CN109630542B - 一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，轴承具有传感器组件、天线、线圈组件、磁铁，其中：外圈的内表面设置环形的内槽，传感器组件、天线、线圈分别设置于内槽中，内圈的外表面设置环形的外槽，磁铁连接设置于外槽中，磁铁随内圈一起高速旋转，相对于线圈组件产生切割磁力线运动，在线圈组件中产生感应电势，线圈组件连接传感器组件，为传感器组件提供电能；传感器组件用于采集轴承运转参数信息，并将采集到的信息转换数据；传感器组件连接所述天线，所述天线用于发送所述数据，实现对所述轴承的实时监测。本发明不需要外界电源供应，通过多参量传感器无线传输信号实现轴承在运转过程中实时状态监测。

Description

一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承

技术领域

本发明涉及智能轴承，具体地，涉及一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承。

背景技术

现代工业向专业化、精细化方向逐渐发展，各种高端大型机械装备所占市场比例也不断提高，这就要求提供与之相称的维护保养策略。在这些大型装备中，轴承成为最重要的核心部件，成为设备运动***的“心脏”。这些大型轴承不进造价高昂，而且一旦损坏将导致设备停工，甚至会造成百万级、千万级的经济损失。据资料介绍，因轴承损坏导致的设备故障率，在高速列车领域约40％，在大型风机领域约40％，在航空发动机领域约35％，在重型机械领域约30％，在齿轮箱领域约20％。

目前，对于轴承健康状态的监测确实可靠的自动化设备与手段，通常是有人工利用通用仪器设备定期检查轴承状态，改善润滑条件，若发现轴承故障则立刻进行维修、更换。这种方法不仅准确性差、可靠性低，而且费时费力，特别是无法实施监控轴承的工况，并在第一时间采取措施，避免产生更大的损失。因此，实现关键大型轴承健康状态的在线监测成为各种大型机械设备的必由之路。

智能轴承是一种具备在线监测能力的新型轴承，它是在传统轴承的基础上嵌入传感器，便于及早发现潜在故障，因而成为轴承健康状态在线监控的首选与主流。

但是，目前国内外现有的智能轴承的发展刚刚起步，还存在诸多问题与缺陷。主要存在的两大缺陷：一是现在所谓的智能轴承往往都无法自身供能，只能通过外部供电方式实现功能，而有线供电需要拖动电缆、无法满足轴承告诉转动的需求，无线供电需要外置供电线圈、传输效率低与传输距离有限、无法满足现场使用要求。二是现有的智能轴承的内置传感器采集到的各种数据都是通过电缆有线传输，这对实用化带来了很大的局限性，在绝大部分工作场合无法实现。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，内置多个传感器获取智能轴承工作时的多种工况参数，通过电路采集数据并进行预处理，测量结果通过天线发送、实现数据的无线传输，并且可以通过轴承自身的转动为传感器和所有电路供电，实现了智能轴承的无线传输与自供能，可以满足绝大多数轴承的智能化需求。

根据本发明提供一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，所述智能轴承包括外圈、滚子、内圈，所述滚子用于实现智能轴承的滚动，所述智能轴承包括传感器组件、天线、线圈组件、磁铁，其中：

所述外圈的内孔表面设置环形的内槽，所述传感器组件、所述天线、所述线圈固定连接于所述内槽中，所述内圈外圆表面设置环形的外槽，所述磁铁连接固定于所述外槽中；所述磁铁随所述内圈一起高速旋转，相对于所述线圈组件产生切割磁力线运动，在所述线圈组件中产生感应电势，为所述传感器组件提供电能；

所述线圈组件连接所述传感器组件，所述传感器组件用于采集智能轴承运转参数信息，并将采集到的信息转换数据；

所述传感器组件连接所述天线，所述天线用于发送所述数据，实现对智能轴承的实时监测。

优选地，所述智能轴承包括若干个所述传感器组件，所述传感器组件分别均匀设置于所述外圈的内槽之中；

所述智能轴承包括若干个天线，所述天线均匀设置于所述外圈的内槽之中，且所述天线与所述传感器组件间隔设置；

所述智能轴承包括若干个线圈组件，所述线圈组件均匀设置于所述外圈的内槽之中，且所述线圈组件与所述传感器组件和所述天线间隔分布；

所述智能轴承包括若干个所述磁铁，所述磁铁均匀设置所述内圈的外槽，所述磁铁的数量与所述线圈组件数量不同，且与所述线圈组件数量不互为倍数。

优选地，所述传感器组件包括微型集成传感器、处理电路和发送电路，所述微型集成传感器用于采集所述智能轴承运转过程的参数信息，所述处理电路对采集到的所述信息进行数据处理并将处理后所述数据通过所述发送电路发送所述天线，通过所述天线输出所述数据。

所述传感器组件内置微型集成传感器，以适应轴承内部的狭小空间；传感器组件内置有处理电路，可以采集所有传感器的数据，并进行处理；传感器组件内置有无线发送电路，可通过天线输出采集到的数据。

优选地，所述传感器组件包括温度传感器、加速度传感器、转速传感器，分别用于测量智能轴承运转过程中产生的温度、振动、速度的信息。

优选地，所述天线为微带贴片天线，可以在狭小空间内获得高增益的辐射效果；所述微带贴片天线包括接地板、介质基片、导体贴片，所述接地板和导体贴片分别通过胶粘接于所述介质基片的两面，形成薄形天线。

优选地，所述接地板为长方形薄片，材料为高导电金属材料；所述介质基片的尺寸与所述接地板相同，所述介质基片材料为高介电常数的电介质；所述导体贴片为长方形薄片，所述导体贴片尺寸小于所述介质基片，所述导体贴片的材料为高导电金属材料，导体贴片具有微带馈线。

优选地，所述线圈组件包括线圈和铁芯，所述铁芯上部结构的截面形状为圆柱形，下部结构的截面形状为长方板形，所述下部结构上设置有第一通孔，所述第一通孔用于将所述线圈组件固定于所述外圈上，通过漆包线在所述圆柱形上绕制而成环形所述线圈，使所述线圈和所述铁芯形成一体化线圈组件。

优选地，所述磁铁为弧形永磁体，所述磁铁内圆弧曲率半径等于所述内圈的外槽底圆的曲率半径，所述磁铁设置有第二通孔，用于将所述磁铁固定于所述内圈上。

优选地，所述磁铁的厚度确保所述磁铁的外圆与所述线圈组件具有一定的间隙。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于自供电无线传感***的智能轴承，不需要外界电源供应，就可以通过多参量传感器无线传输信号实现智能轴承在运转过程中实时状态监测，解决了现有技术中智能轴承无法自身供能，只能通过外部供电方式实现功能。

本发明使智能轴承实现自身的故障预警，可在故障发生前指导维护，避免故障带来的损失。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a是本发明一优选实施例中的智能轴承结构示意图；

图1b是本发明一优选实施例图1中A处的局部放大图；

图2是本发明一优选实施例中的传感器组件组成示意图；

图3a是本发明一优选实施例中的天线结构侧视图示意图；

图3b是本发明一优选实施例中图3a的俯视图；

图4a是本发明一优选实施例中线圈组件结构组成示意图；

图4b是本发明一优选实施例中4a的俯视图；

图5a是本发明一优选实施例中磁铁结构示意图；

图5b是本发明一优选实施例中5a的俯视图；

图中标记分别表示为：外圈1、滚子2、内圈3、传感器组件4、天线5、线圈组件 6、磁铁7、接地板8、介质基片9、导体贴片10、线圈11、铁芯12、内槽13、外槽14、第一通孔15、第二通孔16。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-5所示，为本发明一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承的优选实施例的结构示意图，图中包括：外圈1、滚子2、内圈3、传感器组件4、天线5、线圈组件6、磁铁7，其中：

如图1所示，外圈1的内孔表面避开滚子2的位置，即两列滚子2之间的位置，设置一个环形的内槽13，用于安装和固定所有的传感器组件4、天线5和线圈组件6；滚子2为常规智能轴承的钢球或者滚柱，用于实现外圈1与内圈3之间相对的纯滚动；内圈3的外圆表面与外圈1内槽13对应的位置，即两列滚子2之间的位置，设置一个环形的外槽14，用于安装和固定所有的磁铁7。

在外圈1的内槽13中均匀设置若干个传感器组件4，若干个天线5，若干各线圈组件6，若干个传感器组件4分别均匀设置于外圈1的内槽13之中；若干个天线5均匀设置于外圈1的内槽13之中，且天线5与传感器组件4间隔设置；若干线圈组件6均匀设置于外圈1的内槽13之中，且线圈组件6与传感器组件4和天线5间隔设置。

在内圈3的外槽14设置若干个磁铁7，若干个磁铁7分别均匀设置外槽14中，在具体实施时，在内圈3的外槽14设置磁铁7的数量与线圈组件6数量不同，且与线圈组件6数量不互为倍数。

如图1a所示,该实施例中采用4个传感器组件4，将4个传感器组件4呈90度间隔均布均匀分布于外圈1的内槽13之中。采用4个天线5，将4个天线5呈90度间隔均匀分布于外圈1 的内槽13之中，且与传感器组件4间隔分布，与传感器组件4夹角为30度。采用4个线圈组件6，将4个线圈组件6呈90度间隔均匀分布于外圈1的内槽13之中，与传感器组件4和天线5的夹角为30度；采用6个磁铁7，磁铁7的数量不能与线圈组件6的数量一致，也不能与线圈组件6的数量互为倍数，磁铁7呈60度间隔均匀分布于内圈3的外槽14之中。

如图2所示：在部分优选实施例中，传感器组件4内置有多种参数测量传感器，包括有温度传感器、加速度传感器、转速传感器，分别测量智能轴承运转过程中产生的温度、振动、速度信息。传感器组件4内置有微型集成传感器，以适应轴承内部的狭小空间，传感器组件4内置有处理电路，可以采集所有传感器的数据，并进行处理；传感器组件4 内置有无线发送电路，可通过天线5输出采集到的数据。

如图3a、3b所示：在部分优选实施例中，天线5是一种微带贴片天线，包括有接地板8、介质基片9、导体贴片10，接地板8和导体贴片10均通过胶粘接于介质基片9的两面，形成薄形天线，其中，接地板8为长方形薄片，材料为高导电金属材料，例如采用铜。介质基片9的长宽尺寸与接地板8相同、但是厚度略厚，材料为高介电常数的电介质，例如采用聚四氟乙烯。导体贴片10为长方形薄片，长宽尺寸小于介质基片9，材料为高导电金属材料，例如采用铜；导体贴片10本身还带有一段窄形的微带馈线，与导体贴片10 为一体。

如图4a、4b所示：在部分优选实施例中，线圈组件6包括线圈11和铁芯12两个部分，铁芯12上半部为圆柱形、便于绕制线圈11；铁芯12下半部为长方板形，设置有第一通孔 15，便于将线圈组件6固定于外圈1之上；线圈11为环形，由漆包线直接在铁芯12的圆柱形上半部分绕制而成，形成一体化线圈组件6。

如图5a、5b所示：在部分优选实施例中，磁铁7为一段弧形永磁体，磁铁7内圆弧曲率半径等于内圈3的外槽底圆的曲率半径；磁铁7的厚度应保证磁铁7的外圆与线圈组件6尽可能接近，但是需要留有足够的间隙，例如保持二者间隙为2mm；磁铁7设置有第二通孔16，便于将磁铁7固定与内圈3之上。

如图1a所示的实施例中采用了4个传感器组件4、4个天线5、4个线圈组件6、6个磁铁7，本发明在具体实施时传感器组件4的数量、天线5、线圈组件6以及磁铁7的设置数量不局限本实施例中设置数量，可根据需要设置匹配数量。

本发明的工作原理如下：外圈1与用户的轴承座内孔定位并固定，保持不动；内圈3与用户的转动轴定位并固定，并随转动轴一起高速转动；安置于内圈3外槽的磁铁7随内圈3一起高速旋转，相对于置于外圈1内槽的线圈组件6产生切割磁力线运动，由此在线圈组件6中产生感应电势，并为传感器组件4提供电能；传感器组件4获得来自线圈组件6 的电能之后，连续采集智能轴承的温度、振动加速度、转速等信息，转换为数据，通过天线5向外无线发送数据，从而实现智能轴承健康状态的实时监测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，所述智能轴承包括外圈、滚子、内圈，所述滚子用于实现所述智能轴承的滚动，其特征在于：所述智能轴承还包括传感器组件、天线、线圈组件、磁铁，其中：

所述外圈的内表面设置环形的内槽，所述传感器组件、所述天线、所述线圈分别设置于所述内槽中，所述内圈的外表面设置环形的外槽，所述磁铁设置于所述外槽中，所述磁铁随所述内圈一起高速旋转，相对于所述线圈组件产生切割磁力线运动，在所述线圈组件中产生感应电势，为所述传感器组件提供电能；

所述传感器组件用于采集智能轴承运转参数信息，并将采集到的信息转换成数据；

所述天线用于发送所述传感器组件采集的数据，实现对所述智能轴承的实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于：

所述智能轴承包括若干个所述传感器组件，所述传感器组件分别均匀设置于所述外圈的所述内槽之中；

所述智能轴承包括若干个天线，所述天线均匀设置于所述外圈的所述内槽之中，且所述天线与所述传感器组件间隔设置；

所述智能轴承包括若干个所述线圈组件，所述线圈组件均匀设置于所述外圈的所述内槽之中，且所述线圈组件与所述传感器组件和所述天线间隔设置；

所述智能轴承包括若干个所述磁铁，所述磁铁均匀设置所述内圈的所述外槽，所述磁铁的数量与所述线圈组件数量不同，且与所述线圈组件数量不互为倍数。

3.根据权利要求1所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于：所述传感器组件包括微型集成传感器、处理电路和发送电路，所述微型集成传感器用于采集所述智能轴承运转过程的参数信息，所述处理电路对采集到的所述信息进行数据处理并将处理后所述数据通过所述发送电路发送所述天线，通过所述天线输出所述数据。

4.根据权利要求1所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于：所述传感器组件包括温度传感器、加速度传感器、转速传感器，分别用于测量智能轴承运转过程中产生的温度、振动、速度的信息。

5.根据权利要求1所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于：所述天线为微带贴片天线，所述微带贴片天线包括接地板、介质基片、导体贴片，所述接地板和导体贴片分别通过胶粘接于所述介质基片的两面。

6.根据权利要求5所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于：所述接地板为长方形薄片，材料为高导电金属材料；

所述介质基片的尺寸与所述接地板相同，所述介质基片材料为高介电常数的电介质；

所述导体贴片为长方形薄片，所述导体贴片尺寸小于所述介质基片，所述导体贴片的材料为高导电金属材料，导体贴片具有微带馈线。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于，所述线圈组件包括线圈和铁芯，所述铁芯上部结构的截面形状为圆柱形，下部结构的截面形状为长方板形，所述下部结构上设置有第一通孔，所述第一通孔用于将所述线圈组件固定于所述外圈上，通过漆包线在所述圆柱形上绕制而成环形所述线圈，使所述线圈和所述铁芯形成一体化线圈组件。

8.根据权利要求7所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于，所述磁铁为弧形永磁体，所述磁铁内圆弧曲率半径等于所述内圈的所述外槽底圆的曲率半径，所述磁铁设置有第二通孔，用于将所述磁铁固定于所述内圈上。

9.根据权利要求8所述的一种内置无线传感器且具有自供电功能的智能轴承，其特征在于，所述磁铁的厚度确保所述磁铁的外圆与所述线圈组件具有一定的间隙。

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