DE102021204463A1

DE102021204463A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors und/oder dessen Einbauumgebung, sowie entsprechender Elektromotor und Ventilator

Info

Publication number: DE102021204463A1
Application number: DE102021204463.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Schübel
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-10
Also published as: JP2024517440A; CN117280185A; BR112023020954A2; EP4153955A1; WO2022233373A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Einbauumgebung offenbart, wobei eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einem Bremsvorgang abbremsbar ist. Dabei umfasst das offenbarte Verfahren:Erzeugen eines Rucks durch Auslösen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Ändern eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs,Erzeugen (S3) von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels mindestens eines Schwingungssensors,Bestimmen (S4) von spektralen Anteilen durch eine Frequenzanalyse der erfassten Schwingungswerte undBestimmen (S5) eines Schwingungsverhaltens des Elektromotors und/oder dessen Einbauumgebung durch Auswerten der spektralen Anteile.Des Weiteren ist ein entsprechender Elektromotor, ein Ventilator und ein System offenbart, die jeweils zum Ausführen des Verfahrens ausgebildet sein können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Einbauumgebung, sowie einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System, die vorzugsweise jeweils zum Durchführen des Verfahrens ausgebildet sind.
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 Einbauumgebung 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.
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.
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 der jeweiligen Einbausituation 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.
Das Erkennen von Resonanzstellen erfordert die Abtastung von Schwingungen 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.
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, können als „verbotene“ Drehzahlen erfasst und bei einem nachfolgenden Betrieb - soweit möglich - ausgelassen oder zügig überfahren werden.
Nachteilig an einer derartigen Bewertung des Schwingungsverhaltens 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 Einbauumgebung 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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein Schwingungsverhalten des Elektromotors und/oder dessen Einbauumgebung mit einfachen Mitteln und möglichst ohne zeitaufwändige Messverfahren bestimmt werden kann
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende Verfahren die Schritte:

Erzeugen eines Rucks durch Auslösen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Ändern eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs,
Erzeugen von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels mindestens eines Schwingungssensors,
Bestimmen von spektralen Anteilen durch eine Frequenzanalyse der erfassten Schwingungswerte und
Bestimmen eines Schwingungsverhaltens des Elektromotors durch Auswerten der spektralen Anteile.

Hinsichtlich eines Elektromotors ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 13 gelöst. Danach umfasst der in Rede stehende Elektromotor:

einen Rotor, der um eine Achse/Welle drehbar gelagert ist,
eine Ruckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Rucks durch Auslösen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Ändern eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs,
einen Schwingungssensor, der zum Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors und zum Erzeugen erfasster Schwingungswerte ausgebildet ist,
eine Analyseeinheit, die zum Bestimmen von spektralen Anteilen der erfassten Schwingungswerte ausgebildet ist, und
eine Auswerteeinheit, die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Auswerten der spektralen Anteile ausgebildet ist.

Hinsichtlich eines Ventilators ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 16 gelöst. Danach umfasst der in Rede stehende Ventilator ein Laufrad sowie einen erfindungsgemäßen Elektromotor, wobei das Laufrad mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
Hinsichtlich eines Systems ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 17 gelöst. Danach umfasst das System eine Einbauumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen erfindungsgemäßen Elektromotor und/oder einen erfindungsgemäßen Ventilator umfasst, wobei die Einbauumgebung mit dem Antrieb interagiert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Einbauumgebung zu erfassen und zu bewerten.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass sich das Schwingungsverhalten des Elektromotors und der Einbauumgebung auf einfache Weise durch ein einzelnes Ereignis ermitteln lässt, was einen Hochlauf oder Herunterlauf vermeiden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß ein „Ruck“ erzeugt, der durch einen Brems- oder Beschleunigungsvorgang oder durch Ändern eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs entsteht. Im Falle eines Bremsvorgangs kann der „Ruck“ auch als „Bremsschock“, im Falle eines Beschleunigungsvorgangs als „Beschleunigungsschock“ bezeichnet werden. Allgemein ausgedrückt wird der Ruck dabei durch geeignetes Steuern/Regeln der Drehbewegung des Rotors ausgelöst.
Beim Abbremsen eines Rotors des Elektromotors wirken Trägheitsmomente dem Bremsvorgang entgegen. Dadurch kann eine mechanische Anregung des Systems aus Elektromotor und Einbauumgebung erreicht werden, die dem Anschlagen einer Stimmgabel nicht unähnlich ist. Beim Anschlagen einer Stimmgabel regt ein Impuls die Struktur - nämlich die Stimmgabel - zu Schwingungen an, die von der Eigenfrequenz der Struktur bestimmt ist. Ganz ähnlich wirkt ein „Bremsschock“ bei einem Elektromotor. Die dadurch hervorgerufene Anregung regt die Struktur - hier den Elektromotor samt dessen Einbauumgebung - zu Schwingungen an, die durch Eigenfrequenzen der Struktur bestimmt sind. Auf diese Weise kann durch Erfassen von Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors unmittelbar nach einem „Bremsschock“ auf das Schwingungsverhalten der Einbauumgebung und/oder des Elektromotors geschlossen werden.
Entsprechende Ausführungen gelten bei einem „Beschleunigungsschock“. Zwar kommen hierbei neben den Schwingungen, die durch den Beschleunigungsschock ausgelöst werden, noch Schwingungen hinzu, die durch die Drehbewegung des Rotors entstehen. Für das Bestimmen des Schwingungsverhaltens ist dies jedoch von untergeordneter Bedeutung, da die drehbewegungsbezogenen Schwingungen genau wie die durch den „Beschleunigungsschock“ hervorgerufenen Schwingungen das Schwingungsverhalten des Elektromotors beschreiben.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Ruck erzeugt, indem ein „Bremsschock“ oder ein „Beschleunigungsschock“ ausgelöst wird. Dies erfolgt durch einen Bremsvorgang, einen Beschleunigungsvorgang, ein Ändern eines Bremsvorgangs oder ein Ändern eines Beschleunigungsvorgangs. Durch den „Bremsschock“ oder den „Beschleunigungsschock“ hervorgerufene Schwingungen werden mit einem Schwingungssensor erfasst und die dadurch erzeugten erfassten Schwingungswerte einer Frequenzanalyse unterworfen. Dadurch werden spektrale Anteile bestimmt, die für das Bestimmen des Schwingungsverhaltens des Elektromotors und/oder dessen Einbauumgebung ausgewertet werden können.
Ein Elektromotor gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Rotor, eine Ruckerzeugungseinrichtung, einen Schwingungssensor, eine Analyseeinheit und eine Auswerteeinheit. Der Rotor ist um eine Achse oder Welle drehbar gelagert. Die Ruckerzeugungseinrichtung kann einen Bremsvorgang auslösen oder ändern oder einen Beschleunigungsvorgang auslösen oder ändern. Der Schwingungssensor kann Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors erfassen und daraus erfasste Schwingungswerte erzeugen. Die Analyseeinheit kann spektrale Anteile der erfassten Schwingungswerte bestimmen, die durch die Auswerteeinheit ausgewertet werden. Zudem können weitere Einheiten vorhanden sein, beispielsweise Analog-Digital-Wandler zum Digitalwandeln von Sensorsignalen des Schwingungssensors, Integratoren/Differenzierer zum Überführen in eine andere Schwingungsgröße oder Bandpassfilter zum Filtern der Schwingungswerte.
Die vorliegende Offenbarung kann im Zusammenhang mit den verschiedensten Elektromotoren und den verschiedensten durch den Elektromotor angetriebenen Lasten eingesetzt werden. Solange ein Ruck erzeugbar ist, der den Elektromotor und die Einbauumgebung des Elektromotors ausreichend zu Schwingungen anregt, kann dieser Elektromotor im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung genutzt werden. Hierzu dürfte der Elektromotor üblicherweise nicht zu klein sein. Meist dürfte ein derartiger Elektromotor eine Leistung von mehreren hundert Watt, vorzugsweise einige Kilowatt oder mehr haben. Insbesondere bei Nutzen eines „Beschleunigungsschocks“ kann es sich zudem anbieten, wenn der Rotor und/oder eine durch den Rotor angetriebene Last ein ausreichend großes Trägheitsmoment aufweist. Der Elektromotor selbst kann als elektronisch kommutierter Motor ausgebildet sein. Als Last des Elektromotors kann ein Laufrad zum Einsatz kommen, wobei das Laufrad mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist und der Elektromotor damit Teil eines Ventilators ist. Der Ventilator kann dabei auf verschiedenste Weise ausgebildet sein. Beispielhaft sei auf Axialventilatoren oder Radialventilatoren verwiesen.
Der Begriff „Einbauumgebung“ kann alles bezeichnen, mit dem der Elektromotor schwingungstechnisch wechselwirkt. Dies bedeutet, dass die Einbauumgebung Schwingungen an den Elektromotor und der Elektromotor Schwingungen an die Einbauumgebung übertragen kann. Die Einbauumgebung kann beispielsweise eine Halterung des Elektromotors, ein Anlagenteil einer den Elektromotor umfassenden Anlage, ein äußeres Gehäuse, eine durch den Elektromotor angetriebene Last und/oder dergleichen umfassen.
Auch der „Schwingungssensor“ kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, solange dieser Schwingungssensor in der Lage ist, Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors zu erfassen. Dabei können verschiedene Techniken zum Einsatz kommen. Lediglich beispielhaft sei auf den Einsatz von MEMS (Mikro-ElektroMechanisches System) Sensoren verwiesen.
Die „Ruckerzeugungseinrichtung“ kann verschiedentlich ausgebildet sein. Sie kann als dedizierte Einheit vorhanden oder durch einen anderen Bestandteil des Elektromotors gebildet sein. Wenn die Ruckerzeugungseinheit einen „Beschleunigungsschock hervorrufen soll, kann die Ruckerzeugungseinheit beispielsweise durch den eigentlichen Antrieb des Elektromotors gebildet sein, d.h. einen Stator und den damit wechselwirkenden Rotor. Beim Erzeugen eines „Beschleunigungsschocks“ kann der Übergang von konstanter Beschleunigung (auf eine gewisse Drehzahl oder einen Betriebspunkt) zu konstanten Betriebsbedingungen genutzt werden. Es kann aber auch eine Beschleunigung von einer Anfangsdrehzahl zu einer Enddrehzahl genutzt werden, wobei als Anfangsdrehzahl ein Stillstand des Rotors oder eine Drehzahl ungleich Null genutzt werden kann. Um einen ausreichend ausgeprägten „Beschleunigungsschock“ auszulösen, sollte die Beschleunigungszeit nicht zu lang gewählt sein. Es dürften sich Beschleunigungszeiten kleiner oder gleich 10 Sekunden, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Sekunden, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 3 Sekunden anbieten.
Wenn die Ruckerzeugungseinheit einen „Bremsschock“ hervorrufen soll, kann diese durch eine „Bremseinrichtung“ gebildet sein. Eine derartige „Bremseinrichtung“ kann auf verschiedenste Weise realisiert sein. Wichtig ist, dass die Bremseinrichtung in der Lage ist, den Rotor des Elektromotors gezielt abzubremsen. Wie konkret dies erfolgt, ist zweitrangig. In einer Ausgestaltung ist die Bremseinrichtung durch eine mechanische Bremse gebildet, mit der Rotationsenergie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. In einer anderen Ausgestaltung ist die Bremseinrichtung durch eine elektrische Bremse gebildet, mit der der Rotor mittels Magnetfelder abgebremst wird. Dies kann beispielsweise durch geeignete Felder im Stator und/oder durch Erzeugen eines Stroms im Rotor erfolgen. Letzteres kann durch einen elektrischen Widerstand an Wicklungen des Rotors bis hin zu einem Kurzschluss geschehen, wobei der Stromfluss durch eine Spannung angetrieben wird, die durch die Drehbewegung des Rotors in einem Statormagnetfeld induziert wird.
In einer Ausgestaltung wird der Ruck durch einen Bremsvorgang ausgelöst und das Erzeugen eines Rucks umfasst ein Bringen des Rotors auf eine Anfangsdrehzahl und ein Auslösen eines Bremsvorgangs zum Reduzieren einer Drehzahl des Rotors von der Anfangsdrehzahl über eine Bremszeit hinweg zu einer Enddrehzahl. Auf diese Weise kann besonders effektiv ein „Bremsschock“ erzeugt werden.
Als „Anfangsdrehzahl“ können die verschiedensten Drehzahlen des Rotors genutzt werden, solange die Anfangsdrehzahl ausreichend von Null verschieden ist, um bei einem Bremsvorgang einen „Bremsschock“ auszulösen. Dabei kann die Anfangsdrehzahl prinzipiell die Nenndrehzahl des Elektromotors sein. In den meisten Fällen werden jedoch Anfangsdrehzahlen ausreichen, die deutlich unterhalb der Nenndrehzahl bzw. der maximalen Drehzahl liegen.
Entsprechend kann die „Enddrehzahl“ durch verschiedenste Drehzahlen gebildet sein. Wesentlich ist, dass die Enddrehzahl kleiner ist als die Anfangsdrehzahl und dass bei dem Bremsvorgang ein ausreichender „Bremsschock“ hervorgerufen wird. Sinnvoll kann zudem sein, wenn bei der Enddrehzahl keine oder allenfalls geringe Schwingungen infolge einer noch vorhandenen Drehung des Rotors entstehen. Als Enddrehzahl kann sich ein Stillstand des Rotors - also mit Drehzahl gleich oder nahe Null - anbieten.
Die „Bremszeit“ dürfte in Abhängigkeit des eingesetzten Elektromotors, der Anfangsdrehzahl und/oder der Enddrehzahl definiert sein. Auch hierbei ist wichtig, dass der Bremsvorgang kurz genug ist, um einen ausreichenden „Bremsschock“ zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Bremszeit nicht zu kurz sein, um keine massiven mechanischen Belastungen durch den Bremsvorgang handhaben zu müssen. Daher können sich Bremszeiten anbieten, die im Bereich weniger Sekunden liegen.
Das „Bringen auf Anfangsdrehzahl“ kann in einer Ausgestaltung dadurch erfolgen, dass der Rotor in einem Prüfmodus explizit auf die Anfangsdrehzahl beschleunigt oder gegebenenfalls abgebremst wird. In einer anderen Ausgestaltung kann das Verfahren zu Beginn einer Betriebspause des Elektromotors eingesetzt werden. In diesem Fall kann das Bringen auf Anfangsdrehzahl durch einen Auslauf oder ein „sanftes“ Abbremsen des Rotors erfolgen und bei Erreichen der Anfangsdrehzahl der eigentliche Bremsvorgang des Verfahrens mit einem „Bremsschock“ ausgelöst werden.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens eine oder mehrere Resonanzstellen ermittelt und deren Kritikalität bewertet. Auf diese Weise kann ein wichtiger Teil des Schwingungsverhaltens ermittelt werden. Hierbei können prinzipiell verschiedenste, aus der Praxis bekannte Verfahren genutzt werden. In einer Weiterbildung wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn ein spektraler Anteil einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. In einer anderen Weiterbildung wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden, wenn erfasste Schwingungen durch eine Ordnung einer Bewertungsfrequenz dominiert werden. Ein derartiges Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2021 203 932.4 beschrieben.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens mindestens eine Schwingform ermittelt, wobei die mindestens eine Schwingform beispielsweise Verkippen, Taumeln, Torsion und/oder axiales Pumpen umfasst. Eine Schwingform beschreibt, wie der Elektromotor und/oder dessen Einbauumgebung konkret schwingt. Auf diese Weise können verschiedene Rückschlüsse gezogen werden, die für den Betrieb des Elektromotors von Bedeutung sein können. Ein Verkippen beschreibt, ob und wie der Elektromotor um eine Achse kippt. Ein Taumeln beschreibt, wie sich eine Rotationsachse des Rotors verändert. Ein Verkippen und Taumeln kann sich in ersten Ordnungen der Schwingungen ausdrücken. Eine Torsion beschreibt, wie sich der Elektromotor um eine Achse, üblicherweise die Motorachse/Motorwelle, oder relativ zu Anbauteilen (beispielsweise einer Düse eines Ventilators) verdreht, und lässt auf Pendelmomente schließen. Ein axiales Pumpen kann von der angetriebenen Last abhängen. Beispielsweise bei einem Axialventilator kann ein axiales Pumpen von der Anzahl der Flügel abhängig sein. Es ist zu erkennen, dass das Ermitteln einer Schwingform das Schwingungsverhalten weiter konkretisieren lässt.
In einer Ausgestaltung wird eine Synchronisierung zwischen dem Ruck und dem Erzeugen erfasster Schwingungswerte vorgenommen, wobei die Synchronisierung vorzugsweise durch eine Motorelektronik des Elektromotors erfolgt und/oder durch Detektion eines Peaks in einem Sensorsignal des mindestens einen Schwingungssensors. Eine Synchronisierung erlaubt ein gezielteres Verarbeiten der erfassten Schwingungswerte. Die Nutzung einer Motorelektronik für die Synchronisation bietet sich insbesondere dann an, wenn Teile der vorliegend genutzten Einheiten, beispielsweise die Analyseeinheit oder die Auswerteeinheit, in der Motorelektronik implementiert sind und/oder die Motorelektronik den Bremsvorgang steuert. Eine Detektion von Peaks ist insbesondere dadurch möglich, dass das Auslösen des Bremsvorgangs deutliche Schwingungspeaks verursachen kann, die gut in den erfassten Schwingungswerten erkennbar sind. Aber auch andere Ereignisse können einen Schwingungspeak verursachen, beispielsweise, wenn der Rotor zum Stillstand kommt.
In einer Ausgestaltung werden die Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors entlang mindestens einer Achse, vorzugsweise entlang mehrerer Achsen erfasst, wobei die mindestens eine Achse oder eine der mehreren Achsen vorzugsweise parallel zu einer Drehachse des Rotors angeordnet ist. Auf diese Weise können die Schwingungen besonders effektiv und umfassend erfasst werden. Bei mehreren Achsen können diese senkrecht zueinanderstehen. So kann der Schwingungssensor beispielsweise entlang dreier Achsen messen, die paarweise senkrecht zueinanderstehen und bei denen eine Achse parallel zur Motorachse/Motorwelle ist.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Bremsvorgang eine Schnellbremsung, vorzugsweise eine Kurzschlussbremsung durchgeführt. Eine Schnellbremsung ermöglicht ein schnelles und dennoch kontrolliertes Abbremsen des Rotors. Eine Kurzschlussbremsung ermöglicht einen sehr hohen Bremsschock.
In einer Ausgestaltung wird das Erzeugen von erfassten Schwingungswerten bei Auslösen des Bremsvorgangs und/oder Erreichen der Enddrehzahl gestartet. Ein Start bei Auslösen des Bremsvorgangs ermöglicht die Nutzung des Bremspeaks. Ein Start bei Erreichen der Enddrehzahl ermöglich die Nutzung eines Peaks am Ende des Bremsvorgangs, wodurch die erfassten Schwingungen praktisch nicht mehr von der Drehbewegung des Rotors beeinflusst sein dürften. In beiden Fällen können die Schwingungen auch kontinuierlich gemessen werden und/oder Schwingungswerte in einem Zwischenspeicher gepuffert werden. Auf diese Weise können die erfassten Schwingungswerte auch kurz vor dem Auslösen des Bremsvorgangs oder vor Erreichen der Enddrehzahl erfasst werden.
In einer Ausgestaltung ist die Anfangsdrehzahl größer oder gleich 100 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise größer oder gleich 200 Umdrehungen pro Minute und/oder die Anfangsdrehzahl kleiner oder gleich 30% der Nenndrehzahl des Elektromotors, vorzugsweise kleiner oder gleich 20% der Nenndrehzahl des Elektromotors, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 10% der Nenndrehzahl des Elektromotors. In vielen Fällen ist eine Anfangsdrehzahl von 100 Umdrehungen pro Minute ausreichend für ein Bestimmen des Schwingungsverhaltens. Bei einer Anfangsdrehzahl von 200 Umdrehungen pro Minute ist der Bremsschock noch ausgeprägter. Eine Anfangsdrehzahl kleiner oder gleich 30% der Nenndrehzahl ermöglicht eine zügige Durchführung des Verfahrens bei gleichzeitig ausgeprägtem Bremsschock, da die Anfangsdrehzahl aus dem Stillstand des Rotors schnell angefahren werden kann. Bei 20% der Nenndrehzahl ist der Rotor noch zügiger auf die Anfangsdrehzahl gebracht. Bei 10% der Nenndrehzahl ist das Verfahren besonders zügig abgearbeitet und dennoch ist ein ausreichend starker Bremsschock möglich.
In einer Ausgestaltung ist die Enddrehzahl kleiner oder gleich 50 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise kleiner oder gleich 25 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugter Weise gleich 0. Bei einer Enddrehzahl kleiner oder gleich 50 Umdrehungen pro Minute sind die Schwingungen praktisch nicht mehr durch die verbleibende Drehbewegung des Rotors beeinflusst. Bei einer Enddrehzahl kleiner oder gleich 25 Umdrehungen pro Minute hat die verbleibende Drehbewegung einen noch geringeren Einfluss. Eine Enddrehzahl von 0 schließt einen Einfluss der Drehbewegung aus und ermöglich zudem das Nutzen eines Stillstandpeaks in den Schwingungswerten.
In einer Ausgestaltung wird die Bremszeit kleiner oder gleich 10 Sekunden, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Sekunden, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 3 Sekunden gewählt. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Bremszeit keine starre Anforderung an den Bremsvorgang ist, die beispielsweise durch Regelung der Bremskraft eingestellt werden muss. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der Bremsvorgang ungefähr in der Bremszeit abgeschlossen ist. Üblicherweise kann die Bremszeit durch Vorgabe der Bremsung gut abgeschätzt werden, zumal Trägheitsmomente, Bremskräfte und andere die Bremszeit beeinflussende Größen üblicherweise bekannt oder abschätzbar sind.
In einer Ausgestaltung wird zum Erzeugen von spektralen Anteilen eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine FFT - Fast Fourier Transform -, und/oder ein Görtzel-Algorithmus genutzt. Eine Fourier-Transformation oder FFT bietet den Vorteil, dass umfangreiche Kenntnisse über spektrale Anteile gewonnen werden können. Der Görtzel-Algorithmus ermöglicht ein besonders effizientes Bestimmen der spektralen Anteile. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn bereits Vorkenntnisse über potentiell vorliegende Schwingungen und/oder Resonanzstellen vorhanden sind.
In einer Ausgestaltung ist der Schwingungssensor in dem Elektromotor integriert oder an einer Außenseite eines Gehäuses des Elektromotors und/oder in einem Elektronikgehäuse des Elektromotors angeordnet. Die Integration des Schwingungssensors in den Elektromotor bietet den Vorteil, dass die Schwingungen sehr gut und wohl definiert erfasst werden können. Ferner kann eine zeitliche Synchronisation zwischen Auslösen des Bremsvorgangs und Erfassen der Schwingungen vereinfacht sein. Ein Schwingungssensor an einer Außenseite des Motorgehäuses bietet insbesondere eine gute Nachrüstbarkeit bestehender Elektromotoren. Die Nutzung eines Elektronikgehäuses bietet in beiden Fällen, also bei der Integration oder der Außenmontage des Schwingungssensors, den Vorteil, dass in dem Elektronikgehäuse vorhandene Elektronik und/oder Energieversorgung mitgenutzt werden kann. So kann beispielsweise ein Mikrocontroller der Elektronik dazu genutzt werden, eine Software zum Implementieren der Analyseeinheit oder der Auswerteeinheit abzuarbeiten. Gleichzeitig kann ein Analog-Digital-Wandler des Mikrocontrollers genutzt werden, um Sensorsignale des Schwingungssensors zu digitalisieren.
In einer Ausgestaltung umfasst der Elektromotor eine Motorelektronik, die den Elektromotor während dessen Betrieb ansteuert, wobei die Motorelektronik ein ermitteltes Schwingungsverhalten zum Ansteuern des Elektromotors nutzt und dabei vorzugsweise Drehzahlen des Elektromotors mit ungünstigem Schwingungsverhalten vermeidet. Auf diese Weise kann das bestimmte Schwingungsverhalten den Betrieb des Elektromotors verbessern. Dabei können sich Drehzahlen mit ungünstigen Schwingungsverhalten aus spektralen Anteilen mit ungünstigem Schwingungsverhalten ergeben, wobei die Drehzahlen aus den spektralen Anteilen multipliziert mit 60 und geteilt durch Ordnungen der Schwingungen (Vielfache einer Grundfrequenz) errechnet werden können. Die Motorelektronik kann auch den Bremsvorgang steuern und/oder regeln.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung 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 Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3 ein Diagramm mit beispielhaften Zeitdaten von erfassten Schwingungswerten entlang einer z-Achse und
4 ein Diagramm mit einer Frequenzauswertung der Zeitdaten nach 3.

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. Ein derartiger Elektromotor kann bei dem hier offenbarten Verfahren genutzt werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein „Bremsschock“ ausgelöst wird. In Schritt S1 wird der Rotor auf eine Anfangsdrehzahl gebracht. Diese Anfangsdrehzahl ist beispielsweise 200 Umdrehungen pro Minute. In Schritt S2 wird ein Bremsvorgang ausgelöst, der den Rotor des Elektromotors von der Anfangsdrehzahl auf eine Enddrehzahl - hier Stillstand des Rotors - abbremst. In Schritt S3 werden Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors erfasst und erfasste Schwingungswerte erzeugt. Hierbei kann der Schwingungssensor 9 des Elektromotors gemäß 1 genutzt werden. In Schritt S4 werden spektrale Anteile bestimmt, indem die erfassten Schwingungswerte einer Frequenzanalyse, beispielsweise einer FFT, unterworfen werden. In Schritt S5 wird das Schwingungsverhalten des Elektromotors und/ oder dessen Einbauumgebung bestimmt. Hierzu werden die bestimmten spektralen Anteile ausgewertet.
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines Zeitsignals eines Schwingungssensors, wobei ein Beschleunigungswert (in m/s²) für eine Schwingung parallel zu der Motorachse/Motorwelle über der Zeit (in Sekunden) dargestellt ist. Zu Beginn werden Schwingungswerte gemessen, die durch die Drehbewegung des Elektromotors bei der Anfangsdrehzahl herrühren. Zum Zeitpunkt t_B - etwa nach 2,3 Sekunden in der dargestellten Zeitskala - wird ein Bremsvorgang ausgelöst, der zu einem Bremspeak 14 führt. In den nachfolgenden ca. 1,4 Sekunden wird der Rotor abgebremst, sodass der Rotor zum Zeitpunkt ts - bei ca. 3,7 Sekunden - zum Stillstand kommt. Der Stillstand führt zu einem Stillstandpeak 15. Für das Bestimmen des Schwingungsverhaltens werden beispielhaft die Schwingungswerte ab dem Stillstandpeak 15 erfasst und ausgewertet.
4 zeigt spektrale Anteile des Zeitsignals nach 3 ab dem Stillstandpeak 15. Es ist eine Amplitude des spektralen Anteils (in m/s²) über der Frequenz (in Hertz) aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass neben einem Peak bei einer Frequenz von 0 Hertz drei deutliche Peaks ausgebildet sind: bei ca. 27 Hertz, bei ca. 35 Hertz und bei ca. 58 Hertz. Daraus können potentielle Resonanzstellen ermittelt werden. Wenn davon ausgegangen wird, dass jede Resonanzstelle eine Resonanzstelle erster Ordnung ist, ergeben sich daraus theoretisch kritische Drehzahlen bei 1620 Umdrehungen pro Minute, 2100 Umdrehungen pro Minute und 3480 Umdrehungen pro Minute. Bei einem Elektromotor, der beispielsweise mit maximal 2400 Umdrehungen pro Minute drehen kann, können allenfalls die beiden erstgenannten Drehzahlwerte problematisch sein. Die dritte Resonanzstelle mag zwar bestehen, kann in einem praktischen Betrieb aber lediglich für eine Anregung höherer Ordnung relevant sein.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

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: Bremspeak
15: Stillstandpeak

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018211838 A1 [0004]
DE 102018211846 A1 [0004]
DE 202019101262 U1 [0005]
DE 102018211850 A1 [0005]
DE 102021203932 [0028]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Einbauumgebung, wobei eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einem Bremsvorgang abbremsbar ist, umfassend die Schritte: Erzeugen eines Rucks durch Auslösen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Ändern eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs, Erzeugen (S3) von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels mindestens eines Schwingungssensors, Bestimmen (S4) von spektralen Anteilen durch eine Frequenzanalyse der erfassten Schwingungswerte und Bestimmen (S5) eines Schwingungsverhaltens des Elektromotors und/oder dessen Einbauumgebung durch Auswerten der spektralen Anteile.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Rucks mittels eines Bremsvorgangs ein Bringen (S1) des Rotors auf eine Anfangsdrehzahl und ein Auslösen (S2) eines Bremsvorgangs zum Reduzieren einer Drehzahl des Rotors von der Anfangsdrehzahl über eine Bremszeit hinweg zu einer Enddrehzahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens eine oder mehrere Resonanzstellen ermittelt und deren Kritikalität bewertet wird, wobei vorzugsweise für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn ein spektraler Anteil einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet und/oder wenn erfasste Schwingungen durch eine Ordnung einer Bewertungsfrequenz dominiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens mindestens eine Schwingform ermittelt wird, wobei die mindestens eine Schwingform vorzugsweise Verkippen, Taumeln, Torsion und/oder axiales Pumpen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisierung zwischen dem Ruck und dem Erzeugen erfasster Schwingungswerte vorgenommen wird, wobei die Synchronisierung vorzugsweise durch eine Motorelektronik des Elektromotors erfolgt und/oder durch Detektion eines Peaks in einem Sensorsignal des mindestens einen Schwingungssensors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors entlang mindestens einer Achse, vorzugsweise entlang mehrerer Achsen erfasst werden, wobei die mindestens eine Achse oder eine der mehreren Achsen vorzugsweise parallel zu einer Drehachse des Rotors angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bremsvorgang eine Schnellbremsung, vorzugsweise eine Kurzschlussbremsung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen von erfassten Schwingungswerten bei Auslösen des Bremsvorgangs und/oder Erreichen der Enddrehzahl gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsdrehzahl größer oder gleich 100 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise größer oder gleich 200 Umdrehungen pro Minute ist und/oder dass die Anfangsdrehzahl kleiner oder gleich 30% der Nenndrehzahl des Elektromotors, vorzugsweise kleiner oder gleich 20% der Nenndrehzahl des Elektromotors, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 10% der Nenndrehzahl des Elektromotors ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Enddrehzahl kleiner oder gleich 50 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise kleiner oder gleich 25 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugter Weise gleich 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremszeit kleiner oder gleich 10 Sekunden, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Sekunden, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 3 Sekunden gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von spektralen Anteilen eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine FFT - Fast Fourier Transform -, und/oder ein Görtzel-Algorithmus genutzt wird.
Elektromotor, der vorzugsweise zum Ausführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, umfassend: einen Rotor, der um eine Achse/Welle drehbar gelagert ist, eine Ruckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Rucks durch Auslösen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Ändern eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs, einen Schwingungssensor, der zum Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors und zum Erzeugen erfasster Schwingungswerte ausgebildet ist, eine Analyseeinheit, die zum Bestimmen von spektralen Anteilen der erfassten Schwingungswerte ausgebildet ist, und eine Auswerteeinheit, die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Auswerten der spektralen Anteile ausgebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor in dem Elektromotor integriert oder an einer Außenseite eines Gehäuses des Elektromotors angeordnet ist und/oder dass der Schwingungssensor in einem Elektronikgehäuse des Elektromotors angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Motorelektronik, die den Elektromotor während dessen Betrieb ansteuert, wobei die Motorelektronik ein ermitteltes Schwingungsverhalten zum Ansteuern des Elektromotors nutzt und dabei vorzugsweise Drehzahlen des Elektromotors mit ungünstigem Schwingungsverhalten vermeidet.
Ventilator, vorzugsweise ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend ein Laufrad und einen Elektromotor nach 12 bis 14, wobei das Laufrad mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
System mit einer Einbauumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und/oder einen Ventilator nach Anspruch 15 umfasst, wobei die Einbauumgebung mit dem Antrieb interagiert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Einbauumgebung zu erfassen und zu bewerten.