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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente. Die Überwachungsvorrichtung weist eine thermochrome Beschichtung auf, die mit der Maschinenkomponente thermisch verbunden ist. Unter thermochrome Beschichtung wird hier eine Beschichtung verstanden, die bei Beleuchtung mittels eines zweiten Lichts von einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle ein erstes Licht aussendet. Das erste Licht kann beispielsweise ein Ergebnis einer Reflexion, einer Transmission, einer Brechung, einer Beugung, einer Fluoreszenz und/oder einer Phosphoreszenz sein. Die Temperaturabhängigkeit der thermochromen Beschichtung kann also beispielsweise in einer Temperaturabhängigkeit einer Reflexion, einer Transmission, einer Brechung, einer Beugung, einer Fluoreszenz und/oder einer Phosphoreszenz bestehen. Dabei kann das zweite Licht sichtbares und/oder unsichtbares Licht (beispielsweise im Infrarotbereich, Ultraviolettbereich oder Röntgenbereich) umfassen. Das erste Licht kann ebenfalls sichtbares und/oder unsichtbares Licht (beispielsweise im Infrarotbereich, Ultraviolettbereich oder Röntgenbereich) umfassen. Die Maschinenkomponente kann beispielsweise ein bewegtes Antriebsteil (beispielsweise eine Bremsscheibe, eine Kupplungsscheibe, ein Teil einer Drehkupplung, ein Teil einer Welle, ein Lagerteil oder ein Läufer einer elektrischen Maschine) oder ein anderes bewegtes Teil (beispielsweise ein Stoßdämpfer) sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das eine Überwachungsvorrichtung mit den oben erwähnten Merkmalen aufweist. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (beispielsweise ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Schienenfahrzeug) oder ein Wasser- oder Luftfahrzeug sein.
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Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente. Hierbei wird eine thermochrome Beschichtung mit Licht aus einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle beleuchtet, wobei die thermochrome Beschichtung mit der Maschinenkomponente thermisch verbunden ist und mittels der thermochromen Beschichtung eine Lichteigenschaft eines ersten Lichts temperaturabhängig beeinflusst wird, das aus einem Beleuchten der thermochromen Beschichtung mit einem zweiten Licht einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle resultiert.
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Die
DE 10 2011 118 687 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat, auf dem eine thermochrome Beschichtung angeordnet ist, die bei Überschreiten einer Grenztemperatur von einer dunklen Ausgangsfärbung reversibel in einen gut erkennbaren rötlichen Farbton umschlägt.
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Der allgemeine Trend, Maschinenkomponenten wie Antriebsmotoren aus Kosten- und/oder Performancegründen bis zu ihrer jeweiligen Leistungsgrenze zu nutzen, erfordert eine Überwachung der Temperatur temperaturgefährderter Teile solcher Komponenten. Hierbei ist das Ermitteln der Temperatur der Läuferwicklung eines kleinen Gleichstrommotors (der beispielsweise eine Nennspannung von 12 V und einen Nennstrom von 2 bis 3 A aufweist) eine besondere Herausforderung. Es gibt eine Reihe von Konzepten, nach denen die Temperatur einer Läuferwicklung direkt oder mittelbar erfasst werden kann.
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Beispielsweise schlägt die
WO 02/087050 A1 vor, die Wicklungstemperatur einer Motorwicklung mittels des Temperaturkoeffizienten des ohmschen Widerstands der Motorwicklung zu erfassen. Aufgrund des typischerweise niedrigen Wicklungswiderstands (beispielsweise in der Größenordnung von nur 1 Ohm) lässt sich der ohmsche Widerstand der Motorwicklung nur schwer messen. Dies gilt insbesondere, wenn die Messung des ohmschen Widerstands nicht nur im Stillstand des Läufers erfolgen soll. Außerdem stören bei einem Gleichstrommotor bei der Ermittlung der Temperatur aus dem aktuellen ohmschen Widerstand der Läuferwicklung die nicht genau bekannten aktuellen ohmschen Widerstände der Bürsten des Gleichstrommotors. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit ist eventuell mittels einer oder einer Kombination der folgenden Maßnahmen möglich: kurzzeitig hohe Bestromung; Mittelung über mehrere Messungen zur Vermeidung einer Positionsabhängigkeit.
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Die Temperaturerfassung der Wicklung eines Gleichstrommotors, der mittels Permanentmagneten erregt ist, kann vereinfacht werden, wenn die Wicklung statorseitig angeordnet wird und die Permanentmagneten im Innen- oder Außenläufer des Gleichstrommotors befestigt werden. Dies hat den Vorteil, dass die temperaturkritische Wicklung feststeht und deshalb für einen Temperatursensor (beispielsweise ein Thermoelement) und dessen Zuleitungen besser zugänglich ist. Außerdem kann ein Aufwand für Bürsten und Lamellen gänzlich eingespart werden kann, wenn eine elektronische Kommutierung (anstelle einer mechanischen Kommutierung) bereitgestellt wird. Eine elektrische Maschine mit einer elektronischen Kommutierung beschreibt beispielsweise die
DE 3145248 A1 . In der Praxis gibt es jedoch Situationen, in denen eine so grundlegende Änderung des Antriebs nicht erwünscht ist.
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Die
DE 10 2007 030 633 A1 schlägt vor, die aktuelle Wicklungstemperatur mittels eines anderer Stelle angeordneten Sensors und Nutzung eines Temperaturmodells zu ermitteln. Dieses Konzept hat unter anderem den Nachteil, dass das anzuwendende Temperaturmodell motortypabhängig ist und eine erhebliche Datenverarbeitungsleistung beansprucht.
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Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, eine vollständige Temperaturerfassung (inkl. Sensor und Auswertung) im Läufer durchzuführen und im Läufer ermittelte Temperaturdaten über isolierte Achslager, zusätzliche Schleifringe oder drahtlos (beispielsweise optisch, mittels RFID, mittels einer Data-over-Powerline-Technologie oder induktiv über eine Übertragerwicklung) zur feststehenden Seite des Gleichstrommotors zu übertragen (RFID = radio-frequency identification). Für kleine Gleichstrommotoren bedingt dieses Konzept zumindest heute noch einen unverhältnismäßig hohen Aufwand und einen zu starken Eingriff in den Aufbau des Läufers des Gleichstrommotors. Außerdem sind hierfür solche Temperaturmesskonzepte eher ungeeignet, in denen (wie bei einem Thermoelement) eine Vergleichsstelle mit bekannter Bezugstemperatur benötigt wird. Denn ein Ort, dessen Bezugstemperatur vorbekannt ist, ist im Läufer in der Regel nicht vorhanden.
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Ein ähnliches Konzept sieht vor, dass im Läufer ein Bimetallschalter angeordnet ist, der bei Überschreiten einer Schwellenwerttemperatur (die knapp unterhalb einer noch zulässigen Läufertemperatur liegt) zwei benachbarte Kollektorlamellen (Wicklungsabschnitte) vorübergehend kurzschließt und bei Unterschreiten der Schwellenwerttemperatur den vorübergehenden Kurzschluss wieder aufhebt (typischerweise besteht zwischen den beiden Schaltvorgängen ein Hystereseabstand). Mittels einer Erfassung der Stromaufnahme des Gleichstrommotors und einer Auswerteschaltung zum Auswerten der erfassten Schwankungen der Stromaufnahme des Gleichstrommotors (die infolge des Kurzschlusses zwischen den beiden benachbarten Kollektorlamellen zusätzlich auftreten) kann (von einem Ort außerhalb des Gleichstrommotors aus) erkannt werden, wenn eine Temperatur im Läufer im Begriff ist, die noch zulässige Läufertemperatur zu überschreiten. Das Erfassen der Stromaufnahme und/oder das Auswerten der erfassten Stromaufnahme kann beispielsweise in einer Stromversorgungsschaltung für den Gleichstrommotor stattfinden.
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Aus
DE10305368A1 bekannt ist ein Ermitteln der Wicklungstemperatur mittels Erfassens und Auswertens einer Wärmestrahlung, die eine aufgeheizte Wicklung erzeugt. Solange auf dem Bauelementemarkt ein kostengünstiger, kompakter, intelligenter Sensor für solche Infrarotmessungen oder für pyrometrische Messungen nicht erhältlich ist, ist ein solches Konzept für Massenprodukte nicht praxistauglich.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige, kostengünstige Überwachungsvorrichtung zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente bereitzustellen, die einen möglichst geringen Einfluss auf Platzbedarf, Gewicht und Leistungsverhalten der Maschinenkomponente hat.
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Diese Aufgabe wird mit einer Überwachungsvorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst. Außerdem wird die Aufgabe mit einem Fahrzeug nach Anspruch 9 und einem Verfahren zum Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente weist eine thermochrome Beschichtung, einen Lichtsensor und eine Auswertevorrichtung auf. Die thermochrome Beschichtung ist mit der Maschinenkomponente thermisch verbunden. Der Lichtsensor ist zum Erfassen einer Lichteigenschaft eines ersten Lichts vorgesehen, die durch die thermochrome Beschichtung temperaturabhängig beeinflussbar ist. Außerdem ist der Lichtsensor zum Erzeugen eines ersten Signals vorgesehen, das von der erfassten Lichteigenschaft abhängig ist. Die Auswertevorrichtung ist zum Erzeugen eines zweiten Signals mittels Auswertens des ersten Signals vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt wird eine thermochrome Beschichtung mit einem zweiten Licht aus einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle beleuchtet, wobei die thermochrome Beschichtung mit der Maschinenkomponente thermisch verbunden ist. In einem zweiten Schritt wird mittels der thermochromen Beschichtung eine Lichteigenschaft eines ersten Lichts temperaturabhängig beeinflusst, das aus dem Beleuchten der thermochromen Beschichtung mit dem zweiten Licht resultiert. In einem dritten Schritt wird die Lichteigenschaft des ersten Lichts erfasst, die mittels der thermochromen Beschichtung temperaturabhängig beeinflusst wird. In einem vierten Schritt wird ein erstes Signal erzeugt, das von der erfassten Lichteigenschaft abhängig ist. In einem fünften Schritt wird ein zweites Signal mittels Auswertens des ersten Signals erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird eine zuverlässige, berührungsfreie und kostengünstige selbsttätige Überwachung der Temperatur einer Maschinenkomponente mittels Nutzung eines thermochromen Effekts bereitgestellt. Hierdurch brauchen nicht (wie im Stand der Technik mit dem Infrarotsensor) kleine Unterschiede in der Farbtemperatur einer Wärmestrahlung der Maschinenkomponente ermittelt werden, sondern es braucht nur eine mit einfachen Mitteln erfassbare Änderung einer Lichteigenschaft des ersten Lichtes erfasst und ausgewertet werden. Soweit gegeben ist hierbei insbesondere auch ein näherungsweise binäres Anzeigeverhalten der thermochromen Beschichtung von Vorteil, das sich bei Überschreiten (und/oder Unterschreiten) einer Schwellentemperatur beispielsweise in einem zügigen Umschlagen der Farbe (Farbumschlag) der thermochromen Beschichtung äußert. Bei bewegten Antriebsteilen (beispielsweise Bremsscheiben, Kupplungsscheiben, Teilen von Drehkupplungen, Teilen von Wellen, Lagerteilen, Rotoren von elektrischen Maschinen) hat die Erfindung insbesondere den Vorteil, dass zu ihrer Verwirklichung lediglich auf dem bewegten Antriebsteil eine thermochrome Beschichtung anzuordnen ist, die mit dem bewegten Antriebsteil thermisch verbunden ist. Dadurch, dass die thermochrome Beschichtung gewichtsarm und raumsparend ist, hat die Ausführung der Erfindung keinen nennenswerten Einfluss auf Platzbedarf, Gewicht oder Trägheitsmoment des Antriebsteils. In der Regel ist es erwünscht, dass der Ablauf der Temperaturüberwachung wiederkehrend durchführbar ist. Eine besonders bevorzugte Option sieht daher vor, dass die thermochrome Beschichtung dazu geeignet ist, die Lichteigenschaft des ersten Lichtes reversibel in Abhängigkeit der Temperatur zu beeinflussen.
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Bevorzugt ist, wenn die Überwachungsvorrichtung eine Lichtquelle zum Beleuchten der thermochromen Beschichtung mit einem zweiten Licht aufweist, das durch die thermochrome Beschichtung temperaturabhängig beeinflussbar ist. Hierdurch kann für ein verlässliches Bereitstellen eines zweiten Lichts gesorgt werden, das ein Merkmal aufweist, das infolge einer Temperaturabhängigkeit der thermochromen Beschichtung zu einer temperaturabhängigen Ausprägung der zu erfassenden und auszuwertenden Lichteigenschaft des ersten Lichts führt.
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Die Überwachungsvorrichtung kann ein Optokoppler sein, dessen Lichtübertragungsstrecke (beispielsweise Lichtleiter) eine thermochrome Substanz aufweist, mit der Licht wechselwirkt, das von dem Optokoppler erzeugbar ist. Falls ein Lichtleiter (beispielsweise aus Glas, Polycarbonat, Acrylglas oder aus einem anderen Kunststoff) vorgesehen ist, kann der Lichtleiter mit der thermochromen Substanz beschichtet sein. Oder es kann die thermochrome Substanz in dem lichtleitenden Material verteilt sein (beispielsweise mittels Mischens in der Herstellungsphase des Lichtleitermaterials). In diesem Fall ist in den Ansprüchen der Begriff 'Beschichtung' in dem Sinne auszulegen, dass die Maschinenkomponente mit dem thermochromen Lichtleiter (zwecks thermischer Kopplung) beschichtet ist. Der Lichtleiter kann einen Festkörper, eine Flüssigkeit und/oder ein Gas umfassen. Im Extremfall besteht das lichtleitende Material des Lichtleiters nur oder fast ausschließlich aus der thermochromen Substanz. Die vorgeschlagene Überwachungsvorrichtung kann insbesondere bei großen elektrischen Maschinen (mit beweglicher oder ortsfester Wicklung) oder großen Stromrichtern (beispielsweise Wechselrichtern) helfen, eine elektromagnetische Verträglichkeit der Überwachungsvorrichtung (Störungsunempfindlichkeit gegenüber starken elektrischen und magnetischen Felder) in der Umgebung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Stromrichters zu verbessern. Eine optionale Weiterentwicklung sieht für die Lichtübertragung von und/oder zu der thermochromen Beschichtung einen Lichtleiter vor. Diese Anordnung der Überwachungsvorrichtung kann als ein analoger oder digitaler Optokoppler betrieben werden. Beim Betrieb dieses Optokopplers kann als temperaturabhängige Messzwischengröße beispielsweise ein Photodiodenstrom vorgesehen sein, dessen Stärke durch die thermochrome Beschichtung temperaturabhängig beeinflusst wird.
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Zweckmäßigerweise umfasst die von der thermochromen Beschichtung beeinflussbare Lichteigenschaft eine spektrale Zusammensetzung und/oder eine Intensität des ersten Lichts. Mittels eines Erkennens einer Farbe und/oder einer Intensität des ersten Lichts kann in kostengünstiger und verlässlicher Weise eine Temperatur der thermochromen Beschichtung ermittelt werden. Da die thermochrome Beschichtung mit der Maschinenkomponente thermisch verbunden ist, wird damit auch eine Temperatur der Maschinenkomponente zuverlässig ermittelt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Auswertevorrichtung dazu vorbereitet ist, ein Warnsignal zu erzeugen, wenn die Temperatur der Maschinenkomponente im Begriff ist, einen Temperaturbereich zu überschreiten (und/oder zu unterschreiten), der für die Maschinenkomponente zulässig ist. Das Warnsignal kann beispielsweise von einem Steuergerät einer Maschine, zu der die Maschinenkomponente gehört, genutzt werden, eine Maßnahme einzuleiten, mit der ein Überhitzen (oder Unterkühlen) der Maschinenkomponente vermieden wird oder mit der eine Wartungsinstanz (beispielsweise ein Werkstattbetrieb) über den Störfall informiert wird. Das Vermeiden eines Überhitzens (oder Unterkühlens) der Maschinenkomponente kann beispielsweise in einem Außerbetriebnehmen (oder Inbetriebnehmen) der Maschinenkomponente oder in einem Verringern (oder Erhöhen) einer Leistung bestehen, die von der Maschinenkomponente abgefordert wird.
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Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Auswertevorrichtung dazu vorbereitet ist, ein Entwarnsignal zu erzeugen, wenn die Temperatur der Maschinenkomponente im Begriff ist, in einen Temperaturbereich einzutreten, der für die Maschinenkomponente zulässig ist. Das Entwarnsignal kann beispielsweise von dem Steuergerät genutzt werden, eine Maßnahme zurückzunehmen, mit der ein Überhitzen (oder Unterkühlen) der Maschinenkomponente vermieden wird oder eine Wartungsinstanz (beispielsweise einen Werkstattbetrieb) über eine Entwarnung zu dem Störfall zu informieren. Die Rücknahme der Maßnahme kann beispielsweise in einem Inbetriebnehmen (oder Außerbetriebnehmen) der Maschinenkomponente oder in einem Erhöhen (oder Verringern) einer Leistung bestehen, die von der Maschinenkomponente abgefordert wird.
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Die Erfindung ist unter anderem in nahezu allen Anwendungsgebieten nutzbar, in denen die Maschinenkomponente eine Komponente einer elektrischen Vorrichtung ist, deren Temperatur zu überwachen ist. Dies kann beispielsweise ein einzelnes Bauteil (beispielsweise eine Transformatorwicklung, ein Anlasswiderstand, ein Halbleiter, eine integrierte Schaltung, ein Kühlkörper) oder eine komplette Baugruppe (beispielsweise ein Wechselrichter) oder ein komplettes Gerät (beispielsweise ein Motor) sein. Die elektrische Vorrichtung kann beispielsweise ein Gleichstrommotor (mit Kollektor) für einen Antrieb eines Hilfsaggregats eines Fahrzeugs sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein Antrieb für einen Nockenwellenversteller, für eine Kühlmittelpumpe oder für einen Ventilantrieb (beispielsweise für einen Kühlmittelkreislauf) sein. Wenn die elektrische Maschine einen Kollektor aufweist, ist es zweckmäßig, eine Kühlmittelrichtung vorzusehen, die von der thermochromen Beschichtung in Richtung zum Kollektor gerichtet ist, um eine Verschmutzung der thermochromen Beschichtung durch Kollektorabrieb zu vermeiden.
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Ein vorteilhafter Anwendungsfall besteht darin, dass die thermochrome Beschichtung auf einer Stirnseite eines Läufers einer elektrischen Maschine und/oder auf einer Stirnseite eines Stators einer elektrischen Maschine angeordnet ist. Hierdurch können durch die thermochrome Beschichtung veranlasste konstruktive Veränderungen im Luftspaltbereich der elektrischen Maschine vermieden werden.
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Es kann zweckmäßig sein, wenn die thermochrome Beschichtung in mindestens einer Nut eines Läufers einer elektrischen Maschine und/oder in mindestens einer Nut eines Stators einer elektrischen Maschine angeordnet ist. Hierdurch kann eine Temperatur der Wicklung des Läufers oder des Stators an einer Stelle durchgeführt werden, die sich im Betrieb der elektrischen Maschine am stärksten erhitzt und damit am ehesten temperaturgefährdet ist.
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Wichtige Anwendungsgebiete werden durch die Erfindung erschlossen, wenn die Maschinenkomponente eine Wicklung eines Läufers und/oder eines Stators einer elektrischen Maschine ist. Vor Vorteil ist hierbei, dass die Komponenten der elektrischen Maschine, die der Antriebsfunktion dienen, zur Realisierung der Temperaturüberwachung nicht oder nur unwesentlich verändert zu werden brauchen. Denn die Realisierung der thermochromen Beschichtung (welche nicht der Antriebsfunktion der elektrischen Maschine dient) hat keinen oder nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Gestaltung derjenigen Komponenten der elektrischen Maschine, die der Antriebsfunktion dienen. Dadurch können ursprüngliche Entwicklungsergebnisse mit keiner oder nur geringfügiger Veränderung weitergenutzt werden, ohne deshalb auf eine verlässliche und kostengünstige Temperaturüberwachung einer Wicklung der elektrischen Maschine verzichten zu müssen. Der Lichtsensor und/oder die Auswerteschaltung können gleichzeitig für eine Drehzahl- und/oder Positionserfassung des Läufers vorbereitet sein. Je nach Anwendungssituation kann damit ein Aufwand für eine getrennte Drehzahlerfassung und/oder Positionserfassung des Läufers eingespart werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente; und
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2 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur einer Maschinenkomponente.
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In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher auch figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
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Die 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug FZ mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung UV zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur T einer Maschinenkomponente MK. Die Maschinenkomponente MK ist eine Wicklung W bzw. ein Permanentmagnet PM eines permanentmagnet-erregten Gleichstrommotors M. Der Gleichstrommotor M weist ein Gehäuse G, einen Stator S und einen Läufer L (zum Erzeugen eines Antriebsmomentes AM um eine Läuferachse A) auf. Eine Abtriebswelle AW des Gleichstrommotors MK ist über ein (in der Figur nicht separat dargestelltes) optionales Getriebe mit einem Stellelement SE eines Kühlmittelkreislaufs KK verbunden. Das Stellelement SE umfasst beispielsweise ein Ventil oder ein Pumpenrad.
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Die Permanentmagnete PM des Gleichstrommotors M sind statorseitig angeordnet. Die Wicklung W für den Antrieb des Läufers L ist in Nuten NL des Läufers L angeordnet. Eine Stirnseite SS des Wickelkopfes WK ist mindestens teilweise mit einer thermochromen Beschichtung TB versehen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit gilt für das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel Gleiches für eine Stirnseite SS des Stators S. Optional ist eine (in der Figur nicht dargestellte) Nutabdeckung oder die Wicklung W in mindestens einer der Nuten N mindestens teilweise ebenfalls mit einer thermochromen Beschichtung TB versehen. Für jede der drei thermochromen Beschichtungen TB ist jeweils eine Lichtquelle LQ vorgesehen, die dazu vorbereitet ist, die jeweils zugeordnete thermochrome Beschichtung TB mit einem zweiten Licht L2 zu beleuchten.
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Unter thermochrome Beschichtung TB wird hier eine Beschichtung verstanden, die bei Beleuchtung mittels eines zweiten Lichts L2 von einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle LQ ein erstes Licht L1 aussendet. Das erste Licht L1 kann ein Ergebnis einer Reflexion, einer Transmission, einer Brechung, einer Beugung, einer Fluoreszenz und/oder einer Phosphoreszenz sein. Die Temperaturabhängigkeit der thermochromen Beschichtung TB kann also in einer Temperaturabhängigkeit einer Reflexion, einer Transmission, einer Brechung, einer Beugung, einer Fluoreszenz und/oder einer Phosphoreszenz bestehen. Dabei kann das zweite Licht L2 sichtbares und/oder unsichtbares Licht (beispielsweise im Infrarotbereich, Ultraviolettbereich oder Röntgenbereich) umfassen. Das erste Licht L1 kann ebenfalls sichtbares und/oder unsichtbares Licht (beispielsweise im Infrarotbereich, Ultraviolettbereich oder Röntgenbereich) umfassen.
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Die Überwachungsvorrichtung UV weist also eine aktive Lichtquelle LQ zum Beleuchten der thermochromen Beschichtung TB mit einem zweiten Licht L2 auf, das mit der thermochromen Beschichtung TB temperaturabhängig wechselwirkt, wodurch ein erstes Licht L1 erzeugt wird, das eine temperaturabhängige Lichteigenschaft aufweist. Mittels Beleuchtens der thermochromen Beschichtung TB mit dem zweiten Licht L2 wird für eine verlässliche Bereitstellung eines zweiten Lichts L2 gesorgt, das ein Merkmal aufweist, welches infolge einer Temperaturabhängigkeit der thermochromen Beschichtung TB zu einer temperaturabhängigen Ausprägung der zu erfassenden und auszuwertenden Lichteigenschaft des ersten Lichts L1 führt. Die von der thermochromen Beschichtung TB beeinflussbare Lichteigenschaft des ersten Lichts L1 kann eine spektrale Zusammensetzung und/oder eine Intensität des ersten Lichts L1 sein. Mittels eines Erkennens einer Farbe und/oder einer Intensität des ersten Lichts L1 kann in kostengünstiger und verlässlicher Weise eine Temperatur T der thermochromen Beschichtung TB ermittelt werden. Da die thermochrome Beschichtung TB mit der Maschinenkomponente MK thermisch verbunden ist, wird damit auch eine Temperatur T der Maschinenkomponente MK zuverlässig ermittelt.
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In der Regel ist es erwünscht, dass der Ablauf der Temperaturüberwachung wiederkehrend durchführbar ist. Eine besonders bevorzugte Option sieht daher vor, dass die thermochrome Beschichtung TB dazu geeignet ist, die Lichteigenschaft des ersten Lichtes L1 reversibel in Abhängigkeit der Temperatur T zu beeinflussen. Es gibt aber auch Anwendungen, in denen (beispielsweise zu Beweiszwecken) eine irreversible Änderung einer Lichtbeeinflussungseigenschaft der thermochromen Beschichtung TB bevorzugt ist.
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Die thermochromen Beschichtungen TB beeinflussen das zweite Licht L2 und senden ein daraus resultierendes erstes Licht L1 zumindest teilweise in Richtung eines jeweils zugeordneten Lichtsensors LS. Der Lichtsensor LS ist dazu vorbereitet, das erste Licht L1 zu erfassen und ein erstes Signal S1 unter Berücksichtigung einer Lichteigenschaft des ersten Lichts L1 zu erzeugen, die von einer Temperatur T der thermochromen Beschichtung TB abhängig ist. Außer der thermochromen Beschichtung TB und des Lichtsensors LS weist die Überwachungsvorrichtung UV auch eine Auswertevorrichtung AV auf, die dazu vorbereitet ist, bei einem Überschreiten (oder Unterschreiten) eines Temperaturschwellenwertes ein Warnsignal WS zu erzeugen. Das Warnsignal WS kann beispielsweise von einem Steuergerät SG des Fahrzeugs FZ genutzt werden, eine Maßnahme einzuleiten, mit der ein Überhitzen (oder Unterkühlen) der Maschinenkomponente MK vermieden wird oder mit der eine Überhitzungsgefahr (oder Unterkühlungsgefahr) der Maschinenkomponente MK einer Wartungsinstanz (beispielsweise einem Werkstattbetrieb) gemeldet wird. Das Vermeiden eines Überhitzens (oder Unterkühlens) der Maschinenkomponente MK kann beispielsweise in einem Außerbetriebnehmen (oder Inbetriebnehmen) der Maschinenkomponente MK oder in einem Verringern (oder Erhöhen) einer Leistung bestehen, die von der Maschinenkomponente MK abgefordert wird.
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Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Auswertevorrichtung AV dazu vorbereitet ist, ein Entwarnsignal zu erzeugen, wenn die Temperatur T der Maschinenkomponente MK im Begriff ist, in einen Temperaturbereich einzutreten, der für die Maschinenkomponente MK zulässig ist. Das Entwarnsignal kann beispielsweise von dem Steuergerät SG genutzt werden, eine Maßnahme zurückzunehmen, mit der ein Überhitzen (oder Unterkühlen) der Maschinenkomponente MK vermieden wird oder mit der eine Überhitzungsgefahr (oder Unterkühlungsgefahr) der Maschinenkomponente MK einer Wartungsinstanz (beispielsweise einem Werkstattbetrieb) gemeldet wird. Die Rücknahme der Maßnahme kann beispielsweise in einem Inbetriebnehmen (oder Außerbetriebnehmen) der Maschinenkomponente MK oder in einem Erhöhen (oder Verringern) einer Leistung bestehen, die von der Maschinenkomponente MK abgefordert wird.
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Von Vorteil ist, dass die Komponenten S, L der elektrischen Maschine M, die dem Erzeugen des Antriebsmoments AM dienen, zum Realisieren der Temperaturüberwachung nicht oder nur unwesentlich verändert zu werden brauchen. Denn das Realisieren der thermochromen Beschichtung TB (welche nicht dem Erzeugen des Antriebsmoments AM der elektrischen Maschine M dient) hat keinen oder nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Gestaltung derjenigen Komponenten S, L der elektrischen Maschine M, die dem Erzeugen des Antriebsmoments AM dienen. Dadurch können ursprüngliche Entwicklungsergebnisse ohne oder mit nur geringfügiger Veränderung weitergenutzt werden, ohne deshalb auf eine verlässliche und kostengünstige Temperaturüberwachung einer Wicklung W der elektrischen Maschine M verzichten zu müssen. Der Lichtsensor LS und/oder die Auswertevorrichtung AV können gleichzeitig für eine Drehzahlerfassung und/oder für eine Positionserfassung des Läufers L vorbereitet sein. Je nach Anwendungssituation kann damit ein Aufwand für eine getrennte Drehzahl- und/oder Positionserfassung des Läufers L eingespart werden.
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Typischerweise umfasst eine elektrische Maschine M ein lichtundurchlässiges Gehäuse G, mit welchem erreicht werden kann, dass das von dem Lichtsensor LS erfassbare erste Licht L1 weitgehend ungestört ist. Dies gilt insbesondere, wenn als Kühlmittel für die Wicklung W gefilterte, trockene Luft vorgesehen ist. Um eine Störung des Lichtsensors LS durch Bürstenfeuer möglichst weitgehend zu vermeiden, kann die thermochrome Beschichtung TB auf einer Seite des Läufers L oder Stators S angeordnet werden, die von einem (in der Figur nicht dargestellten) Kollektor (der elektrischen Maschine) abgewandt ist. Unabhängig davon kann es zweckmäßig sein, eine Kühlmittelrichtung vorzusehen, die von der thermochromen Beschichtung in Richtung zum Kollektor gerichtet ist, um eine Verschmutzung der thermochromen Beschichtung durch Kollektorabrieb zu vermeiden.
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Wenn ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel verwendet wird, müsste dies wenigstens für solche Spektralbereiche des ersten L1 und zweiten L2 Lichts lichtdurchlässig sein, die Lichteigenschaften enthalten, welche für die vorgeschlagene Temperaturerfassung mittels Wechselwirkung mit der thermochromen Beschichtung TB relevant sind. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass das Kühlmittel thermochrom ist. In diesem Fall ist in den Ansprüchen der Begriff 'Beschichtung' in dem Sinne auszulegen, dass zumindest eine Teiloberfläche der Maschinenkomponente mit dem Kühlmittel in Berührung kommt und sogesehen im Sinne der Ansprüche das flüssige oder gasförmige Kühlmittel die thermochrome Beschichtung der Maschinenkomponente darstellt.
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Das in 2 dargestellte Verfahren 100 zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur T einer Maschinenkomponente MK umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird eine thermochrome Beschichtung TB mit einem zweiten Licht L2 aus einer aktiven und/oder passiven Lichtquelle LQ beleuchtet, wobei die thermochrome Beschichtung TB mit der Maschinenkomponente MK thermisch verbunden ist. In einem zweiten Schritt 120 wird mittels der thermochromen Beschichtung eine Lichteigenschaft eines ersten Lichts L1 temperaturabhängig beeinflusst, das aus dem Beleuchten 110 der thermochromen Beschichtung TB resultiert. In einem dritten Schritt 130 wird die Lichteigenschaft des ersten Lichts L1 erfasst, die mittels der thermochromen Beschichtung TB temperaturabhängig beeinflusst wird. In einem vierten Schritt 140 wird ein erstes Signal S1 erzeugt, das von der erfassten Lichteigenschaft abhängig ist. In einem fünften Schritt 150 wird ein zweites Signal S2 mittels Auswertens des ersten Signals S1 erzeugt.
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Die Erfindung ist unter anderem in nahezu allen Anwendungsgebieten nutzbar, in denen die Maschinenkomponente MK eine Komponente einer elektrischen Vorrichtung M ist, deren Temperatur T zu überwachen ist. Dies können beispielsweise einzelne Bauteile (beispielsweise eine Transformatorenwicklung, ein Anlasswiderstand, ein Halbleiter, eine integrierte Schaltung, ein Kühlkörper) und auch eine komplette Baugruppe (beispielsweise ein Wechselrichter) oder ein komplettes Gerät (beispielsweise ein Motor) sein.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Läuferachse
- AM
- Antriebsmoment
- AV
- Auswertevorrichtung
- AW
- Antriebswelle
- FZ
- Fahrzeug
- G
- Gehäuse
- KK
- Kühlmittelkreislauf
- L
- Läufer
- LQ
- Lichtquelle
- LS
- Lichtsensor
- L1
- erstes Licht
- L2
- zweites Licht
- M
- elektrische Maschine
- MK
- Maschinenkomponente
- NL
- Nut des Läufers
- PM
- Permanentmagnet
- S
- Stator
- SE
- Stellelement
- SG
- Steuergerät
- SL
- Stirnseite des Läufers
- SS
- Stirnseite des Stators
- S1
- erstes Signal
- S2
- zweites Signal
- T
- Temperatur der Maschinenkomponente
- TB
- thermochrome Beschichtung
- UV
- Überwachungsvorrichtung
- W
- Wicklung
- WS
- Warnsignal
- 100
- Verfahren zum selbsttätigen Überwachen einer Temperatur
- 110
- Beleuchten einer thermochromen Beschichtung
- 120
- temperaturabhängiges Beeinflussen einer Lichteigenschaft eines ersten Lichts
- 130
- Erfassen einer Lichteigenschaft des ersten Lichts
- 140
- Erzeugen eines ersten Signals
- 150
- Erzeugen eines zweiten Signals
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118687 A1 [0004]
- WO 02/087050 A1 [0006]
- DE 3145248 A1 [0007]
- DE 102007030633 A1 [0008]
- DE 10305368 A1 [0011]
