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TECHNISCHES GEBIET
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Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf das Gebiet einer Zustandsüberwachung von elektrischen Maschinen, und im Spezielleren bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf eine Erfassung und Bestimmung von Fehlern in einem Motor unter Verwendung einer Zustandsüberwachungsvorrichtung, die mehrere Sensoren besitzt.
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STAND DER TECHNIK
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Herkömmlicherweise erfolgt eine Fehlerstatus- und Fehlererfassungsbeurteilung in einem Motor unter Verwendung mehrerer Diagnosegeräte, und bislang wurden technische Verfahren dafür entwickelt. Darunter handelt es sich bei den in der Industrie am weitesten verbreiteten um Schwingungsüberwachung und Stromsignaturanalyse.
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Die oben erwähnten Verfahren greifen auf eine Messung von Motorstrom und -schwingung zurück, um Fehler im Motor zu detektieren. Die oben erwähnten Verfahren benötigen zum Durchführen von Messungen Sensoren und andere Geräte, die oftmals mühsam zu installieren und teuer sind. Außerdem müssen die Strom- und Spannungssensoren im Inneren des Anschlusskastens des Motors installiert werden, was oftmals zeitraubend ist und es erforderlich macht, den Motor stillzulegen. Darüber hinaus kann eine unsachgemäße Installation zu einer Schädigung des Motors, einer fehlerhaften Überwachung führen oder Sicherheitsprobleme aufwerfen.
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Deshalb besteht vor dem Hintergrund der obigen Erörterung ein Bedarf an einer Zustandsüberwachungsvorrichtung, welche die oben erwähnten Probleme löst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorstehend erwähnten Defizite, Nachteile und Probleme werden hier angesprochen und lassen sich durch Lesen und Nachvollziehen der folgenden technischen Beschreibung verstehen.
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In einem Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung eine Zustandsüberwachungsvorrichtung zum Überwachen und Beurteilen eines Zustands einer elektrischen Maschine. Die Zustandsüberwachungsvorrichtung weist einen Gehäusekörper auf, der an einem Körper der elektrischen Maschine befestigt werden kann. Der Gehäusekörper nimmt mehrere Sensoren auf, darunter mindestens eine Magnetfeldmesseinheit, mindestens einen Schwingungssensor, einen Akustiksensor und einen Temperatursensor. Die Magnetfeldmesseinheit misst einen ersten Magnetfeldstärkenwert entlang einer ersten Achse, die im Wesentlichen parallel zur Achse des Rotors der elektrischen Maschine ist, und einen zweiten Magnetfeldstärkenwert entlang einer zweiten Achse. Die zweite Achse befindet sich in einem Winkel zur ersten Achse.
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Der Schwingungssensor misst einen ersten Schwingungswert entlang der ersten Achse und/oder einen zweiten Schwingungswert entlang der zweiten Achse. Der Temperatursensor misst eine Temperatur eines Bereichs, der nahe an der elektrischen Maschine liegt, und ein Akustiksensor ist vorgesehen, um Schall um die elektrische Maschine herum zu messen.
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Die Zustandsüberwachungsvorrichtung hat einen oder mehrere Prozessor/en, der bzw. die dazu ausgelegt ist bzw. sind, Messwerte von den mehreren Sensoren zu empfangen und den Zustand der elektrischen Maschine auf Grundlage der empfangenen Messwerte zu bestimmen. Zusätzlich hat die Zustandsüberwachungsvorrichtung eine Netzschnittstelle, die zur Kommunikation mit einem Fernservicegerät 130 ausgelegt ist.
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In einer Ausführungsform wird der Gehäusekörper unter Verwendung eines Adapters am Körper der elektrischen Maschine befestigt. Der Gehäusekörper wird auf den Adapter aufgeschraubt. In einer anderen Ausführungsform weist die Gehäusekörpereinheit darüber hinaus einen Stab auf, der zwischen zwei benachbarten Rippen der elektrischen Maschine eingesteckt werden kann, um den Gehäusekörper am Körper der elektrischen Maschine festzupressen. In einer anderen Ausführungsform hat die Zustandsüberwachungsvorrichtung eine im Gehäusekörper aufgenommene Energiequelle, um die mehreren Sensoren, den einen oder die mehreren Prozessor/en und die Netzschnittstelle mit Energie zu versorgen. In einer anderen Ausführungsform hat die Zustandsüberwachungsvorrichtung ein Energiegewinnungsmodul, um Energie aus einem magnetischen Streufeld der elektrischen Maschine und/oder einem Wärmestrom der elektrischen Maschine zu gewinnen.
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Systeme variierenden Umfangs sind hier beschrieben. Zusätzlich zu den in dieser Zusammenfassung beschriebenen Aspekten und Vorteilen werden weitere Aspekte und Vorteile durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und mit Bezug auf die ausführliche Beschreibung, die folgt, offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der Gegenstand der Erfindung wird ausführlicher im folgenden Text mit Bezug auf bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen erklärt, die in den Zeichnungen dargestellt sind:
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1 stellt einen Motor mit einer am Körper des Motors montierten Zustandsüberwachungsvorrichtung nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar;
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2 stellt mehrere Montageauslegungen zum Montieren der Zustandsüberwachungsvorrichtung am Körper des Motors nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar;
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3 stellt die verschiedenen Komponenten der Zustandsüberwachungsvorrichtung nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar; und
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4 stellt einen am Körper der elektrischen Maschine befestigten Adapter nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil hiervon bilden, und in denen spezifische Ausführungsformen zur Veranschaulichung gezeigt sind, die sich in die Praxis umsetzen lassen. Diese Ausführungsformen sind ausreichend ausführlich beschrieben, um es den Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen, und es sollte klar sein, dass auch andere Ausführungsformen genutzt werden können, und dass logische, mechanische, elektrische und andere Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Ausführungsformen abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen.
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1 stellt eine Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 zum Überwachen und Beurteilen eines Zustands einer elektrischen Maschine 110 (auch als Motor 110 bezeichnet) dar, die am Körper der elektrischen Maschine 110 montiert ist. Die Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 weist einen Gehäusekörper auf, der an einem Körper oder einer Mantelfläche der elektrischen Maschine 110 befestigt werden kann.
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Der Gehäusekörper nimmt mehrere (in 3 gezeigte) Sensoren auf. Die mehreren Sensoren umfassen eine Magnetfeldmesseinheit 330, einen Schwingungssensor 340, einen Akustiksensor 350 und einen Temperatursensor 360. Die Magnetfeldmesseinheit 330 misst einen ersten Magnetfeldstärkenwert entlang einer ersten Achse (in 2 als Achse 260 dargestellt), die im Wesentlichen parallel zu einer Achse des Rotors (in 2 als Achse 230 dargestellt) der elektrischen Maschine 110 ist. Zusätzlich misst die Magnetfeldmesseinheit 330 einen zweiten Magnetfeldstärkenwert entlang einer zweiten Ache (in der Figur als Achse 270 dargestellt) an einem Bezugspunkt, wobei sich die zweite Achse 270 in einem Winkel zur ersten Achse 260 befindet.
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Ein Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass, obwohl die gegenwärtige Erfindung eine einzelne Magnetfeldmesseinheit zum Messen einer Magnetfeldstärke in zwei Achsen offenbart, eine derartige Magnetfeldmesseinheit auch zwei oder mehr Magnetfeldsensoren jeweils zum Messen einer Magnetfeldstärke entlang einer Achse umfassen kann. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Magnetfeldmesseinheit zwei oder mehr magnetische Abtastelemente (zum Beispiel Spulen) zusammen mit einem einzelnen Messwertgeber. In einer anderen Ausführungsform kann die Magnetfeldmesseinheit eine Magnetfeldstärke in zwei Komponenten entlang der ersten und zweiten Achse auflösen.
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Der Schwingungssensor 340 misst einen ersten Schwingungswert entlang der ersten Achse 260 und/oder einen zweiten Schwingungswert entlang der zweiten Achse 270. Der Temperatursensor 360 misst eine Temperatur eines Bereichs, der nahe an der elektrischen Maschine 110 liegt.
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Der Akustiksensor 350 misst Schall um die elektrische Maschine 110 herum, insbesondere Schall um die Antriebsseite des Motors 110 herum. Um Hintergrundgeräusche von vom Motor, insbesondere dem Lager ausgehenden Geräuschen zu unterscheiden, werden Werte herausgefiltert, die sich auf Frequenzen beziehen, welche nicht mit dem Lager zusammenhängen.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei mindestens einem der mehreren Sensoren um digitale Sensoren, die in der Lage sind, gleich beabstandete Proben in periodischen Intervallen zu nehmen. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem mindestens einen der mehreren Sensoren um analoge Sensoren mit einem integrierten Analog/Digital-Wandler.
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In einer Ausführungsform werden, um sicherzustellen, dass die Messwerte während des Laufzustands des Motors 110 erhoben werden, Messwerte mit vorbestimmten Schwellenwerten verglichen. Erst wenn die Messwerte über den vorbestimmten Schwellenwerten liegen, werden sie aufgezeichnet. In einer Ausführungsform werden die vorbestimmten Schwellenwerte experimentell bestimmt. In einer anderen Ausführungsform werden die vorbestimmten Schwellenwerte während der Installation des Motors bestimmt.
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In einer anderen Ausführungsform verzeichnen und übertragen die Magnetfeldmesseinheit 330, der Akustiksensor 350 und der Temperatursensor 360 Messdaten auf den Empfang eines Signals vom Schwingungssensor 340 oder eines Motorantriebs hin, das angibt, dass der Motor 110 angelassen wurde.
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In einer Ausführungsform erfolgt, wenn die Abtastrate der Magnetfeldmesseinheit 330 nicht konstant ist oder die Proben von der ersten und zweiten Achse in unterschiedlichen Abtastzeiträumen genommen werden, eine (lineare, kubische oder Spline-)Interpolation, um ungefähr gleich beabstandete und gleichzeitige Magnetfelddaten über die Magnetfeldstäre von der ersten und zweiten Achse zu erhalten. Auf den Erhalt der interpolierten, kontinuierlichen Magnetfelddaten der ersten und zweiten Achse hin, werden die Magnetfelddaten trendbereinigt, um einen statischen Hintergrundmagnetfluss und die Abweichung zu beseitigen, welche die Magnetfeldmesseinheiten erfahren. Die Trendbereinigung erfolgt anhand von technischen Verfahren, die auf dem Gebiet bekannt sind.
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Die Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 umfasst einen oder mehrere Prozessor/en 320, der bzw. die dazu ausgelegt ist bzw. sind, Messwerte von den mehreren Sensoren zu empfangen und den Zustand der elektrischen Maschine 110 auf Grundlage der empfangenen Messwerte zu bestimmen. In einer Ausführungsform beschaffen sich die Prozessoren 320 periodisch Messdaten von den mehreren Sensoren. In einer beispielhafte Ausführungsform, in der die elektrische Maschine 110 ein Induktionsmotor ist, empfangen die Prozessoren 320 Magnetfelddaten, führen an den in Bezug auf die zwei Achsen empfangenen Daten eine Fourier-Transformation durch und prüfen das Ungleichgewicht bei der Amplitude der Schlupffrequenz an den zwei Achsen. Falls das Ungleichgewicht über einem vordefinierten Schwellenwert liegt, ist ein Fehler erfasst.
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In einer Ausführungsform sind die Prozessoren 320 dazu ausgelegt, auf das Erfassen eines Fehlers hin, den Fehler einzustufen und den Schweregrad des erfassten Fehlers zu bestimmen. Mit Fortsetzung der beispielhaften Ausführungsform in Bezug auf die Magnetfelddaten, wird der erfasste Fehler anschließend als gebrochene Rotorstange oder Fehlausrichtung eingestuft, indem geprüft wird, ob die vorherrschende Komponente im axialen oder radialen Magnetfeld vorhanden ist. Der Schweregrad des Fehlers ist direkt proportional zum Betrag des Ungleichgewichts, das im Magnetfeld bei der Schlupffrequenz vorhanden ist.
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Zusätzlich umfasst die Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 eine Netzschnittstelle 370, die zur Kommunikation mit einem Fernservicegerät 130 ausgelegt ist, und ein Speichermodul, das operativ an den einen oder die mehreren Prozessor/en 320 angeschlossen ist. Der Schweregrad des Fehlerindikators wird in dem den Prozessoren 320 zugeordneten Speicher hinterlegt und auf Anfrage an ein Fernservicegerät geschickt. In einer Ausführungsform umfasst die Netzschnittstelle 370 eine Antenne 380 mit einer besonderen Gestaltung, um eine Kommunikation über EM-Strahlung bei nächster Nähe zu metallischen Flächen zu ermöglichen.
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Anschließend an die Analyse kommuniziert bzw. kommunizieren der eine oder die mehreren Prozessor/en 320 über die Netzschnittstelle 370 mit einem Fernservicegerät und einem Datenkonzentrator, um den Zustand der elektrischen Maschine 110 anzugeben. Die Netzschnittstelle 370 ist in der Lage, über drahtlose Medien, wie etwa Bluetooth, Wireless HART, usw., zu kommunizieren.
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Der Datenkonzentrator überträgt den Zustand der elektrischen Maschine betreffende Daten, die von der Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 her eingegangen sind, an den Historian zur Fernspeicherung.
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In einer Ausführungsform besteht der Gehäusekörper aus Kunststoff oder einem nicht ferromagnetischen Metall. Wenn der Gehäusekörper aus nicht ferromagnetischem Metallmaterial besteht, hat der Gehäusekörper in einer Ausführungsform ein nichtmetallisches oder Kunststofffenster, um es zu ermöglichen, dass (ihren Ursprung von der Netzschnittstelle nehmende) Funkfrequenzkommunikation durch dieses hindurch erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform ist ein (wie in 4 gezeigter) Adapter 410 vorgesehen, um den Gehäusekörper am Körper des Motors 110 zu befestigen. In einer Ausführungsform wird der Adapter am Körper des Motors 110 unter Verwendung von auf dem Gebiet bekannten Adhäsions- oder Klemmmechanismen befestigt. Der Gehäusekörper wird am Adapter befestigt, indem der Gehäusekörper auf den Adapter aufgeschraubt wird.
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In einer anderen Ausführungsform wird die Gehäusekörpereinheit am Körper der elektrischen Maschine 110 unter Verwendung eines Stabs befestigt, der zwischen zwei benachbarten Rippen der elektrischen Maschine eingesteckt werden kann, um den Gehäusekörper am Körper der elektrischen Maschine festzupressen.
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In einer Ausführungsform hat die Zustandsüberwachungsvorrichtung eine im Gehäusekörper aufgenommene Energiequelle 310, um die mehreren Sensoren, den einen oder die mehreren Prozessor/en 320 und die Netzschnittstelle 370 mit Energie zu versorgen. Indem über eine Energiequelle 310 im Inneren der Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 und eine drahtlose Netzschnittstelle 370 verfügt wird, ist ein Bedarf an Drähten aus der Welt geschafft. In einer Ausführungsform ist ein Energiegewinnungsmodul (wie etwa ein thermoelektrischer Generator und dergleichen) vorgesehen, um Energie aus einem magnetischen Streufeld der elektrischen Maschine und/oder Wärmeenergie der elektrischen Maschine zum Laden der Energiequelle zu gewinnen.
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Der gesamte Aufbau ist auf kostengünstige Produktion, Montage und Installation ausgerichtet. Um die Installation so einfach wie möglich zu gestalten, ist die Vorrichtung batteriebetrieben, um jedwede Verkabelungserfordernisse auszuschalten. Somit wird eine durchgehende, kostengünstige Zustandsüberwachung des Motors erzielt.
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Um in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung eine Zustandsüberwachung einer elektrischen Maschine 110 durchzuführen, muss die Bedienperson die Zustandsüberwachungsvorrichtung 120 einfach nur ähnlich dem Typenschild am Rahmen der elektrischen Maschine 110 anbringen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um den Gegenstand, inklusive der besten Ausführungsart hier zu beschreiben und auch jeden Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, den Gegenstand herzustellen und zu verwenden. Der patentierbare Umfang des Gegenstands ist durch die Ansprüche definiert und kann gegebenenfalls andere Beispiele umfassen, die dem Fachmann auf dem Gebiet einfallen. Derartige andere Beispiel sollen im Rahmen der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente haben, die sich von der wortgetreuen Sprache der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wortgetreuen Sprache der Ansprüche enthalten.
