电机故障或异常导致的电机效率下降可能会持续很长时间，并会造成重大经济损失，因此已愈发受到关注。想要提升电机的运作效率，必须采用预测性诊断维护解决方案，才能够确保电机的高效运行。本文将为您介绍常见的电机故障如何影响电机运行效率，以及由ADI推出的智能电机传感器（SMS）与相关的解决方案将如何提升电机的运作效率。
借助状态监控和预测性维护来提升运营效率
工业4.0被视为制造业的新时代，融合了技术、机器人、人工智能和自动化，以打造出高效且富有成效的制造工艺。工业用例占全球能源使用量的30%，其中70%是由电机消耗的。如果电机以最高效率运行，全球电力消耗有望减少10%。但要怎样才能做到这个目标呢？事实证明，借助状态监控和预测性维护（CbM/PdM）来提升运营效率，将能够在生产力、质量、物流管理等层面优化绩效，助力达成可持续发展指标。
近年来，鉴于电机耗电量颇高，厂商投入了巨大努力来设计更高效率的感应电机。但有一个对电机效率影响显着的因素却常常遭到忽视。通常，工业电机的运行效率处于50%至85%区间，电机健康状况不佳会导致其能效显着降低。制造商提供的额定效率值仅在电机处于理想状态时才有效，即电机运行过程中没有明显异常、缺陷或故障的情况下。如果机器出现故障，即使处于故障早期，电机效率也会随之降低。
电机的功率损耗主要分为两种，包括固有功率损耗，像是铜损耗（电阻、趋肤效应）、铁损耗（涡流、磁滞）和机械损耗（摩擦、风阻）。固有功率损耗可在电机设计阶段得以降低。此外，还有异常功率损耗，包括电机状况不佳导致的额外功率损耗，其中包括诸如转子导条故障、定子绕组故障、电机轴未对准故障、底脚松动故障、冷却风扇电机故障等电机故障，都会导致电机效率下降。通过使电机保持在最佳运行状态，可以将异常功率损耗降至最低，而这在很大程度上与电机的维护方案相关。
ADI OtoSense SMS是基于AI的硬件和软件完整解决方案
ADI的OtoSense SMS是一套基于AI的硬件和软件完整解决方案，用于工业电机的状态监控（CbM）和预测性维护（PdM）。它将先进的检测技术与数据分析相结合来监测电机的状况。该解决方案由硬件子系统和软件子系统构成，软件子系统包含一个云平台、一个网页应用程序以及一个移动应用程序，云平台搭载了基于机器学习的电机故障诊断AI算法。
OtoSense SMS集成了ADI开发的多种高性能传感器，包括两个低噪声、高频率MEMS加速度计ADXL1002，用于检测x轴振动和z轴振动。两个高准确度、16位数字温度传感器ADT7420，用于检测电机机壳温度和环境温度。此外还包括一个磁场传感器，用于电机转速检测和电机电气故障诊断，一个Wi-Fi处理器，借助2.4GHz Wi-Fi进行数据传输，负责数据收集与打包。OtoSense SMS传感器是市面上用于检测和解读机器数据的出色解决方案。
利用OtoSense SMS可提高电机运行效率，妥善维护有助于实现最大的经济效益，因为这可以减少电机故障的发生，避免计划外的停机时间。此外，电机效率对于节约每次运行的成本起着至关重要的作用，因为高效电机相比标准效率电机，消耗的电能更少。研究表明，不同类型的故障会对机器效率产生程度各异的影响，具体故障类型包括转子故障、定子绕组不对称、绝缘系统故障、不平衡／未对准、通风系统故障等。
云平台能让用户深入了解电机的运行状况和维护需求，凭借专有的OtoSense SMS预测性维护分析，用户能够在早期阶段识别出九种最为常见的电机故障，并在故障对电机运行造成影响前完成修复。对于每种电机故障，都会计算出一个故障评分指数（FSI），用以表示电机故障的严重程度。FSI是一个介于0到10之间的数值。当FSI数值高于7时，表明电机正处于良好的运行状态；而当FSI数值介于5和7之间时，则意味着已在早期阶段察觉到电机故障，此时系统会向用户发送低严重程度的预警通知邮件。处于预警状态的电机，虽在一定时间内仍可维持正常运转，但鉴于电机已非健康状态，运行效率会出现下滑。
OtoSense SMS带来的显着经济效益体现在电机运行效率提升后，使成本得到降低。随着众多企业将重点放在提高运营效率、减少计划外停机和实现可持续性发展上，采用状态监控和预测性维护技术已成为一种必然需求。OtoSense SMS技术为客户提供电机状态实时监控、电机早期故障检测，并针对早期故障排查给出建议措施。及早发现并排除电机故障，不仅能避免电机意外故障和停机，还能确保电机高效运转，从而实现节能。企业要想在未来十年内提升运营效率，并实现可持续发展目标，就必须落实上述所有建议。
举例来说，OtoSense SMS可用于压缩机监控，压缩机是工厂中最重要的设备之一，OtoSense SMS器件可安装于工厂的压缩机上，用以执行全天候的持续监测。OtoSense SMS也可用于物料搬运系统，像是机场的行李传送带便是一种高密度电机驱动应用。采用了OtoSense SMS解决方案可检测早期的轴承故障，并向客户发出了预警通知，成功避免了轴承受到永久性损坏，并预防了系统意外停机，将可节省设备的运作能耗与维护成本。
提供突破性能的高精度数字温度传感器
在ADI OtoSense SMS解决方案中的ADT7420是一款4 mm x 4 mm LFCSP封装的高精度数字温度传感器，可在较宽的工业温度范围内提供突破性的性能。它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位ADC，用来监控温度并进行数字转换，分辨率为0.0078℃。默认ADC分辨率设置为13位（0.0625℃）。ADC分辨率为用户可编程模式，可通过串行接口更改。
ADT7420的保证工作电压范围为2.7 V至5.5 V；工作电压为3.3 V时，平均电源电流的典型值为210 µA。ADT7420具有关断模式，可关断器件，3.3 V时的关断电流典型值为2.0 µA，额定工作温度范围为-40℃至+150℃。
ADT7420的引脚A0和A1用于地址选择，可提供四个I2C地址。CT引脚属于开漏输出，当温度超过临界温度限值（可编程）时，该引脚变为有效。INT引脚也属于开漏输出，当温度超过限值（可编程）时，该引脚变为有效。INT引脚和CT引脚可在比较器模式和中断事件模式下工作。
为加快产品的开发速度，ADI也推出了搭配的评估版，包括EV-TempSense-ARDZ，这是一款支持±0.1℃、±0.25℃和±0.5℃精确温度传感器评估平台。另外还有EVAL-ADT7420-PMDZ，这是支持±0.25℃温度测量PMOD板，EV-COG-AD3029则是适合超低功耗应用的ADuCM3029 Cog开发平台，EV-COG-AD4050则是Cog开发平台的ADuCM4050版本，用于MCU和RF收发器产品系列的ADI超低功耗技术开发。
提供超低的噪声密度的MEMS加速度计
ADI的ADXL1001/ADXL1002则是低噪声、高频±100 g/±50g MEMS加速度计，可在具有两个满度范围选项的拓展频率范围内，提供超低的噪声密度，并且提供优化的工业条件监测能力。ADXL1001（±100 g）和ADXL1002（±50 g）分别具有30 µg/√Hz和25 µg/√Hz的典型噪声密度。两款加速度计器件均具有稳定、可重复的灵敏度，并且可以承受高达10,000 g的外部冲击。
ADXL1001/ADXL1002拥有集成的全静电自检（ST）功能和超范围（OR）指示器，可以提供先进的系统级功能，并可用于嵌入式应用。凭借低功耗和3.3 V至5.25 V的单电源供电，ADXL1001/ADXL1002还允许进行无线感测产品设计。ADXL1001/ADXL1002提供5 mm x 5 mm x 1.80 mm LFCSP封装，可在−40℃至+125℃的温度范围内工作。
ADXL1001/ADXL1002是具有模拟输出的单平面轴加速度计，支持从直流到11 kHz的线性频率响应范围（3 dB点）与21 kHz谐振频率，具有超低噪声密度，以及超范围感测和直流耦合实现快速的恢复时间，可实现全面的机电自检与灵敏度性能，温度灵敏度稳定性为5%，线性度为满度范围的±0.1%，交叉轴灵敏度为±1%（ZX）、±1%（YX），采用单电源供电，具有与电源成比例的输出电压，以及1.0 mA的低功耗，支持省电待机操作模式，提供快速恢复，与RoHS兼容。ADXL1001/ADXL1002可广泛地应用在条件监测、预测性维护、资产健康、测试与测量、健康与使用监测系统（HUMS），ADI也有提供ADXL1001/ADXL1002评估板供客户选择。
结语
通过引入预测性诊断与维护技术，电机系统的效率与可持续性得以大幅提升。藉由传感器数据、边缘运算与人工智能的结合，不仅能实时掌握电机运行状态，预防故障于未然，还能有效延长设备寿命、减少能耗与维修成本。本文所介绍的ADI OtoSense SMS将能够实现电机的预测性诊断维护，这类创新解决方案正成为智能制造与绿色工业转型的关键推动力，为企业实现稳定运行与永续发展提供坚实保障。