CN102782458A - 具有能量转换器的轴承电流传感器装置 - Google Patents

Abstract

应当能够以尽可能少的安装费用来测量特别是在电机以及负载机中的轴承电流。因此本发明提出了一种用于安装在电机的轴（3）旁或者轴上的、具有用于检测该电机的轴承电流的检测装置（7,11）的传感器装置。此外，该传感器装置具有能量装换装置（7,8），该能量转换装置与检测装置被装配成为一个可更换的模块，以将轴（3）的机械能转化为用于检测装置（7,11）的电能。

Description

具有能量转换器的轴承电流传感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于安装在电机（Electrischen Maschine）的轴旁（an）或者轴上(auf)的、具有用于检测该电机的轴承电流的检测装置的传感器装置。

背景技术

轴承电流通常出现在由变流器馈电的电机中。它们在极短的时间内导致球轴承或者滚动轴承的损伤并且由此导致传动装置出现故障。因此，为了检测轴承电流应用牢固安装的传感器系统。该传感器系统应连续地监控传动装置。由于在设备真正运行时无法直接测量轴承电流，所提出的轴承电流传感器通过检测机器的轴的电势监测轴承电流的出现。为此使用滑动接触（电刷）或者无接触的耦合装置（例如借助于电容耦合）。无接触的耦合装置具有不产生磨损和不需要维护的优点。

此类传感器系统为了运行需要能量供给装置。因此，在将轴承电流传感器安装在电动机轴上或者轴承上时产生了这一问题，即如何能够为传感器提供能量。

来自负载回路的能量供给（电动机的电流供给）由于通常存在的高电压和高功率只有以高昂的费用才可能实现。通过在紧邻电机的附近范围内使用电磁场提供了产生能量的一个其它的可能性。后者在优化散射损失的过程中使用得越来越少并且因此更加难以使用。

为了给电动机附近的传感器装置提供能量，如今通常使用电池组或者安装好的供电单元。通过这些解决方案产生了更高的维护费用或者额外的安装费用。

总的来说，用于检测轴承电流的传感器系统典型地分为以下组件：耦合装置（Ankopplung）、传感器、评估单元、供电装置以及电池组。这些组件通常通过多个分离的单元以及设备实现。

发明内容

因此，本发明的目的在于，降低用于检测电机的轴承电流的费用。

根据本发明，该目的通过用于安装在电机的轴旁或者轴上的传感器装置实现，该传感器装置具有用于检测该电机的轴承电流的检测装置和与该检测装置装配成为一个可更换（austauschbaren）的模块的能量转换装置，以将轴的机械能转化为用于检测装置的电能。

因此，在有利的方式中，有可能在电机运行期间自给自足地获得用于检测装置的电能。此外还存在不依赖于外部的能量供应、作为模块的传感器装置，即作为唯一的紧凑的组件而容易更换以及改装或者说更新。

检测装置和能量转换装置优选地布置在共同的外壳中。通过共同的外壳进一步强化了传感器装置的模块性，并且此外外壳为检测装置和能量转换装置提供保护。

传感器装置具有基本为圆盘形的结构并且能够与电机的轴同心地安装在该轴旁或者轴上。通过该圆盘形的结构，它（传感器装置）在轴向上仅需要极小的结构空间。

此外，传感器装置能够被设计用于电容地检测轴承电流。从而使对轴承电流以及表征轴承电流的电压进行无磨损的检测成为可能。

可替换地，所述检测装置具有用于检测轴承电流的电刷，以与所述轴上的滑环或者所述轴本身产生电接触（galvantischen Kontakt），从而能够直接测量充电电流（Ladestrom）。

在其它的实施形式中，传感器装置能够具有用于对检测装置的数据进行无线传输的接口装置。由于无须敷设用于数据传输的电缆，由此也降低了传感器装置的安装费用。

另外，能量装换装置能够具有感应接收器（induktiven Aufnehmer）和磁的、或者可磁化的元件，这些元件能够机械地与轴耦合或者是轴的组成部分。这样，普遍的发电机原理也被用于产生电能。

此外，传感器装置能够具有作为检测装置和能量转换装置的至少分别一个组件的支架的印制电路板。由此，支架附加地获得了作为、或者能够作为信号处理组件的支架的功能。因为当传感器装置在它的外壳中也具有用于处理检测装置的信号的信号处理装置时，则尤其有利。这样便能够以预定的格式发出轴承电流的信号。

正如上文中已说明的，传感器装置的特别优选的应用在于，为了电机或者连接在电机上的、具有可旋转的轴的负载机（Lastmachine）而使用该传感器装置。

附图说明

现在通过附图详细地说明本发明，图中示出：

图1是具有连接其上的负载机的电动机的原理简图；

图2示出了盘式发电机；

图3示出了根据本发明集成在盘式发电机中的轴承电流-探测器和

图4示出了具有感应发生器（Induktivgeber）和齿盘的能量转换器。

具体实施方式

随后详细说明的实施例是本发明的优选的实施形式。本发明的基本构思是，电机1或者连接在其上的负载机2的轴上的机械的转动能在运行状态下始终存在足够的量。因此，该能量来源应与对于用于检测轴承电流的传感器装置而言所必需的元件一起使用。

图1示出了由电动机1、负载机2、电动机的传动轴3以及联轴器4和负载机2的轴5组成的典型的传动结构。在图1中用箭头标出了对于轴承电流传感器在传动轴2和轴5上的可能的安装位置。

根据实施形式，轴承电流传感器的能量供给问题以及将不同的、必要的设备功能集成在一个结构中的问题既可以通过使用感应发电的原理、也可以通过使用取决于结构的、在旋转的轴和传感器-电子装置之间的电容耦合装置实现。由于传感电子装置只具有相对较小的功率消耗，因此用于将机械的旋转能转化为电能的装置可以这样构造和设计，即：重要的不是实现高的、能量的效率等级，而是特别充分地利用耦合至电动机轴的电势的电容耦合的影响。

如果在电机的轴上布置一个结构（圆环、圆盘，压入轴材料中的冲压部分），并且该结构在运动时在它的附近产生可变磁通量（齿结构、轴结构、冲压的磁化部分），并且在外部周围布置环形结构或者具有集成线圈的、独立的（塑料-）外壳，那么这些线圈能够通过轴上的磁结构被激发并且由此在轴旋转时承担起发电机的功能。对此已公开的例子是感应发电机或者圆盘发电机。

为了电容地采集轴承电流-信号，布置在外壳上的有传导能力的条状装置也可以用作电容器结构。该解决方案提供了一种检测轴的电势的、不产生损耗的可能性。

通过所提出的解决方案能够由此构成紧凑的、用于检测轴承电流的、能量自给的设备，该设备通过圆盘形的外部轮廓也能够安装在难以到达的轴或者短的轴末端上，并且能够在高的防护级中实施。

图2中描述了适合用于为轴承电流传感器产生电能的发电机。这里的发电机指的是八极的盘式发电机，正如例如为小型的风力设备所使用的发电机一样。该盘式发电机具有可安装在各自的轴上的圆盘，并且在圆盘的圆周上分布磁极6。在本例子中，八个线圈3以与圆盘的轴向的距离分布在整个圆盘上。出于示意图的原因，图2中，在盘式发电机的轴面的左半部分中示出了发电机圆盘7上的总共八个极6中的四个极。图2的示意图的右半部分上示出了八个线圈8中的四个线圈。

图3此时示出图2中的、集成在用于检测轴承电流的传感器装置中的盘式发电机。图3的示意图是沿轴3的轴线的截面示意图。随轴一起旋转的金属或者金属化的圆盘7位于轴3上，该圆盘7配备有磁区或者集成的磁体（极6）。盘式发电机的旋转的圆盘7被固定的外壳9环绕。在该外壳9中，线圈支架10也轴向地布置在旋转的圆盘7之前或者之后。这些线圈支架10例如由印制电路板的材料构成并且支撑空心线圈8。也就是说，正如在图2的右半部分中所示出的一半线圈一样，空心线圈的布置位于旋转的圆盘7两侧。空心线圈能够常规地或者以印制导线的形式实现。

每个线圈支架10的朝向旋转的圆盘7，即磁极转子的一面应该用作电容的轴承电流传感器的电容器平面（旋转的圆盘用作其它的电容器板）。因此，在线圈支架10的这一面上涂导电材料11。这一涂层可以例如是在各个印制电路板以及各个线圈支架10上的连续的铜面。由旋转的圆盘7和金属的支架涂层11构成的电容器用作检测轴承电流的检测装置。

也可以取代电容耦合建立与旋转圆盘的电接触。电接触例如能够借助于滑动接触（Schleikontakten）或者碳纤维刷实现。

可以以常规的方式给用作支架10的固定的印制电路板附加地配备电气的和电子的元件。通过这些电路部分能够实现对于电流供给而言所必需的整流和电压调节、模拟和数字的信号处理以及与上级系统的数据通信。

通过该集成布置，在一个结构单元中实现了能量转换器的功能、信号-耦合装置用于检测轴的电势的功能以及模拟的、或者数字的信号处理功能。

获取能量的其它的实施形式也可以以感应发生器的原理为基础。图4示出了具有齿盘12和与之径向地布置的感应发生器13的实施形式。该感应发生器13固定在例如电动机外壳14以及电机的外壳上。它自身具有外壳15，该外壳在此处被旋紧在电动机外壳14上并且从该外壳中导出电气连接装置16。真正的发生器的部段径向地向齿盘12突起并且具有线圈17和磁的铁心。后者这样实现，即软铁心18位于线圈17中，该软铁心通过轴向地位于线圈之外的永久磁铁19被磁化。当感应发生器13的正面上的磁场变化时，在线圈17中通过感应引起电压。这即是此种情况，即当磁阻抗在齿盘12的齿轮经过发电机的正面的时候发生变化时。

为了产生脉动电压，可以使用齿轮或者多孔盘。在使用齿轮时，发生器既可以径向地、也可以轴向地布置。也可以使用具有磁性导件的圆盘代替多孔盘。

此类感应发生器如今经常作为增量的位移传感器、即作为传感器使用。由于效率等级较差，将其作为发电机来使用则是不常见的，但是在某些情况下对于极低的能量消耗而言却是非常实用的。感应发生器的优点在于其高的坚固性（Robustheit）。

在根据本发明的将传感器的功能和能量供给的功能进行关联和组合时，实现了一种能量自给的传感器系统。由此特别地产生了如下优点：

-由于仅在轴旋转时需要进行轴承电流监控，因此能量产生的状态恰好与传感器系统的必要的运行准备状态相符合。因此不需要、或者仅在很小的程度上需要用于渡过（Ueberbrueckung）停机时间（Stillstandszeiten）的能量存储。

-此外，这些传感器系统配备了与上级系统的有线的、或者无线的（功能）通信装置，这样，在机器的较长时间段的停机时间期间，通常没有测量值或者其它的数据需要进行非易失性存储。

-由于不需要将外部的供电装置布置在传感器系统附近，减少了安装费用。

-当通过无线接口输出测量数据时，完全不需要布线费用。

-设备外部的电缆连接的取消使在高的防护级（例如防尘、防喷雾）中的实施更加容易。

-在系统的合适的结构中，可以进行改装或者更新，而无须对现有的安装设备进行改变。这包括设备的可分性（Teilbarkeit），以能够在不拆卸传动装置或者联轴器的情况下进行改装或者更新。

-以能量自给地运行为基础，由于传感器系统能够具有较小的构造形式并且无需维护，因此可以集成在相应地准备好的机器中。由于在轴承盖附近的空间十分有限，因此此处使用盘形轮廓也是有利的。

参考标号表

1电动机

2负载机

3传动轴

4联轴器

5轴

6极

7发电机圆盘

8,17线圈

9,15外壳

10线圈支架

11导电材料

12齿盘

13感应发生器

14电动机外壳

16电气连接装置

17软铁心

18永久磁铁

Claims (10)

1.一种用于安装在电机的轴（3）旁或者轴（3）上的传感器装置，所述传感器装置具有：

-用于检测所述电机的轴承电流的检测装置（7,11），

其特征在于

-能量转换装置（7,8），所述能量转换装置与所述检测装置（7,11）被装配成为一个可更换的模块，以将所述轴（3）的机械能转化为用于所述检测装置（7,11）的电能。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述检测装置（7,11）和所述能量转换装置（7,8）布置在共同的外壳（9）中。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，所述传感器装置具有基本为圆盘形的结构并且能够与所述轴（3）同心地安装在所述轴旁或者轴上。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其中，所述检测装置（7,11）被设计用于电容地检测轴承电流。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置，其中，所述检测装置（7,11）具有用于检测轴承电流的电刷，以与所述轴（3）上的滑环或者所述轴本身产生电接触。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，所述传感器装置具有用于对所述检测装置（7,11）的数据进行无线传输的接口装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述能量转换装置（7,8）具有感应接收器（17,18,19）和磁的、或者可磁化的元件（12），这些元件能够机械地与所述轴（3）耦合或者是所述轴的组成部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，所述传感器装置具有作为所述检测装置（7,11）和所述能量转换装置（7,8）的至少分别一个组件的支架的印制电路板（10）。

9.根据权利要求3所述的传感器装置，所述传感器装置在外壳（9）中具有用于处理所述检测装置（7,11）的信号的信号处理装置。

10.电机，具有可转动的轴（3），在所述可转动的轴上或者轴旁安装有根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置。

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