一传感器，被配置为在定子的第一径向上測量振动；第二传感器，被配置为在定子的第二径向上測量振动。处理器接收来自第一传感器和第二传感器的測量信号。处理器包括第一算法，用于从测量信号检测第一振动频率和第一振动频率的振动的模态振型。处理器还包括第二算法，用于从第一振动频率和模态振型的组合识别电机的故障情況。利用能够使用第一振动频率和模态振型的组合作为故障指标的监测系统，实现了故障情况的更可靠的识别。
[0021]根据本发明的一个实施例，监测系统包括多个传感器，该多个传感器被配置为在定子的至少三个径向上，诸如在定子的至少四个、至少六个或至少八个不同径向上測量振动，以及处理器接收来自多个传感器的測量信号。在定子的不同径向处的多次測量允许以较好可靠性检测高模态数。
[0022]根据本发明的一个实施例，传感器是加速度计。加速度计是优选的振动传感器，因为其尺寸小，价格低。
[0023]根据本发明的一个实施例，提供ー种包括根据上述的监测系统的感应电机。【专利附图】
【附图说明】
[0024]将參考附图更详细地说明本发明，其中:
[0025]图1示出根据本发明实施例的物理安装，
[0026]图2示出振动的第一四种模态振型，以及
[0027]图3示出列出特定振动特性和特定故障情况之间的关联的表。
【具体实施方式】
[0028]參考图1，示出了用于测量电机中的振动的测量设备10。八个加速度计20均匀地围绕定子30的圆周分布。大量的加速度计20能够检测高数量的模态，因而，加速度计20越多，測量设备10的故障识别能力越好。然而，由于我们主要对低数量的模态(I至4)感兴趣，因而八个或甚至更少的加速度计20应该是足够的。加速度计20通过测量电缆40连接至放大器50，并且进一步连接至A/D转换器60。加速度计20给出时间空间上的振动信息，即作为时间函数的加速度。另外，每个加速度计20的角位置是已知的。测量结果最终以数字形式存储在计算机存储器70中来用于进一歩处理。
`[0029]处理器80接收并处理来自计算机存储器70的測量結果。处理器80包括第一算法90，用于从测量信号检测第一振动频率和第一振动频率的振动的模态振型。第一算法90包括以下更详细描述的二维傅里叶变换。处理器80进ー步包括第二算法100，用于从第一振动频率和模态振型的组合识别电机的故障情況。
[0030]关于(由传感器位置限定的)位置和关于时间的二维傅里叶变换被应用至测量结
果，以得出振动的模态振型和频率。傅里叶变换的等式可以被写成:
[0031]
【权利要求】
1.ー种用于识别具有转子和定子(30)的电机中的故障的方法，该方法包括以下步骤: -在所述定子(30)的第一径向上进行第一振动测量； -在所述定子(30)的第二径向上进行第二振动测量； -基于所述第一振动测量和所述第二振动测量中至少之ー来确定第一振动频率； -基于所述第一振动测量和所述第二振动测量来确定所述第一振动频率的振动的模态振型；以及 -使用所述第一振动频率和所述模态振型的组合来识别所述电机的故障情況。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤: -在所述定子(30)的至少三个不同径向上，诸如在所述定子(30)的至少四个、至少六个或至少八个不同径向上进行多次振动测量； -基于所述多次振动测量中至少之ー来确定第一振动频率；以及 -基于所述多次振动测量来确定所述第一振动频率的振动的模态振型。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当在所述第一振动频率处的振幅超过预定阈值时，识别故障情況。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -利用机器的 第一负载和第二负载进行振动测量； -在所述第一振动频率处利用第一负载和第二负载来确定振幅的差异；以及-使用所述第一振动频率、所述模态振型和所述振幅的差异的组合来识别电机的故障情況。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述故障情况是以下中之一:断裂的转子条、动态偏心、静态偏心、匝间短路、线圈间短路。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -基于所述第一振动频率f和所述模态振型m满足以下条件中之一来确定转子条断裂:f=n ? fr或f=n ? fr±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l, 3，5，…),fr=电机的旋转频率，S=转子转差率，以及fs=电源频率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -基于所述第一振动频率f和所述模态振型m满足以下条件中之一来确定转子动态偏心: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=电机的旋转频率，fs=电源频率，以及P=定子极对数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -基于所述第一振动频率f和所述模态振型m满足以下条件中之一来确定转子静态偏心:f=2 ? fs和m=2 ? p+1或m=2 ? p -1,其中fs=电源频率以及P=定子极对数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -基于所述第一振动频率f和所述模态振型m满足以下条件中之一来确定定子线圈具有匝间短路或线圈间短路:f=2 *k*fs和m=(2，4，6，…)，其中k=(l,2, 3，--?)，以及fs=电源频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该方法包括以下步骤: -利用机器的第一负载和第二负载进行振动测量，所述第一负载小于所述第二负载； -在所述第一振动频率处利用所述第一负载和所述第二负载来确定振幅的差异；以及-基于以下来确定定子线圈具有匝间短路:振幅随着负载增大而増大，以及振幅的增大超过预定阈值。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电机是感应电机。
12.ー种用于识别具有转子和定子(30)的电机中的故障的监测系统，该监测系统包括: 第一传感器，被配置为在所述定子(30)的第一径向上測量振动； 第二传感器，被配置为在所述定子(30)的第二径向上測量振动； 处理器(80)，接收来自所述第一传感器和所述第二传感器的測量信号，所述处理器(80)包括第一算法(90)，用于从所述测量信号检测第一振动频率和所述第一振动频率的振动的模态振型，所述处理器(80)还包括第二算法(100)，用于从所述第一振动频率和所述模态振型的组合识别电机的故障情況。
13.根据权利要求12所述的监测系统，其中所述监测系统包括多个传感器，该多个传感器被配置为在所述定子(30)的至少三个径向上，诸如在所述定子(30)的至少四个、至少六个或至少八个不同径向上測量振动，以及所述处理器(80)接收来自所述多个传感器的测量信号。
14.根据权利要求12或13所述的监测系统，其中所述传感器是加速度计(20)。
15.ー种包括根据权利要求12至14中任一项所述的监测系统的感应电机。
【文档编号】G01H1/00GK103608652SQ201280030679
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】P·罗德里格斯 申请人:Abb研究公司