Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen in einem Wälzla ger zwischen Lageraußenring, Wälzkörpern und Lagerinnenring auftretenden elektri schen Stromimpulsen. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein dieses Verfahren ver körperndes Com puterprogramm produkt sowie als speziellen Anwendungsfall eine Windenergieanlage, bei welcher die erfindungsgemäße Lösung implementiert ist.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich prinzipiell auf alle rotierenden Maschinen- oder Anlagenteile, die mittels Wälzlagerung an einer ortsfesten Tragstruk tur gelagert sind. Als spezielles Einsatzgebiet sei jedoch die Windenergieanlagen technik hervorgehoben, bei welcher insbesondere schädliche Stromdurchgänge durch die Rotorlagerung, welche durch eine statische Aufladung der Rotorblätter entstehen, zu einer Lagerschädigung führen können. Untersuchungen haben ergeben, dass der artige von statischer Aufladung verursachte Stromdurchgänge einen wesentlichen Einflussfaktor für die Entstehung von sogenannten WEC's (White Etching Cracks) bil den. Unter WEC werden gewöhnlich Risse im Mikrogefüge des Lagerstahls verstan den, welches lokale weiß anätzende Bereiche aufweist, die aus feinstem, nanokristal- linem, carbidfreiem Ferrit oder Ferrit mit einer sehr feinen Verteilung von Carbiden be stehen. Die weiß anätzenden Bereiche um die Risse herum sind dabei härter als das diese umgebende, nicht betroffene Mikrogefüge des Lagerstahls und führen im Laufe der Zeit zur Lagerschädigung. Daher ist eine zuverlässige Detektion von infolge stati scher Aufladung in der Lagerung auftretenden elektrischen Stromflüssen eine Voraus setzung dafür, den Lagerzustand zu überwachen und gegebenenfalls rechtzeitig War tungsmaßnahmen einzuleiten.

Die EP 2 539680 B1 offenbart eine technische Lösung zur Detektion einer Schädi gung von Wälzlagern, allerdings im nicht gattungsgemäßen Kontext von umrichterge speisten elektrischen Maschinen. Hierzu ist eine elektrische Maschine an einem Um- richter angeschlossen. Zur Erfassung eines das Wälzlager passierenden Entladungs ereignisses erfolgt eine Messung in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern, wobei im ein- bis mehrstelligen Megaherzbereich eines Frequenzbandes die Energie des Entladungsereignisses bestimmt wird und in einem anderen Frequenzband oberhalb einem Gigaherz nach einem Koinzidentenereignis gesucht wird, wobei das Koinziden- tenereignis zeigt, dass von einem schädlichen Lagerstromereignis ausgegangen wer den muss. Diese technische Lösung zur Detektion von Lagerströmen erweist sich da her als recht anwendungsspezifisch und ist insoweit schwer auf andere Anwendungs gebiete übertragbar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Detektion von speziell infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen oder Anlagenteilen durch ein Wälz- oder Gleitlager fließende Stromimpulse zu schaf fen, welche mit einfachen technischen Mitteln zuverlässig erfasst und bewertet wer den können.

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer hiermit korrespondierenden Einrichtung wird auf Anspruch 6 verwiesen. Den speziel len Anwendungsfall im Rahmen einer Windenergieanlage gibt Anspruch 9 an und der Anspruch 10 widmet sich einem das Verfahren verkörpernden Computerprogramm produkt. Rückbezogene abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur Detektion der charakteristischen elektrischen Stromimpulse die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Empfangen von elektromagnetischen Funkwellen, die infolge der charakte ristischen elektrischen Stromimpulse im Frequenzbereich oberhalb 50 MFIz emittiert werden;

- Aufbereitung des empfangenen Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, umfassend Filte rung; - Analyse des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustands überwachung des Wälzlagers oder Gleitlagers.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass die speziell infolge von statischer Aufladung rotierender Maschinen- oder Anlagenteile erzeugten charak teristischen elektrischen Stromimpulse Funkwellen in einem hierfür typischen Fre quenzbereich erzeugen, welche im Signalverlauf als Impuls mit recht schneller Ab klingphase Sichtbarwerden. Durch diese Stromimpulsereignisse lassen sich die inte ressierenden Stromimpulsereignisse im Frequenzspektrum identifizieren.

Vorzugsweise wird zur Extraktion der Strom impulsereignisse, also der Aufbereitung des empfangenen Signals, eine Hüllkurvenbildung verwendet, welche nach einer be vorzugten Ausführungsform eine Hochpassfilterung des empfangenen Signals mit an schließender Gleichrichtung und nachfolgender Tiefpassfilterung umfasst. Dies bildet die Voraussetzung dafür, das aufbereitete Signal durch einfache Integration, aus einer Ermittlung der Fläche pro Sekunde als Messgröße, zu analysieren, um die auftreten den Stromimpulsereignisse zu quantifizieren, also einer Bewertung zugänglich zu ma chen.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Analyse durch eine Zählung der Anzahl der Strom impulsereignisse des aufbereiteten Signals pro Zeiteinheit durchgeführt wird, um die auftretenden Stromimpulsereignisse zu quantifizieren. Hierbei wird also die Anzahl pro Sekunde als Messgröße für die anschließende Bewertung herangezo gen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, welches insbesondere eine spezielle Signalverar beitung umfasst, lässt sich in eine elektronische Einrichtung implementieren, welche vorzugsweise aus einer Empfangseinheit, einer Signalaufbereitungseinheit und einer Analyseeinheit besteht. Diese Komponenten lassen sich beispielsweise in einer De tektionseinrichtung unterbringen, die eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem An- lagen-Zustandsüberwachungssystem oder einer Anlagensteuerung aufweist. So kön nen die gewonnenen Messgrößen beispielsweise in Form eines analogen Signals zur Weiterverarbeitung und Auswertung an ein Zustandsüberwachungssystem (Condition Monitoring System) übergeben werden. Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch denkbar, eine eigene Detektionseinrichtung als separates Gerät mit vorzugsweise in tegrierter Alarmierungseinheit zu schaffen. Die Alarmierungseinheit könnte dabei bei spielsweise optische oder akustische Signale aussenden, um das Erreichen eines kri tischen Zustands für die Lagerung zu signalisieren. Natürlich lässt sich eine Messgrö ßenweitergabe an eine übergeordnete Instanz auch in ein solches lokales Gerät integ rieren. Das lokale Gerät kann beispielsweise auch im Bereich innerhalb des Lagerge häuses oder in einem Getriebe verbaut werden und ist hierdurch gegen äußere elekt romagnetische Fremdeinstrahlung störgesichert.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel lässt sich die erfindungsgegenständ liche Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung in einer Lagerung auf tretenden charakteristischen Stromflüssen in einer Windenergieanlage integrieren. Denn die Rotorblätter einer Windenergieanlage sind insbesondere durch Wetterein flüsse einer erheblichen statischen Aufladung ausgesetzt, welche über die Drehlage rung abgeleitet wird. Die hierbei auftretenden charakteristischen Stromflüsse können zu Stromdurchschlägen und Blitzentladungen im Lagerbereich führen.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich die erfindungsgemäße Lösung auch durch ein Computerprogrammprodukt verwirklichen lässt, das Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens auf einer kombinierten mikroprozessorgesteuerten Sig nalaufbereitungseinheit mit Analyseeinheit abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger speicherbar ist.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer in einer Windener gieanlage implementierten Einrichtung zur Detektion von infolge stati scher Aufladung des Rotors durch ein Wälzlager fließende elektrische Stromimpulse, und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Hüllkurvenbildung zur Aufbereitung des empfangenen Signals als Voraussetzung für die Signalanalyse. Gemäß Fig. 1 weist eine hier nur schematisch dargestellte Windenergieanlage einen Rotor 1 auf, der über ein als Rotorwellenlager ausgebildetes Wälzlager 2 drehbar an einer Tragstruktur 3 einer - nicht weiter im Detail dargestellten - Kabine auf einem Turm der Windenergieanlage gelagert ist.

Die Rotorblätter des Rotors 1 erfahren während des Betriebes eine statische Aufla dung, welche durch das Wälzlager 2, hier vom Lagerinnenring 4 über die Wälzkörper 5 hinweg zum Lageraußenring 6 in die geerdete Tragstruktur 3 abfließt. Hierdurch werden Entladungen im Wälzlager 2 als elektromagnetische Funkwellen emittiert, welche in einem typischen Frequenzbereich oberhalb 50 MHz liegen.

Eine im Empfangsbereich, also ortsnah zum Wälzlager 2, installierte Empfangseinheit 10 dient dem Empfangen 100 der elektromagnetischen Funkwellen per hieran ange brachter Antenne 11 . Eine nachgeschaltete Signalaufbereitungseinheit 20 dient der Aufbereitung 200 des empfangenen Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extrak tion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, welche bei diesem Ausführungs beispiel insbesondere eine Hüllkurvenbildung umfasst. Eine nachfolgende Analy seeinheit 30 dient einer Analyse 300 des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignis se zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers 2.

Die Empfangseinheit 10 ist mit der Signalaufbereitungseinheit 20 und der Analyseein heit 30 in einer gemeinsamen Detektionseinrichtung 40 untergebracht, welche über eine Datenübertragungs-Schnittstelle 50 an ein - nicht weiter dargestellten - Anlagen- Zustandsüberwachungssystem angeschlossen ist. Ferner ist in die Detektionseinrich tung 50 auch eine Alarmierungseinheit 60 mit integriert, welche als lokale optische Anzeige eines kritischen Zustands dient.

Die Fig. 2 illustriert die im Zuge der Signal-Aufbereitung der empfangenen elektro magnetischen Funkwellen vorzugsweise durchgeführte Hüllkurvenbildung. Demnach erfolgt ausgehend vom empfangenen Signal zunächst eine Hochpassfilterung 400, um irrelevante Signalanteile zu eliminieren. Durch eine anschließende Gleichrichtung 500 werden die Unterwellen des Signals weggeschnitten. Schließlich sorgt eine Tiefpass filterung 600 für eine Formung von Flächeninhalten zwischen dem Kurvenverlauf und der Abszissenachse. Dies bildet die Voraussetzung für eine vorzugsweise spätere In tegration, um die Fläche pro Zeiteinheit als Messgröße für die aufgetretenen Stromim pulsereignisse heranzuziehen. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Aus führungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung nicht allein auf Windenergieanlagen anwendbar, sondern allgemein auf nicht leitungsgebundene Stromentladungs-Szenarien. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Signalaufbereitung zur Messgrößengewinnung nicht allein auf eine Hüllkurvenbildung des empfangenen Funksignals festgelegt ist. Es können zu diesem Zweck alternativ auch Samplingverfahren oder andere geeignete Analysen genutzt werden.

Bezuqszeichenliste

1 Rotor

2 Wälzlager

3 Tragstruktur

4 Lagerinnenring

5 Wälzkörper

6 Lageraußenring

10 Empfangseinheit

11 Antenne

20 Signalaufbereitungseinheit 30 Analyseeinheit 40 Detektionseinrichtung 50 Datenübertragungs-Schnittstelle 60 Alarmierungseinheit

100 Empfangen elektromagnetischer Funkwellen 200 Aufbereitung des empfangenen Signals 300 Analyse hinsichtlich Stromimpulsereignissen 400 Hochpassfilterung 500 Gleichrichtung 600 Tiefpassfilterung

I Stromfluss

A Amplitude t Zeit