发电机组件以及装配有该发电机组件的轴承的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于在轴承布置中采集能量的发电机组件，所述轴承布置具有第一部件(10)和第二部件(12)，其中第一部件(10)配置成相对于第二部件(12)旋转。发电机组件包括多个连接到第一部件(10)的线圈(14)，其中线圈(14)配置成与连接到第二部件(12)的具有交替的磁化方向的磁环(16)相互作用。为了实现适应性强和灵活的设计，提出了线圈(14)如此地设置和取向，使得线圈(14)的卷绕轴在相对于轴承布置的旋转轴的基本上圆周的方向上取向。
【专利说明】
发电机组件以及装配有该发电机组件的轴承
技术领域
[0001]本发明涉及用于轴承组件的发电机组件，以及装配有这样的发电机组件的轴承。
【背景技术】
[0002]在轴承上装配传感器和不同类型的电子装置是已知的。这些装置需要在保持轴承的ISO尺寸的同时被供电。此外，供电解决方案应该是可扩展的(scalable)且成本有效的。
[0003]内部供电可通过电池来实现，但这种方式由于电池寿命有限而限制了“任务时间”。此外，这种方式对环境条件的要求非常苛刻，例如高温。一种更好的内部供电方式是在轴承内部产生所需电力。后一种方法也被称为能量采集(Energy Harvesting)。
[0004]美国专利文献US5440184A公开了一种双列圆锥滚子轴承，其包含用于产生电力的发电机。发电机包括设置在两列滚子之间的转子和定子。转子携带多个具有交替极性的永磁体，以及定子环上设有多个齿状分离绕组槽，并且每一个齿状分离绕组槽均携带线圈。齿和线圈的中心轴径向向内朝向永磁体取向。
[0005]US5440184A中提出的设计并不是很灵活且具有范围受限的功能。
[0006]专利文献W02013/160035公开了一种构造为被集成在轴承组件内的发电组件，其中，发电组件与磁性轮相互作用，磁性轮包括具有交替的极化方向的磁性极化材料。
【发明内容】
[0007]本发明试图提供一种设计灵活、功能多样和用途广泛的发电机组件。
[0008]本发明从用于在轴承布置中采集电力的发电机组件出发，所述轴承布置具有第一部件和第二部件，其中第一部件配置用于相对于第二部件旋转，并且反之亦然。发电机组件包括多个连接到第一部件的线圈，并且配置用于与连接到第二部件的、具有交替的磁化方向的磁环相互作用。
[0009]本发明人提出，线圈如此地设置并取向，使得线圈的卷绕轴在相对于轴承布置的旋转轴线基本为圆周的方向上取向。该布置对应于洛伦兹型线性电动机的布置，该电动机利用作用在载有电流的导体上的、在既横向于外部磁场又横向于电流方向的方向上的洛伦兹力。线圈如此取向，使得当线圈通过周期性变化的磁场时，靠近磁环的绕组的部分经受的洛伦兹力大于作用在远离磁环的绕组的部分的洛伦兹力。在轴承环的圆周方向以及相对于线圈的卷绕轴的轴向方向上通过线圈的、磁场的周期性变化，转化成跨越线圈的周期性变化的电压，并且因此转化成可被用于能量采集的AC电流。
[0010]第一部件和第二部件可以是轴承的外环或内环或者可旋转地固定其上的部件。在其它的实施例中，两部件之一可以是在例如双列球面滚子轴承中设置在两列滚子之间的轴承保持架或导环。
[0011]根据本发明的设计是高度自适应的，因为被排成一列的线圈可以简单的方式增加或去除。
[0012]在本发明优选的实施例中，线圈被设置在条形发电机芯上，条形发电机芯在相对于轴承布置的旋转轴的圆周方向上延伸。通过使芯发生弯曲或通过使用具有所需长度的、适当弯曲的芯，发电机芯能够容易地适于曲率。优选的，条形发电机芯的主体通过层叠硅铁片制成。
[0013]本发明寻求提供一种发电机组件，其能在轴承的非常宽的转速范围内是可用的。这就需要低转速下的高效率以及高转速下受限的电流，后者为了避免后续的电子电路的损坏。本发明人提出了通过使用条形发电机芯来有意增加高转速下涡流造成的损耗，条形发电机芯的主体由金属片堆叠而成，金属片至少部分非层叠。非层叠部分可伴随有层叠部，其设置在需要更多的热传输的位置。此外，本发明提出通过将线圈缠绕或填充到铝的填料中来有意产生涡流损耗。
[0014]在本发明的优选实施例中，横截面的长度方向相对于轴承布置的旋转轴的轴向方向取向，其中线圈优选将被如此设置，使得线圈导线最靠近磁环的的一部分是直的，即成形为使得其在轴向上平直地运行。
[0015]在本发明的优选实施例中，磁化方向相对于轴承布置的旋转轴径向地取向。
[0016]如果磁环包括后铁环和多个连接其上的永磁体，磁环能够容易且以高精度地被制造。在本发明的优选实施例中，磁环包括多个以海尔贝克(Halbach)构造设置的永磁体。
[0017]本发明还提出一种发电机组件，包括整流器和适于将线圈中感应的输入电压转化成基本恒定的终端电压的电压调节器。
[0018]对于典型的应用，需要在其中采集电力的轴承的速度范围在120rpm和3400rpm之间。这些数字决定了用于电子设计的最小/最大电压范围。所需的输出DC电压范围通常在2.5伏特到5.5伏特之间并且决定了与给定速度范围产生的电压直接相关的线圈匝数。预定速度范围内可提供的电力通常应该为50mW，并且可通过调整能量采集器的尺寸来实现。对于典型的轮毂轴承的应用，操作温度在_20°C到85°C之间。抗去磁的永磁体等级的选择应被考虑在该温度范围内，其中120°C或140°C的可能峰值温度是可能的。
[0019]典型的储存温度在-400C到850C之间，并且当为在磁铁和钢环之间使用的胶水确定储存规范和运输条件时应当被考虑在内。
[0020]转换的挑战性的方面在于轴承大的速度范围。在低速端，采集器被预期从120RPM起动操作。由于可采集的数量是有限的，存在对在该最低速能被清除的电力的物理限制。由于电力随EMF的平方而变化，转换产生的每百分之一的压降使可用的减少百分之二。因为这个原因，产生一个不太小的EMF是有利的，从而使得转换器中的(最小)压降在可使用的电力中不构成较大的百分比下降。
[0021]在上端，轴承将以3400RPM(比最低运行速度快28.3倍)运行。考虑公差、系统变量(例如，温度)和安全余量，最低和最高EMF之间的比例变成约为1:50。这个数字包括允许由于一些因素增加的清除余量，例如寒冷的温度、更窄的空气间隙和轻微超速。
[0022]设计能在最高EMF中正常工作的电子设备本身并非简单的任务。优选的，阻抗发电机组件与使用最大功率传输原理的负载的预期阻抗相匹配，即，使得最大的电力能从电源被传输到负载。根据本发明的一方面，提出了选择线的厚度，使得整个电源(一个或多个拾波线圈)的电阻等于预期的负载电阻。
[0023]整流将由采集器拾取到的AC电动势(EMF)转换成DC。根据本发明的组件的整流器使用肖特基二极管，其固有地具有低的正向压降。在本发明进一步的实施例中，使用采用有源开关(场效应晶体管)的同步整流器成为可能，从而如果有用于控制开关的必须的静态功耗时更进一步地降低正向压降
[0024]根据本发明的另一方面，避免在整流器中使用电容器，因为这些风险是笨重或容易老化的。电容器具有其它的缺点，导致充电时的峰值电流，从而降低整体效率和电源的利用率。
[0025]通过向电子设备中增加预调节器电路能够大大增加可控转速的范围。该电路拓扑应该优选涉及以下具体挑战:
[0026]-电路不应要求太多电力进行操作(<lmW)，尤其是在低速时
[0027]-电路应在最低供应-EMF(最低速度时)(在Uin> = 2V时)时有效(可操作的)
[0028]-其可具有的任何“系列通”元件不应增加明显的压降(<0.1V)并且
[0029]-电路不应增加显著的成本或体积。
[0030]根据本发明的一方面，如果轴承组件的转速超过预定的阈值，预调节器电路适于与至少一些线圈断开连接。断开连接的线圈不再对电力的产生作出贡献，从而使得总效率降低。这导致输出电压和输出电流的降低，并且因此有助于避免电路中的损害。
[0031]本发明人进一步提出在高转速时改变至少一个线圈的极性，从而使得具有改变了极性的线圈将抵消另一线圈的贡献。
[0032]本发明人已经发现，通过将至少三个一组的线圈连接为三相电路，特别稳定和高效的发电机组件能够得以实现。优选的，线圈的数量是三的整数倍并且所有线圈以三相电路为相关的组星形连接。
[0033]根据本发明的另一方面，发电机组件或能量采集器集成到轴承端盖或密封件。
[0034]从两个轴承环之间的速度差采集电力。装置包含磁化转子和条状定子。在条状定子中，电力通过电磁感应装置产生。采集的电力可被用于各种电器，其中包括:传感器、控制器和无线数据传输。磁场由永磁体转子或磁环产生。磁体以可替换的配置被组装，即具有相邻的磁体指向相反的方向的磁化方向。磁场通过沿转子周向排列的金属条被吸引。
[0035]线圈缠绕在金属条上或装配在金属条上，S卩，使得线圈的中心卷绕轴在轴承的圆周方向上取向，并且线圈在圆周方向上的长度等于或小于磁体的长度。
[0036]通电时，线圈以相反的方向缠绕，S卩，相邻线圈具有相反的极性。
[0037]当磁环旋转时，条状发电机芯“看到”周期性变化的、在线圈中产生EMF电压的磁通。EMF电压与速度线性相关。轴承的速度范围是比较大的，其在电力电子设备中产生问题。优选的，电力电子设备应该能够产生1.5-3到75-90V之间的电压并对其进行管理。
[0038]本发明的上述实施例以及所附的权利要求和附图显示了本发明的多个特征部分的特定组合。为了使如权利要求所限定的本发明适应于他的特定需求，本领域技术人员能够容易地考虑到这些特征的进一步的组合或子组合。
【附图说明】
[0039]图1是根据本发明的安装于轴承的发电机组件的透视图；
[0040]图2是根据图1的发电机组件的剖视图；
[0041]图3是根据本发明的发电机组件的调节器和预调节器电路的示意性构思图。
【具体实施方式】
[0042]图1示出了用于在轴承布置内采集能量的发电机组件，所述轴承布置具有作为第一部件10的外环和作为第二部件12的内环。发电机组件包括多个线圈14，该线圈被连接到第一部件10并被配置用于与具有交替的磁化方向的磁环16相互作用，磁环16连接到第二部件12。
[0043]线圈14被设置在条状金属发电机芯18上并且如此被取向，使得线圈的卷绕轴在相对于轴承布置的旋转轴线的基本圆周方向上沿着发电机芯18取向。
[0044]如图2的剖视图所示，条状金属发电机芯18是通过层叠硅铁片制成的弧状主体。条状金属发电机芯18在相对于轴承布置的旋转轴线的圆周方向延伸。发电机芯18可具有非层叠部分。潜在的，条可以为了适合各种各样的轴承被弯曲成任何半径。此外，该设计是模块化的。多个模块(例如一个发电机芯上具有五个线圈的模块)可以组合。
[0045]线圈14具有正交循环绕组，其具有高的填充因子和在垂直于它们的卷绕轴的截面的细长或二次断面，如图2所示。设置在最靠近磁环16的一部分线圈导线是直的，这样使得由线圈捕获的磁环16的磁通量的周向分量的比例被最大化。
[0046]磁环16包括后铁环16a和多个附连到其上的永磁体16b。永磁体16b的磁化方向相对于轴承布置的旋转轴线交替地径向向外和向内和/或交替地以海尔贝克(Halbach)构造取向。
[0047]如上所述的发电机组件或能量采集器被集成到轴承端盖或密封件内。由于在轴承中的预期使用，尺寸设计要求被标准轴承尺寸严格限制。在一个典型的例子中，采集器的宽度最大为4.3mm，旋转单元(转子)的外径最大为65.5mm，磁环16的内径最小可以为58mm，以及采集器的定子应该为圆弧且最大角跨度为180度。
[0048]发电机组件还包括整流器20和电压调节器，适于将线圈中感应的输入电压转换成基本恒定的端电压，如图3所示。
[0049]到目前为止所讨论的采集器的设计将是能够由于轴承旋转而产生电力。该电力在用于驱动电子装置之前需要进行调节。由采集换能器的性质，所产生的电动势(EMF)是交流电压(AC)，其频率和幅度与轴承的角速度成比例。这通常需要被转换成2.5V-5V之间的直流电压，从而用于为电子装置供电。
[0050]考虑到产生的电压直接正比于速度，以及电力正比于速度的平方的事实，从120rpm到3400rpm的速度范围是相当大的范围。此广泛的速度范围所带来的问题是，适中的磁设计无法提供足够的电力，即低数目的线圈14以及低成本和较低等级磁环16，除非使用任意其它能量储存。另一方面，在较高的速度(超过450rpm)下，显然，即使容许一定程度的损失时，所需的50mW的电力能够容易地被达到。
[0051]为了满足上述要求，电子电路包括预调节器电路22，该预调节器电路适于在如果轴承组件的转速超过预定的阈值时断开至少与一些线圈14，具有各阶段整流器的预调节器电路22如图3所示。预调节器电路22可被看作用于轴承的发电机设计的“启动器”，由此单个磁和电子设计可用于轴承的整个速度范围。
[0052]线圈14以三个一组被划分并分别被连接作为三相电路。根据本实施例的发电机组件通过将拾波线圈14设置在图3的三相电路中来避免电容器。由于每个线圈14的相位偏移，整流电压的下降被避免，并且消除了对存储装置(电容器)的需求。
[0053]根据本发明的线圈组件对应于3相拾波线圈，每相包括η各元素。这些元素都是菊花链的;链路可被看作“多接头”输出，每个后续的“接头”提供增加了的电压。为了允许线圈14以最低速度运行，整流二极管应被放置在产生最大EMF的接头上，即在星形连接电路的末端上。当EMF变得过高时，极端情况被断开且二极管不会感到该增加了的EMF。相反，其它(下部)接头连接到所述整流器中从而无缝地继续为负载供电。
[0054]这通过使用固态器件MlM2 M3来完成，其为耗尽型MOS器件。在没有刺激的情况下(即低速启动阶段)，它们是0Ν。这样就避免了当电力不足时额外的损耗。图3中的“接地”点是三相机的(有条件的)“星”点。每个分支(即(n = p+q))中的拾波线圈14积极地有利于发电。
[0055]当启用时，栅极驱动应当关闭MOS器件Ml、M2、M3。单一装置可用于给所有三个MOS器件M1、M2、M3供电。这可以是在整流输出(其中，决策发生)和星点(其中需要切换)之间给出电流隔离的光学器件
[0056]当MlM2 M3被关闭，只有3x‘p’拾波线圈利于清除。
【主权项】
1.一种用于在轴承布置中采集能量的发电机组件，所述轴承布置具有第一部件(10)和配置成相对于该第一部件(10)旋转的第二部件(12)，发电机组件包括多个连接到第一部件(10)的线圈(14)，其中线圈(14)配置成与连接到第二部件(12)的具有交替的磁化方向的磁环(16)相互作用， 其特征在于，线圈(14)被放置和取向成以使得线圈(14)的卷绕轴在相对于所述轴承布置的旋转轴的基本上圆周的方向上取向。2.如权利要求1所述的发电机组件，其特征在于，线圈(14)被放置在条状发电机芯(18)上，该条状发电机芯(18)在相对于所述轴承布置的旋转轴的圆周方向上延伸。3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于，条状发电机芯(18)是通过层叠硅铁片制成的主体。4.如权利要求1和2之一所述的发电机，其特征在于，条状发电机芯(18)是由至少部分非层叠的金属片堆叠而成的。5.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，线圈(14)被包装在铝罩中。6.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，缠绕于设置在最靠近磁环(16)的线圈导线的一部分上的线圈(14)被成形为以使得它在轴向方向上直线运行。7.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，磁化方向相对于所述轴承布置的旋转轴径向地取向。8.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，磁环(16)包括后铁环(16a)和多个连接在其上的永磁体(16b)。9.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，磁环(16)包括多个以海尔贝克构造设置的永磁体(16b)。10.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，还包括整流器(20)和适于将线圈(14)中感应的输入电压转换成基本恒定的终端电压的电压调节器(22)。11.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，还包括预调节电路(22)，适于当轴承组件的转速超过预定的阈值时断开与至少一些线圈(14)的连接。12.如前述任一权利要求所述的发电机组件，其特征在于，至少三个为一组的线圈(14)连接成三相电路。13.—种轴承组件，包括轴承，至少一个用于确定轴承的运行参数的传感器，以及至少一个用于处理和/或传输传感器的信号的电子装置，以及根据上述任一权利要求所述的发电机组件。14.如权利要求13所述的轴承组件，其中发电机组件集成到轴承的端盖中。
【文档编号】H02K7/18GK106015367SQ201610326273
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】G·安杰利斯, N·S·W·登哈克, F·S·诺马勒
【申请人】斯凯孚公司