CN102770744A - 用于确定轴承状态的系统或方法 - Google Patents

Abstract

在一种用于确定电机的轴承的轴承状态的系统、或者说用于确定电机的轴承的轴承状态的方法中，借助于传感器单元（20）确定测量值（21）。将测量值传输给模拟单元（22），其中借助于模拟单元（22）确定结果值（23），其中，该结果值尤其是轴承电流值或者取决于轴承电流的值。可以将结果值（23）传输给另一个单元（24）。

Description

用于确定轴承状态的系统或方法

技术领域

本发明涉及用于模拟电机的轴承的电轴承负载的一种方法和一种装置/系统。

背景技术

在电机的，例如发电机或者电动机的轴承里，作为静电充电的后果或者在借助于大功率电子调节构件馈电时，可能会产生不受人欢迎的电流。对于这些轴承电流来说，部分是指所谓的EDM（电火花加工）-电流，其中在轴承里出现电弧放电。尤其是在位于各自轴承的滚动体和滚道之间的润滑膜里出现飞弧和放电。因此总的来说，可能出现润滑介质和轴承的提前磨损。轴承的提前失效同样也是一种可能的后果。

发明内容

本发明的目的是提出用于模拟轴承电流或者电轴承负载的一种方法和一种装置。

该目的例如按照根据权利要求1至12中任一项所述的一种方法或一种系统来实现。

轴承电流在电机中总是可能引起问题。在电网电动机中出现轴承电流，它例如由于以下因素引起：

·磁路里的不对称性，

·制造公差，和/或

·材料的各向异性。它们特别是不利地在较大的机器里，在正

弦形电网里出现。

电动机里磁通的非对称分布在轴里感应出电压，它使得低频的电流流过轴承。这种轴承电流在闭合的回路：轴-轴承-轴承端盖-壳体，里循环流动。

例如通过中断电流来实现补救。轴承适宜地在操纵侧上的绝缘可以解决这个问题。

除此之外也出现由于变流器馈电而产生的轴承电流。基础例如是具有电压中间回路的变流器。在变流器馈电的电动机中，产生寄生效应，这些效应可以通过流过电动机轴承的电流来说明。通过轴承的润滑膜的电弧放电可能导致轴承滚道里的材料熔化。这些变化可能在极端情况下导致轴承结构的完全失效。

为了避免有害的轴承电流，可以在具有大功率电子馈电系统的三相电流驱动装置中，在转子和壳体之间应用接地电刷。从而实现转子的接地。当然接地电刷遭受到磨损，因此增大了维护和保养的费用。此外接地电刷的接触安全性恰恰在困难的环境条件下并不总是能保证，从而可能引起轴承电流，并使轴承磨损加大。为了避免轴承电流也可以采取其它不同的补救措施，例如像用于避免轴承损坏或者说使轴承损坏最小化，在硬件里的补救措施（另外的电缆，更好的接地，系统里的电位平衡，接地电刷，共模滤波器）。

为了延长轴承的使用寿命，也可以采取其他的措施。例如可以测量加在电机上的电压，其中由电压测量的结果确定共模电压，其中，根据共模电压确定补偿电压并且为电机的一个与轴承电连接的部件加载补偿电压，从而至少部分地补偿在轴承上下降的轴承电压。

轴承电流因此可能取决于运行点和设备，也就是说尤其是取决于状态地受到抑制。将尤其是基于状态检测确定的补偿电压加在轴承上可以很大程度上补偿轴承电压，这种轴承电压否则的话在数值太大时会引起电弧放电，并因此引起轴承电流。余下的轴承剩余电压太低，以至于还不会引起达到损坏程度的电弧放电。在理想情况下，测量的轴承电压由于补偿而甚至完全消失。

也可以检测加在轴承上的轴承电压，或者流过轴承的轴承电流，并在确定补偿电压时一起加以考虑。因而可以进一步改善补偿的质量。

与共模电压、即间接的测量值不同，对于轴承电流和轴承电压来说，是指直接的测量值，该直接测量值能实现对各个轴承中比例关系的直接监控。这种直接测量值的检测和尤其是反馈可以很快速地对轴承里的状态变化做出反应。

在评估和/或补偿轴承电流时，有意义的是：所指轴承的状态是已知的。通过测量接地电流、轴电流和轴电压可以尝试实现对电动机轴承的电的状态描述。以此可以间接地反算出轴承里的电流。

通过应用外部测量值（例如接地电流、端子电压、轴电流、轴电压（轴承电压）、轴承温度、振动、转速、在绝缘跨接上的间接轴承电流、电压陡度、脉动频率等等），可以基于一种模拟模型计算出内部测量值（轴承润滑间隙的大小、轴承电容、轴承电流等等）。此外可以通过内部值和外部值的组合算出所谓的过程特征值，例如像：

·轴承电流峰值的频率；

·电压峰值的频率；

·电压陡度的频率；

·当前频率与设备投入运行时频率之间的比例形成；

·频率类别的划分和计算一个间隔时间deltaT上的升高；

·由测量的轴承电压和计算出的轴承电流的乘积，通过对时间的积分计算在轴承润滑间隙上传递的能量；和/或

·计算出轴承状态。

同样也可以估计出在轴承润滑间隙上传递的能量或者说功率密度。因此可以实现对轴承使用寿命的估计。

在一种用于确定电机的轴承的轴承状态的方法中，借助于传感器单元确定测量值。传感器单元例如是：

·电流传感器；

·电压传感器；

·霍尔传感器；

·所有传感器之和，或者多个布置在电动机的轴承结构上和周围的传感器（温度传感器、振动传感器、测量轴承电压的电刷等等）；

·电动机接线箱里的电压测量装置；

·电流互感器，围绕接地-和功率导线或轴；和/或

·类似装置。

测量值例如是电流或者电压的模拟测量值，或者是数字测量值。

单个测量值或者也可以是多个测量值被传输给模拟单元。模拟单元例如可以是变流器（在计算出的数值的情况下），或者传感器-管理-单元（例如状态监控系统SIPLUS CMS），位于电动机上的处理器，等等。借助于模拟单元可以确定结果值。结果值例如是轴承电流值或者取决于轴承电流的值。结果值可以被传输给另一个单元。结果值例如也是图形显示、报警信号、警告信号和/或上面已经列出的数值、如轴承润滑间隙大小、轴承电容、轴承电流、轴承电流峰值的频率、电压峰值的频率等等的一种交通指示灯形式的显示。

另一个单元例如是分析处理单元，其中借助于分析处理单元对结果值这样进行处理，从而确定轴承状态值。分析处理单元例如可以是硬件单元和/或软件单元。模拟单元同样也可以是硬件单元和/或软件单元。

模拟单元和分析处理单元例如可以以相同的硬件单元来实现，从而例如在相同的处理器单元上进行模拟和分析处理。

例如也可以，在集成的过程计算机上进行结果值和/或轴承状态值的计算。集成的过程计算机为此具有模拟模型，借助于这个模型计算数值大小。集成的过程计算机例如是存储器可编程控制装置（SPS）、计算机数字控制（CNC）、可调节变流器或者类似装置。也可以在状态监控系统里实施传感器和分析处理-/模拟单元的组合。

分析处理单元和模拟单元例如具有屏幕显示器，其中，在屏幕显示器上尤其是显示出结果值。也可以借助于打印机、声音的和/或可视的信号、信号灯或者类似的器材以图形或者数值的形式输出。此外也可以显示出轴承状态值。在屏幕显示器的一种设计方案中，这种屏幕显示器具有指针（数字的或者机械的），借助于该指针可以显示出一个值。如果显示的值超过阈值，那么在指示器的一种设计方案中可以显示警告。

在该方法的一种设计方案中，在模拟单元和/或分析处理单元中实时地对测量值进行处理。在此，能实时地为人员、也就是操纵者显示结果值和/或轴承状态值。实时意味着：处理或显示都是时间相近地进行。可能出现由于例如计算时间或者数据传输时间而产生的时间推移。

在该方法的一种设计方案中，将结果值或者取决于结果值的值与变流器的状态值一起存储。为那个其轴承处于观察之下的电机（电动机）馈电的变流器的状态值例如为：

·中间回路电压，

·最大电流，

·最大电压，

·当前功率，

·脉冲样式，

·脉冲频率，

·脉冲样式转换的时刻，

·等等。

为了实施该方法，可以采用不同的系统来确定电机的轴承的轴承状态。

这种用于确定电机的轴承的轴承状态的系统例如具有模拟单元、传感器单元和/或分析处理单元，其中模拟单元设计用于处理传感器单元的数据，和其中，分析处理单元设计用于处理模拟单元的数据。

在该系统的一种设计方案中，模拟单元具有用于模拟轴承的模型。该模型例如可以用于计算在所考察的轴承中产生坑的能量（kraterwirksamenEnergie）。

在该系统的一种设计方案中，模拟单元具有模拟模型，用于根据机器参数和其它的测量值计算轴承润滑间隙、轴承电容和/或轴承电流。机器参数例如是电动机、沟槽、绝缘体的外形几何尺寸、长度、槽数等等。由这些参数计算出电动机的杂散电容，并形成模拟模型。电动机的一个电容等效电路图可以被用作为模型的一部分。

通过模拟模型对轴承的准确的状态描述也可以提供有关电动机轴承和/或轴承润滑脂的磨损状态的说明。根据对剩余运转时间的估计，最终用户可以更准确地计划其维护间隔时间，并因此防止预料之外的故障。

放电时间常数和放电能量取决于轴承里的润滑膜的厚度。首先例如可以记录一种特性曲线，该特性曲线显示出，哪个润滑膜厚度导致了哪个时间常数和电容。与BVR（轴承电压比）和变流器的共模电压一起可以由此推断出产生坑的能量。也可以应用由时间常数和能量导出的参数，例如在一定的电压时每体积单位的能量。

通过充电时间常数来确定润滑膜厚度的一种方法也可以使用在轴承试验台上。在该试验台上，润滑膜厚度被确定为转速、轴承载荷和温度的函数。结果是一个特性曲线组，它被集成在模拟模型里。在外部测量值的基础上可以推断出润滑膜厚度。3D-特性曲线因此可以在前面在试验台上确定。也可以将涉及试验台所述的方法转用到一种在线测量上。

在产生轴承电流的动态过程中，如果在一个短时间内发生放电的话，火花放电的能量则可能是特别有害的，因此该能量足够使金属汽化，或者甚至在能量随热力管路以声速流出之前作为等离子体而喷射离开。在能量流出之前使产生坑的能量释放所需的典型时间在100ps至1ns的范围中。

例如可以在时间常数方面对特性曲线进行分析计算，或者以数值形式进行模拟，并在放电时间方面取决于润滑膜的厚度而进行测量。特性曲线则构成一个在机械参数“润滑膜的厚度”和材料去除量之间的“桥（Brücke）”，这通过汽化进行，而这种汽化导致了波纹的形成。也就是说可以根据电的、热力学的和机械模型的组合，来预测在正常运行时或者由于提前损坏（由于运输或者装配引起的缺口）而引起的振动的影响。

如果将涉及的轴承的测量值用作为计算模型的输入参数，那么因此就可以也确定对用户来说是未知的、真正重要的参量。

用于形成模型的电动机-和系统数据可以通过一种简单的输入系统输送给测量仪器（具有传感器）。接下来，计算单元（这例如是模拟单元和/或分析处理单元）是一个对应的测量单元（尤其是测量仪器），该单元测定重要的外部数据（例如导体接地电压、轴电压、运行时的轴承参数）。与轴承电流传感器的一种组合同样也是可能的。

可以存在多于一个的传感器单元。例如对于每个轴承结构来说存在一个单元。用于测量端子电压和接地参量是第三个单元等等。在一种实施方式中，每个传感器单元都分配有一个分析处理单元。然而也可以实现两个分析处理单元的连接。例如可以通过至少两个单元的组合推导出预测：某一种轴承电流是否是指循环的电流（轴承1电流正峰值，轴承2电流负峰值=>回路电流）。

从所得到的模拟单元和/或分析处理单元的数据也可以推导（推断）RCM-预测，并根据轴承和轴承润滑脂的磨损状态采取措施。RCM在这里代表：确保可靠性的维护措施（Reliability Centered Maintenance）。对此例如可以理解为如下措施：

-润滑间隔的缩短，

-更换润滑脂间隔的缩短，

-更换轴承间隔的缩短，

-等等。

例如在测量仪器-过程计算机上运行的模拟模型可以作为基础加在电动机模型上，电动机模型例如能够在常见的电动机模拟平台上运行。借助于这种电模型可以描述电动机的高频特性。HF-模型通过机械的轴承模型而得以补充。

在一种设备的设计阶段，可以通过将该模型嵌入在设备模拟系统里（该模拟系统考虑了馈电、变流器和接地系统的性能）而推断出可能出现的危险的轴承载荷。可能的补救措施可以在模拟中就已经被进行了试验。从设备设计阶段得到的、嵌入在对应的过程参数里的模拟值可以用作为CM-系统（状态监控系统）的相同的或者说差不多相同的模拟模型的比较参量。在实际运行和模拟值之间的可能的区别可以显示出来，并且有目的地被输送进行分析。可能的补救措施可以按此方式更加快速且有效地实施。

迄今为止在实际的设备中，在多个位置上都已经做了无目标的改变，并期望作出正确的变型。这是非常昂贵的。通过提前采用模拟可以将工作恰恰限制于导致排除问题的工作。在实践中因此有时间-和成本方面的优点。

通过测量确定振动，并在一定条件下也确定温度和其它测量值、如润滑脂状态。测量值进入到一个机械模型里。温度也可以是已知的，其中温度的测量优选地在靠近轴承处进行。润滑膜厚度与温度有关联。如果没有测到温度，那么可以进行预测或者也可以规定。例如可以由电动机温度（绕组）来进行预测。按照机械模型确定润滑膜厚度。有利地在频率范围里或者在时间范围里、也就是说动态地实施这种方案。

在进行简单的考察研究中可以假定应用一个不变的润滑间隙。利用润滑膜厚度和其它数据、如轴承电压或者间接值，由其中可以推断出轴承电压或者可比较的参数，按照特征曲线或者模型确定产生坑的能量或者可比较的参数，该参数考虑到了随时间的热量排出（热力学的考察）。

根据关于轴承的数据（例如几何数据和材料数据）和用于材料去除的模型（例如波纹体积、每个体积单位的升华能量、汽化能量和/或熔化能量），可以确定轴承的预期耐用度。与要求相比而确定是否需要作出改变。其随后可以在一定情况下，在一次新的经过图表时被评估。根据必要的改变，完整的经过（Durchlauf）可能是必需的，或者仅需部分的经过。

通过更复杂的模型生成也可以汇集简图的不同要素，例如通过一个模型，这同时包括了产生坑的能量和材料去除。有利的是，借助于模型或特性曲线，将测量与模拟和热力学角度、尤其是热传导组合起来。

在该方法的一种设计方案中，在确定轴承状态之后进行轴承的和/或电机的机械方面改变。确定轴承状态是指例如以下情况：

-确定、估计和/或计算出轴承电流；

-确定、估计和/或计算出轴承的磨损；

-确定、估计和/或计算出轴承的剩余运行时间；

-等等。

轴承和/或电机的机械方面的改变例如是指以下情况：

-轴承绝缘的措施；

-接地电刷的设置；

-对称屏蔽的电动机接线电缆的设置；

-经过360°连接的屏蔽接通的设置；

-一个或者若干个部件例如像电机、轴承和/或变流器的HF-接地；

-设备接地的电网连接线路；

-在系统里建立电位平衡；和/或

-采用共模滤波器。

在该方法的一种实施方式中，在确定轴承状态之后，进行轴承和/或电机的机械方面的改变，然后继续确定轴承状态。

一种系统可以这样设计，使得模型或多个模型在一个集成的过程计算机上运行。过程计算机例如可以是一种存储器可编程控制装置，或者也可以是一种主机。

在用于观察轴承的系统中可以设有所应用的分析处理单元，用于确定以下数值中的至少一个数值：

-轴承电流；

-通过轴承润滑间隙传递的能量；

-通过轴承润滑间隙传递的能量密度；

-用于轴承使用寿命和/或剩余运转时间的数值；

-用于轴承的磨损状态的数值，或者说

-用于轴承润滑脂的磨损状态的数值。

在该系统的一种设计方案中，该系统具有变流器，其中变流器与以下单元中的至少一个单元利用数据技术相连接：

-模拟单元；

-传感器单元；

-分析处理单元；或者

-这些单元的组合。

通过这种利用数据技术进行的连接可以将数据，如电压、电流、脉冲模式、能量、有效功率、无功功率、中间回路电压、频率传输给各自的单元，以便在那里对这些信息进行处理。

附图说明

本发明的其它可能的特征、优点和细节例如可以由以下按照附图对实施变体的说明中得到。图中例如示出：

图1具有外围设备部件的电动机构造原理图；

图2一种用于确定电机的轴承的轴承状态的系统；

图3一种用于确定电机的轴承的轴承状态的方法；和

图4一种用于检查轴承的耐用度的方法。

相互对应的部件在附图中采用相同的标号。

具体实施方式

图1示出了具有外围设备部件的电动机的构造原理图。在此详细地示出，变流器1通过连接线路7连接于电动机，该电动机位于电动机壳体10中并且具有定子11和转子12，该转子通过轴承14和轴13经过联轴节9驱动负载机器8或者由该负载机器驱动。

在变流器1和电动机之间通过连接电缆7的电连接具有电缆屏蔽罩6，该电缆屏蔽罩与变流器或电动机壳体的地线有对应的连接5。无论是变流器1还是负载机器8都通过接地2或4与地面3连接。电动机也可以与地面连接，当然这在图中未示出。电动机例如可以有两个接地点。一个接地点例如位于电动机底脚的区域中。另一个接地点例如位于电动机的接线箱的区域中。变流器1、尤其是作为电压中间回路变流器，通过有调节地对直流电压中间回路的通断在输出端上显示出其输出电压。以快速次序进行的正负电位的变换在一种两点式逆变器中导致了一种电压变化，其三相电压之和不等于零，并且得到所谓的共模电压。每个这样陡急的电压转换动作引起高频激励，并带有由此引起的电流，这种电流经过寄生的路径回流至电源。

图2示出一种系统，该系统具有：

·传感器单元20；

·模拟单元22；

·分析处理单元24；和

·变流器1。

传感器单元20与模拟单元22利用数据技术相连接。模拟单元22与分析处理单元24利用数据技术相连接。变流器1与分析处理单元24利用数据技术相连接。分析处理单元24具有屏幕显示器26（Display）。由变流器1可以将状态值31传输至分析处理单元24，并存储在那里。模拟单元22和分析处理单元24的功能可以利用软件和/或硬件来实现。

在一种设计方案中，模拟单元22和分析处理单元集成于一个过程计算机36中。图2所示的用于评估轴承的系统的示意性构造表明：可以实现对轴承状态的实时评估。

图3示出了一种如何能够确定轴承状态的方法。借助于传感器单元20确定测量值21。将测量值21传输给模拟单元22。模拟单元22具有模型33。借助于也可以是特性曲线的模型33和测量值21确定结果值23。将结果值23传输给分析处理单元24。分析处理单元24具有屏幕显示器26，该屏幕显示器可以由人员29读出。借助于结果值25，27确定所要考察的轴承的至少一个状态值31。

图4示出了一种用于检查轴承的耐用度的方法。首先进行测量40。这尤其是涉及到振动值和/或温度值。通过数据路径42将数值传输到机械模型44里。借助于该机械模型44例如可以确定润滑膜厚度，其随时间的变化和/或一种相应的振幅频率特性曲线。这些值（例如润滑膜厚度）经过数据路径46被继续传输，以便将它们馈送到特性曲线48中或者说模型48中，以用于确定产生坑的能量。这个中间模型48（用于产生坑的能量的特性曲线或模型）不仅通过来自机械模型44的数值46供给，而且也通过其它数值47。这例如是：

·温度；

·BVR（轴承电压比）；

·变流器1的中间回路电压；

·共模电压；

·等等。

除此之外可以通过数据路径41对测量40的测量值在模型48中进行处理。

结果值、例如像通过特性曲线或通过模型48可以确定的产生坑的能量，通过数据路径50到达材料去除的模型52。关于轴承的数据通过数据路径51进入材料去除的模型52中。由此得到关于预测的轴承使用寿命的值。关于预测的轴承使用寿命的这个值通过数据路径54被传输给用于评估预期耐用度的装置56。这种装置56通过数据路径55装载了关于对轴承的耐用度的要求的数据。

如果例如对期望的耐用度的评估过低，那么例如可以促使进行设计-改变，之后又进行测量40。这通过路径57来表明。对于这种情况，即期望的耐用度的评估被认为是合适的，那么可以使该信息通过数据路径58，例如图示地通过显示器60输出。

Claims (12)

1.一种用于确定电机的轴承的轴承状态的方法，其中，借助于传感器单元（20）确定测量值（21），其中，将所述测量值传输给模拟单元（22），其中，借助于所述模拟单元（22）确定结果值（23），其中，所述结果值尤其是轴承电流值或者取决于轴承电流的值，其中，将所述结果值（23）传输给另一个单元（24）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一个单元具有屏幕显示器（26），其中，在所述屏幕显示器上显示出所述结果值（23）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述另一个单元（24）是分析处理单元（24），其中，借助于所述分析处理单元（24）这样来处理所述结果值（23），从而确定轴承状态值（25）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述模拟单元（22）和/或所述分析处理单元（24）中实时地对所述测量值（21）进行处理，其中，能实时地为人员（29）显示所述结果值（25）和/或所述轴承状态值（27）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述结果值（25，27）或者取决于所述结果值（27）的值与变流器（1）的状态值（31）一起存储。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在确定所述轴承状态之后，进行对所述轴承和/或所述电机的机械改变，由此进一步确定所述轴承状态。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，为了实施所述方法，应用一种根据权利要求8至12中任一项所述的、用于确定电机（10，11，12，13）的轴承的轴承状态的系统。

8.一种用于确定电机（10，11，12，13）的轴承（14）的轴承状态的系统，所述系统具有：

-模拟单元（22），

-传感器单元（20），和

-分析处理单元（24），

其中，所述模拟单元（22）设计用于处理所述传感器单元（20）的数据（21），和其中，所述分析处理单元（24）设计用于处理所述模拟单元（22）的数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模拟单元（22）具有用于计算在所述轴承中产生坑的能量的模型（33）。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述模型（33）在集成的过程计算机（36）上运行。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其特征在于，设有分析处理单元（22），用于确定以下数值中的至少一个数值：

-轴承电流，

-通过轴承润滑间隙传递的能量，

-通过轴承润滑间隙传递的能量密度，

-用于轴承使用寿命和/或剩余运转时间的数值，

-用于所述轴承的磨损状态的数值，

-用于轴承润滑脂的磨损状态的数值。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有变流器（1），其中，所述变流器（1）与以下单元中的至少一个单元利用数据技术相连接：

-所述模拟单元（22）；

-所述传感器单元（20）；

-所述分析处理单元（24）；或者

-所述这些单元的组合。

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