CN216144922U - 一种电机状态监测传感器及*** - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电机状态监测传感器及***，该电机状态监测传感器，包括主控制器、射频传输模块以及能量采集***，所述主控制器包括用于采集电机数据的数据采集单元、用于处理数据采集单元采集到的电机数据的数据处理单元以及用于接收数据处理单元处理好的数据、与射频传输模块进行数据交互、接收外部命令以及配置***参数的微控制器。通过数据采集单元采集电机运行状态数据，经数据处理单元处理后，由微控制器将数据经由射频传输模块发送给外部进行分析，从而能够精准定位故障、分析故障根因，监测故障劣化趋势，提前预知设备故障，实现电机寿命滚动预测，维修决策从临时、非计划检修转变成计划性维修，减少了非计划停机。

Description

一种电机状态监测传感器及***

技术领域

本实用新型涉及电机监测技术，尤其涉及一种电机状态监测传感器及***。

背景技术

在电机运维中，设备的运转状态监测和预见性维护一直是行业痛点之一。目前制造业成本不断上升、利润空间越来越小，倒逼制造业升级，随着物联网、云计算、工业大数据的技术成熟，通过技术手段分析对设备运行状态进行在线监测和预测设备故障成为可能。将来机器的维护成本降低主要途径是靠预见性维护和共享经济。

目前大部分工业电机都有轴承磨损和不平衡引起的机械故障而造成非预期停产，对企业造成巨大损失，这些设备目前基本靠人工巡检、定期保养和故障维修，存在如下问题：维护人员多、成本高、效率低；无法提前发现故障征兆，只能故障发生后维修，造成停工和损失；故障发生后局部维修，解决当前问题，难以找到设备故障的根本原因；以故障维修和计划性维修为主，存在过修漏修；库存备件没有指导信息，无法确定备件的种类、库存量等，少购影响生产，超量浪费成本；设备实际可靠性数据缺乏统计和定量分析，采购部低价低质量采购设备难以全局了解生产线运行健康状态、风险和整体成本。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够自动采集电机数据以实现预见性维护的电机状态监测传感器及***。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本申请的一方面，提供了一种电机状态监测传感器，包括：

主控制器，所述主控制器包括：

数据采集单元，用于采集电机数据；

数据处理单元，用于处理所述数据采集单元采集到的电机数据；以及微控制器，用于接收所述数据处理单元处理好的数据、与射频传输模块进行数据交互、接收外部命令以及配置***参数；

其中，数据采集单元、数据处理单元和微控制器依序信号连接；

射频传输模块，用于实现电机状态监测传感器的对外通信；以及

能量采集***，用于给整个电机状态监测传感器提供电力；

其中，所述主控制器与所述射频传输模块信号连接，所述主控制器和所述射频传输模块均与所述能量采集***电连接。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述数据采集单元包括：

振动采集单元，用于采集电机的振动数据；

温度采集单元，用于采集电机表面温度和环境温度数据；

磁场采集单元，用于采集电机磁场数据；以及

声音采集单元，用于采集电机的声音信号数据。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述数据处理单元还用于根据振动采集单元采集到的振动数据，计算出振动特征值，所述振动特征值包括：振动频率、加速度峰值、速度有效值、位移峰峰值、加速度有效值、歪度、歪度指标、方差、裕度因子、波峰因子、峭度、峭度指标、脉冲因子、谱方差、谱均值和谱有效值中一种或多种的组合。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述振动采集单元还用于采集电机的振动加速度数据，所述数据处理单元还用于根据振动采集单元采集到的振动加速度数据，计算出三轴倾角值。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述射频传输模块包括：

信息传输单元，用于与所述微控制器进行信息交互；

射频处理单元，用于将信息传输单元的数字信号转换为射频模拟信号传输给射频天线，还用于将射频天线接收到的射频信号转换为数字信号传输给信息传输单元；以及

射频天线，用于发射和接收射频模拟信号；

其中，所述信息传输单元、射频处理单元和射频天线依序信号连接。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述主控制器还包括：

状态显示单元，所述状态显示单元与所述微控制器连接，所述状态显示单元用于显示电机状态监测传感器的状态信息，所述状态信息包括开关机状态、运行心跳和联网状态中一种或多种的组合；以及

开关机单元，所述开关机单元用于电机状态监测传感器的开关机。

在一实施例中，该电机状态监测传感器还包括：

电源管理模块，所述能量采集***经由所述电源管理模块分别与所述主控制器和所述射频传输模块连接，所述电源管理模块包括：

供电单元，用于将能量采集***获取的电能转化为适合所述主控制器和所述射频传输模块使用的电能，给所述主控制器和所述射频传输模块供电；以及

电量检测单元，用于整个电机状态监测传感器的电量检测，所述电量检测单元与所述主控制器的数据处理单元信号连接。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述能量采集***包括充电电池，所述电源管理模块还包括：

充电单元，用于给所述充电电池供电；

过充保护单元，用于防止所述充电电池过充；

过放保护单元，用于防止所述充电电池过度使用；以及

过温保护单元，用于监控所述充电电池的温度；

其中，所述充电单元、过充保护单元、过放保护单元和过温保护单元均与所述充电电池连接。

在一实施例中，该电机状态监测传感器的所述电量检测单元还用于根据电量数据、传感器使用时间和数据采集单元的工作频率，计算所述充电电池的使用寿命。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种电机状态监测***，包括至少一个上述任一实施例所述的电机状态监测传感器，还包括户外工业基站、云平台服务器和专家诊断平台，所述电机状态监测传感器与所述户外工业基站之间信号连接，所述户外工业基站和专家诊断平台均与所述云平台服务器信号连接。

根据本申请的另一方面，还提供了一种电机状态监测***，包括至少一个上述的电机状态监测传感器，还包括户外工业基站、云平台服务器和专家诊断平台，所述电机状态监测传感器与所述户外工业基站之间信号连接，所述户外工业基站与所述云平台服务器和专家诊断平台之间信号连接。

本实用新型实施例的有益效果是：通过数据采集单元采集电机运行状态数据，经数据处理单元处理后，由微控制器将数据经由射频传输模块发送给外部进行分析，从而能够精准定位故障、分析故障根因，监测故障劣化趋势，提前预知设备故障，实现电机寿命滚动预测，维修决策从临时、非计划检修转变成计划性维修，减少了非计划停机。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是本实用新型传感器实施例的立体结构示意图；

图2是本实用新型传感器实施例的功能模块示意图；

图3是本实用新型***实施例的连接示意图。

其中：1-能量采集***；2-主控制器；3-电源管理模块；4-射频传输模块；21-开关机单元；22-微控制器；23-数据处理单元；25-状态显示单元；241-振动采集单元；242-温度采集单元；243-磁场采集单元；244-声音采集单元；41-信号传输单元；42-射频处理单元；43-射频天线；11-充电电池；12-供电接口；51-上外壳；52-下外壳；6-电机状态监测传感器；7-户外工业基站；8-云平台服务器；9-专家诊断平台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本实用新型的保护范围进行任何限制。

为了电机的安全、稳定及长周期运行，更加科学地进行设备检修及维护，以达到提高设备可利用率、降低检修成本、提高运营效率的目标，对电机加装远程无线智能监测***，实现智能监测设备运行状态、智能报警筛选异常设备、远程专家即时分析诊断，实现关键部件的远程在线看护的智能服务，最终实现电机的预测性维护，具有现实必要性：

1)基于电机运行状态大数据，诊断专家可提前预知设备故障，可基于完备的数据进行专业分析，精准定位故障、分析故障根因，监测故障劣化趋势，实现电机寿命滚动预测，维修决策将临时、非计划检修转变成计划性维修，减少非计划停机；

2)减少现场人员的工作量，减轻专业人员工作压力。设备看护工作压力由设备管理人员向后台诊断专家转移，专业人员将有更丰富的时间对电机状态进行深入研究；

3)检修后电机状态评估。电机检修之后，通过远程无线智能监测***，诊断专家***可对现场的检修质量进行独立和长期的评估，确保电机检修质量可靠。

因此，本实用新型实施例提供了一种电机状态监测传感器，如图1和2所示，包括能量采集***1、主控制器2、电源管理模块3和射频传输模块4，能量采集***1与电源管理模块3连接，电源管理模块3和射频传输模块4均与主控制器2连接。

在可能的实施例中，主控制器2包括开关机单元21、微控制器22、数据处理单元25和数据采集单元，数据采集单元与数据处理单元23连接，数据处理单元23与微控制器22连接，开关机单元21与微控制器22连接。

微控制器22作为主控制器2的控制部件，接收数据处理单元处理好的各个采集单元采集到的数据，通过私有协议与射频传输模块4的信息传输单元41进行数据交互，发送振动、倾角、温度、磁场、声音等各种状态数据到户外工业基站，并最终传输到云平台服务器和专家诊断平台；接收来自云平台服务器和专家诊断平台各种命令，配置采集频率、采集长度、休眠时间等***参数。

开关机单元21负责整个电机状态监测传感器的开关机工作，具备无线激活、磁激活、按钮开关机等方式。按钮内置，避免误触发。可以在专家诊断平台通过户外工业基站无线开关电机状态监测传感器。

数据采集单元包括振动采集单元241、温度采集单元242、磁场采集单元243和声音采集单元244，振动采集单元241、温度采集单元242、磁场采集单元243和声音采集单元244均与数据处理单元23连接。

在可能的实施例中，振动采集单元241采用MEMS加速度传感器，能够同时采集X轴、Y轴、Z轴3个方向的振动数据，最大采样频率大于6KHz，量程高达±50g，通过数据处理单元对3轴振动数据的处理，测量带宽可以实现在1～1000Hz频率范围内测量误差小于-1dB，分辨率小于1mg。

在可能的实施例中，温度采集单元242采用PT1000热电阻温度传感器，能够同时采集电机表面温度和环境温度，通过两个温度的温差变化，精确获取电机的温升数据，准确判断电机的运行状态。温度采集单元采集的电机表面温度和环境温度通过数据处理单元滤波、计算、分析等处理后，测量范围高达-50℃～300℃，分辨率高达0.1℃，精度误差小于±1℃。

在可能的实施例中，磁场采集单元243采用3轴磁力计，测量量程≥±30Gauss，频率响应高达1000Hz，磁场采集单元采集到的磁场数据通过数据处理单元滤波、计算等处理后，磁场分辨率高达10mGauss，测量误差≤100mGauss。

在可能的实施例中，声音采集单元244采用高性能MEMS麦克风传感器，频率响应范围可到80KHz，可以应用于超声检测。声音检测量程AOP高达130dBSPL，信噪比SNR高达64dB(A)。声音采集单元244采集到的声音信号数据通过数据处理单元滤波、计算等处理后，测量误差在100Hz～10KHz频率范围内小于-1dB，在10KHz～80KHz范围内小于-3dB。

数据处理单元23处理振动采集单元241采集到的振动信号，通过FFT等振动分析算法，计算出3轴的振动频率、加速度峰值、速度有效值(振动烈度)、位移峰峰值、加速度有效值、歪度、歪度指标、方差、裕度因子、波峰因子、峭度、峭度指标、脉冲因子、谱方差、谱均值、谱有效值等振动特征值。

此外，数据处理单元23处理振动采集单元241采集到的振动加速度数据，通过倾角算法计算出3轴倾角值测量范围为-90°～+90°，分辨率0.01°，精度误差≤0.1°。

射频传输模块4包括信号传输单元41、射频处理单元42和射频天线43，信号传输单元41与主控制器2连接，射频处理单元42与信号传输单元41连接，射频天线43与射频处理单元42连接。

其中，射频传输模块4负责电机状态监测传感器与户外工业基站之间的数据通信，采用短距离无线传输方式，包括BLE、ZigBee、WiFi、LoRa、LoRaWAN等传输方式。

信息传输单元41负责与主控制器2的微控制器22进行信息的交互，通过自身的算法，保证传输的稳定性和及时性，传输速率可调，传输通道可以设置。传输采用128bit AES加密，满足IEC62351标准。可实现固件远程升级。

射频处理单元42将信息传输单元41的数字信号转换为射频模拟信号，通过射频天线43发射出去，并将射频天线43接收到的射频信号转换为数字信号传输给信号传输单元41。

射频天线43根据不同的短距离无线传输方式配置不同的频段，50欧姆阻抗匹配，保证传输信号的质量，尽量较少损耗。

能量采集***1包括充电电池11和供电接口12，充电电池11与供电接口12连接。能量采集***1负责整个电机状态监测传感器的能力来源，具备兼容各种能量来源的接口处理电路，包括电池供电、外接DC电源供电、太阳能供电、温差供电、CT供电、振动能供电等。

在可能的实施例中，电源管理模块3包括供电单元、充电单元、过充保护单元、过放保护单元、过温保护单元和电量检测单元，供电单元与主控制器2和射频传输模块42电连接，充电单元与能量采集***1连接，电量检测单元与数据处理单元23信号连接，过充保护单元与充电单元连接，过放保护单元与充电电池11连接，过温保护单元用于监控充电电池11的温度。

具体而言，供电单元负责给主控制器2和射频传输模块4供电，将能量采集***1获取的电能转化为适合主控制器2和射频传输模4块使用的电源。充电单元负责给能量采集***1的充电电池11供电，充电口内置，并且兼容无线充电功能。

电量检测单元负责整个电机状态监测传感器的电量检测，将检测的电量数据传输给主控制器2的数据处理单元，数据处理单元根据电量数据和传感器的使用时间、各个采集单元的工作频率综合计算出电池的使用寿命，寿命的计算误差≤5％。

过充保护单元负责充电单元的过充保护工作，通过检测充电电压、充电电流等参数判断目前充电的阶段，防止充电电池12过充。

过放保护单元负责监控电池的使用状态，防止电池过度使用，特别是充电电池，过度使用后会导致无法再次充电。

过温保护单元负责监控电池使用时的温度，在电池等其它能量来源接口温度过高时切断电源，保护内部电路。

在可能的实施例中，本传感器还包括外壳，外壳内设置有电路板，能量采集***1、主控制器2、电源管理模块3和射频传输模块4均设置于电路板上，供电接口12开设于外壳侧面，外壳包括上壳体51和下壳体52，上壳体51与下壳体52之间借助螺栓连接。

此外，主控制器2还可包括状态显示单元25，状态显示单元25设置于上壳体51上，状态显示单元25与微控制器22连接。状态显示单元25负责电机状态监测传感器的状态显示工作，显示的状态包括开关机状态、运行心跳、联网状态等。

容易理解地，本实用新型实施例还提供了一种电机状态监测***，如图3所示，包括至少一个上述的电机状态监测传感器6，还包括户外工业基站7、云平台服务器8和专家诊断平台9，电机状态监测传感器6与户外工业基站7之间信号连接，户外工业基站7与云平台服务器8和专家诊断平台9之间信号连接。其中，电机状态监测传感器6安装于电机上，户外工业基站7与电机状态监测传感器6组成无线局域网，云平台服务器用于获取电机运行状态、大数据存储和计算，专家诊断平台用于对数据进行专业分析。

专家诊断平台9内置电机智能运维算法，包括振动的分析算法、磁场的分析算法、声音的分析算法。通过三种物理量的综合分析，判断电机启停和启停次数的记录，记录电机的运行时间、判断电机的旋转方向，记录电机的供电频率。此外，专家诊断平台内置自学习***，能够通过自学习自动记录和分析历史趋势，自动设置报警阈值，实现智能运维。相关算法及软件部分并非本申请的主要创新点，均采用现有技术即可。

电机状态监测传感器6安装到待测电机的测试点上，所有监测区域内的电机状态监测传感器6与配套户外工业基站7组成无线局域网，通过短距离无线传输方式将电机状态监测传感器6检测到的振动、温度、磁场、声音等信号数据传输到户外工业基站7中。户外工业基站7对信号数据进行存储、计算，将有效数据通过4G/5G/WAN方式传输到云平台服务器8。云平台服务器8存储电机运行状态大数据，专家诊断平台9通过4G/5G/WAN方式对云平台服务器8上完备的电机状态数据进行专业分析，从而能够精准定位故障、分析故障根因，监测故障劣化趋势，提前预知设备故障，实现电机寿命滚动预测，维修决策从临时、非计划检修转变成计划性维修，减少非计划停机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种电机状态监测传感器，其特征在于，包括：

主控制器，所述主控制器包括：

数据采集单元，用于采集电机数据；

数据处理单元，用于处理所述数据采集单元采集到的电机数据；以及

微控制器，用于接收所述数据处理单元处理好的数据、与射频传输模块进行数据交互、接收外部命令以及配置***参数；

其中，数据采集单元、数据处理单元和微控制器依序信号连接；

射频传输模块，用于实现电机状态监测传感器的对外通信；以及

能量采集***，用于给整个电机状态监测传感器提供电力；

其中，所述主控制器与所述射频传输模块信号连接，所述主控制器和所述射频传输模块均与所述能量采集***电连接。

2.根据权利要求1所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述数据采集单元包括：

振动采集单元，用于采集电机的振动数据；

温度采集单元，用于采集电机表面温度和环境温度数据；

磁场采集单元，用于采集电机磁场数据；以及

声音采集单元，用于采集电机的声音信号数据。

3.根据权利要求2所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述数据处理单元还用于根据振动采集单元采集到的振动数据，计算出振动特征值，所述振动特征值包括：振动频率、加速度峰值、速度有效值、位移峰峰值、加速度有效值、歪度、歪度指标、方差、裕度因子、波峰因子、峭度、峭度指标、脉冲因子、谱方差、谱均值和谱有效值中一种或多种的组合。

4.根据权利要求3所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述振动采集单元还用于采集电机的振动加速度数据，所述数据处理单元还用于根据振动采集单元采集到的振动加速度数据，计算出三轴倾角值。

5.根据权利要求1所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述射频传输模块包括：

信息传输单元，用于与所述微控制器进行信息交互；

射频处理单元，用于将信息传输单元的数字信号转换为射频模拟信号传输给射频天线，还用于将射频天线接收到的射频信号转换为数字信号传输给信息传输单元；以及

射频天线，用于发射和接收射频模拟信号；

其中，所述信息传输单元、射频处理单元和射频天线依序信号连接。

6.根据权利要求1所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述主控制器还包括：

状态显示单元，所述状态显示单元与所述微控制器连接，所述状态显示单元用于显示电机状态监测传感器的状态信息，所述状态信息包括开关机状态、运行心跳和联网状态中一种或多种的组合；以及

开关机单元，所述开关机单元用于电机状态监测传感器的开关机。

7.根据权利要求1所述的电机状态监测传感器，其特征在于，还包括：

电源管理模块，所述能量采集***经由所述电源管理模块分别与所述主控制器和所述射频传输模块连接，所述电源管理模块包括：

供电单元，用于将能量采集***获取的电能转化为适合所述主控制器和所述射频传输模块使用的电能，给所述主控制器和所述射频传输模块供电；以及

电量检测单元，用于整个电机状态监测传感器的电量检测，所述电量检测单元与所述主控制器的数据处理单元信号连接。

8.根据权利要求7所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述能量采集***包括充电电池，所述电源管理模块还包括：

充电单元，用于给所述充电电池供电；

过充保护单元，用于防止所述充电电池过充；

过放保护单元，用于防止所述充电电池过度使用；以及

过温保护单元，用于监控所述充电电池的温度；

其中，所述充电单元、过充保护单元、过放保护单元和过温保护单元均与所述充电电池连接。

9.根据权利要求8所述的电机状态监测传感器，其特征在于，所述电量检测单元还用于根据电量数据、传感器使用时间和数据采集单元的工作频率，计算所述充电电池的使用寿命。

10.一种电机状态监测***，其特征在于：包括至少一个如权利要求1～9任一所述的电机状态监测传感器，还包括户外工业基站、云平台服务器和专家诊断平台，所述电机状态监测传感器与所述户外工业基站之间信号连接，所述户外工业基站和专家诊断平台均与所述云平台服务器信号连接。

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