智能軸承自供電結構設計及仿真分析

崔寶珍，王浩楠，彭智慧，高樂樂

(中北大學 機械工程學院，太原 030051)

滾動軸承作為旋轉機械的核心零部件，被譽為回轉支承系統的“心臟”，其發展水平的高低往往代表或制約著一個國家機械工業和其他相關產業的發展水平[1]。事實上，超過40%的機械缺陷與軸承故障相關[2]，滾動軸承一旦發生故障，將會嚴重影響機械設備的可靠運行，而大量事實證明，軸承損壞引起的機器故障出現在軸承預期壽命之前，因此對軸承運行狀態的實時在線監測顯得尤為重要。

一般情況下，對軸承的監測是通過在軸承座或箱體上安裝振動傳感器獲取軸承的工作狀態信號，通過這種方法采集到的信號除去軸承本身的工作信息外，還包含設備中其他運動部件產生的噪聲信號，對軸承故障的監測非常不利[3]。為解決上述問題，從信號采集的源頭著手，引入了智能軸承。智能軸承是一種在傳統軸承上集轉速、溫度、振動等傳感器及信號發射裝置為一體的獨特結構單元，通過外部信號接收裝置和計算機進行信息處理，最終達到實時在線監測的目的。故障信號的傳遞會隨著傳遞路徑衰減，而智能軸承本身集成的傳感器更加靠近軸承故障發生源，故障信號的傳遞路徑大大縮短，減少了其他運動部件的噪聲引入，能夠有效提高所測信號的信噪比，對軸承的故障監測十分有利。

近年來，國內外學者對智能軸承的結構設計做了大量研究：SKF 公司生產了一種外掛式智能軸承[4]，主要用于內圈旋轉外圈固定的場合，可以測量軸承的旋轉次數、速度、方向、加速度等；文獻[5]在軸承外圈上設計槽式結構，將復合傳感器與軸承端面進行嵌入式結合，能夠對軸承運轉過程中的振動、轉速和溫度信號進行采集；文獻[6]研究了嵌入式結構的智能軸承，通過在軸承外圈開槽并嵌入振動加速度傳感器來監測軸承的運行狀態；文獻[7]研究了滾動軸承內圈溫度的無線監測，將測試系統嵌入軸承的鎖緊螺母中，通過熱電偶接觸測量實現軸承內圈的溫度監測。

目前大多數智能軸承采用有線、電池或無線充電等方法為軸承的智能組件提供電能：有線供電需要拖動電纜，無法滿足軸承高速旋轉系統的需求，并且大部分機械設備是完全封閉的，使得利用導線供電變得不切實際；電池供電不可避免存在停機更換，充電不方便，化學材料污染環境等缺點；無線供電則需要外置供電線圈，體積大安裝不便，傳輸距離受限且效率低，無法滿足工業現場的實際使用要求。以上供電方式大大限制了智能軸承在設備內部、無外接電源等條件下的使用，因此自供電技術對智能軸承的應用起決定性作用。

自供電技術是智能軸承實時在線監測的基礎： 文獻[8]利用摩擦納米發電技術設計了一種由滾子和電極組成的能量采集器，通過軸承滾子和電極之間的周期性摩擦接觸產生電能，但該結構安裝不便，使用壽命可能較短；文獻[9]提出了一種適用于外圈旋轉內圈固定場合的能量采集結構，在旋轉過程中，當分布在旋轉環上的磁鐵與固定環壓電結構上的磁鐵相遇時，兩者相互排斥，壓電結構受到壓力從而產生電壓，但該結構尺寸較大，只適用于大型軸承；文獻[10]設計了一種電磁能量采集器，將永磁體固定在軸承端蓋上，線圈固定在保持架上，通過電磁感應產生電壓，但該結構只適用于具有端蓋的軸承結構；文獻[11]針對高速列車軸箱內的智能軸承供電問題提出了一種變磁阻能量采集器，軸承轉動時，設計的齒形墊片與e形電工鋼之間的相對運動使線圈的磁通量隨時間變化，根據法拉第電磁感應定律，線圈產生感應電動勢，但該結構的線圈裝配困難；文獻[12]為監測飛機發動機部件的運行設計了一種內置油冷室的熱電能量采集器，該裝置用于高溫(125 ℃以上)環境，利用2種不同材料連接的溫差產生電流，為傳感器供電，并將剩余的電能使用超級電容存儲，但該結構只適用于大溫差環境。

綜上所述，大多數智能軸承的自供電結構與軸承本身沒有結合成為一個整體，并且只能在特定的場合和條件下使用，很大程度上限制了智能軸承的推廣使用[13]。因此，本文通過模擬仿真和試驗驗證的方式設計了一種外拓式智能軸承結構，在該結構上嵌入自供電裝置，研究其不同參數對電壓值的影響，以實現所設計的一體化智能軸承自供電結構能夠持續為軸承智能組件提供穩定電能。

1 智能軸承自供電結構設計

軸承是標準件，在不影響其原有結構、功能的基礎上，可以通過拓展優化智能組件使之與原軸承結構集成一體，形成獨特的智能軸承結構。智能軸承可以通過收集周圍環境的能量為其智能組件供能，這也奠定了軸承實時在線監測的基礎[14]。

1.1 智能軸承結構設計

軸承及其供電裝置與傳感器的集成通常可分為嵌入式和外拓式。考慮到目前微型加速度傳感器和供電系統的實際尺寸，嵌入式必然會破壞軸承的結構，影響其力學性能；而外拓式結構不會破壞軸承的完整性，并且可以有更大的空間安裝傳感器和其他智能組件：因此選用外拓式結構將軸承與供電結構進行集成。

目前最常用的自供電方法包括靜電法、壓電法和電磁法，其中電磁法與其他類型的能量采集技術相比，發電功率密度和能量轉換效率高，易于與軸承集成，因此本文選用的自供電方式為電磁法。

綜合考慮智能軸承結構與自供電方式，本文設計外拓式的供電結構采用電磁法從軸承的旋轉運動中采集能量來為智能組件提供電壓。軸承工作時外圈與內圈會產生相對轉動，考慮到線圈和傳感器的安裝位置受限，設計了一種軸承內、外圈拓展的智能軸承結構。軸承外圈套環結構半剖圖如圖1所示，在軸承外圈外側添加一軸承套環結構并向兩邊延伸，在超出外圈部分的套環內表面兩側分別對稱開設6個T形槽用以安裝線圈和鐵芯，在超出外圈部分的套環外表面開槽安裝傳感器、無線傳輸組件及電壓轉換組件。軸承內圈拓展環結構半剖圖如圖2所示，將軸承內圈分別向兩側拓展，在內圈拓展環的外表面開槽，用來安裝磁鐵。其中拓展環的厚度由磁鐵和鐵芯的軸向長度決定，拓展環的外徑由傳感器等組件尺寸決定。

圖1 軸承外圈套環結構Fig.1 Structure of bearing outer ring thimble

圖2 軸承內圈拓展環結構Fig.2 Structure of bearing inner ring expansion ring

智能軸承的整體自供電結構如圖3所示，軸承外圈套環與軸承外圈采用過盈配合，使軸承與供電結構成為一個整體。當軸承工作時，軸承內圈拓展環隨著軸承內圈同步旋轉，根據法拉第電磁感應定律，外圈套環內表面上安裝的線圈內產生電動勢，通過電壓轉換裝置，實現軸承的自供電，為傳感器持續提供能量。

圖3 智能軸承自供電結構Fig.3 Self-power supply structure of intelligent bearing

1.2 電能的轉換與儲存

本文設計的智能軸承自供電結構產生的電壓為交流電，而傳感器和無線傳輸等組件需要直流供電。為了從該自供電機構得到穩定的直流電，可通過設計相應的濾波、整流和穩壓電路將交流電轉換為直流電。

另一方面，由于軸承在低轉速情況下供電結構無法為其智能組件提供充足的電壓，所以需要額外的供電組件為智能軸承供電。傳統的蓄電池充電速度慢且軸承高速運行時供電結構會為電池持續充電導致過充從而影響電池的壽命；而超級電容有著體積小，充電速度快，循環充放電壽命長，充放電電路簡單，對環境友好以及過充過放都不對其壽命產生負面影響等優勢。因此，超級電容在智能軸承中充當儲電組件十分適用：軸承高速工作時，產生的電能一部分提供給軸承的智能組件，另一部分儲存在超級電容中；軸承低速工作時，超級電容又可以為軸承的智能組件供電，充分利用所采集的電能。

2 模型驗證

使用SolidWorks建立與供電結構實體1∶1的三維模型，并在麥克斯韋軟件中進行三維有限元電磁分析。為了減少有限元分析的計算量，將6207軸承中的保持架、球等對結果影響較小的結構去除或簡化，并將其保存為X_T格式文件導入麥克斯韋軟件中。供電結構的幾何參數和材料見表1。

表1 供電結構幾何參數和材料Tab.1 Geometric parameters and material of power supply structure

仿真中，磁鐵的充磁方向為徑向充磁，相鄰磁鐵的充磁方向相反；六組線圈以串聯的方式相連，相鄰線圈繞線方向相反；設置運動域，將磁鐵和軸承內圈拓展環等運動部件包含在其中，使其能夠以一定轉速旋轉；最終設置求解域、劃分網格，進行三維瞬態磁場的求解。自供電結構的瞬態磁場分布云圖如圖4所示。由于45#鋼等鐵磁性材料擁有良好的導磁性，所以最大磁場強度應位于磁鐵表面、鐵芯以及軸承內圈拓展環附近，并且各個位置的磁場強度大小隨著與磁鐵距離的增加而減小，通過圖4可以看出仿真結果與實際情況相同。當軸承內圈快速轉動時，鐵芯中的磁場會發生較大變化，線圈中的磁通量變化率越大，產生的有效電壓越大。

圖4 自供電結構的瞬態磁場分布云圖Fig.4 Nephogram of transient magnetic field distribution of self-power supply structure

為了確保上述自供電結構能夠為軸承的智能組件提供充足的電壓，并且方便后續對模型進行優化，必須通過試驗來驗證有限元模型的準確性。本文通過比較相同轉速下6207軸承在仿真和試驗中產生的有效電壓值是否一致來判斷仿真模型的準確性。智能軸承自供電試驗平臺及其自供電結構如圖5和圖6所示，線圈串聯纏繞在鐵芯上，并將鐵芯嵌入到軸承套環中。利用變頻器來控制電動機的轉速，在0～30 Hz的頻率范圍內以步長5 Hz均勻加速，記錄對應的轉速和有效電壓值，研究供電結構產生的電壓與轉速的關系。

圖5 智能軸承試驗平臺Fig.5 Intelligent bearing experimental platform

圖6 智能軸承及自供電結構Fig.6 Intelligent bearing and self-power supply structure

仿真與試驗產生的有效電壓隨時間的變化如圖7所示，可以看出仿真和試驗產生的有效電壓與轉速均呈線性關系，有效電壓值的絕對誤差在0.4 V以內，這表明所建立有限元模型能夠有效預測供電結構的有效電壓值。

圖7 仿真與試驗產生的有效電壓隨時間的變化Fig.7 Change of effective voltages generated by simulation and test with time

3 自供電結構仿真分析

為了進一步減小智能軸承的體積，使用麥克斯韋軟件對供電結構進行仿真分析。在保證該供電結構能為智能組件提供足夠電壓的前提下，對拓展環材料、鐵芯與磁鐵間的氣隙以及軸線方向的磁鐵長度進行分析，為優化智能軸承結構做準備。

3.1 拓展環材料對電壓的影響

在電動機頻率30 Hz，軸承轉速為1 758 r/min(電動機的最大轉速)條件下，分別改變軸承外圈套環和內圈拓展環的材料，分析使用45#鋼和非鐵磁性材料(鋁合金6061、PLA、樹脂材料)對電壓的影響。

軸承外圈套環使用非鐵磁性材料、內圈拓展環使用45#鋼時磁場分布云圖如圖8所示，與圖4相比鐵芯上的磁感應強度大幅減小，不利于電壓的產生。軸承外圈套環使用45#鋼、內圈拓展環使用非鐵磁性材料時磁場分布云圖如圖9所示，與圖4和圖8相比鐵芯上的磁感應強度大幅增加，有利于產生更高的電壓。拓展環使用不同材料對電壓的仿真結果如圖10所示，進一步證明當軸承外圈套環采用45#鋼、內圈拓展環采用非鐵磁性材料時能夠產生更高的電壓，并且電壓曲線有更好的正弦特性。

圖8 軸承外圈套環為非鐵磁性材料、內圈拓展環為45#鋼時磁場分布云圖Fig.8 Nephogram of magnetic field distribution when bearing outer ring thimble is made of non-ferromagnetic materials and inner ring expansion ring is made of 45# steel

圖9 軸承外圈套環為45#鋼、內圈拓展環為非鐵磁性材料時磁場分布云圖Fig.9 Nephogram of magnetic field distribution when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

圖10 拓展環材料對電壓的影響Fig.10 Influence of expansion ring materials on voltages

3.2 氣隙對電壓的影響

在軸承外圈套環采用45#鋼、內圈拓展環采用非鐵磁性材料的前提下，分析磁鐵與鐵芯在不同氣隙下的電壓。由于軸承本身結構緊湊，故氣隙分別取0.5，1.0，1.5和2.0 mm，通過仿真觀察不同氣隙下的電壓，結果如圖11所示，不同氣隙下的有效電壓值見表2。由圖11可知：隨著氣隙的增大，電壓值隨之減小。在實際設計中考慮到加工精度等影響，選取1.0 mm的氣隙。

圖11 軸承外圈套環為45#鋼、內圈拓展環為非鐵磁性材料時氣隙對電壓的影響Fig.11 Influence of air gaps on voltages when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

表2 軸承外圈套環為45#鋼、內圈拓展環為非鐵磁性材料時不同氣隙下的有效電壓值Tab.2 Effective voltage values under different air gaps when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

3.3 磁鐵長度對電壓的影響

由于試驗中使用了長度為20 mm的磁鐵，所以外圈套環和內圈拓展環的厚度也相應增加，導致目前設計的智能軸承體積較大，因此必須對磁鐵的長度優化，在滿足傳感器及無線傳輸組件電壓的前提下，合理減小磁鐵的體積十分關鍵。在軸承外圈套環采用45#鋼、內圈拓展環采用非鐵磁性材料并且氣隙為1.0 mm的前提下，分析磁鐵長度對電壓的影響。磁鐵長度取5，10，15和20 mm，不同磁鐵長度下的電壓如圖12所示，不同長度的磁鐵產生的有效電壓值見表3。由圖12可知：隨著磁鐵長度減小，電壓值隨之減小。由表3可知，磁鐵長度為5 mm時產生的有效電壓為10.65 V，仍能滿足傳感器和無線傳輸的供電要求，故磁鐵長度取5 mm。

圖12 軸承外圈套環為45#鋼、內圈拓展環為非鐵磁性材料時磁鐵長度對電壓的影響Fig.12 Influence of magnet lengths on voltages when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

表3 軸承外圈套環為45#鋼、內圈拓展環為非鐵磁性材料時不同磁鐵長度下的有效電壓值Tab.3 Effective voltage values under different magnet lengths when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

該供電結構的電源內阻為6組線圈的總電阻，通過測量其內阻為27.2 Ω。當外接電阻與供電結構內阻相等時，該供電結構的輸出功率最大，為1.04 W。

3.4 小結

綜上所述，本文設計的智能軸承自供電結構在1.0 mm氣隙、5 mm長度磁鐵以及外接電阻為27.2 Ω的條件下，可以產生10.65 V有效電壓且最大輸出功率為1.04 W。目前常用傳感器及無線傳輸組件的供電電壓范圍一般在3.0～5.5 V左右，所以該結構產生的電壓能夠滿足其正常工作的供電要求。

4 結束語

本文設計了外拓式內嵌微傳感器智能滾動軸承的自供電結構，并通過試驗驗證了仿真模型的準確性，使用麥克斯韋有限元電磁仿真軟件分析不同拓展環材料、氣隙以及磁鐵長度對該自供電結構的影響，結果表明本文設計的智能滾動軸承自供電結構在轉速1 758 r/min、氣隙1.0 mm以及磁鐵長度為5 mm的工作條件下，可以得到10.65 V的有效電壓以及1.04 W的最大輸出功率，能夠滿足傳感器和無線傳輸組件的正常工作要求，在智能軸承工作過程中可以實現電壓的轉化，并將剩余的電能儲存在超級電容中。