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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Temperatursensoren für die Temperaturüberwachung von elektrischen Maschinen sowie einzelnen Komponenten hiervon.
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Technischer Hintergrund der Erfindung
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Temperatursensoren werden in elektrischen Maschinen eingesetzt, um beispielsweise die Temperatur einzelner Komponenten zu überwachen. Insbesondere bei elektrischen Motoren sind Temperaturen von Stator- und Rotorkomponenten zu überwachen.
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Dabei kann es sich insbesondere um Komponenten handeln, welche in einem Innenraum der elektrischen Maschine verbaut sind und eine vergleichsweise hohe thermische Empfindlichkeit aufweisen, wie z.B. Wicklungen.
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DE 10 2006 016 135 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen Maschine. Dabei weist der Temperatursensor einen bifilar gewickelten Draht auf, welcher mit einer zu überwachenden Rotorwicklung in thermischer Verbindung steht.
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Insbesondere bei elektrischen Maschinen mit verteilter Wicklung, aber auch bei Maschinen mit Einzelzahnwicklungen, sind die Temperatursensoren meist innerhalb des Stators verbaut, was dazu führt, dass die Sensoren meist in einem frühen Stadium des Fertigungsprozesses verbaut werden müssen.
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Durch Fertigungstoleranzen der Bauteile und Montagetoleranzen kann es dazu kommen, dass ein bereits eingebauter Temperatursensor nicht einen erforderten thermischen Kontakt mit dem zu überwachenden Bauteil ausbildet, aufgrund dessen eine nachträgliche Korrektur an der Einbauposition vorgenommen werden muss.
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Dies kann zu erhöhtem wiederholten Montageaufwand führen, da einzelne Komponenten zunächst wieder ausgebaut werden müssen.
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Unter Umständen ist der Austausch ganzer Komponenten erforderlich, wenn die Temperatursensoren fest darin integriert sind, aber auf Grund von Toleranzen keine ausreichende thermische Verbindung zu der zu überwachenden Wärmequelle zu Stande kommt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung wird ein Montage- und Austauschvorgang von Temperatursensoren vereinfacht sowie eine thermische Verbindung von gleichbleibender Güte zwischen Temperatursensor und zu überwachender Wärmequelle trotz Bauteil- und Montagetoleranzen ermöglicht.
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Es ist ein Temperatursensor für elektrische Maschinen sowie eine elektrische Maschine mit einem Temperatursensor gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Temperatursensor für elektrische Maschinen angegeben, welcher eine Befestigungsvorrichtung, eine Anschlussvorrichtung und ein Sensorelement zur Erfassung einer Temperatur einer Oberfläche einer Wärmequelle in einem Innenbereich einer elektrischen Maschine aufweist. Dabei ist die Anschlussvorrichtung ausgeführt, das Sensorelement an der Befestigungsvorrichtung zu befestigen. Weiterhin ist die Anschlussvorrichtung in einer Längsrichtung des Temperatursensors federnd ausgeführt und/oder gelagert, so dass die Anschlussvorrichtung das Sensorelement in Richtung der Oberfläche der Wärmequelle drückt, so dass das Sensorelement relativ zu der Oberfläche der Wärmequelle fixiert ist.
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Die Anschlussvorrichtung kann, beispielsweise durch Materialeigenschaften oder durch ihre Form, federnde Eigenschaften aufweisen. Weiterhin kann die Anschlussvorrichtung einen starren Abschnitt und einen federnden Abschnitt aufweisen sowie federnd mit der Befestigungsvorrichtung und/oder dem Sensorelement verbunden sein.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung werden als federnde Eigenschaften all jene Materialeigenschaften bezeichnet, auf Grund welcher die Anschlussvorrichtung aus einer ursprünglichen Form eine Verformung in einem verformten Zustand durch eine von außen auf die Anschlussvorrichtung ausgeübte Kraft erlaubt und bei Wegfall der Kraft erneut im Wesentlichen oder vollständig in die ursprüngliche Form zurückkehrt.
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Eine Verformung kann jedwede Formveränderung, beispielsweise eine Biegung, Stauchung, Dehnung oder Torsion, sein.
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Eine federnde Verbindung zwischen der Anschlussvorrichtung und der Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass die Anschlussvorrichtung relativ zu der Befestigungsvorrichtung gegen den Widerstand eines federnden Elementes bewegt werden kann.
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Dabei kann die sich bewegende Anschlussvorrichtung in eine Öffnung der Befestigungsvorrichtung aufgenommen werden.
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Die federnd ausgeführte und/oder gelagerte Anschlussvorrichtung ermöglicht es, den Temperatursensor bei (z.B. temperaturbedingt) variierenden Abständen einer Wärmequelle von einer Montageposition des Temperatursensors einzusetzen und durch eine entsprechende Bewegung der Anschlussvorrichtung eine gleichbleibende thermische Verbindungsgüte zwischen dem Sensorelement und der Wärmequelle zu erzielen.
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Insbesondere durch Bauteil- und Montagetoleranzen sind beispielsweise die Abstände zwischen einem Gehäuse eines elektrischen Motors sowie Wicklungen am Rotor, deren Temperatur überwacht werden soll, bei verschiedenen Motoren nicht identisch. Gelegentlich vermögen die Temperatursensortoleranzen die obigen Toleranzen nicht auszugleichen, so dass keine thermische Verbindung zwischen Sensorelement und Wärmequelle entsteht, womit eine Temperaturüberwachung nicht möglich ist und Bauteile auszutauschen sind.
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Die federnd ausgeführte und/oder gelagerte Anschlussvorrichtung ermöglicht die Anpassung des Temperatursensors an variierende Abstände zwischen einer Montageposition des Temperatursensors und der Position der Wärmequelle bei verschiedenen elektrischen Maschinen.
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Fehlmessungen der Temperatur können zu thermischer Überbeanspruchung eines Elementes führen und nicht eingeleitete Kühlmaßnahmen können dazu führen, dass die Lebensdauer eines thermisch beanspruchten Elementes teilweise erheblich negativ beeinflusst wird.
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Damit trägt die Erfindung dazu bei, durch konstant zuverlässige Messergebnisse eine verbesserte Kenntnis der Betriebsbedingungen zu kennen und damit gegebenenfalls materialschonende Maßnahmen wie Kühlung oder Anpassung der Betriebsparameter vornehmen zu können.
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Der oben und im Folgenden beschriebene Aufbau eines Temperatursensors eignet sich nicht nur für einen Temperatursensor, sondern für jegliche Arten von Sensoren, die in ihrer Verwendung Bauteil- und Montagetoleranzen ausgesetzt sind. Insbesondere eignet sich der Aufbau für Sensoren, die eine kontaktierende Messung vornehmen, d. h. für eine verwertbare Messung Kontakt zu einer zu überwachenden Oberfläche eines Bauteils herstellen müssen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Anschlussvorrichtung wenigstens zwei Sensoranschlussleitungen auf, welche das Sensorelement mit einem Anschlussbereich der Befestigungsvorrichtung elektrisch verbinden.
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Selbstverständlich kann die Anzahl der Sensoranschlussleitungen auch höher sein. Mit dem Prinzip der Erfindung ist jede beliebige Zahl von Sensoranschlussleitungen, beispielsweise drei, vier oder mehr, vereinbar.
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Die Sensoranschlussleitungen führen von der Befestigungsvorrichtung durch die Anschlussvorrichtung zum Sensorelement und dienen dazu, das Sensorelement mit elektrischer Energie und/oder einem Ansteuersignal zu versorgen sowie ein Messsignal über die Befestigungsvorrichtung an eine Auswerteeinheit zu übertragen.
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Auch können die Sensoranschlussleitungen so ausgeführt sein, dass diese die federnde Kraft auf das Sensorelement ausüben. Dabei kann es sich bei den Sensoranschlussleitungen um jegliche elektrisch leitenden Leitungen handeln, wobei in Abhängigkeit der auszuübenden Kraft auf das Sensorelement ein Material mit entsprechenden Eigenschaften und Ausmaßen gewählt wird, beispielsweise indem eine größere Dicke der Sensoranschlussleitungen gewählt wird, wenn ein größerer Widerstand gegen Verformung gewünscht ist, was beispielsweise dazu führen kann, dass eine Andruckkraft des Sensorelementes auf die Oberfläche der Wärmequelle zunimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anschlussvorrichtung zumindest einen Mantel auf, welcher ausgeführt ist, die Sensoranschlussleitungen elektrisch zu isolieren.
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Dabei kann der Mantel jede einzelne oder mehrere Sensoranschlussleitungen umhüllen. Bei dem Mantel kann es sich beispielsweise um eine elektrisch isolierende Folie, beispielsweise eine Kunststofffolie, oder einen Schlauch handeln.
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Der Mantel kann aber auch in Form eines Rohres ausgeführt sein, insbesondere in Form eines elektrisch nichtleitenden Rohres.
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Der Mantel kann insbesondere ausgeführt sein, die federnden Eigenschaften der Anschlussvorrichtung zu unterstützen sowie diese alleinig hervorzurufen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgibt der Mantel das Sensorelement und weist wenigstens einen thermisch leitenden Bereich auf, wobei der thermisch leitende Bereich eine zu erfassende Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle an das Sensorelement leitet.
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Um eine Temperaturmessung zu ermöglichen, muss das Sensorelement die Temperatur der Wärmequelle erfassen. Soweit der Mantel das Sensorelement umgibt, kann beispielsweise durch eine thermisch leitende Folie oder einen thermisch leitenden Bereich, der über eigene geometrische Ausmaße verfügt, die thermische Leitung von der Wärmequelle zu dem Sensorelement sichergestellt werden.
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Der thermisch leitende Bereich kann insbesondere eine geringere Dicke aufweisen, als der Mantel in einem thermisch nicht leitenden Bereich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Mantel federnd ausgeführt.
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Der Mantel kann beispielsweise durch Materialeigenschaften oder seine Form federnd ausgeführt sein.
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Insbesondere kann der Mantel durch elastische Materialeigenschaften eine Federkraft auf das Sensorelement so ausüben, dass das Sensorelement in Richtung der Wärmequelle gedrückt wird.
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Die Federkraft kann durch die Form des Mantels unterstützt werden, beispielsweise indem der Mantel eine Korkenzieherform aufweist, wodurch sich zusätzlich zu den Materialeigenschaften ein federnder Effekt aus der Mantelform ergibt.
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Es ist zu beachten, dass die Sensoranschlussleitungen jeweils innerhalb des Mantels geführt werden und gegebenenfalls an die Mantelform anzupassen sind.
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Als Mantel kann beispielsweise ein Rohr aus Metall oder Kunststoff benutzt werden, in dessen Innenraum die Sensoranschlussleitungen geführt werden, welche beispielsweise elektrisch isoliert sein können, um keinen elektrischen Kontakt mit einem metallischen Rohr herzustellen.
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Dabei kann das Rohr beispielsweise als Spiralfeder oder mehrfache Balkenfeder mäanderförmig oder wellenförmig ausgeführt sein.
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Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass jede Federform für die Anschlussvorrichtung und den Mantel genutzt werden kann und die obige Aufzählung nicht abschließend sondern vielmehr beispielhaft zu verstehen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungsvorrichtung und/oder die Anschlussvorrichtung einen Teil einer Entstörschaltung auf.
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Die Entstörschaltung dient ebenso der Aufbereitung des Messsignals für die anschließende Weiterverwendung, um beispielsweise das Messsignal von Störeinflüssen zu bereinigen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Befestigungsvorrichtung und/oder die Anschlussvorrichtung einen Teil einer Auswerteschaltung aufweisen.
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Die Auswerteschaltung kann das von dem Sensorelement gelieferte Messsignal auswerten oder für eine anschließende externe Weiterverwendung aufbereiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Befestigungsvorrichtung und/oder die Anschlussvorrichtung einen Teil einer Ansteuerschaltung aufweisen.
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Die Ansteuerschaltung kann dabei dazu dienen, das Sensorelement mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Temperatursensor wie oben und im Folgenden beschrieben angegeben.
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Bei der elektrischen Maschine kann es beispielsweise um einen Elektromotor handeln. Es kann sich aber auch um jede andere elektrische Maschine handeln, bei der eine Temperaturüberwachung notwendig ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Temperatursensor von einer Außenseite oder von einer Innenseite der elektrischen Maschine montiert.
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Insbesondere die Montage von der Außenseite der elektrischen Maschine ermöglicht beispielsweise eine wenig aufwändige Montage sowie einen schnellen Austausch eines während der Betriebszeit ausgefallenen Temperatursensors.
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Dabei kann ein Befestigungselement den Temperatursensor an dem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigen und eine Dichtung für einen dichtenden Abschluss des Temperatursensors einer entsprechenden Öffnung im Gehäuse sorgen.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Schnittansicht eines Gehäuses einer elektrischen Maschine mit einem Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anschlussvorrichtung eines Temperatursensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Temperatursensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Temperatursensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3C zeigt eine perspektivische Ansicht eines Temperatursensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3D zeigt eine perspektivische Ansicht eines Temperatursensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3E zeigt eine perspektivische Ansicht eines Temperatursensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt eine Schnittansicht eines Elektromotors mit einem Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Temperatursensor 100 mit einer Befestigungsvorrichtung 110, einer Anschlussvorrichtung 130 und einem Sensorelement 150, wobei die Befestigungsvorrichtung in einer Öffnung eines Gehäuseabschnittes 190, 191 mittels des Befestigungselementes 117 angeordnet ist. Eine Dichtung 114 schließt die Öffnung für den Temperatursensor dichtend ab.
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Die Befestigungsvorrichtung 110 weist einen Anschlussbereich 111, eine Entstörschaltung 196 und eine Auswerteschaltung 198 auf. Die Anschlussvorrichtung 130 ist ausgeführt, das Sensorelement 130 in Richtung einer Wärmequelle, hier einer Drahtwicklung 181, im Querschnitt dargestellt, zu drücken, so dass eine thermisch leitende Verbindung hergestellt wird, um die Temperatur einer Oberfläche 180 der Wärmequelle zu erfassen.
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Die Anschlussvorrichtung 130 ist so ausgeführt, dass sie auf Grund federnder Eigenschaften bei Bewegung der Wärmequelle, bei der es sich beispielsweise um Rotorwicklungen eines Elektromotors handelt, entlang einer Längsachse des Temperatursensors durch eine Ausgleichsbewegung für eine anhaltende thermische Verbindung zwischen Sensorelement bzw. Anschlussvorrichtung und Wärmequelle sorgt. Damit ist die Anschlussvorrichtung geeignet, eine Bewegung entlang des Richtungspfeils 140 auszuführen.
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Beispielsweise kann die Anschlussvorrichtung ausgeführt sein, Bewegungen im Bereich von mehreren Millimetern (2, 3, 4, 5 oder mehr Millimeter), natürlich aber auch Bewegungen im Zehntel- oder Hundertstelmillimeterbereich zu kompensieren.
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Der Anschlussbereich 111 ist ausgeführt, das Messsignal von dem Sensorelement 150 an eine externe Auswerteeinheit (nicht gezeigt) zu führen. Insbesondere kann der Anschlussbereich so ausgeführt sein, dass das Messsignal mit einem hieran anbringbaren Steckerelement abgegriffen werden kann.
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Damit ermöglicht der erfindungsgemäße Temperatursensor den Montage- und Bauteiltoleranzen sowie einer Ausdehnung von Komponenten unter Wärmeeinfluss zu begegnen und eine thermische Verbindung von im Wesentlichen gleichbleibender Güte zwischen dem Sensorelement und der Wärmequelle zu erhalten, was für die Güte eines Messergebnisses der Temperatur von hoher Bedeutung sein kann.
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2 zeigt eine Anschlussvorrichtung 130 eines Temperatursensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Anschlussvorrichtung weist eine erste Sensoranschlussleitung 135 und eine zweite Sensoranschlussleitung 136, einen Mantel 131 mit einem thermisch leitenden Bereich 139, ein Sensorelement 150 sowie eine Entstörschaltung 195 und eine Auswerteschaltung 197 auf.
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Die Entstör- und Auswerteschaltung können teilweise in der Anschlussvorrichtung und teilweise in der Befestigungsvorrichtung des Temperatursensors enthalten sein.
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Die federnde Kraft, welche das Sensorelement in Richtung einer Wärmequelle drückt, kann sowohl von dem Mantel 131 als auch von den Sensoranschlussleitungen 135, 136 aufgebracht werden oder natürlich von Mantel und Sensoranschlussleitungen gemeinsam, je nach Ausführungsbeispiel.
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3A zeigt einen Temperatursensor 100 mit einer Befestigungsvorrichtung 110, einer Anschlussvorrichtung 130 und einem Sensorelement 150.
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Dabei ist die Anschlussvorrichtung in Form einer einfachen gebogenen Feder ausgeführt. Die Sensoranschlussleitungen werden von dem Sensorelement durch die Anschlussvorrichtung zu dem Befestigungselement geführt, wo ein Messsignal über den Anschlussbereich abgegriffen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Federkraft von der Anschlussvorrichtung aufgebracht und drückt das Sensorelement in Richtung einer Wärmequelle.
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3B zeigt einen Temperatursensor 100, dessen Anschlussvorrichtung 130 die Form einer Korkenzieherfeder aufweist.
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Die Federkraft wird analog zu 3A erzeugt.
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3C zeigt einen Temperatursensor 100, dessen Anschlussvorrichtung 130 mäanderförmig ausgeführt ist und die erste Sensoranschlussleitung 135 von der zweiten Sensoranschlussleitung 136, welche jeweils außerhalb der Anschlussvorrichtung verlaufen, trennt.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann die Federkraft sowohl von der Anschlussvorrichtung 130 als auch von den Sensoranschlussleitungen 135, 136 aufgebracht werden.
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3D zeigt einen Temperatursensor 100, wobei die Anschlussvorrichtung aus den zwei Sensoranschlussleitungen 135, 136 besteht, welche jeweils einen eigenen Mantel aufweisen.
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Die Sensoranschlussleitungen 135, 136 sind hier so ausgeführt, dass sie auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften eine Federkraft auf das Sensorelement 150 ausüben und diesen in Richtung einer Wärmequelle drücken.
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Die Sensoranschlussleitungen können insbesondere in jeder oben und im Folgenden beschrieben Form (gebogene Feder, Korkenzieherfeder, mäanderförmig) ausgeführt sein, so dass eine entsprechende Federkraft auf das Sensorelement ausgeübt wird und ein variabler Abstand zwischen Montageposition und Wärmequellenposition ausgeglichen wird.
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3E zeigt einen Temperatursensor 100, dessen Anschlussvorrichtung 130 eine gebogene Form aufweist, wobei die Biegung ausgeführt ist, sich bei variierendem Abstand zwischen Montageposition des Temperatursensors und Wärmequelle entsprechend zu verformen bzw. eine federnde Ausgleichsbewegung auszuführen.
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Ein Temperatursensor wie oben und im Folgenden beschrieben kann damit sowohl auf einen sich verkürzenden als auch auf einen sich verlängernden Abstand der Befestigungsvorrichtung zur Wärmequelle reagieren, soweit der Abstand jeweils geringer ist als eine Länge der Anschlussvorrichtung im unverformten Zustand. Damit wird bei Montage des Temperatursensors stets ein Druck auf die Anschlussvorrichtung so ausgeübt, dass diese sich verformt und an einen geringen Abstand angepasst wird. Abhängig von Bauteil- und Montagetoleranzen fällt die Verformung größer oder geringer aus. Erfolgt während des Betriebs einer elektrischen Maschine eine Ausdehnung der Komponenten auf Grund thermischen Einflusses, vermag die Anschlussvorrichtung ebenfalls eine Ausgleichsbewegung vorzunehmen, so dass eine thermische Verbindung zwischen Sensorelement und Wärmequelle von gleichbleibender Güte hergestellt wird.
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4 zeigt einen Elektromotor 200 mit einem Gehäuse 190, 191 sowie einem Stator 211. Ein Temperatursensor 100 mit Befestigungsvorrichtung 110, Anschlussvorrichtung 130 sowie Sensorelement 150 ist an dem Gehäuse 190, 191 montiert. Dabei steht der Temperatursensor 150 in thermischer Verbindung mit einem zu überwachenden Bereich des Stators 211, beispielsweise einer Wicklung.
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Wie 4 anschaulich zeigt, kann der Temperatursensor sowohl von einer Außenseite 201 als auch von einer Innenseite 202 montiert werden. In einem Fehlerfall kann der Temperatursensor mit wenig Montageaufwand ausgetauscht werden, ermöglicht aber durch den erfindungsgemäßen Aufbau dennoch eine Temperaturmessung von gleichbleibend hoher Güte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006016135 A1 [0004]
