Prädiktive Diagnose-Wartungslösung zur Verbesserung der Effizienz und Nachhaltigkeit von Elektromotoren

Der Rückgang der Motoreffizienz, verursacht durch Motorfehler oder Anomalien, kann über längere Zeiträume bestehen bleiben und zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen, was das Problem zunehmend besorgniserregend macht. Um die Betriebseffizienz von Motoren zu verbessern, ist es entscheidend, vorausschauende diagnostische Wartungslösungen anzuwenden, die eine hocheffiziente Motorleistung sicherstellen. Dieser Artikel führt ein, wie häufige Motorfehler die Motoreffizienz beeinflussen und wie die Smart Motor Sensor (SMS) und verwandte Lösungen von Analog Devices die Betriebseffizienz von Motoren verbessern können. 

Industrie 4.0 wird als eine neue Ära in der Fertigung betrachtet, die Technologie, Robotik, künstliche Intelligenz und Automatisierung integriert, um hocheffiziente und produktive Fertigungsprozesse zu schaffen. Industrielle Anwendungen machen 30 % des globalen Energieverbrauchs aus, wobei 70 % dieser Energie von Motoren verbraucht werden. Wenn Motoren mit maximaler Effizienz arbeiten, könnte der weltweite Stromverbrauch potenziell um 10 % reduziert werden. Aber wie kann dieses Ziel erreicht werden? Beweise zeigen, dass die Verbesserung der betrieblichen Effizienz durch Condition-Based Monitoring und Predictive Maintenance (CbM/PdM) die Leistung in Produktivität, Qualität und Logistikmanagement optimiert und zur Erfüllung von Nachhaltigkeitsmetriken beiträgt.

In den letzten Jahren haben Hersteller angesichts des hohen Energieverbrauchs von Motoren erhebliche Anstrengungen unternommen, um effizientere Induktionsmotoren zu entwickeln. Ein Faktor, der die Effizienz von Motoren erheblich beeinflusst, wird jedoch oft übersehen. Typischerweise arbeiten Industriemotoren mit Wirkungsgraden zwischen 50% und 85%, und ein schlechter Motorzustand kann zu einem signifikanten Rückgang der Energieeffizienz führen. Die von den Herstellern angegebenen Wirkungsgradwerte gelten nur unter idealen Motorbedingungen, das heißt, wenn während des Betriebs keine signifikanten Anomalien, Defekte oder Fehler auftreten. Sollte ein Fehler auftreten, selbst im Frühstadium, wird die Motoreffizienz beeinträchtigt.

Motorleistungsverluste werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: intrinsische Leistungsverluste, wie Kupferverluste (resistiv, Skineffekt), Eisenverluste (Wirbelstrom, Hysterese) und mechanische Verluste (Reibung, Luftwiderstand). Intrinsische Leistungsverluste können in der Motorendesign-Phase minimiert werden. Zusätzlich gibt es anomale Leistungsverluste, die durch suboptimale Motorbedingungen verursacht werden, wie z.B. Rotorstangenfehler, Statorwicklungsfehler, Unausrichtungsfehler der Motorwelle, Fusspunktfehler und Kühlgebläsemotorfehler, die alle die Motoreffizienz reduzieren. Das Halten von Motoren in optimalen Betriebsbedingungen kann anomale Leistungsverluste minimieren, was eng mit Wartungsstrategien verbunden ist.

ADI's OtoSense SMS ist eine umfassende auf KI basierende Hardware- und Software-Komplettlösung für CbM und PdM von industriellen Elektromotoren. Es kombiniert fortschrittliche Sensortechnologie mit Datenanalyse, um den Motorzustand zu überwachen. Die Lösung besteht aus einem Hardware-Subsystem und einem Software-Subsystem, wobei letzteres eine Cloud-Plattform, eine Webanwendung und eine mobile Anwendung umfasst. Die Cloud-Plattform verfügt über einen auf maschinellem Lernen basierenden KI-Algorithmus zur Diagnose von Motorfehlern.

OtoSense SMS integriert mehrere Hochleistungs-Sensoren, die von ADI entwickelt wurden, einschließlich zweier rauscharmer, hochfrequenter MEMS-Beschleunigungssensoren (ADXL1002) für die Erfassung von Vibrationen in der x- und z-Achse, und zweier hochpräziser, 16-bit digitaler Temperatursensoren (ADT7420) zur Überwachung der Motorrahmen- und Umgebungstemperatur. Zusätzlich umfasst es einen Magnetfeldsensor zur Erfassung der Motordrehzahl und zur Diagnose elektrischer Fehler sowie einen Wi-Fi-Prozessor zur Datenerfassung und Paketierung für den 2,4 GHz Wi-Fi-Transfer. OtoSense SMS ist eine herausragende Lösung auf dem Markt zur Erfassung und Interpretation von Maschinendaten.

Der Einsatz von OtoSense SMS zur Verbesserung der Betriebseffizienz von Motoren trägt dazu bei, wirtschaftliche Vorteile zu maximieren, indem Motorfehler reduziert und ungeplante Ausfallzeiten vermieden werden. Darüber hinaus spielt die Motoreffizienz eine grundlegende Rolle bei den Kosteneinsparungen pro Betrieb, da hocheffiziente Motoren weniger elektrische Energie verbrauchen als Standard-Effizienzmotoren. Untersuchungen zeigen, dass unterschiedliche Arten von Ausfällen die Maschineneffizienz in unterschiedlichem Maße beeinträchtigen, einschließlich Rotorfehlern, Statorwicklungsasymmetrien, Fehlern im Isolationssystem, Ungleichgewichten/Fehlausrichtungen und Ausfällen des Lüftungssystems.

Die Cloud-Plattform bietet tiefgehende Einblicke in die Betriebsbedingungen von Motoren und deren Wartungsanforderungen. Durch den Einsatz der proprietären OtoSense SMS-Prädiktiven Wartungsanalytik können Benutzer die neun häufigsten Motorfehler frühzeitig identifizieren und beheben, bevor sie den Motorbetrieb beeinträchtigen. Für jeden Motorfehler wird ein Fehlerscore-Index (FSI) berechnet, der den Schweregrad der Motorfehler anzeigt. Der FSI reicht von 0 bis 10. Ein FSI über 7 weist darauf hin, dass der Motor in einem guten Gesundheitszustand ist, während ein FSI zwischen 5 und 7 auf einen Fehler im Frühstadium hinweist, der eine Warnmeldung mit niedriger Schwere per E-Mail auslöst. Motoren im Warnzustand können noch für einen bestimmten Zeitraum normal betrieben werden, aber da sie sich nicht mehr im optimalen Zustand befinden, wird ihre Betriebseffizienz nachlassen.

Der bedeutende wirtschaftliche Vorteil von OtoSense SMS liegt in der Kostensenkung durch verbesserte Motoreffizienz. Da sich mehr Unternehmen auf Betriebseffizienz, Reduzierung ungeplanter Ausfallzeiten und Nachhaltigkeit konzentrieren, wird die Einführung von CbM- und PdM-Technologien zwingend erforderlich. Die OtoSense SMS-Technologie bietet die Echtzeitüberwachung des Motorstatus, die frühzeitige Erkennung von Ausfällen und empfohlene frühe Fehlerbehebungsmaßnahmen. Die frühzeitige Erkennung und Beseitigung von Motorfehlern verhindert nicht nur unerwartete Ausfälle und Stillstände, sondern stellt auch sicher, dass Motoren mit hoher Effizienz arbeiten, was zu Energieeinsparungen führt. Unternehmen, die ihre Betriebseffizienz verbessern und ihre Nachhaltigkeitsziele im nächsten Jahrzehnt erreichen wollen, müssen diese Empfehlungen umsetzen.

Zum Beispiel kann OtoSense SMS zur Überwachung von Kompressoren verwendet werden. Kompressoren gehören zu den kritischsten Geräten in Fabriken, und OtoSense SMS-Geräte können installiert werden, um eine kontinuierliche Überwachung rund um die Uhr zu ermöglichen. OtoSense SMS kann auch auf Materialtransportsysteme angewendet werden, wie z. B. Gepäckförderbänder an Flughäfen, die antriebsmotorenintensive Anwendungen sind. Durch die Einführung der OtoSense SMS-Lösung können frühe Lagerfehler erkannt und Warnmeldungen an Kunden gesendet werden, um dauerhafte Lagerschäden zu verhindern und unerwartete Systemausfälle zu vermeiden, wodurch der Energieverbrauch im Betrieb und die Wartungskosten gesenkt werden.

Der ADT7420, Teil der ADI OtoSense SMS-Lösung, ist ein hochpräziser digitaler Temperatursensor in einem 4 mm × 4 mm LFCSP-Gehäuse und bietet herausragende Leistung über einen weiten industriellen Temperaturbereich. Er verfügt über eine interne Bandgap-Temperaturreferenz, einen Temperatursensor und einen 16-Bit-ADC zur Temperaturüberwachung und digitalisiert die Temperatur mit einer Auflösung von 0,0078°C. Die Standard-ADC-Auflösung ist auf 13 Bit (0,0625°C) eingestellt. Die ADC-Auflösung ist benutzerprogrammierbar und kann über eine serielle Schnittstelle angepasst werden.

Der ADT7420 ist garantiert in einem Versorgungsspannungsbereich von 2,7 V bis 5,5 V betriebsfähig. Bei 3,3 V beträgt der durchschnittliche Versorgungsstrom typischerweise 210 µA. Der ADT7420 verfügt über einen Abschaltmodus, der das Gerät deaktiviert, mit einem typischen Abschaltstrom von 2,0 µA bei 3,3 V. Sein spezifizierter Betriebstemperaturbereich liegt bei -40°C bis +150°C.

Die Pins A0 und A1 am ADT7420 werden zur Adressauswahl verwendet und bieten vier mögliche I2C-Adressen. Der CT-Pin ist ein Open-Drain-Ausgang, der aktiv wird, wenn die Temperatur einen einstellbaren kritischen Grenzwert überschreitet. Der INT-Pin ist ebenfalls ein Open-Drain-Ausgang, der aktiviert wird, wenn die Temperatur einen einstellbaren Grenzwert überschreitet. Die INT- und CT-Pins können im Comparator- und Interrupt-Ereignismodus arbeiten.

Um die Produktentwicklung zu beschleunigen, bietet ADI auch kompatible Evaluationsboards an, einschließlich des EV-TempSense-ARDZ, einer Plattform zur Evaluierung von Temperatursensoren mit einer Genauigkeit von ±0,1°C, ±0,25°C und ±0,5°C. Zusätzlich ist das EVAL-ADT7420-PMDZ ein PMOD-Board, das ±0,25°C Temperaturmessung unterstützt, während das EV-COG-AD3029 eine ADuCM3029 Cog-Entwicklungsplattform für Anwendungen mit extrem niedrigem Energieverbrauch ist. Das EV-COG-AD4050 ist die ADuCM4050-Variante der Cog-Entwicklungsplattform, die für ADIs Technik mit extrem niedrigem Energieverbrauch über MCU- und RF-Transceiver-Portfolios hinweg entwickelt wurde.

ADI's ADXL1001/ADXL1002 sind rauscharme, hochfrequente ±100 g/±50g MEMS-Beschleunigungssensoren, die eine ultraniedrige Rauschdichte über einen erweiterten Frequenzbereich mit zwei Vollskalenoptionen bieten, optimiert für die industrielle Zustandsüberwachung. Der ADXL1001 (±100 g) und der ADXL1002 (±50 g) zeichnen sich durch typische Rauschdichten von jeweils 30 µg/√Hz und 25 µg/√Hz aus. Beide Beschleunigungssensoren bieten eine stabile und wiederholbare Empfindlichkeit und können äußeren Schocks von bis zu 10.000 g standhalten.

Der ADXL1001/ADXL1002 umfasst einen integrierten vollständigen elektrostatischen Selbsttest (ST) und einen Überlastanzeiger (OR), die fortschrittliche Systemfunktionen für eingebettete Anwendungen ermöglichen. Mit niedrigem Stromverbrauch und Betrieb mit einer einzelnen Versorgungsspannung von 3,3 V bis 5,25 V unterstützen sie auch das Design von drahtlosen Sensorprodukten. Der ADXL1001/ADXL1002 wird in einem 5 mm × 5 mm × 1,80 mm LFCSP-Gehäuse angeboten und arbeitet über einen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C.

Die ADXL1001/ADXL1002 sind einstufige In-Plane-Achsen-Beschleunigungssensoren mit analogem Ausgang, die einen linearen Frequenzbereich von DC bis 11 kHz (3 dB Punkt) und eine Resonanzfrequenz von 21 kHz bieten. Sie zeichnen sich durch eine extrem niedrige Rauschdichte, Überlastungserkennung mit DC-Kopplung für schnelle Erholung, umfassenden elektromechanischen Selbsttest und Empfindlichkeitsleistung aus. Die Temperaturstabilität beträgt 5 %, die Linearität liegt bei ±0,1 % des Vollbereichs und die Querempfindlichkeit beträgt ±1 % (ZX) und ±1 % (YX). Sie arbeiten mit einer Einzelversorgung und einer ratio-metrischen Ausgangsspannung und verbrauchen nur 1,0 mA Leistung. Ein energiesparender Standby-Modus mit schneller Erholung wird ebenfalls unterstützt, und die Geräte sind RoHS-konform. Die ADXL1001/ADXL1002 werden häufig in der Zustandsüberwachung, vorausschauenden Wartung, Vermögensgesundheit, Test- und Messtechnik sowie Gesundheits- und Nutzungsüberwachungssystemen (HUMS) eingesetzt. ADI bietet auch das ADXL1001/ADXL1002 Evaluierungsboard für Kunden an.

Durch die Einführung von prädiktiven Diagnose- und Instandhaltungstechnologien kann die Effizienz und Nachhaltigkeit von Motorsystemen erheblich verbessert werden. Die Kombination von Sensordaten, Edge-Computing und künstlicher Intelligenz ermöglicht nicht nur die Echtzeit-Überwachung von Motorzuständen und proaktive Fehlervermeidung, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Geräte, reduziert den Energieverbrauch und senkt die Wartungskosten. Das in diesem Artikel vorgestellte ADI OtoSense SMS exemplifiziert, wie prädiktive Diagnosewartung für Motoren erreicht werden kann. Solch innovative Lösungen werden zu Schlüsselfaktoren für intelligentes Fertigungswesen und grüne industrielle Transformation, indem sie Unternehmen die Grundlage für stabile Betriebsabläufe und nachhaltige Entwicklung bieten.