JP2011039056A

JP2011039056A - 軸受状態監視装置及び方法

Info

Publication number: JP2011039056A
Application number: JP2010181183A
Authority: JP
Inventors: Ayman Mohamed Fawzi El-Refaie; アイマン・モハメッド・ファウジ・エルレファイ; Robert D King; ロバート・ディーン・キング; Christof Martin Sihler; クリストフ・マルティン・シーラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: US20110040495A1; US8229682B2; JP5693083B2; EP2288000A3; CN101995433A; EP2288000A2; CN101995433B

Abstract

【課題】電動機軸受状態監視システムを提供する。
【解決手段】監視システムは磁化された組立体（２００，２４０，３５０）を含み、該組立体は、シャフト（４００，４４０）と、前記シャフトに結合された第１の軸受レース（２０２，２４２，３５４）と、複数の軸受玉（２０６，２４６）と、前記複数の軸受玉を介して前記第１の軸受レースに結合された第２の軸受レース（２０４，２４４，３５８）とを含む。前記磁化された組立体の一部分は、それについて符号化された磁界を持つ。本監視システムは、前記磁化された組立体に近接して位置決めされ且つ磁界を測定するように構成された磁界センサ（２１４，２５４，３６０）と、電流が前記軸受玉を通ることに起因して生じる磁界の変化を前記磁界センサによって検出するように構成された処理ユニット（２１５，２４９，３６１）とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般的に云えば、軸受電流に関し、より具体的には、軸受の状態を監視するシステム及び方法に関するものである。

電動機のような回転機械は、典型的にはシャフトを支持する軸受を含んでおり、また、このような回転機械は、典型的には軸受電流に起因した異常な軸受摩耗を起こしやすい。典型的には、回転機械は、電磁誘導、内部電圧源からの静電結合、及び外部電圧源からの静電結合のような、軸受電流を引き起こすことができる様々な既知のシャフト電圧源の影響を受け易いことがある。電流自身は、例えば、電動機シャフトの中心を通過する軸方向磁束として、又は電動機シャフトに結合する交番磁束として現れる得る。軸受電流は、機械が直流機又は交流機であるか否かに拘わらず、また機械が小馬力又は大馬力の電動機であるか否かに拘わらず生じ得る。

シャフトの軸方向磁束は、例えば、シャフトを取り巻く不平衡なアンペア・ターンによって、又は破損した回転子バーによって、又残留磁化によって、又は偏心した空隙によって生成される。交番磁束は、例えば、固定子又は回転子鉄心の非対称磁気特性に起因して、又は対称でない電動機内の磁束経路を惹起する非均質な鋼材に起因して生じ得る。上記のような電流は、軸受玉及びレースを通る放電を引き起こして、それらから潤滑剤の中へ金属を転移させることによって、回転機械内の軸受の早期故障を引き起こし得る。この金属損失は、孔食、窪み、及び表面内の凹凸を生じさせ、これにより軸受電流を増大させる。軸受電流が増大すると、その効果として、摩擦熱を増大させ、動作中の軸受の温度を増大させ、また最終的に軸受を故障させる傾向がある。

この増大した軸受電流の効果は、材料特性、構成要素の許容公差、磁気構成要素の非対称性などを改善することによって、ある程度軽減することが可能である。しかしながら、今日の様々な用途に使用されている電気駆動装置の多くは、可変速度駆動装置（ＶＳＤ）であり、それらは、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴのような高速スイッチング・パルス幅（ＰＷＭ）半導体素子を含む電力変換装置の使用を必要としている。（数ＭＨｚの遷移又はそれ以上までの）高い動作周波数では、容量結合電流が、通常は電気絶縁体と見なし得る経路を通って流れることができる。例えば、磁石巻線絶縁体、固定子スロット・ライナ、電動機空隙、軸受グリース、及び固定子頂部スティックを通って電流が流れることができる。このような場合、動作周波数が高くなると、軸受内部の電流の流れの問題が悪化し、ひいては早期の故障を招く。従って、電動機設計を改善して早期故障の傾向を低減する努力にも拘わらず、軸受はそれを通る電流が高周波動作に起因して悪化する虞がある。

破滅的な故障が生じる前に軸受を修理し又は交換するように事前対策として是正処置を取るために、軸受内の損傷の進行を間接的に監視することができる。しかしながら、このような方法は、典型的には、ブラシ又は高価な外部装置の使用を必要としており、このような外部装置は、例えば、単に音響ノイズのような軸受状態の間接的な表示を生じるに過ぎないことがある。

米国特許第７２４３５５７号

従って、上述した欠点を克服するような軸受の状態を監視する装置及び方法を提供することが望ましい。

本発明の一面に従って、電動機軸受状態監視システムは組立体を含み、該組立体は、シャフトと、前記シャフトに結合された第１の軸受レースと、複数の軸受玉と、前記複数の軸受玉を介して前記第１の軸受レースに結合された第２の軸受レースとを含む。前記組立体の一部分は、符号化された磁界を持つ。本監視システムは、前記磁化された組立体に近接して位置決めされ且つ磁界を測定するように構成された磁界センサと、電流が前記軸受玉を通ることに起因して生じる磁界の変化を前記磁界センサによって検出するように構成された処理ユニットとを含む。

本発明の別の面に従って、方法は、第１の軸受レース、第２の軸受レース及び軸受シャフトの内の少なくとも１つを有する軸受組立体の複数の構成要素を設ける段階と、前記複数の構成要素の内の１つの構成要素の少なくとも一部分を磁気的に符号化する段階と、軸受組立体の前記複数の構成要素を一緒に組み立てる段階と、軸受組立体の動作中に前記磁気的に符号化された部分の近くの軸受電流から生じる磁化の乱れについて磁界を監視し、且つ該監視された磁界に基づいて軸受組立体の故障を予測するように、制御装置を構成する段階と、を含む。

本発明の別の面に従って、装置は、シャフトと、前記シャフトに結合された第１の軸受レースと、前記シャフトに結合された第２の軸受レースと、前記第１の軸受レース及び前記第２の軸受レースの間に位置決めされた複数の軸受玉とを含む。前記シャフト、前記第１の軸受レースの一部分及び前記第２の軸受レースの一部分の内の１つは、本質的に単一方向の磁気分極を持つように磁気的に符号化されている。

様々な他の特徴及び利点が、以下の詳しい説明及び図面から明らかになろう。

図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を例示している。

図１は、本発明の様々な実施形態を取り入れた、軸受寿命データを取得するための方法を例示する流れ図である。図２は、本発明の様々な実施形態を取り入れた、軸受状態データを取得するための方法を例示する流れ図である。図３は、本発明の一実施形態に従ったころ軸受のための磁気的に符号化されたリングを例示する略図である。図４は、本発明の一実施形態に従った外側の磁気的に符号化されたリングを持つころ軸受を例示する略図である。図５は、本発明の一実施形態に従った内側の磁気的に符号化されたリングを持つころ軸受を例示する略図である。図６は、本発明の一実施形態に従ったスラスト軸受のための磁気的に符号化されたリングを例示する略図である。図７は、本発明の一実施形態に従った符号化されたリングを持つスラスト軸受を例示する略図である。図８は、本発明の一実施形態に従った磁気的に符号化されたシャフトを例示する略図である。図９は、本発明の一実施形態に従った磁気的に符号化されたシャフトを例示する略図である。

電動機内の軸受の状態を監視するためのシステム及び方法を教示する。しかしながら、当業者には、本発明が、軸受の玉を通過する電流を生じる他の回転装置にも等しく適用できることが認められよう。従って、電動機を含む実施形態について本発明を説明するが、当業者には、本書で呈示する本発明が、電動機に制限する必要はなく、むしろそれを通過する軸受電流の影響を受け易い軸受を持つ任意の回転装置にも適用し得ることが認められよう。更に、後で例示するように、本書で説明する発明の実施形態は、磁気的に符号化されていて、１つ以上の軸受レースに結合され又は取り付けられるリングを含む。しかしながら、後で述べるように、別の実施形態では、自身が磁気的に符号化することのできる強磁性材料であるレース又は他の構成要素を含み、これにより別個の磁気的に符号化されたリングを取り付けることを必要としない。

本発明の実施形態によれば、電動機の軸受構成要素を磁気的に符号化して、これを用いて、軸受の故障を予測するために電動機内の軸受の状態を監視することができる。軸受電流が軸受の耐用期間中に増大するにつれて、軸受電流は磁気敵に符号化された構成要素（１つ又は複数）の磁化を乱し且つ該磁化に影響を及ぼす。従って、履歴的に取得されたデータを使用すことによって、磁気的に符号化された構成要素を用いた軸受電流の監視により軸受の状態が求められ、該軸受の状態は、本発明の実施形態によれば、軸受の故障の前に軸受を事前対策として交換するために用いることができる。履歴的に取得されたデータは、現場で（すなわち、顧客の所在地などにある機能ユニット内で）取得された監視及び故障データに基づいたものであってよく、或いは、例えば、試験所内の試験装置で取得された監視及び故障データに基づいたものであってよい。

そこで、図１について説明すると、流れ図５０は、本発明の一実施形態に従って軸受状態データを取得する方法の概要を例示する。流れ図５０は、軸受を製造する段階５２から始まる。各々の軸受は１つ以上の磁気的に符号化されが軸受構成要素を持ち、且つ各々の軸受は本質的に単一の磁化方向を持つ。本発明の実施形態では、軸受構成要素（１つ又は複数）は永久的に符号化される。これは、軸受構成要素（１つ又は複数）がそれに対するパルス電流の印加後に磁化を保持することを意味する。しかしながら、当業者には、このような「永久的な」磁化は当該技術分野で通常理解されているように同様に消磁することができることが認められよう。

磁気的に符号化された軸受構成要素としては、本発明の実施形態で説明するように、１つ以上の軸受レース及び磁気的に符号化された軸受シャフトを挙げることができる。段階５４で、軸受が電動機及び／又は試験装置の中に組み立てられる。このような組み立てには、磁気的に符号化された軸受構成要素（１つ又は複数）に近接して磁界センサ（１つ又は複数）を配置することが含まれる。段階５６で、磁気的に符号化された軸受構成要素（１つ又は複数）の近くの磁束密度が軸受の耐用期間中に監視されて記録される。前に述べたように、軸受は、例えば、「現場」における装置内にあるものでよく、或いは、試験所内の試験装置内にあるものでよい。このような態様では、軸受の寿命データを、故障による早期寿命から軸受の進歩につれて監視し取得する。従って、段階５８で、軸受電流の関数として一群の軸受寿命データが取得され、これは、磁束密度を介して上記磁気的に符号化された軸受構成要素（１つ又は複数）の近くで測定された磁界の乱れの関数である。

このような場合、軸受電流の関数である磁界の乱れに基づいたものである履歴軸受寿命データベースを、集成して連続的に構築することができる。従って、一群の履歴データが構築されたとき、符号化された軸受構成要素の近くでの磁界の乱れは、軸受の故障を事前対策として予測するために軸受状態を直接的に監視するために用いることができる。当業者に理解され得るように、このような予測は、例えば、磁束密度の絶対測定値に基づいて行うことができ、又は磁束密度の時間につれての変化に基づいて行うことができる。更に、最初に符号化された磁界の磁束線の方向で上記符号化された軸受構成要素（１つ又は複数）における磁束密度を測定するのが好ましいが、最初に符号化された磁界の磁束線に近接してそれらに関して３つのユークリッド３空間ベクトルの内の２つにおいて又は３つ全てにおいても測定することによって追加の測定値情報を生じさせることができる。また更に、後で説明するように、磁気的に符号化される軸受構成要素は、構成要素について且つ測定場所について、複数の軸受種類又は複数の軸受構成を含むことができる。従って、各々の軸受構成について、当業者に理解され得るように、履歴軸受データベースを、各々の独自の構成、測定場所及び測定配向について生成することができる。

ここで、図２について説明すると、プロセス７０は、本発明の実施形態に従って少なくとも１つの軸受構成要素が本質的に単一方向の磁気分極を持つように磁気的に符号化されるようにする段階７２を含む。段階７２での符号化の後、段階７４で軸受が組み立てられて、電動機に取り付けられる。軸受構成要素における磁束密度が段階７６で測定され且つ監視されて、段階７８で、履歴データベース、例えば、図１に関して説明したように取得されたデータベースと比較される。軸受の状態は、履歴データベースに基づいて、また明らかになってきた履歴の理解に基づいて、決定される。従って、段階８０で、軸受の故障が差し迫っているのか又は近い将来に故障しそうであるかどうかについて予測が行われる。このような予測は、例えば計画的な点検保守期間中に電動機内の軸受を事前対策として交換するために用いることができ、或いは、このような予測は、例えば破滅的な軸受故障を防止するために用いることができる。更に、このような監視は、電気装置のその場所で行うことができ、或いは、処理ユニットを介して、又はコンピュータを介して、又はインターネットを介して遠隔で監視することができる。従って、軸受故障が差し迫っているか又は近い将来に起こると予測された場合（段階８２）、軸受は段階８４で事前対策として交換することができる。しかしながら、軸受故障が予測されなかった場合（段階８６）、段階７６で、システムは軸受構成要素における磁束密度を監視続けることができる。

図３は、本発明の一実施形態に従ったリングの磁気符号化を例示する。図示のように、リング１００は強磁性材料であって、内面１０２及び外面１０４を含む。リング１００は第１の軸方向の面１０６及び第２の軸方向の面１０８も含む。リング１００を磁気的に符号化するために、第１のリング電極１１０が第１の軸方向の面１０６に接触して配置され、且つ第２のリング電極１１２が第２の軸方向の面１０８に接触して配置される。パルス電流１１４が第１のリング電極１１０に印加され、その結果、実質的に軸方向１１８にリング１００を通過する電流密度ベクトル１１６が生じて、戻り電流１２０として流れる。従って、電流密度ベクトル１１６を通した後、リング１００には電流密度ベクトル１１６に対して垂直である平行な磁化線１２２が生じる。このような場合、リング１００は磁気的に符号化されて、例えば、軸受状態を監視するために、図４及び図５に例示されているようにころ軸受に用いることができる。例示された実施形態では、リング１００は、軸受の状態を監視するために用いることのできる接地経路内で軸受レースに締りばめ又はその他の方法で取り付けることができる。

図４について説明すると、本発明に従って電動機（図示せず）に使用することのできるころ軸受２００を例示している。ころ軸受２００は、内レース２０２と、外レース２０４と、それらの間に位置決めされた複数の軸受玉２０６とを含む。ころ軸受組立体２００は磁気的に符号化されたリング２０８を含み、該リング２０８は接地経路内にあって、前に図３に例示したような態様で符号化されている。各々の玉は、レース２０２，２０４とそれぞれの接触点２１０，２１２で接触する。従って、動作中、軸受電流が軸受玉を通過する。軸受電流は磁気的に符号化されたリング２０８の中の磁化を乱れさせ、その乱れは、リングに近接して位置決めされた磁界センサ２１４を介して検出することができる。図４について説明すると、磁界センサ２１４は、例示されているように、平行な磁化線１２２のような磁力線の乱れを検出するために、ころ軸受組立体２００の外部に且つその外周２１７に接戦方向に又は垂直に位置決めされる。従って、磁界センサ２１４は、外周２１７に接線方向又は垂直である方向における磁化１２２の乱れを検出するように位置決めされる。しかしながら、前に述べたように、磁界センサ２１４と同様な追加の磁界センサをさらに使用して、該追加の磁界センサを第１のセンサの配向に対して垂直に配向することによって、磁界の乱れを検出し且つ測定することができる。従って、前に説明したように、これらの乱れは履歴的に得られたデータと比較することができ、且つころ軸受組立体２００の状態を監視するために用いることができる。一実施形態では、磁界センサ２１４は信号調整処理ユニット２１５に接続され、この信号調整処理ユニット２１５は、例えばコンピュータを介してアクセスすることができ、また更にころ軸受組立体２００の状態を監視するために遠隔からアクセスすることができる。軸受玉及びレースが老化するにつれて、軸受電流もまた増大する。このような増大は、正常に動作している軸受の磁化された面によって引き起こされる磁界ではなく、該磁化された面の近くの磁界の乱れにより測定することができる。

図４と同様に、図５は、本発明の別の実施形態に従って、軸受２４０の状態を監視するために電動機に使用することができるころ軸受２４０を例示する。ころ軸受組立体２４０は、内レース２４２と、外レース２４４と、それらの間に位置決めされた複数の玉２４６とを含む。ころ軸受組立体２４０は磁気的に符号化されたリング２４８を含み、該リング２４８は、接地経路内にあり且つ前に図３に例示したような態様で符号化されている内周２５１を持つ。各々の玉はレース２４２，２４４にそれぞれの接触点２５０，２５２で接触する。従って、動作中、軸受電流が軸受玉を通過する。このような軸受電流は磁気的に符号化されたリング２４８の中の磁化を乱れさせ、その乱れは、リングに近接して位置決めされた磁界センサ２５４を介して検出することができる。更に、例示されているように、磁界センサ２５４は、図４に関して述べたのと同様に磁界の乱れを検出するように且つ内周２５１に対して接線方向又は垂直である方向に位置決めされる。しかしながら、前に述べたように、磁界センサ２５４と同様な追加の磁界センサをさらに使用して、該追加の磁界センサを第１のセンサの配向に対して垂直に配向することによって、磁界の乱れを検出し且つ測定することができる。従って、前に説明したように、これらの乱れは履歴的に得られたデータと比較することができ、且つころ軸受組立体２４０の状態を監視するために用いることができる。軸受玉及びレースが老化するにつれて、軸受電流もまた増大する。このような増大は、正常に動作している軸受の磁化された面によって引き起こされる磁界ではなく、該磁化された面の近くの磁界の乱れにより測定することができる。

図４及び図５の例示された実施形態の各々は、単一の磁気的に符号化されたリングを持つものとして示されている。しかしながら、当業者には、各々のころ軸受内に２つ以上の磁気的に符号化されたリングを含むことができることが認められよう。従って、本発明の実施形態によれば、ころ軸受は、図４の磁気的に符号化されたリング２０８のような外側リングと図５の磁気的に符号化されたリング２４８のような内側リングとの両方を持つことができる。これにより、軸受状態データを両方の位置において且つ各位置で複数の配向において得ることができ、従って、ころ軸受の状態を監視するための追加の情報が提供される。

更に、図４の磁気的に符号化されたリング２０８及び図５の磁気的に符号化されたリング２４８は、それぞれのレース２０４，２４２とは別個であってそれらに結合されたリングとして示されているが、本発明の実施形態には、別個のリング２０８，２４８を設ける代わりにそれらのレース自体を磁化することが含まれる。このような実施形態では、レース（１つ又は複数）は、磁気的に符号化することができる強磁性材料で製作して、接地経路内に配置することにより、前に述べたように磁界センサにより軸受状態の監視を可能にすることができる。従って、本発明の実施形態によれば、レース自体を、図３に関して説明した態様に磁気的に符号化することができる。このような場合、ころ軸受組立体の内レース、外レース、又は両方のレースを磁化して、信号調整処理ユニット２４９によって監視することにより、軸受電流及び軸受の状態の表示を提供することができる。

軸受構成はころ軸受組立体に制限する必要はなく、スラスト軸受のような他の軸受構成を含むことができる。従って、本発明の別の実施形態において、図６及び図７は本発明の実施形態に従ったスラスト軸受を例示する。図３に関して説明したように符号化されたリングと類似した態様で、リングを磁気的に符号化することができる。しかしながら、スラスト軸受内の玉及びレースはころ軸受とは異なる配向を持つので、リングは、図３に例示されたものに対して９０°の角度に配向された磁気分極を持つように符号化される。

そこで、図６について説明すると、スラスト軸受に使用するための強磁性リング３００が、内面３０６及び外面３０８と共に、第１の軸方向の面３０２及び第２の軸方向の面３０４を含む。リング３００を磁気的に符号化するために、第１のリング電極３１０が外面３０８と接触状態に配置され、且つ第２のリング電極３１２がリング３００の内面３０６と接触状態に配置される。パルス電流３１４が第１のリング電極３１０に印加されると、その結果、実質的に半径方向にリング３００を通過する電流密度ベクトル３１６が生じて、戻り電流３１８として流れる。従って、電流密度ベクトル３１６を通した後では、概して平行な線を持つ磁化３２０が生じ、これは単一の分極を持つ。このような場合、リング３００は符号化して、例えば、軸受状態を監視するために図７に例示されているようにスラスト軸受に用いることができる。図４及び図５に例示された実施形態と同様に、このような監視は磁化３２０の線に対して１つの、２つの、又は３つ全ての配向で行うことができる。図示の実施形態では、リング３００は、軸受の状態を監視するために使用することができる接地経路内に軸受レースを機械的に取り付けることができる。

図７について説明すると、本発明の実施形態に従って電動機（図示せず）に使用することのできるスラスト軸受３５０を示している。スラスト軸受３５０は、第１のスラスト軸受レース３５２と、第２のスラスト軸受レース３５４と、それらの間に位置決めされた複数の軸受玉３５６とを含む。スラスト軸受３５０は、接地経路内にあって、各々が図６に関して前に説明したような態様で符号化されている１つ以上の磁気的に符号化されたリング３５８を含む。各々の玉３５６は、スラスト軸受レース３５２，３５４にそれぞれの接触点（図示せず）で接触する。従って、動作中、軸受電流が軸受玉３５６を通過する。このような軸受電流は１つ以上の磁気的に符号化されたリング３５８における磁界を乱れさせ、その乱れは、リングに近接して位置決めされたそれぞれの磁界センサ３６０によって検出して、信号調整処理ユニット３６１によって監視することができる。従って、前に説明したように、それらの乱れは履歴的に得られたデータと比較することができ且つスラスト軸受３５０の状態を監視するために使用することができる。軸受玉及びレースが老化するにつれて、軸受電流もまた増大する。このような増大は、正常に動作している軸受の磁化された面によって引き起こされる磁界ではなく、該磁化された面の近くの磁界の乱れにより測定することができる。

その上、ころ軸受の実施形態に関して前に説明したように、スラスト軸受３５０は、リング３５８を用いる代わりに、リング３５２，３５４自体（一方又は両方）を強磁性材料で製作して符号化するように製造することができる。従って、このような実施形態では、リング３５２，３５４が符号化されて、前に述べたように磁界センサ３６０を使用してリングにおける軸受電流を監視することができる。

本発明の実施形態では、軸受自体の代わりに、電動機用の強磁性シャフトを磁気的に符号化することができ、シャフト磁界の乱れを監視することにより軸受状態を監視することができる。ここで図８を参照して説明すると、シャフト４００が２つのシャフト処理保持クランプ（ＳＰＨＣ）４０２，４０４を含み、これらのＳＰＨＣは計画された検知用符号化領域４１０のそれぞれの境界４０６，４０８に配置され、その検知用符号化領域４１０にはそれを覆うようにころ軸受（図示せず）のような軸受を配置することができる。この実施形態では、パルス電流がＳＰＨＣ４０４でシャフトに流入（４１２）することができ、またＳＰＨＣ４０２でシャフトから流出（４１４）することができる。これにより、領域４１０は本質的に単一方向の磁気分極を持つ一様に符号化された領域になり、これは本実施形態に従って軸受電流監視のために用いることができる。更に、シャフト４００内の磁化の深さは、印加されるパルスの周波数及び持続期間を制御することによって制御することができる。従って、短い電流パルスを印加することによって、シャフト４００の最も外側の層に高い電流密度が生じ、また最も外側の層のみを磁化することによって、大きな電流を印加することを必要とせずに高い電流密度を達成することができる。

次に図９を参照して説明すると、本発明の別の実施形態に従って、シャフト４４０を複数の区域に分けて磁気的に符号化することができる。電極が軸受から充分な距離を置いて取り付けられている場合、その軸受区域は充分一様になるように磁気的に符号化して、本質的に単一方向の磁気分極を持つようにすることができる。従って、個々の円周方向に配置された電流入口点の間の間隔がシャフトの直径に対して比較的大きいとき（また円周方向に配置された電流出口点の間の間隔が同様に大きいとき）、回転信号の一様性が悪くなる。このような場合には、パルス電流で符号化される区域の長さを出来る限り大きくする必要があり、さもないと、生成される磁界が円周方向に一様でなくなる虞がある。本実施形態によれば、パルス電流で符号化される区域が充分に長い場合、本質的に単一方向の磁気分極を生成する一様な電流分布が達成される。

そこで、本実施形態によれば、シャフト４４０は、第１の電極４４２と、第２の電極４４４と、第１の電極４４２に電気接続された複数の電気入力接点４４６とを含む。また、第２の電極４４４に複数の電気出力接点４４８が接続されている。従って、パルス電流４５０が第１の電極４４２に印加されたとき、パルス電流は電気接点４４６を介してシャフト４４０へ入り、そして電気出力接点４４８を介して第２の電極４４４へ出て行くようにされる。このような場合、本実施形態によれば、シャフト４４０内に複数の磁気的に符号化された領域４５２を生成することができ、それらの各領域はその中に実質的に一様な磁束を持ち、また各領域は単一の一様な磁化を持つ。このような場合、それに近接した磁束密度の乱れを監視することによって、軸受状態を監視することができる。

従って、シャフトは、図８及び図９の模範的な例に示されているように、本発明に従って磁気的に符号化することができる。そこで、磁化の後、本書で説明したように軸受電流を監視することができ、そして更に、符号化されたシャフトの周りに位置決めされた軸受の状態を、履歴的に得られたデータに基づいて推測することができる。このような場合、また、軸受の寿命を監視して、軸受が配置されている機械の動作期間中に軸受を事前対策として交換することができる。

当業者には、本書に示した実施形態が単なる模範例であり、且つ本発明が軸受電流の影響を受け易い軸受を持つ任意の電動機構成に適用し得ることが認められよう。従って、軸受玉を通過する電流密度に対して垂直である磁束密度を持つように軸受の構成要素を磁気的に符号化することによって、軸受の状態を監視することができ、且つ軸受の状態を、履歴的に得られたデータに基づいて使用して、軸受の寿命（耐用期間）及びその故障を予測することができる。

例示した実施形態では、磁界センサは、符号化された構成要素（例えば、図４の符号化されたリング２０８）に近接して位置決めされるものとして示されている。本発明の実施形態では、センサ（１つ又は複数）は該構成要素から０〜１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍまでの位置に配置するのが望ましい。更に、例示した実施形態では、システムの構成要素を組み立てている間に、磁界のマッピングを行うことができる。本発明の実施形態では、磁界センサは、構成要素内に埋め込むことのできる受動性装置とすることができる。一例として、図５は、内周２５１の内側に位置決めされた磁界センサ２５４を例示している。しかしながら、このような実施形態は、内周２５１と接触してその中に位置決めされたシャフト（図示せず）を含むことがある。そこで、このような実施形態では、磁界センサ２５４はシャフト内に埋め込んで、軸受電流の検出のために周期的に監視することができる。本発明の実施形態では、磁気検知は、回転子−シャフト系が部分的に又は完全に分解されている間に行うことができる。従って、１つ以上のこのようなセンサが使用されているシステムは部分的に又は完全に分解することができ、また磁界センサ２５４のようなセンサは、軸受の状態を確めるために処理ユニット２４９に接続することができる。埋め込んだセンサを持つ本発明の実施形態では、軸受の状態を確める期間の間に使用される配線のためのプラグを設けることができる。この実施形態では、軸受は、通常動作中、軸受状態の連続的な監視を行わずに動作させることができる。次いで、状態監視の期間中は、システムを分解して、その状態を測定し決定するためにプラグを処理ユニットに取り付けることができる。

更に、大形の軸受又は大形のシャフト（例えば、風力タービン用途）の場合、シャフト及び軸受構成要素の全体を磁気的に符号化する必要はない。そこで、一例として図３を再度参照して説明すると、各電極１１０，１１２がリング１００の３６０°の円周全体を覆うものとして例示されているが、これらの電極がリング１００の実質的に同じ領域を取り囲み且つ実質的に互いに対して向かい合っている限り、リング１００の円周の一部分のみを磁気的に符号化することが可能である。円周の量又は部分は、関連した軸受電流の大きさに基づいて選択することができる。そこで、関連した軸受電流が充分な大きさである場合、該軸受電流はリング自体の限られた円周部分に生じる。従って、部分的な符号化は、全体の符号化の場合より技術的努力が少なくて済み、一例として、必要な符号化電流を低減することによって製造コストを単純化する。大形のシャフト／軸受設計の場合には、部分的な符号化はより低いコストで適用することができ、且つ磁気的検査により軸受電流を検出するために全く同じ態様で使用することができる。

開示した方法及び装置についての技術的貢献は、軸受の状態を監視するコンピュータ具現化システム及び方法が提供されることである。

本発明の一実施形態によれば、電動機軸受状態監視システムは組立体を含み、該組立体は、シャフトと、前記シャフトに結合された第１の軸受レースと、複数の軸受玉と、前記複数の軸受玉を介して前記第１の軸受レースに結合された第２の軸受レースとを含む。前記組立体の一部分は、符号化された磁界を持つ。本監視システムは、前記磁化された組立体に近接して位置決めされ且つ磁界を測定するように構成された磁界センサと、電流が前記軸受玉を通ることに起因して生じる磁界の変化を前記磁界センサによって検出するように構成された処理ユニットとを含む。

本発明の別の実施形態によれば、方法は、第１の軸受レース、第２の軸受レース及び軸受シャフトの内の少なくとも１つを有する軸受組立体の複数の構成要素を設ける段階と、前記複数の構成要素の内の１つの構成要素の少なくとも一部分を磁気的に符号化する段階と、軸受組立体の前記複数の構成要素を一緒に組み立てる段階と、軸受組立体の動作中に前記磁気的に符号化された部分の近くの軸受電流から生じる磁化の乱れについて磁界を監視し、且つ該監視された磁界に基づいて軸受組立体の故障を予測するように、制御装置を構成する段階と、を含む。

本発明の別の実施形態によれば、装置は、シャフトと、前記シャフトに結合された第１の軸受レースと、前記シャフトに結合された第２の軸受レースと、前記第１の軸受レース及び前記第２の軸受レースの間に位置決めされた複数の軸受玉とを含む。前記シャフト、前記第１の軸受レースの一部分及び前記第２の軸受レースの一部分の内の１つは、本質的に単一方向の磁気分極を持つように磁気的に符号化されている。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。従って、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」によって制限される。

５０流れ図
７０プロセス
１００リング
１０２内面
１０４外面
１０６第１の軸方向の面
１０８第２の軸方向の面
１１０第１のリング電極
１１２第２のリング電極
１１４パルス電流
１１６電流密度ベクトル
１１８軸方向
１２０戻り電流
１２２平行な磁化線
２００ころ軸受
２０２内レース
２０４外レース
２０６軸受玉
２０８磁気的に符号化されたリング
２１０接触点
２１２接触点
２１４磁界センサ
２１５信号調整処理ユニット
２１７外周
２４０ころ軸受組立体
２４２内レース
２４４外レース
２４６玉
２４８磁気的に符号化されたリング
２４９信号調整処理ユニット
２５０接触点
２５１内周
２５２接触点
２５４磁界センサ
３００強磁性リング
３０２第１の軸方向の面
３０４第２の軸方向の面
３０６内面
３０８外面
３１０第１のリング電極
３１２第２のリング電極
３１４パルス電流
３１６電流密度ベクトル
３１８戻り電流
３２０磁化
３５０スラスト軸受
３５２第１のスラスト軸受レース
３５４第２のスラスト軸受レース
３５６軸受玉
３５８磁気的に符号化されたリング
３６０磁界センサ
３６１信号調整処理ユニット
４００シャフト
４０２シャフト処理保持クランプ（ＳＰＨＣ）
４０４シャフト処理保持クランプ（ＳＰＨＣ）
４０６境界
４０８境界
４１０検知用符号化領域
４１２流入電流
４１４流出電流
４４０シャフト
４４２第１の電極
４４４第２の電極
４４６電気入力接点
４４８電気出力接点
４５０パルス電流
４５２磁気的に符号化された領域

Claims

Ａ）磁化された組立体（２００，２４０，３５０）であって、
シャフト（４００，４４０）と、
前記シャフト（４００，４４０）に結合された第１の軸受レース（２０２，２４２，３５４）と、
複数の軸受玉（２０６，２４６）と、
前記複数の軸受玉（２０６，２４６）を介して前記第１の軸受レース（２０２，２４２，３５４）に結合された第２の軸受レース（２０４，２４４，３５８）と、
を含み、当該磁化された組立体（２００，２４０，３５０）の一部分が、符号化された磁界を持っている、当該磁化された組立体（２００，２４０，３５０）と、
Ｂ）前記磁化された組立体（２００，２４０，３５０）に近接して位置決めされ且つ磁界を測定するように構成された磁界センサ（２１４，２５４，３６０）と、
Ｃ）電流が前記軸受玉（２０６，２４６）を通ることに起因して生じる磁界の変化を前記磁界センサ（２１４，２５４，３６０）によって検出するように構成された処理ユニット（２１５，２４９，３６１）と、
を有している電動機軸受状態監視システム。
前記磁界が永久的に符号化されている、請求項１記載のシステム。
前記磁界センサ（２１４，２５４，３６０）は、概して平行な磁力線の磁化を持つ面（２０８，２５１）に対して垂直に位置決めされている、請求項１記載のシステム。
前記磁界センサ（２１４）は、概して平行な磁力線の磁化を持つ面（２１７，２５１）に対して接戦方向に位置決めされている、請求項１記載のシステム。
前記第１の軸受レース（２０２，２４２）が内側の軸受レースを構成し、前記第２の軸受レースが外側の軸受レース（２０４，２４４）を構成し、また前記複数の軸受玉（２０６，２４６）が前記内側の軸受レースと前記外側の軸受レースとの間に半径方向に位置決めされている、請求項１記載のシステム。
前記組立体は更に、前記外側の軸受レース（２０４，２４４）及び前記内側の軸受レース（２０２，２４２）の内の一方に取り付けられた磁気的に符号化されたリング（２０８，２４８）を有し、前記磁気的に符号化されたリング（２０８，２４８）は、それについて永久的に符号化された磁界を持つ前記組立体の部分を構成している、請求項５記載のシステム。
前記第１の軸受レースが第１のスラスト軸受レース（３５４）を構成し、前記第２の軸受レース（３５８）が第２のスラスト軸受レースを構成し、前記軸受玉が前記第１のスラスト軸受レース（３５４）と前記第２のスラスト軸受レース（３５８）との間に軸方向に位置決めされている、請求項１記載のシステム。
前記システムは、前記第１のスラスト軸受レース（３５４）及び前記第２のスラスト軸受レース（３５８）の内の一方に取り付けられた磁気的に符号化されたリング（３００）を有し、前記磁気的に符号化されたリング（３００）は、それについて永久的に符号化された磁界を持つ前記組立体の部分を構成している、請求項７記載のシステム。
前記磁化は本質的に唯一つの方向に分極されている、請求項１記載のシステム。
前記磁界が、前記複数の軸受玉を通る電流密度ベクトルに対して実質的に垂直である、請求項１記載のシステム。