JP2021004823A - Load calculation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、荷重算出システムに関する。 The present invention relates to a load calculation system.
転がり軸受に対するラジアル荷重を検出するため、転がり軸受の外輪の外周側にセンサを取り付ける方法が知られている(例えば、特許文献1)。 In order to detect a radial load on a rolling bearing, a method of attaching a sensor to the outer peripheral side of the outer ring of the rolling bearing is known (for example, Patent Document 1).
荷重により変化するのはセンサとして機能するコイルのインダクタンスである。特許文献1ではインダクタンスの変化により生じる電圧の変化を参照して荷重を求めている。より高い精度で荷重を求めるためにはインダクタンスそのものを求めることが望ましいが、特許文献1に記載されている方法では、電圧しか計測していないため、インダクタンスを求めることができない。 It is the inductance of the coil that functions as a sensor that changes with load. In Patent Document 1, the load is obtained by referring to the change in voltage caused by the change in inductance. In order to obtain the load with higher accuracy, it is desirable to obtain the inductance itself, but the method described in Patent Document 1 cannot obtain the inductance because only the voltage is measured.
また、特許文献1に記載の方法では、外輪に対して軸受の径方向の外周側にセンサを取り付けるためのスペースが必要になる。また、特許文献1に記載の方法では、荷重の影響を受けないリファレンス用のセンサが必要になる。このように、特許文献1に記載の方法では、設計上の制約が多い。 Further, in the method described in Patent Document 1, a space for mounting the sensor on the outer peripheral side of the bearing in the radial direction with respect to the outer ring is required. Further, in the method described in Patent Document 1, a reference sensor that is not affected by the load is required. As described above, the method described in Patent Document 1 has many design restrictions.
本発明は、より簡易な構成でより高精度に転がり軸受の荷重を検出可能な荷重算出システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a load calculation system capable of detecting the load of a rolling bearing with higher accuracy with a simpler configuration.
上記の目的を達成するための本発明の荷重算出システムは、転がり軸受の外輪又は前記外輪の外周部と当接するハウジングの一方に設けられる第1コイルと、前記第1コイルを励磁する励磁回路と、前記外輪又は前記ハウジングの他方に設けられる第2コイルと、前記第1コイルの励磁に応じて前記第2コイルに生じる電流を検出する電流検出回路と、前記第1コイルの励磁に応じて第2コイルに生じる電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流と前記電圧とに基づいて前記転がり軸受に加わるラジアル荷重を算出する演算装置とを備える。 The load calculation system of the present invention for achieving the above object includes a first coil provided on one of the outer ring of the rolling bearing or a housing that comes into contact with the outer peripheral portion of the outer ring, and an excitation circuit that excites the first coil. A second coil provided on the outer ring or the other side of the housing, a current detection circuit that detects a current generated in the second coil in response to excitation of the first coil, and a first coil in response to excitation of the first coil. It includes a voltage detection circuit that detects the voltage generated in the two coils, and a computing device that calculates the radial load applied to the rolling bearing based on the current and the voltage.
従って、転がり軸受に加わる荷重に応じたコイルのインダクタンスを電流と電圧とに基づいて算出してインダクタンスに応じた荷重を導出することができる。すなわち、インダクタンスを電流と電圧から求めることができるため、より高精度にインダクタンス及びインダクタンスに応じた荷重を求めることができる。また、転がり軸受の径方向の外周側に圧力検出用のセンサ及びリファレンス用のセンサを設けるためのスペースを必要としない。 Therefore, the inductance of the coil corresponding to the load applied to the rolling bearing can be calculated based on the current and the voltage, and the load corresponding to the inductance can be derived. That is, since the inductance can be obtained from the current and the voltage, the inductance and the load corresponding to the inductance can be obtained with higher accuracy. Further, a space for providing a pressure detection sensor and a reference sensor on the outer peripheral side in the radial direction of the rolling bearing is not required.
本発明の荷重算出システムでは、前記第1コイル又は前記第2コイルの一方は、前記転がり軸受の回転軸方向と直交する前記外輪の一側面に固定され、前記第1コイル又は前記第2コイルの他方は、前記一側面と同一平面であるか又は前記一側面に平行であって前記一側面との間に段差を形成するよう設けられた前記ハウジングの側面に固定される。 In the load calculation system of the present invention, one of the first coil and the second coil is fixed to one side surface of the outer ring orthogonal to the rotation axis direction of the rolling bearing, and the first coil or the second coil The other is fixed to the side surface of the housing which is coplanar to the one side surface or is parallel to the one side surface and is provided so as to form a step with the one side surface.
従って、第1コイルと第2コイルとを回転軸と直交する同一平面に並べて配置することができる。 Therefore, the first coil and the second coil can be arranged side by side on the same plane orthogonal to the rotation axis.
本発明の荷重算出システムでは、前記第1コイルと前記第2コイルは、前記回転軸を通る径方向の直線上に配置される。 In the load calculation system of the present invention, the first coil and the second coil are arranged on a linear line in the radial direction passing through the rotation axis.
従って、ラジアル荷重の変化と、第1コイルと第2コイルの関係の変化とをよりリニアに対応させることができる。 Therefore, the change in the radial load and the change in the relationship between the first coil and the second coil can be made to correspond more linearly.
本発明の荷重算出システムでは、前記第1コイルと前記第2コイルが平行である。 In the load calculation system of the present invention, the first coil and the second coil are parallel.
従って、第1コイルと第2コイルの延出方向を揃えることができる。 Therefore, the extension directions of the first coil and the second coil can be aligned.
本発明によれば、より簡易な構成でより高精度に転がり軸受の荷重を検出することができる。 According to the present invention, the load of the rolling bearing can be detected with higher accuracy with a simpler configuration.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The requirements of each embodiment described below can be combined as appropriate. In addition, some components may not be used.
図1は、実施形態の荷重算出システム1の主要構成を示すブロック図である。荷重算出システム1は、転がり軸受10と、第1コイルとして機能するコイル20と、第2コイルとして機能するコイル25と、励磁回路30と、電流測定回路40と、電圧測定回路50と、演算装置60とを備える。荷重算出システム1は、例えば、転がり軸受10が回転可能に軸支するシャフトSが出力軸である又はシャフトSと連結されている出力軸を有する電動機にかかるラジアル荷重Rを検出する。
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system 1 of the embodiment. The load calculation system 1 includes a rolling
転がり軸受10は、シャフトSを回転可能に軸支する。コイル20は、転がり軸受10に取り付けられる。コイル20は、転がり軸受10に設けられる。転がり軸受10とコイル20は、センサ付き転がり軸受5を構成する。コイル25は、転がり軸受10が取り付けられるハウジングHに設けられる。コイル25は、転がり軸受10に加わるラジアル荷重Rの変化に応じてインピーダンス及びインダクタンスが変化する。
The rolling bearing 10 rotatably supports the shaft S. The
図2は、転がり軸受10及びハウジングHならびにこれらに設けられたコイル20,25の構成を示す断面図である。なお、図2は、転がり軸受10の回転軸中心線Axを通る直線で転がり軸受10、ハウジングH、コイル20,25を切った場合の断面図である。すなわち、図2に示すコイル20とコイル25は、回転軸中心線Axを通る径方向の直線上に配置される。転がり軸受10は、外輪11と、内輪12と、転動体13と、保持器14とを有する。外輪11と内輪12は、転動体13を挟んで相対的に回転可能に設けられる。転動体13は、複数設けられ、外輪11と内輪12の間で回転軸中心線Axを中心とする円周方向に沿って並ぶ。転動体13を挟んで、外輪11が外周側に配置され、内輪12が内周側に配置される。保持器14は、円周方向に並ぶ複数の転動体13同士の間隔を保持する。実施形態では、転動体13の形状が球である玉軸受が採用されているが、これは転がり軸受10の形態の一例であってこれに限られるものでない。転がり軸受10は、転動体13の形状が円柱状のころ軸受又は針状軸受であってもよい。また、転がり軸受10は、円すいころ軸受又は球面ころ軸受であってもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configurations of the rolling
実施形態では、外輪11がハウジングHに固定され、内輪12及びシャフトSが回転可能に軸支される構成である。すなわち、外輪11は、転がり軸受10の固定輪である。ハウジングHは、例えば転がり軸受10が設けられる機械その他の設備の筐体であるが、転がり軸受10を取り付け可能な構成であればよい。
In the embodiment, the
図3は、コイル20,25の具体的構成例を示す斜視図である。コイル20,25は、芯材21と、導線22と、コイルケース23とを備える。芯材21は、軟磁性を示す磁性材料である。例えば、ソフトフェライト、圧粉磁心等を芯材21に用いることができる。導線22は、絶縁被膜された導線である。具体的には、導線22は、例えば、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系等、樹脂で被膜処理された所謂マグネットワイヤである。導線22において絶縁被膜された導線は、例えば銅線であるが、導電性を有する他の素材によって構成された導線であってもよい。コイルケース23は、芯材21の外周を覆い、導線22が巻回される筒状の絶縁体である。コイルケース23は、例えば樹脂製であるが、他の絶縁性材料が採用されてもよい。図3に示すコイルケース23は、芯材21の一端側が貫通して露出する鍔23aと、芯材21の他端側を覆う鍔23bとを含む。導線22は、鍔23aと鍔23bの間でコイルケース23に巻回される。
FIG. 3 is a perspective view showing a specific configuration example of the
コイル20は、外輪11の一側面11aに固定される(図2参照)。具体的には、接着剤24又はコイル20の芯材21が嵌め込まれる固定部材を用いて、外輪11の一側面11aと芯材21とが当接するよう芯材21及び外輪11の側面と対向する鍔23aを外輪11に固定する。一側面11aは、回転軸中心線Axと直交する外輪11の側面である。
The
コイル25は、ハウジングHの一側面Haに芯材21の端部が密着するよう固定される。具体的には、接着剤26又はコイル25の芯材21が嵌め込まれる固定部材を用いて、ハウジングHの一側面Haと芯材21とが当接するよう芯材21及び一側面Haと対向する鍔23aを外輪11に固定する。一側面Haは、一側面11aと同一平面である。なお、一側面Haと一側面11aとの関係は同一平面であることに限定されず、一側面Haと一側面11aとの段差が5mm程度の段差であれば許容できる。好ましくは、当該段差は、数ミクロン程度の段差であるとよい。すなわち、一側面Haは、一側面11aに平行であって一側面11aとの間に段差を形成するよう設けられていてもよい。
The
コイル20は、芯材21が一側面11aに対して垂直になるよう取り付けられることが望ましい。コイル25は、芯材21が一側面Haに対して垂直になるよう取り付けられることが望ましい。なお、芯材21と固定される面とは密着されていなくてもよく、間隔又は他の構造物の介在があってもよい。ラジアル荷重Rによる転がり軸受10とハウジングHとの関係の変化がコイル20とコイル25との位置関係の変化に反映されるよう、コイル20が転がり軸受10に固定され、コイル25がハウジングHに固定されていればよい。コイル20,25を固定する他の方法として、例えば、固定される面に鍔23b側からコイル20,25を押し付けるばね等の付勢部材を外部に設けてもよい。また、図2及び図3に示す例では、芯材21の一端がコイルケース23から延出し、他端がコイルケース23内に収納されているが、これに限定されるものでない。芯材21は、導線22が巻回されている範囲に延在していればよく、両端がコイルケース23から延出していてもよいし、コイルケース23の端部と同一の位置又は内側に位置していてもよい。
It is desirable that the
図1に示す励磁回路30は、コイル20に交流電圧を印加する。励磁回路30は、図示しない電源装置と接続され、当該電源装置から電力の供給を受けてコイル20の導線22に交流電流を印加する。コイル20の導線22と、励磁回路30とは、導線M1を介して電気的に接続され、電気回路を構成している。
The
電流測定回路40は、コイル20の励磁に応じてコイル25に生じる電流を検出する。実施形態の電流測定回路40は、交流電流計として機能する回路である。電圧測定回路50は、コイル20の励磁に応じてコイル25に生じる電圧を検出する。実施形態の電圧測定回路50は、交流電圧計として機能する回路である。コイル25の導線22と、電流測定回路40と、電圧測定回路50とは、導線M2を介して電気的に接続され、電気回路を構成している。
The current measuring circuit 40 detects the current generated in the
演算装置60は、電流測定回路40が検出した電流と電圧測定回路50が検出した電圧とに基づいてラジアル荷重Rを算出する。演算装置60は、式(1)を用いてコイル20のインピーダンスZを算出する。なお、電圧値Vは芯材21に巻回された導線22の両端間の電圧である。実施形態の電圧測定回路50は、芯材21に巻回された導線22の両端間の電圧値Vを検出する。
演算装置60は、電流値Iと電圧値Vの位相差θとインピーダンスZとに基づいて、式(2)を用いてインダクタンスLを算出する。式(2)のfは、交流電流の周波数(所定の周波数)を示す。例えば、f=128[khz]であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。位相差θの単位は、[度(°)]である。位相差θは、周波数(f)に応じて同一時間内に生じる電流値Iの変化と電圧値Vの変化に基づいて求められる。例えば、電流値Iの位相は、同時刻の電圧値Vの位相に対して90度遅れる。式(1)及び式(2)で用いられる電流値Iと電圧値Vは、同時刻に検出された値である。
図4は、図1に示す構成において、演算装置60によって算出されたコイル25のインダクタンスLの値と付加荷重(ラジアル荷重)との関係の一例を示すグラフである。シャフトSの回転数は200rpmである。図4では、ラジアル荷重(単位:キロニュートン[kN])の漸増に応じて変化するコイル25のインダクタンスL(単位:マイクロヘンリー[μH])を例示している。転がり軸受10の回転に伴い、転動体13の通過時と非通過時の違いから、インピーダンスZ、インダクタンスLは変動する。また、ラジアル荷重Rに応じて、その変動量(振れ幅)は変わる。具体的には、図4に例示するように、ラジアル荷重Rが大きくなるほどインダクタンスLの振れ幅が大きくなる。演算装置60は、交流電流の周波数(f)に基づいて設定された分解能、すなわち、所定時間(例えば、1秒)あたりのインダクタンスLの算出回数内で得られたインダクタンスLの最大値L1とインダクタンスLの最小値L2とを取得する。演算装置60は、最大値L1と最小値L2との差Qを求める。演算装置60は、事前の測定によって導出された差Qとラジアル荷重Rとの対応関係を示すデータに基づいて、差Qからラジアル荷重Rを導出する。当該データは、演算装置60に予め記憶されていてもよいし、演算装置60が参照可能な図示しない記憶装置、記憶回路又は記憶媒体に記憶されていてもよい。
FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the value of the inductance L of the
以上、演算装置60によるラジアル荷重Rの導出について説明したが、演算装置60は、上述の処理を行うための専用の回路であってもよいし、上述の処理内容を含むソフトウェア・プログラムを実行するコンピュータであってもよい。
Although the derivation of the radial load R by the
コイル20とコイル25は逆の配置でもよい。すなわち、ハウジングHに設けられたコイルが励磁され、この励磁に応じて外輪11に設けられたコイルに生じた起電力から求められたインダクタンスに基づいてラジアル荷重Rを求めるようにしてもよい。このように、センサ付き軸受5は、転がり軸受10と、転がり軸受10の外輪11に設けられるコイル20とを備え、コイル20又は外輪11が取り付けられるハウジングHに設けられたコイル25の一方が励磁されて他方が一方の励磁に応じて電流及び電圧を生じ、当該電流及び当該電圧からインダクタンスLを取得し、インダクタンスLに基づきラジアル荷重Rを導出する。
The
なお、電流測定回路40によって検出された電流及び電圧測定回路50によって検出された電圧から演算装置60が電流値I及び電圧値Vを得るための仕組みについては、任意である。例えば、電流測定回路40によって測定された電流及び電圧測定回路50によって測定された電圧は、図示しないA/D変換器又は同様の機能を有する回路を用いてデジタル情報に変換されて演算装置60に入力されるか、係るA/D変換機能を演算装置60が含む。また、電流測定回路40、電圧測定回路50がそれぞれA/D変換機能を有し、デジタル化された電流値I、電圧値Vを演算装置60に出力する構成であってもよい。
The mechanism for the
なお、ハウジングHには、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミ材等の合金もしくは金属又は樹脂が用いられる。ハウジングHを構成する材料は、転がり軸受10が設けられる設備の用途に応じて適宜選択可能である。転がり軸受10の内輪12の内側を挿通するよう設けられるシャフトSを構成する材料についても、ハウジングHと同様、用途に応じて適宜選択可能である。
For the housing H, for example, an alloy such as carbon steel, stainless steel, or aluminum, or a metal or resin is used. The material constituting the housing H can be appropriately selected according to the application of the equipment in which the rolling
また、転動体13には、ステンレス鋼、クロム鋼等の合金(もしくは金属)又はセラミックス等が用いられるが、これらの材料は転がり軸受10が設けられる設備の用途に応じて適宜選択可能である。また、保持器14には、合金もしくは金属又は樹脂等が用いられるが、これらの材料は転がり軸受10が設けられる設備の用途に応じて適宜選択可能である。また、転がり軸受10には、転動体13の潤滑油の漏出抑制及び外輪11、内輪12と転動体13との摺動部に対する異物の侵入抑制を目的とした図示しないシール部材が設けられてもよい。シール部材に用いられる材料は、合金もしくは金属又は樹脂(ゴム)等、転がり軸受10が設けられる設備の用途に応じて適宜選択可能である。
Further, an alloy (or metal) such as stainless steel or chrome steel or ceramics is used for the rolling
実施形態によれば、転がり軸受10に加わるラジアル荷重Rに応じたコイル25のインダクタンスLを電流値Iと電圧値Vとに基づいて算出してインダクタンスLに応じたラジアル荷重Rを導出することができる。すなわち、インダクタンスLを電流値Iと電圧値Vから求めることができるため、より高精度にインダクタンスL及びインダクタンスLに応じたラジアル荷重Rを求めることができる。また、外輪11の径方向の外周側に圧力検出用のセンサ及びリファレンス用のセンサを設けるためのスペースを必要とせず、外輪11の一側面11aにコイル20又はコイル25の一方を設けることと、ハウジングHの一側面Haにコイル20又はコイル25の他方を設けることが可能であればラジアル荷重Rを求めることができる。また、リファレンス用のセンサ、ロードセル、ひずみゲージアンプ等を用いた高価なシステムを必要とせず、より簡易な構成でラジアル荷重Rを求めることができる。また、センサ出力として機能するコイル25のインダクタンスLが、ラジアル荷重Rの変化に伴うコイル20との関係の変化に対応するので、センサ出力に対する転がり軸受10の電気的特性による影響を抑制することができる。
According to the embodiment, the inductance L of the
また、コイル20又はコイル25の一方は、回転軸中心線Axと直交する一側面11aに固定され、他方は、一側面11aと同一平面である一側面Haに固定される。従って、コイル20とコイル25とを回転軸中心線Axと直交する同一平面に並べて配置することができる。
Further, one of the
また、コイル20とコイル25は、回転軸中心線Axを通る径方向の直線上に配置される。従って、ラジアル荷重Rの変化と、コイル20とコイル25の関係の変化とをよりリニアに対応させることができる。
Further, the
また、コイル20とコイル25が平行である。従って、コイル20とコイル25の延出方向を揃えることができる。
Further, the
以上、コイル20とコイル25がそれぞれ1つずつの場合について例示したが、1つの転がり軸受10とハウジングHに複数のコイル20とコイル25が設けられてもよい。この場合、回転軸中心線を通る径方向の直線上に位置するコイル20とコイル25の組を複数設ける。コイル20,25は、組毎に異なる角度の直線上、すなわち、異なる方向のラジアル荷重Rに対応する直線上に位置する。そして、各組で荷重算出システム1を構成することで、回転軸中心線Axに対して複数方向のラジアル荷重Rを個別に求めることができる。
Although the case where each of the
複数のコイル20,25を備える構成では、組み合わせによって、転がり軸受10に加わるラジアル荷重R以外の荷重も測定可能になる。具体的には、外輪11に対してそれぞれ異なる位置に配置された複数のコイル25のインダクタンスLと、そのような複数のコイル25のインダクタンスLが得られるタイミングに転がり軸受10に加わっているラジアル荷重R、アキシアル荷重、モーメント荷重の有無及び大きさとの相関を予め測定する。測定結果を示すデータを演算装置60から参照可能に記憶、保持することで、演算装置60が算出した複数のコイル25のインダクタンスLと当該データとの照合によって、転がり軸受10に加わっているラジアル荷重R、アキシアル荷重及びモーメント荷重を導出することができる。
In the configuration including the plurality of
1 荷重算出システム
10 転がり軸受
11 外輪
12 内輪
13 転動体
14 保持器
20,25 コイル
21 芯材
22 導線
23 コイルケース
30 励磁回路
40 電流測定回路
50 電圧測定回路
60 演算装置
1
Claims (4)
前記第1コイルを励磁する励磁回路と、
前記外輪又は前記ハウジングの他方に設けられる第2コイルと、
前記第1コイルの励磁に応じて前記第2コイルに生じる電流を検出する電流検出回路と、
前記第1コイルの励磁に応じて第2コイルに生じる電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流と前記電圧とに基づいて前記転がり軸受に加わるラジアル荷重を算出する演算装置とを備える
荷重算出システム。 A first coil provided on one of the outer ring of the rolling bearing or the housing in contact with the outer peripheral portion of the outer ring, and
An excitation circuit that excites the first coil and
A second coil provided on the outer ring or the other of the housing,
A current detection circuit that detects the current generated in the second coil in response to the excitation of the first coil, and
A voltage detection circuit that detects the voltage generated in the second coil in response to the excitation of the first coil, and
A load calculation system including an arithmetic unit that calculates a radial load applied to the rolling bearing based on the current and the voltage.
前記第1コイル又は前記第2コイルの他方は、前記一側面と同一平面であるか又は前記一側面に平行であって前記一側面との間に段差を形成するよう設けられた前記ハウジングの側面に固定される
請求項1に記載の荷重算出システム。 One of the first coil and the second coil is fixed to one side surface of the outer ring orthogonal to the rotation axis direction of the rolling bearing.
The side surface of the housing provided so that the first coil or the other side of the second coil is coplanar with the one side surface or parallel to the one side surface and forms a step between the first coil and the other side surface. The load calculation system according to claim 1, which is fixed to.
請求項2に記載の荷重算出システム。 The load calculation system according to claim 2, wherein the first coil and the second coil are arranged on a linear line in the radial direction passing through the rotation axis.
請求項1から3のいずれか一項に記載の荷重算出システム。 The load calculation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first coil and the second coil are parallel to each other.
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