DE202017106703U1 - Device for monitoring rolling bearings - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Überwachung eines Wälzlagers (2) eines elektrischen Motors (1), wobei das Wälzlager (2) eine kapazitive parasitäre Antenne (3) ausbildet, und die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
a. Mittels zum Erfassen des von der parasitären Antenne (3) emittieren elektromagnetischen Spektrums (9) ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager (2) über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors (1);
b. Mittel zur Auswertung der im Spektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulsen (a, b, c, d, e) und deren Amplitude A;
c. Mittel zum Erfassen der Änderung der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) und/oder deren Amplitude A und
d. Mittel zum Bestimmen, ob die Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplituden A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) mit der Zeit nichtlinear zunimmt.Device for monitoring a rolling bearing (2) of an electric motor (1), wherein the rolling bearing (2) forms a capacitive parasitic antenna (3), and the device has the following features:
a. Means for detecting the electromagnetic spectrum (9) emitted by the parasitic antenna (3) triggered by sparking in the rolling bearing (2) over a defined period of time t during operation of the electric motor (1);
b. Means for evaluating the number N of electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) obtained in the spectrum and their amplitude A;
c. Means for detecting the change in the number N of the electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) and / or their amplitude A and
d. Means for determining whether the increase in the number N and / or the amplitudes A of the electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) increases non-linearly with time.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Wälzlager in einer elektrischen Maschine, wie z. B. einem EC-Motor.The present invention relates to a device for monitoring rolling bearings in an electrical machine, such. As an EC motor.
Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Bei Speisung einer elektrischen Maschine aus einem Pulswechselrichter kann zum Beispiel eine kapazitiv eingekoppelte Lagerspannung gebildet werden. Durch das geschaltete Pulsmuster des Inverters ergibt sich an dessen Ausgang eine mit der Schaltfrequenz des Inverters springende Gleichtaktspannung (CMV) gegenüber Erde.Variable-speed motors today are predominantly fed by voltage source converters. When feeding an electric machine from a pulse inverter, for example, a capacitively coupled bearing voltage can be formed. Due to the switched pulse pattern of the inverter results in the output of a jumping with the switching frequency of the inverter common mode voltage (CMV) to earth.
Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter kann demnach zu unerwünschten Lagerspannungen führen, was wiederum zu Lagerströmen in den Lagern des Motors führen kann. Ein solcher Stromfluss durch die Lager kann bei elektrischen Maschinen mit Wälz- und Gleitlagern zu Schäden bis hin zum totalen Ausfall führen. Es ist daher einerseits wünschenswert die Schäden zu vermeiden und andererseits besteht ein Bedürfnis danach den Zustand eines solchen Wälzlagers zu überwachen.The supply by the voltage source inverter can therefore lead to undesirable bearing voltages, which in turn can lead to bearing currents in the bearings of the motor. Such a flow of current through the bearings can cause damage in electrical machines with rolling and plain bearings to total failure. It is therefore desirable on the one hand to avoid the damage and on the other hand there is a need to monitor the condition of such a rolling bearing.
Als Abhilfe zur Reduzierung von Schäden am Wälzlager wurden in der Vergangenheit stromisolierte bzw. elektrisch isolierende Lager, z. B. Lager mit einer Keramikisolierung am Außenring oder Hybridlager mit Keramik-Walzkörpern, verwendet. Da diese Lager jedoch sehr teuer sind, eignet sich eine solche Lösung nicht in idealer Weise für die Massenfertigung.As a remedy to reduce damage to the bearings were in the past current-insulated or electrically insulating bearings, eg. B. bearings with a ceramic insulation on the outer ring or hybrid bearing with ceramic rolling elements used. However, since these bearings are very expensive, such a solution is not ideally suited for mass production.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Abhilfemaßnahmen bekannt. So lehren die Druckschriften
Unabhängig vom Aufbau des EC-Motors und der Konzeption zur Vermeidung von Schäden am Lager, ist es aber wünschenswert den jeweils aktuellen Zustand des Lagers zu kennen und mögliche Schäden am Lager festzustellen.Regardless of the design of the EC motor and the design to prevent damage to the bearing, it is desirable to know the current state of the bearing and to determine possible damage to the bearing.
Die Hauptaufgabe eines Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Lager von insbesondere rotierenden oder drehbaren Maschinen, wie EC-Motoren besteht darin, möglichst ohne Betriebsunterbrechung eine Beurteilung des aktuellen Lagerzustandes und jeglicher Veränderungen des Zustandes zu ermöglichen. Unter Lagerzustand im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man dabei die Bewertung des technischen Zustandes des Lagers betreffend der Veränderung des Lagers wegen Funken-Erosion.The main task of a method for monitoring the state of the bearings of particular rotating or rotating machinery, such as EC motors is to allow as possible without interruption in service, an assessment of the current state of storage and any changes in the state. Under storage condition in the context of the present invention is meant the evaluation of the technical condition of the bearing regarding the change of the bearing due to spark erosion.
Durch vorbeugende Instandhaltung und Erfahrungswerte können die Verfügbarkeiten der EC-Motoren zwar verbessert und gleichzeitig die Ausfallzeiten sowie die Kosten der Instandhaltung reduziert werden. Nachteilig ist dabei, dass es selten möglich ist, genaue Vorhersagen über den Zustand, den Verschleiß und den Zeitpunkt des Ausfalls der Lager zu treffen. Ferner kommt es bei der vorbeugenden Instandhaltung immer wieder vor, dass Teile zu früh ausgetauscht werden, die noch über eine hohe Reststandzeit verfügen. Somit ist ein Verfahren notwendig, das den Zustand des Lagers möglichst genau im Betrieb ermittelt, ohne dass aufwendige Sensoren, Schwingungsanalysen oder dergleichen benötigt werden.Through preventive maintenance and experience, the availability of EC motors can be improved while at the same time reducing downtime and maintenance costs. The disadvantage here is that it is rarely possible to make accurate predictions about the condition, the wear and the time of failure of the bearings. In addition, in preventive maintenance it often happens that parts are replaced too early, which still have a high remaining service life. Thus, a method is necessary which determines the state of the bearing as accurately as possible during operation without the need for expensive sensors, vibration analysis or the like.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine zuverlässige und günstig zu realisierende Lösung zur Überwachung des Lagerzustands bereit zu stellen und insbesondere Schäden am Wälzlager zu detektieren.The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a reliable and inexpensive to implement solution for monitoring the storage condition and in particular to detect damage to the bearing.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein Vorrichtung geschaffen wird, mit Mittel zum Messen, wobei durch das Messen hochfrequenter Radiostrahlung zwischen den Kugeln und der Lauffläche des Lagers, infolge Funkenbildung, aus den daraus gewonnenen elektromagnetischen Wellen ein Rückschluss auf die Lagerqualität gezogen werden kann.The basic idea of the invention can be seen in the fact that a device is provided with means for measuring, whereby by measuring high-frequency radio radiation between the balls and the bearing surface of the bearing, due to sparking, a conclusion on the bearing quality is drawn from the electromagnetic waves obtained therefrom can be.
Wie zum Beispiel von einer elektrischen Türklingel und einem danebenstehenden Radio bekannt ist, erzeugt ein elektrischer Funke (Funkenentladung) eine hochfrequente elektromagnetische Welle, die an die Antenne des Radios koppeln kann. Das gleiche Phänomen findet zwischen Lagerlaufbahn und Lagerkugel an der Oberfläche statt. Der Funkenstrom, welcher zu dem elektrischen Funken führt, ist der zuvor beschriebene Lagerstrom, welcher zusammen mit der Rotation von Teilen des Lagers (Kugeln und Laufbahn der Kugeln im Lager) eine Art Funken-Erosion bewirkt. Durch die an die Funkenstrecke (Kugeln zu Laufbahn) angekoppelte Antenne (parasitäre Antenne), welche durch die mechanische Konstruktion des Lagers gegeben ist, werden nun je nach Schädigungszustand des Lagers eine bestimmte Anzahl von Funken pro Zeiteinheit erzeugt und eine entsprechende Anzahl spezifischer elektromagnetsicher Wellen abgestrahlt.As is known, for example, from an electric doorbell and an adjacent radio, an electrical spark (spark discharge) generates a high-frequency electromagnetic wave that can couple to the antenna of the radio. The same phenomenon takes place between the bearing raceway and the bearing ball on the surface. The spark current which leads to the electric spark is the bearing current described above which, together with the rotation of parts of the bearing (balls and raceway of the balls in the bearing) causes a kind of spark erosion. By coupled to the spark gap (balls to career) antenna (parasitic antenna), which is given by the mechanical design of the bearing, now a certain number of sparks per unit time are generated and emitted a corresponding number of specific electromagnetic safe waves depending on the damage condition of the camp ,
Der Lagerschaden nimmt nach Anzahl und Umfang mit der Zeit durch die besagte Funkenerosion weiter zu, allerdings verhält sich die Zunahme des Lagerschadens nicht linear mit der Zeit. Die bereits vorhandene Anzahl von Lagerschäden an den Kugeln des Wälzkugellagers wirkt sich neben dem eigentlichen Erosionsvorgang auch auf die Bildung weiterer Lagerschäden aus, da sich dadurch die erforderliche Lage zwischen Lauffläche und Kugeloberfläche nachteilig verändert. The bearing damage continues to increase in number and extent over time due to said spark erosion, but the increase in bearing damage does not behave linearly with time. The already existing number of bearing damage to the balls of the rolling bearing has in addition to the actual erosion process on the formation of further bearing damage, since this adversely changes the required position between tread and spherical surface.
Bei einem Empfänger der elektromagnetischen Wellen bzw. Impulse bedeutet dies, dass in einem bestimmten (für die Schädigung spezifischen) Frequenzband, welches durch die parasitäre Antenne des Kugellagers bestimmt ist, die erfasste Anzahl und die ermittelte Amplitude der elektromagnetischen Impulse durch die Funkenbildung pro Zeitintervall nichtlinear zunimmt.For a receiver of the electromagnetic waves or pulses, this means that in a certain (specific to the injury) frequency band, which is determined by the parasitic antenna of the ball bearing, the detected number and the determined amplitude of the electromagnetic pulses by the sparking per time interval non-linear increases.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, Erfassungsmittel, Messmittel und Auswertemittel vorzusehen, um die Auswertung der elektromagnetischen Impulse in einem bestimmten Zeitintervall zur Bestimmung des Lagerzustandes zu nutzen. Durch die Auswertung dieser Impulse, nämlich durch Mittelwertbildung der Signale am Ausgang des Empfängers und durch die nachfolgende Berechnung der Änderungsrate des Mittelwertes, kann auf den Zustand des Lagers geschlossen werden. Der ermittelte Mittelwert wird größer und ändert sich zunehmend schneller bei zunehmender Lagerschädigung.According to the invention, it is therefore provided to provide detection means, measuring means and evaluation means in order to use the evaluation of the electromagnetic pulses in a specific time interval for determining the storage condition. By evaluating these pulses, namely by averaging the signals at the output of the receiver and by the subsequent calculation of the rate of change of the mean value, it can be concluded that the state of the bearing. The determined average value increases and changes faster and faster with increasing bearing damage.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass das gemessene elektromagnetische Spektrum einer Spektralanalyse dergestalt unterzogen wird, dass die Anzahl der elektromagnetischen Impulse über eine definierte Zeiteinheit, der Mittelwert der elektromagnetischen Impulse über diese Zeit und das zeitliche Differential der Mittelwerte gebildet wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich mittels einer Empfangsantenne und einer Auswerteeinrichtung auf kostengünstige Weise den Lagerzustand zu überwachen.According to the invention, it is therefore provided that the measured electromagnetic spectrum is subjected to spectral analysis in such a way that the number of electromagnetic pulses is formed over a defined time unit, the mean value of the electromagnetic pulses over this time and the time differential of the average values. This makes it possible according to the invention to monitor the storage condition in a cost-effective manner by means of a receiving antenna and an evaluation device.
Eine bevorzugte Möglichkeit einer Analyse und Prognose liegt in der Verwendung von Referenzdaten. Hierzu wird für den jeweiligen EC-Motor ein entsprechendes Referenzmodell entworfen. Das Referenzmodell umfasst dabei einen Datensatz mit den elektromagnetischen Impulsen eines bestimmten Frequenzbandes für unterschiedliche Lagerzustände, bei dem ein Lagerschaden des Wälzlagers jeweils in unterschiedlicher Ausprägung vorhanden ist. Für mehrere Lagerzustände wird eine nichtlineare Lagerzustandskurve extrapoliert, die den nichtlinearen Verlauf eines Lagerschadens repräsentiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nicht die Kurve selbst, sondern die Mittelwertkurve dabei ermittelt bzw. extrapoliert wird und ein maximales Differential definiert wird, als absolutes Grenzdifferential, ab dem das Lager als „defekt” betrachtet wird. Übersteigt die Zunahme der elektromagnetischen Impulse pro definiertem Zeitintervall somit den Wert des Grenzdifferentials, so kann z. B. ein Fehlersignal ausgegeben werden.A preferred option for analysis and prognosis is the use of reference data. For this purpose, a corresponding reference model is designed for the respective EC motor. The reference model includes a data set with the electromagnetic pulses of a specific frequency band for different storage conditions, in which a bearing damage of the bearing is present in each case in different form. For several bearing conditions, a non-linear bearing condition curve is extrapolated, which represents the non-linear course of a bearing damage. It is particularly advantageous, if not the curve itself, but the average curve is determined or extrapolated and a maximum differential is defined, as absolute limit differential, from which the bearing is considered "defective". If the increase of the electromagnetic pulses per defined time interval thus exceeds the value of the limit differential, then z. B. an error signal can be output.
Im Hinblick auf z. B. Industrie 4.0 Anwendungen kann auch vorgesehen sein, dass ein zweiter Grenzwert (relatives Grenzdifferential) definiert wird, der zeitlich betrachtet einen Zustand repräsentiert, der vor dem Erreichen des absoluten Grenzdifferentials (Defekt des Lagers) liegt und den demnächst zu erwartenden Lagerdefekt ankündigt. Anhand des tatsächlichen Kurvenverlaufs und der durchschnittlichen Betriebszeit kann der Ausfallzeitpunkt prognostiziert werden, so dass nicht nur der aktuelle Zustand, sondern auch der Prognoseverlauf des Lagerzustandes mittels der Erfindung erfasst werden kann, so dass damit eine vorbeugende Instandhaltung realisierbar ist.With regard to z. B. Industry 4.0 applications can also be provided that a second limit (relative limit differential) is defined, which represents a state in time, which is before reaching the absolute limit differential (defect of the bearing) and announces the expected soon bearing failure. Based on the actual curve and the average operating time of the failure time can be predicted so that not only the current state, but also the prognosis curve of the storage condition can be detected by means of the invention, so that a preventive maintenance can be realized.
So kann z. B. auch vollautomatisch eine Bedarfsanforderung ausgelöst werden, wenn der Grenzwert des relativen Grenzdifferentials detektiert wird.So z. B. also fully automatically a demand request are triggered when the limit of the relative limit differential is detected.
Um Störungen bei der Messung, verursacht durch andere Störquellen, wie zum Beispiel Radiosender, Störquellen im Motor etc. zu reduzieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass nur ein bestimmtes Frequenzband elektromagnetsicher Wellen vom Empfänger detektiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Frequenzband selektiv auf die Resonanzfrequenz der parasitären Sendeantenne des EC-Motors abgestimmt ist.In order to reduce interference in the measurement, caused by other sources of interference, such as radio stations, sources of interference in the engine, etc., is provided in a preferred embodiment of the invention that only a certain frequency band electromagnetic waves are detected by the receiver. It is particularly advantageous if this frequency band is selectively tuned to the resonance frequency of the parasitic transmitting antenna of the EC motor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Empfänger nicht nur ein einzelnes Lager im EC-Motor, sondern abhängig von der Frequenz und damit in Abhängigkeit der Abstimmung der parasitären Antenne(n) auf die Empfängerfrequenz(en) auch mehrere Lager im Motor überwacht werden. Dazu müssen jedoch die parasitären Antennen durch zusätzliche Blindwiderstände (Induktivitäten und Kapazitäten) in der Resonanzfrequenz verstimmt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that with the receiver not only a single bearing in the EC motor, but depending on the frequency and thus in dependence of the vote of the parasitic antenna (s) on the receiver frequency (s) also several camps be monitored in the engine. For this purpose, however, the parasitic antennas must be detuned by additional reactances (inductances and capacitances) in the resonant frequency.
Auf die Funkenbildung also solche hat dies keinen merklichen Einfluss, da der Funke selbst stets ein vergleichsweise breitbandiges Frequenzband elektromagnetsicher Wellen aussendet.On the sparking so such, this has no appreciable effect, since the spark itself always emits a comparatively broadband frequency band electromagnetic safe waves.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen EC-Motor mit einer Lagerüberwachungseinrichtung umfassend eine Empfangsantenne und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektromagnetischen Wellen.Another aspect of the present invention relates to an EC motor with a bearing monitoring device comprising a receiving antenna and an evaluation device for evaluating the electromagnetic waves.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangsantenne direkt auf der Leiterplatte des Motors angeordnet ist. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the receiving antenna is arranged directly on the circuit board of the motor. Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
Es zeigen:Show it:
Die Erfindung wir nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die
In den
Diese Spektrallinien a, b, c, d, e werden bei der Überwachung des in der
Es verfügt der Elektromotor
Nach dem Erfassen des von der parasitären Antenne
Durch Erfassen der Änderung des Mittelwertes der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse a, b, c, d, e im besagten Frequenzband fs und/oder deren Amplitude A über eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während dem Betrieb des Elektromotors, kann aus der Änderungsrate ein Rückschluss auf den Lagerzustand getroffen werden.By detecting the change in the mean value of the number N of electromagnetic pulses a, b, c, d, e in said frequency band f s and / or their amplitude A over a plurality of successive times during operation of the electric motor, a conclusion can be drawn from the rate of change be taken to the storage condition.
Insbesondere kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die Mittelwerte zu den jeweiligen Erfassungszeitpunkten über die Zeit aufgetragen werden. Daraus ergibt sich eine, wie in der
In der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification | ||
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |