CN105103417A - 测试旋转电机的转子的棒形绕组的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试旋转电机(30)的转子(20)的棒形绕组的方法，其中借助在旋转电机(30)的定子(32)中布置的热辐射传感器(34)检测转子温度，其中，使用具有适合于热检测棒形绕组的各个棒(22)的分辨率的热辐射传感器(34)，并且其中，该方法还包括：转子(20)以一个转速旋转，该转速小于热辐射传感器(34)的除以棒形绕组的棒(22)的数量的极限频率；借助热辐射传感器(34)检测转子(20)的热辐射；热辐射传感器(34)以一个扫描频率扫描，该扫描频率大于转子(20)的与棒(22)的数量相乘的转速；评估热辐射传感器(34)的扫描到的值。

Description

测试旋转电机的转子的棒形绕组的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测试旋转的或者线性运动的电机的转子的棒形绕组的方法，其中，借助在旋转电机的定子中布置的热辐射传感器检测转子的热辐射。此外，本发明还涉及一种用于测试旋转电机的转子的棒形绕组的装置，具有在旋转电机的定子中布置的热辐射传感器，借助该热辐射传感器能够检测转子的热辐射。
背景技术
电机是一种将电能转换成机械能、尤其是运动能量(电动机运行)和/或将机械能转换成电能(发电机运行)的装置。旋转电机是一种电机，其中，定子提供通常圆形的开口，转子能转动地支承地布置在开口中。该定子相对于转子抗扭地布置。定子和转子借助磁通量链接，由此在电动机运行中产生力作用，其驱动转子相对于定子转动并且在发电机运行中为转子输送的机械能被转换成电能。为此目的，定子和转子分别具有由电流穿流的绕组。在定子或者转子中，绕组也能够通过永磁体形成或者填充。
这种类型的旋转电机在现有技术中是已知的，因此特别的文献证明是不必要的。这种类型的旋转电机例如是旋转磁场电机，其连接到多相的，尤其是三相电网处，例如具有减振笼或者类似物的异步电机、同步电机。棒形绕组尤其能够是笼形绕组，如其例如在异步电机的笼型转子中通过由棒和短路环构成的笼来形成。棒形绕组优选地包括导体棒，其基本上在转子的轴向方向上延伸并且例如通过短路环或者端部连接器导电地连接至转子侧的端部处。
这种类型的电机的转子在非稳定的运行条件中热机械地强烈负载。这种运行条件例如能够是由于以直至达到额定点的过流条件的机器启动，电机在运行时的锁死或者类似情况。在此，高电流和损耗功率能够出现在转子棒中和短路环中。如果电机此时被关断，那么损耗热就保留在转子中，因为关断的电机通常不存在冷却效果。这种情况特别出现在自冷却时，其中转子同样也驱动冷却系统。特别地，当没有设置另外的冷却作用时，转子的热能由于电机的结构而仅仅能非常不充分地排出。尤其是在重复地加载、间歇运行或者类似的情况时，转子在电机关断之后明显变热，其中变热的精确程度多数情况下是未知的。尤其在再次启动电机时，这能够导致热过载。
热量在电机中在其运行时基本上通过以下的损耗源产生：电流热损耗，磁滞损耗和摩擦损耗。通过损耗源产生的热量导致电机的热负载。尤其是该负载表现出电机部件、尤其是转子的周期性膨胀和收缩。电流热损失特别对转子棒产生影响，转子棒恰好在纵向方向上热膨胀。由此转子棒的例如与短路环的连接位置机械地负载。通常，这样的连接位置通过焊接、熔焊或者浇铸形成。交变应力导致在连接位置处的老化现象，该老化现象例如表现为在连接位置的区域中增大的电阻。该老化能够导致连接位置的断裂，由此最终导致电机不可使用。
此外，不同的棒电阻以及在连接位置处的过渡电阻导致在转子中的电流分布的不对称性，由此能够导致在转子表面处的局部温度区别或者能够产生力矩摆动。
发明内容
本发明的目的是相对于前述的问题实现改进。
作为解决方案，本发明提出，在这种类型的测试方法中，借助热辐射传感器检测棒形绕组的各个棒的热辐射，其中该方法进一步包括：
-转子以一个转速旋转，该转速小于热辐射传感器的除以了棒形绕组的棒数量的预定极限频率；
-借助热辐射传感器检测转子的热辐射；
-热辐射传感器以一个扫描频率扫描，该扫描频率大于转子的与棒数量相乘的转速；
-评估热辐射传感器的扫描到的值。
利用本发明首次能够检测到关于尤其是在棒和短路环之间的离散的接触位置处的转子的热机械负载的详细信息。由此能够优化电机的运行，从而能够避免转子的局部过载。本发明此外还允许及时地识别出在转子上的起始的损坏位置，从而能够采取对应措施。此外，该识别结果能够用于电机的建模以及用于构造。在此，本发明尤其提出使用热辐射传感器，其不仅提供了合适的空间分辨率也提供了合适的时间分辨率，以便实现用于检测转子的各个棒的所期待的分辨率。
在旋转电机的定子中布置的热辐射传感器能够例如在定子处内侧地朝向转子布置。因此，热辐射传感器能够仅仅通过气隙与转子间隔开，从而使热辐射传感器达到一个空间分辨率，其允许对棒形绕组的各个棒进行热检测。为此目的，热辐射传感器在热辐射的范围中，尤其是在红外辐射的范围中是敏感的。热辐射传感器的检测范围能够例如包括0.01cm2至10cm2，然而其也能够根据棒尺寸，尤其是棒直径匹配地选择，从而能够达到对棒温度的可靠测定。
因此，本发明允许尤其是在按规定的运行期间能够对具有其组件的、尤其是棒和可能的短路环的转子的状态进行探测。因此，与现有技术中常见的不同的是，即使在连续的运行时、在间断的短时运行时、在断续运行时或者类似的情况时都能够测定电机的精确局部负载。热辐射传感器本身能够例如固定在定子槽中，固定在定子叠片组处或者固定在定子壳体处。此外有以下可能性，即设置定子侧的适合的容纳部、凹槽、孔或者类似物，热辐射传感器能够布置在其中。此外能够设置有光学衍射件，以便将采集的热辐射聚焦到热辐射传感器上。这样的光学衍射件例如能够是透镜、棱镜、二者的组合或者类似物。
当热辐射传感器能够检测棒形绕组的各个棒的热辐射时，热辐射传感器显示了合适的分辨率。为此目的，前述的衍射件能够设置用于热辐射。
为了能够在转子的圆周方向上检测局部辐射值，本发明提出，使转子旋转。在此，转子旋转的转速小于热辐射传感器的除以棒形绕组的棒数量的极限频率。热辐射传感器的极限频率确定了时间分辨率，热辐射传感器以该时间分辨率能够检测热辐射方面的变化。因此，极限频率确定了热辐射传感器关于对其产生影响的热辐射的变化方面的反应速度。因为转子的热辐射应该关于棒来检测，所以根据本发明，转子应该仅仅如此快速地旋转，使得热辐射传感器在转子的旋转期间也能够对棒形绕组的各个转子棒进行检测。因此，热辐射传感器应该具有一个极限频率，该极限频率允许在转子旋转期间能够检测棒的数量。如果例如热辐射传感器的极限频率为75Hz并且转子在其圆周上分散地具有十个转子棒，那么转子应该以小于7.5圈每秒的转速旋转，从而还能够利用热辐射传感器检测各个转子棒。
热辐射传感器将检测到的热辐射转换成电信号。为此目的，热辐射传感器连接至评估单元处，其对热辐射传感器的电信号进行扫描和评估。为了使评估单元能够对热辐射传感器的信号进行足够完全的检测，热辐射传感器以一个扫描频率进行扫描，该扫描频率大于转子的与棒的数量相乘的转速。优选地，其至少是两倍之大。由此确保了评估单元完全地检测了相应的棒的检测到的热量值。优选的是，检测到的值借助评估单元转换成数字数据，从而使其能够提供给数字信号处理装置。其能够集成在评估单元中。热辐射传感器的检测到的值能够以期望的方式输出、例如示出或者打印出。此外，该值也能够图形地处理，从而能够实现图形的显示或者图示。为此目的，评估单元能够与计算机通信连接或者包括这样的计算机。此外，检测到的值被输送给综合监控和控制单元，其用于对设备进行状态监控或者故障诊断。
本发明的方法能够在旋转电机的按规定的运行期间或者之后优选地在运行温度的电机处执行。因此，例如能够在按规定的运行期间对转子进行检验。此外，也能够在旋转电机关断之后立即对转子进行检验，为此目的，利用在转子逐渐停止时的旋转。转子的当前转速能够根据借助热辐射传感器所检测的棒来测定。当然，转子能够在机器断开之后就以下进行制动，即维持关于极限频率的条件。
此外还能够提出，转子在按规定的运行中断时或者停止后从外部驱动。为此目的，转子例如能够连接到电动机处，该电动机使得转子置于可预设的旋转。这实现了在按规定的运行刚结束之后也检测与转子相关的参数，以便能够执行对转子的检验。
本发明的另外的一个设计方案提出，使用至少两个在周向方向上彼此间隔开的热辐射传感器。这两个热辐射传感器能够在轴向方向上布置在相同的位置中。例如，其能够在周向方向上错开180°地布置。此外有这样的可行性，即热辐射传感器轴向彼此错开地布置。在这种设计方案中，这两个传感器也在周向方向上以相同的角度彼此相对地布置。这实现了在不同的轴向位置处对转子圆周进行热检测。当然也能够提出，热辐射传感器的检测到的热辐射值被共同评估，以便能够获得转子的足够详细的温度曲线或者在时间上缩短该检验。
根据本发明的另一个设计方案，转子或者转子的一部分例如棒能够利用改进热辐射的涂层来涂覆。由此能够改进检测的精度或者能够使用具有较低品质的热辐射传感器。
证明为特别有利的是，热辐射传感器布置在电机的轴向区域中，在轴向区域中绕组的一些或者所有的棒是接触的。以这种方式能够监控棒彼此之间的或者相对于短路环或类似物的接触位置并且及时地注意到干扰。刚好连接位置在热负载时也同时承受机械负载并且在可靠性方面是特别重要的。本发明因此实现了在此获得用于检验的附加信息。
热辐射传感器本身能够构造成热电堆。合适的热电堆能够例如集成在传感器中，该传感器具有大约4mm2的横截面面积。因此，热电堆能够例如具有基准层和吸收层，在二者之间布置有形成实际的热电堆的芯片。该芯片能够例如具有0.1mm×0.1mm的边缘长度。补充地，热电堆能够包括附加的光学衍射件，如透镜、棱镜或者类似物。
热辐射传感器优选地相对于转子以2mm至150mm的间距布置。当然根据旋转电机的结构也能够设置不同的间距。
优选的是，热辐射传感器的热分辨率为大约1K。由此实现了对转子的各个棒的可靠检测。
扫描率(采样率)例如能够在500Hz至2kHz的范围中选择。根据热辐射传感器，不同的扫描率也是可行的，从而例如在使用光电二极管时，如锗光电二极管、硅光电二极管或者类似物。
证明为特别有利的是，对热辐射传感器的扫描到的值的评估包括与基准值的比较。以这种方式能够检测转子处的变化、尤其是老化并且也许采取对应措施。刚好在大型昂贵的机器中或者在其中注意特别的安全性要求或者对可用性有特别要求的机器中，由此能够在总体上明显地改进可靠性。由此获得了本发明的另一个目的，即识别出在异步电机时的尤其是在转子棒和短路环之间的故障的焊接/熔焊位置，以及识别出在转子中可能出现的各个棒或者区域的局部极限负载。如果例如在有损害的连接位置处的电阻发生变化，那么这导致在转子中不对称的电流分布。
此外，本发明提出一种用于检验旋转电机的转子的棒形绕组的装置，具有在旋转电机的定子中布置的热辐射传感器、借助热辐射传感器能够检测转子的热辐射，其中，构造用于检测条形绕组的各个棒的热辐射的热辐射传感器，其中，转子能够以一个转速旋转，该转速小于热辐射传感器的除以棒形绕组的棒的数量的预定极限频率，并且热辐射传感器能够借助评估装置以一个扫描频率扫描，该扫描频率大于转子的与棒的数量相乘的转速并且能被评估。
该装置尤其用于执行根据本发明的方法。
通过本发明能够动态地且无接触地检测局部温度。局部变化的电阻尤其在动态的运行情况中、如启动、卡锁、转速变化、负载变化或者类似的情况中导致局部不同的温度，其至今在现有技术中是不能测定的。通过布置一个或者多个例如在定子中的滑块热电堆形式的热辐射传感器，能够执行所期望的检验。优选的是，热辐射传感器在短路环和棒端部之间的过渡部附近布置或者布置在转子的叠片组的区域中。
对例如转子叠片组或者转子槽的所测量的热辐射值的评估允许测定用于例如在笼或者转子棒的端部处的在测量点处出现的温度的值。由此，在已知负载状态又或者与相邻的棒相比不同的棒超温时，能够识别出与正常的运行表现的偏差。尽管叠片组的表面已经处于高的温度水平，每个转子棒的温度也能够被精确地测量，因为由槽几何形状决定的相应的热辐射度本身是高的。
本发明尤其使用用于探测转子的平均温度的局部偏差的热电堆，以用于确定在转子电流系统中的不对称性，其例如取决于接触断开或者浇铸误差或者各个接触位置的热过载。
总体上通过本发明得出了以下优点：
-直接测量各个转子棒的或者短路环中的区域的或者在棒和短路环之间的过渡部的温度，
-测量各个棒短路环接触位置的热负载，
-提前探测在按规定的运行期间，在转子中的不对称性，
-避免评估定子电流，
-基本上无需对转子进行修改，
-扩展了旋转电机的也许直至热临界点为止的可靠运行范围或者说提高了热充分利用，以及
-尽快并且以极少耗费地验证在热机械高负载的位置处的结构变化。
附图说明
另外的优点和特征由对实施例的以下说明获得。实施例仅仅用于对本发明进行说明并且不对其产生限制。
其示出：
图1以示意透视图示出了没有叠片组的异步电机的转子笼，
图2以示意侧视图示出了具有叠片组的根据图1的转子笼，
图3是转子的剖面透视图，在该转子处应该执行根据本发明的检验，
图4是具有旋转电机的定子的放大的剖面区域的示意透视图，在该定子中在按规定的运行中使用根据图3的转子，
图5是温度扫描图表，其中，借助图表示出了借助热电堆检测到的、扫描出的温度值；
图6-8是如在图5中的然而在转子的不同转速时的测量结果的图表。
具体实施方式
图1以示意透视图示出了没有叠片组的异步电机的转子20的转子笼10，其中，转子笼10具有棒12，这些棒分别在端部侧与短路环14导电连接。当前，不仅棒12而且短路环14都由铜合金形成并且棒12在端部侧焊接、熔焊或者浇铸在短路环14处。从图2中的转子笼10的示意侧视图可见，各个棒12在端部侧稍微穿过相应的短路环14伸出。
图2除了转子笼10还示出了叠片组16，该叠片组由绝缘的电钢板制成，其堆叠地布置成叠片组16。叠片组16具有未示出的槽，棒12布置在槽中。
如果以这种方式结构化的转子进行热负载，那么棒12相对于叠片组16以及相对于短路环14进行不同的膨胀。由此在转子10的内部出现热负载。此外，自由的棒端部进行负载，因为其单侧地保持在叠片组中，但是短路环径向地膨胀。
图3以摄影角度逐段地示出了在拆卸状态中的交流异步电机30的转子20。该转子20具有叠片组26，其包括未示出的槽，棒22插入到该槽中。棒22在端部侧与短路环24焊接。根据图3的转子的构造因此基本上等同于在图2中示出的转子。
图4示出了带有定子32的电机30，在该电机中根据图3的转子20在按规定的运行中可旋转地布置。从图4的两个细节图可见，在此设计为热电堆34的热辐射传感器如何布置在定子32的槽中。热电堆34设计成滑块并且通过电线36连接至未示出的评估单元。
图5-8的以下图表涉及具有根据图3的转子的根据图4的电机30。根据图4的热电堆34的布置是根据该实施例的一个设计方案。根据需求，热电堆34当然也能够布置在定子32的圆周处的其他适当位置以及也能够布置在适当的轴向位置上。
在根据图5的图表中，在纵坐标上以摄氏度为单位绘出温度。在横坐标上绘出扫描时间点。扫描率当前为大约500Hz。在根据图5的测量中，转子以每分钟10次的转速旋转。可见的是，在转子温度中识别出以86个周期的间距返回的签名。动态范围△T为大约20K。周期数归因于电机30的转子槽数并且因此同样为86。在根据图5的图表中示出了区域44和46，其示出了在温度曲线中的重复签名。由此可见，这两个示出的签名44，46对应于依次连续的旋转。
图6-8涉及转子20的外部驱动，这就是说，电机30不在激活状态。轴线相应于图5设置。图6示出了在每分钟10转的转子转速时的图示，相反，图7涉及每分钟20转的转子转速并且图8涉及每分钟50转的转子转速。其他的参数对于所有三个附图都是相同的。从图6-8中可见，转子转速如何对测量结果产生影响。随着关于棒的转子转速逐渐接近热电堆34的极限频率，局部转子温度的测量精度随之下降。

Claims (9)

1.一种用于测试旋转电机(30)的转子(20)的棒形绕组的方法，其中，借助在所述旋转电机(30)的定子(32)中布置的热辐射传感器(34)检测所述转子(20)的热辐射，其特征在于，借助所述热辐射传感器(34)检测所述棒形绕组的各个棒(22)的热辐射，其中，该方法还包括：
-所述转子(20)以一个转速旋转，该转速小于所述热辐射传感器(34)的除以所述棒形绕组的所述棒(22)的数量的预定极限频率；
-借助所述热辐射传感器(34)检测所述转子(20)的热辐射；
-所述热辐射传感器(34)以一个扫描频率进行扫描，该扫描频率大于所述转子(20)的与所述棒(22)的数量相乘的转速；
-评估所述热辐射传感器(34)的扫描到的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在所述旋转电机(30)的按规定的运行期间或者之后执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述转子(20)在所述按规定的运行中断时或者结束后在外部被驱动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用至少两个在周向方向上间隔开的所述热辐射传感器(34)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述转子(20)利用改进了热辐射的涂层来涂覆。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述热辐射传感器(34)布置在所述电机(30)的轴向区域中，在所述轴向区域中所述绕组的一些或者所有的所述棒(22)是接触的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，使用热电堆作为热辐射传感器(34)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对所述热辐射传感器(34)的扫描到的值的评估包括与基准值的比较。
9.一种用于测试旋转电机(30)的转子(20)的棒形绕组的装置，具有布置在所述旋转电机(30)的定子(32)中的热辐射传感器(34)，借助所述热辐射传感器能够检测所述转子(20)的热辐射，其特征在于，
构造用于检测所述棒形绕组的各个棒(22)的热辐射的所述热辐射传感器(34)，其中，所述转子(20)能够以一个转速旋转，该转速小于所述热辐射传感器(34)的除以所述棒形绕组的所述棒(22)的数量的预定极限频率，并且所述热辐射传感器(34)能够借助评估装置以一个扫描频率扫描，该扫描频率大于所述转子(20)的与所述棒(22)的数量相乘的转速并且能够被评估。
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