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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung der Wicklungstemperatur eines Motors, sowie einen Motor, der mit einer solchen Temperaturüberwachungsanordnung ausgebildet ist.
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In elektrischen Antrieben und Motoren ist es nahezu unvermeidlich, dass im Motor Wärmeverluste auftreten. Für den Elektromotor gibt es demzufolge eine kritische obere Grenztemperatur. Sobald diese Grenztemperatur überschritten wird, kann der Motor beschädigt werden oder z. B. aufgrund eines Isolationsversagens der Wicklung ausfallen.
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Es kann infolge von Betriebsstörungen an einer Antriebseinheit oder auch am Elektromotor selbst, zu einer unzulässig hohen Temperatur im Elektromotor kommen. Solche Fälle treten bei vorgesehenen hohen Belastungen der Maschine auf, wie bei Schwergängigkeiten oder z. B. bei Blockade der Mechanik. Auch verschmutzte Belüftungsgitter am Elektromotor können unerwünschte Temperaturerhöhungen nach sich ziehen. Überschreitet die Wicklung des Motors die zulässige Temperatur, nimmt der Elektromotor möglicherweise einen nicht behebbaren Schaden, was den Ausfall der gesamten Maschine nach sich ziehen kann. Insofern ist die Ermittlung der Wicklungstemperatur erforderlich.
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Darüber hinaus ist man bei der Auslegung des Motors gezwungen, einen Kompromiss zwischen Baugröße und Lastmoment einzugehen. Insbesondere dann, wenn der Motor praktisch dauerhaft unterhalb seines Nennmomentes betrieben wird und nur kurzzeitige Lastspitzen oberhalb auftreten, ist es wirtschaftlich sinnvoll, den Motor nicht auf die Lastspitzen, sondern auf den zu erwartenden Mittelwert zuzüglich Sicherheitsreserve auszulegen. Um eine unnötige Überdimensionierung zu vermeiden, ist es auch aus diesem Grund erforderlich, die Motortemperatur zu ermitteln oder jedenfalls die obere Grenztemperatur zu überwachen.
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Aus der
DE 199 25 699 C1 ist ein Elektromotor mit einem Rotor und einen Stator mit einem Wicklungspaket bekannt sowie mit einer Temperaturmeßeinrichtung zum Erfassen der Temperatur oder Temperaturänderung des Wicklungspakets. Um bei derartigen Elektromotoren die Temperatur oder Temperaturänderung besser erfassen zu können, ist vorgesehen, dass die Temperaturmeßeinrichtung einen bifilaren Temperatursensor aufweist, der sich zumindest abschnittsweise am Umfang des Wicklungspakets erstreckt.
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Aus der
DE 199 39 997 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur eines Elektromotors bekannt. Eine Signalverarbeitung erzeugt in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal eines in der Nähe des Elektromotors angeordneten Temperatursensors ein korrigiertes Temperatursignal, das zur Überwachung des Elektromotors auf thermische Überlastung herangezogen wird. Die Signalverarbeitung erzeugt das korrigierte Temperatursignal außerdem in Abhängigkeit von einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignal des Temperatursensors.
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Es sind ferner schon Statoren einer elektrischen Maschine bekannt, mit elektrischen Spulen und mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur an einer der elektrischen Spulen, wobei der Temperatursensor im Bereich zwischen zwei Spulen an einem Sensorträger vorgesehen ist und ein Sensorelement und zumindest ein mit dem Sensorelement verbundenes Sensorkabel umfasst. Nachteilig ist, dass das Sensorelement des Temperatursensors nicht sicher mit den Spulen kontaktiert. Damit wird nicht sicher die Temperatur der Spule, sondern unter Umständen die Temperatur im Spalt zwischen den Spulen gemessen. Die Temperaturmessung ist daher nicht zuverlässig. Bei der Lösung in der
DE 10 2010 063 581 A wird die Temperaturmessung verbessert indem der Sensorträger ein Federelement aufweist, das das Sensorelement gegen eine der Spulen drückt.
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Bei anderen bekannten Verfahren, die ohne einen Temperaturfühler auskommen, wird der vom Elektromotor gezogene Strom überwacht. Überschreitet der Motorstrom über einen längeren Zeitraum hinweg den zulässigen Dauerstrom, erfolgt die Abschaltung des Motors über Motorschutzschalter oder bei drehzahlregelbaren Drehstrommotoren über den Frequenzumrichter.
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Weitere bekannte Verfahren zum Schutz eines Elektromotors gegen Überhitzung sehen eine Temperaturmessung mittels eines Temperatursensors vor, der vornehmlich in die Motorwicklung eingebaut wird. So werden bei bekannten Ausführungsformen von Motoren mit umpressten Statoren z. B. Thermoschalter vor dem Umpressvorgang in die Wicklung eingesetzt und die Anschlusslitzen mit einer Leiterplatte verbunden. Erreicht die auf diese Weise ermittelte Temperatur im Nahbereich der Motorwicklung einen vorgegebenen, höchstzulässigen Grenzwert, wird auch hierbei die Abschaltung des Elektromotors veranlasst. Ein derartiges Verfahren ist aus der Offenlegungsschrift
DE 199 39 997 A1 bekannt, bei dem der Überlastungsschutz des Elektromotors insbesondere hinsichtlich des Zeitverhaltens verbessert werden soll. Dazu ist eine Signalverarbeitung vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal und von zumindest einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignals des Temperatursensors ein korrigiertes Temperatursignal erzeugt.
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Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen der Termperaturwächter direkt in der Wicklung verschaltet ist oder in den Nuten zwischen den Wicklungen platziert wird, bedarf es eines hohen Montageaufwands, was eine kostengünstige Herstellung verhindert. Ferner wurde festgestellt, dass auch bei direkter Kontaktierung der Sensoren mit den Wicklungen große Streuungen, insbesondere abhängig von der genauen Position des Sensors als auch abhängig von den gewählten Materialien auftreten. Ob der Sensor direkt an der Motorwicklung anliegt, ist ferner abhängig von Toleranz des Wickeldrahts, dem Prozess beim Wickeln und dem Nutfüllfaktor.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren besitzen daher eine Reihe von Nachteilen, aus denen sich in der Praxis Probleme ergeben. Bei Verwendung eines Temperatursensors ist zur elektrischen Isolierung zwischen diesem und der Wicklung eine ausreichende Isolierschicht erforderlich. Diese Isolierschicht stellt zugleich eine thermische Isolierung dar, weswegen sich insbesondere bei Überlast mit hohen Strömen eine Temperaturdifferenz zwischen dem elektrisch aktiven Teil der Wicklung selbst und dem Temperatursensor ergibt. Eine verzögerte Abschaltung des Elektromotors bei bereits vorliegender Überhitzung der Motorwicklung ist die Folge. Dieser Effekt wird durch erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolierung für den Personenschutz noch verstärkt. Über einen in die Wicklung eingebauten Temperatursensor wird überdies die Temperatur nur an einer einzigen Stelle der Wicklung erfasst.
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Vor allem beim Betrieb an einem Frequenzumrichter mit kleinen Speisefrequenzen kann sich eine stark unterschiedliche Erwärmung der Wicklungsteile ergeben. Hierbei kann die heißeste Stelle der Wicklung, an der bereits eine Überhitzung vorliegt, nicht mit Sicherheit erfasst werden. Weiter störend ist die kapazitive Kopplung zwischen dem Temperatursensor und der Motorwicklung vor allem bei frequenzgesteuerten Motoren, weil Koppelströme über die Temperatursensorleitung übertragen werden.
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Ferner ergeben sich bei der Integration eines Thermofühlers oder Sensors in die Wicklung ein hoher Montageaufwand und die Notwendigkeit einer im Fehlerfalle frühen Abschaltung des Motors aufgrund einer großen Temperaturdifferenz zwischen der betroffenen Wicklung und der Leiterplatte, was wiederum zu einem Lastproblem des Motors aufgrund zu geringer Auslastung führt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines Elektromotors bereitzustellen, die kostengünstig realisierbar ist, den gesamten Montageaufwand reduziert und eine unzulässige Temperaturen der Wicklungen des Elektromotors zuverlässig erfasst, um eine rechtzeitige Motorabschaltung bei bzw. vor einer thermischen Überlastung vornehmen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Grundgedanke der Erfindung ist es die Temperatur nicht an der Wicklung, sondern an einer zur Wicklung beabstandeten Position zu erfassen und entsprechende Sensorbauräume vorzusehen, um eine indirekte Temperaturmessung durchzuführen.
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Hierzu kann erfindungsgemäß am oder im Statorpaket ein Bauraum zur Aufnahme bzw. Integration eines Temperaturerfassungselements bereitgestellt werden. Die erfasste Temperatur außerhalb des Wicklungsinneren wird über ein Korrekturglied mit einer Auswerte-Elektronik auf den Temperaturwert in den Wicklungen korrigiert.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Anordnung zur indirekten Erfassung der Wicklungstemperatur der Wicklungen bzw. Zahnwicklungen (konzentrierte Wicklung / Einzelzahnwicklung) eines Elektromotors vorgeschlagen, der ausgebildet ist mit einem Statorpaket umfassend wenigstens einen Sensorbauraum innerhalb des Statorpakets, wobei der jeweilige Sensorbauraum zu den Wicklungen des Motors beabstandetet angeordnetet ist und zwar zur Erfassung der jeweils lokalen Temperatur TL mit wenigstens einem Temperatursensor, der in einem Sensorbauraum angeordnet ist sowie einem Korrekturglied zur Ermittlung der Wicklungstemperatur Tw aus der jeweiligen von einem Temperatursensor erfassten lokalen Temperatur TL und einem Korrekturwert KL.
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Das jeweilige Korrekturglied bzw. der Korrekturwert KL kann dabei als Faktor, als Gleichung oder gemessene Punkteschar festgelegt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die Sensorbauräume als Ausnehmung(en), Bohrung(en) oder Ausstanzung(en) im Statorpaket vorgesehen sind. Die Bohrungen oder Nuten zur Befestigung des Temperatursensors werden bereits bei der Stanzung des Stator-Blechpakets berücksichtigt, was keine Mehrkosten verursacht und somit eine kostengünstige Realisierung ermöglicht wird.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Sensorbauraum im Paket-Joch des Statorpakets angeordnet ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Sensorbauraum im Paket-Zahn des Statorpakets angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Sensorbauraum im Kunststoffschaft des Statorpakets angeordnet ist, vorzugsweise in einer Längsnut im Kunststoffschaft mit einer Tiefe bis zum Statorpaket.
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Erfindungsgemäß kann weiter mit Vorteil vorgesehen sein, dass eine Auswerte-Elektronik vorgesehen ist, die mit dem bzw. den Temperatursensoren verbunden ist und ausgebildet ist die Temperatur der Wicklungen aus der lokalen gemessenen Temperatur zu berechnen.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Korrekturwert KL im Korrekturglied einstellbar bzw. manuell veränderbar ist. Auf diese Weise können bei unterschiedlichen Erwärmungsgeschwindigkeiten, verursacht z. B. von zu hohem Kraftbedarf des Motors (z. B. Lagerschäden, Windungsschluss) entsprechend einstellbare Kennwerte als passende Korrekturwerte berücksichtigt werden.
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Die reale erfasste Messgröße wird der Auswerte-Elektronik zugeführt. Diese korrigiert mit dem Korrekturglied den äußeren mittelbaren Temperaturwert auf den Wicklungstemperaturwert. In der Elektronik kann ferner der Ist-Temperaturwert mit einem Sollwert verglichen werden. Überschreitet z.B. der Istwert den Sollwert, schaltet die Elektronik über Schaltelemente die Motorwicklung stromlos.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Erfassung der Wicklungstemperatur der Wicklungen bzw. Zahnwicklungen eines Elektromotors mit einer wie zuvor beschriebenen Anordnung mit den folgenden Schritten:
- a. Erfassen wenigstens einer zur Wicklungstemperatur unterschiedlichen lokalen Temperatur TL innerhalb des Statorpakets mittels eines Temperatursensors;
- b. Zuführen der erfassten Temperatur TL an eine Auswerte-Elektronik;
- c. Berechnung der Temperatur(en) Tw der Wicklungen aus der jeweiligen von dem Temperatursensor erfassten lokalen Temperatur TL und einem im Korrekturglied jeweils für diese Wicklung hinterlegten Korrekturwert KL mittels der Auswerte-Elektronik.
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Mit Vorteil ist das Verfahren so ausgebildet, dass wenigstens ein Temperaturgradient ΔTL am Ort eines Temperatursensors erfasst wird und der Korrekturfaktor abhängig von dem Temperaturgradienten ΔTL automatisch angepasst wird.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Auswerte-Elektronik ferner jeweils eine Sollwert-Vorgabe für eine oder mehrere der Wicklungen zugeführt wird oder in einem Sollwert-Speicher hinterlegt ist bzw. sind und diese mit der berechneten Ist-Temperatur Tw der Wicklungen individuell verglichen wird, wobei eine Abschaltvorrichtung aktiviert wird, sobald einer berechnete Ist-Temperatur Tw einer der Wicklungen einen definierten Soll-Wert übersteigt.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer wie zuvor beschriebenen Anordnung zur indirekten Erfassung der Wicklungstemperatur der Wicklungen des Elektromotors.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine Teil-Schnittansicht durch einen Stator eines Elektromotors mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Temperaturüberwachung ;
- 2 eine Darstellung unterschiedlicher Temperaturgradienten und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die 1 bis 3 anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle oder funktionale Merkmale hinweisen.
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Die 1 zeigt eine Teil-Schnittansicht durch eine Anordnung 1 mit einem Statorpaket 4 eines Elektromotors 3 (siehe hierzu auch die Darstellung der 3) zur indirekten Erfassung der Wicklungstemperatur der Zahnwicklungen 2 des Elektromotors 3.
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In dem Statorpaket 4 sind mehrere Sensorbauräume 5 innerhalb des Statorpakets 4 vorgesehen. Ferner ist ein Sensorbauraum 5 lediglich beispielhaft im Kunststoffschaft 6 des Statorpakets 4 angeordnet. Wie in der 1 gut zu erkennen, sind die Sensorbauräume 5 allesamt nicht in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Wicklungen 2. Vielmehr ist jeder Sensorbauraum 5 zu den Wicklungen 2 des Motors 3 beabstandetet angeordnetet. Zur Erfassung der jeweils lokalen Temperatur TL ist jeweils ein Temperatursensor 10 in den Sensorbauräumen 5 angeordnet. Die Sensorbauräume 5 im Statorpaket 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Ausstanzungen ausgebildet.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 gezeigt. Neben einer Auswerte-Elektronik 30 ist ferner ein Korrekturglied 20 vorgesehen. Mittels der Auswerte-Elektronik 30 und einem Korrekturwert KL, der im Korrekturglied 20 hinterlegt ist, kann die Wicklungstemperatur Tw aus der jeweiligen von einem Temperatursensor 10 erfassten lokalen Temperatur TL errechnet werden. Es können dabei für die unterschiedlichen Sensorpositionen auch unterschiedliche (individuell anpassbare) Korrekturwerte KL hinterlegt sein. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Wicklungstemperatur Tw einer bestimmten Wicklung aus den überlagerten Werten zweier oder mehrerer der Sensoren 10 bestimmt wird indem die ermittelten Temperaturen und/oder Temperaturgradienten in Beiträge des jeweiligen Temperatursensors 10 aufgeteilt werden, die sich aus der absolut gemessenen lokalen Temperatur und den Temperaturänderungen ergeben.
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Auf diese Weise kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass neben der Temperatur TL zu einem bestimmten Zeitpunkt der Temperaturgradient über die Zeit ermittelt wird, wie dies in der 2 dargestellt ist. In der oberen Kurve (a) steigt die Temperatur wesentlich schneller an als in der unteren Kurve (b). Mittels dieser jeweils erfassbaren Temperaturgradienten lässt sich mit Hilfe der Auswerte-Elektronik und den Korrekturfaktoren die Temperatur Tw an den Wicklungen ermitteln.
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Wie in der 3 ersichtlich wird zunächst mittels eines Temperatursensors 10 einer zur Wicklungstemperatur unterschiedliche lokale Temperatur TL im Statorpaket 4 erfasst. Dann wird diese erfasste Temperatur TL an die Auswerte-Elektronik 30 übertragen, von der eine Berechnung der Temperatur Tw einer Wicklung 2 erfolgt unter Berücksichtigung eines im Korrekturglied 20 hinterlegten Korrekturwert KL.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr kann z. B. wie ebenfalls in der 3 dargestellt, eine Sollwert-Vorgabe für eine oder mehrere der Wicklungen 2 vorgegeben sein oder in einem Sollwert-Speicher hinterlegt sein und diese mit der berechneten Ist-Temperatur Tw der jeweiligen zu überwachenden Wicklungen 2 verglichen werden, wobei eine Abschaltvorrichtung 40 aktiviert wird, sobald einer berechnete Ist-Temperatur Tw einen Soll-Wert übersteigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19925699 C1 [0005]
- DE 19939997 A1 [0006, 0009]
- DE 102010063581 A [0007]
