EP4275028A1 - Verfahren zum bewerten eines schwingungsverhaltens eines elektromotors sowie entsprechender elektromotor und ventilator - Google Patents

Verfahren zum bewerten eines schwingungsverhaltens eines elektromotors sowie entsprechender elektromotor und ventilator

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Publication number
EP4275028A1
EP4275028A1 EP22718060.1A EP22718060A EP4275028A1 EP 4275028 A1 EP4275028 A1 EP 4275028A1 EP 22718060 A EP22718060 A EP 22718060A EP 4275028 A1 EP4275028 A1 EP 4275028A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
evaluation
vibration
vibrations
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22718060.1A
Other languages
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ziehl Abegg SE filed Critical Ziehl Abegg SE
Publication of EP4275028A1 publication Critical patent/EP4275028A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating a vibration behavior of an electric motor, in particular an electric motor of a fan, and/or its operating environment, as well as 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 may originate from the electric motor itself and/or be excited by a load driven by the electric motor (e.g. a fan impeller) and/or by an operating 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 sequences of impacts
  • Electric motors are therefore known in which sensors for detecting vibrations are installed. Such an electric motor is described, for example, in DE 10 2018 211 838 A1 and in DE 10 2018 211 846 A1.
  • the detection of resonance points requires the scanning of vibrations of the electric motor over at least parts of the possible operating speeds of the electric motor.
  • this sampling usually takes place during a run-up or a run-down.
  • 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.
  • 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 to DE 20 2019 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 are recorded as "forbidden" speeds and, if possible, skipped or quickly exceeded during subsequent operation.
  • the disadvantage of such an evaluation of the vibration behavior of the electric motor is that it has to be run up or run down. In application scenarios in which resonances are unchangeable, such a test run is sufficient when the electric motor is started up.
  • resonance points change, for example as a result of deposits or wear/aging or changes in the operating environment of the fan, for example due to adjustments or expansion of the system or maintenance.
  • the present invention is therefore 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 the vibration behavior of an electric motor can be evaluated flexibly and reliably, if possible with a load and/or operating environment. an assessment during ongoing operation of the electric motor is desirable.
  • the second evaluation measure is representative of the strength of the vibrations of the at least one part of the electric motor at the evaluation frequency, and Assessing the vibration behavior by comparing the first assessment criterion with the second assessment criterion.
  • the electric motor in question comprises: a vibration sensor, which is designed to detect vibrations of at least part of the electric motor and to generate detected vibration values, a first evaluation unit, which is used to determine a first
  • evaluation measure is designed, the first evaluation measure being representative of the strength of the vibrations of the at least one part of the electric motor, an analysis unit designed to determine a spectral component of the detected vibration values for an evaluation frequency, a second evaluation unit designed to determine a second
  • the second evaluation measure being representative of the strength of the vibrations of the at least one part of the electric motor at the evaluation frequency
  • an evaluation unit for evaluating the vibration behavior by comparing the first evaluation measure with the second evaluation measure is trained.
  • 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 in question comprises an operating environment and a drive, the drive comprising an electric motor and/or a fan according to the invention, the operating environment interacting with the drive and wherein the drive is designed to detect and evaluate both vibrations of the drive and vibrations of the operating environment.
  • first detected vibration values are generated by detecting vibrations of at least a part of the electric motor using a vibration sensor. This detection usually takes place over a detection time window.
  • a first assessment measure which is representative of the strength of the vibrations of the at least one part of the electric motor, is determined for the detected vibration values.
  • a spectral component for an evaluation frequency is determined from the recorded vibration values. This means that it is determined how large the proportion of the detected vibrations is at the evaluation frequency.
  • a second evaluation parameter is determined for the spectral component, which is representative of the strength of the vibrations of the at least one part of the electric motor at the evaluation frequency.
  • the comparison can be carried out using the relationship between the second evaluation measure and the first evaluation measure. When this ratio exceeds a threshold, the presence of a resonance site can be decided.
  • the method according to the present disclosure does not necessarily require a ramp-up or a ramp-down. Rather, a current operating state can be evaluated directly. This enables the condition of the electric motor to be checked during operation. Nevertheless, the method can also be used during acceleration or deceleration, in order to be able to obtain a comprehensive picture of the vibration behavior of the electric motor, for example.
  • the vibration behavior can be evaluated repeatedly, preferably periodically. For example, a new evaluation can be initiated after 15 minutes, an hour or a day. Changes in the electric motor, the load driven by the electric motor and/or its operating environment can be recognized and—if necessary—appropriate measures can be taken, particularly in the case of a repeated evaluation.
  • the acquisition time window can be chosen arbitrarily. However, it makes sense not to select the acquisition time window that is too narrow, so that the time window has a sufficiently small effect on the specific spectral component and the vibration signals are acquired sufficiently well.
  • the recording time window should not be too long, since changes, for example in the speed of the electric motor or in the operating environment, could falsify the recorded vibration values.
  • a dimensioning of the detection time window will depend on the respective application situation of the electric motor and its operating environment.
  • the detection time window is at least one period long of a harmonic oscillation signal wide.
  • the acquisition time window is several period lengths of a harmonic Oscillation signal wide, where it makes sense to choose the detection time window a maximum of 10 period lengths wide.
  • the evaluation frequency can also be selected relatively arbitrarily. It should be important here that resonances are also to be expected with a selected evaluation frequency. Very low evaluation frequencies, for example below 2 hertz, are likely to be just as unhelpful in many cases as very high evaluation frequencies, for example in the range of several kilohertz.
  • the evaluation frequency can be chosen relatively freely, or evaluation frequencies can be used in a quantization, for example with a spacing of 5 or 10 Hertz. Frequencies can also be selected for the selection of the evaluation frequencies, which lie at a resonance point recognized from earlier measurements. If a change in the resonance frequency is to be expected, the evaluation frequency can also be selected around the previously measured resonance frequency. This short list shows how flexibly the evaluation frequency can be selected.
  • the evaluation frequency can also be selected in a particularly advantageous manner as a function of the speed of the electric motor.
  • the evaluated vibration behavior can be triggered by a wide variety of excitations.
  • the vibrations can originate from the electric motor itself, from the driven load, for example an impeller, and/or from an operating environment of the electric motor. As long as the vibrations can be detected by the vibration sensor, they can be evaluated using the method disclosed here.
  • the operating environment is understood here as the area around the electric motor, which has a retroactive effect on the electric motor. This means in particular mechanical repercussions.
  • the operating environment can be formed by a part of the system to which the electric motor is connected.
  • the operating environment may additionally include a plenum to direct the air moved by the fan.
  • the operating environment may include additional other vibrators. An impeller that through the Electric motor is driven can be considered part of the operating environment.
  • the detected vibration values can be represented in different ways.
  • the detected vibration values can be described by simple scalars that specify an amplitude of the vibrations independently of the direction of the vibration.
  • the detected vibration values can also be vectors which, for example, indicate vibrations in three different spatial directions. All that is important for the present disclosure is that an evaluation measure can be determined from the recorded vibration values, which can practically always be implemented. How concretely the vibration values are represented, in which directions vibrations are detected and whether the vibrations are detected along one or more axes can depend on the respective application scenario.
  • the vibration sensor that detects the vibrations can be designed in various ways and can be based on a wide variety of technologies.
  • An example is a MEMS sensor (micro-electro-mechanical system).
  • the sensor can measure in one or more directions.
  • the vibration sensor itself can be arranged at different locations.
  • the vibration sensor is arranged on the outside of the electric motor.
  • the vibration sensor can be located in a housing that is arranged on the outside of the electric motor.
  • the vibration sensor is integrated into the electric motor and is therefore part of the electric motor.
  • Such an electric motor is disclosed, for example, in DE 10 2018 211 838 A1, which was already mentioned in the introduction.
  • the results of an assessment can be used in many different ways.
  • the evaluation results can thus be used when forecasting the life expectancy of the electric motor or components of the electric motor. For example, it can be stated how the current present load case affects the service life of the electric motor.
  • the evaluation results can also be sent to a cloud to be used there, for example, to monitor the condition or improve the electric motor.
  • the sensor signals and/or evaluation results can also be entered into a digital twin of the electric motor, for example for a more extensive evaluation of the operating state of the electric motor. This brief and non-exhaustive list shows how extensively the present disclosure can be used.
  • the evaluation frequency is formed by an order of a base frequency, with the base frequency preferably being dependent on a speed of the electric motor.
  • a dependency between base frequency and speed can be achieved, for example, in that the base frequency is formed by the rotational frequency, ie the revolutions of the electric motor per second.
  • An order of a base frequency is a multiple of this base frequency, i.e. the nth order corresponds to n times the base frequency.
  • the current speed can be determined in a variety of ways. For example, a speed sensor can be used. However, since information about the rotational speed is available in any case, particularly in the case of electronically commutated electric motors, this information can also be transferred from a motor controller.
  • a first order is used as the evaluation frequency to determine a resonance caused by an imbalance.
  • the vibration behavior is evaluated for multiple evaluation frequencies. This approach is particularly useful when several different resonance effects are to be examined. Since different resonance effects are expressed in different resonance frequencies (when using orders of a base frequency in different orders), different resonance effects can be evaluated by using several evaluation frequencies. When choosing the multiple Evaluation frequencies, knowledge about the likely occurrence of resonance effects can be used. This knowledge can come from detailed measurements of identical or similar electric motors and/or from simulations, for example.
  • a detected resonance point is additionally evaluated by comparing an amplitude of the detected vibration values with a predefined amplitude limit value and/or determining a vibration shape and/or a vibration mode and/or carrying out other evaluations.
  • the evaluation of the amplitude enables a distinction between critical and non-critical resonance points and the effects of the resonance points on the electric motor and its operating environment.
  • the amplitude limit can be determined from empirical values or from calculations. They can also come from standards or other regulations, such as IS014694. For example, amplitude limit values of 7 millimeters/second (RMS) or 9 millimeters/second (RMS) would be conceivable.
  • Determining the deflection shape enables a statement to be made about how the excited structure vibrates. Determining the vibration mode enables a summary description of the vibrations in terms of frequency, vibration shape and damping.
  • the vibration behavior is evaluated when the electric motor is started up and/or during ongoing operation of the electric motor and/or after a predefined period of time has elapsed and/or when an operating parameter of the electric motor changes.
  • An evaluation during commissioning can determine how a specific electric motor behaves in terms of vibration in a specific operating environment. A run-up or a run-down can be carried out. An evaluation during operation is particularly helpful in those application situations in which the electric motor is used in continuous operation.
  • such an assessment also makes it possible to identify a vibration behavior that changes during operation. A rating after After a predefined period of time has elapsed, the vibration behavior can be monitored in a defined and comprehensive manner. In this way, changes in the vibration behavior can also be reliably detected.
  • the predefined period of time can be selected depending on the respective operating environment.
  • a shorter period of time can be appropriate in operating environments with highly variable parameters, for example due to buildup on an impeller driven by the electric motor, than in an operating environment in which the parameters are largely stable. Accordingly, the period of time can be in the range of minutes, hours, days, weeks or even months.
  • a suggestion for mitigating negative effects of a resonance point is generated and/or output, the suggestion preferably including a location and/or extent of a balancing mass and/or a blanking corridor.
  • the presence of a resonance point is decided if the ratio between the second assessment criterion and the first assessment criterion exceeds a specified limit value, the specified limit value being greater than or equal to 50%, preferably greater than or equal to 60%, particularly preferably greater than or equal to 70% .
  • the specification of the limit value should depend on the spectrum of the recorded vibration values. Furthermore, how closely the detected vibrations of the electric motor to be evaluated or the operating environment approach a sinusoidal vibration can be included. With a limit value greater than or equal to 50%, resonance points can be reliably detected. A threshold greater than or equal to 60% further improves detection. With a limit value greater than or equal to 70%, a point of resonance can be detected particularly reliably.
  • the first and/or the second assessment measure is determined by forming an effective value.
  • an effective value can be formed, for example, by a square mean (RMS—Root Mean Square).
  • RMS Root Mean Square
  • An effective value is an easy-to-calculate and yet meaningful evaluation measure.
  • the vibration sensor is designed to detect vibrations along a number of axes, with the number of axes preferably being in pairs perpendicular to one another and with one of the number of axes being arranged parallel to a motor axis/motor shaft of the electric motor. In this way, further information about the vibration behavior can be obtained and the evaluation of the vibration behavior and/or a point of resonance can be further improved
  • the vibration sensor is designed to detect a vibration speed and/or a vibration acceleration.
  • the electric motor includes a control system that is designed to adapt a regulation and/or control of the electric motor based on an evaluation of the vibration behavior. This enables the evaluated vibration behavior to be used immediately.
  • the control system and the units used for the evaluation for example the evaluation units, the analysis unit and/or the evaluation unit, can be implemented in common electronics. Motor electronics arranged in an electronics housing of the electric motor would be conceivable for this purpose, for example.
  • the electric motor includes an output device that is designed to output information about an evaluation of the vibration behavior. This allows the evaluation results to be used flexibly.
  • the output unit can be wired, optical and/or wireless. an optical one
  • the output unit can be formed, for example, by a simple lamp, for example an LED (Light Emitting Diode), which signals a critical vibration state.
  • the output unit can thus provide visual information.
  • the output unit can provide “outside” communication. This can include, for example, the output unit enabling information to be output to a higher-level control unit or for information to be uploaded to a cloud system. In this way, the electric motor can be part of an Industry 4.0 environment.
  • the analysis unit is designed to carry out a Fourier transformation, an FFT—Fast Fourier Transform—and/or a Görtzel algorithm and/or more or less wide frequency band filtering.
  • a spectral component can be determined in various ways, as long as the vibrations can be evaluated at an evaluation frequency.
  • Using an FFT provides a comprehensive picture of the spectral components.
  • Görtzel algorithm which was published by Gerald Görtzel in 1958, individual spectral components of a signal can be determined very efficiently. A spectral component can thus also be determined with low computing resources.
  • Frequency band filtering makes it possible to restrict an oscillation signal to frequencies that are specifically of interest. In this case, frequency band filtering can take place before the determination of the spectral components.
  • FIG. 2 shows a block diagram with functional units of an embodiment of an electric motor according to the present disclosure
  • FIG. 3 shows a flow chart with steps of an embodiment of a method according to the present disclosure
  • FIG. 5 shows a diagram with associated spectral components over the speed of the electric motor.
  • 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, on each of whose longitudinal ends a bearing receiving area 5 is formed. Bearings, not shown, are accommodated in the bearing receiving areas 5, via which a shaft of the electric motor, also not shown, is rotatably mounted.
  • a stator bushing 6 is formed by an aluminum component, at one end of which the bearing tube 4 is formed and at the other end an electronics housing 7 for accommodating motor electronics.
  • the motor electronics generates feed signals and outputs them to the stator and/or rotor windings. For the sake of clarity, only one printed circuit board 8 of the motor electronics is shown.
  • a vibration sensor 9 is arranged on the printed circuit board 8 .
  • the circuit board 8 is embedded in a casting compound 10, 11, with the casting compound 10, 11 being connected to the edge region of the circuit board 8.
  • the casting compound 10 acts as a coupling element and transmits vibrations from the stator bushing 6 to the printed circuit board 10 and thus to the vibration sensor 9 .
  • the vibration sensor 9 in an electric motor be arranged and detect vibrations of at least part of the electric motor.
  • FIG. 2 shows a block diagram of functional units of the electric motor 1 that can be implemented on the printed circuit board 8 .
  • the vibration sensor 9 detects vibrations from at least a part of the electric motor.
  • the vibration values recorded in this way are transferred to a first evaluation unit 14 and to an analysis unit 15 and an evaluation unit 17 .
  • the first evaluation unit 14 determines a first evaluation measure from the recorded vibration values. This first evaluation measure indicates how strongly one part of the electric motor oscillates.
  • the analysis unit 15 determines a spectral component of the detected vibration values for an evaluation frequency. This evaluation frequency can be an order of the rotational frequency, i.e. a multiple of the number of revolutions of the electric motor per second.
  • the spectral component is supplied to a second evaluation unit 16, which uses it to determine a second evaluation measure.
  • the second evaluation parameter indicates how strongly the electric motor oscillates at the evaluation frequency.
  • the first and second assessment measure is formed by a square mean.
  • the first evaluation unit 14 and the second evaluation unit 16 enter the respectively determined first and second evaluation measure into an evaluation unit 17 which compares the evaluation measures with one another. For this purpose, a quotient is formed from the second evaluation parameter and the first evaluation parameter, which thus reflects the proportion of vibrations with the evaluation frequency in the overall vibration of the electric motor. The result of this quotient formation is compared with a predetermined limit value, which is loaded from a limit value memory 18 . If the specified limit value is exceeded, a decision is made as to the presence of a resonance point. In addition, the evaluation unit 17 assesses the recorded vibration values in order to evaluate the criticality of the point of resonance.
  • the evaluation unit 17 further evaluations Make resonance point, for example with regard to the vibration shape or the vibration mode.
  • the information obtained in this way can be transferred to an output unit 19, which can output this information to a user, a higher-level control unit, the engine electronics, a cloud or other systems.
  • step S1 the method starts with the detection of vibration values using a vibration sensor 9.
  • step S2 the general vibration state of the electric motor 1 is determined. This is done by determining a first evaluation measure for the recorded vibration values. This first assessment measure thus indicates how strongly the detected part of the electric motor oscillates across all detected frequencies.
  • step S3 a spectral component (or also several spectral components) of the detected vibration values is determined for one (or also several) evaluation frequencies, the evaluation frequency(s) being formed in the present case by an order of the rotational frequency.
  • step S4 the vibration values of individual orders are evaluated by determining a second evaluation measure for the spectral component/the spectral components.
  • step S5 the evaluation parameters are compared and the vibration behavior is thereby evaluated.
  • a quotient is formed from the second evaluation measure and the first evaluation measure and is compared with a limit value. If the quotient does not exceed the limit value ("no"), the process continues with step S6, in which the current evaluation frequency is not recognized as a resonance point. Thereafter, it returns to step S1. If the quotient exceeds the limit value ("yes"), a decision is made as to the presence of a resonance point and the criticality of the resonance point is evaluated in step S7. For this purpose, the effective value of the recorded vibration values is compared with an amplitude limit value in step S8.
  • step S9 If the rms value does not exceed the amplitude limit ("no"), the resonance point is assessed as non-critical in step S9 and therefore does not have to be treated in a special way. The process returns to step S1. If the effective value exceeds the amplitude limit ("yes"), the resonance point is classified as critical in step S10. In step S11 one or more actions are triggered. This can include issuing an error message, correcting operating parameters, etc. Thereafter, it returns to step S1.
  • the fourth shows a diagram with a quotient of the second evaluation parameter and the first evaluation parameter over the speed.
  • the first order is selected as the evaluation frequency, i.e. a frequency that corresponds to the rotational frequency of the electric motor.
  • the electric motor is part of a fan, more precisely a radial fan.
  • the diagram shows how strongly the vibrations of the electric motor or the fan are characterized by the first order. Two speed ranges can be seen where there is a resonance point: around 480 rpm (first peak) and between 680 and 870 rpm (two broad speed ranges with high values).
  • This example shows that the current operating status of a fan can be evaluated in this way.
  • the condition monitoring disclosed herein does not require the fan to be ramped up or down. Vibrations can be measured continuously or at regular time intervals.

Landscapes

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Bewerten eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Betriebsumgebung offenbart. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Erzeugen (S1) von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors (1) mittels eines Schwingungssensors (9), Ermitteln (S2) eines ersten Bewertungsmaßes für die erfassten Schwingungswerte, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) ist, Bestimmen (S3) eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz, Ermitteln (S4) eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) bei der Bewertungsfrequenz ist, und Bewerten (S5) des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß, wobei für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ferner ist ein entsprechender Elektromotor, Ventilator und System offenbart.

Description

VERFAHREN ZUM BEWERTEN EINES SCHWINGUNGSVERHALTENS EINES ELEKTROMOTORS SOWIE ENTSPRECHENDER ELEKTROMOTOR UND VENTILATOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Betriebsumgebung, sowie einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System, die vorzugsweise jeweils zum Durchführen des Verfahrens ausgebildet sind.
Bei dem Betrieb eines Elektromotors - egal ob sachgemäßer oder unsachgemäßer Betrieb - werden Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen können von dem Elektromotor selbst herrühren und/oder durch eine von dem Elektromotor angetriebene Last (beispielsweise ein Laufrad eines Ventilators) und/oder durch eine Betriebsumgebung des Elektromotors angeregt werden. In der Praxis können harmonische Anregungen (beispielsweise durch Unwuchten), stochastische Anregungen (beispielsweise durch Rauschen) oder impulsartige Anregungen (beispielsweise durch Stöße oder Stoßfolgen) auftreten. Wenn diese Anregungen eine strukturspezifische Eigenbewegung anregen, können Resonanzen entstehen. Derartige Resonanzen führen zu Schwingungsüberhöhungen.
Viele Resonanzen, insbesondere Resonanzen, die von Unwuchten hervorgerufen werden, sind von der Drehzahl des Elektromotors abhängig. Da sich Resonanzen negativ auf den Betrieb des Elektromotors auswirken, beispielsweise durch erhöhte Geräuschentwicklung oder durch Beeinträchtigung der Lebensdauer des Elektromotors, wird versucht, den Betrieb des Elektromotors bei Resonanzen hervorrufenden Drehzahlen möglichst zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch schnelles Überfahren dieser Drehzahlen und/oder durch Nichtzulassen des Betriebs bei diesen Drehzahlen erfolgen. Insbesondere bei einem Ventilator ist diese Herangehensweise meist problemlos möglich. Wenn der Betrieb bei einer Resonanzstelle vermieden werden soll, müssen die Drehzahlen, an denen Resonanzen hervorgerufen werden, bekannt sein. Hierzu ist bekannt, einen Elektromotor nach der Fertigung in einem Prüfstand zu vermessen. Da diese Drehzahlen verschiedene Einflussfaktoren haben und meist von dem jeweiligen Aufstellungsort des Elektromotors abhängig sind, ist ein Bestimmen von Resonanzstellen in einem Prüfstand vor Auslieferung des Elektromotors häufig nicht ausreichend. Daher sind Elektromotoren bekannt, in die Sensorik zur Schwingungserfassung eingebaut sind. Ein derartiger Elektromotor ist beispielsweise in der DE 10 2018 211 838 A1 und in der DE 10 2018 211 846 A1 beschrieben.
Das Erkennen von Resonanzstellen erfordert die Abtastung von Schwingungen des Elektromotors über zumindest Teile der möglichen Betriebsdrehzahlen des Elektromotors. Insbesondere bei Ventilatoren erfolgt diese Abtastung üblicherweise während eines Hochlaufs oder eines Herunterlaufs. Bei einem Hochlauf wird der Ventilator in einer vorgegebenen Zeit von einer Mindestdrehzahl (meist einem Stillstand des Ventilators) auf eine Maximaldrehzahl beschleunigt, idealerweise mit linearer Drehzahlrampe. Bei einem Herunterlauf wird die Drehzahl von einer Startdrehzahl ungleich null (meist Maximaldrehzahl) zu einer Mindestdrehzahl reduziert. In beiden Fällen werden die Schwingungen des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahl erfasst und ausgewertet. Zu einer derartigen Erfassung eines Schwingungsverhaltens sei beispielhaft auf die DE 20 2019 101 262 U1 und die DE 102018211 850 A1 verwiesen.
Wenn ein erfasster Schwingungswert einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, beispielsweise 7 Millimeter/Sekunde (RMS - Root Mean Square) oder 9 Millimeter/Sekunde (RMS), wird auf das Vorliegen einer Resonanzstelle geschlossen. Derartige Grenzwerte sind häufig in Normen oder anderen Regelwerken definiert, beispielsweise IS014694. Alle Drehzahlen, bei denen dieser Grenzwert überschritten ist, werden als „verbotene“ Drehzahlen erfasst und bei einem nachfolgenden Betrieb - soweit möglich - ausgelassen oder zügig überfahren. Nachteilig an einer derartigen Bewertung des Schwingungsverhaltens des Elektromotors ist, dass ein Hochlauf oder ein Herunterlauf erforderlich ist. Bei Einsatzszenarien, bei denen Resonanzen unveränderlich sind, ist ein derartiger Testlauf bei der Inbetriebnahme des Elektromotors ausreichend. In der Praxis verändern sich Resonanzstellen jedoch, beispielsweise infolge von Ablagerungen oder Verschleiß/Alterung oder Veränderung der Betriebsumgebung des Ventilators beispielsweise durch Anpassungen oder Erweiterung der Anlage oder Wartung. In solchen Fällen ist es zumindest gelegentlich erforderlich, einen erneuten Testlauf durchzuführen. Insbesondere bei Elektromotoren, die in einem Dauerbetrieb eingesetzt sind, werden dadurch zusätzliche Wartungsfenster erforderlich, was zu erheblichen Kosten führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, einen Elektromotor, einen Ventilator und ein System der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein Schwingungsverhalten eines Elektromotors, möglichst mit Last und/oder Betriebsumgebung, flexibel und zuverlässig bewertet werden kann, wobei eine Bewertung im laufenden Betrieb des Elektromotors erstrebenswert ist.
Die voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende Verfahren die Schritte:
Erzeugen von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors,
Ermitteln eines ersten Bewertungsmaßes für die erfassten Schwingungswerte, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors ist,
Bestimmen eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz,
Ermitteln eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz ist, und Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß.
Hinsichtlich eines Elektromotors ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Danach umfasst der in Rede stehende Elektromotor: einen Schwingungssensor, der zum Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors und zum Erzeugen erfasster Schwingungswerte ausgebildet ist, eine erste Bewertungseinheit, die zum Ermitteln eines ersten
Bewertungsmaßes ausgebildet ist, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors ist, eine Analyseeinheit, die zum Bestimmen eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz ausgebildet ist, eine zweite Bewertungseinheit, die zum Ermitteln eines zweiten
Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerten ausgebildet ist, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz ist, und eine Auswerteeinheit, die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß ausgebildet ist.
Hinsichtlich eines Ventilators ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 15 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 16 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende System eine Betriebsumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen erfindungsgemäßen Elektromotor und/oder einen erfindungsgemäßen Ventilator umfasst, wobei die Betriebsumgebung mit dem Antrieb interagiert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Betriebsumgebung zu erfassen und zu bewerten.
Es ist zunächst erkannt worden, dass das Schwingungsverhalten eines Elektromotors bzw. eines den Elektromotor umfassenden Systems im Bereich einer Resonanzfrequenz von einer harmonischen Schwingung dominiert wird. Ein Signalverlauf von erfassten Schwingungswerten nähert sich dann einem sinusförmigen Verlauf an. Es ist ferner erkannt worden, dass ein Vergleich einer Stärke einer Schwingung bei der Resonanzfrequenz mit einer Stärke einer Schwingung über alle erfassten Frequenzen sehr gut zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens genutzt werden kann. Damit ist nicht mehr zwingend ein Hochlauf oder ein Herunterlauf erforderlich, sondern eine Resonanzstelle kann aus einer „Momentaufnahme“ des erfassten Schwingungsverhaltens im laufenden Betrieb des Elektromotors erkannt werden. Diese Erkenntnis wird bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung genutzt.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung werden zunächst erfasste Schwingungswerte erzeugt, indem Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors mittels eines Schwingungssensors erfasst werden. Diese Erfassung erfolgt üblicherweise über ein Erfassungszeitfenster hinweg. Für die erfassten Schwingungswerte wird ein erstes Bewertungsmaß ermittelt, das für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors repräsentativ ist. Ferner wird aus den erfassten Schwingungswerte ein spektraler Anteil für eine Bewertungsfrequenz bestimmt. Das bedeutet, dass bestimmt wird, wie groß der Anteil der erfassten Schwingungen bei der Bewertungsfrequenz ist. Für den spektralen Anteil wird ein zweites Bewertungsmaß ermittelt, das für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors bei der Bewertungsfrequenz repräsentativ ist. Durch ein Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß kann festgestellt werden, wie groß der Anteil einer harmonischen Schwingung bei der Bewertungsfrequenz im Vergleich zu den Schwingungen über das gesamte Spektrum ist. Wie konkret ein derartiger Vergleich durchgeführt wird, ist nicht entscheidend, solange der Vergleich eine Aussage über den Anteil der harmonischen Schwingung bei der Bewertungsfrequenz im Vergleich zu den Schwingungen über das gesamte Spektrum liefern kann. In einer Ausgestaltung kann der Vergleich über das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß durchgeführt werden. Wenn dieses Verhältnis einen Grenzwert überschreitet, kann für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden werden.
Es ist zu erkennen, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht zwingend einen Hochlauf oder einen Herunterlauf benötigt. Vielmehr kann ein aktueller Betriebszustand unmittelbar bewertet werden. Dies ermöglicht eine Zustandskontrolle des Elektromotors im laufenden Betrieb. Dennoch kann das Verfahren auch bei einem Hochlauf oder Herunterlauf angewendet werden, um beispielsweise ein umfassendes Bild über das Schwingungsverhalten des Elektromotors erhalten zu können. Bei einer Bewertung im laufenden Betrieb kann das Schwingungsverhalten wiederholt, vorzugsweise periodisch bewertet werden. So kann beispielsweise nach Ablauf von 15 Minuten, einer Stunde oder einem Tag eine erneute Bewertung veranlasst werden. Insbesondere bei einer wiederholten Bewertung können Veränderungen des Elektromotors, der durch den Elektromotor angetriebenen Last und/oder dessen Betriebsumgebung erkannt und - sofern erforderlich - geeignete Maßnahmen getroffen werden.
Das Erfassungszeitfenster kann prinzipiell beliebig gewählt sein. Es bietet sich jedoch an, das Erfassungszeitfenster nicht zu schmal zu wählen, damit das Zeit fenster eine ausreichend geringe Auswirkung auf den bestimmten spektralen Anteil hat und die Schwingungssignale ausreichend gut erfasst werden. Gleichzeitig sollte das Erfassungszeitfenster nicht zu groß sein, da sich Ver änderungen, beispielsweise bei der Drehzahl des Elektromotors oder in der Betriebsumgebung, die erfassten Schwingungswerte verfälschen könnten. Eine Dimensionierung des Erfassungszeitfenster wird von der jeweiligen Anwendungs situation des Elektromotors bzw. dessen Betriebsumgebung abhängen. In einer Ausgestaltung ist das Erfassungszeitfenster mindestens eine Periodenlänge eines harmonischen Schwingungssignals breit. In einer anderen Ausgestaltung ist das Erfassungzeitfenster mehrere Periodenlängen eines harmonischen Schwingungssignals breit, wobei es sich anbietet, das Erfassungszeitfenster maximal 10 Periodenlängen breit zu wählen.
Auch die Bewertungsfrequenz kann relativ beliebig gewählt sein. Wichtig dürfte hierbei sein, dass bei einer gewählten Bewertungsfrequenz auch Resonanzen zu erwarten sind. Sehr niedrige Bewertungsfrequenzen, beispielsweise unterhalb von 2 Hertz, dürften in vielen Fällen ebenso wenig hilfreich sein wie sehr hohe Bewer tungsfrequenzen, beispielsweise im Bereich mehrer Kilohertz. Die Bewertungs frequenz kann relativ frei gewählt werden oder es können Bewertungsfrequenzen in einer Quantelung, beispielsweise mit Abstand von 5 oder 10 Hertz, genutzt werden. Für die Wahl der Bewertungsfrequenzen können auch Frequenzen gewählt werden, die bei einer aus früheren Messungen erkannte Resonanzstelle liegt. Wenn eine Veränderung der Resonanzfrequenz zu erwarten ist, kann die Bewertungsfrequenz auch um die zuvor gemessene Resonanzfrequenz gewäht werden. Diese kurze Auflistung zeigt, wie flexibel die Bewertungsfrequenz gewählt werden kann. Die Bewertungsfrequenz kann auch in besonders vorteilhafter Weise in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors gewählt sein.
Das bewertete Schwingungsverhalten kann durch verschiedenste Anregungen ausgelöst sein. Die Schwingungen können von dem Elektromotor selbst herrühren, von der angetriebenen Last, beispielsweise ein Laufrad, und/oder von einer Betriebsumgebung des Elektromotors. Solange die Schwingungen durch den Schwingungssensor erfassbar sind, können diese mit dem hier offenbarten Verfahren bewertet werden.
Als Betriebsumgebung wird hier der Bereich um den Elektromotor verstanden, der eine Rückwirkung auf den Elektromotor hat. Hierbei sind insbesondere mecha nische Rückwirkungen gemeint. So kann die Betriebsumgebung beispielsweise durch einen Anlagenteil gebildet sein, mit dem der Elektromotor verbunden ist. Wenn der Elektromotor Teil eines Ventilators ist, so kann die Betriebsumgebung beispielsweise zusätzlich eine Verteilanlage umfassen, mit der die von dem Ventilator bewegte Luft geleitet wird. Die Betriebsumgebung kann zusätzliche weitere Schwingungserzeuger aufweisen. Ein Laufrad, das durch den Elektromotor angetrieben wird, kann als Teil der Betriebsumgebung aufgefasst werden.
Die erfassten Schwingungswerte können auf verschiedene Weise repräsentiert sein. Die erfassten Schwingungswerte können durch einfache Skalare beschrieben sein, die eine Amplitude der Schwingungen unabhängig von der Richtung der Schwingung angeben. Die erfassten Schwingungswerte können aber auch Vektoren sein, die beispielsweise Schwingungen in drei verschiedene Raumrichtungen angeben. Für die vorliegende Offenbarung ist lediglich wichtig, dass aus den erfassten Schwingungswerten ein Bewertungsmaß ermittelt werden kann, was praktisch immer verwirklicht werden kann. Wie konkret die Schwingungswerte repräsentiert sind, in welche Richtungen Schwingungen erfasst werden und ob die Schwingungen entlang einer oder mehrerer Achsen erfasst werden, kann von dem jeweiligen Anwendungsszenarium abhängig sein.
Der die Schwingungen erfassende Schwingungssensor kann verschiedentlich ausgebildet sein und kann auf verschiedenste Technologien basieren. Beispielhaft sei auf einen MEMS-Sensor (Mikro-Elektro-Mechanisches System) verwiesen. Der Sensor kann - je nach zu erfassenden Schwingungswerten - in einer oder mehreren Richtungen messen.
Der Schwingungssensor selbst kann an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein. In einer Ausgestaltung ist der Schwingungssensor an der Außenseite des Elektromotors angeordnet. Dabei kann sich der Schwingungssensor in einem Gehäuse befinden, das an der Außenseite des Elektromotors angeordnet ist. In einer anderen Ausgestaltung ist der Schwingungssensor in den Elektromotor integriert und damit Teil des Elektromotors. Ein derartiger Elektromotor ist beispielsweise in der bereits einleitend genannten DE 10 2018 211 838 A1 offenbart.
Die Ergebnisse einer Bewertung können auf verschiedenste Weise genutzt werden. So können die Bewertungsergebnisse bei der Prognose der Lebenserwartung des Elektromotors oder von Bestandteilen des Elektromotors genutzt werden. Beispielsweise kann ausgesagt werden, wie sich der aktuell vorliegende Lastfall auf die Lebensdauer des Elektromotors auswirkt. Die Bewertungsergebnisse können auch in eine Cloud übermittelt werden, um dort beispielsweise für das Monitoring des Zustands oder eine Verbesserung des Elektromotors genutzt zu werden. Die Sensorsignale und/oder Bewertungsergebnisse können auch in einen digitalen Zwilling des Elektromotors eingegeben werden, beispielsweise für eine weiterreichende Bewertung des Betriebszustands des Elektromotors. Diese kurze und nicht abschließende Aufzählung zeigt, wie umfassend die vorliegende Offenbarung eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Bewertungsfrequenz durch eine Ordnung einer Basisfrequenz gebildet, wobei die Basisfrequenz vorzugsweise von einer Drehzahl des Elektromotors abhängig ist. Auf diese Weise kann die Auswahl der Bewertungsfrequenz vereinfacht werden. Eine Abhängigkeit zwischen Basisfrequenz und Drehzahl kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Basisfrequenz durch die Drehfrequenz gebildet ist, also die Umdrehungen des Elektromotors pro Sekunde. Eine Ordnung einer Basisfrequenz ist ein Vielfaches dieser Basisfrequenz, d.h. die n-te Ordnung entspricht dem n-Fachen der Basisfrequenz. Die aktuelle Drehzahl kann auf verschiedenste Weise bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Drehzahlsensor eingesetzt werden. Da insbesondere bei elektronisch kommutierten Elektromotoren aber ohnehin Informationen über die Drehzahl vorhanden sind, kann diese Information auch aus einer Motorsteuerung übergeben werden.
In einer Weiterbildung wird zum Ermitteln einer Unwucht bedingten Resonanz eine erste Ordnung als Bewertungsfrequenz genutzt.
In einer Ausführungsform wird das Schwingungsverhalten für mehrere Bewertungsfrequenzen bewertet. Dieser Ansatz bietet sich insbesondere dann an, wenn mehrere verschiedene Resonanzeffekte untersucht werden sollen. Da sich verschiedene Resonanzeffekte in verschiedenen Resonanzfrequenzen äußern (bei der Nutzung von Ordnungen einer Basisfrequenz in verschiedenen Ordnungen), können durch Nutzung mehrerer Bewertungsfrequenzen verschiedene Resonanzeffekte bewertet werden. Bei der Auswahl der mehreren Bewertungsfrequenzen kann Wissen über die aller Voraussicht nach auftretenden Resonanzeffekte genutzt werden. Dieses Wissen kann beispielsweise aus detaillierten Messungen von baugleichen oder ähnlichen Elektromotoren und/oder aus Simulationen herrühren.
In einer Ausführungsform wird eine erkannte Resonanzstelle zusätzlich bewertet, indem eine Amplitude der erfassten Schwingungswerte mit einem vorgegebenen Amplitudengrenzwert verglichen und/oder eine Schwingform und/oder einen Schwingmodus ermittelt wird und/oder sonstige Bewertungen durchgeführt werden. Die Bewertung der Amplitude ermöglicht eine Unterscheidung zwischen kritischen und nicht kritischen Resonanzstellen und die Auswirkungen der Resonanzstellen auf den Elektromotor und dessen Betriebsumgebung. Der Amplitudengrenzwert kann aus Erfahrungswerten oder auf Berechnungen bestimmt werden. Sie können auch aus Normen oder anderen Regelwerken stammen, wie beispielsweise IS014694. Denkbar wären beispielsweise Amplitudengrenzwerte von 7 Millimeter/Sekunde (RMS) oder 9 Millimeter/Sekunde (RMS).
Ein Ermitteln der Schwingform ermöglicht eine Aussage darüber, wie die angeregte Struktur schwingt. Ein Ermitteln des Schwingmodus ermöglicht eine zusammenfassende Beschreibung der Schwingungen hinsichtlich der Frequenz, Schwingform und Dämpfung.
In einer Ausführungsform wird das Bewerten des Schwingungsverhaltens bei einer Inbetriebnahme des Elektromotors und/oder im laufenden Betrieb des Elektromotors und/oder nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne und/oder bei Ändern eines Betriebsparameters des Elektromotors durchgeführt. Bei einer Bewertung bei Inbetriebnahme kann ermittelt werden, wie sich ein konkreter Elektromotor in einer konkreten Betriebsumgebung schwingungsmäßig verhält. Dabei kann ein Hochlauf oder ein Herunterlauf durchgeführt werden. Eine Bewertung im laufenden Betrieb ist insbesondere in solchen Anwendungssituationen hilfreich, in denen der Elektromotor in einem Dauerbetrieb eingesetzt wird. Ferner ermöglicht eine derartige Bewertung auch, ein sich im Betrieb änderndes Schwingungsverhalten zu erkennen. Eine Bewertung nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne ermöglicht eine definierte und umfassende Überwachung des Schwingungsverhaltens. Auf diese Weise können auch Änderungen des Schwingungsverhaltens zuverlässig erkannt werden. Die vordefinierte Zeitspanne kann dabei abhängig von der jeweiligen Betriebsumgebung gewählt werden. So kann bei Betriebsumgebungen mit stark veränderlichen Parametern, beispielsweise durch Anhaftungen an einem durch den Elektromotor angetriebenen Laufrad, eine kürzere Zeitspanne angebracht sein, als in einer Betriebsumgebung, in der die Parameter weitgehend stabil sind. Entsprechend kann die Zeitspanne im Bereich von Minuten, Stunden, Tagen, Wochen oder gar Monate liegen. Ein Bewerten bei geänderten Betriebsparametern ermöglicht, dass ein Schwingungsverhalten, das sich mit geänderten Betriebsparametern ebenfalls ändern könnte, zügig bewertet werden kann.
In einer Ausführungsform wird basierend auf einem Ergebnis eines Bewertens des Schwingungsverhaltens ein Vorschlag für ein Abmildern von negativen Auswirkungen einer Resonanzstelle erzeugt und/oder ausgegeben, wobei der Vorschlag vorzugsweise einen Ort und/oder Ausmaß einer Ausgleichsmasse und/oder einen Ausblendkorridor umfasst. Auf diese Weise kann einem Nutzer einen weiteren Mehrwert geboten werden, da ein eventuell ungünstiges Schwingungsverhalten dadurch verbessert werden kann.
In einer Ausführungsform wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden, wenn das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei der vorgegebene Grenzwert größer oder gleich 50%, vorzugsweise größer oder gleich 60% besonders bevorzugter Weise größer oder gleich 70% ist. Die Vorgabe des Grenzwerts dürfte dabei von dem Spektrum der erfassten Schwingungswerten abhängen. Ferner kann einfließen, wie stark sich bei dem zu bewertenden Elektromotor bzw. der Betriebsumgebung die erfassten Schwingungen einer Sinusschwingung annähern. Mit einem Grenzwert größer oder gleich 50% können Resonanzstellen zuverlässig erkannt werden. Ein Grenzwert größer oder gleich 60% verbessert die Erkennung weiter. Bei einem Grenzwert größer oder gleich 70% kann besonders zuverlässig eine Resonanzstelle erkannt werden. In einer Ausführungsform wird das erste und/oder das zweite Bewertungsmaß durch Bilden eines Effektivwerts ermittelt. Ein derartiger Effektivwert kann beispielsweise durch ein quadratisches Mittel (RMS - Root Mean Square) gebildet sein. Ein Effektivwert stellt ein einfach zu berechnendes und dennoch aussagekräftiges Bewertungsmaß dar.
In einer Ausführungsform des Elektromotors ist der Schwingungssensor zum Erfassen von Schwingungen entlang mehrerer Achsen ausgebildet, wobei die mehreren Achsen vorzugsweise paarweise senkrecht zueinanderstehen und wobei eine der mehreren Achsen parallel zu einer Motorachse/Motorwelle des Elektromotors angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich weitere Informationen über das Schwingungsverhalten gewinnen und die Bewertung des Schwingungsverhaltens und/oder einer Resonanzstelle weiter verbessern
In einer Ausführungsform ist der Schwingungssensor zum Erfassen einer Schwingungsgeschwindigkeit und/oder einer Schwingungsbeschleunigung ausgebildet.
In einer Ausführungsform umfasst der Elektromotor ein Regelungssystem, das dazu ausgebildet ist, eine Regelung und/oder Steuerung des Elektromotors basierend auf einer Bewertung des Schwingungsverhaltens anzupassen. Diese ermöglicht einen unmittelbaren Nutzen des bewerteten Schwingungsverhaltens. Dabei können das Regelungssystem und für die Bewertung genutzte Einheiten, beispielsweise die Bewertungseinheiten, die Analyseeinheit und/oder die Auswerteeinheit, in einer gemeinsamen Elektronik implementiert sein. Denkbar wäre hierzu beispielsweise eine in einem Elektronikgehäuse des Elektromotors angeordnete Motorelektronik.
In einer Ausführungsform umfasst der Elektromotor eine Ausgabeeinrichtung, die zum Ausgeben von Informationen über eine Bewertung des Schwingungsverhaltens ausgebildet ist. Dadurch lassen sich die Bewertungsergebnisse flexibel nutzen. Die Ausgabeeinheit kann dabei drahtgebunden, optisch und/oder drahtlos ausgebildet sein. Eine optische Ausgabeeinheit kann beispielsweise durch eine einfache Leuchte, beispielsweise eine LED (Licht Emittierende Diode), gebildet sein, die einen kritischen Schwingungszustand signalisiert. Die Ausgabeeinheit kann damit eine visuelle Information bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgabeeinheit eine Kommunikation „nach außen“ bereitstellen. Dies kann beispielsweise umfassen, dass die Ausgabeeinheit eine Ausgabe von Informationen an eine übergeordnete Steuereinheit oder ein Hochladen von Informationen in ein Cloud-System ermöglicht. Auf diese Weise kann der Elektromotor Teil einer Industrie 4.0 Umgebung sein.
In einer Ausführungsform ist die Analyseeinheit zur Durchführung einer Fourier- Transformation, einer FFT - Fast Fourier Transform - und/oder eines Görtzel- Algorithmus und/oder einer mehr oder weniger breiten Frequenzbandfilterung ausgebildet. Prinzipiell kann das Ermitteln eines spektralen Anteils auf verschiedene Weise erfolgen, solange eine Bewertung der Schwingungen bei einer Bewertungsfrequenz möglich ist. Das Nutzen einer FFT liefert ein umfassendes Bild über die spektralen Anteile. Mit dem Görtzel-Algorithmus, der von Gerald Görtzel im Jahre 1958 veröffentlicht worden ist, lassen sich einzelne spektrale Anteile eines Signals sehr effizient ermitteln. Damit kann ein spektraler Anteil auch mit geringen Rechenressourcen bestimmt werden. Eine Frequenzbandfilterung ermöglicht es, ein Schwingungssignal auf konkret interessierende Frequenzen zu beschränken. Dabei kann eine Frequenzbandfilterung vor dem Bestimmen der spektralen Anteile erfolgen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Offenbarung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevor zugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten eines Ausführungsbeispiels eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 4 ein Diagramm eines Quotienten aus einem zweiten Bewertungsmaß und einem ersten Bewertungsmaß über Drehzahlen eines Elektromotors und
Fig. 5 ein Diagramm mit zugehörenden spektralen Anteile über der Drehzahl des Elektromotors.
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 Lageraufnahmebereich 5 ausgebildet ist. In die Lageraufnahmebereiche 5 sind nicht dargestellte Lager aufgenommen, über die eine ebenso nicht dargestellte Welle des Elektromotors drehbar gelagert ist. Eine Statorbuchse 6 ist dabei durch ein Aluminium-Bauteil gebildet, an dessen einen Ende das Lagerrohr 4 und an dessen anderen Ende ein Elektronikgehäuse 7 zur Aufnahme einer Motorelektronik ausgebildet ist. Die Motorelektronik erzeugt jeweils Speisesignale und gibt diese an die Stator- und/oder Rotorwicklungen aus. Von der Motorelektronik ist der Übersichtlichkeit wegen lediglich eine Leiterplatte 8 dargestellt. Auf der Leiterplatte 8 ist ein Schwingungssensor 9 angeordnet. Die Leiterplatte 8 ist in einer Vergussmasse 10, 11 eingebettet, wobei die Vergussmasse 10, 11 an dem Randbereich der Leiterplatte 8 verbunden ist. Dabei fungiert insbesondere die Vergussmasse 10 als Kopplungselement und überträgt Schwingungen von der Statorbuchse 6 an die Leiterplatte 10 und damit an den Schwingungssensor 9. Als weiteres Kopplungselement ist eine Schraube 12 vorhanden, die in eine Bohrung 13 in dem Elektronikgehäuse 7 eingeschraubt ist. Auf diese Weise kann der Schwingungssensor 9 in einem Elektromotor angeordnet sein und Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors erfassen.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagram von Funktionseinheiten des Elektromotors 1 , die auf der Leiterplatte 8 implementiert sein können. Der Schwingungssensor 9 erfasst Schwingungen von zumindest einem Teil des Elektromotors. Die dadurch erfassten Schwingungswerte werden zum einen einer ersten Bewertungseinheit 14 und zum anderen einer Analyseeinheit 15 und einer Auswerteeinheit 17 übergeben. Die erste Bewertungseinheit 14 ermittelt aus den erfassten Schwingungswerten ein erstes Bewertungsmaß. Dieses erste Bewertungsmaß gibt an, wie stark der eine Teil des Elektromotors schwingt. Die Analyseeinheit 15 bestimmt einen spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz. Diese Bewertungsfrequenz kann eine Ordnung der Drehfrequenz sein, d.h. ein Vielfaches der Anzahl von Umdrehungen des Elektromotors pro Sekunde. Der spektrale Anteil wird einer zweiten Bewertungseinheit 16 zugeführt, die daraus ein zweites Bewertungsmaß ermittelt. Dabei gibt das zweite Bewertungsmaß an, wie stark der Elektromotor bei der Bewertungsfrequenz schwingt. Das erste und zweite Bewertungsmaß ist dabei durch ein quadratisches Mittel gebildet.
Die erste Bewertungseinheit 14 und die zweite Bewertungseinheit 16 geben das jeweils ermittelte erste und zweite Bewertungsmaß in eine Auswerteeinheit 17 ein, die die Bewertungsmaße miteinander vergleicht. Hierzu wird ein Quotient aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß gebildet, der damit den Anteil der Schwingungen mit der Bewertungsfrequenz an der Gesamtschwingung des Elektromotors wiedergibt. Das Ergebnis dieser Quotientenbildung wird mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, der aus einem Grenzwertspeicher 18 geladen wird. Wenn der vorgegebene Grenzwert überschritten wird, wird für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden. Zusätzlich beurteilt die Auswerteeinheit 17 die erfassten Schwingungswerte, um die Kritikalität der Resonanzstelle zu bewerten. Wenn ein Amplitudengrenzwert, der ebenso in dem Grenzwertspeicher 18 abgelegt sein kann, überschritten ist, wird für eine kritische Resonanzstelle entschieden. Ansonsten wird die Resonanzstelle als unkritisch eingestuft. Zusätzlich kann die Auswerteeinheit 17 weitere Bewertungen der Resonanzstelle vornehmen, beispielsweise hinsichtlich der Schwingungsform oder des Schwingungsmodus. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen können an eine Ausgabeeinheit 19 übergeben werden, die diese Informationen an einen Nutzer, eine übergeordnete Steuereinheit, die Motorelektronik, eine Cloud oder andere Systeme ausgeben kann.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß vorliegender Offenbarung. In Schritt S1 startet das Verfahren mit dem Erfassen von Schwingungswerten mittels eines Schwingungssensors 9. In Schritt S2 wird der allgemeine Schwingungszustand des Elektromotors 1 festgestellt. Dies geschieht dadurch, dass ein erstes Bewertungsmaß für die erfassten Schwingungswerte ermittelt wird. Dieses erste Bewertungsmaß gibt damit an, wie stark der erfasste Teil des Elektromotors über alle erfassten Frequenzen schwingt. In Schritt S3 wird ein spektraler Anteil (oder auch mehrere spektrale Anteile) der erfassten Schwingungswerte für eine (oder auch mehrere) Bewertungsfrequenzen bestimmt, wobei die Bewertungsfrequenz/en im vorliegenden Fall durch eine Ordnung der Drehfrequenz gebildet ist/sind. In Schritt S4 werden die Schwingungswerte einzelner Ordnungen bewertet, indem ein zweites Bewertungsmaß für den spektralen Anteil/die spektralen Anteile ermittelt wird. In Schritt S5 werden die Bewertungsmaße verglichen und dadurch das Schwingungsverhalten bewertet. Flierzu wird ein Quotient aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß gebildet und mit einem Grenzwert verglichen wird. Wenn der Quotient den Grenzwert nicht überschreitet („nein“), wird mit Schritt S6 fortgesetzt, bei dem die aktuelle Bewertungsfrequenz nicht als Resonanzstelle erkannt wird. Danach wird zu Schritt S1 zurückgekehrt. Wenn der Quotient den Grenzwert überschreitet („ja“), wird auf das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden und in Schritt S7 die Kritikalität der Resonanzstelle bewertet. Hierzu wird der Effektivwert der erfassten Schwingungswerte in Schritt S8 mit einem Amplitudengrenzwert verglichen. Wenn der Effektivwert den Amplitudengrenzwert nicht überschreitet („nein“), wird die Resonanzstelle in Schritt S9 als nicht kritisch bewertet und muss daher nicht besonders behandelt werden. Das Verfahren kehrt zu Schritt S1 zurück. Wenn der Effektivwert den Amplitudengrenzwert überschreitet („ja“), wird die Resonanzstelle in Schritt S10 als kritisch eingestuft. In Schritt S11 wird eine oder mehrere Aktionen ausgelöst. Dies kann ein Ausgeben einer Fehlermeldung, eine Korrektur von Betriebsparametern, etc. umfassen. Danach wird zu Schritt S1 zurückgekehrt.
Fig. 4 ein Diagramm mit einem Quotienten aus zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß über der Drehzahl. Dabei ist als Bewertungsfrequenz die erste Ordnung gewählt, d.h. eine Frequenz, die der Drehfrequenz des Elektromotors entspricht. Der Elektromotor ist dabei Bestandteil eines Ventilators, genauer eines Radiallüfters. Das Diagramm lässt erkennen, wie stark die Schwingungen des Elektromotors bzw. des Ventilators durch die erste Ordnung geprägt ist. Es sind zwei Drehzahlbereiche zu erkennen, bei denen eine Resonanzstelle vorliegt: um 480 Umdrehungen pro Minute (erster Peak) und zwischen 680 und 870 Umdrehungen pro Minute (zweier breite Drehzahlbereich mit hohen Werten).
Ob diese beiden Resonanzstellen kritisch sind oder nicht, kann anhand des Diagramms nach Fig. 5 ermittelt werden, das einen Verlauf des spektralen Anteils zeigt, also im vorliegenden Fall die betragsmäßigen Amplituden der Schwingungen erster Ordnung. Flierdurch ist zu erkennen, dass der erste Bereich um 480 Umdrehungen pro Minute als nicht-kritisch, der zweite Bereich speziell bei 765 Umdrehungen pro Minute als kritisch eingestuft werden kann.
Dieses Beispiel lässt erkennen, dass auf diese Weise eine Bewertung des aktuell vorliegenden Betriebszustands eines Ventilators vorgenommen werden kann. Die hier offenbarte Zustandsüberwachung erfordert keinen Hoch- oder Herunterlauf des Ventilators. Die Messung von Schwingungen kann kontinuierlich oder in regelmäßigem Zeitintervall stattfinden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der hier offenbarten Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend be schriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Bezugszeichenliste
1 Elektromotor Stator Motorachse Lagerrohr Lageraufnahmebereich Statorbuchse Elektronikgehäuse Leiterplatte Schwingungssensor Vergussmasse 1 Vergussmasse Schraube Bohrung erste Bewertungseinheit Analyseeinheit zweite Bewertungseinheit Auswerteeinheit Grenzwertspeicher Ausgabeeinheit

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Bewerten eines Schwingungsverhaltens eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors eines Ventilators, und/oder dessen Betriebsumgebung, umfassend die Schritte:
Erzeugen (S1) von erfassten Schwingungswerten durch Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors (1) mittels eines Schwingungssensors (9),
Ermitteln (S2) eines ersten Bewertungsmaßes für die erfassten Schwingungswerte, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) ist,
Bestimmen (S3) eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz,
Ermitteln (S4) eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerte, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) bei der Bewertungsfrequenz ist, und
Bewerten (S5) des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsfrequenz durch eine Ordnung einer Basisfrequenz gebildet ist, wobei die Basisfrequenz vorzugsweise von einer Drehzahl des Elektromotors (1) abhängig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln einer Unwucht bedingten Resonanz eine erste Ordnung als Bewertungsfrequenz genutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten für mehrere Bewertungsfrequenzen bewertet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erkannte Resonanzstelle zusätzlich bewertet wird (S8), indem eine Amplitude und/oder ein Effektivwert der erfassten Schwingungswerte mit einem vorgegebenen Amplitudengrenzwert verglichen und/oder eine Schwingform und/oder einen Schwingmodus ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewerten des Schwingungsverhaltens bei einer Inbetriebnahme des Elektromotors und/oder im laufenden Betrieb des Elektromotors und/oder nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne und/oder bei Ändern eines Betriebsparameters des Elektromotors durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf einem Ergebnis eines Bewertens des Schwingungsverhaltens ein Vorschlag für ein Abmildern von negativen Auswirkungen einer Resonanzstelle erzeugt und/oder ausgegeben wird, wobei der Vorschlag vorzugsweise einen Ort und/oder Ausmaß einer Ausgleichsmasse und/oder einen Ausblendkorridor umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei der vorgegebene Grenzwert größer oder gleich 50%, vorzugsweise größer oder gleich 60%, besonders bevorzugter Weise größer oder gleich 70% ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Bewertungsmaß durch Bilden eines Effektivwerts ermittelt wird.
10. Elektromotor, vorzugsweise ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: einen Schwingungssensor (9), der zum Erfassen von Schwingungen zumindest eines Teils des Elektromotors (1) und zum Erzeugen erfasster Schwingungswerte ausgebildet ist, eine erste Bewertungseinheit (14), die zum Ermitteln eines ersten Bewertungsmaßes ausgebildet ist, wobei das erste Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) ist, eine Analyseeinheit (15), die zum Bestimmen eines spektralen Anteils der erfassten Schwingungswerte für eine Bewertungsfrequenz ausgebildet ist, eine zweite Bewertungseinheit (16), die zum Ermitteln eines zweiten Bewertungsmaßes für den spektralen Anteil der erfassten Schwingungswerten ausgebildet ist, wobei das zweite Bewertungsmaß repräsentativ für die Stärke der Schwingungen des zumindest einen Teils des Elektromotors (1) bei der Bewertungsfrequenz ist, und eine Auswerteeinheit (17), die zum Bewerten des Schwingungsverhaltens durch Vergleichen des ersten Bewertungsmaßes mit dem zweiten Bewertungsmaß ausgebildet ist, wobei für das Vorliegen einer Resonanzstelle entschieden wird, wenn das Verhältnis zwischen zweitem Bewertungsmaß und erstem Bewertungsmaß einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
11. Elektromotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor (9) zum Erfassen von Schwingungen entlang mehrerer Achsen ausgebildet ist, wobei die mehreren Achsen vorzugsweise paarweise senkrecht zueinander stehen und wobei eine der mehreren Achsen parallel zu einer Motorachse/Motorwelle (3) des Elektromotors (1) angeordnet ist, und/oder dass der Schwingungssensor (9) zum Erfassen einer Schwingungsgeschwindigkeit und/oder einer Schwingungsbeschleunigung ausgebildet ist.
12. Elektromotor nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) ein Regelungssystem umfasst, das dazu ausgebildet ist, eine Regelung und/oder Steuerung des Elektromotors (1) basierend auf einer Bewertung des Schwingungsverhaltens anzupassen.
13. Elektromotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) eine Ausgabeeinrichtung (19) umfasst, die zum Ausgeben von Informationen über eine Bewertung des Schwingungsverhaltens ausgebildet ist, wobei die Ausgabeeinrichtung (19) zum Hochladen der Information in ein Cloud-System ausgebildet sein kann.
14. Elektromotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (15) zur Durchführung einer Fourier- Transformation, einer FFT - Fast Fourier Transform - und/oder eines Görtzel- Algorithmus und/oder einer Frequenzbandfilterung ausgebildet ist.
15. Ventilator, vorzugsweise ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Laufrad und einen Elektromotor nach 10 bis 14, wobei das Laufrad mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
16. System mit einer Betriebsumgebung und einen Antrieb, wobei der Antrieb einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 10 bis 14 und/odereinen Ventilator nach Anspruch 15 umfasst, wobei die Betriebsumgebung mit dem Antrieb interagiert und wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, sowohl Schwingungen des Antriebs als auch Schwingungen der Betriebsumgebung zu erfassen und zu bewerten.
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