Lagermodul mit Sensoreinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagermodul, das eine fest, austauschbare Baueinheit zum Lagern einer Welle insbesondere einer elektrischen Maschine darstellt, mit einem Träger und einer Lagereinrichtung, die an dem Träger befestigt ist, zur drehbaren Lagerung der Welle. Lager von elektrischen Maschinen unterliegen im Betrieb einer gewissen Veränderung. Diese Veränderung kann im Extremfall besonders stark sein (Ermüdungsschäden, Riffelbildung) , wenn über das Lager Lager ^¬ ströme abfließen. Daher ist es zweckmäßig, das Lager zu überwachen .

Bisher wurden verschiedene Einzelsensoren eingesetzt, deren Messwerte offline aus Kostengründen sporadisch zu einem Zu- standsbild verdichtet werden konnten. Dies führt zu einem aufwändigen, schwer automatisierbaren Messvorgang, der zudem den aktuellen Lagerzustand ungenau darstellt. Die Instandhaltungsmaßnahmen können so nicht gezielt festgelegt werden und ein vollständiger Schutz gegen Anlagenausfall kann somit nicht gewährleistet werden. Das Anbringen eines Einzelsensors an ein Lager ist außerdem mühsam und oft überhaupt nicht möglich. Außerdem kann der Sensor häufig nur annähernd an die gewünschte Position angebracht werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine zuverlässig überwachbare Lagereinheit bereitzustellen, die außerdem ohne hohen Aufwand montierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Lagermo- dul, das eine feste, austauschbare Baueinheit zum Lagern ei ^¬ ner Welle insbesondere einer elektrischen Maschine darstellt, mit einem Träger und einer Lagereinrichtung, die an dem Träger befestigt ist, zur drehbaren Lagerung der Welle, weiter- hin umfassend eine Sensoreinrichtung, die ebenfalls an dem Träger befestigt ist, zur Erfassung einer physikalischen Größe der Lagereinrichtung und eine Schnittstelleneinrichtung, mit der ein Sensorsignal der Sensoreinrichtung von dem Lager- modul nach außen übertragbar ist.

In vorteilhafter Weise steht somit ein einziges kompaktes Bauteil zur Verfügung, welches sowohl die Lagerfunktionalität als auch die Sensorfunktionalität in sich vereint. Es ist leicht montierbar und stellt die gewonnenen Sensordaten über eine Schnittstelle zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.

Vorzugsweise besitzt die Lagereinrichtung ein Wälzlager (optional ein Gleitlager) . Darüber hinaus kann der oben genannte Träger ein Lagergehäuse oder ein Lagerdeckel sein.

Des Weiteren kann die Sensoreinrichtung mehrere Sensoren unterschiedlichen Typs aufweisen. Somit lassen sich über das Lager gleichzeitig mehrere verschiedene Zustandsdaten gewin- nen, welche über die Schnittstelleneinrichtung bereitgestellt werden .

Speziell kann die Sensoreinrichtung einen Schwingungssensor zum Erfassen von Schwingungen der Welle aufweisen. Außerdem kann die Sensoreinrichtung einen Ultraschallsensor zum Messen von Laufbahngeometrieänderungen des Wälzlagers der Lagereinrichtung und/oder einen Sensor zur Überwachung des Zustands eines Schmierfilms in der Lagereinrichtung besitzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung auch einen Sensor zur Erfassung einer Zeitdauer einer Entladung in der Lagereinrichtung und/oder Sensoren zur gleichzeitigen Erfassung von Schmierfilmdicke (direkt oder indirekt z. B. über Kapazitätsmessung) und Lagerspannung in der Lagereinrichtung aufweisen. Damit lassen sich unterschiedlichste Zustandsgrö- ßen eines Lagers in einem einzigen Lagermodul erfassen und bereitstellen . Das Lagermodul kann außerdem eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines Verhältnisses aus einer Lagerspannung und einer GleichtaktSpannung oder zum Ermitteln eines Energieflusses aus Sensorgrößen aufweisen, wobei ein entsprechendes Auswer- tesignal über die Schnittstelleneinrichtung ausgebbar ist. Grundsätzlich kann die Auswerteeinrichtung auch zu anderen Arten von Vorverarbeitung der Daten ausgebildet sein. Damit lassen sich beispielsweise Daten in einem gewünschten Format bereitstellen .

In einer weiteren Ausführungsform kann die Schnittstellenein ^¬ richtung zur drahtlosen Datenübertragung ausgelegt sein. Auf diese Weise lässt sich der Montageaufwand noch weiter reduzieren .

Wie oben bereits angedeutet wurde, besteht eine besonders vorteilhafte Anwendung darin, die Welle einer elektrischen Maschine mit dem geschilderten Lagermodul auszustatten. Durch eine bisher nicht zur Verfügung stehende, zeitgleiche Detektion und Auswertung wichtiger, das Lagerverhalten bestimmender Parameter, können schädliche stromdurchgangsbe- dingte Veränderungen im Bereich von Wälzlagern (z. B. Verän ^¬ derungen der Laufbahnen durch so genannte Riffelbildung) nicht sicher erkannt werden. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Lagermodul nun möglich.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt durch ein Lagermodul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG 2 einen Querschnitt durch ein Lagermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; FIG 3 einen Querschnitt durch ein Lagermodul gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und FIG 4 ein Blockschaltdiagramm zum Gewinnen der momentanen

Schmierfilmdicke im Lager.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar.

In FIG 1 ist die Hälfte eines Lagermoduls eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Lagermodul 1 dient hinsichtlich seiner Lagerfunktionalität zur La- gerung einer Welle 2 an einem Lagerschild 3. Das Lagermodul 1 besitzt einen Träger 4, der hier zusammen mit dem Abschnitt 7 ein Lagergehäuse bildet. In den Träger 4 bzw. das Lagergehäuse ist im vorliegenden Beispiel ein Wälzlager 5 eingebaut (ein Gleitlager ist ebenfalls denkbar) , das den Träger 4 ge- genüber der Welle 2 abstützt. Andererseits ist der Träger 4 an das Lagerschild 3 montiert. Zwischen diesen beiden Komponenten befindet sich eine mechanische und/oder elektrische Isolation 6. Das Lagergehäuse 4, 7 dichtet einen Schmierstoffraum des Wälzlagers 5 nach außen ab.

In das Lagermodul 1 sind in dem Beispiel von FIG 1 mehrere Sensoren eingebaut. Insbesondere befindet sich ein Temperaturfühler 8 in einer Bohrung im Träger 4. Außerdem befindet sich an dem Träger 4 ein Schwingungsaufnehmer 9. An das La- gergehäuse 7, das auch als Teil des Trägers 4 betrachtet werden kann, ist eine Vorrichtung zur Überwachung von Lagerströmen, insbesondere ein Lagerstromsensor 10 angrenzend an die Welle 2 angebracht. Er misst einen Lagerstrom indirekt über kapazitive Spannungsmessung. Die Messung erfolgt also berüh- rungslos. Des Weiteren ist ein Strommesser 11 an ein Kabel 12 angeschlossen, welches den Träger 4 mit dem Lagerschild 3 elektrisch verbindet. Das Lagermodul 1 kann außerdem über eine Auswerteelektronik verfügen, welche in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellt ist. Außerdem besitzt das Lagermodul 1 eine Datenschnittstelle, um die Daten der Sensoreinrichtung, d. h. der mehreren Sensoren 8 bis 11 nach außen gegebenenfalls drahtlos zu übertragen. Auch diese Schnittstelle ist in FIG 1 wie auch in den Figuren 2 und 3 der Übersicht halber nicht eingezeichnet.

In dem Ausführungsbeispiel von FIG 2 besitzt das Lagermodul 1 im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der des Ausführungs ^¬ beispiels von FIG 1. Es wird daher in Bezug auf die gleichen Komponenten beziehungsweise die gleichen Bezugszeichen auf die Beschreibung von FIG 1 verwiesen. Der einzige Unterschied des Lagermoduls von FIG 2 zu dem von FIG 1 besteht darin, dass anstelle des Lagerstromsensors 10 mit kapazitiver Spannungsmessung in FIG 1 ein Lagerstromsensor 13 mit Spannungsmessung mittels Bürste eingesetzt ist. Auch dieser Lager ^¬ stromsensor 13 ist an dem Lagergehäuse 7 befestigt. Die Bürste des Lagerstromsensors 13 läuft auf einem nicht näher dar- gestellten Schleifring der Welle 2.

In dem weiteren Ausführungsbeispiel von FIG 3 ist das Lagermodul ausgebildet wie in FIG 1. Es wird daher ebenfalls auf die Beschreibung zu FIG 1 verwiesen. Zusätzlich ist jedoch in den Träger 4 am Umfang des Wälzlagers 5 ein Sensor 14 für Laufbahngeometrieveränderungen integriert. Außerdem ist in den Träger 4 hier an der Stirnseite des Wälzlagers 5 ein Sensor 15 zur Feststellung von Veränderungen des Schmierfettzustands integriert.

Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der Lagermodule insbesondere die der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Durch die Zusammenfassung mehrerer Sensorprinzipien, die an einem Motor beziehungsweise Lager zu einem gemeinsamen Sensorsystem zusammengefasst werden, ergeben sich deutliche Vorteile für die aktuelle Zustandbestimmung des Motors beziehungsweise Lagers. Das Sensorsystem erfasst reale aber auch virtuelle, errechnete Sensorwerte permanent, so dass fortlaufend, zeitgleich ein aktuelles Zustandsbild des Lagers gewonnen werden kann. Außerdem ergibt sich ein besonderer Vorteil durch die Integration eines oder mehrerer Sensoren bezie- hungsweise des Sensorsystems in die Lagereinheit, so dass ein multifunktionales Lagermodul bereitgestellt werden kann. Speziell wird das Lagergehäuse und/oder der Lagerdeckel mit entsprechender Sensorik ausgestattet. Nach außen wird eine einzige Schnittstelle herausgeführt, an der die Sensorikdaten bereitgestellt werden.

Das erfindungsgemäße Lagermodul besitzt also einen intelli ^¬ genten Sensor zur permanenten Online-Überwachung des Lagers. Mit den Sensordaten können beispielsweise mechanische Parame- ter des Lagers, wie z. B. die Drehzahl, eingestellt werden, so dass sich eine Riffelbildung im Lager vermeiden lässt.

Mit der oben dargestellten Sensorik lässt sich beispielsweise die Zeitdauer von Funkenentladungen ermitteln, die eine es- sentielle Rolle bei der Lagerstromproblematik spielt. Bei

Verlängerung der Zeitdauer der Entladung um den Faktor 10 ändert sich das Volumen, das beaufschlagt wird, um den Faktor 1000, wenn der Effekt dynamisch betrachtet wird. Der Energieeintrag pro Volumeneinheit ist entsprechend geringer.

Mit den Funkenentladungen erwärmt sich das Lager lokal an den Aufschmelzungspunkten . Der thermische Eintrag pro Volumenein ^¬ heit und damit die Schädlichkeit ist dem Verhältnis aus Energie W und Zeitdauer T der Entladung zur dritten Potenz pro- portional, wenn der Vorgang dynamisch betrachtet wird, d. h. die Wärmeleitung berücksichtigt wird. Wird die Entladung verlangsamt, wird sie, was ihre Auswirkung auf die metallischen Wälzlagerkomponenten angeht, unkritischer. Dieser Effekt ist mit einem Plasma-Detektion-Sensor messbar. Hierauf kann z. B. durch eine Veränderung der Umrichterparameter Einfluss auf die Steilheit des Spannungsanstiegs genommen werden oder die Erdung optimiert werden. Negative Auswirkungen von Änderungen an der Installation können ebenfalls durch die Vielzahl der Sensoren festgestellt werden. Beispielsweise treten unter bestimmten Betriebszuständen mechanische Schwingungen auf, die besonders schnelle Entladungen hervorrufen. Beispielsweise treten unter bestimmten Betriebszuständen besonders schnelle Entladungen auf. Dieser Zustand kann erkannt und ein anderer unkritischer Betriebs zustand eingestellt werden. Weiterhin könnten starke geometrische Veränderungen der Laufbahn, z. B. in der Lastzone des Wälzlagers durch so genannte Riffelbildung durch Online-Messung von Laufbahngeometrieänderungen z. B. über die Ultraschallprüfmethodik detektiert werden.

Darüber hinaus kann durch die oben vorgestellte Sensorik eine Überwachung des Schmierstoffzustands des Lagers durchgeführt werden. Diese Überwachung kann insbesondere durch eine Detektion der thermischen Schädigung des Schmierfetts (z. B. gasförmige Abbauprodukte) beziehungsweise durch eine stromdurch- gangsbedingte Zunahme des Gehalts an Elementen des Laufbahnwerkstoffs (z. B. Eisen) erfolgen. Weiterhin kann auf strom- durchgangsbedingte Veränderungen (Schädigungsakkumulation) des Schmierstoffs indirekt durch die sich verändernden Charakteristika der Stromdurchgangsereignisse geschlossen werden. Die Detektion der riffelbedingten Laufbahnveränderungen beziehungsweise die Detektion von Abbauprodukten des Schmierfetts setzen voraus, dass die Sensoren, wie in FIG 3 angedeutet ist, im Bereich der Lastzone des Lagers beziehungsweise in der Nähe des Schmierspalts angeordnet sind.

Sofern eine Auswerteeinrichtung in dem Lagermodul vorhanden ist, ist die Durchführung einer Online-FFT-Schwingungsanalyse und hieraus unter anderem auch die Analyse der an die Motorwelle angeschlossenen Aggregate implementierbar. Die Online- Schwingungsanalyse kann mittels Schwingungsaufnehmer (vertikale und/oder horizontale Richtung) und anschließender FFT- Schwingungsanalyse zur Charakterisierung des Lagerzustands (Riffelgrad) über Anstieg der Schwingungsbeschleunigung und Schwingungsgeschwindigkeit bei diskreten Frequenzen erfolgen. Diese diskreten Frequenzen sind abhängig von der Motordrehzahl, der Lagerdimensionen, der Wälzkörperanzahl und dem Rif- feiabstand. Da diese Größen bekannt sind, können die entsprechenden, die Schädigung anzeigenden Frequenzen ermittelt werden. Es sind aber auch Fehler der an der Welle angeschlossenen Aggregate erkennbar. Die Auswertungen sind hier jedoch spezifisch für die Aggregat-Technologie (z. B. bei Pumpen an ^¬ ders als bei Zementmühlen) .

Mithilfe des erfindungsgemäßen Lagermoduls können auch Plas ^¬ ma-Entladungen minimiert werden, die das Lager schädigen. Die Plasma-Entladungen rufen einen besonders hohen Materialabtrag hervor, der zur Riffelbildung führt. Ein Kombi-Sensor, der unter anderem die Zeitdauer der Entladungen (direkt oder indirekt) misst, kann in Verbindung mit der Messung weiterer Größen eine Optimierung beziehungsweise Erkennung von ungüns- tigen Zuständen ermöglichen. Beispielsweise treten unter bestimmten Betriebszuständen kurzzeitige Entladungen auf. Diese Zustände können erkannt und es können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Mit dem Lagermodul beziehungsweise einer daran angeschlosse ^¬ nen Auswerteeinheit ist eine Identifikation der Auswirkungen von Stromdurchgangsereignissen durch das Lager möglich. Beispielsweise können so anhand von elektromagnetischen Wellen elektrische Veränderungen aufgrund der Stromdurchgangsereig- nisse erkannt werden. Außerdem können mechanische Veränderungen bedingt durch Schwingungen aus geometrischen Laufbahnveränderungen oder Schwingungen aus Durchschlagsereignissen erkannt werden. Weiterhin können auch Veränderungen im Bereich des Schmierfetts durch z. B. Veränderungen des Fetts (Eisen- gehalt, Zersetzungsprodukte) , Zusetzen eines Indikators/Verbrauchsmessung, Detektion von Zersetzungsprodukten des Schmierfetts, Geometrieveränderungen der Laufbahnen und Ultraschallmessung der Wanddickenveränderung der Laufbahn erkannt werden.

Ferner kann ein entsprechend ausgestattetes Lagermodul die gleichzeitige Erfassung von Schmierfilmdicke (direkt oder in ^¬ direkt z. B. über Kapazitätsmessung) und Lagerspannung ermög- liehen. So kann beispielsweise die Schraierfilmdicke über Kapazitätsmessung aus einer Ladekurve ermittelt werden. Die Lagerspannung lässt sich direkt messen. Durch das Produkt aus gemessener Lagerspannung und den mit Sensor 11 ermittelten Wert für den indirekten Lagerstrom über die Überbrückung 12 der Isolation 6 lässt sich ein sog. Lager-Leistungswert er ^¬ mitteln. Mit der Integration über die Zeit folgt die durch das Lager fließende Energie. Damit ist eine Anzahl kritischer Lagerstromereignisse (Energieeintrag zur Bestimmung des Schä- digungsfortschritts ) ermittelbar beziehungsweise schätzbar.

Hintergrund dieser Methode ist, dass die Durchschlagsspannung direkt von der Schmierfilmdicke abhängt. Riffelbildung tritt oberhalb eines Grenzwertes für die durch das Lager fließende Energie auf. Die Energie muss hinreichend groß sein, dass ei- ne Verdampfung des Laufbahnmaterials stattfindet. Ist die

Energie unterhalb dieses Wertes, findet lediglich eine Materialaufschmelzung statt. Gezählt werden nur Ereignisse welche diese Verdampfungsbedingung erfüllen. Über die Häufigkeit dieser Ereignisse kann die Ausfallwahrscheinlichkeit inner- halb eines bestimmten Zeitraums ermittelt werden.

Mit einem geeignet ausgestatteten Lagermodul kann aber auch ein Energiefluss im Lager aus Kapazitätsbestimmung und La- dungsabfluss bestimmt werden. Die Kapazität C _L des Lagers über dem Schmierfilm geht linear in die Energie der Entladung ein. Sie kann dynamisch über das BVR (Bearing Voltage Ratio) bestimmt werden, wenn die anderen Kapazitäten und das Ersatzschaltbild ESB beispielsweise des Motors bekannt sind. Daraus lässt sich auf die Energie schließen. Bei vorhandener Infor- mation über weitere mechanische Größen (Geometrie d der Wälzkörper und der Laufbahnen, die Elektrizitätskonstante ξ des Lagerfetts) kann auch die Schmierfilmdicke D berechnet werden (vgl. FIG 4) . Die Auswertung des Verhältnisses BVR aus Lagerspannung U _L und Gleichtaktspannung U _G an den Motorklemmen kann dadurch verbessert werden, dass eine Auswerteelektronik die „flachen Bereiche" der Lagerspannung U _L und der GleichtaktSpannung U _G erfasst. Sie kann dadurch Schaltspitzen minimieren. Außerdem ist es vorteilhaft, bei Kurvenverläufen das BVR zu bestimmen, bei denen kein Lagerstrom stattfand. Dies ist in Kombination mit der Vorrichtung zur Überwachung von Lagerströmen bzw. dem Lagerstromsensor realisierbar.

Eine kostengünstige Realisierung ist möglich, wenn die

Gleichtaktspannung U _G nicht gemessen wird. Die Amplitude der Gleichtaktspannung U _G wird durch die Zwischenkreisspannung des Umrichters bestimmt. Sodann wird die Berechnung anhand der bekannten Zwischenkreisspannung des Umrichters durchge ^¬ führt. Sollte z. B. bei Bahnfahrzeugen eine in gewissen Grenzen schwankende Gleichspannung verwendet werden, kann diese von der Umrichterelektronik zur Berechnung bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist es auch, die Auswertung des Kombisensors in der Umrichterelektronik, also auf bereits vorhandener Elektronik, durchzuführen.

Die Gleichungen in FIG 4 deuten noch einmal an, wie aus der Gleichtaktspannung U _G und der Lagerspannung U _L die momentane Schmierfilmdicke D im Lager erhalten werden kann. Dabei be ^¬ deuten t die Zeit, BVR die Bearing Voltage Ratio (Verhältnis von U _L zu UG) , C _L die Kapazität über dem Motorlager, F und G Funktionen (zu ermitteln anhand des Ersatzschaltbildes ESB beziehungsweise der geometrischen Daten d und der Elektrizi ^¬ tätskonstante ε des Lagerfetts) und f ^"1 die Umkehrfunktion zu f .

Mit dem erfindungsgemäßen Lagermodul können auch Kombinatio- nen verschiedener Ausprägungen der Schädigung gegebenenfalls über mehrere Wege ermittelt werden. Hierdurch wird der Sensor robuster und somit zuverlässig in seinen Aussagen. Durch die umfassende Zustandsbeurteilung des Lagers kann eine klare Korrelation zwischen gemessenen Lagerströmen und Schäden am Motorlager festgestellt werden.

Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die mehreren Sensoren in dem Lagermodul, d. h. durch das gemein- same Sensorsystem reale aber auch virtuelle, errechnete Sensorwerte permanent zu einem Zustandsbild des Lagers verdich ^¬ tet werden. Das Zustandsbild ergibt sich auf der Basis einer Kombination aller oder eines Teils der folgenden detektier- ten, physikalischen Größen:

- Lagerstrom (kapazitive oder induktive Messwerterfassung zur Identifizierung der Lagerspannung)

- Temperatur der Lagerschalen

- Lagerstrom über eine Lagerisolationsüberbrückung

- Schwingungen

- Schmierfilm-Stärken/Dicken-Ermittlung (virtueller Sensor)

- Fettzustand

- geometrische Veränderungen der Laufbahnen (z. B. durch Rif ^¬ felbildung)

Abhängig vom Betriebszustand und den weiteren oben genannten Messgrößen ändern sich die Arten der Lagerströme und die Amp ^¬ lituden. Durch Online-Überwachung können kritische Zustände speziell für Lagerströme oder auch für sonstige thermische beziehungsweise mechanische Größen ermittelt werden. Der

Fettzustand kann gemessen oder anhand der gemessenen Größen die Restgebrauchsdauer des Schmierstoffs beurteilt werden.

Weitere Ausführungsbeispiele bestehen beispielsweise darin, dass in das Lagermodul eine Energieversorgungseinrichtung integriert wird, mit der beispielsweise Energie aus der Drehbe ^¬ wegung der Welle gewonnen werden kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Datenabgabe mit der Schnittstel ^¬ le über Funk oder kabelgebunden über eine Leitung. Bezugs zeichenliste

1 Lagermodul

2 Welle

3 Lagerschild

4 Träger

5 Wälzlager

6 Isolation

7 Abschnitt

8 Temperaturfühler

9 Schwingungsaufnehmer 10, 13 Lagerstromsensor

11 Strommesser

12 Kabel

14, 15 Sensor