CN110048554A - 用于监控磁性轴承装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控旋转电机的磁性轴承装置的方法。为了改进对有源的磁性轴承中的转动体的位置确定进行监控而提出，磁性轴承装置具有至少基本上对角地对置的第一对传感器和至少基本上对角地对置的第二对传感器，第二对传感器布置成相对于第一对传感器以一个角度错开，其中，分别测量传感器到布置在传感器对之内的转动体的距离，其中，从第一传感器对的距离值得出第一平均距离并且从第二传感器对的距离值得出第二平均距离，其中，检测第一平均距离的第一变化和第二平均距离的第二变化，其中，比较平均距离的变化，其中，只要平均距离变化之差超出极限值，输出警告信号。

Description

用于监控磁性轴承装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于监控磁性轴承装置的方法。

此外，本发明涉及一种控制单元，具有用于执行这种方法的部件。

此外，本发明涉及一种计算机程序，用于在控制单元中运行时执行这种方法。

本发明还涉及一种具有计算机程序的计算机程序产品。

本发明还涉及一种用于执行这种方法的传感装置。

此外，本发明涉及一种磁性轴承装置，具有至少一个磁性轴承和至少一个传感装置。

本发明还涉及一种具有至少一个磁性轴承装置的旋转电机。

背景技术

这种方法特别用于快速转动的旋转电机的有源的磁性轴承中，旋转电机例如是发动机、发电机、压缩机或涡轮机。例如，快速转动的旋转电机能够以至少1兆瓦的功率和至少5000转/分的转速运行，然而本发明不局限于这种机器。

借助相对于转动体位置的位置测量值，实现有源的磁性轴承的位置调节。转动体例如是旋转电机的转子。位置测量值利用距离传感器来检测。位置调节基于传感器所检测到的测量信号获得转子位置作为输入信号。如果距离传感器提供错误的信号，那么转子因为位置调节而离开希望的位置。位置传感器的错误会导致错误测量，例如因为传感器的热偏移引起的错误测量，一定要及早地识别位置传感器的错误，以便排除在错误的地方继续处理。除了传感器偏移以外，在确定有源的磁性轴承中的转动体的位置时，应基于转动体的扩张对测量错误进行补偿，转动体的扩张例如因为离心力或者温度而引起。

专利文献DE 10 2009 039 485 B4描述了一种调节系统和用于调节磁性轴承的方法。

公开文献DE 42 15 381 A1描述了一种装置，具有两个传感单元以用于径向地和/或轴向地检测轴的位置，它们分别至少由一对大约对角地对置的传感器组成。

公开文献EP 3 203 191 A1描述了一种用于磁性轴承装置的传感装置，其具有位移传感器和传感环。

发明内容

本发明基于以下目的，改进对有源的磁性轴承中的转动体的位置确定的监控。

根据本发明，该目的通过一种用于监控旋转电机的磁性轴承装置的方法来实现，磁性轴承装置具有至少基本上对角地对置的第一对传感器和至少基本上对角地对置的第二对传感器，第二对传感器布置成相对于第一对传感器以一个角度错开，其中，分别测量传感器到布置在传感器对之内的转动体的距离，其中，从第一传感器对的距离值得出第一平均距离并且从第二传感器对的距离值得出第二平均距离，其中，检测第一平均距离的第一变化和第二平均距离的第二变化，其中，比较平均距离的变化，其中，只要平均距离变化之差超出极限值，输出警告信号。

根据本发明，该目的还通过一种控制单元、一种计算机程序、一种计算机程序产品、一种传感装置、一种磁性轴承装置和一种旋转电机来实现。

下面相关于方法所陈述的优点和优选设计方案在本质上能够转移给控制单元、计算机程序、计算机程序产品、传感装置、磁性轴承装置和旋转电机。

本发明基于以下构思，在有源的、特别是实施为径向轴承和/或轴向轴承的磁性轴承中，将彼此以一个角度错开布置的两个相互独立调节的传感器轴线的传感器评估相关联，从而不仅在转动的而且还在静止的转子的情况下识别，距离传感机构是否提供有错误的值。在错误情况下，可以导入适当的安全措施。传感机构例如在至少一个传感器有偏移、特别是热偏移时提供有错误的值。从相互对置的传感器的、所得出的距离值来得出与存储的数据组相比的平均距离变化，其中，平均距离变化等于这两个对置的传感器的距离变化的一半总额。距离变化等于测量的所得出距离和数据组的距离的差。先前数据组例如以一次模拟为基础。如果距离变化的差△d1、△d2超过极限值，那么存在至少一个传感器错误。这种传感器错误例如通过故障信号来得出。如下地选择极限值，即，避免错误触发，然而还是可靠地防止转动体与例如扣机轴承(Fanglager)的碰撞。

由热或者离心力诱导出的转子扩大是没有问题的，因为该扩大至少基本上均匀地在径向上发生。因为在错误探测时，比较的是平均距离的变化而不是比较绝对值，所以这种方法是简单的且针对外界影响是鲁棒的。通过对两个传感器轴线的组合评估，能够在没有额外的传感机构的情况下实现传感器监控。因此对传感器数据的监控能够便宜且高效地转用。

通过控制单元控制方法流程。用于执行这种方法的部件包括计算机程序和例如微控制器或者其他的可编程的逻辑模块。控制单元例如布置在传感装置中。

所输出的警告信号例如实施为声学的、光学的和/或电信号。旋转电机例如是发动机、发电机、压缩机或者涡轮机。特别是，旋转电机能够以至少1兆瓦的功率并且以至少5000转/分的转速运行。

在一种优选的设计方案中，变化与一次先前测量相关。先前测量的测量数据，特别是与模拟相比，是极其准确的，因为在测量中至少考虑到了在时间上恒定的框架条件和环境影响，由此能够实现可靠的错误探测。

在另一种有利的设计方案中，先前测量是校准测量。在这种校准测量中，转动体布置在参考位置上。由此能够选择更高的极限值，从而改进错误探测的可靠性。

在一种优选的实施方式中，在校准测量时如下地调节转动体的位置，即，传感器到转动体的距离都相同并且等于标准距离。通过将转动体居中地定位，减少了碰撞的概率并且改进了错误探测的可靠性。

特别有利地，传感器实施为感应式位移传感器，通过感应式位移传感器不接触地检测距离。感应式位移传感器也称为涡流传感器。这类传感器极其准确、成本低廉并且可靠。

在另一种有利的设计方案中，对角地对置的第二对传感器布置成相对于对角地对置的第一对传感器转动60°到120°的角度。通过传感器轴线的这种布置，简化了测量的评估。特别有利地，对角地对置的第二对传感器布置成至少基本上垂直于对角地对置的第一对传感器。通过传感器轴线的这种布置，简化了测量的评估。

在另一种有利的实施方式中，在传感器之一的区域中布置至少一个冗余传感器，其中，得出至少一个冗余传感器到转动体的距离。利用至少一个附加的传感器，除了传感机构的不一致性以外，还可以探测出故障的传感器。

特别有利地，通过对得出的距离进行比较，探测出故障的传感器。因为对于相关轴线的传感器和直接相邻的冗余传感器来说，在到转动体的距离方面适用基本一致的框架条件，利用与直接相邻的传感器的距离进行比较特别可以识别出具有故障的传感器的轴线，并且通过将调节从与冗余传感器相邻的传感器切换到冗余传感器，故障的传感器自身能够被探测出。通过这样在没有其他测量的情况下直接辨别出故障的传感器，减少了旋转电机的停机时间，进而改进了机器的可用性。

附图说明

下面根据图中所示的实施例详尽地描述和阐述本发明。

其示出：

图1是旋转电机的纵截面，

图2是具有传感装置的第一实施方式的磁性轴承装置的横截面，

图3是具有传感装置的第一实施方式的磁性轴承装置的横截面，其中转动体相对于校准测量有位移，以及

图4是具有传感装置的第二实施方式的磁性轴承装置的横截面。

具体实施方式

图1示出了位于基底4上的旋转电机2。旋转电机2实施为发动机或者发电机，并且具有能够围绕旋转轴线6旋转的转子8和包围转子8的定子10。转子8的轴12在两个轴向端部处分别通过一个有源的磁性轴承装置14来不接触地支承。替代地，旋转电机2实施为具有轴12的涡轮机，轴在轴向端部处分别通过一个有源的磁性轴承装置14来不接触地支承。

经由传感装置18得出转动体20的位置，其中，转动体20包括具有轴12的转子8。可选地，转动体20在传感装置18的区域中具有传感环22，传感环与轴12相连。例如，传感环22与轴12材料配合地相连或者热压配合到轴12上。转动体20具有至少基本上为圆形的横截面。

传感装置包括围绕轴12的圆周布置的传感器S1、S2，它们设计成感应式位移传感器并且适用于不接触地检测转动体20到相应传感器S1、S2的距离。感应式位移传感器例如用于，经由气隙测量出阻抗并且优选地测量出阻抗的变化。

磁性轴承装置14示例性地实施为径向轴承。将传感装置18用于轴向轴承同样也属于本专利申请的主题，其中，在轴向轴承的情况下，传感装置18设置用于得出转动体20在轴向上的位置。

图2示出了具有传感装置18的第一实施方式的磁性轴承装置14的横截面，其中，转动体20通过磁性轴承装置14不接触地支承。传感装置18包括两对呈对角地对置的传感器S1、S2、S3、S4，它们分别形成轴线a1、a2，其中，第二对S3、S4的第二轴线a2布置成相对于第一对S1、S2的第一轴线a1转动接近90°的角度α。传感器S1、S2、S3、S4与中央单元24相连，中央单元包括评估单元26和控制单元28。所测量的传感器数据到中央单元24的传输例如电力地实现、特别是以电缆连接来实现、或者经由光导体来光学地实现。传感器S1、S2、S3、S4实施为感应式位移传感器，通过感应式传感器分别不接触地检测相应传感器S1、S2、S3、S4到转动体20的距离d1、d2、d3、d4。得出的数据被数字化并且至少部分地发送到IT基础设施30。IT基础设施30例如是至少一个本地的计算机系统或者是云，并且提供存储空间、计算能力和应用软件。在云中，存储空间、计算能力和应用软件作为服务通过网络来提供。到IT基础设施30的数字数据传输无线地、有线地或者光学地实现。例如通过蓝牙或者WLAN传输数据。

为了检查传感器是否输出了错误的值，从第一传感器对S1、S2的距离值得出第一平均距离，并且从第二传感器对S3、S4的距离值得出第二平均距离，其中，第一平均距离的第一变化△d1和第二平均距离的第二变化△d2经由与一次先前测量进行比较来检测。紧接着将平均距离的变化△d1、△d2进行比较，其中，只要距离变化△d1、△d2之差超过极限值，就输出警告信号。如下地选择极限值，使得避免触发错误，然而还是可靠地防止转动体20与例如扣机轴承的碰撞。

警告信号例如实施为声信号、光信号和/或电信号，其中，在输出警告信号时，例如旋转电机2转为安全状态。

在旋转电机运行期间出现的转子热扩张△th、即因为转子8发热导致的、轻微但均匀的转动体直径增大，对于上述检查来说是没有问题的，因为对平均距离的变化△d1、△d2进行比较，而不比较绝对值。在轴向轴承上的应用是可行的。图2中的磁性轴承装置14的其他实施方案与图1中的相对应。

图3示出了具有传感装置18的第一实施方式的磁性轴承装置14的横截面，并且转动体20相对于校准测量有位移V。相对于转动体20的表面在圆周方向上的基本上圆形的曲率来说，转动体20的位移V是非常小的，所以转动体20的表面在位移V的范围内应视为基本上是直的。

如下地调节转动体20在校准测量时的位置，即，传感器S1、S2、S3、S4到转动体20的距离d1、d2、d3、d4相同并且等于标准距离d0。转动体20的旋转轴线6相关于第一轴线a1在第一传感器S1的方向上移动x，并且相关于第二轴线a2在第四传感器S4的方向上移动y。此外，从校准测量开始就发生转子扩张△th。第一传感器S1中的示例性的测量错误通过错误值ε建立模型。

传感器S1、S2、S3、S4提供以下距离d1、d2、d3、d4以与标准距离d0比较：

d1＝d0-x-△th±ε

d2＝d0+x-△th

d3＝d0+y-△th

d4＝d0-y-△th

从中得到以下的平均距离变化△d1、△d2：

平均距离变化△d1、△d2的比较显示，存在一个传感器故障，因为第一平均距离变化△d1与第二平均距离变化△d2相差±ε距离。

此外，该计算还显示，方法对转动体20的一个可能甚至是希望的位移V不敏感。在经由对平均距离变化△d1、△d2进行比较来探测传感器故障时，转子的热扩张△th是没有问题的，因为转子扩张△th在所有的方向上均匀地实现。如果参考测量不是上述的校准测量，即传感器S1、S2、S3、S4到转动体20的距离d1、d2、d3、d4在校准的时间点不等于d0，方法也仍然有效，因为对平均距离变化△d1、△d2进行比较。图3中所示的磁性轴承装置14的其他实施方案与图1中的相对应。

图4示出了具有传感装置18的第二实施方式的磁性轴承装置14的横截面。

传感器S1、S2、S3、S4分别对应有一个冗余传感器R1、R2、R3、R4，以便除了传感机构的可能的不一致性以外还直接地探测出运行有错误的传感器。冗余传感器R1、R2、R3、R4成对地对角地对置，其中，这些对分别形成一个轴线。冗余传感器R1、R2、R3、R4的轴线a3、a4布置成相对于传感器S1、S2、S3、S4的轴线转动直至10°范围内的错位角β。对于传感器S1、S2、S3、S4和它们直接相邻的冗余传感器R1、R2、R3、R4，在到转动体20的距离方面，适用基本一致的框架条件。

得出冗余传感器R1、R2、R3、R4到转动体20的距离e1、e2、e3、e4，其中，有错误的传感器S1、S2、S3、S4、R1、R2、R3、R4通过对所得出的距离d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4进行比较来探测出。图4中的磁性轴承装置14的其他实施方案与图2中的相对应。

总之，本发明涉及一种用于监控旋转电机2的磁性轴承装置14的方法。为了改进对有源的磁性轴承中的转动体的位置确定进行监控而提出，磁性轴承装置14具有至少基本上对角地对置的第一对传感器S1、S2和至少基本上对角地对置的第二对传感器S3、S4，第二对传感器布置成相对于第一对传感器S1、S2以一个角度α错开，其中分别测量传感器S1、S2、S3、S4到布置在传感器对S1、S2、S3、S4之内的转动体20的距离d1、d2、d3、d4，其中，从第一传感器对S1、S2的距离值得出第一平均距离并且从第二传感器对S3、S4的距离值得出第二平均距离，其中检测第一平均距离的第一变化△d1和第二平均距离的第二变化△d2，其中比较平均距离的变化△d1、△d2，其中，只要平均距离变化△d1、△d2之差超出极限值，输出警告信号。

Claims (15)

1.一种用于监控旋转电机(2)的磁性轴承装置(14)的方法，所述磁性轴承装置具有至少基本上对角地对置的第一对传感器(S1、S2)和至少基本上对角地对置的第二对传感器(S3、S4)，所述第二对传感器布置成相对于所述第一对传感器(S1、S2)以一个角度(α)错开，其中，分别测量传感器(S1、S2、S3、S4)到布置在所述传感器对(S1、S2、S3、S4)内的转动体(20)的距离(d1、d2、d3、d4)，其中，从所述第一传感器对(S1、S2)的距离值得出第一平均距离并且从所述第二传感器对(S3、S4)的距离值得出第二平均距离，其中，检测所述第一平均距离的第一变化(△d1)和所述第二平均距离的第二变化(△d2)，其中，比较所述平均距离的所述变化(△d1、△d2)，其中，只要平均距离变化(△d1、△d2)之差超出极限值，输出警告信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变化(△d1、△d2)都与一次先前测量相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述先前测量是校准测量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述校准测量时调节所述转动体(20)的位置，使得所述传感器(S1、S2、S3、S4)到所述转动体(20)的距离(d1、d2、d3、d4)相同，并且等于标准距离(d0)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传感器(S1、S2、S3、S4)实施为感应式位移传感器，通过所述感应式位移传感器不接触地检测所述距离(d1、d2、d3、d4)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对角地对置的所述第二对传感器(S3、S4)布置成相对于对角地对置的所述第一对传感器(S1、S2)有60°到120°的角度(α)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述传感器(S1、S2、S3、S4)之一的区域中布置至少一个冗余传感器(R1、R2、R3、R4)，其中，得出所述至少一个冗余传感器(R1、R2、R3、R4)到所述转动体(20)的距离(e1、e2、e3、e4)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过对得出的距离(d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4)进行比较，探测出有错误的传感器(S1、S2、S3、S4、R1、R2、R3、R4)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过输出所述警告信号使得所述旋转电机(2)转为安全状态。

10.一种控制单元(26)，具有用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的部件。

11.一种计算机程序，用于在根据权利要求10所述的控制单元(26)中运行时执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

12.一种计算机程序产品，具有根据权利要求11所述的计算机程序。

13.一种传感装置(18)，用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述传感装置具有至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)和一个根据权利要求10所述的控制单元(26)。

14.一种磁性轴承装置(14)，具有至少一个磁性轴承(16)和至少一个根据权利要求13所述的传感装置(18)。

15.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求14所述的磁性轴承装置(14)。