CN111448447B - 用于监测旋转电机的旋转轴的减摩轴承的布置结构 - Google Patents

Abstract

一种用于监测旋转电机(186)的旋转轴(180)的减摩轴承(184)的布置结构(100)。布置结构(100)包括：用于测量电容性轴位移参数(134)的一个或更多个电容器电极(114)；以下的附加的测量传感器中的一个或更多个：用于测量轴承噪声参数(138)的麦克风(118)、用于测量轴承电流参数(136)的电压传感器(116)和/或用于测量轴热参数(130)的光学高温计(110)；以及一个或更多个处理器(160)，其被配置成基于电容性轴位移参数(134)和以下参数中的一个或更多个参数来评估(150)减摩轴承(184)的状况(152)：轴承噪声参数(138)、轴承电流参数(136)和/或轴热参数(130)。

Description

用于监测旋转电机的旋转轴的减摩轴承的布置结构

技术领域

本发明涉及用于监测旋转电机的旋转轴的减摩轴承的布置结构。

背景技术

旋转轴是旋转电机(例如电动机、发电机或者其他电磁机)的主要部分。轴由减摩轴承容纳。在使用期间中对减摩轴承的状况监测很重要。在现有技术中，状况监测是基于振动测量。存在两种类型的测量：轴承壳体加速度测量和相对轴位移测量。加速度测量适用于具有所有类型的轴承的电机，但是轴位移测量仅适用于滑动轴承(或整体轴承)，其中，轴颈在轴承表面上滑动(即不使用减摩轴承)并且因此获得与润滑膜的性能有关的信息。这意味着对减摩轴承机器的状况监测仅基于加速度测量，这具有两个缺点：该测量不适用于低频范围(10Hz以下)；以及难以识别局部性能。加速度测量仅产生间接信息，而不产生关于与减摩轴承的相关的基本物理性能的信息，例如基于相对位移和轴承刚度的摆动轴承力、滚动元件的接触角、滚动元件绕周界的接触情况、自由端外环的倾斜角以及自由端轴承的粘滑运动。

因此，状况监测需要进一步的完善。

发明内容

本发明寻求提供一种用于监测旋转电机的旋转轴的减摩轴承的改进的布置结构，以及一种包括旋转电机、旋转轴、减摩轴承和该布置结构的改进的安装件。

根据本发明的一方面，提供一种如权利要求1所指定的布置结构。

根据本发明的另一方面，提供一种如权利要求14所指定的安装件。

附图说明

下面仅以示例的方式参照附图描述本发明的示例实施方式，在附图中：

图1示出了用于监测旋转电机的旋转轴的减摩轴承的布置结构的示例实施方式；

图2A示出了旋转轴的示例实施方式；

图2B示出了电路板的示例实施方式；

图3A、图3B和图3C示出了电路板的其他示例实施方式；

图4A和图4B示出了该布置结构的其他示例实施方式；

图5示出了角接触球轴承的示例实施方式；

图6示出了外环倾斜的示例实施方式；以及

图7、图8、图9、图10和图11示出了该布置结构的其他示例实施方式。

具体实施方式

以下实施方式仅是示例。尽管在若干位置中说明书可以引用“一个”实施方式，但这不一定意味着每个这样的引用是针对相同的实施方式，或者特征仅适用于单个实施方式。也可以将不同实施方式的单个特征组合以提供其他实施方式。此外，词语“包括”和“包含”应当被理解为不将所描述的实施方式限制为仅由已经提到的那些特征组成，并且这样的实施方式还可以包含未特别提及的特征/结构。

对图1进行研究，图1示出了用于监测旋转电机186的旋转轴180的减摩轴承184的布置结构100的示例实施方式。

布置结构100包括一个或多个电容器电极114，一个或多个电容器电极114被配置和定位成邻近旋转电机186的旋转轴180的减摩轴承184，以根据与旋转轴180的导电部182的相互作用来测量电容性轴位移参数134。

在其最简单的形式下，电容性轴位移参数134确定旋转轴180与一个或更多个电容器电极114之间的距离。

布置结构100还包括以下的附加的测量传感器中的一个或更多个附加的测量传感器：

-麦克风118，其被配置和定位成邻近减摩轴承184以测量由减摩轴承184引起的声波作为轴承噪声参数138；

-电压传感器116，其被配置成测量旋转电机186的旋转轴180与静止部之间的电压差作为轴承电流参数136；以及/或者

-光学高温计110，其被配置成测量旋转轴180的温度作为轴热参数130。

该布置结构还包括一个或更多个处理器160，所述一个或更多个处理器160被配置成基于电容性轴位移参数134以及以下参数中的一个或更多个参数来评估150减摩轴承184的状况152：轴承噪声参数138、轴承电流参数136以及/或者轴热参数130。

减摩轴承184的状况152例如可以指示减摩轴承184的预期剩余寿命或者维修需求。

在示例实施方式中，轴承噪声参数138和电容性轴位移参数134可以用于实时或接近实时地评估减摩轴承184的状况。例如，可以利用包络分析来分析所测量的声波。

在示例实施方式中，麦克风118被配置成测量指示减摩轴承184的状况152例如磨损的这样的频率：所述频率被发射为声音和/或振动(甚至在人类的听觉范围以外)。过大的轴承噪声(例如，超过分贝极限或者具有特定频率)指示减摩轴承184接近其生命周期结束，或者需要被维修或被更换。

利用电压差测量，可以检测和监测旋转轴180的相对的端部之间的电压差。如果相对的端部之间的电压差很大，则在相对的端部通过由旋转电机186的框架形成的电路电连接时，可能导致减少减摩轴承184的寿命的有害的轴承电流。轴承电流可能导致点蚀和过大的轴承噪声、凹槽，最终甚至导致电机故障。

在示例实施方式中，高频电压被馈送至由旋转轴180和一个或更多个电容器电极114形成的电容电路以测量电容性轴位移参数134，然而在旋转电机186的旋转轴180与静止部例如旋转电机186的框架或减摩轴承184的护罩之间测量电压差。

光学高温计110根据旋转轴180的表面发射的热辐射的频谱来从一定距离处确定旋转轴180的表面的温度。已经发现，电容性轴位移参数134与轴热参数130一起良好地指示了减摩轴承184的剩余寿命。例如，如果位移超过预定阈值并且温度在某个极限之上，则可以推断出减摩轴承184的磨损超过可接受的极限。

在示例实施方式中，电路板120可以包括处理来自传感器110、114、116、118的测量数据的一个或更多个处理器160。然而，一个或更多个处理器160可以位于电路板120附近，例如，在同一壳体或不同的壳体中，甚至在更远的距离处，例如在服务器或计算云中。

这些不同的执行器之间的通信可以利用适当的有线/无线通信技术和标准/专用协议来实现。

在示例实施方式中，通过利用同轴电缆、双绞线或光纤以及LAN(局域网)或以太网的合适的通信技术来实现有线通信。

在示例实施方式中，利用适当的蜂窝通信技术诸如GSM、GPRS、EGPRS、WCDMA、UMTS、3GPP、IMT、LTE、LTE-A，或者利用适当的非蜂窝通信技术诸如蓝牙、低功耗蓝牙、Wi-Fi、WLAN(无线局域网)来实现无线通信。

术语“处理器”160是指能够处理数据的装置。取决于所需的处理能力，可以使用一个或更多个处理器160，例如并行处理器或多核处理器。

一个或更多个处理器160还使用“存储器”，该“存储器”是指能够在运行时间存储数据的装置(＝工作存储器)或者能够永久地存储数据的装置(＝非易失性存储器)。工作存储器和非易失性存储器可以由随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)、闪速存储器、固态盘(SSD)、PROM(可编程只读存储器)、合适的半导体或实现电子计算机存储器的任何其他装置来实现。

一个或更多个处理器160和存储器可以通过电子电路实现。一个或更多个处理器160和存储器的实现技术的非详尽列表包括但不限于：逻辑部件、标准集成电路、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SoC)、专用标准产品(ASSP)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用计算机芯片、现场可编程门阵列(FPGA)以及其他合适的电子结构。

可以利用软件和/或硬件形式的计算机程序代码来实现该处理。在示例实施方式中，软件可以由合适的编程语言(例如，高级编程语言诸如C、C++或Java，或者低级编程语言诸如机器语言或汇编语言)编写，并且所得的可执行代码可以存储在存储器上并且由一个或更多个处理器160运行。在替选示例实施方式中，硬件的功能可以由合适的硬件描述语言(例如，Verilog或VHDL)来设计，并被转换成门级网表(描述标准单元及它们之间的电连接)，并且在进一步阶段之后，可以用描述电路的光掩模来制造实现一个或更多个处理器160、存储器和代码的芯片。

在示例实施方式中，布置结构100还包括被配置成输出减摩轴承184的状况152的用户接口162。

在示例实施方式中，布置结构100还包括被配置成传送减摩轴承184的状况152的数据通信接口164。数据通信接口164可以利用上述的适当的有线/无线通信技术和标准/专用协议来实现。数据通信接口164可以利用外部控制装置170诸如控制中心、操作和维护中心、服务中心等实现单工或双工连接166。

在示例实施方式中，安装件190包括旋转电机186、旋转轴180、减摩轴承184和布置结构100。这样的安装件190可以在工厂、发电厂、船舶或者在其中使用旋转电机186的其他地点处。

申请人的公布为EP 2918964的另一个专利申请在所有适用的司法权限内通过引用并入本文。其可以被查阅以找到进一步的使能公开内容，尤其是针对电容器电极114及其在测量电容性位移参数中的使用。本申请描述了一种增强的测量布置结构，该增强的测量布置结构提供了安装简便、集成、传感器成本和测量准确度方面的优点。

在图1和图2B所示的示例实施方式中，布置结构100还包括光脉冲传感器112，该光脉冲传感器112被配置和定位成邻近减摩轴承184以测量旋转轴180的旋转角作为轴旋转角参数132。一个或更多个处理器160还被配置成基于轴旋转角参数132和电容性轴位移参数134来根据旋转角计算144旋转轴180的径向位移参数146。一个或更多个处理器160还被配置成还基于指示旋转轴180的弯曲的径向位移参数146来评估150减摩轴承184的状况152。

在图2B所示的示例实施方式中，旋转轴180包括用于光脉冲传感器112以便可以测量旋转角的合适的对应表面202。对应表面202可以被机加工到旋转轴180的表面中，或者例如作为涂层或环状部分附接到旋转轴180上。

在示例实施方式中，一个或更多个处理器160还被配置成计算140旋转角作为时间的函数的积分(＝数学微积分运算)以得到旋转轴180的旋转速度作为轴速度参数142。一个或更多个处理器160还被配置成还基于轴速度参数142来评估150减摩轴承184的状况152。

如图2A所示，旋转轴180可以以六个自由度移动：沿着X轴、Y轴和Z轴移动，以及绕这些轴旋转。旋转轴180的平移(或移动、位移或旋转)被标记为x'(轴向位移)、y'(轴向位移)和z'(径向位移)以及α'(绕x轴旋转)、β'(绕y轴旋转)和θ'(绕z轴旋转)。在示例实施方式中，通过一个或更多个电容器电极114检测这些平移作为电容性轴位移参数134。

在示例实施方式中，旋转轴100是旋转电机186(诸如电动机、发电机或另一电磁机)的转子的金属轴。

旋转轴180具有两个端部：输出动力的驱动端(D)400和非驱动端(N)402，参见图4A。

在示例实施方式中，旋转轴100为具有中心轴线A的圆柱形状。在图2A中，笛卡尔坐标系被布置为使得z轴与中心轴线A重合，并且x轴和y轴垂直于z轴且彼此垂直。

接下来研究图1和图2B。在示例实施方式中，一个或更多个电容器电极114和一个或更多个附加的测量传感器110、112、116、118被放置在电路板120上，该电路板120被配置并定位成邻近减摩轴承184和旋转轴180。电路板120可以从电路板坯204中被机加工而成。在示例实施方式中，电路板120是刚性的，例如印刷电路板。

在图2B所示的示例实施方式中，一个或更多个处理器160也放置在电路板120上。

在图2B和图3A所示的示例实施方式中，电路板120包括弓形形状200，该弓形形状200被配置和定位成邻近减摩轴承184，并且被定尺寸和配置以容纳旋转轴180的导电部182。在示例实施方式中，弓形形状200被实现为电路板120中的安装孔。这样的弓形形状200被配置和定尺寸为以期望的装配公差容纳旋转轴180。

在图3B所示的示例实施方式中，弓形形状200包括垂直延伸穿过电路板120以容纳旋转轴180的导电部182的至少90度的部分圆。利用这样的部分圆简化了刚性电路板120邻近旋转轴180的放置(因为例如旋转轴180不需要能够被推动穿过安装孔)。

在图3C所示的示例实施方式中，电路板120包括两个部分120A、120B，所述两个部分被配置成能够分开以便能够绕旋转轴180的导电部182放置并且之后能够彼此附接。这样的结构也易于在例如制造或维护期间将电路板120邻近旋转轴180放置。

尽管附图未示出，但是电路板120邻近旋转轴180被自然地固定。这可以通过利用合适的固定手段(例如胶水、螺钉、机架、支架、支座、支撑件等)将电路板120附接至旋转电机186或附近合适的位置(例如底部、壁等)来实现。此外，电路板120可以由合适的壳体(由金属、塑料和/或复合材料制成)保护，该壳体可以是防水和/或防尘的。合适的电能源例如电源连接或电池也可以放置在壳体中。

如图2A所示，电路板200包括被配置和定位成邻近弓形形状202的一个或更多个电容器电极114。旋转轴180的导电部182可以由特殊的涂层或材料混合物来实现，或者自然地，整个旋转轴180可以是导电的(因为它由金属制成)。

在示例实施方式中，弓形形状200包括电路板中的过孔。该过孔也称为垂直互连通路，是电路板120的层之间的穿过一个或更多个相邻层的平面的电连接。在示例实施方式中，过孔包括筒，该筒是填充孔的导电管或者邻近弓形形状200的导电边缘。通过电镀或附接衬里(例如管或铆钉)来实现导电性。

如图4A和图4B所示，布置结构100的测量点可以邻近多于一个的减摩轴承184、404放置。在示例实施方式中，两个电路板120、406邻近减摩轴承184、404放置。在示例实施方式中，这些电路板120、406和减摩轴承184、404对位于驱动端400和非驱动端402处。相对的端部400、404之间的电压差也可以被监测。

在另一示例实施方式中，可以沿着旋转轴180的轴线A放置多个布置结构100，从而可以检测和监测旋转轴180的有害扭转振动。

而且，如果已知旋转轴180的机械特性，则可以基于不同的(通过每个布置结构100)测量的旋转角来计算影响旋转轴180的扭矩。

减摩轴承184、404的主要功能是提供旋转电机186中的旋转轴180(也称为转子)与定子之间的旋转运动。自然地，减摩轴承184、404承载旋转轴180的重量并且沿径向方向和轴向方向传递外力，参见图5。减摩轴承设计还需要考虑变化的热状况：如图6所示，外座圈502与壳体600之间的自由端间隙和预加载的轴向弹簧602一起处理该热状况。

减摩轴承184包括内座圈504(也称为内环)、外座圈502(也称为外环)、滚动元件500和壳体600(也称为保持架)。

减摩轴承184的内座圈504被配置和定尺寸以容纳旋转电机186的旋转轴180。

在示例实施方式中，内座圈504过盈配合到旋转轴180上。在示例实施方式中，外座圈502被定位为在驱动端(或轴向锁定端)400中与壳体600间隙配合。在示例实施方式中，外座圈502在非驱动端(或轴向自由端)402中与壳体600间隙配合。

图5示出了角(角β)接触球轴承402，并且图6示出了能够实现外座圈倾斜的机构。

如图6所示，减摩轴承184经受沿着X轴的轴向载荷和沿着Z轴的径向载荷，这产生了绕Y轴的力矩My，并且外座圈502试图(通过预加载弹簧)逆于安装件的约束而倾斜。

接下来研究说明了布置结构100的各种示例实施方式的图7、图8、图9、图10和图11。

一个或更多个电容器电极114A、114B被配置并定位成邻近内座圈504。

在图7所示的示例实施方式中，一个或更多个电容器电极114A、114B被配置并定位在减摩轴承184的前盖700中，并且测量旋转轴180与前盖700之间的电容性轴位移参数134。图7示出了用于旋转轴180的驱动端400的该布置结构，而图8示出了用于旋转轴180的非驱动端402的布置结构。相对径向位置由于操作状况诸如速度、温度、外环倾斜角、自由端运动等而改变。径向位移参数146与传递的径向轴承力成正比，其可以通过使用减摩轴承184、404的刚度矩阵进行评定。

在图9所示的示例实施方式中，一个或更多个电容器电极114A、114B被配置并定位在减摩轴承184的壳体600中，并且测量旋转轴180与壳体600之间的电容性轴位移参数134。图9示出了用于旋转轴180的驱动端400的该布置结构，而图10示出了用于旋转轴180的非驱动端402的布置结构。

电路板120可以放置在前盖700中或者壳体600中。此外，电路板120可以由合适的壳体(由金属、塑料和/或复合材料制成)保护，该壳体可以是防水和/或防尘的。合适的电能源例如电源连接或电池也可以放置在前盖700中或壳体600中。

在图11所示的示例实施方式中，一个或更多个电容器电极114被配置和定位成(例如，邻近内座圈504)利用旋转轴180的导电部182的锥形部1100测量两个径向位移分量和一个轴向位移分量作为电容性轴位移参数134。

锥形部1100可以通过将其机加工到旋转轴100中来实现。

因此，除了径向位移分量之外，还可以检测轴向位移分量。这样可以更好地描绘不同操作状况下的轴承性能。在自由端，相对轴向位移分量指示减摩轴承404的运动。通过组合两个端部400、402的轴向位移分量，还可以识别旋转轴180相对于机器186框架的相对长度的变化。

对于本领域技术人员将明显的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例实施方式，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于监测旋转电机(186)的旋转轴(180)的减摩轴承(184)的布置结构(100)，包括：

电路板(120)，其被配置和定位成邻近所述减摩轴承(184)和所述旋转轴(180)；一个或更多个电容器电极(114)，其被放置在所述电路板(120)上并且被配置和定位成邻近旋转电机(186)的旋转轴(180)的减摩轴承(184)以根据与所述旋转轴(180)的导电部(182)的相互作用来测量电容性轴位移参数(134)，所述电容性轴位移参数(134)确定所述旋转轴(180)与所述一个或更多个电容器电极(114)之间的距离，其中，高频电压被馈送至由所述旋转轴(180)和所述一个或更多个电容器电极(114)形成的电容电路以测量所述电容性轴位移参数(134)；以及电压传感器(116)，其被放置在所述电路板(120)上并被配置成测量所述旋转电机(186)的所述旋转轴(180)与静止部之间的电压差作为轴承电流参数(136)；以及

一个或更多个处理器(160)，其与放置在所述电路板(120)上的执行器(114、116)通信，并被配置成基于所述电容性轴位移参数(134)和所述轴承电流参数(136)来评估(150)所述减摩轴承(184)的状况(152)，所述减摩轴承(184)的所述状况(152)指示所述减摩轴承(184)的预期剩余寿命或维修需求。

2.根据权利要求1所述的布置结构，还包括放置在所述电路板(120)上的以下的附加的测量传感器中的一个或更多个附加的测量传感器：麦克风(118)，其被配置和定位成邻近所述减摩轴承(184)以测量由所述减摩轴承(184)引起的声波作为轴承噪声参数(138)；光学高温计(110)，其被配置成测量所述旋转轴(180)的温度作为轴热参数(130)；以及

所述一个或更多个处理器(160)与放置在所述电路板(120)上的执行器(110、118)通信并被配置成还基于以下参数中的一个或更多个参数来评估(150)所述减摩轴承(184)的所述状况(152)：所述轴承噪声参数(138)，所述轴热参数(130)。

3.根据权利要求1或2所述的布置结构，还包括：光脉冲传感器(112)，其被配置和定位成邻近所述减摩轴承(184)以测量所述旋转轴(180)的旋转角作为轴旋转角参数(132)，并且所述一个或更多个处理器(160)还被配置成基于所述轴旋转角参数(132)和所述电容性轴位移参数(134)来根据所述旋转角计算(144)所述旋转轴(180)的径向位移参数(146)，并且所述一个或更多个处理器(160)还被配置成还基于指示所述旋转轴(180)的弯曲的所述径向位移参数(146)来评估(150)所述减摩轴承(184)的所述状况(152)。

4.根据权利要求3所述的布置结构，其中，所述一个或更多个处理器(160)还被配置成计算(140)所述旋转角作为时间的函数的积分以得到所述旋转轴(180)的旋转速度作为轴速度参数(142)，并且所述一个或更多个处理器(160)还被配置成还基于所述轴速度参数(142)来评估(150)所述减摩轴承(184)的所述状况(152)。

5.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述一个或更多个电容器电极(114)被配置和定位成利用所述旋转轴(180)的所述导电部(182)的锥形部(1100)来测量两个径向位移分量和一个轴向位移分量作为所述电容性轴位移参数(134)。

6.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述电路板(120)包括弓形形状(200)，所述弓形形状(200)被配置和定位成邻近所述减摩轴承(184)并且被定尺寸和配置成容纳所述旋转轴(180)的所述导电部(182)。

7.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述弓形形状(200)包括至少90度的部分圆，所述至少90度的部分圆垂直延伸穿过所述电路板(120)以容纳所述旋转轴(180)的所述导电部(182)。

8.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述电路板(120)包括两个部分(120A、120B)，所述两个部分(120A、120B)被配置成能够分开以便能够绕所述旋转轴(180)的所述导电部(182)放置并且之后能够彼此附接。

9.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述减摩轴承(184)包括容纳所述旋转轴(180)的内座圈(504)，并且所述一个或更多个电容器电极(114A、114B)被配置和定位成邻近所述内座圈(504)。

10.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述一个或更多个电容器电极(114A、114B)被配置和定位成在所述减摩轴承(184)的前盖(700)中，并且在所述旋转轴(180)与所述前盖(700)之间测量所述电容性轴位移参数(134)。

11.根据权利要求1或2所述的布置结构，其中，所述一个或更多个电容器电极(114A、114B)被配置和定位成在所述减摩轴承(184)的壳体(600)中，并且在所述旋转轴(180)与所述壳体(600)之间测量所述电容性轴位移参数(134)。

12.根据权利要求1或2所述的布置结构，还包括被配置成输出所述减摩轴承(184)的所述状况(152)的用户接口(162)。

13.根据权利要求1或2所述的布置结构，还包括被配置成传送所述减摩轴承(184)的所述状况(152)的数据通信接口(164)。

14.一种安装件(190)，包括旋转电机(186)、旋转轴(180)、减摩轴承(184)以及根据前述权利要求1至13中任一项所述的布置结构(100)。

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