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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Eisenverlustes in einem Blechpaket für eine elektrische Maschine, wie etwa einen elektrischen Antriebsmotor oder einen Generator.
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Eine elektrische Maschine kann aus zwei Aktivteilen gebildet sein, einem Stator und einem Rotor. Jedes Aktivteil weist eine Quelle für ein Magnetfeld auf, beispielsweise Wicklungen aus Draht zum Erzeugen eines Magnetfelds mittels eines elektrischen Stroms, oder auch Permanentmagneten. Zusätzlich kann ein Aktivteil einen weichmagnetischen Körper zum Leiten des magnetischen Flusses des Magnetfelds aufweisen. In der Regel handelt es sich dabei um einen Eisenkörper. Zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten ist dieser aus elektrisch gegeneinander isolierten Blechen aufgebaut, die beispielsweise 0,3 mm dick sein können und mittels eines Backlackes miteinander verbunden sind. Die Materialeigenschaften der Bleche im Rotor und Stator und die Wahl der Paketiertechnologie wirken sich über die Eisenverluste auf die Gesamtverluste der elektrischen Maschine aus. Unter dem Begriff Eisenverluste werden hierbei die bereits genannten Wirbelstromverluste sowie Ummagnetisierungsverluste verstanden.
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Elektrische Maschinen können als Antriebsmotoren in einem Kraftwagen verwendet werden. Hier ist man darauf angewiesen, dass ein Antriebsmotor möglichst verlustarm betrieben werden kann, da die zur Verfügung stehende elektrische Energie in einer Traktionsbatterie mitgeführt werden muss und daher begrenzt ist und wirtschaftlich genutzt werden muss. Auch ein Generator eines Kraftwagens mit Verbrennungsmotor sollte in den relevanten Betriebspunkten möglichst verlustarm arbeiten, um so Kraftstoff zu sparen.
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Bei der Entwicklung eines Kraftwagens ist es daher notwendig, für unterschiedliche Blechpakete, die für die Verwendung in einer elektrischen Maschine des Kraftwagens zur Auswahl stehen, ein Messverfahren für die darin bei unterschiedlichen Betriebspunkten erzeugten Eisenverluste zu haben. Ein solches Messverfahren kann die Arbeiten während der Produkt- und Fertigungsprozess-Entwicklung unterstützen. Während der Fertigung der elektrischen Maschinen lässt sich damit auch die Qualität einer hergestellten elektrischen Maschinen bestimmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum Vergleichen von in unterschiedlichen Blechpaketen umgesetzten Eisenverlusten bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen Messaufbau dar, mittels welchem Eisenverluste in einem Blechpaket für eine elektrische Maschine ermittelt werden können. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass die komplett aufgebaute elektrische Maschine bereitgestellt wird. Soll beispielsweise das Blechpaket eines Stators der elektrischen Maschine überprüft werden, so müssen im Stator keine Wicklungen eingebracht sein. Es reicht, das bloße Blechpaket bereitzustellen. Insbesondere ist es auch möglich, mehrere unterschiedliche Blechpakete nacheinander zu testen, um dasjenige mit den geringsten Eisenverlusten zu ermitteln. Es ist aber auch nicht hinderlich, wenn die Wicklungen bereits in einem Blechpaket eingebracht sind und/oder das Blechpaket bereit in einem Gehäuse der elektrischen Maschine eingebaut ist. So sind auch allgemeinere Untersuchungen möglich, z. B. solche zu der Frage, wie sich die Eisenverluste verhalten, wenn ein Statorblechpaket in einem Gehäuse für die elektrische Maschine mittels eines Presssitzes befestigt wird. Hierdurch entstehen mechanische Spannungen im Blechpaket und elektrische Kurzschlüsse zwischen einzelnen Blechen am Rand des Statorblechpakets, die einen Einfluss auf die Höhe der Eisenverluste haben können. Die Untersuchungen können sich beispielsweise auch auf die Paketierung der Bleche eines Rotors beziehen oder auf einen Vergleich von Blechpaketen eines Rotors mit unterschiedlichen Blechschnitten oder mit einer unterschiedlichen Flussführung innerhalb des Rotors. Auch der Einfluss anderer Herstellungsverfahren, wie z. B. das Kleben oder Verschrauben eines Blechpakets in einem Gehäuse, können untersucht werden, wobei die Aufzählung hier nur beispielhaft ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht nun eine erste Halteeinrichtung zum Tragen oder Halten eines zumindest das Blechpaket umfassenden Bauteils für die elektrische Maschine vor. Bei dem Bauteil kann es sich um das Blechpaket allein handeln oder aber z. B. auch um das Blechpaket mit bereits eingebrachten elektrischen Erregerwicklungen oder ein Gehäuse der elektrischen Maschine mit darin eingebautem Blechpaket.
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Eine zweite Halteeinrichtung ist dazu ausgelegt, an ihr ein Aktivteil der elektrischen Maschine zu befestigen. Das Aktivteil sollte dabei komplementär zu dem Aktivteil sein, für welches das Blechpaket bestimmt ist. Soll also beispielsweise ein Blechpaket für einen Stator auf Eisenverluste hin untersucht werden, so wird als Aktivteil ein Rotor bereitgestellt, der mit Permanentmagneten bestückt ist oder elektrische Wicklungen aufweist, die zum Erzeugen eines Magnetfeldes bestromt werden können. Soll umgekehrt das Blechpaket für einen Rotor überprüft werden, so kann als Aktivteil ein Stator mit elektrischen Wicklungen bereitgestellt werden.
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Bei der Halteeinrichtung für den Rotor kann es sich beispielsweise um eine Welle oder einen Flansch handeln. Die Halteeinrichtung für das Blechpaket umfasst bevorzugt eine Klemmeinrichtung zum kraftschlüssigen Halten des Blechpakets. Dann müssen keine Schrauben in das Blechpaket eingebracht werden, die durch Kurzschlüsse zwischen den Blechen das Messergebnis verfälschen würden. Insbesondere umfasst diese Halteeinrichtung zumindest zwei Halteelemente, die bezüglich der Rotationsachse des Rotors radial verstellbar sind, z. B. durch Gewinde, und zwischen denen das Blechpaket eingeklemmt werden kann. Dies stellt einen spielfeien Sitz des Bauteils in der Halteeinrichtung sicher. Auch eine radiale Justierung ist so möglich.
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Die beiden Halteeinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gegeneinander beweglich gelagert und können so zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung gegeneinander bewegt werden. Diese beiden Stellungen zeichnen sich wie folgt aus: Bei bestückten Halteeinrichtungen, wenn sich also das Blechpaket an der ersten Halteeinrichtung und das Aktivteil an der zweiten Halteeinrichtung befindet, sind das Blechpaket und das Aktivteil in der ersten Stellung nebeneinander und im Gegensatz dazu in der zweiten Stellung ineinander angeordnet. In der ersten Stellung können also das Blechpaket und das Aktivteil unabhängig voneinander an den beiden Halteeinrichtungen befestigt werden. In der zweiten Stellung ist dann bei dem obigen Beispiel der Rotor in dem Blechpaket für den Stator eingeführt, so wie es später auch bei der fertigen elektrischen Maschine vorgesehen ist.
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Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört noch ein Antriebsmotor zum Drehen einer der Halteeinrichtungen. Es kann also je nach Ausgestaltung der Rotor in dem Stator oder der Stator um den Rotor gedreht werden. Die vom Antriebsmotor drehbar ausgestaltete Halteeinrichtung kann auch für einen Außenläufer angepasst sein, so dass sich ein Außenläufer-Rotor um einen Stator drehen lässt.
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Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung noch eine Messeinrichtung zum Erfassen zumindest eines Messwerts von zumindest einer physikalischen Größe, welche von dem Eisenverlust im Blechpaket abhängig ist. Hier gibt es zahlreiche Möglichkeiten, eine geeignete Messeinrichtung zu realisieren. Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Messeinrichtung einen Drehmomentsensor auf, welcher dazu ausgelegt ist, ein Drehmoment zu messen, welches beim Drehen auf den Antriebsmotor wirkt. Bei bekannter Drehzahl kann so unmittelbar auf die Leistung rückgeschlossen werden, die zum Aufrechterhalten der Drehbewegung von dem Antriebsmotor erzeugt werden muss. Diese Leistung entspricht den Eigenverlusten zuzüglich etwaiger Reibungs- und Strömungsverluste.
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Eine indirekte Messung ist möglich, wenn bei der Messeinrichtung ein Temperatursensor bereitgestellt ist, welcher dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des Blechpakets zu messen. Insbesondere bei einer vergleichenden Messung, wenn zumindest zwei Blechpakete bezüglich ihres Eisenverlustes verglichen werden sollen, ist dies besonders einfach durch den Grad der Erwärmung der Blechpakete möglich, ohne die Eisenverluste quantitativ bestimmen zu müssen.
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Um aber die Messergebnisse von Eisenverlusten zweier unterschiedlicher Blechpakete vergleichbar zu machen, ist es entscheidend, dass die geometrischen Randbedingungen zwischen den beiden Messungen möglichst ähnlich sind. Zu diesem Zweck sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Fixiereinrichtung vor, mittels welcher das Blechpaket und das Aktivteil in der zweiten Stellung der Halteeinrichtungen koaxial gegeneinander fixiert sind. Für den Fall, dass die Vorrichtung dazu ausgestaltet sein soll, das Blechpaket eines Stators zu überprüfen, umfasst die Fixiereinrichtung bevorzugt zumindest einen Passring, welcher koaxial zu einer Rotationsachse der vom Antriebsmotor drehbaren Halteeinrichtung angeordnet ist. Mittels des zumindest einen Passringes kann dann das Blechpaket des Stators gestützt werden. Mit koaxial ist hier gemeint, dass die Rotationsachse des Rotors und die Zylinderachse eines zylindrisch geformten Stators zusammenfallen oder zumindest eine Abweichung von diesem Idealzustand kleiner als ein vorbestimmtes Maß ist. Um die Stützwirkung zu erzielen, ist die Fixiereinrichtung zusätzlich dazu ausgebildet, das Blechpaket bezüglich der zweiten Halteeinrichtung zu fixieren, d. h. eine Bewegung in zumindest eine Raumrichtung, insbesondere in einer Ebene, zu blockieren. Bevorzugt umfasst jede der Halteeinrichtungen einen Passring, so dass in der zweiten Stellung der Halteeinrichtungen, wenn Stator und Rotor ineinander angeordnet sind, das Blechpaket des Stators ausschließlich durch die Passringe fixiert ist und dann z. B. bei Bedarf die oben beschriebene Klemmeinrichtung wieder gelöst werden kann. Passringe ermöglichen eine genauere Ausrichtung von Stator und Rotor als eine Klemmeinrichtung.
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Beim Zusammenführen eines permanent erregten Aktivteils mit einem Blechpaket können starke magnetische Kräfte wirken, wodurch dann das Blechpaket und das Aktivteil zusammenschlagen und beschädigt werden können. Um dies wirkungsvoll zu vermeiden, sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Führungsschiene vor, auf welcher eine der Halteeinrichtungen, bevorzugt diejenige für den Stator oder das Stator-Blechpaket, translatorisch bezüglich der anderen Halteeinrichtung parallel zur Rotationsachse verschiebbar ist. Dann ist wirkungsvoll vermieden, dass die beiden Halteeinrichtungen quer zur Rotationsachse, also radial zu dieser, durch Magnetkräfte gegeneinander ausgelenkt werden können.
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Um auch zu verhindern, dass durch die magnetischen Kräfte die Halteeinrichtungen entlang der Rotationsachse aufeinander zu beschleunigt werden, so dass bei einem Zusammenstoß ein Schaden entsteht, sieht eine andere Weiterbildung der Vorrichtung eine Gewindestange vor, die dazu ausgelegt ist, einen Abstand zwischen den Halteeinrichtungen einzustellen.
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Der Vergleich unterschiedlicher Blechpakete sollte nach Möglichkeit für Betriebsbedingungen erfolgen, wie sie auch später beim Einsatz der fertigen elektrischen Maschine vorliegen. Eine der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist hierbei, dass insbesondere im Zusammenhang mit dem Einsatz von elektrischen Maschinen in Fahrzeugen die Betriebstemperatur ein wichtiger Aspekt ist. Entsprechend sieht eine Weiterbildung der Vorrichtung eine Temperiereinrichtung vor, mittels welcher eine Temperatur des Blechpakets auf einen Temperaturwert einstellbar ist, der einer vorgebbaren Solltemperatur entspricht oder zumindest innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbands liegt. So erfolgt das Ermitteln der Eisenverluste bei einer bekannten Temperatur. Zum Temperieren kann die Vorrichtung beispielsweise einen Ofen umfassen, in welchem das Blechpaket auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird. Ein solcher Ofen weist den Vorteil auf, dass das Aktivteil nicht ebenfalls erwärmt wird, so dass ein Temperatureffekt auf Seiten des Aktivteils nicht bei der Messung berücksichtigt werden muss.
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Eine andere Weiterbildung der Vorrichtung hier sieht vor, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Induktionsschleife zum Einlegen in Nuten des Blechpakets sowie eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer in die zumindest eine Induktionsschleife jeweils induzierten elektrischen Spannung umfasst. Anhand der induzierten Spannung wird dann insbesondere auf den magnetischen Fluss und hierüber auf eine Temperatur von Permanentmagneten eines Aktivteils, insbesondere denjenigen eines Rotors, rückgeschlossen. So können auch deren Temperatur und der magnetische Erregerfluss überwacht werden. Die Auswerteeinrichtung kann z. B. eine Messschaltung für die induzierte Spannung und einen Datenprozessor mit einem darauf implementierten Berechnungsalgorithmus für die Temperaturermittlung umfassen.
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Im Zusammenhang mit einer Automatisierung der Messung der Eisenverluste sieht eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung allerdings vor, dass die Temperatureinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Aufheizen des Blechpakets den Antriebsmotor zu aktivieren und so Eisenverluste im Blechpaket zu erzeugen, worauf sich dieses dann entsprechend von selbst erwärmt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Temperiereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, zum Abkühlen des Blechpakets eine Drehzahl des Antriebsmotors zu verringern. Beispielsweise kann der Antriebsmotor vollständig angehalten werden. Sollen dagegen Kugellager oder andere Lager von Wellen auch während der Abkühlphase auf einer bestimmten Betriebstemperatur gehalten werden, wird die Drehzahl nur so weit verringert, dass die sich hieraus ergebende Verringerung der Eisenverluste ausreicht, um es dem Blechpaket zu ermöglichen abzukühlen.
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Die Temperiereinrichtung kann einen eigenen Temperatursensor aufweisen oder aber auch bei entsprechend ausgestalteter Messeinrichtung deren Temperatursensor nutzen.
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Im Zusammenhang mit der Automatisierung der Messungen ist in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Steuereinrichtung bereitgestellt, welche dazu ausgelegt ist, selbständig eine Messreihe von Messwerten zu mehreren unterschiedlichen Drehzahlen des Antriebsmotors und/oder zu mehreren unterschiedlichen Temperaturen des Blechpakets zu ermitteln und hierzu den Antriebsmotor zu steuern sowie Messwerte von der Messeinrichtung zu empfangen. Das Einstellen unterschiedlicher Temperaturen kann hierbei mittels einer der bereits beschriebenen Temperiereinrichtung erfolgen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich folgendes erfindungsgemäße Verfahren durchführen, mittels welchem Eisenverluste in einem Blechpaket für eine elektrische Maschine ermittelt werden können. Das bereits beschriebene, zumindest das zu untersuchende Blechpaket umfassende Bauteil und ein Aktivteil der elektrischen Maschine werden ineinander angeordnet und von dem Antriebsmotor durch eine Drehbewegung relativ zueinander bewegt. Mit anderen Worten wird hier der Betrieb der elektrischen Maschine simuliert, indem beispielsweise ein Rotor mit Permanentmagneten im Stator-Blechpaket gedreht wird. Dies verursacht einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss im Blechpaket, ähnlich wie auch beim Betrieb der fertigen elektrischen Maschine. Die auftretenden Verluste lassen sich in der beschriebenen Weise beispielsweise über eine Drehmomentmessung bestimmen, denn das Drehmoment ist eine physikalische Größe, welche von dem Eisenverlust im Blechpaket abhängig ist. Eine indirekte Messung der Eisenverluste ist über die Erfassung der Temperaturerhöhung im Blechpaket möglich. Bei der Bestimmung des Drehmoments ist eine direkte Erfassung der Eisenverluste möglich, indem der Wert für das Drehmoment mit der Drehzahl des Rotors multipliziert wird.
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Wie bereits ausgeführt, treten allerdings nicht nur reine Eisenverluste auf, sondern zu den Eisenverlusten, also zu Ummagnetisierungsverlusten und Wirbelstromverlusten, kommen noch zusätzlich Ventilationsverluste durch Luftreibung insbesondere im Luftspalt zwischen Stator und Rotor und Reibungsverluste, beispielsweise in Form von Lagerreibung, hinzu. Diese Ventilations- und Reibungsverluste lassen sich durch eine Referenzmessung mit einem Rotor ohne Magnete allein messen und dann von den restlichen Verlusten rechnerisch gut trennen. Entsprechend sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, in einer Referenzmessung anstelle des Aktivteils ein Dummy-Aktivteil zu verwenden, welches die Form des Aktivteils aufweist, aber keine eigene magnetische Erregung aufweist. Durch die übereinstimmenden Formen ergeben sich dieselben Ventilations- und Reibungsverluste, die dann beispielsweise über die Drehzahl des Antriebsmotors und das auf diesen wirkende Drehmoment bestimmt werden können. Noch genauere Messungen sind möglich, wenn das Dummy-Aktivteil aus demselben Material wie das Aktivteil gefertigt ist und/oder dasselbe Gewicht, insbesondere auch dieselbe Gewichtsverteilung, aufweist. Dann stimmen insbesondere die sich ergebenden Reibungskräfte mit denjenigen für das Aktivteil überein. Nach Möglichkeit ist also das Dummy-Aktivteil genau wie das Aktivteil selbst aufgebaut und weist als einzigen Unterschied zum Aktivteil die fehlende Magnetisierung auf.
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Wie bereits ausgeführt, ist ein genauerer Vergleich unterschiedlicher Blechpakete möglich, wenn ein zu vermessendes Blechpaket für eine Messung auf eine Temperatur temperiert wird, die einer vorgegebenen Solltemperatur entspricht oder zumindest innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbands, das beispielsweise einen Bereich von 5°C oder 10°C oberhalb und unterhalb einer Solltemperatur umfassen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch einmal genauer anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Messaufbaus, welcher eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist,
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2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Seitenansicht des Messaufbaus von 1, wobei zwei Halteteile in eine Bestückungsstellung gebracht sind,
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3 eine schematische Darstellung des Messaufbaus von 1, wobei die Halteteile in eine Betriebsstellung gebracht sind,
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4 eine Skizze zur Veranschaulichung des Messprinzips des Messaufbaus von 1,
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5 ein Diagramm mit Messreihen zur Veranschaulichung von Eisenverlusten und Ventilations- und Reibungsverlusten,
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6 ein Diagramm mit Messreihen zu zwei unterschiedlich verarbeiteten Blechpaketen,
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7 ein Diagramm mit Messreihen zu einen Blechpaket bei unterschiedlichen Temperaturen,
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8 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen einer Drehzahl und einer Temperatur während einer Messreihe, und
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9 zwei Diagramme zur Blechpakettemperatur und Drehzahl bei einer Temperaturregelung während einer Messreihe.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Beispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen und die beschriebenen Schritte der Verfahren jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In 1 bis 3 ist ein Messaufbau 10 gezeigt, mittels welchem Eisenverluste in einem Blechpaket 12 ermittelt werden, das als Bauteil für einen Stator einer elektrischen Maschine verwendet werden soll. Es kann z. B. aber auch ein Blechpaket 12 mit Wicklungen, d. h. ein vollständiger Stator, oder auch ein Blechpaket mit Gehäuse oder ein vollständiger Stator mit Gehäuse anstelle des Blechpakets 12 allein verwendet werden. Das Blechpaket 12 wird zum Ermitteln der Eisenverluste auf einen (nicht weiter dargestellte) Permanentmagnete aufweisenden Rotor 14 geschoben, der dann im Blechpaket 12 rotiert wird. Der Rotor 14 stellt ein Aktivteil einer elektrischen Maschine dar.
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Der Messaufbau weist eine Halteeinrichtung 16 für das Blechpaket und eine Halteeinrichtung 18 für den Rotor 14 auf.
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Die Halteeinrichtung 18 kann beispielsweise eine Welle sein, auf welche der Rotor 14 aufgesteckt ist. Die Welle 18 ist mit einem Antriebsmotor 24 gekoppelt, welcher die Welle 18 in Abhängigkeit von einem Steuersignal dreht. Zum Auswechseln des Rotors 14 kann die Halteeinrichtung 18 eine Schraube aufweisen, welche den Rotor 14 in axialer Richtung, d. h. in Erstreckungsrichtung einer Rotationsachse 34 des Rotors 14, fixiert.
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Zum Befestigen des Blechpakets 12 kann die Halteeinrichtung 16 beispielsweise zwei Ablagebleche 32 aufweisen, die V-förmig auseinander stehen. Die Ablagebleche 32 können bezüglich der Rotationsachse 34 radial verstellbar sein. Die Halteeinrichtung 16 kann zusätzlich eine (hier nicht dargestellte) Abdeckklappe oder Abdeckhaube mit einer Schraube aufweisen. Mit dieser Schraube lässt sich im geschlossenen und verriegelten Zustand der Abdeckklappe das Blechpaket 12 gegen die Ablagebleche 32 drücken. Hierdurch wird das Blechpaket 12 kraftschlüssig in der Halteeinrichtung 16 gehalten. Die Ablagebleche 32 und die Schraube können eine elektrische Isolation aufweisen. Hierdurch ist ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Blechen des Blechpakets 12 vermieden.
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Die Halteeinrichtung 16 kann zusätzlich einen Passring zur radialen Fixierung des Blechpakets 12 aufweisen. Der Passring kann sich in 1 hinter einer Abschlussplatte 22 befinden. Der Passring ist Bestandteil einer Fixiereinrichtung.
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Die Halteeinrichtung 16 ist linearbeweglich auf zwei Führungsschienen 20 gelagert. Jede Führungsschiene 20 kann beispielsweise ein Metallrohr umfassen. Die Halteeinrichtung 16 kann dann zwei Hohlzylinder 26 aufweisen, die auf jeweils eine Führungsschiene 20 aufgesteckt sind. Die Permanentmagneten des Rotors 14 ziehen den Stator 12 mit einer magnetischen Kraft an. Das Blechpaket 12 wird gegen diese magnetische Kraft in der Halteeinrichtung 16 durch den beschriebenen Kraftschluss festgehalten. Durch die Führungsschienen 20 ist das Bleckpaket 12 des Stators zudem beim Zusammenfahren des Blechpakets 12 mit dem Rotor 14 gegen seitliche Auslenkungen quer zur Rotationsachse 34 stabil gehalten. Ein Abstand zwischen der Halteeinrichtung 16 und der Halteeinrichtung 18 kann beispielsweise mit einer Gewindespindel 28 einstellbar sein, die mittels einer Kurbel 30 gedreht werden kann. Die Halteeinrichtung 16 weist in diesem Fall auch ein Gewinde auf, das beim Rotieren der Gewindespindel 28 parallel zu den Führungsschienen 20 verschoben wird.
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In 1 und entsprechend auch in 2 sind die Halteeinrichtungen 16 und 18 in einer Bestückungsstellung S1 gezeigt, in welcher die beiden Halteeinrichtungen 16, 18 derart weit beabstandet sind, dass das Blechpaket 12 an der Halteeinrichtung 16 befestigt werden kann, ohne dass Magnetkräfte des Rotors 14 eine derart starke Kraft auf das Blechpaket 12 ausüben, dass das Blechpaket 12 in Bewegung versetzt werden könnte. Die Bestückungsstellung S1 erlaubt es, für Vergleichsmessungen unterschiedliche Prüflinge (also Blechpakete wie das Blechpaket 12) nacheinander an der Halteeinrichtung 16 zu befestigen und dann jeweils eine Messreihe für die Eisenverluste durchzuführen. Auch das Austauschen des Rotors 14 und somit das Prüfen mehrerer unterschiedlicher Rotortypen ist möglich.
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Zum Durchführung einer Messung wird die Halteeinrichtung 16 zunächst durch Drehen der Gewindespindel 28 auf den Führungsschienen 20 in Richtung zur Halteeinrichtung 18 verfahren. In 3 ist eine schließlich eingenommene Betriebsstellung S2 der Halteeinrichtungen 16, 18 gezeigt, in welcher sich der Rotor 16 innerhalb des Blechpakets 12 befindet.
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In der Betriebsstellung S2 wird das Blechpaket 12 zusätzlich durch einen Passring 36 in radialer Richtung senkrecht zur Rotationsachse 34 gehalten. Der Passring 36 bildet einen weiteren Bestandteil der Fixiereinrichtung. Durch die Fixiereinrichtung ist das Blechpaket 12 zentrisch zur Rotationsachse 34 eingespannt. Hierdurch bleibt ein Luftspalt zwischen dem Rotor 14 und dem Blechpaket 12 bei den Messungen in allen Positionen gleich groß. Zudem ist sichergestellt, dass bei Verwendung eines anderen Blechpakets sich dieselben Messbedingungen ergeben. Die Abschlussplatte 22 kann eine Aufnahme aufweisen, in die ein Ende des Haltelements 18 hineinragt, wenn die Betriebsstellung S2 eingenommen ist. Das Ende des Halteelements 18 kann in der Aufnahme durch z. B. ein Kugellager drehbar gelagert und gegen radiale Auslenkungen quer zur Rotationsachse 34 gestützt sein. Dies erhöht ebenfalls die Präzision, mit welcher der Rotor 14 und das Blechpaket 12 während einer Messung zueinander ausgerichtet sind.
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Die Abdeckklappe der Halteeinrichtung 16 deckt in der Betriebsstellung S2 das Blechpacket 12 ab. Hierdurch ist vermieden, dass während einer Messung rotierende Teile zugänglich sind und so eine Bedienperson verletzt wird. Eine vom Antriebsmotor 24 zur Halteeinrichtung 18 führende Welle kann durch eine Schutzabdeckung 38, beispielsweise ein gebogenes Blech, abgedeckt sein.
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Im Folgenden ist anhand von 4, 5 und 6 das Messprinzip für eine Ermittlung von Eisenverlusten in dem Blechpaket 12 mittels des Messaufbaus von 1 bis 3 beschrieben.
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In der Betriebsstellung S2 wird der Rotor 14 in dem Stator 12 durch den Antriebsmotor 24 in eine Drehbewegung versetzt, indem der Antriebsmotor 24 die Halteeinrichtung 18 rotatorisch antreibt und um die Rotationsachse 34 dreht. Der Rotor 14 dreht sich dabei mit einer einstellbaren Drehzahl n. An der Halteeinrichtung 18 oder in Verlängerung an einer Welle zwischen der Halteeinrichtung 18 und dem Antriebsmotor 24, kann durch einen Drehmomentsensor 40 die Drehzahl n gemessen werden. Das Messsignal des Drehzahlsensors 40 wird von einer Steuereinrichtung 42 empfangen, die beispielsweise ein Computer oder ein Mikrocontroller sein kann. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass an der Halteeinrichtung 18 oder an der Welle, welche den Antriebsmotor 24 mit der Halteeinrichtung 18 verbindet, ein Drehmomentsensor 44 ein auf die Welle wirkendes Drehmoment M misst. Auch das Messsignal des Drehmomentsensors 44 wird von der Steuereinrichtung 42 erfasst.
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An dem Blechpaket 12 können Temperatursensoren 46 befestigt sein, welche eine Temperatur T des Blechpakets 12 messen. Beispielsweise können die Temperatursensoren jeweils als elektrischer Temperatursensor bereitgestellt sein, der an einer magnetischen Platte befestigt ist, die über ihre Magnetkraft an dem Blechpaket 12 haftet. Auch die Temperatursignale der Temperatursensoren 46 werden von der Steuereinrichtung 42 empfangen. Die Steuereinrichtung 42 steuert eine Leistungselektronik 48 des Antriebsmotors 24 an und stellt hierdurch die Drehzahl n ein. Ein Notaus-Schalter 50 kann einen Abbruch der Messung ermöglichen.
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Die im Blechpaket 12 bei der Rotation des Rotors 14 entstehenden Verluste hängen von der Drehzahl n und der Temperatur T ab. Deshalb werden bei dem Messaufbau 10 die Eisenverluste abhängig von diesen Größen ermittelt. Die Drehzahleinstellung wird über eine Drehzahlregelung der Steuereinrichtung 42 realisiert. In 5 ist eine Messreihe gezeigt, bei welcher bei unterschiedlichen Drehzahlen n, hier angegeben in Umdrehungen pro Minute (rpm – rounds per minute), eine Gesamtleistung 52 der Verluste ermittelt wurde, indem als Gesamtleistung das Produkt aus dem gemessenen Drehmoment M und der Drehzahl n gebildet wurde (P = M·n). Die Gesamtleistung 52 setzt sich aus den Eisenverlusten 54 einerseits sowie Ventilations- und Reibungsverlusten 56 andererseits zusammen. Die Ventilations- und Reibungsverluste 56 wurden in einem Vorversuch mit einem Rotor ohne Magnete, also einem Dummy-Aktivteil, separat gemessen. Das Dummy-Aktivteil erzeugt keine Eisenverluste, da kein Wechselmagnetfeld in dem Blechpaket 12 erzeugt wird. Durch Subtrahieren der Ventilations- und Reibungsverluste 56 von der gemessenen Gesamtleistung 52 können zu den Drehzahlen n die Eisenverluste 54 berechnet werden.
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In 6 ist ein Vergleich des Blechpakets 12 mit einem gleichartigen Blechpaket gezeigt, dessen Bleche aber zusätzlich durch eine Schweißnaht elektrisch miteinander verbunden sind. Die Eisenverluste 70 des Blechpakets 12 sind für alle Drehzahlen n kleiner als die Eisenverluste 72 des geschweißten Blechpakets.
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In 7 sind Messreihen zu Eisenverlusten bei unterschiedlicher Drehzahl n in Abhängigkeit von der Temperatur T gezeigt. Bei einer Temperatur T1 = 45°C ergeben sich drehzahlabhängige Eisenverluste 58, bei einer Temperatur T2 = 60°C Eisenverluste 60 und bei einer Temperatur T3 = 75°C Eisenverluste 62. Die Temperaturabhängigkeit der Eisenverluste ist signifikant.
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Die in 7 gezeigte temperaturabhängige Messung der Eisenverluste 58, 60, 62 wurde bei dem Messaufbau 10 durch eine Temperatureinstellung in dem Blechpaket 12 erreicht. Die Temperierung des Blechpakets 12 ist im Folgenden anhand von 8 und 9 erläutert. Hierzu sind in 8 und 9 Betriebsgrößen des Messaufbaus von 4 über der Zeit t aufgetragen.
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Die unterschiedlichen, zu untersuchenden Betriebstemperaturen T1 = 45°C, T2 = 60°C und T3 = 75°C werden von der Steuereinrichtung 42 automatisch nacheinander eingestellt, so dass die Anwesenheit einer Bedienperson nicht nötig ist. Die Temperatur T wird über die Eisenverluste selbst erhöht. Bei einer konstanten Drehzahl n, beispielsweise n = 5000 1/min wird der Rotor 14 in einer jeweiligen Aufheizphase H so lange gedreht, bis die gemessene Temperatur T den jeweiligen Solltemperaturwert T1, T2 bzw. T3 erreicht hat. Dann erst starten die Messungen, wobei in dem gezeigten Beispiel von einer Drehzahl n = 0 aufsteigend bis zu einer Drehzahl n = 12000 1/min gemessen wurde. Die Drehzahl n kann während der Messung stufenweise erhöht werden. Hierdurch ergeben sich Messphasen mit konstanter Drehzahl, wodurch eine besonders genaue Messung der Eisenverluste möglich ist.
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Wie der Temperaturverlauf in 8 zeigt, erhöht sich während der Messungen aufgrund der Eisenverluste die Temperatur weiter. Für den Fall, dass sich das Blechpaket 12 während einer Messung zu sehr aufheizt, ist bei dem Messaufbau 10 auch eine Temperaturabsenkung ermöglicht. Ein sich hierdurch ergebender Unterschied im Messverlauf ist in 9 im Zusammenhang mit der Messung bei der Solltemperatur T1 gezeigt. Um die Solltemperatur T1 ist ein Toleranzband 74 definiert, innerhalb dessen Messungen erlaubt sind, deren Messwerte der Solltemperatur T1 zugeschlagen werden sollen. Verlässt ein Temperaturverlauf 76 der Temperatur T das Toleranzband 74 (hier zum Zeitpunkt t1 der Fall), so wird die Messung ausgesetzt, bis die Temperatur wieder im Toleranzband 74 liegt. Hierzu wird die Drehzahl beispielsweise auf n = 0 zurückgefahren, wie das untere Diagramm in 9 zeigt. Hierdurch ergibt sich eine Abkühlphase C. Sollen Lager in dem Messaufbau warm bleiben, so kann anstelle eines Anhaltes des Antriebsmotors 24 auch lediglich eine Reduktion der Drehzahl n vorgenommen werden.
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Je nach gewünschter Genauigkeit der Messung kann ein Benutzer des Messaufbaus 10 eine Breite des Toleranzbands 74 einstellen. Die Breite des Toleranzbands 74 kann hierbei z. B. über eine Bedienoberfläche der Steuereinrichtung 42 einstellbar sein und kann beispielsweise zwischen 1% und 20% liegen. Liegt das Toleranzband 74 also beispielsweise bei 5% Toleranz und die Temperatur bei 60°, so lauten die beiden Grenzen des Toleranzbandes Tmin = 57°C als untere Grenze 78 und Tmax = 63°C als obere Grenze 80. In dem gezeigten Beispiel werden die Messungen zu einem Zeitpunkt t2 wieder gestartet, wenn der Verlauf 76 der Temperatur T die untere Grenze 78 erreicht. Zum Zeitpunkt t2 wird dann die Drehzahl n wieder auf den Wert eingestellt, welchen sie zum Beginn der Abkühlphase C zum Zeitpunkt t1 erreicht hatte. Im Vergleich zum ursprünglichen Temperaturverlauf 76' bleibt durch die Temperaturregelung die Temperatur durchgängig durch die gesamte Messung innerhalb des Toleranzbandes 74. Dafür kann sich ein zeitlicher Versatz (t2 – t1) bei der Messung ergeben. Da die Messung automatisiert durch die Steuereinrichtung 42 durchgeführt wird, ist dies kein signifikanter Nachteil, da die Messung beispielsweise über Nacht durchgeführt werden kann, ohne dass eine Bedienperson anwesend sein muss.
