DE102017105936A1

DE102017105936A1 - Verfahren zum Betreiben eines Aggregats mit einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102017105936A1
Application number: DE102017105936.9A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey-George Gerakis
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Aggregats (1), das mit einer von einem Elektromotor (3) antreibbaren Last (5) ausgeführt ist, vorgeschlagen. Dabei ist ein Steuergerät (9) vorgesehen, mittels welchem ein Unwuchtzustand ermittelbar ist. Das Steuergerät (9) ist hierzu mit einer eine Ausgangsdrehzahl des Elektromotors (3) ermittelnden Tachometereinrichtung (8) und mit einer wenigstens einen elektrischen Parameter des Elektromotors (3) ermittelnden Strommesseinrichtung (7) wirkverbunden, wobei das Steuergerät (9) einen Unwuchtzustand ermittelt, wenn von der Tachometereinrichtung (8) ermittelte Werte größer als ein in einer Speichereinheit (10) hinterlegter vordefinierter oberer Grenzwert oder kleiner als ein in der Speichereinheit (10) vordefinierter unterer Grenzwert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Aggregats mit einem Elektromotor gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Praxis sind bei Elektromotoren im Allgemeinen verschiedene Verfahren bekannt, um bei einer von einem Elektromotor antreibbaren Last einen Unwuchtzustand, einen sogenannten Out-of-balance-Zustand, zu detektieren. Beispielsweise ist es bekannt, im Bereich des Elektromotors einen mechanischen Schalter oder eine Kombination von mechanischen Schaltern vorzusehen, die durch eine während eines Unwuchtzustands auftretende tatsächliche Verlagerung des Elektromotors betätigt werden. Die Schalter sind dabei derart angeordnet, dass sie von dem Elektromotor betätigt werden, wenn eine beispielsweise durch Vibrationen ausgelöste Bewegung des Elektromotors einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Wird einer der Schalter von dem Elektromotor betätigt, wird daraufhin der Elektromotor ausgeschaltet.
Zur Ermittlung eines Unwuchtzustands eines Elektromotors ist auch der Einsatz einer Kombination von Dehnungsmessstreifen, Näherungssonden, Beschleunigungssensoren, Thermoelementen und Miniaturmikrofonen bekannt, wobei diese beispielsweise zur Schwingungsüberwachung, zur Überwachung von Akustikemissionen, zur Verschleißanalyse und zur Temperaturüberwachung mit einer separaten Signalauswerteeinrichtung ausgeführt sind.
Bekannte Verfahren zur Ermittlung von Unwuchtzuständen haben den Nachteil, dass sie unerwünscht langsam sind und komplexe Signalverarbeitungsschaltungen erfordern. Darüber hinaus stellen viele dieser Verfahren externe Erweiterungen dar und sind nicht Teil eines inhärenten Elektromotor-Designs, so dass sie gegebenenfalls bei widrigen Umgebungsbedingungen nicht ausreichend robust sind.
Besonders bei schwierigen Bauraumbedingungen und gleichzeitig hohen Anforderungen an eine zuverlässige Fehlererkennung, wie z. B. in einem Flugzeugtriebwerk, sind die bekannten Lösungen zur Detektion eines Unwuchtzustandes von elektrischen Rotoreinrichtungen unzureichend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Unwuchtzuständen bei einer von einem Elektromotor angetriebenen Last, insbesondere eines Fan oder eines Propellers, eines Aggregats zur Verfügung zu stellen, mittels dem ein Unwuchtzustand einfach und schnell ermittelbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Aggregats vorgesehen, das mit einer von einem Elektromotor antreibbaren Last wie einem Fan oder Propeller ausgeführt ist, wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, mittels welchem ein Unwuchtzustand der Last des Elektromotors ermittelbar ist. Unter dem Begriff „Unwuchtzustand“ wird dabei jeder so genannte Out-of-balance(OOB)-Betriebszustand verstanden, in dem eine Unregelmäßigkeit der Last bzw. des Elektromotors vorliegt, wobei ein Unwuchtzustand insbesondere durch das Vorhandensein einer Unsymmetrie im Bereich des Elektromotors und/oder der Last verursacht sein kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Steuergerät mit einer eine Ausgangsdrehzahl des Elektromotors ermittelnden Tachometereinrichtung und mit einer wenigstens einen elektrischen Parameter des Elektromotors ermittelnden Messeinrichtung wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät einen Unwuchtzustand ermittelt, wenn von der Tachometereinrichtung ermittelte Werte größer als ein in einer Speichereinheit hinterlegter vordefinierter oberer Grenzwert oder kleiner als ein in der Speichereinheit vordefinierter unterer Grenzwert sind. Ein von der Tachometereinrichtung ermitteltes Tachometersignal weist dabei insbesondere eine Welligkeit bzw. einen so genannten „ripple“ im Verlauf bei einer vorgegebenen Drehzahl auf, womit der untere oder obere Grenzwert überschritten wird.
Die Erfindung nutzt neben der Signalauswertung von elektrischen Parametern des Elektromotors, wie z. B. Strom, Spannung, Leistung die von dem Elektromotor generierte Drehzahl der Last als effizienten Kontroll-Parameter, welcher ohne großen Aufwand überwacht und ausgewertet werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Unwuchtzustand- bzw. Unregelmäßigkeitserkennung in Echtzeit möglich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell, einfach und hochempfindlich durchführbar ist. Weiterhin kann ein Unwuchtzustand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sicher und selektiv, d. h. bestimmten Schadenssituationen zuordenbar, ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise ausschließlich durch Komponenten innerhalb eines Elektromotor-Designs durchführbar, so dass die Ermittlung des Unwuchtzustands auch bei widrigen Umgebungsbedingungen ausreichend robust ist.
Der Begriff „Elektromotor“ ist vorliegend in seinem weitesten Sinne zu verstehen und beschreibt auch einen Teil einer elektrischen Maschine, die zudem zur Umformung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung geeignet ist.
Der untere Grenzwert und/oder der obere Grenzwert sind vorzugsweise in der Speichereinheit für unterschiedliche Betriebszustände festgelegt, so dass das Steuergerät bei Detektion eines bestimmten Betriebszustandes einen Unwuchtzustand unter den jeweiligen Rahmenbedingungen entsprechend sicher erkennt.
Bei einer vorteilhaften Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung analysiert das Steuergerät zur Ermittlung eines Unwuchtzustands die von der Strommesseinrichtung sensierten Werte und erkennt einen Unwuchtzustand bei einem Abweichen von für den jeweiligen Parameter und Betriebszustand vordefinierten Sollwerten. Eine derartige Signalanalyse einer Stromversorgung des Elektromotors, welche vorzugsweise eine Feed-Back-Erfassung im gleichen Stromkreis aufweist, stellt ein hochempfindliches, selektives und kostengünstiges Analyseinstrument dar, welches in Verbindung mit einer Ermittlung der Werte der Ausgangsdrehzahl des Elektromotors durch die Tachometereinrichtung zu jeder Zeit eine sehr genaue, plausibilisierte Aussage über den Zustand der Last des Elektromotors erlaubt.
Eine Beschädigung der jeweils antreibbaren Last wie z. B. eines Fan, des Elektromotors und/oder weiterer Bauteile des Aggregats wird bei einer vorteilhaften Variante eines Verfahrens nach der Erfindung auf einfache Weise dadurch verhindert, dass das Steuergerät zur Leistungsreduzierung, zur Ausführung von Korrekturmaßnahmen oder Abschaltung des Elektromotors im Falle der Detektion eines Unwuchtzustands ausgeführt ist. Diese Reaktionen können in Abhängigkeit der erkannten Schwere des Unwuchtzustands, der Art des Unwuchtzustands und den jeweiligen Rahmenbedingungen des Betriebs erfolgen, wobei auch eine Aufeinanderfolge dieser Verfahrensschritte bei Abfrage der Drehzahlen und ggf. der elektrischen Parameter des Elektromotors nach einer vorhergehenden Reaktion erfolgen kann. Hierdurch können Schäden bzw. weitere Schäden im Aggregat insbesondere bei höheren Drehzahlen der Last verhindert werden.
Abweichungen im grafisch über der Zeit wiedergegebenen Verlauf der Werte der Tachometereinrichtung können insbesondere wellenartige Erhebungen und/oder Senken darstellen. Dabei können in der Speichereinheit vordefinierte Erkennungsmuster für bestimmte Störfälle hinterlegt sein, wobei das Steuergerät anhand eines Vergleichs der während des Unwuchtzustands ermittelten Werte der Tachometereinrichtung und gegebenenfalls der Strommesseinrichtung mit den Erkennungsmustern einen bestimmten Störfall detektiert.
Wenn die Last durch einen Fan oder Propeller gebildet wird, können vordefinierte Erkennungsmuster für einen Schaufelbruch, eine Eisbildung im Bereich von Schaufeln, eine Beschädigung von Lagereinrichtungen des Elektromotors und/oder des Fan bzw. Propellers und/oder einen Kontakt der Schaufeln des Fan bzw. Propellers mit einem Fremdkörper, beispielsweise einem Vogel, vorgesehen sein, so dass diese zu einem Unwuchtzustand führenden Ereignisse sicher identifizierbar sind. Die Erkennungsmuster bzw. Signalcharakteristiken einzelner durch Schadensfälle verursachter Unwuchtbetriebszustände können dabei auf einfache Weise mittels Entwicklungstests identifiziert und kalibriert werden.
Die Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens sind sehr vielfältig.
In vielen Industriebereichen und bei Transportsystemen finden neben Direktantriebssystemen auch indirekte Antriebssysteme mit Elektromotoren und Generatoren Anwendung. Beispiele hierfür sind Diesel-Elektro-Lokomotiven, Schiffsantriebsaggregate mit Propellergondelantrieb, bei denen ein Elektromotor mit Propeller in einer strömungsgünstigen, vorzugsweise um 360 Grad drehbaren Gondel unter dem Schiffsrumpf angebracht ist und sowohl die Antriebs- als auch Steuerungsfunktion des Schiffes übernimmt, oder in der Luftfahrtindustrie z. B. Hybrid-Gasturbinen-Generator-Systeme, die entweder Elektro-Fans oder Elektro-Propeller antreiben.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Prozessüberwachung an schwer zugänglichen Orten wie bei Induktionsmotorenantrieben, Elektro-Fan-Motoren auf Flugzeugflügeln, Kreiselpumpen, Kryopumpen etc. Daher eignet sich das Verfahren auch insbesondere bei als Flugzeugtriebwerken ausgebildeten Aggregaten.
Andere Anwendungen der Elektromotor-Analyse nach der Erfindung sind bei petrochemischen Raffinerien, Offshore-Förderanlagen für Öl- oder Gas, Bergbauanlagen, Papierfabriken und in der Automobilindustrie denkbar.
Dabei ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf Antriebssysteme beschränkt, die große Mengen an Leistung übertragen, vielmehr kann es auch bei kleinen Elektromotoren und kleinen elektromechanischen Systemen angewendet werden.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren weiterzubilden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:

1 ein stark schematisiertes Blockdiagramm eines von einem Elektromotor antreibbaren Fan eines Flugzeugtriebwerks; und
2 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ermittlung eines Unwuchtzustands an dem Fan.

1 zeigt stark schematisiert einen Elektromotor 3 eines als Flugzeugtriebwerk 1 ausgeführten Aggregats, der über eine Welle 4 mit einem beispielsweise im Bereich eines Flügels eines Flugzeugs angeordneten Fan 5 als Last verbunden ist und diesen antreibt. Der Elektromotor 3 wird beispielsweise von einem Generator mit Strom versorgt, der im Bereich eines Rumpfs des Flugzeugs angeordnet sein kann.
Im Schaltkreis des Elektromotors 3 ist eine Strommesseinrichtung 7 mit geeigneter Sensorik zur Erfassung von Werten einer aktuell vorliegenden Stromaufnahme des Elektromotors 3 sowie mit einer Feedback-Kontrolle vorgesehen. Des Weiteren ist der Elektromotor 3 mit einer Tachometereinrichtung 8 ausgebildet, mittels welcher eine aktuell vorliegende Ausgangsdrehzahl des Elektromotors 3 und mithin die Drehzahl der Welle 4 ermittelbar ist.
Dem Elektromotor ist in an sich üblicher Weise ein Steuergerät 9 zugeordnet, welches ggf. auch weiteren Komponenten zugeordnet ist und neben Auswerteeinrichtungen eine Speichereinheit 10 aufweist sowie mit der Strommesseinrichtung 7 und der Tachometereinrichtung 8 verbunden ist.
Um einen im Betrieb des Flugzeugtriebwerks 1 gegebenenfalls auftretenden Unwuchtzustand des Fan 5 oder des Elektromotors 3 ermitteln zu können, sind in der Speichereinheit 10 für unterschiedliche Betriebszustände untere Grenzwerte und obere Grenzwerte hinterlegt. Die Grenzwerte sind dabei derart gewählt, dass die in einem normalen Betriebszustand des Fan 5 ermittelten Werte der Strommesseinrichtung 7 und der Tachometereinrichtung 8, die durch den rotatorischen Betrieb des Elektromotors 3 und des Fan 5 zyklischen Schwankungen unterliegen, zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert liegen.
In 2 ist stark schematisiert ein Verfahren zur Ermittlung eines Unwuchtzustands gezeigt, wobei zunächst in einem ersten Verfahrensschritt 14 aktuell von der Strommesseinrichtung 7 und der Tachometereinrichtung 8 ermittelte Werte an das Steuergerät 9 übermittelt werden.
Im Bereich des Steuergeräts 9 werden diese Werte in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 15 mit in der Speichereinheit 10 hinterlegten Grenzwerten dahingehend verglichen, ob ein aktuell ermittelter Wert größer als der aktuell in der Speichereinheit hinterlegte obere Grenzwert bzw. kleiner als der aktuell in der Speichereinheit hinterlegte untere Grenzwert ist. Hierbei kann ein Drehzahlverlauf über eine definierte Zeit dahingehend geprüft werden, ob eine wellenartige Abweichung des Verlaufs, ein sogenannter „ripple“, ggf. zyklisch auftritt.
Ist der aktuell ermittelte Wert des Sensors 7 und/oder der Tachometereinrichtung 8 kleiner als der untere Grenzwert oder größer als der obere Grenzwert, wird von dem Steuergerät 9 in einem Verfahrensschritt 16 ein Unwuchtzustand erkannt und eine Abfragefunktion 17 gestartet, welche Art und welcher Grad des Unwuchtzustands vorliegt. Bei der Prüfung auf Art und Umfang des Unwuchtzustands wird ein Vergleich der während des Unwuchtzustands ermittelten Werte mit in der Speichereinheit 10 hinterlegten Erkennungsmustern durchgeführt, um hierbei die Art des Störfalls ermitteln zu können. Die Erkennungsmuster können beispielsweise für einen Schaufelbruch, eine Eisbildung im Bereich von Schaufeln des Fan 5, eine Beschädigung von Lagereinrichtungen des Elektromotors 3 und/oder des Fan 5 und/oder einen Kontakt der Schaufeln des Fan 5 mit einem Fremdkörper, beispielsweise einem Vogel, hinterlegt sein, wobei jeder dieser Unwuchtbetriebszustände einen charakteristischen Verlauf der von der der Tachometereinrichtung 8 und ggf. der Strommesseinrichtung 7 erfassten Werte zur Folge hat.
Nachfolgend wird in einer Abfragefunktion 18 geprüft, ob für den erkannten Störfall eine Leistungsreduktion des Elektromotors 3 vorgesehen und ausreichend ist. Wenn dies der Fall ist, wird in einer nachfolgenden Verarbeitungsfunktion 19 eine Leistungsreduktion eingeleitet. Bei einem negativen Abfrageergebnis wird vorliegend in einer weiteren Abfragefunktion 19 geprüft, ob für die vorliegenden Werte des Unwuchtzustands Korrekturmaßnahmen seitens des Elektromotors 3 vorgesehen sind. Wenn dies der Fall ist, wird ein Korrekturprogramm 20 gestartet und andernfalls in einer nachfolgenden Abfragefunktion 21 geprüft, ob für die vorliegenden Werte eine Abschaltung des Elektromotors 3 vorgesehen ist. Falls dies zutrifft, wir ein Verfahrensschritt zur Abschaltung 22 eingeleitet.
Das Vorliegen einer Unwucht, der erkannte spezifische Störfall und die ggf. von dem Steuergerät 9 ausgegebene Reaktion kann in einem jeweils anschließenden Verfahrensschritt als Signal in Form einer Meldung an ein Cockpit des Flugzeugs oder an ein weiteres internes oder externes Überwachungssystem übermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Flugzeugtriebwerk
3: Elektromotor
4: Welle
5: antreibbare Last, Fan
7: Strommesseinrichtung
8: Tachometereinrichtung
9: Steuergerät
10: Speichereinheit
14 bis 22: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Aggregats (1), das mit einer von einem Elektromotor (3) antreibbaren Last (5) ausgeführt ist, wobei ein Steuergerät (9) vorgesehen ist, mittels welchem ein Unwuchtzustand ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) mit einer eine Ausgangsdrehzahl des Elektromotors (3) ermittelnden Tachometereinrichtung (8) und mit einer wenigstens einen elektrischen Parameter des Elektromotors (3) ermittelnden Strommesseinrichtung (7) wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät (9) einen Unwuchtzustand ermittelt, wenn von der Tachometereinrichtung (8) ermittelte Werte größer als ein in einer Speichereinheit (10) hinterlegter vordefinierter oberer Grenzwert oder kleiner als ein in der Speichereinheit (10) vordefinierter unterer Grenzwert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert und/oder der obere Grenzwert für unterschiedliche Betriebszustände festgelegt ist und das Steuergerät (9) die ermittelten Werte mit den für den aktuellen Betriebszustand hinterlegten Grenzwerten vergleicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) zur Ermittlung eines Unwuchtzustands von der Strommesseinrichtung (7) gemessene Werte analysiert und einen Unwuchtzustand erkennt, wenn eine Abweichung von vordefinierten Soll-Werten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) zur Abschaltung des Elektromotors (3) im Falle der Detektion eines Unwuchtzustands ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen im grafisch über der Zeit wiedergegebenen Verlauf der Werte der Tachometereinrichtung (8) wenigstens eine Erhebung und/oder eine Senke darstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit (10) vordefinierte Erkennungsmuster für bestimmte Störfälle hinterlegt sind, wobei das Steuergerät (9) anhand eines Vergleichs der während des Unwuchtzustands ermittelten Werte wenigstens der Tachometereinrichtung (8) mit den Erkennungsmustern einen bestimmten Störfall detektiert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fan oder Propeller als Last (5) wenigstens ein den Störfällen „Fremdkörpereinschlag“, „Eisbildung“, „Schaufelblattbruch“, „Lagerschaden“ zugeordnetes er-Erkennungsmuster geprüft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei einem als Flugzeugtriebwerk (1) ausgebildeten Aggregat durchgeführt wird.