CN111316540B - 电动机及其滚动轴承的监测方法 - Google Patents

电动机及其滚动轴承的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动机及用于监测电动机(1)的滚动轴承(2)的方法，其中所述滚动轴承(2)形成电容寄生天线(3)，所述方法包括以下步骤：a.在所述电动机(1)运行时，在定义时段t内检测所述滚动轴承(2)中的电火花形成促使所述寄生天线(3)所发射的电磁波谱(7)；b.对在所述谱中所获得的数量为N的电磁脉冲(a、b、c、d、e)及其振幅A进行评估；c.检测所述电磁脉冲(a、b、c、d、e)的数量N和/或振幅A的变化；以及d.确定所述电磁脉冲(a、b、c、d、e)的数量N和/或振幅A是否随时间推移呈非线性地增大。

Description

电动机及其滚动轴承的监测方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测电机如EC电动机中的滚动轴承的方法和装置。
背景技术
目前，变速电动机主要由电压中间电路变换器供电。用脉冲控制逆变器为电机供电时，例如有可能形成电容耦合轴承电压。通过逆变器的被接通的脉冲波形，逆变器输出端上产生以逆变器的开关频率跃变的对地共模电压(CMV)。
因此，通过电压中间电路变换器进行供电会产生非期望的轴承电压，而这又会致使电动机的轴承中产生轴承电流。对于具有滚动轴承和滑动轴承的电机来说，轴承中的这种电流会导致电机损坏直至完全失效。因此，一方面希望能避免损坏，另一方面存在对这种滚动轴承的状态进行监测的需要。
作为补救，以往使用电流绝缘或者说电绝缘的轴承，例如外圈上具有陶瓷绝缘层的轴承或具有陶瓷滚动体的混合轴承，以此来减小滚动轴承的损伤。但由于这些轴承很贵，这样一种解决方案并非是适用于批量制造的理想解决方案。
由现有技术已知其他的补救措施。公开案EP 1 445 850 A1和DE 10 2004 016738 B3提出使用用于保护电机轴承的装置，该装置设有可产生补偿电流以补偿轴承中的干扰电流的补偿配置或补偿装置。
然而，无论EC电动机具有怎样的结构以及无论采用何种方案来避免轴承受损，都希望能了解轴承的当前状态并确认轴承上可能存在的损伤。
监测旋转式或可旋转电机如EC电动机的轴承状态的方法的主要任务是，尽可能在不中断运行的情况下能够评估当前轴承状态和全部的状态变化。在此，本发明所称的轴承状态是指在电火花腐蚀所引起的轴承变化方面对轴承的技术状态进行评估。
通过预防性保养和相关的经验值，虽能改善EC电动机的可用性，同时也能缩短停机时间并降低保养成本。但其缺点是，很难准确预测轴承的状态、磨损情况和失效时间点。另外，实施预防性保养时经常会将剩余使用寿命还很长的零部件过早地更换掉。因此，有必要找到一种能够在运行过程中尽可能准确地测定轴承状态，并且不需要使用复杂的传感器、进行振动分析或采取类似技术手段的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服前述缺点并提供一种可靠的且能以低成本实现的轴承状态监测方案，特别是能够检测滚动轴承损伤的解决方案。
本发明用以达成这一目的的解决方案在于：
一种监测电动机的滚动轴承的方法，其中所述滚动轴承形成电容寄生天线，所述方法包括以下步骤：
a.在所述电动机运行时，在定义时段t内检测所述滚动轴承中的电火花形成促使所述电容寄生天线所发射的电磁波谱；
b.对在所述电磁波谱中所获得的数量为N的电磁脉冲及其振幅A进行评估；
c.检测所述电磁脉冲的数量N和/或振幅A的变化；以及
d.确定所述电磁脉冲的数量N和/或振幅A是否随时间推移呈非线性地增大。
本发明的基本理念是：通过测量轴承的钢球与滚动面之间由于电火花形成而产生的高频无线电辐射，可以根据从中获得的电磁波来推断轴承品质。
以已知的电门铃和设置在电门铃旁边的无线电设备为例，电火花(火花放电)会产生能耦合至无线电设备的天线的高频电磁波。在轴承滚道与轴承钢球之间的表面上也会发生同样的现象。产生电火花的火花电流就是前述的轴承电流，轴承电流与轴承零件(轴承中的钢球和钢球滚道)的旋转协同作用而引发某种形式的电火花腐蚀。在此情况下，通过基于轴承的机械结构而产生的、耦合至(钢球到滚道的)火花隙的天线(寄生天线)，每单位时间将产生与轴承受损情况有关的一定数量的火花，并且发射相应数量的特定电磁波。
上述电火花腐蚀使得轴承损伤在数量和程度方面随时间推移而加重，然而，轴承损伤的加重并非随时间呈线性变化。除了原本的腐蚀过程，滚动球轴承的钢球上已经存在的一定数量的轴承损伤也会对其他轴承损伤的形成产生影响，因为这会使滚动面与钢球表面之间的必要状态发生不利变化。
对于电磁波或电磁脉冲的接收器来说，这意味着，在取决于球轴承的寄生天线的特定(对于损伤而言的特定)频带中，受电火花形成影响，被检测到的电磁脉冲数量以及被测定的电磁脉冲振幅将以时间间隔为单位呈非线性地增大。
因此，本发明提出：利用在特定时间间隔内对电磁脉冲所做的评估来测定轴承状态。通过对这些脉冲进行评估，也就是通过求接收器输出端上的信号的平均值，以及接下来通过计算平均值的变化率，可以推断轴承状态。被测定的平均值变大且其变化速度随着轴承受损程度的加重而渐增。
因此，本发明提出：对测量到的电磁波谱进行波谱分析，从而求得定义的单位时间内的电磁脉冲数量、这段时间内的电磁脉冲平均值以及所述平均值的时间差分(zeitliches Differential)。如此一来，本发明就可以借助接收天线和评估装置以低成本的方式对轴承状态进行监测。
一种优选的分析预测可能性是使用参考数据。为此，为相关的EC电动机设计相应的参考模型。其中，该参考模型包括一数据集，该数据集包含有针对不同轴承状态的特定频带的电磁脉冲，其中滚动轴承的轴承损伤分别以不同的形式而存在。以外推法得出关于数种轴承状态的非线性轴承状态曲线，其体现了轴承损伤的非线性变化。特别有利的是，测定或者以外推法得出平均值曲线而非曲线本身，并且定义一最大差分(maximalesDifferential)作为绝对极限差分(absolutes Grenzdifferential)，自该绝对极限差分起，轴承被视为“有缺陷”。因此，当每个定义时间间隔内的电磁脉冲的增加超过该极限差分的值时，可例如输出故障信号。
就工业4.0应用而言，也可如下设置：定义第二极限值(相对极限差分(relativesGrenzdifferential))，该第二极限值从时间看代表一状态，此状态存在于达到绝对极限差分(轴承有缺陷)之前并且预示了接下来会产生的轴承缺陷。根据实际曲线形状和平均工作时间可以预测失效时间点，因此，借助本发明不仅可以检测当前状态，也能检测轴承状态的预测进展，从而实现预防性保养。
举例而言，当检测到相对极限差分的极限值时，也可以全自动触发一需求请求。
为了减少测量时由其他干扰源(例如无线电发射器、电动机中的干扰源等等)所引起的干扰，本发明在优选实施方式中提出：接收器仅检测电磁波的特定频带。特别有利地，这个频带选择性地被调节至EC电动机的寄生发射天线的谐振频率。
在本发明的另一有利实施方式中提出：接收器不仅只监测EC电动机中的单一轴承，而是还根据频率且进而根据寄生天线与接收器频率的调谐，对电动机中的数个轴承进行监测。但是，为此须借助附加电抗(电感和电容)来将寄生天线调节至谐振频率。
这对电火花形成没有明显影响，因为电火花自身始终发射较宽的电磁波频带。
本发明的另一方面涉及一种具有轴承监测装置的EC电动机，所述轴承监测装置包括接收天线以及用于评估电磁波的评估装置。
在本发明的优选实施方式中提出：所述接收天线直接设于所述电动机的印制电路板上。
关于本发明其他有利改进方案的特征请参阅上文，下面参照附图并结合本发明的优选实施方案予以详细说明。
附图说明
其中：
图1为根据本发明的频谱在第一时间点t＝t1上的谱线简化图；
图2为根据本发明的频谱在第二(稍晚)时间点t＝t2上的谱线简化图；
图3为从轴承损伤点发出的且被检测到的电磁脉冲的平均值的变化率的外推曲线；以及
图4为具有轴承监测装置的电动机的例示性等效电路图。
具体实施方式
下面参照图1至图4并结合优选实施例对本发明进行详细说明，其中相同的附图标记指向相同的功能特征和/或结构特征。
图1和图2分别示出具有振幅A的频谱A(f)在第一时间点t＝t1和稍晚时间点t＝t2上的谱线简化图。谱线a、b、c、d应分别代表滚动轴承2上的一个轴承损伤点并且表示频谱中的相应振幅。这些谱线在图1和图2中仅例示性地作为离散谱线被示出。通过振幅A测定轴承损伤程度。振幅越高且相应的绝对值越大，轴承损伤程度越大。在此，图1例示性地仅示出(未图示)频谱中7条这样的谱线，而图2中则例示性地增加了其他损伤点(由谱线e表示)。
在对图4所示的电动机1的滚动轴承2进行监测时，会使用到这些谱线a、b、c、d、e。假设所要监测的滚动轴承2形成电容寄生天线3，滚动轴承2中由于存在轴承损伤而形成电火花，而该天线由于电火花的形成而发射电磁波。
如图4中的等效电路图所示，电动机1具有轴承监测装置5，该轴承监测装置具有至少一个接收天线6，该接收天线优选直接安装在电动机1的印制电路板7上。
滚动轴承2中的电火花形成促使寄生天线3发射电磁波谱，在电动机1运行过程中在定义时段t内检测到该电磁波谱后，对在频谱中所获得的数量为N的电磁脉冲及其振幅A进行评估，并且求脉冲a、b、c、d、e的平均值，这些脉冲包含在为了进行评估而测定的频带fs(虚线之间的区域)中。
通过在电动机运行期间在大量接续时间点上检测上述频带fs中的电磁脉冲a、b、c、d、e的数量N和/或振幅A的平均值变化，可以从变化率推断轴承状态。
特别地，可以在实施例中如下设置：绘图时以时间为横轴，以各检测时间点上的平均值为纵轴。由此得出如图3所示的非线性曲线，因为变化率随时间推移而增长。因此，从时间点t1到时间点t2的增长的变化小于后续的相同时间间隔内的变化，因为在这些时间间隔内，轴承损伤程度进一步呈非线性地增大。图1至图3中还仅例示性地绘示了极限值，即第一极限值GWr和第二极限值GWm，其中第一极限值应定义一状态，在此状态下，预期的剩余使用寿命对应一根据过往变化率和工作时间计算出来的定义值，其中在达到第一极限值的时间点时得出变化率。
图4中补充性地示出显示器8，其用于显示由轴承监测装置5所测定的谱9，以便也能以图解方式为操作人员呈现结果，并且必要时以简单的方式为电动机的使用者提供可视的信号、报警等等。如果轴承监测装置5已经是电动机电子组件的整体组成部分，是有利的。

Claims (14)

1.一种监测电动机(1)的滚动轴承(2)的方法，其中所述滚动轴承(2)形成电容寄生天线(3)，所述方法包括以下步骤：
a.在所述电动机(1)运行时，在定义时段t内检测所述滚动轴承(2)中的电火花的形成促使所述电容寄生天线(3)所发射的电磁波谱(9)；
b.对在所述电磁波谱中所获得的数量为N的电磁脉冲(a、b、c、d、e)及其振幅A进行评估；
c.检测所述电磁脉冲(a、b、c、d、e)的数量N和/或振幅A的变化；以及
d.确定所述电磁脉冲(a、b、c、d、e)的数量N和/或振幅A是否随时间推移呈非线性地增大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了在步骤d)中确定所述电磁脉冲(a、b、c、d、e)的数量N和/或振幅A的增大，求所述振幅A的平均值，并且利用所述平均值的变化来确定轴承状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述求所述振幅A的平均值为加权求平均值。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，以时间差分的形式测定所述平均值的变化的增幅作为变化率，而后分析所述变化率是否非线性增大。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将被测定的所述变化率与参考数据进行比较，并且至少在超过所述参考数据时产生信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述参考数据包括至少一个预定的最大极限值(GWm)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将被测定的所述变化率与至少一个预定的第二极限值(GWr)进行比较，并且在超过所述第二极限值(GWr)时产生信号，其中所述第二极限值小于所述最大极限值(GWm)。
8.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的方法，其特征在于，仅检测发射的所述电磁波谱的宽频带内的选定窄频带fs内的电磁脉冲。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，仅检测发射的所述电磁波谱的宽频带内的选定窄频带fs内的电磁脉冲。
10.一种具有至少一个滚动轴承的电动机(1)，通过轴承监测装置监测所述滚动轴承的状态，其中所述电动机被构建为用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的电动机，其特征在于，所述电动机使用整合在所述电动机中的接收天线来检测所述电磁脉冲。
12.根据权利要求10所述的电动机，其特征在于，设有数个滚动轴承，其状态由所述轴承监测装置监测，其中所述滚动轴承的各寄生天线分别配设感抗和/或容抗，以便将相应的寄生天线调节至其谐振频率。
13.根据权利要求11所述的电动机，其特征在于，设有数个滚动轴承，其状态由所述轴承监测装置监测，其中所述滚动轴承的各寄生天线分别配设感抗和/或容抗，以便将相应的寄生天线调节至其谐振频率。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的电动机，其特征在于，用于评估所述电磁波谱的评估装置整体地设于所述电动机中或所述电动机上。
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