CN102106064B - 用于对电机进行轴承电流监视的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电机(10)进行轴承电流监视的方法等。利用设置在离所述轴一定距离(d)处的电极(100)以及利用该轴，由于电极和轴之间的空隙(S)而形成测量电容(C)，并且测量在施加于该轴和外壳之间的电压(Ug)随时间变化的情况下流过该测量电容的偏电流(i)。当该偏电流或者利用该偏电流形成的测量参数满足预定的触发标准时产生显示轴承通过电流的测量信号(Ms)。优选地，该电极具有圆形的内轮廓，从而该空隙是圆环形的。通过该圆环形的内轮廓，在轴出现不平衡的情况下实现误差补偿，因为因子dC/dt至少基本上保持恒定。由于对偏电流的无接触的测量，可以弃用与轴接触的接触刷。该方法可与轴承是否相对于电机外壳绝缘无关地使用。

Description

用于对电机进行轴承电流监视的方法和装置

技术领域

本发明涉及具有根据权利要求1的前序部分的特征的方法。

背景技术

这种方法例如由国际专利申请WO2006/134068公开。在该文献中描述的方法之一规定，借助机械设置在电机的轴上并与该轴电接触的接触刷来测量施加在电机的轴和外壳之间的电压。通过这种方式测得的电压在分析装置中被分析，并且当出现轴承电流(Lagerstrom)时产生测量信号。

此外，所述文献公开了用于监视轴承电流的另一种方法；在该另一种方法中支撑该电机的轴的轴承与电机外壳电绝缘。要测量并分析轴承和外壳之间的电压，以检测轴承电流事件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种方法，利用该方法可以特别简单地以及用尽可能少的代价执行轴承电流监视。

该技术问题根据本发明通过具有根据权利要求1的特征的方法解决。本发明方法的优选实施方式在从属权利要求中给出。

据此根据本发明规定，利用设置在离所述轴一定距离处的电极以及利用该轴由于电极和轴之间的空隙而形成测量电容，并且测量在施加于该轴和外壳之间的电压随时间变化的情况下流过该测量电容的偏电流(Verschiebestrom)，以及当该偏电流或者利用该偏电流形成的测量参数满足预定的触发标准时产生显示轴承通过电流(Lagerstromfluss)的测量信号。

本发明方法的主要优点在于，在该方法中不需要接触刷来实现对施加在轴上的轴-外壳电压的电压变化的测量。因此在本发明的方法中与现有技术不同地设置，例如不是测量施加在轴上的电压本身，而是测量在电压变化的情况下从轴流出的电容性的偏电流以及分析该偏电流。该偏电流用测量电极来测量，该测量电极设置在离轴一定距离处，也就是无接触地设置，并且与轴一起形成电容。因此由于对偏电流的测量，不需要与轴的电接触，从而可以弃用与磨损有关并且需要持续维护电机的接触刷。

本发明的另一主要优点在于，本发明可以在任意的电机中使用；从而可以与轴承相对于外壳是否绝缘无关地测量轴承电流事件。

特别优选的，利用具有圆形孔的电极形成测量电容，所述轴可以穿过该圆形孔引导并且该圆形孔以轴为中心地设置，使得所述空隙呈圆环形。通过圆形的内轮廓和圆形的空隙，可以避免在轴具有不平衡的情况下导致测量误差。在不平衡的情况下，轴和电极之间的距离在轴旋转期间与位置有关地改变，从而由于关系式i≈C*dUg/dt+Ug*dC/dt(C：测量电容，Ug：轴-外壳电压，i：电流)而除了偏电流之外，在轴放电的情况下另外还出现与放电过程无关并且单单归因于由于轴的不平衡而导致的空隙的时间变化的电流分量。该电流分量If＝Ug*dC/dt在空隙呈圆环形的情况下不会引起明显的干扰，因为在轴旋转期间虽然希望一些圆环片段有时与轴之间具有比平常更小的距离，但是对面设置的圆环片段推挽式地与轴之间具有更大的距离，从而出现了补偿，因为因子dC/dt保持得较小。

优选的，所述测量电容通过圆环形的电极形成，也就是既具有圆形内轮廓又具有圆形外轮廓的电极。

根据本方法的优选实施方式规定，当偏电流或用该偏电流形成的测量参数达到或超过预定的边界电流时，认为触发标准得到了满足。

根据本方法的另一优选实施方式规定，通过电阻传导偏电流，并且当该电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时，认为触发标准得到了满足。优选的，当电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数达到或超过预定的边界电压时，认为电压触发标准得到了满足。

为了抑制外部的干扰影响，优选的是对所述电阻上降落的测量电压进行高通滤波和/或带通滤波，并且在经过滤波的测量电压或者从该经过滤波的测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时产生测量信号。

本发明还涉及一种具有电机、尤其是电动机或发电机的装置，该电机具有在外壳中借助至少一个轴承可旋转地支撑的轴，并且该装置还具有用于监视轴承电流的测量装置。

对此，本发明要解决的技术问题是提供一种装置，该装置尽可能与磨损无关并且与支撑电机的轴的轴承相对于电机的外壳是否电绝缘无关地实现轴承电流监视。

该技术问题根据本发明通过具有根据权利要求7的特征的装置解决。

本发明的装置的优选实施方式在从属权利要求中给出。

对于本发明装置的优点可以参见上述结合本发明方法的实施方式，因为该装置的优点基本上对应于本发明的方法。

附图说明

下面借助实施例详细解释本发明；在此例如：

图1以纵截面示出具有电机和用于监视轴承电流的测量装置的装置的第一实施例；

图2以横截面示出根据图1的装置的轴的支撑；

图3以横截面示出根据图1的装置的电极的定位；

图4示出用于根据图1的装置的分析装置的第一实施例的等效电路图；

图5示出用于根据图1的装置的分析装置的第二实施例；

图6示出具有电机和用于轴承电流监视的测量装置的装置的第二实施例，其中该装置的电极具有圆环形的内轮廓和外轮廓；

图7示出根据图6的装置的轴的支撑，以及

图8示出具有电机和用于轴承电流监视的测量装置的装置的第三实施例，其中该装置的电极具有圆环形的内轮廓和任意其它形状的外轮廓。

在附图中为清楚起见对相同或类似的部件始终使用相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出装置的实施例，该装置具有电机10以及用于监视轴承电流的测量装置20，该电机例如可以是电动机或发电机。

如图1中可以识别出的，电机10具有外壳30，该外壳通过上部的外壳部件40以及下部的外壳部件50形成。电机10的轴60由两个轴承70和80可旋转地支撑。两个轴承70和80在图1中仅示意性示出。在轴60和这两个轴承70和80之间或在这两个轴承70和80内一般具有润滑剂膜，该润滑剂膜未在图1中详细示出，而只通过附图标记90表示。

轴承70以及轴承80可以导电地与两个外壳部件40和50连接；替换地两个轴承70和80还可以通过在图1中未示出的绝缘体与外壳30电分离。不管轴承70和80一方和外壳30这另一方之间的电绝缘是否存在，对测量装置20的工作来说都不起作用。

从图1中还另外可以看出，测量装置20具有电极100，该电极100设置在轴60附近的距离d处。由此在电极100和轴60之间具有在图1中用附图标记S表示的空隙。由于空隙S，在轴60和电极100之间形成测量电容C，该测量电容在图1中通过虚线显示。

电极100与分析装置120的测量输入端110电连接。该分析装置120的另一测量输入端130与外壳地端140连接，电机10的外壳30就电气地位于该外壳地端的电势上。

在图2中以纵截面示出借助轴承70对轴60的支撑的实施例。可以看见，轴承70具有间接或直接与外壳30连接的外支撑环200以及多个滚动体210。滚动体210设置在外支撑环200和与轴60连接的内支撑环220之间。内支撑环220可以是轴承70的组成部分或者属于轴60；但在后一种情况下对轴承的功能不起作用。

在滚动体210和两个支撑环200和220之间具有润滑剂膜90。如已经讨论的，外支撑环200是与外壳30电绝缘还是与该外壳30电连接是无关紧要的。

在静止的电机10中，滚动体210设置在内支撑环和外支撑环中。滚动体可以是球体、圆柱体、针状体或其它结构形状。一般来说，尤其是在非常大的电机中，滚动体和轴承套是由钢制成的。由此在静止的电机中，轴60与外壳30电短接。如果轴60旋转，滚动体210在润滑剂膜90上运动；润滑剂膜从各滚动体之前的锲形的润滑剂储备馈入。润滑剂膜导致取决于润滑剂的粘度(随着轴承的老化程度、温度等变化)的电绝缘。根据电机大小，现在可以在轴60和外壳30之间建立取决于轴承的特性、电动机控制(例如频率变换器及其与电动机的连接端子等)以及取决于轴承本身质量(划痕，粗糙度等)的电压。在一定的电压时，润滑剂膜90的绝缘失效(在小电动机的情况下是10...12V，在大电动机的情况下是70...100V)，并且出现轴承电流。对轴承电流的测量在下面示例性地详细解释。

在图3中以横截面示出轴60，而且沿着根据图1的剖面B-B。可以看出离轴60一定距离设置的电极100，从而构成空隙S。与电极100连接的分析装置在该截面中看不出来。

结合图4，现在要解释根据图1的分析装置120如何工作。为此在图4中示例性示出该分析装置120的等效电路图。在图4中可以看出测量电容C，电阻R与该测量电容C连接。在电阻R之后连接了电比较器300。

如果现在施加在轴60上的电势出现改变，例如因为有放电电流流过，则由此轴60和外壳接地端140之间的电压Ug也改变。由于该电压变化，产生偏电流i，该偏电流流过电阻R并且导致电阻R上的电压降。对于电流i近似地有下式成立：

i≈C*dUg/dt

电阻R上的电压降被继续用作测量电压Um并且馈入比较器300中。比较器300将测量电压Um与预定的最小电压进行比较，并且当测量电压Um超过该预定的最小电压时产生显示轴承通过电流的测量信号Ms。

R和C的值优选分别与电机类型(电动机/发电机，结构尺寸，构造，功率)匹配；为此例如利用用于不同的R和C值来执行测试测量，直到已经确定了具有对相应电机最佳的测量特性的R/C值对。

例如，比较器300产生二进制的测量信号，例如当预定的最小电压被超过时具有逻辑1。相反，如果比较器300确定电压Um没有达到预定的最小电压，则比较器300在输出端例如产生具有逻辑0的二进制输出信号作为测量信号Ms。

分析装置120利用以下特征：从轴60通过轴承70或80到外壳30的放电电流一直导致相对大的电压变化dUg/dt，因此在有轴承电流流过的情况下出现相应大的电压Um，该电压可由比较器300确定。相反，非基于施加在轴60上的电势的放电的其它电流一般具有更小的时间变化，从而分析装置120不会采集到该时间变化，因为商dUg/dt在存在该其它电流的情况下太小。

在图5中示出根据图1的分析装置120的替换实施方式。在该实施例中，分析装置120除了比较器300之外还具有带通滤波器310，该带通滤波器设置在电阻R和比较器300之间。

带通滤波器310的功能在于，将不是归因于轴60上的放电过程的干扰频率从测量电压Um中滤出并且形成经过滤波的测量电压Um’，由此干扰频率不会干扰比较器300的工作方式。优选的，所述带通滤波器在介于1MHz和100MHz之间的频率范围中具有非常小的衰减，因为要由分析装置120采集的放电电流的频率处于该频率范围中。在介于1MHz和100MHz之间的所述频率范围之外要抑制信号Um。

在图6中示出具有电机10和测量装置20的装置的第二实施例。与根据图1的实施例不同，在根据图6的实施例中将电极100的实施选择得不同。从而可以在图6中看出，电极100不是示例性地在图3中示出的那样棒形地前进到轴60，而是具有圆环形的开口400，轴60穿过该开口400。电极100的机械结构以及轴60相对于电极100的设置在图7中再次以沿着根据图6的横截面线B-B的横截面示出。可以看出，电极100圆环形地构成，并且不管是其内轮廓还是其外轮廓都是圆形的。由于圆形的内轮廓，在轴60和电极100之间形成圆环形的空隙S。

电极100的圆环形实施方式的主要优点在于，在轴60存在不平衡的情况下出现比在根据图1的实施例中明显更小的误差电流。下面将简要地对此进行解释：

如果在根据图1的实施例中的轴60并非被理想支撑并且出现不平衡，则轴60和电极100之间的距离d在轴60旋转期间改变，从而由于关系式

i≈C*dUg/dt+Ug*dC/dt

除了偏电流之外在轴60的放电期间另外还出现与放电过程无关并且单单归因于由于轴的不平衡而导致的空隙S的时间变化的电流分量。该电流分量或误差电流由此根据下式计算：

If＝Ug*dC/dt

误差电流If在根据图6的实施例中不会引起明显的干扰，因为在轴旋转期间出现不平衡的情况下虽然一些圆环片段有时与轴之间具有比平常更小的距离，但是对面设置的圆环片段推挽式地与轴60之间具有更大的距离。因此换句话说出现了补偿并且基本上消除了误差电流，因为由于轴60和环形电极100之间较小的距离而有时导致大电容的那些圆环片段被电容分量由于轴60和环形电极100之间较大的距离而恰好更小的其它圆环片段所补偿。

总之，在根据图6的实施例中，由于电极100的圆环形内轮廓以及由此由于空隙S的圆环形状而产生比在根据图1的电极实施方式中更好的测量精度。

在图8中示出根据图1或图6的电极100的结构的第三实施例。图8示出电极100的横截面以及轴60的设置，该轴穿过电极100。在图8中看出，电极100具有圆环形的内轮廓，从而电极100和轴60之间形成圆环形空隙S。

但与根据图6的实施例不同，电极100的外轮廓410不是圆环形的，而是构成任意其它形状。

由于圆环形的内轮廓以及由于空隙S的圆环形状，在结合图6和图7所解释的误差补偿又会在轴60出现机械不平衡的情况下产生，因为在电极100的各个片段和轴60之间的距离d随时间变化的情况下，一般分别位于对面的其它电极片段具有更大的距离，从而总的会导致对误差电流If＝Ug*dC/dt的补偿，因为因子dC/dt非常小。

Claims (12)

1.一种用于对电机（10）进行轴承电流监视的方法，该电机具有在外壳（30）中能借助至少一个轴承（70,80）旋转支撑的轴（60），其特征在于，

利用设置在离所述轴一定距离（d）处的电极（100）以及利用该轴，由于电极和轴之间的空隙（S）而形成测量电容（C），并且测量在施加于该轴和外壳之间的电压（Ug）随时间变化（dUg/dt）的情况下流过该测量电容的偏电流（i），以及

当该偏电流或者利用该偏电流形成的测量参数满足预定的触发标准时产生显示轴承通过电流的测量信号（Ms）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电容利用具有圆形内轮廓（400）的电极形成，所述轴穿过该圆形内轮廓引导并且该圆形内轮廓以轴为中心地设置，使得所述空隙呈圆环形。

3.根据上述权利要求1-2之一所述的方法，其特征在于，当所述偏电流或用该偏电流形成的测量参数达到或超过预定的边界电流时，认为触发标准得到了满足。

4.根据上述权利要求1-2之一所述的方法，其特征在于，

所述偏电流通过电阻（R）传导，并且

当该电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时，认为触发标准得到了满足。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数达到或超过预定的边界电压时，认为电压触发标准得到了满足。

6.根据上述权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述电阻上降落的测量电压进行高通滤波和/或带通滤波，并且在经过滤波的测量电压或者从该经过滤波的测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时产生测量信号。

7.一种具有电机（10）和用于监视轴承电流的测量装置（20）的装置，该电机具有在外壳（30）中能借助至少一个轴承（70,80）旋转地支撑的轴（60），其特征在于，

所述测量装置具有设置在离轴一定距离（d）处的电极（100），该电极与所述轴一起由于该轴和电极之间的空隙（S）而形成测量电容（C），以及

所述测量装置具有分析装置（120），该分析装置

与电极连接并且采集在施加于该轴和外壳之间的电压（Ug）随时间变化的情况下流过该测量电容的偏电流(i)，以及

当该偏电流或者利用该偏电流形成的测量参数满足预定的触发标准时产生显示轴承通过电流的测量信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电极（100）具有圆形的内轮廓，该内轮廓以所述轴为中心地设置，从而所述空隙是圆环形的。

9.根据权利要求7-8之一所述的装置，其特征在于，所述分析装置构成为，当所述偏电流或用该偏电流形成的测量参数达到或超过预定的边界电流时，所述分析装置认为触发标准得到了满足。

10.根据权利要求7-8之一所述的装置，其特征在于，

所述分析装置具有与电极连接的电阻，以及

所述分析装置构成为，当该电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时，所述分析装置认为触发标准得到了满足。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述分析装置构成为，当所述电阻上降落的测量电压或者从该测量电压中推导出的参数达到或超过预定的边界电压时，所述分析装置认为触发标准得到了满足。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述分析装置具有与所述电阻连接的高通滤波器和/或带通滤波器（310），以及

所述分析装置构成为，当经过滤波的测量电压或者从该经过滤波的测量电压中推导出的参数满足预定的电压触发标准时，所述分析装置认为触发标准得到了满足。

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