專利名稱：用于探測等離子體軸承電流的方法
技術領域：
在電機中可能出現大幅度降低軸承的使用壽命的電流(軸承電流，英文=BearingCurrents)。軸承電流是在電機的滾動軸承或滑動軸承中出現的電流。該軸承電流是由電壓(軸承電壓)引起的，該電壓是基于機器內部的電的漏電場或磁的漏磁場而產生的或是由從外部流經機器的外加電流而產生的。一旦軸承電壓超過潤滑油膜的擊穿電壓(燒蝕電壓)，便產生了上述電流。軸承電流的負面影響在于，例如-燃燒潤滑脂(降低剩余潤滑性)；-在滾道和滾動體中形成坑(Kraterbildung)； -以及在極端情況下在滾道中形成波紋。該波紋在此橫向于滾道。該軸承電流從十幾年前起便是ー個眾所周知的現象并且對使用者造成了明顯的費用支出和在可能的情況下對制造商造成了高保修支出。由此能夠測量和有效地評估軸承電流的測量方法或探測器具有很大吸引力。
背景技術：
現存有多種已經開發的用于軸承電流的測量方法和探測器，然而這些測量方法和探測器的使用費用高昂并在評估軸承電流時存在明顯的誤差。根據現有技術，只有在軸承電流非常大或特別小的情況下才能評估出電機中的軸承電流是否已經進入了損害范圍或仍能被承受。在其間存在一個大的包括很大部分驅動系統的灰色區域，在該灰色區域中目前無法得出任何結論。針對該軸承電流的補救措施通常造成了很大的費用支出并且基于該大的灰色區域也難以評估出該費用支出是否足夠。盡管如此，這些費用高昂的方法在過去仍部分地沒有實現所期望的目標。
發明內容
本發明的目的在于，提出ー種用于解決上述問題的方案。提出了一種測量方法，該測量方法更好地評估了軸承電流對軸承的使用壽命的有害影響。該目的通過ー種根據權利要求I所述的、用于提早發現由于在較短的放電時間中缺少熱排放而產生的軸承電流在軸承中所產生的損害、尤其是形成坑的方法來實現，其中，根據對表征能量或放電時間的值、尤其是在放電時所產生的場強度的電磁頻譜的評估來探測等離子體的形成。該目的根據權利要求7還通過一種用于提早發現由于在較短的放電時間中缺少熱排放而產生的軸承電流在軸承中所產生的損害、尤其是形成坑的裝置來實現，該裝置具有用于測量至少ー個表征能量或放電時間的值、尤其是在放電時取決于頻率的場強度的裝置；以及用于評估在放電時所產生的場強度的電磁頻譜的裝置。
解決方案基于以下基本想法必須將通過軸承電流的放電視為時間上動態的過程。迄今為止的研究中均沒有如此考慮。為了產生導致形成波紋的坑，必須在較短時間內、例如在三位的微微秒范圍中進行放電。如果放電進行的太慢，例如在納秒范圍內進行，那么在材料損害小的情況下僅僅會出現熔化和凝固并伴隨著形成坑。這種坑不會導致形成波紋。與此相反地如果越快進行放電，那么熱排放越小。存在一系列的不同類型的軸承電流。可以看出，特別是軸承電流具有特別有害的效果，該有害的效果導致了所謂的波紋形成，而這與等離子體形成以及特別短的放電時間相關聯。較慢的放電與此相反地不會引起損害。現根據新的觀點，在考慮熱排放理論的條件下闡述這些過程。基于其電磁干擾頻譜，等離子體放電可以與其它放電有明顯區別。由此，能夠相對簡單地探測出尤其是特別有害的等離子體放電。 該新方法能夠例如在開始運行或改裝時通過維修技術人員或在工作過程中通過探測器進行實時測量來實現簡單的軸承電流評估。還能夠預先確定將來會出現的損害。能夠以特別高的推斷能力立即評估出補救措施(AbhiIfe)。這降低了保修支出，提高了設備可用性并且降低了設備操作人員的支出。背景是以取決于材料的、在大約2iim/ns的范圍內的速度排出材料中的熱能。由此使得放電的能量集中在較小的體積中。基于每單位體積較高的能量，超過了對于汽化或等離子體形成的熱函。尤其是由于等離子體放電而產生了明顯較高的材料損害。更快的放電使得熱能無法排放。這由此導致局部溫度尤其高，該局部高溫導致了帶有高材料損害的汽化或等離子體形成。尤其可基于其電磁干擾頻譜識別出這種類型的放電。電磁能量輻射發生在微波范圍中，可以利用尤其有利的方式將其確定在300MHz至3GHz的頻率范圍內，也可以部分地確定在更高頻率(直至IOGHz)下。等離子體放電的探測能夠借助特征性的頻率范圍簡單地、即時地并且尤其具有推斷力地評估出軸承電流。從屬權利要求中給出了特別有利的設計方案。
下面借助實施例來闡述本發明。圖中示出圖I示出了在軸承電流放電時產生波紋的示意圖；圖2示出了在一種實施方式中的探測方法的框圖；圖3示出了在兩種不同的工作狀態下由等離子體放電所發射的微波；圖4示出了示例性的測量裝置。
具體實施例方式圖I示出了在時間窗tO-tl中等離子體放電的示意圖，其中，在圖左側的情況下在t2時形成了坑和波紋，而在圖右側的情況下形成了坑但沒有波紋。根據以下公式評估出受加熱區域的半徑r = V 女 t10
如下得出理論上的坑直徑r r = Vth * T * F。Vth是熱震蕩波的傳播速度(音速)。T是脈沖持續時間。F是傳播過程中的電流脈沖時間分布以及溫度曲線的波形因數。在圖3中，E表示距離軸承約5cm的電場強度。頻率表示電場強度的頻譜的頻率。“環境噪音”表示環境場強度，該環境場強度在關閉變頻器(Umrichter)的情況下也可測量到。曲線的尖峰示出的是例如電信網絡、如950MHz的D網絡、I. 85GHz的E網絡、或UMTS。在曲線上可以看出，軸承電流在每分鐘200轉(英文200rpm)時具有比在每分鐘1500轉時的明顯更高頻的性能。通過軸承電流放電也就具有明顯較短的時間常數(例如，在 幾個IOOps的范圍內)。在短放電時間與熱傳播的共同作用下僅有非常有限的區域被加熱，從而使得坑中的材料被作為等離子體拋出。這種作用導致出現了代表著軸承損害的波紋形成。在圖3的情況中能夠例如通過更改每分鐘200轉(rpm)的系統電動機/變頻器來降低有損害性的軸承電流。與此相反，1500rpm時的性能是可接受的，盡管仍存在軸承電流現象。同樣可以有利地通過分析多個頻譜線來進行評估。實際上能夠在不同頻率31的情況下在時間范圍(Zeitbereich)內同時地或順次地進行測量。同樣能夠在時間范圍中利用充分的取樣率以及隨后的數據處理，例如通過FFT 32 (英文Fast FourierTransformation)來實現測量。可替換地能夠與超外差式接收器(光譜分析器)相類似地進行測量。在所有情況下均能夠在多種頻率下通過測量，借助頻率來確定振幅的下降(例如，與場相關的電場、磁場、電磁場，發射的功率密度或與導線相關的電壓、電流、功率)。由此可以推斷出放電的時間常數。也能夠替代性地確定出其它的參數，該參數是針對放電時間的衡量尺度(Ma 3 )。同樣有利的是將振幅評估和時間常數評估相結合。結合頻率范圍和/或不同頻率的振幅來評估放電頻率同樣提高了推斷力。可以利用統計學的輔助手段(例如在柱狀圖中)來進行評估。尤其通過微波射線來進行探測是有利的。理論上在微波頻率范圍中的與功率相關的測量也是可能的、實用的，但費用高昂。如果對其中省略了常見的發送工作、如GSM和UMTS無線電波、DECT和WLAN (環境噪音，參見上文)的頻率進行了評估，那么便改善了信噪比。通過結合不同頻率下的測量也可以提高推斷力。另外，假如將來要在更短的開關時間下應用變頻器的話(碳化硅SiC技木)，可以通過選出(英文=Gating)變頻器開關過程來提高信噪比。在圖2中示出了根據本發明的方法的示例性框圖。可以將具有軸承電流I的電機的評估局限于上述部分的評估。也可以在變頻器5的控制裝置中進行評估和測量值處理
3。如果在與變頻器的控制裝置相分離的硬件中進行評估的話，那么可以通過無線電、光波導體或與導線相關地將特征值有利地傳輸給變頻器的控制裝置，并且從此處在用于導入報告或措施的設備中繼續傳輸該特征值或在需要調用時可對其進行讀取。顯示器同樣能夠例如以交通信號燈的顏色綠/黃/紅顯示出軸承電流負載。根據本發明的方法包括以下步驟-專門探測電機中的與特別高的材料損害相關聯的并且由此具有特別有害的效果的軸承電流放電。這種放電導致形成波紋。根據在頻率范圍中的特征性指紋進行探測與防止等離子體放電的局部熱排放所需的快速放電相關，在電磁干擾頻譜中產生了尤其高的頻率部分并且通過探測器專門探測微波頻率范圍內的高頻部分-在可能的情況下，通過考慮放電的時間進程和頻率頻譜來進行模擬或數字的信號處理，從而抑制例如移動電話的干擾信號。在此，可以例如評估多個頻率并且只有在這些頻率同時出現時才視為等離子體放電。-基于所識別出的、在熱傳導、放電時間以及材料損害之間的關聯來對測量進行評估。與高振幅相結合的高頻頻譜導致產生了高材料損害。高材料損害導致軸承由于波紋的形成而減少了壽命。 -當由此例如推斷出振幅或時間常數時，在300MHz以下的頻率的情況下的補充測量同樣能夠提高推斷力。圖4示出了示例性的測量結構。在側視圖中示出了一個電動機,該電動機具有處在轉子R左右兩側的兩個電機軸W和分別ー個軸承し在軸承電流之前產生了軸承電壓ULager。電動機軸承L通過形成火花的軸承電流而全部或部分地放電。由此產生了能夠例如通過在電動機軸上滑動的接觸電刷直接測量的“電壓躍變”。然而，尤其有利的是利用天線A的輻射進行測量，這是因為這種測量方式是無磨損的并且良好地發射了受關注的高頻。接觸電刷通常隨時間而受到磨損。碳纖維接觸電刷雖然具有特別低的磨損，但卻費用高昂并在受污染時可能出現接觸問題。
權利要求
1.一種用于提早發現由于在較短的放電時間中缺少熱排放而產生的軸承電流在軸承(軸承)中所產生的損害、尤其是形成坑(說明書標原文)的方法，其特征在于，根據對表征能量或放電時間的值、尤其是在放電時所產生的場強度的電磁頻譜的評估來探測等離子體的形成。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，為了進行測量而將所述軸承置于具有特定的轉動速度的旋轉狀態中并且在特定的頻率范圍內、尤其是在300MHz和3GHz之間的頻率范圍中測量頻譜。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在測量之后對測量值進行過濾，尤其是為了抑制周圍環境的干擾信號。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過分析至少兩個頻率來進行評估，并且同時或順次地測量待評估的頻率。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在時間范圍內進行測量并且在另一個步驟中、尤其借助于快速傅里葉變換來進行換算。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特征在于，對至少兩個頻率進行評估并且根據所述頻率確定振幅的下降。
7.一種用于提早發現由于在較短的放電時間中缺少熱排放而產生的軸承電流在軸承中所產生的損害、尤其是形成坑的裝置，其特征在于，設有用于測量至少一個表征能量或放電時間的值、尤其是在放電時取決于頻率的場強度的裝置；以及用于評估所述值、尤其是在放電時所產生的所述場強度的電磁頻譜的裝置。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于軸承，為了進行測量而將所述軸承置于具有特定的轉動速度的旋轉狀態中并且在特定的頻率范圍內、尤其是在300MHz和3GHz之間的頻率范圍中測量頻譜。
9.根據權利要求7或8所述的裝置，其特征在于另外的設置用于對測量值進行過濾、尤其是用于抑制周圍環境的干擾信號的裝置。
10.根據權利要求11或12中任一項所述的裝置，其特征在于用于尤其是借助于快速傅里葉變換對所述測量值進行換算的裝置，其中，在時間范圍內進行測量。
全文摘要
在電機中可能出現大幅度降低軸承的使用壽命的電流。軸承電流是在電機的滾動軸承或滑動軸承中出現的電流。本發明涉及一種用于提早發現由于在較短的放電時間中缺少熱排放而產生的軸承電流在軸承中所產生的損害、尤其是形成坑的方法，其中，根據對在放電時所產生的場強度的電磁頻譜的評估來探測等離子體的形成。解決方案基于以下基本想法必須將通過軸承電流的放電視為時間上動態的過程。為了產生導致形成波紋的坑，必須在較短時間內、例如在三位的微微秒范圍中進行放電。如果放電進行的太慢，那么在材料損害小的情況下僅僅會出現熔化和凝固并伴隨著形成坑。這種坑不會導致形成波紋。與此相反地如果越快進行放電，那么熱排放越小。
文檔編號G01N27/61GK102770757SQ201080064449
公開日2012年11月7日 申請日期2010年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者卡斯滕·普羅博爾, 拉爾夫·科瓦萊夫斯基, 斯文·加特曼, 漢斯·蒂施曼徹, 約爾格·哈塞爾, 賴因哈德·邁爾, 阿爾諾·斯特肯博恩 申請人:西門子公司