一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统。

背景技术

煤炭行业是我国重要的能源产业，伴随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，结合国家“智慧化矿山建设”实施纲要，对现代矿山设备自动化、智能化的要求进一步提高。目前，矿用隔爆型兼本质安全型变频器和驱动电机被广泛应用于矿山自动化领域，而在实际煤矿井下应用现场，一般会将电机与变频器分开设置，有的场合电机距离变频器数百米远，过长的电缆不仅会使成本增加，而且易产生射频干扰信号影响系统中其他设备正常工作，另外，长距离变频供电会造成电机端电压尖峰过大引起电机绝缘老化甚至击穿从而损坏电机。鉴于以上问题的存在，越来越多的井下现场采用永磁直驱变频电机一体机进行日常生产任务。这样虽然能够有效改善设备性能，节省井下空间，但往往需要安装于机械传动机构工作面配合使用，这样的现场工作环境往往比较恶劣，不利于现场工作人员对设备的工作状态进行实时监测，因此，如何及时、准确了解永磁直驱变频电机一体机的工作状态，保证生产过程高效、安全、稳定显得尤为重要。

针对永磁直驱变频电机一体机，现有的检测方式一般使用自身的变频部分硬件电路，通过自身的电流互感器进行电流采样，通过预埋入电机定子绕组的PT100等测温元件检测电机的温度信号，将采集到的各种信号通过电缆线传输到变频器进行就地显示，同时再通过485通信由变频器传送给上位机进行监测。该方式虽然也能够完成对永磁直驱变频电机一体机的状态进行实时监测，但存在一定的局限性。首先，各类电信号借助自身变频部分的硬件电路采样、处理、通信会挤占变频器控制器的内部资源，不利于变频器驱动性能的发挥；其次，现场环境恶劣，永磁直驱变频电机一体机与上位机进行长距离通信时，干扰问题严重，导致传输到上位机的信号不稳定，显示不准确，无法正确显示设备的实际状态，对工作人员产生误导，从而影响设备正常工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提出的一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统，包括光纤温度传感器、光纤振动传感器、永磁直驱变频电机一体机、光纤光栅解调仪、传输光纤、控制系统，所述光纤温度传感器与光纤振动传感器均固定安装在永磁直驱变频电机一体机的外壁上，所述光纤温度传感器与光纤振动传感器输出端均与光纤光栅解调仪输入端电性连接，所述光纤光栅解调仪的输出端与控制系统的输入端电性连接。

优选的，所述光纤温度传感器、光纤振动传感器的输出端均通过传输光纤与光纤光栅解调仪输入端连接。

优选的，所述光纤振动传感器包括光纤光栅应力传感器和永磁体，所述光纤光栅应力传感器的一端固定连接在光纤振动传感器外壳的内壁，所述光纤光栅应力传感器的另一端与永磁体连接并形成自由端。

优选的，所述光纤振动传感器固定安装在永磁直驱变频电机一体机的永磁体、转轴以及壳体的底座上。

优选的，所述光纤温度传感器固定安装在固定安装在永磁直驱变频电机一体机的三相绕组以及两侧的轴承上。

优选的，所述光纤温度传感器通过环氧树脂固定连接在永磁直驱变频电机一体机定子绕组的外壁表面。

优选的，所述光纤温度传感器的外壁套设有保护罩。

优选的，所述保护罩的侧壁设有透明观察口。

优选的，所述光纤温度传感器与永磁直驱变频电机一体机之间的接触表面设有导热硅脂。

与现有技术相比，本发明提供了一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统，具备以下有益效果：

1、该永磁直驱变频电机一体机状态监测系统，光纤温度传感器与光纤振动传感器均采用光纤作为传感端，光纤作为无源器件，具有不受电磁干扰、检测灵敏度高等优势，光纤传输实时性好，稳定性高。

2、该永磁直驱变频电机一体机状态监测系统，通过光纤温度传感器与光纤振动传感器对永磁直驱变频电机一体机的温度、振动等不同变量进行检测，除具有光纤光栅解调仪设计简单外，还具有光纤温度传感器与光纤振动传感器的本质安全、可靠、电绝缘性能优良、探头形式灵活、小型化、便于远程操作和系统联网特色外，又有光纤光栅检测重复性好，稳定性高，可绝对测量，抗传输光强波动起伏能力强，可准分布式传感，便于复用技术的开发等优点。

附图说明

图1为本发明提出的一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统的结构示意图；

图2为本发明提出的一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统的电连接关系示意图；

图3为本发明提出的一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统的工作流程图。

图中：1、光纤温度传感器；2、光纤振动传感器；3、永磁直驱变频电机一体机；4、传输光纤；5、光纤光栅解调仪；6、控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

参照图1-3，一种永磁直驱变频电机一体机状态监测系统，包括光纤温度传感器1、光纤振动传感器2、永磁直驱变频电机一体机3、光纤光栅解调仪5、传输光纤4、控制系统6，光纤温度传感器1与光纤振动传感器2均固定安装在永磁直驱变频电机一体机3的外壁上，光纤温度传感器1与光纤振动传感器2输出端均与光纤光栅解调仪5输入端电性连接，光纤光栅解调仪5的输出端与控制系统6的输入端电性连接，在工作中，由光纤温度传感器1与光纤振动传感器2测得的光信号通过传输光纤4传输到远离现场的光纤光栅解调仪5，经光纤光栅解调仪5通讯送入控制系统6，由控制系统6中的数据处理系统进行参数处理，由控制系统6的控制机构对数据参数进行对比，根据对比结果进行不同的控制工艺，其中控制系统6中包含数据处理、显示以及控制，传输光纤4将光信号传输到光电模块内转换成电信号，数据处理系统是处理光电模块转换成的电信号，并在数据显示系统中显示。

光纤温度传感器1、光纤振动传感器2的输出端均通过传输光纤4与光纤光栅解调仪5输入端连接，传输光纤4作为无源器件，具有不受电磁干扰、检测灵敏度高等优势，并且实时性好，稳定性高。

光纤振动传感器2包括光纤光栅应力传感器和永磁体，光纤光栅应力传感器的一端固定连接在光纤振动传感器2外壳的内壁，光纤光栅应力传感器的另一端与永磁体连接并形成自由端。

光纤振动传感器2固定安装在永磁直驱变频电机一体机3的永磁体、转轴以及壳体的底座上，用于检测永磁直驱变频电机一体机3以及内部永磁体与转轴的震动情况。

光纤温度传感器1固定安装在固定安装在永磁直驱变频电机一体机3的三相绕组以及两侧的轴承上，用于分布式测量永磁直驱变频电机一体机3三相绕组以及转轴轴承上的运行温度。

光纤温度传感器1通过环氧树脂固定连接在永磁直驱变频电机一体机3定子绕组的外壁表面。

光纤温度传感器1的外壁套设有保护罩，可以有效保护光纤温度传感器1不受外界因素影响。

保护罩的侧壁设有透明观察口，保护罩上的透明观察口可以方便的查看光纤温度传感器1是否损坏。

光纤温度传感器1与永磁直驱变频电机一体机3之间的接触表面设有导热硅脂，导热硅脂可以使光纤温度传感器1与永磁直驱变频电机一体机3之间的导热性能更好，提升光纤温度传感器1的检测精度。

工作原理：本发明中，光纤光栅采用紫外线干涉条纹照射一段裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，根据光纤光栅的耦合模理论，称光纤周期较短的光栅为Bragg光栅，其基本特性表现为一个反射式的光学滤波器。当宽频的讯号通过光栅时，光栅能把满足Bragg条件的入射光反射，其他波长的光则通过。反射峰值波长称为Bragg波长λ

公式确定了光纤光栅Bragg波长与光栅周期和反向耦合模的有效折射率的关系，在理论上给出了解释光纤光栅在外部环境光纤光栅传感响应：即光纤光栅Bragg波长的漂移是由外界作用使得光栅周期和反向耦合模的有效折射率这两个参量的改变所引起的，从而通过检测光纤光栅Bragg波长的漂移量，就测量出外界情况的变化。

通过一定的封装设计，使外界温度的变化导致n

式中α为光纤的热膨胀系数，ε为光纤的热光系数。检测出反射光中心波长λ

基于光纤光栅应力传感技术的永磁直驱变频电机一体机振动检测的工作原理为：

应用永磁体与转轴之间的磁力与距离有关的特性，采用永磁体与光纤光栅应力传感器连接构成的振动探头，将光纤光栅应力传感器一端固定，另一端与永磁体连接形成自由端，当出现转子动平衡不好、轴承不良、转轴弯曲、转子不同轴等情况时，电机转动发生振动，永磁体与转轴之间的磁力随着两者间距离而变化，导致光纤光栅发生轴向应变，使光纤光栅的反射光中心波长发生变化。电机转动发生振动使永磁体与转轴之间的距离随时间的改变呈现周期性的变化，该距离信号的变化幅度反应转轴的振动幅度，由此可检测到一体机的振动数据。同样的道理，光纤振动传感器2也可安装在壳体的底座位置，用来检测整台一体机的振动状况。

如图所示，将光纤温度传感器1、光纤振动传感器2安装到永磁直驱变频电机一体机3的内部，光纤温度传感器1包含三相绕组温度传感器及两侧轴承温度传感器，光纤振动传感器2包含永磁直驱变频电机一体机3内部永磁体与转轴的光纤振动传感器2及壳体外部的光纤振动传感器2，因每个光纤温度传感器1与光纤振动传感器2的波长数据都是唯一的，波长根据不同传感器所占用的波长宽度不同，故每个光纤温度传感器1与光纤振动传感器2均可串联连接，使用一根传输光纤4连接到光纤光栅解调仪5，光纤光栅解调仪5再与控制系统6连接进行通讯，由控制系统6读取对应波长数据，根据各光纤温度传感器1与光纤振动传感器2的波长与温度、振动的对应公式，计算得出对应温度值及振动值，本发明利用了光纤的波长变化规律及应变力变化规律，从而实现测量永磁直驱变频电机一体机3温度、振动的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。