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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Identifizieren einer Eigenschaft einer periodisch schwingenden Einheit, deren Schwingungsverursacher der Einheit ein eigenes Frequenzspektrum aufprägen, mittels einer Körperschallmessvorrichtung anhand seines Frequenzspektrums.
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Aus dem Stand der Technik sind Sensoren bekannt (
EP 2 110 649 B1 ), durch die bestimmte Eigenschaften von periodisch schwingenden Einheiten aus dem Frequenzspektrum ihres Körperschalls entnommen werden können. Beispielsweise können Schadzustände von Elektromotoren sowie Prognosen über ihre schadenbedingte Lebensdauer aus solchen Frequenzspektren herausgelesen werden.
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In Geräten werden typisierte periodisch schwingende Einheiten verbaut, für die es unterschiedliche Bauvarianten gibt. Beispielsweise werden in Haushaltwaschmaschinen elektrische Antriebmotoren eingebaut, die aufgrund ihrer Arbeitsweise grundsätzlich mechanische Schwingungen erzeugen und als Körperschall an angrenzende Bauteile weiterleiten. Die Schwingungsverursacher eines Antriebsmotors können die Rotorwelle in ihren Lagern und die elektrischen Spulen im Stator und oder im Rotor sein.
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Auch elektrische Antriebmotoren werden in unterschiedlichen Typen und Bauvarianten verwendet, die in jeweils unterschiedlichen Typen und Bauvarianten von Haushaltwaschmaschinen eingesetzt werden. Da in unterschiedlichen Bauvarianten von Waschmaschinentypen unterschiedliche Bauvarianten von Antriebsmotoren desselben Typs zur Anwendung kommen können, die dieselben Konstruktionsmerkmale aufweisen und daher untereinander vertauscht werden können, wäre es wünschenswert, wenn nach dem Einbauen von Antriebmotoren in Haushaltwaschmaschinen festgestellt werden könnte, welche Bauvariante in einer Waschmaschine verwendet wurde. Denn jede Bauvariante hat andere betriebsrelevante Daten (z. B. max. Einschaltdauer, max. Drehmoment, max. Motorstrom usw.), die für den jeweiligen Antriebsmotor in der elektronischen Steuerungseinrichtung einer Waschmaschine hinterlegt worden sind, und die für den jeweiligen Betriebsprozess benutzt werden müssen. Herkömmliche Verfahren zur Erkennung (Codierung) eines in der Waschmaschine befindlichen Antriebsmotors sind
- – mechanisch codierter Anschlussstecker für den Motor – dann passt jedoch nur dieser eine Motor in die jeweilige Waschmaschine;
- – Messung von elektrischen Eigenschaften des Antriebsmotors (Wicklungswiderstand, Induktivität, Kapazität, Stromaufnahme usw.);
- – Anbringung einer zusätzlichen Codierungstechnik an den Antriebsmotor, z. B. als digital lesbarer IC-Baustein, der von der Steuerungseinrichtung gelesen werden kann.
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Derartige Codierungsverfahren sind entweder nur für einen bestimmten Motor geeignet oder aufgrund ihres mit der Identifizierungsmethode zusammenhängenden Aufwandes zu kostspielig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bestimmte Bauvarianten von periodisch schwingenden Einheiten, wie elektrischen Antriebsmotoren, während ihres Betrieb aufgrund ihres Schwingungsverhaltens zu identifizieren.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Kennzeichen des Anspruches 1 in der Weise gelöst, dass an dem oder den Schwingungsverursachern konstruktive Maßnahmen im Hinblick auf bestimmte Anteile des Frequenzspektrums des von ihnen erzeugten Körperschalls der Einheit gezielt getroffen werden und dass während des ordnungsgemäßen Betriebs der Einheit das Frequenzspektrum nach der Eigenschaft zugeordneten Anteilen untersucht und die Einheit aufgrund der gefundenen Anteile klassifiziert wird. Eine solche Maßnahme ist insbesondere deshalb vergleichsweise kostengünstig, weil die Feststellung von Körperschall und seine Einordnung nach Frequenzen durch einfache Bauteile möglich sind. Bei Maschinen und Geräten, in denen periodisch schwingende Einheiten verwendet werden, sind auch häufig derartige Bauteile ohnehin anzutreffen, so dass der Kostenaufwand schon dadurch minimiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Anteile Amplituden auf, die einen Schwellenwert überschreiten und nach der Überschreitung als präsent wahrgenommen werden. Dann ist eine Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, bei der im Frequenzspektrum mindestens zwei unmittelbar nebeneinander liegende Anteile je einen Cluster bilden, der ein Merkmal für die Eigenschaft ist und ggf. mit dem Vorhandensein eines weiteren Clusters von anderen unmittelbar nebeneinander liegenden Anteilen eine Variation der Eigenschaft oder eine andere Eigenschaft begründet. Zwei unmittelbar nebeneinander liegende Anteile bilden eine Sicherheit gegen zufällig auftretende Anwesenheiten von einzelnen Amplituden.
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Die periodisch schwingende Einheit kann insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor einer Haushaltwaschmaschine sein, und im Falle von BLDC-Motoren (bürstenlose Gleichstrommotoren) als Antriebsmotoren sind insbesondere die Stator-Spulen als Schwingungsverursacher interessant; denn sie generieren einen Körperschall, der sehr einfach zu analysieren ist und bestimmte zuordenbare Merkmale aufweisen kann.
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Zur Erzeugung solcher Schwingungen kann aber auch der Rotor des Antriebsmotors durch ein unstetes umlaufendes Feld als elektrische Maßnahme angetrieben werden. Dazu könnte die elektrische Maßnahme eine zyklisch wechselnde Energie zur Speisung der Statorwicklungen sein.
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Die derzeit kostengünstigste Variante der Erfassung von typischen Frequenzanteilen des Spektrums ist in einer Einrichtung nach der Erfindung gegeben, bei der die Körperschallmessvorrichtung einen Beschleunigungssensor enthält, der am Stator des Antriebsmotors befestigt ist. Insbesondere in Haushaltwaschmaschinen sind regelmäßig Beschleunigungssensoren anzutreffen, weil damit das Unwuchtverhalten des schwingenden Aggregats der Waschmaschine beim Schleudern der Wäsche zu beobachten ist.
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Diese und weitere vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazu erforderlichen Einrichtung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und sind – soweit technisch sinnvoll und möglich – in beliebiger Kombination miteinander verwendbar.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sind das erfindungsgemäße Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung für einen Antriebmotor vom BLCD-Typ, der aufgrund eines aufgenommenen Frequenzspektrums identifiziert werden kann,
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2 ein Frequenzspektrum von einem Motor, der aufgrund seines Frequenzspektrum nicht identifiziert werden kann,
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3 ein gleichartiges Frequenzspektrum wie in 2, das eine Frequenzcodierung für eine bestimmte Bauvariante eines Motors enthält, und
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4 ein gleichartiges Frequenzspektrum für eine andere Bauvariante desselben Motortypen.
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Der schematisch dargestellte BLCD-Motor 1 in 1 enthält einen Stator 2, in dem die Wicklungen U, V und W mit dem Gehäuse 3 fest verbunden sind. Ihre magnetischen Felder wirken auf einen Rotor 4 ein, der aus einem geeigneten Dauermagneten besteht und mittels der Welle 5 im Gehäuse 3 frei drehbar gelagert ist. Zum Steuern der Drehrichtung und der Drehzahl der Welle 5 dient ein BLCD-Controller 6, der mit einem Schalter-Array 7 zusammenarbeitet, dessen Schalter die Wicklungen U, V und W in einer für die gewünschte Drehrichtung und Drehzahl erforderlichen Reihenfolge und Intensität mit Spannung versorgt.
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Die Welle 5 dient beispielsweise zum Antreiben einer nicht dargestellten Wäschetrommel einer Waschmaschine. Dazu ist der Motor 1 in ebenfalls nicht dargestellter Weise an einem schwingenden Aggregat befestigt, dessen Schwingungen während der Drehung der Wäschetrommel durch einen Beschleunigungssensor 8 wahrgenommen werden und über die Leitung 9 einer Steuereinrichtung 10 gemeldet werden, die in der Lage ist, aus den Signalen des Beschleunigungssensors 8 die Größe, die Lage und den Stabilitätsgrad einer Unwucht in der Wäschetrommel zu errechnen. Der Beschleunigungssensor 8 ist entweder unmittelbar am Stator 2 des Motors 1 oder an seinem Gehäuse 3 angebracht.
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In der Leitung 9 liegt aber noch ein Frequenzanalysator 11, der die Signale des Beschleunigungssensors 8 nach Schwingungen viel höherer Frequenzen abtastet, die von der Ansteuerung der Wicklungen U, V und W durch den BLCD-Controller 6 herrühren. Diese Schwingungen haben aufgrund konstruktiver Maßnahmen, die auch einfach in der Anwesenheit von Toleranzen liegen können, Frequenzanteile in den Ansteuersignalen der Wicklungen mit Grundfrequenzen und aufgeprägten motoreigenen Frequenzen.
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Gleichartige Frequenzanteile können aber auch bewusst durch elektrische Maßnahmen generiert werden. Beispielsweise kann eine Alternative des Antriebsmotors 1 in 1 durch den Controller 6 unstet angetrieben, indem die Wicklungen U, V und W des Stators 2 mit einer elektrischen Energie mit gestörter Amplitude gespeist werden. Diese Störung kann beispielsweise darin bestehen, dass die elektrische Energie eine zyklische Verminderung der Amplitude enthält, beispielsweise einen zyklischen Puls. Dadurch wird das umlaufende Statorfeld einer zyklischen Verminderung der Antriebsenergie auf den Rotor 4 übertragen, dessen Drehbewegung daher durch ein überlagertes „Zittern“ geprägt ist. Dieses Zittern generiert einen spezifischen Körperschall im Stator 2 und im Gehäuse 3, der in gleicher Weise wie für das Beispiel mit den konstruktiven Maßnahmen ein für diesen Motor typisches Frequenzspektrum enthält. Unterschiedliche Motortypen können daher mit unterschiedlichen zyklischen Störungen angesteuert werden und sind durch Beobachtung ihres Körperschall-Frequenzspektrums identifizierbar.
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Ein Spektrum für eine Anzahl von Frequenzen, die vom Beschleunigungssensor 8 als Körperschall wahrgenommen werden, ist im Diagramm der 2 dargestellt. Darin sind nach Frequenzlage f und Amplitude u zufällig verteilte Energienadeln zu erkennen. Dieses Spektrum ist ein typisches Spektrum für einen ganz bestimmten Motor. Der Frequenzanalysator 11 erkennt aus dem aufgenommenen Frequenzspektrum den Motortypen und gibt zusammen mit den Trommelschwingungsdaten eine Kennung für diesen Motor an die Steuereinrichtung 10 weiter. Die Steuereinrichtung 10 wählt nun innerhalb der abzuarbeitenden Programme dem erkannten Motortypen zugeordnete Parameterwerte für die Programmbearbeitung aus.
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Diese Energienadeln können durch Filterung an bestimmten Frequenzplätzen aus einem kontinuierlichen Frequenzspektrum im Frequenzanalysator 11 oder durch entsprechende Bauartvarianten der Motoren unmittelbar erzeugt werden, die an den jeweiligen Frequenzplätzen scharfe Energienadeln verursachen. Das in 2 dargestellte Spektrum ist annähernd kontinuierlich und hat keine auf die Erkennbarkeit des Motors eingerichteten Merkmale. Dennoch könnte eine entsprechend ausgestattete Elektronik diesen Motortyp anhand des Frequenzspektrums erkennen. So sind die Amplitudenwerte u1 und u2 nicht wahrnehmbar und zählen Null. Die Amplitudenwerte u3 bis u5 sind als mittlere Werte erkennbar und zählen als mittlere Energienadeln bei f7 bis f11. Entsprechend sind die Amplitudenwerte u6 bis u8 den hohen Energienadeln bei f1 bis f6 zuzuordnen. Der Motortyp kann also die hohen Cluster f1 bis f6 und die mittleren Cluster f7 bis f11 ausweisen.
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Damit eine solche Elektronik im Frequenzanalysator 11 einfacher ausgestattet sein kann, weil sie auch nur eine begrenzte Anzahl von Motortypen erkennen muss, sind die Motortypen mit Frequenzclustern versehen, die aus nebeneinander liegenden Energienadeln jeweils nur einer bestimmten Amplitude bestehen und in 3 und 4 dargestellt sind. So werden aus dem Frequenzspektrum der 3 nur diejenigen Energienadeln isoliert, die den Amplitudenwert u7 aufweisen. Diese Energienadeln zeigen zwei Cluster C1 bei den Frequenzen f6 bis f8 und C2 bei den Frequenzen f12 bis f14. Hat ein eingebauter Antriebsmotor 1 diese Clusterbild, dann gehört er der Type T1 an. Die Lage und Auswahl von Clustern wird nun beispielsweise bei allen einbaubaren Varianten von Antriebmotoren festgelegt.
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Hat im Gegensatz zum Spektrum der 3 ein per Körperschall wahrgenommener Motor 1 ein Spektrum gemäß 4, das nur Energienadeln der Amplitude u7 im Cluster C1 aufweist, dann gehört er beispielweise zum Motortyp T2. Ein anderer Motortyp T3 mag beispielsweise nur Energienadeln der Amplitude u7 im Cluster C2, also bei den Frequenzen f12 bis f14, aufweisen. Noch mehr Motortypen kommen bei Haushaltgeräten derselben Klasse kaum vor. Andernfalls können natürlich die Clusterbildung bzw. die Frequenzverteilung und/oder die Amplitudenzuordnung noch erweitert werden.
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Die Ausstattung der Motoren mit einem bestimmten, gewollten Körperschallspektrum ist durch Auswahl der elektromechanischen Eigenschaften der Statorwicklungen möglich. Dadurch wird ein Motortyp eindeutig bestimmbar. Auf diese Weise können Motortypen mit Codierungen versehen werden, ohne ihre konstruktiven Gestaltungen zu verändern. Man kann aber auch den anwesenden Clustern C1 und C2 die Exponenten „1“ bzw. „2“ (bei Abwesenheit „0“) der Basis „2“ zuordnen. So hat ein Fre quenzspektrum gemäß 3 mit zwei Clustern C1 und C2 die Ordnung 21 + 22 = 2 + 4 = (Verweis auf Typ 6). Entsprechend hat ein Frequenzspektrum gemäß 4 die Ord nung 21 + 20 = 2 + 1 = 3 (Verweis auf Typ 3). Bei Abwesenheit beider Cluster C1 und C2 wäre die Ordnung 20 + 20 = 1 + 1 = 2 (Verweis auf Typ 2). Selbstverständlich kann eine solche Binärcodierung auch auf anderer Basis oder durch andere Clusterordnung erzielt werden.
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Da regelmäßig Motoren von unterschiedlichen Lieferanten aufgrund jeweils voneinander abweichenden Fertigungsparametern unterschiedliche Frequenzspektren aufweisen, können Produkte unterschiedlicher Lieferanten in Haushaltgeräten derselben Klasse eingesetzt werden, wenn die jeweiligen Unterschiede (z. B. durch eine Wahl von dem erkannten Motortypen zugeordneten Parameterwerten für die Programmbearbeitung durch die Steuereinrichtung 10) automatisch berücksichtigt werden können. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber konstruktiv bedingten Codierungen, die zusätzliche Einstell-Maßnahmen in der Steuereinrichtung 10 erfordern, weil die automatische Berücksichtigung unterschiedlicher Motortypen Einstellfehler praktisch ausschließt. Je nach Marktnische, die durch Haushaltgeräte besetzt werden soll, können unterschiedliche Motoren in unterschiedlichen Klassen derselben Haushaltgerätereihe verwendet werden, die vorteilhafterweise ebenfalls automatische Programmeinstellungen zur Folge haben. Dies kann die prognostizierte Lebensdauer, emittierte Geräusche und den Energieverbrauch betreffen. Außerdem lässt der Einsatz eines Beschleunigungssensors 8 bei Motoren auch Fehlerzustände erkennen, wie beispielsweise Lagerschäden, Abrisserscheinungen im Stator 2 und/oder Rotor 4, z. B., an Teilen der Wicklungen oder bei Befestigungsmängeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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