CN102770757B - 用于探测等离子体轴承电流的方法 - Google Patents

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Abstract

在电机中可能出现大幅度降低轴承的使用寿命的电流。轴承电流是在电机的滚动轴承或滑动轴承中出现的电流。本发明涉及一种用于提早发现由于在较短的放电时间中缺少热排放而产生的轴承电流在轴承中所产生的损害、尤其是形成坑的方法，其中，根据对在放电时所产生的场强度的电磁频谱的评估来探测等离子体的形成。解决方案基于以下基本想法：必须将通过轴承电流的放电视为时间上动态的过程。为了产生导致形成波纹的坑，必须在较短时间内、例如在三位的微微秒范围中进行放电。如果放电进行的太慢，那么在材料损害小的情况下仅仅会出现熔化和凝固并伴随着形成坑。这种坑不会导致形成波纹。与此相反地如果越快进行放电，那么热排放越小。

Description

用于探测等离子体轴承电流的方法
技术领域
在电机中可能出现大幅度降低轴承的使用寿命的电流(轴承电流，英文：BearingCurrents)。轴承电流是在电机的滚动轴承或滑动轴承中出现的电流。
该轴承电流是由电压(轴承电压)引起的，该电压是基于机器内部的电的漏电场或磁的漏磁场而产生的或是由从外部流经机器的外加电流而产生的。一旦轴承电压超过润滑油膜的击穿电压(烧蚀电压)，便产生了上述电流。
轴承电流的负面影响在于，例如：
-燃烧润滑脂(降低剩余润滑性)；
-在滚道和滚动体中形成坑(Kraterbildung)；
-以及在极端情况下：在滚道中形成波纹。
该波纹在此横向于滚道。
该轴承电流从十几年前起便是一个众所周知的现象并且对使用者造成了明显的费用支出和在可能的情况下对制造商造成了高保修支出。由此能够测量和有效地评估轴承电流的测量方法或探测器具有很大吸引力。
背景技术
现存有多种已经开发的用于轴承电流的测量方法和探测器，然而这些测量方法和探测器的使用费用高昂并在评估轴承电流时存在明显的误差。
根据现有技术，只有在轴承电流非常大或特别小的情况下才能评估出电机中的轴承电流是否已经进入了损害范围或仍能被承受。在其间存在一个大的包括很大部分驱动***的灰色区域，在该灰色区域中目前无法得出任何结论。
针对该轴承电流的补救措施通常造成了很大的费用支出并且基于该大的灰色区域也难以评估出该费用支出是否足够。尽管如此，这些费用高昂的方法在过去仍部分地没有实现所期望的目标。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于解决上述问题的方案。提出了一种测量方法，该测量方法更好地评估了轴承电流对轴承的使用寿命的有害影响。
该目的通过一种用于提早发现由于在较短的放电时间中缺少热排放而产生的轴承电流在轴承中所产生的损害、尤其是形成坑的方法来实现，其中，根据对表征能量或放电时间的值、尤其是在放电时所产生的场强度的电磁频谱的评估来探测等离子体的形成。
该目的还通过一种用于提早发现由于在较短的放电时间中缺少热排放而产生的轴承电流在轴承中所产生的损害、尤其是形成坑的装置来实现，该装置具有：用于测量至少一个表征能量或放电时间的值、尤其是在放电时取决于频率的场强度的装置；以及用于评估在放电时所产生的场强度的电磁频谱的装置。
解决方案基于以下基本想法：必须将通过轴承电流的放电视为时间上动态的过程。迄今为止的研究中均没有如此考虑。为了产生导致形成波纹的坑，必须在较短时间内、例如在三位的微微秒范围中进行放电。
如果放电进行的太慢，例如在纳秒范围内进行，那么在材料损害小的情况下仅仅会出现熔化和凝固并伴随着形成坑。这种坑不会导致形成波纹。
与此相反地如果越快进行放电，那么热排放越小。
存在一系列的不同类型的轴承电流。可以看出，特别是轴承电流具有特别有害的效果，该有害的效果导致了所谓的波纹形成，而这与等离子体形成以及特别短的放电时间相关联。较慢的放电与此相反地不会引起损害。现根据新的观点，在考虑热排放理论的条件下阐述这些过程。
基于其电磁干扰频谱，等离子体放电可以与其它放电有明显区别。由此，能够相对简单地探测出尤其是特别有害的等离子体放电。
该新方法能够例如在开始运行或改装时通过维修技术人员或在工作过程中通过探测器进行实时测量来实现简单的轴承电流评估。还能够预先确定将来会出现的损害。能够以特别高的推断能力立即评估出补救措施(Abhilfe)。这降低了保修支出，提高了设备可用性并且降低了设备操作人员的支出。
背景是以取决于材料的、在大约2μm/ns的范围内的速度排出材料中的热能。由此使得放电的能量集中在较小的体积中。基于每单位体积较高的能量，超过了对于汽化或等离子体形成的热函。尤其是由于等离子体放电而产生了明显较高的材料损害。更快的放电使得热能无法排放。这由此导致局部温度尤其高，该局部高温导致了带有高材料损害的汽化或等离子体形成。
尤其可基于其电磁干扰频谱识别出这种类型的放电。电磁能量辐射发生在微波范围中，可以利用尤其有利的方式将其确定在300MHz至3GHz的频率范围内，也可以部分地确定在更高频率(直至10GHz)下。等离子体放电的探测能够借助特征性的频率范围简单地、即时地并且尤其具有推断力地评估出轴承电流。
附图说明
下面借助实施例来阐述本发明。图中示出：
图1示出了在轴承电流放电时产生波纹的示意图；
图2示出了在一种实施方式中的探测方法的框图；
图3示出了在两种不同的工作状态下由等离子体放电所发射的微波；
图4示出了示例性的测量装置。
具体实施方式
图1示出了在时间窗t0-t1中等离子体放电的示意图，其中，在图左侧的情况下在t2时形成了坑和波纹，而在图右侧的情况下形成了坑但没有波纹。
根据以下公式评估出受加热区域的半径：
r＝v＊t1。
如下得出理论上的坑直径r：
r＝Vth＊T＊F。
Vth是热震荡波的传播速度(音速)。
T是脉冲持续时间。
F是传播过程中的电流脉冲时间分布以及温度曲线的波形因数。
在图3中，E表示距离轴承约5cm的电场强度。频率表示电场强度的频谱的频率。
“环境噪音”表示环境场强度，该环境场强度在关闭变频器(Umrichter)的情况下也可测量到。曲线的尖峰示出的是例如电信网络、如950MHz的D网络、1.85GHz的E网络、或UMTS。在曲线上可以看出，轴承电流在每分钟200转(英文：200rpm)时具有比在每分钟1500转时的明显更高频的性能。通过轴承电流放电也就具有明显较短的时间常数(例如，在几个100ps的范围内)。在短放电时间与热传播的共同作用下仅有非常有限的区域被加热，从而使得坑中的材料被作为等离子体抛出。这种作用导致出现了代表着轴承损害的波纹形成。
在图3的情况中能够例如通过更改每分钟200转(rpm)的***电动机/变频器来降低有损害性的轴承电流。与此相反，1500rpm时的性能是可接受的，尽管仍存在轴承电流现象。
同样可以有利地通过分析多个频谱线来进行评估。实际上能够在不同频率31的情况下在时间范围(Zeitbereich)内同时地或顺次地进行测量。同样能够在时间范围中利用充分的取样率以及随后的数据处理，例如通过FFT32(英文：FastFourierTransformation)来实现测量。可替换地能够与超外差式接收器(光谱分析器)相类似地进行测量。
在所有情况下均能够在多种频率下通过测量，借助频率来确定振幅的下降(例如，与场相关的电场、磁场、电磁场，发射的功率密度或与导线相关的电压、电流、功率)。由此可以推断出放电的时间常数。也能够替代性地确定出其它的参数，该参数是针对放电时间的衡量尺度(Maβ)。
同样有利的是将振幅评估和时间常数评估相结合。
结合频率范围和/或不同频率的振幅来评估放电频率同样提高了推断力。可以利用统计学的辅助手段(例如在柱状图中)来进行评估。
尤其通过微波射线来进行探测是有利的。理论上在微波频率范围中的与功率相关的测量也是可能的、实用的，但费用高昂。
如果对其中省略了常见的发送工作、如GSM和UMTS无线电波、DECT和WLAN(环境噪音，参见上文)的频率进行了评估，那么便改善了信噪比。通过结合不同频率下的测量也可以提高推断力。另外，假如将来要在更短的开关时间下应用变频器的话(碳化硅SiC技术)，可以通过选出(英文：Gating)变频器开关过程来提高信噪比。
在图2中示出了根据本发明的方法的示例性框图。可以将具有轴承电流1的电机的评估局限于上述部分的评估。也可以在变频器5的控制装置中进行评估和测量值处理3。如果在与变频器的控制装置相分离的硬件中进行评估的话，那么可以通过无线电、光波导体或与导线相关地将特征值有利地传输给变频器的控制装置，并且从此处在用于导入报告或措施的设备中继续传输该特征值或在需要调用时可对其进行读取。显示器同样能够例如以交通信号灯的颜色绿/黄/红显示出轴承电流负载。
根据本发明的方法包括以下步骤：
-专门探测电机中的与特别高的材料损害相关联的并且由此具有特别有害的效果的轴承电流放电。这种放电导致形成波纹。根据在频率范围中的特征性指纹进行探测：与防止等离子体放电的局部热排放所需的快速放电相关，在电磁干扰频谱中产生了尤其高的频率部分并且通过探测器专门探测微波频率范围内的高频部分
-在可能的情况下，通过考虑放电的时间进程和频率频谱来进行模拟或数字的信号处理，从而抑制例如移动电话的干扰信号。在此，可以例如评估多个频率并且只有在这些频率同时出现时才视为等离子体放电。
-基于所识别出的、在热传导、放电时间以及材料损害之间的关联来对测量进行评估。与高振幅相结合的高频频谱导致产生了高材料损害。高材料损害导致轴承由于波纹的形成而减少了寿命。
-当由此例如推断出振幅或时间常数时，在300MHz以下的频率的情况下的补充测量同样能够提高推断力。
图4示出了示例性的测量结构。在侧视图中示出了一个电动机，该电动机具有处在转子R左右两侧的两个电机轴W和分别一个轴承L。在轴承电流之前产生了轴承电压ULager。电动机轴承L通过形成火花的轴承电流而全部或部分地放电。由此产生了能够例如通过在电动机轴上滑动的接触电刷直接测量的“电压跃变”。然而，尤其有利的是利用天线A的辐射进行测量，这是因为这种测量方式是无磨损的并且良好地发射了受关注的高频。接触电刷通常随时间而受到磨损。碳纤维接触电刷虽然具有特别低的磨损，但却费用高昂并在受污染时可能出现接触问题。

Claims (10)

1.一种用于提早发现由于在较短的放电时间中缺少热排放而产生的轴承电流在轴承中所产生的损害的方法，其中，根据对场强度的电磁频谱的评估来探测等离子体的形成，所述场强度在放电时所产生，并且通过分析至少两个频率来进行评估，并且同时或顺次地测量待评估的频率，以及根据所述频率确定振幅的下降，并且以此推断出放电的时间常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进行测量而将所述轴承置于具有特定的转动速度的旋转状态中并且在特定的频率范围内测量频谱。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述频率范围是在300MHz和3GHz之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在测量之后对测量值进行过滤为了抑制周围环境的干扰信号。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在时间范围内进行测量并且在另一个步骤中借助于快速傅里叶变换来进行换算。
6.一种用于提早发现由于在较短的放电时间中缺少热排放而产生的轴承电流在轴承中所产生的损害的装置，设有：用于测量在放电时取决于频率的场强度的装置；以及用于评估在放电时所产生的所述场强度的电磁频谱的装置，其中，通过分析至少两个频率来进行评估，并且同时或顺次地测量待评估的频率，以及根据所述频率确定振幅的下降，并且以此推断出放电的时间常数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，为了进行测量而将所述轴承置于具有特定的转动速度的旋转状态中并且在特定的频率范围内测量频谱。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，在300MHz和3GHz之间的频率范围内测量所述频谱。
9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于另外的设置用于对测量值进行过滤以抑制周围环境的干扰信号的装置。
10.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于设置用于借助于快速傅里叶变换对测量值进行换算的装置，其中，在时间范围内进行测量。
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