CN113589070A - 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置 - Google Patents

一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113589070A
CN113589070A CN202110779609.3A CN202110779609A CN113589070A CN 113589070 A CN113589070 A CN 113589070A CN 202110779609 A CN202110779609 A CN 202110779609A CN 113589070 A CN113589070 A CN 113589070A
Authority
CN
China
Prior art keywords
inner ring
self
outer ring
ring teeth
teeth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110779609.3A
Other languages
English (en)
Inventor
曹军义
张颖
谢俊枭
雷亚国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202110779609.3A priority Critical patent/CN113589070A/zh
Publication of CN113589070A publication Critical patent/CN113589070A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/003—Environmental or reliability tests
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1846—Rotary generators structurally associated with wheels or associated parts

Abstract

一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，包括内圈以及外圈；内圈由导磁部件和磁铁组成，并封装在保护壳体内；导磁部件两侧与磁铁相连接；导磁部件和磁铁是相互交替呈圆环形布置，每个导磁部件的外侧设有内圈齿，内圈齿伸出保护壳体外；外圈内部有多个均匀间隔排布的外圈齿，外圈齿数量与内圈齿的数量相同，外圈齿和内圈齿存在间隙；每个外圈齿或内圈齿上固定有缠绕的线圈，线圈中的电压用于收集电能，同时作为旋转部件的状态监测信号；在外圈或内圈上分别布置有电压整流电路、电源储存装置、信号采集电路和无线信号发射装置；本发明能实现对旋转部件运行状态的实时监测；能量俘获密度高，能满足旋转部件健康监测所需要的能量。

Description

一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置
技术领域
本发明涉及旋转部件自供能健康监测技术领域，具体涉及一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置。
背景技术
旋转部件通常是工业机械设备的关键核心基础部件，其对高端装备的平稳运行起到了非常重要的作用，比如轴承、轴、齿轮箱等。这些旋转部件有着非常广泛的应用场合，包括风力发电、高端机床、汽车工业、高铁运输以及航空航天等方面。旋转部件不仅能够保证机器设备的正常运转，同时其精度也决定了机械设备的性能。然而，旋转部件通常为承压比较大的部件，容易产生失效，进而可能会导致以下后果：第一，旋转部件的失效会直接导致机器的故障，甚至造成比较严重的经济损失和人身安全威胁；第二，旋转部件的失效会使机器的精度降低，导致机器无法满足工作要求，特别是对于精密机床、高铁、航空航天等高端装备领域。因此，为了保证旋转部件的正常运转，对旋转部件进行健康监测是非常必要的。
首先，信号的准确采集为旋转部件的健康监测提供了坚实基础。旋转部件从正常状态到失效损坏是一个逐渐变化过程，而且这种变化能够从旋转部件的物理信号中反映。因此，如果能够实时地监测旋转部件中的早期异常信号，通过及时预警和维护，能够大大延长旋转部件的寿命，以及避免失效带来的损失。目前的监测方式都是采用外加传感器对旋转部件的实时信号进行在线监测，包括温度和振动等物理信号，但是这样外加传感器的方式会对旋转部件本身的正常工作产生一定的影响，同时外加传感器的连接方式会在一定程度上影响传感信号的精度。
此外，供能也是旋转部件健康监测中重要的一部分。为了实现旋转部件的健康监测，需要比较多的微电子设备，包括传感器、信号处理电路和无线发射装置等。传统的电池供能方式存在电池寿命有限的缺点，需要及时充电或者更换。由于旋转部件通常在机械设备内部，电池更换拆卸可能导致设备发生损坏以及造成精度下降，使用起来也不方便。因此，通过自供能技术将外部环境的能量源转化成可用电能，可以实时为旋转部件健康监测中的微电子设备进行可持续性供能。然而，目前的自供能装置能量俘获密度比较低，难以满足传感器正常工作和信号无线传输的供能要求。此外，发展自供能和自传感一体化的旋转部件健康监测装置可以增加系统的相容性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，能实现对旋转部件运行状态的实时监测；此外，自供能装置的能量俘获密度高，能满足旋转部件健康监测所需要的能量。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，包括内圈以及外圈1；
所述的内圈由导磁部件10和磁铁11组成，并封装在保护壳体5内；导磁部件10两侧与磁铁11相连接；导磁部件10和磁铁11是相互交替呈圆环形布置，每个导磁部件10的外侧设有内圈齿4，内圈齿4伸出保护壳体5外；
所述的外圈1内部有多个均匀间隔排布的外圈齿3，外圈齿3数量与内圈齿4的数量相同，外圈齿3和内圈齿4存在间隙；每个外圈齿3或内圈齿4上固定有缠绕的线圈2，线圈2中的电压用于收集电能，同时作为旋转部件的状态监测信号；在外圈1或内圈上分别布置有电压整流电路6、电源储存装置7、信号采集电路8和无线信号发射装置9。
所述的电压整流电路6用于将线圈2中的交流电压转化成直流电压，电源储存装置7用于存储电能，信号采集电路8用于读取线圈2中产生的电压信号，通过模数转换进行采集；无线信号发射装置9用于将读取的电压信号无线发送到外界的上位机中，无线信号发射装置9和信号采集电路8需要通过电源储存装置7进行供给电能。
所述的磁铁11的磁化方向是沿着周向，依次交替呈相反方向。
通过优化调节内圈齿4与外圈齿3之间的间隙，能增强磁通量密度，使能量俘获性能提高。
所述的保护壳体5的材料为强度高的非铁磁性材料。
所述的导磁部件10的材料与外圈1相同，为具有导磁性能的软磁材料。
本发明的有益效果：
本发明能够直接将旋转部件工作过程中的机械能转化成可用的电能，没有采用外部电源供电，避免了更换电池的不方便性以及消除了废弃电池对环境的污染。
本发明将导磁部件10与磁铁11封装在保护壳体5内，增加了旋转部件监测装置的安全性和可靠性，避免了因磁力过大导致监测装置产生破坏。
本发明线圈2产生的电压既能为信号采集电路8和无线信号发射装置9进行供能，又能作为旋转部件故障监测的状态信号，避免了采用附加传感器影响旋转部件的正常运转。
本发明通过优化调节内圈齿4与外圈齿3之间的间隙，能增强磁通量密度，使能量俘获性能提高。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图。
图2是本发明实施例内圈的结构示意图。
图3是本发明实施例内圈中磁铁磁化方向布置图。
图4是本发明实施例的工作原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本发明可以针对于任意旋转机械部件的自供能自传感健康监测。
参照图1和图2，一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，包括内圈以及外圈1；
所述的内圈由导磁部件10和磁铁11组成，并封装在保护壳体5内；导磁部件10采用磁导较高的软磁材料制成，两侧与磁铁11相连接，用于传导磁铁11产生的磁场；导磁部件10和磁铁11是相互交替呈圆环形布置，导磁部件10的外侧设有内圈齿4，内圈齿4伸出保护壳体5外，如图3所示，磁铁11的磁化方向是沿着周向，依次交替呈相反方向，用于增强通过两相邻磁铁11之间内圈齿4中磁场强度；由于磁铁11和导磁部件10之间存在较大的磁力，磁铁11和导磁部件10之间可以采用粘接、焊接等方式进行固定连接，或者将磁铁11和导磁部件10封装到保护壳体5进行固定，只有内圈齿4保留在保护壳体5外；保护壳体5的材料要求强度较高，不能是铁磁性等导磁材料，且不能覆盖内圈齿4。
参照图2，所述的外圈1内部有多个均匀间隔排布的外圈齿3，其数量与内圈齿4的数量相同；每个外圈齿3上都固定有缠绕的线圈2，线圈2中的电压用于收集电能，同时作为旋转部件的状态监测信号。在外圈1上分别布置有电压整流电路6、电源储存装置7、信号采集电路8和无线信号发射装置9。参照图4，电压整流电路6用于将线圈2中的交流电压转化成直流电压，进而为电源储存装置7进行充电，实现电能存储，其中电源储存装置7包括但不限于可充电电池、超级电容等可充电设备；信号采集电路8用于读取和采集线圈2中产生的电压信号；无线信号发射装置9用于将读取的电压信号无线发送到外界的上位机中，包括但限于蓝牙技术、WiFi技术、RF技术和ZigBee技术等无线传输技术。其中，无线信号发射装置9和信号采集电路8需要通过电源储存装置7进行供给电能。
针对于不同的旋转部件应用场合，内圈和外圈1可以进行互换调整，即内圈包括线圈、电压整流电路、电源储存装置、信号采集电路和无线信号发射装置，外圈包括磁铁、导磁部件和保护壳体。
本发明的工作原理为：
内圈固定在旋转部件上，外圈1静止，使内圈和外圈1之间产生相对运动；此时，由于内圈齿4和外圈齿3的数目相同，在转动过程中内圈齿4和外圈齿3会依次从对齐位置到非对齐位置，然后又会回到下一个对齐位置，不断产生周期运动；当内圈齿4和外圈齿3对齐时，此时的空气间隙最小，通过外圈齿3的磁通量最大；当对于内圈齿4和外圈齿3不对齐时，此时的空气间隙最大时，通过外圈齿3的磁通量最小。因此，在这个交替变化过程中，固定在外圈齿3上的线圈2中通过的磁通量也会产生变化，根据法拉第电磁感应定律，内圈和外圈1相对旋转过程中线圈2中产生感应电压，可以同时用于实现自供能和自传感。
对于自供能方面，线圈2中产生的交流电压首先通过电压整流电路6转化成直流电压，然后存储在电源储存装置7中，进而为无线信号发射装置9和信号采集电路8进行供能。
对于自传感方面，线圈2中产生的电压信号可以作为旋转部件的状态信号，通过信号采集装置8进行数据采集，然后通过无线信号发射装置9发送到上位机中进行分析。线圈2中产生的电压信号可以反映出旋转部件的多种类型状态信号，包括转速、振动、位移和加速度等。首先，线圈2中电压周期与旋转部件本身的转速与外齿圈齿数成比例关系，因而通过电压信号的周期可以计算出旋转部件的周期。此外，当内圈和外圈1之间产生振动时，内圈齿4和外圈齿3之间的间隙会发生改变，进而影响线圈2中感应电压的幅值，同时其产生的特征频率也能够在电压信号的频域内反应。因此，通过对不同间隙位置线圈2中感应电压的幅值进行预先标定，就能够通过电压识别出旋转部件的振动幅值。
为了分离线圈2中的供能电压和监测信号电压，可以将部分线圈2中产生的电压作为供能电压，其余部分线圈2中产生的电压作为监测信号电压，或者采用对线圈2中的感应电压进行分压的方式来分离供能电压和监测信号电压。

Claims (6)

1.一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：包括内圈以及外圈(1)；
所述的内圈由导磁部件(10)和磁铁(11)组成，并封装在保护壳体(5)内；导磁部件(10)两侧与磁铁(11)相连接；导磁部件(10)和磁铁(11)是相互交替呈圆环形布置，每个导磁部件(10)的外侧设有内圈齿(4)，内圈齿(4)伸出保护壳体(5)外；
所述的外圈(1)内部有多个均匀间隔排布的外圈齿(3)，外圈齿(3)数量与内圈齿(4)的数量相同，外圈齿(3)和内圈齿(4)存在间隙；每个外圈齿(3)或内圈齿(4)上固定有缠绕的线圈(2)，线圈(2)中的电压用于收集电能，同时作为旋转部件的状态监测信号；在外圈(1)或内圈上分别布置有电压整流电路(6)、电源储存装置(7)、信号采集电路(8)和无线信号发射装置(9)。
2.根据权利要求1所述的一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：所述的电压整流电路(6)用于将线圈(2)中的交流电压转化成直流电压，电源储存装置(7)用于存储电能，信号采集电路(8)用于读取线圈(2)中产生的电压信号，通过模数转换进行采集；无线信号发射装置(9)用于将读取的电压信号无线发送到外界的上位机中，无线信号发射装置(9)和信号采集电路(8)需要通过电源储存装置(7)进行供给电能。
3.根据权利要求1所述的一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：所述的磁铁(11)的磁化方向是沿着周向，依次交替呈相反方向。
4.根据权利要求1所述的一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：通过优化调节内圈齿(4)与外圈齿(3)之间的间隙，能增强磁通量密度，使能量俘获性能提高。
5.根据权利要求1所述的一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：所述的保护壳体(5)的材料为强度高的非铁磁性材料。
6.根据权利要求1所述的一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置，其特征在于：所述的导磁部件(10)的材料与外圈(1)相同，为具有导磁性能的软磁材料。
CN202110779609.3A 2021-07-09 2021-07-09 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置 Pending CN113589070A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110779609.3A CN113589070A (zh) 2021-07-09 2021-07-09 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110779609.3A CN113589070A (zh) 2021-07-09 2021-07-09 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113589070A true CN113589070A (zh) 2021-11-02

Family

ID=78246879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110779609.3A Pending CN113589070A (zh) 2021-07-09 2021-07-09 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113589070A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106769039A (zh) * 2016-12-13 2017-05-31 西安交通大学 一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件
CN107493001A (zh) * 2017-09-14 2017-12-19 西安交通大学 一种具有自供能的轴承健康监测装置
CN108418345A (zh) * 2018-03-14 2018-08-17 西安交通大学 一种适用于同轴相对旋转部件测试系统的自发电组件
CN110455535A (zh) * 2019-07-18 2019-11-15 上海交通大学 滚动轴承内部状态自供电监测装置
CN112994521A (zh) * 2021-03-19 2021-06-18 中国矿业大学 能量收集装置及自供能式提升机滚筒状态监测装置
WO2021233393A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 煤炭科学研究总院 一种自供能皮带输送机的皮带状态监测装置和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106769039A (zh) * 2016-12-13 2017-05-31 西安交通大学 一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件
CN107493001A (zh) * 2017-09-14 2017-12-19 西安交通大学 一种具有自供能的轴承健康监测装置
CN108418345A (zh) * 2018-03-14 2018-08-17 西安交通大学 一种适用于同轴相对旋转部件测试系统的自发电组件
CN110455535A (zh) * 2019-07-18 2019-11-15 上海交通大学 滚动轴承内部状态自供电监测装置
WO2021233393A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 煤炭科学研究总院 一种自供能皮带输送机的皮带状态监测装置和方法
CN112994521A (zh) * 2021-03-19 2021-06-18 中国矿业大学 能量收集装置及自供能式提升机滚筒状态监测装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20150005929A (ko) 베어링이 내장된 전력 생성 컨피규레이션
CN107210649B (zh) 用于转动应用的发电机组件
US9502927B2 (en) Linear generator with tangential induction
US9966812B2 (en) Static vacuum shafting device for integrated rotary transformer
CN102946178B (zh) 一种在旋转机械上为测量传感器供电的自供电装置
US11368064B2 (en) Outer rotor direct drive motor with position encoder
CN102782458B (zh) 具有能量转换器的轴承电流传感器装置
CN114877918A (zh) 一种集成自供电传感装置
CN106644224B (zh) 磁悬浮轴承动态扭矩传感器
CN107210650B (zh) 用于转动应用的发电机组件
CN113589070A (zh) 一种自供能自传感一体的旋转部件健康监测装置
US20230412050A1 (en) Passive device monitor
CN111641248B (zh) 齿轮箱远程状态监测系统自充电装置
JP2007164811A (ja) ワイヤレスセンサ
CN212412822U (zh) 齿轮箱远程状态监测系统自充电装置
US20080307900A1 (en) Self-contained wireless rotational speed sensing unit
CN113202862A (zh) 一种关节轴承
KR20110111077A (ko) 국부 전원 공급 장치 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템
KR102535724B1 (ko) 발전기의 여자기용 공극감지장치
CN112834213B (zh) 一种变速箱状态监测系统
Hoang et al. Self-Power Devices for A Wireless Sensor System Measuring the Shaft Alignment
EP3683939A1 (en) Sensing and health monitoring of flux-switching motor
Hoang et al. A Self-Powered Wireless Sensor System Using An Energy Harvester for Rotating Shaft Applications
CN103439106A (zh) 一种双驱传动设备同步检测装置
CN111285025A (zh) 伺服直驱电动滚筒

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211102