WO2011141038A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung von strömen in einem lager - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung von strömen in einem lager Download PDF

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WO2011141038A1
WO2011141038A1 PCT/EP2010/002905 EP2010002905W WO2011141038A1 WO 2011141038 A1 WO2011141038 A1 WO 2011141038A1 EP 2010002905 W EP2010002905 W EP 2010002905W WO 2011141038 A1 WO2011141038 A1 WO 2011141038A1
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capacitor
motor
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coupling
bearing
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PCT/EP2010/002905
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Jörg HASSEL
Gerd Michaelis
Carsten Probol
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • H02K5/161—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • bearing currents In machines, electric currents (bearing currents, English: Bearing Currents) can occur in bearings, which significantly reduce the life of these bearings. Bearing currents are electrical currents that take place in rolling or plain bearings of electrical machines.
  • bearing currents have been a well-known phenomenon for decades. They are not directly measurable in the field and lead to considerable effort for users or to high warranty costs for manufacturers. There is therefore great interest in a measuring method or on sensors that can measure bearing currents and evaluate them meaningfully.
  • Bearing currents have hitherto been quantitatively recorded using the complex method of conventional bearing current measurement, which requires a multiple conversion of the motor (reversing), or by means of direct voltage measurement by means of a contact brush.
  • the covered frequency range is typically in the one- or two-digit MHz range. A higher frequency range is not possible due to the boundary conditions of the assembly. Furthermore, a continuous monitoring is possible only to a limited extent. Measurement via the radiated electromagnetic field is very susceptible to misinterpretations due to coupled-in disturbances and hardly allows any quantification of the bearing currents. Despite the high suffering, no suitable solution was found for years. Stock flows can be quantified according to the prior art only by experts.
  • the measurement via the bearing voltage usually requires a coupling by means of a contact brush.
  • These contact brushes are not maintenance-free and / or expensive and therefore not suitable for continuous monitoring.
  • the installation of a contact brush is often only accepted by the customer for a short time.
  • Measurements in the GHz range are difficult to realize because line lengths of individual wires must be very short.
  • the measurement of the electromagnetic fields is generally sensitive to interference from the environment, eg. B. by the switching of converters. As a result, measurements by machine builders are not recognized. Furthermore, amplitude statements are hardly possible because the attenuation is not defined by the propagation.
  • the object of the invention is to provide a solution to the above problems. It is a measurement method and apparatus are specified, which allows a better assessment of the bearing currents. Furthermore, a method and a device are to be specified, which realizes a non-contact measurement of bearing currents. It is also the object of the invention to specify a measuring sensor and a method which is suitable for a long-term measurement of bearing currents.
  • the device for detecting a bearing current in an engine mount or a bearing in a motor-driven machine which leads a motor shaft or drive shaft, wherein the shaft is connected to a motor having a rotor and a housing at least partially surrounding the rotor and the motor shaft is connected to a coupling or a suitable for the measurement cultivation.
  • the measurement is carried out in a gap, in which at least one plate is introduced, which has a middle insulating layer and on the gap inner surfaces facing sides of the plate each good electrically conductive layers.
  • the measurement is carried out by at least one plate, which is introduced between the housing and coupling, and from a middle insulating layer and on the housing and the coupling ment facing sides of the plate each good electrically conductive layers consists.
  • the object is further achieved according to claim 11 by a method.
  • the motor shaft is connected to a coupling or a suitable for the measurement attachment, a present at shaft or bearing housing gap at least one plate is introduced, which has a middle insulating layer and on the gap inner surfaces facing sides of the plate each good electrically conductive layers.
  • the measurement is carried out on at least one plate, which is introduced between the housing and coupling, and a middle insulating layer and on the housing and the coupling side facing the plate each having well electrically conductive layers.
  • a contactless voltage measurement takes place via a series connection of capacitors.
  • the bearing voltage can be detected particularly well in the high frequency range in this way.
  • the bearing voltage can be detected with spectral components up to the GHz range outside the motor between the coupling and the motor housing by a non-contact voltage measurement. Furthermore, a very good signal-to-noise ratio between the bearing current signal and interference signals from the outside is due to the usually small or possibly by simple measures arbitrarily reducible distance between the engine clutch and the motor housing. The Measurement is therefore particularly resistant to interference and therefore suitable for practice.
  • the frequency range covered in conventional measurements has traditionally been in the one or two-digit MHz range; a higher frequency range was not possible due to the boundary conditions of the assembly.
  • the measurements are limited meaningful, due to the low frequency range or the sensitivity of the measurement of the radiated electromagnetic field against interferers from the outside.
  • the high frequency range is particularly important to assess the harmfulness of the bearing currents.
  • the new sensor is particularly suitable for this purpose.
  • Show 1 shows a cross section through a motor with coupling and the bearing voltage measurement according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible construction of the bearing current sensor according to the invention
  • Figure 3 shows a cross section through an engine mount with sensor
  • Figure 1 shows a cross section through a conventional structure with a motor mounted on a foundation.
  • the engine is connected via a motor shaft and a clutch to a transmission which drives a working machine (for example a roller) via a further shaft.
  • the bearing voltage is between the motor shaft and the motor housing. Due to the usually large diameter of the motor shaft, the associated low inductance for a high-frequency current and the small distance between the motor coupling and the motor housing, the voltages between the motor and the clutch and between the motor and the housing are approximately the same. This results from the fact that the motor-side part of the clutch is usually conductively connected to the motor shaft.
  • FIG. 1 shows this circuit board of Figure 1 therefore again in detail, left in the plan view and right in cross section.
  • the circuit board can be realized with a certain characteristic impedance which allows accurate measurements by avoiding reflections, especially in the microwave frequency range.
  • a permanent magnet generates, via the dynamoelectric principle, an induced voltage in a coil which is used for the power supply.
  • the measuring signal which is typically in the range of a few volts, be rectified.
  • the voltage charges a capacitor. Possibly. can be transformed by an electrical or electronic circuit, the voltage high.
  • the capacitor such as an electrolytic or foil capacitor
  • the bearing current sensor makes measurements and discharges the capacitor. Then the cycle starts again.
  • a (usually longer) charging time alternates with a (usually shorter) measuring time.
  • the electronics of the bearing current sensor is designed to save energy. Then the voltage at the measuring capacitor in the lower frequency range, z. B. by series connection of a low-pass filter (for example, with 1 MHz cutoff frequency), without undue adulteration of the measurement signal taken. This is possible because the measurement signal of the bearing current sensor, in particular in the higher frequency range is significant for assessing the storage-damaging effect.
  • FIG. 3 shows a cross section through an engine mount with a bearing current sensor according to the invention.
  • the voltage across the engine mount is also approximately between the engine side of the clutch and the engine housing.
  • the coupling forms a plate capacitor together with the motor housing.
  • C L i is the air capacitor between the coupling and the coupling-side metallization of the circuit board.
  • C s is the inserted capacitor with a Di-elektrikum, z. B. FR4 printed circuit board material.
  • CLZ is the air condenser between the engine-side metallization and the engine housing. This results in a proportional relationship between bearing voltage and voltage at the measuring capacitor:
  • Sensor can be mounted under an optional safety hood between the engine and clutch. Also eliminates the use of a hand probe, the spreading over a rotating shaft.
  • the measuring signal is relatively insensitive to tolerances in the installed position. If the board is mounted off-center, z. CLI as CL2 shrinks. This causes compensation to some extent.
  • the senor is unilaterally on either the clutch or the engine. Then omitted C L i or C L2 .
  • the basic behavior remains the same, except that the measurement is then no longer potential-free, which may have a negative effect on immunity to interference.
  • the coupling is not suitable for the measurement. This is the case, for example, if the clutch is too small or too far away.
  • a metal disc can be mounted on the axle, which takes over the function of the plate capacitor, or vice versa, the potential of the motor housing are guided by an attachment closer to the clutch disc (which has the advantage that this is possible even with a rotating shaft) ,
  • a part of the circuit board is designed as a handle.
  • the senor measures the distance between the coupling and the sensor and between the motor and the sensor, for example via an optical or acoustic method. Based on the distances, the capacitances involved and thus the conversion factor between bearing voltage and voltage at the measuring capacitor can be calculated automatically.
  • the sensor directly measures the effect of air capacity over a defined test signal. For example, a resonant circuit containing the capacitance of the measuring capacitor and an inductance oscillates at a certain frequency.
  • the external capacitance (the air gap capacitors) detunes the resonant circuit and oscillates at a different frequency. This frequency is after
  • the prior art can be measured very accurately and inexpensively.
  • the known capacitance of the measuring capacitor can be ge ⁇ closed on the external capacitance and thus carried out the calibration of the conversion factor between the voltage at the measuring capacitor and the La ⁇ gerhard. Again, the values are determined either once with permanent storage or before defined measurements.
  • the sensor itself can z. B.
  • the sensor data can be transmitted by radio, wired, by portable memory card or by reading a display for digital data processing. There, the measurement data z. B. evaluated automatically and displayed in a histogram. The plant operation can be evaluated after a maintenance, z. This applies, for example, to correct engine grounding when the system is rebuilt. This prevents great economic damage to the operator of the plant.
  • FIGS. 4a to 4e show various constellations in which the method according to the invention or the device for detecting bearing currents according to the invention can be used.
  • the drive motor is on the left side, from this engine goes out a shaft.
  • the affected bearing is located in the engine.
  • the bearing is located in the driven machine on the right.
  • FIG. 4a shows a simple construction, in which the measuring gap lies between the motor and a coupling, as already shown in FIG.
  • the measuring gap is generated by a Anbauschei ⁇ be on the shaft, instead of a clutch.
  • a measurement of the bearing current can be carried out instead of the engine at the other end of the shaft, the work machine.
  • the gap between the clutch and the working machine is used in Figure 4d analogous to Figure 4a.
  • a suitable measuring gap is offered in FIG. 4e by means of a mounting plate on the shaft.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Vorrichtung, welche eine bessere Bewertung der Lagerströme zulassen. Weiterhin werden ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, welches eine berührungslose Messung von Lagerströmen realisiert. Es erfolgt eine berührungslose Spannungsmessung über eine Serienschaltung aus Kondensatoren. Die Lagerspannung lässt sich auch im hohen Frequenzbereich auf diesem Weg besonders gut erfassen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Strömen in einem Lager
Fachgebiet der Erfindung
In Maschinen können elektrische Ströme (Lagerströme, engl.: Bearing Currents) in Lagern auftreten, die die Lebensdauer dieser Lager erheblich reduzieren. Lagerströme sind elektrische Ströme die in Wälz- oder Gleitlagern elektrischer Maschinen stattfinden.
Sie werden durch elektrische Spannungen (Lagerspannungen) hervorgerufen, die aufgrund elektrischer oder magnetischer Streufelder innerhalb der Maschine oder durch Fremdströme, die von außen kommend über die Maschine fließen, entstehen. Sobald die Lagerspannung über der Durchbruchspannung des Schmierfilms liegt, findet der Stromfluss statt.
Die negative Wirkungen von Lagerströmen sind beispielsweise
- Fettverbrennung (Reduzierung der Restschmierfähigkeit)
- Kraterbildung in der Laufbahn und den Wälzkörpern
- und im Extremfall als daraus resultierender Folgeschaden: Riffelbildung in den Laufbahnen.
Diese Lagerströme sind seit Jahrzehnten ein bekanntes Phänomen. Sie sind im Feld nicht direkt messbar und führen zu erheblichem Aufwand bei Anwendern bzw. zu hohen Gewährleis- tungskosten bei Herstellern. Es besteht daher ein großes Interesse an einem Messverfahren bzw. an Sensoren, die Lagerströme messen und aussagekräftig bewerten können.
Lagerströme an elektrischen Maschinen, insbesondere bei Be- trieb mit Leistungselektronik, können die Lebensdauer der Motorlager auf einen Bruchteil reduzieren. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden durch elektrische Lagerströme geschädigte Lager erst bei Auffälligkeit, z. B. durch Geräusch- entwicklung oder verbranntes Lagerfett, bemerkt und ausgetauscht. Dies führt oft zu Anlagenstillständen, die enorme Kosten verursachen. Ein großes Problem beim Betrieb des Lagers ist es daher, den voraussichtlichen Zeitpunkt des Ausfalls und damit den optimalen Zeitpunkt des Lager-Austausches zu erkennen. Wird zu früh reagiert, bedeutet dies unnötig hohe Wartungskosten, bei zu spätem Reagieren hat der Benutzer Anlagenstillstandskos- ten.
Stand der Technik Lagerströme werden bisher mit den aufwendigen Verfahren der klassischen Lagerstrommessung, die einen mehrfachen Umbau des Motors (Hin- und Rückbau) erforderlich macht, oder mittels der direkten Spannungsmessung per Kontaktbürste quantitativ erfasst. Der abgedeckte Frequenzbereich liegt dabei typisch im ein- oder zweistelligen MHz-Bereich. Ein höherer Frequenzbereich ist aufgrund der Randbedingungen der Montage nicht möglich. Weiterhin ist eine Dauerüberwachung nur eingeschränkt möglich. Die Messung über das abgestrahlte elektromagnetische Feld ist sehr anfällig auf Fehlinterpretationen durch eingekoppelte Störungen und lässt kaum eine Quantifizierung der Lagerströme zu. Trotz des hohen Leidensdrucks wurde über Jahre keine geeignete Lösung gefunden. Lagerströme sind damit nach dem Stand der Technik nur von Experten zu quantifizieren. Dabei sind jedoch die Aussagen bisher nur eingeschränkt aussagefähig, aufgrund des niedrigen Frequenzbereiches, siehe dazu beispielsweise eine von der Anmelderin unter dem Anmeldeaktenzeichen PCT/EP2010/001150 eingereichte Patentanmeldung mit dem Titel „Verfahren zur Detektion von Plasma-Lagerströmen" bzw. der Empfindlichkeit der Messung des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes gegen Störer von außen. Es existiert bereits Sensorik zur Messung von elektrischen Lagerströmen in elektrischen Maschinen (Motoren und Generatoren) . Bei der klassischen Messtechnik wird das Lager gegen das Motorgehäuse isoliert. Diese Isolierung wird mit einer Leitung überbrückt. Über dieser Leitung kann der Lagerstrom beispielsweise mit einer Stromzange gemessen werden. Eine weitere Möglichkeit ist in der Druckschrift
DE 10 2005 027 670 beschrieben, die indirekte Messung über die Lagerspannung und die Berechnung der Lagerströme aus den schnellen Spannungszusammenbrüchen während Funkenentladungen. Auch die Messung der elektromagnetischen Felder in der Nähe des Motors ist beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2007106015 bekannt.
Eine Abhilfe gegen Lagerströme und dadurch verursachten Lagerschädigungen ist oft mit erheblichen Kosten verbunden und lassen sich auch nur schwer in der Hinsicht bewerten, ob sie ausreichen werden. Kostenintensive Maßnahmen haben in der Vergangenheit z. T. trotzdem nicht zum gewünschten Ziel geführt . Die klassische Lagerstrom-Messtechnik ist kosten- und zeit- aufwändig. Die Motoren müssen umgebaut werden, um die Messung zu ermöglichen.
Die Messung über die Lagerspannung erfordert in der Regel ei- ne Ankopplung per Kontaktbürste. Diese Kontaktbürsten sind nicht wartungsfrei und/oder teuer und daher für eine Dauerüberwachung nicht geeignet. Die Installation einer Kontaktbürste wird außerdem in der Praxis oft nur für kurze Zeit vom Kunden akzeptiert.
Messungen im GHz-Bereich sind schwierig zu realisieren, da Leitungslängen von Einzeldrähten sehr kurz sein müssen. Die Messung der elektromagnetischen Felder ist generell empfindlich gegen Störimpulse aus der Umgebung, z. B. durch das Schalten von Umrichtern. In der Folge werden Messungen von Maschinenbauern nicht anerkannt. Weiterhin sind Amplitudenaussagen kaum möglich, da die Dämpfung durch die Ausbreitung nicht definiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben genannten Probleme anzugeben. Es soll ein Messverfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, welches eine bessere Bewertung der Lagerströme zulässt. Weiterhin soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, welches eine berührungslose Messung von Lagerströmen realisiert. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, einen Mess-Sensor und ein Verfahren anzugeben, welches für eine Langzeitmessung von Lagerströmen geeignet ist.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Vorrichtung zur Erkennung eines Lagerstroms in einem Motorlager oder einem Lager in einer durch einen Motor angetriebenen Maschine, welches eine Motorwelle oder Antriebswelle führt, wobei die Welle mit einem Motor verbunden ist, der einen Rotor und ein den Rotor zumindest teilweise umgebendes Gehäuse beinhaltet und die Motorwelle mit einer Kupplung oder einem für die Messung geeigneten Anbau verbunden ist.
Die Messung erfolgt in einem Spalt, in den zumindest eine Platte eingebracht wird, welche eine mittlere Isolierschicht und auf den den Spaltinnenflächen zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten aufweist. Die Messung erfolgt dabei durch zumindest eine Platte, die zwischen Gehäuse und Kupplung eingebracht wird, und aus einer mittlere Isolierschicht und auf den dem Gehäuse und der Kupp- lung zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten besteht.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 11 durch ein Verfahren.
Das Verfahren misst erfindungsgemäß Lagerströme in einem Motorlager, welches eine Motorwelle oder Antriebswelle führt, wobei die Welle elektrisch leitend mit einem Motor verbunden ist, der einen Rotor und ein den Rotor zumindest teilweise umgebendes Gehäuse beinhaltet. Die Motorwelle ist mit einer Kupplung oder einem für die Messung geeigneten Anbau verbunden, einen an Welle oder Lagergehäuse vorhandenen Spalt zumindest eine Platte eingebracht wird, welche eine mittlere Isolierschicht und auf den den Spaltinnenflächen zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten aufweist .
Die Messung wird dabei an zumindest einer Platte durchgeführt, welche zwischen Gehäuse und Kupplung eingebracht wird, und eine mittlere Isolierschicht sowie auf den dem Gehäuse und der Kupplung zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten aufweist.
Es erfolgt erfindungsgemäß eine berührungslose Spannungsmessung über eine Serienschaltung aus Kondensatoren. Die Lagerspannung lässt sich auch im hohen Frequenzbereich auf diesem Weg besonders gut erfassen.
Die Lagerspannung lässt sich mit Spektralkomponenten bis in den GHz-Bereich außerhalb des Motors zwischen der Kupplung und dem Motorgehäuse durch eine berührungslose Spannungsmessung erfassen. Weiterhin ist aufgrund des üblicherweise kleinen oder gegebenenfalls durch einfache Maßnahmen beliebig verkleinerbaren Abstandes zwischen Motorkupplung und Motorgehäuse ein sehr gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zwischen Lagerstrom-Signal und Störsignalen von außen vorhanden. Die Messung ist also besonders störfest und damit für die Praxis geeignet .
Der bei herkömmlichen Messungen abgedeckte Frequenzbereich geht bislang typischerweise in den ein- oder zweistelligen MHz-Bereich; ein höherer Frequenzbereich war aufgrund der Randbedingungen der Montage nicht möglich.
Bisher sind die Messungen nur eingeschränkt aussagefähig, aufgrund des niedrigen Frequenzbereiches bzw. der Empfindlichkeit der Messung des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes gegen Störer von außen. Der hohe Frequenzbereich ist jedoch besonders wichtig, um die Schädlichkeit der Lagerströme zu bewerten. Hierfür ist der neue Messaufnehmer besonders geeignet.
Zusammenfassung der Vorteile:
- Einfache und schnelle Montage
- Auch geeignet für kurzzeitige Messungen durch Service- Personal (tragbare Service-Sonde)
- Verschleißfrei
- geeignet zur Detektion bis in den GHz-Bereich
- Relativ hohe Störfestigkeit gegen eingestrahlte Felder. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die neue berührungslose Spannungsmessung ist eine einfache und schnelle Montage sowie eine verschleißfreie, auf- wandsarme Dauer-Messung möglich. Eine gute Anwendbarkeit des Messprinzips ist auch im hohen Frequenzbereich, insbesondere oberhalb von 1 GHz gegeben.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch einen Motor mit Kupplung und der erfindungsgemäßen Lagerspannungsmessung,
Figur 2 einen möglichen Aufbau des erfindungsgemäßen Lagerstrom-Sensors ,
Figur 3 einen Querschnitt durch ein Motorlager mit Sensor, Figuren 4a bis 4e mögliche Ausführungsformen der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen üblichen Aufbau mit einem Motor der auf einem Fundament montiert ist. Der Mo- tor ist über eine Motorwelle und eine Kupplung mit einem Getriebe verbunden, welches über eine weitere Welle eine Arbeitsmaschine (beispielsweise eine Walze) antreibt. Die Lagerspannung liegt zwischen Motorwelle und Motorgehäuse an. Aufgrund des üblicherweise großen Durchmessers der Motorwel- le, der damit verbundenen niedrigen Induktivität für einen hochfrequenten Strom sowie des kleinen Abstandes zwischen Motor-Kupplung und Motor-Gehäuse sind die Spannungen zwischen Motor und Kupplung sowie zwischen Motor und Gehäuse näherungsweise gleich. Dies ergibt sich daraus, dass der motor- seitige Teil der Kupplung in der Regel leitfähig mit der Motorwelle verbunden ist.
Diese Anordnung ist ähnlich einem Platten-Kondensator. Hiermit lässt sich in Verbindung mit einer zweiseitig elektrisch gut leitfähigen Isolierplatte, z. B. einer metallisierten Leiterplatte (oder einer ähnlichen Struktur, die in Ihrer Wirkung einem Plattenkondensator äquivalent ist) eine Serien¬ schaltung aus Kondensatoren aufbauen. Die Leiterplatte lässt sich vorteilhafterweise gleich für die Realisierung einer Lagerstrom-Messschaltung verwenden. Figur 2 zeigt diese Leiterplatte aus Figur 1 daher noch mal im Detail, links in der Draufsicht und rechts im Querschnitt.
Durch die spezielle Struktur kann dies für Messungen bis in den GHz-Bereich verwendet werden, da keine einzelnen Leiter aufgrund der verschiedenen Wellenwiderstände für ein Undefiniertes Hochfrequenzverhalten sorgen. Stattdessen kann die Leiterplatte mit einem bestimmten Wellenwiderstand realisiert werden, der durch die Vermeidung von Reflexionen insbesondere im Mikrowellen-Frequenzbereich genaue Messungen erlaubt.
Weiterhin lässt sich vorteilhaft die Energieversorgung realisieren. Hierzu ergeben sich beispielsweise folgende Varianten :
- Leitungsgebundene Versorgung
- Versorgung mittels Batterie oder Akku
- Versorgung über eine induzierte Spannung. Dabei wird die Rotation der Kupplung relativ zum Motor verwendet. Ein Perma- nent-Magnet erzeugt über das dynamoelektrische Prinzip eine induzierte Spannung in einer Spule, die zur Stromversorgung verwendet wird.
- Versorgung aus dem Messsignal („Energy Harvesting": Hierfür kann das Messsignal, das typischerweise im Bereich einiger Volt liegt, gleichgerichtet werden.)
Bei einer technisch einfach zu realisierenden Variante lädt die Spannung einen Kondensator. Ggf. kann durch eine elektrische oder elektronische Schaltung die Spannung hoch transformiert werden. Sobald der Kondensator (beispielsweise ein Elektrolyt- oder ein Folienkondensator) genügend Energie gespeichert hat, führt der Lagerstrom-Sensor Messungen aus und entlädt dabei den Kondensator. Dann beginnt der Zyklus von neuem. Eine (üblicherweise längere) Ladezeit wechselt sich mit einer (üblicherweise kürzeren) Messzeit ab.
In einer anderen Variante ist die Elektronik des Lagerstrom- Sensors besonders stromsparend ausgelegt. Dann wird die Spannung am Mess-Kondensator im tieferen Frequenzbereich, z. B. durch Serienschaltung eines Tiefpasses (beispielsweise mit 1 MHz Grenzfrequenz) , ohne unzulässige Verfälschung des Messsignals entnommen. Dies ist möglich, weil das Messsignal des Lagerstrom-Sensors insbesondere im höheren Frequenzbereich zur Beurteilung der lagerschädigenden Wirkung signifikant ist .
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Motorlager mit ei- nem erfindungsgemäßen Lagerstromsensor. Die Spannung über dem Motorlager liegt näherungsweise ebenfalls zwischen der Motorseite der Kupplung und dem Motorgehäuse an. Die Kupplung formt zusammen mit dem Motorgehäuse einen Plattenkondensator. Durch Einfügen einer beidseitig metallisierten Leiterplatte entsteht eine Serienschaltung aus Kondensatoren: CLi ist der Luft-Kondensator zwischen Kupplung und der kupplungsseitigen Metallisierung der Leiterplatte. Cs ist der eingefügte Kondensator mit einem Di-elektrikum, z. B. FR4- Leiterplattenmaterial . CLZ ist der Luft-Kondensator zwischen der motorseitigen Metallisierung und dem Motor-Gehäuse. Damit ergibt sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen Lagerspannung und Spannung am Mess-Kondensator :
Ucs =ks * UL Diese Ausführung ist besonders montagefreundlich, weil der
Sensor unter eine gegebenenfalls vorhandenen Sicherheitshaube zwischen Motor und Kupplung montiert werden kann. Auch entfällt bei Nutzung einer Handsonde das Übergreifen über eine sich drehende Welle.
Vorteilhaft ist auch, dass das Messsignal relativ unempfindlich gegenüber Toleranzen bei der Einbauposition ist. Wenn die Platine etwas außermittig montiert wird, vergrößert sich z. B. CLI während sich CL2 verkleinert . Dies bewirkt in gewis- sem Umfang eine Kompensation.
Ein einer alternativen Ausführung liegt der Sensor einseitig entweder auf der Kupplung oder dem Motor auf. Dann entfällt CLi bzw. CL2. Das prinzipielle Verhalten bleibt jedoch gleich, außer dass die Messung dann nicht mehr potentialfrei ist, was sich möglicherweise negativ auf die Störfestigkeit auswirken kann . In einigen Fällen ist die Kupplung für die Messung nicht geeignet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Kupplung zu klein oder zu weit weg ist. In diesen Fällen kann eine Metallscheibe auf der Achse montiert werden, die die Funktion des Plattenkondensators übernimmt, oder umgekehrt das Potential des Motorgehäuses durch einen Anbau näher an die Kupplungsscheibe geführt werden (was den Vorteil hat, dass dies selbst bei einer rotierenden Welle möglich ist) . Für eine tragbare Version ist ein Teil der Leiterplatte als Griff ausführbar.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Kalibrierung beschrieben:
Für eine automatische Wegemessung misst der Sensor den Weg zwischen Kupplung und Sensor und zwischen Motor und Sensor, beispielsweise über ein optisches oder akustisches Verfahren. Anhand der Entfernungen können die beteiligten Kapazitäten und damit der Umrechnungsfaktor zwischen Lagerspannung und Spannung am Mess-Kondensator automatisch berechnet werden.
Für eine manuelle Wegemessung verwendet das Servicepersonal, welches den Einbau des Sensors vornimmt, den Sensor als hand- gehaltenes Gerät und bestimmt die weiter oben genannten Ab¬ stände zwischen Kupplung bzw. Motor und Sensor manuell, z. B. per Meterstab. Diese Daten werden dem Sensor-System bekannt gegeben und dauerhaft gespeichert. Die Berechnung des Umrechnungsfaktors erfolgt analog zur automatischen Wegemessung.
In einer dritten Variante, der automatisch kapazitiven
Selbstkalibrierung, misst der Sensor direkt die Auswirkung der Luft-Kapazität über ein definiertes Testsignal. Beispielsweise schwingt ein Schwingkreis, der die Kapazität des Mess-Kondensators und eine Induktivität enthält, bei einer bestimmten Frequenz. Durch die externe Kapazität (die Luftspalt-Kondensatoren) wird der Schwingkreis verstimmt und schwingt bei einer anderen Frequenz. Diese Frequenz ist nach dem Stand der Technik sehr genau und kostengünstig messbar. Anhand der Änderung der Frequenz und der bekannten Kapazität des Mess-Kondensators kann auf die externe Kapazität ge¬ schlossen werden und damit die Kalibrierung des Umrechnungs- faktors zwischen der Spannung am Messkondensator und der La¬ gerspannung erfolgen. Auch hier erfolgt die Ermittlung der Werte entweder einmalig mit dauerhafter Speicherung oder vor definierten Messungen. Der Sensor selbst kann z. B. anhand der Spannungszusammenbrüche der Wellenspannung Lagerströme erkennen und quantifizieren. Eine externe Vernetzung und Verarbeitung ist wünschens¬ wert. Die Sensordaten können per Funk, leitungsgebunden, per transportabler Speicherkarte oder durch Ablesen einer Anzeige zu einer digitalen Datenverarbeitung übertragen werden. Dort werden die Messdaten z. B. automatisiert ausgewertet und in einem Histogramm dargestellt. Der Anlagen-Betrieb kann so nach einer Wartung bewertet werden, z. B. in Bezug auf korrekt durchgeführte Erdungsmaßnahmen des Motors bei einem Um- bau der Anlage. Dies verhindert große wirtschaftliche Schäden für den Betreiber der Anlage.
In den Figuren 4a bis 4e werden verschiedene Konstellationen aufgezeigt, in denen das erfindungsgemäße Verfahren bzw die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Lagerströmen zum Einsatz kommen können.
In alle Figuren befindet sich der Antriebs-Motor auf der linken Seite, von diesem Motor geht eine Welle aus. In den Figu- ren 4a bis 4c befindet sich das betroffene Lager im Motor. In den Figuren 4d und 4e befindet sich das Lager dagegen in der anzutreibenden Arbeitsmaschine rechts.
Figur 4a zeigt einen einfachen Aufbau, bei dem sich der Mess- spalt zwischen dem Motor und einer Kupplung liegt, so wie bereits in Figur 3 dargestellt. In Figur 4b wird der Messspalt erzeugt durch eine Anbauschei¬ be auf der Welle, anstatt einer Kupplung.
Sollte der Abstand zwischen Motor und Kupplung zu groß wer- den, so kann dieser durch einen ergänzenden Anbau mit Verbin¬ dung zum Motorgehäuse verkleinert werden, so wie dies in Figur 4c dargestellt ist.
Eine Messung des Lagerstroms kann anstatt beim Motor auch am anderen Ende der Welle, bei der Arbeitsmaschine durchgeführt werden. Hierfür wird analog zu Figur 4a der Spalt zwischen Kupplung und Arbeitsmaschine in Figur 4d verwendet. Analog zu Figur 4b wird in Figur 4e ein geeigneter Messspalt durch eine Anbauscheibe auf der Welle angeboten.

Claims

Vorrichtung zur Erkennung eines Lagerstroms in einem Motorlager oder einem Lager in einer durch einen Motor angetriebenen Maschine, welches eine Motorwelle oder Antriebswelle führt, wobei die Welle mit einem Motor verbunden ist, der beinhaltet
einen Rotor (Rotor) und ein den Rotor zumindest teilweise umgebendes Gehäuse (Motorgehäuse) und
die Motorwelle (Motorwelle) mit einer Kupplung (Kupplung) oder einem für die Messung geeigneten Anbau verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Spalt existiert, in den zumindest eine Platte (Leiterplatte) eingebracht wird, welche eine mittlere Isolierschicht (Isolierschicht) und auf den den Spaltinnenflächen zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten (Sl, S2) aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet dass
die Vorrichtung eine Serienschaltung aus zumindest einem Kondensator und zumindest einer Kapazität (Cs) , die aus Teilen des Gehäuses (Motorgehäuse) oder damit elektrisch verbundenen Teilen und des Kondensators oder Teilen der Kupplung (Kupplung) oder elektrisch damit verbundenen Teilen und des Kondensators gebildet wird, umfasst.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass
der Wellenwiderstand der vom Kondensator abgehenden Leitungen definiert ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass
eine Energieversorgung der Vorrichtung realisiert ist mittels Energiespeicher, insbesondere Batterie.
5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Energieversorgung der Vorrichtung realisiert ist mit¬ tels induzierter Spannung.
6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass
eine Energieversorgung der Vorrichtung realisiert ist in¬ dem in einer Ladephase zumindest ein Kondensator geladen wird und in einer Mess-Phase die im Kondensator gespeicherte Ladung entnommen wird.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
die Elektronik des Sensors besonders stromsparend ausgelegt ist, und die Energie dem Messsignal entnommen wird, insbesondere durch Paralellschaltung mit einem Tiefpassfilter.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, da durch gekennzeichnet dass
die Messung berührungslos erfolgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, gekennzeichnet durch
eine Kalibrierung der Vorrichtung durch eine automatische Abstandsmessung zwischen Kupplung und Vorrichtung und/oder Gehäuse und Vorrichtung erfolgt.
10. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, da¬ durch gekennzeichnet, dass
eine automatische Selbstkalibrierung erfolgt anhand eines Testsignals .
11. Verfahren zur Erkennung eines Lagerstroms in einem Mo¬ torlager oder einem Lager in einer durch einen Motor ange¬ triebenen Maschine, welches eine Motorwelle oder Antriebs- welle führt, wobei die Welle elektrisch leitend mit einem Motor verbunden ist, der beinhaltet
einen Rotor (Rotor) und ein den Rotor zumindest teilweise umgebendes Gehäuse (Motorgehäuse) und
die Motorwelle (Motorwelle) mit einer Kupplung (Kupplung) oder einem für die Messung geeigneten Anbau verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
einen an Welle oder Lagergehäuse vorhandenen Spalt zumindest eine Platte (Leiterplatte) eingebracht wird, welche eine mittlere Isolierschicht (Isolierschicht) und auf den den Spaltinnenflächen zugewandten Seiten der Platte jeweils gut elektrisch leitfähige Schichten (Sl, S2) aufweist .
2. Verfahren nach Patentanspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messung an einem in einer Serienschaltung, bestehend aus zumindest einem Plattenkondensator und zumindest einer Kapazität, die aus Teilen des Motorgehäuses oder damit elektrisch verbundenen Teilen und des Kondensators oder Teilen der Motorkupplung oder elektrisch damit verbundenen Teilen und des Plattenkondensators gebildet wird, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Verfahrens-Schritt der Wellenwiderstand der vom Kondensator abgehenden Leitungen definiert wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Energieversorgung der Messvorrichtung während der Durchführung des Messverfahrens realisiert ist mittels Energiespeicher, insbesondere Batterie.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversorgung der Messvorrichtung während der Durchführung des Messverfahrens realisiert ist mittels in¬ duzierter Spannung.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Energieversorgung der Vorrichtung realisiert ist in¬ dem in einer Ladephase zumindest ein Kondensator geladen wird und in einer Mess-Phase die im Kondensator gespei¬ cherte Ladung entnommen wird.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektronik des Sensors besonders stromsparend ausge¬ legt ist, und die Energie dem Messsignal entnommen wird, insbesondere durch Paralellschaltung mit einem Tiefpassfilter .
18. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
die Messung berührungslos erfolgt.
19. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kalibrierung der Vorrichtung durch eine automatische Abstandsmessung zwischen Kupplung und Vorrichtung und/oder Gehäuse und Vorrichtung erfolgt.
20. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass
eine automatische Selbstkalibrierung der Vorrichtung erfolgt anhand eines Testsignals.
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