用于评估电动机的振动行为的方法以及相应的电动机和风扇

技术领域

本发明涉及一种用于评估电动机的、特别是风扇的电动机的和/或其运行环境的振动行为的方法，以及优选相应构造为用于执行该方法的电动机、风扇和系统。

背景技术

当电动机运行时，无论运行正确与否，都会激发振动。这些振动可能源于电动机本身和/或由电动机驱动的载荷(例如风扇的叶轮)和/或由电动机的运行环境激发。在实践中，可能会发生谐波激发(例如由于不平衡)、随机激发(例如由于噪声)或脉冲类激发(例如由于冲击或冲击系列)。如果这些激发引发结构特定的固有运动，就会产生共振。这种共振导致振动超高。

许多共振、特别是由不平衡引起的共振取决于电动机的转速。由于共振例如通过噪声形成增多或通过损伤电动机的使用寿命而对电动机的运行具有负面影响，因此试图尽可能避免以引起共振的转速运行电动机。这例如可以通过快速超过这些转速和/或通过不允许以这些转速运行来完成。特别是在风扇中，这种方法通常不会没有问题地实现。

如果要避免在共振点运行，则必须知道引起共振的转速。为此已知的是：在生产后在测试台上测量电动机。由于这些转速具有多种影响因素并且通常取决于电动机相应的安装位置，因此在电动机交付之前在测试台中确定共振点通常是不够的。因此，安装有用于振动检测的传感器的电动机是已知的。这种电动机例如在DE 10 2018 211 838 A1和DE 102018 211 846A1中进行了描述。

识别共振点需要在电动机的至少部分可能的运行转速上扫描电动机的振动。特别是在风扇中，这种扫描通常在启动或停机期间进行。启动时，风扇在预定时间内从最小转速(通常是风扇的停止运转状态)加速到最大转速，理想情况下是线性转速斜坡。停机时，转速从非零的起始转速(通常是最大转速)降低到最小转速。在这两种情况下都根据转速检测并评估电动机的振动。对于这种对振动行为的检测例如可以参考DE 20 2019 101 262U1和DE10 2018 211 850 A1。

如果检测到的振动值超过预定义的极限值、例如7毫米/秒(RMS-均方根)或9毫米/秒(RMS)，则推断出存在共振点。此类极限值通常在标准或其它守则中定义、例如ISO14694。超过该极限值的所有转速都作为“禁止”转速得到检测，并且如果可能的话，在后续运行中不使用或快速超过。

这种对电动机振动行为进行评估的缺点是需要启动或停机。在共振不可改变的应用场景中，在电动机开始运转时进行这样的测试运行就足够了。然而在实践中，共振点会发生变化，例如由于沉积物或磨损/老化或风扇运行环境的变化、例如由于设施的适配或扩展或由于维护。在这些情况下，至少偶尔需要进行新的测试运行。特别是对于连续运行的电动机需要额外的维护窗口，这会导致相当大的成本。

发明内容

因此，本发明基于的目的是：设计和改进开头所述类型的方法、电动机、风扇和系统，使得能够尽可能以载荷和/或运行环境灵活而可靠地评估电动机的振动行为，其中在电动机进行运行时进行评估是期望的。

上述目的通过权利要求1的特征得以实现。据此，所讨论的方法包括以下步骤：

通过借助振动传感器检测电动机的至少一部分的振动来生成检测到的振动值，

确定用于检测到的振动值的第一评估量，该第一评估量代表所述电动机的至少一部分的振动强度，

针对评估频率确定所述检测到的振动值的频谱比例，

确定针对检测到的振动值的频谱比例的第二评估量，该第二评估量代表所述电动机的至少一部分在评估频率下的振动强度，以及

通过对第一评估量与第二评估量进行比较来评估振动行为。

关于电动机，上述目的通过并列独立权利要求10的特征得以实现。据此，所讨论的电动机包括：

振动传感器，所述振动传感器构造为用于检测电动机的至少一部分的振动并生成检测到的振动值，

第一评估单元，所述第一评估单元构造为用于确定第一评估量，该第一评估量代表所述电动机的至少一部分的振动强度，

分析单元，所述分析单元构造为用于针对评估频率确定检测到的振动值的频谱比例，

第二评估单元，所述第二评估单元构造为用于确定用于检测到的振动值的频谱比例的第二评估量，该第二评估量代表所述电动机的至少一部分在所述评估频率下的振动强度，以及

评判单元，所述评判单元构造为用于通过对第一评估量与第二评估量进行比较来评估振动行为。

关于风扇，上述目的通过另一并列独立权利要求15的特征得以实现。据此，所讨论的风扇包括叶轮以及根据本发明的电动机，其中，叶轮与电动机的转子联接。

关于系统，上述目的通过另一并列独立权利要求16的特征得以实现。据此，所讨论的系统包括运行环境和驱动器，该驱动器包括根据本发明的电动机和/或根据本发明的风扇，其中，所述运行环境与驱动器相互作用，并且所述驱动器构造为用于检测和评估驱动器的振动以及运行环境的振动。

最初认识到，电动机或者说包括电动机的系统在共振频率范围内的振动行为由谐波振动主导。检测到的振动值的信号曲线则接近正弦曲线。还已经认识到，对共振频率下的振动强度与所有检测到的频率下的振动强度的比较可以很好地用于评定振动行为。因此不再强制性需要启动或停机，而是可以由在电动机运行时对所检测的振动行为的“抓拍”来识别共振点。该知识被用在根据本公开的方法中。

在根据本公开的方法中，首先通过以下方式生成检测到的振动值，即，借助振动传感器来检测电动机的至少一部分的振动。这种检测通常进行到超过检测时间窗口。针对所检测到的振动值确定第一评估量，该第一评估量代表电动机的至少一部分的振动强度。此外，由检测到的振动值确定针对评估频率的频谱比例。这意味着：确定检测到的振动在评估频率下的比例有多大。为所述频谱比例确定第二评估量，该第二评估量代表在评估频率下电动机的至少一部分的振动强度。通过对第一评估量与第二评估量进行比较，可以确定评估频率下谐波振动与整个频谱上的振动相比比例有多大。

如何具体进行这样的比较并不重要，只要该比较可以提供有关评估频率下的谐波振动与整个频谱上的振动相比的比例的信息即可。在一种设计方案中，可以通过第二评估量与第一评估量之间的比率来进行该比较。如果该比率超过极限值，则可以判定存在共振点。

可以看出：根据本公开的方法不一定需要启动或停机。进一步地，可以直接评估当前的运行状态。这能够实现在运行中对电动机的状态管控。然而，该方法也可以在启动或停机时使用，例如以便能够获得电动机振动行为的全面图像。当在运行期间进行评估时，可以重复地、优选周期性地评估振动行为。这样例如可以在15分钟、一小时或一天后进行新的评估。特别是通过重复评估可以识别电动机的、由电动机驱动的载荷的和/或其运行环境的变化，并且如果需要的话可以采取适当的措施。

原则上，检测时间窗口可以任意选择。但适当的是：不要选择太窄的检测时间窗口，使得时间窗口对特定频谱比例的影响足够小并且足够好地检测振动信号。同时，检测时间窗口不应太大，因为例如电动机转速或运行环境中的变化可能会导致检测到的振动值有误。检测时间窗口的大小取决于电动机或其运行环境的相应应用情况。在一种设计方案中，检测时间窗口的宽度为谐波振动信号的至少一个周期长度。在另一设计方案中，检测时间窗口的宽度为谐波振动信号的多个周期长度，适当的是：将检测时间窗口的宽度选择为最大10个周期长度。

评估频率也可以相对任意地选择。在这种情况下会是重要的是，在选择的评估频率下也可以预期共振。例如低于2赫兹的非常低的评估频率在许多情况下可能与例如在若干千赫兹范围内的非常高的评估频率一样帮助很小。可以相对自由地选择评估频率或者可以量化地使用评估频率、例如以5或10赫兹的间隔。为了选择评估频率，也可以选择位于从早期测量中识别的共振点处的频率。如果预期共振频率会发生变化，则也可以在先前测量的共振频率附近选择评估频率。这个简短的清单显示了可以多么灵活地选择评估频率。还可以特别有益地根据电动机的转速选择评估频率。

经评估的振动行为可以由多种激发触发。振动可以源于电动机本身、源于受驱动载荷例如叶轮、和/或源于电动机的运行环境。只要振动能够由振动传感器检测到，就可以使用这里公开的方法来评估这些振动。

运行环境在此被理解为电动机周围的区域，该区域对电动机有反作用。在此指的是特别是机械反作用。因此，运行环境例如可以由与电动机连接的设施部分形成。如果电动机是风扇的一部分，则运行环境例如可以额外包括分配设施，通过该分配设施引导由风扇移动的空气。运行环境可以具有附加的、另外的振动发生器。由电动机驱动的叶轮可以被视为运行环境的一部分。

检测到的振动值可以用不同的方式表示。检测到的振动值可以通过简单的标量来描述，这些标量指示振动的振幅，而与振动的方向无关。然而检测到的振动值也可以是矢量，这些矢量例如指示三个不同空间方向上的振动。对于本公开来说唯一重要的是：可以由检测到的振动值来确定评估量，这在实践中总是可以实现的。如何具体表示振动值、在什么方向上检测振动、以及是沿一个还是更多个轴线检测振动可以取决于相应的应用场景。

检测振动的振动传感器可以以不同的方式构造并且可以基于多种技术。作为示例参考MEMS传感器(微机电系统)。根据要检测的振动值，传感器可以在一个或更多个方向上进行测量。

振动传感器本身可以布置在不同的位置处。在一种设计方案中，振动传感器设置在电动机的外侧。在此，振动传感器可以位于设置在电动机外侧的壳体中。在另一设计方案中，振动传感器集成到电动机中并且因此是电动机的一部分。这种电动机例如已经在开头提到的DE 10 2018 211 838A1中公开。

可以以多种方式使用评估结果。因此评估结果可以用于预测电动机或电动机组成部分的预期寿命。例如可以表明：当前存在的载荷情况如何影响电动机的使用寿命。评估结果还可以传输到云端，以便用于在那里例如监测状态或改进电动机。传感器信号和/或评估结果也可以输入到电动机的数字孪生中，例如用于对电动机的运行状态进行广泛评估。这个简短且非穷尽的列举显示了可以如何全面地使用本公开。

在一种实施方式中，评估频率由基本频率的数量级构成，其中，基本频率优选取决于电动机的转速。通过这种方式可以简化评估频率的选取。基本频率和转速之间的相关性例如可以通过以下方式实现：基本频率由旋转频率、即电动机每秒的转数构成。基本频率的数量级是该基本频率的倍数，即，第n级对应基本频率的n倍。可以以多种方式确定当前转速。例如可以使用转速传感器。由于特别是在电子换向电动机中有关转速的信息无论如何都是存在的，因此该信息也可以从电机控制系统传输。

在一种改进方案中，使用第一数量级作为评估频率来确定由不平衡引起的共振。

在一种实施方式中，针对多个评估频率来评估振动行为。当要研究多种不同的共振效应时，这种方法特别有用。由于不同的共振频率表现出不同的共振效应(当使用不同数量级的基本频率的数量级时)，因此可以通过使用多个评估频率来评估不同的共振效应。当选择多个评估频率时，可以使用关于所有极有可能发生的共振效应的知识。这种知识例如可以源于结构相同或相似电动机的详细测量和/或来自模拟。

在一种实施方式中，通过以下方式额外评估已识别的共振点，即，对检测到的振动值的振幅与预定振幅极限值进行比较、和/或确定振动形式和/或振动模式、和/或执行其它评估。通过对振幅的评估能够区分关键共振点和非关键共振点以及能够实现共振点对电动机及其运行环境的影响。振幅极限值可以由经验值或通过计算来确定。它们还可以来自标准或其它法规，例如ISO14694。例如可考虑7毫米/秒(RMS)或9毫米/秒(RMS)的振幅极限值。

确定振动形式能够表明被激发的结构如何振动。确定振动模式能够实现在频率、振动形式和阻尼方面对振动的概括描述。

在一种实施方式中，当电动机开始运转时和/或在电动机的运行中和/或在经过预定义的时间段之后和/或当电动机的运行参数变化时执行对振动行为的评估。在开始运转时的评估中可以确定：具体电动机在具体运行环境中的振动行为如何。在此可以执行启动或停机。在运行中的评估特别是在电动机持续运行的应用场景中特别有帮助。此外，这样的评估还能够识别在运行中变化的振动行为。在预定义的时间段后的评估能够实现对振动行为的限定且全面的监控。通过这种方式也可以可靠地识别振动行为的变化。在此可以根据相应的运行环境来选择预定义的时间段。与参数基本上稳定的运行环境相比，在参数剧烈变化的运行环境中(例如由于在电动机驱动的叶轮上的粘附)，较短的时间段会是合适的。因此，该时间段可以在若干分钟、若干小时、若干天、若干周甚至若干个月的范围内。在运行参数变化时的评估能够快速评估可以随着运行参数的变化同样变化的振动行为。

在一种实施方式中，基于振动行为的评估结果生成和/或输出用于减轻共振点的负面影响的建议，所述建议优选包括位置和/或平衡质量的范围和/或隐通道(Ausblendkorridor)。通过这种方式可以为用户提供进一步的增值，这是因为由此可以改进可能不利的振动行为。

在一种实施方式中，当第二评估量与第一评估量之间的比率超过预定极限值时，判定存在共振点，其中，预定极限值大于或等于50％、优选大于或等于60％、特别优选大于或等于70％。极限值的规格在此可以取决于已检测的振动值的频谱。此外可以顺便表明：在待评估的电动机中或运行环境中，检测到的振动有多接近正弦波。当极限值大于或等于50％时，可以可靠地识别到共振点。大于或等于60％的极限值可以进一步改善检测。在极限值大于或等于70％时可以特别可靠地识别到共振点。

在一种实施方式中，第一和/或第二评估量通过形成有效值来确定。这样的有效值例如可以由平方平均数(RMS)形成。有效值代表易于计算而有效力的评估量。

在电动机的一种实施方式中，振动传感器构造成用于检测沿着多个轴线的振动，其中，多个轴线优选成对地彼此垂直，并且多个轴线之一设置为平行于电动机的马达轴线/马达轴。以这种方式，可以获得关于振动行为的进一步的信息并且可以进一步改进对振动行为和/或共振点的评估。

在一种实施方式中，振动传感器构造成用于检测振动速度和/或振动加速度。

在一种实施方式中，电动机包括调节系统，该调节系统构造为用于基于对振动行为的评估来对电动机的闭环和/或开环控制进行调整。这能够实现对经评估的振动行为的直接使用。在此，调节系统和用于评估的单元例如评估单元、分析单元和/或评判单元可以在普通电子器件中实施。可考虑例如为此设置在电动机的电子器件壳体中的马达电子器件。

在一种实施方式中，电动机包括输出装置，该输出装置构造成用于输出关于振动行为的评估信息。由此可以灵活地使用评估结果。输出单元在此可以构造成有线连接的、光纤的和/或无线的。光学输出单元例如可以由简单的灯、例如LED(发光二极管)，其发出关键振动状态的信号。输出单元因此可以提供视觉信息。替代地或附加地，输出单元可以提供“向外的”通信。这例如可以包括：输出单元能够将信息输出到更高级别的控制单元或将信息上传到云系统中。以此方式，电动机就可以成为工业4.0环境的一部分。

在一种实施方式中，分析单元构造为用于执行傅里叶变换、FFT(快速傅里叶变换)和/或格策尔算法和/或或宽或窄的频带滤波。原则上，可以以各种方式确定频谱比例，只要可以在评估频率下评估振动即可。FFT的使用提供关于频谱比例的全面图像。利用杰拉德格策尔于1958年发布的格策尔算法可以非常有效地确定信号的各个频谱比例。由此也可以以较少的计算资源确定光谱比例。频带滤波可以将振动信号限制在具体感兴趣的特定频率。在此在确定频谱比例之前可以进行频带滤波。

附图说明

现在具有各种可能性来以有利方式设计和改进本公开的教导。为此，一方面参阅从属于并列独立权利要求的权利要求，另一方面参阅下面借助附图对优选实施例的阐释。结合基于附图对优选实施例的解释，还阐释了所述教导的一般优选设计方案和改进方案。附图中：

图1示出了根据本公开的电动机的实施例的剖视图；

图2示出了根据本公开的电动机的实施例的功能单元框图；

图3示出了根据本公开的方法的实施例的步骤的流程图；

图4示出了第二评估量和第一评估量度与电动机转速的商的曲线图；

图5示出了相关频谱比例与电动机转速的关系的曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的电动机1的实施例的定子2的剖视图。围绕马达轴线3构造有支承管4，在该支承管的纵侧端部处分别构造有轴承容纳区域5。未示出的轴承容纳到这些轴承容纳区域5中，同样未示出的电动机的轴经由这些轴承可旋转地支承。定子衬套6在此由铝构件形成，在其一端构造有支承管4，而在其另一端构造有用于容纳马达电子器件的电子器件壳体7。马达电子器件分别生成馈电信号并将其输出到定子绕组和/或转子绕组。为了清楚起见，仅示出了该马达电子器件的一个印刷电路板8。印刷电路板8上设置有振动传感器9。印刷电路板8埋置在填料10、11中，其中，填料10、11连接在印刷电路板8的边缘区域处。在此，填料10特别是充当联接元件并且将振动从定子衬套6传递到印刷电路板10处并且因此传递到振动传感器9处。作为另一联接元件，存在拧入到电子器件壳体7中的孔13中的螺纹件12。振动传感器9通过这种方式可以设置在电动机中并且检测电动机的至少一部分的振动。

图2示出了电动机1的功能单元的框图，可以在印刷电路板8上实现这些功能单元。振动传感器9检测电动机的至少一部分的振动。由此检测的振动值一方面被传送到第一评估单元14并且另一方面被传送到分析单元15和评判单元17。第一评估单元14由检测到的振动值确定第一评估量。该第一评估量表明电动机的一部分的振动强度。分析单元15针对评估频率确定检测到的振动值的频谱比例。该评估频率可以是旋转频率的数量级，即，电动机每秒的转数的多倍。频谱比例被馈送到第二评估单元16，该第二评估单元由此来确定第二评估量。在此，第二评估量表明电动机在评估频率下的振动强度。第一和第二评估量在此由平方平均数形成。

第一评估单元14和第二评估单元16将相应确定的第一评估量和第二评估量输入到评判单元17中，该评判单元将这些评估量相互比较。为此，由第二评估量和第一评估量形成商，该商因此反映具有评估频率的振动在电动机的总振动中的比例。对这种除法的解与从极限值存储器18下载的预定极限值进行比较。如果超过所述预定极限值，则判定为存在共振点。另外，评判单元17评定检测到的振动值，以便评估共振点的关键性。如果超过也可以存储在极限值存储器18中的振幅极限值，则判定为关键共振点。否则，共振点被分类为非关键。另外，评判单元17可以对共振点进行进一步评估，例如在振动形式方面或振动模式方面。以这种方式获得的信息可以被传送到输出单元19，该输出单元可以将该信息输出到用户、更高级别的控制单元、马达子器件、云或其它系统。

图3示出了根据本公开的方法的实施例的步骤的流程图。在步骤S1中，该方法从借助振动传感器9检测振动值开始。在步骤S2中，确定电动机1的一般振动状态。这通过确定检测到的振动值的第一评估量来完成。该第一评估量以此表明：电动机的检测部分在所有检测到的频率上的振动强度。在步骤S3中，确定检测到的振动值针对一个(亦或更多个)评估频率的频谱比例(亦或多个频谱比例)，其中一个/更多个评估频率在当前情况下由旋转频率的数量级形成。在步骤S4中，通过以下方式评估各个数量级的振动值，即，确定用于一个/更多个频谱比例的第二评估量。在步骤S5中，比较各评估量并由此评估振动行为。为此，由第二评估量和第一评估量形成商并且将其与极限值比较。如果商没有超过极限值(“否”)，则继续步骤S6，在该步骤中当前评估频率不被识别为共振点。然后返回到步骤S1。如果商超过极限值(“是”)，则判定为存在共振点并且在步骤S7中评估共振点的关键性。为此，在步骤S8中对检测到的振动值的有效值与振幅极限值进行比较。如果有效值没有超过振幅极限值(“否”)，则在步骤S9中将共振点评估为不关键，并且因此不必特别处理。所述方法返回到步骤S1。如果有效值超过振幅极限值(“是”)，则在步骤S10中将共振点分类为关键。在步骤S11中触发一个或更多个动作。这可以包括发出错误报告、运行参数的更正等。然后返回到步骤S1。

图4示出了第二评估量和第一评估量的商关于转速的曲线图。在此选择第一数量级作为评估频率，即，相当于电动机的旋转频率的频率。在此，电动机是风扇的组成部分，更准确地说是径流式通风机的组成部分。该曲线图表明，电动机或者说风扇的振动受第一数量级的影响有多强。可以识别到两个存在共振点的转速范围：每分钟480转左右(第一峰值)和每分钟680到870转之间(具有高值的第二宽转速范围)。

这两个共振点是否关键可以借助根据图5的曲线图来确定，其示出了频谱比例的曲线，即在当前情况下是第一数量级振动的振幅绝对值。由此能够识别到：每分钟480转左右的第一范围可被分类为非关键，尤其是在每分钟765转时的第二范围可被分类为关键。

该示例可以识别到：可以通过这种方式对风扇的当前运行状态进行评估。在此公开的状态监测不需要风扇的启动和停机。振动的测量可以连续进行或以规则的时间间隔进行。

为了避免重复，关于在此公开的教导的另外的有利设计方案参考说明书的概述部分和所附权利要求。

最后应当明确指出，上述实施例仅用于探讨所要求保护的教导，然而这些教导并不限于这些实施例。

附图标记列表

1电动机

2定子

3马达轴线

4支承管

5轴承容纳区域

6定子衬套

7电子器件壳体

8印刷电路板

9振动传感器

10 填料

11 填料

12 螺纹件

13 孔

14 第一评估单元

15 分析单元

16 第二评估单元

17 评判单元

18 极限值存储器

19 输出单元