CN111654141A - 一种电磁感应式轴承转速测量装置及测量方法 - Google Patents

一种电磁感应式轴承转速测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁感应式轴承转速测量装置，包括被底座和压盖夹持固定的电机，以及安装在电机转子轴上的第一被测轴承和第二被测轴承，第一被测轴承和第二被测轴承之间夹设有轴承隔离套筒；电机包括同轴套设在第一被测轴承和第二被测轴承外周的管状壳体，管状壳体与第一被测轴承和第二被测轴承之间固定设有轴承固定套筒；管状壳体的一端盖设有圆盘，圆盘同轴连于转子轴，并且圆盘的外周环设有扇叶。还公开了应用此装置能实时监测第一被测轴承和第二被测轴承的转速r，内外圈故障频率，滚动体单故障频率，保持架外圈故障频率的测量方法。本发明结构紧凑简单，转速高，调节范围广，测量精准，成本低、能实现轴承转速检测和故障判断。

Description

一种电磁感应式轴承转速测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及轴承转速测量领域，具体地说是一种电磁感应式轴承转速测量装置及测量方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。随着工业的现代化进程，机械设备越来越向高速度和大功率发展，对轴承的各方面性能要求越来越高，轴承容易产生疲劳磨损从而导致故障。因此，对轴承进行性能测试分析是十分重要和必要的，这样可以有效预防轴承在机械设备运行中所造成的损失。目前现有技术条件对轴承转速进行分析大多是采用电主轴为轴承提供转动并通过编码器或者相应的位置传感器来获取电机的实时转速，对于实验系统中的故障分析还需安装相应的震动传感器来实现。随着科学技术不断发展对轴承转速和性能要求越来越高，使用电主轴编码器来测量轴承转速存在以下不足：
1.以电主轴方式所实现的轴承转速测量系统结构复杂且实验成本昂贵；
2.以编码器或位置传感器所构成的轴承转速测量系统，不仅复杂而且成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构布局合理、成本低测量误差小，适用于轴承转速测量的一种电磁感应式轴承转速测量装置及测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电磁感应式轴承转速测量装置，包括被底座和压盖夹持固定的电机，以及安装在电机转子轴上的第一被测轴承和第二被测轴承，第一被测轴承和第二被测轴承之间夹设有轴承隔离套筒；电机包括同轴套设在第一被测轴承和第二被测轴承外周的管状壳体，管状壳体与第一被测轴承和第二被测轴承之间固定设有轴承固定套筒；管状壳体的一端盖设有圆盘，圆盘同轴连于转子轴，并且圆盘的外周环设有扇叶；电机设有用于监测电流信息的电流探头。
应用一种电磁感应式轴承转速测量装置的测量方法，是利用电机提供转速，将待测第一被测轴承和第二被测轴承安装在电机转子轴上，电机的转速即第一被测轴承和第二被测轴承的转速。通过电磁感应式测量转速方法来测得电机的转速。电磁感应式测量转速方法是基于电流互感原理，电流探头也叫做电流钳，它是提供一种安全、成本效益、简单和精确的途径测量电流。能在不断开电路的情况下测量电流信号。当电流探头闭合，在一通有电流的导体围在中心时，相应地，会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。系统根据这个电动势产生一个反相(补偿)电流送至电流探头的线圈，使电流探头中的磁场为零，以防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。电流探头配合示波器使用。
第一步，给定子绕组通电，使转子轴运行平稳；
第二步，使用电流探头测得定子绕组中的电流信息；使用示波器分析得到定子电流频率使用公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，n'为定子绕组磁场变化速率，n为转子轴转速，f为频率，p为极对数；
第三步，计算出转子轴的转速n即第一被测轴承和第二被测轴承的转速r；
第四步，分析故障频率：
第一被测轴承和第二被测轴承的外圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE002
第一被测轴承和第二被测轴承的内圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE003
第一被测轴承和第二被测轴承的滚动体单故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE004
第一被测轴承和第二被测轴承的保持架外圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，r:轴承转速，单位：转/分钟；n：滚珠个数；d:滚动体直径；D:轴承节径；α：滚动体接触角。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的电机包括固定在管状壳体内壁的定子绕组，以及固定在转子轴上并与定子绕组间隙配合的永久磁铁。
上述的电机还包括围设在管状壳体外部的电机外壳，电机外壳与管状壳体共同形成供扇叶排风的风道。
上述的轴承隔离套筒分别顶设于第一被测轴承和第二被测轴承的外圈，并且轴承隔离套筒固定设于轴承固定套筒的内壁；电机外壳与管状壳体之间连有若干隔离筋板，隔离筋板沿着管状壳体的中心轴呈辐射状分布。
与现有技术相比，本发明的一种电磁感应式轴承转速测量装置，包括被底座和压盖夹持固定的电机，以及安装在电机转子轴上的第一被测轴承和第二被测轴承，第一被测轴承和第二被测轴承之间夹设有轴承隔离套筒；电机包括同轴套设在第一被测轴承和第二被测轴承外周的管状壳体，管状壳体与第一被测轴承和第二被测轴承之间固定设有轴承固定套筒；管状壳体的一端盖设有圆盘，圆盘同轴连于转子轴，并且圆盘的外周环设有扇叶；电机设有用于监测电流信息的电流探头。还公开了应用此装置能实时监测第一被测轴承和第二被测轴承的转速r，内外圈故障频率，滚动体单故障频率，保持架外圈故障频率的测量方法。与现有技术相比，本发明的优点是：
1.结构紧凑简单。在结构上相比其他电主轴提供转速的试验台要简单紧凑。
2.转速高，调节范围广。使用永磁同步电机代替电主轴电机为轴承提供转速不仅能得到更高的转速，而且转速能在较宽的范围随意切换满足对不同转速测试的需要。
3.测量精准，成本低。使用电流探头测量导体电流分析该电压频率根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(n'为定子绕组磁场变化速率，n为转子轴转速，f为频率，p为极对数) 计算 出电机的定子绕组的磁场变化速度进而得知转子轴的转速。不需要额外加编码器位置传感 器等传感器降低实验成本。
4.轴承的故障判断。滚动轴承都有自己的故障频率，通过计算我们可以算出其故障频率。这一系列变化可以通过分析定子绕组电流信息来得出，故我们可以在分析电机转速的同时分析轴承的故障。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是图1去除底座和压盖的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图2为本发明的结构示意图。
其中的附图标记为：电机1、底座2、 压盖3、 螺钉4、圆盘5、转子轴6、第一被测轴承7、第二被测轴承8、永久磁铁9、定子绕组10、轴承隔离套筒11、轴承固定套筒12、扇叶13、风道14、管状壳体15、电机外壳16、隔离筋板161、电流探头17。
轴承具有内圈、外圈、保持架、滚动体。
图1至图2为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的一种电磁感应式轴承转速测量装置，包括被底座2和压盖3夹持固定的电机1，以及安装在电机1转子轴6上的第一被测轴承7和第二被测轴承8，底座2和压盖3通过螺钉4固定，第一被测轴承7和第二被测轴承8之间夹设有轴承隔离套筒11；电机1包括同轴套设在第一被测轴承7和第二被测轴承8外周的管状壳体15，管状壳体15与第一被测轴承7和第二被测轴承8之间固定设有轴承固定套筒12；管状壳体15的一端盖设有圆盘5，圆盘5同轴连于转子轴6，并且圆盘5的外周环设有扇叶13；电机1设有用于监测电流信息的电流探头17。圆盘5能防止扇叶13产生的风吹入管状壳体15内，影响第一被测轴承7和第二被测轴承8的转动。扇叶13产生的风将掠过管状壳体15的外壁，从而给管状壳体15降温。
实施例中，电机1包括固定在管状壳体15内壁的定子绕组10，以及固定在转子轴6上并与定子绕组10间隙配合的永久磁铁9。
实施例中，电机1还包括围设在管状壳体15外部的电机外壳16，电机外壳16与管状壳体15共同形成供扇叶13排风的风道14。风道14能够使扇叶13形成的风充分与管状壳体15接触。
实施例中，轴承隔离套筒11分别顶设于第一被测轴承7和第二被测轴承8的外圈，并且轴承隔离套筒11固定设于轴承固定套筒12的内壁；电机外壳16与管状壳体15之间连有若干隔离筋板161，隔离筋板161沿着管状壳体15的中心轴呈辐射状分布。隔离筋板161既能将电机外壳16固定在管状壳体15上，也能避免风道14中的气流产生紊乱。
应用一种电磁感应式轴承转速测量装置的测量方法，是利用电机1提供转速，将待测第一被测轴承7和第二被测轴承8安装在电机1转子轴6上，电机1的转速即第一被测轴承7和第二被测轴承8的转速。通过电磁感应式测量转速方法来测得电机1的转速。电磁感应式测量转速方法是基于电流互感原理，电流探头也叫做电流钳，它是提供一种安全、成本效益、简单和精确的途径测量电流。能在不断开电路的情况下测量电流信号。当电流探头闭合，在一通有电流的导体围在中心时，相应地，会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。系统根据这个电动势产生一个反相补偿电流送 至电流探头的线圈，使电流探头中的磁场为零，以防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。电流探头配合示波器使用。
第一步，给定子绕组10通电，使转子轴6运行平稳；
第二步，使用电流探头17测得定子绕组10中的电流信息；使用示波器分析得到定子电流频率使用公式：
Figure 857220DEST_PATH_IMAGE001
其中，n'为定子绕组10磁场变化速率，n为转子轴6转速，f为频率，p为极对数；
第三步，计算出转子轴6的转速n即第一被测轴承7和第二被测轴承8的转速r；
第四步，计算故障频率：
第一被测轴承7和第二被测轴承8的外圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE007
第一被测轴承7和第二被测轴承8的内圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE008
第一被测轴承7和第二被测轴承8的滚动体单故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE009
第一被测轴承7和第二被测轴承8的保持架外圈故障频率=
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，r:轴承转速，单位：转/分钟；n：滚珠个数；d:滚动体直径；D:轴承节径；α：滚动体接触角。
因此，对定子绕组10电流信号进一步分析我们在无需外加传感器的条件下能实现 对第一被测轴承7和第二被测轴承8的转速实时检测，还能判断被测轴承是否发生故障。定 子绕组10电流信号中包含丰富的被测轴承状态信号。由电机1数学模型分析得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为电流信号，P为电机1极对数，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为转子轴6的转动频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为故障点频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为故障时d轴与q轴的故障电流）由式能看出电流信号中包含有故障频率。使用傅 里叶函数把时域信号转换成频域信号，将故障信号分解出来。在电机1运行时在对轴承转速 信号检测同时可以发现是否存在被测轴承的故障信号。如存在及时停止测试并记录和检查 被测轴承的受损情况。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (5)

1.一种电磁感应式轴承转速测量装置，包括被底座(2)和压盖(3)夹持固定的电机(1)，以及安装在电机(1)转子轴(6)上的第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)，其特征是：所述的第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)之间夹设有轴承隔离套筒(11)；所述的电机(1)包括同轴套设在第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)外周的管状壳体(15)，所述的管状壳体(15)与所述的第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)之间固定设有轴承固定套筒(12)；所述的管状壳体(15)的一端盖设有圆盘(5)，所述的圆盘(5)同轴连于所述的转子轴(6)，并且所述的圆盘(5)的外周环设有扇叶(13)；所述的电机(1)设有用于监测电流信息的电流探头(17)。
2.根据权利要求1所述的一种电磁感应式轴承转速测量装置，其特征是：所述的电机(1)包括固定在管状壳体(15)内壁的定子绕组(10)，以及固定在转子轴(6)上并与所述的定子绕组(10)间隙配合的永久磁铁(9)。
3.根据权利要求2所述的一种电磁感应式轴承转速测量装置，其特征是：所述的电机(1)还包括围设在管状壳体(15)的外部的电机外壳(16)，所述的电机外壳(16)与所述的管状壳体(15)共同形成供扇叶(13)排风的通道。
4.根据权利要求3所述的一种电磁感应式轴承转速测量装置，其特征是：所述的轴承隔离套筒(11)分别顶设于所述的第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的外圈，并且轴承隔离套筒(11)固定设于轴承固定套筒(12)的内壁；所述的电机外壳(16)与所述的管状壳体(15)之间连有若干隔离筋板(161)，所述的隔离筋板(161)沿着管状壳体(15)的中心轴呈辐射状分布。
5.应用一种电磁感应式轴承转速测量装置的测量方法，其特征是：
第一步，给定子绕组(10)通电，使转子轴(6)运行平稳；
第二步，使用电流探头(17)测得定子绕组(10)中的电流信息；使用示波器分析得到定子电流频率使用公式：
Figure 925370DEST_PATH_IMAGE001
其中，n'为定子绕组(10)磁场变化速率，n为转子轴(6)转速，f为频率，p为极对数；
第三步，计算出转子轴(6)的转速n即第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的转速r；
第四步，计算故障频率：
第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的外圈故障频率=
Figure 917597DEST_PATH_IMAGE002
第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的内圈故障频率=
Figure 691649DEST_PATH_IMAGE003
第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的滚动体单故障频率=
Figure 402116DEST_PATH_IMAGE004
第一被测轴承(7)和第二被测轴承(8)的保持架外圈故障频率=
Figure 270715DEST_PATH_IMAGE005
其中，r:轴承转速，单位：转/分钟；n：滚珠个数；d:滚动体直径；D:轴承节径；α：滚动体接触角。
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