一种船舶机舱内电机散热检测系统的制作方法

本发明涉及船舶机舱设备状态监测和旋转电机热管理技术，尤其涉及一种用于判断风冷电机散热能力是否退化的在线检测系统。该系统适用于主机舱、辅机舱、泵舱及相邻动力舱室内的电动机、发电机或带独立冷却风扇的封闭式旋转电机。本发明所关注的检测对象并非单一测点的温度值，而是电机在既定发热量和既定机舱环境下，将内部损耗产生的热量经机体和冷却介质向外排出的能力。为此，检测过程同时利用电气负载、机体温度场、进出风状态以及风扇和轴承机械状态，并对不同采样通道进行时间对齐和可信度处理。

背景技术：

1、船舶机舱内热源密集，空间和风道布置又受到舱室结构限制。航行工况、外界气象条件以及机舱总通风量变化会使环境温度和空气密度持续变化；油雾、盐雾、粉尘等还会逐渐附着在风罩、过滤网和散热筋表面。对风冷电机而言，风扇叶片污染、风扇转速下降、风道局部堵塞、热风回流和轴承摩擦增大都可能使温升恶化，但这些现象在早期并不一定触发传统的绝对温度报警。

2、已有技术从不同角度处理电机或机舱的热状态。例如，cn221325723u利用机舱温度传感器控制进风机、抽风机及空调，主要解决舱室环境温度调节问题；cn103383433b根据船舶发电机定子铁心的暂态温升模型进行状态监测和温度预警，侧重于温度响应及模型参数变化。上述方案可以反映环境或电机的热状态，但不能仅据此判断某台电机的冷却风路是否已经发生退化。

3、与散热能力直接相关的热阻和热时间常数也已被用于状态判断。cn102192845a根据功率损失以及实际温度与理想热阻模型之间的偏差诊断散热系统异常；cn111103319b利用热网络时间常数监测导热硅脂和散热风扇的健康状态；cn116127246a通过实际热阻曲线与基准热阻曲线的比较评估散热组件健康度。另有cn110926824b通过进、出风的压力、风速和风温测量发电机内循环风阻及散热量，cn115270380a则利用等效热网络估算电机各节点的稳态和瞬态温升。由此可见，热阻、时间常数、风量和温升模型本身均可作为已有检测手段。

4、船舶现场的问题在于，上述单项手段容易受到工况耦合影响。负载升高会同时带来损耗和温升增加；机舱温度、空气密度和总通风量变化会改变进风条件；同样的风速下降既可能来自风扇性能下降，也可能来自滤网或风道阻塞。若仅监测热阻或温度，还难以区分热源增加与散热路径退化；若仅监测风速，又难以排除局部湍流、安装角度和舱室通风变化的影响。另一方面，长期在线系统若无条件更新基线，还可能把缓慢恶化的数据吸收到“正常”参考值中。因此，需要把热源侧、风路侧和热响应侧的数据放到同一工况和同一时间基准下比较，并利用相互独立的物理证据对故障原因进行约束。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在船舶机舱负载和环境均随时间变化的情况下，获得能够表示电机实际散热能力的检测量，并在散热能力下降而绝对温度尚未越限时识别异常，同时避免把正常负载升高、机舱整体升温或单一传感器异常误判为电机散热故障。

2、为解决上述问题，本发明在被检测电机101及其冷却进风口102、冷却出风口103附近设置多源数据采集组件100，并通过同步采集与边缘处理单元200把温度场、进出风气流、电气负载和机械状态映射到统一时间轴。多源数据采集组件100包括温度场采集模块110、气流环境采集模块120、电气负载采集模块130和机械状态采集模块140，根据机舱污染情况还可设置油雾或盐雾沉积监测模块150。边缘处理单元200完成时间标记、异常值筛查、机舱环境修正及窗口统计，避免不同采样频率直接进入同一热过程计算。

3、温度场采集模块110至少取得机壳或散热筋的多个温度点，并可由红外热成像模块111取得覆盖驱动端、中部机壳和非驱动端的二维温度场；若电机已有绕组埋置温度传感器，则可直接读取绕组温度。气流环境采集模块120分别在冷却进风口102和冷却出风口103测量温度、湿度及风速，并可由压差传感器123记录冷却通道两端的压差。电气负载采集模块130用于获得估算热损耗所需的电流、电压、有功功率、功率因数、频率或转速数据；机械状态采集模块140至少用于取得轴承振动和冷却风扇转速。

4、散热机理建模单元300由热损耗估算模块310、等效热网络模块320、对流换热识别模块330、散热残差生成模块340和自适应基线模块350组成。热损耗估算模块310可按ploss=pcu+pfe+pme+pstray估算电机总热损耗，也可在能够取得轴端机械功率时由输入有功功率与机械输出功率之差求得ploss。这样，温升分析所用的分母对应于同一时间窗内实际产生的热量，而不是把额定功率或固定负载作为不变条件。

5、等效热网络模块320以绕组热点、定子铁心、机壳表面、轴承、冷却气流和机舱环境作为热节点321～326，描述从内部发热源到冷却介质的主要传热路径。在线检测时选取热点温度th和等效冷却参考温度ta,eq，并计算rθ(t)=[th(t)-ta,eq(t)]/[ploss(t)+ε]。rθ以实际热损耗归一化温差，因此在发热量随负载变化时仍具有可比性；当同一负载和环境条件下的散热路径阻力增加时，rθ相对于健康基线向不利方向偏移。

6、在出现足够明显的负载阶跃或风扇工况变化时，等效热网络模块320对后续温度响应进行动态辨识，得到时间常数τ。对流换热识别模块330则从空气密度ρ、有效流通面积a、代表性风速v以及进、出风温度计算qair=ρavcp(tout-tin)。由于不同电机的热量并非全部由排风带走，本发明不把qair与ploss作简单相等判断，而是在健康标定阶段确定二者的参考比例或参考曲线，再形成排风热平衡残差eq。对存在出风回吸风险的布置，还可计算crec=(tin-tenv)/(tout-tenv+ε)以表征进风受到出风热羽流影响的程度。

7、散热残差生成模块340从两条相互独立的观测链提取风路和表面热分布特征。一条观测链比较风扇转速与同工况下的实测风速，得到气流衰减量，并结合压差区分“风扇转得慢”和“风扇转速正常但通道阻力变大”；另一条观测链从红外温度场计算表面温度梯度gθ，例如采用95%分位温度与中位温度之差，降低单个反光像素对判断的影响。自适应基线模块350以负载率、机舱环境温度和机舱通风状态为索引，保存rθ、τ、气流衰减量、gθ、eq等指标在健康状态下的参考范围。

8、异常检测与诊断单元400先把当前指标换算为相对于对应工况基线的偏差，再依据数据可信度调整各项权重。可信度由冗余测点一致性、漂移状态、丢包情况、时间对齐误差和振动干扰等因素确定。对暂时失效或受污染的通道，系统降低其权重而不是直接以该通道的异常值触发故障。至少将rθ、eq以及一项风路或动态热响应指标共同参与融合后，得到0～100范围的散热健康指数hc，hc越低表示当前散热状态偏离检修后健康基线的程度越大。

9、故障原因的判定不由单个阈值直接给出，而是检查不同物理量是否形成一致的因果组合。当ploss明显增加而rθ、风速和风扇转速仍处于参考范围时，优先解释为负载升高；当风扇转速和实测风速同步下降且rθ或τ上升时，形成风扇退化证据；当风扇转速正常而压差增大或风速下降，同时gθ或rθ上升时，形成散热片或风道堵塞证据；当crec升高、tin随tout同步上移而风扇转速及压差无相应异常时，形成热风回流证据；当轴承局部温升与振动同步增加而风路指标基本正常时，则形成轴承摩擦增大证据。置信度评估模块440根据证据数量、方向一致性和对应传感器可信度计算故障置信度。

10、报警与运维输出单元500同时保留传统绝对温度保护和散热能力趋势保护。绕组、轴承或机壳的关键温度超过安全上限时，无论hc取值如何均直接进入安全报警；若关键温度尚未越限，但hc连续低于预警阈值并满足持续时间要求，则输出散热能力退化报警。报警事件保存触发前后的原始数据、基线版本和主要计算中间量，以便船员或岸基维护人员复核判断过程。

11、上述方案的关键不在于增加某一种传感器，而在于把“产生多少热量”“冷却空气是否按预期流动”“热量是否按健康状态的比例被带走”以及“机体温度场如何响应”放到同一时间窗和同一工况基线上核对。rθ用于消除主要负载变化的影响，eq用于检查热源与排风带热之间的关系，风扇转速—风速—压差用于定位风路异常，gθ和τ用于验证热响应是否同步恶化；受约束的基线更新又用于防止长期退化被学习成新的正常状态。

12、由此，本发明可在温度尚未达到传统保护限值时发现散热能力的持续偏移，并可利用不同证据组合区分负载升高、风扇性能下降、通道堵塞、热风回流及轴承摩擦增大等情形。由于各指标均在相应负载和机舱环境条件下与健康基线比较，环境升温、通风变化或个别传感器异常对最终诊断的影响受到限制；同时，诊断结果保留与物理量对应的中间依据，便于现场维护人员核查。