发电机组件的制作方法

本发明涉及一种用在轴承装置中的发电机组件以及包括这样发电机组件的轴承装置。

背景技术：

本发明涉及一种发电机组件，其用于在轴承装置中获得能量，所述轴承装置被构造为由轴承的外圈和该轴承的内圈的相对运动产生能量。不同类型的轴承广泛应用于机械工程领域，并且是在许多应用场合都需要进行监测的敏感元件。

在今天的大多数应用中，电子元件被用于监测轴承，同时相关的传感器通过导线或通过外部发电机供电。然而，文献WO2013/160035公开了被构造为被集成在轴承组件中的电力产生组件，其中，所述电力产生组件与磁性轮相互作用，磁性轮包括具有交替极化方向的磁性极化材料。

发电机组件被构造成为监测电子元件提供电力，所述电子元件因此可以与使用无线信号接口的外部设备进行通信。

文献WO2013/160035中的电力产生组件包括发电机机芯和缠绕在由铁氧体材料制成的机芯上的电机线圈。铁氧体机芯具有这些缺点，即它们在低容量下制造是相当昂贵的，同时铁氧体材料对于所要求的尺寸是脆性的。此外，铁氧体机芯以高旋转频率提供过量的功率。矩形线圈同样制造起来比传统的圆柱形线圈更加困难/昂贵。

技术实现要素：

本发明尝试提供一种在轴承装置中获得能量的发电机组件，其具有在制造和成本方面更优越的发电机机芯，同时至少在低旋转频率下保持相似的性能水平，同时减少在高旋转频率下过量的功率。

本发明从一种在轴承装置中获得能量的发电机组件开始，其包括至少两个被构造为相对于彼此旋转的轴承圈。该发电机组件被设计成与连接到轴承 圈中的一个上并且由具有交替磁化方向的磁性材料制成的旋转磁音轮或脉冲轮相互作用。

发电机组件包括机芯，其具有磁轭部分和设置成一排且从磁轭部分在与所述磁轭部分的纵向方向基本垂直的方向上突出的多个棒状突出部。

在本文中表述“基本上垂直”应该特别地包括这样的构造，其中所述突出部在朝向轴承的共同的旋转轴方向上突出，因此它们不是完全平行的。

棒状突起部设置有被构造为分别与所述音轮形成间隙的端部。该间隙应该是这样的，由磁音轮产生的磁场可以很容易地穿过间隙，而没有重大损失。该间隙根据突出部的端面的直径典型地具有约1-2毫米的宽度。朝向音轮的突出部的端面的直径优选大于所述间隙的宽度达至少一个系数5-10。突出部的端部之间的距离对应于至少基本上与磁音轮间的间距的一半的整数倍，使得邻近的突出部的端面分别朝向具有相反的音轮磁化方向的区域。此外，发电机机芯包括至少一个缠绕在机芯的突出部中的至少一个上的发电机线圈。

本发明提出发电机机芯由钢制成。出人意料的是，已经证明，当使用钢芯时，可能实现类似于铁氧体机芯的性能。因此，脆性铁氧体材料可避免使用，同时用于发电机的机芯组件能够在低成本下以许多不同的形状使用可靠和被证明的技术来制造。特别地，钢芯的形状可以被设计成使得磁通的损失可以被避免，而同时能够使用节省成本的线圈并且实现简单的安装过程。钢芯的形状也可以设计成使得在高转速下产生的过量的功率被减小。

在本发明的一个优选实施例中，发电机机芯包括三个突出部分，其中，所述发电机线圈围绕这三个突出部中间的一个缠绕。具有三个突出部的纵向磁轭部分的整体结构具有与字母“E”相似的形状，因此该结构被称为“E”-机芯。通过发电机机芯的两个横向突出部的磁通将在中间突出部合并，并因此在线圈中导致足够高的感应电流。

此外，还提出了，设置有发电机线圈的突出部具有圆柱形的部分，其被安装到发电机线圈的一个中间孔中。因此，可以使用节省成本的能够在市场上得到的圆柱形发电机线圈。在本发明的一个优选实施例中，发电机机芯的圆柱形中间机芯被安装到构成机芯和磁轭部分的两个横向的突出部的C形或U形的钢部分上。

此外，还提出了，棒状突起部中的至少一个的端部设置有极靴，优选地，每个端部都设置有这样的极靴。极靴的端面的形状和尺寸能够适应音轮的磁 极的形状和大小，同时极靴的主体可以以低损耗的可靠方式引导磁通到突出部优选的圆柱形主体部分。未设置有发电机线圈的突出部可以由矩形横截面或任何其它合适的横截面形成。

此外，还提出了，线圈是圆柱形的线圈，特别地，该线圈缠绕在一个圆柱形成形件上，并且随后被安装到棒状突起部中的一个的圆柱形部分上。这有利于发电机设备的组装，并且允许使用节省成本的预制造线圈。作为替代，提出了直接缠绕线圈到所述发电机的机芯元件上，以避免用于安装预装配线圈的发电机机芯部分的脱离。

在本发明的优选实施例中，所述发电机机芯包括不具有发电机线圈的多个突出部，其中在后述的突出部的每一对之间设置有装备了发电机线圈的一个突出部。结果是在每隔一个突出部设置有一个发电机线圈的梳状结构。不具有发电机线圈的突出部可以与磁轭部分形成为一个实体的或堆叠的钢片。

本发明利用磁音轮的磁通密度的变化，所述磁音轮可以被连接到一个轴承单元的移动圈上。由于中间极可以是圆柱形的，极靴可以被连接到所述中间极以便引导所述磁通。取代铁氧体使用的含铁钢使得该技术方案更加的坚固和节省成本。设计具有更高输出电压和更高输出功率的机芯可以以使用简单整流电路的节省成本的方式被实现。

本发明特别地适于列车轴承单元，所述轴承单元需要被充分地监测，同时被暴露在极端的恶略环境条件下。所述发电机组件能够被嵌入到轴承单元的一个密封中，由此用于获得产生在发电机线圈中的能量的例如整流器的电子装置能够被保护。

本发明的一个进一步的方面因此涉及一种轴承单元，特别地涉及用于列车车轮的列车轴承单元，其设置有如上所述的发电机组件和安装在轴承的旋转圈上的磁音轮，以及用于将产生在发电机线圈中的感应电流转换成电能的例如整流电路的电子部件和例如电容器或蓄能器的用于存储所述能量的装置。此外，具有发电机组件的轴承单元可以设置有传感器和监测电子元件，评测传感器的信号，以及非强制性地设置有用于以无线方式传递测量到的信号的装置。所述传感器信号可以包括优选使用音轮测量的旋转速度，温度，振动，加速度等等。

本发明的上述实施例以及附加的权利要求和附图示出了本发明的多个特性化的特征以及特定的组合。技术人员能够很容易地想到进一步的组合或 者这些特征的子组合以便使得如权利要求限定的发明适应他的或她的特定需求。

附图说明

图1是根据本发明的包括发电机组件的轴承组件的示意性视图：

图2是在侧视图中的根据本发明的发电机组件的发电机机芯；

图3是根据图2的发电机机芯的一个突出部，一个发电机线圈，以及一个极靴的视图；

图4是根据本发明第二实施例的发电机机芯的侧视图；

图5是安装在壳体中的根据图1-4之一的发电机组件；

图6是示出根据图2的发电机组件的安装过程的视图；

图7是与磁音轮相互作用的根据本发明的发电机组件的示意性视图。

具体实施方式

图1是轴承组件的细节的剖视图，所述轴承组件具有外圈10，内圈12和固定到轴承的非旋转外圈10的发电机组件14。磁音轮16被固定到轴承组件的旋转内圈12，其被形成为使用在列车领域的双排滚动轴承。内圈12和外圈10的相对旋转导致发电机组件14和磁音轮16的相对旋转。密封系统提供穿过两个轴承圈10，12之间的间隙的密封，同时磁音轮16与密封系统的外部迷宫啮合。磁音轮16由具有径向交替极化方向的磁性材料制成。磁音轮16可以由永磁材料或者由磁性复合材料制成，例如嵌入了磁性材料的塑料。

根据本发明的发电机组件14中的发电机机芯18在图2中更详细地被说明。图2示出了具有所谓的多级-E-机芯设计的发电机机芯18，其具有一个梳状结构，该梳状结构具有一个棒状的磁轭部分20和七个棒状的突出部22a-22d，24a-24c。突出部22a-22d的四个被形成为具有等距的间隙，同时基本上垂直于磁轭部分20突出。突出部最外的部分22a，22d的长度比中间的部分22b，22c略微长，同时端面是倾斜的或弯曲的以便在机芯18的突出部22a-22d，24a-24d的端部和磁音轮16之间形成宽度相等的间隙。具有发电机线圈26a-26c的进一步的突出部24a-24c被设置在这四个突出部22a-22d的每一对之间，其分别与磁轭部分20一体形成。如同在接下来将更加详细 地描述的，最后提到的突出部24a-24c通过压配合或螺纹配合或其他合适的方式被连接到磁轭部分20，同时分别具有极靴28a-28c。

磁轭部分20，以及发电机机芯18的突出部22a-22d，24a-24c由含铁钢制成，其在可加工性方面是容易的，同时具有足够高的磁导率。

图3更详细地示出了机芯的突出部24a的一个，其具有极靴28a和发电机线圈26a。突出部24a具有被安装到线圈26a的中间孔中的圆柱形的主体部分，线圈26a被缠绕在塑料成形件30上或者在它的轴向端面上具有塑料垫片。极靴28a具有随着到磁轭部分20的距离增加而增加的宽度，直到其达到磁音轮16的宽度，而极靴28a在音轮16的圆周方向上的端面的长度比在圆周或节距方向的磁音轮16的磁化部分之一的长度要小。极靴28a能够与突出部24a的圆柱形主体部分被形成为一体，或者通过螺纹连接、焊接或其他方法被连接到后者。

作为替代，线圈26a可以被直接缠绕到突出部24a的主体部分上，同时通过使用垫片确保对磁轭部分20和极靴28a的隔离。

图4是本发明的一个进一步的实施例，其共享了与图2和图3中的实施例的许多相似性，因此在此相同特征的描述被省略。主要的区别是两个横向的发电机线圈26a，26c被设置为比中间发电机线圈稍微要低，因此发电机线圈和磁音轮16之间的距离以及由此在径向方向上的极靴的高度或多或少是相同的。音轮16的曲率通过发电机机芯18的磁轭部分的不同宽度补偿。

图5示出了具有根据本发明的发电机机芯18的传感器壳体32。

图6示出了根据图2的发电机机芯18的安装过程。圆柱形突出部24a-24c的主体部分与极靴28a-28c被形成为一体，同时被安装到发电机线圈26a-26c的中间孔中，并且该子组件随后被固定到不具有附加的发电机线圈的固定突出部22a-22d，24a-24c之间的磁轭部分20的径向内表面上的孔中。

图7示出了操作中的组件，也就是，与根据本发明的磁音轮16磁性啮合的组件。

发明人进行了比较试验用于比较如上所述的铁机芯和铁氧体机芯之间的性能，并且发现在铁氧体机芯中的磁通量仅仅比1010冷轧钢中略微的高。然而，正常的差别不到1％，同时当比较感应电压和输出功率时转化为相似的数值。这个小缺点在很大程度上被更容易的加工超过。特别地，根据本发明的磁性线圈可以容易地设置有具有优化形状的极靴，因此有效功率输出比 现有铁氧体机芯设计的输出增加得多。

在对于列车轴承的测试中，根据本发明的发电机机芯18的电压输出总计为14.4V/rpm，其足够驱动当前技术水平的传感器组件和无线传输接口。对于列车应用中根据本发明的恰当组装的发电机机芯18的模拟显示，到相匹配的阻抗的功率输出将会总计56mW，与电容耦合的功率输出到177mW。这特别地适用于在观察的应用中被期望的660Hz的电压频率。尽管处于高频率时，铁氧体机芯在输出电压方面更优，但结果令人意外地是钢芯在频率范围方面是能够相比的甚至更好。当使用被优化到660Hz的电容耦合对电容器充电时，根据本发明的发电机机芯18的输出电压比根据现有技术的设计的输出电压高16％。