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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsprüfung einer elektrischen Wicklung als Prüfling nach Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3.
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Aus dem gattungsbildenden Stand der Technik, insbesondere von gängigen und branchenüblichen Prüfverfahren für die Vermessung von Statorspulen, insbesondere auf Spannungsfestigkeit der Lagenisolierung eines Elektromotors, sind Qualitätsprüfvorrichtung allgemein bekannt.
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Der Aufbau von gattungsbildenden Systemen umfasst eine Gleichspannungsquelle, einen dazu parallel angeordneten Kondensator, einen steuerbaren Schalter sowie eine, eine Messwicklung umfassende Prüfspule. Die Prüfspule und die Messwicklung sind magnetisch gekoppelt und werden für das Prüfverfahren auch mit einem Prüfling, insbesondere mit einer elektrischen Wicklung, bevorzugt ausgebildet als Statorspule eines zu prüfenden Elektromotors, magnetisch leitend verbunden, insbesondere induktiv verkoppelt. Die Klemmen des Prüflings, insbesondere der Statorspule, sind offen, dort liegt also ein Leerlauf vor. An den Klemmen der Messwicklung erfolgt eine hochohmige Spannungsmessung, die ein Spannungssignal über der Zeit aufzeichnet, das über, bevorzugt digitale Auswertemittel zur Beurteilung der elektrischen Wicklung analysierbar ist.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen basiert die Prüfung der elektrischen Wicklung, insbesondere der Lagerisolierung von Statorwicklungen einer Statorspule auf einem Parallelresonanzschwingkreis, wobei die Spule ausgebildet ist durch die die Messwicklung umfassende Prüfspule und der magnetisch gekoppelten elektrischen Wicklung als Prüfling. Für das Prüfverfahren wird der Kondensator auf eine typische Gleichspannung zwischen 800V und 1200V geladen und über den Leistungsschalter mit der stromlosen Prüfspule verbunden. Durch die angelegte Spannung baut sich in der Prüfspule ein Strom auf, der zur Ausbildung eines Magnetfeldes führt. Durch die magnetische Verkopplung wird auch eine Spannung im Prüfling und an der Messwicklung induziert, durch die die Spannungsfestigkeit der elektrischen Wicklungen des Prüflings als mögliches Qualitätskriterium getestet werden kann.
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So kann nämlich, insbesondere durch die in der Statorspule induzierte Spannung, die Prüfung der Lagerisolierung erfolgen. Kommt es aufgrund einer fehlerhaften Isolierung zu einem Durchschlag, wird dem magnetischen Feld Energie entzogen, was sich unmittelbar an dem mittels der Messwicklung aufgezeichneten Spannungsverlauf zeigt. Zur Dämpfung der Oszillationen können im Resonanzkreis auch Leistungswiderstände angeordnet werden, die dem System Energie entziehen und in Wärme umwandeln, wodurch das Abklingen der Schwingung und damit ein Prüfdurchlauf beschleunigt werden.
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Konkret zeigt 4 eine aus dem Stand der Technik bekannte Prüfvorrichtung 20 zur Durchführung einer Qualitätsprüfung, basierend auf einer externen Durchflutung. Zu sehen ist eine Spannungsquelle 21 zu der parallel ein Kondensator 22 geschaltet ist. Über einen Schalter 23 kann der Kondensator 22 mit einer, eine Messwicklung 25 umfassende Prüfspule 24 verbunden werden. Der Prüfling 26, insbesondere ausgebildet durch eine elektrische Wicklung, ist magnetisch mit der Prüfspule 24 gekoppelt, jedoch sind die elektrischen Abgriffe nicht kontaktiert, weshalb im Prüfling 26 kein Strom fließen kann. Für die Untersuchung des Prüflings 26 wird zunächst der Kondensator 22 auf eine Gleichspannung von bis 1000V aufgeladen und dann über den Schalter 23 mit der stromlosen Prüfspule 24 verbunden. Durch die Spannung baut sich in der Prüfspule 24 ein Strom auf, der zur Ausbildung eines magnetischen Feldes führt. Aufgrund der magnetischen Kopplung wird auch eine Spannung im Prüfling 26 sowie eine über ein Wicklungsverhältnis proportionale Spannung in der Messwicklung 25 induziert, die an der Messwicklung 25 durch Auswertemittel 27 überwacht und ausgewertet wird. Wenn die im Kondensator 22 gespeicherte Energie vollständig im magnetischen Feld gespeichert ist, hat der Strom in der Prüfspule 24 sein Maximum erreicht und die gesamte Energie des Schwingkreises liegt in Form von magnetischer Energie vor. Nun wird durch die Prüfspule 24 der Strom im Schwingkreis weitergetrieben, weshalb sich der Kondensator 22 auf eine negative Spannung auflädt.
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Bei Isolierungsfehlern im Prüfling 26 kommt es zu Spannungsüberschlägen zwischen den Wicklungen 26, durch die magnetische Energie verloren geht und der Verlauf, der durch die Auswertemittel 27 erfassten Oszillationen beeinträchtigt wird.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Prüfverfahren ist die aus der externen Durchflutung resultierende hohe Eingangsspannung, die eine entsprechende Auslegung der Komponenten der Prüfvorrichtung und Auswertemittel erfordert. Neben höheren Kosten steigert dies auch die benötigte Zeit für eine Prüfsequenz. Zusätzlich sind bei solch hohen Spannungen spezielle Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben, die einer entsprechenden Mitarbeiterschulung bedürfen.
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Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Qualitätsprüfung einer elektrischen Wicklung als Prüfling nach Anspruch 1 derart weiterzuentwickeln, dass auf einfach, kostengünstige und zeiteffiziente Weise eine Qualitätsprüfung durchgeführt werden kann. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine entsprechend verbesserte Qualitätsprüfvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ferner wird Schutz im Rahmen der Erfindung für eine Qualitätsprüfvorrichtung beansprucht, ausgebildet zur Durchführung eines Prüfverfahrens nach Anspruch 1.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen system- bzw. vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß gelten und beansprucht sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als system- bzw. vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise überwindet das Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die geschilderten Nachteile des Standes der Technik, nämlich zunächst dadurch, dass vorteilhaft die elektrische Wicklung signalleitend in die erfindungsgemäße Qualitätsprüfvorrichtung integriert wird, um durch Anregen eines Kondensators durch eine Gleichspannung, eine dem Vorgehen aus dem Stand der Technik vergleichbare Durchflutung im Prüfling zu erzeugen, die eine betragsmäßig gleich große Induktionsspannung hervorruft. Durch Auswertemittel wird die zwischen Kondensator und Prüfling oszillierende Spannung aufgezeichnet und mit vorbestimmten Qualitätskriterien des Prüflings abgeglichen. Neben dem Einhalten der Oszillationsfrequenz gegenüber einem Frequenzschwellwertes liefert auch der Hub der maximalen Spanungsschwankung gegenüber einem Spannungshubsschwellwertes eine Aussage über die Qualität des Prüflings. Durch die erfindungsgemäße elektrische Kontaktierung gelingt dies bei Anregung des Kondensators mit einer deutlich kleineren Spannung von typischerweise maximal 150V, bevorzugt maximal 100V, weiter bevorzugt maximal 50V. Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Qualitätsprüfvorrichtung aufgrund der geringeren Spannungsfestigkeit deutlich kompakter und mit kostengünstigeren Bauteilen aufzubauen. Weiter vorteilhaft sind die Sicherheitsvorschriften, insbesondere durch Einhalten der Schutzkleinspannung, deutlich weniger strikt, was zusätzliche Kostenersparnisse bietet. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Platzbedarf, insbesondere in einer Fertigungshalle, kleiner ausfällt. Gleichzeitig fällt ein Prüfdurchlauf kürzer aus, was sich vorteilhaft bei der Prüfung im Rahmen einer Großserienfertigung auswirkt.
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Weiterbildend ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren an demselben Prüfling mindestens 250-mal, bevorzugt mindestens 200-mal, weiter bevorzugt mindestens 100-mal, besonders bevorzugt mindestens 50-mal, ganz besonders bevorzugt mindestens 25-mal wiederholt wird. Durch die mehrfache Prüfung wird die Belastung des Prüflings erhöht, wodurch die Identifikation von fehlerhaften Prüflingen verbessert wird und damit die Fehlerrate verringert wird.
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Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung vor zur Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zurück. Weiterbildend ist dabei vorgesehen, dass die Qualitätsprüfvorrichtung einen ohmschen Widerstand, insbesondere ausgebildet als diskretes Bauteil umfasst und/oder dass durch den ohmschen Anteil der Leistungsdrossel und/oder der Leitungen und/oder des Kondensators ein ohmscher Widerstand im Parallelresonanzkreis vorliegt. Der ohmsche Einfluss ermöglicht vorteilhaft die Dauer eines Prüfverfahrens zu beschleunigen, da die Oszillationen gedämpft werden und folglich vorteilhaft schneller abklingen.
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Dies kann bei automatisierten Prüfprozessen, die nicht nur bei Großserienfertigungen eingesetzt werden, vorteilhaft ausgenutzt werden, um eine Prüfverlauf weiter zu beschleunigen und den gesamten Prozess zeiteffizienter zu gestalten.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Qualitätsprüfvorrichtung lediglich eine Induktivität umfasst, die durch den Prüfling ausgebildet wird. Neben geringen Bauteilkosten führt dies vorteilhaft zu Platzersparnissen, da die erfindungsgemäße Qualitätsprüfvorrichtung kompakter aufgebaut werden kann. Weiterbildend ist auch vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Qualitätsprüfvorrichtung (außerhalb des Prüflings) auf einem Leiterplattenlayout implementiert wird. Dies ist nicht nur in Bezug auf Bauteil- und Fertigungskosten vorteilhaft, sondern führt auch zu einem deutlich geringeren Verkabelungsaufwand. Hinzu kommt, dass durch die vorteilhafte Implementierung der Qualitätsprüfvorrichtung auf einer Leiterplatte die Ursachen von Fehlern durch unqualifiziertes Messpersonal aufgrund von falscher Verkabelung vermieden werden kann. Außerdem wird auch die Reproduzierbarkeit einer Messung verbessert, da der Einfluss von parasitären Störgrößen, insbesondere verursacht durch voneinander abweichende, bevorzugt schlaufenartige Kabelführungen bei einem Leiterplattendesign verringert oder vollständig vermieden wird. Damit fällt die Streuung der Messung kleiner aus, weshalb eine bessere Reproduzierbarkeit der Messung ermöglicht wird. Dies ist gerade bei Verwendung mehrerer Qualitätsprüfvorrichtungen vorteilhaft, da dies auch dazu führt, dass die Streuung zwischen zwei unterschiedlichen Qualitätsprüfvorrichtungen geringer ausfällt.
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Im Rahmen von bevorzugten Weiterbildungen ist dabei vorgesehen, dass zwischen Spannungsquelle und Parallelresonanzschwingkreis ein Halbleiterbauelement angeordnet wird, um die Spannungsquelle vor negativen Strömen zu schützen. Dies ist vorteilhaft, da es durch die Oszillationen am Schwingkreis zu Spannungsüberhöhungen kommen kann, durch die die Gefahr von negativen Strömen besteht, die zu Schaden oder dem vollständigen Defekt der Spannungsquelle führen kann. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn das Halbleiterbauelement durch eine Diode oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) gebildet wird, da beide Möglichkeiten kostengünstig und verlustarm in einer, bevorzugt auf einer Leiterplatte gefertigten Qualitätsprüfvorrichtung eingesetzt werden können.
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Weiterbildung und bevorzugt vorgesehen ist, dass die Auswertemittel ein handelsübliches, bevorzugt analoges oder digitales Oszilloskop umfassen. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn die Auswertemittel für eine maximale Messspannung von 150V, bevorzugt 100V, weiter bevorzugt 80V, besonders bevorzugt 50V ausgelegt sind, da aufgrund einer geringen Spannungsfestigkeit die Messausrüstung kostengünstiger ausgelegt werden kann.
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Weiterbildend ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass auch die von der Qualitätsprüfvorrichtung umfasste Gleichspannungsquelle für eine Maximalspannung von 150V, bevorzugt maximal 100V, weiter bevorzugt von maximal 80V, besonders bevorzugt von maximal 50V ausgelegt ist. Neben Einsparungen beim Kauf der Spannungsquelle lassen sich durch eine niedrigere Spannung auch Kosten im Hinblick auf die Bauteilauslegung, insbesondere auch beim Leiterplattendesign, realisieren. Besonders bevorzugt ist es auch, wenn die dem Schwingkreis zugeführte Maximalenergie 600W, bevorzugt 400W, weiter bevorzugt 200W, besonders bevorzugt 150W und ganz besonders bevorzugt 100W beträgt, da dies auch zu Kostenersparnissen bei der Auslegung der Qualitätsprüfvorrichtung führt.
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Weiterbildend und vorteilhaft ist vorgesehen, dass der zur Verbindung des Schwingkreises mit der Spannungsquelle eingesetzte Schalter durch einen spannungsgesteuerten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder durch einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet wird. Neben geringen Störeinflüssen aufgrund der, bevorzugt hohen Schaltfrequenzen der Halbleiter, ist auch eine vorteilhafte Implementierung, insbesondere auf einem Leiterplattendesign, möglich. Außerdem lassen sich die spannungsgesteuerten Halbleiterbauelemente verlustarm einschalten, was insbesondere bei mehrfach wiederholten Messungen für reproduzierbare Messungen, insbesondere im Rahmen von Großserienfertigungen, vorteilhaft ist.
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Im Rahmen von bevorzugten Weiterbildungen ist es vorteilhaft vorgesehen, dass durch Kontaktierungsmittel eine, bevorzugt automatische, Kopplung des Prüflings mit der erfindungsgemäßen Qualitätsprüfvorrichtung ermöglicht wird. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn dies durch, bevorzugt einen Pneumatikzylinder umfassende, Pneumatikmittel erfolgt. Dies führt nicht nur zu einem vorteilhaften Zeitersparnis im Vergleich zu einem händischen Verbinden durch Prüfpersonal, sondern schließt auch ein versehentliches falsches Kontaktieren vollständig aus. Durch eine vollautomatisierte Kopplung wird auch der Einfluss von parasitären Störgrößen verringert und die Reproduzierbarkeit einer erfindungsgemäßen Qualitätsprüfvorrichtung erhöht.
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Dabei ist es im Rahmen von bevorzugten Weiterbildungen vorgesehen, dass die Kontaktklemmen zweiteilig ausgebildet sind, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die Kontaktierung der elektrischen Wicklung des Prüflings mit der Kontaktklemme über eine Kupferleitung erfolgt, die von einem Isoliermaterial, bevorzugt aus Silikon, umhüllt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in
- 1: ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,
- 2: den aufgezeichneten Verlauf der oszillierenden Spannung eines Prüflings, bei dem das Qualitätsmerkmal eingehalten wurde,
- 3: den aufgezeichneten Verlauf der oszillierenden Spannung eines Prüflings, bei dem das Qualitätsmerkmal nicht eingehalten wurde und
- 4: das Schaltbild einer gattungsbildenden Prüfvorrichtung nach dem Stand der Technik.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Schaltbild der Prüfvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt, in der erfindungsgemäß eine elektrische Wicklung als Prüfling 1 über Kontaktierungsklemmen 2 signalleitend mit den festen Komponenten der Prüfvorrichtung 10 verbunden ist. Dabei wird der Prüfling 1 vorteilhaft parallel mit einem Kondensator 4 und einem dazu seriell vorgeschalteten Widerstand 5 über Kontaktierungsmittel 2 elektrisch kontaktiert, wodurch ein LC-Parallelresonanzkreis 11 durch den Kondensator 4 und die elektrische Wicklung 1 ausgebildet wird. Der Parallelresonanzschwingkreis 11 ist über einen elektrischen Schalter 6 mit einer Signalquelle 3 verbunden. Die Signalquelle 3 ist als Gleichspannungsquelle ausgebildet und lässt sich auf eine Gleichspannung U1 aufladen. Zwischen dem positiven Ausgangskontakt der Spannungsquelle und dem Schalter 6 ist einer Diode 7 angeordnet. Parallel zum Parallelresonanzschwingkreis 11 sind Erfassungs- und Auswertemittel 8 angeordnet.
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Zum Anregen des Parallelresonanzschwingkreises 10 wird zunächst die Spannungsquelle auf eine Spannung U1 vorgeladen und anschließend der Schalter 6 geschlossen, wodurch die Spannungsquelle 3 signalleitend mit dem Parallelresonanzschwingkreis 10 verbunden wird. Durch Verbinden der Spannung baut sich ein näherungsweise linear ansteigender Strom in der elektrischen Wicklung 1 auf. Sobald der Strom einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat, wird die Spannungsquelle durch Öffnen des Schalters 6 wieder getrennt. Da nun keine Spannung mehr auf den Parallelschwingkreis 11 aufgeprägt wird, bilden sich zwischen dem Kondensator 4 und der Spule 1 Oszillationen aus, die sich in der Spannung über dem Prüfling 1 und als im Prüfling 1 fließender Strom messen lassen. Die Auswertung des Verlaufs der Oszillationen erlaubt auf vorteilhafte Weise eine Aussage über die Qualität der elektrischen Wicklung 1 als Prüflings.
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2 zeigt den Spannungsverlauf (oben) über dem Prüfling 1 und den Stromverlauf (unten) in dem Prüfling 1. Die zeitliche Auflösung ist bei beiden Messungen identisch. Zum Zeitpunkt to wird die Spannungsquelle 3 auf die Gleichspannung U1 geladen und zum Zeitpunkt t1 durch Schließen des Schalters 6 mit dem Parallelresonanzschwingkreis 11 verbunden. Daraus resultiert ein näherungsweise linear ansteigender Strom, der sich in der elektrischen Wicklung 1 aufbaut und dessen Verlauf im unteren Teil von 2 dargestellt ist. Beim Erreichen des Schwellwertes I_Max wird der Schalter 6 geöffnet um die Spannungsquelle zutrennt. Nun hält die im Prüfling 1 gespeicherte magnetische Energie den Stromfluss im Schwingkreis 11 aufrecht, weshalb es zur Ausbildung einer in der Spannung und im Strom sichtbaren Oszillation kommt. Der Verlauf der Schwingung gibt Auskunft über die Qualität der elektrischen Wicklung 1, insbesondere über die Spannungsfestigkeit der einzelnen Wicklungen, die der Prüfling realisiert.
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Im vorliegenden Fall der 2 werden die Qualitätskriterien von dem Prüfling 1 eingehalten, da der Spannungshub über einem vorbestimmten Spannungshubschwellwert UGr schwingt und die Frequenz der oszillierenden Spannung größer ist, als ein vorbestimmter Frequenzschwellwert fGr.
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In 3 ist, wie auch in 2, der Spannungs- und Stromverlauf über der Zeit bei dem Qualitätsprüfverfahren eines Prüflings dargestellt. Allerdings zeigt hier der Verlauf der Spannungsoszillation, dass die Qualitätskriterien nicht eingehalten werden. Dies wird dadurch deutlich, dass der Spannungshub (insoweit abweichend vom Verlauf in 2) unter dem vorbestimmten Spannungshubschwellwert UGr und die Frequenz der oszillierenden Spannung oberhalb des vorbestimmten Frequenzschwellwertes fGr liegt. Der Verlauf lässt Rückschlüsse auf eine fehlerhafte Lagenisolierung des Prüflings 1 zu.
