СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОКА ПОДШИПНИКА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
BEARING CURRENT SENSING DEVICE WITH ENERGY CONVERTER

Настоящее изобретение относится к сенсорному устройству для монтирования к валу или на вал электрической машины с регистрирующим устройством для регистрации тока подшипника электрической машины.
Токи подшипников часто проявляются в электрических машинах с питанием от инвертора. Они приводят в течение короткого времени к повреждению шарикоподшипников или подшипников качения. Поэтому для регистрации токов подшипников используются неподвижно монтируемые сенсорные системы. Они должны непрерывно контролировать привод. Так как токи подшипников при реальной работе установки не могут непосредственно измеряться, предложенные сенсоры токов подшипников детектируют появление токов подшипников путем регистрации электрического потенциала вала машины. Для этого применяется скользящий контакт (щетка) или бесконтактная связь (например, емкостная связь), Бесконтактная связь имеет преимущество, состоящее в отсутствии износа или исключении необходимости технического обслуживания.
Подобные сенсорные системы требуют для работы энергопитания. При помещении сенсора тока подшипника на валу двигателя или подшипнике вала, возникает вопрос, каким образом сенсор может снабжаться энергией.
Энергоснабжение из нагрузочного контура (электропитания двигателя), ввиду часто имеющихся высоких напряжений и мощностей, возможно только с высокими затратами. Другая возможность генерации энергии состоит в использовании электромагнитных полей в непосредственном окружении электрической машины. Последние в ходе оптимизации потерь рассеивания становятся все меньше, и поэтому становится все труднее использовать их.
Для энергоснабжения сенсорных средств вблизи двигателя в настоящее время обычно применяются батареи или установленные сетевые блоки питания. Такие решения связаны с повышенными затратами на техническое обслуживание или с дополнительными расходами на установку.
В целом, сенсорная система для регистрации тока подшипника в типовом случае разделяется на следующие компоненты: сцепление, сенсор, блок оценки, электропитание или батарея. Они реализуются, как правило, несколькими отдельными компонентами или приборами.
Задачей настоящего изобретения является снизить затраты на регистрацию токов подшипников электрических машин.
В соответствии с изобретением эта задача решается сенсорным устройством для монтирования к валу или на вал электрической машины с регистрирующим устройством для регистрации тока подшипника электрической машины и с устройством преобразования энергии, которое смонтировано с регистрирующим устройством в сменный модуль, для преобразования механической энергии вала в электрическую энергию для регистрирующего устройства.
Предпочтительным образом, является возможным, во время работы электрической машины автономно получать энергию для регистрирующего устройства. Таким образом, имеется сенсорное устройство, которое независимо от внешнего энергоснабжения, как модуль, то есть как один единственный компактный компонент, может легко заменяться или дооборудоваться. Предпочтительным образом регистрирующее устройство и устройство преобразования энергии размещены в общем корпусе. С помощью общего корпуса модульность сенсорного устройства дополнительно подчеркивается, и корпус дополнительно предоставляет защиту как для регистрирующего устройства, так и для устройства преобразования энергии.
Сенсорное устройство может иметь по существу форму кольцевого диска и может монтироваться концентрично валу электрической машины к валу или на него. За счет формы кольцевого диска в осевом направлении требуется очень малое конструктивное пространство.
Кроме того, регистрирующее устройство может быть выполнено с возможностью емкостного восприятия тока подшипника. Тем самым обеспечивается возможность регистрации без износа тока подшипника или характерного для него напряжения.
В качестве альтернативы, регистрирующее устройство для регистрации тока подшипника может иметь щетку, чтобы с помощью скользящего кольца на валу или самого вала создавать гальванический контакт. За счет этого можно, при обстоятельствах, непосредственно измерять ток заряда.
В другой форме выполнения сенсорное устройство может иметь устройство интерфейса для беспроводной передачи данных регистрирующего устройства. Тем самым также снижаются затраты на монтаж сенсорного устройства, так как никакой кабель не требуется прокладывать для передачи данных.
Кроме того, устройство преобразования энергии может иметь индуктивный приемник и магнитные или намагничиваемые элементы, которые механически связаны с валом или являются составной частью вала. Тем самым для генерации электрической энергии применяется обычный генераторный принцип.
Кроме того, сенсорное устройство может иметь проводящую плату в качестве носителя по меньшей мере одного компонента регистрирующего устройства и устройства преобразования энергии. Тем самым, носитель дополнительно также получает или может получать функцию носителя компонентов обработки сигнала. В частности, является предпочтительным, если сенсорное устройство в своем корпусе также имеет устройство обработки сигналов для обработки сигналов регистрирующего устройства. Тем самым сигналы тока подшипника могут выдаваться в определенном формате.
Как уже указывалось, особенно предпочтительное применение сенсорного устройства состоит в том, чтобы использовать его для электрической машины или подключенной к ней нагрузочной машины с вращающимся валом.
Предложенное изобретение поясняется далее более подробно на основе приложенных чертежей, на которых показано следующее:
Фиг.1 - принципиальное представление двигателя с подключенной к ему нагрузочной машиной;
Фиг.2 - дисковый генератор;
Фиг.3 - интегрированный в дисковый генератор в соответствии с изобретением детектор тока подшипника; и
Фиг.4 - преобразователь энергии с индуктивным датчиком и зубчатым диском.
Описываемые далее примеры выполнения представляют предпочтительные формы выполнения настоящего изобретения. Основная идея настоящего изобретения состоит в том, что механическая вращательная энергия на валу электрической машины 1 или связанной с ней нагрузочной машины 2 при функционировании всегда имеется в достаточной мере. Этот источник энергии должен поэтому использоваться во взаимосвязи с компонентами, требуемыми для сенсорных средств, чтобы детектировать ток подшипника.
Фиг.1 показывает типовую конфигурацию привода, состоящую из двигателя 1, нагрузочной машины 2, приводного вала 3 двигателя, а также соединительной муфты 4 вала 5 нагрузочной машины 2. Стрелками на фиг.1 показаны возможные места для монтажа сенсора тока подшипника на приводном валу 3 и валу 5.
Проблема энергоснабжения сенсора тока подшипника, а также интеграции различных требуемых функций приборов в одной конфигурации может решаться согласно одной форме выполнения посредством использования как индуктивно-генераторного принципа, так и обусловленной конструктивным выполнением емкостной связи между вращающимся валом и сенсорной электроникой. Так как сенсорная электроника имеет лишь относительно низкое потребление мощности, то устройство для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию может быть спроектировано и сконструировано таким образом, что на первом плане стоит не высокий энергетический кпд, а эффект емкостной связи с электрическим потенциалом вала двигателя используется особым образом.
Если на валу электрической машины размещена некоторая структура (кольцо, диск, тиснение в материал вала), которая при движении создает в своей окрестности переменный магнитный поток (зубчатая конструкция, структура вала, наведенное намагничивание), а снаружи вокруг размещена кольцевая структура или изолированный (пластиковый) корпус с встроенными катушками, то эти катушки могут посредством магнитной структуры на валу возбуждаться и таким образом при вращающемся вале принимать на себя генераторную функцию. Известными примерами этого является индуктивный датчик или также дисковые генераторы.
К тому же нанесенная на корпус проводящая полоса может также служить в качестве конденсаторной структуры, чтобы емкостным способом снимать сигнал тока подшипника. Это решение предоставляет возможность регистрации без износа электрического потенциала вала.
За счет предложенного решения можно, таким образом, создать компактный, автономный по энергии прибор для детектирования тока подшипника, который, за счет дискообразного внешнего контура, можно разместить также на труднодоступных валах или коротких хвостовиках валов и который может выполняться с высокой степенью защиты.
Конкретный пример генератора, хорошо подходящего для генерации энергии для сенсора тока подшипника, представлен на фиг.2. Здесь идет речь о восьмиполюсном дисковом генераторе, как он применяется, например, для малых ветровых энергетических установок. Дисковый генератор содержит монтируемый на соответствующем валу диск с распределенными по окружности полюсами 6. На некотором осевом расстоянии от диска находятся распределенные по всему диску, в данном примере, восемь катушек 3. Из соображений представления, на фиг.2 на левой половине осевого вида дискового генератора представлены четыре из общего числа полюсов 6 на генераторном диске 7. На правой половине представления на фиг.2 изображены четыре из восьми катушек 8.
Фиг.3 показывает дисковый генератор по фиг.2, встроенный в сенсорное устройство для регистрации тока подшипника. В случае представления по фиг.3 речь идет о представлении в сечении вдоль оси вала 3. На валу 3 находится совместно вращаемый металлический или металлизированный диск 7, который снабжен магнитными зонами или встроенными магнитами (полюсами 6). Вращающийся диск 7 дискового генератора окружен стационарным корпусом 9. В этом корпусе также размещены каркасы катушек 10 по оси перед и после вращающегося диска 7. Они, например, сформированы из материала печатных плат и служат для размещения катушек 8 с воздушным сердечником. Таким образом, по обе стороны от вращающегося диска 7 находятся конструкции катушек с воздушным сердечником, как они представлены наполовину, обозначены на правой половине фиг.2. Катушки 8 с воздушным сердечником могут обычно быть реализованы в форме печатных проводящих дорожек.
Обращенная к вращающемуся диску 7, то есть явнополюсному ротору, сторона каждого каркаса 10 катушки должна действовать как конденсаторная поверхность емкостного сенсора тока подшипника (вращающийся диск действует в качестве другой конденсаторной пластины). Поэтому каркас 10 катушки покрыт электропроводным материалом 11. Это покрытие может, например, быть сплошной медной поверхностью на соответствующей печатной плате или соответствующем каркасе 10 катушки. Конденсатор, состоящий из вращающегося диска 7 и металлического покрытия 11 каскада, служит в качестве регистрирующего устройства для регистрации тока подшипника.
Вместо емкостной связи также может быть реализован гальванический контакт с вращающимся диском. Гальванический контакт может быть реализован, например, с помощью скользящих контактов или щеток из углеродного волокна.
Применяемая в качестве каркаса 10 неподвижная печатная плата может обычным образом дополнительно снабжаться электрическими и электронными компонентами. С помощью этих схемных элементов могут быть реализованы требуемые для электропитания выпрямление и преобразование напряжения, аналоговая и цифровая подготовка сигнала, а также обмен данными с вышестоящей системой.
С помощью этого интегрированного устройства осуществляется функция преобразователя энергии, которая осуществляет ввод сигнала для регистрации потенциала вала, а также аналоговую и цифровую оценку сигнала в одном конструктивном блоке.
Другие формы выполнения получения энергии могут быть основаны на принципе индуктивных датчиков. Фиг.4 показывает форму выполнения с зубчатым диском 12 и радиально к нему размещенным индуктивным датчиком 13. Этот индуктивный датчик 13 закреплен, например, на корпусе 14 двигателя или корпусе электрической машины. Он сам имеет корпус 15, который здесь привинчен к корпусу 14 двигателя и от которого ведет электрический вывод 16. Собственно участок датчика выступает радиально к зубчатому диску 12 и имеет катушку 17 и магнитный железный сердечник. Последний реализуется тем, что в катушке 17 находится сердечник 18 из мягкого железа, который намагничивается посредством находящегося радиально вне катушки постоянного магнита 19. В катушке 17 индуцируется напряжение, если магнитное поле на торцевой стороне датчика 13 изменяется. Это происходит в том случае, когда магнитный импеданс при прохождении зубцов зубчатого диска 12 мимо торцевой стороны датчика изменяется.
Чтобы сформировать пульсирующее напряжение, может применяться зубчатый диск или диск с отверстиями. В случае зубчатого диска датчик может располагаться как радиально, так и аксиально. Вместо диска с отверстиями может также применяться диск с магнитными проводящими элементами.
Подобные индуктивные датчики в настоящее время широко используются как инкрементные датчики пути, то есть как сенсоры. Применение в качестве генератора из-за плохого кпд является необычным, но в данном случае для очень малых потреблений энергии весьма практичным. Преимущество индуктивных датчиков заключается в очень высокой надежности.
При соответствующей изобретению связи и комбинации функции сенсора с энергоснабжением реализуется энергетически независимая сенсорная система. Тем самым обеспечиваются следующие преимущества:
- Так как контроль тока подшипника требуется только при вращающихся валах, состояние генерации энергии точно совпадает с требуемой эксплуатационной готовностью сенсорной системы. Поэтому не требуется или требуется лишь в незначительной мере накопление энергии для перекрытия времен бездействия.
- К тому же эти сенсорные системы снабжены проводной или беспроводной (радио) коммуникацией с вышестоящей системой, так что, как правило, никакие измеренные значения или иные данные не должны во время бездействия машины на длительный промежуток времени сохраняться энергонезависимым способом.
- Так как никакое внешнее электропитание не должно продаваться на сенсорную систему, затраты на монтаж сокращаются.
- Если измеренные данные выдаются через радиоинтерфейс, то не требуется никаких затрат на проводной монтаж.
- Устранение внешних кабельных выводов на приборе облегчает выполнение с высокой степенью защиты (например, защиты от пыли, защиты от брызг воды).
- При подходящей структуре системы возможно дооборудование без необходимости выполнения изменений существующего монтажа. Сюда относится делимость прибора, чтобы можно было осуществлять дооборудование без демонтажа привода или муфты соединения валов.
- Из-за возможно малой формы выполнения и свободы от технического обслуживания, ввиду энергетически независимого режима работы, сенсорная система может встраиваться в соответственно подготовленные машины. И здесь дискообразный контур имеет преимущество, так как условия размещения вблизи подшипникового щита очень ограничены.
Перечень ссылочных позиций
1 двигатель
2 нагрузочная машина
3 приводной вал
4 соединительная муфта валов
5 вал
6 полюс
7 генераторный диск
8, 17 катушки
9, 15 корпус
10 каркас катушек
11 электропроводный материал
12 зубчатый диск
13 индуктивный датчик
14 корпус двигателя
16 электрический вывод
18 сердечник из мягкого железа
19 постоянный магнит