DE112013007412T5 - Bearing assembly comprising a sensor roller - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lagerbaugruppe umfassend einen Innenring (16), einen Außenring (14), eine Mehrzahl an Laufrollen (10), umfassend wenigstens eine Sensorrolle (10a), die in einem Käfig (18) zwischen dem Innenring (16) und dem Außenring (14) angeordnet ist, wobei die Sensorrolle (10a) mit einer Bohrung (24) ausgestattet ist, die eine Sensoreinheit (26) und wenigstens einen ersten Abschnitt einer Generatorbaugruppe (28) aufnimmt. Es ist vorgesehen, dass die Generatorbaugruppe (28) einen zweiten Abschnitt umfasst, der vom Käfig (18) bereitgestellt wird oder an diesem angeordnet ist, wobei wenigstens ein Magnetkreis der Generatorbaugruppe (28) wenigstens teilweise vom zweiten Abschnitt als Funktion einer relativen Rotation zwischen dem Käfig (18) und der Sensorrolle (10a) geöffnet und geschlossen wird, wobei der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe (28) konfiguriert ist, um mit dem zweiten Abschnitt der Generatorbaugruppe in Wechselwirkung zu treten, um aus einer relativen Rotation zwischen dem Käfig (18) und der Sensorrolle (10a) Energie zu generieren.The invention relates to a bearing assembly comprising an inner ring (16), an outer ring (14), a plurality of rollers (10), comprising at least one sensor roller (10a) in a cage (18) between the inner ring (16) and the outer ring (14), wherein the sensor roller (10a) is provided with a bore (24) receiving a sensor unit (26) and at least a first portion of a generator assembly (28). It is contemplated that the generator assembly (28) includes a second portion provided by or disposed on the cage (18), wherein at least one magnetic circuit of the generator assembly (28) is at least partially spaced from the second portion as a function of relative rotation between the second assembly Cage (18) and the sensor roller (10a) is opened and closed, wherein the first portion of the generator assembly (28) is configured to interact with the second portion of the generator assembly to prevent relative rotation between the cage (18). and the sensor roll (10a) to generate energy.
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine Sensorrolle und eine eine solche Sensorrolle umfassende Lagerbaugruppe. The invention relates to a sensor roller and a bearing assembly comprising such a sensor roller.
Technischer Hintergrund Technical background
Das Ausstatten von Lagern mit verschiedenen Sensoren zur Lasterfassung und zum Messen von Temperatur, Rotationsgeschwindigkeit, Lärm etc. ist bekannt. In einigen Fällen werden Sensoren gemeinsam mit drahtlosen Sendern innerhalb von Rollen angeordnet und müssen mit Energie versorgt werden. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer Batterie. Es hat sich jedoch erwiesen, dass die Batterielebensdauer die Lagerlebensdauer bei wichtigen Anwendungsbereichen unterschreitet und Batteriewechsel umständlich sind. The provision of bearings with various sensors for load detection and for measuring temperature, rotation speed, noise, etc. is known. In some cases, sensors along with wireless transmitters are placed inside reels and need to be powered. One solution to this problem is the use of a battery. However, it has been found that the battery life falls below the bearing life in important applications and battery replacement is cumbersome.
Das Dokument
Die Energieversorgung der Übertragungs- und Verstärkungseinrichtungen wird mittels einer kleinen Spule erreicht, die in Verbindung mit dem Verstärker/Sender in der Bohrung der Laufrolle montiert ist und deren Ende außerhalb des Endes der Laufrolle herausragt. Die Spule ist in der Sensorrolle angeordnet, um mit einer großen stationären Spule zu kommunizieren, die am stationären Lagerring bereitgestellt wird. The power supply of the transmission and amplification means is achieved by means of a small coil which is mounted in connection with the amplifier / transmitter in the bore of the roller and whose end protrudes outside the end of the roller. The coil is disposed in the sensor roller to communicate with a large stationary coil provided on the stationary bearing ring.
Die stationäre Spule stellt der in der Laufrolle angeordneten Spule Energie bereit, und die in der Bohrung angeordnete Spule sendet kontinuierliche Belastungsdaten in der Form von Dehnungswerten von den Sensoren. The stationary coil provides energy to the coil disposed in the roller, and the coil disposed in the bore sends continuous load data in the form of strain values from the sensors.
Die Lösung in
Das Dokument
Die in
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensorrolle mit integrierter Generatorbaugruppe mit verringerten Wartungskosten, langer Lebensdauer und Potential für Miniaturisierung bereitzustellen. The object of the invention is to provide a sensor roll with integrated generator assembly with reduced maintenance costs, long life and potential for miniaturization.
Die Erfindung beginnt mit einer Lagerbaugruppe umfassend einen Innenring, einen Außenring, eine Mehrzahl an Laufrollen, umfassend wenigstens eine Sensorrolle, die in einem Käfig zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet ist, wobei die Sensorrolle mit einer Bohrung ausgestattet ist, die eine Sensoreinheit und wenigstens einen ersten Abschnitt einer Generatorbaugruppe aufnimmt. The invention begins with a bearing assembly comprising an inner ring, an outer ring, a plurality of rollers, comprising at least one sensor roller, which is arranged in a cage between the inner ring and the outer ring, wherein the sensor roller is provided with a bore having a sensor unit and at least receives a first portion of a generator assembly.
Es ist vorgesehen, dass die Generatorbaugruppe einen zweiten Abschnitt umfasst, der vom Käfig bereitgestellt wird oder an diesem angeordnet ist, wobei wenigstens ein Magnetkreis der Generatorbaugruppe wenigstens teilweise vom zweiten Abschnitt als Funktion einer relativen Rotation zwischen dem Käfig und der Sensorrolle geöffnet und geschlossen wird, wobei der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe konfiguriert ist, um mit dem zweiten Abschnitt der Generatorbaugruppe in Wechselwirkung zu treten, um aus einer relativen Rotation zwischen dem Käfig und der Sensorrolle Energie zu generieren.It is contemplated that the generator assembly includes a second portion provided by or disposed on the cage, wherein at least one magnetic circuit of the generator assembly is at least partially opened and closed by the second portion as a function of relative rotation between the cage and the sensor roller; wherein the first portion of the generator assembly is configured to interact with the second portion of the generator assembly to generate energy from relative rotation between the cage and the sensor roller.
Die Verteilung der Generatorbaugruppe über die Sensorrolle und den Käfig eröffnet Miniaturisierungspotential derart, dass Generatoren selbst für Laufrollen mit kleinem Bohrungsvolumen bereitgestellt werden können. Das Bewegen von Elementen innerhalb der Bohrung kann vermieden werden, und folglich können die Robustheit und Lebenszeit der Baugruppe weiter verbessert werden. The distribution of the generator assembly via the sensor roller and the cage opens up the potential for miniaturization such that generators can be provided even for small bore rollers. Moving elements within the bore can be avoided, and thus the robustness and lifetime of the assembly can be further enhanced.
Die Verwendung einer Magnetkopplung anstelle eines elastischen Kopplungselements ermöglicht einen praktisch verschleißfreien Betrieb und lange Lebensdauer. Die magnetischen Eigenschaften sind gegenüber externen Einflüssen weniger anfällig als elastische Eigenschaften eines elastischen Kopplungselements. Weiterhin kann die magnetische Wechselwirkung einfach mit Permanentmagneten generiert werden und kann zu den vom Generator verwendeten Magnetflusskreisen beitragen. The use of a magnetic coupling instead of an elastic coupling element allows a practically wear-free operation and long life. The magnetic properties are less susceptible to external influences than elastic properties of an elastic coupling element. Furthermore, the magnetic interaction can be easily generated with permanent magnets and can contribute to the magnetic flux circuits used by the generator.
Die Erfindung ist auf großformatige Rollenlager wie Lager für Windenergieanlagen, die überwacht werden müssen, anwendbar. Einschränkungen sind durch den maximalen Miniaturisierungsgrad für die in der Bohrung der Laufrolle unterzubringende Generatorbaugruppe sowie die Leistungsmenge, die bei einer gewissen Rotationsgeschwindigkeit zu generieren ist, gegeben. Die Lager können einreihige oder mehrreihige Rollenlager sein und können mit einer oder mehreren Sensorrollen pro Reihe ausgestattet sein.The invention is applicable to large sized roller bearings, such as bearings for wind turbines, which must be monitored. Restrictions are given by the maximum degree of miniaturization for the generator assembly to be accommodated in the bore of the roller and the amount of power to be generated at a certain rotational speed. The bearings can be single-row or multi-row roller bearings and can be equipped with one or more sensor rollers per row.
Die Sensoreinheit kann Dehnungssensoren, Temperatursensoren, Schwingungssensoren oder sonstige gewünschte Sensoren umfassen. The sensor unit may include strain sensors, temperature sensors, vibration sensors or other desired sensors.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der zweite Abschnitt der Generatorbaugruppe wenigstens eine Spule umfasst, die einen Magnetfluss des Magnetkreises enthält. Die in der Spule induzierte Wechselspannung kann zum Generieren von Energie verwendet werden. It is further contemplated that the second portion of the generator assembly comprises at least one coil containing a magnetic flux of the magnetic circuit. The AC voltage induced in the coil can be used to generate energy.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Generatorbaugruppe einen bürstenlosen Gleichstromgenerator, wobei der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe der Statorabschnitt des bürstenlosen Gleichstromgenerators und der zweite Abschnitt der Generatorbaugruppe der Rotorabschnitt des bürstenlosen Gleichstromgenerators ist. In one embodiment of the invention, the generator assembly includes a brushless DC generator, wherein the first portion of the generator assembly is the stator portion of the brushless DC generator and the second portion of the generator assembly is the rotor portion of the brushless DC generator.
Vorzugsweise umfasst der zweite Abschnitt der Generatorbaugruppe wenigstens zwei Permanentmagnete, die in zu einer Rotationsachse der Sensorrolle symmetrischen Positionen angeordnet sind und durch eine Metallplatte mit hoher magnetischer Durchlässigkeit verbunden sind. Preferably, the second portion of the generator assembly includes at least two permanent magnets disposed in positions symmetric about an axis of rotation of the sensor roller and connected by a high magnetic permeability metal plate.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe wenigstens einen U-förmigen Magnetkern, der mit wenigstens einer Spule versehen ist, umfasst. In this case, it is preferable that the first portion of the generator assembly comprises at least one U-shaped magnetic core provided with at least one coil.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Generatorbaugruppe einen Reluktanzgenerator, wobei der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe der Statorabschnitt des Reluktanzgenerators ist und der zweite Abschnitt der Generatorbaugruppe der Rotorabschnitt des Reluktanzgenerators ist. In another embodiment of the invention, the generator assembly includes a reluctance generator, wherein the first portion of the generator assembly is the stator portion of the reluctance generator and the second portion of the generator assembly is the rotor portion of the reluctance generator.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der erste Abschnitt der Generatorbaugruppe wenigstens zwei Permanentmagnete umfasst, die in zu einer Rotationsachse der Sensorrolle symmetrischen Positionen angeordnet sind und mit einem Magnetkern verbunden sind. In this case, it is preferable that the first portion of the generator assembly comprises at least two permanent magnets arranged in positions symmetrical to a rotation axis of the sensor roller and connected to a magnetic core.
Bei der weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass der zweite Abschnitt der Generatorbaugruppe wenigstens eine Metallplatte mit hoher magnetischer Durchlässigkeit umfasst, die angeordnet ist, um einer axialen Stirnfläche eines Körpers der Sensorrolle mit einem Luftspalt zugewandt zu sein. In the further embodiment of the invention, it is preferable that the second portion of the generator assembly comprises at least one high magnetic permeability metal plate arranged to face an axial end surface of a body of the sensor roller having an air gap.
Das Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler- und Energiespeichermodul kann ein einfacher Gleichrichter mit Spannungsausgangsregler (Abwärts/Aufwärts) oder ein Spannungsvervielfacherkreis und ein Spannungsregler oder ein Batterieladekreis sein. Fachleute werden die Art der Speicherzelle abhängig vom beabsichtigen Nutzungsprofil in Kombination mit dem Rollengeschwindigkeitsprofil wählen. So ist beispielsweise für die Erkennung von Lagerdefekten eine Messung nur sinnvoll, wenn sich das Lager bewegt. Bei statischen Messungen wie Temperatur, Dehnung, Winkel etc. ist es notwendig, sich auf die Energiespeicherkapazität des Moduls zu verlassen. The AC-to-DC converter and energy storage module may be a simple voltage output regulator (buck / boost) rectifier or a voltage multiplier circuit and a voltage regulator or battery charge circuit. Those skilled in the art will select the type of memory cell depending on the intended usage profile in combination with the roll speed profile. For example, for the detection of bearing defects, a measurement only makes sense when the bearing is moving. For static measurements such as temperature, strain, angle, etc., it is necessary to rely on the energy storage capacity of the module.
Die Art der Energiespeicherungseinrichtung ist vom Nutzungsprofil (Messung und Übertragung) in Kombination mit dem Rotationsgeschwindigkeitsprofil abhängig. Es können Strategien entwickelt werden, um Messungen und Übertragung nur vorzunehmen, wenn ausreichend Leistung vom Generator zur Verfügung steht, und dass die Daten unter Bedingungen, bei denen die Leistung unzureichend ist, in nichtflüchtigen Speichern gesichert werden. In diesem Fall kann eine kleine Speicherzelle, zum Beispiel ein Kondensator, verwendet werden, um den Energiebedarf während der Datensicherung abzudecken.The type of energy storage device depends on the usage profile (measurement and transmission) in combination with the rotational speed profile. Strategies can be developed to perform measurements and transmission only when sufficient power is available from the generator, and to save the data in non-volatile memory under conditions where performance is insufficient. In this case, a small memory cell, for example a capacitor, can be used to cover the energy needs during data backup.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine drahtlose Übertragungseinheit umfasst, um Sensorsignale an eine Empfängereinheit zu übertragen.Furthermore, it is provided that the sensor unit comprises a wireless transmission unit in order to transmit sensor signals to a receiver unit.
Obwohl die Erfindung auf andere Arten von Laufrollen wie beispielsweise Toroidalrollenlager oder Kegelrollenlager anwendbar ist, sind die breitesten Anwendungsmöglichkeiten bei Zylinderrollen gegeben. Although the invention is applicable to other types of rollers such as toroidal roller bearings or tapered roller bearings, the widest possible applications are in cylindrical rollers.
Vorzugsweise sind die Sensoreinheit und der in der Bohrung aufgenommene Abschnitt der Generatorbaugruppe vorzugsweise unter Verwendung einer PUR-Vergussmasse eingekapselt, um Korrosion durch aggressive Inhaltsstoffe von für die Laufrolle verwendeten Schmierstoffen zu verhindern. Preferably, the sensor unit and the portion of the generator assembly received in the bore are preferably using encapsulated in a PUR potting compound to prevent corrosion by aggressive ingredients of lubricants used for the caster.
Vorzugsweise beträgt die Breite des Luftspalts im Magnetkreis, der den ersten und den zweiten Abschnitt der Generatorbaugruppe trennt, höchstens 1 mm. Breitere Spalten führen zu einem unzureichenden Wirkungsgrad der Generatorbaugruppe.Preferably, the width of the air gap in the magnetic circuit separating the first and second sections of the generator assembly is at most 1 mm. Wider columns lead to insufficient efficiency of the generator assembly.
Die obenstehende Beschreibung der Erfindung sowie die angehängten Ansprüche, Figuren und die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen zeigen mehrere kennzeichnende Merkmale der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Fachleuten wird es leicht fallen, weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Merkmale in Betracht zu ziehen, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. The above description of the invention as well as the appended claims, figures and the following description of preferred embodiments show several distinctive features of the invention in specific combinations. It will be readily apparent to those skilled in the art to contemplate other combinations or subcombinations of these features to adapt the invention as defined in the claims to its specific requirements.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen Detailed description of the embodiments
Das Lager ist ein einreihiges Rollenlager umfassend eine Sensorrolle
Das Lager umfasst einen Innenring
Die Laufrollen
Die Sensorrolle
Die Generatorbaugruppe
In der in
Der zweite Abschnitt
Der erste Abschnitt
Die Breite des Luftspalts und die Stärke der Magneten
Die Generatorbaugruppe
Der Wechselstrom-Gleichstrom- und Energiespeicherkreis
Der drahtlose Überwachungsknoten
Bei der Ausführungsform in
In diesem Fall ist es der erste Abschnitt
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst der zweite Abschnitt
Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung können der Käfig
Die Erfindung gemäß der beiden Ausführungsformen gestattet es, auf eine externe Leistungsquelle zu verzichten, und während der gesamten Lebensdauer des Lagers kann die Leistung intern generiert werden. Verglichen mit einer Lösung vom Typ eingebettete exzentrische Masse/Pendel kann wesentlich mehr Leistung generiert werden, da die Kraft, die über die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Käfig
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