CN103038523A - 具有集成的发电机的滚动轴承及其能量管理方法 - Google Patents

具有集成的发电机的滚动轴承及其能量管理方法 Download PDF

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Abstract

一种滚动轴承，其包含在位于两个可相对旋转的轴承环之间的空隙中设置的、被永久激励的第一发电机（09），该第一发电机包括初级件和次级件并且在运行中产生第一发电机电压，其中，次级件具有永久磁铁（04），这些永久磁铁以交替的极性在其中一个轴承环的圆周上至少部分地设置。根据本发明，该滚动轴承具有第二发电机（21），其中，第一发电机电压用于给集成在所述轴承中的传感器和/或致动器提供能量，而第二发电机提供用于位置确定和转速测量的电压信号。本发明此外涉及一种对这种类型的滚动轴承进行能量管理的方法。

Description

具有集成的发电机的滚动轴承及其能量管理方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的滚动轴承，其具有在位于两个可相对旋转的轴承环之间的空隙中设置的永久激励的第一发电机。此外，本发明涉及一种用于配备发电机的滚动轴承的能量管理方法。
背景技术
滚动轴承包括可相互运动的可相对旋转的轴承件（内环和外环）和设置在它们之间的滚动体。在各种不同的轴承应用中例如需要探测旋转的轴承件的转速和旋转方向或其它的监控任务。为了这些和那些任务使用电子元件（传感器、致动器、处理器、数据存储器等等）。电子元件必须被供给能量。由现有技术已知一些解决方案。
WO2008/014766A1描述一种用于监控轨道车辆的齿轮组轴承的至少一个运行参数的装置。该装置具有传感器和发射单元（它们与轴承环一起旋转地设置在轮轴的端部上）以及发电机单元，其具有一起旋转的且不可相对旋转的发电机元件用于给传感器和发射单元供给能量。一起旋转的发电机元件是设置在轮轴的端部上的维甘德元件，而配合的第二发电机元件由位置固定地设置的磁铁构成。该装置不能直接集成到轴承中。
在EP0397309A2中描述一种轴承装置，其中集成转速表。在双列的滚动轴承中在两个滚动体列之间在可旋转的内环上安装磁极转子。磁极转子在其圆周上通过磁铁环构成，其具有交替设置的磁铁极。霍尔传感器在磁极转子的径向定向上设置在外环中。磁极转子可以由铁磁性的材料构成，设计有凸出的磁极（例如爪）。而后在传感器装置中需要磁铁。因为传感器设置在位置固定的轴承件上，所以其能量供给是不成问题的。
由DE 69524014T2已知一种具有集成的三相电流发电机的轨道车辆。通过发电机产生的能量被存储在电池中。发电机设置在位于两个锥形辊之间的内部空间中并且包含一个转子和一个定子，所述转子随着内环和轴旋转，所述定子位置固定地设置在外环上。转子包含一列永久磁铁，其在位于锥形辊子之间的环形区域上沿着圆周方向彼此隔开相同距离地设置。永久磁铁的磁极径向设置并且分别交替地围绕该环分布地极化。定子总体上是一个由磁性的具有凸出的爪的钢膜构成的板叠，所述爪分别带有一个卷绕的线圈。三相的定子绕组通过这些线圈的Y布置得到。
由EP 0402240A1已知一种具有集成的电机的斜圆柱体滚子轴承。转子与内环连接，定子与外环连接。电机需要大的轴向构造空间。
由DE 2505802A1已知一种集成在滚动轴承中的转速传感器。感应生电的转速传感器包括一个环形的横截面为C形的由铁磁性的材料构成的转子体。该转子体带有一个多磁极的永久磁铁。在转子体中敞开的空间中设置环形的定子体，其具有线圈体，该线圈体具有线圈绕组。此外，定子体带有环形的齿盘，其由铁磁性的材料制成，其中齿盘的各爪相对于转子的永久磁铁对置地布置。转子和定子如此配合，使得在轴承环相对旋转时在线圈中感应一个与转速相对应的电脉冲序列或交变电压，其在电路装置中可以用于确定和/或调节轴的转速。
由JP 2008174067A已知一种车轮轴承，其具有一个传感器，该传感器可靠探测在车辆上的负载力矩。传感器是如此紧凑的，使得它可以被集成到轴承中。在轴承内部设置一个磁性圆，其气隙通过作用在车辆上的负载或力而改变。磁通量的改变被探测和评估。
由US 7,362,023B2已知一种滚动轴承，其配备发电机、转速表和无线的传输单元。发电机设计成爪极式发电机的形式。多极磁铁在此作为转子设置在内环或外环上并且在其周边上带有多个交替极化的磁铁。一个磁性环（该磁性环在其内部带有一个线圈）作为定子设置在永久磁铁多极环的对面。磁性环带有彼此啮合的爪，其分别从磁性环的侧壁出发越过线圈延伸。转速表和无线的传输单元被发电机供电。利用无线的传输单元将转速数据传输至外围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滚动轴承，其具有改善的且可便宜实现的集成的运行状态评估可能性并且提供一种用于这样的滚动轴承的运行管理的方法。
上述目的通过具有权利要求1的特征的滚动轴承和通过具有权利要求9特征的方法实现。
根据本发明的滚动轴承包含两个可相对旋转的轴承环和被永久激励的第一发电机，其初级件和次级件分别与其中一个轴承环以不可相对旋转的方式连接。
根据本发明滚动轴承包含第二发电机，其与第一发电机无关地工作。第一发电机被电加载并且用于给集成在轴承中的传感器装置和/或致动器装置供给能量，而第二发电机不被电加载并且提供用于位置确定和转速测量的电压信号。
根据本发明的用于根据本发明的滚动轴承的能量管理的方法的特征在于，在第一发电机中产生的第一发电机电压经受电压适配、整流、电压滤波、电压稳定和电流限定并且接下来给充电电子装置供电以便给蓄能器充电，其又给电负载供电。
本发明的优点特别是在于，在滚动轴承内部传感器装置/致动器装置被集成在轴承中的第一发电机接管。优选结构相同的第二发电机提供信号，由所述信号可以确定运动的轴承件的位置和速度和必要时其它的运行参数。
可以放弃至今通常使用的磁阻的或光学的用于转速测量和旋转方向的、分别具有自身的能量供应的传感器。发电机可以大规模地便宜地制造并且也可以事后集成到所有可能构造方式的滚动轴承中。在所有需要监测或测量运行参数的轴承位置中批量应用是可能的。
可以使用各种不同的构造方式的发电机。有利地使用相同构造形式的被永久激励的各发电机，其中次级件具有永久磁铁，这些永久磁铁以交替的极性在其中一个轴承环的圆周上至少部分地设置。这些发电机例如可以是爪极式发电机、凸极发电机、盘式转子发电机、滚动体发电机或类似件。
为了确定旋转的轴承件的绝对位置，次级件在本发明的一个优选的实施方式中具有围绕圆周分布地不均匀的磁场强度。这可以例如由此实现，即永久磁铁在第二发电机的次级件中围绕圆周不对称地分布，这些永久磁铁具有不同的磁场强度。由此产生的在所形成的电压信号中的颤动使得可以实现绝对值传感器的意义上的位置确定。
第二发电机的电压信号可以用于确定由于滚动轴承的移动和/或负载引起的气隙改变。同样可能的是，在位于各爪之间的位置上设置霍尔传感器，其信号被评估，或其中一个爪设有包围该爪的线圈，该线圈的感应信号可以被评估。
两个发电机的爪或凸极在一个实施方式中彼此这样错开地设置在滚动轴承中，使得两个发电机电压的之间的相位差达到90°。这而后基本上对应于具有两个线圈的磁阻的测量系统。在此形成的近似正弦或余弦形状的电压通过反正切插值可以非常精确地确定角度。通过沿着支承位置的线性化而逼近反正切函数。在此形成基本上锯齿形的信号，其具有增量编码器意义上的极距的周期长度。在一个周期内反正切插值得到绝对的位置值。这确保了在控制软件的良好的实施速度的情况下较小的源文件范围。
同样可以考虑的是，使用具有不同的磁极数量的发电机，以便评价其信号。而后相位差随着绝对位置线性增大。两个具有不同的磁极数量的线圈的原理由磁阻传感器已知。
滚动轴承的根据本发明的能量管理包括与额定值的电压适配，该额定值在滚动轴承的额定转速时达到。在较低的转速时实现电压提高或者在某些情况下较高的转速时实现电压降低。紧接着将电压整流、滤波和稳定。为了给用于蓄能器的充电电子装置供电，需要一个前置的电流限制。蓄能器而后给滚动轴承中的电负载供电。用于确定转速和旋转角度的评估电子装置和必要时其它的集成在轴承中的传感器和/或致动器属于所述电负载。
附图说明
本发明的优选的实施方式接下来借助于附图进行详细描述。附图示出：
图1具有爪极式发电机的滚动轴承的示意图，该爪极式发电机具有非对称分布的多个永久磁铁；图2发电机电压的电压分布，如利用在图1中示出的爪极式发电机所产生；图3能量管理方法的系统模型。
具体实施方式
在图1中示出一个爪极式发电机的示意图，其集成在未示出的滚动轴承中。爪极式发电机包含与（未示出的）外环以不可相对旋转的方式连接的线圈01并且包括爪02，其设置在爪环上并且相互之间覆盖线圈的面对内环的一侧。在这种情况下，内环构成转子（次级件）并且线圈和爪环构成定子（初级件）。
在内环上设置具有交替的极性的各永久磁铁04。不仅各爪02而且各永久磁铁04相互之间以不同的间距设置在圆周上。由此可以测量旋转的轴承件的绝对位置。利用该系统由发电机的电压信号同样可以确定转速。
在图2中示出第二发电机电压的可能的电压分布06作为绝对值探测器的信号。电压分布06的包络曲线07被以对于专业人员已知的方式和方法进行评估并且提供转速和可选地提供旋转角度作为结果。
在图3中示出一种用于配备两个发电机的滚动轴承的能量管理方法。接下来描述的方法步骤的顺序通过在附图中标出的箭头示出。
第一发电机09可以具有各种不同的实施方式，在此例如是爪极式发电机、凸极发电机或滚动体发电机。当然也可以使用其它的发电机构造形式，只要能够被集成到滚动轴承中。
在滚动轴承的运行中产生的第一发电机电压首先经受电压适配11。这可以经由具有变压器的升压变换器、充电泵、维拉德电路或德隆电路（Delonschaltung）实现。
整流12的接下来的步骤可以经由已知的电路（例如单脉冲、双脉冲或三脉冲－中心抽头电路，或者双脉冲或六脉冲－桥式电路）实现。
电压滤波13优选经由充电电容器、阻容滤波器单元或电感电容滤波器单元实现。电压稳定14可以借助于并联稳压（齐纳二极管和横向晶体管或运算放大器）或串联稳压（齐纳二极管与纵向晶体管、调节放大器和交流声补偿，或者齐纳二极管与运算放大器）实现。
电流限定16借助于过电流熔断器、限流电阻、电流调节或电流反馈调节实现。
充电电子装置17包括产生蓄能器18的充电终止电压、充电电流限定、充电循环测定、温度测量和充电状态确定，蓄能器例如可以设计成超级电容器、蓄电池或原电池。
蓄能器18给电负载19供电，电负载通过其它的集成在轴承中的或设置在轴承周边上的传感器和/或致动器构成。
第二发电机21用于滚动轴承上的转速测量22、温度测量23和必要时位置确定24。
转速测量22可以通过物理参考标记的计数实现，其中通过插值算法导出时间信号。因此同样可以实现绝对和相对的位置测量。霍尔传感器可以用于绝对位置确定，霍尔传感器产生参考标记。霍尔传感器而后设置在各爪之间。
另外一种用于测量位置的可能性在于，设置线圈，其包围其中一个爪02。该线圈的感应信号可以同样用于绝对位置确定。
由旋转角度已知地可以通过微分求出角速度并且可以再次通过微分求出角加速度。有利地然而用于转速确定的参考标记由第二发电机的电压信号通过极限值确定来获得。转速通过电压信号的频率给出。
温度测量23优选通过第二发电机21上的电流测量和电压测量实现。此外确定总电阻并且通过已知的负载阻力和与温度相关的线圈绕电阻，可以推断出轴承中的温度。
此外可以经由第二发电机的电压信号在评估单元中在气隙改变方面进行信号评估，或者实现工作时间记录器。
附图标记清单
01-线圈
02-爪
03-内环
04-永久磁铁
05-
06-电压信号
07-包络曲线
08-
09-第一发电机
10-
11-电压适配
12-整流
13-电压滤波
14-电压稳定
15-
16-电流限定
17-充电电子装置
18-蓄能器
19-负载
20-
21-第二发电机
22-转速测量
23-温度测量
24-位置确定

Claims (10)

1.一种滚动轴承，其包含在位于两个可相对旋转的轴承环之间的空隙中设置的、被永久激励的第一发电机（09），该第一发电机包括初级件和次级件并且在运行中产生第一发电机电压，其中，次级件具有永久磁铁（04），这些永久磁铁以交替的极性在其中一个轴承环的圆周上至少部分地设置，其特征在于，该滚动轴承具有第二发电机（21），其中，第一发电机电压用于给集成在所述轴承中的传感器装置和/或致动器装置提供能量，而第二发电机提供用于位置确定和转速测量的电压信号。
2.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于：第二发电机（21）与第一发电机（09）是相同的构造类型。
3.如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于：各发电机（09，21）是爪极式发电机。
4.如上述权利要求1至3之一项所述的滚动轴承，其特征在于：为了确定滚动轴承的绝对位置，次级件具有围绕圆周分布地不均匀的磁场强度，或者在各爪之间设置霍尔传感器，或者设置包围其中一个爪的线圈。
5.如权利要求4所述的滚动轴承，其特征在于：其中一个或多个永久磁铁（04）具有不同的磁场强度。
6.如权利要求4所述的滚动轴承，其特征在于：各永久磁铁相互之间以不同的间距设置。
7.如上述权利要求1至6之一项所述的滚动轴承，其特征在于：第二发电机（21）的初级件（07）或者次级件（06）相对于第一发电机（09）的初级件或者次级件错开一个角度α，从而第二发电机（21）提供相对于第一发电机电压相位错开90°的第二发电机电压。
8.如权利要求7所述的滚动轴承，其特征在于：角度α等于一半的极距的值。
9.一种用于对配备第一发电机（09）和第二发电机（21）的滚动轴承进行能量管理的方法，其特征在于：在第一发电机（09）中产生的电压经受电压适配（11）、整流（12）、电压滤波（13）、电压稳定（14）和电流限定（16）并且接下来给充电电子装置（17）供电以便给蓄能器（18）充电。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第二发电机（21）提供与转速相关的、与位置相关的和/或与温度相关的信号，这些信号在由蓄能器（18）供电的评估单元中被处理。
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