用于提高电动机效率和可持续性的预测诊断维护解决方案

由电机故障或异常引起的电机效率下降可能持续较长时间，并导致重大的经济损失，使其成为越来越受关注的问题。为了提高电机的运行效率，采用预测性诊断维护解决方案以确保电机高效性能至关重要。本文介绍了常见电机故障如何影响电机效率以及Analog Devices的Smart Motor Sensor (SMS)及相关解决方案如何提高电机运行效率。 

工业4.0被认为是制造业的新时代，它将技术、机器人、人工智能和自动化集成在一起，创造高效且具有生产力的制造流程。工业应用占全球能耗的30%，其中70%的能量由电动机消耗。如果电动机达到最大效率，全球电力消耗可能减少10%。但如何实现这一目标呢？证据表明，通过基于状态的监测和预测性维护（CbM/PdM）来提高运营效率，可以优化生产力、质量和物流管理的性能，从而帮助达到可持续性指标。

近年来，由于电动机的高能耗，制造商投入了大量精力设计更高效的感应电动机。然而，往往被忽视的是一个对电机效率有显著影响的因素。通常，工业电机的效率在50%到85%之间运行，而电机健康状况不佳会导致能效显著下降。制造商提供的额定效率值仅在理想的电机条件下有效，即操作期间不存在重大异常、缺陷或故障。如果出现故障，即使在早期阶段，电机效率也会受到影响。

电机功率损耗主要分为两类：固有功率损耗，如铜损（电阻损、集肤效应）、铁损（涡流损耗、磁滞损耗）和机械损耗（摩擦、风阻）。固有功率损耗可以在电机设计阶段最小化。此外，还有异常功率损耗，包括因电机工况不佳而导致的额外损耗，如转子条故障、定子绕组故障、电机轴不对中故障、软脚故障和冷却风扇电机故障，这些均会降低电机效率。保持电机在最佳运行状态可以将异常功率损耗降至最低，这与维护策略密切相关。

ADI 的 OtoSense SMS 是一个全面的基于 AI 的硬件和软件全套解决方案，适用于工业电机的 CbM 和 PdM。它结合了先进的传感技术和数据分析来监控电机状况。该解决方案由一个硬件子系统和一个软件子系统组成，后者包括云平台、网络应用和移动应用，云平台具有基于机器学习的 AI 算法用于电机故障诊断。

OtoSense SMS 集成了多款由 ADI 开发的高性能传感器，包括用于 x 轴和 z 轴振动传感的两个低噪声、高频 MEMS 加速度计 (ADXL1002)，以及用于监测电机框架和环境温度的两个高精度 16 位数字温度传感器 (ADT7420)。此外，还包括用于电机速度感测和电气故障诊断的磁场传感器，以及用于数据采集和打包以进行 2.4 GHz Wi-Fi 传输的 Wi-Fi 处理器。OtoSense SMS 是市场上用于感知和解读机器数据的出色解决方案。

使用 OtoSense SMS 改善电机运行效率有助于通过减少电机故障和避免计划外停机来最大化经济效益。此外，电机效率在每次操作中节省成本方面起着基础性作用，因为高效电机比标准效率电机消耗更少的电能。研究表明，不同类型的故障对机器效率的影响程度不同，包括转子故障、定子绕组不对称、绝缘系统故障、不平衡/不对准以及通风系统故障。

该云平台提供对电机运行状况和维护需求的深入洞察。利用专有的OtoSense SMS预测性维护分析，用户可以在早期阶段识别出九种最常见的电机故障，并在它们影响电机运行之前进行处理。对于每种电机故障，都会计算一个故障评分指数 (FSI)，以指示电机故障的严重程度。FSI的范围是0到10。FSI超过7表示电机处于良好健康状态，而FSI在5到7之间表示早期故障，通过电子邮件触发低严重性警告通知。处于警告状态的电机仍可正常运行一段时间，但由于不再处于最佳状态，其运行效率会下降。

OtoSense SMS 的显著经济效益在于通过提高电机效率来降低成本。随着越来越多企业专注于运营效率、减少计划外停机时间并实现可持续性，采用 CbM 和 PdM 技术已变得势在必行。OtoSense SMS 技术提供实时的电机状态监控、早期故障检测和推荐的早期故障排除措施。提前检测和消除电机故障不仅可以防止意外故障和停机，还可以确保电机在高效率下运行，从而节约能源。致力于在未来十年提高运营效率并实现可持续发展目标的企业必须实施这些建议。

例如，OtoSense SMS 可用于压缩机监测。压缩机是工厂中最关键的设备之一，OtoSense SMS 设备可被安装以实现 24/7 连续监测。OtoSense SMS 还可以应用于物料搬运系统，例如机场行李输送带，这些都是高密度电机驱动的应用。通过采用 OtoSense SMS 解决方案，可以检测到轴承的早期故障，并向客户发送警报通知，从而防止轴承的永久损坏和避免意外的系统停机，节省运营能耗和维护成本。

ADT7420 是ADI OtoSense SMS解决方案的一部分，是一种高精度的数字温度传感器，采用4 mm × 4 mm LFCSP封装，能够在宽工业温度范围内提供突破性性能。它具有内部带隙温度参考、温度传感器和16位ADC，用于温度监测，并以0.0078°C的分辨率对温度进行数字化。默认的ADC分辨率设置为13位（0.0625°C）。ADC分辨率是用户可编程的，可以通过串行接口进行调整。

ADT7420保证在2.7 V至5.5 V的电源电压范围内运行。在3.3 V下，平均电源电流通常为210 µA。ADT7420包括一个关机模式，可以关闭设备，在3.3 V下典型的关机电流为2.0 µA。其额定工作温度范围是-40°C至+150°C。

ADT7420 上的 A0 和 A1 引脚用于地址选择，提供四个可能的 I2C 地址。CT 引脚是一个开漏输出，当温度超过可编程临界限时变为有效。INT 引脚也是一个开漏输出，当温度超过可编程限值时激活。INT 和 CT 引脚可以在比较器和中断事件模式下工作。

为了加速产品开发，ADI还提供兼容的评估板，包括EV-TempSense-ARDZ，这是一个用于评估温度传感器的平台，精度为±0.1°C、±0.25°C和±0.5°C。此外，EVAL-ADT7420-PMDZ是一块支持±0.25°C温度测量的PMOD板，而EV-COG-AD3029是用于超低功耗应用的ADuCM3029 Cog开发平台。EV-COG-AD4050是Cog开发平台的ADuCM4050变体，专为ADI的超低功耗技术在MCU和RF收发器组合中的应用而设计。

ADI 的 ADXL1001/ADXL1002 是低噪声、高频 ±100 g/±50 g MEMS 加速度计，在扩展频率范围内提供超低噪声密度，并具有两种满量程选项，专为工业状态监控优化。ADXL1001 (±100 g) 和 ADXL1002 (±50 g) 的典型噪声密度分别为 30 µg/√Hz 和 25 µg/√Hz。两种加速度计均提供稳定且可重复的灵敏度，能够承受高达 10,000 g 的外部冲击。

ADXL1001/ADXL1002 包含集成的全电动自测 (ST) 和超量程 (OR) 指示器，为嵌入式应用提供高级系统级功能。它们具有低功耗和 3.3 V 至 5.25 V 单电源操作，还支持无线传感产品设计。ADXL1001/ADXL1002 采用 5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP 封装，并在 -40°C 至 +125°C 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，提供从直流到 11 kHz（3 dB 点）的线性频率响应范围，谐振频率为 21 kHz。它们具有超低噪声密度、通过直流耦合进行快速恢复的超量程感测、全面的机电自检和灵敏度性能。温度灵敏度稳定性为 5%，线性度为满量程的 ±0.1%，交叉轴灵敏度为 ±1%（ZX）和 ±1%（YX）。它们在单个电源上运行，具有比率输出电压，仅消耗 1.0 mA 的功率。此外，还支持带有快速恢复的节能备用模式，且设备符合 RoHS 标准。ADXL1001/ADXL1002 广泛用于状态监测、预测性维护、资产健康、测试与测量以及健康和使用监测系统（HUMS）。ADI 还为客户提供 ADXL1001/ADXL1002 评估板。

通过采用预测诊断和维护技术，可以显著提高电机系统的效率和可持续性。结合传感器数据、边缘计算和人工智能，不仅可以实现电机状态的实时监控和主动故障预防，还可以延长设备使用寿命、减少能源消耗及降低维护成本。本文介绍的ADI OtoSense SMS就是实现电机预测诊断维护的一个例子。这类创新解决方案正在成为智能制造和绿色工业转型的关键推动力，为企业提供稳定运作和可持续发展的基础。