DE102009044509A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors, in dem ein Rotor relativ zu einem Stator durch wenigstens ein Gleitlager gelagert ist, mit einem Schwingungsaufnehmer zur Erfassung von Schwingungen des Spindelmotors und mit einer Signalverfassten Schwingungen und Vergleichen des Ergebnisses der Analyse mit einem erwarteten Spektrum und zum Ableiten eines Betriebszustands des Gleitlagers aus dem Ergebnis des Vergleichs.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors, insbesondere eines Spindelmotors, der wenigstens ein Gleitlager verwendet, um einen Rotor relativ zu einem Stator zu lagern.
  • Derartige Spindelmotoren werden bevorzugt in Festplattenlaufwerken eingesetzt, wobei ein oder mehrere Gleitlager verwendet werden, um eine minimale Lagerreibung sicherzustellen.
  • Als Gleitlager werden insbesondere hydrodynamische Gleitlager, auch Fluidlager genannt, verwendet, in denen eine Flüssigkeitsreibung vorherrscht, aber z. B. auch Luftlager. Diese können kombiniert sein mit einem oder mehreren Magnetlagern. Nicht zur Anwendung bei der Erfindung kommen dagegen Kugel- und andere Wälzlager.
  • In hydrodynamischen Gleitlagern entsteht im Betrieb ein Schmierfilm aus Öl oder Fett zwischen einer Lagerbuchse und der darin geführten Welle, wobei die Welle ohne direkten Kontakt zur Lagerbuchse gleitet. Zur Erzeugung eines kontrollierten Druckaufbaus in dem Lagerspalt sind auf der Oberfläche der Welle und/oder an ihrem Stirnende druckerzeugende Rillen ausgebildet, die eine Pumpwirkung haben. Alternativ können die druckerzeugenden Rillen an den Lagerflächen der Lagerhülse ausgebildet sein.
  • Während des Betriebs des Spindelmotors können sich die Lagereigenschaften verschlechtern. Abgesehen von Stößen auf den Spindelmotor, gibt es folgende drei Hauptursachen für eine Verschlechterung der Lagereigenschaften: Das Lagerfluid dampft während der Betriebszeit des Lagers aus, so dass zunehmend Luft in das Lager gezogen wird. Bei An- und Auslauf des Motors tritt ein Lagerflächenkontakt auf, der Abrieb an den Lagerflächen erzeugt. Dieser Abrieb kann sich wie Sediment im Lager absetzen, auch in den Lagerrillen, so dass das hydrodynamische Lager nur noch einen verringerten Lagerdruck aufbauen kann. Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Flächen, welche den Lagerspalt definieren, wird in Bereichen des Lagers ein Unterdruck erzeugt, so dass Luft aus dem Lagerfluid ausgasen und sich in dem Lagerspalt ansammeln kann.
  • Durch diese Phänomene verringert sich die Steifigkeit des Lagers, so dass die Welle in dem Lager nicht mehr rund läuft. Die Anzahl der NRROs (Non Repeatable Run Out) und die Amplitude der RROs (Repeatable Run Out) nimmt zu. Mit RRO wird der von den Abweichungen der tatsächlichen Rotationsachse herrührende Schlag des Rotors bezeichnet. Der RRO ist ein Maß für die Abweichung der tatsächlichen Drehachse infolge von Außenmittigkeit und Kippung sowie für die durch Herstellprozesse verursachten Oberflächenfehler bzw. Formabweichungen. Dem RRO überlagert ist der NRRO, also die zufälligen bzw. stochastischen Abweichungen, die im Gegensatz zum RRO unregelmäßig auftreten, und zwar sowohl bezüglich Phasenlage als auch bezüglich ihrer Amplitude. Ursache sind Unregelmäßigkeiten, die vom Lagersystem herrühren. Die Zunahme solcher Rundlauffehler kann als ein Indiz für einen bevorstehenden Lagerausfall herangezogen werden.
  • Durch die beschrieben Störungen entsteht ferner eine höhere Lagerreibung, die wiederum den Verschleiß und somit den Ausfall des Lagers beschleunigt.
  • Die EP 1 826 735 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen der Wälzlager von Elektromotoren. Die Vorrichtung verwendet einen Schwingungsaufnehmer und überwacht damit eine verschleißbedingte Vergrößerung der wälzlagertypischen Frequenzkomponenten, um eine Beurteilung der Wälzlager hinsichtlich ihrer verbleibenden Standzeit zu ermöglichen. Die Überwachungsvorrichtung nutzt aus, dass Wälzlager bei einem Defekt eine diskrete Schwingungsanregung erzeugen, nämlich z. B. jedes Mal dann, wenn eine Kugel über den Defekt abrollt. Eine solche Fehlerüberwachung ist bei Fluidlagern und anderen Gleitlagern nicht ohne weiteres möglich; denn die Reibung, die bei Fluidlagern in der Regel nur im An- und Auslauf des Motors auftreten sollte, erzeugt keine diskrete Anregung, sondern vielmehr ein breites Anregungsspektrum, dass sich als eine Art Rauschen in einem breiten Frequenzband äußert. Die Erfassung einer „lagertypischen Frequenzkomponente” ist nicht möglich.
  • Aus dem Stand der Technik sind ferner unter der Bezeichnung S. M. A. R. T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) Systeme zur Selbstüberwachung, Analyse und Statusmeldung von Computerfestplatten bekannt. S. M. A. R. T. überwacht von den Festplattenherstellern festgelegte Grenzwerte für einzelne Parameter, wie Laufleistung und Temperatur. Hierzu werden eingebaute Sensoren und Chipfunktionen verwendet. Ferner überwacht die S. M. A. R. T. nicht korrigierbare Fehler beim Lesen der Festplatte, korrigierte Bit-Fehler beim Lesen sowie korrigierte Fehler beim Überprüfen der Festplattenoberfläche, die Anzahl der Start/Stopp-Vorgänge eines Laufwerks, der verbrauchten Reservesektoren sowie der Parkvorgänge und allgemeiner den Datendurchsatz und die Laufleistung der Festplatte. Diese Größen werden ausgewertet, um einen Hinweis auf die Abnutzung der Festplatte, Probleme der Plattenoberfläche oder Probleme von Antriebsmotor und Lagern zu detektieren. Allgemein wird davon ausgegangen, dass mit S. M. A. R. T. rund 60% aller Ausfälle von Festplatten vorhersagbar sind. Aus S. M. A. R. T. ist auch bekannt, dass die höchste Auswahlwahrscheinlichkeit für Festplattenlaufwerke während des ersten Betriebsjahres besteht und dass anschließend bis zu einem turnusmäßigen Austausch der Festplatte nach beispielsweise vier Jahren Ausfälle kein nennenswertes Problem mehr darstellen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors anzugeben, mit denen ein bevorstehender Ausfall eines Gleitlagers des Spindelmotors mit möglichst großer Genauigkeit vorhergesagt werden kann. Nach Möglichkeit sollen die 40% der Ausfälle, die durch S. M. A. R. T. nicht erkannt werden, vorhersagbar werden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
  • Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors, in dem ein Rotor relativ zu einem Stator durch wenigstens ein Gleitlager gelagert ist, vor. Die Vorrichtung umfasst einen Schwingungsaufnehmer zur Erfassung von Schwingungen des Spindelmotors und eine Signalverarbeitungseinheit zur Analyse des Spektrums der erfassten Schwingungen. Das Ergebnis dieser Analyse wird mit einem erwarteten Spektrum verglichen, um einen Betriebszustand des Gleitlagers abzuleiten. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es bei Gleitlagern zwar nicht möglich ist, eine lagerspezifische Frequenzkomponente anzugeben, weil das Vibrationsspektrum von Gleitlagern sich eher als eine Art Rauschen in einem breiten Frequenzband äußert, dass sich aber Schäden und Störungen des Lagers auf die Steifigkeit des Lagers auswirken und damit einen Einfluss auf den Rundlauf des Lagers haben. Abweichungen im Rundlauf können aber erfasst werden, wenn beispielsweise die Anzahl der NRROs und die Amplitude der RROs zunehmen. Eine solche Zunahme kann als eine Vibration des Spindelmotors bei einer Frequenz, die im Normalbetrieb nicht auftritt, erkannt werden. Werden demnach durch den Schwingungsaufnehmer Schwingungen des Spindelmotors mit einer Frequenz und Amplitude erfasst, die in einem bei Normalbetrieb zu erwartenden Schwingungsspektrum nicht auftreten würden, so kann auf eine Störung des Gleitlagers und dadurch auf einen bevorstehenden Ausfall des Lagers und somit des Spindelmotors geschlossen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Schwingungsaufnehmer schwingungsgekoppelt an dem Gleitlager oder an einer Grundplatte des Spindelmotors, in die das Gleitlager integriert ist, angebracht. Wichtig ist dabei, dass Schwingungen aufgrund eines unrunden Laufs der Welle in dem Gleitlager möglichst direkt erfasst werden, so dass eine direkte Schwingungskopplung zwischen dem Gleitlager und dem Schwingungssensor angestrebt wird.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Schwingungsaufnehmer vorzugsweise einen Beschleunigungssensor, z. B. ein piezoelektrischen Beschleunigungssensor oder ein mikro-elektromechanisches System (MEMS). Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt und kann auch andere klassische Beschleunigungssensoren, z. B. Dehnungsmessstreifen, verwenden.
  • Zusätzlich oder alternativ zu der Erfassung von Schwingungen des Spindelmotors kann die Überwachung des Betriebs des Spindelmotors erfindungsgemäß auch auf eine Erfassung des Phasenstroms, der durch die Statorwicklungen des Spindelmotors geht, gestützt werden. In bürstenlosen Gleichstrommotoren und anderen Permanentmagnetmotoren werden die Phasen des Stators über eine Motorsteuereinheit mit einem Steuerstrom versorgt. Der Steuerstrom variiert abhängig von der Last, Anlauf und Auslauf des Motors sowie der Drehzahl. Zur sensorlosen Drehzahlregelung werden in solchen Motoren die Phasenströme der jeweils unbestromten Phasen überwacht (Gegeninduktionsspannung), so dass viele Spindelmotoren an sich schon Mittel zum Erfassen der Phasenströme des Spindelmotors aufweisen. Die Erfindung nutzt diese Mittel, um den erfassten Phasenstrom mit einem vorgegebenen Stromschwellwert und/oder Stromgradienten zu vergleichen und aus dem Ergebnis des Vergleichs einen Betriebszustand des Spindelmotors abzuleiten. Dieser zusätzlichen oder alternativen Überwachung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Störungen des Lagers zu einer erhöhten Lagerreibung und damit zu einer Temperaturerhöhung und einer gesteigerten Leistungsaufnahme führt. Die Erfassung des Phasenstroms kann als ein Maß der erhöhten Lagerreibung herangezogen werden. Sie hat den Vorteil, dass die Phasenströme keiner externen Beeinflussung unterliegen – wie beispielsweise die Temperatur.
  • Insbesondere eine plötzlich ansteigende Stromaufnahme ist ein deutlicher Hinweis auf einen Flächenverschleiß des Gleitlagers und einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall des Lagers und somit des Spindelmotors. Aber auch andere Störungs- und Verschleißphänomene können zu einer erhöhten Stromaufnahme führen und somit erfindungsgemäß erkannt werden.
  • Wenn beispielsweise der Spindelmotor in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit betrieben wird, wird Feuchtigkeit in dem Lagerfluid gebunden, wodurch das Lagerfluid eine weniger gute Schmierwirkung hat; die Reibung des Lagers erhöht sich und der Strombedarf steigt bis zum Ausfall des Lagers exponentiell an. Auch bei einer Abnahme der Magnetkraft der Permanentmagnete des Rotors über dessen Lebensdauer steigt der Strombedarf an. Bei herkömmlichen Permanentmagneten eines Spindelmotors reduziert sich die Magnetkraft während des Dauerbetriebs über fünf Jahre um etwa bis zu 30%. In diesem Fall ist der Anstieg der Stromaufnahme stetig und flach.
  • Bei der Erfassung des Phasenstroms sind insbesondere plötzliche und steile Stromänderungen von Interesse, weil diese einen Hinweis auf einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall des Lagers geben können. Erfindungsgemäß wird daher der Phasenstrom in definierten Zeitintervallen wiederholt erfasst, um eine Änderung des Phasenstroms abzuleiten und diese mit einem vorgegebenen Stromgradienten zu vergleichen. Die Überprüfung des Phasenstroms sollte vorzugsweise dann einsetzen, wenn der Absolutwert des Phasenstroms größer ist als ein Nennstrom des Spindelmotors bei Maximallast; denn beispielsweise auch bei Anlauf des Motors kann ein großer Stromgradient auftreten, ohne dass dies einen Hinweis auf einen Lagerschaden gibt.
  • Verschiedene Gradienten des ansteingenden Phasenstroms erlauben einen Rückschluss auf unterschiedliche Fehlerursachen sowie eine Prognose der Ausfallwahrscheinlichkeit.
  • Während also gemäß dem zuerst erörterten Aspekt der Erfindung Schwingungen des Gleitlagers erfasst werden, die durch Rundlauffehler verursacht sind, basiert der zweite Aspekt der Erfindung auf einer Stromerfassung, um insbesondere eine erhöhte Lagerreibung durch Lagerschäden zu erkennen. Die beiden Aspekte der Erfindung können in Kombination eingesetzt werden.
  • Zusätzlich zu den beiden beschriebenen Überwachungsvorrichtungen kann die Erfindung optional einen Temperaturaufnehmer zur Erfassung der Temperatur des Spindelmotors umfassen, wobei die erfasste Temperatur mit einem vorgegebenen Temperaturschwellwert und/oder einem Temperaturgradienten verglichen und das Ergebnis des Vergleichs bei der Ableitung des Betriebszustandes des Spindelmotors berücksichtigt wird. Der Temperatursensor kann beispielsweise als ein separater Temperaturaufnehmer oder als ein Transistor innerhalb eines ICs in den Spindelmotor integriert sein. Bei Verwendung eines Transistors wird dessen temperaturabhängige Kennlinie zur Erfassung der Temperatur aufgenommen. Der Temperatursensor sollte womöglich mit dem Gleitlager des Spindelmotors wärmegekoppelt sein.
  • Die Temperaturmessung erlaubt einen Rückschluss auf eine Störung eines Lagers, weil mit einer Erhöhung des Stromverbrauchs und der Lagerreibung stets eine Temperaturerhöhung einhergeht. Durch Korrelieren der Temperaturmessung und der Messung der Stromaufnahme und unter Einbeziehung atypischer Schwingungen des Spindelmotors ist es möglich, Störungen des Gleitlagers des Spindelmotors zu erkennen, mögliche Störungsursachen zu ermitteln eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Lagers zu prognostizieren, und auf einen bevorstehenden Ausfall des Gleitlagers rechtzeitig hinzuweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei Ermittlung eines Betriebszustands, der von einem Normalbetrieb abweicht, ein Alarmsignal ausgeben.
  • Die Erfindung sieht auch einen Spindelmotor mit einer oder mehreren der beschriebenen Überwachungsvorrichtungen sowie ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs des Spindelmotors vor.
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors;
  • 2a eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor; und
  • 2b eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A des in 2a gezeigten Spindelmotors.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors in Kombination mit dem Spindelmotor. Die Figur zeigt funktionelle Einheiten, die baulich nicht notwendig getrennt vorgesehen sein müssen. Die Anordnung umfasst eine Stromversorgung 10, eine Motorsteuereinheit 12, eine Stromerfassungseinheit 14, den Spindelmotor 16 mit Statorphasen 18 und einem Lager 20, einen Beschleunigungssensor 22, einen Temperaturaufnehmer 24 und eine Signalverarbeitungseinheit 26.
  • Der Spindelmotor 16 ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem hydrodynamischen Fluidlager 20. Der Motor weist einen Permanentmagnetrotor (in 1 nicht gezeigt) und einen Statur mit drei Statorphasen U, V, W, 18, auf. Die Statorphasen werden über die Motorsteuereinheit 12 angesteuert und mit Strom versorgt. Zur Drehzahlregelung erfasst die Stromerfassungseinheit 14 die Phasenströme der jeweils unbestromten Phasen. Die Motorsteuereinheit 12 erhält ihren Strom von der Stromversorgung 10. Insoweit gehört die in 1 gezeigte Anordnung zum Stand der Technik und ist hier nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
  • Erfindungsgemäß ist der Beschleunigungssensor 22 in dem Spindelmotor 16 so angebracht und angeordnet, dass er mit dem Lager 20 schwingungsgekoppelt ist, wie im Einzelnen mit Bezug auf die 2a und 2b erläutert wird. Der Beschleunigungssensor 22 erfasst Schwingungen des Spindelmotors 16, insbesondere Schwingungen, die durch den Betrieb des Lagers 20 verursacht werden. Das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 22 wird der Signalverarbeitungseinheit 26 zugeführt.
  • Erfindungsgemäß wird ferner das Ausgangssignal der Stromerfassungseinheit 14, also die erfassten Phasenströme der jeweils unbestromten Phasen, der Signalverarbeitungseinheit 26 zugeführt. Wie oben erläutert, können der Beschleunigungssensor 22 und die Stromerfassungseinheit 14 erfindungsgemäß alternativ oder in Kombination eingesetzt werden. Zusätzlich kann erfindungsgemäß der Temperaturaufnehmer 24 die Temperatur des Spindelmotors 16, insbesondere des Lagers 20, erfassen und diese Temperatur ebenfalls der Signalverarbeitungseinheit 26 zuführen.
  • Die Motorsteuereinheit 12, die Stromerfassungseinheit 14 und die Signalverarbeitungseinheit 26 können als diskrete Komponenten oder gemeinsam in einem integrierten Schaltkreis (IC) realisiert sein. Der Temperaturaufnehmer 24 ist ein optionales Bauteil und kann beispielsweise als gesonderter Temperaturfühler oder als ein Transistor innerhalb des integrierten Schaltkreises (IC) ausgeführt sein.
  • Erfindungsgemäß werden die Signale des Beschleunigungssensors 22 von der Signalverarbeitungseinheit 26 ausgewertet und das durch die Schwingungen des Spindelmotors erzeugte Frequenzspektrum wird nach Grundfrequenzen und Oberschwingungen sowie nach Amplitude ausgewertet, um zu ermitteln, ob das Schwingungsverhalten des Spindelmotors 16 „normal” ist, d. h. ob das Schwingungsspektrum dem im Normalbetrieb zu erwartenden Schwingungsspektrums aufgrund des Elektromotor-Designs entspricht, oder ob atypische Frequenzspektren auf einen mangelnden Rundlauf des Lagers und somit eine Beschädigung oder Störung des Lagers schließen lassen. Durch die Auswertung der Frequenzspektren lässt sich zunächst im Sinne einer Ja/Nein-Entscheidung eine Störung des Lagers erkennen, des Weiteren aber auch eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Lagers voraussagen. Da die Frequenzen und Amplituden des Frequenzspektrums auch vom jeweiligen Design des Lagers und des Spindelmotors abhängig sind, können hier keine konkreten Grenzwerte angegeben, im Einzelfall aber vom Fachmann z. B. empirisch ermittelt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch aus der Stromaufnahme der Statorphasen 18 des Spindelmotors 16 auf eine Störung oder Beschädigung des Lagers 20 rückgeschlossen werden. Insbesondere führt eine erhöhte Lagerreibung zu einer höheren Last und somit einer Erhöhung der Stromaufnahme. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Stromerfassung und die Temperaturerfassung zusätzlich zu der Erfassung und Auswertung der Schwingungen des Spindelmotors eingesetzt, um die Genauigkeit bei der Erkennung von Störungen des Lagers 20 und bei der Voraussage einer Auswahlwahrscheinlichkeit zu erhöhen. Auch die Korrelation der Stromgrenzwerte und -gradienten zu einzelnen Fehlern und Ausfallwahrscheinlichkeiten kann empirisch ermittelt werden.
  • Die 2a und 2b zeigen Schnittdarstellungen durch einen Spindelmotor mit der erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachung. Der Motor umfasst einen Stator 30 mit einem Statorkern 32 und Statorwicklungen oder -phasen 34, der mit einer Grundplatte 36 des Spindelmotors fest verbunden ist. Der Rotor 38 des Spindelmotors umfasst einen Rotormagneten 40, der über eine Nabe 42 mit einer Welle 48 drehfest gekoppelt ist.
  • Der Rotor 38 ist gegenüber dem Stator 30 über ein Gleitlager 44, z. B. ein fluiddynamisches Lager (FDB) gelagert. Das Gleitlager 44 wird gebildet durch eine Lagerhülse 46, die in die Grundplatte 36 eingepresst ist, und eine auf der Innenfläche der Lagerhülse 46 gebildete druckerzeugende Rillenstruktur 50. Bei Rotation der Welle 48 in der Lagerhülse 46 erzeugt die Rillenstruktur 50 eine Pumpwirkung und baut so einen Druck in dem Lagerfluid 52 auf, wobei der Spindelmotor der 2a zusätzlich Ausgleichskanäle, Fluiddichtungen, ein Fluidreservoir und dergleichen aufweist, die für die Erfindung jedoch nicht relevant sind. Die Nabe 42 ist mit der Welle 48 drehfest verbunden. Zur Vorspannung des Rotors 38 ist in dem in 2a gezeigten Spindelmotor ferner ein Ferromagnetischer Ring 54 vorgesehen, der dem Stirnende des Rotormagneten 40 gegenüberliegt und von diesem angezogen wird.
  • Erfindungsgemäß ist in der Grundplatte 36 ein Raum zur Aufnahme eines Beschleunigungssensors 56 ausgebildet. Der Beschleunigungssensor 56 ist mit der Grundplatte 36 über einen Kleber oder ein Gussharz 58 schwingungsgekoppelt verbunden. Der Kleber oder das Gussharz 58 kann das gleiche Material sein, das beispielsweise auch zur Versiegelung von Durchkontaktierungen der Wicklungsanschlüsse der Statorwicklungen 34 verwendet wird. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und kompakter Aufbau, der keine zusätzlichen Materialien benötigt. In der gezeigten Ausführung ist der Beschleunigungssensor direkt auf einer flexiblen Leiterplatte (FPC) verlötet.
  • Der Beschleunigungssensor 56 ist derart an die Grundplatte 36 angebunden, dass er auch mit dem Gleitlager 44, insbesondere der Lagerhülse 46, schwingungsgekoppelt ist. Er kann somit durch das Gleitlager 44 verursachte Schwingungen direkt erfassen. Wie erläutert werden dabei in der Regel nicht durch den Betrieb des Lagers selbst erzeugte Schwingungen erfasst, sondern es werden die Auswirkungen eines Lagerschadens oder einer Lagerstörung auf die Steifigkeit des Lagers erfasst. Eine verringerte Lagersteifigkeit führt nämlich zu einem fehlerhaften Rundlauf des Gleitlagers 34, der in der Regel Schwingungen erzeugt, die durch Erfassen einer einfachen Frequenzspitze detektiert werden können. Werden solche vom Normalbetrieb abweichende Frequenzspitzen erfasst, kann somit auf eine Beschädigung des Lagers und einen bevorstehenden Lagerausfall geschlossen werden. Hieraus kann wiederum eine Ausfallwahrscheinlichkeit abgeleitet werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Stromversorgung
    12
    Motorsteuereinheit
    14
    Stromerfassungseinheit
    16
    Spindelmotor
    18
    Statorphasen
    20
    Lager
    22
    Beschleunigungssensor
    24
    Temperaturaufnehmer
    26
    Signalverarbeitungseinheit
    30
    Stator
    32
    Statorkern
    34
    Statorwicklungen, Statorphasen
    36
    Grundplatte
    38
    Rotor
    40
    Rotormagnet
    42
    Nabe
    44
    Gleitlager
    46
    Lagerhülse
    48
    Welle
    50
    Rillenstruktur
    52
    Lagerfluid
    54
    Ferromagnetischer Ring
    56
    Beschleunigungssensor
    58
    Kleber oder Gussharz
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1826735 A2 [0008]

Claims (21)

  1. Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors (16), in dem ein Rotor (38) relativ zu einem Stator (30) durch wenigstens ein Gleitlager (44) gelagert ist, mit einem Schwingungsaufnehmer zur Erfassung von Schwingungen des Spindelmotors (16) und mit einer Signalverarbeitungseinheit (26) zur Analyse des Spektrums der erfassten Schwingungen und Vergleichen des Ergebnisses der Analyse mit einem erwarteten Spektrum und zum Ableiten eines Betriebszustands des Gleitlagers aus dem Ergebnis des Vergleichs.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer an dem Gleitlager (44) schwingungsgekoppelt angebracht ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer an einer Grundplatte (36) des Spindelmotors (16), in die das Gleitlager (44) integriert ist, schwingungsgekoppelt angebracht ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer einen Beschleunigungssensor (22) umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (26) dazu eingerichtet ist, das Spektrum der erfassten Schwingungen auf Frequenzen zu überprüfen, die bei einem unrunden Lauf des Gleitlagers (44) entstehen.
  6. Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors (16), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spindelmotor (16) eine Motorsteuereinheit (12) aufweist, die einen Steuerstrom zur Ansteuerung des Spindelmotors (16) abgibt, mit Mitteln zur Erfassung eines Phasenstroms des Spindelmotors (16) und mit einer Signalverarbeitungseinheit (26) zum Vergleichen des erfassten Phasenstroms mit einem vorgegebenen Stromschwellwert und/oder -gradienten und zum Ableiten eines Betriebszustands des Spindelmotors (16) aus dem Ergebnis des Vergleichs.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung des Steuerstroms dazu eingerichtet sind, den Phasenstrom in definierten Zeitintervallen wiederholt zu erfassen und daraus eine Änderung des Phasenstroms abzuleiten und diese Änderung mit dem vorgegebenen Stromgradienten zu vergleichen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromschwellwert größer ist als ein Nennstrom des Spindelmotors (16) bei Maximallast.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (26) dazu eingerichtet ist, abhängig von einer ermittelten Abweichung des erfassten Phasenstroms von dem vorgegebenen Stromschwellwert und/oder -gradienten eine Störungsursache in dem Spindelmotor (16) zu ermitteln.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperaturaufnehmer zur Erfassung der Temperatur des Spindelmotors (16), wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) dazu eingerichtet ist, die erfasste Temperatur mit einem vorgegebenen Temperaturschwellwert und/oder -gradienten zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs bei der Ableitung des Betriebszustands des Spindelmotors (16) zu berücksichtigen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (26) dazu eingerichtet ist, bei Ermittlung eines Betriebszustandes, der von einem Normalbetrieb abweicht, ein Alarmsignal auszugeben.
  12. Spindelmotors (16), in dem ein Rotor (38) relativ zu einem Statur (30) über wenigstens ein Gleitlager (44) gelagert ist, mit einer Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  13. Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors (16), in dem ein Rotor (38) relativ zu einem Statur (30) durch wenigstens ein Gleitlager (44) gelagert ist, wobei Schwingungen des Spindelmotors (16) erfasst und das Spektrums der erfassten Schwingungen analysiert werden und das Ergebnisses der Analyse mit einem erwarteten Spektrum verglichen wird, um einen Betriebszustand des Gleitlagers (44) aus dem Ergebnis des Vergleichs abzuleiten.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen direkt an dem Gleitlager (44) erfasst werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der erfassten Schwingungen auf Frequenzen überprüft wird, die bei einem unrunden Lauf des Gleitlagers (44) entstehen.
  16. Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Spindelmotors (16), insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Spindelmotor (16) eine Motorsteuereinheit (12) aufweist, die einen Steuerstrom zur Ansteuerung des Spindelmotors (16) abgibt, wobei der Steuerstrom des Spindelmotors (16) erfasst und mit einem vorgegebenen Stromschwellwert und/oder -gradienten verglichen wird, um einen Betriebszustand des Spindelmotors (16) aus dem Ergebnis des Vergleichs abzuleiten.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom in definierten Zeitintervallen wiederholt erfasst wird und daraus eine Änderung des Steuerstroms abgeleitet und diese Änderung mit vorgegebenen Stromgradienten verglichen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromschwellwert größer ist als ein Nennstrom des Spindelmotors (16) bei Maximallast.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer ermittelten Abweichung des erfassten Steuerstroms von dem vorgegebenen Stromschwellwert und/oder -gradienten eine Störungsursache in dem Spindelmotor (16) ermittelt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Spindelmotors (16) erfasst und mit einem vorgegebenen Temperaturschwellwert und/oder -gradienten verglichen wird und dass das Ergebnis des Vergleichs bei der Ableitung des Betriebszustands des Spindelmotors (16) berücksichtigt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung eines Betriebszustandes, der von einem Normalbetrieb abweicht, ein Alarmsignal ausgegeben wird.
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