EP4153955A1 - Verfahren zum bestimmen eines schwingungsverhaltens eines elektromotors und/oder dessen einbauumgebung, sowie entsprechender elektromotor und ventilator - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines schwingungsverhaltens eines elektromotors und/oder dessen einbauumgebung, sowie entsprechender elektromotor und ventilator

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Publication number
EP4153955A1
EP4153955A1 EP22731986.0A EP22731986A EP4153955A1 EP 4153955 A1 EP4153955 A1 EP 4153955A1 EP 22731986 A EP22731986 A EP 22731986A EP 4153955 A1 EP4153955 A1 EP 4153955A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
vibration
braking
equal
rotor
Prior art date
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Pending
Application number
EP22731986.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik SCHUEBEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ziehl Abegg SE
Original Assignee
Ziehl Abegg SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Ziehl Abegg SE filed Critical Ziehl Abegg SE
Publication of EP4153955A1 publication Critical patent/EP4153955A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/025—Measuring arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00—Measuring resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P29/50—Reduction of harmonics
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
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    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/22—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by short-circuit or resistive braking
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2209/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to systems for cooling or ventilating

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a vibration behavior of an electric motor, in particular an electric motor of a fan, and/or its installation environment, and an electric motor, a fan and a system, which are preferably each designed to carry out the method.
  • vibrations When an electric motor is operated - regardless of whether it is operated properly or improperly - vibrations are excited. These vibrations can originate from the electric motor itself and/or be excited by a load driven by the electric motor (e.g. an impeller of a fan) and/or by an installation environment of the electric motor.
  • harmonic excitations e.g. due to unbalance
  • stochastic excitations e.g. due to noise
  • impulse-like excitations e.g. due to impacts or impact sequences
  • Electric motors are therefore known in which sensors for detecting vibrations are installed. Such an electric motor is described, for example, in DE 102018211 838 A1 and in DE 102018211 846 A1.
  • the detection of resonance points requires the scanning of vibrations of the electric motor.
  • this scanning usually takes place during a run-up or a run-down.
  • ramping up the fan is accelerated from a minimum speed (usually when the fan is at a standstill) to a maximum speed within a specified time, ideally with a linear speed ramp.
  • decelerating the speed is reduced from a non-zero starting speed (usually maximum speed) to a minimum speed.
  • the vibrations of the electric motor are recorded and evaluated as a function of the speed. Reference is made, for example, to DE 202019 101 262 U1 and DE 102018211 850 A1 for such a detection of a vibration behavior.
  • a detected vibration value exceeds a predefined limit value, for example 7 millimeters/second (RMS - Root Mean Square) or 9 millimeters/second (RMS), it is concluded that a resonance point is present.
  • a predefined limit value for example 7 millimeters/second (RMS - Root Mean Square) or 9 millimeters/second (RMS)
  • limit values are often defined in standards or other regulations, for example IS014694. All speeds at which this limit value is exceeded can be recorded as "forbidden" speeds and - as far as possible - skipped or quickly exceeded during subsequent operation.
  • the present invention is based on the object of designing and developing a method, an electric motor, a fan and a system of the type mentioned at the outset in such a way that a vibration behavior of the electric motor and/or its installation environment can be determined using simple means and, if possible, without time-consuming measuring methods
  • the electric motor in question comprises: a rotor which is mounted so that it can rotate about an axis/shaft, a jerk generation device for generating a jerk by triggering a braking process or an acceleration process or by changing a braking process or an acceleration process, a vibration sensor, which is designed to detect vibrations of at least part of the electric motor and to generate detected vibration values, an analysis unit, which is determining spectral components of the detected vibration values, and an evaluation unit, which is designed to evaluate the vibration behavior by evaluating the spectral components.
  • the fan in question comprises an impeller and an electric motor according to the invention, the impeller being coupled to a rotor of the electric motor.
  • the system comprises an installation environment and a drive, the drive comprising an electric motor according to the invention and/or a fan according to the invention, the installation environment interacting with the drive and the drive being designed to withstand both vibrations of the drive and vibrations of the installation environment to capture and evaluate.
  • a “jerk” is generated, which is caused by a braking or acceleration process or by changing a braking or acceleration process.
  • the "jerk” can also be referred to as a "brake shock", in the case of an acceleration process as an “acceleration shock”.
  • the jerk is triggered by suitable control/regulation of the rotational movement of the rotor.
  • a jolt is generated by initiating a “deceleration shock” or an “acceleration shock”. This is done by a braking process, an acceleration process, a change in a braking process or a change in an acceleration process. Vibrations caused by the "braking shock” or the “acceleration shock” are recorded with a vibration sensor and the vibration values thus generated are subjected to a frequency analysis. As a result, whoever determines the spectral components that can be evaluated for determining the vibration behavior of the electric motor and/or its installation environment.
  • An electric motor includes a rotor, a jerk generating device, a vibration sensor, an analysis unit and an evaluation unit.
  • the rotor is rotatably mounted about an axis or shaft.
  • the jerk-generating device can trigger or change a braking process or trigger or change an acceleration process.
  • the vibration sensor can detect vibrations of at least part of the electric motor and generate vibration values detected therefrom.
  • the analysis unit can determine spectral components of the detected vibration values, which are evaluated by the evaluation unit. Additional units can also be present, for example analog-to-digital converters for digitally converting sensor signals from the vibration sensor, integrators/differentiators for converting them into a different vibration variable, or bandpass filters for filtering the vibration values.
  • the present disclosure may be used with a wide variety of electric motors and loads driven by the electric motor. As long as a jolt can be generated that sufficiently stimulates the electric motor and the installation environment of the electric motor to vibrate, this electric motor can be used in connection with the present disclosure.
  • the electric motor should not usually be too small for this. Such an electric motor should usually have an output of several hundred watts, preferably a few kilowatts or more. In particular when using an “acceleration shock”, it can also be advisable if the rotor and/or a load driven by the rotor has a sufficiently large moment of inertia.
  • the electric motor itself can be designed as an electronically commutated motor.
  • An impeller can be used as the load of the electric motor, the impeller being coupled to the rotor of the electric motor and the electric motor thus being part of a fan.
  • the fan can be designed in a wide variety of ways. Examples include axial fans or radial fans.
  • the term "installation environment" can describe everything with which the electric motor interacts in terms of vibration. This means that the installation environment can transmit vibrations to the electric motor and the electric motor vibrations to the installation environment.
  • the installation environment can, for example, be a bracket for the electric motor, a part of a system that encompasses the electric motor send equipment, an outer housing, a load driven by the electric motor and / or the like.
  • vibration sensor can also be designed in various ways, as long as this vibration sensor is able to detect vibrations from at least part of the electric motor. Various techniques can be used for this.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the "jerking device” can be designed in various ways. It can be present as a dedicated unit or be formed by another component of the electric motor. If the jerk generating unit is intended to produce an "acceleration shock", the jerk generating unit can be formed, for example, by the actual drive of the electric motor, i.e. a stator and the rotor interacting with it.
  • the transition from constant acceleration (to a certain speed or operating point) to constant operating conditions can be used.
  • an acceleration from an initial speed to a final speed can also be used, it being possible for a standstill of the rotor or a speed not equal to zero to be used as the initial speed.
  • the acceleration time should not be too long. Acceleration times of less than or equal to 10 seconds, preferably less than or equal to 5 seconds, and particularly preferably less than or equal to 3 seconds should be appropriate.
  • the jerk-generating unit is intended to cause a “brake shock”, it can be formed by a “braking device”.
  • a “brake device” can be implemented in a wide variety of ways. It is important that the braking device is able to brake the rotor of the electric motor in a targeted manner. How specifically this is done is secondary.
  • the braking device is formed by a mechanical brake, with which rotational energy is converted into heat through friction.
  • the braking device is formed by an electric brake, with which the rotor is braked by means of magnetic fields. This can be done, for example, using suitable fields in the stator and/or by generating a current in the rotor. The latter can occur as a result of electrical resistance in the rotor windings and even a short circuit, with the flow of current being driven by a voltage that is induced in a stator magnetic field by the rotational movement of the rotor.
  • the jolt is triggered by a braking process
  • the generation of a jolt includes bringing the rotor to an initial speed and triggering a braking process to reduce a speed of the rotor from the initial speed over a braking time to a final speed.
  • a "brake shock" can be generated particularly effectively.
  • a wide range of rotor speeds can be used as the “initial speed”, as long as the initial speed is sufficiently different from zero to trigger a “brake shock” during a braking process.
  • the initial speed can in principle be the rated speed of the electric motor. In most cases, however, initial speeds that are well below the nominal speed or the maximum speed will be sufficient.
  • the "final speed” can be formed by a wide variety of speeds. It is essential that the final speed is lower than the initial speed and that a sufficient "brake shock" is produced during the braking process. It can also make sense if there are no vibrations or at most small vibrations at the final speed as a result of the rotor still rotating. A standstill of the rotor - i.e. with a speed equal to or close to zero - can be used as the final speed.
  • the "braking time” should be defined depending on the electric motor used, the initial speed and/or the final speed. Here, too, it is important that the braking process is short enough to generate a sufficient "brake shock". At the same time, the braking time should not be too short in order not to have to deal with massive mechanical loads caused by the braking process. Braking times that are in the range of a few seconds can therefore be appropriate.
  • the “bringing to the initial speed” can take place in that the rotor is explicitly accelerated to the initial speed in a test mode or, if necessary, braked.
  • the method can be used at the beginning of a pause in operation of the electric motor. In this case, the initial speed can be brought to a standstill by coasting down or “soft” braking of the rotor, and when the initial speed is reached the actual braking process of the process can be triggered with a “brake shock”.
  • one or more points of resonance are determined and their criticality is evaluated. In this way, an important part of the vibration behavior can be determined.
  • a wide variety of methods known from practice can be used here.
  • the presence of a resonance point is decided if a spectral component exceeds a predetermined limit value.
  • the presence of a resonance point is decided if detected vibrations are dominated by an order of an evaluation frequency. Such a method is described in German patent application 102021 203932.4.
  • At least one vibration shape is determined, with the at least one vibration shape including, for example, tilting, wobbling, torsion and/or axial pumping.
  • a deflection shape describes how the electric motor and/or its installation environment specifically vibrates. In this way, various conclusions can be drawn that can be important for the operation of the electric motor. Tilting describes whether and how the electric motor tilts about an axis.
  • a wobble describes how a rotation axis of the rotor changes.
  • a tilting pen and wobbling can be expressed in first orders of vibration.
  • a torsion describes how the electric motor twists about an axis, usually the motor axis/motor shaft, or relative to add-on parts (e.g.
  • Axial surge may depend on the load being driven.
  • Axial fan can have axial pumping depending on the number of blades. It can be seen that the determination of a deflection shape allows the vibration behavior to be further specified.
  • the jerk and the generation of detected vibration values are synchronized, the synchronization preferably being performed by motor electronics of the electric motor and/or by detecting a peak in a sensor signal of the at least one vibration sensor. Synchronization allows more targeted processing of the recorded vibration values.
  • the use of engine electronics for synchronization is particularly useful when parts of the units used here, for example the analysis unit or the evaluation unit, are implemented in the engine electronics and/or the engine electronics controls the braking process.
  • a detection of peaks is possible in particular because the triggering of the braking process can cause clear vibration peaks that are easily recognizable in the detected vibration values.
  • other events can also cause a vibration peak, for example when the rotor comes to a standstill.
  • the vibrations of at least part of the electric motor are detected along at least one axis, preferably along several axes, the at least one axis or one of the several axes preferably being arranged parallel to an axis of rotation of the rotor.
  • the vibrations can be recorded particularly effectively and comprehensively. If there are several axes, they can be perpendicular to one another.
  • the vibration sensor can measure along three axes that are perpendicular to one another in pairs and in which one axis is parallel to the motor axis/motor shaft.
  • rapid braking preferably short-circuit braking
  • Rapid braking enables the rotor to be braked quickly and yet in a controlled manner.
  • Short-circuit braking enables a very high braking shock.
  • the generation of recorded vibration values is started when the braking process is triggered and/or when the final speed is reached. A start when the braking process is triggered enables the use of the braking peak. Starting when the final speed is reached enables a peak to be used at the end of the braking process, which means that the vibrations recorded should no longer be influenced by the rotational movement of the rotor.
  • the vibrations can also be measured continuously and/or vibration values can be buffered in an intermediate memory. In this way, the recorded vibration values can also be recorded shortly before the braking process is triggered or before the final speed is reached.
  • the initial speed is greater than or equal to 100 revolutions per minute, preferably greater than or equal to 200 revolutions per minute and/or the initial speed is less than or equal to 30% of the nominal speed of the electric motor, preferably less than or equal to 20% of the nominal speed of the electric motor, particularly preferably less than or equal to 10% of the rated speed of the electric motor.
  • an initial speed of 100 rpm is sufficient for determining the vibration behavior.
  • the brake shock is even more pronounced.
  • An initial speed of less than or equal to 30% of the nominal speed enables the process to be carried out quickly with a simultaneous pronounced braking shock, since the initial speed can be quickly approached from the standstill of the rotor.
  • the rotor is brought up to the initial speed even more quickly.
  • the process is processed particularly quickly and a sufficiently strong braking shock is still possible.
  • the final speed is less than or equal to 50 revolutions per minute, preferably less than or equal to 25 revolutions per minute, particularly preferably 0.
  • the vibrations are practically no longer caused by the remaining rotational movement of the rotor is affected.
  • the remaining rotary movement has an even smaller influence.
  • a final speed of 0 excludes an influence of the Rotational movement and also enables the use of a standstill peak in the vibration values.
  • the braking time is selected to be less than or equal to 10 seconds, preferably less than or equal to 5 seconds, particularly preferably less than or equal to 3 seconds. It should be pointed out that the braking time is not a rigid requirement for the braking process that has to be set, for example, by controlling the braking force. Rather, it is sufficient if the braking process is completed approximately within the braking time.
  • the braking time can usually be estimated well by specifying the braking, especially since moments of inertia, braking forces and other variables influencing the braking time are usually known or can be estimated.
  • a Fourier transformation preferably an FFT—Fast Fourier Transform—and/or a Görtzel algorithm is used to generate spectral components.
  • a Fourier transformation or FFT offers the advantage that extensive knowledge about spectral components can be obtained.
  • the Görtzel algorithm enables the spectral components to be determined particularly efficiently. This is particularly advantageous if there is prior knowledge of potentially existing vibrations and/or resonance points.
  • the vibration sensor is integrated in the electric motor or is arranged on an outside of a housing of the electric motor and/or in an electronics housing of the electric motor.
  • the integration of the vibration sensor in the electric motor offers the advantage that the vibrations can be recorded very well and in a well-defined manner. Furthermore, a temporal synchronization between triggering the braking process and detecting the vibrations can be simplified.
  • a vibration sensor on an outside of the motor housing in particular offers good retrofitting options for existing electric motors.
  • the use of an electronics housing offers the advantage that the electronics and/or energy supply present in the electronics housing can also be used.
  • a microcontroller of the electronics can be used for this be to process software for implementing the analysis unit or the evaluation unit.
  • an analog-to-digital converter on the microcontroller can be used to digitize sensor signals from the vibration sensor.
  • the electric motor includes motor electronics that control the electric motor during its operation, the motor electronics using a determined vibration behavior to control the electric motor and preferably avoiding speeds of the electric motor with unfavorable vibration behavior.
  • the specific vibration behavior can improve the operation of the electric motor.
  • Speeds with unfavorable vibration behavior can result from spectral components with unfavorable vibration behavior, with the speeds being able to be calculated from the spectral components multiplied by 60 and divided by the orders of the vibrations (multiples of a fundamental frequency).
  • the motor electronics can also control and/or regulate the braking process.
  • FIG. 2 is a flow chart of steps of an embodiment of a method according to the present disclosure.
  • FIG. 3 shows a diagram with exemplary time data of detected vibration values along a z-axis and 4 shows a diagram with a frequency evaluation of the time data according to FIG.
  • FIG. 1 shows a section through a stator 2 of an exemplary embodiment of an electric motor 1 according to the present disclosure.
  • a bearing tube 4 is formed, at the longitudinal ends of which a bearing receiving area 5 is formed.
  • bearing receiving areas 5 are not included bearings provided, via which a shaft of the electric motor, also not shown, is rotatably mounted.
  • a stator bushing 6 is formed by an Alumi nium component, at one end of which the bearing tube 4 and at the end of which an electronics housing 7 is formed out for accommodating engine electronics.
  • the motor electronics generates feed signals and outputs them to the stator and/or rotor windings. From the motor electronics is shown only one printed circuit board 8 for the sake of clarity.
  • a vibration sensor 9 is arranged on the printed circuit board 8 .
  • the printed circuit board 8 is embedded in a potting compound 10, 11, with the potting compound 10, 11 being connected to the edge area of the circuit board 8.
  • the potting compound 10 acts as a coupling element and transmits vibrations from the stator bushing 6 to the circuit board 10 and thus to the vibration sensor 9.
  • Another coupling element is a screw 12, which is screwed into a bore 13 in the electronics housing 7.
  • the vibration sensor 9 can be arranged in an electric motor and detect vibrations of at least a part of the electric motor. Such an electric motor can be used in the method disclosed here.
  • FIG. 2 shows a flowchart of an embodiment of a method according to the present disclosure, a “brake shock” being triggered in this embodiment.
  • step S1 the rotor is brought to an initial speed. This initial speed is 200 revolutions per minute, for example.
  • step S2 a braking process is triggered, the rotor of the elec romotors from the initial speed to a final speed - brakes tor - here standstill of the Ro.
  • vibrations of at least part of the electric motor are detected by means of a vibration sensor and detected vibration values are generated.
  • the vibration sensor 9 of the electric motor according to FIG. 1 can be used.
  • step S4 spectral components are determined by subjecting the recorded vibration values to a frequency analysis, for example an FFT.
  • step S5 the vibration behavior of the electric motor and/or its installation environment is determined. For this purpose, the determined spectral components are evaluated.
  • FIG. 3 shows an exemplary curve of a time signal of a vibration sensor, with an acceleration value (in m/s 2 ) for a vibration parallel to the motor axis/motor shaft being shown over time (in seconds).
  • vibration values are measured that result from the rotary motion of the electric motor at the initial speed.
  • time t ß - after about 2.3 seconds in the time scale shown - a braking process is triggered, which leads to egg nem braking peak 14.
  • the rotor is braked so that the rotor comes to a standstill at time ts - at approx. 3.7 seconds.
  • the standstill leads to a standstill peak 15.
  • the vibration values from the standstill peak 15 are recorded and evaluated, for example.
  • FIG. 4 shows spectral components of the time signal according to FIG. 3 from the standstill peak 15.
  • An amplitude of the spectral component (in m/s 2 ) is plotted against the frequency (in Hertz). It can be seen that, in addition to a peak at a frequency of 0 Hertz, three clear peaks are formed: at approx. 27 Hertz, at approx. 35 Hertz and at approx. 58 Hertz. From this, potential resonance points can be determined. If it is assumed that each resonance point is a first-order resonance point, this results in theoretical critical speeds at 1620 revolutions per minute, 2100 revolutions per minute and 3480 revolutions per minute.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors (1), 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 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 (9), • 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. Des Weiteren ist ein entsprechender Elektromotor (1), ein Ventilator und ein System offenbart, die jeweils zum Ausführen des Verfahrens ausgebildet sein können.

Description

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN EINES SCHWINGUNGSVERHAL TENS EINES ELEKTROMOTORS UND/ODER DESSEN EINBAU UMGEBUNG, SOWIE ENTSPRECHENDER ELEKTROMOTOR UND
VENTILATOR
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 aus gebildet sind.
Bei dem Betrieb eines Elektromotors - egal ob sachgemäßer oder unsachgemä ßer 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 Anre gungen (beispielsweise durch Rauschen) oder impulsartige Anregungen (bei spielsweise 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 erhöh te Geräuschentwicklung oder durch Beeinträchtigung der Lebensdauer des Elekt romotors, wird versucht, den Betrieb des Elektromotors bei Resonanzen hervorru fenden Drehzahlen möglichst zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch schnelles Überfahren dieser Drehzahlen und/oder durch Nichtzulassen des Be triebs 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 vermes sen. 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 häu fig nicht ausreichend. Daher sind Elektromotoren bekannt, in die Sensorik zur Schwingungserfassung eingebaut sind. Ein derartiger Elektromotor ist beispiels weise in der DE 102018211 838 A1 und in der DE 102018211 846 A1 beschrie ben.
Das Erkennen von Resonanzstellen erfordert die Abtastung von Schwingungen des Elektromotors. Insbesondere bei Ventilatoren erfolgt diese Abtastung übli cherweise 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, idealer weise mit linearer Drehzahlrampe. Bei einem Herunterlauf wird die Drehzahl von einer Startdrehzahl ungleich null (meist Maximaldrehzahl) zu einer Mindestdreh zahl 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 202019 101 262 U1 und die DE 102018211 850 A1 verwiesen.
Wenn ein erfasster Schwingungswert einen vordefinierten Grenzwert überschrei tet, beispielsweise 7 Millimeter/Sekunde (RMS - Root Mean Square) oder 9 Milli meter/Sekunde (RMS), wird auf das Vorliegen einer Resonanzstelle geschlossen. Derartige Grenzwerte sind häufig in Normen oder anderen Regelwerken definiert, beispielsweise IS014694. Alle Drehzahlen, bei denen dieser Grenzwert über schritten ist, können als „verbotene“ Drehzahlen erfasst und bei einem nachfol genden 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 Inbetriebnah- me 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 Anpas sungen oder Erweiterung der Anlage oder Wartung. In solchen Fällen ist es zu mindest gelegentlich erforderlich, einen erneuten Testlauf durchzuführen. Insbe sondere bei Elektromotoren, die in einem Dauerbetrieb eingesetzt sind, werden dadurch zusätzliche Wartungsfenster erforderlich, was zu erheblichen Kosten füh ren 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 Elektro motors und/oder dessen Einbauumgebung mit einfachen Mitteln und möglichst ohne zeitaufwändige Messverfahren bestimmt werden kann
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des An spruchs 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 Schwin gungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels mindestens eines Schwingungssensors,
Bestimmen von spektralen Anteilen durch eine Frequenzanalyse der erfass ten Schwingungswerte und
Bestimmen eines Schwingungsverhaltens des Elektromotors durch Auswer ten der spektralen Anteile.
Hinsichtlich eines Elektromotors ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkma le des nebengeordneten Anspruchs 13 gelöst. Danach umfasst der in Rede ste hende Elektromotor: einen Rotor, der um eine Achse/Welle drehbar gelagert ist, eine Ruckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Rucks durch Auslö sen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Än dern 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 er fassten 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 ausge bildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Einbau umgebung zu erfassen und zu bewerten.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass sich das Schwin gungsverhalten 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 ei nen 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 „Be schleunigungsschock“ 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 Sys tems aus Elektromotor und Einbauumgebung erreicht werden, die dem Anschlä gen einer Stimmgabel nicht unähnlich ist. Beim Anschlägen 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 unmit telbar nach einem „Bremsschock“ auf das Schwingungsverhalten der Einbauum gebung 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 Schwingun gen 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 Schwin gungen werden mit einem Schwingungssensor erfasst und die dadurch erzeugten erfassten Schwingungswerte einer Frequenzanalyse unterworfen. Dadurch wer den spektrale Anteile bestimmt, die für das Bestimmen des Schwingungsverhal tens 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 Schwingungs sensor 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 Auswerteein heit ausgewertet werden. Zudem können weitere Einheiten vorhanden sein, bei spielsweise 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 an regt, kann dieser Elektromotor im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenba rung 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 Träg heitsmoment 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 umfas- senden 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 (Mik- ro-Elektro-Mechanisches 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 „Beschleuni gungsschock 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 „Beschleunigungs schocks“ 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 ausrei chend ausgeprägten „Beschleunigungsschock“ auszulösen, sollte die Beschleuni gungszeit nicht zu lang gewählt sein. Es dürften sich Beschleunigungszeiten klei ner oder gleich 10 Sekunden, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Sekunden, be sonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 3 Sekunden anbieten.
Wenn die Ruckerzeugungseinheit einen „Bremsschock“ hervorrufen soll, kann diese durch eine „Bremseinrichtung“ gebildet sein. Eine derartige „Bremseinrich tung“ kann auf verschiedenste Weise realisiert sein. Wichtig ist, dass die Brems einrichtung in der Lage ist, den Rotor des Elektromotors gezielt abzubremsen. Wie konkret dies erfolgt, ist zweitrangig. In einer Ausgestaltung ist die Bremseinrich tung 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 ange trieben 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 Anfangsdreh zahl und ein Auslösen eines Bremsvorgangs zum Reduzieren einer Drehzahl des Rotors von der Anfangsdrehzahl über eine Bremszeit hinweg zu einer Enddreh zahl. Auf diese Weise kann besonders effektiv ein „Bremsschock“ erzeugt werden.
Als „Anfangsdrehzahl“ können die verschiedensten Drehzahlen des Rotors ge nutzt 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 meis ten 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 ent stehen. 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 An fangsdrehzahl 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 massi ven mechanischen Belastungen durch den Bremsvorgang handhaben zu müssen. Daher können sich Bremszeiten anbieten, die im Bereich weniger Sekunden lie gen. 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. Hier bei können prinzipiell verschiedenste, aus der Praxis bekannte Verfahren genutzt werden. In einer Weiterbildung wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle ent schieden wird, wenn ein spektraler Anteil einen vorgegebenen Grenzwert über schreitet. In einer anderen Weiterbildung wird für das Vorliegen einer Resonanz stelle entschieden, wenn erfasste Schwingungen durch eine Ordnung einer Be wertungsfrequenz dominiert werden. Ein derartiges Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung 102021 203932.4 beschrieben.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens min destens eine Schwingform ermittelt, wobei die mindestens eine Schwingform bei spielsweise 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 Tau meln beschreibt, wie sich eine Rotationsachse des Rotors verändert. Ein Verkip pen 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 Schwingungsver halten 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 Schwin gungssensors. Eine Synchronisierung erlaubt ein gezielteres Verarbeiten der er fassten Schwingungswerte. Die Nutzung einer Motorelektronik für die Synchroni sation bietet sich insbesondere dann an, wenn Teile der vorliegend genutzten Ein heiten, beispielsweise die Analyseeinheit oder die Auswerteeinheit, in der Motor elektronik 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 Ereig nisse können einen Schwingungspeak verursachen, beispielsweise, wenn der Ro tor zum Stillstand kommt.
In einer Ausgestaltung werden die Schwingungen zumindest eines Teils des Elekt romotors entlang mindestens einer Achse, vorzugsweise entlang mehrerer Achsen erfasst, wobei die mindestens eine Achse oder eine der mehreren Achsen vor zugsweise parallel zu einer Drehachse des Rotors angeordnet ist. Auf diese Wei se 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 Motorach se/Motorwelle ist.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Bremsvorgang eine Schnellbremsung, vor zugsweise eine Kurzschlussbremsung durchgeführt. Eine Schnellbremsung er möglicht 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 Brems vorgangs oder vor Erreichen der Enddrehzahl erfasst werden.
In einer Ausgestaltung ist die Anfangsdrehzahl größer oder gleich 100 Umdrehun gen 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 Elekt romotors, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 10% der Nenndreh zahl des Elektromotors. In vielen Fällen ist eine Anfangsdrehzahl von 100 Umdre hungen 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 Nenndreh zahl ermöglicht eine zügige Durchführung des Verfahrens bei gleichzeitig ausge prägtem 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 Ver fahren 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, beson ders 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 ei nen 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, vor zugsweise kleiner oder gleich 5 Sekunden, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 3 Sekunden gewählt. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Brems zeit 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. Üblicher weise 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 Vor kenntnisse 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 Schwin gungssensors in den Elektromotor bietet den Vorteil, dass die Schwingungen sehr gut und wohl definiert erfasst werden können. Ferner kann eine zeitliche Synchro nisation 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 Elekt ronikgehäuse vorhandene Elektronik und/oder Energieversorgung mitgenutzt wer den kann. So kann beispielsweise ein Mikrocontroller der Elektronik dazu genutzt werden, eine Software zum Implementieren der Analyseeinheit oder der Auswer teeinheit abzuarbeiten. Gleichzeitig kann ein Analog-Digital-Wandler des Mikro controllers genutzt werden, um Sensorsignale des Schwingungssensors zu digita lisieren.
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 Schwin gungsverhalten vermeidet. Auf diese Weise kann das bestimmte Schwingungs verhalten den Betrieb des Elektromotors verbessern. Dabei können sich Drehzah len mit ungünstigen Schwingungsverhalten aus spektralen Anteilen mit ungünsti gem Schwingungsverhalten ergeben, wobei die Drehzahlen aus den spektralen Anteilen multipliziert mit 60 und geteilt durch Ordnungen der Schwingungen (Viel fache 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 bevor zugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre er läutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Ver fahren gemäß der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 3 ein Diagramm mit beispielhaften Zeitdaten von erfassten Schwingungs werten entlang einer z-Achse und Fig. 4 ein Diagramm mit einer Frequenzauswertung der Zeitdaten nach Fig. 3.
Fig. 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 Lagerauf nahmebereich 5 ausgebildet ist. In die Lageraufnahmebereiche 5 sind nicht dar gestellte Lager aufgenommen, über die eine ebenso nicht dargestellte Welle des Elektromotors drehbar gelagert ist. Eine Statorbuchse 6 ist dabei durch ein Alumi nium-Bauteil gebildet, an dessen einen Ende das Lagerrohr 4 und an dessen an deren Ende ein Elektronikgehäuse 7 zur Aufnahme einer Motorelektronik ausge bildet ist. Die Motorelektronik erzeugt jeweils Speisesignale und gibt diese an die Stator- und/oder Rotorwicklungen aus. Von der Motorelektronik ist der Über sichtlichkeit 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 Lei terplatte 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 Kopplungs element ist eine Schraube 12 vorhanden, die in eine Bohrung 13 in dem Elektro nikgehäuse 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.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren ge mäß der vorliegenden Offenbarung, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein „Bremsschock“ ausgelöst wird. In Schritt S1 wird der Rotor auf eine Anfangsdreh zahl gebracht. Diese Anfangsdrehzahl ist beispielsweise 200 Umdrehungen pro Minute. In Schritt S2 wird ein Bremsvorgang ausgelöst, der den Rotor des Elekt romotors von der Anfangsdrehzahl auf eine Enddrehzahl - hier Stillstand des Ro tors - abbremst. In Schritt S3 werden Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors erfasst und erfasste Schwin gungswerte erzeugt. Hierbei kann der Schwingungssensor 9 des Elektromotors gemäß Fig. 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. Flierzu werden die bestimmten spektralen Anteile ausgewertet.
Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines Zeitsignals eines Schwingungssen sors, wobei ein Beschleunigungswert (in m/s2) für eine Schwingung parallel zu der Motorachse/Motorwelle über der Zeit (in Sekunden) dargestellt ist. Zu Beginn wer den Schwingungswerte gemessen, die durch die Drehbewegung des Elektromo tors bei der Anfangsdrehzahl herrühren. Zum Zeitpunkt tß - etwa nach 2,3 Sekun den in der dargestellten Zeitskala - wird ein Bremsvorgang ausgelöst, der zu ei nem 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 Bestim men des Schwingungsverhaltens werden beispielhaft die Schwingungswerte ab dem Stillstandpeak 15 erfasst und ausgewertet.
Fig. 4 zeigt spektrale Anteile des Zeitsignals nach Fig. 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 Umdrehun gen pro Minute. Bei einem Elektromotor, der beispielsweise mit maximal 2400 Umdrehungen pro Minute drehen kann, können allenfalls die beiden erstgenann ten Drehzahlwerte problematisch sein. Die dritte Resonanzstelle mag zwar beste hen, kann in einem praktischen Betrieb aber lediglich für eine Anregung höherer Ordnung relevant sein. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wie derholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen. Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschrie benen 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

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens eines Elektromo tors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Ein bauumgebung, wobei eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in ei nem 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.
2. 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.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens eine oder mehrere Resonanzstellen er mittelt und deren Kritikalität bewertet wird, wobei vorzugsweise für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn ein spektraler Anteil einen vorgege benen Grenzwert überschreitet und/oder wenn erfasste Schwingungen durch eine Ordnung einer Bewertungsfrequenz dominiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen des Schwingungsverhaltens mindestens eine Schwing- form ermittelt wird, wobei die mindestens eine Schwingform vorzugsweise Verkip pen, Taumeln, Torsion und/oder axiales Pumpen umfasst.
5. 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.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors entlang mindes tens 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.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bremsvorgang eine Schnellbremsung, vorzugsweise eine Kurz schlussbremsung durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen von erfassten Schwingungswerten bei Auslösen des Brems vorgangs und/oder Erreichen der Enddrehzahl gestartet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsdrehzahl größer oder gleich 100 Umdrehungen pro Minute, vor zugsweise 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, be sonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 10% der Nenndrehzahl des Elekt romotors ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Enddrehzahl kleiner oder gleich 50 Umdrehungen pro Minute, vorzugs- weise kleiner oder gleich 25 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugter Weise gleich 0 ist.
11. 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.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von spektralen Anteilen eine Fourier-Transformation, vor zugsweise eine FFT - Fast Fourier Transform -, und/oder ein Görtzel-Algorithmus genutzt wird.
13. Elektromotor, der vorzugsweise zum Ausführen eines Verfahren nach ei nem 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 Auslö sen eines Bremsvorgangs oder eines Beschleunigungsvorgangs oder durch Än dern 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 er fassten Schwingungswerte ausgebildet ist, und eine Auswerteeinheit, die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Auswerten der spektralen Anteile ausgebildet ist.
14. 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 Schwingungs sensor in einem Elektronikgehäuse des Elektromotors angeordnet ist.
15. Elektromotor nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Motor elektronik, die den Elektromotor während dessen Betrieb ansteuert, wobei die Mo torelektronik ein ermitteltes Schwingungsverhalten zum Ansteuern des Elektromo tors nutzt und dabei vorzugsweise Drehzahlen des Elektromotors mit ungünstigem Schwingungsverhalten vermeidet.
16. Ventilator, vorzugsweise ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend ein Laufrad und einen Elektromo tor nach 12 bis 14, wobei das Laufrad mit einem Rotor des Elektromotors gekop- pelt ist.
17. System mit einer Einbauumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und/odereinen Ventilator nach Anspruch 15 umfasst, wobei die Einbauumgebung mit dem Antrieb intera giert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des An triebs als auch Schwingungen der Einbauumgebung zu erfassen und zu bewerten.
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