CN104067103A - 通过旋转系统的轴承检测电流的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

检测经过旋转系统的主轴承的电流的方法，该旋转系统包括：轮毂；数个连接于轮毂的桨片；至少一个布置在轮毂的电动机；附连于轮毂并且围住用于给至少一个电动机提供电力的电缆的主轴；附连于用作电接地的金属结构的轴承壳体；以及具有附连于主轴的内环和附连于轴承壳体的外环的主轴承，所述方法包括以下步骤：提供第一测量设备，用于确定表示在主轴承的面对所述轮毂的一侧上的第一位置的主轴中的电流的测量值；提供第二测量设备，用于确定表示在主轴承的背离轮毂的一侧上的第二位置的主轴中的电流的测量值；确定表示在第一位置的流过主轴的第一电流和在第二位置的流过主轴的第二电流之间的差的测量值，所述差表示流过所述主轴承的电流。

Description

通过旋转系统的轴承检测电流的方法和系统
技术领域
本发明涉及大规模旋转系统。特别是，本发明涉及用于确定在这种大规模旋转系统中的杂散电流。
背景技术
具有连接于主轴的桨片的大规模旋转系统已经有很长的应用，例如具有大规模旋转系统的技术领域是水平轴线风轮机领域。已知的是，为了最优化旋转系统的运行效率，在运行期间控制桨片的桨距(纵向旋转状态)。
在例如风轮机的旋转系统中，连接主轴与固定结构—风轮机的发动机舱—的主轴承在运行期间受到相当大的并且变化的力。
为了改进例如风轮机的可用性/可用时间/使用寿命，可以监控各种轴承相关的参数，例如振动、润滑压力、润滑质量、润滑温度和轴承负载。
虽然目前在现有技术中描述的监控在失效发生之前帮助安排维修以及预测，并且从而可以改进风轮机和其它类似旋转系统的可用性，但是无法及时检测到的失效模式仍然存在。
发明内容
由于例如风轮机的上述所期望的特征，本发明的目的是提供用于确定轴承相关参数的改进的方法。
根据本发明的第一方面，因此提供一种检测经过旋转系统的主轴承的电流的方法，该旋转系统包括：轮毂；数个连接于轮毂的桨片；至少一个布置在轮毂的电动机；附连于轮毂并且围住用于给至少一个电动机提供电力的电缆的主轴；附连于用作电接地的金属结构的轴承壳体；以及具有附连于主轴的内环和附连于轴承壳体的外环的主轴承，所述方法包括以下步骤：提供第一测量设备，用于确定表示在主轴承的面对轮毂的一侧上的第一位置的主轴中的电流的测量值；提供第二测量设备，用于确定表示在主轴的背离轮毂的一侧上的第二位置的主轴中的电流的测量值；确定表示在第一位置的流过主轴的第一电流和在第二位置的流过主轴的第二电流之间的差的测量值，这个差表示流过主轴承的电流。
本发明基于这种认识，即，轴承电流会出现在支撑旋转系统中的主轴的主轴承中。
已知产生在电机的轴上的电压会导致从轴流到连接于轴的轴承的放电电流。这种放电电流会依次导致轴承环中或滚动元件中的火花痕迹、点蚀和焊接，从而损坏轴承。最终，放电电流会导致轴承失效。
在例如发动机的电机中的轴电压通常归因于“变频器”(VFD)，提供通过变频脉冲宽度调制(PWM)AC电压调整机器速度的可能性。VFD的转换会导致位于电动机的转子和定子之间的寄生电容的放电，引起转子轴中的电压。
由于轴承电流出现周知的问题，用在电机中的轴承通常接地，以避免放电电流。
由于旋转系统中的主轴承不一定是发动机的一部分，在这种系统中，主轴中电荷的累积并不是期望的。因此，不应有电流通过主轴承。
但是，由于旋转系统中的主轴可围住用于提供电力给一个或更多个布置在轮毂的电动机的电缆，部分电流可能选择电缆外部的不同路径。原因可能是，例如，安装在轮毂中的设备可能具有对于轮毂和/或轴的电容耦合。此外，可能有取决于在轮毂上的接地导体的构造的地电位。因此，轴电压可导致经过轴承流到地面的电流。轴可电阻性地和/或电容性地联接于轴承，或者导致通过轴承的阻性电流或者导致电荷的电容性的累积从而产生放电电流。此外，由于控制变桨发动机的系统可以是用电容性联接于地面的开关偏置的给变距引擎提供动力的开关系统，具有高频泛音的电流会流经轴承。相比具有更低频的电流这种泛音可能对于轴承的损害更大，因为从轴到轴承以及从轴承到地面的电容性联接的阻抗由于增加的频率而减小。
因此，发明人认识到，同样在轴承并不布置成电动机一部分的情况下，需要测量流经主轴承的电流。
支撑主轴的主轴承包括在联接于金属结构的轴承壳体中，所述金属结构接地。
因此，通过测量表示在主轴承各侧上的两个位置的主轴中的电流的参数，并且确定两个表示电流的参数之间的差，任何观测到的两个轴电流之间的差代表流经轴承的电流量。
在本文中，主轴承应当理解成适于用在旋转系统中的任何类型的轴承，例如单排或双排圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、球形滚子轴承或滚珠轴承。轴承还包括布置在外环和内环之间的用于使滚动元件保持在位的保持器。例如，保持器可由金属材料制成，比如黄铜或钢，或者由聚合物制成，例如聚醚醚酮(PEEK)或类似聚合物为基的材料。
根据本发明的一个实施方式，第一和第二测量设备的每一个可以是围绕主轴布置的线圈，用来确定流经主轴的电流。
通过在主轴周围布置线圈，经过主轴的电流变化会引起线圈中的电压。可优先使用空芯线圈，例如Rogowski式线圈。线圈以环形的方式布置在主轴周围从而使得电流所产生的交变磁场引发线圈中的电压。电压被积分从而产生代表主轴中电流的波形。因而，第一和第二波形产生并且通过取两个波形的差，推出经过轴承的电流。但是，同样地可以先取两个在线圈中感应的电压之间的差然后将得到的电压差积分从而推出经过轴承的电流。利用用来测量电流的线圈的优势在于，它可以围绕主轴布置而不干涉旋转系统的其它部分。此外，通过使用开放式的Rogowski式线圈，大大简化了线圈在现有系统中的整合。但是，可围绕主轴布置的、能检测电流的任何种类的线圈都是可行的。
另外，由于线圈和任何活动部分之间没有接触，部件之间没有磨损并且因此所需维护保持在最低值。
但是，检测电流的方法也可使用用来测量轴中电位的接触式测量设备执行，例如通过滑环或电刷触点连接于轴的伏特计或示波器。
根据本发明的一个实施方式，布置在轮毂的至少一个电动机可以是布置在轮毂并且配置用于控制至少一个所述桨片的桨距的变桨控制发动机。
经过主轴承的电流的确定可产生额外的问题，因为经过轴承的电流与流经控制电动机的主轴中的电缆的电流有关。例如，在电动机是变桨控制发动机的情况下，所检测的电流的频率图可以指示变桨控制发动机的状态。另外，不同运行模式和风力状况可通过流经主轴承的电流的分析来识别。
在本发明的一个实施方式中，所述方法还可包括步骤：如果指示流经主轴承的电流的差大于预定极限值，那么提供表示检测流经主轴承的电流的信号。
可能希望仅提供指示经过轴承的电流的信号，如果电流超过一定的极限值的情况下，例如如果噪声存在或者如果无害的低恒定电流流经轴承的情况。
此外，在本发明的一个实施方式中，所述方法还可包括步骤：如果指示流经主轴承的电流的差大于预定极限值的情况下，那么提供指示流经主轴承的电流量的信号。
可能希望知道流经轴承的电流的明确的量。例如，这可以通过了解测量设备的灵敏度或通过根据已知参考电流校准测量值来实现。确定的电流量可用于确定在轴承中是否已经发生了电流击穿或者恒定电流水平是否正在改变。
根据本发明的第二方面，提供用于检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量系统，该旋转系统包括：轮毂；数个连接于轮毂的桨片；至少一个布置在轮毂的电动机；附连于轮毂并且围住用于给至少一个电动机提供电力的电缆的主轴；附连于用作电接地的金属结构的轴承壳体；以及具有附连于主轴的内环和附连于轴承壳体的外环的主轴承，所述测量系统包括：第一测量设备，用于确定表示在主轴承的面对轮毂的一侧上的第一位置的主轴中的电流的测量值；第二测量设备，用于确定表示在主轴的背离轮毂的一侧上的第二位置的主轴中的电流的测量值；以及控制单元，该控制单元配置用于接收指示来自第一和第二测量设备的电流的参数并且确定表示在第一位置的流过主轴的第一电流和在第二位置的流过主轴的第二电流之间的差的测量值。
在本发明的一个实施方式中，第一线圈可附连于主轴承面对轮毂的一侧上的外环，第二线圈可附连于主轴承的面对轮毂一侧上的外环。
另外，如果第一线圈可被整合在主轴承的面对轮毂的一侧上的外环中，第二线圈可被整合在主轴承的面对轮毂一侧上的外环中。
有利的是将线圈靠近轴承布置，电流要通过该轴承测得。此外，如果线圈附连于或者整合在轴承中，优选地是在外环上或整合在外环中，那么可提供具有整合的测量系统的轴承。例如，线圈可布置在位于外环的面对轴承和轴的轴向方向的一侧上的凹陷、沟或槽中。可替代地，线圈可布置在位于外环的面对轴承的径向方向的外侧上。
本发明的第二方面的另外的效果和特征很大程度上与上述本发明第一方面的类似。
根据本发明的第三方面，提供检测经过旋转系统的主轴承的电流的方法，该旋转系统包括：轮毂；数个连接于轮毂的桨片；至少一个布置在轮毂的电动机；附连于轮毂并且围住用于给至少一个电动机提供电力的电缆的主轴；附连于用作电接地的金属结构的轴承壳体；以及具有附连于主轴的内环和附连于轴承壳体的外环的主轴承，所述方法包括以下步骤：提供围绕轴承壳体的一部分的线圈，该轴承壳体限定轴承壳体和固定结构之间的电连接；确定指示流经轴承壳体的所述部分电流的测量值。
通过提供围绕限定轴承和地面之间的电连接的轴承壳体一部分的单个线圈，可以通过使用仅仅一个用于测量电流的线圈来测量通过轴承的电流。如果从轴承到地面有唯一路径，那么测得的电流等于经过轴承的电流。可替代地，如果存在两个或更多个路径，比如如果轴承壳体具有两个或更多个将轴承壳体联接于周围结构的支承，那么流经轴承的电流的量可通过测量流经其中一个电流路径的电流确定，如果其它电流路径的导电特性已知的话。最直接的布置是两个或更多个将轴承壳体连接于固定结构的支承是对称的情况，那么就可以测量经过其中一个支承的电流并且简单地用该电流乘以支承的数目从而得到流经轴承的电流。
在可替代的实施方式中，单个线圈可被整合到包括每个滚动元件的保持器中。通过将线圈结合到每个保持器中，可以确定每个滚动元件之间的电流。这样，在经过轴承的恒定电流或放电的情况下，可以确定在哪一个特定的滚动元件发生了电流输送(electric current transport)。可替代地，在单排轴承中，可以确定在哪一侧发生电流输送。了解电流输送的特定位置对于在轴承故障情况下确定故障源头非常有帮助。此外，通过了解电流输送的特定位置，可以在整个轴承失效之前安排维修，从而改进整个旋转系统的可靠性。另外，每个围住相应滚动元件的线圈可连接于传输识别特定滚动元件的信号的有源或无源RFID电路，与配置用于接收无源电路所传输的信号的接收器结合。可替代地，通过使用由流经每个特定滚动元件的电流供电的无源电路进行读出，从而使得仅在流经滚动元件的电流在无源电路中产生足够的电力以传输信号的时候信号被发送。
本发明的第三方面的另外的效果和特征很大程度上与上述本发明第一和第二方面的类似。
根据本发明的第四方面，提供检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量系统，该旋转系统包括：轮毂；数个连接于轮毂的桨片；至少一个布置在轮毂的电动机；附连于轮毂并且围住用于给至少一个电动机提供电力的电缆的主轴；附连于用作电接地的金属结构的轴承壳体；以及具有附连于主轴的内环和附连于轴承壳体的外环的主轴承，所述测量系统包括：围绕限定轴承壳体和固定结构之间的电连接的轴承壳体的一部分布置并且配置用于确定指示流经轴承的所述部分的电流的测量值的线圈。本发明的第四方面的效果和特征很大程度上与上述本发明其它方面的类似。
此外，提供用于旋转系统中的主轴的轴承，该轴承包括内环、外环以及数个布置在内外环之间的滚动元件，其中用于测量电流的第一线圈布置在外环的第一侧上并且邻接于外环，用于测量电流的第二线圈布置在与外环的第一侧相对的第二侧上并且邻接于外环，并且其中第一和第二线圈配置成连接于用来检测在每个线圈中所感应的电压的控制单元。
具有布置在轴承中或整合在其中的用于测量电流的线圈在轴承基本上取代了主轴的应用中非常有利，这样使得将线圈与轴承分开非常困难。可替代地，在没有主轴存在的应用中，所期望的是测量流经轴承的电流，这可以通过如上所述将线圈整个在轴承的外环之中或两侧上来达成。轴承的侧面限定在与轴承的旋转轴线相关的轴向方向上。
附图说明
参考表示本发明实施方式的附图，现将更具体地描述本发明的这些或其它方面，其中
图1示意性地表示根据本发明实施方式的有代表性的风轮机；
图2示意性地表示根据本发明实施方式的有代表性的风轮机；以及
图3示意性地表示根据本发明实施方式的轴承。
具体实施方式
在此具体说明中，根据本发明所述的用于检测电流的测量方法和系统的各种不同实施方式主要参考经过连接于风轮机中主轴的轴承的电流讨论。应当注意的是，这决不是限制本发明的范围，本发明同样应用于连接于旋转系统中的轴的任何轴承，例如船只中的推进轴。
图1示意性地表示风轮机100的部分，其中可采用根据本发明所述的测量方法和系统。在图1中所示的风轮机，轮毂102、连接于轮毂102的数个桨片104a-c、用于控制桨片104a-c的桨距的布置在轮毂102的至少一个变桨控制发动机(未示出)、附连于轮毂102并且围住用于给变桨控制发动机提供电力的电缆的主轴106、附连于用作电接地的金属结构118的轴承壳体108、以及具有附连于主轴106的内环和附连于轴承壳体108的外环的主轴承110。
在此所示的用于检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量系统，包括在主轴承110的两侧上围绕主轴106布置的第一和第二测量设备114和116，每个以线圈形式用于测量电流。线圈114和116电连接于控制单元120并且线圈可以例如是Rogowski式线圈。在主轴106中的交流电将在线圈114和116中产生电压，在线圈中感应的电压与主轴106中的电流的倒数成比例。由控制单元120所检测的线圈中感应的电压在控制单元中积分从而以波形的形式表示通过主轴106的电流。接着，控制单元120确定两个波形之间的差，并且这个差就是从主轴106经过主轴承110流到地面的电流。
控制单元120可包括微处理器、微控制器、可编程数字信息处理器或者另外的可编程器件。控制单元120还可以或者替换为包括特殊应用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或者数字信号处理器。控制单元120包括可编程器件例如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器，处理器还可包括控制可编程器件运行的计算机可执行编码。
图2表示本发明的可替代的实施方式，其中用于测量电流的以线圈202形式的测量设备围绕轴承壳体108布置在轴承壳体连接于支撑结构的点。如图2所示，如果主轴承110通过单导路径与地面连接，如同通过轴承壳体108，那么可以通过围绕轴承壳体108布置单个线圈202来检测流过主轴承110的电流。由此，代表通过轴承的电流的波形可通过将线圈202中产生的电压积分形成。以相同形式，如果轴承壳体通过两个或更多个支撑点连接于支撑结构，线圈可布置在每个支撑点周围从而测量流过轴承至地面的电流。
图3是具有内环302、外环304和数个滚动元件306的主轴承110的示意图。轴承显然可以是适于特殊应用的在手边的任何类型的轴承。在图3所示的本发明的实施方式中，用于测量电流的第一和第二线圈308和310布置在主轴承110的外环304的任一侧。两个线圈可连接于控制单元并且通过轴承的电流可用如上所述的相似方式确定。
本领域的技术人员认识到，本发明决不限于上述优选的实施方式。例如，即使以上公开的实施方式涉及风轮机应用中的主轴中AC电流的检测，但是同样可以提供用于例如海洋应用中的主轴中的直流电。虽然变桨控制用在很多船只中，但是对于在电解液(海水)中的不同材料的应用，可能更常涉及船只的杂散电流问题。
另外，在实践所主张的本发明时，从附图、公开和所附权利要求的学习中技术人员可以理解并且实现公开的实施方式的变体。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元素或步骤，不定冠词“一个”并不排除数个。某些测量在互不相同的从属权利要求中陈述的仅有事实并不表明不能使用这些测量的组合从而产生更好效果。

Claims (14)

1.一种检测经过旋转系统的主轴承的电流的方法，该旋转系统包括：
轮毂；
多个桨片，连接到该轮毂；
至少一个电动机，布置在该轮毂处；
主轴，附连于该轮毂，并且围住用于给所述轮毂处设置的所述至少一个电动机提供电力的电缆；
轴承壳体，附连于用作电接地的金属结构；以及
主轴承，具有附连于该主轴的内环和附连于该轴承壳体的外环，
所述方法包括以下步骤：
提供第一测量设备，用于确定表示在所述主轴承的面对所述轮毂的一侧上的第一位置的所述主轴中的电流的测量值；
提供第二测量设备，用于确定表示在所述主轴承的背离所述轮毂的一侧上的第二位置的所述主轴中的电流的测量值；以及
确定表示在所述第一位置的流过所述主轴的第一电流和在所述第二位置的流过所述主轴的第二电流之间的差的测量值，所述差表示流过所述主轴承的所述电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二测量设备的每一个是围绕所述主轴布置的线圈，用来确定流经所述主轴的电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述布置在轮毂的至少一个电动机是布置在轮毂并且配置用于控制至少一个所述桨片的桨距的变桨控制发动机
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法，还包括以下步骤：
如果指示流经所述主轴承的所述电流的差大于预定极限值，那么提供表示检测流经所述主轴承的电流的信号。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法，还包括以下步骤：
如果指示流经所述主轴承的所述电流的差大于预定极限值，那么提供指示流经所述主轴承的电流的量的信号。
6.一种用于检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量系统，该旋转系统包括：
轮毂；
多个桨片，连接到该轮毂；
至少一个电动机，布置在该轮毂处；
主轴，附连于该轮毂，并且围住用于给所述轮毂处设置的所述至少一个电动机提供电力的电缆；
轴承壳体，附连于用作电接地的金属结构；以及
主轴承，具有附连于该主轴的内环和附连于该轴承壳体的外环，
所述测量系统包括：
第一测量设备，用于确定表示在所述主轴承的面对所述轮毂的一侧上的第一位置的所述主轴中的电流的测量值；
第二测量设备，用于确定表示在所述主轴的背离所述轮毂的一侧上的第二位置的所述主轴中的电流的测量值；以及
控制单元，该控制单元配置用于接收指示来自第一和第二测量设备的电流的参数并且确定表示在所述第一位置的流过所述主轴的第一电流和在所述第二位置的流过所述主轴的第二电流之间的差的测量值。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其中所述第一和第二测量设备的每一个是围绕所述主轴布置的线圈，用来确定流经所述主轴的所述电流。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其中所述第一线圈附连于所述主轴承面对所述轮毂的一侧上的所述外环，所述第二线圈可附连于所述主轴承的面对所述轮毂一侧上的所述外环。
9.根据权利要求7所述的测量系统，其中所述第一线圈被整合在所述主轴承的面对所述轮毂的一侧上的所述外环中，所述第二线圈被整合在所述主轴承的面对所述轮毂一侧上的所述外环中。
10.根据权利要求7所述的测量系统，其中所述第一线圈布置在所述主轴承的面对所述轮毂的一侧上的所述外环中的第一凹陷中，并且所述第二线圈布置在所述主轴承的面对所述轮毂的一侧上的所述外环中的第一凹陷中。
11.一种检测经过旋转系统的主轴承的电流的方法，该旋转系统包括：
轮毂；
多个桨片，连接到该轮毂；
至少一个电动机，布置在该轮毂处；
主轴，附连于该轮毂，并且围住用于给所述轮毂处设置的所述至少一个电动机提供电力的电缆；
轴承壳体，附连于用作电接地的金属结构；以及
主轴承，具有附连于该主轴的内环和附连于该轴承壳体的外环，
所述方法包括以下步骤：
提供围绕所述轴承壳体的一部分的线圈，该轴承壳体限定所述轴承壳体和所述固定结构之间的电连接；以及
确定指示流经轴承壳体的所述部分电流的测量值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
如果指示流经所述主轴承的所述电流的差大于预定极限值，那么提供表示检测流经所述主轴承的电流的信号。
13.一种检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量系统，该旋转系统包括：
轮毂；
多个桨片，连接到该轮毂；
至少一个电动机，布置在该轮毂处；
主轴，附连于该轮毂，并且围住用于给所述轮毂处设置的所述至少一个电动机提供电力的电缆；
轴承壳体，附连于用作电接地的金属结构；以及
主轴承，具有附连于该主轴的内环和附连于该轴承壳体的外环，
所述测量系统包括：
线圈，围绕限定所述轴承壳体和所述固定结构之间的电连接的所述轴承壳体的一部分布置，并且配置用于确定指示流经轴承壳体的所述部分的电流的测量值。
14.根据权利要求13所述的用于检测电流的测量系统，还包括
控制单元，该控制单元配置用于接收指示来自所述线圈的电流的测量值，其中如果所述指示电流的测量值大于预定极限值，那么所述控制单元还配置用于提供指示检测流经所述主轴承的电流的信号。
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