電機中磁性元件的振動監視的製作方法

2023-09-22 00:30:10 1

專利名稱：電機中磁性元件的振動監視的製作方法
技術領域：
本發明涉及諸如發電機或電動機的電機領域。
背景技術：
在一些電機中，其繞組被容納在芯槽中，並且該芯槽的開口由所謂的槽楔封閉。該槽楔可以是有磁性的或非磁性的。磁性槽楔具有一定的被設計為提供預期功能的磁性。例如，分別被配置的磁性槽楔用於減少磁芯損耗、振動、曲折轉矩(zigzag torque)和磁化電流。磁性槽楔特別用在感應電機中。然而，磁性槽楔承受高磁力和高熱循環。結果，磁性槽楔會變松，因而會移位或者甚至從芯槽中脫出。結果，繞組絕緣不再受到任何保護，隨時間變壞，最後導致短路。這種短路可能產生高脈動轉矩，該高脈動轉矩可損壞電機的某些部件。為了克服以上問題，已知的方案是使用非磁性槽楔。鑑於上述情況，需要一種改進的技術，其能夠提供基本上避免或至少減少上述問題中一個或多個問題的電機。

發明內容
這一需求可通過獨立權利要求的主題得以實現。本申請公開主題的有利實施例通過各從屬權利要求進行描述。根據本發明的第一方面，提供了一種電機，其包括能相對於彼此運動的兩個活動元件，其中，所述活動元件中的一個活動元件形成了所述電機的定子，所述活動元件中的另一個活動元件形成了所述電機的轉子。磁性元件被附接到所述活動元件之一。所述磁性元件在所述電機的操作期間與所述電機中的磁通量相互作用。進一步地，根據第一方面的電機包括用於測量所述電機的振動量的傳感器。仍進一步地，所述電機包括控制單元，以用於根據所測振動量檢測所述磁性元件的位移。本發明的該方面基於下述思想移位的磁性元件改變所述電機中的磁阻分布，並因而改變由電機內的磁力造成的振動。因而，通過測量所述電機的振動量，能夠檢測所述磁性元件的位移。應理解，儘管在第一方面中提到一個磁性元件，當然，兩個或多個磁性元件，並且通常是多個磁性元件被提供在所述電機中。根據一個實施例，術語「磁性」包括「由磁活性物質製成」或者，「由高導磁材料製成」，只是為了列舉一些示例。一般地，在此，術語「與電機中的磁通量相互作用的磁性元件」包括下述實施例，其中，磁性元件被配置和/或定位在所述電機中，其中該磁性元件對所述電機中的磁通量具有一定影響。在一些示例性實施例中，「與磁通量相互作用」包括調節所述電機中的磁通量、 增大所述電機中的磁通量、優化所述電機中的磁通量等等。根據進一步的實施例，所述傳感器為用於測量所述電機的加速度的加速度計。例如，根據一個實施例，所述轉子圍繞旋轉軸線旋轉，並且所述傳感器被提供以測量沿與所述旋轉軸向形成角度的方向的加速度，其中該角度不同於零度。例如，根據一個實施例，所述傳感器可被提供以測量所述電機的徑向振動。根據進一步的實施例，所述電機包括所述活動元件之間的氣隙，並且所述磁性元件被定位成面向所述氣隙。這種實施例的示例為，磁性元件被提供成所述電機的磁性槽楔的形式。根據其他實施例，在此提到的所述磁性元件可以是所述電機的任一其他磁性元件。根據進一步的實施例，所述活動元件中的所述磁性元件與其附接的那個活動元件包括繞組，並且這個磁性元件位於所述繞組與所述氣隙之間，由此形成一個實施例中的槽楔。這種構造可導致改進的效率，例如導致所述電機的減少的磁芯損耗。根據進一步的實施例，所述傳感器被配置成用於測量對於多個頻率的所述振動量，以提供所述振動量的波譜。根據這種實施例，根據進一步的實施例，所述控制單元被配置成用於監視所述波譜的至少一部分，並用於當所述振動量在預定區間外時確定所述磁性元件的位移。例如，根據一個實施例，所述預定區間具有上限和下限，並且所述控制單元被配置成用於確定所述磁性元件在當所述振動量低於所述預定區間的所述下限和/或所述振動量高於所述預定區間的所述上限時是否被移位。根據進一步的實施例，所述預定區間為半開區間，並僅包括單個界限。例如，根據一個實施例，所述預定區間包括上限，並且所述控制單元被配置成用於確定所述磁性元件在當所測振動量高於所述預定區間的所述上限時是否被移位。進一步地，根據進一步的實施例，所述控制單元被配置成用於確定所述磁性元件在當所述振動量低於預定半開區間的下限時是否被移位。應理解，所述預定區間可根據所述振動量的性質進行選擇。進一步地，所述預定區間可在操作所述電機之前，例如在製造所述電機期間被設定。根據其他實施例，所述預定區間在操作所述電機期間例如基於所述電機的操作參數和/或基於所述電機的所測振動量而被確定。根據一個實施例，所述振動量是所述電機的機械振動的平均振幅。根據另一實施例，所述振動量為所述電機的機械振動的峰值振幅。根據進一步的實施例，所述振動量為所述電機的機械振動的頻率。所述電機的其他振動量也是可以預期的。例如，在本發明的某種意義上來說，也可將電或磁振動或者電或磁振動的參數用作振動量，而不用確定電機的機械振動。根據本申請公開主題的第二方面，提供了一種用於檢測電機的磁性元件位移的方法，其中所述電機包括能相對於彼此運動的兩個活動元件，且其中所述活動元件中的一個活動元件形成了所述電機的定子，所述活動元件中的另一個活動元件形成了所述電機的轉子。其位移待檢測的磁性元件被附接到所述活動元件之一。根據第二方面的方法包括測量所述電機的振動量，並基於所測振動量確定所述磁性元件的位移。根據本申請公開主題的第三方面，提供一種用於操作電機的控制單元的方法，該方法包括接收表示所述電機的振動量的輸入信號，響應所述輸入信號檢測所述電機的磁性元件的位移，並響應所述磁性元件的所測位移提供輸出信號。根據本申請公開主題的第四方面，提供一種用於處理輸入信號的電腦程式，該輸入信號表示電機的振動量。當所述電腦程式由數據處理器執行時適於控制根據第三方面或其實施例所述的方法。
如在此使用，參照計算機意在等同於參照程序單元和/或計算機可讀介質，該程序單元和/或計算機可讀介質包含用於控制計算機系統的指令，用於協調根據第三方面或其實施例所述方法的性能。電腦程式通過使用任一合適的程式語言，例如JAVA、C++可被實現為計算機可讀指令碼，並可被存儲在計算機可讀介質(可移動磁碟、易失或非易失性存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)。指令碼可操作用於對計算機或任一其他可編程設備進行編程，以實現預期功能。電腦程式可通過網絡，例如全球資訊網獲得，從網絡上可下載該電腦程式。本發明可通過電腦程式或軟體實現。然而，本發明還可通過一個或多個專用電路或硬體實現。而且，本發明還可實現成混合形式，即軟體模塊和硬體模塊的組合。在下文中，將參照一種電機、一種用於檢測電機的磁性元件的位移的方法以及一種用於操作控制單元的方法來描述本申請公開主題的各示例性實施例。應指明，當然，與本申請公開主題的不同方面相關的任一組合也是可以的。特別地，一些實施例參照設備類型權利要求進行描述，而其他實施例參照方法類型權利要求進行描述。然而，技術人員根據以上並根據以下描述應獲悉，除非另有說明，除了屬於一個方面的各特徵的任一組合之外，另外，與不同方面或實施例有關的各特徵之間的任一組合，例如甚至設備類型權利要求的各特徵與方法類型權利要求的各特徵之間的任一組合，被視為通過本申請而公開。本發明上文中限定的各方面和各實施例以及進一步的各方面和各實施例根據待在下文中描述的示例是顯而易見的，並參照附圖進行解釋，但本發明並不限於此。


圖1示意性地示出了根據本申請公開主題的實施例的電機的橫截面圖。圖2示出了根據本申請公開主題的具有和不具有移位磁性元件的電機的速度譜。圖3A示出了針對不同空間順序和頻率的氣隙徑向力的傅立葉變換，其中對於所有槽楔均就位的電機，主激勵線已被消隱。圖;3B示出了與圖3A的波譜類似的波譜，其中已從電機中移除了一個磁性槽楔。圖4示出了用於根據本申請公開主題實施例的方法的數據流程圖。
具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。應指出，在不同附圖中，類似或相同的元件提供有相同的附圖標記，或者所提供的附圖標記僅在第一位數字或附加字母與相應附圖標記不同。圖1部分地示出了根據本申請公開主題的實施例的電機100的橫截面圖。電機 100包括兩個活動元件，即定子形式的第一活動元件102和轉子形式的第二活動元件104。 轉子104相對於定子102可動，如箭頭106所示。應指出，儘管轉子被圖示為具有平坦表面 108，但這僅是為了便於圖示。通常，總體上看，轉子104具有曲線形或大致圓形的表面108。 同樣地，定子102也具有曲線形內表面110，其在圖1中也被圖示為平坦表面。在定子102與轉子104之間的為氣隙，在圖1中以112圖示。因而，轉子104的表面108和定子102的表面110彼此面對，並且也都面對著氣隙112。根據一個圖示實施例，定子包括附接到定子的磁性元件114。根據一個實施例，如圖1所示，定子進一步包括槽116， 該槽116具有電機的位於該槽中的繞組118。進一步位於繞組118與磁性元件114之間的是中間元件120。根據圖1中所示的實施例，磁性元件114位於繞組118與氣隙112之間。因而，磁性元件114面對氣隙，並且根據進一步的實施例，磁性元件114封閉槽116並由此保護繞組 118。進一步地，通過提供具有合適磁性的磁性元件114，其在一些實施例在也被稱為磁性槽楔，能夠減少電機的磁芯損耗。根據本申請公開主題的實施例，電機100進一步包括用於測量電機的振動量的傳感器122。根據圖1中所示的實施例，傳感器為用於測量電機100的加速度的加速度計。由傳感器122測量的加速度例如可歸因於電機的振動。如果缺失磁性元件114， 則出現電機的這種(額外)加速度/振動。使磁性元件114變松改變沿氣隙的磁組分布，因此改變通量密度的諧波含量以及徑向磁性振動的諧波含量。通過這種方式，外部加速度計 122因此能夠用於檢測振動的諧波含量的這種變化。根據本申請公開主題的進一步的實施例，電機100進一步包括控制單元124，用於根據由傳感器122測量到的所測振動量檢測磁性元件114的位移或移除，並響應該檢測輸出輸出信號125。例如，根據一個實施例，控制單元IM被配置為通過電機100的振動波譜測量缺失的磁性元件114 (磁性槽楔)。控制單元例如可以基於軟體，即被提供成在一個或多個處理器上運行的電腦程式形式。根據其他實施例，控制單元1 基於硬體，並被提供成分立電路的形式。根據一個實施例，(有線與無線)通信連接1 被提供在傳感器122與控制單元124 之間，從而用於這些實體各自的通信。圖2示出了兩個電機的模擬振動波譜，其中一個電機是所有磁性槽楔均就位的標準電機，而另一個電機是去除了一個磁性槽楔的相同電機。標準電機的振動波譜在圖2中以130表示，而缺失了一個磁性槽楔的電機的振動波譜在圖2中以132表示。從圖2中可清楚看出，轉子槽通過頻率的諧波倍數的振動幅度(在圖2中由圓134的區域中的峰值表示)明顯受缺失槽楔的影響。在模擬示例中，缺失槽楔導致速度增大大約15 dB。缺失的磁性槽楔導致速度增大所適用的頻率根據電機100的電參數被很好地限定。在圖2中，以dB 為單位的速度水平V和頻率f以任意單位給出。代替圖2中所示的速度譜或額外地，根據一個實施例，氣隙徑向力或其傅立葉變換可用作用於檢測鬆動槽楔的振動量。圖3A示出了作為頻率f和振動m的空間順序的函數的麥克斯韋力F的徑向分量。 特別地，圖3A示出了如果在電機中存在所有槽楔時的力F的波譜，而圖:3B示出了同一電機的但其中一個槽楔缺失時力F的波譜。進一步地，為了凸顯本申請公開主題的結果，在圖3A 和在圖:3B中已對空間順序和頻率的主激勵線進行了消隱。如圖3A所示，缺失槽楔明顯導致更大幅度的力，並因而導致更大的振動幅度，從而導致圖3B中在以136標示的範圍內力F的相應峰值。如根據圖2、圖3A和圖;3B可見，已移除的單個槽楔產生電機的振動中的可檢測變化並還產生開槽諧波中的可視變化。應指出，通常不必檢測哪一個槽楔缺失，而是應該檢測是否有任何一個槽楔缺失，這是因為缺失槽楔的可靠檢測允許電機的操作者在線圈(繞組) 中發生線圈絕緣磨損和短路之前用槽楔將電機重新楔住。本領域技術人員將認識到，當然，電機的任何振動量、這種電量、磁量或機械量可用於檢測電機的移位磁性元件。只是為了給出一些示例，在本申請公開主題後面的一些示例性實施例中，描述了如何根據所測振動量來檢測缺失的槽楔。根據一個實施例，傳感器，例如圖1中的傳感器122，被配置為用於測量對於多個頻率的振動量，從而提供值得考慮的振動量的波譜。如已關於圖2所述，這種振動量可以是電機的速度，其可由外部加速度計測量。進一步地，根據一個相應實施例，控制單元被配置為監視波譜的至少一部分。例如，控制單元可被配置為監視一個頻率範圍，如果磁性元件例如磁性槽楔114被移除的話，則預期可在該頻率範圍中存在振動量的可檢測變化。例如，在圖2中所示的實施例中，這種頻率範圍將位於以134標示的峰值區域中。選擇波譜的所述部分可被預選確定或者在電機的操作期間被執行。進一步地，可提供預定區間，用於確定電機的磁性元件是否被移位。例如，可在電機操作期間監視圖2中以134標示的峰值的峰值高度隨時間變化的情況。於是，根據一個實施例，提供固定的預定區間，並且，只要峰值高度在預定區間內，則電機的所有槽楔被視為到位。然而，控制單元可被配置為，如果峰值高度針對值得考慮的振動量在預定區間外，則控制單元提供表示鬆動槽楔的輸出信號。代替使用預定、靜態預定區間，任何其他合適的算法可用於檢測磁性元件的位移。 例如，根據另一實施例，可監視操作期間振動量的波譜中特定峰值的峰值高度隨時間變化的情況，並且，峰值高度的突然變化可觸發控制單元，從而用於提供表示磁性元件的位移的輸出信號。其他控制策略也是預期的並且完全落入本申請公開主題的範圍內。圖4示出了檢測電機(例如圖1所示電機100)中的缺失槽楔的流程圖。如圖4所示，根據一個實施例，提供以222表示的徑向加速度計。該加速度計提供表示電機的振動量的輸出信號223。通過例如可在控制單元，例如圖1的控制單元IM中執行的數據採集和處理，根據徑向加速度計222提供的輸入信號223獲得振動波譜。振動波譜在圖4中以2 表示。通過線跟蹤和數據分析(在圖4中以238表示)，獲得由徑向加速度計222測量的表示振動量的某種量。這個表示振動的量240隨時間發展的情況被示於圖4的曲線圖242 中。進一步示出的是具有下限246和上限M8的預定區間M4。如果所測的量240高於上限248或者低於下限M6，則控制單元確定電機的至少一個槽楔，或者更一般地，電機的至少一個磁性元件，是否被移位。基於導出量240和預定區間M4的這種檢測過程在圖4中以250表示。儘管在以上實施例中，磁性槽楔已作為根據本申請公開主題的磁性元件的示例進行描述，本領域技術人員會容易地認識到，通過類似方式可確定和檢測電機的任一其他磁性元件的位移。進一步地，根據其他實施例，多個磁性元件被提供在轉子處，和/或多個磁性元件被提供在定子處。根據本申請公開主題的進一步實施例，控制單元的任一部件，例如整個控制單元 124，被提供成相應電腦程式產品的形式，該電腦程式產品使處理器能夠提供本文公開的控制單元的功能。根據其他實施例，控制單元的任一部件可被提供成硬體形式。根據其他混合實施例，一些部件可被提供成軟體形式，而其他部件可被提供成硬體形式。進一步地， 應注意，可為本文公開的每種功能提供一個分離部件(例如模塊)。根據其他實施例，至少一個部件(例如模塊)被配置成用於提供本文公開的兩種或更多功能。應指出，術語「包括」並不排除其他元件或步驟，「一」或「一個」並不排除多個。而且，結合不同實施例描述的各元件可進行組合。還應指出，權利要求中的附圖標記不應被理解成限制權利要求的範圍。為了概括本申請公開主題的上文所述實施例，可規定
電機被描述成包括兩個活動元件，其中第一活動元件為電機的定子，另一活動元件為電機的轉子。附接到活動元件之一的是在操作期間與電機中的磁通量相互作用的磁性元件。進一步地，傳感器被提供用於測量電機的振動量，並且控制單元被配置成用於根據所測振動量檢測磁性元件的位移。電機可以是發電機或電動機。
權利要求
1.一種電機(100)，包括相對於彼此可動的兩個活動元件(102、104)，所述活動元件中的一個活動元件形成了所述電機(100)的定子(102)，所述活動元件中的另一個活動元件形成了所述電機的轉子 (104)；附接到所述活動元件之一的磁性元件(114)，所述磁性元件(114)與所述電機(100)中的磁通量相互作用；傳感器(122)，用於測量所述電機(100)的振動量；以及控制單元(14)，用於根據所測振動量檢測所述磁性元件(114)的位移。
2.根據權利要求1所述的電機，進一步包括 所述活動元件(102、104)之間的氣隙(112)；而且所述磁性元件(114 )面向所述氣隙(112 )。
3.根據權利要求2所述的電機，其中所述活動元件中的所述一個活動元件(102)包括繞組(118)；而且所述磁性元件(114)位於所述繞組(118)與所述氣隙(112 )之間。
4.根據前述權利要求之一所述的電機，其中所述傳感器(122)被配置成用於測量對於多個頻率的所述振動量，以提供所述振動量的波譜(130、132)；而且所述控制單元(124)被配置成用於， 監視所述波譜(130、132)的至少一部分；以及當所述振動量處於預定區間(244)外時，確定所述磁性元件(114)的所述位移。
5.根據前述權利要求之一所述的電機，其中所述傳感器(114)是用於測量所述電機(100)的加速度的加速度計。
6.一種用於操作電機(100)控制單元(IM)的方法，所述方法包括 接收表示所述電機(100)的振動量的輸入信號(223)；響應所述輸入信號(223)，確定所述電機(100)的磁性元件(114)的位移(250)；以及響應所述磁性元件(114)的所測位移提供輸出信號(125)。
7.一種用於處理傳感器(122 )的輸入信號(223 )的電腦程式，所述輸入信號(223 )表示電機(100)的振動量，並且，所述電腦程式由數據處理器執行時適於控制權利要求6所述的方法。
全文摘要
本發明涉及電機中磁性元件的振動監視。具體地，提供了一種電機，其包括兩個活動元件，其中第一活動元件為電機的定子，另一活動元件為電機的轉子。附接到活動元件之一的是在操作期間與電機中的磁通量相互作用的磁性元件。進一步地，傳感器被提供用於測量電機的振動量，控制單元被配置用於根據所測振動量檢測磁性元件的位移。電機可以是發電機或電動機。
文檔編號H02K11/00GK102195410SQ20111004960
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月2日 優先權日2010年3月2日
發明者莫爾加爾德 A., L. 貝斯納賴斯 J., 安德森 K. 申請人:西門子公司