專利名稱：用于測量軸承中的電流的裝置和方法
技術領域：
在機器中，在軸承中會出現電流(軸承電流,英文Bearing Currents),該電流使這個軸承的使用壽命顯著縮短。軸承電流是在電機的滾動-或滑動軸承中出現的電流。該電流由電壓(軸承電壓)引起，由于在機器內部存在電或磁的雜散場、或通過從外部流經機器的外部電流而形成該電壓。一旦軸承電壓超過潤滑油膜的擊穿電壓，就會出現電流。軸承電流的不利影響例如在于-燃燒油脂(降低剩余潤滑性能)-在滾道中和滾動體中形成坑 -并且在極端情況下由此引起的間接損失是在滾道中形成波紋。這種軸承電流在近幾十年來都是已知的現象。它不能在場中直接探測到并且導致使用者一方的巨大的投入或者說導致制造廠商一方的高昂的擔保費用。因此在能夠測量軸承電流并且有說服力地進行分析的測量方法或者傳感器方面存在很大的需求。在電機中的軸承電流，特別是在利用功率電子器件運行時會少量地縮短電動機軸承的使用壽命。根據當前的現有技術，僅僅在明顯的情況下、例如由于形成噪聲或軸承潤滑脂燃燒，才注意到受到軸承電流損壞的軸承，并對其進行更換。這經常導致消耗極大成本的設備停機。在軸承運行時面臨的較大的問題因此在于，需要識別故障的預測的時間點和進而識別更換軸承的最佳的時間點。如果過早地作出反應，這意味著不必要的高維護成本，并且在過晚地作出反應時，用戶要承擔設備停機的費用。
背景技術：
至今利用高成本的、傳統的軸承電流檢測方法或借助于通過接觸電刷的直接的電壓測量來定量地檢測軸承電流，其中傳統的軸承電流檢測需要多次地對電動機進行改裝(組裝和拆卸)。被覆蓋的頻率范圍在此典型地位于一位或兩位數的MHz范圍。基于裝配的臨界條件不可能出現更高的頻率范圍。此外僅僅可以受限地進行持續監測。通過輻射電磁場進行的測量非常容易由于輸入方面的干擾而引起錯誤的解釋或者幾乎不允許對軸承電流的量化。盡管做出了很大努力，但多年以來也沒有發現合適的解決方法。軸承電流因此根據現有技術僅能由專家進行量化。然而由于低頻率范圍，對此例如參見由發明人根據申請文件號PCT/EP2010/001150提交的題為“ Verfahren zur Detektionvon Plasma- Lagerstromen (用于探測等離子體-軸承電流的方法)”的專利申請，或由于對輻射電磁場的測量相對于干擾因素的靈敏性，該結論至今僅僅是有局限性的意義。已經存在用于測量電機(電動機和發電機)中的軸承電流的傳感器。在經典的測量技術中，軸承相對于電動機殼體絕緣。該絕緣利用導線被消除。通過導線可以例如利用電流探頭來測量軸承電流。在出版物DE 10 2005 027 670中說明了另一種可能性，在火花放電期間通過軸承電壓的間接測量和從快速的電壓崩潰中計算軸承電流。也例如由出版物WO 2007106015已知了一種對于電動機附近的電磁場的測量。對于軸承電流和由此引起的軸承損壞的補償通常伴隨著巨額費用，并且也僅能困難地評估費用是否足夠。耗費成本的措施在過去部分地、盡管并不適于期望目標地被執行。傳統的軸承電流測量技術耗費財力和時間，電動機必須被改裝，以便能進行測量。通過軸承電壓的測量通常需要通過接觸刷來接合。該接觸刷是非維護性的和/或昂貴的，并且因此不適于持續監測。此外在實踐中，客戶通常僅僅在短時間內接受安裝接觸刷。由于單個金屬絲的導線長度必須非常短，因此在GHz范圍內的測量難于實現。對電磁場的測量通常對于周圍環境中的、例如由于開斷變流器所引起的干擾脈沖是敏感的。因此機械工程師不認同該測量。此外，幾乎不可能對振幅加以說明，這是因為擴 散并不限定減振。
發明內容
本發明的目的在于，提出一種用于解決上述問題的方法。應提出一種測量方法和一種裝置，其允許對軸承電流進行更好的評估。此外應提出一種方法和一種裝置，其實現了對軸承電流的無接觸的測量。本發明的目的也在于提出一種測量傳感器和一種方法，其適于長時間測量軸承電流。該目的通過根據權利要求I的一種裝置來實現。該裝置用于識別電動機軸承中的軸承電流或通過電動機驅動的機器中的軸承中的軸承電流，該軸承引導電動機軸或驅動軸，其中軸和電動機連接，電動機包括轉子和至少部分包圍轉子的殼體，并且電動機軸和離合器或適于測量的附加裝置連接。在其中插入至少一個板的間隙中進行測量，該板具有中間的絕緣層，并且在板的朝向間隙內表面的側面上分別具有能良好導電的層。此外通過至少一個板進行測量，該板設置在殼體和離合器之間，并且由中間的絕緣層和在板的朝向殼體和離合器的側面上分別具有能良好導電的層。該目的還通過一種根據權利要求11所述的方法來實現。該方法根據本發明測量電動機軸承中的軸承電流，該電動機軸承引導電動機軸或驅動軸，其中軸和電動機導電地連接，電動機包括轉子和至少部分包圍所述轉子的殼體。電動機軸和離合器或適于測量的附加裝置連接。至少一個板插入存在于軸或軸承殼體上的間隙中，該板具有中間的絕緣層，并且在板的朝向間隙內表面的側面上分別具有能良好導電的層。在此，在至少一個板上進行測量，該板被插入殼體和離合器之間，并且具有中間的絕緣層，以及在板的朝向殼體和離合器的側面上分別具有能良好導電的層。根據本發明，通過由電容器組成的串聯電路實現了無接觸的電壓測量。以這種方式也可以特別良好地在高頻率范圍中檢測軸承電壓。在離合器和電動機殼體之間的電動機之外，利用頻譜組件在直至GHz范圍中通過無接觸的電壓測量也可以檢測軸承電壓。此外，由于在電動機離合器和電動機殼體之間的間距通常較小、或可能通過簡單的措施可任意縮小，因此在軸承電流信號和干擾信號之間，在外部存在非常良好的信噪比。該測量也就是特別抗干擾的，并且因此符合實際。在常規測量中被覆蓋的頻率范圍迄今為止典型地在一位或兩位數的MHz范圍中；更高的頻率范圍基于裝配的邊界條件是不可能的。迄今為止，由于低的頻率范圍或測量輻射電磁場抗外部干擾因素的靈敏度，測量僅僅是受限地起作用。然而高頻率范圍是特別重要的，以便評估軸承電流的損害程度。對此特別適合的是一種新的測量傳感器。總結出的優點在于-裝配簡單且迅速-通過維護人員(可攜帶的維護探測器)也適于短時間的測量-無磨損
·
-適于直至GHz范圍中的探測-對于射入場來說相對較高的抗干擾性其他有利的設計方案在從屬權利要求中給出。通過這種新的無接觸的電壓測量可以簡單并且迅速地進行裝配并且無磨損地、消耗低地持續測量。測量原理也可以良好地應用在高頻率范圍中，特別是IGHz以上。
以下根據實施例詳細說明本發明。在此示出圖I示出穿過具有離合器和根據本發明的軸承電壓測量裝置的電動機的橫截面圖，圖2示出根據本發明的軸承電流傳感器的可能的結構，圖3示出穿過具有傳感器的電動機軸承的橫截面圖；圖4a至4e示出本發明的可能的實施方式。
具體實施例方式圖I示出了穿過具有安裝在基座上的電動機的常規結構的橫截面。電動機通過電動機軸和離合器與傳動裝置連接，傳動裝置通過另外的軸驅動作工機械(例如軋輥)。在電動機軸和電動機殼體之間存在軸承電壓。由于電動機軸的直徑通常較大、對于高頻電流的與其相聯系的電感較小以及在電動機離合器和電動機殼體之間的間距較小，因此在電動機和離合器之間的電壓以及在電動機和殼體之間的電壓近似相等。這由此得出，即離合器的在電動機一側的部分通常能導電地與電動機軸連接。該布置類似于平板電容器。在此可以結合在兩側導電良好的絕緣板、例如金屬化的電路板(或者類似的結構，其在其效果方面等效于平板電容器)，構成由電容器組成的串聯電路。電路板可以以有利的方式同樣用于實現軸承電流測量電路。圖2因此再次詳細地示出了這種圖I中的電路板，左邊是俯視圖，并且右邊是橫截面圖。通過特殊的結構，這可以應用在直至GHz范圍中的測量，這是因為無需基于不同的波阻抗對于未限定的高頻關系來考慮單個的導體。對此替代地，可以實現具有特定的波阻抗的電路板，該波阻抗允許通過避免特別是在微波頻率范圍中的反射來精確地測量。
此外可以有利地實現能量供給。在此例如給出了以下變體-導線連接的供給-借助于電池或蓄電池的供給-通過感應電壓進行的供給。在此應用離合器相對于電動機的旋轉。永磁體通過機械能變成電能的原理產生線圈中的感應電壓，其用于供電。-由測量信號進行供給(“EnergyHarvesting (能量獲取)”:為此可以對測量信號進行整流，該測量信號典型地處于幾伏特的范圍中。)在一個技術上可以簡單實現的變體中，電壓給電容器充電。在必要時，通過電的或電子的電路可以向上轉換電壓。一旦電容器(例如電解-或薄膜電容器)存儲了足夠的能量，軸承電流傳感器就進行測量并且在此對電容器進行放電。然后重新開始循環。(通常較長的)充電時間和(通常較短的)測量時間交替。 在另一個變體中，軸承電流傳感器的電子器件設計為特別省電的。因此，例如通過低通濾波器(例如具有IMHz極限頻率)的串聯電路在較深的頻率范圍中獲取測量電容器處的電壓，而并不獲取測量信號的不允許的錯誤值。這是可能的，因為軸承電流傳感器的測量信號特別在較高的頻率范圍中對于評估軸承損害的影響來說是重要的。圖3示出了穿過具有根據本發明的軸承電流傳感器的電動機軸承的橫截面圖。經過電動機軸承的電壓以相同的方式同樣位于離合器的電動機側和電動機殼體之間。離合器和電動機殼體一起形成了平板電容器，通過插入兩側金屬化的電路板形成由電容器組成的串聯電路=Cu是在離合器和電路板的在離合器側的金屬化物之間的空氣電容器。Cs是具有電介質、例如FR4電路板材料的被插入的電容器。Q2是在電動機側的金屬化物和電動機殼體之間的空氣電容器。因此得出在軸承電壓和測量電容器上的電壓之間成比例的關系UCs=ks*UL該實施方式特別有利于裝配，這是因為傳感器可以裝配在在電動機和離合器之間的、在必要時設置的保險罩之下。在使用手持探測器時也不需要接觸到旋轉的軸。也有利的是，測量信號相對于安裝位置中的公差不敏感。如果略微偏心地裝配電路板，則在Q2減小時，例如Cu增大。這在一定范圍內影響平衡性。在一個可替換的實施方式中，傳感器在一側放置在離合器上或電動機上。然后取消Cu或Cu。然而原則上的比例關系保持不變，除了測量然后不再是無電勢的以外，這很有可能會對于抗干擾性產生不利影響。在一些情況下，離合器不適于測量。這些情況例如是離合器過小或距離較遠。在這些情況下可以將金屬盤安裝在軸上，其承擔了平板電容器的作用，或者相反地可以通過在離合器從動盤附近的附加裝置來引導電動機殼體的電勢(其具有的優點是這自身對于旋轉的軸而言是可能的)。對于可攜帶的變體來說，電路板的一部分可以設計為把手。以下說明用于進行校準的、本發明的其他有利的實施例對于自動路徑測量來說，傳感器例如通過光學或聲學方法測量在離合器和傳感器之間的路徑和在電動機和傳感器之間的路徑。根據距離可以自動計算出參與的電容和進而計算出在軸承電壓和測量電容器處的電壓之間的換算因數。對于手動的路徑測量來說，安裝傳感器的維護人員將傳感器用作手持設備并且手動地、例如通過碼尺確定進一步在上面提到的、在離合器或電動機和傳感器之間的距離。這些數據被傳感器系統已知地給出并且持續地存儲。類似于自動距離測量地進行對轉換因數的計算。在自動電容式自校準的第三變體中，傳感器直接通過定義的測量信號來測量空氣電容的效果。例如在特定的頻率的情況下，包括測量電容器的電容和電感的振蕩回路發生振蕩。通過外部的電容(空氣隙電容器)使振蕩回路失調并且在另一個頻率的情況下振蕩。根據現有技術可以非常準確并且成本低廉地測定該頻率。依照頻率的改變和測量電容器的已知電容可以推斷出外部電容，并且進而實現對測量電容器處的電壓和軸承電壓之間的轉換因數的校準。在此也隨著單獨一次進行的持久的存儲或者在限定的測量之前實現對該值的測定。傳感器自身例如可以根據軸電壓的電壓擊穿來識別軸承電流并對其進行量化。外部的聯網和處理是值得期望的。可以通過無線電、導線連接、通過可運輸的存儲卡或通過對顯示器的讀取將傳感器數據傳輸給數字式數據處理裝置。在此，測量數據例如被自動評估 并且在直方圖中示出。因此在維護之后，可以例如參照在對設備進行改裝時對電動機正確執行的接地措施對設備的運行進行評估。這避免了對于設備的運行者來說的較大的經濟損失。在圖4a至4e中示出了不同的狀態，其中根據本發明的方法或根據本發明的裝置可以用于對軸承電流進行檢測。在所有的圖中，驅動電動機位于左側，軸以該電動機為起點。在圖4a至4c中，所涉及的軸承在電動機中。在圖4d和4e中，軸承相反地位于右側的待驅動的作工機械中。圖4a示出了一個簡單的結構，其中在電動機和離合器之間存在測量間隙，如已經在圖3中不出的一樣。在圖4b中，通過在軸上的、替代離合器的附加盤來形成測量間隙。如果在電動機和離合器之間的間距過大，那么該間距可以通過和電動機殼體連接的附加裝置來減小，這例如在圖4c中示出。代替在電動機中也可以在軸的另一個端部上、在作工機械中執行對軸承電流的測量。類似于圖4a，為此在圖4d中應用在離合器和作工機械之間的間隙。類似于圖4b，在圖4e中通過在軸上的附加盤來提供適合的測量間隙。
權利要求
1.一種裝置，用于識別電動機軸承中的軸承電流或通過電動機驅動的機器中的軸承中的軸承電流，所述軸承引導電動機軸或驅動軸，其中所述軸和電動機連接，所述電動機包括轉子(Rotor)和至少部分包圍所述轉子的殼體(電動機殼體)，并且所述電動機軸(Motorwelle)和離合器(Kupplung)或適于測量的附加裝置連接,其特征在于,存在間隙,至少一個板(電路板)插入所述間隙中，所述板具有中間的絕緣層(Isolierschicht),并且在所述板的朝向間隙內表面的側面上分別具有能良好導電的層(SI，S2)。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括由至少一個電容器和至少一個電容(Cs)組成的串聯電路,所述電容由所述殼體(電動機殼體)的部分或與所述殼體電連接的部件的部分和所述電容器的部分構成，或由所述離合器(Kupplung)的部分或與所述離合器電連接的部件的部分和所述電容器的部分構成。
3.根據權利要求I或2所述的裝置，其特征在于，限定了從所述電容器離開的導線的波阻抗。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的裝置，其特征在于，借助于蓄能器、特別是電池實現所述裝置的能量供給。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的裝置，其特征在于，借助于感應電壓實現所述裝置的能量供給。
6.根據權利要求I至3中任一項所述的裝置，其特征在于，通過以下方式來實現所述裝置的能量供給，即在充電階段中給至少一個電容器充電并且在測量階段中獲取存儲在所述電容器中的電荷。
7.根據權利要求I至3中任一項所述的裝置，其特征在于，傳感器的電子器件設計為特別省電的，并且從測量信號中、特別是通過具有低通濾波器的并聯電路來獲取能量。
8.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，無接觸地進行測量。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通過在所述離合器和所述裝置之間和/或在所述殼體和所述裝置之間的自動的距離測量來實現對所述裝置的校準。
10.根據權利要求I至8中任一項所述的裝置，其特征在于，根據測試信號實現自動的自校準。
11.一種方法，用于識別電動機軸承中的軸承電流或通過電動機驅動的機器中的軸承中的軸承電流，所述軸承引導電動機軸或驅動軸，其中所述軸和電動機導電地連接，所述電動機包括轉子(Rotor)和至少部分包圍所述轉子的殼體(電動機殼體)，并且所述電動機軸(Motorwelle)和離合器(Kupplung)或適于測量的附加裝置連接,其特征在于，至少一個板(電路板)插入存在于所述軸或軸承殼體上的間隙中，所述板具有中間的絕緣層(Isolierschicht)，并且在所述板的朝向間隙內表面的側面上分別具有能良好導電的層(SI, S2)。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，在由至少一個平板電容器和至少一個電容組成的串聯電路中進行測量，所述電容由所述電動機殼體的部分或與所述電動機殼體電連接的部件的部分和所述電容器的部分構成，或由所述電動機離合器的部分或與所述電動機離合器電連接的部件的部分和所述平板電容器的部分構成。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于，在一個方法步驟中限定了從所述電容器離開的導線的波阻抗。
14.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于，在執行所述測量方法期間，借助于蓄能器、特別是電池實現測量裝置的能量供給。
15.根據前述權利要求11或 12中任一項所述的方法，其特征在于，在執行所述測量方法期間，借助于感應電壓實現所述測量裝置的能量供給。
16.根據前述權利要求11或12中任一項所述的方法，其特征在于，通過以下方式來實現所述裝置的能量供給，即在充電階段中給至少一個電容器充電并且在測量階段中獲取存儲在所述電容器中的電荷。
17.根據前述權利要求11至16中任一項所述的方法，其特征在于，傳感器的電子器件設計為特別省電的，并且從測量信號中、特別是通過具有低通濾波器的并聯電路來獲取能量。
18.根據前述權利要求11至17中任一項所述的方法，其特征在于，無接觸地進行測量。
19.根據前述權利要求11至18中任一項所述的方法，其特征在于，通過在所述離合器和所述裝置之間和/或在所述殼體和所述裝置之間的自動的距離測量來實現對所述裝置的校準。
20.根據前述權利要求11至19中任一項所述的方法，其特征在于，根據測試信號實現所述裝置的自動的自校準。
全文摘要
本發明涉及一種測量方法和一種裝置，其允許對軸承電流進行更好的評估。此外提出了一種方法和一種裝置，其實現了對軸承電流的無接觸的測量。無接觸的電壓測量通過電容器的串聯電路來實現。以這種途徑也可以在高頻率范圍中特別良好地檢測軸承電壓。
文檔編號H02K11/00GK102893503SQ201080066748
公開日2013年1月23日 申請日期2010年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者約爾格·哈塞爾, 格爾德·米凱利斯, 卡斯滕·普羅博爾 申請人:西門子公司