DE102016121085B3

DE102016121085B3 - Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen eines Messmotors und diesbezügliches Messverfahren

Info

Publication number: DE102016121085B3
Application number: DE102016121085.4A
Authority: DE
Inventors: Henning Kasten; Christian Redemann; Nikolai Wolff
Original assignee: LTI Motion GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) zur Messung physikalischer Größen eines Messmotors (12), umfassend einen zu messenden Messmotor (12) mit einem Messstator (14) und einem Messrotor (16) und einen Belastungsmotor (18) mit einem Belastungsstator (20) und einem Belastungsrotor (20). Der Messmotor (12) kann ein elektrischer Antriebsmotor oder ein elektrischer Generator sein und kann als Außen- oder Innenläufer konzipiert sein. Es wird vorgeschlagen, dass der Messrotor (16) und der Belastungsrotor (20) zu Ausbildung einer Rotoreinheit (32) mit einem Messrotorabschnitt (34) und einem Belastungsrotorabschnitt (36) drehfest miteinander gekoppelt sind, und die Rotoreinheit (32) einseitig im Messmotor (12) oder im Belastungsmotor (18) gelagert ist, so dass die Rotoreinheit (32) im verbleibenden Motor ungelagert drehbar ist. In einem nebengeordneten Aspekt schlägt die Erfindung ein Messverfahren zur indirekten Bestimmung elektromechanischer Größen eines Messmotors (12) unter Verwendung der Messvorrichtung (10) vor. Durch die Messvorrichtung wird eine exakte messtechnische Bestimmung elektromechanischer Betriebsgrößen bei Höchstdrehzahlmotoren wie z.B. Turbomolekularpumpen ermöglicht.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen eines Messmotors bzw. Messgenerators und eines diesbezüglichen Messverfahrens nach den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind Messvorrichtungen zur Bestimmung physikalischer Größen, insbesondere Drehmoment und Drehzahl von Elektromotoren und Elektrogeneratoren bekannt, wobei in der Regel ein Motor von einem Antriebsmotor angetrieben wird, der die Welle des Motors mit einem Drehmoment oder einem Bremsmoment belasten kann. Durch Vorgabe eines gezielten Beschleunigens oder Bremsens der Antriebswelle des Messmotors und Messung der bezüglichen Stromaufnahme können Rückschlüsse über das Verhalten des Motors getroffen werden.
Gattungsgemäße Messvorrichtungen dienen zur Vermessung und Qualifizierung von Komponenten der elektrischen Antriebstechnik, die sowohl mechanische als auch elektrische Kenngrößen erfassen sollen. Als Messmotor im Sinne der Erfindung wird eine rotatorische elektrische Maschine angesehen, die als Motor oder Generator ausgelegt sein kann. Insbesondere kann ein Messmotor als Innen- und Außenläufermaschine ausgeführt sein, deren Rotor bzw. Läufer als Innen- oder Außenläufer ausgestaltet ist. In einem Innenläufer dreht sich ein axial gelagerter Rotor im Inneren eines Ständers bzw. Stators. Demgegenüber ist ein Außenläufer eine Bauform einer rotierenden elektrischen Maschine, bei der sich der ruhende Teil (Stator, Ständer) der Maschine in ihrem Innern befindet und vom bewegten Teil (Rotor, Läufer) umschlossen ist. Ausgehend von den gemessenen Größen können durch geeignete Berechnungsverfahren weitere Kenngrößen, wie beispielsweise Wirkungsgrad oder Verlustleistung unter vorgegebenen Betriebsbedingungen ermittelt werden. Hierbei können insbesondere die Eigenschaften des Messmotors an sich, insbesondere des Stators und Rotors, aber auch Eigenschaften der elektrischen Antriebsregler oder eine Kombination von Antriebsregler und Motor geprüft werden. Im Fokus stehen insbesondere die Bestimmung des Wirkungsgrades und der Verluste, die beim Betrieb eines Motors auftreten, und durch die vorgeschlagene Messvorrichtung und das Messverfahren erfasst werden sollen.
Üblicherweise werden zur Vermessung von Komponenten der elektrischen Antriebstechnik Messvorrichtungen verwendet, bei denen ein Messmotor, der auch als Prüfling bezeichnet wird, mit einer Belastungseinheit, auch als Belastungsmotor bezeichnet, die als Antriebs- oder Bremsmaschine ausgelegt ist, über eine Drehmomentmesswelle verbunden. Die Belastungseinheit kann vorgebbare Betriebspunkte einer definierten mechanischen Leistung oder eines Drehmoments abfordern bzw. diese einprägen, und die Reaktion des Prüflings kann dabei gemessen werden.
Besonders bei Messmotoren, die für hohe Drehzahlen, typischerweise größer mit Drehzahlen größer 5.000 U/min, insbesondere größer 10.000 U/min ausgelegt sind, die beispielsweise für Generatoren, für Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen oder für Vakuumpumpenanwendungen eingesetzt werden können, gestaltet sich die Messung aufgrund der hohen Drehzahlen schwierig. Gründe sind, dass die angekoppelten Drehmomentaufnehmer oder die Drehmomentmesswelle aufgrund von resultierenden Auswirkungen auf das dynamische Verhalten und die resultierenden Rückwirkungen auf den Prüfling ein Messergebnis verfälschen und konstruktiv nicht geeignet sind, bei hohen Drehzahlen eine sinnvolle Messung durchzuführen. Somit ist gerade bei Höchstdrehzahlprüflingen eine Prüfung der einzelnen Komponenten, insbesondere des Motors an sich, nur durch einen aufwendigen Umbau oder einen geänderten Statoraufbau möglich, wobei eine exakte Messung des Betriebsverhaltens nur mit hohem Aufwand durchführbar ist.
Aus der DE 103 33 397 B4 ist eine Drehmomentmessvorrichtung für Elektromotoren bekannt, bei denen der Belastungsmotor als eisenloser Antriebsmotor oder als Antriebseinrichtung mit einem Riemenantrieb ausgelegt ist. Hierdurch kann ein großer Drehzahlbereich durchfahren werden, wobei Drehzahlbereiche von 500 U/min bis 20.000 U/min erreicht werden können. Dabei ist insbesondere ein eisenloser Antriebsmotor vorgesehen, wobei bei niedrigen Drehzahlen auf einen Riemenantrieb umgeschaltet werden kann. Der Belastungsmotor kann luftgelagert sein, um einen möglichst vibrationsarmen Antrieb zu erreichen. Die Antriebswelle, der Belastungsrotorabschnitt des Belastungsmotors und der Messrotorabschnitt des Messmotors sind über eine Kupplung miteinander verbunden und die jeweiligen Rotoren sind in den beiden Motoren separat gelagert. Die Rotoren sind somit über die Rotoreinheit aus zusammengekoppeltem Belastungsrotor und Messrotor fest miteinander verbunden und getrennt gelagert, wobei durch die Lagerung in beiden Maschinen insbesondere in Hochdrehzahlbereichen Vibrationen übertragen werden können.
Eine weitere luftgelagerte Messmaschine zur Untersuchung hochtouriger Rotationsmaschinen ist in der DE 103 00 586 A1 bekannt, bei denen eine Lagerung des Belastungsmotors mithilfe von Luftlagern vorgeschlagen wird. Eine separate Lagerung findet auch hier in beiden Motoren statt, so dass die gesamte Rotoreinheit mit Belastungsrotorabschnitt und Messrotorabschnitt sowohl in der Belastungsmaschine als auch im Messmotor gelagert ist, und somit die Gefahr besteht, zum einen eine Unwucht in einen der beiden Motoren zu erzeugen, zum anderen Vibrationen zwischen den beiden Maschinen überzuleiten.
Ausgehend vom obigen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren vorzustellen, das für hochtourige Antriebssysteme geeignet ist und bei dem eine exakte Bestimmung von Leistungskurven und Wirkungsgraden des Antriebssystems ermittelbar ist, insbesondere für Drehzahlbereiche bis zu 60.000 U/min oder 80.000 U/min, bei denen Belastungsmotor und Messmotor weitgehend mechanisch entkoppelt sind, und eine freie Einstellbarkeit der Betriebsbedingungen gegeben ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektromotor-Messvorrichtung und ein Messverfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine Elektromotormessvorrichtung zur Bestimmung physikalischer Größen eines Messmotors, d. h. eines elektrischen Motors oder Generators vorgeschlagen, der einen zu messenden Messmotor mit einem Messstator und einem Messrotor und einen Belastungsmotor mit einem Belastungsstator und einem Belastungsrotor umfasst. Der Messrotor und der Belastungsrotor sind zur Ausbildung einer Rotoreinheit mit einem Messrotorabschnitt und einem Belastungsrotorabschnitt drehfest miteinander gekoppelt. Die Rotoreinheit ist einseitig entweder im Messmotor oder im Belastungsmotor gelagert, so dass die Rotoreinheit im verbleibenden Motor ungelagert drehbar ist. Die Rotoreinheit kann als Innen- oder Außenläufereinheit ausgeführt sein. Der Messmotor kann als Ein- oder Mehrphasenmaschine ausgelegt sein und kann dem Wirkprinzip einer Synchron- oder Asynchronmaschine folgen. Der Rotor kann mit Permanentmagneten oder mit Spulen ausgestattet sein, wobei die Spule über Induktion oder durch Bürsten bestromt werden können, um die Funktionalität einer Asynchron- oder Synchronmaschine bereitzustellen.
Ein elektrischer Motor ist im Prinzip genauso aufgebaut wie ein Generator. In vielen Anwendungsfällen wird dieselbe Maschine je nach Einsatz mal als Generator, mal als Motor verwendet. Der Unterschied liegt in der Richtung der Energieumwandlung: Beim Generator wird der Rotor mechanisch angetrieben und erzeugt in den Wicklungen des Ständers elektrische Energie. Beim Motor wird dieselbe Maschine mit elektrischer Energie beschickt und erzeugt dadurch mechanische Energie. Somit steht der Begriff Messmotor gleichsam für einen elektrischen Motor als auch für einen elektrischen Generator.
Mit anderen Worten wird eine Elektromotormessvorrichtung vorgeschlagen, bei der der Rotor des Messmotors und der Rotor des Belastungsmotors miteinander zu einer gemeinsamen Rotoreinheit verbunden sind, die demzufolge einen Belastungsrotorabschnitt und einen Messrotorabschnitt aufweist. Eine Lagerung der Rotoreinheit erfolgt nur in einem der beiden Motoren, entweder im Messmotor oder im Belastungsmotor, vorzugsweise im Belastungsmotor. Hierdurch läuft die Rotoreinheit im verbleibenden Motor ungelagert, so dass eine mechanische Entkopplung gegeben ist und dynamische Kräfte und Vibrationen zwischen den beiden Motoren nicht übertragen werden können. Durch eine geeignete Positionierung ist die axiale und radiale Lage der Rotoreinheit im ungelagerten Motor frei einstellbar, wodurch eine exakte schwerpunktmäßige Ausrichtung der Rotoreinheit erfolgen kann, so dass Vibrationen unterdrückt und ein perfekter Gleichlauf eingestellt werden kann. Der Messmotor kann im tatsächlichen Betrieb als Antriebsmotor oder als elektrischer Generator eingesetzt werden. Die Rotoreinheit kann als innenlaufender Rotor oder als außenlaufender Rotor ausgeführt sein. Dementsprechend kann der Rotor des Belastungsmotors als innen- oder außenlaufender Rotor vorgesehen sein. Es ist auch vorteilhaft denkbar, z.B. den Belastungsmotor mit einem innenlaufenden Rotor und den Messmotor mit einem außenlaufenden Rotor zu koppeln, dies gilt natürlich auch umgekehrt.
Die Erfindung ermöglicht die Vornahme von Messungen bei Höchstdrehzahlanwendungen, wobei ein exakter Gleichlauf und eine Vibrationsentkopplung zwischen Messmotor und Elektromotor gegeben ist. Eine der beiden Maschinen wird ohne eigenes Rotorlager betrieben und der Rotor wird starr mit dem Rotor der anderen Maschine, insbesondere der Belastungsmaschine gekoppelt. Hierdurch wird die Lage hinsichtlich der Statorgeometrie durch die Positionierung der Rotoreinheit in der Lagerungsmaschine vorgegeben. Dies hat den Vorteil, dass der Stator und der Rotor der frei gelagerten Maschine mechanisch vollständig entkoppelt sind, dies bringt sowohl für die Durchführung der Messung selbst als auch für die damit erreichte Flexibilität des Aufbaus einen deutlichen Vorteil. Des Weiteren können auch Statoren alleine, Rotoren alleine oder die Kombination von Stator und Rotor einer vollständigen Elektromaschine geprüft werden.
Als Messmethoden zur Bestimmung des Wirkungsgrades und der Verluste, kommen direkte oder indirekte Messmethoden infrage.
Bei einer direkten Messmethode wird die zugeführte elektrische Leistung P_el und die abgegebene mechanische Leistung P_mech bestimmt. Der Wirkungsgrad ergibt sich nach folgender Formel:
Die Verlustleistung ergibt sich durch Differenzbildung aus P_V,ges = P_el – P_mech
Die elektrisch zugeführte Leistung kann messtechnisch einfach auf der elektrischen Seite bestimmt werden. Die abgegebene mechanische Leistung lässt sich in gewissen Fehlertoleranzen durch mechanische Sensoren bestimmen und kann beispielsweise durch Drehmomentgeber gemessen werden.
Alternativ kann auf eine indirekte Messmethode zurückgegriffen werden, die darauf zielt, alle auftretenden Verlustleistungsarten getrennt zu bestimmen. Gemessen werden dabei wiederum die zugeführte elektrische Leistung P_el. Die Verlustleistung P_V,ges kann durch Summation der Einzelverluste bestimmt werden. Der Wirkungsgrad ergibt sich damit durch:
Dabei wird die Verlustleistung als Summation der folgenden Verlustleistungskomponenten bestimmt: P_V,ges = P_V,Cu + P_V,Fe + P_V,Rb + P_V,Os + P_V,Z
Die gesamte Verlustleistung P_V,ges setzt sich somit aus Kupferverlusten P_V,Cu, aus Eisenverlusten P_V,Fe, aus Reibungsverlusten P_V,Rb, aus Oberschwingungsverlusten P_V,Os und aus Zusatzverlusten P_V,Z zusammen.
Während die direkte Messmethode den Vorteil bietet, keinen zusätzlichen Rechenaufwand aufzuwenden und Verluste global zu erfassen, ergibt sich der Nachteil, dass insbesondere durch die einzusetzenden mechanischen Messgeräte, die gerade bei hohen Drehzahlen toleranzbehaftet sind, nur eine ungenaue Bestimmung der Verluste vorgenommen werden kann.
In der indirekten Messmethode können die Teilverluste gesondert bestimmt werden, wobei auf eine Drehmomentmessung verzichtet werden kann, die insbesondere bei hochdrehzahligen Anwendungen extrem schwierig sein kann. Dahingegen wird allerdings ein erhöhter Rechenaufwand gefordert.
Die Gesamtverluste lassen sich beispielsweise über die Messung einer Kühlwassertemperaturerwärmung, einer Kühllufterwärmung oder einer Erwärmung des Messmotors, insbesondere des Stators bestimmen. Dabei können auch die Widerstände der warmen Wicklungen im Stator gemessen werden. Ummagnetisierungsverluste und Gasreibungsverluste können über die Drehzahl beispielsweise im Betrieb im Vakuum und unter einer Testatmosphäre betrachtet werden. Zusatzverluste können durch eine Differenzbildung indirekt bestimmt werden. Hiermit ergeben sich durch die genaue Bestimmung der Einzelverluste eine bessere Optimierungsmöglichkeit und eine bessere Kenntnis des Verhaltens des Messmotors. Durch die Einzelverlustverfahren kann beispielsweise im Betrieb unter Vakuum oder unter einer Testatmosphäre mit einstellbarer Gasmischung und Gasdruck einzelne Verlustarten separat gemessen, und damit der Messmotor genauer charakterisiert werden. Dabei kann eine optimierte Betriebsumgebung festgelegt werden und die Charakteristiken des Messmotors können exakt bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Messvorrichtung kann der Messrotorabschnitt und der Belastungsrotorabschnitt der Rotoreinheit längsaxial zugfest und druckfest starr miteinander gekoppelt ausgebildet sein. Somit wird eine Kopplung von Messrotorabschnitt und Belastungsrotorabschnitt der Rotoreinheit vorgeschlagen, die auch in längsaxialer Richtung wirkt, und die damit eine Zug- und Druckfestigkeit gewährleistet, die bei üblichen formschlüssig eingreifenden Kopplungsmechanismen nicht erreicht werden kann. Hierdurch kann eine einstellbare axiale Positionierung vorgenommen werden und die Rotoreinheit ist gegenüber Axialkräften unempfindlich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Rotoreinheit einstückig ausgebildet. Somit ist die Rotoreinheit als Einheitswelle ausgebildet, die einen Belastungsrotorabschnitt und einen Messrotorabschnitt aufweist, und die keinerlei Befestigungs- oder Kopplungsbereiche aufweist, so dass ein perfekter Rundlauf und geringe Unwuchterscheinungen erreicht werden können. Die Rotoreinheit kann vorteilhafterweise in einem der beiden Motoren, insbesondere im Belastungsmotor, gelagert sein, so dass ein Stator eines Messmotors auf die Rotoreinheit aufgeschoben werden kann, und der Belastungsmotor derart positioniert wird, dass ein exakter Rundlauf der Rotoreinheit im Stator des Messmotors erreicht werden kann. Hierdurch kann eine exakte Ausrichtung der Rotoreinheit erreicht werden und es können die elektromechanischen Eigenschaften des Messmotors mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können ein Messmotorsockel des Messrotors und ein Belastungsmotorsockel des Belastungsmotors mechanisch entkoppelt sein, und in der Messvorrichtung verankert sein. Hier wird vorgeschlagen, dass der Messmotor auf einem Messmotorsockel und der Belastungsmotor auf einem Belastungsmotorsockel separat angeordnet sind, wobei die beiden Sockel mechanisch voneinander entkoppelt sind. Beispielsweise können die beiden Sockel mittels Federn, dämpfenden Materialien oder schwimmend mit einem Untergrund gelagert sein, so dass eine Vibration des Belastungsmotors nicht auf den Messmotor übertragen wird und eine Vibration oder Schwingung des Messmotors nicht auf den Belastungsmotor übertragen wird. Durch die Vibrationsentkopplung der Statoren kann eine weitere Unabhängigkeit und Vibrationsminderung erreicht werden, so dass der Messmotor in einer Idealsituation vermessen werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest eine Rotorlagereinrichtung der Rotoreinheit eine berührungslose Magnetlagereinrichtung umfassen. Es wird vorgeschlagen, dass die Rotoreinheit, die aus einem Belastungsrotorabschnitt und einem Messrotorabschnitt gebildet wird, einseitig in einer der beiden Maschinen durch eine berührungslose Magnetlagereinrichtung gelagert ist. Eine Magnetlagereinrichtung beruht auf einer Lagerung einer drehenden Welle mittels magnetischen Kräften, wobei bei einer aktiven Magnetlagereinrichtung in der Regel eine Einstellung der Spaltbreiten möglich ist, so dass eine aktive Lagerregelung der Rotoreinheit innerhalb des Verbunds aus Mess- und Belastungsmotor erreicht werden kann. Reibungsverluste werden hierdurch minimiert und ein Lagerverschleiß unterdrückt. Dadurch, dass zumindest eine Magnetlagereinrichtung, insbesondere alle Magnetlagereinrichtungen, als zumindest radial aktive Magnetlager ausgestaltet sind, und vorzugsweise in der Belastungsmaschine angeordnet sind, können zusätzliche Positionierungsfreiheiten der Rotoreinheit zur Einstellung eines hochwertigen Rundlaufs genutzt werden. Hierdurch ist es möglich, dass die Magnetlager nicht exakt ausgewuchtet werden müssen, sondern durch eine Selbsteinstellung in einer natürlichen Schwerpunktdrehachse rotiert werden können, anstatt diese in einer geometrischen Drehachse, wie es bei Festlagern üblicherweise der Fall ist, rotieren zu lassen.
Ausgehend vom vorherigen Ausführungsbeispiel ist es weiterhin vorteilhaft, dass zumindest eine Magnetlagereinrichtung eine axial regelbare Aktivmagnetlagereinrichtung ist, so dass eine Axialposition der Rotoreinheit einstellbar festgelegt werden kann. Hierdurch wird eine vibrationsarme und kraftfrei Drehbewegung der Rotoreinheit gewährleistet, wobei in gewissen Grenzen eine Ausrichtung der Rotoreinheit exakt zum Stator des Messmotors erreicht werden kann, so dass ein perfekter Rundlauf, exakte Rotorausrichtung und optimierte Bedingungen zur Messung des Messmotors erreicht werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Messvorrichtung ein gasdichtes Messvorrichtungsgehäuse umfassen, das zumindest den Messmotor, vorzugsweise auch den Belastungsmotor umschließt, wobei weiterhin bevorzugt eine Atmosphäreneinstelleinrichtung umfasst ist, die eingerichtet ist, im Messvorrichtungsgehäuse eine Testatmosphäre, insbesondere eine Gasatmosphäre, einen Unterdruck, ein Vakuum und/oder eine Überdruckatmosphäre zu erzeugen. Die Gasatmosphäre kann eine einstellbare Zusammensetzung als Gasmischung, z.B. als reine Stickstoffatmosphäre sein, die im Normaldruck, Unter- oder Überdruck eingestellt werden kann. Somit können insbesondere gasdichte Motoren für einen explosionsgeschützten Betrieb oder bei Überatmosphäre von z.B. 50 Bar unter Betriebsbedingungen getestet werden. Auch ist ein Test von Motoren für den Flug- oder Raumfahrteinsatz bei Unterdruck bzw. Vakuum und variierenden Temperaturen getestet werden. Durch die gasdichte Kopplung des Versuchsaufbaus, zumindest des Messmotors, kann der Betrieb unter unterschiedlichen Prozessatmosphären, d.h. Gasmischungen und bei einstellbarem Druck, zum Beispiel Unterdruck, Überdruck oder Vakuum, erreicht werden. Damit können Reibungsverluste im Wellentunnel unter vorgegebenen Betriebsbedingungen ermittelt werden und somit die einzelnen Verlustarten, insbesondere Reibungsverluste, gesondert bestimmt werden, indem die Maschine einerseits bei Unterdruck, andererseits bei Überdruck oder Vakuum ausgemessen wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Rotoreinheit des Kopplungsabschnitts im Übergangsbereich zwischen Messrotorabschnitt und Belastungsrotorabschnitt der Rotoreinheit thermisch entkoppelt werden. Weiterhin bevorzugt kann eine thermische Isolierung zwischen Messmotor und Umgebungsatmosphäre, insbesondere zwischen Messmotor und Belastungsmotor, angeordnet sein. In dieser Weiterbildung wird vorgeschlagen, eine thermische Entkopplung der Rotoreinheit vorzusehen, so dass Messrotorabschnitt und Belastungsrotorabschnitt thermisch entkoppelt sind, beispielsweise über ein thermisch isolierendes Material wie Kunststoff getrennt sind, und darüber hinausgehend auch eine thermische Isolierung zwischen Messmotor und Belastungsmotor und Messmotor und Umgebungsatmosphäre vorgesehen ist. Hierdurch können zum einen getrennte thermische Bedingungen von Messmotor und Belastungsmotor eingestellt werden, so dass beispielsweise der Messmotor unter verschiedenen thermischen Bedingungen wie beispielsweise Tiefsttemperaturen, im Hochtemperaturbereich oder unter variierenden Temperaturbedingungen gemessen werden kann, andererseits ein ungewolltes Beeinflussen des Messmotors, beispielsweise durch eine Erwärmung des Belastungsmotors, unterbunden werden. Vorteilhafterweise kann eine aktive Temperaturregelvorrichtung in Kombination mit einer Heiz- und Kühlvorrichtung vorgesehen sein, um gezielte Temperaturbeeinflussungen im Bereich des Messmotors vornehmen zu können. Auch hier können die Messparameter einzeln eingestellt werden, um die einzelnen Verlustarten getrennt voneinander bestimmen zu können. Durch die thermische Entkopplung wird erreicht, dass thermisch bedingte Fehler bei der Ermittlung der erzeugten Verluste im Messmotor unterdrückt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Kühleinrichtung, insbesondere eine Flüssigkeitskühleinrichtung und/oder Gas- bzw. Luftkühleinrichtung zur Kühlung zumindest des Messmotors, umfasst sein. Somit wird im Gleichklang mit der vorhergehenden Ausführungsform eine aktive Steuerung der thermischen Bedingungen des Messmotors durch eine Kühleinrichtung vorgeschlagen, so dass zum einen durch Erfassung der Temperaturentwicklung oder Messung der Kühlleistung auf thermische Verluste des Messmotors rückgeschlossen werden können, andererseits beliebige thermische Bedingungen im Messmotor eingestellt werden können, um exakte Messbedingungen einstellen zu können. Vorteilhafterweise kann durch einen Durchfluss- und/oder Temperatursensor die Menge und Temperatur des Kühlfluids bestimmt werden, um die Abwärme quantifizieren zu können. Wird die Kühleinrichtung als Flüssigkeitskühleinrichtung vorgesehen, so kann durch Ermittlung von Vor- und Rücklauftemperatur und der Durchflussmenge die Verlustleistung bestimmt werden, wobei vorteilhafterweise in Kombination mit einer übergelagerten Temperaturregelung und einer thermischen Isolierung eine exakte Verlustleistungsmessung vorgenommen werden kann. Als Kühlflüssigkeit kann Wasser, Öl oder dergleichen eingesetzt werden. Wird die Kühleinrichtung als Gaskühleinrichtung, insbesondere als Luftkühleinrichtung vorgesehen, kann der sich einstellende Gasstrom und die Temperatur des Kühlgases Aufschluss über die Kühlleistung und somit über die thermische Verlustleistung geben. Hierdurch lassen sich die Umgebungsbedingungen für den Messmotor exakt einstellen und reale Anwendungsfälle simulieren, in denen die Betriebsparameter und Messwerte, insbesondere Drehmoment und Verluste, bestimmt werden können. Insbesondere, wenn die Rotoreinheit bzw. der Messmotor kompakt mit einer geringen Länge ausgeführt ist, bietet sich eine Gas- oder Luftkühleinrichtung an, die bei kompakter Bauweise eine einfache und effiziente Kühlleistung bereitstellt. Es ist auch eine Kombination aus einer Flüssigkeits- und einer Gaskühleinrichtung denkbar, die eine dynamische Kühlung zur Vorgabe einer bestimmten Testtemperatur ermöglicht. So kann beispielsweise eine Grundkühlung durch eine Flüssigkeitskühleinrichtung bereitgestellt werden und bei momentan auftretenden Belastungsspitzen kann eine Gasstrom- bzw. Luftkühlung mittels eines Gebläses dazu geschaltet werden, um thermische Spitzen zu unterdrücken. Auch kann je nach zu messenden Motortyp zwischen den beiden Kühleinrichtungen umgeschaltet werden und deren Kühlleistungen kann im Bedarfsfall kombiniert werden. Vorteilhaft wird die Rotoreinheit in Ihrer Baulänge derart angepasst, dass die Gesamtlänge bei den angestrebten Drehzahlen nur eine geringe Schwingungsneigung zeigt. So kann bei einer relativ langen Messrotor die Baulänge des Belastungsrotors kurz gewählt werden, so dass die Gesamtlänge der Rotoreinheit nur eine geringe Vibrations- bzw. Schwingungsneigung aufweist. Im Falle einer relativ kurzen Rotoreinheit kann aufgrund der kompakten Bauform eine Luft- bzw. Gaskühleinrichtung eine effiziente Kühlung bereitstellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein Drehmomentsensor und/oder ein Schwingungssensor und/oder ein Temperatursensor und/oder ein Drehzahlsensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Drehwinkelsensor und/oder ein Durchflusssensor in der Messvorrichtung umfasst sein, um die verschiedenen mechanischen Parameter des Messmotors bestimmen zu können. Mittels des Schwingungssensors können Vibrationen, die beispielsweise durch einen vorgesehenen oder eine sich einstellende Unwucht des Messmotors aufgenommen werden. Ein Temperatursensor dient zur Ermittlung von thermischen Verlustleistungen und ein Drehzahl- oder Drehwinkelsensor kann insbesondere für die messtechnische Erfassung der Antriebselektronik und des dynamischen Verhaltens des Messmotors eingesetzt werden. Ein Drucksensor dient zur Überwachung der atmosphärischen Umgebungsbedingungen, so dass ein Einsatz bei verschiedenen Gasmischungen und/oder in Vakuum, bei Unter- oder Überdruck definiert eingestellt werden kann. Durch Berücksichtigung der einzelnen Sensorwerte können insbesondere durch Anwendung der vorgenannten indirekten Messmethode die einzelnen Verlustarten bestimmt und somit ein Gesamtwirkungsgrad exakt berechnet und die Charakteristika des Messmotors ermittelt werden. Ein Durchflusssensor kann vorteilhaft zur Bestimmung der Durchtrittsmenge und Kühlleistung einer Flüssigkeits- oder Gaskühlung herangezogen werden und kann ein Maß für die Abwärme des Messmotors geben, insbesondere in Kombination mit einem Temperatursensor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Messmotor ein Vakuumpumpenmotor, insbesondere ein Turbomolekularpumpenmotor sein. Derartige Vakuumpumpenmotoren dienen zur Erzeugung eines Hochvakuums, und umfassen in der Regel einen Höchstdrehzahlmotor, der Drehgeschwindigkeiten bis zu 60.000 U/min oder 80.000 U/min, gegebenenfalls auch 120.000 U/min oder mehr erreichen kann. Bei den genannten Umdrehungszahlen wird bei entsprechenden Leistungen eine extrem hohe Energiedichte erzeugt, so dass zum einen ein exakter Motorbetrieb notwendig ist, zum anderen eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Pumpenmotors vorliegen muss, um eine langlebige und stabile Anwendung und Einsatz der Pumpe zu gewährleisten. Insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, in denen unter allen Umständen eine Unterdruckatmosphäre bzw. ein Vakuum einzustellen ist, ist die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Pumpenmotoren ausschlaggebend, die durch die vorgeschlagene Messvorrichtung ermittelt werden kann.
In einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung elektromechanischer Größen eines Messmotors mittels einer Elektromotormessvorrichtung und einem Messmotor und einem Belastungsmotor vorgeschlagen, bei der eine gemeinsame Rotoreinheit des Messmotors und des Belastungsmotors mit einem Messrotorabschnitt und einem Belastungsrotorabschnitt einseitig entweder im Belastungsmotor oder im Messmotor gelagert ist.
Vorzugsweise ist die Rotoreinheit im Belastungsmotor gelagert, so dass insbesondere der Stator eines Messmotors oder der Rotor des Messmotors getrennt voneinander vermessen werden können. Dabei ist insbesondere die Trennung der Mechanik von Belastungs- und Messmotor ausschlaggebend dafür, dass definierte Messparameter im Messmotor eingestellt werden können, um eine Vielzahl verschiedener Messgrößen zu ermitteln, insbesondere um im Rahmen einer indirekten Messmethode einzelne Verlustleistungsarten getrennt voneinander bestimmen zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Messverfahrens kann eine indirekte Erfassung zumindest einer Betriebsverlustart vorgenommen werden, wobei verschiedene Arten von Betriebsverlusten über eine Erwärmung von Kühlfluid, insbesondere Kühlflüssigkeit oder Kühlgas/-luft und/oder eine Temperaturerfassung im Messmotor und/oder einem Betriebsverhalten bei verschiedenen Gasatmosphären, Über- und Unterdruck oder Vakuum und/oder über eine Widerstandsmessung bei verschiedenen Betriebsarten erfolgen kann. Somit können einzelne Betriebsverluste, beispielsweise durch Ermittlung von Abwärme in einem Kühlsystem oder einer Temperaturerfassung, verschiedene Reibungsverluste, insbesondere bei Betrieb bei Über- oder Unterdruck oder im Vakuum oder weitere thermische Verluste durch Messung des elektrischen Widerstandes, beispielsweise der Statorwicklungen des Messmotors erfasst werden, um einzelne Verlustarten zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Elektromotormessvorrichtung mit einem Drehzahlbereich von mehr als 5.000 U/min, bevorzugt mehr als 10.000 U/min, und insbesondere bei Drehzahlen von über 25.000 U/min betrieben werden. Die vorgeschlagene Messvorrichtung eignet sich insbesondere für Höchstdrehzahlmotoren, wie sie bei Vakuumpumpeneinsatz vorkommen, und ermöglichen gerade im Bereich von Höchstdrehzahlanwendungen eine exakte Bestimmung der einzelnen Drehzahlbereiche.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Elektromotormessvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsleistung von >5 kW, bevorzugt >10 kW und insbesondere bei Antriebsleistung >50 kW betrieben werden, so dass insbesondere leistungsstarke Elektromessmotoren vermessen werden können. Diese sind durch die einseitige Lagerung der Rotoreinheit, insbesondere in der Belastungsmaschine, sehr einfach in der Messvorrichtung ankoppelbar, ohne dass aufwendige mechanische Umarbeiten stattfinden müssen, wobei eine Vielzahl von Einflussgrößen auf die Messung isoliert betrachtet und getrennt analysiert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Steuereinrichtung Lagesignale und/oder Steuersignale zumindest einer Magnetlagereinrichtung erfassen und eine Auswerteeinrichtung aus diesen Signalen Kenngrößen des Messmotors ermitteln. So können beispielsweise bei einem nicht exakten Rundlauf der Rotoreinheit Lagesignale der Magnetlagereinrichtung auf Schwingungen hinweisen, die insbesondere in gewissen Drehzahlbereichen durch Resonanzeffekte ausgelöst werden, so dass kritische Drehzahlbereiche ermittelt werden können. Auch kann eine aktive Gegensteuerung der Magnetlagereinrichtung als Indiz für auftretende Schwingungen oder Unwuchtneigungen des Motors berücksichtigt werden, um weitere Eigenschaften des Messmotors charakterisieren zu können.
Vorteilhafterweise kann in einer Weiterentwicklung des Verfahrens eine Steuereinrichtung die zumindest eine Magnetlagereinrichtung zur gezielten Positionierung der geometrischen Lage der Rotoreinheit ansteuern, insbesondere die Rotationsachse in Übereinstimmung zur Massenträgheitsachse der Rotoreinheit bringen. In vielen Fällen ist die geometrische Achse einer Rotoreinheit nicht gleichbedeutend mit der Massenträgheitsachse, die durch Unwucht auswandern kann. Durch eine gezielte Steuerung der radialen Lage der Rotoreinheit, die durch die Magnetlagereinrichtung eingestellt werden kann, kann die Steuereinrichtung eine Rotation der Rotoreinheit exakt in der Massenträgheitsachse bewirken, so dass eine vibrationsarme Rotation im Messmotor, insbesondere bei Höchstdrehzahlanwendung erreicht werden kann. Somit lässt sich die Rotationsachse der Rotoreinheit frei definieren und gezielte Unwucht aufprägen bzw. auftretende Unwucht abschwächen, so dass auch eine Resonanzüberprüfung des Messmotors durchgeführt werden kann.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 schematisch eine Elektromotormessvorrichtung aus dem Stand der Technik,
2 eine Elektromotormessvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine Elektromotormessvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine weitere thermisch entkoppelte Elektromotormessvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
5 eine Elektromotormessvorrichtung mit einer Auswerte und Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In der 1 ist eine Messvorrichtung 100 des Standes der Technik dargestellt. Diese umfasst einen Belastungsmotor 108 und einen Messmotor 102. Der Belastungsmotor 108 und Messmotor 102 sind über eine Rotoreinheit miteinander gekoppelt, wobei ein Rotor 112 des Belastungsmotors mit einem Rotor 106 des Messmotors 102 über einen Kopplungsflansch 114 drehfest verbunden sind. Im Kopplungsflansch 114 ist ein Drehmomentsensor 122 angeordnet. Belastungsmotor 108 und Messmotor 102 ruhen auf einem gemeinsamen Motorprüfstandssockel 120, auf dem auch ein Auflager des Drehmomentsensors 122 angeordnet ist. Der Rotor 112 des Belastungsmotors 108 ist über Rotorlager 118 im Belastungsmotor 108 gelagert. Der Rotor 106 des Messmotors 102 ist über Rotorlager 116 im Messmotor 102 gelagert. Das Lager 118 ist an den Stator 110 des Belastungsmotors angeordnet und das Lager 116 des Messmotors 102 ist am Stator 104 des Messmotors angeordnet. Eine derartige Messvorrichtung 100 eignet sich insbesondere zur Messung von langsam drehenden Messmotoren 102, wobei bei höheren Drehzahlen, bedingt durch die gemeinsame Lagerung auf einem Motorprüfstandsockel 120 als auch der Festlagerung der Rotoren 112 und 106 in den jeweiligen Statoren hohe Vibration zwischen den beiden Motoren 102 und 108 übertragen werden, die das Messergebnis verfälschen.
In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektromotormessvorrichtung 10 dargestellt. Die Messvorrichtung 10 umfasst einen Messmotor 12 und einen Belastungsmotor 18. Der Messmotor 12 umfasst einen Messstator 14 und einen Messrotor 16. Der Belastungsmotor 18 umfasst einen Belastungsstator 20 und einen Belastungsrotor 22. Die beiden Rotoren 16 und 22 bilden eine gemeinsame Rotoreinheit 32 aus, die über einen Kopplungsabschnitt 52 drehfest miteinander verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Rotoreinheit 32 zweiteilig aufgebaut und lösbar miteinander im Kopplungsabschnitt 52 verbunden, sie kann allerdings auch einstückig ausgeführt sein. Die Rotoreinheit 32 umfasst einen Belastungsrotorabschnitt 36, der im Stator 20 des Belastungsmotors 18 verläuft und einen Messrotorabschnitt 34. Messmotor 12 und Belastungsmotor 18 ruhen auf einem gemeinsamen Motorprüfstandssockel 120. Der Belastungsrotorabschnitt 36 der Rotoreinheit 32 ist im Belastungsmotor 18 in zwei Lagereinheiten 40 gelagert, die als Rotorlagereinrichtungen 42 ausgeführt sind. Diese Rotorlagereinrichtungen 32 können mechanische Wälz- oder Gleitlager sein, bei Höchstdrehzahlanordnung empfehlen sich allerdings berührungslose Luftlager oder Magnetlager. Hierdurch ist der Stator 14 des Messmotors 12 mechanisch vom Messrotorabschnitt 34 entkoppelt. Die axiale Ausrichtung des Messrotorabschnitts 34 wird durch die Lage der Rotoreinheit 32 im Belastungsmotor 18 eingestellt. Der Messmotor 12 ist in einem Messmotor-Gehäuse 24 gekapselt und der Belastungsmotor 18 ist in einem Belastungsmotor-Gehäuse 26 gekapselt. Die gemeinsame Rotoreinheit 32 ist somit nur im Belastungsmotor 18 gelagert, so dass verschiedene Statoren 14 des Messmotors 12 ohne größeren Aufwand angekoppelt und gemessen werden können. Im Messmotor-Gehäuse 24 können unterschiedliche atmosphärische Bedingungen, z.B. verschiedene Gasmischungen und Druckverhältnisse eingestellt werden, um beispielsweise Reibungswiderstände feststellen zu können. Hierdurch ist ein Ausmessen des Messrotors 34, des Messstators 14 oder der Antriebselektronik getrennt voneinander oder im Zusammenspiel möglich.
3 zeigt eine Variante einer Elektro-Messvorrichtung 10, die auf der in 2 dargestellten Ausführungsform aufbaut. Somit wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zur in 2 dargestellten Elektromotormessvorrichtung 10 eingegangen. In der in 3 dargestellten Messvorrichtung 10 ist im Belastungsmotor 18 die Rotoreinheit 32 durch eine radiale Magnetlagereinrichtung 44 gelagert. Somit lassen sich in radialer Richtung die Rotoreinheit 32 in dem Belastungsmotor 18 ausrichten, so dass ein perfekter Rundlauf, insbesondere im Messmotor 12 erreicht werden kann. Weiterhin ist eine Axiallagereinrichtung 88 im Belastungsmotor 18 vorgesehen, um die Axialposition der Rotoreinheit 32 einstellen zu können. Somit kann eine Positionseinstellung insbesondere des Messrotorabschnitts 34 der Rotoreinheit 32 gegenüber den Statorwicklungen des Messstators 14 vorgenommen werden. Durch die Anwendung von Axial- und Radialmagnetlagereinrichtungen 44, 88 lässt sich sowohl die axiale als auch die radiale Position der Rotoreinheit 32 gezielt einstellen. Zur weiteren Vibrationsentkopplung ist der Belastungsmotor 18 auf einem Belastungsmotorsockel 30 und der Messmotor 12 auf einem Messmotorsockel 28 gelagert, so dass Vibrationen der beiden Motoren, die über die Gehäuse 24, 26 auf die Sockel übertragen werden, nicht auf die jeweils andere Maschine gelangen können. Die Sockel 28, 30 können beispielsweise federgelagert sein oder auf einem vibrationsdämpfenden Material, beispielsweise einer Kunststoff- oder Gummimatte abgestützt sein, um eine Vibrationsentkopplung der Statoren 14, 20 der beiden Maschinen 12, 18 zu erreichen.
In der 4 ist eine weitere Variante einer Elektromotormessvorrichtung 10, ausgehend von der in 2 dargestellten Messvorrichtung, dargestellt. Die Rotoreinheit 32 ist einstückig ausgelegt, und weist zur thermischen Entkopplung im Mittelbereich einen Rotoreinheitkopplungsabschnitt 52 auf, der thermisch isoliert ist, und beispielsweise einen Kunststoffkupplungsstück umfasst. Des Weiteren ist der Belastungsmotor 18 und der Messmotor 12 in einem gemeinsamen Messvorrichtungsgehäuse 46 eingeschlossen, wobei innerhalb des gekapselten Messvorrichtungsgehäuses 46 eine definierte Atmosphäre, beispielsweise Überdruck, Unterdruck oder Vakuum, eingestellt werden kann. Der Messmotor 12 ist vom Belastungsmotor 18 weiterhin thermisch durch die Isolierung 54 und den thermisch isolierenden Kopplungsabschnitt 52 der Rotoreinheit entkoppelt. Die Rotoreinheit 32 ist im Belastungsmotor 18 sowohl durch eine Radialmagnetlagereinrichtung 44 in dem den Messmotor 12 zugewandten Teil als auch in einer gewöhnlichen Rotorlagereinrichtung 42, beispielsweise einem Luftlager, gelagert. In der Rotoreinheit 32 sind sowohl ein Drehmomentsensor 58, ein Drehzahlsensor 60 und ein Schwingungssensor 62 angeordnet, die ein auftretendes Drehmoment, die herrschende Drehzahl als auch Vibrationen und Schwingungen der Rotoreinheit 32 erfassen kann. Somit ist die gesamte Messsensorik im Belastungsmotor 18 untergebracht, der vom Messmotor 12 thermisch entkoppelt ist. Die Gasatmosphäre und Gasdruck im Messmotor 12 kann frei eingestellt werden, wobei ein Temperatursensor 64 angeordnet ist, um die Temperatur des Messmotors 12 erfassen zu können. Im Kammerbereich des Messmotors 12 des Messvorrichtungsgehäuses 46 ist eine Kühleinrichtung 56 vorgesehen, mit der eine aktive Kühlung des Messmotors 12 vorgenommen werden kann, um beispielsweise die thermischen Verluste durch Steuerung der Kühleinrichtung 56 in Bezug auf eine vom Temperatursensor 64 erfassten Temperatur bestimmen zu können. Die Kühleinrichtung 56 kann eine Flüssigkeits- und/oder Gaskühl- bzw. Luftkühlvorrichtung sein, die z.B. Kühlluft an den Messmotor 12 heranführt.
Die 5 zeigt schließlich eine Elektromotormessvorrichtung 10 mit übergeordneter Auswerte- und Steuereinrichtung 70, 72. Die Elektromotormessvorrichtung besteht im Kern aus einem Belastungsmotor 18 und einem Messmotor 12, die durch eine gemeinsame Rotoreinheit 32 miteinander verbunden sind, die im Belastungsmotor 18 einseitig gelagert ist, wobei der Messrotorabschnitt 34 und der Belastungsrotorabschnitt 36 über einen Kopplungsabschnitt 52 miteinander verbunden sind. Der Belastungsmotor 18 ist in einem Gehäuse 26 und der Messmotor 12 ist in einem Gehäuse 24 gekapselt. Der Belastungsmotor 18 wird über eine Sensormesseinrichtung 80 von einer Steuereinrichtung 72 angesteuert, wobei die Messeinrichtung 80 beispielsweise Stromaufnahme, Phasenverschiebungen, Oberfrequenzen und elektrische Verluste im Belastungsmotor 18 messen kann. Am Gehäuse 24 des Messmotors 12 ist eine Atmosphäreneinstelleinrichtung 48 mit einer Vakuumpumpe 50 angeordnet, die ebenfalls über die Steuereinrichtung 72 gesteuert werden kann, um verschiedene atmosphärische Einstellungen, wie beispielsweise Vakuum, Unterdruck oder Überdruck sowie verschiedene Gasmischungeneinstellen zu können. Die Steuereinrichtung 72 ist des Weiteren über eine Leistungseinrichtung 74, die eine Umrichtereinheit 82 umfasst, mit dem Belastungsmotor 18 verbunden und über eine weitere Leistungseinrichtung 74 mit Umrichtereinheit 82 mit dem Messmotor 12. Somit kann die Steuereinrichtung sowohl den Belastungsmotor 18 als auch den Messmotor 12 mit elektrischer Energie versorgen und Drehzahl und Drehmoment vorgeben, und die Auswirkung auf den jeweils anderen Motor bestimmen. Zur Bestimmung der elektrischen Rückkopplung sind Strom-/Spannungssensoren 86 in der dreiphasigen Zuleitung zum Stator des Belastungsmotors 18 und zum Stator des Messmotors 12 vorgesehen, die über eine Leistungsanalyseeinrichtung 78 gemessene Daten in die Steuereinrichtung 72 zurückführt. Die Steuereinrichtung 72 ist mit einer übergeordneten Auswerteeinrichtung 70 zu Protokoll- und Analysezwecken verbunden, die eine Auswertung der einzelnen Signale eine Bestimmung von Wirkungsgrad, Verlusten und weiteren Kennparametern des Messmotors vornehmen kann. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung 72 mit einem Netzanschluss 84 verbunden, um elektrische Energie aufzunehmen. Eine Protokollierung der Messdaten ist möglich, wobei denkbar ist, in einem RFID-Chip oder einer anderen Speichereinheit am Messmotor 12 ein Analyseergebnis des Messmotors abzuspeichern und am Messmotor 12 anzubringen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, insbesondere Höchstdrehzahlmotoren mit Drehzahlen >10.000 U/min bestimmen zu können. Dabei kann sowohl der Messrotor, der Messstator als auch der elektrische Antriebsregler Gegenstand der Messuntersuchung sein. Sowohl die thermische als auch die mechanischen Einflüsse des Messmotors können isoliert betrachtet werden, und einzelne Verlustarten können identifiziert und zur Bestimmung des Wirkungsgrades ausgewertet werden. Eine gemeinsame Rotoreinheit ist in einem der beiden Maschinen, insbesondere im Belastungsmotor gelagert, so dass ohne großen Umbau eine Vielzahl von Messmotoren getestet werden kann. Somit ist eine Einzeltestung, insbesondere bei kritischen Hochdrehzahlanwendungen, der Motoren möglich. Die Rotoreinheit kann als Innen- oder Außenläufer ausgelegt sein. Der Messmotor kann im Einsatz als Generator zur Stromerzeugung und/oder als Antriebsmotor dienen.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele können in ihren einzelnen Merkmalen beliebig miteinander kombiniert und zu weiteren Ausführungsbeispielen zusammengesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor-Messvorrichtung
12: Messmotor
14: Messstator
16: Messrotor
18: Belastungsmotor
20: Belastungsstator
22: Belastungsrotor
24: Messmotor-Gehäuse
26: Belastungsmotor-Gehäuse
28: Messmotorsockel
30: Belastungsmotorsockel
32: Rotoreinheit
34: Messrotorabschnitt
36: Belastungsrotorabschnitt
38: Messmotor-Lagereinheit
40: Belastungsmotor-Lagereinheit
42: Rotorlagereinrichtung
44: Radiale Magnetlagereinrichtung
46: Messvorrichtungsgehäuse
48: Atmosphäreneinstelleinrichtung
50: Vakuumpumpe
52: Rotoreinheit-Kopplungsabschnitt
54: Thermische Isolierung
56: Kühleinrichtung
58: Drehmomentsensor
60: Drehzahlsensor
62: Schwingungssensor
64: Temperatursensor
66: Rotorflansch
70: Auswerteeinrichtung
72: Steuereinrichtung
74: Messmotor-Leistungseinrichtung
76: Belastungsmotor-Leistungseinrichtung
78: Leistungsanalyseeinrichtung
80: Sensormesseinrichtung
82: Umrichtereinheit
84: Netzanschluss
86: Strom/Spannungssensor
88: Axiale Magnetlagereinrichtung
100: Messvorrichtung des Stands der Technik
102: Messmotor
104: Stator des Messmotors
106: Rotor des Messmotors
108: Belastungsmotor
110: Stator des Belastungsmotors
112: Rotor des Belastungsmotors
114: Kopplungsflansch zwischen Messrotor, Belastungsrotor und Drehmomentsensor
116: Rotorlager des Messmotors
118: Rotorlager des Belastungsmotors
120: Motorprüfstandsockel
122: Drehmomentsensor

Claims

Elektromotor-Messvorrichtung (10) zur Messung physikalischer Größen eines Messmotors (12), umfassend einen zu messenden Messmotor (12) mit einem Messstator (14) und einem Messrotor (16) und einen Belastungsmotor (18) mit einem Belastungsstator (20) und einem Belastungsrotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Messrotor (16) und der Belastungsrotor (20) zu Ausbildung einer Rotoreinheit (32) mit einem Messrotorabschnitt (34) und einem Belastungsrotorabschnitt (36) drehfest miteinander gekoppelt sind, und die Rotoreinheit (32) einseitig im Messmotor (12) oder im Belastungsmotor (18) gelagert ist, so dass die Rotoreinheit (32) im verbleibenden Motor ungelagert drehbar ist.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messrotorabschnitt (34) und Belastungsrotorabschnitt (36) der Rotoreinheit (32) längsaxial zugfest und druckfest starr miteinander gekoppelt ausgebildet sind.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheit (32) einstückig ausgebildet ist.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmotorsockel (28) des Messrotors (16) und ein Belastungsmotorsockel (30) des Belastungsmotors (18) mechanisch entkoppelt in der Messvorrichtung (10) verankert sind.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Rotorlagereinrichtung (42) der Rotoreinheit (32) eine berührungslose Magnetlagereinrichtung (44) umfasst.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Magnetlagereinrichtung (44) eine axial regelbare Aktivmagnetlagereinrichtung ist, die eine Axialposition der Rotoreinheit (32) einstellbar festlegt.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) ein gasdichtes Messvorrichtungsgehäuse (46) umfasst, die den Messmotor (12) und den Belastungsmotor (18) umschließt, wobei weiterhin bevorzugt ein Atmosphäreneinstelleinrichtung (48) umfasst ist, die eingerichtet ist, im Messvorrichtungsgehäuse (46) eine Testatmosphäre, insbesondere eine Gasatmosphäre, ein Unterdruck, ein Vakuum und/oder eine Überdruckatmosphäre zu erzeugen.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotoreinheit-Kopplungsabschnitt (52) im Übergangsbereich zwischen Messrotorabschnitt (34) und Belastungsrotorabschnitt (36) der Rotoreinheit (32) thermisch entkoppelt ist, und weiterhin bevorzugt eine thermische Isolierung (54) zwischen Messmotor (12) und Umgebungsatmosphäre, insbesondere zwischen Messmotor (12) und Belastungsmotor (18) angeordnet ist.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (56), insbesondere eine Flüssigkeitskühleinrichtung und/oder Gaskühleinrichtung zur Kühlung zumindest des Messmotors (12) umfasst ist.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drehmomentsensor (58) und/oder ein Schwingungssensor (62) und/oder ein Temperatursensor (64) und/oder ein Drehzahlsensor (60) und/oder ein Drucksensor, und/oder ein Drehwinkelsensor und/oder ein Durchflusssensor umfasst sind.
Elektromotor-Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messmotor (12) ein Vakuumpumpenmotor, insbesondere ein Turbomolekularpumpenmotor ist.
Verfahren zur Messung elektromechanischer Größen eines Messmotors (12) mittels einer Elektromotor-Messvorrichtung (10) mit einem Messmotor (12) und einem Belastungsmotor (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Rotoreinheit (32) des Messmotors (12) und des Belastungsmotors (18) mit einem Messrotorabschnitt (34) und einem Belastungsrotorabschnitt (36) einseitig im Belastungsmotor (18) oder im Messmotor (12) gelagert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine indirekte Erfassung zumindest einer Betriebsverlustart vorgenommen wird, wobei verschiedene Arten von Betriebsverlusten über eine Erwärmung von Kühlfluid und/oder eine Temperaturerfassung im Messmotor (12) und/oder einem Betriebsverhalten bei Atmosphäre, Über- oder Unterdruck oder Vakuum und/oder über eine Widerstandsmessung bei verschiedenen Betriebsarten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotor-Messvorrichtung (10) mit einer Drehzahl >5.000 U/min, bevorzugt >10.0000 U/min und insbesondere mit einer Drehzahl >25.0000 U/min betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotor-Messvorrichtung (10) mit einer elektrischen Antriebsleistung von >5 kW, bevorzugt >10kW, und insbesondere mit einer Antriebsleistung >50 kW betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (72) Lagesignalen und/oder Steuersignale zumindest einer Magnetlagereinrichtung (44) erfasst und eine Auswerteeinrichtung (70) aus diesen Signalen Kenngrößen des Messmotors (44) ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (72) die zumindest eine Magnetlagereinrichtung (44) zur gezielten Positionierung der geometrischen Lage der Rotoreinheit (32) steuert, insbesondere die Rotationsachse in Übereinstimmung zur Massenträgheitsachse der Rotoreinheit (32) bringt.