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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung, z.B. zur Messung der Wellenspannung eines Elektromotors, auf einen entsprechenden Elektromotor und auf ein Verfahren zur Messung einer solchen Wellenspannung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Wunsch zugrunde, die Messung der Wellenspannung, z.B. von elektrischen Maschinen, zu verbessern. Es wurde festgestellt, dass die Welle von Elektromotoren in einer äußeren Schaltungsumgebung verschiedene Schwierigkeiten bewirken kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass die rotierende Welle eines umrichterbetriebenen Elektromotors eine direkte Abstrahlung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern abgeben kann, die EMV-Probleme verursachen. Dies bedeutet, dass die rotierende Welle eines Elektromotors wie eine Antenne wirken und Rauschen abstrahlen kann. Das abgestrahlte Rauschen ist abhängig von der geometrischen Position der Antenne zur Motorwelle.
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Mittlerweile wird dieses Wellenrauschen in der Regel nicht mehr über die Antenne gemessen, sondern durch direkte Wellenspannungsmessung mit einer Spannungssonde.
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Die Motorwelle strahlt elektromagnetisches Rauschen ab, wenn die Welle nicht extern geerdet ist.
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In der Vergangenheit wurde bei der EMV-Verifikationsmessung der E-Maschine (mit Leistungselektronik) in einer kleinen EMV-Kammer nur das abgestrahlte Rauschen mit Antenne gemessen.
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Mittlerweile ersetzt in der Regel die Wellenspannungsmessung („Wellenrauschen“) die Messung des abgestrahlten Rauschens der Welle über Antenne und ist damit dann eine bessere Methode zur Abschätzung des EMV-Verhaltens der E-Maschinen-Welle innerhalb z.B. eines Fahrzeugs.
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Weiterhin ist eine drehbare Welle eines Elektromotors meist über Lager mit dem Gehäuse des Elektromotors gekoppelt. Die elektrische Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse des Elektromotors kann von der Drehfrequenz (Drehzahl) des Motors abhängen. Die Kopplung zwischen der Welle und dem Gehäuse ist also frequenzabhängig. Weiterhin kann es kapazitive Kopplungen zwischen verschiedenen Komponenten eines Elektromotors geben, wie z. B. die Kopplung zwischen der am Gehäuse befestigten Wicklung, der an der drehbaren Welle befestigten Wicklung und den Kapazitäten der Lager.
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Das allgemeine Konzept zur Bestimmung der Wellenspannung einer rotierenden Welle eines Elektromotors basiert auf einem direkten Kontakt zur Welle, z. B. über eine elektrische Sonde wie eine Bürste. Der elektrische Kontakt zwischen der Sonde und der Welle reißt jedoch ständig ab und wird mit der Zeit inhomogen, was zu fehlerhaften Hochfrequenzstörungen führt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Positionierung der Sonde an verschiedenen Längspositionen der Welle unterschiedliche gemessene Wellenspannungen liefert, was zu einer mangelnden Reproduzierbarkeit der Messergebnisse führt.
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Weiterhin sind aus der
DE 2017 109 049 A1 Verfahren zur Kompensation einer Wellenspannung bekannt.
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Gewünscht ist jedoch die Möglichkeit, die Wellenspannung eines drehbaren oder rotierenden Elektromotors so genau zu bestimmen, dass in einem weiten Frequenzbereich der Drehfrequenz des Elektromotors und in einem weiten Frequenzbereich der Wellenspannung ein reproduzierbares Signal ohne Einfluss der Details des Messaufbaus erhalten werden kann.
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Zu diesem Zweck wird eine Messvorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch bereitgestellt. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und/oder bevorzugte Verfahren zur Messung angegeben.
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Die Messvorrichtung umfasst eine drehbare Welle, eine erste leitende Fläche, eine zweite leitende Fläche und einen Ausgangsanschluss. Die erste leitende Fläche ist mechanisch und elektrisch mit der drehbaren Welle verbunden. Die erste und die zweite leitende Fläche sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der Ausgangsanschluss ist kapazitiv mit der drehbaren Welle gekoppelt. Es wurde herausgefunden, dass mit einer solchen Messvorrichtung, die mit kompakten räumlichen Abmessungen und einer geringen Leistungsaufnahme realisiert werden kann, eine genaue Darstellung der Wellenspannung in einem breiten Bereich von Drehfrequenzen und in einem Breiten Bereich von Signalfrequenzen reproduzierbar erreicht werden kann.
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Die Messvorrichtung basiert auf einer berührungslosen Messung der Wellenspannung. Diese wird durch die kapazitive Kopplung zwischen der ersten leitenden Fläche und der zweiten leitenden Fläche erreicht. Es ist möglich, dass die erste leitende Fläche und die zweite leitende Fläche die Elektroden des Kondensators bilden, wobei die erste leitende Fläche mit der Welle rotiert und die zweite leitende Fläche fest, z. B. am Gehäuse der Messvorrichtung und/oder am Gehäuse des Elektromotors befestigt ist. Durch das Fehlen von direkten Kontakten werden Störimpulse vermieden, die durch schlechten Kontakt der Messfühler auf der rotierenden Welle entstehen können. Verschleiß wird vollständig eliminiert und es kann ein klares Messsignal in einem weiten Frequenzbereich der Drehfrequenz der Welle und in einem weiten Frequenzbereich des erhaltenen Spannungssignals erhalten werden.
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Es ist möglich, dass die erste und zweite leitende Fläche Scheiben oder scheibenförmige Objekte oder Seitenflächen von Rohren sind. Wenn für die erste und zweite leitende Fläche scheibenförmige Elemente verwendet werden, dann kann eine orthogonale Richtung der Flächen parallel zur Längsrichtung der Welle sein. Werden Seitenflächen von Rohren als erste und zweite leitende Flächen verwendet, so können die ersten und zweiten leitenden Flächen bevorzugt ineinander verschachtelt sein.
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Es ist möglich, dass die Messvorrichtung weiterhin eine dritte leitende Fläche aufweist. Die dritte leitende Fläche kann elektrisch mit der ersten leitenden Fläche oder mit der zweiten leitenden Fläche verbunden sein. In diesem Fall wird die Kapazität des kapazitiven Elements, das die erste leitende Fläche und die zweite leitende Fläche umfasst, wesentlich erhöht, was zu einer wesentlichen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt, auch bei kleineren Bereichen der leitenden Flächen.
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Die Kapazität eines Kondensators hängt linear von der Fläche der Elektroden des Kondensators und reziprok vom Abstand zwischen den Elektroden des Kondensators ab. Dabei ist es möglich, die erste und zweite leitende Fläche so anzuordnen, dass exzentrische Abweichungen, die durch eine nicht perfekte Drehung der Welle verursacht werden, zu kleineren Schwankungen des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss führen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn die leitenden Flächen scheibenförmig sind.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Messvorrichtung eine leitende Abschirmung aufweist, die zumindest einen Abschnitt der ersten, zweiten oder dritten Fläche umschließt. Eine Abschirmung verbessert im Allgemeinen das Signal-Rausch-Verhältnis. Die Abschirmung kann eine Umhüllung aus einem leitenden Material, wie z. B. Metall, umfassen. Weiterhin kann die Abschirmung eine Öffnung aufweisen, so dass eine leitende Oberfläche innerhalb der Abschirmung mit einer externen Schaltungsumgebung gekoppelt werden kann.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung elektrisch mit einem Massepotential verbunden ist.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Messvorrichtung eine Auswerteschaltung umfasst, die elektrisch zwischen der zweiten leitenden Fläche und dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
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Die Auswerteschaltung kann eine analoge oder digitale Schaltung umfassen, die hilft, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und ein Signal zu erhalten, das proportional zur Spannung zwischen Welle und Masse ist.
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Es ist insbesondere möglich, dass die Auswerteschaltung ein kapazitives Element und ein Widerstandselement umfasst. Das Widerstandselement kann elektrisch parallel zu dem Kapazitätselement geschaltet sein.
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Das kapazitive Element und das Widerstandselement der Messvorrichtung können einen Impedanzwandler bilden oder Teil eines Verstärkers sein, um eine definierte Ausgangsimpedanz, z. B. 50 Q am Ausgang, bereitzustellen.
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Insbesondere ist es möglich, dass das Kapazitätselement und das Widerstandselement elektrisch zwischen der zweiten leitenden Fläche und Masse verbunden sind.
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Es ist möglich, dass der Ausgangsanschluss über ein Widerstandselement mit der Auswerteschaltung gekoppelt ist.
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Es ist möglich, dass die drehbare Welle der Messvorrichtung mit der drehbaren Welle eines Elektromotors mechanisch verbindbar ist oder dass die drehbare Welle die drehbare Welle eines Elektromotors ist. Im zweiten Fall kann die Messvorrichtung im Wesentlichen in das Gehäuse des Elektromotors eingebaut werden.
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Es ist möglich, dass die drehbare Welle mit einer hydraulischen Vorrichtung oder mit einem Getriebe verbindbar ist.
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Es ist möglich, dass die Messvorrichtung an ihrem Ausgangsanschluss ein Signal abgibt, das im Wesentlichen proportional zur Spannung zwischen der drehbaren Welle und Masse ist.
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Wie oben bereits angedeutet, ist es möglich, dass ein Elektromotor eine Messvorrichtung wie oben angegeben umfasst.
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Ein Verfahren zum Herstellen der Wellenspannung eines Elektromotors, z.B. über eine Messvorrichtung wie oben angegeben, kann Folgendes umfassen:
- - Gewinnen eines Messsignals aus dem Ausgangsanschluss.
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Dabei wird die Messung ohne direkten Kontakt zwischen der ersten leitenden Oberfläche und der zweiten leitenden Oberfläche durchgeführt.
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Weiterhin kann das oben genannte Verfahren eine Multiplikation auf Basis von Kalibrierdaten umfassen.
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Über die Kalibrierung können Proportionalitäts-Faktoren zwischen einer gemessenen Spannung und der tatsächlichen Spannung für einen weiten Frequenzbereich von Drehfrequenzen und für einen weiten Frequenzbereich von Signalfrequenzen erhalten werden. Dabei können die Proportionalitäts-Faktoren in einer Lookup-Tabelle mit zwei oder mehr Dimensionen gespeichert werden. Die Werte der Lookup-Tabelle können an die geometrischen Details der jeweiligen Messvorrichtung angepasst werden, so dass eine systemunabhängige Wellenspannung mit hoher Genauigkeit für unterschiedliche Messgerätetypen bereitgestellt werden kann.
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Es ist möglich, dass die erste leitende Fläche über federbelastete Elemente mechanisch mit der Welle verbunden ist, insbesondere wenn die erste leitende Fläche die Außenfläche/Mantelfläche eines Rohres ist. Ein Kapazitätselement, das über die erste leitende Fläche und die zweite leitende Fläche aufgebaut ist, und ein zweites Kapazitätselement, das über die zweite leitende Fläche und die dritte leitende Fläche oder über die zweite leitende Fläche und die Abschirmung aufgebaut ist, können einen kapazitiven Spannungsteiler aufbauen. Ein elektrisches Feld zwischen der ersten leitenden Oberfläche und der zweiten leitenden Oberfläche und zwischen der zweiten leitenden Oberfläche und der dritten leitenden Oberfläche oder der Abschirmung kann einen Spannungsabfall in dem kapazitiven Spannungsteiler bewirken, der über die Auswerteschaltung auswertbar ist. Der Spannungsabfall kann kalibriert werden. Das heißt, es können Proportionalitäts-Faktoren ermittelt werden, um durch Multiplikation mit dem ermittelten Spannungsabfall die reale Wellenspannung zu erhalten. Die Kalibrierung kann durch Einspeisung einer bekannten Spannung zwischen Welle und Masse erfolgen. Dies kann bei keiner Drehung der drehbaren Welle oder bei verschiedenen Drehfrequenzen der Welle durchgeführt werden.
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Die zweite leitende Fläche kann mechanisch im Gehäuse der Messvorrichtung unter Verwendung von nicht leitenden Befestigungselementen verbunden werden.
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Grundlegende Funktionsprinzipien und Details von bevorzugten Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine Messvorrichtung mit rohrförmigen leitenden Flächen;
- 2 einen Querschnitt durch eine Messvorrichtung, die eine Scheibe als erste leitende Fläche verwendet;
- 3 eine scheibenförmige oder scheibenartig geformte erste leitende Oberfläche und eine zweite leitende Oberfläche mit einer Scheibe, die in der Mitte ein Loch aufweist, durch das die drehbare Welle hindurchgeht;
- 4 einen Querschnitt durch Grundelemente einer Messvorrichtung mit einer dritten leitenden Fläche, die mit der zweiten leitenden Fläche elektrisch verbunden ist;
- 5 Elemente einer Messvorrichtung, die eine Abschirmung umfaßt;
- 6 einen Querschnitt durch rohrförmige leitende Flächen, wobei die zweite Fläche zwischen der ersten und der dritten leitenden Fläche angeordnet ist;
- 7 Elemente einer Messvorrichtung mit einer Auswerteschaltung, die elektrisch zwischen der zweiten leitenden Fläche und dem Ausgangsanschluß angeschlossen ist;
- 8 Elemente der Messvorrichtung mit nichtleitenden Befestigungselementen zur Fixierung der zweiten leitenden Fläche an ihrer vorgesehenen Position;
- 9 Schaltungselemente in einem Ersatzschaltbild der Messvorrichtung mit einer Auswerteschaltung;
- 10 Mittel- und Spitzenwerte einer kontaktbasierten Spannungsmessung.
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zeigt grundlegende Elemente einer Messvorrichtung MD, bei der die leitenden Flächen rohrförmig sind. Die erste leitende Fläche CS1 ist um die drehbare Welle RS angeordnet und elektrisch mit der drehbaren Welle RS verbunden. In der Nähe der ersten leitenden Fläche CS1 ist die zweite leitende Fläche CS2 so angeordnet, dass die zweite leitende Fläche CS2 die erste leitende Fläche CS1 nicht berührt, sondern die erste leitende Fläche CS1 umgibt, so dass die zweite leitende Fläche CS2 kapazitiv mit der ersten leitenden Fläche CS1 gekoppelt ist. Weiterhin ist die zweite leitende Fläche CS2 mit dem Ausgangsanschluss OUT gekoppelt. Wenn der Ausgangsanschluss OUT elektrisch mit einer externen Schaltungsumgebung verbunden ist, kann über die kapazitive Kopplung zwischen den beiden leitenden Oberflächen ein Signal erhalten werden, das die an der ersten leitenden Oberfläche CS1 angesammelte Ladung anzeigt. Dabei ist zu beachten, dass die Funktion der zweiten leitenden Fläche CS2 nicht unbedingt eine Verbindung zu einem Massepotential benötigt. Die in der Schaltungstopologie von gezeigte zweite leitende Fläche ist eine massefreie Elektrode und kann, obwohl sie eine massefreie Elektrode ist, ein Signal liefern, das die Wellenspannung anzeigt.
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2 zeigt eine Messvorrichtung, bei der zumindest für die erste leitende Fläche CS1 scheibenförmige Elemente als leitende Flächen verwendet werden. Die zweite leitende Fläche CS2 besteht aus einem Oberflächensegment, das der ersten leitenden Fläche CS1 gegenüberliegt, so dass die kapazitive Kopplung erreicht wird.
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Das Signal-Rausch-Verhältnis kann jedoch mit einer verbesserten Kopplungsfläche verbessert werden. Daher zeigt auch die Möglichkeit, die drehbare Welle RS3 vollständig mit der zweiten leitenden Fläche CS2 zu umgeben.
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zeigt eine Konfiguration, bei der das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert wird, indem eine zusätzliche leitende Fläche CS3 vorgesehen wird, so dass die erste leitende Fläche CS1 zwischen der zweiten leitenden Fläche CS2 und der dritten leitenden Fläche CS3 angeordnet ist. Die zweite leitende Fläche CS2 ist direkt mit der dritten leitenden Fläche CS3 verbunden. Dadurch wird die Wirkung der kapazitiven Kopplung im Wesentlichen verdoppelt.
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Zur weiteren Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zeigt die Bereitstellung einer Abschirmung SH aus einem leitenden Material, so dass äußere Einflüsse auf die kapazitive Kopplung minimiert werden.
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zeigt die Möglichkeit von verschachtelten leitenden Flächen bei Verwendung von rohrförmigen Flächen. In diesem Fall ist die dritte leitende Fläche elektrisch mit der ersten leitenden Fläche verbunden und die zweite leitende Fläche CS2 ist zwischen der ersten und der zweiten leitenden Fläche angeordnet.
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zeigt die Möglichkeit, zwischen der zweiten leitenden Fläche CS2 und dem Ausgangsanschluss OUT eine Auswerteschaltung EC vorzusehen, um die Signalqualität weiter zu verbessern oder das Auslesen des Signals zu vereinfachen.
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zeigt eine Konfiguration, bei der die erste leitende Fläche CS1 über Federelemente SP an der drehbaren Welle RS befestigt ist. Der Schirm SH ist mit dem Massepotential verbunden. Bezogen auf die Mitte der drehbaren Welle haben die erste leitende Fläche, die zweite leitende Fläche und die Abschirmung SH bestimmte Durchmesser. Die Unterschiede in den Durchmessern entsprechen den Abständen der Elektroden der entsprechenden Kapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers.
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Die auf die erste und zweite leitende Fläche CS1, CS2 bezogene Kapazität kann z. B. zwischen 100 pF und 200 pF liegen. Die Kapazität bezogen auf die zweite leitende Fläche CS2 und die Abschirmung kann z. B. zwischen 100 pF und 200 pF liegen.
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Die Kapazitätswerte sind ein Kompromiss zwischen (bevorzugt) großen Kapazitätswerten und Kompaktheit (insbesondere Kürze in Längsrichtung der Welle) der Vorrichtung.
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Weiterhin umfasst die Messvorrichtung MD nichtleitende Befestigungselemente NME, um die zweite leitende Fläche CS2 in einem konstanten Abstand zur ersten leitenden Fläche CS1 und zum Schirm SH zu fixieren.
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Die Messvorrichtung MD kann direkt an einem Elektromotor EM angebracht werden, so dass die erste leitende Fläche CS1 an der drehbaren Welle RS des Elektromotors EM befestigt ist, während die zweite leitende Fläche CS2 und die Abschirmung SH mit dem Gehäuse des Elektromotors EM verbunden sind.
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Weiterhin weist die Abschirmung SH eine Öffnung auf, über die die Auswerteschaltung EC mit der zweiten leitenden Fläche CS2 verbunden werden kann, die kapazitiv mit der an der drehbaren Welle des Elektromotors angebrachten ersten leitenden Fläche CS1 gekoppelt ist.
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9 zeigt Schaltungselemente eines Ersatzschaltbildes des Elektromotors EM und des kapazitiven Spannungsteilers der Messvorrichtung MD und der Auswerteschaltung EC.
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Die Wellenspannung des Elektromotors EM wird im Wesentlichen durch die Kapazität zwischen der Wicklung und dem Stator bestimmt, die durch das ganz linke Kapazitätselement dargestellt wird. Weiterhin wird die Wellenspannung durch eine Parallelschaltung von drei Kapazitätselementen bestimmt, die eine erste und eine zweite Lagerkapazität und die Rotor-Stator-Kapazität darstellen. Weiterhin wird die Wellenspannung durch eine weitere Kapazität bestimmt, die über ein Kapazitätselement in dargestellt wird, das elektrisch in Reihe zu der dreifachen Parallelschaltung geschaltet ist. Diese Kapazität stellt die Wicklungs-Rotor-Kapazität dar.
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Weiterhin ist im Ersatzschaltbild des Elektromotors EM ein Widerstandselement angegeben, das den Widerstand der Lager bei nicht drehender Welle darstellt.
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Der kapazitive Spannungsteiler der Messvorrichtung MD besteht aus zwei kapazitiven Elementen mit drei Elektroden. Die erste Elektrode ist über die erste leitende Fläche CS1 realisiert. Eine zweite Elektrode ist über die Abschirmung SH und die Mittelelektrode ist als zweite leitende Fläche CS2 realisiert. Die erste leitende Fläche CS1 ist elektrisch mit dem Wellenpotential und der Schirm SH ist elektrisch mit dem Massepotential verbunden. Über die zweite leitende Fläche CS2 kann das Kapazitätsverhältnis ermittelt werden, so dass die Spannung der Welle gegenüber Masse bestimmt werden kann. Dazu weist die Auswerteschaltung EC die Parallelschaltung eines ersten Kapazitätselements CE1 und eines ersten Widerstandselements RE1 auf. Weiterhin ist der Ausgang OUT über ein zweites Widerstandselement RE2 mit der Parallelschaltung aus dem ersten kapazitiven Element und dem ersten Widerstandselement RE1 verbunden.
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zeigt - mit willkürlichen Einheiten - einen Vergleich zwischen Spitzenwerten und Durchschnittswerten eines EMI-Empfängers einer kontaktbasierten Messung, der das Problem der kurzzeitigen Kontaktverluste, die zu den Spitzen der oberen Kurve führen, deutlich macht.
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Die Messvorrichtung, der Elektromotor und das Messverfahren sind nicht auf die in den Figuren gezeigten oder oben genannten Details beschränkt. Die Messvorrichtung kann weitere Elemente oder Schaltungen umfassen, z. B. passive oder aktive Schaltungen zur weiteren Filterung des Ausgangssignals. Insbesondere kann die Messvorrichtung eine integrierte Schaltung zur Bereitstellung eines digitalen Ausgangssignals auf der Basis von Kalibrierdaten unter Verwendung einer Lookup-Tabelle umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- CE1
- erstes Kapazitätselement
- CS1, CS2 ,CS3
- erste, zweite, dritte leitende Fläche
- EC
- Auswerteschaltung
- EM
- Elektromotor
- MD
- Messvorrichtung
- OUT
- Ausgangsanschluss
- RE1, RE2
- erstes, zweites Widerstandselement
- RS
- drehbare Welle
- SH
- Abschirmung
- SP
- Federelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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