Электродвигатель, а также способ оценки вибрационного состояния электродвигателя
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности определения вибрационного состояния электродвигателя. Предложен электродвигатель со статором (2), установленным с возможностью вращения относительно статора ротором и электроникой двигателя. Электроника двигателя расположена в корпусе (7) электроники и смонтирована на печатной плате (10). На печатной плате (10) расположен, по меньшей мере, один датчик (13) вибраций, который выполнен для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя (1), по меньшей мере, в одном направлении. Кроме того, печатная плата (10) при помощи, по меньшей мере, одного соединительного элемента соединена вибрационно-технически с другими компонентами электродвигателя (1), так что, по меньшей мере, части вибраций электродвигателя передаются на датчик (13) вибраций. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к электродвигателю со статором, ротором, установленным с возможностью вращения относительно статора, и электроникой двигателя, причем электроника двигателя расположена в корпусе электроники и смонтирована на печатной плате. Кроме того, изобретение относится к вентилятору с подобным электродвигателем.
Далее изобретение относится к способу оценки вибрационного состояния электродвигателя.
Электродвигатели подвержены во время своей работы различным видам колебаний и вибраций. Эти вибрации могут возникать из-за самого электродвигателя, из-за приводимой в движение нагрузки или из-за окружающей среды, в которой установлен электродвигатель. Если электродвигатель является, например, составной частью вентилятора, то дисбаланс рабочего колеса или срывы потока могут создавать вибрации. Кроме того, неравномерный приводной момент, который может возникать, например, из-за пульсирующего постоянного напряжения промежуточного контура, может дополнительно усиливать вибрации. Если вентилятор установлен в промышленной среде, то дополнительно вибрации могут передаваться из окружающей среды на электродвигатель. Кроме того, если вентилятор работает с частотой вращения, при которой возникает резонанс вентилятора, то вибрации могут быть еще более выраженными.
Двигатели или соответственно вентиляторы, как правило, перед поставкой заказчику или соответственно перед монтажом в кожух динамически балансируются, благодаря тому несимметричные распределения веса или другие создающие вибрации обстоятельства уменьшаются. Тем не менее уже при монтаже в кожух, при транспортировке заказчику, при установке в условиях заказчика или у конечного заказчика могут возникать повреждения, которые ухудшают качество балансировки. Если вентилятор эксплуатируется в окружающих средах с прилипающим загрязнением, как например в сельском хозяйстве, или при сильно коррозийных условиях окружающей среды, то в течение срока службы вентилятора качество балансировки также ухудшается, так как, например, отложения или места коррозии могут влиять на распределение веса.
Дисбалансы приводят к усиленным вибрациям, которые в свою очередь очень сильно нагружают компоненты электродвигателя. Так, например, подшипники существенно сильнее нагружаются из-за вибраций, чем это было бы при менее сильно вибрирующей системе. Высокий уровень вибраций может приводить к тому, что срок службы электродвигателя и/или его компонентов существенно сокращается. Следовательно, следует стремиться к тому, чтобы измерять вибрации, которым подвержен электродвигатель.
Документ EP 2 972 431 B1 раскрывает электродвигатель с функциональным контролем подшипников двигателя. Для этого датчик вибраций закреплен при помощи металлического элемента корпусного шума на фланце статора на его отвернутой от ротора стороне. Этот датчик вибраций измеряет вибрации электродвигателя. Таким образом, могут обнаруживаться проблемы с подшипником электродвигателя. И хотя благодаря закреплению датчика вибраций на фланце статора вибрации электродвигателя могут измеряться эффективно и надежно. Тем не менее закрепление датчика вибраций на фланце статора является сложным и тем самым затратным. Кроме того, сильные вибрации электродвигателя могут повреждать датчик вибраций.
Исходя из этого, в основе данного изобретения лежит задача предоставить и усовершенствовать электродвигатель, вентилятор и способ указанного вначале типа таким образом, чтобы обеспечить надежное измерение вибраций электродвигателя и/или надежное определение вибрационного состояния электродвигателя при одновременно низких затратах.
Согласно изобретению вышеуказанная задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с ним упомянутый электродвигатель отличается тем, что на печатной плате расположен, по меньшей мере, один датчик вибраций, который выполнен для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя, по меньшей мере, в одном направлении, и при этом печатная плата при помощи, по меньшей мере, одного соединительного элемента соединена вибрационно-технически с другими компонентами электродвигателя, так что, по меньшей мере, части вибраций электродвигателя передаются на датчик вибраций.
В отношении вентилятора вышеуказанная задача решена с помощью признаков пункта 14 формулы изобретения. В соответствии с ним упомянутый вентилятор включает в себя соответствующий изобретению электродвигатель и рабочее колесо, причем рабочее колесо соединено с ротором электродвигателя.
В отношении способа вышеуказанная задача решена с помощью признаков пункта 15 формулы изобретения. В соответствии с ним упомянутый способ включает в себя этапы:
генерирование измерительного сигнала, по меньшей мере, одним датчиком вибраций, причем, по меньшей мере, один датчик вибраций выполнен для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя, по меньшей мере, в одном направлении,
установление амплитуды и/или фазы и/или частоты измерительного сигнала для определения, по меньшей мере, одного параметра вибрации электродвигателя,
сравнение определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром и
определение вибрационного состояния электродвигателя на основе результата сравнения определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром.
Согласно изобретению в первую очередь было обнаружено, что от закрепления датчика вибраций непосредственно на втулке статора электродвигателя можно отказаться. Наоборот данные о вибрационном поведении электродвигателя могут получаться также вследствие того, что на печатной плате, которая расположена в корпусе электроники электродвигателя, расположен датчик вибраций, и этот датчик вибраций измеряет ускорение и/или скорость вибраций, по меньшей мере, в одном направлении. А именно было обнаружено, что вибрации электродвигателя могут достаточно хорошо передаваться на печатную плату, так что измерение вибраций электродвигателя возможно расположенным на печатной плате датчиком вибраций. И хотя отдельные частоты или диапазоны спектра вибраций могут быть заглушены или отфильтрованы печатной платой или ее крепежными средствами. Тем не менее вибрации, поступающие на датчик вибраций, являются достаточно информативными, для того чтобы иметь возможность получать данные о вибрационном поведении электродвигателя. Следовательно, согласно изобретению не измеряются непосредственно вибрации электродвигателя, а наоборот измеряются вибрации, которые передаются на печатную плату электроники двигателя. Поскольку электроника двигателя и без того на некотором рабочем этапе должна устанавливаться в электродвигатель, то при расположении датчика вибраций на печатной плате электроники двигателя не возникает дополнительного рабочего этапа во время монтажа электродвигателя, так что датчик вибраций практически не оказывает влияния на производственные затраты.
Чтобы характер соединения между датчиком вибраций и другими компонентами электродвигателя осуществлялся определенным образом, согласно изобретению используется, по меньшей мере, один соединительный элемент, который соединяет печатную плату и/или датчик вибраций вибрационно-технически с другими компонентами электродвигателя. Если взаимосвязь между вибрациями электродвигателя и измеренными значениями, зарегистрированными датчиком вибраций, известна, например из калибровочных измерений, то из измеренных значений может делаться вывод о вибрационном состоянии электродвигателя.
“Другие компоненты электродвигателя”, между которыми, по меньшей мере, один соединительный элемент должен улучшать передачу вибраций, могут образовываться самыми разными компонентами электродвигателя. Лишь в качестве примера, но не ограничиваясь этим, “другие компоненты электродвигателя” могут быть образованы втулкой статора, корпусом двигателя, трубой подшипника, пакетом обмотки статора, удерживающим устройством электродвигателя или корпусом электроники.
Электроника двигателя, на печатной плате которой расположен датчик вибраций, может при этом выполнять самые разные функции. В простейшем случае электроника двигателя может быть образована печатной платой с соединительными проводниками и точками для пайки. Подобные печатные платы могут, например, использоваться, для того чтобы соединять друг с другом отдельные катушки статора. Однако предпочтительно электроника двигателя состоит дополнительно из дальнейших электрических и/или электронных конструктивных элементов. При этом электроника двигателя может включать в себя простые датчики, которые снабжают внешнее устройство управления электродвигателя сигналами датчиков, например частотой вращения. Электроника двигателя может также принимать на себя задачи управления и/или включать в себя силовой блок. Однако наиболее предпочтительно электроника двигателя выполнена для того, чтобы снабжать обмотки статора и/или обмотки ротора сигналом питания. Для этого электроника двигателя может иметь вход питающего напряжения, на который подается питающее напряжение, например постоянное напряжение или трехфазная система. Электроника двигателя генерирует в этом случае из поданного питающего напряжения систему сигналов питания, которые приводят ротор электродвигателя во вращательное движение.
Также печатная плата может быть принципиально создана из самых разных материалов. Однако предпочтительно печатная плата изготовлена из жесткого композитного материала, на который нанесены токопроводящие дорожки. Часто подобные печатные платы изготовлены из армированного волокном пластика. Печатная плата может иметь токопроводящие дорожки в нескольких плоскостях, например на верхней стороне и нижней стороне и при необходимости дополнительно в одном или нескольких промежуточных слоях, который/которые выполнен/выполнены между верхней и нижней сторонами. Соответствующие печатные платы достаточно известны из практики.
Датчик вибраций может быть выполнен самыми разными способами. Важно, чтобы датчик вибраций мог предоставлять значения ускорения и/или значения скорости для измеренной вибрации. Датчик вибраций может быть при этом образован MEMS- (Micro Electro-Mechanical System) датчиком ускорения, пьезоэлектрическим датчиком ускорения, микрофоном (например, MEMS-микрофоном) или тензометрическим датчиком. Подходящие соответственно датчики достаточно известны из практики.
Датчик вибраций выполнен - как уже упоминалось - для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя, по меньшей мере, в одном направлении. При этом могут иметь место варианты осуществления, при которых достаточно измерения только в одном направлении. Это может иметь место, например, в том случае, если электродвигатель в этом одном направлении имеет наиболее сильную склонность к вибрациям, в то время как другие направления обнаруживают сравнительно меньшую склонность к вибрациям. Однако предпочтительно вибрации измеряются в нескольких направлениях, наиболее предпочтительно в трех направлениях, причем отдельные направления расположены не параллельно друг к другу. Выбор направлений, в которых измеряются вибрации, может зависеть от форм вибраций, в которых электродвигатель обычно вибрирует. Однако в предпочтительном исполнении направления, в которых измеряются вибрации, выполнены перпендикулярными друг к другу, причем три направления могут образовывать, например, классическую декартову систему координат. При этом первое направление может быть, например, параллельным к оси электродвигателя, в то время как одно из дальнейших направлений расположено параллельно к базовой плоскости электродвигателя.
При измерении вибраций в нескольких направлениях может использоваться один датчик вибраций, который выполнен для измерения в необходимых в каждом случае направлениях. Так, например, из практики известны датчики вибраций, которые могут измерять вибрации в трех расположенных перпендикулярно друг к другу направлениях. Однако датчик вибраций может быть также образован системой из датчиков вибраций, причем каждый из датчиков вибраций системы покрывает в каждом случае одно из нескольких направлений. Этот вариант осуществления предполагается в частности в том случае, если направления, в которых должны измеряться вибрации, расположены не перпендикулярно друг к другу. Благодаря подобной системе из датчиков вибраций могут создаваться относительно любые конфигурации осей. Если отдельные датчики вибраций системы расположены рядом друг с другом на печатной плате, то измерения системы из датчиков вибраций будут лишь незначительно отличаться от измерений одного отдельного датчика вибраций.
Принципиально корпус электроники может быть расположен в самых разных местах электродвигателя. Важно лишь, чтобы корпус электроники был вибрационно-технически соединен с другими компонентами электродвигателя. Это может достигаться простым образом вследствие того, что корпус электроники интегрирован в электродвигатель или установлен на наружной стороне корпуса двигателя. Во втором случае корпус электроники может быть, например, выполнен в виде отдельного, изолированного колпака электроники, который прифланцовывается к корпусу двигателя. Предпочтительно корпус электроники расположен на втулке статора электродвигателя, то есть электроника двигателя расположена рядом с осью вала, причем печатная плата расположена в этом случае чаще всего перпендикулярно к оси вала.
Далее принципиально несущественно, доступна ли или нет электроника двигателя внутри корпуса электроники после окончательного изготовления электродвигателя. Так как у современных электродвигателей электроника двигателя многократно залита заливочной массой, электроника двигателя и без того в большинстве случаев не доступна напрямую. Это может даже доходить до того, что корпус электроники полностью закрыт посредством экструзионное покрытие, так что фактически отсутствует неразрушающий доступ к корпусу электроники и к электронике двигателя. До тех пор, пока может достигаться вибрационно-техническое соединение вибрационно-технически между датчиком вибраций и другими компонентами двигателя, подобный корпус электроники может также отвечать требованиями настоящего изобретения.
Корпус электроники может принципиально иметь самые разные формы. Однако предпочтительно корпус электроники имеет дно и боковые стенки. При выполненном таким образом корпусе электроники печатная плата расположена в этом случае по существу параллельно дну корпуса электроники. В простейшем варианте осуществления подобный корпус электроники выполнен в виде чаши с круглой площадью основания. Тем не менее площадь основания может также иметь другие формы. Правильные формы, как например квадрат, прямоугольник, шестиугольник или восьмиугольник, могут равным образом использоваться, как и неправильные формы. Также боковые стенки не должны быть обязательно перпендикулярными к дну. Подобный корпус электроники, как правило, закрывается крышкой, которая закрывает открытую область корпуса электроники. При этом крышка может быть расположена, например, параллельно к дну.
В одном варианте осуществления датчик вибраций расположен на отвернутой от дна корпуса электроники стороне печатной платы - на верхней стороне печатной платы. Подобный вариант осуществления имеет в частности при сильной вибрационной нагрузке электродвигателя то преимущество, что возникает относительно большое расстояние между корпусом электроники и датчиком вибраций.
В другом варианте осуществления датчик вибраций расположен на обращенной к дну корпуса электроники стороне печатной платы - на нижней стороне печатной платы. Подобный варианте осуществления предоставляет то преимущество, что вибрации могут при соответствующем соединении между дном и датчиком вибраций проводиться к датчику вибраций проще и эффективней, и таким образом могут быть возможны более точные измерения.
Принципиально также возможно, что, в частности при системе из датчиков вибраций, первая часть датчиков вибраций расположена на верхней стороне, а вторая часть датчиков вибраций на нижней стороне печатной платы.
Вне зависимости от того, расположен ли, по меньшей мере, один датчик вибраций на верхней стороне и/или нижней стороне печатной платы, дно корпуса электроники может иметь в области, по меньшей мере, одного датчика возвышение, так что расстояние между, по меньшей мере, одним датчиком вибраций и корпусом электроники сокращено. При этом возвышение предпочтительно выполнено на своей верхней стороне плоским. “В области датчика вибраций” означает при этом, что при взгляде на верхнюю сторону печатной платы датчик вибраций или датчики вибраций и возвышение на дне корпуса электроники перекрываются в значительной степени. При этом возвышение не должно обязательно распространяться по всей поверхности, которая задана, по меньшей мере, одним датчиком вибраций. Однако для предотвращения искажений предлагается, что возвышение имеет, по меньшей мере, такие размеры, как датчик вибраций или - при нескольких датчиках вибраций - как заданная датчиками вибраций поверхность.
Для расположения датчика вибраций на печатной плате может быть преимуществом, если имеется знание о возникающих формах вибраций при различных применениях. Тем самым датчик вибраций может позиционироваться таким образом, и его направления измерений могут ориентироваться таким образом, что созданные измерительные сигналы предоставляют максимально определенное и дифференцируемое отображение вибраций и форм вибраций.
Принципиально соединительный элемент может быть образован из самых разных материалов. Важно, чтобы вибрации передавались через соединительный элемент лучше, чем в воздухе, и таким образом могло устанавливаться улучшенное соединение между датчиком вибраций и другими компонентами электродвигателя. Однако при этом рекомендуется, чтобы между датчиком вибраций и другими компонентами электродвигателя не возникало прямого металлического соединения, так как хотя металлы и очень хорошо проводят вибрации, тем не менее одновременно практически не обеспечивают наличие демпфирования при сильных вибрациях. Поэтому предпочтительно, по меньшей мере, один соединительный элемент изготовлен из пластика, что дополнительно улучшает или обеспечивает электрическую изоляцию датчика.
В варианте осуществления, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя заливочную массу, которая заполняет, по меньшей мере, часть промежуточного пространства между корпусом электроники и печатной платой. Если корпус электроники имеет дно и боковые стенки, подобное промежуточное пространство может быть образовано, например, между дном и печатной платой. Подобные заливочные массы широко распространены для электроники двигателей и создаются в большинстве случаев на основе пластика. Они способствуют, например, отводу тепла в направлении корпуса электроники и придают устойчивость электронике двигателя в корпусе электроники.
В модификации этого варианта осуществления может быть предусмотрена разделительная стенка, которая разделяет заливочную массу на первую заливочную массу и вторую заливочную массу. При этом желательно, если эта разделительная стенка также состоит из неэлектропроводного материала, предпочтительно из пластика. В этой модификации вторая заливочная масса имеет меньшую упругость, чем первая заливочная масса, то есть вторая заливочная масса “тверже”, чем первая заливочная масса. Кроме того, вторая заливочная масса расположена в этом случае у датчика вибраций. Это разделение на первую и вторую заливочные массы предоставляет то преимущество, что в области датчика вибраций может использоваться заливочная масса, которая делает возможной оптимальную передачу вибраций на датчик вибраций, в то время как в другой области может использоваться заливочная масса, которая делает возможным, например, наиболее хороший отвод тепла.
В другом варианте осуществления, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя клеевую подушку или клей, которая/который уложена/уложен между датчиком вибраций и частью корпуса электроники. Таким образом, датчик вибраций может относительно прочно соединяться с другими компонентами электродвигателя, в то время как по-прежнему сохраняется простота установки при введении печатной платы в корпус электроники. Клей может быть выполнен при этом в виде затвердевающего клея, например на основе эпоксида. Предпочтительно клеевая подушка и клей обладают изолирующими электричество свойствами, то есть их электропроводность низка.
В дальнейшем варианте осуществления, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя пластиковое экструзионное покрытие, которое размещено, по меньшей мере, на частях электродвигателя. У электродвигателей является обычным, что компоненты электродвигателя заливаются и соединяются пластиком во время процесса литься под давлением. При этом зачастую используются термопластичные или термореактивные материалы. Таким образом, например, части обмотанного пакета листов статора и части корпуса электроники могут соединяться экструзионным покрытием. При этом гнездо подшипника может быть частью изоляции пакета или частью экструзионного покрытия. В подобных случаях это экструзионное покрытие может образовывать соединительный элемент согласно данному изобретению. При этом между датчиком вибраций и экструзионным покрытием может быть размещен дальнейший соединительный элемент, например в виде клеевой подушки. Однако предпочтительно пластиковое экструзионное покрытие находится в непосредственном контакте, по меньшей мере, с одним датчиком вибраций.
В дальнейшем варианте осуществления, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя (механическое) крепежное средство, которое механически и/или электрически соединяет печатную плату с другими компонентами электродвигателя. При этом крепежное средство может быть образовано самыми разными средствами, которые могут создавать механическое соединение и вибрационно-техническое соединение . Разъемные крепежные средства могут использоваться так же, как и неразъемные. Лишь в качестве примере, но не ограничиваясь этим, следует сделать ссылку на применение винта, заклепки, зажима, штифта, зажимного штифта, просечного штифта или тому подобного. В зависимости от использованного крепежного средства тип соединения будет осуществляться по-разному. При этом крепежное средство, например, исполнения в виде винта может быть проведено через отверстие в печатной плате и ввинчено в резьбу в корпусе электроники. Для дальнейшего улучшения вибрационно-технического соединения между датчиком вибраций и другими компонентами электродвигателя желательно, если крепежное средство расположено предпочтительно рядом с датчиком вибраций. Это означает, что при взгляде на печатную плату расстояние между крепежным средством и датчиком вибраций существенно меньше по сравнению с размерами печатной платы. Предпочтительно расстояние составляет максимум 20% от размера печатной платы, наиболее предпочтительно максимум 10% от размера. Одновременно рекомендуется не опускаться ниже определенного минимального расстояния между крепежным средством и датчиком вибраций. Предпочтительно расстояние составляет, по меньшей мере, 5% от размера печатной платы.
Вышеуказанные варианты осуществления, по меньшей мере, одного соединительного элемента можно относительно произвольно комбинировать. Некоторые примеры, в которых отдельные из вышеуказанных соединительных элементов скомбинированы друг с другом, освещаются еще более подробно в описанных ниже примерах осуществления. Специалист поймет, что и как различные варианты осуществления соединительных элементов могут комбинироваться также еще и другими способами.
В усовершенствовании корпус электроники может быть полностью или частично покрыт пластиком, или в корпус электроники может быть уложена пластиковая облицовка. Подобное усовершенствование может использоваться, например, для того, чтобы улучшать изоляцию между электроникой двигателя и корпусом электроники. У корпуса электроники, который имеет дно и боковые стенки, например, дно и/или боковые стенки могут быть покрыты или облицованы пластиком. Также возможно, что лишь части дна или части боковых стенок покрыты пластиком или имеют пластиковую облицовку.
Принципиально электродвигатель может быть выполнен по-разному. Важно лишь, чтобы имелась электроника двигателя, на которой может устанавливаться датчик вибраций. Однако в предпочтительном варианте осуществления электродвигатель образован EC-двигателем (двигателем с электронной коммутацией - Electronically Commutated Motor), у которого электроника двигателя создает систему сигналов питания, причем система сигналов питания может создавать вращающееся поле в электродвигателе, которое вызывает вращательное движение ротора. При этом EC-двигатель может иметь конструкцию с внутренним ротором или конструкцию с внешним ротором.
Соответствующий изобретению способ может использоваться для оценки вибрационного состояния электродвигателя. При этом электродвигатель может быть образован соответствующим изобретению электродвигателем. При соответствующем изобретению способе на первом этапе генерируется, по меньшей мере, одним датчиком вибраций измерительный сигнал, причем измерительный сигнал предоставляет ускорение и/или скорость вибраций электродвигателя, по меньшей мере, в одном направлении. При этом измерительный сигнал включает в себя предпочтительно изменение во времени и частотные составляющие в частотном спектре.
Этот измерительный сигнал анализируется на следующем этапе, благодаря тому, что определяется амплитуда и/или фаза и/или частота измерительного сигнала для определения, по меньшей мере, одного параметра вибраций электродвигателя. Амплитуда измерительного сигнала обозначает при этом размер, в котором перемещается измерительный сигнал. В простейшем случае амплитуда является максимальной величиной, которую принимает измерительный сигнал в рассматриваемом промежутке времени измерения. Однако также возможно рассматривать амплитуду как значение, которое измерительный сигнал принимает в среднем в рассматриваемом промежутке времени измерения. Частота измерительного сигнала обозначает спектральные составляющие, которыми обладает измерительный сигнал. При этом “частота измерительного сигнала” может обозначать отдельную выделенную частоту, несколько выделенных частот или один или несколько частотных диапазонов. Фаза измерительного сигнала обозначает временные взаимосвязи между несколькими частичными областями измерительного сигнала. При этом фаза может, например, относиться к взаимосвязи межу активной и реактивной составляющими измерительного сигнала. Однако при измерении вибраций в нескольких направлениях фаза обозначает предпочтительно временную взаимосвязь между измерительными сигналами в отдельных направлениях. Из амплитуды, фазы и/или частоты измерительного сигнала можно делать вывод, как сильно и в каких формах вибрирует электродвигатель. Тем самым может таким образом определяться, по меньшей мере, один параметр вибраций электродвигателя.
На следующем этапе определенный таким образом, по меньшей мере, один параметр сравнивается с соответствующим опорным параметром. Это означает, например, что амплитуда измеряемой величины сравнивается с опорной амплитудой, например максимально допустимой амплитудой. При этом также возможно, что несколько параметров сравниваются с несколькими соответствующими в каждом случае опорными параметрами. Благодаря комбинированию нескольких параметров можно определять более полную картину вибрационного состояния электродвигателя, чем это было бы возможно при помощи отдельного параметра.
Из результата сравнения определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром или соответствующими опорными параметрами определяется затем на следующем этапе вибрационное состояние электродвигателя. При этом могут использоваться знания о вибрационном поведении электродвигателя (например, из калибровочных измерений) или знания о конструктивно идентичном или очень похожем электродвигателе.
В усовершенствовании соответствующего изобретению способа на основе определенного вибрационного состояния создается предупреждающее сообщение, и/или инициируются меры для защиты электродвигателя. Принципиально возможны самые разные реакции, которые принимают во внимание определенное вибрационное состояние. Предупреждающее сообщение может отображать достижение или превышение максимально допустимого значения вибрации. Однако предупреждающее сообщение может также сигнализировать, что имеет место наиболее неблагоприятная форма вибраций, которая сильно нагружает электродвигатель. Как предупреждающее сообщение выдается, зависит от соответствующего сценария применения. Так, в частности в средах Industrie 4.0, было бы возможно, что соответствующее предупреждающее сообщение отправляется по сети. Это предупреждающее сообщение может, например, приниматься техническим персоналом или обслуживающим персоналом, и могут предприниматься соответствующие ответные меры. Предупреждающее сообщение может также выдаваться простым светодиодом, который, например, в нормальном режиме светиться зеленым цветом, а при неблагоприятном вибрационном состоянии красным цветом. Здесь было бы также возможно, что, например, при превышении первого порогового значения вибрации светодиод светится оранжевым цветом. Предупреждающее сообщение может также - в частности при окружающих средах с прилипающей грязью - использоваться для того, чтобы инициировать работы по очистке и/или техническому обслуживанию.
Альтернативно или дополнительно на основе определенного вибрационного состояния могут инициироваться меры для защиты электродвигателя. Эти меры могут, например, включать в себя, что изменяется частота вращения электродвигателя. В большинстве случаев снижение частоты вращения способствует здесь уменьшению вибраций. Таким образом, электродвигатель может, возможно, переводиться в менее вибрирующее рабочее состояние. Другая мера могла бы включать в себя, что управление переключается в более спокойный режим работы, благодаря тому, что, например, сильнее компенсированы колебания в приводном моменте.
В варианте осуществления перед сравнением, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим (в каждом случае) опорным параметром может проверяться, превышает ли, по меньшей мере, один параметр заранее заданное пороговое значение. Так, например, может быть задано пороговое значение, которое должна, по меньшей мере, превосходить амплитуда измерительного сигнала, прежде чем выполняются дальнейшие этапы. Если это пороговое значение не достигается измерительным сигналом, то можно пропускать - для экономии вычислительных ресурсов - этап сравнения и определения вибрационного состояния.
Далее еще раз тезисно приводятся некоторые функции и усовершенствования, которые могут реализовываться при помощи соответствующего изобретению электродвигателя, соответствующего изобретению вентилятора и соответствующего изобретению способа:
1) Регистрация значений вибраций электроники двигателя для защиты электронных конструктивных элементов, например за счет адаптации частоты вращения/выключения при критических значениях. Так как датчик установлен непосредственно на электронике, попадающие на электронику двигателя вибрации могут измеряться напрямую, и возможное повреждение электроники может оцениваться. Это возможно было бы также реализовывать при помощи отдельной (внешней) силовой или управляющей электроники/преобразователя частоты.
2) Регистрация значений вибраций всей системы благодаря соединению двигателя, вентилятора или электроники с компонентами на стороне заказчика (как например теплообменниками, воздушными каналами, тепловым насосом, кожухом системы кондиционирования и т.д.). Возможность отсечения резонансов всей системы посредством установления частоты вращения, которая незначительно отличается от расчетной частоты вращения, и при которой вибрации сокращены.
3) Обнаружение повреждений при транспортировке посредством сравнения значений вибраций при вводе в эксплуатацию вентилятора у заказчика с сохраненной опорной кривой конечного испытания (перед поставкой) вентилятора. Выдача предупреждающего сообщения при превышении пороговых значений.
4) После ввода в эксплуатацию фиксация медленного роста дисбаланса при загрязнении или коррозии (в течение длительных промежутков времени, например недель или месяцев). Возможность выдачи предупреждающего сообщения или информации о необходимой очистке вентилятора и определение интервалов очистки или технического обслуживания.
5) Расчет/оценка состояния износа гнезд подшипников во втулке статора при помощи амплитуды и/или частоты вибраций, форм вибраций, частоты вращения, монтажного положения, вращающихся масс и/или времени работы (профиля нагрузки).
6) Обнаружение срыва потока вентилятора с возможной выдачей предупреждающего сообщения или возможной адаптацией частоты вращения, для того чтобы покидать критическое рабочее состояние. Эксплуатация вентилятора в области срыва потока приводит, как правило, к повышенному шумообразованию, пульсирующему воздушному потоку рядом с вентилятором и к более высоким уровням вибраций, чем при нормальном режиме. Если вентилятор эксплуатируется в зоне срыва потока, то лопасти начинают вибрировать со своей собственной частотой. При большой продолжительности этого состояния может доходить до усталостного разрушения лопастей.
7) Идентификация резонансов и/или соответствующих форм вибраций всей системы. В согласовании с размещением и ориентацией датчика могут при помощи информации об амплитуде и фазе сигнала датчика идентифицироваться конкретные формы вибраций. Таким образом, возможен модальный анализ в действии, который позволяет связывать частоты вращения/состояния нагрузки двигателя с критическими вибрационными событиями. Эксплуатация в или рядом с этими состояниями отрицательно влияет на срок службы применения. Могут последовать выдача предупреждающих сообщений или активные меры, как например активное отсечение отдельных критических диапазонов частоты вращения.
8) Регистрация значений вибраций среды заказчика благодаря соединению двигателя/вентилятора или электроники с компонентами на стороне заказчика (как например теплообменниками, воздушными каналами, тепловым насосом, кожухом системы кондиционирования и т.д.) при неподвижном двигателе/вентиляторе. При неподвижном двигателе могут регистрироваться и сохраняться вредные вибрации, которые воздействуют из среды заказчика на двигатель/вентилятор. Это измерение может выполняться при неподвижном двигателе в течение определенных промежутков времени и использоваться в частности для оценки монтажных условий или для диагностики повреждений. При очень высоких значениях вибраций уже перед вводом в эксплуатацию вентилятора может выдаваться предупреждающее сообщение.
Существуют различные возможности техническое решение настоящего изобретения реализовывать и усовершенствовать предпочтительным образом. Для этого следует сделать ссылку с одной стороны на пункты формулы изобретения, зависимые от соответствующих независимых пунктов формулы изобретения, а с другой стороны на последующее разъяснение предпочтительных примеров осуществления изобретения на основе чертежа. В связи с разъяснением предпочтительных примеров осуществления изобретения на основе чертежа разъясняются также в целом предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования технического решения.
На чертежах показаны:
фиг. 1 - разрез первого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем применены винт и заливочная масса в качестве соединительных элементов;
фиг. 2 - разрез второго примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, аналогичного первому примеру осуществления, причем дополнительно дно и боковые стенки корпуса электроники покрыты пластиком;
фиг. 3 - разрез третьего примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем дно корпуса электроники имеет в области датчика вибраций возвышение;
фиг. 4 - разрез четвертого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем дно и части боковых стенок корпуса электроники покрыты пластиком, и причем только в частичной области между дном корпуса электроники и платой применена заливочная масса в качестве соединительного элемента;
фиг. 5 - разрез пятого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем применены винт, заливочная масса и клеевая подушка в качестве соединительных элементов;
фиг. 6 - разрез шестого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем заливочная масса разделена разделительной стенкой на первую и вторую заливочные массы;
фиг. 7 - разрез седьмого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем применены винт и пластиковое экструзионное покрытие в качестве соединительных элементов;
фиг. 8 - разрез восьмого примера осуществления соответствующего изобретению электродвигателя, причем применено пластиковое экструзионное покрытие в качестве соединительного элемента;
фиг. 9 - диаграмма с примерными поведениями величины вибрации при различных частотах вращения и при измерении датчика вибраций в различных направлениях; и
фиг. 10 - блок-схема примера осуществления соответствующего изобретению способа.
Все изображенные на фигурах примеры осуществления соответствующих изобретению электродвигателей имеют в каждом случае конструкцию с внешним ротором. Это означает, что статор расположен на оси двигателя, а ротор вокруг статора. На фигурах для наглядности ротор электродвигателя в каждом случае не изображен. Это - само собой разумеется - не означает, что электродвигатель не имеет ротора.
На фиг. 1 по 6 в каждом случае изображен разрез статора 2 соответствующего изобретению электродвигателя 1. На оси 3 двигателя выполнена опорная труба 4, на продольных концах которой в каждом случае выполнена область 5 гнезда подшипника. В областях 5 гнезда подшипника установлены не изображенные подшипники, на которых установлен с возможностью вращения также не изображенный вал электродвигателя. Втулка 6 статора образована при этом алюминиевым конструктивным элементом, на одном конце которого выполнена опорная труба 4, а на другом конце которого выполнен корпус 7 электроники для размещения электроники двигателя. Корпус 7 электроники имеет при этом дно 8 и боковые стенки 9. Электроника двигателя генерирует в каждом случае сигналы питания и выдает их на обмотки статора и/или ротора. На фиг. 1 по 6 изображена из электроники двигателя для наглядности только печатная плата 10. При этом далее обозначается обращенная к дну 8 сторона печатной платы 10 как нижняя сторона 11, а отвернутая от дна 8 сторона печатной платы 10 как верхняя сторона 12. Различные, изображенные на фиг. 1 по 6 примеры осуществления соответствующего изобретению электродвигателя отличаются расположением датчика 13 вибраций на печатной плате 10 и примененными в каждом случае соединительными элементами.
В примере осуществления с фиг. 1 датчик 13 вибраций расположен на верхней стороне 12 печатной платы 10. Печатная плата 10 заделана в заливочной массе 14, 15, причем заливочная масса 14, 15 соединена в краевой области печатной платы 10. При этом в частности заключенная между дном 8 и нижней стороной 11 печатной платы 10 часть заливочной массы 14 действует как соединительный элемент согласно данному изобретению и передает вибрации от втулки 6 статора через дно 8 корпуса 7 электроники на печатную плату 10 и тем самым на датчик 13 вибраций. В качестве дальнейшего соединительного элемента имеется винт 16, который ввинчен в отверстие 17 в корпусе 7 электроники. Винт расположен в изображенном примере осуществления рядом с датчиком 13 вибраций и обеспечивает тем самым также то, что вибрации передаются от втулки 6 статора через винт 16 на печатную плату 10 и тем самым на датчик 13 вибраций.
Пример осуществления с фиг. 2 очень похож на пример осуществления с фиг. 1. Однако дополнительно размещено пластиковое покрытие 18 на дне 8 и на частях боковой стенки 9 корпуса электроники. Это пластиковое покрытие 18 обеспечивает дополнительную электрическую изоляцию, а также передает вибрации электродвигателя, в этом случае вибрации от дна 8 корпуса 7 электроники на заливочную массу 14. Следовательно, также это пластиковое покрытие 18 может образовывать соединительный элемент согласно данному изобретению.
В примере осуществления с фиг. 3 датчик 13 вибраций расположен на нижней стороне 11 печатной платы 10. В качестве соединительных элементов служат в этом примере осуществления заливочная масса 14, 15, винт 16 и пластиковое покрытие 18. Для уменьшения расстояния между дном 8 корпуса 7 электроники выполнено помимо этого в области датчика 13 вибраций возвышение 19. Это возвышение 19 незначительно шире, чем распространение датчика 13 вибраций и выполнено на своей верхней стороне плоским. Между возвышением 19 и датчиком 13 вибраций по-прежнему находится немного заливочной массы 14, а также пластиковое покрытие 18.
В примере осуществления с фиг. 4 выполнена разделительная стенка 20, которая выполнена в показанном примере осуществления за одно целое с пластиковой облицовкой 28. Пластиковая облицовка 28 покрывает - аналогично пластиковому покрытию 18 на фиг. 2 и 3 - дно 8 и части боковой стенки 9. Разделительная стенка 20 отделяет область, в которой расположена заливочная масса 14 в качестве соединительного элемента. Другие области между печатной платой 10 и дном 8 и область выше печатной платы 10 не заполнены заливочной массой. В качестве дальнейшего соединительного элемента снова имеется винт 16, который расположен рядом с датчиком 13 вибраций. При этом винт 16 размещен в этом примере осуществления между осью 3 двигателя и датчиком 13 вибраций.
Пример осуществления с фиг. 5 включает в себя в качестве соединительных элементов заливочную массу 14, 15 и винт 16. Кроме того, на дне 8 выполнено возвышение 19, которое уменьшает расстояние между дном 8 и датчиком 13 вибраций. Дополнительно расположена в качестве дальнейшего соединительного элемента клеевая подушка 21, которая заполняет область между датчиком 13 вибраций и возвышением 19 и устанавливает дальнейшее вибрационно-техническое соединение между датчиком 13 вибраций, печатной платой 10 и дальнейшими компонентами электродвигателя.
На фиг. 6 снова предусмотрена разделительная стенка 20, которая здесь, однако, разделяет заливочную массу между дном 8 и печатной платой 10 на первую заливочную массу 22 и вторую заливочную массу 23. При этом вторая заливочная масса 23 имеет меньшую упругость, чем первая заливочная масса 22, то есть вторая заливочная масса 23 “тверже”, чем первая заливочная масса 22. Таким образом, вторая заливочная масса 23 будет устанавливать лучшее соединение между датчиком 13 вибраций и другими компонентами электродвигателя, что выражается в частности лучшей передачей более высоких частот.
На фиг. 7 изображен другой пример осуществления соответствующего изобретению электродвигателя. Корпус 7 электроники образован здесь алюминиевым конструктивным элементом 24, который имеет дно 8 и боковые стенки 9. В дне 8 выполнены отверстия (не изображены), через которые может проникать пластиковое экструзионное покрытие 25 во время процесса литья под давлением. Пластиковое экструзионное покрытие соединяет статор 2 с корпусом 7 электроники и выполнено в виде BMC (Bulk Molded Compound - объемного формовочного компаунда). Пластиковое экструзионное покрытие находится в непосредственном контакте с датчиком 13 вибраций и служит в качестве соединительного элемента согласно данному изобретению. Дополнительно в качестве дальнейшего соединительного элемента имеется винт 16, который ввинчен в резьбу в алюминиевом конструктивном элементе 24.
Относительно похожий вариант осуществления изображен на фиг. 8, причем здесь корпус 7 электроники не имеет алюминиевого конструктивного элемента, а наоборот корпус 7 электроники образован самим пластиковым экструзионным покрытием 25. Также в этом случае пластиковое экструзионное покрытие 25 образует соединительный элемент согласно данному изобретению, и датчик 13 вибраций находится в непосредственном контакте с пластиковым экструзионным покрытием. Дополнительно изображена крышка 26, которая закрывает открытую сторону корпуса электроники. Эта крышка 26 соединена винтами 27 с пластиковым экструзионным покрытием.
Фиг. 9 показывает диаграмму с различными ходами сигнала, которые могут возникать на датчике вибраций электродвигателя. Подобный датчик вибраций может быть, например, датчиком 13 вибраций в электродвигателе вышеописанных примеров осуществления. Три изображенных хода сигнала представляют собой при этом примерные измерительные сигналы датчика вибраций в трех различных направлениях. При этом три направления выполнены в каждом случае перпендикулярными друг к другу. Сплошная линия представляет собой измерительный сигнал на первой оси датчика, пунктирная линия измерительный сигнал на второй оси датчика, а точечная линия измерительный сигнал на третьей оси датчика. На абсциссе изображена частота вращения, на ординате амплитуда измеренного значения. Можно увидеть, что при различных частотах вращения образуются на различных осях датчика различные ходы сигнала. Эти различия в различных направлениях могут применяться для соответствующего изобретению способа, который изображен в качестве примера на фиг. 10.
На фиг. 10 изображена блок схема примера осуществления соответствующего изобретению способа. На первом этапе 30 регистрируются измеренные значения датчиков, по меньшей мере, в одном направлении. В этом примере осуществления измеренные значения регистрируются в трех направлениях/осях датчика. На этапе 31 эти измеренные значения анализируются, и при этом рассчитывается амплитуда, фаза и частота измерительного сигнала. Из этого получаются параметры вибраций электродвигателя. На этапе 32 рассчитанная амплитуда сравнивается с опорной амплитудой. Если амплитуда измерительных сигналов на всех осях датчика не превышает пороговое значение, дальнейшая обработка прерывается, и происходит возврат к новой регистрации данных на этапе 30. Если амплитуда измерительного сигнала на одной оси датчика превышает пороговое значение, то выполняются дальнейшие этапы.
На этапе 33 определенные измеренные значения и/или рассчитанные параметры сравниваются с вибрационными состояниями известных форм вибраций, то есть определенные параметры сравниваются с опорными параметрами, причем опорные параметры в каждом случае были записаны для известных форм вибраций. Эти опорные параметры могут происходить из банка данных, содержимое которого возникло при калибровочном измерении электродвигателя. Альтернативно банк данных может также содержать опорные параметры конструктивно идентичного или, по меньшей мене, сходного электродвигателя. Из этого может делаться вывод, в каком вибрационном состоянии находится в текущий момент электродвигатель.
На этапе 34 осуществляется реакция на обнаруженное вибрационное состояние, благодаря тому, что, например, незначительно уменьшается частота вращения. На этапе 35 происходит ожидание, пока изменения окажут влияние, и система перейдет в устойчивое состояние. Это происходит обычно в пределах от нескольких секунд до нескольких минут. После этого способ повторяется с этапа 30, и выполняется новая регистрация данных.
В отношении дальнейших предпочтительных вариантов осуществления соответствующего изобретению электродвигателя или соответствующего изобретению вентилятора делается для предотвращения повторений ссылка на общую часть описания, а также на приложенную формулу изобретения.
Наконец, следует прямо указать, что вышеописанные примеры осуществления служат лишь для рассмотрения заявленного технического решения, но не ограничивают его примерами осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 электродвигатель (ротор не изображен)
2 статор
3 ось двигателя
4 опорная труба
5 область гнезда подшипника
6 втулка статора
7 корпус электроники
8 дно
9 боковая стенка
10 печатная плата
11 нижняя сторона
12 верхняя сторона
13 датчик вибраций
14 заливочная масса
15 заливочная масса
16 винт
17 отверстие
18 пластиковое покрытие
19 возвышение
20 разделительная стенка
21 клеевая подушка
22 первая заливочная масса
23 вторая заливочная масса
24 алюминиевый конструктивный элемент
25 пластиковое экструзионное покрытие
26 крышка
27 крепежные винты
28 пластиковая облицовка.
1. Электродвигатель со статором (2), установленным с возможностью вращения относительно статора ротором и электроникой двигателя, причем электроника двигателя расположена в корпусе (7) электроники и смонтирована на печатной плате (10),
отличающийся тем, что
на печатной плате (10) расположен, по меньшей мере, один датчик (13) вибраций, который выполнен для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя (1), по меньшей мере, в одном направлении, и при этом печатная плата (10) при помощи, по меньшей мере, одного соединительного элемента соединена вибрационно-технически с другими компонентами электродвигателя (1), так что, по меньшей мере, части вибраций электродвигателя передаются на датчик (13) вибраций.
2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус (7) электроники имеет дно (8) и предпочтительно боковые стенки (9).
3. Электродвигатель по п. 2, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один датчик (13) вибраций расположен на обращенной к дну (8) корпуса (7) электроники стороне печатной платы (10).
4. Электродвигатель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что дно (8) корпуса (7) электроники имеет в области упомянутого, по меньшей мере, одного датчика (13) вибраций возвышение (19), так что расстояние между, по меньшей мере, одним датчиком (13) вибраций и корпусом (7) электроники сокращено.
5. Электродвигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один соединительный элемент изготовлен из пластика.
6. Электродвигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя заливочную массу (14, 15, 22, 23), которая заполняет, по меньшей мере, упомянутые части области между корпусом (7) электроники и печатной платой (10).
7. Электродвигатель по п. 6, отличающийся тем, что заливочная масса разделена разделительной стенкой (20) на первую заливочную массу (22) и вторую заливочную массу (23), причем вторая заливочная масса (23) имеет меньшую упругость, чем первая заливочная масса (22), и причем вторая заливочная масса (23) расположена у датчика (13) вибраций.
8. Электродвигатель по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя клеевую подушку (21) или клей.
9. Электродвигатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя пластиковое экструзионное покрытие (25), которое размещено, по меньшей мере, на частях электродвигателя (1), причем, по меньшей мере, один датчик (13) вибраций находится предпочтительно в непосредственном контакте с пластиковым экструзионным покрытием (25).
10. Электродвигатель по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один соединительный элемент включает в себя крепежное средство, причем крепежное средство образовано предпочтительно винтом (16), заклепкой, зажимом, зажимным штифтом или просечным штифтом, причем крепежное средство расположено предпочтительно рядом с датчиком (13) вибраций.
11. Электродвигатель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что корпус (7) электроники образован на втулке (6) статора электродвигателя (1).
12. Электродвигатель по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что электродвигатель (1) образован электродвигателем с электронной коммутацией (Electronically Commutated Motor).
13. Электродвигатель по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что корпус (7) электроники имеет дно (8) и боковые стенки (9), и что дно (8) и/или боковые стенки (9) покрыто/покрыты или облицовано/облицованы пластиком (18).
14. Вентилятор с электродвигателем по любому из пп. 1-13 и рабочим колесом, причем рабочее колесо соединено с ротором электродвигателя.
15. Способ оценки вибрационного состояния электродвигателя, в частности электродвигателя по любому из пп. 1-13, включающий в себя этапы:
генерирование измерительного сигнала, по меньшей мере, одним датчиком вибраций, причем упомянутый, по меньшей мере, один датчик вибраций выполнен для измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя, по меньшей мере, в одном направлении,
установление амплитуды и/или фазы и/или частоты измерительного сигнала для определения, по меньшей мере, одного параметра вибрации электродвигателя,
сравнение определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром и
определение вибрационного состояния электродвигателя на основе результата сравнения определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что на основе определенного вибрационного состояния генерируют предупреждающее сообщение и/или инициируют меры для защиты электродвигателя.
17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что перед сравнением определенного, по меньшей мере, одного параметра с соответствующим опорным параметром проверяют, превышает ли упомянутый, по меньшей мере, один параметр заранее заданное пороговое значение.
