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KR102034856B1 - Motor bearing fault and condition diagnosis method and apparatus - Google Patents

Motor bearing fault and condition diagnosis method and apparatus Download PDF

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KR102034856B1
KR102034856B1 KR1020180070584A KR20180070584A KR102034856B1 KR 102034856 B1 KR102034856 B1 KR 102034856B1 KR 1020180070584 A KR1020180070584 A KR 1020180070584A KR 20180070584 A KR20180070584 A KR 20180070584A KR 102034856 B1 KR102034856 B1 KR 102034856B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
bearing
effective value
frequency
motor
failure
Prior art date
Application number
KR1020180070584A
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Korean (ko)
Inventor
허진
박준규
이동호
임준혁
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
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Publication date
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    • GPHYSICS
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a motor bearing malfunction and state diagnosis method includes the following steps of: (a) detecting a current signal of at least one phase of a motor; (b) deriving a current spectrum by converting the detected current signal into a frequency; (c) calculating a low-frequency total effective value, which is less than a fundamental wave frequency, from the derived current spectrum; and (d) diagnosing the malfunction and state of a motor bearing by comparing the calculated low-frequency total effective value to a low-frequency total effective value obtained when a normal bearing is used. Therefore, since a current waveform change caused by the vibration of a motor when its bearing is malfunctioning is effectively detected, the malfunction or abnormality of the bearing caused by electric corrosion can be accurately diagnosed with high probability and the reliability of the motor can be increased. Moreover, since remote diagnosis on a malfunctioning or abnormal bearing is possible, proper action such as the replacement of the malfunctioning or abnormal bearing can be taken.

Description

전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법 및 장치{MOTOR BEARING FAULT AND CONDITION DIAGNOSIS METHOD AND APPARATUS}Motor bearing failure and condition diagnosis method and device {MOTOR BEARING FAULT AND CONDITION DIAGNOSIS METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 전동기 베어링 고장 및 상태 진단에 관한 것으로, 특히 전동기의 입력 전류의 저주파 종합 실효값의 크기 변화를 이용하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단함으로써 전동기의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a motor bearing failure and condition diagnosis, and in particular, a motor bearing failure that can improve the reliability of the motor by diagnosing a failure and condition of the motor bearing using a change in magnitude of the low frequency comprehensive effective value of the input current of the motor. The present invention relates to a method and apparatus for diagnosing a condition.

전동기의 고장 원인 중 상당 비율을 베어링의 고장이 차지하며 베어링 고장의 원인 중 하나로 베어링의 전식(Electric Erosion)이 지목된다. 전식 발생 시 베어링의 표면에 흠집이 발생하여 소음 및 진동이 증가한다는 점을 이용해 소음이나 진동 센서를 이용하여 고장을 탐지하는 방법이 사용되고 있으나 센서를 이용해 고장을 탐지하는 방법은 추가적인 하드웨어가 필요하여 제품의 단가를 상승시키고 정비 소요를 증가시켜 유지비 상승의 원인이 된다.A large proportion of the causes of motor failure is due to bearing failure, and one of the causes of bearing failure is electrical erosion. In case of electric shock occurrence, the surface of the bearing is scratched and noise and vibration are increased.However, the method of detecting failure by using the noise or vibration sensor is used.However, the method of detecting failure by using the sensor requires additional hardware. This raises the cost and raises maintenance costs, which in turn increases maintenance costs.

다른 방법으로, 베어링의 전식 발생 시 진동과 마찰이 증가하여 토크에 영향을 미쳐 인버터 출력 전류에 특정 고조파, 즉, 고장 신호(fault signal)가 첨가되어 파형이 변화한다는 사실을 이용해 고장 신호를 감지해 베어링의 고장을 감지하는 방법이 연구되는 추세다.Alternatively, the failure signal can be detected using the fact that the vibration and friction increase in the bearing's electromagnetism, thus affecting the torque, which adds certain harmonics, or fault signals, to the inverter output current. There is a tendency to research a method for detecting a bearing failure.

그러나 이 방법은 복잡한 신호 처리 알고리즘을 필요로 하며 경우에 따라 베어링이 아닌 다른 부분의 고장을 베어링 고장으로 오진단할 수 있는 문제가 있다.However, this method requires a complicated signal processing algorithm, and in some cases, there is a problem that a failure of a part other than a bearing can be diagnosed as a bearing failure.

KRKR 10-184619510-1846195 B1B1

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전식에 의한 전동기 베어링의 고장 및 상태를 정확하게 진단하여 전동기의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method for diagnosing the failure and condition of the motor bearing that can improve the reliability of the motor by accurately diagnosing the failure and the state of the motor bearing by the electric.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전식에 의한 전동기 베어링의 고장및 상태를 정확하게 진단하여 전동기의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치를 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a motor bearing failure and condition diagnosis device that can accurately diagnose the failure and condition of the electric motor bearing by the electric power to improve the reliability of the motor.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법은,Motor bearing failure and condition diagnosis method according to an embodiment of the present invention for solving the above problems,

(a) 전동기의 적어도 한 상의 전류 신호를 검출하는 단계;(a) detecting a current signal in at least one phase of the motor;

(b) 상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출하는 단계;(b) frequency converting the detected current signal to derive a current spectrum;

(c) 상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산하는 단계; 및(c) calculating a low frequency synthesis effective value below the fundamental frequency from the derived current spectrum; And

(d) 상기 연산된 저주파 종합 실효값을 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단하는 단계를 포함한다.(d) diagnosing the failure and condition of the motor bearing by comparing the calculated low frequency comprehensive effective value with the low frequency comprehensive effective value when a normal bearing is used.

본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법에 있어서, 상기 기본파 주파수는 기계각 기본파 주파수 또는 전기각 기본파 주파수일 수 있다.In the method of diagnosing a fault and condition of a motor bearing according to an embodiment of the present invention, the fundamental wave frequency may be a machine angle fundamental wave frequency or an electric angle fundamental wave frequency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법에 있어서, 상기 저주파 종합 실효값(Tlow)은In the motor bearing failure and condition diagnosis method according to an embodiment of the present invention, the low frequency comprehensive effective value T low is

Figure 112018060368310-pat00001
에 의해 연산되고,
Figure 112018060368310-pat00001
Is computed by

If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내고, n(㎐)은 상기 기본파 주파수를 나타낼 수 있다.I f represents the maximum current value at the frequency f (k), and n (k) may represent the fundamental wave frequency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법에 있어서, 상기 단계 (d)는 상기 연산된 저주파 종합 실효값이 상기 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값의 4배 이상인 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in the motor bearing failure and condition diagnosis method according to an embodiment of the present invention, the step (d) is that the calculated low frequency comprehensive effective value is at least four times the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used. In this case, the method may include diagnosing a failure or an abnormality in the motor bearing.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치는,Motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the other problem,

전동기의 적어도 한 상의 전류 신호를 검출하기 위한 전류 신호 검출부;A current signal detector for detecting a current signal of at least one phase of the motor;

상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출하기 위한 전류 신호 스펙트럼 도출부;A current signal spectrum derivation unit for frequency converting the detected current signal to derive a current spectrum;

상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산하기 위한 저주파 종합 실효값 연산부; 및A low frequency comprehensive effective value calculator for calculating a low frequency comprehensive effective value of less than the fundamental frequency from the derived current spectrum; And

상기 연산된 저주파 종합 실효값을 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단하기 위한 고장 및 상태 진단부를 포함한다.And a failure and state diagnosis unit for diagnosing a failure and a condition of the motor bearing by comparing the calculated low frequency comprehensive effective value with a low frequency comprehensive effective value when a normal bearing is used.

본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치에 있어서, 상기 기본파 주파수는 기계각 기본파 주파수 또는 전기각 기본파 주파수일 수 있다.In the motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention, the fundamental wave frequency may be a mechanical angle fundamental wave frequency or electric angle fundamental wave frequency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치에 있어서, 상기 저주파 종합 실효값(Tlow)은In the motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention, the low frequency comprehensive effective value T low is

Figure 112018060368310-pat00002
에 의해 연산되고,
Figure 112018060368310-pat00002
Is computed by

If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내고, n(㎐)은 상기 기본파 주파수를 나타낼 수 있다.I f represents the maximum current value at the frequency f (k), and n (k) may represent the fundamental wave frequency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치에 있어서, 상기 고장 및 상태 진단부는 상기 연산된 저주파 종합 실효값이 상기 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값의 4배 이상인 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단할 수 있다.In addition, in the motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention, the failure and state diagnosis unit is the calculated low frequency comprehensive effective value is four times or more of the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used. In this case, it can be diagnosed that there is a failure or abnormality in the motor bearing.

본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법 및 장치에 의하면, 베어링의 고장 또는 이상 시 발생하는 전동기의 진동에 의한 전류 파형 변화를 효과적으로 탐지하여, 전식에 의한 전동기 베어링의 고장 또는 이상을 높은 확률로 정확하게 진단하고 전동기의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 고장 또는 이상 베어링에 대한 원격 진단이 가능하기 때문에, 고장 또는 이상이 있는 베어링의 교체와 같은 적절한 조치를 취할 수 있다.According to the method and apparatus for diagnosing a failure and condition of a motor bearing according to an embodiment of the present invention, the current waveform change due to the vibration of the motor generated when a bearing failure or abnormality is effectively detected, and thus, the failure or abnormality of the motor bearing due to electrical power is detected. Can be accurately diagnosed with high probability, improve the reliability of the motor, and remote diagnosis of faulty or faulty bearings is possible, so that appropriate measures such as replacement of faulty or faulty bearings can be taken.

또한, 기존의 베어링 전식 고장 탐지 방법들은 전류 센서 이외의 추가적인 센서를 필요로 하거나 복잡한 신호처리 과정을 필요로 하지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법 및 장치는 인버터에 내장된 전류 센서를 이용하여 베어링의 고장 및 상태를 진단할 수 있으며, 베어링 전식에 의해서만 발생하는 특징적인 저주파 신호를 이용하기 때문에 전식에 의한 베어링의 고장 및 상태를 높은 확률로 진단할 수 있다.In addition, while the conventional bearing failure detection methods require an additional sensor other than the current sensor or require complicated signal processing, the method and apparatus for diagnosing a motor bearing failure and condition according to an embodiment of the present invention are embedded in an inverter. It is possible to diagnose the failure and condition of the bearing by using the current sensor, and it is possible to diagnose the failure and condition of the bearing by high probability by using the characteristic low frequency signal generated only by the bearing propagation.

도 1은 전동기 전식 고장의 영향을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1a는 베어링 고장 시의 고장 신호 검출을 설명하기 위한 도면, 도 1b는 베어링 표면의 불규칙한 흠집을 도시한 도면.
도 2는 베어링 볼 조립체의 회전 속도가 축의 회전 속도보다 느리다는 것을 보여주기 위한 도면.
도 3은 베어링 전식 고장 시 변화를 알아보기 위한 베어링 샘플들을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치의 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법의 흐름도.
도 6은 인버터에서 전동기로 공급되는 전기 신호에서 검출된 전류 신호를 도시한 도면.
도 7은 전류 신호를 주파수 변환하여 도출된 전류 스펙트럼을 도시한 도면.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view for explaining the effect of electric motor failure, Fig. 1A is a view for explaining detection of a failure signal at the time of a bearing failure, and Fig. 1B is a view showing irregular scratches on a bearing surface.
2 shows that the rotational speed of the bearing ball assembly is slower than the rotational speed of the shaft.
3 shows bearing samples for detecting changes in bearing failure.
Figure 4 is a block diagram of a motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of diagnosing a fault in a motor bearing and a condition according to an embodiment of the present invention.
6 shows a current signal detected in an electrical signal supplied from an inverter to a motor.
7 is a diagram illustrating a current spectrum derived by frequency converting a current signal.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims are not to be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their own invention. It should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical idea of the present invention based on the principles.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.In the present specification, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as possible, even if displayed on different drawings have the same number as possible.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.In addition, terms such as “first”, “second”, “one side”, “other side”, etc. are used to distinguish one component from another component, and the component is limited by the terms. It is not.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.In the following description, detailed descriptions of related well-known techniques that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a와 같은 베어링 고장 시의 전류 파형에 첨가된 고장 신호를 탐지하는 전동기 전류 신호 분석(MCSA: Motor Current Signature Analysis)을 이용해 베어링의 고장을 탐지하는 방법은 기존에도 제시되어 있다. 도 1a에서 참조번호 102는 전동기이고, 참조번호 100은 전동기에 전력을 공급하기 위한 인버터이다.A method of detecting a bearing failure by using Motor Current Signature Analysis (MCSA), which detects a failure signal added to a current waveform at the time of a bearing failure as illustrated in FIG. 1A, has been proposed. In FIG. 1A, reference numeral 102 denotes an electric motor, and reference numeral 100 denotes an inverter for supplying electric power to the motor.

이러한 방법들은 온라인 감지에 유리하며 추가적인 센서 없이 인버터의 개량을 통해 구현 가능하다. 그러나 고장 시 발생하는 특정 고조파의 탐지에 초점을 맞추고 있기 때문에, 도 1b와 같은 전식에 의한 불규칙한 다수의 작은 흠집(106)이 발생한 베어링을 진단하기 어렵다. 도 1b에서 참조번호 104는 베어링의 외륜이고, 참조번호 108은 베어링 볼이다.These methods are advantageous for on-line sensing and can be implemented by retrofitting inverters without additional sensors. However, since the focus is on the detection of specific harmonics that occur at the time of failure, it is difficult to diagnose bearings in which a large number of irregular small scratches 106 are generated by the electrotechnical method shown in FIG. In FIG. 1B, reference numeral 104 denotes an outer ring of the bearing, and reference numeral 108 denotes a bearing ball.

이러한 문제들로 인하여 야기될 수 있는 문제는 첫째, 베어링에 전식이 발생하여 소음과 진동이 발생함에도 온라인 탐지에 실패할 수 있으며 둘째로, 전동기의 다른 고장을 베어링의 고장으로 오진할 수 있다. 따라서 베어링 고장 탐지 알고리즘은 베어링의 고장에 의해서만 발생하며, 전식에 의해 발생된 불규칙한 진동에 의한 다양한 전류 고조파를 통합적으로 감지할 수 있어야 한다.Problems that can be caused by these problems are, firstly, failure to detect on-line even when noise and vibration are generated due to electric shock in the bearing, and secondly, other failures of the motor can be mistaken for bearing failure. Therefore, the bearing failure detection algorithm is generated only by the failure of the bearing, and must be able to detect various current harmonics due to the irregular vibration generated by the conventional method.

현장에서 가장 널리 사용되는 깊은 홈 볼 베어링(deep groove ball bearing)은 외륜과 내륜, 베어링 볼, 그리고 베어링 볼들의 이탈을 방지하고 거리를 유지하는 리테이너(retainer)로 구성된다.The most widely used deep groove ball bearings in the field consist of outer and inner rings, bearing balls, and retainers that keep the bearing balls away and maintain distance.

리테이너와 베어링 볼로 구성된 베어링 볼 조립체는 외륜과 내륜 모두에 접촉되어 베어링 고장 시, 흠집에 의해 진동한다. 또한, 베어링 볼 조립체는 도 2와 같이 축의 회전속도, 즉 전동기의 회전속도보다 느리게 회전한다는 특징이 있다. 이러한 특성으로 인해, 외륜과 내륜에 발생한 손상, 특히 전식에 의해 발생한 불규칙한 흠집에 의한 진동은 기계각 주파수보다 낮은 주파수로 나타난다.The bearing ball assembly, which consists of a retainer and a bearing ball, is in contact with both the outer ring and the inner ring and vibrates with scratches in the event of a bearing failure. In addition, the bearing ball assembly is characterized in that it rotates slower than the rotational speed of the shaft, that is, the rotational speed of the motor as shown in FIG. Due to these characteristics, the damage caused by the outer ring and the inner ring, in particular, the irregular scratches caused by electroforming, appears at a lower frequency than the machine angle.

따라서 베어링의 전식에 의한 손상으로 인해 발생하는 전류 파형의 변형은 기계각 주파수보다 낮은 고조파 성분으로 반영된다. 이는 전동기의 다른 고장들이 기본파보다 높은 고조파로 나타나는 것과 대조적이다. 따라서, 기본파보다 낮은 고조파 성분을 이용해 베어링의 고장 및 상태를 진단할 수 있다.Therefore, the deformation of the current waveform caused by the damage of the bearings is reflected by the harmonic component lower than the machine angular frequency. This is in contrast to other faults in the motor, which appear to be harmonics higher than the fundamental. Therefore, it is possible to diagnose the failure and condition of the bearing by using harmonic components lower than the fundamental wave.

그러나 발생하는 고조파는 베어링에 발생한 흠집에 따라 다양하기 때문에 특정 주파수만을 감시하여 베어링의 고장 및 상태를 진단하기는 어렵다. 이러한 이유로, 기본파 이하의 모든 주파수의 크기를 통합적으로 비교해야 한다.However, the harmonics generated vary according to the scratches on the bearings, so it is difficult to diagnose the failure and condition of the bearing by monitoring only a specific frequency. For this reason, it is necessary to compare the magnitudes of all frequencies below the fundamental wave.

전동기의 한 상의 전류 파형을 고속푸리에변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 이용하여 변환하면 각 주파수에 대한 전류의 실효값을 산출할 수 있다.By converting the current waveform of one phase of the motor using a Fast Fourier Transform (FFT), the effective value of the current for each frequency can be calculated.

따라서 FFT 결과로 산출된 주파수 중 기계각 주파수와 같은 주파수를 기본 주파수 fL로 정의한다. 또한, 특정 주파수 ω[Hz]에 대한 전류의 실효값을 Iω라 정의한다.Therefore, among the frequencies calculated from the FFT result, the same frequency as the machine angle is defined as the fundamental frequency f L. In addition, the effective value of the current with respect to a specific frequency ω [Hz] is defined as I ω .

베어링의 전식에 의해 발생한 불규칙한 손상으로 인한 고조파가 발생할 때 어느 주파수의 전류 실효값(Iω)이 증가할지 예측하기 어렵다. 그러나 베어링 전식으로 인해 발생하는 고조파의 주파수는 fL보다 낮다는 사실을 상술한 베어링의 특성을 통해 알 수 있다.It is difficult to predict at which frequency the current effective value (I ω ) will increase when harmonics occur due to irregular damage caused by the bearing transfer. However, it can be seen from the above-described characteristics of the bearing that the frequency of harmonics generated by bearing propagation is lower than f L.

따라서 fL보다 낮은 모든 주파수에 대하여 전류의 실효값(Iω)의 종합 실효값을 구해 비교하면, 베어링의 고장 또는 이상으로 인해 발생하거나 변화한 고조파의 정확한 주파수를 알지 못해도 고장 및 상태를 진단할 수 있다. 그러므로 저주파 종합 실효값(Tlow)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, if the total effective value of the effective value of the current (I ω ) is obtained and compared for all frequencies lower than f L , the failure and condition can be diagnosed without knowing the exact frequency of the harmonics generated or changed due to the bearing failure or abnormality. Can be. Therefore, the low frequency synthesis effective value T low may be represented by Equation 1.

Figure 112018060368310-pat00003
Figure 112018060368310-pat00003

If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내고, n(㎐)은 상기 기계각 기본파 주파수 또는 전기각 기본파 주파수를 나타낸다.I f represents the current maximum at the frequency f (k), and n (k) represents the machine angle fundamental wave frequency or electric angle fundamental wave frequency.

저주파 종합 실효값(Tlow)의 변화를 통해 실제로 전식에 의해 손상된 베어링을 판별할 수 있는지 검증하였다. 실험을 위해 새 베어링과 도 3에 도시된 15개의 손상 베어링 샘플을 비교하였다.The change of the low frequency composite effective value (T low ) was verified to see if the bearings actually damaged by the previous equation can be identified. For the experiment, the new bearing was compared with the fifteen damaged bearing samples shown in FIG.

전식 손상 베어링 샘플들은 3000RPM으로 회전시키며 1시간 동안 24A의 전류를 가하는 동등한 조건으로 파손되었다. 이 베어링들을 전동기에 장착해 작동시키며 상 전류의 파형을 조사하였다. 각각의 샘플들에 대해 얻은 전류 데이터로부터 산출한 저주파 종합 실효값(Tlow)은 다음의 표 1과 같다.Fully damaged bearing samples were broken under equivalent conditions, rotating at 3000 RPM and applying a current of 24 A for 1 hour. These bearings were mounted on the motor and operated to investigate the waveform of the phase current. The low frequency composite effective value (T low ) calculated from the current data obtained for each sample is shown in Table 1 below.

Figure 112018060368310-pat00004
Figure 112018060368310-pat00004

같은 조건에서 베어링을 파손시켰음에도 불구하고 고장 샘플들 사이의 저주파 종합 실효값(Tlow)의 격차가 다소 있다. 고장1, 고장2 샘플의 경우 정상 베어링에 비해 저주파 종합 실효값(Tlow)이 크게 차이가 나지 않지만, 대부분의 고장 샘플에서 저주파 종합 실효값(Tlow)은 현저하게 상승하였다. 예를 들어, 대부분의 고장 샘플에서 저주파 종합 실효값(Tlow)은 정상 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값(Tlow)의 약 4배 이상이었다.Despite the failure of the bearing under the same conditions, there are some gaps in the low frequency composite effective value (T low ) between the failed samples. In the case of the fault 1 and fault 2 samples, the low frequency total effective value (T low ) is not significantly different from the normal bearing, but the low frequency comprehensive effective value (T low ) is significantly increased in most fault samples. For example, in most failure samples, the low frequency composite effective value (T low ) was about four times more than the low frequency composite effective value (T low ) with a normal bearing.

이러한 저주파 종합 실효값(Tlow)의 변화를 통해 베어링의 고장 및 상태 진단이 가능하다. 따라서, 대부분의 경우 베어링의 전식에 의한 고장 및 상태를 진단할 수 있음을 확인하였다. 또한, 여러 개의 정상 베어링에 대해 저주파 종합 실효값(Tlow)을 여러 번 측정해 본 결과, 저주파 종합 실효값(Tlow)은 일정한 값이 도출됨을 확인하여 신뢰성을 검증하였다.The change of the low frequency total effective value (T low ) enables diagnosis of a bearing failure and condition. Therefore, in most cases, it was confirmed that failures and conditions caused by electroforming of bearings can be diagnosed. In addition, as a result of measuring the low frequency comprehensive effective value (T low ) several times for several normal bearings, the low frequency comprehensive effective value (T low ) was confirmed that a constant value was derived and verified reliability.

이제, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법 및 장치에 대해 설명하기로 한다.Now, with reference to Figures 4 to 7, the motor bearing failure and condition diagnosis method and apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치는, 전동기(410)의 적어도 한 상의 전류 신호를 검출하기 위한 전류 신호 검출부(400), 상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출하기 위한 전류 신호 스펙트럼 도출부인 전류 신호 FFT 연산부(402), 상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산하기 위한 저주파 종합 실효값 연산부(404), 및 상기 연산된 저주파 종합 실효값을 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단하기 위한 고장 및 상태 진단부(406)를 포함한다. 참조번호 408은 인버터를 나타내고, 참조번호 412는 전류 센서를 나타낸다.Referring to FIG. 4, the motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a current signal detection unit 400 for detecting a current signal of at least one phase of the motor 410, and the detected current signal. A current signal FFT calculation unit 402 which is a current signal spectrum derivation unit for frequency conversion to derive a current spectrum, a low frequency synthesis effective value calculation unit 404 for calculating a low frequency synthesis effective value less than the fundamental wave frequency from the derived current spectrum, And a failure and state diagnosis unit 406 for diagnosing a failure and a state of the motor bearing by comparing the calculated low frequency comprehensive effective value with a low frequency comprehensive effective value when a normal bearing is used. Reference numeral 408 denotes an inverter and reference numeral 412 denotes a current sensor.

한편, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치의 동작을, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법의 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다.On the other hand, the operation of the motor bearing failure and condition diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention configured as described above with reference to the flow chart of the motor bearing failure and condition diagnosis method according to an embodiment of the present invention shown in FIG. Let's explain.

단계 S500에서, 전류 신호 검출부(400)는 전동기(410)의 한 상의 전류 신호를 검출한다. 도 6은 이때 검출되는 전류 신호를 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 전류 신호 검출부(400)는 한 상의 전류 신호를 검출하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 전류 신호 검출부(400)는 한 상 이상의 전류 신호를 검출할 수 있다.In operation S500, the current signal detector 400 detects a current signal of one phase of the electric motor 410. 6 illustrates a current signal detected at this time. In one embodiment of the present invention, the current signal detector 400 detects a current signal of one phase, but the present invention is not limited thereto, and the current signal detector 400 may detect a current signal of one or more phases.

단계 S502에서, 전류 신호 FFT 연산부(402)는 상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출한다. 도 7은 주파수 변환된 전류 스펙트럼을 도시한 것이다.In step S502, the current signal FFT calculator 402 frequency converts the detected current signal to derive a current spectrum. 7 shows a frequency converted current spectrum.

단계 S504에서, 저주파 종합 실효값 연산부(404)는, 상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기본파 주파수는 기계각 기본파 주파수이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 기본파 주파수는 전기각 기본파 주파수일 수 있다.In step S504, the low frequency synthesis effective value calculator 404 calculates a low frequency comprehensive effective value of less than the fundamental frequency from the derived current spectrum. In one embodiment of the present invention, the fundamental wave frequency is a mechanical angle fundamental wave frequency, but the present invention is not limited thereto, and the fundamental wave frequency may be an electrical angle fundamental wave frequency.

한편, 상기 저주파 종합 실효값(Tlow)은

Figure 112018060368310-pat00005
에 의해 연산되고, If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내고, n(㎐)은 상기 기본파 주파수를 나타낸다.On the other hand, the low frequency synthesis effective value (T low ) is
Figure 112018060368310-pat00005
Is calculated, where I f represents the maximum current at the frequency f (k) and n (k) represents the fundamental wave frequency.

단계 S506에서, 고장 및 상태 진단부(406)는 상기 연산된 저주파 종합 실효값(Tlow)을 실험을 통해 획득된 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단한다. 즉, 고장 및 상태 진단부(406)는 상기 연산된 저주파 종합 실효값(Tlow)이 정상 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값보다 현저하게 클 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단한다.In step S506, the failure and state diagnosis unit 406 compares the calculated low frequency comprehensive effective value T low with the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing obtained through the experiment is used to determine the failure and state of the motor bearing. Diagnose That is, the failure and state diagnosis unit 406 diagnoses that the motor bearing has a failure or abnormality when the calculated low frequency comprehensive effective value T low is significantly larger than the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used. .

예를 들어, 고장 판별부(406)는 상기 저주파 종합 실효값(Tlow)이 정상 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값의 4배 이상인 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단한다.For example, the failure determining unit 406 diagnoses that the motor bearing has a failure or an abnormality when the low frequency comprehensive effective value T low is four times or more the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to specific examples, it is intended to describe the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto. It will be clear that the modification and improvement are possible by this.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

100, 408 : 인버터 102, 410 : 전동기
104 : 외륜 106 : 흠집
400 : 전류 신호 검출부 402 : 전류 신호 FFT 연산부
404 : 저주파 종합 실효값 연산부 406 : 고장 및 상태 진단부
100, 408: inverter 102, 410: electric motor
104: outer ring 106: scratches
400: current signal detector 402: current signal FFT calculator
404: low frequency comprehensive effective value calculator 406: fault and status diagnostic unit

Claims (8)

(a) 전동기의 적어도 한 상의 전류 신호를 검출하는 단계;
(b) 상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출하는 단계;
(c) 상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산하는 단계; 및
(d) 상기 연산된 저주파 종합 실효값을 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단하는 단계를 포함하며,
상기 저주파 종합 실효값(Tlow)은
Figure 112019081962224-pat00015
에 의해 연산되고,
If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내며, n(㎐)은 상기 기본파 주파수를 나타내는, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법.
(a) detecting a current signal in at least one phase of the motor;
(b) frequency converting the detected current signal to derive a current spectrum;
(c) calculating a low frequency synthesis effective value below the fundamental frequency from the derived current spectrum; And
(d) diagnosing a fault and a condition of the motor bearing by comparing the calculated low frequency comprehensive effective value with a low frequency comprehensive effective value when a normal bearing is used;
The low frequency synthesis effective value (T low ) is
Figure 112019081962224-pat00015
Is computed by
I f represents the maximum current at the frequency f (k), and n (k) represents the fundamental wave frequency.
청구항 1에 있어서,
상기 기본파 주파수는 기계각 기본파 주파수 또는 전기각 기본파 주파수인, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fundamental wave frequency is a mechanical angle fundamental wave frequency or an electric angle fundamental wave frequency.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (d)는 상기 연산된 저주파 종합 실효값이 상기 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값의 4배 이상인 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단하는 단계를 포함하는, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 방법.
The method according to claim 1,
The step (d) includes diagnosing a failure or an abnormality in the motor bearing when the calculated low frequency comprehensive effective value is four times or more of the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used. And condition diagnosis methods.
전동기의 적어도 한 상의 전류 신호를 검출하기 위한 전류 신호 검출부;
상기 검출된 전류 신호를 주파수 변환하여 전류 스펙트럼을 도출하기 위한 전류 신호 스펙트럼 도출부;
상기 도출된 전류 스펙트럼으로부터 기본파 주파수 미만의 저주파 종합 실효값을 연산하기 위한 저주파 종합 실효값 연산부; 및
상기 연산된 저주파 종합 실효값을 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값과 비교하여 전동기 베어링의 고장 및 상태를 진단하기 위한 고장 및 상태 진단부를 포함하며,
상기 저주파 종합 실효값(Tlow)은
Figure 112019081962224-pat00016
에 의해 연산되고,
If는 주파수 f(㎐)에서의 전류 최댓값을 나타내며, n(㎐)은 상기 기본파 주파수를 나타내는, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치.
A current signal detector for detecting a current signal of at least one phase of the motor;
A current signal spectrum derivation unit for frequency converting the detected current signal to derive a current spectrum;
A low frequency comprehensive effective value calculator for calculating a low frequency comprehensive effective value of less than the fundamental frequency from the derived current spectrum; And
A failure and state diagnosis unit for diagnosing a failure and a condition of the motor bearing by comparing the calculated low frequency comprehensive effective value with a low frequency comprehensive effective value when a normal bearing is used,
The low frequency synthesis effective value (T low ) is
Figure 112019081962224-pat00016
Is computed by
I f represents a maximum current value at a frequency f (k), and n (k) represents the fundamental wave frequency.
청구항 5에 있어서,
상기 기본파 주파수는 기계각 기본파 주파수 또는 전기각 기본파 주파수인, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치.
The method according to claim 5,
Wherein the fundamental wave frequency is a mechanical angle fundamental wave frequency or an electric angle fundamental wave frequency.
삭제delete 청구항 5에 있어서,
상기 고장 및 상태 진단부는 상기 연산된 저주파 종합 실효값이 상기 정상적인 베어링을 사용했을 때의 저주파 종합 실효값의 4배 이상인 경우, 전동기 베어링에 고장 또는 이상이 있다고 진단하는, 전동기 베어링 고장 및 상태 진단 장치.
The method according to claim 5,
The fault and condition diagnosis unit diagnoses that there is a failure or an abnormality in the motor bearing when the calculated low frequency comprehensive effective value is four times or more the low frequency comprehensive effective value when the normal bearing is used. .
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