用于电机的健康监测器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月6日提交的No.16/055,846美国非临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本发明的领域总体上涉及一种用于电机的健康监测器，更具体地，涉及一种健康监测电路，其测量电动机或发电机的定子电流，并从定子电流产生的电磁场中收获/获取能量。

背景技术

至少一些电机包括加速度计和温度传感器，以周期性地测量例如电机周围的振动和环境温度。这种测量对于确定电机随时间流逝的磨损量以及电机的总体健康状况是有用的。一些电机包括测量振动的压电加速度计。一些电机包括嵌入电机电路中的电阻式温度传感器(RTD)，以监控温度。这种传感器可以集成到电机及其壳体中，并且通常由电池供电或者独立于电机本身供电。一些电机(例如电子换向电机)包括集成到控制器(例如，电机控制器)上的电流传感器，用于测量定子电流以正确运行电机。其他电机(例如感应电机)不需要测量定子电流来运行。由传感器收集的数据可以被使用并且本地存储在电机上、更具体地存储在集成在壳体内的存储设备上。或者，由传感器收集的数据可以使用有线或无线通信装置传输到远程存储设备，例如大容量存储设备或云服务器。然而，希望提高电机健康数据的保真度(fidelity)而不需要复杂的改装费用。

发明内容

一方面，用于电机的健康监测电路包括多个传感器、整流器、存储设备和微处理器。多个传感器包括电流互感器，该电流互感器被配置为电磁耦合到向电机的定子绕组馈电的电导体。整流器耦合到电流互感器，并被配置为将电流互感器产生的交流(AC)信号转换成直流(DC)信号，以向健康监测电路供电。微处理器耦合到存储设备和多个传感器。微处理器被配置成周期性地从电流互感器收集定子电流测量值，并将定子电流测量值写入存储设备。

在另一方面，电机包括转子、定子绕组和健康监测电路。转子被配置成相对于定子绕组转动。定子绕组被配置为响应于由定子绕组传导的定子电流而电磁耦合到转子。健康监测电路包括多个传感器、整流器、存储设备和微处理器。多个传感器包括电流互感器，该电流互感器被配置为电磁耦合到向定子绕组馈电的电导体。整流器耦合到电流互感器，并被配置成将电流互感器产生的交流信号转换成直流信号，以向健康监测电路供电。微处理器耦合到存储设备和多个传感器。微处理器被配置成周期性地从电流互感器收集定子电流测量值，并将定子电流测量值写入存储设备。

在又一方面，一种监测电机健康的方法包括通过电机的定子绕组传导定子电流。该方法包括将电流互感器电磁耦合到定子绕组。该方法包括将电流互感器的次级绕组中感应的电流整流成直流信号，并将直流信号提供给健康监测电路的部件。该方法包括由微处理器基于次级绕组中感应的电流周期性地从电流互感器收集定子电流测量值。

附图说明

图1是具有健康监测电路的示例电机的框图；

图2是用于图1所示电机的健康监测电路的示意图；和

图3是监测电机健康的示例方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的健康监测电路的实施例提供了电机健康数据的改善的保真度，而没有复杂改装的费用。更具体地，本文描述的健康监测电路包括用于检测电机的运行参数和环境条件的多个传感器，包括电流互感器。例如，电流互感器能够实现定子电流测量和能量收集，以向健康监测电路本身供电。运行参数和环境条件(例如，环境温度、环境湿度、大气压力和加速度)与定子电流测量值的组合使得能够改善对电机所经历的电气和机械退化或“磨损”的分析和监测，并且还能够推断出与电机联接并由电机驱动的机械负载的健康状况的各个方面(对于电动机而言)，或者与转子联接并使转子转动的机器的健康状况的各个方面(对于发电机而言)。由电流互感器中的定子电流感应的电流可以被整流并直接施加给健康监测电路的部件，或者施加给至少向健康监测电路供电的能量存储装置。本文所述的健康监测电路还可包括电压调节和配电电路，用于产生电力并向健康监测电路的各部件供电。本文描述的健康监测电路还可以包括电流感测电路，该电流感测电路能够周期性地收集和存储由微处理器或其他合适的处理设备控制的定子电流测量值(以及运行参数和环境条件的其他测量值)。本文描述的健康监测电路还可包括用于将测量结果传送给远程设备的通信接口，远程设备例如是系统控制器或其他合适的计算系统。这种通信接口可包括一个或多个有线通信信道或无线通信信道。

图1是具有健康监测电路102的示例电机100的框图。电机100被图示为包括转子104和定子106的电动机。转子104被配置成联接到机械负载108。机械负载108可包括例如可旋转负载，例如风扇、轮、鼓风机、叶轮、压缩机、飞轮、变速器或曲轴等。机械负载108还可包括线性负载，例如螺线管或线性致动器等。在替代实施例中，转子104被配置成联接到使转子104转动的机器，以将电机100作为发电机运行。这种机器可包括内燃机、燃气轮机、风力轮机、蒸汽轮机或用于转动转子104的任何其他合适的机器。再次参考图1的实施例，其中电机100是电动机，定子106通常包括一个或多个定子绕组(未示出)，当被通电并传导定子电流时，定子绕组电磁耦合到转子104，并导致转子104相对于定子106绕纵向轴线转动。

电机100由交流电源110提供交流电。交流电源110可包括例如电网、柴油发电机、风力发电机或涡轮发电机，或者任何其他合适的交流电源。替代地，交流电源110可替换地包括一个或多个直流电源，该直流电源的输出在被提供给电机100之前被转换或“逆变”为交流电力。在某些实施例中，来自交流电源110的交流电力可以直接施加到定子106。在替代实施例中，电机100可以被供应交流或直流电力，该交流或直流电力由电机100自身适当地转换成交流和/或直流。为此，尤其电机100的一些实施例包括电机控制器112。在其他实施例中，可以省去电机控制器112。

电机控制器112通常包括一个或多个处理器、一个或多个存储设备和驱动电路(都没有示出)。通常，驱动电路基于从一个或多个处理器接收的控制信号向电机100的定子106供应电力。驱动电路可以包括例如各种电力电子器件，用于调节以期望的电流(即相位和振幅以及频率)提供给电机100的定子绕组的线路频率交流电力。这种功率电子器件例如可以包括但不限于一个或多个整流器级、功率因数校正电路(PFC)、滤波器、瞬态保护电路、电动势保护电路、逆变器或功率半导体。在某些实施例中，电机控制器112可包括通信接口(未示出)。通信接口可包括一个或多个有线或无线硬件接口，例如通用串行总线(USB)、RS232或其他串行总线、CAN总线、以太网、近场通信(NFC)、WiFi、蓝牙或用于在电机控制器112和远程设备114之间建立一个或多个通信信道的任何其他合适的数字或模拟接口。远程设备114可包括系统控制器、智能电话、个人计算机、大容量存储系统、云服务器或任何其他合适的计算系统。通信接口可包括例如到达远程设备114的有线通信信道116或用于与远程设备114建立无线通信信道的天线118。通信接口还包括软件或固件接口，用于接收一个或多个控制参数并将它们写入例如存储器。在某些实施例中，通信接口包括例如软件应用编程接口，用于提供运行电机100的一个或多个参数。

在替代实施例中，通信接口可独立于电机控制器112来设置/实施，使得它服务于电机控制器112和健康监测电路102两者。在另一个替代实施例中，通信接口可以集成到健康监测电路102中。

电机100可包括外壳，转子104和定子106位于该外壳内。电机100还可包括电气壳体或“导管分线匣”，电机100的各种电气部件——例如电机控制器112和健康监测电路102——可位于该电气壳体或“导管分线匣”内。

图2是用于图1所示电机100的健康监测电路102的示意图。图2进一步示出了电机100从交流电源110被供应交流电力，以使电机100、更具体地其转子运转机械负载108。健康监测电路102包括能量存储装置202、整流器204、电压调节器206、通信接口208、多个传感器210、微处理器212、电流感测电路214、存储设备216和电流互感器218。在某些实施例中，存储设备216在微处理器212内部设置，或者设置为微处理器212的部件。在其他实施例中，存储设备216是独立于微处理器212的部件。

能量存储装置202被配置为向健康监测电路102供电。更具体地，就整流器204、电压调节器206、通信接口208、传感器210、微处理器212、电流感测电路214、存储设备216和电流互感器218需要电力来运行而言，这种电力由能量存储装置202提供。能量存储装置202可以包括例如一个或多个电容器。在替代实施例中，能量存储装置可以包括一个或多个电池。在至少一些实施例中，电流互感器218和能量存储装置202不提供健康监测电路102的许多部件所需的精确且稳定的电压。因此，能量存储装置202向电压调节器206提供例如直流电压。在某些实施例中，能量存储装置202被省去，并且电力直接从电流互感器218、整流器204和电压调节器206供应到健康监测电路102。电压调节器206产生稳定的直流电压，该直流电压可被健康监测电路102的各部件使用。例如，在某些实施例中，电压调节器206产生稳定的3.3伏直流供电。可选地，电压调节器206可以产生稳定的5伏直流供电或任何其他合适的调节电压来运行健康监测电路102。电压调节器206在直流总线220或“母线”上提供期望的直流电压，该总线220或“母线”将期望的直流电压传送给健康监测电路102的各个部件。

电流互感器218被配置为电磁耦合到电机100的定子绕组222，电机100可包括一个或多个定子绕组。更具体地，如图2所示，电流互感器218被配置为电磁耦合到电导体224、总线或电线，该电导体224、总线或电线向定子绕组222自身提供或“馈送”定子电流。通过电导体224传导的电流通常被认为是通过定子绕组222本身传导的定子电流。电流互感器218通常包括初级绕组或“线圈”和次级绕组226。出于电流测量的目的，导体(即电导体224)——通过其中的电流被测量——被认为是初级绕组。在某些实施例中，当电流互感器218被“夹持”到电导体224或“初级绕组”上时，初级绕组包括单个“匝”。在替代实施例中，当感应线圈被用作初级绕组时，在使用、测量和解译/转换次级绕组226中感应的电流时，匝数被简单计算(作为初级匝数与次级匝数的比)。

电流互感器218例如通过整流器204耦合到能量存储装置202。当定子电流传导通过定子绕组222时，产生电磁场，该电磁场在次级绕组226中感应出电流，产生交流信号，该交流信号被整流器204接收并转换或整流为直流信号，用于对能量存储装置202充电。在替代实施例中，能量存储装置202被省去，并且由整流器204产生的直流信号被直接提供给健康监测电路202的部件或电压调节器206。除了能够从定子电流产生的电磁场中获取能量之外，感应的交流信号也是可测量的，并且代表定子电流本身的测量。电流感测电路214能够实现对来自电流互感器218的定子电流测量值的周期性轮询或收集。电流感测电路214包括例如放大器、开关和其他电子部件(未示出)，以实现测量值的收集。例如，在某些实施例中，电流感测电路214包括电流感测放大器，该电流感测放大器被配置成检测电流测量电路中的电压，该电压表征次级绕组226中感应的电流。然后，放大器产生并传输模拟定子电流测量信号，该模拟定子电流测量信号表征次级绕组226中感应的电流。另外，电流感测电路214可以包括耦合到电流互感器218的开关，并且当换向时，闭合电流测量电路以能够收集定子电流测量值。开关可以直接或间接耦合到电流互感器218。例如，开关可以通过一个或多个分立的电气元件(例如，电阻、电容、电感等)间接连接。电流测量电路可以包括例如电流感测电阻，电流感测放大器在该电流感测电阻两端检测电压。

电流感测电路214连接到微处理器212。微处理器212包括一个或多个连接到存储设备216的处理设备。存储设备216存储例如计算机可执行指令或程序代码，以及从电流互感器218和其他传感器210收集的测量值。微处理器212通过访问和执行存储在存储设备216中的计算机可执行指令或程序代码来配置。或者，微处理器212可以通过类似地访问存储在只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)或任何其他合适的程序代码存储介质中的程序代码或固件来配置。微处理器212被配置成通过向电流感测电路214内的开关发送控制信号来控制开关，以使开关换向，从而能够收集定子电流测量值。在某些实施例中，微处理器212被配置为生成并传输控制信号，使得以至少选择为供应给定子绕组的定子电流的频率的采样频率对开关进行换向，从而使得能够在供应给定子绕组的交流电力的每个周期收集一次定子电流测量值。例如，在一个实施例中，提供给定子绕组的交流信号可以是50赫兹或60赫兹的公共标准频率。在替代实施例中，微处理器212收集定子电流测量值的采样频率可以大于或小于一次每交流周期。

微处理器212耦合到传感器210，并被配置成周期性地从传感器210收集测量值。在某些实施例中，传感器210可包括环境温度传感器、环境湿度传感器、大气压力传感器或加速度传感器，例如微机电系统三轴加速度计。除了电流互感器218之外，传感器210还可包括一个或多个电流传感器。传感器210可包括用于从电机100收集模拟或数字数据的任何其他类型的传感器或设备。传感器210被配置成监控电机100的或其周围的各种运行参数和环境条件。传感器210可进一步实现对机械负载108的各种运行参数的监控，特别是当与从电流互感器218收集的定子电流测量相结合时。至少一些传感器210可安装在电机100上，或者例如安装在电机控制器112上，并将测量数据传输回微处理器212。

微处理器212耦合到存储设备216，并被配置为将来自电流互感器218和传感器210的测量值写入存储设备216。在某些实施例中，存储设备216是独立于微处理器212的部件。在替代实施例中，存储设备216被实现/设置为微处理器212内的部件。在某些实施例中，微处理器212也耦合到通信接口208。通信接口208可包括一个或多个有线或无线硬件接口，例如通用串行总线(USB)、RS232或其他串行总线、CAN总线、以太网、近场通信(NFC)、WiFi、蓝牙、Xbee、Zigbee、DigiMesh(数字网格)、蜂窝、射频或用于在健康监测电路102和例如远程设备114(如图1所示)之间建立一个或多个通信信道228的任何其他合适的数字或模拟接口。在某些实施例中，通信信道228可以是连续的或持久的通信信道，或者可替换地，是临时的或暂时的通信信道，这些通信信道是在远程设备114处于范围内或可用于与通信接口208连接的情况下建立的。通信接口208可包括例如到远程设备114的有线连接116或用于与远程设备114(全部在图1中示出)建立无线通信信道的天线118。通信接口208还包括软件或固件接口，用于从存储设备216接收一个或多个读取例如测量数据的请求。在某些实施例中，通信接口208可以包括例如用于向存储设备216写入程序代码或从存储设备216读取测量数据的软件应用编程接口(API)。

在某些实施例中，健康监测电路102还可包括备用电池(未示出)，当电机100没有被供电时或者当能量存储装置202、整流器204、电压调节器206或电流互感器218中的任何一个发生故障时，该备用电池向健康监测电路102的各部件供电。

图3是监测电机健康的示例方法300的流程图，所述电机例如是连接到机械负载108的电机100，例如电动机。在替代实施例中，方法300监控发电机的健康状况。方法300包括向电机100的定子绕组222供应310定子电流。通过定子绕组222传导的定子电流、更具体地通过向定子绕组222馈电的电导体224，将电流互感器218电磁耦合320到定子绕组222，更具体地耦合到向定子绕组222馈电的电导体224。定子电流在电流互感器218的次级绕组226中感应出电流。感应电流用于给能量存储装置202充电330。通常为交流信号的感应电流可以被整流成直流信号，该直流信号被提供给能量存储装置202。能量存储装置202然后向电压调节器206提供直流信号，电压调节器206调节供应给健康监测电路102的各部件——包括例如微处理器212、传感器210、通信接口208和存储设备216——的期望直流电压。

基于次级绕组226中感应的电流，微处理器212周期性地从电流互感器218收集340定子电流测量值。微处理器212还周期性地收集来自传感器210的测量值，并将来自传感器210和电流互感器218的测量值写入存储设备216。在某些实施例中，微处理器212通过向电流感测电路214中的开关发送控制信号来周期性地收集340定子电流测量值。开关被换向以闭合电流感测电路中的电流测量电路，该电流感测电路可以包括例如电流感测电阻或其他合适的电流感测设备。方法300可进一步包括检测电流测量电路中的电压，该电压表征次级绕组226中感应的电流。该检测可以由诸如电流感测放大器之类的放大器来执行，该放大器然后将模拟定子电流测量信号传输到微处理器212，该模拟定子电流测量信号表示次级绕组中感应的电流，并且进一步表示通过电导体224和定子绕组222传导的定子电流。

在某些实施例中，微处理器212通过产生控制信号而以至少是供应给定子绕组222的定子电流的频率的采样频率对电流感测电路214内的开关进行换向，从而周期性地收集340定子电流测量值。

这里描述的方法和系统可以使用计算机编程或工程技术来实现，包括计算机软件、固件、硬件或其任意组合或子集，其中技术效果可包括以下至少一个：(a)实现电机上的定子电流测量；(b)能够改造电机以使用电流互感器增加定子电流测量，该电流互感器可“夹持”在定子绕组或向定子绕组馈电的电导体上；(c)能够测量附加运行参数和环境条件，包括环境温度、加速度、环境湿度和大气压力；(d)通过增加采样频率、增加可测量参数以及将测量数据与定子电流测量值相结合，提高数据收集的保真度，以改善健康监测；(e)从能够实现定子电流测量的电流互感器收集能量以给健康监测电路供电；(f)通过存储由电流互感器从定子电流产生的电磁场中获取的能量来实现定子电流的周期性测量，以进一步实现充电和测量的交替周期；以及(g)使电机能够作为传感器运行，用于监控电机所联接的机械负载的运行参数或环境条件。

在前述说明书和随后的权利要求中，引用了许多具有以下含义的术语。

如这里所使用的，以单数形式叙述并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应该被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本公开的“示例性实施方式”或“一种实施方式”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施方式的存在。

“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且描述包括事件发生的情况和不发生的情况。

在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修饰任何定量表示，所述定量表示可允许变化而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”、“近似”和“基本上”等一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里，以及贯穿说明书和权利要求书，范围限制可以组合或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被标识并包括其中包含的所有子范围。

一些实施例涉及使用一个或多个电子处理或计算设备。如这里所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语，例如，“处理设备”、“计算设备”和“控制器”并非仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广义地指处理器、处理设备、控制器、通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、精简指令集计算机(RISC)处理器、现场可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理设备(DSP)、专用集成电路(ASIC)以及能够执行本文描述的功能的其他可编程电路或处理设备，并且这些术语在这里可以互换使用。上述实施例仅是示例，因此不旨在以任何方式限制术语处理器、处理设备和相关术语的定义或含义。

在这里描述的实施例中，存储器可以包括但不限于非暂时性计算机可读介质，例如闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和非易失性随机存取存储器(NVRAM)。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在代表任何有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于易失性和非易失性介质，以及可移动和不可移动介质，例如固件、物理和虚拟存储器、CD-ROM、DVD和任何其他数字源，例如网络或互联网，以及有待开发的数字手段，唯一的例外是暂时性传播信号。或者，也可以使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)或以任何方法或技术实现的任何其他基于计算机的设备，用于信息的短期和长期存储，该信息例如为计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或其他数据。因此，这里描述的方法可以被编码为可执行指令，例如“软件”和“固件”，包含在非暂时性计算机可读介质中。此外，如这里所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。当由处理器执行时，这样的指令使得处理器执行这里描述的方法的至少一部分。

此外，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与操作者接口相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘。或者，也可以使用其他计算机外围设备，包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员界面监视器。

这里描述的系统和方法不限于这里描述的具体实施例，而是，系统的组件和/或方法的步骤可以独立于这里描述的其他组件和/或步骤或者与其他组件和/或步骤分开地使用。

尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。

本书面描述使用示例来提供关于本公开的细节，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。