Сенсорное устройство для тока подшипника с преобразователем энергии

Изобретение относится к сенсорному устройству для монтирования на вал электрической машины с регистрирующим устройством для регистрации тока подшипника электрической машины. Технический результат заключается в создании компактного сенсорного устройства, независимого от внешнего электроснабжения. Сенсорное устройство для монтирования на валу электрической машины содержит регистрирующее устройство для регистрации тока подшипника электрической машины. Сенсорное устройство содержит, кроме того, устройство преобразования энергии, которое смонтировано с регистрирующим устройством в сменный модуль, для преобразования механической энергии вала в электрическую энергию для регистрирующего устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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

1. Сенсорное устройство для монтирования к валу или на вал (3) электрической машины, которое имеет по существу форму кольцевого диска и выполнено с возможностью монтирования концентрично валу (3) электрической машины, к валу или на вал, содержащее
регистрирующее устройство (7, 11) для регистрации тока подшипника электрической машины, выполненное с возможностью емкостного восприятия тока подшипника, и
устройство (7, 8) преобразования энергии, которое смонтировано с регистрирующим устройством (7, 11) в сменный модуль, для преобразования механической энергии вала (3) в электрическую энергию для регистрирующего устройства (7, 11), причем устройство (7, 8) преобразования энергии имеет индуктивный приемник (17, 18, 19) и магнитные или намагничиваемые элементы (12), которые механически связаны с валом (3) или являются составной частью вала.

2. Сенсорное устройство по п.1, причем регистрирующее устройство (7, 11) и устройство (7, 8) преобразования энергии размещены в общем корпусе (9).

3. Сенсорное устройство по любому из пп.1-2, которое имеет устройство интерфейса для беспроводной передачи данных регистрирующего устройства (7, 11).

4. Сенсорное устройство по пп.1-2, которое имеет печатную плату (10) в качестве носителя по меньшей мере одного компонента регистрирующего устройства (7, 11) и устройства (7, 8) преобразования энергии.

5. Сенсорное устройство по п.3 которое имеет печатную плату (10) в качестве носителя по меньшей мере одного компонента регистрирующего устройства (7, 11) и устройства (7, 8) преобразования энергии.

6. Сенсорное устройство по п.2, которое в своем корпусе (9) имеет устройство обработки сигналов для обработки сигналов регистрирующего устройства (7, 11).

7. Электрическая машина с вращающимся валом (3), к которому или на который монтируется сенсорное устройство по любому из пп.1-6.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах. Техническим результатом является повышение технологичности электрической машины.

Изобретение относится к области электрических машин Качество заземления электрической машины должно контролироваться более эффективно. Поэтому предложена электрическая машина, содержащая статор (1), ротор (2), вал (3), на котором закреплен ротор (2), и устройство (5) заземления для заземления вала (3), которая дополнительно содержит измерительное устройство (6) для измерения тока заземления устройства (5) заземления и для обеспечения соответствующего измеренного значения.

Изобретение относится к вращающимся механизмам, а более конкретно к установкам для мониторинга вибраций обмотки статора. Установка для мониторинга вибрации обмотки статора вращающегося электрического механизма (100) содержит по меньшей мере один датчик (102), содержащий по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну (122), нанесенную на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы и обращенную к обмотке статора, а также непроводящий экран (126), установленный на обратной стороне указанной подложки (124) и обращенный в сторону от обмотки статора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах. Техническим результатом является повышение технологичности.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. В предлагаемом электродвигателе с редуктором в монтажном узле (26d) держателей щеток корпуса редуктора (26) поочередно расположены две плоские поверхности (19b) и две изогнутые поверхности (26b) таким образом, чтобы они образовывали эллипс.

Изобретение относится к области электротехники и касается вращающихся электрических машин, в частности электрических двигателей со встроенной электронной схемой управления.

Изобретение касается способа эксплуатации и системы, снабженной электрической машиной, которая включает в себя статор (4) и ротор (1), а также инфракрасным температурным сенсором, при этом поле детекции инфракрасного температурного сенсора ориентировано по поверхности корпуса ротора.

Изобретение относится к силовому узлу для электрической системы рулевого управления, к способу сборки такого силового узла и к стыковочному устройству для силового узла.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей выполнения электродвигателей с индикатором направления вращения, а также насосных агрегатов с такими двигателями.

Изобретение относится к области электротехнике, в частности к бесконтактным электрическим машинам постоянного тока. .

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля напряжения гальванически развязанного аккумулятора.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к системам мониторинга режимов потребления электроэнергии. Способ основан на определении степени корреляции (статистической взаимосвязанности), разности амплитуд и разности фаз токов потребления на интервале времени анализа.

Изобретение относится к области измерения электрических величин, в частности для измерения активной составляющей тока в трехфазных сетях. Технический результат заявленного изобретения выражается в снижении материалоемкости за счет замены двух трансформаторов тока, обладающих высокой массой и стоимостью, двумя дифференцирующими индукционными преобразователями тока и упрощении конструкции и, как следствие, снижении трудоемкости изготовления за счет того, что устройство имеет два, а не четыре выходных зажима, к которым подводится пропорциональная активному току источника напряжения разность напряжений первого и второго мостовых выпрямителей.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям физических параметров, преобразуемых в электрическую форму, и может быть использовано в системах телеметрии.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения переменных токов высокого уровня и определения момента перехода тока через нулевое значение в сильноточных цепях сетей промышленной частоты. В устройство для измерения тока, содержащее два коаксиально расположенных металлических цилиндра, соединенных на одном торце с помощью фланцев, а на другом торце имеющих каждый свой токоподвод, высокочастотный разъем, закрепленный на фланце одного из цилиндров, с коаксиально расположенным центральным электродом и по крайней мере одну токовую отпайку, расположенную в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами и соединенную одним концом с внутренним цилиндром в начале его рабочей части, а другим - через отверстие в стенке внутреннего цилиндра и интегрирующую RC-цепочку с центральным электродом высокочастотного разъема, введен, по крайней мере, один дополнительный резистор, включенный между выводом центрального электрода высокочастотного разъема и корпусом внутреннего цилиндра последовательно с конденсатором RC-цепочки, а величины длин токовой отпайки и рабочей части внутреннего цилиндра выбраны в соответствии с соотношением: где l - длина отпайки; H - длина рабочей части внутреннего цилиндра. Токовая отпайка может быть выполнена в виде трубки с продольным разрезом охватывающей внутренний цилиндр. Конденсатор RC-цепочки и дополнительный резистор могут быть установлены в электронном усилительном блоке, соединенном с устройством с помощью высокочастотного кабеля. RC-цепочка и дополнительный резистор могут быть установлены в электронном усилительном блоке, соединенном с устройством с помощью высокочастотного кабеля. Результатом применения изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения неравномерности амплитудно-частотной характеристики устройства, а также уменьшения сдвига фазы между напряжением, наводимым на отпайке и током, протекающим по устройству.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к конструкциям измерительных шунтов, предназначенных для измерения токов, и может быть применено для измерения импульсных токов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии, в частности для измерения поляризованного и суммарного потенциалов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения тока в различных системах космических аппаратов. Датчик постоянного тока с развязкой включает в себя измерительный шунт, операционный усилитель (ОУ), четырехобмоточный трансформатор, два резистивных делителя напряжения с равными коэффициентами деления; конденсатор, p-n-р-транзистор, RC-фильтр, блокинг-генератор, собранный с использованием третьей и четвертой обмотки трансформатора, диода, двух резисторов, конденсатора и второго транзистора, и другие элементы, показанные на фиг.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах и устройствах для измерения электрических величин тока, мощности, энергии, а также в системах защиты и автоматики.

Заявленное изобретение относится к комбинированным измерительным устройствам для измерения тока и/или напряжения электрического проводника. Техническим результатом заявленного изобретения является создание усовершенствованного измерительного устройства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии на магнитных подшипниках. Технический результат заключается в повышении точности и надежности управления магнитным подшипником.

Изобретение относится к сенсорному устройству для монтирования на вал электрической машины с регистрирующим устройством для регистрации тока подшипника электрической машины. Технический результат заключается в создании компактного сенсорного устройства, независимого от внешнего электроснабжения. Сенсорное устройство для монтирования на валу электрической машины содержит регистрирующее устройство для регистрации тока подшипника электрической машины. Сенсорное устройство содержит, кроме того, устройство преобразования энергии, которое смонтировано с регистрирующим устройством в сменный модуль, для преобразования механической энергии вала в электрическую энергию для регистрирующего устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх