电动马达和带有对应电动马达的通风机

摘要

本发明涉及一种电动马达，带有定子(2)和相对于定子(2)可绕马达轴线(3)旋转地安装的转子。电动马达(1)包括带有至少一个传感器的倾斜测量单元和电子传感器单元，其中，至少一个传感器相对于定子(2)以固定的位置和定向布置，并且电子传感器单元致动至少一个传感器。至少一个传感器设计成生成测量值，这些测量值允许得出关于传感器的空间定向的结论，从而得出关于电动马达的空间定向的结论。电动马达可以是根据本发明的通风机的一部分。另外，提供了对应的电子马达单元，其设计成致动这种电动马达。

说明书

本发明涉及一种电动马达，其具有定子和绕马达轴线相对于定子可旋转地安装的转子。本发明还涉及一种带有对应电动马达的通风机。本发明还涉及用于控制电动马达的马达电子器件，该马达电子器件配置成控制电动马达的定子绕组和/或转子绕组。

电动马达具有定子和相对于定子可旋转的转子。通常，尤其是在中高性能马达的情形中，转子借助一个或多个轴承可旋转地安装。当安装这种电动马达时，通常随后可以相对自由地选择电动马达随后将在以其运行的空间定向。这尤其适用于带有外转子设计的通风机。例如，电动马达的轴可以水平、垂直向上、垂直向下或以任何其他角度位置定向。

然而，电动马达在其运行期间的安装位置会影响电动马达的某些特性。由于重力和在不同安装位置的轴承调整，轴承载荷有很大不同。这意味着不同的安装位置会导致不同的轴承使用寿命。轴承的标称使用寿命L10h在ISO 281标准中进行了定义，并规定了90％的被测轴承在相同的运行条件下达到的使用寿命。因此，标称使用寿命L10h表示失效概率为10％。由于较高载荷与安装位置的关系，具有竖直向下指向的马达轴的马达通常会比轴水平对准的马达更短的使用寿命L10h。

安装位置也会影响润滑剂的可能损失。例如，在竖直安装位置，轴承油脂可以更轻易地从轴承中逸出，因此取决于安装位置可能导致不同的脂膏使用时间。

由不同的安装位置引起的另一个问题涉及散热。电动马达及在其中集成的任何马达电子器件均会产生废热，且必须使其适当地消散。通常通过对流将这些废热通过冷却表面或散热翅片散发到环境空气中。取决于安装位置，冷却表面或散热翅片可能无法最佳地作业，并且可能会积聚热量。这可能会导致对温度敏感部件的损环和/或导致电动马达功率损失。

此外，在各种安装位置中，湿气(例如由于降水)或多或少会很好地进入马达或马达电子器件中。例如，如果线缆管道朝上，则湿气侵入的风险比线缆管道朝下定向时更高。在后一种情形中，湿气也可能通过连接线缆流出并滴落在安全的地方。

当将马达电子器件配置为单独的组件时，也会出现所提到的最后两个问题。同样在该情形中，安装位置对于散热能力多好或湿气侵入马达电子器件中的风险多高也至关重要。

在大多数情形中，电动马达的制造商不知道电动马达在哪个安装位置上安装并由客户运行。这意味着有许多未知参数会影响电动马达的使用寿命和运行。可能仅允许电动马达的某些安装位置，例如水平对准的马达轴。特别是在通风机的电动马达的情形中，这很难实现，因为电动马达的安装位置常常不能自由选择，而是由安装情况决定的。在各种安装位置要准备的另一种方法是设计电动马达，以使得无论安装位置如何都满足指定的参数。然而，这将产生对于许多安装位置而言昂贵且尺寸过大的电动马达。

因此，本发明的目的在于配置和开发上述类型的电动马达、通风机和马达电子器件，以确保在电动马达或马达电子器件的任何安装位置处都尽可能安全地运行。

根据本发明，前述目的由权利要求1的特征所实现。相应地，所关注的电动马达的特征在于，带有至少一个传感器和一个传感器电子器件的倾斜测量单元，所述至少一个传感器相对于所述定子以固定的位置和定向布置，所述传感器电子器件控制所述至少一个传感器，并且所述至少一个传感配置成生成测量值，所述测量值允许得出关于传感器的空间定向的结论，由此得出关于所述电动马达的空间定向的结论。

关于通风机，上述目的通过权利要求18的特征来实现。相应地，根据本发明的通风机包括根据本发明的电动马达和叶轮。

关于马达电子器件，上述目的通过权利要求19的特征来实现。相应地，所关注的马达电子器件的特征在于，带有至少一个传感器和一个传感器电子器件的倾斜测量单元，所述至少一个传感器相对于所述马达电子器件以固定的位置和定向布置，所述传感器电子器件控制所述至少一个传感器，并且所述至少一个传感配置成生成测量值，所述测量值允许得出关于传感器的空间定向的结论，由此得出关于所述马达电子器件的空间定向的结论。

根据本发明，已经首先认识到，如果可获得关于电动马达的空间定向的信息并因此可以建立相对于安装位置的合适响应，则不需要对所有可能的安装位置限制电动马达或马达电子器件的安装位置或使其“尺寸过大”。根据本发明，这可以通过具有倾斜测量单元的电动马达来实现，该倾斜测量单元可以用于确定电动马达的空间定向。为此目的，倾斜测量单元具有至少一个传感器和一个传感器电子器件，该传感器电子器件控制一个或多个传感器。至少一个传感器被内置到电动马达中或附接到电动马达，以使得其相对于定子的位置和定向不变或至多不明显地变化。如果使用多个传感器，它们之间也应具有固定的空间关系。以这种方式，在至少一个传感器的定向与整个电动马达的定向之间存在确定的关系。至少一个传感器生成测量值，该测量值允许得出关于一个或多个传感器的空间定向的结论。从这些测量值可以得出关于一个或多个传感器的空间定向和马达的空间定向的结论。

如果马达电子器件配备有倾斜测量单元并根据电动马达的倾斜测量单元运行，则可以实现相同的效果。通过这种构造，可以确定马达电子器件的安装位置，从而可以对不利的散热或可能的湿气侵入做出反应。如果该马达电子器件附接到未配置成测量安装位置的电动马达，则也可以确定整个电动马达的安装位置，从而可以通过替换马达电子器件来改进该功能。因此，以下大多数配置相应地适用于根据本发明的马达电子器件，这就是为什么为了避免重复而在下面仅论述电动马达的配置的原因。本领域技术人员将容易地认识到哪些方面可以相应地转移到马达电子器件。

术语“安装位置”通常被理解为是指电动马达在周围系统中的安装定向。该安装位置尤其由电动马达的轴的定向方向限定。使用此信息，可以在许多情形中精确限定电动马达的安装位置。使用该信息，还可以得出关于轴承上的载荷和润滑剂损失(如果有)的结论。于是，该信息使得能够提前计算出轴承的使用寿命，提前计算出油脂的使用寿命，计算出实际作用的力，或者调整保养间隔。另外，安装位置可以由马达绕马达轴线旋转的角度限定，马达轴线是转子绕其旋转的轴线。安装位置的此额外尺寸可能例如涉及计算湿气侵入马达的概率，或计算任何不利的散热(如果有)。安装位置的第三维度可以是电动马达绕垂直于马达轴线的轴线或绕平行于地球重力矢量的轴线旋转的角度。由于该方向对于电动马达的大多数运行参数并不重要，因此在大多数应用中可以省去安装位置的此第三维度。因此，总的来说，电动马达的安装的空间定向由一维、二维或三维量来定义。

传感器电子器件也可以以不同的方式构造。在最简单的情形中，传感器电子器件可以通过镇流电阻器的电流限制来形成。在电容测量系统中，传感器电子器件还可包括谐振电路，通过该谐振电路向传感器供应交流电压。在实践中，传感器电子器件的外观将取决于所使用的传感器。如果传感器具有多个局部传感器或使用了多个传感器，则传感器电子器件可以一起控制所有局部传感器或所有传感器。但是，传感器电子器件的各个部分也可以单独用于局部传感器之一。从现有技术中已知对应的传感器电子器件。

除了控制传感器之外，传感器电子器件还可以对传感器信号进行处理。该处理可以包括数字化模拟信号。取决于所使用的传感器，还可以想到不能直接在传感器信号中读取传感器的空间定向。在这种情形中，传感器电子器件可以评估传感器信号，以使得可以输出传感器的空间定向值。这个简短的示例性清单示出了传感器电子器件可能具有的灵活性和差异性。

传感器与定子之间定义的空间关系也可以以不同的方式形成。因此，传感器可以布置在电路板上，而电路板被拧到定子衬套(例如，在形成在该处的电子器件壳体中)。由于定子固定地连接到定子衬套，因此即使原理上电路板可能因振动而轻微变形，也能以此方式在传感器与定子之间形成确定且固定的空间关系。定义的空间关系也应理解为是指传感器何时埋入仅可轻微变形的浇铸块中。因为也在该情形中，传感器相对于定子的位置和空间定向在很大程度上保持固定，这是由于传感器通常仅以限定的方式偏转并且将返回其起始位置。但是，传感器也可以是传感器布置的一部分，该传感器装置例如布置在轴承管中。在此，传感器与定子之间也存在定义的空间关系。如果传感器集成在凸缘连接到马达壳体的马达电子器件中，则也适用相应的陈述。由于马达壳体与定子具有限定的固定空间关系，并且马达电子器件固定地紧固到马达壳体，因此在传感器与定子之间获得限定的空间关系。

而且，可以以各种方式形成至少一个传感器。重要的是，由至少一个传感器生成的传感器信号可用于得出关于传感器的空间定向的结论，并因而得出关于电动马达的空间定向的结论。但是，最多样化的传感器可以满足此要求。

在至少一个传感器的优选示例性实施例中，所述传感器由利用地球重力场的影响的倾斜传感器形成。这种倾斜传感器像数字水平仪一样工作，并且通常被构造为MEMS(微机电系统)。取决于可测量轴线的数量，倾斜传感器提供一个或两个测量值，每个测量值指示相对于重力场矢量的角度，其中，角度所涉及的各个方向彼此垂直。由于与1轴倾斜传感器相比，在2轴倾斜传感器的情形中的测量区域通常受到限制，因此可以使用两个1轴倾斜传感器代替2轴倾斜传感器，在该情形中，两个1轴倾斜传感器布置成使得在彼此垂直布置的两个方向上进行测量。无论配置如何，相对于重力场获得的角度值都可以用来确定传感器的空间定向，这是由于重力场的矢量始终指向地球的中心。

在至少一个传感器的另一个优选的示例性实施例中，后者包括3轴振动传感器。已经认识到，电动马达取决于安装位置而特征性地振动。这尤其是由于以下事实，即电动马达的轴承和其他部分取决于安装位置而通过重量受到不同的应力，因而产生不同的振动。如果在三个垂直方向上测量这些振动，则可以确定电动马达的安装位置。为此目的，必须相应地分析各个轴线的传感器信号，并将其与参考值进行比较。这些参考值可以在电动马达启动程序中通过校准测量确定。为此，电动马达将在不同但已知的空间定向上运行，并在每种情形中分别测量振动。这样，还可以记录速度相关性。替代地，参考值也可以来自对相同类型的另一台电动马达的测量。在任何情形中，3轴振动传感器的测量值允许确定3轴振动传感器相对于参考矢量的定向。实际上，该参考矢量将主要是重力场的矢量。

为了简化电动马达的定向与至少一个传感器的定向之间的关系，建议将传感器连接到电动马达，以使倾斜测量单元的测量轴线平行于马达轴线布置。例如，如果至少一个传感器包括2轴倾斜传感器，则传感器的测量轴线之一可以平行于马达轴线。

附加地或替代地，倾斜测量单元的另外的测量轴线可以基本上平行于或垂直于电动马达的参考平面布置，其中，参考平面可以由不同的平面形成并且优选平行于马达轴线延伸。对于参考平面，重要的是，参考平面具有相对于电动马达的限定位置。为此，可以确定电动马达的其他元件、比如线缆管道的位置和空间定向或冷却表面或散热翅片的位置。优选的参考平面由电动马达的连接平面形成，该连接平面是用于电动马达的供应线缆所连接到的电动马达的区域。通常，这些连接部具有线缆管道，其轴线彼此平行。于是，连接平面将是垂直于线缆管道轴线的平面。

电动马达通常具有马达电子器件，该马达电子器件生成用于定子和/或转子的绕组的供应电压。该马达电子器件可以包含例如逆变器和/或控制电子器件的电源部段。在该情形中，马达电子器件布置在电子器件壳体中，或者将单独的壳体附接到电动马达。在两种情形中，马达电子器件都具有相对于电动马达的限定的位置和空间定向。在一个实施例中，这一事实被用于将倾斜测量单元集成在马达电子器件中。这可能意味着倾斜测量单元布置在马达电子器件的电路板上。这种配置的优点在于，倾斜测量单元已经可获得能量供应。另外，可以附随地使用部分马达电子器件。例如，可以将马达电子器件中的微处理器用于进行计算，或者可以将马达电子器件中的存储器用于存储测量值。

在另一配置中，倾斜测量单元布置在轴承管中，轴承管封围电动马达的轴的至少一部分并且在其上形成用于轴的轴承的至少一个轴承接纳区域。在DE 10 2018 211 833A1中更详细地描述了这种配置，在此明确地对其进行参考。

在一种改进中，倾斜测量单元包括评估单元，该评估单元配置成由至少一个传感器的测量值来确定关于至少一个传感器和/或电动马达的空间定向的信息。在该情形中，可以以各种方式配置评估单元。可以设想的是，评估单元使用查找表，其中，建立了测量值与空间定向之间的关系。该查找表可以在电动马达的校准测量期间生成。然而，在许多情形中，不必以几度或更小的精度来确定安装位置，因此，倾斜测量单元相对于定子的任何安装公差在大多数情况下都不重要。在这些情形中，可以将结构相同的电动马达的查找表提供给评估单元。但是，评估单元也可以根据测量值进行计算。在最简单的情形中，它可以包括插值或多项式逼近的计算。但是，也可以进行详细的计算。例如，如果倾斜测量单元包括一个或多个振动传感器，则评估单元可以以FFT(快速傅立叶变换)形式进行频率分析。

由评估单元确定的关于至少一个传感器和/或电动马达的空间定向的信息优选地包括数据记录，该数据记录规定相对于参考方向的角度。在最简单的情形中，参考方向由重力矢量形成。以这种方式，例如可以确定马达轴线相对于重力场的倾斜以及电动马达绕电动马达轴线相对于参考平面的旋转。如果要获得关于电动马达的空间定向的另外的信息，则可能需要第二参考方向，该第二参考方向例如由地球磁场形成。数据记录表明电动马达如何偏离该参考方向(或偏离多个参考方向)。取决于要如何精确地规定电动马达的定向，数据记录可以是一维、二维或三维的。

在一些情形中，提供关于电动马达的空间定向的定性陈述就足够了。因此，关于至少一个传感器和/或电动马达的空间定向的信息可以附加地或替代地包括评估数字。该评估数字可以指示当前确定的空间定向如何有利或如何不利。在最简单的情形中，评估数字可以是0和1，其中，例如0表示电动马达处于不允许安全运行的安装位置。评估数字也可以是自然数，例如在1至10之间，其中，1表示特别不利，10表示特别有利。该信息还可以用于将用户的注意力吸引到不利的甚至不允许的安装位置。例如，LED(发光二极管)可能指示无法安全运行。以这种方式，例如，当电动马达第一次起动时，可以看出是否存在由于不希望的安装位置所导致的水渗透通过冷凝水开口或线缆管道进入电动马达的风险。如果由于安装位置而不再能够确保足够的散热，则也可能存在不利的安装位置。

由于电动马达通常以固定定向安装，因此，倾斜测量单元可以在电动马达首次起动时测量空间定向。该测量值可以存储在存储器中并用于以后的运行。但是，也有可能重复记录空间定向。在特殊事件或周期性间隔的情况下，可以进行该重复记录。特殊事件例如可以包括重新激活电动马达。如果周期地记录空间定向，则间隔长度可能取决于外部因素。例如，如果预期定向不会发生重大的空间变化，则可以设想进行每日记录。当电动马达安装在移动系统中、例如风力涡轮机中时，以短得多的间隔长度进行记录可能是合适的。甚至可以在这里采用每秒几次采集。

倾斜测量单元可以具有存储器，该存储器被配置成存储至少一个传感器的测量值和/或用于存储至少一个传感器的经处理的测量值。可以以各种方式配置存储器。然而，为了避免在电源故障的情况下的数据丢失，存储器优选地被配置为非易失性存储器。这样的非易失性存储器可以是例如闪存、EEPROM(电子可擦除可编程只读存储器)、NVRAM(非易失性随机存取存储器)或另一半导体存储器。

在一种改进中，倾斜测量单元还具有通信接口，通过该通信接口可以传输电流测量值、存储在倾斜测量单元的存储器中的测量值和/或从测量值导出的信息。可以以各种方式构造通信接口。可以使用诸如基于无线电的方法或光学方法之类的无线传输方法以及有线方法。传输可以是模拟的或数字的、串行的或并行的、分组的或直连的。每种情形中使用的传输技术取决于相应的使用场景。作为示例而非限制，参考蓝牙、蓝牙LE(低能耗)、NFC(近场通信)、以太网、RS485、Modbus、Profibus、CAN总线或USB(通用串行总线)。

通信接口可配置成使得例如在维修的情形中读取通信，以能够更好地理解故障原因。

然而，通信接口也可以通信地连接到马达电子器件。在该情形中，可以将马达电子器件配置成基于通过通信接口接收的测量值和/或导出的信息来调整对定子和/或转子绕组的控制。例如，测量值可能指示非常不利的安装位置，这将导致长时间运行而损坏电动马达。例如，这可能是由于以下事实：由于安装位置的原因，不能充分确保来自温度敏感部件的充足的散热。在该情形中，马达电子器件可以以较低的功率控制马达或调整控制目标，例如，用于特别平顺的运行。

附加地或可替代地，通信接口可以通信地连接到能够与倾斜测量单元通信的网络。于是，该网络(或其一部分)最好是基于线缆或无线电的广域网。该网络可以联网例如“4.0工业”环境或IoT环境(物联网)。在该情形中，可以通过数据聚合器或网关将测量值直接传输到监测单元。然后可以在监测单元上进一步评估接收到的数据。可以想到的是，电动马达的保养间隔适应于当前的安装位置，从而防止出现新的损坏。这样一来，可以防止由于安装位置而导致的轴承油脂损失从而导致轴承损坏的风险增加。

电动马达可以另外具有估计单元，该估计单元配置成估计使用寿命。如上所述，安装位置会影响电动马达各个部件的使用寿命。这些寿命可以由估计单元预先计算。可以预先计算的这种使用寿命可以是电动马达的轴承、电动马达的温度敏感部件和/或轴承润滑剂的使用寿命。取决于安装位置，轴承上会有不同的载荷。众所周知，轴承在一定应力下的性能如何，L10h值如何变化，从而可以很好地估计轴承的使用寿命并可以例如在使用寿命接近结束时开始保养。关于温度敏感部件的使用寿命，当不利的安装位置干扰散热时，会产生特别的效果，结果，不能再充分确保部件的冷却。在此，尤其必须提及半导体开关，其用于生成用于定子/转子绕组的交流电压。部件的较高温度会缩短其使用寿命，这也可以估计。轴承润滑剂的使用寿命与润滑剂根据安装位置离开轴承的风险相关联。在此，可以预先计算油脂的使用寿命，并将其用于调整保养间隔。

可以以各种方式构造电动马达。然而，优选地，根据本发明的教导用于中高性能的电动马达(即，从约100W到15kW)。在优选的构造中，电动马达是EC马达(电子换向电动马达)，其不具有换向器并且其中可变的旋转场被馈送到定子绕组和/或转子绕组中。在非常特别优选的配置中，电动马达以外转子设计构造，即，转子围绕定子布置。

根据本发明的电动马达优选地是根据本发明的通风机的一部分。在该情形中，电动马达的轴连接到叶轮并对其进行驱动。

现存在以有利的方式设计和开发本发明的教导的各种可能性。为此，一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面参考下文参考附图对本发明的示例性实施例的阐述。结合参考附图对本发明的优选示例性实施例的阐述，还阐述了教导的总体上优选的配置和改进。在附图中：

图1示出了以外转子设计构造的本发明的电动马达的定子的剖视图；

图2示出了根据本发明的电动马达的马达电子器件的示意图，其中，倾斜传感器的轴线平行于连接平面布置；

图3示出了类似于图2的示意图，倾斜传感器的轴线布置成大致平行于功率半导体的连结平面。

图1示出了根据本发明的电动马达1的剖视图，为清楚起见未示出电动马达的转子。在该情形中，电动马达具有外转子设计。这意味着，定子2布置在马达轴线3处，而转子(图1中未示出)围绕定子2布置。在马达轴线3处形成了轴承管4，在其纵向端部处形成轴承接纳区域5，其中，轴承管4和轴承接纳区域5形成在定子衬套中。在轴承接纳区域5中接纳轴承，通过该轴承可旋转地安装电动马达的轴(也未示出)。定子衬套6由铝制部件形成，在铝制部件的一端处形成轴承管4，在铝制部件的另一端处形成用于接纳电子器件的电子器件壳体18。因为电动马达1是EC马达，所以需要生成并输出用于定子和/或转子绕组的供应信号的马达电子器件。在图1中所示的示例性实施例中，该马达电子器件布置在电子器件壳体18中。图1中示出了马达电子器件的电路板7，其承载马达电子器件的部件。弹性浇铸块8布置在电路板7的上方和下方，使得马达电子器件相对于电子器件壳体18减振。同时，电路板7相对于定子2以及相对于布置在其上的部件的位置和定向固定。在电路板7上布置有作为倾斜测量单元的一部分的倾斜传感器9。倾斜传感器的测量轴线10平行于马达轴线3布置。

图2示出了电动马达1的电子器件壳体18的视图。清楚地看到了围绕电子器件壳体18布置的凸缘边缘11。承载倾斜传感器9的电路板7布置在电子器件壳体18中。在倾斜传感器9处示出了形成倾斜传感器9的第二测量轴线的另一测量轴线12。在该示例性实施例中，所述测量轴线12平行于电动马达的连接平面13布置，在该示例性实施例中，电动马达的连接平面13形成参考平面。在该情形中，连接平面13由附接有线缆管道14的定子衬套的表面形成。线缆管道14使得能够经由连接线缆15连接到电路板7上的马达电子器件。

图3示出了与图2非常相似的示例性实施例，其中，在该示例性实施例中，用于对准另外的测量轴线12’的参考平面由用于电动马达的功率半导体17的连结平面16形成。在根据图3的示例性实施例的马达电子器件中，连结平面16相对于连接平面13旋转约8°。连结平面16也可以形成参考平面，可以与其平行地布置倾斜传感器9的测量轴12’。

下面，简要概述根据本发明的电动马达的一些功能和优选的改进：

1.通过检测热源和散热器/冷却体的空间位置，以及因而部件的对流/散热来确定电子器件上关键部件的使用寿命，从而例如可以进行取决于位置的功率调节并且可以实现延长温度敏感部件的使用寿命。

2.通过检测安装位置提前计算轴承使用寿命，从而得出不同的轴承载荷/轴承座载荷。

3.通过检测安装位置提前计算油脂使用寿命，其中，竖直安装位置将导致油脂使用寿命计算中的不同因素。由此，确定并输出保养间隔。

4.识别电动马达的意外安装位置。通过识别线缆管道和冷凝水孔的空间位置，可以在起动时生成警告消息。如果发生失效，则可以追踪水侵入马达或电子器件中的情况，并使损坏诊断更为容易。

5.检测安装位置，并据此确定作用在通风机部件上的实际的力，以在部件失效的情形中进行损坏诊断，或者检测在系统(例如，风力涡轮机)中一起旋转的马达/通风机位置的变化。

关于根据本发明的电动马达的另外的有利配置，为了避免重复，参考本说明书的通用部分和所附权利要求。

最后，应明确指出的是，根据本发明的电动马达的上述示例性实施例仅用于阐述所要求保护的教导，而不是将其限定为示例性实施例。

附图标记列表

1 电动马达(转子未示出)

2 定子

3 马达轴线

4 轴承管

5 轴承接纳区域

6 定子衬套

7 电路板

8 浇铸块

9 倾斜传感器

10 倾斜传感器的测量轴线

11 凸缘边缘

12、12' 另外的测量轴线

13 连接平面

14 线缆管道

15 连接线缆

16 连结平面

17 功率半导体

18 电子器件壳体