CN113169700A - 检测临近或先前发生在电动马达上/中的冷凝物的形成的方法以及在电动马达上/中防止相应的冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种方法用来检测冷凝，该冷凝临近发生或已经发生在电动马达上/中，特别是在作为风扇或风扇组的部件的电动马达上/中。所述方法包括下列方法步骤：确定部件温度，优选地为电子器件上的表面温度、马达上/中的表面温度、风扇上/中或者风扇组上/中的表面温度，确定马达、风扇上/中或风扇组上/中的电子器件上的露点温度或单个的露点温度；将相应的部件温度与相应的露点温度进行比较，以及当部件温度接近露点温度时或者当露点温度未达预定点时推断冷凝的形成临近发生或者已经。另一方法用来防止冷凝物的形成和/或消除/去除电动马达上/中(特别是作为风扇或风扇组的部件的电动马达上/中)的冷凝物。所述方法包括下列方法步骤：检测在马达上或中的临近和/或已经发生的冷凝物的形成；以及通过被动或主动措施来开始防止冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的措施。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测临近或先前发生在电动马达上/中、特别是作为风扇或风扇组的部件的在电动马达上/中的的冷凝物的形成的方法。此外，本发明涉及一种防止冷凝物的形成和/或在电动马达上/中、特别是作为风扇或风扇组的部件的在电动马达上/中消除/去除冷凝物的方法。
背景技术
首先，要点在于，要求保护的方法一般涉及电动马达，特别涉及EC马达(电子换向马达)，其中马达电子器件生成馈送信号的系统，馈送信号的系统能够生成电动马达中的旋转磁场，该旋转磁场使转子旋转。EC马达可按照内部转子设计或者按照外部转子设计来安装。在这种情况下，马达电子器件能够被集成到马达中，但是也能够外部布置。
在特殊应用中和/或在环境条件下，取决于操作，冷凝物可在马达中或上形成。在特别不利的情况下，这可导致马达的损坏或故障。已经证明的是，尤其因逐渐蒸发，因水分引起的故障极难检验。
已知在实践中有用于广泛场合的保护功能，例如防止结冰。为此，额定电流的可调整部分作为脉冲直流被提供给定子绕组。
发明内容
关于与空气湿度和冷凝相关的问题，没有用于检测和消除问题的有用方式是已知的。这尤其归因于如下事实：冷凝物的形成能够在马达上或中的广泛位置中发生。因此，很难检测即将发生或先前发生的冷凝物的形成，以及在冷凝物的形成之前或者紧接冷凝物的形成之后得到矫正以便能够排除关于马达而且还关于包括马达的风扇或者对应的风扇组合件的大范围问题。
前一目的借助于权利要求1的特征针对即将发生或先前发生的冷凝物的形成的检测来实现。关于矫正，即防止冷凝物的形成和/或消除或去除在电动马达上/中的冷凝物，上述目的借助于从属权利要求14的特征来实现。
根据权利要求1，该方法包括下列方法步骤：
-确定部件温度，优选地为电子器件(内部/外部)上的表面温度、马达上/中的表面温度、风扇上/中的表面温度、或者风扇组上/中的表面温度；
-确定马达、风扇上/中或风扇组上/中的电子器件上的露点温度或单个的露点温度；
-将相应的部件温度与相应的露点温度进行比较，以及当部件温度接近露点温度时或者当露点温度未达预定点时推断冷凝物的形成已经发生或者即将来临。
关于冷凝物的形成的防止和/或冷凝物的消除/去除，通过从属权利要求14要求保护下列方法步骤。
-如权利要求1至13中任一项所述临近和/或先前发生在马达上或中的冷凝物的形成；以及
-借助于被动或主动措施来开始防止冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的措施。
为了实现根据本发明的教导，要点在于冷凝物的形成与物理条件相联系。冷凝物在部件表面温度下降到低于露点或露点温度的任何位置形成。
冷凝物形成的过程称作冷凝。这是物质从气体到液体物理状态的转变。当气体或气体混合物相对于冷凝部件过饱和时，形成冷凝物。
先前所述的露点或露点温度对于确定冷凝物形成的时间是重要的。环境空气是一种温度，在恒定压力下具有某个空气湿度的空气必须低于该温度，使得水蒸汽析出为露水或雾气。空气湿度在露点为100％。这通常称作充满水蒸汽的空气。
能够采用冷镜式露点湿度计或者采用其他测湿方法来确定露点或露点温度。备选地，经由空气温度和空气湿度的测量间接地进行该确定。
能够使用湿度传感器测量相对湿度。通过温度计定期确定空气的温度。露点温度计算如下：
T＝空气温度(由传感器测量或者以其他方式确定)
常数从具体情况定义如下：
a＝7.5
b＝237.3℃
饱和蒸汽压力＝6.1078hPa·10^((a·T)/(b+T))
V＝log10(蒸汽压力/6.1078)
露点温度＝(b·V)/(a–V)
能够基于上述物理关系来评估相应部件上的部件温度。按照特别有利的方式，在马达上或中或者在风扇上或中、特别在关键位置来测量或确定和评估部件温度。
不测量部件温度，而是从马达、风扇或风扇组的计算模型来得出部件温度是可设想的并且可以是有利的。按照极特别有利的方式，马达/风扇或风扇组的数字孪生(digitaltwin)可用于这个方面。
在按照本发明的电动马达、风扇或风扇系统的教导的情况下，数字孪生是真实单个对象的数字镜像。数字孪生使用计算模型来描述马达或风扇的性质，以及在必要时同时结合来自马达或风扇的已知数据。数字孪生的任务被认为是采用虚拟传感器来计算作为相应操作状态的函数的马达或风扇的部件的部件状态。基于这种计算所确定的部件状态被传送给操作参数特定算法，所述算法从数字孪生的操作数据来确定/计算风扇的操作参数或操作状态。基于该结果，状况特定规则调整是可能的。只要它们是可被计算出的，操作参数和操作状态是同样相关的。
先前所述的数字孪生和操作参数特定算法的组合可在微处理器上作为被指配给风扇的马达的数字孪生算法实现，并且因此作为固定部件被分配给风扇。
数字孪生算法是描述马达或风扇的数字孪生与一种类型的智能算法的组合，所述算法配置用于特定操作参数。
通过对应设计的风扇，能够执行预测维护，目标是防止例如被水分损坏而引起的风扇故障。系统参数被调整成适合状况，以便实现风扇的最大可能使用寿命。
使用马达或风扇的数字镜像以及操作参数特定的算法，预测维护的目标是尽可能完全利用风扇部件的使用寿命，并且同时防止风扇的任何故障。风扇的使用寿命可基于经计算的部件状态和所产生的操作参数计算出来。
数字孪生使用物理和/或数学和/或统计和/或经验和/或组合模型来计算热部件状态和机械部件状态。这还包括数学以及物理和非物理模型。操作参数特定算法(智能算法)需要数字孪生所确定的部件状态，以便确定任何操作参数，还以便例如预测风扇故障。
为了确定特定部件的表面温度，温度传感器必须被定位在特定部件的附近。这因风扇/马达的财政、几何和功能条件而通常是不可能的。对应地，除了操作参数特定算法之外，还经由数字孪生来计算这类部件状态(例如特定点的温度)。还能够使用常规传感器来记录表面温度。
在一个示范实施例中，计算基于数学模型，该数学模型又基于简化的耦合热磁计算模型。数字孪生连同操作参数特定算法的组合计算与风扇的马达相关的总体系统的热源、散热片和热状态。使用数字孪生的虚拟传感器，部件温度能够被确定为风扇/马达的操作状态的函数，并且作为操作状态被结合到操作参数特定算法中。
数字孪生(包括其虚拟传感器)和操作参数特定算法均能够在现有微处理器上实现，由此一定量的机器智能被结合到马达或风扇中。
先前所述的方法能够涉及风扇的全部可设想操作参数。如果无法直接测量相应参数，但是对其的了解(特别是马达或风扇的特定位置或部件处的温度)能够用来优化风扇的操作，则根据本发明的方法的应用始终有意义。
再者，在电动马达或风扇或者风扇组合件存在若干潜在的冷凝位置。因此，可取的是，也就是按照上述说明，单个计算或确定每个潜在的冷凝位置的露点温度。
原则上，可设想使用测湿方法来测量露点温度。这通常不是可能的，尤其是由于空间和成本的原因。
备选地，有利的是间接确定露点温度，即根据实际蒸汽压力进行，其中温度相关饱和蒸汽压力和马达、风扇或风扇组的环境空气湿度被包含在蒸汽压力的计算中。在低压/高压应用的情况下，可考虑压力相关计算规则和/或参数，以便计算露点温度。
可在现场使用温度传感器直接测量计算所需的马达或风扇或者风扇组的环境温度。还可设想的是，马达或风扇或者风扇组的环境温度经由分散测量单元来确定，并且被传送给计算单元。马达或风扇或者风扇组的环境温度的间接确定也是可设想的(例如使用计算模型)。特别相关的是确定围绕有形成冷凝物风险的表面的空气温度。
计算单元是EC马达的微处理器。还可设想在马达外部的适当装置(PLC、网关、PC、云等)上执行计算。
环境空气湿度(部件、马达或风扇或者风扇组周围的空气的水分含量)可使用水分传感器来测量，该水分传感器可选地被集成到马达或风扇中或者风扇组中，或者从马达、风扇或风扇组导出。该数值也可从分散测量单元传送给计算单元。
环境温度的确定产生作为相关参数的温度T。环境空气湿度的确定产生作为另一相关参数的相对空气湿度
露点温度在单个步骤计算如下：
a.计算饱和蒸汽压力SDD
物质的饱和蒸汽压力是气体物理状态处于与液体物理状态均衡的压力。这是温度相关的，并且按照马格努斯公式近似计算：
这适用于-45℃与+60℃之间的温度范围，并且覆盖EC马达的典型工作环境。
b.计算实际蒸汽压力DD
实际蒸汽压力是空气中的绝对水分含量的量度。相对空气湿度
表示已经饱和的饱和蒸汽压力的强度的百分比或达到饱和蒸汽压力的强度的百分比。
c.计算露点温度τ
露点温度是实际蒸汽压力对应于相对湿度为100％的饱和蒸汽压力时的温度。如果部件的表面温度未达预定点并且因此相邻流体冷却到低于露点温度，则这相对于水蒸汽含量过饱和。因此，过量水蒸汽以冷凝物的形式停留在特定部件的表面上。
露点温度τ则近似计算如下：
由于这些是近似计算，又如饱和蒸汽压力的近似计算，所以还能够发现文献中的公式具有其他数值，但是所述其他数值对相应温度范围提供可比较的结果，所述其他数值是为该相应温度范围而设计的。
在应用是低压/高压应用(其中露点中的压力相关偏移不是可忽略的)的情况下，必须结合压力相关计算规则或参数。环境压力(若是大致恒定的)必须作为固定值存储在马达的微处理器中或者使用压力传感器动态确定。
在关键位置的关键部件的温度监测是该方法的必要部分。本例中的关键位置可取决于安装条件，例如安装位置。可使用可选地与其他模型耦合的热模型和计算规则间接地监测部件温度，所述计算规则实现表面温度的估计。可使用热模型间接确定表面上的温度。因此，记录了马达的温度或其他物理变量。
当确定相对湿度时，能够使用时间因子，该时间因子根据相对湿度考虑直到马达周围的空气与实际测量位置的空气对应之前的时间延迟。在这种情况下对应计算模型也是可设想的，该计算模型例如考虑诸如马达速度的影响因素。
一种根据本发明在电动马达上/中、特别是作为风扇或风扇组的部件的电动马达上/中防止冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的方法包括下列方法步骤：
-检测临近和/或先前发生在马达上或中的冷凝物的形成；以及
-借助于被动或主动措施来开始防止冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的措施。
因此，在这里实现保护机制，所述保护机制能够包括不同措施，例如通过旋转马达的转子而产生任何通风效果的通风/通气。作为替代或补充，可设想的是，由静止马达启动，马达并且因此风扇被短暂地启动。还可设想的是，所述措施包括马达正运行时的马达速度的适应。其他马达加热功能也是可设想的，按照这些功能，通过马达部件或部件的目标控制来触发局部相关功率损耗。
另一适当措施是主动加热，其中加热可涉及整个马达，或者涉及单个马达部件，即在存在冷凝物形成的风险的情况下。
如果警告信息在上述措施开始之前或者开始时被产生并且发送给更高级系统，则是特别有利的。另一优点是事件存储器/系统存储器中的存储装置，所述存储装置特别在投诉的情况下能够被访问。存储器可以是内部或外部事件存储器。还可设想的是所生成的数据例如经由云被传送给分散或中央计算机和存储器。
此外，应当注意的是，如果在跨马达或风扇的相关位置/部件处/上(即基于每种情况下的潜在的冷凝位置)确定若干或许多露点温度，则是特别有利的。取决于有风险的冷凝位置，这允许从各种保护机制中选取最佳机制。
在特殊实施例中，确定/计算蒸发速率，所述蒸发率可指定用于保护机制或者相应措施的相应活动的期间。使用根据本发明的方法的自动操作基于这种预定措施是可能的。
附图说明
再者，有用于以有利的方式设计和改善本发明的教导的各种选项。为此，一方面参照与权利要求1相关的权利要求，以及另一方面参照下面通过附图对本发明的优选示范实施例的说明。并且与利用附图对本发明的优选示范实施例的说明相结合，大体上说明本教导的优选实施例和改良。附图中：
图1示出了马达的示范实施例的示意截面图，在该马达的操作期间，可使用根据本发明的方法；以及
图2示出了具有单个方法步骤的根据本发明的方法的顺序的流程图。
具体实施方式
图1以截面图示出用作风扇/风扇组中的驱动器单元时的采用外部转子设计的典型电动马达。假定这类电动马达为人熟知，所以此刻没有必要进行详细说明。
就具有外部转子设计的电动马达而言，必要的是定子1布置成绕马达轴线2，而转子3布置成绕定子1，以便绕定子1旋转。
定子1被定位在轴承管4上，轴承管4连同侧壁5一起是壳体6的一部分，壳体6的内部可分为不同的区域。
转子3被壁7包围，该壁7与转子3共同旋转。这意味着，能够使用适当方法以旋转固定方式连接风扇叶轮(图1中未示出)。
在壳体6内部设置微处理器8，其中通信线路9从所述微处理器朝壳体6的外部伸出。
此外，传感器10，特别是水分传感器，被布置在壳体6内部。还可设想在壳体6内设置未示出的温度传感器。
经由传感器10所得到的测量数据被发送给微处理器8，并且能够经由通信线路9来提供给外部电子器件或评估单元，如说明书的总则部分所述。此外，来自外部测量单元的测量数据能够经由通信线路9(有线或无线)传送给马达，使得这些数据由微处理器8来评估。如果外部评估单元用来确定冷凝的风险，则所述外部评估单元也是特定评估单元，所述特定评估单元经由通信线路9启动保护机制。数据流主要规定朝马达的方向，例如，外部测量结果按照该方向被提供给马达。可设想使冷凝物检测和冷凝物预防例如由外部装置(网关、PLC、云等)来执行。
图2在流程图的范围之内示出了根据本发明的检测和防止冷凝物的形成方法的顺序。
在本例中，首先测量或确定待监测马达/风扇或者完整风扇组的环境温度。按照总体说明，能够利用使用数字孪生的热模型。
确定待监测马达/风扇(或者完整风扇组)的环境空气湿度。然后计算马达之中或之上的关键区域中或者关键部件上的露点温度或单个的露点温度。
计算或测量马达或风扇的单个部件的表面温度。如果部件温度或表面温度几乎处于露点温度或者低于露点温度，则例如能够在事件存储器中进行输入，并且能够启动可选保护功能。如果情况不是这样，则能够几乎自动启动适当的保护功能，以防止露点下降到低于下限。
为了避免赘述，参照详细论述本方法的总体说明。
关于根据本发明的教导的其他有利设计，为了避免赘述，参照说明书的总则并且参照所附权利要求。
最后，明确参照关于如下事实：根据本发明的教导的先前描述的示范实施例仅意在说明要求保护的教导；但是它并不局限于这个示范实施例。
附图标记列表
1 定子
2 转子轴线
3 转子
4 轴承管
5 壁(定子)
6 壳体
7 壁(转子)
8 微处理器
9 通信线路
10 传感器，湿度传感器
Claims (20)
1.一种检测临近或先前发生在电动马达上/中、特别是在作为风扇或风扇组的部件的电动马达上/中的冷凝物的形成的方法，其具有下列方法步骤：
确定部件温度，优选地为电子器件(内部/外部)上的表面温度、所述马达上/中的表面温度、所述风扇上/中的表面温度、或者风扇组上/中的表面温度；
确定所述马达、风扇上/中或风扇组上/中的所述电子器件上的所述露点温度或单个的露点温度；
将相应的部件温度与相应的露点温度进行比较，以及当所述部件温度接近所述露点温度时或者当所述露点温度未达预定点时推断冷凝的形成已经发生或者临近发生。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在相应的部件上测量或确定所述部件温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在关键位置测量或确定所述部件温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件温度根据所述风扇或所述风扇组的所述马达的计算模型或者另外的参照方法(例如使用表格或近似公式)得出。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，相对潜在的冷凝位置来计算或确定一个或多个局部露点温度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过测湿方法来测量所述露点温度。
7.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，根据实际蒸汽压力来确定所述露点温度，其中温度相关局部饱和蒸汽压力和所述部件、所述马达、所述风扇或所述风扇组的局部环境空气湿度被结合到所述蒸汽压力的确定中。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在用于确定所述露点温度的低压/高压应用的情况下考虑所述压力相关计算规则。
9.如权利要求7并且可能如权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于温度传感器局部地测量所述电子器件、所述马达、所述风扇或所述风扇组的环境温度。
10.如权利要求7并且可能如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电子器件、所述马达或所述风扇或者所述风扇组的环境温度从内部或分散测量单元(所述风扇外部，例如客户装置)传送给评估单元，例如马达微处理器、网关、云等。
11.如权利要求7并且可能如权利要求8所述的方法，其特征在于，例如根据表格、基于函数、使用(分析、数值、经验、数学、物理和非物理)计算模型，间接地确定所述马达或所述风扇或者所述风扇组的环境温度。
12.如权利要求7并且可能如权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述环境空气湿度(所述电子器件、所述马达或所述风扇或者所述风扇组周围的水分含量)是借助于水分传感器来测量的，其中所述水分传感器可选地被集成到所述电子器件中、所述马达或风扇中或者所述风扇组中，或者从所述马达、所述风扇或所述风扇组导出，或者从分散测量单元传送给所述评估单元或者所述马达或者执行所述计算的单元。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，时间因子或计算模型被用于确定局部相对空气湿度，该模型考虑需要多长时间所述马达或所述测量位置周围的所述空气与所述实际露点目的地(局部)的空气才会在温度和相对空气湿度方面一致。
14.一种在电动马达上/中、特别是作为风扇或风扇组的部件的电动马达或者所述电动马达的内部或外部电子器件上/中防止冷凝物的形成和/或消除/去除冷凝物的方法，其包括下列方法步骤：
检测临近和/或先前发生在马达上或中的冷凝物的形成，尤其是如权利要求1至13中任一项所述的方法；以及
借助于被动或主动措施来开始防止所述冷凝物的形成和/或消除/去除所述冷凝物的措施。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述措施包括通风/通气，所述通风/通气利用通过旋转所述转子而产生任何通风效果。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，从静止马达启动的所述措施包括启动所述风扇。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述措施包括马达速度的调整。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述措施包括加热，其中所述加热可参考整个所述马达或者参考单个的马达部件或所述外部电子器件。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，在措施开始前或开始时对高级系统产生警告信息。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，冷凝物的完全形成或或临近形成的检测和/或已开始的措施和/或警告信息被存储在内部或外部事件存储器中。
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