DE102019217414A1

DE102019217414A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019217414A1
Application number: DE102019217414.0A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Lindenthal; Stephan Usbeck; Thomas Pawlak; Florian Herzog; Claus-Christian Oetting; Marcus Alexander; Murat Kol
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-12
Also published as: WO2021094021A1

Abstract

Elektrische Maschine mit einer Einrichtung (110) zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (114), wobei die Einrichtung (110) einen am Stator (118) oder an einem Gehäuse (120) der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis (122) mit einer Primärspule (130) und einen am Rotor (114) ausgebildeten Sekundärkreis (124) mit einer Sekundärspule (136) und einer temperaturabhängigen Last (138) umfasst. Die Einrichtung (110) ist eingerichtet, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124) eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (138) fließender Sekundärstrom I_sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms I_sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis (122) bewirkt wird. Die Einrichtung (110) ist weiterhin eingerichtet, den Primärstrom I_primär mittels der Messvorrichtung (126) zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln.

Description

Stand der Technik
Eine Messung einer Rotortemperatur eines Rotors von elektrischen Maschinen ist grundsätzlich wichtig, da die Rotortemperatur grundsätzlich einen begrenzenden Parameter für eine Dauerleistung der elektrischen Maschine ist. Insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen ist dieser Effekt üblicherweise besonders groß, denn für einen Schutz von Magneten muss grundsätzlich sichergestellt sein, dass bei einem Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, wie zum Beispiel ein Reduzieren von Phasenströmen. Je genauer die Rotortemperatur bekannt ist, umso später können diese Maßnahmen getroffen werden und umso höhere Dauerleistungen können grundsätzlich erzielt werden. Folgende Verfahren zur Rotortemperaturbestimmung sind bekannt.
In DE 10 2007 062 712 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines ein magnetisches Rotorfeld aufweisenden Rotors einer mit einem feldorientierten Stromregler versehenen permanenterregten Synchronmaschine beschrieben, die einen Stator mit einer aus mindestens zwei Phasenwicklungen bestehenden Statorwicklung aufweist. Es ist vorgesehen, dass eine elektrische Maschinengleichung für eine quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente (Usq) eines Statorspannungsvektors (Us) in einem feldorientierten Koordinatensystem aufgestellt wird, die einen magnetischen Fluss (Psi) des Rotors enthält. Weiter ist vorgesehen, dass die Komponente (Usq) des Statorspannungsvektors (Us) durch eine Spannungsstellgröße (UsqCC) berechnet und damit der magnetische Fluss (Psi) bestimmt wird. Zudem ist vorgesehen, dass aus dem magnetischen Fluss (Psi) die Temperatur (T) des Rotors bestimmt wird.
In EP 2853873 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Rotors eines Elektromotors beschrieben, wobei ein dem Elektromotor zugeordneter Resolver als Mittel zur Erfassung der Temperatur des Rotors fungiert sowie eine Verwendung eines zur Erfassung einer Rotationslage eines Rotors eines Elektromotors vorgesehenen Resolvers als Mittel zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors des Elektromotors.
Aus dem Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, Springer-Verlag, 2. Auflage, Seite 84, Kapitel 1.4.2 sind Verfahren für eine Erfassung einer Rotordrehzahl und für eine Messung von dynamischen Aktionsmomenten bekannt, welche induktiv Signale übertragen.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind grundsätzlich in ihrer Genauigkeit eingeschränkt, da sie Rotortemperatur grundsätzlich nur indirekt berechnen. Insbesondere setzen die Berechnungsvorschriften Kenntnis von weiteren Parametern voraus. Die weiteren Parameter sind jedoch grundsätzlich nicht genau bekannt, da sie entweder von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine abhängig sind, wie beispielsweise von einer Strömungsmechanik in Abhängigkeit von Lastzuständen und einer Kühlmittelflüssigkeitstemperatur und/oder von elektrische Maschine zu elektrischer Maschine streuen. Dies kann beispielsweise eine Remanenz der eingesetzten Magnete betreffen. Weiterhin ist eine drahtlose Signalübertragung mittels Telemetrie aufgrund hoher Kosten grundsätzlich nicht geeignet für eine Großserie. Die direkte Ermittlung der Rotortemperatur ist folglich grundsätzlich vorzuziehen. So ist es eine Herausforderung, die Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine direkt zu messen und ein entsprechendes Messsignal drahtlos zu übertragen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass sie zur Messung der Temperatur des Rotors eine drahtlose Übertragung des entsprechenden Signals bzw. der entsprechenden Temperaturinformation umfasst, die mit nur wenigen Standardkomponenten realisierbar und dadurch sehr kostengünstig ist.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors vorgeschlagen. Die Einrichtung umfasst einen am Stator oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis. Der Primärkreis umfasst eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stroms I_primär im Primärkreis oder zum Erfassen einer den Strom I_primär charakterisierenden Größe. Weiterhin umfasst der Primärkreis einen Signalgenerator zum Erzeugen einer Signalspannung oder zwei Anschlüsse zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis und mindestens eine Primärspule. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen am Rotor ausgebildeten Sekundärkreis. Der Sekundärkreis weist mindestens eine Sekundärspule auf, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule angeordnet ist. Der Sekundärkreis weist mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last auf. Die Messvorrichtung ist eingerichtet, bei Drehen des Rotors und bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom I_sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms I_sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis bewirkt wird. Die Einrichtung ist weiterhin eingerichtet, den Primärstrom I_primär mittels der Messvorrichtung zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
Die temperaturabhängige elektrische Last kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten sein. Alternativ kann die temperaturabhängige Last ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten sein. Als temperaturabhängige elektrische Last sind weitere elektrische Bauteile möglich, die in Abhängigkeit von der Temperatur ihren elektrischen Kennwert, beispielsweise ohmscher Widerstand, Induktivität oder Kapazität, ändern.
Auch Bimetallschalter, die bei einem Temperaturschwellwert schalten, wären als temperaturabhängige elektrische Last verwendbar.
Sehr vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule nach einer ersten und zweiten Ausführung derart angeordnet sind, dass die induktive Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule einmal pro Umdrehung des Rotors ausschließlich in einem bestimmten Drehlagenbereich des Rotors erreicht wird. Der bestimmte Drehlagenbereich ist dabei selbstverständlich kleiner als 360 Grad. Diese Ausführungen haben den Vorteil, dass die Primärspule und die Sekundärspule jeweils sehr klein bzw. kompakt gebaut werden können und dadurch wenig Bauraum beanspruchen.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule sich nach der ersten und zweiten Ausführung in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad erstrecken und wenn beide Spulen mit ihren Spulenachsen in axialer Richtung oder in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse ausgerichtet sind. Auf diese Weise können die Primärspule und die Sekundärspule jeweils sehr klein bzw. kompakt gebaut werden und beanspruchen dadurch wenig Bauraum.
Vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule nach einer dritten Ausführung sich jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors herum erstrecken, wobei eine der beiden Spulen bezüglich der Rotationsachse des Rotors derart radial innerhalb der anderen Spule angeordnet ist, dass in jeder Drehlage des Rotors eine induktive Kopplung der beiden Spulen erreicht ist. Dazu stehen sich die Primärspule und die Sekundärspule in jeder Drehlage gegenüber, jeweils mit einer Umfangsfläche. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen unabhängig von der Drehlage des Rotors stets gleichbleibt. Die Signalübertragung ist bei stillstehendem Motor ebenso wie bei hoher Motordrehzahl möglich. Ebenso wird das übertragene Signal nicht durch eine variierende induktive Kopplung beeinflusst.
Nach der dritten Ausführung können die Primärspule und die Sekundärspule vorteilhafterweise konzentrisch zueinander angeordnet sein, wobei die Primärspule und die Sekundärspule jeweils eine Spulenachse aufweisen, die jeweils mit der Rotationsachse des Rotors fluchtet.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine sein. Der Rotor ist eingerichtet, synchron von einem magnetischen Drehfeld des Stators angetrieben zu werden. Die Synchronmaschine kann insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine sein.
Die temperaturabhängige Last steht in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule. Insbesondere kann die temperaturabhängige Last an kritischen Messstellen eingebracht sein. Insbesondere kann die temperaturabhängige Last in Magnettaschen eines Rotorkörpers des Rotors eingebracht sein, wobei die Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten vorgesehen sind. Beispielsweise ist der Rotorkörper als Rotorblechpaket ausgebildet. Die temperaturabhängige Last kann zur Messung einer Temperatur der Permanentmagnete des Rotors eingerichtet sein. Die Temperatur des Rotors kann folglich der Temperatur der Permanentmagnete entsprechen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors einer Synchronmaschine beschrieben. Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Messvorrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Messvorrichtung durchgeführt werden kann.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen der elektrischen Maschine wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird;
b) Induzieren der Sekundärspannung in dem Sekundärkreis bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom I_sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms I_sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis bewirkt wird;
c) Erfassen des Primärstroms I_primär mittels der Messvorrichtung und Ermitteln der Temperatur des Rotors, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.

Vorteilhaft ist, wenn die Signalspannung eingespeist wird, wenn die Primärspule und die Sekundärspule einander gegenüberliegen, da die Primärspule und die Sekundärspule auf diese Weise besonders gut miteinander magnetisch gekoppelt sind.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So kann grundsätzlich eine direkte und genaue Temperaturmessung an den Magneten erfolgen. Das Sensorsignal kann grundsätzlich drahtlos übertragen werden. Ein Verschleiß kann somit vermieden werden. Weiterhin ist ein grundsätzlich wenig störanfälliges Verfahren realisierbar, insbesondere gegenüber von Magnetfeldern des Stators. Die Messeinrichtung ist weiterhin grundsätzlich für eine Erfassung von sehr hohen Rotortemperaturen geeignet. Darüber hinaus handelt es sich grundsätzlich um ein kostengünstiges Verfahren.
Die Begriffe „Primärkreis“ und „Sekundärkreis“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von Primärkeisen und/oder Sekundärkreisen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein können. Weiterhin können zusätzliche Kreise vorhanden sein. Die Begriffe „Primärkreis“ und „Sekundärkreis“ können insbesondere jeweils Stromkreise sein. Der Begriff „induktive Kopplung“ bezeichnet grundsätzlich eine gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter elektrischer Stromkreise oder elektrischer Spulen durch eine elektromagnetische Induktion infolge einer Änderung eines magnetischen Flusses.
Der Begriff „Spule“ bezeichnet grundsätzlich eine Wicklung oder ein Wickelgut, welches geeignet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Die Spule kann mindestens einer Wicklung eines Stromleiters, insbesondere aus einem Draht, umfassen. Der Stromleiter kann auf einem Spulenkörper, insbesondere Spulenträger gewickelt sein und zumindest teilweise einen weichmagnetischen Kern aufweisen.
Unter einer „Messvorrichtung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, die entweder unmittelbar oder mittelbar den zu erfassenden Strom darstellt. Eine direkte Erfassung des Stroms ist beispielsweise mittels eines Multimeters, Amperemeters oder dergleichen realisierbar. Eine mittelbare Erfassung ist über die Erfassung einer den Strom charakterisierenden Größe, wie z.B. Spannung, möglich. In diesem Fall kann der Strom aus der erfassten Spannung und einem Widerstand bekannter Größe ermittelt werden.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1A eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
1B eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
1C eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der die Primärspule und die Sekundärspule gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nach 1A und 1B dargestellt sind und
3: ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung. Ausführungsformen der Erfindung

Die 1A bis 1C zeigen eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung 110 zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors der elektrischen Maschine gemäß drei möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die elektrische Maschine 112 umfasst einen Rotor 114, einen Stator 118 und eine Einrichtung 110 zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors 114 der elektrischen Maschine 112.
Der Rotor 114 weist beispielsweise eine Welle und einen auf der Welle angeordneten Rotorkörper auf. Der Rotorkörper kann beispielsweise ein Blechpaket sein. Der Stator 118 kann in einem Gehäuse 120 angeordnet sein.
Die Einrichtung 110 umfasst einen an dem Stator 118 oder an dem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis 122 und einen am Rotor 114 vorgesehenen Sekundärkreis 124.
Der Primärkreis 122 ist fest mit dem Stator 118 oder dem Gehäuse 120 verbunden. Insbesondere kann der Primärkreis 122 an dem Stator 118 oder an dem Gehäuse 120 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
Der Sekundärkreis 124 ist am Rotor 114 ausgebildet und ist fest, insbesondere drehfest, mit dem Rotor 114 verbunden. Beispielsweise ist der Sekundärkreis 124 an einer Stirnseite des Rotorkörpers des Rotors 114 und/oder an einer Welle des Rotors 114 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 124 an dem Rotor 114 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
3 zeigt ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung nach 1A bis 1C und 2.
Der Primärkreis 122 weist nach 3 mindestens eine Messvorrichtung 126 zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms I_primär im Primärkreis 122 auf.
Darüber weist der Primärkreis 122 einen Signalgenerator 128 zum Erzeugen einer in den Primärkreis 122 einzuspeisenden Signalspannung auf. Alternativ kann der Primärkreis 122 mindestens zwei Anschlüsse 127 zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis 122 umfassen.
Der Primärkreis 122 weist nach 1 und 3 weiterhin mindestens eine Primärspule 130 und beispielsweise einen Kondensator 132 auf. Bei der Primärspule 130 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln. Der Kondensator 132 ist zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis 122 ausgebildet. Zwischen dem Signalgenerator 128 und dem Kondensator 132 ist beispielsweise ein Vorwiderstand 136 angeordnet.
Die Messvorrichtung 126 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 136 des Primärkreises 122 misst, so dass der Primärstrom I_primär mittels des bekannten elektrischen Widerstandes des Vorwiderstandes 136 und mittels des an dem Vorwiderstand 136 gemessenen Spannungsabfalls ermittelbar ist. Die Spannung des Signalgenerators 128 kann mit einem weiteren Messvorrichtung 126 bestimmt werden oder aufgrund einer Kalibrierung des Signalgenerators 128 bekannt sein.
Der Sekundärkreis 124 weist nach 1 und 3 mindestens eine Sekundärspule 134 und eine temperaturabhängige elektrische Last 138 auf. Die Sekundärspule 134 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 130 angeordnet. Bei der Sekundärspule 134 kann es sich insbesondere um eine elektrische Wicklung handeln. Die temperaturabhängige elektrische Last 138 dient als Messelement und kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die temperaturabhängige elektrische Last 138 ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter NTC (negative temperature coefficient). Auch andere Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich denkbar, wie beispielsweise ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter PTC (positive temperature coefficient). Die temperaturabhängige elektrische Last 138 ist an einer bestimmten Position 142 des Rotors 114 angeordnet, beispielsweise in einer Permanentmagnete aufnehmenden Magnettasche des Rotorkörpers, um dort die Temperatur des Rotors zu erfassen. Die temperaturabhängige elektrische Last 138 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 134.
Die feststehende Primärspule 130 und die drehbare Sekundärspule 134 sind derart angeordnet, dass die Sekundärspule 134 einmal pro Umdrehung des Rotors 114 an der feststehenden Primärspule 130 vorbeibewegt wird. Dabei wird während der Vorbeibewegung durch induktive Kopplung eine Sekundärspannung in der Sekundärspule 134 induziert. Beim Vorbeibewegen stehen sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 kurzzeitig gegenüber. Die induzierte Sekundärspannung bewirkt einen Stromfluss eines Sekundärstroms I_sekundär durch die temperaturabhängige Last 138. Somit wird die Amplitude des Sekundärstroms I_sekundär durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom I_sekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms I_sekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis 122 bewirkt.
Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 weisen jeweils eine Spulenachse auf, um die die jeweilige Wicklung gewickelt ist.
Die Signalspannung im Primärkreis 122 induziert über eine induktive Kopplung der Primärspule 130 mit der Sekundärspule 16 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 124. Die induzierte Sekundärspannung, die selbstverständlich eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 138 fließenden Sekundärstrom I_sekundär. Die Amplitude des Sekundärstroms I_sekundär wird durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom I_sekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms I_sekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis 122 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom I_primär wird durch die Einrichtung 110 mittels der Messvorrichtung 126 in dem Primärkreis 122 erfasst, beispielsweise direkt oder indirekt über eine den Primärstrom I_primär charakterisierende Größe, wie beispielsweise einer Spannung.
Im Falle einer in den Primärkreis 122 eingespeisten Wechselspannung bewirkt die Wechselspannung entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss, dieser induziert in der mit der Primärseite 122 magnetisch gekoppelten Sekundärspule 136 die Sekundärspannung. Wird statt der Wechselspannung eine Gleichspannung in den Primärkreis eingespeist, muss der Kondensator 132 im Primärkreis 122 entfallen. In dem Fall der eingespeisten Gleichspannung wird dann nach dem Generatorprinzip in der Sekundärwicklung 136 die Sekundärspannung erzeugt.
2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der die Primärspule und die Sekundärspule gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nach 1A und 1B dargestellt sind.
Wie in 2 dargestellt, können die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 nach der ersten Ausführung nach 1A und nach der zweiten Ausführung nach 1B derart angeordnet sein, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 130, 136 bezüglich der Rotationsachse 116 ausschließlich in einem bestimmten Teilbereich von 360 Grad einmal pro Umdrehung des Rotors 114 erfolgt. Um dies zu erreichen, erstrecken sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse 116 nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad, so dass die mit dem Rotor 114 drehende Sekundärspule 136 einmal pro Umdrehung des Rotors 114 an der feststehenden Primärspule 130 vorbeibewegt wird. Beim Vorbeibewegen stehen sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 kurzzeitig gegenüber. Während der Vorbeibewegung wird durch induktive Kopplung eine Sekundärspannung in der Sekundärspule 136 induziert. Die magnetische Kopplung der beiden Spulen 130,136 ist bei der Ausführung nach 1A und 1B abhängig von der Drehlage der beiden Spulen 130,136 zueinander und wird maximal, wenn die Spulenachsen der beiden Spulen 130,136 zueinander fluchten.
Gemäß der ersten Ausführung nach 1A sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 zueinander beabstandet und in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 in einem gemeinsamen radialen Bereich vorgesehen, der eine induktive Kopplung erlaubt. Beispielsweise sind die Spulenachsen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 auf dem gleichen Radius bezüglich der Rotationsachse 116 angeordnet und fluchten damit zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,134 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der radialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,34 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen.
Gemäß der zweiten Ausführung nach 1B sind die Spulenachsen der Primärspule 130 und der Sekundärspule 134 in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 ausgerichtet, wobei eine der beiden Spulen 130,134, beispielsweise die Primärspule 130, radial weiter außerhalb als die andere Spule 130,134 angeordnet ist. Beispielsweise fluchten die Spulenachsen der beiden Spulen 130,134 zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,134 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der axialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,34 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen.
Gemäß der ersten und zweiten Ausführung in 1A und 1B kann die Signalspannung des Signalgenerators 128 eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein, um eine Sekundärspannung im Sekundärkreis 124 aufgrund einer Änderung eines Magnetfeldes zu induzieren und damit die induktive Kopplung der beiden Spulen 130, 136 zu erreichen.
Falls vorgesehen, ist die Wechselspannung eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform.
Alternativ können die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 gemäß einer dritten Ausführung nach 1C derart angeordnet sein, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 130, 136 unabhängig von einer Drehung des Rotors 114 über 360 Grad bezüglich der Rotationsachse 116 vorliegt. Um dies zu erreichen, verlaufen die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors 114 herum. Dabei liegt eine der beiden Spulen 130,136, beispielsweise die Sekundärspule 136, bezüglich der Rotationsachse 116 radial innerhalb der anderen Spule 130,136, beispielsweise der Primärspule 130. Außerdem sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse 116 des Rotors 114 fluchtet.
Bei dieser dritten Ausführung kann die Signalspannung des Signalgenerators 128 nur eine Wechselspannung sein, um eine Sekundärspannung im Sekundärkreis 124 aufgrund einer Änderung eines Magnetfeldes zu induzieren und damit die induktive Kopplung der beiden Spulen 130, 136 zu erreichen. Die Wechselspannung ist eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform.
Temperaturänderungen am Rotor 114 erzeugen eine Widerstandsänderung der temperaturabhängigen elektrischen Last 138. Diese temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 138 führt zu einer Änderung der Amplitude des Primärstroms I_primär des Primärkreises 122. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der Amplitude des Primärstroms I_primär im Primärkreis 122 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 114. Daher wird der Primärstrom I_primär in dem Primärkreis 122 mittels der Messvorrichtung 126 erfasst und daraus die Temperatur des Rotors 114 an der Position der temperaturabhängigen Last 138 bestimmt bzw. ermittelt. Dies geschieht beispielsweise mittels einer in einem elektronischen Speicher eines Steuergerätes abgelegten Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einer gemessenen Amplitude des Primärstroms I_primär und einer zugehörigen Temperatur des Rotors 114 vorliegt. Das elektronische Steuergerät kann ein Steuergerät der elektrischen Maschine oder ein externes Steuergerät sein.
Erfindungsgemäß erfolgt also eine kabellose Signalübertragung. Das Signal, welches übertragen werden kann, ist die Temperatur des Rotors 114. Die Temperatur-Information ist indirekt Teil des Sekundärstroms bzw. über die induktiv gekoppelten Spulen 130,136 auch Teil des Primärstroms. Selbstverständlich erfolgt die Signalübertragung nur bei Einspeisen der Signalspannung.
Der Kondensator 132 verändert das Übertragungssystem der Einrichtung 110 und somit das Systemverhalten, was zur Einstellung der Messgenauigkeit der Einrichtung 110 verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007062712 A1 [0002]
EP 2853873 A1 [0003]

Claims

Elektrische Maschine (112) mit einem Stator (118), einem Rotor (114) und einer Einrichtung (110) zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors (114), wobei die Einrichtung (110) umfasst: - einen am Stator (118) oder an einem Gehäuse (120) der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis (122), der - eine Messvorrichtung (126) zum Erfassen eines elektrischen Stroms I_primär im Primärkreis (122) oder zum Erfassen einer den Strom I_primär charakterisierenden Größe, - einen Signalgenerator (128) zum Erzeugen einer in den Primärkreis (122) einzuspeisenden Signalspannung oder zwei Anschlüsse (127) zum Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis (122), - mindestens eine Primärspule (130) und - insbesondere einen Kondensator (132) zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis (122) aufweist; - einen am Rotor (114) ausgebildeten Sekundärkreis (124), der - mindestens eine Sekundärspule (134) aufweist, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule (130) angeordnet ist, wobei - der Sekundärkreis (124) mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last (138) aufweist, insbesondere einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, - die Einrichtung (110) eingerichtet ist, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124) eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (138) fließender Sekundärstrom Isekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms I_sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis (122) bewirkt wird, - die Einrichtung (110) weiterhin eingerichtet ist, den Primärstrom I_primär mittels der Messvorrichtung (126) zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die temperaturabhängige Last (138) ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) derart angeordnet sind, dass die induktive Kopplung zwischen der Primärspule (130) und der Sekundärspule (136) einmal pro Umdrehung des Rotors (114) ausschließlich in einem bestimmten Drehlagenbereich des Rotors (114) erreicht wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) sich in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse (116) nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad erstrecken und wobei beide Spulen (130,136) mit ihren Spulenachsen in axialer Richtung oder in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse (116) ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) sich jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors (114) herum erstrecken, wobei eine der beiden Spulen (130,136) bezüglich der Rotationsachse (116) des Rotors (114) derart radial innerhalb der anderen Spule (130,136) angeordnet ist, dass in jeder Drehlage des Rotors (114) eine induktive Kopplung der beiden Spulen (130,136) erreicht ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse (116) des Rotors (114) fluchtet.
Elektrische Maschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die temperaturabhängige Last (138) in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule (134) ist.
Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (114) einer elektrischen Maschine (112), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen der elektrischen Maschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Induzieren der Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124), wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (138) fließender Sekundärstrom I_sekundär im Sekundärkreis (124) und infolge des Sekundärstroms I_sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I_primär im Primärkreis (122) bewirkt wird; c) Erfassen des Primärstroms I_primär mittels der Messvorrichtung (126) und Ermitteln der Temperatur des Rotors (114), insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Signalspannung eingespeist wird, wenn die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) gegenüberliegend angeordnet sind.