CN101405611A

CN101405611A - 用于指示电力传动系统的轴承内部放电的方法和装置

Info

Publication number: CN101405611A
Application number: CNA2007800093485A
Authority: CN
Inventors: 帕夫里克·马里诺夫
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: ATE439695T1; CN101405611B; US9140758B2; BRPI0708775B1; BRPI0708775A2; DE602006008423D1; EP1835598B1; EP1835598A1; US20090302864A1; WO2007106015A1

Abstract

本发明涉及一种用于指示在电力传动系统(10)的轴承(12)内的座圈(16、18)和滚动元件(20)之间的非导电介质(22)中放电的方法。该方法包括：遥测所述电力传动系统发射的射频信号，该信号包括与所述非导电介质中的放电相关联的射频信号；处理检测到的所述射频信号以预测放电；以及指示预测的放电。本发明还涉及一种用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中放电的相应装置(30、50、70、90)。

Description

用于指示电力传动系统的轴承内部放电的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于指示在电力传动系统的轴承内部放电的方法和装置。特别地，本发明涉及一种用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中放电的方法和装置。

背景技术

电力传动系统的操作通常被所谓的轴承电流(bearing current)妨碍，特别是诸如交流(AC)马达或发电机或连接到交流马达的驱动单元这样的交流系统。在马达中，通常模式电压在马达的内部杂散电容上的内部电压分配可能导致轴电压足够高，从而产生高频轴承电流脉冲。如果轴没有经由从动机器接地，同时马达机架以标准的方式接地用于保护，那么就可能发生上述情况。轴承电流脉冲也就是在轴承的座圈和滚珠之间的润滑油膜层中发生的放电将导致座圈的腐蚀。因而，轴承仅使用短暂的时间之后可能就需要更换。这种问题例如在文献“现代AC驱动系统中的轴承电流-技术指导第5号(Technical Guide No.5-Bearing Currents in Modern AC Drive Systems)”，ABB自动化集团有限公司，1999年(ABB Automation Group Ltd.，1999)，以及文献WO2005/034314中进行了记载。

当然，重要的是能够检测和/或测量轴承电流，以防止电力传动系统的轴承损坏，以及进行测量从而避免轴承电流。在上述的来自ABB自动化集团有限公司的文献中，提议使用一种特别设计的空心的罗氏柔性电流传感器来测量轴承电流，该传感器被用于在交流马达中确定的测量点处直接测量电流。然而，该方案的缺点是为了到达交流马达中的需要的测量点，交流马达不得不停止和/或至少部分地拆除，这不仅麻烦而且耗时，并且还必须由有经验的专门人员来实施。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺点，并且提供一种改进的用于指示轴承电流的方法，该方法特别易于实现。

借助于一种用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中放电的方法，以及一种相应的根据附加权利要求的指示装置，可以实现这些目的和其它目的，这些目的和其它目的从下面的描述中是显而易见的。

根据本发明的一方面，提供了一种用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中放电的方法，该方法包括：遥测从电力传动系统发射的射频信号，该信号包括与非导电介质中的放电相关联的射频信号，处理检测到的射频信号以预测放电，并且指示该预测的放电。

本发明基于下述理解，即通过指示轴承中的放电，轴承电流能够被检测和/或测量。放电产生特有的射频信号，例如借助于天线，该射频信号能够遥测到，而不会干扰电力传动系统或其操作。因此，通过遥测该特有的射频信号，不再需要电力传动系统内的访问测量点，这极大地便于指示轴承电流。

该电力传动系统可以是具有马达、转换器和控制系统的可调整或可变速的驱动系统。特别地，该电力传动系统可以是诸如交流马达或发电机或连接到交流马达的单元这样的交流系统，该单元例如是变速箱、泵、压缩机等。

应注意到，测量射频信号本身是已知的，该射频信号例如用于检测电机中的事件。例如文献WO 03/060536披露了一种电机监控系统，该系统包括天线以检测高频信号。然而，在WO03/060536中检测到的高频信号涉及来自直流(DC)马达的电刷触头的电弧(arcing)事件(也就是发光现象)，而不是在轴承中特定的放电(导电)。

与来自轴承内的放电相关联的射频信号应该具有下述特性中的至少一种：非重复信号、短于200ns和具有50MHz至8GHz范围内的频谱。更特别地，该信号应该是一种非重复信号，短于100ns和/或具有50MHz至1GHz范围内的频谱。如果检测到具有这些特性的信号，那么很有可能的是该信号是与放电相关联的信号。因而，在处理检测到的射频信号期间，可以有利地使用这些特性，从而预测放电。

在一个实施例中，检测射频信号包括使用磁场传感器检测与放电相关联的磁场。检测与放电相关联的磁场是有利的，因为磁场正比于放电电流，因而允许直接预测放电电流的大小。

优选地，磁场传感器包括闭合环路天线。另外优选的是，该天线是具有低Q因子的宽带天线。例如该天线的带宽可以在大约50MHz至8GHz之间，特别地在大约50MHz至1GHz之间，以检测与放电相关联的磁场且过滤掉其它不相关的信号，并且该Q因子可被选择，使得可获得平直的(flat)传感器响应，以允许正确地预测检测到的信号。

在另一实施例中，检测射频信号包括使用电场传感器检测与放电相关联的电场。当在非导电介质中发生放电时，电流开始流过轴承，导致电力传动系统中电压变平(level out)。该电压变平或电压改变反过来导致电场改变，由此与放电相关联，并且通过检测相关联的电场，能够指示放电。

在另一实施例中，处理检测到的射频信号包括借助于检测到的电场，检验根据检测到的磁场预测的放电。也就是说，仅当与放电相关联的磁场和与放电相关联的电场基本上同时都被检测到时，放电才被指示。该检验是有利的，因为不期望地检测到与放电相关联的磁场相类似的磁场将导致错误的指示。因此，根据该实施例的方法提供了备用检测。

处理检测到的射频信号还可包括过滤检测到的射频信号，以减少非放电杂波(noise)。例如该处理可使用高通滤波器来实施，该高通滤波器过滤掉低频噪声。这便于检测与放电相关联的射频信号，并且便于放电的预测。

此外，该方法可包括将预测的放电与预设的阈值进行比较，其中如果预测的放电超过预设的阈值，那么进行预测放电指示。在此情况下，该指示有利的是警报，该警报警告操作者已经发生了一定的放电。

根据本发明的另一方面，提供了一种装置，用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中的放电，该装置包括：用于遥测电力传动系统发射的射频信号的装置，该信号包括与非导电介质中的放电相关联的射频信号；用于处理检测到的射频信号以预测该放电的装置；以及用于指示预测放电的装置。本发明的这方面具有与本发明的在前描述相似的优点。

该电力传动系统例如可以是具有可选频率转换器的可调整或可变速的驱动系统。特别地，该电力传动系统可以是诸如交流马达或发电机或连接到交流马达的单元这样的交流系统，该单元例如是变速箱、泵、压缩机等。

与来自轴承内的放电相关联的射频信号应该具有下述特性中的至少一种：非重复信号、短于200ns和具有50MHz至8GHz范围内的频谱。更特别地，该信号应该是一种非重复信号，短于100ns和/或具有50MHz至1GHz范围内的频谱。如果检测装置检测到具有这些特性的信号，那么很有可能的是该信号是与放电相关联的信号。因而，这些特性有利地被处理装置使用，以预测放电。

在一个实施例中，用于检测射频信号的装置包括磁场传感器，用于检测与放电相关联的磁场。优选地，该磁场传感器包括闭合环路天线。另外优选的是，该天线是具有低Q因子的宽带天线。

在另一实施例中，用于检测射频信号的装置包括电场传感器，用于检测与放电相关联的电场。

在又一实施例中，用于处理检测到的射频信号的装置适于借助于检测到的电场检验根据检测到的磁场预测的放电。也就是说，仅当与放电相关联的磁场和与放电相关联的电场基本上同时都被检测到时，放电才被指示。

用于处理检测到的射频信号的装置还包括用于过滤检测到的射频信号的装置，例如高通滤波器，以减少非放电杂波。

此外，该装置可包括用于将预测的放电与预设的阈值进行比较的装置，其中如果预测的放电超过预设的阈值，那么用于指示预测的放电的装置被启动。

附图说明

本发明的这些和其它方面将参考显示本发明的当前优选实施例的附图进行更加详细的描述。整个附图中，相同的元件被相应地指代。

图1示例性地示出了电力传动系统和根据本发明实施例的用于指示放电的装置；

图2示出了来自磁场传感器和电场传感器的输出；

图3是根据本发明的另一实施例用于指示放电的装置的结构图；

图4是根据本发明的又一实施例用于指示放电的装置的结构图；和

图5是根据本发明的另又一实施例用于指示放电的装置的结构图。

具体实施方式

图1示例性地示出了电力传动系统，也就是交流驱动系统10，以及根据本发明的实施例用于指示放电的装置30。更具体地，图1包括交流系统10的部分横截面视图和装置30的结构图。

交流系统10例如可以是交流马达或发电机或连接到交流马达的单元，该单元例如是变速箱、泵、压缩机等。该交流系统10包括在此设置在轴14上的轴承12。该轴承12以已知的方式依次包括内座圈16、外座圈18和多个滚动元件20。该滚动元件12例如可以是滚轮或滚珠。在每个滚动元件20和座圈16、18之间的是诸如润滑剂的非导电介质22，例如润滑油膜层。如上所述，在润滑剂22中可能发生放电，从而电流开始流过轴承12，导致座圈16、18腐蚀。图1中润滑剂22中的放电用“闪电”指示(在图1中为了清楚起见该闪电被夸大)。

根据本发明，例如使用图1中的装置30能够指示放电。其它合适的装置将在后续图中示出。

该装置30包括连接到高通滤波器34的磁场传感器32，该高通滤波器34依次连接到数字存储示波器36。电场传感器38可以选择地连接到该示波器36。

当轴承12中发生放电时将产生磁场。通过将装置30设置在该交流系统10的附近，该磁场可由装置30的磁场传感器32检测到。该磁场传感器32优选地包括具有低Q因子的闭合环路宽带天线。更特别地，该磁场传感器32应该具有大约50MHz至8GHz的频率范围，特别是50MHz至1GHz，以检测与放电相关联的磁场，并且过滤其它不相关的信号。此外，该天线应该优选地以确保耦合最大化的方式进行定向。此外，整个磁场传感器32应该优选地被遮蔽，以最小化任何电场影响。替换地，可以使用基本上未被遮蔽的电场传感器来检测与放电相关联的电场，并且预测放电。

于是由磁场传感器32检测到的磁场信号在经过示波器36之前借助于高通滤波器34被过滤，以过滤掉例如来自周围装置或使用半导体元件转换齿轮的低频噪声，借助于该示波器的显示器，检测到的信号能够被显示给操作者。

在此，操作者能够人工地检查被检测到的信号，以预测放电。首先，操作者基于与轴承内的放电相关联的信号的特性能够预测放电的剪切(shear)发生。该信号应该是非重复信号，该信号应该短于200ns，并且该信号应该在50MHz至8GHz的频率范围内。特别地，该信号应该是非重复的，短于100ms和/或在50MHz至1GHz的频率范围内。如果操作者确定检测到的信号满足这些标准，那么操作者预测已经发生了放电。

第二，操作者能够预测放电电流的大小。与放电相关联的磁场正比于放电电流。因而，通过测量磁场的强度，放电电流的大小经过简单的计算就能够容易地被预测。磁场传感器32的低Q因子确保了正确地预测放电电流，该低Q因子设置用于平直的传感器响应。

作为上述人工操作的替换例，基于与上述放电相关联的信号的特性和磁场强度，示波器36的输出能够被传输到计算机装置40，用于放电的自动预测，以及用于进一步的处理、分析和存储。另外的处理和分析可包括执行放电计数、预测放电时间和大概的放电能量等。计算机装置40有利地包括诸如显示器的输出装置，用于指示放电和相关的数据。在此情况下，计算机装置40既处理检测到的信号又指示预测的放电。该计算机装置40还可有利地执行警报系统，其中例如如果放电数或放电大小超过预设的阈值，那么警报系统发出报警。

有利的是可选的电场传感器38的输出在放电的人工或自动预测中还可被考虑。当在润滑剂中发生放电时，电流开始流过轴承，从而交流系统的轴(该轴连接到轴承)的电压改变。因此，电压的快速改变导致与放电相关联的电场改变，如下面关于图2的解释，这有利地可被用于检验。

图2分别示出了磁场传感器32(上面)和电场传感器38(下面)的示例性输出。在A处，该磁场信号脉冲具有源自放电的非常长的持续时间和非常窄的被分类的频谱。因此，在A处不指示放电。然而，在B处，磁场信号脉冲具有的持续时间和频率落入与放电相关联的信号的上述特性内。此外，在相同的点处，轴电压中具有显著的快速改变(然而在A点处没有电压的改变)。电压的改变证实了上述基于磁场的在B处具有放电的假设。因而，在B处放电被预测和指示。在自动预测中，能够有利地建立条件，即如果检测到与放电相关联的磁场和电场两者，那么放电被预测且由此被指示。

应注意到，来自电场传感器38的输出可以单独使用来预测放电。然而，电场不是正比于放电电流，因而优选的是使用磁场作为起始点来预测放电。

图3是根据本发明的另一实施例的装置50的结构图，该装置50用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中的放电，该电力传动系统如图1中的系统10。

该装置50包括串联连接的磁场传感器32、匹配网络52、高通滤波器34、对数检测器54、采样和保持放大器56以及具有集成模数转换器(ADC)的微控制器58。

操作时，由磁场传感器32捕获的射频信号经过匹配网络52，该匹配网络用于将磁场传感器32的天线的阻抗转换成期望的阻抗，例如50Ω，并且经过上述的高通滤波器34。于是对数检测器54将射频信号输入转换成相应的分贝比例的输出电压。该对数检测器54有利地具有短暂的大约10-15ns的响应时间，这适于检测“迅速的”放电。然而，为了给微控制器58中的ADC提供足够的时间，从而将模拟信号转换成数字形式，使用采样和保持放大器56。该采样和保持放大器56存储对数检测器54的输出电压，并且保持该输出电压，直到ADC已经完成其转换，因此微控制器58重新设置采样和保持放大器56。除了采样和保持放大器56之外，可替换地使用峰值检测器。除了控制装置以外，微控制器58还能够执行处理功能，类似于上述的计算机装置40，从而在此基于检测到的信号的数字形式来预测放电。

有利的是该微控制器58还连接到诸如显示器的输出装置60，以允许指示检测到的放电和其它数据，并且连接到诸如键盘的输入装置62，以允许操作者将指令输入到微控制器，该微控制器58还连接到存储器64，用于存储与检测到的信号相关的数据。

图4是根据本发明的又一实施例的装置70的结构图，该装置70用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中的放电，该电力传动系统如图1中的系统10。

该装置70是图3中所示的装置50的简化形式，并且包括串联连接的磁场传感器32、高通滤波器34、对数检测器54、阈值电路72和警报器74。如上所示，检测到的信号被过滤并被转换成输出电压，该输出电压供应到具有预设阈值的阈值电路72。当输出电压超过该预设阈值时，警报器74起动以指示放电。根据与上述讨论的放电相关联的信号的特性，该预设阈值被选择，使得没有错误的放电。除了对数检测器54之外，可替换地使用峰值检测器。

图5是根据本发明的再一实施例的装置90的结构图，该装置90用于指示在电力传动系统的轴承内的座圈和滚动元件之间的非导电介质中的放电，该电力传动系统如图1中的系统10。

该装置90包括串联连接的磁场传感器32、匹配网络52、高通滤波器34、模数转换器92、存储器94和微控制器96。输出装置60(例如显示器)和输入装置62(例如键盘)也连接到微控制器96。在该装置90中，使用大于2GS/s的ADC 92可以对被检测且被过滤的射频信号进行实时模数转换。该存储器94用作数据缓冲器。微控制器96的全部功能与微控制器58相类似。

本领域技术人员将意识到本发明决不限于上面描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内的许多修改和变型是可能的。例如，如关于图1和图2所描述的用于证实被检测的放电的电场传感器也可以结合到图3至5所示的装置中。

Claims

1.一种用于指示在电力传动系统(10)的轴承(12)内的座圈(16、18)和滚动元件(20)之间的非导电介质(22)中的放电的方法，包括：

遥测所述电力传动系统发射的射频信号，该信号包括与所述非导电介质中的放电相关联的射频信号，

处理检测到的所述射频信号以预测放电，以及

指示预测的放电。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述电力传动系统是交流系统。

3.如权利要求1所述的方法，其中与放电相关联的所述射频信号具有下述各项中的至少一项：为非重复信号、短于200ns和具有50MHz至8GHz范围内的频谱。

4.如权利要求3所述的方法，其中与放电相关联的所述射频信号具有下述各项中的至少一项：为非重复信号、短于100ns和具有50MHz至1GHz范围内的频谱。

5.如权利要求1所述的方法，其中检测所述射频信号包括使用磁场传感器(32)检测与放电相关联的磁场。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述磁场传感器包括闭合环路天线。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述天线是具有低Q因子的宽带天线。

8.如权利要求1或5所述的方法，其中检测所述射频信号包括使用电场传感器(38)检测与放电相关联的电场。

9.如权利要求8所述的方法，其中处理检测到的所述射频信号包括借助于检测到的电场检验根据检测到的磁场预测的放电。

10.如权利要求1所述的方法，其中处理检测到的所述射频信号包括过滤检测到的所述射频信号，以减少非放电杂波。

11.如权利要求1所述的方法，还包括将预测的放电与预设的阈值进行比较，其中如果所述预测的放电超过所述预设的阈值，那么就执行所述预测的放电的指示。

12.一种用于指示在电力传动系统(10)的轴承(12)内的座圈(16、18)和滚动元件(20)之间的非导电介质(22)中的放电的装置(30、50、70、90)，包括：

用于遥测所述电力传动系统发射的射频信号的装置(32、34)，该信号包括与所述非导电介质中的放电相关联的射频信号，

用于处理检测到的所述射频信号以预测放电的装置(34、36、40、54、56、58、92、94)，以及

用于指示预测的放电的装置(36、40、60、74)。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述电力传动系统是交流系统。

14.如权利要求12所述的装置，其中与放电相关联的所述射频信号具有下述各项中的至少一项：为非重复信号、短于200ns和具有50MHz至8GHz范围内的频谱。

15.如权利要求14所述的装置，其中与放电相关联的所述射频信号具有下述各项中的至少一项：为非重复信号、短于100ns和具有50MHz至1GHz范围内的频谱。

16.如权利要求12所述的装置，其中用于检测所述射频信号的装置包括磁场传感器(32)，所述磁场传感器(32)用于检测与放电相关联的磁场。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述磁场传感器包括闭合环路天线。

18.如权利要求17所述的装置，其中所述天线是具有低Q因子的宽带天线。

19.如权利要求12或16所述的装置，其中用于检测所述射频信号的装置包括电场传感器(38)，所述电场传感器(38)用于检测与放电相关联的电场。

20.如权利要求19所述的装置，其中用于处理检测到的所述射频信号的装置适于借助检测到的电场检验根据检测到的磁场预测的放电。

21.如权利要求12所述的装置，其中用于处理检测到的所述射频信号的装置包括用于过滤检测到的所述射频信号以减少非放电杂波的装置(34)。

22.如权利要求12所述的装置，还包括用于将预测的放电与预设的阈值进行比较的装置(72)，其中如果所述预测的放电超过所述预设的阈值，那么用于指示所述预测的放电的装置就被启动。