Способ и система оценки вибрационного состояния электродвигателя
Раскрыт способ оценки вибрационного состояния электродвигателя. Способ включает в себя этапы: определение значения вибраций электродвигателя (1) путем измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя (1) с применением датчика (5) вибраций электродвигателя (1), при этом вибрации измеряются по меньшей мере в одном направлении и при этом значение вибраций представляет каждое из измеряемых по меньшей мере одного направления, определение текущей частоты (n) вращения электродвигателя, сравнение значения вибраций с опорным значением текущей частоты (n) вращения электродвигателя (1), сравнение значения вибраций с опорным значением текущей частоты вращения и определение критерия оценки для оценки вибрационного состояния электродвигателя на базе сравнения значения вибраций с опорным значением. Также раскрыт соответствующий электродвигатель (1), а также система, состоящая из электродвигателя (1) и системы (2) тестирования, с помощью которой могут калиброваться вибрационное состояние электродвигателя (1) и создаваться опорные значения. Техническим результатом при реализации заявленной группы изобретений является усовершенствование и повышение точности способа и системы оценки вибрационного состояния электродвигателя, а также электродвигатель и вентилятор таким образом, чтобы мог делаться надежный вывод о вибрационном состоянии электродвигателя. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение касается способа и системы оценки вибрационного состояния электродвигателя. Изобретение касается также электродвигателя, в частности для осуществления способа, а также вентилятора, имеющего такой электродвигатель.
Электродвигатели во время их эксплуатации подвержены самым различным видам колебаний и вибраций. Эти вибрации могут вызываться самим электродвигателем, приводимой в движение нагрузкой или зоной, в которой установлен электродвигатель. Когда электродвигатель является, например, составной частью вентилятора, то вибрацию может создавать дисбаланс рабочего колеса. К тому же неравномерный приводной момент, который может возникать, например, из-за пульсирующего постоянного напряжения промежуточного контура, может также усиливать вибрации. Когда вентилятор смонтирован в промышленной зоне, которая к тому же подвержена вибрациям, возникают дополнительные вибрации.
Двигатели или, соответственно, вентиляторы обычно перед отгрузкой заказчику или, соответственно, перед монтажом в корпус подвергаются динамической балансировке, при этом уменьшаются несимметричные распределения веса или прочие создающие вибрации обстоятельства. Однако уже при монтаже в корпус, при транспортировке к заказчику, при установке в прикладной системе заказчика или у конечного заказчика могут происходить повреждения, которые ухудшают качество балансировки. Когда вентилятор эксплуатируется в окружающих условиях с налипающей грязью, как, например, в сельском хозяйстве или в окружающих условиях с сильной коррозией, на протяжении срока службы вентилятора качество балансировки также ухудшается.
Дисбалансы приводят к усиленным вибрациям, которые, в свою очередь, очень сильно нагружают компоненты электродвигателя. Так, например, подшипники значительно сильнее нагружаются за счет вибраций, чем это происходило бы у менее вибрирующей системы. С другой стороны, вибрации создают нагрузку на электронику, которая интегрирована в электродвигатель. Это может приводить к разъединению паяных соединений, разрушению конструктивных элементов или даже поломке печатных плат. В целом высокий уровень вибраций может приводить к заметному сокращению срока службы электродвигателя и/или его компонентов.
В EP 2972431 B1 раскрыт электродвигатель, имеющий функциональный мониторинг подшипников двигателя. Для этого на фланце статора на его обращенной от ротора стороне закреплен датчик вибраций и измеряет вибрации электродвигателя. Таким образом может распознаваться возникновение проблем с подшипником электродвигателя. Однако могут делаться только условные выводы о вибрационном состоянии электродвигателя.
Поэтому в основе настоящего изобретения лежит задача, выполнить и усовершенствовать способ и систему вышеназванного вида, а также электродвигатель и вентилятор таким образом, чтобы мог делаться надежный вывод о вибрационном состоянии электродвигателя.
В соответствии с изобретением вышестоящая задача решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения. Соответственно этому, способ, о котором идет речь, включает в себя следующие этапы:
определение значения вибраций электродвигателя путем измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя с применением датчика вибраций электродвигателя, при этом вибрации измеряются по меньшей мере в одном направлении, и при этом значение вибраций представляет каждое из измеряемых по меньшей мере одного направления,
определение текущей частоты вращения электродвигателя,
сравнивание значения вибраций с опорным значением текущей частоты вращения и
определение критерия оценки для оценки вибрационного состояния электродвигателя на базе сравнения значения вибраций с опорным значением.
В отношении электродвигателя вышестоящая задача решается с помощью признаков п.14 формулы изобретения. Соответственно этому, электродвигатель, наряду со статором и опертым с возможностью вращения относительно статора ротором, дополнительно включает в себя:
датчик вибраций, который выполнен для измерения вибраций электродвигателя по меньшей мере в одном направлении,
блок определения частоты вращения, который выполнен для определения текущей частоты вращения электродвигателя,
компаратор, который сравнивает определенные с применением датчика вибраций значения вибраций с опорным значением текущей частоты вращения, и
блок оценки, который выполнен для определения критерия оценки для оценки вибрационного состояния на базе результата сравнения компаратора.
В отношении вентилятора вышестоящая задача решается с помощью признаков п.16 формулы изобретения. Соответственно этому, вентилятор включает в себя предлагаемый изобретением электродвигатель и рабочее колесо, при этом рабочее колесо соединено с ротором электродвигателя.
В отношении системы вышестоящая задача решается с помощью признаков п.17 формулы изобретения. Соответственно этому, система включает в себя:
предлагаемый изобретением электродвигатель,
систему тестирования, которая выполнена для управления электродвигателем при варьировании частоты вращения, и которая включает в себя по меньшей мере один тестовый датчик для измерения вибраций электродвигателя,
при этом электродвигатель соединен с системой тестирования таким образом, что указанным по меньшей мере одним тестовым датчиком могут измеряться вибрации электродвигателя, и
при этом система выполнена для того, чтобы при нескольких различных частотах вращения электродвигателя измерять вибрации посредством указанного по меньшей мере одного тестового датчика и посредством датчика вибраций электродвигателя.
Предлагаемым изобретением образом сначала было обнаружено, что вибрационное состояние электродвигателя может подвергаться особенно надежной аналитической обработке тогда, когда оценка вибрационного состояния осуществляется в зависимости от текущей частоты вращения электродвигателя. Таким образом могут не только идентифицироваться резонансные частоты электродвигателя, но и распознаваться предельная нагрузка электродвигателя, например, вследствие слишком высокого дисбаланса. Для этого в соответствии с изобретением измеряется некоторое значение вибраций электродвигателя, при этом измеряются ускорение и/или скорость вибраций электродвигателя. Для этого применяется датчик вибраций, который интегрирован в электродвигатель или вибрационно-технически связан с электродвигателем. При этом датчик вибраций измеряет вибрации по меньшей мере в одном направлении. Когда вибрации должны измеряться только в одном направлении, достаточно одного простого одноосевого датчика. При измерениях в нескольких направлениях это может достигаться таким образом, что датчик вибраций представляет собой многоосевой датчик. С другой стороны, датчик вибраций мог бы быть образован несколькими отдельными сенсорами, которые измеряют вибрации в различных направлениях. Эти результаты измерений используются для получения значения вибраций электродвигателя. Причем значение вибраций представляет каждое из измеряемого по меньшей мере одного направления. Обычно это означает, что значение вибраций образовано некоторым набором значений, как это обычно бывает, например, у векторов. Однако возможны также случаи, при которых абсолютные значения в каждом направлении не имеют значения. В таких случаях значение вибраций может также образовываться одной абсолютной величиной, в которой, например, суммированы отдельные значения вибраций в каждом из направлений, как при сложении векторов.
На следующем этапе определяется текущая частота вращения электродвигателя. При этом определение частоты вращения и определение значений вибраций должно находиться в тесной временной зависимости. Должно было бы быть обеспечено, чтобы в момент времени измерения вибраций найденная частота вращения также являлась фактически текущей. У электродвигателей, имеющих небольшой диапазон частоты вращения, между определением частоты вращения и измерением вибраций может все же лежать относительно большой временной интервал. Здесь между определением частоты вращения и измерением вибраций могут быть несколько минут или даже часов. Но чаще всего определение частоты вращения и измерение вибраций должны были бы осуществляться с коротким временным интервалом, предпочтительно в течение 10 секунд, особенно предпочтительным образом в течение 1 секунды, совсем особо предпочтительным образом в течение 0,1 секунды. Для определения текущей частоты вращения может применяться отдельный датчик частоты вращения. С другой стороны, частота вращения может выводиться из других величин электродвигателя. Так, значение частоты вращения может браться из электроники двигателя или выводиться из частоты питающего напряжения. Соответствующие способы определения частоты вращения электродвигателя достаточно хорошо известны из практики.
По определенной текущей частоте вращения определяется или загружается опорное значение и сравнивается с определенным значением вибраций. При этом список опорных значений, содержащий каждую соответствующую частоту вращения, может быть сохранен в памяти, и на базе текущей частоты вращения из списка может загружаться опорное значение. Возможно было бы также, чтобы опорные значения были сохранены в памяти в виде функции в зависимости от частоты вращения, причем функция может представлять собой приближение фактического состояния и/или быть определена на отдельных участках. Тогда определение опорного значения содержало бы расчет функции, имеющей в качестве переменной текущую частоту вращения. Однако опорное значение может подаваться одним или несколькими тестовыми датчиками системы тестирования, который измеряет вибрации электродвигателя одновременно или близко во времени с датчиком вибраций электродвигателя. Таким образом предлагаемый изобретением способ может применяться как в номинальном режиме электродвигателя, так и в режиме калибровки в системе тестирования.
Из сравнения определенного значения вибраций и (определенного) опорного значения определяется критерий оценки, который является репрезентативным для вибрационного состояния электродвигателя. На базе этого критерия оценки может определяться, имеет ли место критическое вибрационное состояние электродвигателя или эксплуатируется ли электродвигатель в допустимых пределах вибраций. Таким образом можно судить не только о вибрационном состоянии, обусловленном подшипниками, но и о вибрациях, которые генерируются нагрузкой, например, рабочим колесом вентилятора, имеющим дисбаланс, или (окружающей) средой установки (монтажа). Так как при номинальном режиме электродвигателя для недопустимо высокой вибрационной нагрузки электродвигателя, в конце концов, имеет второстепенное значение, в результате чего генерируются вибрации, вибрационное состояние электродвигателя может всеобъемлюще оцениваться предлагаемым изобретением способом.
При применении предлагаемого изобретением способа в режиме калибровки в системе тестирования критерий оценки может указывать, как влияют вибрации электродвигателя на сигналы датчика вибраций электродвигателя и тестового датчика. Критерий оценки может, например, указывать, правильно ли работает датчик вибраций электродвигателя и/или как сказываются отдельные вибрации в сигнале датчика вибраций электродвигателя и/или как значения вибраций могут распределяться на уровни вибраций или зоны вибраций и оцениваться. Этот перечень показывает, насколько гибко может применяться критерий оценки. Существенно, что критерием оценки может указываться информация о вибрационном состоянии.
В принципе, для предлагаемого изобретением способа не имеет значения, для какого электродвигателя применяется способ. Существенно, что может определяться текущая частота вращения, что, однако, происходит у очень многих электродвигателей. Важно также, что датчик вибраций может интегрироваться в электродвигатель или по меньшей мере монтироваться непосредственно на нем. Однако предпочтительно предлагаемый изобретением способ применяется для EC-двигателей (англ. Electronically Commutated, электронно-коммутируемые двигатели).
Критерий оценки может быть получен, в принципе, самым разным образом. Важно, что критерий оценки содержит информацию о вибрационном состоянии электродвигателя. Так как вибрационное состояние в номинальном режиме электродвигателя во многих случаях будет устанавливаться на максимально допустимое значение вибраций, критерий оценки предпочтительно указывает, насколько значение вибраций отклоняется от максимально допустимого значения вибраций. Как конкретно выглядит критерий оценки, должно было бы зависеть от каждого случая применения. Так, может быть достаточно, когда делается вывод о том, достигнуто ли максимально допустимое значение вибраций или нет. В этом случае критерий оценки может быть образован простым бинарным высказыванием. Однако чаще всего будет иметь значение, насколько велик «интервал» между измеренным значением вибраций и максимально допустимым значением вибраций. В этих случаях критерий оценки может быть получен, например, с помощью оценочной шкалы, содержащей натуральные числа от 1 до 10 или десятичное число от 0 до 1 или процентное число от 0 до 100%. При этом одно из краевых значений может относиться к вибрациям непосредственно после балансировки, в то время как другое краевое значение, например, указывает достижение максимально допустимого значения вибраций.
После определения критерия оценки есть разные возможности реагирования на оценку вибрационного состояния. В принципе, возможны все реакции, которые связаны с оцениваемым вибрационным состоянием. Однако в одном из усовершенствованных вариантов осуществления создается предупреждающее сообщение, которое отображает достижение или превышение максимально допустимого значения вибраций. Как выдается предупреждающее сообщение, зависит, в свою очередь, от соответствующего сценария применения. Так, в частности в среде Industrie 4.0, было бы возможно, чтобы соответствующее предупреждающее сообщение рассылалось через сеть. Это предупреждающее сообщение может, например, приниматься техническим обслуживающим персоналом или обслуживающим персоналом, и могут приниматься надлежащие ответные меры. Предупреждающее сообщение может также выдаваться простым светоизлучающим диодом, который, например, в нормальном режиме светится зеленым, а при достижении или превышении максимально допустимого значения вибраций - красным. Здесь возможно было бы также, чтобы, например, при превышении первого предельного значения вибраций светоизлучающий диод светился оранжевым. Предупреждающее сообщение может также, в частности в окружающих средах с прилипающей грязью, использоваться для инициирования работ по очистке и/или техническому обслуживанию.
Альтернативно или дополнительно при достижении или превышении максимально допустимого значения вибраций могут вводиться меры по защите электродвигателя. Эти меры могут, например, включать в себя изменение частоты вращения электродвигателя. Чаще всего здесь уменьшение частоты вращения должно было бы способствовать уменьшению вибраций. Таким образом, электродвигатель может в определенных случаях приводиться в менее сильно вибрирующее рабочее состояние. Другая мера могла бы заключаться в том, что система управления переключает на более спокойный рабочий режим, при котором, например, сильнее уменьшены пульсации в приводном моменте. Для этого блок оценки, который определяет критерий оценки на базе сравнения значения вибраций и опорного значения, может быть соединен, с осуществлением связи, с электроникой двигателя.
Альтернативно или дополнительно критерий оценки может применяться для распознавания повреждений электродвигателя и/или эксплуатируемой нагрузки. Так, например, может сравниваться один с другим критерий оценки при двух следующих друг за другом активациях электродвигателя. Когда критерии оценки отличаются друг от друга больше, чем на заданное пороговое значение, возможно, имеется повреждение. Таким образом могут распознаваться, например, также транспортные повреждения. Здесь это были бы две следующие друг за другом активации при эксплуатации во время окончательного тестирования электродвигателя и первом пуске в эксплуатацию. Сигналом слишком большого отличия может быть выдача предупреждающего сообщения и/или отказ в эксплуатации электродвигателя.
Альтернативно или дополнительно критерий оценки может также использоваться для осуществления оценки вибраций среды установки. Когда частота вращения электродвигателя равна 0, сам электродвигатель не может генерировать вибрации. Поэтому все измеряемые датчиком вибраций вибрации должны исходить от среды установки (например, теплообменник, вентиляционные каналы, тепловой насос, коробчатый корпус кондиционера и пр.). При этом предлагаемый изобретением способ может использоваться для регистрации и оценки вибраций среды установки. Эта оценка может архивироваться в памяти и учитываться при эксплуатации электродвигателя. Такая оценка среды установки может осуществляться, например, тогда, когда на электродвигатель подается питающее напряжение. Так как тогда начало вращательного движения электродвигателя чаще всего, все равно, осуществляется с задержкой за счет пуска электроники двигателя, то можно смириться с короткой дополнительной задержкой для оценки вибраций среды установки. Кроме того, возможна оценка во время останова двигателя (также без предварительного отключения питающего напряжения). Здесь можно производить оценку по истечении заданного периода времени. Если новая оценка инициируется тогда, когда электродвигатель еще работает, то оценка может откладываться и производиться после останова двигателя. Если оценка вибраций среды установки выявляет очень высокое или даже слишком высокое значение вибраций, то может выдаваться предупреждающее сообщение и/или производиться отказ в эксплуатации электродвигателя.
В одном из вариантов осуществления датчика вибраций значение вибраций определяется с применением датчика вибраций, который расположен в электронике электродвигателя. Многие электродвигатели, в частности EC-двигатели, имеют электронику двигателя, которая нужна для управления и/или регулирования электродвигателя. Такие электроники двигателя генерируют, например, питающее напряжение для обмоток статора и/или ротора. Такая система датчика вибраций описана, например, в DE 10 2018 211 838 A1, на содержание которой настоящим делается непосредственная ссылка. Причем эта электроника двигателя может быть расположена внутри электродвигателя, например, в корпусе электроники, который выполнен во втулке статора. Но возможно также, чтобы электроника двигателя была расположена в отдельном корпусе электроники, и чтобы этот корпус электроники был прифланцован или привернут к электродвигателю. И в этом случае расположенный в электронике двигателя датчик вибраций считается датчиком вибраций электродвигателя.
В другом варианте осуществления датчика вибраций значение вибраций определяется с применением датчика вибраций, который является составной частью системы датчиков, расположенной в подшипниковой трубе электродвигателя. Многие электродвигатели, в частности электродвигатели в диапазоне средней и большой мощности (то есть примерно 100 Вт-15 кВт) имеют подшипниковую трубу, в которой расположен с возможностью вращения вал электродвигателя. Между валом и стенкой подшипниковой трубы имеется промежуток, который во многих случаях имеет ширину от 4 мм до 8 мм. Этот промежуток может использоваться для системы датчиков, которая позволяет измерять рабочие параметры электродвигателя. Такая система датчиков описана, например, в DE 10 2018 211 833, на содержание которой настоящим делается непосредственная ссылка.
Сам датчик вибраций может быть выполнен самыми разными способами. Существенно, чтобы датчик вибраций был способен давать значения ускорения и/или значения скорости измеряемого вибрации. При этом датчик вибраций может быть образован датчиком ускорения MEMS (англ. Micro Electro-Mechanical System, МЭМС, микроэлектромеханическая система), пьезоэлектрическим сенсором ускорения, микрофоном (например, МЭМС-микрофоном) или тензометрическим преобразователем. Соответственно подходящие датчики достаточно хорошо известны из практики.
В зависимости от вида оценки вибрационного состояния электродвигателя может быть уместным измерение вибраций в одном или нескольких направлениях. Однако предпочтительно измеряются вибрации в трех направлениях, каждое из которых учитываются в значении вибраций. Причем три направления предпочтительно перпендикулярны каждое друг другу. Эти три направления могут, например, задавать классическую декартову систему координат. При этом, например, первое направление может быть параллельно оси электродвигателя, в то время как одно из других направлений расположено параллельно базовой плоскости электродвигателя.
Для получения как можно более всеобъемлющей картины вибрационного состояния электродвигателя, в частности в номинальном режиме электродвигателя, определение значения вибраций и оценка вибрационного состояния выполняются повторно. При этом определение значения вибраций и оценка вибрационного состояния могут запускаться особыми событиями. Таким событием может быть, например, включение и разгон электродвигателя или изменение частоты вращения. Особенно предпочтительным образом определение значения вибраций и оценка вибрационного состояния осуществляется периодически. Это означает, что осуществление указанных этапов инициируется через предопределенные временные интервалы. При этом длина периода, то есть временные интервалы, может зависеть от данного сценария применения. Когда, например, надо реагировать на загрязнения на рабочем колесе вентилятора, то могло бы быть достаточным, если бы вибрационное состояние оценивалось ежедневно, еженедельно или даже ежемесячно. В зонах эксплуатации, в которых регулярные изменения вибраций и регулярное изменение частоты вращения являются обычными, можно было бы предложить более короткие продолжительности периодов. Здесь возможна было бы, например, ежечасная оценка или оценка с интервалом в несколько минут.
Предпочтительно найденное значение вибраций и/или определенный критерий оценки сохраняется в памяти. Таким образом значение вибраций и/или критерий оценки могут регистрироваться одновременно во время эксплуатации. При этом память может быть буферизована посредством энергоснабжения, например, батареи. Однако предпочтительно применяется энергонезависимая память, такая как, например, флэш-память, EEPROM (англ. Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемая программируемая память только для чтения), NVRAM (англ. Non-volatile Random Access Memory, энергонезависимая память произвольного доступа) или другая полупроводниковая память. При сохранении значения вибраций и/или критерия оценки предлагается одновременно сохранять текущую частоту вращения, при которой было зарегистрировано значение вибраций. Дополнительно предлагается сохранять отметку времени, которая указывает момент времени регистрации значения вибраций. Предпочтительно для этого имеются часы реального времени, которые могут предоставлять данные для соответствующей отметки времени.
Дополнительно или альтернативно найденное значение вибраций и/или определенный критерий оценки может передаваться через интерфейс связи. Причем интерфейс связи может иметь самую разную конструкцию. Могут применяться способы беспроводной передачи, например, на основе радиосвязи или оптические способы, так же, как и проводные способы. Передача может осуществляться аналоговым или цифровым, последовательным или параллельным образом, пакетами или в потоках данных, через шину или прямые соединения. Применяемая в каждом случае технология передачи будет зависеть от данного сценария применения. В качестве примера, но не ограничиваясь ими, можно сослаться на Bluetooth, Bluetooth LE (Low Energy), NFC (Near Field Communication), Ethernet, RS485, Modbus, Profibus, CAN-Bus или USB (Universal Serial Bus). При этом предпочтительно интерфейс связи - непосредственно или опосредованно - предоставляет доступ к сети широкого охвата.
Интерфейс связи может быть соединен, с осуществлением связи, с электроникой двигателя. При этом электроника двигателя может быть выполнена для того, чтобы на базе принятых через интерфейс связи значений вибраций и/или критериев оценки производить адаптацию управления обмотками статора и/или ротора. Так, например, критерий оценки может указывать, что имеется слишком высокая вибрационная нагрузка электродвигателя. В этом случае электроника двигателя может управлять двигателем таким образом, чтобы вибрационная нагрузка уменьшалась. Это могло бы также происходить путем незначительного изменения частоты вращения электродвигателя, чтобы переместить электродвигатель, например, из резонансной частоты.
Для нахождения опорного значения, которое может использоваться в номинальном режиме электродвигателя, предпочтительно осуществляются измерения при калибровке и/или разгоне. При этом электродвигатель эксплуатируется при нескольких различных частотах вращения, и измеряются вибрации электродвигателя. При измерении при разгоне частота вращения непрерывно или псевдо-непрерывно повышается, благодаря чему, например, особенно хорошо могут находиться резонансные частоты. При измерениях при калибровке и/или разгоне вибрации измеряются, с одной стороны, с помощью датчика вибраций электродвигателя, а с другой стороны, с помощью по меньшей мере одного тестового датчика. При этом указанный по меньшей мере один тестовый датчик является предпочтительно составной частью системы тестирования. При этом указанный по меньшей мере один тестовый датчик связан с корпусом электродвигателя таким образом, что вибрации электродвигателя могут определяться и наиболее оптимально поступать на тестовый датчик. Благодаря одновременной регистрации с помощью датчика вибраций электродвигателя может устанавливаться непосредственная связь между датчиком вибраций и тестовым датчиком и оцениваться предлагаемым изобретением способом. В частности, когда датчик вибраций заделан в заливочную массу, вибрации электродвигателя, будут поступать демпфированными на датчик вибраций электродвигателя. Благодаря одновременному измерению с помощью указанного по меньшей мере одного тестового датчика может устанавливаться связь между результатами измерений датчика вибраций и результатами измерений указанного по меньшей мере одного тестового датчика. Эта связь может тогда отражаться в соответственно релевантном референтном значении. Тогда в зависимости от характеристики демпфирования между датчиком вибраций и «остатком» электродвигателя, опорное значение будет отличаться в различной степени.
Предпочтительно дополнительно к определению опорных значений для различных частот вращения определяется значение отклонения, которое указывает взаимосвязь между результатом измерения датчика вибраций электродвигателя и результатом измерений указанного по меньшей мере одного тестового датчика. Это значение отклонения в одном из усовершенствований может использоваться для коррекции максимально допустимого значения вибраций. Таким образом можно отвечать на характеристику передачи вибраций к датчику вибраций электродвигателя.
В одном из усовершенствованных вариантов осуществления референтная линия характеристики, которая содержит несколько опорных значений при различных частотах вращения электродвигателя, может сохраняться в банке данных двигателя. Этот банк данных двигателя мог бы содержать рабочие параметры нескольких электродвигателей, причем каждый набор данных в этом банке данных воспроизводит режим эксплуатации каждого соответствующего отдельного электродвигателя («цифровой близнец»). Такая система банка данных описана, например, в DE 10 2018 210 707 A1.
Предлагаемый изобретением электродвигатель включает в себя, наряду со статором и ротором, датчик вибраций, блок определения частоты вращения, компаратор и блок оценки и выполнен, в частности, для осуществления предлагаемого изобретением способа. Датчик вибраций выполнен для измерения вибраций электродвигателя по меньшей мере в одном направлении. Блок определения частоты вращения выполнен для определения текущей частоты вращения электродвигателя. Компаратор сравнивает определенные с применением датчика вибраций значения вибраций с опорным значением и выдает результат сравнения в блок оценки, который выполнен для определения критерия оценки для оценки вибрационного состояния на базе этого результата сравнения. При этом следует указать, что эти компоненты не обязательно должны быть предоставлены исключительно для оценки вибрационного состояния. Напротив, могут также использоваться компоненты, которые, так или иначе, уже имеются для других целей. Так, например, блок определения частоты вращения может быть предоставлен для управления двигателя, чтобы можно было производить подходящее управление обмоток ротора и/или статора. Далее, например, блок оценки или компаратор может быть имплементирован в микроконтроллер управления двигателя.
Предпочтительно электродвигатель включает в себя интерфейс, который выполнен для обмена значениями вибраций и/или калибровочными значениями вибраций с системой тестирования. Таким образом может оптимизироваться замер электродвигателя при измерении при калибровке и/или разгоне. Этот интерфейс, в свою очередь, может быть выполнен различным образом. Могут применяться беспроводные интерфейсы, так же, как и кабельные. Однако так как электродвигатель в системе тестирования, так или иначе, уже эксплуатируется посредством кабеля, предлагается кабельный интерфейс.
Итак, есть разные возможности осуществления и усовершенствования идеи настоящего изобретения предпочтительным образом. В связи с этим, с одной стороны, следует сослаться на пункты, зависимы от п.1 формулы изобретения, а с другой стороны, на последующее пояснение предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежа. В связи с пояснением предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежа поясняются также вообще предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования идеи изобретения. На чертеже показано:
фиг.1: блок-схема, содержащая предлагаемый изобретением электродвигатель и систему тестирования, а также взаимодействие между этими составными частями;
фиг.2: технологическая схема предлагаемого изобретением способа оценки вибрационного состояния электродвигателя в режиме калибровки и
фиг.3: технологическая схема предлагаемого изобретением способа оценки вибрационного состояния электродвигателя в номинальном режиме.
На фиг.1 показана блок-схема, содержащая систему из предлагаемого изобретением электродвигателя 1 и системы 2 тестирования, при этом на чертеже фиг.1 показаны соответственно наиболее релевантные для этого способа компоненты. Электродвигатель 1 является составной частью вентилятора и при эксплуатации генерирует вибрации, что изображено стрелкой 3, и частоту вращения, что изображено стрелкой 4. Вибрации 3 измеряются с помощью (внутреннего) датчика 5 вибраций электродвигателя по меньшей мере в одном направлении. Найденные с помощью датчика 5 вибраций результаты измерений передаются в процессор 6, который, например, образован микроконтроллером. Этот процессор 6 может производить, например, аналогово-цифровое преобразование и/или управлять регистрацией результатов измерений. При этом процессор 6 может находить из результатов измерений значения вибраций. К тому же процессором 6 выполняется программа, которая функционирует в качестве блока оценки и рассчитывает критерий оценки. Помимо этого, процессор 6 выполнен для определения текущей частоты вращения.
Процессор 6 соединен с интерфейсом 7 и (внутренней) памятью 8. Интерфейс 7 представляет собой коммуникационное соединение с системой 2 тестирования. Через выход OUT интерфейса 7 в систему 2 тестирования может посылаться информация, через вход IN интерфейса 7 может приниматься информация от системы 2 тестирования, при этом входной канал и выходной канал не обязательно должны быть реализованы отдельно друг от друга, а могут также использовать общую линию связи, например, с применением шины. Память 8 служит для сохранения опорных значений и/или определенных значений вибраций и/или определенных критериев оценки.
Система 2 тестирования включает в себя по меньшей мере один тестовый датчик9, датчик 10 частоты вращения и интерфейс 13. Указанный по меньшей мере один тестовый датчик 9 выполнен для того, чтобы измерять вибрации 3 электродвигателя 1. Для этого указанный по меньшей мере один тестовый датчик 9 вибрационно-технически связан с электродвигателем. Датчик 10 частоты вращения измеряет текущую частоту вращения 4 электродвигателя 1. Как указанный тестовый датчик/указанные тестовые датчики 9, так и датчик 10 частоты вращения передают измеренные результаты измерений в блок 11 регистрации данных, который, в свою очередь, может передавать информацию в процессор 12. Процессор 12 соединен с блоком 14 вывода данных, посредством которого, например, может осуществляться отображение баланса или могут выдаваться результаты окончательного тестирования. Кроме того, процессор соединен с интерфейсом 13, который, как и интерфейс 7, включает в себя вход IN и выход OUT. Вход IN интерфейса 13 соединен, с осуществлением связи, с выходом OUT интерфейса 7, в то время как выход OUT интерфейса 13 соединен, с осуществлением связи, с входом IN интерфейса 7. Дополнительно вход IN интерфейса 13 соединен с блоком 11 регистрации данных, а выход OUT интерфейса 13 с банком 15 данных, который представляет собой банк данных двигателя для сохранения рабочих параметров электродвигателя 1.
Примерное поведение изображенной на фиг.1 системы изображено на фиг.2 в виде поточной схемы. На начальном этапе 20 электродвигатель эксплуатируется с частотой n вращения. При этом электродвигатель 1 создает вибрации, которые представлены значением S вибраций - предпочтительно многомерной величиной. После этапа 20 поточная схема разветвляется на часть, которая выполняется в системе тестирования, и часть, которая выполняется в электродвигателе или, соответственно, в его электронике двигателя.
На этапе 21 в интегрированной электронике электродвигателя/вентилятора с помощью датчика 5 вибраций электродвигателя 1 регистрируются значения вибраций двигателя. Одновременно определяется текущая частота вращения электродвигателя, что может осуществляться путем считывания соответствующего сохраненного в памяти значения электроники двигателя. На этапе 22 с помощью значения S вибраций и соответствующей частоты вращения создается пара значений Wдвигателя, которая затем на этапе 23 через интерфейс 7 передается в систему 2 тестирования. Одновременно на этапе 24 посредством указанного по меньшей мере одного тестового датчика 9 измеряются вибрации 3 электродвигателя 1. Затем полученные таким образом значения вибраций на этапе 25 объединяются с текущей частотой вращения в пару значений Wсистемы тестирования. Эта пара значений Wсистемы тестирования на этапе 26 вместе с по существу одновременно зарегистрированной парой значений Wдвигателя передается в процессор 12. Пара значений Wдвигателя на этапе 27 через соединение между интерфейсом 7 и 13 из этапа 23 была передана в систему тестирования. На этапе 28 пары значений Wдвигателя и Wсистемы тестирования сравниваются друг с другом, так что результаты измерений тестового датчика 9 представляют собой опорное значение в смысле предлагаемого изобретением способа. На этапе 29 производится калибровка значений вибраций при одинаковой частоте вращения. Это может включать в себя определение значения отклонения и/или критерия оценки. Затем значения Wдвигателя и Wсистемы тестирования вибраций при соответственно одинаковой частоте вращения могут в качестве опорных значений архивироваться в банке 15 данных и на этапе 30 через интерфейс 13 передаваться в электродвигатель 1. В электродвигателе на этапе 31 опорные значения и/или значения отклонений передаются из интерфейса 7 и на этапе 32 сохраняются во внутренней памяти 8.
Путем повторного осуществления этих процессов при различных частотах вращения могут приниматься опорные линии характеристик электродвигателя, а также системы тестирования, и семейство опорных значений вместе с соответствующими им частотами вращения архивироваться во внутренней памяти 8 электродвигателя и банке 15 данных. Таким образом может получаться справочная таблица, которая может применяться при дальнейшем применении способа в «нормальном» режиме электродвигателя.
Зарегистрированные тестовым датчиком 9 значения вибраций двигателя или, соответственно, вентилятора могут использоваться для оценки и распределения на уровни вибраций или зоны вибраций. Вследствие согласования результатов измерений внутреннего датчика 5 и тестового датчика 9 при дальнейшем применении двигателя могут делаться заключения о фактически имеющихся вибрациях и производиться оценка имеющегося уровня вибраций в приложении заказчика без связи с системой тестирования.
Дополнительно калибровочное измерение на тестовом стенде указывает, работоспособен ли датчик 5 вибраций электродвигателя 1, а также соответствующие ему компоненты регистрации результатов измерений и обработки результатов измерений, и генерируются ли достоверные результаты измерений, так как они сравниваются со значениями вибраций системы тестирования.
Кроме того, тестовым датчиком системы балансирования могут еще регистрироваться результаты измерений вибрации ротора (без соответствующего ему статора) при балансировке ротора в «эквивалентном»-статоре и при калибровке в системе тестирования передаваться в виде дополнительных пар значений или, соответственно, в виде линии характеристики в банк данных или, соответственно, внутреннюю память электроники двигателя. Эта информация может применяться для отфильтровывания и оценки влияния вибраций навесных частей в приложении заказчика.
На фиг.3 электродвигатель или, соответственно, его электроника двигателя отсоединены от системы тестирования. Таким образом, эти этапы могут осуществляться при «нормальной» эксплуатации электродвигателя, например, в установке заказчика. Причем эти этапы могут запускаться периодически. И здесь на начальном этапе 20 электродвигатель эксплуатируется с частотой n вращения. При этом электродвигатель 1 генерирует вибрации, которые представлены значением S вибраций - предпочтительно многомерной величиной. На последующем этапе 21 датчиком 5 вибраций электродвигателя 1 регистрируются 1 значения вибраций двигателя. На этапе 22 значением S вибраций электродвигателя 1 и соответствующей частотой вращения создается пара значений Wдвигателя и передается на этап 33, на котором пара значений Wдвигателя предоставляется компаратору. На этапе 34 эта пара значений Wдвигателя сравнивается с опорным значением, которое на этапе 35 загружается из памяти 8. При этом компаратор имплементирован в процессор 6.
Результат сравнения пары значений Wдвигателя с опорным значением на этапе 36 анализируется посредством блока оценки, и создается критерий оценки. Критерий оценки образован здесь в виде бинарной величины, которая указывает, превышено ли максимально допустимое значение вибраций или нет. Если предельное значение максимально допустимого значения вибраций превышено, на этапе 37 принимаются меры по защите электродвигателя и/или окружающей среды, которые, например, могут заключаться в выдаче предупреждающего сообщения или уменьшении частоты вращения (этап 38). Одновременно это событие вместе с соответствующими результатами измерений на этапе 39 может сохраняться в памяти 8. Если максимально допустимое значение вибраций не достигнуто, на этапе 39 пара значений Wдвигателя, результат сравнения и/или другие величины сохраняются в памяти 8.
В нормальном режиме двигателя, называемом также номинальным режимом, результат компаратора указывает, в какой степени увеличились вибрации после калибровочного измерения. Поэтому сравнение на этапе 34 могло бы давать тем большее значение, чем сильнее увеличились вибрации относительно калибровочного измерения. Поэтому этот результат сравнения может сравниваться с предельным значением для максимально допустимой вибрации и отсюда выводиться слишком сильное вибрационное состояние электродвигателя. При этом не имеет значения, вызваны ли вибрации самим электродвигателем, рабочим колесом, приводимым в движение электродвигателем, неидеальным управлением электродвигателем или окружающей средой установки электродвигателя.
В отношении других предпочтительных вариантов осуществления предлагаемой изобретением идеи во избежание повторов ссылаемся на общую часть описания, а также на прилагаемые пункты формулы изобретения.
Наконец, следует непосредственно указать, что описанные выше примеры осуществления служат только для пояснения заявленной идеи, однако не ограничивают ее этими примерами осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Электродвигатель
2 Система тестирования
3 Вибрации
4 Частота вращения
5 Датчик вибраций
6 Процессор
7 Интерфейс
8 Память
9 Тестовый датчик
10 Датчик частоты вращения
11 Блок регистрации данных
12 Процессор
13 Интерфейс
14 Блок вывода данных
15 Банк данных.
1. Способ оценки вибрационного состояния электродвигателя, включающий в себя этапы:
определения значения вибраций электродвигателя (1) посредством измерения ускорения и/или скорости вибраций электродвигателя (1) с применением датчика (5) вибраций электродвигателя (1), при этом вибрации измеряют по меньшей мере в одном направлении, и при этом значение вибраций представляет каждое из измеряемого по меньшей мере одного направления,
определения текущей частоты (n) вращения электродвигателя,
сравнения значения вибраций с опорным значением для текущей частоты вращения и
определения критерия оценки для оценки вибрационного состояния электродвигателя на основе сравнения значения вибраций с опорным значением.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что критерий оценки указывает, насколько данное значение вибраций удалено от максимально допустимого значения вибраций.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при достижении или превышении максимально допустимого значения вибраций генерируют предупреждающее сообщение и/или вводят меры по защите электродвигателя (1).
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для определения значения вибраций применяют датчик (5) вибраций, который расположен в электронике двигателя упомянутого электродвигателя (1).
5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для определения значения вибраций применяют датчик (5) вибраций, который является составной частью системы датчиков, расположенной в подшипниковой трубе электродвигателя (1).
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что при определении значений вибраций электродвигателя (1) измеряют вибрации электродвигателя (1) в трех направлениях, причем три направления предпочтительно перпендикулярны каждое друг другу.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что определение значения вибраций и оценку вибрационного состояния осуществляют повторно, предпочтительно периодически.
8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что значение вибраций и/или критерий оценки сохраняют в памяти (8) и/или передают через интерфейс (7) связи.
9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что во время измерения при калибровке и/или разгоне при нескольких различных частотах вращения электродвигателя (1) определяют опорное значение, при этом вибрации электродвигателя (1) измеряют с помощью датчика (5) вибраций электродвигателя (1) и с помощью по меньшей мере одного тестового датчика (9), и при этом упомянутый по меньшей мере один тестовый датчик (9) предпочтительно является составной частью системы (2) тестирования.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно к определению опорного значения определяют значение отклонения, которое указывает взаимосвязь между результатами измерений датчика (5) вибраций электродвигателя (1) и результатами измерений упомянутого по меньшей мере одного тестового датчика (9), причем значение отклонения предпочтительно используют для коррекции максимально допустимого значения вибраций.
11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что линию характеристики опорных значений с несколькими опорными значениями при различных частотах вращения электродвигателя, сохраняют в банке (15) данных двигателя, причем банк (15) данных двигателя содержит рабочие параметры нескольких электродвигателей.
12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что критерии оценки при двух следующих друг за другом активациях электродвигателя сравнивают друг с другом, и предпочтительно при превышении заданного порогового значения делают заключение о наличии возможного повреждения.
13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что оценку вибрационного состояния осуществляют во время останова электродвигателя, т.е. при частоте вращения, равной 0, причем определенный при этом критерий оценки относится к вибрациям среды установки электродвигателя.
14. Электродвигатель, имеющий статор и ротор, расположенный с возможностью вращения относительно статора, в частности для осуществления способа по любому из пп.1-13, дополнительно включающий в себя:
датчик (5) вибраций, который выполнен для измерения вибраций электродвигателя (1) по меньшей мере в одном направлении,
блок определения частоты вращения, который выполнен для определения текущей частоты (n) вращения электродвигателя (1),
компаратор, который сравнивает значения вибраций, определенные с применением датчика (5) вибраций, с опорным значением текущей частоты (n) вращения и
блок оценки, который выполнен для определения критерия оценки для оценки вибрационного состояния на базе результата сравнения компаратора.
15. Электродвигатель по п.14, отличающийся интерфейсом (7), который выполнен для обмена значениями вибраций и/или калибровочными значениями вибраций с системой (2) тестирования.
16. Вентилятор, имеющий электродвигатель по п.14 или 15 и рабочее колесо, при этом рабочее колесо соединено с ротором электродвигателя.
17. Система для оценки вибрационного состояния электродвигателя, включающая в себя:
электродвигатель по п.14 или 15,
систему (2) тестирования, которая выполнена для управления электродвигателем с варьированием частоты вращения, и которая включает в себя по меньшей мере один тестовый датчик (9) для измерения вибраций электродвигателя (1),
при этом электродвигатель (1) соединен с системой (2) тестирования таким образом, что посредством упомянутого по меньшей мере одного тестового датчика могут измеряться вибрации электродвигателя (1), и
при этом система выполнена для того, чтобы при нескольких различных частотах вращения электродвигателя (1) измерять вибрации посредством упомянутого по меньшей мере одного тестового датчика (9) и посредством датчика (5) вибраций электродвигателя (1).
