DE102018216722A1 - Method and arrangement for determining and / or regulating an operating state of an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Anordnung zur Bestimmung und/oder Regelung eines Betriebszustandes einer elektrischen Maschine wird an einer magnetisch leitenden Komponente der elektrischen Maschine wenigstens eine Differenzspannung mit zwei Messstellen an der magnetisch leitenden Komponente zeitaufgelöst gemessen, über die durch einen Betrieb der elektrischen Maschine hervorgerufene Potentialunterschiede in der magnetisch leitenden Komponente erfassbar sind. Aus der gemessenen Differenzspannung und/oder einem zeitlichen Verlauf der gemessenen Differenzspannung kann dann ein Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt werden. Das Verfahren und die zugehörige Anordnung ermöglichen die Bestimmung, Überwachung und Regelung des Betriebszustandes kostengünstig ohne Einsatz zusätzlicher Sensoren.In a method and an arrangement for determining and / or regulating an operating state of an electrical machine, at least one differential voltage with two measuring points on the magnetically conductive component is measured on a magnetically conductive component of the electrical machine, via the potential differences caused by an operation of the electrical machine are detectable in the magnetically conductive component. An operating state of the electrical machine can then be determined from the measured differential voltage and / or a time course of the measured differential voltage. The method and the associated arrangement enable the determination, monitoring and control of the operating state at low cost without the use of additional sensors.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Regelung eines Betriebszustandes einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors eines Generators oder eines Transformators, sowie eine Anordnung, die das Verfahren nutzt.The present invention relates to a method for determining and / or regulating an operating state of an electrical machine, in particular an electric motor of a generator or a transformer, and to an arrangement which uses the method.

In zahlreichen Anwendungen elektrischer Maschinen, insbesondere rotatorischer oder translatorischer elektrischer Maschinen, ist eine Überwachung und/oder Regelung des Bewegungsvorgangs erforderlich. So erfolgt bei elektromagnetischen Antrieben die Überwachung des Bewegungsvorgangs häufig mit zusätzlichen Sensoren, welche dann - in einen Regelkreis integriert - eine Regelung des Antriebs, insbesondere eine Kraft-, Drehzahl- oder Positionsregelung, erlauben.In numerous applications of electrical machines, in particular rotary or translational electrical machines, monitoring and / or regulation of the movement process is necessary. In the case of electromagnetic drives, the movement process is often monitored with additional sensors, which then - integrated into a control loop - permit control of the drive, in particular force, speed or position control.

Zur Drehzahl-Regelung von Elektromotoren werden in der Regel Hall-Sensoren eingesetzt, welche im Luftspalt zwischen Rotor und Stator des Elektromotors angebracht werden. Diese Hall-Sensoren ermöglichen auch eine gesteuerte rotorwinkelabhängige Umschaltung der Statorwicklungen (Kommutierung). Hierbei misst der Hall-Sensor das Magnetfeld des sich drehenden Rotors und leitet diese Information an eine Steuerelektronik weiter, welche dann abhängig vom Hall-Signal die jeweils dem Permanentmagneten des Synchronmotors gegenüberstehenden bewegten Zähne als Nord- oder Südpol schaltet und damit eine anziehende oder abstoßende Kraft bewirkt, die zur Rotordrehung führt. Dies erfordert jedoch immer zusätzliche Sensoren und deren Anordnung innerhalb des Elektromotors bzw. der elektrischen Maschine.Hall sensors are usually used to regulate the speed of electric motors, which are attached in the air gap between the rotor and stator of the electric motor. These Hall sensors also enable controlled switching of the stator windings (commutation) depending on the rotor angle. Here, the Hall sensor measures the magnetic field of the rotating rotor and forwards this information to control electronics, which then, depending on the Hall signal, switches the moving teeth opposite the permanent magnet of the synchronous motor as the north or south pole and thus an attractive or repulsive force causes which leads to the rotor rotation. However, this always requires additional sensors and their arrangement within the electric motor or the electric machine.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung oder Regelung eines Betriebszustandes wie beispielsweise Drehzahl, Bewegungsgeschwindigkeit oder elektrischer Belastung einer elektrischen Maschine sowie eine zugehörige Anordnung anzugeben, die eine sensorlose und kostengünstige Bestimmung oder Regelung eines derartigen Betriebszustandes ermöglichen.The object of the present invention is to provide a method for determining or regulating an operating state, such as, for example, speed, speed of movement or electrical load on an electrical machine, and an associated arrangement, which enable sensorless and cost-effective determination or regulation of such an operating state.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the arrangement according to patent claims 1 and 10. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird an einer magnetisch leitenden Komponente der elektrischen Maschine wenigstens eine Differenzspannung zwischen zwei Messstellen an der magnetisch leitenden Komponente zeitaufgelöst gemessen. Die Messstellen werden hierbei derart gewählt, dass über diese Messstellen Potentialunterschiede in der magnetisch leitenden Komponente erfassbar sind, die durch den Betrieb der elektrischen Maschine hervorgerufen werden. Unter einer magnetisch leitenden Komponente ist dabei eine den magnetischen Fluss führende Komponente der elektrischen Maschine zu verstehen, also beispielsweise der in der Regel aus Eisen oder Eisenblechen gebildete Rotor oder Stator einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder eines Generators. Aus und/oder auf Basis der gemessenen Differenzspannung und/oder einem zeitlichen Verlauf der gemessenen Differenzspannung wird dann der Betriebszustand, je nach elektrischer Maschine beispielsweise die Drehzahl, die Bewegungsgeschwindigkeit oder die elektrische Belastung der elektrischen Maschine, bestimmt und/oder geregelt. Die Messung der Differenzspannung erfolgt während des Betriebs der elektrischen Maschine, also während eines Stromflusses durch die eine oder mehreren Spulen der elektrischen Maschine. Das Verfahren nutzt die Erzeugung von Wirbelströmen in den magnetisch leitenden Komponenten. Die Wirbelströme werden durch die im magnetischen Kreis induzierte elektrische Spannung getrieben, wenn sich der magnetische Fluss aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine zeitlich ändert.In the proposed method, at least one differential voltage between two measuring points on the magnetically conductive component is measured on a magnetically conductive component of the electrical machine in a time-resolved manner. The measuring points are selected in such a way that potential differences in the magnetically conductive component, which are caused by the operation of the electrical machine, can be detected via these measuring points. A magnetically conductive component is to be understood as a component of the electrical machine that conducts the magnetic flux, that is to say, for example, the rotor or stator of a rotating electrical machine, which is generally formed from iron or iron sheets, in particular an electric motor or a generator. From and / or on the basis of the measured differential voltage and / or a time course of the measured differential voltage, the operating state is then determined and / or regulated depending on the electrical machine, for example the speed, the speed of movement or the electrical load on the electrical machine. The differential voltage is measured during the operation of the electrical machine, that is to say during a current flow through the one or more coils of the electrical machine. The process uses the generation of eddy currents in the magnetically conductive components. The eddy currents are driven by the electrical voltage induced in the magnetic circuit when the magnetic flux changes over time due to the operation of the electrical machine.

Wird ein Magnetsystem mit einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagt, wirft dieser einen zeitlichen veränderlichen Fluss hervor. Dies hat eine induzierte elektrische Spannung uind zur Folge: u i n d = ∮ E d s = − d ∅ d t .

Figure DE102018216722A1_0001
If a time-varying current is applied to a magnet system, this produces a flow that changes over time. This results in an induced electrical voltage u ind : u i n d = ∮ E d s = - d ∅ d t .
Figure DE102018216722A1_0001

Hierdurch entstehen Wirbelströme iwirb im elektrisch leitfähigen Material, welche wieder ein induziertes magnetisches Feld Hind zur Folge haben: i w i r b = − 1 R e l d ∅ d t = ∮ H i n d d l .

Figure DE102018216722A1_0002
This creates eddy currents i vorb in the electrically conductive material, which in turn result in an induced magnetic field H ind : i w i r b = - 1 R e l d ∅ d t = ∮ H i n d d l .
Figure DE102018216722A1_0002

Bei einer homogenen Verteilung der Wirbelströme herrscht dabei im gesamten elektrisch leitfähigen Material das gleiche Potential. Ist die Verteilung der Wirbelströme inhomogen, so entstehen Potentialunterschiede. Diese Potentialunterschiede können als Differenzspannungen an der magnetisch leitenden Komponente gemessen werden. Hierfür werden beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung elektrische Abgriffe am durchfluteten und elektrisch leitfähigen Material, also an wenigstens einer der magnetisch leitenden Komponenten der elektrischen Maschine, angebracht. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannungen können dann Rückschlüsse auf Betriebszustände wie die Drehzahl bei einer rotatorischen Maschine, die momentane relative Lage des Rotors der rotatorischen Maschine zum Stator, oder auch die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Position des Läufers eines Linearmotors relativ zum Stator getroffen werden. Auch Rückschlüsse auf eine momentane Belastung eines Transformators als ruhender elektrischer Maschine lassen sich durch diese Messung ziehen.With a homogeneous distribution of the eddy currents, there is the same potential in the entire electrically conductive material. If the distribution of the eddy currents is inhomogeneous, potential differences arise. These potential differences can be measured as differential voltages on the magnetically conductive component. For this purpose, in the proposed method and the associated arrangement, electrical taps on the flooded and electrically conductive material, that is on at least one of the magnetically conductive components the electrical machine. By evaluating the time profile of the measured differential voltages, conclusions can be drawn about operating conditions such as the speed of a rotary machine, the current relative position of the rotor of the rotary machine relative to the stator, or the speed of movement and / or position of the rotor of a linear motor relative to the stator . Conclusions about a momentary load on a transformer as a stationary electrical machine can also be drawn from this measurement.

Es können auch mehrere Differenzspannungen zwischen unterschiedlichen Messstellen an der oder den magnetisch leitenden Komponenten zeitaufgelöst gemessen werden, um daraus den jeweiligen Betriebszustand zu bestimmen oder auf deren Basis zu regeln.A plurality of differential voltages between different measuring points on the magnetically conductive component or components can also be measured in a time-resolved manner in order to determine the respective operating state or to regulate them on the basis thereof.

Die vorgeschlagene Anordnung umfasst eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, einen Generator oder einen Transformator, die wenigstens eine magnetisch leitende Komponente aufweist. An der magnetisch leitenden Komponente ist wenigstens ein elektrischer Abgriff zur Messung einer Differenzspannung zwischen zwei Messstellen angebracht, an denen die magnetisch leitende Komponente elektrisch kontaktiert wird. Die Anordnung weist weiterhin eine mit dem elektrischen Abgriff verbundene Messeinrichtung zur zeitaufgelösten Messung der Differenzspannung und eine Auswerte- und/oder Regeleinrichtung auf, die auf Basis der gemessenen Differenzspannung und/oder eines zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung einen Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt (und ggf. ausgibt) und/oder regelt. Die Anordnung ist dabei in einen oder mehreren Ausgestaltungen so ausgeführt, dass damit die unterschiedlichen Ausführungsformen entsprechend der auf das Verfahren gerichteten Patentansprüche ausgeführt werden können.The proposed arrangement comprises an electrical machine, in particular an electric motor, a generator or a transformer, which has at least one magnetically conductive component. At least one electrical tap for measuring a differential voltage between two measuring points is attached to the magnetically conductive component, at which the magnetically conductive component is electrically contacted. The arrangement furthermore has a measuring device connected to the electrical tap for time-resolved measurement of the differential voltage and an evaluation and / or control device which determines an operating state of the electrical machine on the basis of the measured differential voltage and / or a time profile of the measured differential voltage (and, if applicable .) and / or regulates. The arrangement is designed in one or more configurations so that the different embodiments can be carried out in accordance with the claims directed to the method.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung lassen sich in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen ein Betriebszustand einer elektrischen Maschine überwacht, geregelt oder bestimmt werden soll. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen beispielsweise bei rotatorischen Elektromotoren oder Generatoren eine sensorlose Drehzahlerfassung oder auch die Erfassung der momentanen rotatorischen Position des Rotors, bei Linearmaschinen die Erfassung der Bewegungsgeschwindigkeit oder Position des Läufers sowie bei Transformatoren die Erfassung einer momentanen Belastung und können zur entsprechenden Drehzahl-, Geschwindigkeits-, Positions- oder Leistungsregelung eingesetzt werden. Das Messsystem der Anordnung kann nachträglich an bereits vorhandenen elektrischen Maschinen angebracht werden, ohne diese im Aufbau verändern zu müssen. Die jeweilige magnetisch leitende Komponente muss hierzu nur an wenigstens zwei Messstellen elektrisch kontaktiert werden. Dies kann beispielsweise durch Anklemmen, Anlöten oder Schrauben entsprechender elektrischer Kontakte an diese magnetisch leitende Komponente erfolgen.The proposed method and the associated arrangement can be used in all technical areas in which an operating state of an electrical machine is to be monitored, regulated or determined. The method and the arrangement enable, for example, sensorless speed detection in the case of rotary electric motors or generators or also the detection of the current rotary position of the rotor, the detection of the movement speed or position of the rotor in the case of linear machines and detection of a momentary load in the case of transformers and , Speed, position or power control can be used. The measuring system of the arrangement can be retrofitted to existing electrical machines without having to change their structure. For this purpose, the respective magnetically conductive component only has to be electrically contacted at at least two measuring points. This can be done, for example, by connecting, soldering or screwing corresponding electrical contacts to this magnetically conductive component.

FigurenlisteFigure list

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine Prinzipskizze eines Elektromotors mit entsprechenden elektrischen Abgriffen gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Prinzipskizze eines ungewickelten Stators eines Außenläufermotors mit entsprechenden elektrischen Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Prinzipskizze eines Linearmotors mit entsprechenden elektrischen Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Prinzipskizze eines ungewickelten Drei-Phasen-Transformatorkerns mit elektrischen Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Regelkreises für eine Drehzahlregelung gemäß der vorliegenden Erfindung.
The proposed method and the associated arrangement are explained in more detail below using two exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 1 a schematic diagram of an electric motor with corresponding electrical taps according to an example of the present invention;
  • 2nd a schematic diagram of an unwound stator of an external rotor motor with corresponding electrical taps according to a further example of the present invention;
  • 3rd a schematic diagram of a linear motor with corresponding electrical taps according to another example of the present invention;
  • 4th a schematic diagram of an unwound three-phase transformer core with electrical taps according to another example of the present invention; and
  • 5 is a schematic representation of an exemplary control loop for speed control according to the present invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der jeweilige Betriebszustand sensorlos aus Magnetfeldänderungen in einer magnetisch leitenden Komponente der elektrischen Maschine ermittelt, die über einen Spannungsabfall an diesem Magnetfluss führenden Bauelement abgegriffen und ausgewertet werden. Auch Aussagen über das Magnetfeld in dem Material der magnetisch leitenden Komponente, in der Regel Eisen, können hierbei abgeleitet werden. Im Folgenden werden das Verfahren und die zugehörige Anordnung anhand von vier Ausführungsbeispielen mit unterschiedlichen elektrischen Maschinen und unterschiedlichen Betriebszuständen nochmals erläutert.In the proposed method, the respective operating state is determined sensorless from magnetic field changes in a magnetically conductive component of the electrical machine, which are tapped and evaluated via a voltage drop at this component carrying magnetic flux. Statements about the magnetic field in the material of the magnetically conductive component, usually iron, can also be derived here. The method and the associated arrangement are explained again below using four exemplary embodiments with different electrical machines and different operating states.

Im ersten Beispiel wird die Drehzahl eines Elektromotors bestimmt, dessen Rotor und Stator aus geschichteten, elektrisch isolierten Blechen zusammengesetzt ist. Die einzelnen Bleche führen hierbei den magnetischen Fluss. 1 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines derartigen Elektromotors. In der Figur sind der innen liegenden Rotor 1 und der außen liegende Stator 2 zu erkennen. Im vorliegenden Beispiel wurde am Stator 2 eine elektrische Kontaktierung an entsprechend gewählten Blechen zur Spannungsmessung angebracht. Die beiden Messstellen 3, 4 sind in der Figur zu erkennen. Die Messstellen liegen in diesem Beispiel an gegenüberliegenden Seiten (Innen- und Außenseite) des Stators, können jedoch auch in einem für die Messung der Potentialunterschiede geeigneten Abstand an einer Seite des Stators 2 angebracht sein. Durch die Kommutierung während der Rotordrehung versursachte Stromrippel bewirken ein zeitlich veränderliches Magnetfeld im Stator 2, welches im Statormaterial einen Wirbelstrom hervorruft. Der Wirbelstrom verursacht in dem Stator einen Spannungsabfall, der bei dem vorgeschlagenen Verfahren über die elektrische Kontaktierung gemessen wird und zu Zwecken einer Überwachung oder Regelung des Elektromotors Anwendung finden kann. Aufgrund der Drehung des Rotors wird hierbei ein Spannungsverlauf der gemessenen Differenzspannung ud aus wiederkehrenden Maxima und Minima erhalten. Über ein Schwellwertverfahren können hierbei beispielsweise die Maxima detektiert und in Abhängigkeit von der Zeit gezählt werden, um die momentane Drehzahl zu bestimmen. Das Messergebnis kann einem Regelkreis zur Drehzahlregelung des Elektromotors zugeführt werden, wie dies in Verbindung mit 5 noch erläutert wird.In the first example, the speed of an electric motor is determined, the rotor and stator of which are composed of layered, electrically insulated sheets. The individual sheets guide the magnetic flux. 1 shows a simplified cross-sectional view of such an electric motor. In the figure are the inner rotor 1 and the outside stator 2nd to recognize. In the present example, the stator 2nd an electrical contact is attached to appropriately selected metal sheets for voltage measurement. The two measuring points 3rd , 4th can be seen in the figure. In this example, the measuring points are on opposite sides (inside and outside) of the stator, but can also be at a distance on one side of the stator that is suitable for measuring the potential differences 2nd to be appropriate. Current ripples caused by commutation during rotor rotation cause a time-varying magnetic field in the stator 2nd , which causes an eddy current in the stator material. The eddy current causes a voltage drop in the stator, which is measured via the electrical contact in the proposed method and can be used for the purpose of monitoring or regulating the electric motor. Due to the rotation of the rotor, a voltage curve of the measured differential voltage becomes u d obtained from recurring maxima and minima. Using a threshold value method, for example, the maxima can be detected and counted as a function of time in order to determine the current speed. The measurement result can be fed to a control circuit for speed control of the electric motor, as in connection with 5 will be explained later.

Ein weiteres Beispiel betrifft die Bestimmung der Drehzahl eines Außenläufermotors. 2 zeigt hierbei den Stator 2 eines Außenläufermotors, wie dieser vielfach bei Lüftern Anwendung findet. In der Regel ist dieser Stator 2 ebenfalls aus geschichteten Einzelblechen hergestellt. In der Figur ist hierbei wiederum die elektrische Kontaktierung eines oder mehrerer Bleche des Stators 2 zum Abgriff des Spannungsabfalls ud dargestellt, welcher sich aufgrund der durch Drehung des mit Permanentmagneten besetzten Außenläufers (Rotor) induzierte elektrische Spannung im Blech einstellt. Dieser Rotor ist in 2 nicht dargestellt. Der über die beiden Messstellen 3, 4 gemessene Spannungsabfall ud kann dann beispielsweise für Kommutierungszwecke einem Regelkreis wie dem der 5 zugeführt werden. Auch hier sind die beiden Messstellen 3, 4 für den elektrischen Abgriff nur beispielhaft zu verstehen und können selbstverständlich auch an anderen Stellen oder in anderem Abstand zueinander am Stator 2 vorgesehen werden. Das dargestellte technische Prinzip ist selbstverständlich auch auf Innenläufermotoren anwendbar.Another example relates to the determination of the speed of an external rotor motor. 2nd shows the stator 2nd an external rotor motor, as is often used in fans. Usually this is stator 2nd also made from layered single sheets. The figure here again shows the electrical contacting of one or more sheets of the stator 2nd for tapping the voltage drop u d shown, which is due to the induced by the rotation of the permanent magnet outer rotor (rotor) electrical voltage in the sheet. This rotor is in 2nd not shown. The one over the two measuring points 3rd , 4th measured voltage drop u d can then, for example, a control loop such as the one for commutation purposes 5 be fed. Here too are the two measuring points 3rd , 4th to understand for the electrical tap only as an example and can of course also in other places or at a different distance from each other on the stator 2nd be provided. The technical principle shown can of course also be applied to internal rotor motors.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich auch bei Linearmotoren bzw. linearen Schrittmotoren einsetzen, wie dies beispielhaft in Verbindung mit 3 dargestellt ist. Diese Figur zeigt einen beispielhaften Stator 2 und Läufer 5 eines Linearmotors. In dieser Figur sind ebenfalls zwei Spulen 6 des Läufers sowie ein Verlauf eines magnetischen Flusses ϕ1 angedeutet. In diesem Beispiel wurde ein einzelner Zahn des Stators 2 über den elektrischen Abgriff mit den Messstellen 3 und 4 kontaktiert. Durch Abgriff der Differenzspannung Ud einzelner Zähne und Zuführung dieser Spannung an einen Regelkreis, wie dieser in 5 dargestellt ist, kann der Läufer 5 auf Position, Weg und Geschwindigkeit geregelt werden. Auch hier ist die Position der Messstellen 3, 4 wiederum nicht auf die in der Figur dargestellte Position festgelegt. Weiterhin lässt sich diese Technik selbstverständlich auch auf andere Typen von Linearmotoren übertragen.The proposed method can also be used with linear motors or linear stepper motors, as exemplified in connection with 3rd is shown. This figure shows an exemplary stator 2nd and runners 5 of a linear motor. There are also two coils in this figure 6 of the rotor and a course of a magnetic flux ϕ 1 are indicated. In this example, a single tooth of the stator 2nd via the electrical tap with the measuring points 3rd and 4th contacted. By tapping the differential voltage U d individual teeth and supplying this voltage to a control circuit like this one in 5 is shown, the runner 5 position, distance and speed. The position of the measuring points is also here 3rd , 4th again not fixed to the position shown in the figure. This technology can of course also be applied to other types of linear motors.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich auch zur Bestimmung eines Betriebszustandes einer ruhenden elektrischen Maschine wie eines Transformators einsetzen. 4 zeigt hierbei beispielhaft einen ungewickelten 3-Phasen-Transformatorkern 7, der in der Regel ebenfalls aus einer Vielzahl geschichteter und elektrisch isolierter Bleche zusammengesetzt ist. Die Figur zeigt wiederum beispielhaft eine elektrische Kontaktierung an zwei Messstellen 3, 4 zum Spannungsabgriff. Der Spannungsabgriff - und auch weitere Spannungsabgriffe - können auch an anderen Stellen erfolgen, beispielsweise direkt an den Transformatorschenkeln. Die gemessenen Spannungen erlauben durch Eingang in einen Regelkreis wie dem der 5 eine Lastregelung des Transformators. Bei Abgriffen an den Transformatorschenkeln können zudem Aussagen über die Belastung einzelner Phasen des Transformators getätigt werden. Die Methode lässt sich auf Transformatoren mit beliebiger Phasenzahl anwenden.The proposed method can also be used to determine an operating state of a stationary electrical machine such as a transformer. 4th shows an example of an unwound 3-phase transformer core 7 , which is usually also composed of a large number of layered and electrically insulated sheets. The figure again shows an example of electrical contacting at two measuring points 3rd , 4th for voltage tapping. The voltage tap - and also other voltage taps - can also take place at other points, for example directly on the transformer legs. The measured voltages allow by input into a control loop like that of the 5 load regulation of the transformer. When tapping on the transformer legs, statements can also be made about the load on individual phases of the transformer. The method can be applied to transformers with any number of phases.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung ermöglichen sowohl die Überwachung als auch eine Regelung einzelner Betriebsparameter einer elektrischen Maschine. 5 zeigt hierzu beispielhaft eine schematische Darstellung eines Drehzahl-Regelkreises mit dem Regler 8, der Stellgröße u(t), der Regelstrecke 9, einer Störgröße M(t), einem Messsystem 10, der Wunschdrehzahl nwunsch , der Differenzdrehzahl nd und der mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemessenen Differenzspannung ud . Die Regelstrecke 9 kann hierbei beispielsweise den Elektromotor aus 1 darstellen, die Störgröße kann beispielsweise ein Last- oder Momentensprung sein. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemessene Differenzspannung ud dient als Eingangsgröße des Messsystems und wird in die Ist-Drehzahl nist überführt, welche zur Drehzahlabweichungsberechnung nd verwendet wird.The proposed method and the associated arrangement enable both the monitoring and the regulation of individual operating parameters of an electrical machine. 5 shows an example of a schematic representation of a speed control loop with the controller 8th , the manipulated variable u (t), the controlled system 9 , a disturbance variable M (t), a measuring system 10th , the desired speed n wish , the differential speed n d and the differential voltage measured with the proposed method u d . The controlled system 9 can, for example, turn off the electric motor 1 represent, the disturbance can for example be a load or moment jump. The differential voltage measured with the proposed method u d serves as the input variable of the measuring system and is in the actual speed n is transferred, which for speed deviation calculation n d is used.

BezugszeichenlisteReference list

11
Rotorrotor
22nd
Statorstator
33rd
MessstelleMeasuring point
44th
MessstelleMeasuring point
55
Läuferrunner
66
SpuleKitchen sink
77
TransformatorkernTransformer core
88th
ReglerRegulator
99
RegelstreckeControlled system
1010th
MesssystemMeasuring system

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung und/oder Regelung eines Betriebszustandes einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, eines Generators oder eines Transformators, bei dem - an einer magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) der elektrischen Maschine wenigstens eine Differenzspannung (ud) zwischen zwei Messstellen (3, 4) an der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) zeitaufgelöst gemessen wird, über die durch einen Betrieb der elektrischen Maschine hervorgerufene Potentialunterschiede in der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) erfassbar sind, und - aus der gemessenen Differenzspannung (ud) und/oder einem zeitlichen Verlauf der gemessenen Differenzspannung (ud) ein Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt und/oder auf Basis der gemessenen Differenzspannung (ud) der Betriebszustand der elektrischen Maschine geregelt wird.Method for determining and / or regulating an operating state of an electrical machine, in particular an electric motor, a generator or a transformer, in which - on a magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) of the electrical machine, at least one differential voltage (u d ) between two measuring points (3, 4) on the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) is measured in a time-resolved manner, via the potential differences in the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) caused by operation of the electrical machine are detectable, and - an operating state of the electrical machine is determined from the measured differential voltage (u d ) and / or a time profile of the measured differential voltage (u d ) and / or the operating state of the electrical machine is regulated on the basis of the measured differential voltage (u d ) becomes. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Betriebszustand einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen Rotor (1) und einen Stator (2) aufweist, eine momentane Drehzahl des Rotors (1) anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung (ud) bestimmt und/oder geregelt wird.Procedure according to Claim 1 , in which, as the operating state of a rotating electrical machine having a rotor (1) and a stator (2), an instantaneous speed of rotation of the rotor (1) is determined and / or regulated on the basis of the time profile of the measured differential voltage (u d ). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Betriebszustand eines Linearmotors als elektrischer Maschine, der einen Läufer (5) und einen Stator (2) aufweist, eine momentane Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Position des Läufers (5) gegenüber dem Stator (2) anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung (ud) bestimmt und/oder geregelt wird.Procedure according to Claim 1 in which, as the operating state of a linear motor as an electrical machine, which has a rotor (5) and a stator (2), a momentary movement speed and / or position of the rotor (5) relative to the stator (2) on the basis of the time profile of the measured differential voltage (u d ) is determined and / or regulated. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Betriebszustand eines elektrischen Transformators als elektrischer Maschine eine momentane Leistung oder Belastung des Transformators anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung (ud) bestimmt und/oder geregelt wird.Procedure according to Claim 1 , in which, as the operating state of an electrical transformer as an electrical machine, an instantaneous power or load on the transformer is determined and / or regulated based on the time profile of the measured differential voltage (u d ). Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die wenigstens eine Differenzspannung (ud) zwischen zwei Messstellen (3, 4) am Rotor (1) oder am Stator (2) der elektrischen Maschine gemessen wird.Procedure according to Claim 2 , in which the at least one differential voltage (u d ) between two measuring points (3, 4) on the rotor (1) or on the stator (2) of the electrical machine is measured. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, bei dem die wenigstens eine Differenzspannung (ud) zwischen zwei Messstellen (3, 4) am Läufer (5) oder am Stator (2) des Linearmotors gemessen wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the at least one differential voltage (u d ) between two measuring points (3, 4) is measured on the rotor (5) or on the stator (2) of the linear motor. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die wenigstens eine Differenzspannung (ud) zwischen zwei Messstellen (3, 4) an einem Transformatorkern (7) des Transformators gemessen wird.Procedure according to Claim 4 , in which the at least one differential voltage (u d ) between two measuring points (3, 4) is measured on a transformer core (7) of the transformer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem mehrere Differenzspannungen (ud) zwischen unterschiedlichen Messstellen (3, 4) an der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) zeitaufgelöst gemessen werden, um daraus oder auf deren Basis den Betriebszustand der elektrischen Maschine zu bestimmen und/oder zu regeln.Procedure according to one of the Claims 1 to 7 , in which a plurality of differential voltages (u d ) between different measuring points (3, 4) on the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) are measured in a time-resolved manner in order to determine the operating state of the electrical machine therefrom or on the basis thereof and / or to regulate. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Messung der wenigstens einen Differenzspannung (ud) über wenigstens einen elektrischen Abgriff an der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) erfolgt.Procedure according to one of the Claims 1 to 8th , in which the measurement of the at least one differential voltage (u d ) takes place via at least one electrical tap on the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7). Anordnung mit einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einem Elektromotor, einem Generator oder einem Transformator, die wenigstens eine magnetisch leitende Komponente (1, 2, 5, 7) aufweist, wobei an der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) wenigstens ein elektrischer Abgriff zur Messung einer Differenzspannung (ud) zwischen zwei Messstellen (3, 4) angebracht ist, an denen die magnetisch leitende Komponente (1, 2, 5, 7) elektrisch kontaktiert wird, einer mit dem elektrischen Abgriff verbundenen Messeinrichtung zur zeitaufgelösten Messung der Differenzspannung (ud) und einer Auswerte- und/oder Regeleinrichtung, die auf Basis der gemessenen Differenzspannung (ud) und/oder eines zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung (ud) einen Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt und/oder regelt.Arrangement with an electrical machine, in particular with an electric motor, a generator or a transformer, which has at least one magnetically conductive component (1, 2, 5, 7), at least on the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) An electrical tap for measuring a differential voltage (u d ) is attached between two measuring points (3, 4) at which the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) is electrically contacted, a measuring device connected to the electrical tap for time-resolved Measurement of the differential voltage (u d ) and an evaluation and / or control device which determines and / or regulates an operating state of the electrical machine on the basis of the measured differential voltage (u d ) and / or a time profile of the measured differential voltage (u d ). Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Abgriffe zur Messung mehrerer Differenzspannungen (ud) an der magnetisch leitenden Komponente (1, 2, 5, 7) angebracht und jeweils mit einer Messeinrichtung zur zeitaufgelösten Messung der jeweiligen Differenzspannung verbunden sind, wobei die Auswerte- und/oder Regeleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie den Betriebszustand der elektrischen Maschine auf Basis der gemessenen Differenzspannungen (ud) und/oder den zeitlichen Verläufen der gemessenen Differenzspannungen (ud) bestimmt und/oder regelt.Arrangement after Claim 10 , characterized in that several electrical taps for measuring several differential voltages (u d ) are attached to the magnetically conductive component (1, 2, 5, 7) and are each connected to a measuring device for time-resolved measurement of the respective differential voltage, the evaluation and / or control device is designed such that it determines and / or regulates the operating state of the electrical machine on the basis of the measured differential voltages (u d ) and / or the time profiles of the measured differential voltages (u d ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117289128B (en) * 2023-11-24 2024-02-02 山东联创高科自动化有限公司 Outer rotor permanent magnet synchronous motor testing device and method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009040332A1 (en) * 2008-12-07 2010-07-29 Lenze Automation Gmbh Rotor's rotation variable e.g. rotation angle, determining method for drive control of synchronous electric motor, involves determining angular variable i.e. difference between characteristics of induction and determined induction
DE112009000098T5 (en) * 2008-01-15 2010-11-04 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Motor position detection method, motor drive unit and pump

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4090927B4 (en) * 1989-06-01 2006-09-21 Papst Licensing Gmbh & Co. Kg Incorporated position sensor for collectorless DC motor - uses evaluation of currents fed through motor inductances
DE102017200828B4 (en) * 2017-01-19 2018-09-20 Hochschule Heilbronn Method and arrangement for determining the armature position of an electromagnet

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112009000098T5 (en) * 2008-01-15 2010-11-04 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Motor position detection method, motor drive unit and pump
DE102009040332A1 (en) * 2008-12-07 2010-07-29 Lenze Automation Gmbh Rotor's rotation variable e.g. rotation angle, determining method for drive control of synchronous electric motor, involves determining angular variable i.e. difference between characteristics of induction and determined induction

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