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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere
einen Elektromotor der gemeinsam mit einem Umrichter ausgebildet
ist. Derartige Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Dabei ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, derartige Elektromotoren
in regelmäßigen Abständen mit
Diagnoseeinheiten zu prüfen, beispielsweise
dahingehend, ob Unwuchten aufgedreht sind, welche auf Dauer die
Lebenszeit des Motors verkürzen.
Genauer gesagt wird zu Wartungs- und Diagnosezwecken mit einer Schwingungserfassungseinrichtung überprüft, ob beispielsweise
Unwuchten der Motorwelle oder dergleichen auftreten.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die gelegentliche Überprüfung von Elektromotoren mit
Hilfe von derartigen Schwingungserfassungseinrichtungen oftmals
nicht ausreichend ist, da bestehende Veränderungen oder Verschlechterungen
bereits innerhalb kürzester
Zeit weitere zum Teil noch erheblichere Verschlechterungen nach
sich ziehen können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Motoranordnung
zur Verfügung
zu stellen, welche eine im Wesentlichen permanente Überwachung
des Elektromotors hinsichtlich mechanischer Schwingungen erlaubt.
Daneben soll auch eine Möglichkeit
geschaffen werden, eventuell auftretende Schwingungen mit anderen
bzw. antriebsspezifischen Systemgrößen wie dem Drehmoment und
der Drehzahl direkt abzugleichen.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand durch Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Motoranordnung weist
eine Motoreinheit auf, sowie einen Umrichter, der die Motoreinheit
versorgt. Daneben ist eine Antriebssteuerungseinheit vorgesehen,
welche die Bewegungen der Motoreinheit steuert.
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Erfindungsgemäß weist
die Motoranordnung eine permanent und insbesondere stationär an der Motoranordnung
angeordnete Schwingungserfassungseinrichtung auf, welche mechanische
Schwingungen der Motoreinheit erfasst und ein erstes Signal ausgibt,
welches für
diese mechanischen Schwingungen charakteristisch ist. Daneben ist
erfindungsgemäß die Schwingungserfassungeinrichtung
derart gestaltet, dass das Signal an die Antriebssteuerungseinheit
ausgegeben wird. Damit wird unter einer Bewegung der Motoreinheit
eine Bewegung des Sekundärteils
gegenüber
dem Primärteil
verstanden, wobei diese Bewegung beispielsweise auf eine Abtriebswelle übertragen
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden die ersten Signale direkt über eine Leiterverbindung von
der Schwingungserfassungseinrichtung an die Antriebssteuerungseinheit
ausgegeben. Es ist jedoch auch möglich,
die ersten Signale zunächst
in einer Auswerteeinheit auszuwerten.
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Unter
einer Motoreinheit wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
diejenige Einheit des Motors verstanden, welche die Drehbewegung
erzeugt. Insbesondere weist eine derartige Motoreinheit ein Primärteil und
ein diesem Primärteil
gegenüber
bewegliches Sekundärteil
bzw. in einer speziellen Ausführungsform
einen Stator und einen diesen Stator gegenüber drehbar angeordneten Rotor auf.
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Der
Umrichter bzw. Wechselrichter dient zur Speisung der Motoreinheit.
Bei der Antriebssteuereinheit handelt es sich insbesondere aber
nicht ausschließlich
um einen Antriebsprozessor, der die Motoreinheit steuert. Der Begriff
Umrichter wird im Folgenden auch für Wechselrichter verwendet.
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Damit
handelt es sich bevorzugt um einen Umrichtermotor, speziell die
konstruktive Einheit aus einem Drehstrommotor und einem Umrichter
zu ihrer Speisung. Bevorzugt ist der Umrichter mit einem Beschleunigungsaufnehmer
ausgerüstet,
der von einem Antriebsprozessor d. h. der Antriebssteuerungseinheit,
ausgewertet wird. Unter einer Schwingungserfassungseinrichtung wird
eine Einrichtung verstanden, die mechanische Schwingungen oder mechanische
Bewegungen erfassen kann. So wird beispielsweise auch ein Körperschallsensor
als Schwingungserfassungseinrichtung verstanden.
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Besonders
bevorzugt ist diese Schwingungserfassungseinrichtung selbst mit
dem Stator oder einem Gehäuse
der Motoranordnung verbunden.
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Besonders
bevorzugt ist die Motoranordnung bzw. der Umrichter derart gestaltet,
dass das erste Signal mit wenigstens einer für den Betrieb charakteristischen
Bewegungsgröße in Beziehung
gesetzt wird. Diese charakteristische Beziehungsgröße ist dabei
aus einer Gruppe von Beziehungsgrößen ausgerichtet, welche die
Drehzahl, das Drehmoment oder dergleichen enthält.
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Besonders
bevorzugt ist die Schwingungserfassungseinrichtung in die Antriebssteuerungseinheit integriert,
beispielsweise mit dieser auf einer gemeinsamen Platine angeordnet
und besonders bevorzugt mit dieser vergossen. Bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
bietet die integrierte Schwingungserfassungseinrichtung mit Auswertung
in der Antriebssteuereinheit nicht nur eine kostengünstige Alternative
zu separaten Schwingungserfassungssystemen, sondern bietet darüber hinaus
auch die Möglichkeit, Vibrationen
mit anderen antriebsspezifischen Systemgrößen, wie dem Drehmoment oder
der Drehzahl direkt abzugleichen. Daneben kann auch eine Auswerteeinheit
zur Auswertung der ersten Signale vorgesehen sein, wobei diese Auswerteeinheit
bevorzugt ebenfalls in die Antriebssteuerungseinheit integriert
ist.
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Dabei
ist es möglich,
die im Antrieb bzw. in der Antriebssteuerung aufbereiteten oder
zumindest zwischengespeicherten Messwerte, die sich aus den ersten
Signalen ergeben, an eine übergeordnete Steuerung
zu übergeben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schwingungserfassungseinrichtung
in dem Umrichter bzw. einem Gehäuse
des Umrichters angeordnet bzw. gemeinsam mit dem Umrichter in ein
gemeinsames Gehäuse
integriert. Auf diese Weise wird eine besonders kostengünstige Herstellung der
gesamten Motoranordnung ermöglicht.
Es wäre jedoch
auch denkbar, die Schwingungserfassungseinrichtung zwischen den
Gehäusen
der Motoreinheit und des Umrichters anzuordnen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Umrichter bzw. dessen Gehäuse direkt mit einem Gehäuse der
Motoreinheit verbunden. Besonders bevorzugt ist der Umrichter bzw.
dessen Gehäuse
mit dem Gehäuse
der Motoreinheit verschraubt. Durch diese Vorgehensweise wird Körperschall
der Motoreinheit zwar indirekt, aber dennoch ausreichend gut auf
die Schwingungserfassungseinrichtung übertragen. Die Auswertung der
von der Schwingungserfassungseinrichtung ausgegebenen Signale erfolgt,
wie oben erwähnt,
in der Antriebssteuerungseinheit bzw. dem Antriebsprozessor, wobei
das Schwingungssignal im Zeit- und/oder Frequenzbereich analysiert
wird und Kennwerte berechnet werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Motoranordnung bzw. der Umrichter eine Signalausgabeeinrichtung
auf, die bei Auftreten vorbestimmter erster Signale ein Ausgabesignal
ausgibt. Bei diesem Ausgabesignal kann es sich beispielsweise um
ein Warnsignal oder eine Störmeldung
handeln, die in Abhängigkeit
von einem Vergleich mit Grenzwerten erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform
weist die Motoranordnung eine Speichereinrichtung auf, in der zulässige Grenzwerte abgelegt
sind sowie eine Vergleichseinrichtung, welche die ersten Signale
bzw. die aus diesen ersten Signale resultierenden Messwerte mit
diesen Grenzwerten vergleicht. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist der Umrichter an der Motoreinheit angeordnet. Genauer gesagt
ist der Umrichter als Teil des Umrichtermotors so am oder in der
Motoreinrichtung angeordnet, dass die Schwingungserfassungseinrichtung
Vibrationen des Motors erfassen kann. Bei der Motoreinheit handelt
es sich besonders bevorzugt um einen Drehstrommotor.
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Vorzugsweise
ist der Umrichter in einem Gehäuse
angeordnet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Umrichter
an der Motoreinheit anordenbar, d. h. er kann im Wesentlichen fest mit
der Motoreinheit verbunden werden. Bevorzugt liegt dabei die Schwingungserfassungseinrichtung direkt
an einem Gehäuse
der Motoreinheit an. Auch ist es möglich, dass die Schwingungserfassungseinrichtung
gemeinsam mit der Antriebssteuerungseinheit auf einer Platine angeordnet
ist und diese Platine wiederum an dem Motorgehäuse vorgesehen ist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schwingungserfassungseinrichtung ein
Schwingungsaufnehmer. Daneben kann es sich bei der Schwingungserfassungseinrichtung
auch um einen Körperschallsensor
handeln. Weiterhin können auch
sowohl ein Schwingungsaufnehmer als auch ein Körperschallsensor vorgesehen
sein.
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Dabei
besteht der Zweck dieser Sensorik, d. h. des Schwingungsaufnehmers
oder des Körperschallsensors
darin, mechanische Schäden
am Motor und insbesondere an seiner Lagerung wie gegebenenfalls
auch an der Lastmaschine diagnostizieren zu können.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Motoranordnung
eine Speichereinrichtung auf, in der für die Bewegung der Motoreinheit
charakateristische Werte abgespeichert sind. Bei diesen charakteristischen
Werten kann es sich beispielsweise um Grenzwerte für auftretende Schwingungen
oder dergleichen handeln. Dabei können diese Grenzwerte auch
in Abhängigkeit
von einer weiteren Kennzahl des Motors, wie dessen Drehzahl oder
dessen Drehmoment abgeleitet sein.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der Motoranordnung um einen Kompaktservomotor.
Derartige Kompaktservomotoren können
durch die Integration einer Schwingungserfassungseinrichtung und der
zusätzlichen
Auswertung für
die Überwachung von
Motor und Maschine auf überhöhte oder
unzulässige
Vibrationen getestet werden. Durch die besonders vorteilhafte Anordnung
der Schwingungserfassungseinrichtung in der Regelungselektronik
beispielsweise einer Steuer- oder Leistungskarte, die fest mit dem
Stator oder dem Gehäuse
des Motors verbunden ist, ist es möglich, dass diese Schwingungserfassungseinrichtung
an dieser Stelle die mechanischen Schwingungen und Körperschallwellen des
Motors erfasst. Durch die erfindungsgemäße Auswertung der Daten des
oder der ersten Signale der Schwingungserfassungseinrichtung in
der Antriebssteuerungseinrichtung ist es möglich, dass die auftretenden
Vibrationen im Bezug gesetzt werden zu weiteren Messgrößen oder
Zustandsgrößen des Antriebs
wie beispielsweise der Drehzahl.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf einen Umrichter, oder Wechselrichter
zum Betreiben einer Motoranordnung gerichtet, wobei dieser Umrichter
oder Wechselrichter an einer Motoreinheit angeordnet werden kann
und eine Antriebssteuerungseinheit aufweist, welche die Bewegung
der Motoreinheit steuert. Dabei weist dieser Umrichter eine permanent
an dem Umrichter angeordnete Schwingungserfassungseinrichtung auf,
welche geeignet ist, mechanische Schwingungen der Motoreinheit zu
erfassen und ein erstes Signal auszugeben, welches für diese
mechanischen Schwingungen charakteristisch ist. Weiterhin ist diese
Schwingungserfassungseinrichtung derart gestaltet, dass das erste
Signal an die Antriebssteuerungseinheit ausgegeben werden kann.
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Bevorzugt
ist die Schwingungserfassungseinrichtung in einem Gehäuse des
Umrichters angeordnet und der Umrichter bzw. dessen Gehäuse ist direkt
an einem Gehäuse
der Motoreinheit befestigt.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben
einer Motoranordnung gerichtet, wobei die Motoranordnung eine Motoreinheit,
einen Umrichter, der die Motoreinheit versorgt, und eine Antriebssteuerungseinheit,
welche die Bewegungen der Motoreinheit steuert, aufweist. Erfindungsgemäß ist eine
an der Motoranordnung permanent und bevorzugt auch stationär angeordnete Schwingungserfassungseinrichtung
vorgesehen, welche mechanische Schwingungen der Motoreinheit erfasst
und ein erstes Signal ausgibt, welches für mechanische Schwingungen
charakteristisch ist. Weiterhin wird erfindungsgemäß das erste
Signal an die Antriebssteuerungseinheit ausgegeben.
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Vorzugsweise
ist die Motoranordnung in der oben beschriebenen Art ausgeführt. Besonders
bevorzugt erfolgt die Auswertung der ersten Signale und gegebenenfalls
auch der weiteren Größen im Frequenzbereich.
Dabei können
Störungen
wie beispielsweise eine Unwucht oder Lagerschäden an ihren typischen drehzahlabhängigen Frequenzen
erkannt werden. Als Referenz kann beispielsweise ein an einer neuen
Maschine ermittelter und in der Steuerungseinrichtung abgespeicherter
Soll- bzw. Gutzustand verwendet werden. Dabei kann auch eine Vielzahl
von beispielsweise drehzahlabhängigen
Referenzwerten vorliegen.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
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Darin
zeigen:
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1 ein
stark schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Motoranordnung; und
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2 eine
schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung einer
erfindungemäßen Schwingungserfassungseinrichtung.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Motoranordnung 1.
Diese Motoranordnung 1 weist eine Motoreinheit 2 auf,
d. h. diejenige Einheit, welche letztlich die Drehbewegung einer Motorwelle 16 erzeugt.
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Direkt
an der Motoreinheit 2 ist ein Umrichter oder Wechselrichter 4 angeordnet,
der die Motoreinheit 2 mit elektrischer Energie speist.
Genauer gesagt ist der Umrichter 4 bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
in einem Gehäuse 5 angeordnet und
dieses Gehäuse
wiederum an einem Gehäuse 14 der
Motoreinheit 2 angeordnet. Das Bezugszeichen 6 bezieht
sich auf eine Antriebssteuerungseinheit, wie beispielsweise einen
Antriebsprozessor und das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine
Schwingungserfassungseinrichtung, welche mechanische Schwingungen
der Motoreinheit 2 bzw. des Motorgehäuses 14 erfasst.
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Das
Bezugszeichen 18 kennzeichnet eine Speichereinrichtung,
in der beispielsweise Referenzdaten oder Referenzkurven für einen
Sollzustand abgespeichert sein können.
So könnten
hier zulässige Höchstwerte
für eine
Schwingungsamplitude einer an dem Gehäuse der Motoreinheit 2 auftretenden Schwingung
in Abhängigkeit
von der Drehzahl oder dem Drehmoment der Motoreinheit abgespeichert sein.
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Dabei
ist es bevorzugt möglich,
die Schwingungserfassungseinrichtung 10 auf der Prozessorkarte
oder der Leistungskarte der Regelelektronik anzuordnen und auf diese
Weise funktional mit dem Antriebsprozessor bzw. der Antriebssteuerungseinheit 6 zu
verbinden. Bevorzugt ist dabei die Prozessor und Leistungskarte
bzw. die Antriebssteuerungseinrichtung 6 so in dem Gehäuse 5 bzw.
an dem Gehäuse 16 der
Motoreinheit 2 befestigt, das mechanische Schwingungen
dieses Gehäuses 14 von
der Schwingungserfassungseinrichtung 6 erfasst werden können. Die
Schwingungserfassungseinheit 6 ist dabei besonders bevorzugt
in sogenannter MEMS-Technologie
(micro-electro-mechanical system) ausgeführt. Ein MEMS ist eine Kombination
aus mechanischen Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen,
die auf einem Substrat bzw. Chip angeordnet sind. Beispiele für halbleiterbasierte
MEMS sind unter anderem auch Beschleunigungssensoren.
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2 zeigt
eine stark schematisierte Darstellung einer Anordnung von Schwingungserfassungseinrichtungen 10 an
einer Motoreinheit 2. Dabei ist an dem Gehäuse 14 der
Motoreinheit 2 eine erste Leiterkarte 7a (deren
Bestandteil die Antriebssteuerungseinheit 6 ist) angeordnet. Über eine Schraubverbindung 9 ist
ein Gehäuse 4 des
Umrichters mit einer Bodenplatte 5a und einem Deckel 5b fest
angeordnet. Damit werden auch Motorschwingungen direkt auf das Gehäuse 4 des
Umrichters übertragen.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
sind zwei Leiterkarten 7a, 7b an alternativen
Positionen dargestellt, an den jeweils Schwingungserfassungseinrichtungen 10 angeordnet
sind. Dadurch, dass das Gehäuse 4 des
Umrichters fest mit dem Motor verschraubt ist, werden auch die Motorschwingungen
direkt auf die Schwingungserfassungseinrichtungen 10 übertragen.
In der tatsächlichen
Umsetzung ist bevorzugt entweder die Leiterkarte 7a oder
die Leiterkarte 7b vorhanden.
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Die
von der Schwingungserfassungseinrichtung 10 ausgegebenen
Signale können
gemeinsam mit weiteren Motordaten wie der Drehzahl und dem Drehmoment
verarbeitet und auf diese Weise mit den genannten Werten in Beziehung
gesetzt werden. Anhand dieses Vergleichs ist es möglich, festzustellen, ob
vorgegebene Grenzwerte für
Motorschwingungen in Abhängigkeit
beispielsweise einer bestimmten Drehzahl überschritten werden.
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Ist
dies der Fall so kann der Benutzer über eine Alarmausgabeeinrichtung 12 (vgl. 1) über einen
Fehlzustand der Maschine informiert werden.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Motoranordnung
- 2
- Motoreinheit
- 4
- Umrichter
- 5
- Gehäuse des
Umrichters
- 5a
- Bodenplatte
des Gehäuses 5
- 5b
- Deckel
des Gehäuses 5
- 6
- Antriebssteuerungseinheit
- 7a,
7b
- Leiterkarte
- 9
- Schraubverbindung
- 10
- Schwingungserfassungseinrichtung
- 12
- Signalausgabeeinrichtung
- 14
- Motorgehäuse
- 16
- Motorwelle
- 18
- Speichereinrichtung