确定轴承状态的方法、用于确定轴承状态的模块、轨道车辆和系统与流程

本发明涉及确定轴承状态、特别是轴承耗损的方法。

此外，本发明涉及用于确定轴承状态的模块。

另外，本发明涉及包含用于确定轴承状态的模块的轨道车辆。

最后，本发明涉及用于确定轴承状态的系统。

背景技术：

电机的轴承故障通常使用不同的技术检测。例如，使用温度传感器、加速度计和/或麦克风。几乎所有这些都涉及机械测量。

在其它公开文献中，也使用了电测量，例如在如下文章中：josésilva等人的“bearingfailuresdiagnosisinthree-phaseinductionmotorsbyextendedparkvectorapproach”(ieee)。

所有这些技术都基于如下事实：特定的轴承故障产生众所周知的特征频率，该频率仅取决于故障类型、转子速度和轴承本身的类型。然而，该频率的幅值非常小并且通常被环境噪声覆盖。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于检测轴承故障和检测轴承耗损幅值的改善的方法和系统，其也可以用于嘈杂环境中，例如用于轨道车辆中。

根据一方面，提供确定三相电机的轴承状态的方法，所述电机具有转子，转子由轴承支撑，电机与三相逆变器(inverter)连接从而为电机提供电力，三相逆变器被控制为应用具有预定方案的脉冲宽度调制以产生三相电流，所述方法包括：

-确定提供给电机的第一相电流；

-确定提供给电机的第二相电流，第二相电流与第一相电流不同；

-基于第一相电流和第二相电流，确定park矢量的功率谱密度；

-确定在功率谱密度的预定频率处的功率幅值，其中预定频率取决于转子的转速和脉冲宽度调制方案；

-将预定频率处的功率幅值与预定功率值进行比较；和

-基于比较来确定轴承是否发生故障或轴承是否退化。

进一步的实施方式可以涉及以下特征中的一个或多个，其可以任何技术上可行的组合方式进行组合：

-预定频率基于park矢量的功率谱密度的主峰和转子的转速确定，所述park矢量的功率谱密度基于第一相电流和第二相电流确定，其中预定频率在与主峰相距频率距离处，其取决于转速且优选等于转速；

-预定功率值为基于针对具有未损坏轴承的电机确定的第一相电流和第二相电流的在park矢量的功率谱密度的预定频率处的功率；

-第一相电流和第二相电流在第一时间点确定，其中预定功率值为基于在第二时间点针对电机确定的第一相电流和第二相电流的在park矢量的功率谱密度的预定频率处的功率，其中第二时间点在第一时间点之前，其中，特别是第一时间点和第二时间点之间的差异为至少一天、特别是至少一个月；

-三相电机为感应电机或同步电机；

-所述方法进一步包括：基于比较来确定维修电机的时间；

-所述方法进一步包括：以转子的预定转速运行电机；和/或

-所述方法进一步包括：确定脉冲宽度调制方案，特别是基于转速确定。

根据另一方面，提供用于确定三相电机的轴承状态的模块，电机具有转子，转子由轴承支撑，电机与三相逆变器连接从而为电机提供电力，三相逆变器被控制为应用具有预定方案的脉冲宽度调制以产生三相电流，其中模块适配为：

-确定提供给电机的第一相电流；

-确定提供给电机的第二相电流，第二相电流与第一相电流不同；

-基于第一相电流和第二相电流，确定park矢量的功率谱密度；

-确定在功率谱密度的预定频率处的功率幅值，其中预定频率取决于转子的转速和脉冲宽度调制方案；

-将预定频率处的功率幅值与预定功率值进行比较；和

-基于比较来确定轴承是否发生故障或轴承是否退化。

进一步的实施方式可以涉及以下特征中的一个或多个，其可以任何技术上可行的组合方式进行组合：

-预定频率基于park矢量的功率谱密度的主峰和转子的转速确定，所述park矢量的功率谱密度基于第一相电流和第二相电流确定，其中预定频率在与主峰相距频率距离处，其取决于转速和优选等于转速；

-模块进一步包含：确定脉冲宽度调制方案，特别是基于转速确定；

-模块进一步与测量第一相电流的第一电流传感器和测量第二相电流的第二电流传感器连接；和/或

-模块进一步适配为从控制器接收关于在逆变器处应用的脉冲宽度调制方案的信息，或其中模块适配为命令控制器在逆变器处应用预定脉冲宽度调制方案。

根据另一方面，提供车辆、特别是轨道车辆，其包含用于驱动车辆的电动机和根据本申请公开的一种实施方式的用于确定轴承状态的模块。

根据另一方面，提供用于确定三相电机的轴承状态的系统，电机具有转子，转子由轴承支撑，电机与三相逆变器连接从而为电机提供电力，三相逆变器被控制为应用具有预定方案的脉冲宽度调制以产生三相电流，其中系统包含轴承状态检测模块，轴承状态检测模块适配为：

-确定提供给电机的第一相电流；

-确定提供给电机的第二相电流，第二相电流与第一相电流不同；

-基于第一相电流和第二相电流，确定park矢量的功率谱密度；

-确定在功率谱密度的预定频率处的功率幅值，其中预定频率取决于转子的转速和脉冲宽度调制方案；其中所述系统进一步适配为：

-将预定频率处的功率幅值与预定功率值进行比较；和

-基于比较来确定轴承是否发生故障或轴承是否退化。

附图说明

因此，可以通过参考实施方式来阅读可以详细地理解本发明上述特征的方式、上面简要概述的本发明的更详细描述。附图涉及本发明的实施方式，并且在以下中描述：

图1示意性地显示具有逆变器的电机的能量供应；

图2显示具有新轴承的电机的振动频谱；

图3显示具有耗损的轴承的电机的振动频谱；

图4显示用于电机的pwm的切换角实例；

图5显示电机的供电电流相位的理论频谱，其中转子以每分钟1250转(20.8hz)的速度旋转；

图6显示通过电机的供电电流相位获得的park矢量方法的频谱；

图7显示通过具有新的和用过的轴承的电机的供电电流相位获得park矢量方法的测量频谱的放大图；和

图8示意性地显示根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地显示具有逆变器5的电机3的能量供应系统1。电机3为通过三条线路4a、4b、4c与逆变器5连接的三相电机。例如，电机3为感应电机。在其它实施方式中，该机器为永磁电机或磁阻可变电机。例如，电机用于驱动轨道车辆。因此，电机以不同的转速操作。

逆变器5为与直流(dc)电源6连接并且产生三相ac(交流电)的三相逆变器。在三相ac电流中，每相相对于其它相偏移三分之一周期。三相通过三条线路4a、4b、4c输出。逆变器包括六组二极管和开关8，特别是固态开关8，例如半导体开关。对于每组，相应的二极管和相应的开关反向并联(anti-parallel)连接。

系统1进一步包括控制逆变器5的控制器7。例如，控制器7控制开关8的关闭和打开，以根据特定的pwm为各相产生ac电流。

在一种实施方式中，该系统包括与dc供电线路6连接的电压传感器11以及至少两个电流传感器13、15，两个电流传感器13、15分别与线路4a、4b之一连接。在其它实施方式中，传感器可以与线路4b和4c之一或与线路4a和4c之一连接。此外，任选地，该系统包括传感器9，其用于确定电机3的速度。

传感器9、11、13和15与轴承状态检测模块17连接。在一些实施方式中，轴承状态检测模块17从两相电流确定电机的转速。

提供第一电流传感器13以感测用于确定第一相电流的值，提供第二电流传感器15以感测用于确定第二相电流的值。例如，第一电流传感器和第二电流传感器分别为霍尔效应(halleffect)传感器或电流互感器。

图2显示具有未损坏轴承的电机的振动频谱，图3显示具有损坏轴承的电机的振动频谱。电机3的转子19以1250rpm(每分钟转数)旋转，其对应于旋转频率f旋转＝20.8hz。因此，从图2中可以看出，当轴承未损坏时，在旋转频率和旋转频率的倍数(谐波频率)处没有峰。但是，可能有一些其它峰。相比之下，当轴承受损坏时，在实例中，在旋转频率f旋转和旋转频率的整数倍数的频谱中存在峰。图3中，这些峰可以在例如2×f旋转、3×f旋转、4×f旋转和5×f旋转处看到。

当发生轴承耗损时，电机3的转子根据轴承本身的耗损率在径向上平移。换句话说，电机3的转子19和定子21之间的气隙(airgap)特别在旋转频率方面变化。当气隙变化时，定子电流也受到影响，因为磁场和电场也变化。定子电流的这种变化可以根据本发明进行测量。因此，用过/耗损的轴承频率f扰动在相电流中产生，该轴承频率在该实例中可以为f旋转并且也优选为旋转频率的倍数。

作为逆变器的调制策略的结果，电机3的相电流频谱将会表明，将旋转频率f旋转的基频的附加频率(f附加)函数(function)注入具有相对于环境噪音的高幅值的相电流中。必须注意的是，在感应电机的情况下，相电流的基频与转子的旋转频率略有不同，并且取决于转差率(slip)。

在图5的实例中，附加频率为供电电流频率f供电、5×f供电、7×f供电、11×f供电和13×f供电。

将相电流进行组合以计算park矢量。该操作产生上述频率(即，附加频率和耗损的轴承频率f扰动)之间的组合。结果，附加频率用耗损的轴承频率f扰动调制。结果，几对双峰出现在频率f附加-f扰动和f附加+f扰动处。双峰具有的幅值取决于附加频率f附加的幅值和耗损的轴承频率(f扰动)的幅值。在上面示出的实例中，耗损的轴承频率(f扰动)或扰动频率对应于旋转频率f旋转。

根据一种实施方式，脉冲宽度调制用于产生三相电流。脉冲宽度调制(pwm)产生具有可变长度或宽度的多个(矩形)电压脉冲，并且响应于开关8的打开和关闭而发出符号。由于在电机3中(例如在定子绕组中)存在电感器，因此将电流进行平滑化以产生基本上正弦的电流。然而，各相电流不具有理想的正弦形状。因此，各相电流在频谱中呈现多个谐波，这将在下文中关于图5进行解释。

对于以不同速度运行的感应电动机，应用pwm或预先计算的切换角的几种方案，以最小化电动机上的谐波含量并且减少电动机上的谐波损耗。实际上，一些频率可干扰轨道信号传导系统或向电动机注入较高损耗。对于相电流，每个pwm或预先计算的切换角方案具有根据便于减少的频率的特定预定频谱。通常，频谱仅取决于所应用的pwm。在一个实例中，预先计算的切换角在逆变器的输出电压处施加四分之一波(90°)对称(symmetryofwavequarter)。换句话说，pwm的脉冲在预定切换角α1、α2、α3等处激活或解除(deactivated)。图4说明用于电机的pwm的切换角。

因此，傅立叶分析将仅提供具有奇次谐波的正弦分量

与

可以推导出

这是k倍基波频率的幅值(k等于3、5、7、9等)。

由于系统可以具有多个自由度α1、α2、α3等(其取决于你能够应用多少个脉冲)，因此可以方便地施加一些约束来消除产生较多问题的谐波(vk)。例如，在预定pwm方案中，使用预先计算的切换角，其减少第5谐波和第7谐波。这种pwm方案可以称为calc3。

作为这种pwm方案的结果，相电流的谐波含量已经减少了对应于第5和第7的谐波频率，如图4所示(对数标度)。由于预先计算的切换角减少低频谐波(较失真)，因此也产生高频(上述“附加频率”)。这些频率可以用作载波频率，用扰动(disturbance)(气隙干扰(air-gapperturbation))进行调制，以便测量轴承耗损的幅值。

根据本发明，轴承状态检测模块17适配为基于第一相电流和第二相电流来计算直流电流id和正交电流iq，其约束条件是，对于每个瞬时，该三相电流之和等于零。直流电流id和正交电流iq在复平面中彼此正交并且以转子19的速度旋转。换句话说，直流电流id和正交电流iq为随转子19的转速而旋转的旋转坐标系中的电机相电流。例如，直流电流id和正交电流iq使用直流正交零变换(directquadraturezerotransformation)计算。电流到直流电流id和正交电流iq的变换可以包括park变换和clark变换。直流电流id和正交电流iq形成park矢量。

图5显示为电机供应的相电流的理论频谱，其中转子以每分钟1250转(20.8hz)旋转。例如，这可以为通过传感器13或15之一感测到的电流。根据一种实施方式，通过快速傅立叶变换计算频谱。从图中可以看出，频谱有几个峰，这是由于pwm(calc3)的频率，特别是奇数倍的供电电流频率f供电。在图5的实例中，供电电流频率f供电具有63hz的(基本)频率，其与旋转频率f旋转乘以电动机的极数成比例。图5中，在688hz处的第11谐波＝11×f供电，在814hz处的第13谐波＝13×f供电，这两个谐波具有相对高的峰；而在312hz处的第5谐波＝5×f供电、在438hz处的第7谐波＝7×f供电，这些谐波由pwm方案(calc3)的上述实例的预先计算的切换角减小。如果应用另一pwm方案，则其它谐波可为最高峰。仅有的具有高峰的奇次谐波为通过逆变器5中的pwm产生相电流的典型频谱，这特别是由于具有90°波对称的预先计算的切换角引起的。

根据一种实施方式，计算park矢量的频谱，例如基于park矢量的绝对值或绝对值的平方，特别是|id+jiq|²，其中park矢量为id+jiq。换句话说，park矢量的绝对值或绝对值的平方用于频谱分析。

如在图6中可以看到的，其为对数标度，对于具有63hz的基频的电源的实例，基频与奇次谐波如下组合。第5谐波(312hz)+基频(63hz)具有与如下相同的频率：第7谐波(438)-基频(63hz)＝375hz，其对应于第6谐波。此外，第11谐波(688)和基频(63hz)具有与如下相同的频率：第13谐波(814hz)-基频(63hz)，其对应于在751hz处的第12谐频。

可以看出，模块的功率谱或park矢量的平方仅包括两个进入所考虑的频率范围的主峰，其远远高于剩余的峰。主峰的功率远大于剩余的峰，例如比剩余的峰大至少10倍。图6在频谱中显示主峰在电源电流的基频的0hz处、第6谐波(f1pwm＝375hz)处和第12谐波(f2pwm＝751hz)处。主峰根据应用的pwm方案和速度是已知的。根据一种实施方式，选择pwm方案，其在功率谱密度中仅具有有限数量的主峰。另一选择标准可以是主峰的幅值和/或主峰到基频的频率距离。

在一些实施方式中，控制器7适配为通知轴承状态检测模块17所选择的pwm方案。然后，轴承状态检测模块17自动确定在功率谱密度的主峰周围的调制扰动频率的频率。

在其它实施方式中，轴承状态检测模块17命令控制器7应用预先确定的pwm方案，该方案适配为检测轴承故障。例如，pwm方案为通常用于电动机控制的pwm方案。如上所述，如果特定频率作为扰动f扰动应用，例如由于机械振动，特别是由于轴承故障或轴承耗损，则在park矢量的计算功率谱密度中将出现其它的频率，即

-在扰动频率f扰动处的峰，和

-分别以park矢量的功率谱密度的主峰为中心的几个干扰峰，特别是在f1pwm-f扰动、f1pwm+f扰动、f2pwm-f扰动和f2pwm+f扰动处。

换句话说，相电流的功率谱密度中pwm的另外主峰可用于监测轴承状态或扰动。

图7显示具有新的和耗损的轴承的电机的park矢量的功率谱密度的放大图。粗线显示在主峰周围在f1pwm(375hz)处的功率谱密度的断面(section)，其中耗损的轴承在扰动频率f扰动处产生噪声，扰动频率f扰动对应于转子19的旋转频率f旋转。细频谱显示在没有扰动频率的情况下在f1pwm主峰周围的功率谱密度的相同断面。因此，可以看出，当存在扰动时，在第6谐波周围产生与主峰相距频率距离的两个另外的峰，其取决于旋转频率并且优选地等于旋转频率f旋转，如果电机具有未损坏轴承，则不存在扰动。

在f1pwm-f扰动和f1pwm+f扰动处的另外扰动峰的幅值取决于轴承耗损的严重程度。因此，在电机轴承断裂之前，在f1pwm-f扰动和f1pwm+f扰动处的另外扰动峰倾向于随着时间推移而增加。

根据一种实施方式，在另外扰动峰处的幅值在电机3的特定的、预先确定的旋转频率f旋转处测量。例如，在提供电机3以驱动车辆、特别是轨道车辆的情况下，在车辆的预定速度处测量在另外扰动峰处的幅值。在一些实施方式中，电机3的转速将根据使用的pwm方案进行选择。在这些情况下，一旦列车达到方便进行测量的速度，则将触发轴承状态的测量。此外，对于选择的pwm方案，对于电机的特定旋转频率，条件是f1pwm+f扰动＝f2pwm-f扰动。在这种情况下，如上详细所述，f1pwm+f扰动的幅值将对f2pwm-f扰动处的幅值求和，从而在测量时提供较大灵敏度。

换句话说，根据一些实施方式，选择pwm方案，其中功率谱密度集中在几个峰中，并且其中环境噪声不覆盖信号。

根据一种实施方式，轴承耗损状态检测模块17适配为记录在f1pwm-f扰动和f1pwm+f扰动处另外扰动峰的幅值(特别是带有时间戳)。在一些实施方式中，轴承状态检测模块17确定，如果另外扰动峰值等于预定值或大于预定值，则将可能发生过多的轴承耗损和/或已经发生过多的轴承耗损。例如，如果可能在特定时间段内发生轴承故障或耗损，则轴承状态检测模块17适配为提供警报。

在另一种实施方式中，轴承状态检测模块17适配为将在f1pwm-f扰动和f1pwm+f扰动处另外扰动峰的幅值(特别是带有时间戳)发送到维护站点的计算机、特别是发送到中央维护计算机。在这种情况下，中央维护计算机适配为确定，如果另外扰动峰等于预定值或大于预定值，则将可能发生过多的轴承耗损和/或已经发生过多的轴承耗损。例如，如果可能在特定时间段内发生轴承故障或耗损，则中央维护计算机适配为提供警报。因此，在轴承故障发生之前，可以计划电机的维护。

图8示意性地显示根据一种实施方式的方法的流程图。在第一步骤100中，确定提供给电机的第一相电流和提供给电机的第二相电流，例如通过测量相电流确定。在其它实施方式中，也测量电机3的转速。

在步骤102中，确定或计算park矢量的功率谱密度，例如通过轴承状态检测模块17、特别是基于电机的转速进行确定或计算。例如，为此目的，使用park变换、clark变换和快速傅立叶变换。

在步骤104中，选择park矢量的功率谱密度的预定频率，例如通过轴承状态检测模块17选择。预定频率取决于转子19的转速和park矢量的功率谱密度的预先确定的主峰或最大值。例如，如图7所示，选择f1pwm处的峰，或选择f2pwm处的峰。在一些实施方式中，选择的峰足以远离电机3的相电流的基频和转子的旋转频率。例如，选择频率比相电流的基频f供大4倍、特别是大6倍的主峰，特别用于减少主峰的噪声环境，特别是对于calc3pwm方案。选择的主峰取决于应用的pwm方案，并且根据应用的pwm方案和相电流的基频进行预定。

预定频率例如为根据预先确定的主峰的频率调制的干扰频率，特别是在转子的频率处的干扰频率。然后，读取所选择的预定频率处的幅值，并且特别地，与时间戳相关联。在一些实施方式中，将特别与时间值或时间戳相关联的幅值发送到中央维护计算机。

然后，在步骤106中，将预定频率处的功率幅值与预定功率值进行比较。例如，通过轴承状态检测模块17和/或中央维护计算机进行比较。

在一种实施方式中，预定功率可以是阈值。例如，阈值可用于在步骤108中确定，如果在预定频率处的功率幅值超过阈值，则必须安排电机的维护。在其它实施方式中，该比较可以用于在步骤108中确定在预先确定的时间框内是否将可能发生故障。

在其它实施方式中，预定功率值为没有故障的电机3(例如新的电机3)在预先确定频率处的功率谱密度的幅值。然后，根据确定幅值与预定功率值的比率，在步骤108中确定在预先确定的时间框内是否已经发生故障或者可能(例如在下个月内)发生故障。

根据本发明，由脉冲宽度调制产生的频率用作激发频率，以检测轴承的故障及其耗损。因此，可以在没有另外传感器的情况下检测是否有轴承故障及其使用。