一種用于識別電機中的故障的方法
【專利摘要】為了識別電機中的故障，在定子30的多個徑向上測量振動?；谡駝訙y量，確定振動頻率和該頻率處的振動的模態(tài)振型。振動在振動頻率和模態(tài)振型方面的特性用于識別電機的故障情況。
【專利說明】—種用于識別電機中的故障的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于識別電機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，電機可能遇到機械或電子性質(zhì)的各種故障。由于電機具有轉(zhuǎn)子形式的移動元件，最通常的故障情況大多會導(dǎo)致機器的振動。已知的是，不同的故障情況導(dǎo)致不同類型的振動。因此，通過了解某些故障情況導(dǎo)致了哪種類型的振動，可以通過監(jiān)測機器的振動特性來檢測故障。
[0003]振動監(jiān)測傳統(tǒng)地用于檢測電機中的機械故障。該監(jiān)測方法例如在檢測軸承故障時是成功的。然而，目前仍不能通過振動監(jiān)測的方法滿意地檢測電子故障，即使已經(jīng)對于此研究方向進行了嘗試。例如，來自Finley, W.R.et al.1999 (Dl)的會議論文“An analyticalapproach to solving motor vibration problems”公開了表格(表 I),其具有用于識別感應(yīng)電機中的機械和電子故障的指標(biāo)。主要故障指標(biāo)是振動的頻率及其邊帶。其需要大量的經(jīng)驗解釋來在Dl的幫助下確定振動的根本來源，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)明的ー個目標(biāo)是提供能夠改進地識別電機中的故障的方法。
[0005]本發(fā)明的進ー步目標(biāo)是提供能夠改進地識別電機中的故障的監(jiān)測系統(tǒng)。
[0006]這些目標(biāo)通過根據(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)備來實現(xiàn)。
[0007]本發(fā)明基于特定頻率的振動的模態(tài)振型是許多故障情況的重要指標(biāo)。在現(xiàn)有技術(shù)中，特定振動的模態(tài)振型還沒有被考慮作為故障指標(biāo)。例如，利用Dl的圖15中公開的測量設(shè)置，甚至不能確定不同振動頻率的模態(tài)振型。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供ー種用于識別具有轉(zhuǎn)子和定子的電機中的故障的方法。該方法包括以下步驟:在定子的第一徑向上進行第一振動測量；在定子的第二徑向上進行第二振動測量；基于第一振動測量和第二振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；基于第一振動測量和第二振動測量來確定第一振動頻率的振動的模態(tài)振型；以及使用第一振動頻率和模態(tài)振型的組合來識別電機的故障情況。
[0009]通過使用第一振動頻率和模態(tài)振型的組合作為故障指標(biāo)，實現(xiàn)了對故障情況的更可靠的識別。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:在定子的至少三個不同徑向上，諸如在定子的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上進行多次振動測量；基于多次振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；以及基于多次振動測量來確定第一振動頻率的振動的模態(tài)振型。在定子的不同徑向上進行越多的測量，可以檢測的模態(tài)數(shù)越高，檢測的可靠性越好。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當(dāng)在第一振動頻率處的振幅超過預(yù)定閾值時，識別故障情況。確定振幅的閾值是合理的，這是因為非常小的振幅的振動對機器沒有害處，并且由此可以避免錯誤的故障情況振動。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量；在第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及使用第一振動頻率、模態(tài)振型和振幅的差異的組合來識別電機的故障情況。通過使用振幅的差異作為另外的故障指標(biāo)，能夠進行進ー步的故障情況之間的區(qū)分，并且實現(xiàn)故障情況的更可靠的識別。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，故障情況是以下中之一:斷裂的轉(zhuǎn)子條、動態(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別所列出的故障情況，因為可以找到振動特性和故障情況之間的清楚關(guān)聯(lián)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(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)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(zhuǎn)子動態(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=電機的旋轉(zhuǎn)頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心的可靠故障指標(biāo)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(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=定子極對數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述條件是針對轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的可靠故障指標(biāo)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基于第一振動頻率f?和模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來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)明的一個實施例，該方法包括以下步驟:利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量，第一負載小于第二負載；在第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及基于以下來確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負載增大而增大，以及振幅的増大超過預(yù)定閾值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)振幅隨著負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)明的一個實施例，電機是感應(yīng)電機。本方法特別適用于識別感應(yīng)電機中的故障情況，其中，可以找到振動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，提供ー種用于識別具有轉(zhuǎn)子和定子的電機中的故障的監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)包括:第一傳感器，被配置為在定子的第一徑向上測量振動；第二傳感器，被配置為在定子的第二徑向上測量振動。處理器接收來自第一傳感器和第二傳感器的測量信號。處理器包括第一算法，用于從測量信號檢測第一振動頻率和第一振動頻率的振動的模態(tài)振型。處理器還包括第二算法，用于從第一振動頻率和模態(tài)振型的組合識別電機的故障情況。利用能夠使用第一振動頻率和模態(tài)振型的組合作為故障指標(biāo)的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了故障情況的更可靠的識別。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，監(jiān)測系統(tǒng)包括多個傳感器，該多個傳感器被配置為在定子的至少三個徑向上，諸如在定子的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上測量振動，以及處理器接收來自多個傳感器的測量信號。在定子的不同徑向處的多次測量允許以較好可靠性檢測高模態(tài)數(shù)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器是加速度計。加速度計是優(yōu)選的振動傳感器，因為其尺寸小，價格低。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供ー種包括根據(jù)上述的監(jiān)測系統(tǒng)的感應(yīng)電機?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]將參考附圖更詳細地說明本發(fā)明，其中:
[0025]圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的物理安裝，
[0026]圖2示出振動的第一四種模態(tài)振型，以及
[0027]圖3示出列出特定振動特性和特定故障情況之間的關(guān)聯(lián)的表。
【具體實施方式】
[0028]參考圖1，示出了用于測量電機中的振動的測量設(shè)備10。八個加速度計20均勻地圍繞定子30的圓周分布。大量的加速度計20能夠檢測高數(shù)量的模態(tài)，因而，加速度計20越多，測量設(shè)備10的故障識別能力越好。然而，由于我們主要對低數(shù)量的模態(tài)(I至4)感興趣，因而八個或甚至更少的加速度計20應(yīng)該是足夠的。加速度計20通過測量電纜40連接至放大器50，并且進一步連接至A/D轉(zhuǎn)換器60。加速度計20給出時間空間上的振動信息，即作為時間函數(shù)的加速度。另外，每個加速度計20的角位置是已知的。測量結(jié)果最終以數(shù)字形式存儲在計算機存儲器70中來用于進一歩處理。
`[0029]處理器80接收并處理來自計算機存儲器70的測量結(jié)果。處理器80包括第一算法90，用于從測量信號檢測第一振動頻率和第一振動頻率的振動的模態(tài)振型。第一算法90包括以下更詳細描述的二維傅里葉變換。處理器80進ー步包括第二算法100，用于從第一振動頻率和模態(tài)振型的組合識別電機的故障情況。
[0030]關(guān)于(由傳感器位置限定的)位置和關(guān)于時間的二維傅里葉變換被應(yīng)用至測量結(jié)
果，以得出振動的模態(tài)振型和頻率。傅里葉變換的等式可以被寫成:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.ー種用于識別具有轉(zhuǎn)子和定子(30)的電機中的故障的方法，該方法包括以下步驟: -在所述定子(30)的第一徑向上進行第一振動測量； -在所述定子(30)的第二徑向上進行第二振動測量； -基于所述第一振動測量和所述第二振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率； -基于所述第一振動測量和所述第二振動測量來確定所述第一振動頻率的振動的模態(tài)振型；以及 -使用所述第一振動頻率和所述模態(tài)振型的組合來識別所述電機的故障情況。
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)的至少三個不同徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上進行多次振動測量； -基于所述多次振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；以及 -基于所述多次振動測量來確定所述第一振動頻率的振動的模態(tài)振型。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，當(dāng)在所述第一振動頻率處的振幅超過預(yù)定閾值時，識別故障情況。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -利用機器的 第一負載和第二負載進行振動測量； -在所述第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及-使用所述第一振動頻率、所述模態(tài)振型和所述振幅的差異的組合來識別電機的故障情況。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，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)利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(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)利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(zhuǎn)子動態(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=電機的旋轉(zhuǎn)頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對數(shù)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來確定轉(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=定子極對數(shù)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基于所述第一振動頻率f和所述模態(tài)振型m滿足以下條件中之一來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: -利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量，所述第一負載小于所述第二負載； -在所述第一振動頻率處利用所述第一負載和所述第二負載來確定振幅的差異；以及-基于以下來確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負載增大而増大，以及振幅的增大超過預(yù)定閾值。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述電機是感應(yīng)電機。
12.ー種用于識別具有轉(zhuǎn)子和定子(30)的電機中的故障的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)包括: 第一傳感器，被配置為在所述定子(30)的第一徑向上測量振動； 第二傳感器，被配置為在所述定子(30)的第二徑向上測量振動； 處理器(80)，接收來自所述第一傳感器和所述第二傳感器的測量信號，所述處理器(80)包括第一算法(90)，用于從所述測量信號檢測第一振動頻率和所述第一振動頻率的振動的模態(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頻率和所述模態(tài)振型的組合識別電機的故障情況。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測系統(tǒng)包括多個傳感器，該多個傳感器被配置為在所述定子(30)的至少三個徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上測量振動，以及所述處理器(80)接收來自所述多個傳感器的測量信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述傳感器是加速度計(20)。
15.ー種包括根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的監(jiān)測系統(tǒng)的感應(yīng)電機。
【文檔編號】G01H1/00GK103608652SQ201280030679
【公開日】2014年2月26日 申請日期: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 申請人:Abb研究公司