CN113503316A - 用于补偿施加到支撑转子轴的轴承上的应力的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于补偿施加到至少一个轴承上的应力的系统，所述轴承适于相对于旋转电机的定子可旋转地支撑所述电机的转子轴，所述系统包括：‑用于测量输入信号(S)的至少一个传感器，其位于所述轴承的至少一个元件上，‑用于获取输入信号(S)的模块，其配置为将所述输入信号转换为施加到滚动轴承的变形的值(S_def)，‑用于根据变形值(S_def)确定补偿信号的模块，以及‑放大器模块，其配置为控制可旋转地支撑所述转子的轴并且包括至少一个电磁体的至少一个磁性致动器，所述放大器模块配置为将补偿信号(S_comp)转换成要被传送到磁性致动器的电磁体的电压信号(T)，所述至少一个磁性致动器配置成根据电压信号(T)在转子轴上施加力。

Description

用于补偿施加到支撑转子轴的轴承上的应力的系统
技术领域
本发明涉及旋转机械的一般领域，尤其涉及承受静态和/或瞬态载荷的旋转机械，例如风力涡轮机。
背景技术
旋转机械通常包括由至少一个轴承(例如滚动轴承或磁性轴承)支撑的旋转轴。
已知的实践是根据相对于转子的位移来控制磁性轴承。
更具体地，本发明涉及用于补偿施加到支撑旋转轴的滚动轴承上的载荷的系统。
当前滚动轴承的使用寿命在很大程度上受到所施加的静态和可变载荷的影响。
为了确保滚动轴承的令人满意的运行并提高其使用寿命，已知的做法是使用传感器来监视轴承，尤其是检测传送到所述轴承的载荷。
因此，可以检测滚动轴承的劣化并且可以预期维护步骤。
在这方面可以参考EP2507605–B1。
然而，监视滚动轴承的状态不能避免所述轴承的劣化，而只能预期维护操作。
需要通过限制滚动轴承的劣化来提高其可靠性。
发明内容
本发明尤其适用于轴承领域，比如滚动轴承，例如滚珠轴承、滚子轴承和滚针轴承。
本发明涉及一种用于补偿施加到至少一个轴承上的应力的系统，所述轴承适于相对于旋转电机的定子可旋转地支撑所述电机的转子轴。所述系统包括：用于测量输入信号的至少一个传感器，其位于所述轴承的至少一个元件上，用于获取输入信号的模块，其配置为将所述输入信号转换为施加到滚动轴承的变形的值，用于根据变形值确定补偿信号的模块，以及放大器模块，其配置为控制可旋转地支撑所述转子的轴并且包括至少一个电磁体的至少一个磁性致动器，所述放大器模块配置为将补偿信号转换成要被传送到磁性致动器的至少一个电磁体的电压信号，所述磁性致动器配置成根据电压信号在转子轴上施加力。
电压信号被称为“脉冲宽度调制”或PWM。
决非限制性地规定，获取模块也可以配置成将变形信号转换成施加到滚动轴承上的载荷的信号。
被传送到磁性致动器的补偿信号使得可以在转子轴上产生力，从而减小施加到轴承上的载荷。
因此，实时了解施加在轴承上的变形和/或载荷，以便至少部分地通过使用至少一个磁性致动器来补偿它们。
有利地，放大器模块包括：控制模块，其配置为根据补偿信号确定要被传送到磁性致动器的电磁体的电压信号的脉冲的持续时间；以及功率模块，其配置为向所述磁性致动器的电磁体提供必要的电流，以便施加所述电压。
用于确定补偿信号的模块包括：电子控制单元，其配置为接收来自获取模块的变形值并将其转换为力命令；以及转换器，其配置为将所述力命令转换为补偿信号。
电子控制单元可以是闭环控制系统，比如比例-积分-微分或PID控制器，例如以数字或模拟形式传递力信号。
例如，补偿信号是电流补偿信号或通量补偿信号。
基于力命令转换为补偿信号对于本领域技术人员而言是已知的，并且将不再进一步描述。
例如，轴承是滚动轴承类型的，其包括刚性地连接到转子的圆柱外表面的内环、包括外环和围绕所述外环安装的壳体的外环组件以及径向定位在所述环之间的多个滚动元件。
例如，滚动元件是滚珠。作为变型，可以设想其他类型的滚动元件，例如滚子、滚针等。也可以设想两排或更多排滚动元件。例如，轴承是圆锥轴承。
例如，内环是实心的，并且由内圆柱表面和外圆柱表面径向地界定，并且由两个相对的前径向表面轴向地界定。内环可在其外圆柱表面上包括环形凹槽，其形成用于滚动元件的滚道。
例如，外环是实心的，并且由内圆柱表面和外圆柱表面径向地界定，并且由两个相对的前径向表面轴向地界定。外环的内圆柱表面可以形成环形凹槽，其形成用于滚动元件的滚道。
根据一实施例，磁性致动器是轴向地支撑转子轴的轴向磁性轴承。
例如，轴向磁性轴承包括定子芯和刚性地连接到转子轴的呈圆盘形式的转子芯，定子芯包括定子磁路，其包括至少一个环形绕组和围绕所述绕组的铁磁体，并且转子包括至少一个铁磁部件。
根据另一实施例，磁性致动器是径向地支撑转子轴的径向磁性轴承。
例如，径向磁性轴承包括：由铁磁材料制成的环形芯，其安装在转子轴的外圆柱表面上；以及刚性地连接到定子的定子芯，该定子芯包括具有至少一个环形绕组和铁磁体的定子磁路，并且放置成径向面对转子芯以限定径向气隙。
根据另一实施例，该系统包括至少两个磁性致动器。例如，该系统包括至少一个径向磁性轴承和/或一个轴向磁性轴承。
有利地，载荷传感器位于滚动轴承的外环上。
例如，传感器定位在外环组件的至少一个元件上，例如在壳体上或在外环上。有利地，传感器定位在外环的外表面上和/或在所述外环的侧表面上。
载荷传感器可以包括至少一个光纤网络，称为光纤布拉格光栅，以光的形式传递输入信号。
根据一实施例，用于获取输入信号的模块包括光接收器或询问器，其配置为将光信号注入或发射到光纤中并接收由所述光纤反射的光信号。所述光接收器配置为将反射的光信号转换为波长。
有利地，获取模块还包括转换器，其配置为将波长信号转换为施加至滚动轴承的变形的信号或值。
决非限制性地规定，转换器也可以配置成将变形信号转换成施加到滚动轴承上的载荷的信号。
传感器可以是应变仪，其以电压的形式传递输入信号。
根据另一实施例，该系统包括至少两个定位在轴承上的载荷传感器。
例如，传感器分别位于分别在外环的外表面和侧表面上形成的对应凹槽中。
根据第二方面，本发明涉及一种旋转机械，其包括定子和转子，所述转子包括绕旋转轴线旋转并且通过至少一个滚动轴承和至少一个磁性轴承相对于定子可旋转地支撑的轴，所述旋转机械包括如上所述的用于补偿施加到轴承上的应力的系统。
当磁性轴承包括多个电磁体，每个电磁体包括一个或多个绕组时，每个电磁体通过磁性轴承的控制模块接收电压信号。因此，磁性轴承的每个电磁体接收特定于其的电压信号。
附图说明
通过阅读由非限制性示例给出并由附图示出的实施例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：
-图1是根据本发明第一实施例的用于补偿施加到支撑旋转机械的轴的滚动轴承上的载荷的系统的局部截面图；
-图2是根据本发明第二实施例的用于补偿施加到支撑旋转机械的轴的滚动轴承上的载荷的系统的局部截面图；以及
-图3是根据本发明第三实施例的用于补偿施加到支撑旋转机械的轴的滚动轴承上的载荷的系统的局部截面图。
具体实施方式
术语“外”和“内”是指轴承的旋转轴线X-X，内部部分比外部部分更靠近旋转轴线。
图1示出了包括定子(未示出)和转子12的旋转机械10，转子12包括绕旋转轴线X-X旋转的轴。转子轴12由滚动轴承20和轴向磁性轴承30相对于定子可旋转地支撑。
滚动轴承20包括刚性地连接到转子的圆柱外表面12a的内环22、外环24和径向地位于所述环22、24之间的多个滚动元件26。
在这种情况下，滚动元件26是滚珠。作为变型，可以设想其他类型的滚动元件，例如滚子、滚针等。也可以设想两排或更多排滚动元件。
滚动元件26可以周向地保持在保持架(未示出)内。
如图所示，内环22由内圆柱表面22a和外圆柱表面22b径向地界定，并且由两个相对的前径向表面22c、22d轴向地界定。
内环22在其外圆柱表面22b上包括形成用于滚动元件26的滚道的环凹槽22e。
如图所示，外环24由内圆柱表面24a和外圆柱表面24b径向地界定，并且由两个相对的前径向表面24c、24d轴向地界定。
外环24的内圆柱表面24a形成环凹槽24e，其形成用于滚动元件26的滚道。
轴向磁性轴承30在没有物理接触的情况下轴向地支撑转子。轴向磁性轴承30包括定子芯32和刚性地连接到转子轴12的呈圆盘形式的转子芯34。定子芯32包括定子磁路33，其常规地包括一个或多个电磁体33a，每个电磁体包括一个或多个环形绕组33a和围绕所述绕组33a的铁磁体33b。
定子磁路33以轴向气隙的方式放置成轴向面对转子芯34。
旋转机械10还包括用于补偿施加到滚动轴承20上的应力的系统40。
应力补偿系统40包括用于获取由所述系统的两个传感器44a、44b测量的输入信号的模块42。获取模块42包括光接收器或询问器，其配置为注入光信号并接收由传感器44a、44b反射的光信号并将它们转换为波长λ。获取模块42还包括转换器42b，其配置为将波长信号转换为施加到滚动轴承20的变形的信号或值S_def。决不限制性地规定，转换器42b也可以配置为将变形信号S_def转换成施加到滚动轴承上的载荷的信号。
因此，获得沿一个或多个轴线施加到滚动轴承上的变形和/或载荷的值，例如轴向和/或径向变形和/或载荷。还可以规定取回沿其他轴线的变形和/或载荷值。
如图所示，传感器44a、44b分别位于分别形成在外环24的外表面24b和侧表面24c上的相应凹槽24f、24g中。作为变型，传感器可以定位在外环的另一表面上或在内环上。作为变型，传感器也可以安装在滚动轴承的外环24所安装在的壳体(未示出)中。通常，传感器可以安装在外环组件的元件上，该外环组件包括外环24和所述环24紧密地安装在的壳体。
例如，传感器44a、44b包括称为光纤布拉格光栅的光纤网络。作为变型，也可以设想另一类型的传感器，例如应变仪。
也可以设想不同数量的传感器，例如单个传感器或大于三个的多个传感器。
如果将光纤用作传感器，则获取模块42接收光信号形式的输入信号S，其首先转换为波长，然后转换为变形信号S_def。
如果将应变仪用作传感器，则获取模块42接收电压形式的输入信号S，其转换成变形信号S_def。
应力补偿系统40还包括用于根据施加到滚动轴承20的变形或载荷值确定补偿信号的模块46。补偿信号确定模块46包括电子控制单元46a或ECU，其配置为接收来自获取模块42的信号S_def并将其转换为力命令F_com。电子控制单元46a可以是闭环控制系统，比如比例-积分-微分或PID控制器，其传递例如模拟或数字电压信号作为力命令。
模块46还包括转换器46b，其配置为将力命令F_com转换为要施加到磁性轴承30的补偿信号S_comp。补偿信号S_comp可以是电流补偿信号或通量补偿信号。基于力命令转换为补偿信号对于本领域技术人员而言是已知的，并且将不再进一步描述。
应力补偿系统40还包括放大器模块48。
放大器模块48包括控制模块48a，其配置为根据补偿信号S_comp确定要被传送到磁性轴承30的电磁体的一组电压信号T的脉冲的持续时间，称为脉冲宽度调制或PWM。
放大器模块48还包括功率模块48b，其配置为向磁性轴承30的电磁体供应必要的电流以便施加该电压T。因此，磁性轴承的每个电磁体接收根据特定于其的电压信号的电流。
传送至轴向磁性轴承30的电压命令使得可以在转子轴12上产生轴向力，从而减小施加至滚动轴承20的轴向载荷。
图2所示的实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)与图1所示的实施例的不同之处在于，转子轴12由滚动轴承20和径向磁性轴承50支撑。
径向磁性轴承50在没有物理接触的情况下径向地支撑转子轴12。径向磁性轴承50包括：由铁磁材料制成的环形芯52，其安装在由铁磁材料制成的转子轴12的外圆柱表面12a上；以及刚性地连接到定子的定子芯54。定子芯54常规地包括定子磁路，其包括一个或多个电磁体54a，每个电磁体包括一个或多个环形绕组，以及铁磁体54b，并且放置成径向面对转子芯52，以限定径向气隙。定子芯的细节未在图中示出。
类似于图1中的实施例，旋转机械10还包括用于补偿施加到滚动轴承20上的应力的系统40。
应力补偿系统40包括用于获取由所述系统的两个传感器44a、44b测量的输入信号的模块42。获取模块42包括光接收器或询问器，其配置为注入光信号并接收由传感器44a、44b反射的光信号并将它们转换为波长λ。获取模块42还包括转换器42b，其配置为将波长信号转换为施加至滚动轴承20的变形的信号或值S_def。决不限制性地规定，转换器42b也可以配置为将变形信号S_def转换成施加到滚动轴承上的载荷的信号。
因此获得沿一个或多个轴线施加到滚动轴承上的变形和/或载荷的值，例如轴向和/或径向变形和/或载荷。还可以规定取回沿其他轴线的变形和/或载荷值。
如图所示，传感器44a、44b分别位于分别形成在外环24的外表面24b和侧表面24c上的相应凹槽24f、24g中。作为变型，传感器可以定位在外环的另一表面上或在内环上。作为变型，传感器也可以安装在滚动轴承的外环24所安装在的壳体(未示出)中。通常，传感器可以安装在外环组件的元件上，该外环组件包括外环24和所述环24紧密地安装在的壳体。
例如，传感器44a、44b包括称为光纤布拉格光栅的光纤网络。作为变型，也可以设想另一类型的传感器，例如应变仪。
也可以设想不同数量的传感器，例如单个传感器或大于三个的多个传感器。
如果将光纤用作传感器，则获取模块42接收光信号形式的输入信号S，其首先转换为波长，然后转换为变形信号S_def。
如果将应变仪用作传感器，则获取模块42接收电压形式的输入信号S，其转换成变形信号S_def。
应力补偿系统40还包括用于根据施加到滚动轴承20的变形或载荷值确定补偿信号的模块46。补偿信号确定模块46包括电子控制单元46a或ECU，其配置为接收来自获取模块42的信号S_def并将其转换为力命令F_com。电子控制单元46a可以是闭环控制系统，比如比例-积分-微分或PID控制器，其传递例如模拟或数字电压信号作为力命令。
模块46还包括转换器46b，其配置为将力命令F_com转换为要传送至控制模块48的补偿信号S_comp，以便将其转换为要被施加至磁性轴承30的电压信号。补偿信号S_comp可以是电流补偿信号或通量补偿信号。基于力命令转换为补偿信号对于本领域技术人员而言是已知的，并且将不再进一步描述。
应力补偿系统40还包括放大器模块48。
放大器模块48包括控制模块48a，其配置为根据补偿信号S_comp确定要被传送到径向磁性轴承50的电磁体的一组电压信号T的脉冲的持续时间，称为脉冲宽度调制或PWM。
放大器模块48还包括功率模块48b，其配置为向磁性轴承50的电磁体供应必要的电流以便施加该电压T。因此，磁性轴承的每个电磁体接收根据特定于其的电压信号的电流。
传送至径向磁性轴承50的电压命令使得可以在转子轴12上产生径向力，从而减小施加至滚动轴承20的径向载荷。
图3所示的实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)结合了轴向磁性轴承30和径向磁性轴承50的使用，以补偿施加到滚动轴承20上的径向和轴向应力。
应当注意，本发明不限于所示出的三个配置示例。本发明可以应用于这样的轴，该轴在一侧由与磁性轴承(例如径向)相关的仪器化滚动轴承支撑，并在另一侧由与磁性轴承(例如径向)相关的另一仪器化滚动轴承支撑。还可以设想在转子中心的轴向磁性轴承，其补偿力基于来自两个仪器化轴承的变形测量。例如，基于每个轴承的变形，可以知道轴向力的方向。然后可以使用位于轴向力所指向的一侧的仪器化轴承的变形。
还可以设想，在这种配置中，通过同时使用两个仪器化轴承的变形来确定每个径向磁性轴承的补偿信号。
本发明还可以应用于由两个滚动轴承和位于这两个滚动轴承之间的单个径向磁性轴承支撑的轴，并且可以使一个或两个滚动轴承仪器化。
本发明还可以应用于这样的轴，该轴的一侧由与滚珠轴承相邻的滚子轴承支撑，该滚珠轴承与径向磁性轴承相关以使用滚子轴承的变形并且与轴向磁性轴承相关以使用滚珠轴承的变形，并且在另一由第二滚珠轴承支撑，该第二滚珠轴承与另一轴向磁性轴承相关以使用第二滚珠轴承的变形。
本发明使得可以至少部分地补偿施加在滚动轴承上的力。滚动轴承的使用寿命大大提高。

Claims (10)

1.一种用于补偿施加到至少一个轴承(20)上的应力的系统(40)，所述轴承(20)适于相对于旋转电机(10)的定子可旋转地支撑所述电机(10)的转子轴(12)，所述系统(40)包括：
-用于测量输入信号(S)的至少一个传感器(44a、44b)，其位于所述轴承(20)的至少一个元件上，
-用于获取输入信号(S)的模块(42)，其配置为将所述输入信号(S)转换为施加到滚动轴承(20)的变形的值(S_def)，
-用于根据变形值(S_def)确定补偿信号的模块(46)，以及
-放大器模块(48)，其配置为控制可旋转地支撑所述转子(12)的轴并且包括至少一个电磁体的至少一个磁性致动器(30、50)，所述放大器模块(48)配置为将补偿信号(S_comp)转换成要被传送到磁性致动器(30、50)的电磁体的电压信号(T)，所述至少一个磁性致动器(30、50)配置成根据电压信号(T)在转子轴(12)上施加力。
2.根据权利要求1所述的系统(40)，其中，所述放大器模块(48)包括：控制模块(48a)，其配置为根据补偿信号(S_comp)确定要被传送到磁性致动器(30、50)的电磁体的电压信号(T)的脉冲的持续时间；以及功率模块(48b)，其配置为向所述磁性致动器(30、50)的电磁体提供必要的电流，以便施加所述电压(T)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(40)，其中，用于确定补偿信号的模块(46)包括：电子控制单元(46a)，其配置为接收来自获取模块(42)的变形值(S_def)并将其转换为力命令(F_com)；以及转换器(46b)，其配置为将所述力命令(F_com)转换为补偿信号(S_comp)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(40)，其中，所述补偿信号(S_comp)是电流补偿信号或通量补偿信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(40)，其中，所述磁性致动器(30)是轴向地支撑所述转子轴(12)的轴向磁性轴承。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统(40)，其中，所述磁性致动器(50)是径向地支撑所述转子轴(12)的径向磁性轴承。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(40)，包括至少两个磁性致动器(30、50)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统(40)，其中，载荷传感器(44a、44b)位于所述轴承(20)的外环组件上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(40)，其中，载荷传感器(44a、44b)包括至少一个光纤网络。
10.一种旋转机械(10)，包括定子和转子(12)，所述转子(12)包括绕旋转轴线(X-X)旋转并且通过至少一个滚动轴承(20)和至少一个磁性轴承(30、50)相对于定子可旋转地支撑的轴，所述旋转机械包括根据前述权利要求中任一项所述的用于补偿施加到轴承(20)上的应力的系统(40)。
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