CN110048555A - 用于监控磁性轴承装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控磁性轴承装置(14)的方法。为了改进对有源的磁性轴承中的转动体的位置确定进行监控而提出，磁性轴承装置(14)具有至少基本上对角地对置的第一对传感器(S1、S2)和至少基本上对角地对置的第二对传感器(S3、S4)，第二对传感器布置成相对于第一对传感器(S1、S2)以一个角度(α)错开，其中通过对多次距离测量计算时间平均值分别得出传感器(S1、S2、S3、S4)到转动体(20)的距离(d1、d2、d3、d4)，转动体布置在传感器对(S1、S2；S3、S4)之内，其中比较距离(d1、d2、d3、d4)，其中只要距离(d1、d2、d3、d4)之差超过极限值，输出警告信号。

Description

用于监控磁性轴承装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于监控磁性轴承装置的方法。

此外，本发明涉及一种控制单元，具有用于执行这种方法的部件。

此外，本发明涉及一种计算机程序，用于在控制单元中运行时执行这种方法。

本发明还涉及一种具有计算机程序的计算机程序产品。

本发明还涉及一种用于执行这种方法的传感装置。

此外，本发明涉及一种磁性轴承装置，具有至少一个磁性轴承和至少一个传感装置。

本发明还涉及一种具有至少一个磁性轴承装置的旋转电机。

背景技术

这种方法特别用于快速转动的旋转电机的有源的磁性轴承中，旋转电机例如是发动机、发电机、压缩机或涡轮机。例如，快速转动的旋转电机能够以至少1兆瓦的功率和至少5000转/分的转速运行，然而本发明不局限于这种机器。

借助相对于转动体位置的位置测量值，实现有源的磁性轴承的位置调节。转动体例如是旋转电机的转子。位置测量值利用距离传感器来检测。如果这种传感器失效或者传感器提供错误的测量值，那么位置调节不再能够将转动体保持在正确位置上。为了监控旋转电机中的磁性轴承装置的完整性而需要，总体上持久地检查位置传感器和位置确定的功能性，并且在确定有故障时将旋转电机转为安全状态。

因为位置调节基于现有的位置测量值对目标点进行调节，所以用于调节的位置测量值的完整性无法仅从所使用的位置测量值中得出。

专利文献DE 10 2009 039 485 B4描述一种调节系统和一种用于调节磁性轴承的方法。

公开文献DE 42 15 381 A1描述一种装置，具有两个传感单元以用于径向地和/或轴向地检测轴的位置，它们分别至少由一对大约对角地对置的传感器组成。

公开文献EP 3 203 191 A1描述一种用于磁性轴承装置的传感装置，其具有位移传感器和传感环。

发明内容

本发明基于以下目的，改进对有源的磁性轴承中的转动体的位置确定的监控。

根据本发明，该目的通过用于监控磁性轴承装置的方法来实现，磁性轴承装置至少基本上对角地对置的第一对传感器和至少基本上对角地对置的第二对传感器，第二对传感器布置成相对于第一对传感器以一个角度错开，其中通过对多次距离测量计算时间平均值分别得出传感器到转动体的距离，转动体布置在传感器对之内，其中比较距离，其中，只要距离之差超过极限值，输出警告信号。

此外，根据本发明，该目的通过一种控制单元、一种计算机程序、一种计算机程序产品、一种传感装置、一种磁性轴承装置和一种旋转电机来实现。

下面相关于方法所陈述的优点和优选设计方案在本质上能够转移给控制单元、计算机程序、计算机程序产品、传感装置、磁性轴承装置和旋转电机。

本发明基于以下构思，在有源的磁性轴承中，将对于两个彼此错开一定角度的、独立调节的传感器轴线所进行的传感器评估与相应的另一对距离传感器相关联，进而执行传感器数据的一致性检查。有源的磁性轴承实施为径向轴承和/或轴向轴承。一致性检查例如理解为：对传感器数据在其完整性方面进行检查。例如，如果距离传感器失效或例如由于传感器偏移而提供错误的测量值，那么传感器数据是不一致的，其中，由于这种不一致性不再能够将转动体调节到正确位置上。

在一致性检查时，经由对多次距离测量计算时间平均值分别得出传感器到转动体的距离。距离的时间平均值彼此比较。在距离不同时，存在传感器数据的不一致性，其中，只要距离差超过极限值就输出警告信号。如下地选择极限值，使得避免错误触发，然而还是可靠地防止转动体与例如扣机轴承的碰撞。警告信号是声信号、光信号和/或电信号，其中在警告信号的情况下例如将旋转电机转为安全状态。旋转电机例如是发动机、发电机、压缩机或涡轮机。特别地，旋转电机能够以至少1兆瓦的功率和至少5000转/分的转速运行。

在这种一致性检查中，由于旋转电机的运行中的发热、特别是转子的发热而出现的热扩张不构成问题，因为热扩张至少基本上均匀地在径向上发生并且所进行的不是绝对值比较，而是观察传感器相对于彼此的关系。因此，显著地降低错误警报的概率。

通过控制单元来控制方法流程以对传感器数据进行一致性检查。用于执行这种方法的部件包括计算机程序和例如微控制器或者其他的可编程的逻辑模块。控制单元例如布置在传感装置中。

通过对两个传感器轴线的组合评估，在没有附加传感机构的情况下实现了传感器监控。因此，能够性价比高地且高效地应用传感器数据的一致性检查。

在一个优选的设计方案中，通过对第一对传感器的距离进行比较并且通过对第二对传感器的距离进行比较来检查，调节是否是稳态的(einschwingen)。通过检查调节是否处于稳定状态，降低了用于一致性检查的错误源的数量，从而还降低了错误警报的概率。

在一个优选的实施方式中，在稳态的调节中，将第一传感器的第一距离和/或第二传感器的第二距离与第三传感器的第三距离和/或第四传感器的第四距离比较，其中，只要距离之差超过极限值，就输出警告信号。特别地，通过磁性轴承如下地调节转动体的位置，使得传感器对的距离之差变为零。在调节的稳态状态下，将第一传感器对的至少一个距离值与第二传感器对的至少一个距离值比较，其中第一传感器对对应于第一传感器轴线并且第二传感器对对应于第二传感器轴线。通过这两个传感器轴线的这种组合利用，在没有附加的传感机构的情况下实现传感器监控，从而能够性价比高地且高效地应用传感器监控。

特别有利的是，传感器实施为感应式位移传感器，通过感应式位移传感器不接触地检测距离。感应式位移传感器也称为涡流传感器。这种传感器是极其精确、成本低廉且可靠的。

在另一有利的设计方案中，对角地对置的第二对传感器布置成相对于对角地对置的第一对传感器转动60°至120°的角度。通过传感器轴线的这种布置简化了测量的评估。

特别有利地，转动体具有至少基本上圆形的横截面。通过圆形的横截面，特别在高转速的情况下、例如在至少5000转/分的情况下得到最佳的旋转特性。此外，简化了测量的评估，因为在圆形横截面的情况下，到传感器的距离在旋转期间不变。

在另一有利的实施方式中，在传感器之一的区域中布置至少一个冗余传感器，其中，得出至少一个冗余传感器到转动体的距离。利用至少一个附加的传感器，除了传感机构的不一致性之外，还可以探测出故障的传感器。

特别有利地，通过对得出的距离进行比较，探测出故障的传感器。因为对于相关轴线的传感器和直接相邻的冗余传感器来说，在到转动体的距离方面适用基本一致的框架条件，利用与直接相邻的传感器的距离进行比较特别可以识别出具有故障的传感器的轴线，并且通过将调节从与冗余传感器相邻的传感器切换到冗余传感器，故障的传感器自身能够被探测出。通过这样在没有其他测量的情况下直接辨别出故障的传感器，减少了旋转电机的停机时间，进而改进了机器的可用性。

附图说明

下面，根据附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。

附图示出：

图1是旋转电机的纵截面，

图2是具有传感装置的第一实施方式的磁性轴承装置的横截面，和

图3是具有传感装置的第二实施方式的磁性轴承装置的横截面。

具体实施方式

图1示出了位于基底4上的旋转电机2。旋转电机2实施为发动机或者发电机，并且具有能够围绕旋转轴线6旋转的转子8和包围转子8的定子10。转子8的轴12在两个轴向端部处分别通过一个有源的磁性轴承装置14来不接触地支承。替代地，旋转电机2实施为具有轴12的压缩机或涡轮机，轴在轴向端部处分别通过一个有源的磁性轴承装置14来不接触地支承。

经由传感装置18得出转动体20的位置，其中，转动体20包括具有轴12的转子8。可选地，转动体20在传感装置18的区域中具有传感环22，传感环与轴12连接。例如，传感环22与轴12材料配合地相连或者热压配合到轴12上。转动体20具有至少基本上圆形的横截面。

传感装置包括围绕轴12的圆周布置的传感器S1、S2，它们设计成感应式位移传感器并且适用于不接触地检测转动体20到相应传感器S1、S2的距离。感应式位移传感器例如考虑用于，经由气隙测量出阻抗并优选地测量出阻抗的变化。

磁性轴承装置14示例性地实施为径向轴承。将传感装置18用于轴向轴承同样是本专利申请的主题，其中，在轴向轴承的情况下，传感装置18设置用于得出转动体20在轴向上的位置。

图2示出了具有传感装置18的第一实施方式的磁性轴承装置14的横截面，其中，转动体20通过磁性轴承装置14不接触地支承。传感装置18包括两对呈对角地对置的传感器S1、S2、S3、S4，它们分别形成轴线a1、a2，其中，第二对S3、S4的第二轴线a2布置成相对于第一对S1、S2的第一轴线a1转动90°范围内的角度α。传感器S1、S2、S3、S4与中央单元24相连，中央单元包括评估单元26和控制单元28。所测量的传感器数据到中央单元24的传输例如电力地实现、特别是以电缆连接来实现、或者经由光导体来光学地实现。传感器S1、S2、S3、S4实施为感应式位移传感器，通过感应式传感器分别不接触地检测相应传感器S1、S2、S3、S4到转动体20的距离d1、d2、d3、d4。得出的数据被数字化并且至少部分地发送到IT基础设施30。IT基础设施30例如是至少一个本地的计算机系统或者是云，并且提供存储空间、计算能力和应用软件。在云中，存储空间、计算能力和应用软件作为服务通过网络来提供。到IT基础设施30的数字数据传输无线地、有线地或者光学地实现。例如通过蓝牙或者WLAN传输数据。

相应的轴线a1、a2的传感器对S1、S2、S3、S4具有不同的调节器，调节器出于概览的理由在图2中未示出。传感器S1、S2、S3、S4的位置测量值用于调节。距离d1、d2、d3、d4被如下地调节成，产生d2-d1＝0且d4-d3＝0。传感器被如下地校准，即目标位置对应于零位移。因此，在校准之后适用有d1＝d2＝d3＝d4。

首先，通过对第一对传感器S1、S2的距离d1、d2进行比较并通过对第二对传感器S3、S4的距离d3、d4进行比较来检查，调节是否是稳态的。

如果调节是稳态的，即适用d1＝d2且d3＝d4，那么对两个轴线a1、a2的传感器数据执行一致性检查：将第一传感器S1的第一距离d1和/或第二传感器S2的第二距离d2与第三传感器S3的第三距离d3和/或第四传感器S4的第四距离d4比较，其中，只要距离d1、d2、d3、d4之差超过极限值就输出警告信号。因为适用d1＝d2且d3＝d4，所以将第一对传感器S1、S2的距离d1、d2与第二对传感器S3、S4的距离d3、d4进行比较就足够了。替代地，对全部距离d1、d2、d3、d4进行比较，判断d1＝d2＝d3＝d4是否适用。

在运行期间，出现转子热扩张Δth，即转动体20的直径由于转子8的发热而轻微、但是均匀地增大。然而，转子热扩张Δth并不是问题，因为将传感器S1、S2、S3、S4的距离d1、d2、d3、d4进行比较并且不比较绝对值。在轴向轴承上的应用是可行的。图2中的磁性轴承装置14的其他实施方案与图1中的相对应。

图3示出具有传感装置18的第二实施方式的磁性轴承装置14的横截面。传感器S1、S2、S3、S4分别对应有一个冗余传感器R1、R2、R3、R4，以便除了传感机构的可能的不一致性以外还直接地探测出故障传感器。冗余传感器R1、R2、R3、R4成对地对角地对置，其中，这些对分别形成一个轴线。冗余传感器R1、R2、R3、R4的轴线a3、a4布置成相对于传感器S1、S2、S3、S4的轴线a1、a2转动直至10°范围内的错位角β。对于传感器S1、S2、S3、S4和它们直接相邻的冗余传感器R1、R2、R3、R4，在到转动体20的距离方面，适用基本一致的框架条件。

得出冗余传感器R1、R2、R3、R4到转动体20的距离e1、e2、e3、e4，其中，故障传感器S1、S2、S3、S4、R1、R2、R3、R4通过对所得出的距离d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4进行比较来探测出。图3中的磁性轴承装置14的其他实施方案与图2中的相对应。

综上，本发明涉及一种用于监控磁性轴承装置14的方法。为了改进对在有源的磁性轴承中的转动体的位置确定而提出，磁性轴承装置14具有至少基本上对角地对置的第一对传感器S1、S2和至少基本上对角地对置的第二对传感器S3、S4，第二对传感器布置成相对于第一对传感器S1、S2以一个角度α错开，其中通过对多次距离测量计算时间平均值分别得出传感器S1、S2、S3、S4距转动体20的距离d1、d2、d3、d4，转动体布置在传感器对S1、S2；S3、S4之内，其中比较距离d1、d2、d3、d4，其中，只要距离d1、d2、d3、d4之差超过极限值，输出警告信号。

Claims (14)

1.一种用于监控磁性轴承装置(14)的方法，所述磁性轴承装置具有至少基本上对角地对置的第一对传感器(S1、S2)和至少基本上对角地对置的第二对传感器(S3、S4)，所述第二对传感器布置成相对于所述第一对传感器(S1、S2)以一个角度(α)错开，其中，通过对多次距离测量计算时间平均值分别得出传感器(S1、S2、S3、S4)到转动体(20)的距离(d1、d2、d3、d4)，所述转动体布置在传感器对(S1、S2；S3、S4)之内，其中，比较所述距离(d1、d2、d3、d4)，其中只要所述距离(d1、d2、d3、d4)之差超过极限值，就输出警告信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对所述第一对传感器(S1、S2)的所述距离(d1、d2)进行比较并且通过对所述第二对传感器(S3、S4)的所述距离(d3、d4)进行比较来检查，调节是否是稳态的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在稳态的调节时将第一传感器(S1)的第一距离(d1)和/或第二传感器(S2)的第二距离(d2)与第三传感器(S3)的第三距离(d3)和/或第四传感器(S4)的第四距离(d4)比较，其中，只要所述距离(d1、d2、d3、d4)之差超过极限值，就输出警告信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传感器(S1、S2、S3、S4)实施为感应式位移传感器，通过所述感应式位移传感器不接触地检测所述距离(d1、d2、d3、d4)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对角地对置的所述第二对传感器(S3、S4)布置成相对于对角地对置的所述第一对传感器(S1、S2)转动60°至120°的角度(α)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述转动体(20)具有至少基本上圆形的横截面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述传感器(S1、S2、S3、S4)之一的区域中布置至少一个冗余传感器(R1、R2、R3、R4)，其中，得出所述至少一个冗余传感器(R1、R2、R3、R4)到所述转动体(20)的距离(e1、e2、e3、e4)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过对所得出的距离(d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4)进行比较，探测出故障的传感器(S1、S2、S3、S4、R1、R2、R3、R4)。

9.一种控制单元(26)，具有用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的部件。

10.一种计算机程序，用于在根据权利要求9的控制单元(26)中运行时执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

11.一种计算机程序产品，具有根据权利要求10所述的计算机程序。

12.一种传感装置(18)，用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述传感装置具有至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)和根据权利要求9所述的控制单元(26)。

13.一种磁性轴承装置(14)，具有至少一个磁性轴承(16)和至少一个根据权利要求12所述的传感装置(18)。

14.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求13所述的磁性轴承装置(14)。