DE102017125890A1 - Verfahren zur Überwachung von Wälzlagern - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Wälzlagers (2) eines elektrischen Motors (1), wobei das Wälzlager (2) eine kapazitive parasitäre Antenne (3) ausbildet, mit den folgenden Schritten:
a. Erfassen des von der parasitären Antenne (3) emittieren elektromagnetischen Spektrums (7) ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager (2) über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors (1);
b. Auswertung der im Spektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) und deren Amplitude A;
c. Erfassen der Änderung der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) und/oder deren Amplitude A und
d. Bestimmen, ob die Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplituden A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) mit der Zeit nichtlinear zunimmt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Wälzlager in einer elektrischen Maschine, wie z. B. einem EC-Motor.
  • Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Bei Speisung einer elektrischen Maschine aus einem Pulswechselrichter kann zum Beispiel eine kapazitiv eingekoppelte Lagerspannung gebildet werden. Durch das geschaltete Pulsmuster des Inverters ergibt sich an dessen Ausgang eine mit der Schaltfrequenz des Inverters springende Gleichtaktspannung (CMV) gegenüber Erde.
  • Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter kann demnach zu unerwünschten Lagerspannungen führen, was wiederum zu Lagerströmen in den Lagern des Motors führen kann. Ein solcher Stromfluss durch die Lager kann bei elektrischen Maschinen mit Wälz- und Gleitlagern zu Schäden bis hin zum totalen Ausfall führen. Es ist daher einerseits wünschenswert die Schäden zu vermeiden und andererseits besteht ein Bedürfnis danach den Zustand eines solchen Wälzlagers zu überwachen.
  • Als Abhilfe zur Reduzierung von Schäden am Wälzlager wurden in der Vergangenheit stromisolierte bzw. elektrisch isolierende Lager, z. B. Lager mit einer Keramikisolierung am Außenring oder Hybridlager mit Keramik-Walzkörpern, verwendet. Da diese Lager jedoch sehr teuer sind, eignet sich eine solche Lösung nicht in idealer Weise für die Massenfertigung.
  • Aus dem Stand der Technik sind weitere Abhilfemaßnahmen bekannt. So lehren die Druckschriften EP 1 445 850 A1 bzw. DE 10 2004 016 738 B3 eine Vorrichtung zum Schutz eines Lagers einer Elektromaschine zu verwenden, die eine Kompensationsanordnung bzw. eine Kompensationseinrichtung zur Erzeugung eines Kompensationsstroms für die Kompensation eines Störstroms durch die Lager vorsieht.
  • Unabhängig vom Aufbau des EC-Motors und der Konzeption zur Vermeidung von Schäden am Lager, ist es aber wünschenswert den jeweils aktuellen Zustand des Lagers zu kennen und mögliche Schäden am Lager festzustellen.
  • Die Hauptaufgabe eines Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Lager von insbesondere rotierenden oder drehbaren Maschinen, wie EC-Motoren besteht darin, möglichst ohne Betriebsunterbrechung eine Beurteilung des aktuellen Lagerzustandes und jeglicher Veränderungen des Zustandes zu ermöglichen. Unter Lagerzustand im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man dabei die Bewertung des technischen Zustandes des Lagers betreffend der Veränderung des Lagers wegen Funken-Erosion.
  • Durch vorbeugende Instandhaltung und Erfahrungswerte können die Verfügbarkeiten der EC-Motoren zwar verbessert und gleichzeitig die Ausfallzeiten sowie die Kosten der Instandhaltung reduziert werden. Nachteilig ist dabei, dass es selten möglich ist, genaue Vorhersagen über den Zustand, den Verschleiß und den Zeitpunkt des Ausfalls der Lager zu treffen. Ferner kommt es bei der vorbeugenden Instandhaltung immer wieder vor, dass Teile zu früh ausgetauscht werden, die noch über eine hohe Reststandzeit verfügen. Somit ist ein Verfahren notwendig, das den Zustand des Lagers möglichst genau im Betrieb ermittelt, ohne dass aufwendige Sensoren, Schwingungsanalysen oder dergleichen benötigt werden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine zuverlässige und günstig zu realisierende Lösung zur Überwachung des Lagerzustands bereit zu stellen und insbesondere Schäden am Wälzlager zu detektieren.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch das Messen hochfrequenter Radiostrahlung zwischen den Kugeln und der Lauffläche des Lagers, infolge Funkenbildung, aus den daraus gewonnenen elektromagnetischen Wellen ein Rückschluss auf die Lagerqualität gezogen werden kann.
  • Wie zum Beispiel von einer elektrischen Türklingel und einem danebenstehenden Radio bekannt ist, erzeugt ein elektrischer Funke (Funkenentladung) eine hochfrequente elektromagnetische Welle, die an die Antenne des Radios koppeln kann. Das gleiche Phänomen findet zwischen Lagerlaufbahn und Lagerkugel an der Oberfläche statt. Der Funkenstrom, welcher zu dem elektrischen Funken führt, ist der zuvor beschriebene Lagerstrom, welcher zusammen mit der Rotation von Teilen des Lagers (Kugeln und Laufbahn der Kugeln im Lager) eine Art Funken-Erosion bewirkt. Durch die an die Funkenstrecke (Kugeln zu Laufbahn) angekoppelte Antenne (parasitäre Antenne), welche durch die mechanische Konstruktion des Lagers gegeben ist, werden nun je nach Schädigungszustand des Lagers eine bestimmte Anzahl von Funken pro Zeiteinheit erzeugt und eine entsprechende Anzahl spezifischer elektromagnetsicher Wellen abgestrahlt.
  • Der Lagerschaden nimmt nach Anzahl und Umfang mit der Zeit durch die besagte Funkenerosion weiter zu, allerdings verhält sich die Zunahme des Lagerschadens nicht linear mit der Zeit. Die bereits vorhandene Anzahl von Lagerschäden an den Kugeln des Wälzkugellagers wirkt sich neben dem eigentlichen Erosionsvorgang auch auf die Bildung weiterer Lagerschäden aus, da sich dadurch die erforderliche Lage zwischen Lauffläche und Kugeloberfläche nachteilig verändert.
  • Bei einem Empfänger der elektromagnetischen Wellen bzw. Impulse bedeutet dies, dass in einem bestimmten (für die Schädigung spezifischen) Frequenzband, welches durch die parasitäre Antenne des Kugellagers bestimmt ist, die erfasste Anzahl und die ermittelte Amplitude der elektromagnetischen Impulse durch die Funkenbildung pro Zeitintervall nichtlinear zunimmt.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Auswertung der elektromagnetischen Impulse in einem bestimmten Zeitintervall zur Bestimmung des Lagerzustandes zu nutzen. Durch die Auswertung dieser Impulse, nämlich durch Mittelwertbildung der Signale am Ausgang des Empfängers und durch die nachfolgende Berechnung der Änderungsrate des Mittelwertes, kann auf den Zustand des Lagers geschlossen werden. Der ermittelte Mittelwert wird größer und ändert sich zunehmend schneller bei zunehmender Lagerschädigung.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass das gemessene elektromagnetische Spektrum einer Spektralanalyse dergestalt unterzogen wird, dass die Anzahl der elektromagnetischen Impulse über eine definierte Zeiteinheit, der Mittelwert der elektromagnetischen Impulse über diese Zeit und das zeitliche Differential der Mittelwerte gebildet wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich mittels einer Empfangsantenne und einer Auswerteeinrichtung auf kostengünstige Weise den Lagerzustand zu überwachen.
  • Eine bevorzugte Möglichkeit einer Analyse und Prognose liegt in der Verwendung von Referenzdaten. Hierzu wird für den jeweiligen EC-Motor ein entsprechendes Referenzmodell entworfen. Das Referenzmodell umfasst dabei einen Datensatz mit den elektromagnetischen Impulsen eines bestimmten Frequenzbandes für unterschiedliche Lagerzustände, bei dem ein Lagerschaden des Wälzlagers jeweils in unterschiedlicher Ausprägung vorhanden ist. Für mehrere Lagerzustände wird eine nichtlineare Lagerzustandskurve extrapoliert, die den nichtlinearen Verlauf eines Lagerschadens repräsentiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nicht die Kurve selbst, sondern die Mittelwertkurve dabei ermittelt bzw. extrapoliert wird und ein maximales Differential definiert wird, als absolutes Grenzdifferential, ab dem das Lager als „defekt“ betrachtet wird. Übersteigt die Zunahme der elektromagnetischen Impulse pro definiertem Zeitintervall somit den Wert des Grenzdifferentials, so kann z. B. ein Fehlersignal ausgegeben werden.
  • Im Hinblick auf z. B. Industrie 4.0 Anwendungen kann auch vorgesehen sein, dass ein zweiter Grenzwert (relatives Grenzdifferential) definiert wird, der zeitlich betrachtet einen Zustand repräsentiert, der vor dem Erreichen des absoluten Grenzdifferentials (Defekt des Lagers) liegt und den demnächst zu erwartenden Lagerdefekt ankündigt. Anhand des tatsächlichen Kurvenverlaufs und der durchschnittlichen Betriebszeit kann der Ausfallzeitpunkt prognostiziert werden, so dass nicht nur der aktuelle Zustand, sondern auch der Prognoseverlauf des Lagerzustandes mittels der Erfindung erfasst werden kann, so dass damit eine vorbeugende Instandhaltung realisierbar ist.
  • So kann z. B. auch vollautomatisch eine Bedarfsanforderung ausgelöst werden, wenn der Grenzwert des relativen Grenzdifferentials detektiert wird.
  • Um Störungen bei der Messung, verursacht durch andere Störquellen, wie zum Beispiel Radiosender, Störquellen im Motor etc. zu reduzieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass nur ein bestimmtes Frequenzband elektromagnetsicher Wellen vom Empfänger detektiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Frequenzband selektiv auf die Resonanzfrequenz der parasitären Sendeantenne des EC-Motors abgestimmt ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Empfänger nicht nur ein einzelnes Lager im EC-Motor, sondern abhängig von der Frequenz und damit in Abhängigkeit der Abstimmung der parasitären Antenne(n) auf die Empfängerfrequenz(en) auch mehrere Lager im Motor überwacht werden. Dazu müssen jedoch die parasitären Antennen durch zusätzliche Blindwiderstände (Induktivitäten und Kapazitäten) in der Resonanzfrequenz verstimmt werden.
  • Auf die Funkenbildung also solche hat dies keinen merklichen Einfluss, da der Funke selbst stets ein vergleichsweise breitbandiges Frequenzband elektromagnetsicher Wellen aussendet.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen EC-Motor mit einer Lagerüberwachungseinrichtung umfassend eine Empfangsantenne und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektromagnetischen Wellen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangsantenne direkt auf der Leiterplatte des Motors angeordnet ist.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
  • Es zeigen:
    • 1 eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Frequenzspektrums gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem ersten Zeitpunkt t = t1;
    • 2 eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Frequenzspektrums gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem zweiten (späteren) Zeitpunkt t = t2;
    • 3 eine extrapolierte Kurve der Änderungsrate von den Mittelwerten der erfassten elektromagnetischen Impulse ausgehend von Lagerschäden und
    • 4 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines Elektromotors mit einer Lagerüberwachungseinrichtung.
  • Die Erfindung wir nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die 1 bis 4 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
  • In den 1 und 2 sind jeweils eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Frequenzspektrums A(f) mit der Amplitude A zu einem ersten Zeitpunkt t = t1 und einem späteren Zeitpunkt t = t2 gezeigt. Die Spektrallinien a, b, c, d sollen jeweils einen Lagerschaden im Wälzlager 2 repräsentieren und stellen die entsprechenden Amplituden im Frequenzspektrum dar. Diese sind in den 1 und 2 lediglich beispielhaft als diskrete Spektrallinien gezeigt. Die Stärke des Lagerschadens wird über die Amplitude A ermittelt. Je höher die Amplitude und der entsprechende Beitrag, desto stärker der Lagerschaden. Vorliegend sind in der 1 beispielhaft lediglich 7 solche Spektrallinien aus dem (nicht dargestellten) Frequenzspektrum gezeigt, während in der 2 beispielhaft weitere Schäden hinzugekommen sind (dargestellt durch die Spektrallinien e).
  • Diese Spektrallinien a, b, c, d, e werden bei der Überwachung des in der 4 gezeigten Wälzlagers 2 eines elektrischen Motors 1 verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass das zu überwachende Wälzlager 2 eine kapazitive parasitäre Antenne 3 ausbildet, welche elektromagnetische Wellen aufgrund der Funkenbildung im Wälzlager 2 wegen der vorhandenen Lagerschäden emittiert.
  • Es verfügt der Elektromotor 1, wie ebenfalls in dem Ersatzschaltbild der 4 gezeigt über eine Lagerüberwachungseinrichtung 5, die wenigstens eine Empfangsantenne 6 besitzt, die vorzugsweise direkt auf der Leiterplatte 7 des Elektromotors 1 montiert ist.
  • Nach dem Erfassen des von der parasitären Antenne 3 emittieren elektromagnetischen Spektrums, ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager 2 über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors 1, erfolgt eine Auswertung der im Frequenzspektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulsen und deren Amplitude A, sowie eine Mittelwertbildung der im zur Auswertung bestimmten Frequenzband fs (der Bereich zwischen den gestrichelten Linien) enthaltenen Impulse a, b, c, d, e.
  • Durch Erfassen der Änderung des Mittelwertes der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse a, b, c, d, e im besagten Frequenzband fs und/oder deren Amplitude A über eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während dem Betrieb des Elektromotors, kann aus der Änderungsrate ein Rückschluss auf den Lagerzustand getroffen werden.
  • Insbesondere kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die Mittelwerte zu den jeweiligen Erfassungszeitpunkten über die Zeit aufgetragen werden. Daraus ergibt sich eine, wie in der 3 gezeigte, nichtlineare Kurve, da die Änderungsrate mit der Zeit zunimmt. So ist die Änderung der Zunahme vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 geringer, als die nachfolgende Änderung über das jeweils gleiche Zeitintervall, da dort die Lagerschäden weiter nichtlinear zunehmen. In den 1 bis 3 sind ferner lediglich beispielhaft Grenzwerte eingezeichnet, nämlich der erste Grenzwert GWr und der zweite Grenzwert GWm, wobei der erste Grenzwert einen Zustand definieren soll, bei dem die zu erwartende Restlebensdauer einem definierten Wert entspricht, der sich aus der bisherigen Änderungsrate und der Betriebszeit errechnet, bei der sich die Änderungsrate beim Erreichen des Zeitpunkts des ersten Grenzwertes ergibt.
  • In der 4 ist ergänzend ein Display 8 zur Anzeige eines Spektrums 9, welches von der Lagerüberwachungseinrichtung 5 ermittelt wurde, gezeigt, um die Ergebnisse für eine Person auch grafisch darstellen zu können und ggf. Signale, Warnungen oder dergleichen auf einfache Weise für einen Verwender des Motors sichtbar zu machen. Vorteilhaft ist es, wenn die Lagerüberwachungseinrichtung 5 bereits integraler Bestandteil der Motorelektronik ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1445850 A1 [0005]
    • DE 102004016738 B3 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Überwachung eines Wälzlagers (2) eines elektrischen Motors (1), wobei das Wälzlager (2) eine kapazitive parasitäre Antenne (3) ausbildet, mit den folgenden Schritten: a. Erfassen des von der parasitären Antenne (3) emittieren elektromagnetischen Spektrums (9) ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager (2) über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors (1); b. Auswertung der im Spektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulsen (a, b, c, d, e) und deren Amplitude A; c. Erfassen der Änderung der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) und/oder deren Amplitude A und d. Bestimmen, ob die Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplituden A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) mit der Zeit nichtlinear zunimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplitude A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) in Schritt d) ein Mittelwert der Amplituden A gebildet wird und die Veränderung des Mittelwertes zur Feststellung des Lagerzustandes verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung eine gewichtete Mittelwertbildung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Veränderung des Mittelwertes als Änderungsrate in der Form eines zeitlichen Differentials ermittelt und dann analysiert wird, ob die Veränderungsrate nichtlinear zunimmt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Änderungsrate mit Referenzdaten, vorzugsweise mit wenigstens einem vorbestimmten maximalen Grenzwert (GWm) verglichen und zumindest beim Überschreiten des Grenzwertes (GWm) ein Signal erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Änderungsrate mit wenigstens einem zweiten vorbestimmten Grenzwert (GWr) verglichen wird, der geringer ist als der maximale Grenzwert (GWm) und beim Überschreiten des zweiten Grenzwertes (GWr) ein Signal erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die elektromagnetischen Impulse innerhalb eines ausgewählten schmalen Frequenzbandes fs innerhalb des breitbandigen Frequenzbandes der emittierten elektromagnetischen Wellen erfasst werden.
  8. Elektromotor (1) mit wenigstens einem Wälzlager, dessen Zustand über eine Lagerüberwachungseinrichtung überwacht wird, wobei der Elektromotor ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zur Erfassung der elektromagnetischen Impulse eine im Motor integrierte Empfangsantenne verwendet.
  10. Elektromotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wälzlager vorgesehen sind, dessen Zustand über die Überwachungseinrichtung überwacht wird, wobei einzelne parasitären Antennen der Wälzlager jeweils mit einem induktiven und/oder kapazitiven Blindwiderstand versehen sind, um die jeweilige parasitäre Antenne in seiner Resonanzfrequenz zu verstimmen.
  11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektromagnetischen Wellen im oder am Elektromotor integral vorgesehen ist.
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