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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Betriebsumgebung, sowie einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System, die vorzugsweise jeweils zum Durchführen des Verfahrens ausgebildet sind.
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Bei dem Betrieb eines Elektromotors - egal ob sachgemäßer oder unsachgemäßer Betrieb - werden Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen können von dem Elektromotor selbst herrühren und/oder durch eine von dem Elektromotor angetriebene Last (beispielsweise ein Laufrad eines Ventilators) und/oder durch eine Betriebsumgebung des Elektromotors angeregt werden. In der Praxis können harmonische Anregungen (beispielsweise durch Unwuchten), stochastische Anregungen (beispielsweise durch Rauschen) oder impulsartige Anregungen (beispielsweise durch Stöße oder Stoßfolgen) auftreten. Wenn diese Anregungen eine strukturspezifische Eigenbewegung anregen, können Resonanzen entstehen. Derartige Resonanzen führen zu Schwingungsüberhöhungen.
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Viele Resonanzen, insbesondere Resonanzen, die von Unwuchten hervorgerufen werden, sind von der Drehzahl des Elektromotors abhängig. Da sich Resonanzen negativ auf den Betrieb des Elektromotors auswirken, beispielsweise durch erhöhte Geräuschentwicklung oder durch Beeinträchtigung der Lebensdauer des Elektromotors, wird versucht, den Betrieb des Elektromotors bei Resonanzen hervorrufenden Drehzahlen möglichst zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch schnelles Überfahren dieser Drehzahlen und/oder durch Nichtzulassen des Betriebs bei diesen Drehzahlen erfolgen. Insbesondere bei einem Ventilator ist diese Herangehensweise meist problemlos möglich.
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Wenn der Betrieb bei einer Resonanzstelle vermieden werden soll, müssen die Drehzahlen, an denen Resonanzen hervorgerufen werden, bekannt sein. Hierzu ist bekannt, einen Elektromotor nach der Fertigung in einem Prüfstand zu vermessen. Da diese Drehzahlen verschiedene Einflussfaktoren haben und meist von dem jeweiligen Aufstellungsort des Elektromotors abhängig sind, ist ein Bestimmen von Resonanzstellen in einem Prüfstand vor Auslieferung des Elektromotors häufig nicht ausreichend. Daher sind Elektromotoren bekannt, in die Sensorik zur Schwingungserfassung eingebaut sind. Ein derartiger Elektromotor ist beispielsweise in der
DE 10 2018 211 838 A1 und in der
DE 10 2018 211 846 A1 beschrieben.
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Das Erkennen von Resonanzstellen erfordert die Abtastung von Schwingungen des Elektromotors über zumindest Teile der möglichen Betriebsdrehzahlen des Elektromotors. Insbesondere bei Ventilatoren erfolgt diese Abtastung üblicherweise während eines Hochlaufs oder eines Herunterlaufs. Bei einem Hochlauf wird der Ventilator in einer vorgegebenen Zeit von einer Mindestdrehzahl (meist einem Stillstand des Ventilators) auf eine Maximaldrehzahl beschleunigt, idealerweise mit linearer Drehzahlrampe. Bei einem Herunterlauf wird die Drehzahl von einer Startdrehzahl ungleich null (meist Maximaldrehzahl) zu einer Mindestdrehzahl reduziert. In beiden Fällen werden die Schwingungen des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahl erfasst und ausgewertet. Zu einer derartigen Erfassung eines Schwingungsverhaltens sei beispielhaft auf die
DE 20 2019 101 262 U1 und die
DE 10 2018 211 850 A1 verwiesen.
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Wenn ein erfasster Schwingungswert einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, beispielsweise 7 Millimeter/Sekunde (RMS - Root Mean Square) oder 9 Millimeter/Sekunde (RMS), wird auf das Vorliegen einer Resonanzstelle geschlossen. Derartige Grenzwerte sind häufig in Normen oder anderen Regelwerken definiert, beispielsweise ISO14694. Alle Drehzahlen, bei denen dieser Grenzwert überschritten ist, werden als „verbotene“ Drehzahlen erfasst und bei einem nachfolgenden Betrieb - soweit möglich - ausgelassen oder zügig überfahren.
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Nachteilig an einer derartigen Bewertung des Schwingungsverhaltens des Elektromotors ist, dass ein Hochlauf oder ein Herunterlauf erforderlich ist. Bei Einsatzszenarien, bei denen Resonanzen unveränderlich sind, ist ein derartiger Testlauf bei der Inbetriebnahme des Elektromotors ausreichend. In der Praxis verändern sich Resonanzstellen jedoch, beispielsweise infolge von Ablagerungen oder Verschleiß/Alterung oder Veränderung der Betriebsumgebung des Ventilators beispielsweise durch Anpassungen oder Erweiterung der Anlage oder Wartung. In solchen Fällen ist es zumindest gelegentlich erforderlich, einen erneuten Testlauf durchzuführen. Insbesondere bei Elektromotoren, die in einem Dauerbetrieb eingesetzt sind, werden dadurch zusätzliche Wartungsfenster erforderlich, was zu erheblichen Kosten führen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein Schwingungsverhalten eines Elektromotors, möglichst mit Last und/oder Betriebsumgebung, flexibel und zuverlässig bewertet werden kann, wobei eine Bewertung im laufenden Betrieb des Elektromotors erstrebenswert ist.
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Die voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende Verfahren die Schritte:
- Erzeugen von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors,
- Ermitteln eines ersten Bewertungsmaßes für die erfassten Schwingungswerte, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors ist,
- Bestimmen eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz,
- Ermitteln eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz ist, und
- Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß,
- wobei basierend auf einem Ergebnis eines Bewertens des Schwingungsverhaltens ein Vorschlag für ein Abmildern von negativen Auswirkungen einer Resonanzstelle erzeugt und/oder ausgegeben wird.
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Hinsichtlich eines Elektromotors ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Danach umfasst der in Rede stehende Elektromotor:
- einen Schwingungssensor, der zum Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors und zum Erzeugen erfasster Schwingungswerte ausgebildet ist,
- eine erste Bewertungseinheit, die zum Ermitteln eines ersten Bewertungsmaßes ausgebildet ist, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors ist,
- eine Analyseeinheit, die zum Bestimmen eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz ausgebildet ist,
- eine zweite Bewertungseinheit, die zum Ermitteln eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerten ausgebildet ist, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz ist, und
- eine Auswerteeinheit, die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß ausgebildet ist,
- wobei der Elektromotor ein Regelungssystem umfasst, das dazu ausgebildet ist, eine Regelung und/oder Steuerung des Elektromotors basierend auf einer Bewertung des Schwingungsverhaltens anzupassen.
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Hinsichtlich eines Ventilators ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 14 gelöst. Danach umfasst der in Rede stehende Ventilator ein Laufrad sowie einen erfindungsgemäßen Elektromotor, wobei das Laufrad mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
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Hinsichtlich eines Systems ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 15 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende System eine Betriebsumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen erfindungsgemäßen Elektromotor und/oder einen erfindungsgemäßen Ventilator umfasst, wobei die Betriebsumgebung mit dem Antrieb interagiert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Betriebsumgebung zu erfassen und zu bewerten.
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Es ist zunächst erkannt worden, dass das Schwingungsverhalten eines Elektromotors bzw. eines den Elektromotor umfassenden Systems im Bereich einer Resonanzfrequenz von einer harmonischen Schwingung dominiert wird. Ein Signalverlauf von erfassten Schwingungswerten nähert sich dann einem sinusförmigen Verlauf an. Es ist ferner erkannt worden, dass ein Vergleich einer Stärke einer Schwingung bei der Resonanzfrequenz mit einer Stärke einer Schwingung über alle erfassten Frequenzen sehr gut zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens genutzt werden kann. Damit ist nicht mehr zwingend ein Hochlauf oder ein Herunterlauf erforderlich, sondern eine Resonanzstelle kann aus einer „Momentaufnahme“ des erfassten Schwingungsverhaltens im laufenden Betrieb des Elektromotors erkannt werden. Diese Erkenntnis wird bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung genutzt.
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Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung werden zunächst erfasste Schwingungswerte erzeugt, indem Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors erfasst werden. Diese Erfassung erfolgt üblicherweise über ein Erfassungszeitfenster hinweg. Für die erfassten Schwingungswerte wird ein erstes Bewertungsmaß ermittelt, das für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors repräsentativ ist. Ferner wird aus den erfassten Schwingungswerte ein spektraler Anteil für eine Bewertungsfrequenz bestimmt. Das bedeutet, dass bestimmt wird, wie groß der Anteil der erfassten Schwingungen bei der Bewertungsfrequenz ist. Für den spektralen Anteil wird ein zweites Bewertungsmaß ermittelt, das für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz repräsentativ ist. Durch ein Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß kann festgestellt werden, wie groß der Anteil einer harmonischen Schwingung bei der Bewertungsfrequenz im Vergleich zu den Schwingungen über das gesamte Spektrum ist.
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Wie konkret ein derartiger Vergleich durchgeführt wird, ist nicht entscheidend, solange der Vergleich eine Aussage über den Anteil der harmonischen Schwingung bei der Bewertungsfrequenz im Vergleich zu den Schwingungen über das gesamte Spektrum liefern kann. In einer Ausgestaltung kann der Vergleich über das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß durchgeführt werden. Wenn dieses Verhältnis einen Grenzwert überschreitet, kann für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden werden.
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Es ist zu erkennen, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht zwingend einen Hochlauf oder einen Herunterlauf benötigt. Vielmehr kann ein aktueller Betriebszustand unmittelbar bewertet werden. Dies ermöglicht eine Zustandskontrolle des Elektromotors im laufenden Betrieb. Dennoch kann das Verfahren auch bei einem Hochlauf oder Herunterlauf angewendet werden, um beispielsweise ein umfassendes Bild über das Schwingungsverhalten des Elektromotors erhalten zu können. Bei einer Bewertung im laufenden Betrieb kann das Schwingungsverhalten wiederholt, vorzugsweise periodisch bewertet werden. So kann beispielsweise nach Ablauf von 15 Minuten, einer Stunde oder einem Tag eine erneute Bewertung veranlasst werden. Insbesondere bei einer wiederholten Bewertung können Veränderungen des Elektromotors, der durch den Elektromotor angetriebenen Last und/oder dessen Betriebsumgebung erkannt und - sofern erforderlich - geeignete Maßnahmen getroffen werden.
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Das Erfassungszeitfenster kann prinzipiell beliebig gewählt sein. Es bietet sich jedoch an, das Erfassungszeitfenster nicht zu schmal zu wählen, damit das Zeitfenster eine ausreichend geringe Auswirkung auf den bestimmten spektralen Anteil hat und die Schwingungssignale ausreichend gut erfasst werden. Gleichzeitig sollte das Erfassungszeitfenster nicht zu groß sein, da sich Veränderungen, beispielsweise bei der Drehzahl des Elektromotors oder in der Betriebsumgebung, die erfassten Schwingungswerte verfälschen könnten. Eine Dimensionierung des Erfassungszeitfenster wird von der jeweiligen Anwendungssituation des Elektromotors bzw. dessen Betriebsumgebung abhängen. In einer Ausgestaltung ist das Erfassungszeitfenster mindestens eine Periodenlänge eines harmonischen Schwingungssignals breit. In einer anderen Ausgestaltung ist das Erfassungzeitfenster mehrere Periodenlängen eines harmonischen Schwingungssignals breit, wobei es sich anbietet, das Erfassungszeitfenster maximal 10 Periodenlängen breit zu wählen.
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Auch die Bewertungsfrequenz kann relativ beliebig gewählt sein. Wichtig dürfte hierbei sein, dass bei einer gewählten Bewertungsfrequenz auch Resonanzen zu erwarten sind. Sehr niedrige Bewertungsfrequenzen, beispielsweise unterhalb von 2 Hertz, dürften in vielen Fällen ebenso wenig hilfreich sein wie sehr hohe Bewertungsfrequenzen, beispielsweise im Bereich mehrer Kilohertz. Die Bewertungsfrequenz kann relativ frei gewählt werden oder es können Bewertungsfrequenzen in einer Quantelung, beispielsweise mit Abstand von 5 oder 10 Hertz, genutzt werden.
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Für die Wahl der Bewertungsfrequenzen können auch Frequenzen gewählt werden, die bei einer aus früheren Messungen erkannte Resonanzstelle liegt. Wenn eine Veränderung der Resonanzfrequenz zu erwarten ist, kann die Bewertungsfrequenz auch um die zuvor gemessene Resonanzfrequenz gewäht werden. Diese kurze Auflistung zeigt, wie flexibel die Bewertungsfrequenz gewählt werden kann. Die Bewertungsfrequenz kann auch in besonders vorteilhafter Weise in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors gewählt sein.
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Das bewertete Schwingungsverhalten kann durch verschiedenste Anregungen ausgelöst sein. Die Schwingungen können von dem Elektromotor selbst herrühren, von der angetriebenen Last, beispielsweise ein Laufrad, und/oder von einer Betriebsumgebung des Elektromotors. Solange die Schwingungen durch den Schwingungssensor erfassbar sind, können diese mit dem hier offenbarten Verfahren bewertet werden.
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Als Betriebsumgebung wird hier der Bereich um den Elektromotor verstanden, der eine Rückwirkung auf den Elektromotor hat. Hierbei sind insbesondere mechanische Rückwirkungen gemeint. So kann die Betriebsumgebung beispielsweise durch einen Anlagenteil gebildet sein, mit dem der Elektromotor verbunden ist. Wenn der Elektromotor Teil eines Ventilators ist, so kann die Betriebsumgebung beispielsweise zusätzlich eine Verteilanlage umfassen, mit der die von dem Ventilator bewegte Luft geleitet wird. Die Betriebsumgebung kann zusätzliche weitere Schwingungserzeuger aufweisen. Ein Laufrad, das durch den Elektromotor angetrieben wird, kann als Teil der Betriebsumgebung aufgefasst werden.
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Die erfassten Schwingungswerte können auf verschiedene Weise repräsentiert sein. Die erfassten Schwingungswerte können durch einfache Skalare beschrieben sein, die eine Amplitude der Schwingungen unabhängig von der Richtung der Schwingung angeben. Die erfassten Schwingungswerte können aber auch Vektoren sein, die beispielsweise Schwingungen in drei verschiedene Raumrichtungen angeben. Für die vorliegende Offenbarung ist lediglich wichtig, dass aus den erfassten Schwingungswerten ein Bewertungsmaß ermittelt werden kann, was praktisch immer verwirklicht werden kann. Wie konkret die Schwingungswerte repräsentiert sind, in welche Richtungen Schwingungen erfasst werden und ob die Schwingungen entlang einer oder mehrerer Achsen erfasst werden, kann von dem jeweiligen Anwendungsszenarium abhängig sein.
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Der die Schwingungen erfassende Schwingungssensor kann verschiedentlich ausgebildet sein und kann auf verschiedenste Technologien basieren. Beispielhaft sei auf einen MEMS-Sensor (Mikro-Elektro-Mechanisches System) verwiesen. Der Sensor kann - je nach zu erfassenden Schwingungswerten - in einer oder mehreren Richtungen messen.
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Der Schwingungssensor selbst kann an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein. In einer Ausgestaltung ist der Schwingungssensor an der Außenseite des Elektromotors angeordnet. Dabei kann sich der Schwingungssensor in einem Gehäuse befinden, das an der Außenseite des Elektromotors angeordnet ist. In einer anderen Ausgestaltung ist der Schwingungssensor in den Elektromotor integriert und damit Teil des Elektromotors. Ein derartiger Elektromotor ist beispielsweise in der bereits einleitend genannten
DE 10 2018 211 838 A1 offenbart.
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Die Ergebnisse einer Bewertung können auf verschiedenste Weise genutzt werden. So können die Bewertungsergebnisse bei der Prognose der Lebenserwartung des Elektromotors oder von Bestandteilen des Elektromotors genutzt werden. Beispielsweise kann ausgesagt werden, wie sich der aktuell vorliegende Lastfall auf die Lebensdauer des Elektromotors auswirkt. Die Bewertungsergebnisse können auch in eine Cloud übermittelt werden, um dort beispielsweise für das Monitoring des Zustands oder eine Verbesserung des Elektromotors genutzt zu werden. Die Sensorsignale und/oder Bewertungsergebnisse können auch in einen digitalen Zwilling des Elektromotors eingegeben werden, beispielsweise für eine weiterreichende Bewertung des Betriebszustands des Elektromotors. Diese kurze und nicht abschließende Aufzählung zeigt, wie umfassend die vorliegende Offenbarung eingesetzt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist die Bewertungsfrequenz durch eine Ordnung einer Basisfrequenz gebildet, wobei die Basisfrequenz vorzugsweise von einer Drehzahl des Elektromotors abhängig ist. Auf diese Weise kann die Auswahl der Bewertungsfrequenz vereinfacht werden. Eine Abhängigkeit zwischen Basisfrequenz und Drehzahl kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Basisfrequenz durch die Drehfrequenz gebildet ist, also die Umdrehungen des Elektromotors pro Sekunde. Eine Ordnung einer Basisfrequenz ist ein Vielfaches dieser Basisfrequenz, d.h. die n-te Ordnung entspricht dem n-Fachen der Basisfrequenz. Die aktuelle Drehzahl kann auf verschiedenste Weise bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Drehzahlsensor eingesetzt werden. Da insbesondere bei elektronisch kommutierten Elektromotoren aber ohnehin Informationen über die Drehzahl vorhanden sind, kann diese Information auch aus einer Motorsteuerung übergeben werden.
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In einer Weiterbildung wird zum Ermitteln einer Unwucht bedingten Resonanz eine erste Ordnung als Bewertungsfrequenz genutzt.
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In einer Ausführungsform wird das Schwingungsverhalten für mehrere Bewertungsfrequenzen bewertet. Dieser Ansatz bietet sich insbesondere dann an, wenn mehrere verschiedene Resonanzeffekte untersucht werden sollen. Da sich verschiedene Resonanzeffekte in verschiedenen Resonanzfrequenzen äußern (bei der Nutzung von Ordnungen einer Basisfrequenz in verschiedenen Ordnungen), können durch Nutzung mehrerer Bewertungsfrequenzen verschiedene Resonanzeffekte bewertet werden. Bei der Auswahl der mehreren Bewertungsfrequenzen kann Wissen über die aller Voraussicht nach auftretenden Resonanzeffekte genutzt werden. Dieses Wissen kann beispielsweise aus detaillierten Messungen von baugleichen oder ähnlichen Elektromotoren und/oder aus Simulationen herrühren.
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In einer Ausführungsform wird eine erkannte Resonanzstelle zusätzlich bewertet, indem eine Amplitude der erfassten Schwingungswerte mit einem vorgegebenen Amplitudengrenzwert verglichen und/oder eine Schwingform und/oder einen Schwingmodus ermittelt wird und/oder sonstige Bewertungen durchgeführt werden. Die Bewertung der Amplitude ermöglicht eine Unterscheidung zwischen kritischen und nicht kritischen Resonanzstellen und die Auswirkungen der Resonanzstellen auf den Elektromotor und dessen Betriebsumgebung. Der Amplitudengrenzwert kann aus Erfahrungswerten oder auf Berechnungen bestimmt werden. Sie können auch aus Normen oder anderen Regelwerken stammen, wie beispielsweise ISO14694. Denkbar wären beispielsweise Amplitudengrenzwerte von 7 Millimeter/Sekunde (RMS) oder 9 Millimeter/Sekunde (RMS).
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Ein Ermitteln der Schwingform ermöglicht eine Aussage darüber, wie die angeregte Struktur schwingt. Ein Ermitteln des Schwingmodus ermöglicht eine zusammenfassende Beschreibung der Schwingungen hinsichtlich der Frequenz, Schwingform und Dämpfung.
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In einer Ausführungsform wird das Bewerten des Schwingungsverhaltens bei einer Inbetriebnahme des Elektromotors und/oder im laufenden Betrieb des Elektromotors und/oder nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne und/oder bei Ändern eines Betriebsparameters des Elektromotors durchgeführt. Bei einer Bewertung bei Inbetriebnahme kann ermittelt werden, wie sich ein konkreter Elektromotor in einer konkreten Betriebsumgebung schwingungsmäßig verhält. Dabei kann ein Hochlauf oder ein Herunterlauf durchgeführt werden. Eine Bewertung im laufenden Betrieb ist insbesondere in solchen Anwendungssituationen hilfreich, in denen der Elektromotor in einem Dauerbetrieb eingesetzt wird. Ferner ermöglicht eine derartige Bewertung auch, ein sich im Betrieb änderndes Schwingungsverhalten zu erkennen. Eine Bewertung nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne ermöglicht eine definierte und umfassende Überwachung des Schwingungsverhaltens. Auf diese Weise können auch Änderungen des Schwingungsverhaltens zuverlässig erkannt werden. Die vordefinierte Zeitspanne kann dabei abhängig von der jeweiligen Betriebsumgebung gewählt werden. So kann bei Betriebsumgebungen mit stark veränderlichen Parametern, beispielsweise durch Anhaftungen an einem durch den Elektromotor angetriebenen Laufrad, eine kürzere Zeitspanne angebracht sein, als in einer Betriebsumgebung, in der die Parameter weitgehend stabil sind. Entsprechend kann die Zeitspanne im Bereich von Minuten, Stunden, Tagen, Wochen oder gar Monate liegen. Ein Bewerten bei geänderten Betriebsparametern ermöglicht, dass ein Schwingungsverhalten, das sich mit geänderten Betriebsparametern ebenfalls ändern könnte, zügig bewertet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird basierend auf einem Ergebnis eines Bewertens des Schwingungsverhaltens ein Vorschlag für ein Abmildern von negativen Auswirkungen einer Resonanzstelle erzeugt und/oder ausgegeben. Der Vorschlag kann einen Ort und/oder Ausmaß einer Ausgleichsmasse und/oder einen Ausblendkorridor umfasst. Auf diese Weise kann einem Nutzer einen weiteren Mehrwert geboten werden, da ein eventuell ungünstiges Schwingungsverhalten dadurch verbessert werden kann.
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In einer Ausführungsform wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden, wenn das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei der vorgegebene Grenzwert größer oder gleich 50%, vorzugsweise größer oder gleich 60% besonders bevorzugter Weise größer oder gleich 70% ist. Die Vorgabe des Grenzwerts dürfte dabei von dem Spektrum der erfassten Schwingungswerten abhängen. Ferner kann einfließen, wie stark sich bei dem zu bewertenden Elektromotor bzw. der Betriebsumgebung die erfassten Schwingungen einer Sinusschwingung annähern. Mit einem Grenzwert größer oder gleich 50% können Resonanzstellen zuverlässig erkannt werden. Ein Grenzwert größer oder gleich 60% verbessert die Erkennung weiter. Bei einem Grenzwert größer oder gleich 70% kann besonders zuverlässig eine Resonanzstelle erkannt werden.
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In einer Ausführungsform wird das erste und/oder das zweite Bewertungsmaß durch Bilden eines Effektivwerts ermittelt. Ein derartiger Effektivwert kann beispielsweise durch ein quadratisches Mittel (RMS - Root Mean Square) gebildet sein. Ein Effektivwert stellt ein einfach zu berechnendes und dennoch aussagekräftiges Bewertungsmaß dar.
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In einer Ausführungsform des Elektromotors ist der Schwingungssensor zum Erfassen von Schwingungen entlang mehrerer Achsen ausgebildet, wobei die mehreren Achsen vorzugsweise paarweise senkrecht zueinanderstehen und wobei eine der mehreren Achsen parallel zu einer Motorachse/Motorwelle des Elektromotors angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich weitere Informationen über das Schwingungsverhalten gewinnen und die Bewertung des Schwingungsverhaltens und/oder einer Resonanzstelle weiter verbessern
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In einer Ausführungsform ist der Schwingungssensor zum Erfassen einer Schwingungsgeschwindigkeit und/oder einer Schwingungsbeschleunigung ausgebildet.
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In erfindungsgemäßer Weise umfasst der Elektromotor ein Regelungssystem, das dazu ausgebildet ist, eine Regelung und/oder Steuerung des Elektromotors basierend auf einer Bewertung des Schwingungsverhaltens anzupassen. Diese ermöglicht einen unmittelbaren Nutzen des bewerteten Schwingungsverhaltens. Dabei können das Regelungssystem und für die Bewertung genutzte Einheiten, beispielsweise die Bewertungseinheiten, die Analyseeinheit und/oder die Auswerteeinheit, in einer gemeinsamen Elektronik implementiert sein. Denkbar wäre hierzu beispielsweise eine in einem Elektronikgehäuse des Elektromotors angeordnete Motorelektronik.
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In einer Ausführungsform umfasst der Elektromotor eine Ausgabeeinrichtung, die zum Ausgeben von Informationen über eine Bewertung des Schwingungsverhaltens ausgebildet ist. Dadurch lassen sich die Bewertungsergebnisse flexibel nutzen. Die Ausgabeeinheit kann dabei drahtgebunden, optisch und/oder drahtlos ausgebildet sein. Eine optische Ausgabeeinheit kann beispielsweise durch eine einfache Leuchte, beispielsweise eine LED (Licht Emittierende Diode), gebildet sein, die einen kritischen Schwingungszustand signalisiert. Die Ausgabeeinheit kann damit eine visuelle Information bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgabeeinheit eine Kommunikation „nach außen“ bereitstellen. Dies kann beispielsweise umfassen, dass die Ausgabeeinheit eine Ausgabe von Informationen an eine übergeordnete Steuereinheit oder ein Hochladen von Informationen in ein Cloud-System ermöglicht. Auf diese Weise kann der Elektromotor Teil einer Industrie 4.0 Umgebung sein.
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In einer Ausführungsform ist die Analyseeinheit zur Durchführung einer Fourier-Transformation, einer FFT - Fast Fourier Transform - und/oder eines Görtzel-Algorithmus und/oder einer mehr oder weniger breiten Frequenzbandfilterung ausgebildet. Prinzipiell kann das Ermitteln eines spektralen Anteils auf verschiedene Weise erfolgen, solange eine Bewertung der Schwingungen bei einer Bewertungsfrequenz möglich ist. Das Nutzen einer FFT liefert ein umfassendes Bild über die spektralen Anteile. Mit dem Görtzel-Algorithmus, der von Gerald Görtzel im Jahre 1958 veröffentlicht worden ist, lassen sich einzelne spektrale Anteile eines Signals sehr effizient ermitteln. Damit kann ein spektraler Anteil auch mit geringen Rechenressourcen bestimmt werden. Eine Frequenzbandfilterung ermöglicht es, ein Schwingungssignal auf konkret interessierende Frequenzen zu beschränken. Dabei kann eine Frequenzbandfilterung vor dem Bestimmen der spektralen Anteile erfolgen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Offenbarung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
- 2 ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten eines Ausführungsbeispiels eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
- 3 ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung,
- 4 ein Diagramm eines Quotienten aus einem zweiten Bewertungsmaß und einem ersten Bewertungsmaß über Drehzahlen eines Elektromotors und
- 5 ein Diagramm mit zugehörenden spektralen Anteile über der Drehzahl des Elektromotors.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Stator 2 eines Ausführungsbeispiels eines Elektromotors 1 gemäß vorliegender Offenbarung. Bei einer Motorachse 3 ist ein Lagerrohr 4 ausgebildet, an dessen längsseitigen Enden jeweils ein Lageraufnahmebereich 5 ausgebildet ist. In die Lageraufnahmebereiche 5 sind nicht dargestellte Lager aufgenommen, über die eine ebenso nicht dargestellte Welle des Elektromotors drehbar gelagert ist. Eine Statorbuchse 6 ist dabei durch ein Aluminium-Bauteil gebildet, an dessen einen Ende das Lagerrohr 4 und an dessen anderen Ende ein Elektronikgehäuse 7 zur Aufnahme einer Motorelektronik ausgebildet ist. Die Motorelektronik erzeugt jeweils Speisesignale und gibt diese an die Stator- und/oder Rotorwicklungen aus. Von der Motorelektronik ist der Übersichtlichkeit wegen lediglich eine Leiterplatte 8 dargestellt. Auf der Leiterplatte 8 ist ein Schwingungssensor 9 angeordnet. Die Leiterplatte 8 ist in einer Vergussmasse 10, 11 eingebettet, wobei die Vergussmasse 10, 11 an dem Randbereich der Leiterplatte 8 verbunden ist. Dabei fungiert insbesondere die Vergussmasse 10 als Kopplungselement und überträgt Schwingungen von der Statorbuchse 6 an die Leiterplatte 10 und damit an den Schwingungssensor 9. Als weiteres Kopplungselement ist eine Schraube 12 vorhanden, die in eine Bohrung 13 in dem Elektronikgehäuse 7 eingeschraubt ist. Auf diese Weise kann der Schwingungssensor 9 in einem Elektromotor angeordnet sein und Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors erfassen.
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2 zeigt ein Blockdiagram von Funktionseinheiten des Elektromotors 1, die auf der Leiterplatte 8 implementiert sein können. Der Schwingungssensor 9 erfasst Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors. Die dadurch erfassten Schwingungswerte werden zum einen einer ersten Bewertungseinheit 14 und zum anderen einer Analyseeinheit 15 und einer Auswerteeinheit 17 übergeben. Die erste Bewertungseinheit 14 ermittelt aus den erfassten Schwingungswerten ein erstes Bewertungsmaß. Dieses erste Bewertungsmaß gibt an, wie stark der eine Teil des Elektromotors schwingt. Die Analyseeinheit 15 bestimmt einen spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz. Diese Bewertungsfrequenz kann eine Ordnung der Drehfrequenz sein, d.h. ein Vielfaches der Anzahl von Umdrehungen des Elektromotors pro Sekunde. Der spektrale Anteil wird einer zweiten Bewertungseinheit 16 zugeführt, die daraus ein zweites Bewertungsmaß ermittelt. Dabei gibt das zweite Bewertungsmaß an, wie stark der Elektromotor bei der Bewertungsfrequenz schwingt. Das erste und zweite Bewertungsmaß ist dabei durch ein quadratisches Mittel gebildet.
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Die erste Bewertungseinheit 14 und die zweite Bewertungseinheit 16 geben das jeweils ermittelte erste und zweite Bewertungsmaß in eine Auswerteeinheit 17 ein, die die Bewertungsmaße miteinander vergleicht. Hierzu wird ein Quotient aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß gebildet, der damit den Anteil der Schwingungen mit der Bewertungsfrequenz an der Gesamtschwingung des Elektromotors wiedergibt. Das Ergebnis dieser Quotientenbildung wird mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, der aus einem Grenzwertspeicher 18 geladen wird. Wenn der vorgegebene Grenzwert überschritten wird, wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden. Zusätzlich beurteilt die Auswerteeinheit 17 die erfassten Schwingungswerte, um die Kritikalität der Resonanzstelle zu bewerten. Wenn ein Amplitudengrenzwert, der ebenso in dem Grenzwertspeicher 18 abgelegt sein kann, überschritten ist, wird für eine kritische Resonanzstelle entschieden. Ansonsten wird die Resonanzstelle als unkritisch eingestuft. Zusätzlich kann die Auswerteeinheit 17 weitere Bewertungen der Resonanzstelle vornehmen, beispielsweise hinsichtlich der Schwingungsform oder des Schwingungsmodus. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen können an eine Ausgabeeinheit 19 übergeben werden, die diese Informationen an einen Nutzer, eine übergeordnete Steuereinheit, die Motorelektronik, eine Cloud oder andere Systeme ausgeben kann.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß vorliegender Offenbarung. In Schritt S1 startet das Verfahren mit dem Erfassen von Schwingungswerten mittels eines Schwingungssensors 9. In Schritt S2 wird der allgemeine Schwingungszustand des Elektromotors 1 festgestellt. Dies geschieht dadurch, dass ein erstes Bewertungsmaß für die erfassten Schwingungswerte ermittelt wird. Dieses erste Bewertungsmaß gibt damit an, wie stark der erfasste Teil des Elektromotors über alle erfassten Frequenzen schwingt. In Schritt S3 wird ein spektraler Anteil (oder auch mehrere spektrale Anteile) der erfassten Schwingungswerte für eine (oder auch mehrere) Bewertungsfrequenzen bestimmt, wobei die Bewertungsfrequenz/en im vorliegenden Fall durch eine Ordnung der Drehfrequenz gebildet ist/sind. In Schritt S4 werden die Schwingungswerte einzelner Ordnungen bewertet, indem ein zweites Bewertungsmaß für den spektralen Anteil/die spektralen Anteile ermittelt wird. In Schritt S5 werden die Bewertungsmaße verglichen und dadurch das Schwingungsverhalten bewertet. Hierzu wird ein Quotient aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß gebildet und mit einem Grenzwert verglichen wird. Wenn der Quotient den Grenzwert nicht überschreitet („nein“), wird mit Schritt S6 fortgesetzt, bei dem die aktuelle Bewertungsfrequenz nicht als Resonanzstelle erkannt wird. Danach wird zu Schritt S1 zurückgekehrt. Wenn der Quotient den Grenzwert überschreitet („ja“), wird auf das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden und in Schritt S7 die Kritikalität der Resonanzstelle bewertet. Hierzu wird der Effektivwert der erfassten Schwingungswerte in Schritt S8 mit einem Amplitudengrenzwert verglichen. Wenn der Effektivwert den Amplitudengrenzwert nicht überschreitet („nein“), wird die Resonanzstelle in Schritt S9 als nicht kritisch bewertet und muss daher nicht besonders behandelt werden. Das Verfahren kehrt zu Schritt S1 zurück. Wenn der Effektivwert den Amplitudengrenzwert überschreitet („ja“), wird die Resonanzstelle in Schritt S10 als kritisch eingestuft. In Schritt S11 wird eine oder mehrere Aktionen ausgelöst. Dies kann ein Ausgeben einer Fehlermeldung, eine Korrektur von Betriebsparametern, etc. umfassen. Danach wird zu Schritt S1 zurückgekehrt.
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4 ein Diagramm mit einem Quotienten aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß über der Drehzahl. Dabei ist als Bewertungsfrequenz die erste Ordnung gewählt, d.h. eine Frequenz, die der Drehfrequenz des Elektromotors entspricht. Der Elektromotor ist dabei Bestandteil eines Ventilators, genauer eines Radiallüfters. Das Diagramm lässt erkennen, wie stark die Schwingungen des Elektromotors bzw. des Ventilators durch die erste Ordnung geprägt ist. Es sind zwei Drehzahlbereiche zu erkennen, bei denen eine Resonanzstelle vorliegt: um 480 Umdrehungen pro Minute (erster Peak) und zwischen 680 und 870 Umdrehungen pro Minute (zweier breite Drehzahlbereich mit hohen Werten).
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Ob diese beiden Resonanzstellen kritisch sind oder nicht, kann anhand des Diagramms nach 5 ermittelt werden, das einen Verlauf des spektralen Anteils zeigt, also im vorliegenden Fall die betragsmäßigen Amplituden der Schwingungen erster Ordnung. Hierdurch ist zu erkennen, dass der erste Bereich um 480 Umdrehungen pro Minute als nicht-kritisch, der zweite Bereich speziell bei 765 Umdrehungen pro Minute als kritisch eingestuft werden kann.
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Dieses Beispiel lässt erkennen, dass auf diese Weise eine Bewertung des aktuell vorliegenden Betriebszustands eines Ventilators vorgenommen werden kann. Die hier offenbarte Zustandsüberwachung erfordert keinen Hoch- oder Herunterlauf des Ventilators. Die Messung von Schwingungen kann kontinuierlich oder in regelmäßigem Zeitintervall stattfinden.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der hier offenbarten Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Motorachse
- 4
- Lagerrohr
- 5
- Lageraufnahmebereich
- 6
- Statorbuchse
- 7
- Elektronikgehäuse
- 8
- Leiterplatte
- 9
- Schwingungssensor
- 10
- Vergussmasse
- 11
- Vergussmasse
- 12
- Schraube
- 13
- Bohrung
- 14
- erste Bewertungseinheit
- 15
- Analyseeinheit
- 16
- zweite Bewertungseinheit
- 17
- Auswerteeinheit
- 18
- Grenzwertspeicher
- 19
- Ausgabeeinheit
