EP3707807A1 - Method for monitoring rolling bearings - Google Patents

Method for monitoring rolling bearings

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EP3707807A1
EP3707807A1 EP18796651.0A EP18796651A EP3707807A1 EP 3707807 A1 EP3707807 A1 EP 3707807A1 EP 18796651 A EP18796651 A EP 18796651A EP 3707807 A1 EP3707807 A1 EP 3707807A1
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EP
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electric motor
bearing
change
electromagnetic
electromagnetic pulses
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Application number
EP18796651.0A
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Ralph Wystup
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Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Original Assignee
Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for monitoring rolling bearings in an electrical machine, such. As an EC motor.
  • Variable-speed motors today are predominantly fed by voltage intermediate-circuit converters.
  • a pulse inverter for example, a capacitive
  • the main task of a method for monitoring the state of the bearings of particular rotating or rotating machinery, such as EC motors is to allow as possible without interruption in service, an assessment of the current state of storage and any changes in the state.
  • Under storage condition in the sense of the present invention is meant the evaluation of the technical condition of the Bearing regarding the change of the bearing due to spark erosion,
  • the invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a reliable and inexpensive to implement solution for monitoring the storage condition and in particular to detect damage to the rolling bearing.
  • the basic idea of the invention lies in the fact that by measuring high-frequency radio radiation between the balls and the running surface of the bearing, as a result of sparks, a conclusion on the bearing quality can be drawn from the electromagnetic waves obtained therefrom.
  • an electrical spark spark discharge
  • the same phenomenon takes place between the bearing raceway and the bearing ball on the surface.
  • the spark current which leads to the electric spark is the bearing current described above which, together with the rotation of parts of the bearing (balls and raceway of the Balls in the bearing) causes a kind of spark erosion.
  • antenna parasitsitic antenna
  • the bearing damage continues to increase in number and extent over time due to said spark erosion, but the increase in bearing damage does not behave linearly with time.
  • the already existing number of bearing damage to the balls of the rolling bearing has in addition to the actual erosion process on the formation of further bearing damage, since this adversely changes the required position between tread and spherical surface.
  • the invention it is therefore provided to use the evaluation of the electromagnetic pulses in a specific time interval for determining the storage condition.
  • By evaluating these pulses namely by averaging the signals at the output of the receiver and by the subsequent calculation of the rate of change of the mean value, it can be concluded that the state of the bearing.
  • the determined average value increases and changes faster and faster with increasing bearing damage.
  • the measured electromagnetic spectrum is subjected to spectral analysis in such a way that the number of electromagnetic pulses is formed over a defined time unit, the mean value of the electromagnetic pulses over this time and the time differential of the average values. This makes it possible according to the invention to monitor the storage condition in a cost-effective manner by means of a receiving antenna and an evaluation device.
  • a preferred option for analysis and prognosis is the use of reference data.
  • a corresponding reference model is designed for the respective EC motor.
  • the reference model includes a data set with the electromagnetic pulses of a specific frequency band for different storage conditions, in which a bearing damage of the bearing is present in each case in different form.
  • a non-linear storage status curve is extrapolated, which represents the non-linear course of a bearing damage. It is particularly advantageous if the mean value curve is not determined or extrapolated, and a maximum differential is defined as the absolute limit differential from which the bearing is considered to be "defective.” Exceeds the increase in the electromagnetic impulses Thus, for each defined time interval, the value of the limit differential, an error signal can be output, for example.
  • a second limit (relative limit differential) is defined, which represents a state in time, which is before reaching the absolute limit differential (defect of the bearing) and announces the expected soon bearing failure. Based on the actual curve and the average operating time of the failure time can be predicted so that not only the current state, but also the forecast course of the storage condition are detected by means of the invention can, so that a preventive maintenance is feasible.
  • So z. B. also fully automatically a demand request are triggered when the limit of the relative limit differential is detected.
  • a certain frequency band electromagnetic waves are detected by the receiver. It is particularly advantageous if this frequency band is selectively tuned to the resonance frequency of the parasitic transmitting antenna of the EC motor.
  • the receiver not only a single bearing in the EC motor, but depending on the frequency and thus in dependence of the vote of the parasitic antenna (s) on the receiver frequency (s) also several bearings are monitored in the engine.
  • the parasitic antennas must be detuned by additional reactances (inductances and capacitances) in the resonant frequency. On the sparking so such, this has no appreciable effect, since the spark itself always emits a comparatively broadband frequency band electromagnetic safe waves.
  • Another aspect of the present invention relates to an EC motor with a bearing monitoring device comprising a receiving antenna and an evaluation device for evaluating the electromagnetic waves.
  • the receiving antenna is arranged directly on the circuit board of the motor.
  • FIG. 3 shows an extrapolated curve of the rate of change of the mean values of the detected electromagnetic pulses from bearing damage
  • FIG. 4 shows an example of an equivalent circuit diagram of an electric motor with one
  • the spectral lines a, b, c, d are each intended to represent a bearing damage in the roller bearing 2 and represent the corresponding amplitudes in the frequency spectrum. These are shown in FIGS. 1 and 2 by way of example only as discrete spectral shown lines.
  • the magnitude of the bearing damage is determined by the amplitude A. The higher the amplitude and the corresponding contribution, the greater the bearing damage.
  • only 7 such spectral lines from the (not shown) frequency spectrum are shown by way of example in FIG. 1, while in FIG. 2 further damage has been added by way of example (represented by the spectral lines e).
  • spectral lines a, b, c, d, e are used in the monitoring of the rolling bearing 2 of an electric motor 1 shown in FIG. It is assumed that the rolling bearing 2 to be monitored forms a capacitive parasitic antenna 3 which emits electromagnetic waves due to the sparking in the rolling bearing 2 due to the bearing damage present.
  • an evaluation of the number N of electromagnetic pulses and their amplitude A, obtained in the frequency spectrum takes place averaging the pulses a, b, c, d, e contained in the frequency band f s (the range between the dashed lines) for the evaluation.
  • the average values are plotted over the time at the respective acquisition times. This results in a nonlinear curve, as shown in FIG. 3, since the rate of change increases with time. Thus, the change in the increase from the time t1 to the time t2 is less than the subsequent change over the same time interval, since there the bearing damage continues to increase non-linearly.
  • limit values are also merely exemplified, namely the first limit GWr and the second limit GWm, the first limit is to define a state in which the expected remaining life corresponds to a defined value, resulting from the previous rate of change and the operating time at which the rate of change results when the time of the first limit value is reached.
  • FIG. 4 additionally shows a display 8 for displaying a spectrum 9, which was determined by the bearing monitoring device 5, in order to be able to display the results for a person graphically and possibly signals, warnings or the like in a simple manner for a user of the engine. It is advantageous if the bearing monitoring device 5 is already an integral part of the engine electronics.

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for monitoring a rolling bearing (2) of an electric motor (1), wherein the rolling bearing (2) forms a capacitive parasitic antenna (3), having the following steps of: a. capturing the electromagnetic spectrum (7) emitted by the parasitic antenna (3) in a manner triggered by spark formation in the rolling bearing (2) over a respectively defined period t during operation of the electric motor (1); b. evaluating the number N of electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) received in the spectrum and the amplitude A of said pulses; c. capturing the change in the number N of electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) and/or the amplitude A of said pulses, and d. determining whether the increase in the number N and/or in the amplitudes A of the electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) increases in a non-linear manner with time.

Description

Verfahren zur Überwachung von Wälzlagern  Method for monitoring rolling bearings
Beschreibung: Description:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Wälzlager in einer elektrischen Maschine, wie z. B. einem EC-Motor. The present invention relates to a method and apparatus for monitoring rolling bearings in an electrical machine, such. As an EC motor.
Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungs- zwischenkreisumrichtern gespeist. Bei Speisung einer elektrischen Maschine aus einem Pulswechselrichter kann zum Beispiel eine kapazitiv Variable-speed motors today are predominantly fed by voltage intermediate-circuit converters. When feeding an electric machine from a pulse inverter, for example, a capacitive
eingekoppelte Lagerspannung gebildet werden. Durch das geschaltete Pulsmuster des Inverters ergibt sich an dessen Ausgang eine mit der Schaltfrequenz des Inverters springende Gleichtaktspannung (CMV) gegenüber Erde. Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter kann demnach zu unerwünschten Lagerspannungen führen, was wiederum zu Lagerströmen in den Lagern des Motors führen kann. Ein solcher Stromfluss durch die Lager kann bei elektrischen Maschinen mit Wälz- und Gleitlagern zu Schä- den bis hin zum totalen Ausfall führen. Es ist daher einerseits wünschenswert die Schäden zu vermeiden und andererseits besteht ein Bedürfnis danach den Zustand eines solchen Wälzlagers zu überwachen. coupled bearing voltage can be formed. Due to the switched pulse pattern of the inverter results in the output of a jumping with the switching frequency of the inverter common mode voltage (CMV) to earth. The supply by the voltage source inverter can therefore lead to undesirable bearing voltages, which in turn can lead to bearing currents in the bearings of the motor. Such a flow of current through the bearings can lead to damage or even total failure in electric machines with rolling and sliding bearings. It is therefore desirable on the one hand to avoid the damage and on the other hand there is a need to monitor the condition of such a rolling bearing.
Als Abhilfe zur Reduzierung von Schäden am Wälzlager wurden in der Vergangenheit stromisolierte bzw. elektrisch isolierende Lager, z. B. Lager mit einer Keramikisolierung am Außenring oder Hybridlager mit Keramik- Walzkörpern, verwendet. Da diese Lager jedoch sehr teuer sind, eignet sich eine solche Lösung nicht in idealer Weise für die Massenfertigung. As a remedy to reduce damage to the bearings were in the past current-insulated or electrically insulating bearings, eg. B. bearings with a ceramic insulation on the outer ring or hybrid bearing with ceramic rolling elements used. However, since these bearings are very expensive, such a solution is not ideally suited for mass production.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Abhilfemaßnahmen bekannt. So lehren die Druckschriften EP 1 445 850 A1 bzw. DE 10 2004 016 738 B3 eine Vorrichtung zum Schutz eines Lagers einer Elektromaschine zu verwenden, die eine Kompensationsanordnung bzw. eine Kompensationseinrichtung zur Erzeugung eines Kompensationsstroms für die Kompensation eines Störstroms durch die Lager vorsieht. Unabhängig vom Aufbau des EC-Motors und der Konzeption zur Vermeidung von Schäden am Lager, ist es aber wünschenswert den jeweils aktuellen Zustand des Lagers zu kennen und mögliche Schäden am Lager festzustellen. From the prior art further remedial measures are known. Thus, the publications EP 1 445 850 A1 and DE 10 2004 016 738 B3 teach to use a device for protecting a bearing of an electric machine, which provides a compensation arrangement or a compensation device for generating a compensation current for the compensation of an interference current through the bearings. Regardless of the design of the EC motor and the design to prevent damage to the bearing, it is desirable to know the current state of the bearing and to determine possible damage to the bearing.
Die Hauptaufgabe eines Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Lager von insbesondere rotierenden oder drehbaren Maschinen, wie EC- Motoren besteht darin, möglichst ohne Betriebsunterbrechung eine Beurteilung des aktuellen Lagerzustandes und jeglicher Veränderungen des Zustandes zu ermöglichen. Unter Lagerzustand im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man dabei die Bewertung des technischen Zustandes des Lagers betreffend der Veränderung des Lagers wegen Funken-Erosion, The main task of a method for monitoring the state of the bearings of particular rotating or rotating machinery, such as EC motors is to allow as possible without interruption in service, an assessment of the current state of storage and any changes in the state. Under storage condition in the sense of the present invention is meant the evaluation of the technical condition of the Bearing regarding the change of the bearing due to spark erosion,
Durch vorbeugende Instandhaltung und Erfahrungswerte können die Verfügbarkeiten der EC-Motoren zwar verbessert und gleichzeitig die Ausfallzeiten sowie die Kosten der Instandhaltung reduziert werden. Nachteilig ist dabei, dass es selten möglich ist, genaue Vorhersagen über den Zustand, den Verschleiß und den Zeitpunkt des Ausfalls der Lager zu treffen. Ferner kommt es bei der vorbeugenden Instandhaltung immer wieder vor, dass Teile zu früh ausgetauscht werden, die noch über eine hohe Reststandzeit verfügen. Somit ist ein Verfahren notwendig, das den Zustand des Lagers möglichst ge- nau im Betrieb ermittelt, ohne dass aufwendige Sensoren, Schwingungsanalysen oder dergleichen benötigt werden. Through preventive maintenance and experience, the availability of EC motors can be improved while at the same time reducing downtime and maintenance costs. The disadvantage here is that it is rarely possible to make accurate predictions about the condition, the wear and the time of failure of the bearings. In addition, in preventive maintenance it often happens that parts are replaced too early, which still have a high remaining service life. Thus, a method is necessary which determines the state of the bearing as accurately as possible during operation, without requiring complex sensors, vibration analyzes or the like.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine zuverlässige und günstig zu realisierende Lösung zur Überwachung des Lagerzustands bereit zu stellen und insbesondere Schä- den am Wälzlager zu detektieren. The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a reliable and inexpensive to implement solution for monitoring the storage condition and in particular to detect damage to the rolling bearing.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. This object is achieved with the features of claim 1.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch das Messen hochfrequenter Radiostrahlung zwischen den Kugeln und der Lauffläche des Lagers, infolge Funkenbildung, aus den daraus gewonnenen elektromagneti- sehen Wellen ein Rückschluss auf die Lagerqualität gezogen werden kann. The basic idea of the invention lies in the fact that by measuring high-frequency radio radiation between the balls and the running surface of the bearing, as a result of sparks, a conclusion on the bearing quality can be drawn from the electromagnetic waves obtained therefrom.
Wie zum Beispiel von einer elektrischen Türklingel und einem danebenstehenden Radio bekannt ist, erzeugt ein elektrischer Funke (Funkenentladung) eine hochfrequente elektromagnetische Welle, die an die Antenne des Radios koppeln kann. Das gleiche Phänomen findet zwischen Lagerlaufbahn und Lagerkugel an der Oberfläche statt. Der Funkenstrom, welcher zu dem elektrischen Funken führt, ist der zuvor beschriebene Lagerstrom, welcher zusammen mit der Rotation von Teilen des Lagers (Kugeln und Laufbahn der Kugeln im Lager) eine Art Funken-Erosion bewirkt. Durch die an die Funkenstrecke (Kugeln zu Laufbahn) angekoppelte Antenne (parasitäre Antenne), welche durch die mechanische Konstruktion des Lagers gegeben ist, werden nun je nach Schädigungszustand des Lagers eine bestimmte Anzahl von Funken pro Zeiteinheit erzeugt und eine entsprechende Anzahl spezifischer elektromagnetsicher Wellen abgestrahlt. As is known, for example, from an electric doorbell and an adjacent radio, an electrical spark (spark discharge) generates a high-frequency electromagnetic wave that can couple to the antenna of the radio. The same phenomenon takes place between the bearing raceway and the bearing ball on the surface. The spark current which leads to the electric spark is the bearing current described above which, together with the rotation of parts of the bearing (balls and raceway of the Balls in the bearing) causes a kind of spark erosion. By coupled to the spark gap (balls to career) antenna (parasitic antenna), which is given by the mechanical design of the bearing, now a certain number of sparks per unit time are generated and emitted a corresponding number of specific electromagnetic safe waves depending on the damage condition of the camp ,
Der Lagerschaden nimmt nach Anzahl und Umfang mit der Zeit durch die besagte Funkenerosion weiter zu, allerdings verhält sich die Zunahme des Lagerschadens nicht linear mit der Zeit. Die bereits vorhandene Anzahl von Lagerschäden an den Kugeln des Wälzkugellagers wirkt sich neben dem eigentlichen Erosionsvorgang auch auf die Bildung weiterer Lagerschäden aus, da sich dadurch die erforderliche Lage zwischen Lauffläche und Kugeloberfläche nachteilig verändert. The bearing damage continues to increase in number and extent over time due to said spark erosion, but the increase in bearing damage does not behave linearly with time. The already existing number of bearing damage to the balls of the rolling bearing has in addition to the actual erosion process on the formation of further bearing damage, since this adversely changes the required position between tread and spherical surface.
Bei einem Empfänger der elektromagnetischen Wellen bzw. Impulse bedeutet dies, dass in einem bestimmten (für die Schädigung spezifischen) Frequenzband, welches durch die parasitäre Antenne des Kugellagers bestimmt ist, die erfasste Anzahl und die ermittelte Amplitude der elektromagnetischen Impulse durch die Funkenbildung pro Zeitintervall nichtlinear zunimmt. For a receiver of the electromagnetic waves or pulses, this means that in a certain (specific to the injury) frequency band, which is determined by the parasitic antenna of the ball bearing, the detected number and the determined amplitude of the electromagnetic pulses by the sparking per time interval non-linear increases.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Auswertung der elektromagnetischen Impulse in einem bestimmten Zeitintervall zur Bestimmung des Lagerzustandes zu nutzen. Durch die Auswertung dieser Impulse, nämlich durch Mittelwertbildung der Signale am Ausgang des Empfängers und durch die nachfolgende Berechnung der Änderungsrate des Mittelwertes, kann auf den Zustand des Lagers geschlossen werden. Der ermittelte Mittelwert wird größer und ändert sich zunehmend schneller bei zunehmender Lagerschädigung. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass das gemessene elektromagnetische Spektrum einer Spektralanalyse dergestalt unterzogen wird, dass die Anzahl der elektromagnetischen Impulse über eine definierte Zeiteinheit, der Mittelwert der elektromagnetischen Impulse über diese Zeit und das zeitliche Differential der Mittelwerte gebildet wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich mittels einer Empfangsantenne und einer Auswerteeinrichtung auf kostengünstige Weise den Lagerzustand zu überwachen. According to the invention, it is therefore provided to use the evaluation of the electromagnetic pulses in a specific time interval for determining the storage condition. By evaluating these pulses, namely by averaging the signals at the output of the receiver and by the subsequent calculation of the rate of change of the mean value, it can be concluded that the state of the bearing. The determined average value increases and changes faster and faster with increasing bearing damage. According to the invention, it is therefore provided that the measured electromagnetic spectrum is subjected to spectral analysis in such a way that the number of electromagnetic pulses is formed over a defined time unit, the mean value of the electromagnetic pulses over this time and the time differential of the average values. This makes it possible according to the invention to monitor the storage condition in a cost-effective manner by means of a receiving antenna and an evaluation device.
Eine bevorzugte Möglichkeit einer Analyse und Prognose liegt in der Verwendung von Referenzdaten. Hierzu wird für den jeweiligen EC-Motor ein entsprechendes Referenzmodell entworfen. Das Referenzmodell umfasst dabei einen Datensatz mit den elektromagnetischen Impulsen eines bestimmten Frequenzbandes für unterschiedliche Lagerzustände, bei dem ein Lagerschaden des Wälzlagers jeweils in unterschiedlicher Ausprägung vorhanden ist. Für mehrere Lagerzustände wird eine nichtlineare Lagerzu- Standskurve extrapoliert, die den nichtlinearen Verlauf eines Lagerschadens repräsentiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nicht die Kurve selbst, sondern die Mittelwertkurve dabei ermittelt bzw. extrapoliert wird und ein maximales Differential definiert wird, als absolutes Grenzdifferential, ab dem das Lager als„defekt" betrachtet wird. Übersteigt die Zunahme der elektromagne- tischen Impulse pro definiertem Zeitintervall somit den Wert des Grenzdifferentials, so kann z. B. ein Fehlersignal ausgegeben werden. A preferred option for analysis and prognosis is the use of reference data. For this purpose, a corresponding reference model is designed for the respective EC motor. The reference model includes a data set with the electromagnetic pulses of a specific frequency band for different storage conditions, in which a bearing damage of the bearing is present in each case in different form. For several storage conditions, a non-linear storage status curve is extrapolated, which represents the non-linear course of a bearing damage. It is particularly advantageous if the mean value curve is not determined or extrapolated, and a maximum differential is defined as the absolute limit differential from which the bearing is considered to be "defective." Exceeds the increase in the electromagnetic impulses Thus, for each defined time interval, the value of the limit differential, an error signal can be output, for example.
Im Hinblick auf z. B. Industrie 4.0 Anwendungen kann auch vorgesehen sein, dass ein zweiter Grenzwert (relatives Grenzdifferential) definiert wird, der zeitlich betrachtet einen Zustand repräsentiert, der vor dem Erreichen des absoluten Grenzdifferentials (Defekt des Lagers) liegt und den demnächst zu erwartenden Lagerdefekt ankündigt. Anhand des tatsächlichen Kurvenverlaufs und der durchschnittlichen Betriebszeit kann der Ausfallzeitpunkt prognostiziert werden, so dass nicht nur der aktuelle Zustand, sondern auch der Prognoseverlauf des Lagerzustandes mittels der Erfindung erfasst werden kann, so dass damit eine vorbeugende Instandhaltung realisierbar ist. With regard to z. B. Industry 4.0 applications can also be provided that a second limit (relative limit differential) is defined, which represents a state in time, which is before reaching the absolute limit differential (defect of the bearing) and announces the expected soon bearing failure. Based on the actual curve and the average operating time of the failure time can be predicted so that not only the current state, but also the forecast course of the storage condition are detected by means of the invention can, so that a preventive maintenance is feasible.
So kann z. B. auch vollautomatisch eine Bedarfsanforderung ausgelöst werden, wenn der Grenzwert des relativen Grenzdifferentials detektiert wird. So z. B. also fully automatically a demand request are triggered when the limit of the relative limit differential is detected.
Um Störungen bei der Messung, verursacht durch andere Störquellen, wie zum Beispiel Radiosender, Störquellen im Motor etc. zu reduzieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass nur ein bestimmtes Frequenzband elektromagnetsicher Wellen vom Empfänger detektiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Frequenzband selektiv auf die Resonanzfrequenz der parasitären Sendeantenne des EC- Motors abgestimmt ist. In order to reduce interference in the measurement, caused by other sources of interference, such as radio stations, sources of interference in the engine, etc., is provided in a preferred embodiment of the invention that only a certain frequency band electromagnetic waves are detected by the receiver. It is particularly advantageous if this frequency band is selectively tuned to the resonance frequency of the parasitic transmitting antenna of the EC motor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Empfänger nicht nur ein einzelnes Lager im EC-Motor, sondern abhängig von der Frequenz und damit in Abhängigkeit der Abstim- mung der parasitären Antenne(n) auf die Empfängerfrequenz(en) auch mehrere Lager im Motor überwacht werden. Dazu müssen jedoch die parasitären Antennen durch zusätzliche Blindwiderstände (Induktivitäten und Kapazitäten) in der Resonanzfrequenz verstimmt werden. Auf die Funkenbildung also solche hat dies keinen merklichen Einfluss, da der Funke selbst stets ein vergleichsweise breitbandiges Frequenzband elektromagnetsicher Wellen aussendet. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that with the receiver not only a single bearing in the EC motor, but depending on the frequency and thus in dependence of the vote of the parasitic antenna (s) on the receiver frequency (s) also several bearings are monitored in the engine. For this purpose, however, the parasitic antennas must be detuned by additional reactances (inductances and capacitances) in the resonant frequency. On the sparking so such, this has no appreciable effect, since the spark itself always emits a comparatively broadband frequency band electromagnetic safe waves.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen EC-Motor mit einer Lagerüberwachungseinrichtung umfassend eine Empfangsantenne und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektromagnetischen Wellen. Another aspect of the present invention relates to an EC motor with a bearing monitoring device comprising a receiving antenna and an evaluation device for evaluating the electromagnetic waves.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangsantenne direkt auf der Leiterplatte des Motors angeordnet ist. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen: In a preferred embodiment of the invention it is provided that the receiving antenna is arranged directly on the circuit board of the motor. Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS. Show it:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Frequenzspektrums gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem ersten Zeitpunkt t = t1 ; 1 shows a simplified representation of the spectral lines of a frequency spectrum according to the present invention at a first time t = t1;
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Fre- quenzspektrums gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem zweiten (späteren) Zeitpunkt t = t2; 2 is a simplified representation of the spectral lines of a frequency spectrum according to the present invention at a second (later) time t = t2;
Fig. 3 eine extrapolierte Kurve der Änderungsrate von den Mittelwerten der erfassten elektromagnetischen Impulse ausgehend von Lagerschäden und Fig. 4 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines Elektromotors mit einer 3 shows an extrapolated curve of the rate of change of the mean values of the detected electromagnetic pulses from bearing damage; and FIG. 4 shows an example of an equivalent circuit diagram of an electric motor with one
Lagerüberwachungseinrichtung.  Bearing monitoring device.
Die Erfindung wir nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen. The invention will be described in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 4, wherein the same reference numbers refer to the same functional and / or structural features.
In den Figuren 1 und 2 sind jeweils eine vereinfachte Darstellung der Spektrallinien eines Frequenzspektrums A(f) mit der Amplitude A zu einem ersten Zeitpunkt t = t1 und einem späteren Zeitpunkt t = t2 gezeigt. Die Spektrallinien a, b, c, d sollen jeweils einen Lagerschaden im Wälzlager 2 repräsentie- ren und stellen die entsprechenden Amplituden im Frequenzspektrum dar. Diese sind in den Figuren 1 und 2 lediglich beispielhaft als diskrete Spektral- linien gezeigt. Die Stärke des Lagerschadens wird über die Amplitude A ermittelt. Je höher die Amplitude und der entsprechende Beitrag, desto stärker der Lagerschaden. Vorliegend sind in der Figur 1 beispielhaft lediglich 7 solche Spektrallinien aus dem (nicht dargestellten) Frequenzspektrum gezeigt, während in der Figur 2 beispielhaft weitere Schäden hinzugekommen sind (dargestellt durch die Spektrallinien e). FIGS. 1 and 2 each show a simplified representation of the spectral lines of a frequency spectrum A (f) with the amplitude A at a first time t = t1 and a later time t = t2. The spectral lines a, b, c, d are each intended to represent a bearing damage in the roller bearing 2 and represent the corresponding amplitudes in the frequency spectrum. These are shown in FIGS. 1 and 2 by way of example only as discrete spectral shown lines. The magnitude of the bearing damage is determined by the amplitude A. The higher the amplitude and the corresponding contribution, the greater the bearing damage. In the present case, only 7 such spectral lines from the (not shown) frequency spectrum are shown by way of example in FIG. 1, while in FIG. 2 further damage has been added by way of example (represented by the spectral lines e).
Diese Spektrallinien a, b, c, d, e werden bei der Überwachung des in der Figur 4 gezeigten Wälzlagers 2 eines elektrischen Motors 1 verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass das zu überwachende Wälzlager 2 eine kapazitive parasitäre Antenne 3 ausbildet, welche elektromagnetische Wellen aufgrund der Funkenbildung im Wälzlager 2 wegen der vorhandenen Lagerschäden emittiert. These spectral lines a, b, c, d, e are used in the monitoring of the rolling bearing 2 of an electric motor 1 shown in FIG. It is assumed that the rolling bearing 2 to be monitored forms a capacitive parasitic antenna 3 which emits electromagnetic waves due to the sparking in the rolling bearing 2 due to the bearing damage present.
Es verfügt der Elektromotor 1 , wie ebenfalls in dem Ersatzschaltbild der Figur 4 gezeigt über eine Lagerüberwachungseinrichtung 5, die wenigstens eine Empfangsantenne 6 besitzt, die vorzugsweise direkt auf der Leiterplatte 7 des Elektromotors 1 montiert ist. It has the electric motor 1, as also shown in the equivalent circuit diagram of Figure 4 via a bearing monitoring device 5, which has at least one receiving antenna 6, which is preferably mounted directly on the circuit board 7 of the electric motor 1.
Nach dem Erfassen des von der parasitären Antenne 3 emittieren elektro- magnetischen Spektrums, ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager 2 über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors , erfolgt eine Auswertung der im Frequenzspektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulsen und deren Amplitude A, sowie eine Mittelwertbildung der im zur Auswertung bestimmten Frequenzband fs (der Bereich zwischen den gestrichelten Linien) enthaltenen Impulse a, b, c, d, e. After detecting the electromagnetic spectrum emitted by the parasitic antenna 3, triggered by sparking in the rolling bearing 2 over a defined period of time t during operation of the electric motor, an evaluation of the number N of electromagnetic pulses and their amplitude A, obtained in the frequency spectrum, takes place averaging the pulses a, b, c, d, e contained in the frequency band f s (the range between the dashed lines) for the evaluation.
Durch Erfassen der Änderung des Mittelwertes der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse a, b, c, d, e im besagten Frequenzband fs und/oder deren Amplitude A über eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während dem Betrieb des Elektromotors, kann aus der Änderungsrate ein Rückschluss auf den Lagerzustand getroffen werden. By detecting the change in the mean value of the number N of electromagnetic pulses a, b, c, d, e in said frequency band f s and / or their amplitude A over a plurality of successive times During operation of the electric motor, a conclusion on the storage condition can be made from the rate of change.
Insbesondere kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die Mittelwerte zu den jeweiligen Erfassungszeitpunkten über die Zeit aufgetragen werden. Daraus ergibt sich eine, wie in der Figur 3 gezeigte, nichtlineare Kurve, da die Änderungsrate mit der Zeit zunimmt. So ist die Änderung der Zunahme vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 geringer, als die nachfolgende Änderung über das jeweils gleiche Zeitintervall, da dort die Lagerschäden weiter nichtlinear zunehmen. In den Figuren 1 bis 3 sind ferner lediglich beispielhaft Grenzwerte eingezeichnet, nämlich der erste Grenzwert GWr und der zweite Grenzwert GWm, wobei der erste Grenzwert einen Zustand definieren soll, bei dem die zu erwartende Restlebensdauer einem definierten Wert entspricht, der sich aus der bisherigen Änderungsrate und der Betriebs- zeit errechnet, bei der sich die Änderungsrate beim Erreichen des Zeitpunkts des ersten Grenzwertes ergibt. In particular, it can be provided in one exemplary embodiment that the average values are plotted over the time at the respective acquisition times. This results in a nonlinear curve, as shown in FIG. 3, since the rate of change increases with time. Thus, the change in the increase from the time t1 to the time t2 is less than the subsequent change over the same time interval, since there the bearing damage continues to increase non-linearly. In the figures 1 to 3 limit values are also merely exemplified, namely the first limit GWr and the second limit GWm, the first limit is to define a state in which the expected remaining life corresponds to a defined value, resulting from the previous rate of change and the operating time at which the rate of change results when the time of the first limit value is reached.
In der Figur 4 ist ergänzend ein Display 8 zur Anzeige eines Spektrums 9, welches von der Lagerüberwachungseinrichtung 5 ermittelt wurde, gezeigt, um die Ergebnisse für eine Person auch grafisch darstellen zu können und ggf. Signale, Warnungen oder dergleichen auf einfache Weise für einen Verwender des Motors sichtbar zu machen. Vorteilhaft ist es, wenn die Lagerüberwachungseinrichtung 5 bereits integraler Bestandteil der Motorelektronik ist. FIG. 4 additionally shows a display 8 for displaying a spectrum 9, which was determined by the bearing monitoring device 5, in order to be able to display the results for a person graphically and possibly signals, warnings or the like in a simple manner for a user of the engine. It is advantageous if the bearing monitoring device 5 is already an integral part of the engine electronics.
* * * * * * * * * *

Claims

Ansprüche  claims
Verfahren zur Überwachung eines Wälzlagers (2) eines elektrischen Motors (1), wobei das Wälzlager (2) eine kapazitive parasitäre Antenne (3) ausbildet, mit den folgenden Schritten: Method for monitoring a rolling bearing (2) of an electric motor (1), wherein the rolling bearing (2) forms a capacitive parasitic antenna (3), comprising the following steps:
a. Erfassen des von der parasitären Antenne (3) emittieren elektromagnetischen Spektrums (9) ausgelöst durch Funkenbildung im Wälzlager  a. Detecting the electromagnetic spectrum (9) emitted by the parasitic antenna (3) triggered by sparking in the rolling bearing
(2) über einen jeweils definierten Zeitraum t beim Betrieb des Elektromotors (1); (2) over a defined period t during operation of the electric motor (1);
b. Auswertung der im Spektrum erhaltenen Anzahl N an elektromagnetischen Impulsen (a, b, c, d, e) und deren Amplitude A; c. Erfassen der Änderung der Anzahl N der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) und/oder deren Amplitude A und d. Bestimmen, ob die Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplituden A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) mit der Zeit nichtlinear zunimmt.  b. Evaluation of the number N of electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) obtained in the spectrum and their amplitude A; c. Detecting the change in the number N of electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) and / or their amplitude A and d. Determining whether the increase in the number N and / or the amplitudes A of the electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) increases non-linearly with time.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Zunahme der Anzahl N und/oder der Amplitude A der elektromagnetischen Impulse (a, b, c, d, e) in Schritt d) ein Mittelwert der Amplituden A gebildet wird und die Veränderung des Mittelwertes zur Feststellung des Lagerzustandes verwendet wird. A method according to claim 1, characterized in that for determining the increase in the number N and / or the amplitude A of the electromagnetic pulses (a, b, c, d, e) in step d) an average of the amplitudes A is formed and the change the average value is used to determine the storage condition.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung eine gewichtete Mittelwertbildung ist. 3. The method according to claim 2, characterized in that the averaging is a weighted averaging.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Veränderung des Mittelwertes als Änderungsrate in der Form eines zeitlichen Differentials ermittelt und dann analysiert wird, ob die Veränderungsrate nichtlinear zunimmt. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the increase in the change of the mean value is determined as a rate of change in the form of a time differential and then analyzed whether the rate of change increases non-linearly.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Änderungsrate mit Referenzdaten, vorzugsweise mit wenigstens einem vorbestimmten maximalen Grenzwert (GWm) verglichen und zumindest beim Überschreiten des Grenzwertes (GWm) ein Signal erzeugt wird. Method according to one of Claims 3 or 4, characterized in that the determined rate of change is compared with reference data, preferably with at least one predetermined maximum limit value (GWm), and a signal is generated at least when the limit value (GWm) is exceeded.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Änderungsrate mit wenigstens einem zweiten vorbestimmten Grenzwert (GWr) verglichen wird, der geringer ist als der maximale Grenzwert (GWm) und beim Überschreiten des zweiten Grenzwertes (GWr) ein Signal erzeugt wird. A method according to claim 5, characterized in that the determined rate of change is compared with at least a second predetermined limit value (GWr) which is less than the maximum limit value (GWm) and when the second limit value (GWr) is exceeded, a signal is generated.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die elektromagnetischen Impulse innerhalb eines ausgewählten schmalen Frequenzbandes fs innerhalb des breit- bandigen Frequenzbandes der emittierten elektromagnetischen Wellen erfasst werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that only the electromagnetic pulses are detected within a selected narrow frequency band f s within the broadband frequency band of the emitted electromagnetic waves.
Elektromotor (1 ) mit wenigstens einem Wälzlager, dessen Zustand über eine Lagerüberwachungseinrichtung überwacht wird, wobei der Elektromotor ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Electric motor (1) with at least one rolling bearing whose state is monitored by a bearing monitoring device, wherein the electric motor is designed for carrying out the method according to one of claims 1 to 7.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zur Erfassung der elektromagnetischen Impulse eine im Motor integrierte Empfangsantenne verwendet. Electric motor according to claim 8, characterized in that the electric motor for detecting the electromagnetic pulses uses a built-in motor receiving antenna.
10. Elektromotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wälzlager vorgesehen sind, dessen Zustand über die Überwachungseinrichtung überwacht wird, wobei einzelne parasitären Antennen der Wälzlager jeweils mit einem induktiven und/oder kapazitiven Blindwiderstand versehen sind, um die jeweilige parasitäre Antenne in seiner Resonanzfrequenz zu verstimmen. 10. Electric motor according to claim 8 or 9, characterized in that a plurality of rolling bearings are provided, whose state is monitored by the monitoring device, wherein individual parasitic antennas of the rolling bearings are each provided with an inductive and / or capacitive reactance to the respective parasitic antenna in to detune its resonance frequency.
1 1 . Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektromagnetischen Wellen im oder am Elektromotor integral vorgesehen ist. 1 1. Electric motor according to one of claims 8 to 10, characterized in that an evaluation device for evaluating the electromagnetic waves in or on the electric motor is integrally provided.
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