DE102021203596A1

DE102021203596A1 - Anordnung zum kontaktlosen Übertragen einer Information sowie Elektromotor und Ventilator mit einer derartigen Anordnung

Info

Publication number: DE102021203596A1
Application number: DE102021203596.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Schnell
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Es ist eine Anordnung zum kontaktlosen Übertragen einer Information von einer Informationsquelle offenbart. Die Anordnung umfasst eine erste Spule (9), eine zweite Spule (10), eine Erregereinrichtung (17) und eine Empfangseinrichtung (16). Dabei ist die Erregereinrichtung (17) zum Erzeugen eines Erregerstroms (20) durch die erste Spule (9) ausgebildet. Die erste Spule (9) und die zweite Spule (10) sind relativ zueinander bewegbar, wobei sich die zweite Spule (10) zumindest zeitweise in einem Einflussbereich der ersten Spule (9) bewegt, wodurch ein durch den Erregerstrom (20) erzeugtes Magnetfeld eine Spannung in der zweiten Spule (10) induziert. Die Informationsquelle (14) ist elektrisch mit der zweiten Spule (10) verbunden, wobei die Informationsquelle dazu ausgebildet ist, eine Belastung der zweiten Spule (10) zu bilden, wobei die Belastung von einer zu übertragenden Information abhängig ist. Die Empfangseinrichtung (16) ist elektrisch mit der ersten Spule (9) verbunden und dazu ausgebildet, eine Änderung einer elektrischen Größe, vorzugsweise eine Spannungsänderung oder eine Stromänderung, an der ersten Spule (9) infolge eines Vorbeibewegens der zweiten Spule (10) an der ersten Spule (9) oder der ersten Spule (9) an der zweiten Spule (10) zu erfassen und auszuwerten.Es ist ferner ein Elektromotor und ein Ventilator mit einer entsprechenden Anordnung offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum kontaktlosen Übertragen einer Information von einer Informationsquelle sowie ein Elektromotor und ein Ventilator mit einer derartigen Anordnung.
In der Praxis müssen immer wieder Informationen von einer Informationsquelle zu einer Empfangseinrichtung kontaktlos übertragen werden, das heißt, dass die Übertragung der Informationen nicht oder nicht vollständig kabelgebunden erfolgt/erfolgen kann. Derartige Informationen können beispielsweise Messwerte eines Sensors umfassen. Die typischerweise hierbei verwendete Übertragung per Funk oder Licht scheidet bei einigen Anwendungsfällen aus, da beispielsweise auf Seite der Informationsquelle nicht ausreichend Energie oder Platz für erforderliche Übertragungseinrichtungen zur Verfügung steht oder zu erwartende Verschmutzungen einen zuverlässigen Betrieb unterbinden würden.
Ein derartiger Anwendungsfall liegt beispielsweise bei Elektromotoren vor, bei denen eine Temperatur eines Lagers für eine Motorwelle/Motorachse gemessen werden soll. Diese Anforderung kann verschiedene Gründe haben. Zu heiße Lager können beispielsweise eine Isolierung zerstören, die zur Vermeidung von schädigenden Lagerströmen zwischen Lager und Motorwelle/Motorachse und/oder zwischen Lager und Stator vorhanden sind. Durch eine zerstörte Isolierung kann die Motorwelle/Motorachse nicht mehr stabil gehalten werden, wodurch eine Überbeanspruchung von mechanischen Komponenten des Elektromotors, beispielsweise der Lager, entstehen kann. Zudem führen hohe Lagertemperaturen zu einem erhöhten Verschleiß, da beispielsweise Lagerfett bei hohen Temperaturen leichter aus dem Lager austreten oder eine für den regulären Betrieb unvorteilhafte Viskosität annehmen kann. Darüber hinaus deuten hohe Lagertemperaturen meist auf Probleme hin, wie beispielsweise fortgeschrittene Abnutzung, fehlerhafter Einbau, Überbeanspruchung einzelner mechanischer Komponenten oder dergleichen. Ein Messen der Lagertemperatur kann daher dazu beitragen, aufkommende Probleme frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig vor Ausfall des Elektromotors Gegenmaßnahmen einzuleiten, beispielsweise durch eine vorausschauende Wartung.
Problematisch an dem Messen der Lagertemperatur ist, dass ein Temperatursensor auf Statorseite meist aus Platzgründen nicht angebracht werden kann, unabhängig davon an welcher Stelle des Lagers eine Temperaturmessung erfolgen soll. Ein am Rotor oder an der Motorwelle/Motorachse angebrachter Temperatursensor kann nicht kabelgebunden betrieben werden, sodass eine kontaktlose Übertragung benötigt wird. Aufgrund der mechanischen Beanspruchung, des geringen Platzangebots und einer problematischen Energieversorgung eines rotorseitigen Temperatursensors scheiden viele kontaktlose Übertragungsmöglichkeiten jedoch aus.
Aus der DE 197 39 587 A1 ist eine Temperaturüberwachungsanordnung bekannt, die berührungslos die Temperatur eines Rotors eines Elektromotors messen kann. Hierzu ist an dem Stator eine Wicklung angeordnet, die Teil eines ersten Stromkreises ist und mit einer Wechselspannung gespeist wird. An dem Rotor ist eine Wicklung angeordnet, die Teil eines zweiten Stromkreises und magnetisch mit der Wicklung des ersten Stromkreises gekoppelt ist. Der zweite Stromkreis umfasst zusätzlich einen Temperatursensor. Eine Änderung des Widerstands des Temperatursensors wirkt transformatorisch auf den ersten Stromkreis zurück. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Wicklungen an Rotor und Stator komplex aufgebaut sind und dadurch erhebliche Zusatzkosten hervorgerufen werden. Zudem ist der Platzbedarf dieser Wicklungen nicht unerheblich.
Ganz ähnliche Probleme treten auch bei Anwendungsszenarien auf, bei denen eine andere zu übertragende Information von einer rotorseitigen Informationsquelle zu einer statorseitigen Empfangseinrichtung übertragen werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung, einen Elektromotor und einen Ventilator der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine kontaktlose Übertragung einer Information, beispielsweise eines Messwerts eines Sensors, mit einfachen Mitteln und geringen Kosten erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst die in Rede stehende Anordnung eine erste Spule, eine zweite Spule, eine Erregereinrichtung und eine Empfangseinrichtung,
wobei die Erregereinrichtung zum Erzeugen eines Erregerstroms durch die erste Spule ausgebildet ist,
wobei die erste Spule und die zweite Spule relativ zueinander bewegbar sind,
wobei sich die zweite Spule zumindest zeitweise in einem Einflussbereich der ersten Spule bewegt und dadurch ein durch den Erregerstrom erzeugtes Magnetfeld eine Spannung in der zweiten Spule induziert,
wobei die Informationsquelle elektrisch mit der zweiten Spule verbunden ist, wobei die Informationsquelle dazu ausgebildet ist, eine Belastung der zweiten Spule zu bilden, wobei die Belastung von einer zu übertragenden Information abhängig ist, und
wobei die Empfangseinrichtung elektrisch mit der ersten Spule verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Änderung einer elektrischen Größe, vorzugsweise eine Spannungsänderung oder eine Stromänderung, an der ersten Spule infolge eines Vorbeibewegens der zweiten Spule an der ersten Spule oder der ersten Spule an der zweiten Spule zu erfassen und auszuwerten.
Hinsichtlich eines Elektromotors ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Danach umfasst der Elektromotor eine erfindungsgemäße Anordnung, einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor relativ zu dem Stator um eine Motorachse oder eine Motorwelle drehbar gelagert ist, wobei die erste Spule der Anordnung an dem Stator und die zweite Spule der Anordnung an dem Rotor angeordnet sind, sodass die zweite Spule auf einer Kreisbahn und wiederholt an der ersten Spule vorbei bewegbar ist.
Hinsichtlich eines Ventilators ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Danach umfasst der Ventilator ein Laufrad und einen erfindungsgemäßen Elektromotor, wobei das Laufrad mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass für ein kontaktloses Übertragen einer Information eine dauerhafte magnetische Kopplung zwischen einer Informationsquellenseite und Empfangseinrichtungsseite nicht erforderlich ist. Es ist vielmehr ausreichend, wenn aus einem Signal bei der Empfangseinrichtung auf eine zu übertragende Information zurückgeschlossen werden kann. Dabei reichen bereits kurzfristige Änderungen eines Signals aus. Diese Erkenntnis kann bei der hier offenbarten Anordnung genutzt werden.
Eine erfindungsgemäße Anordnung weist eine erste Spule, eine zweite Spule, eine Erregereinrichtung und eine Empfangseinrichtung auf. Zudem kann die Informationsquelle, von der die zu übertragende Information ausgeht, als Bestandteil der Anordnung aufgefasst werden. Die Erregereinrichtung wird dazu genutzt, einen Erregerstrom in der ersten Spule zu erzeugen, wodurch sich in einem Einflussbereich der ersten Spule ein Magnetfeld ausbildet. Die Informationsquelle ist elektrisch mit der zweiten Spule verbunden. Dies kann beispielsweise bei einem Sensor als Informationsquelle bedeuten, dass bei einem Sensor mit zwei Anschlüssen ein erster Anschluss des Sensors mit einem ersten Anschluss der Spule und ein zweiter Anschluss des Sensors mit einem zweiten Anschluss der Spule verbunden ist. Durch diese elektrische Verbindung stellt die Informationsquelle eine Belastung für die zweite Spule dar, wobei die Belastung von einer zu übertragenden Information abhängt.
Wenn nun die zweite Spule an der ersten Spule oder die erste Spule an der zweiten Spule vorbei bewegt wird, gerät die zweite Spule zumindest zeitweise in den Einflussbereich der ersten Spule. Beruhend auf dem Induktionsgesetz induziert das Magnetfeld, das durch den Erregerstrom in der ersten Spule erzeugt wird, in der zweiten Spule eine Spannung. Aufgrund der Belastung der zweiten Spule durch die Informationsquelle entsteht ein Stromfluss in der zweiten Spule, der von der zu übertragenden Information abhängig ist. Gleichzeitig beeinflusst die zweite Spule samt Informationsquelle die erste Spule, sodass eine Änderung einer elektrischen Größe an der ersten Spule detektierbar ist. Diese Änderung kann beispielsweise eine Spannungsänderung oder eine Stromänderung umfassen. Diese Änderung kann durch die Empfangseinrichtung erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise entsteht ein Signal, das von der zu übertragenden Information abhängt, und die zu übertragende Information wird kontaktlos von der Informationsquelle zu der Empfangseinrichtung übertragen. Gleichzeitig liegt eine einfach aufgebaute und dennoch zuverlässig arbeitende Anordnung vor.
Die hier offenbarte Anordnung kann prinzipiell für die verschiedensten Systeme eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass eine erste Spule und eine zweite Spule relativ zu einander bewegbar sind. Wo die erste Spule und wo die zweite Spule jeweils befestigt sind und wodurch eine relative Bewegung verursacht wird, ist nicht entscheidend. Ebenso ist prinzipiell nicht entscheidend, auf welcher Bahn die erste und/oder die zweite Spule bewegt wird. Lineare Bewegungen sind ebenso denkbar wie Bewegungen auf Kreisbahnen oder sonstigen Bahnen. Es bietet sich jedoch an, wenn die Bewegung auf nachvollziehbare Art und Weise erfolgt, da sich dadurch die Auswertung vereinfachen kann. Diese nachvollziehbare Bewegung kann beispielweise einen Abstand zwischen erster und zweiter Spule, eine relative Lage zwischen erster und zweiter Spule, eine Relativgeschwindigkeit zwischen erster und zweiter Spule und dergleichen betreffen. In vielen Einsatzszenarien lassen sich solche nachvollziehbaren Bewegungen jedoch einfach herstellen. In einer Ausführungsform kommt die hier offenbarte Anordnung in einem Elektromotor und/oder einem Ventilator zum Einsatz. Wenn beispielsweise die erste Spule mit dem Stator und die zweite Spule mit dem Rotor gekoppelt ist, liegen gut nachvollziehbare Relativbewegungen zwischen erster und zweiter Spule vor.
Auch die erste und zweite Spule kann prinzipiell auf verschiedenste Weise aufgebaut sein. Ein- oder mehrlagige Planarspulen sind ebenso denkbar wie gewickelte Spulen. Auch die Abmessungen und die Formgebung ist von untergeordneter Bedeutung. Runde oder elliptische Spulen können ebenso verwendet werden wie quadratische oder rechteckige, um lediglich einige denkbare Formen zu nennen. Wichtig ist lediglich, dass die erste Spule ein ausreichend ausgeprägtes Magnetfeld hervorruft und dass die zweite Spule im Einflussbereich der ersten Spule eine Spannung an der ersten Spule ausreichend beeinflussen kann. Dabei kann es sich anbieten, wenn die erste und zweite Spule an die Bewegungsbahn der Spulen angepasst ist. So kann die erste und zweite Spule beispielsweise für eine Bewegung auf einer Kreisbahn entsprechend der Kreisbahn gebogen sein, sodass der Abstand zwischen den beiden Spulen bei dem aneinander vorbei Bewegen möglichst gering sein kann.
In einer Ausführungsform sind die Spulen durch Luftspulen gebildet. Luftspulen bieten den Vorteil, dass sie einfach herzustellen und kostengünstig sind. In einer anderen Ausführungsform umgeben die Spulen ein ferromagnetisches Material.
Im Zusammenhang mit der hier offenbarten Anordnung können verschiedenste Informationsquellen verwendet werden. Eine hier eingesetzte Informationsquelle sollte eine Belastung der zweiten Spule bilden können, die von der zu übertragenden Information abhängig ist. Diese Anforderung ist aber von verschiedenen Informationsquellen realisierbar. In einer Ausführungsform umfasst die Informationsquelle einen Sensor und die zu übertragende Information ist eine Messgröße, die basierend auf einer durch den Sensor erfassten physikalischen Größe basiert. In dieser Ausführungsform kann die Belastung der zweiten Spule von der erfassten physikalischen Größe abhängig sein. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Informationsquelle eine Einheit, die binäre Daten übertragen soll. In diesem Fall kann die zu übertragende Information Teil dieser binären Daten sein, beispielsweise ein Bit dieser binären Daten. Hier kann beispielsweise ein erster Bitwert durch eine hohe Belastung der zweiten Spule und ein zweiter Bitwert durch eine niedrige Belastung der zweiten Spule übertragen werden. Diese beiden beispielhaften Ausführungsformen zeigen, wie universell die vorliegend offenbarte Anordnung eingesetzt werden kann.
Der Begriff „Einflussbereich“ bezieht sich ganz allgemein auf einen Bereich bei der ersten Spule, in der ein ausreichend starkes Magnetfeld vorhanden ist, um in der zweiten Spule eine Spannung zu induzieren. Dieser Einflussbereich kann sich in Richtung der Spulenachse vor und/oder hinter der Spule befinden. Dabei kann sich der Einflussbereich über die Abmessungen quer zur Spulenachse hinaus erstrecken.
Generell können für das Empfangen der zu übertragenden Information verschiedenste elektrische Größen verwendet werden, die durch ein Vorbeibewegen der zweiten Spule an der ersten Spule oder der ersten Spule an der zweiten Spule beeinflusst wird. In einer Ausführungsform wird als Änderung einer elektrischen Größe eine Spannungsänderung genutzt. In einer anderen Ausführungsform wird als Änderung einer elektrischen Größe eine Stromänderung durch die erste Spule erfasst. Für das Erfassen einer Spannungsänderung an der ersten Spule ist es nicht erforderlich, dass direkt eine Spannung über der ersten Spule gemessen wird. Es ist auch möglich, beispielsweise bei einer Erzeugung des Erregerstroms durch eine Stromquelle, dass diese Spannungsänderung an einem Widerstand abgegriffen wird, der zu der ersten Spule in Reihe geschaltet ist. Auch diese Spannungsänderung kann auf eine Rückwirkung der zweiten Spule und des Sensors zurückgeführt werden, sodass auch diese Spannungsänderung von der vorliegenden Offenbarung abgedeckt ist.
In einer Ausführungsform ist der Erregerstrom durch einen Erregergleichstrom gebildet und die Erregereinrichtung umfasst eine Gleichspannungsquelle oder eine Gleichstromquelle. Ein Erregergleichstrom kann einfach und ohne aufwändige Schaltungstechnik erzeugt werden.
In einer Ausführungsform ist die Anordnung dazu ausgebildet, dass die zweite Spule wiederholt, vorzugsweise im Wesentlichen periodisch, in dem Einflussbereich der ersten Spule bewegbar ist. Auf diese Weise kann eine Auswertung der Spannungsänderung verbessert werden, indem beispielsweise mehrere übertragene Messwerte gemittelt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung eine Referenzspule mit einer definierten Belastung, wobei die Referenzspule vorzugsweise abwechselnd zu der zweiten Spule in den Einflussbereich der ersten Spule bewegbar ist. Dadurch kann die Belastung durch den Sensor in ein Verhältnis zu der definierten Belastung der Referenzspule gesetzt und die Auswertung der Spannungsänderung weiter verbessert werden. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die zweite Spule und die Referenzspule ähnlich aufgebaut sind und einen ähnlichen Koppelfaktor zu ersten Spule aufweisen. Ferner können durch die Referenzspule Rückschlüsse auf Störungen im Umfeld der Anordnung gezogen werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Informationsquelle einen Sensor. Dieser Sensor kann zur Erfassung der verschiedensten physikalischen Größen ausgebildet sein und verschiedenste Sensoreffekte nutzen. Die zu übertragende Information ist in dieser Ausgestaltung ein Messwert des Sensors. In einer Weiterbildung ist der Sensor durch einen resistiven Sensor gebildet, dessen Widerstand von der erfassten physikalischen Größe abhängt, und/oder der Sensor umfasst einen Temperatursensor. Ein resistiver Sensor stellt eine besonders definierte Belastung der zweiten Spule dar, ohne einen Einfluss auf eine Phasenlage der Ströme durch die zweite Spule zu haben. Ein Temperatursensor kann besonders einfach implementiert werden. In einer Weiterbildung ist ein derartiger Temperatursensor durch einen Heißleiter (NTC - Negative Temperature Coefficient) gebildet. Diese Weiterbildung bietet sich insbesondere dann an, wenn der Sensor im Zusammenhang einer Überwachung von zu hohen Temperaturen eingesetzt werden soll, da dann mit zunehmender Temperatur die Belastung der zweiten Spule steigt. In einer anderen Weiterbildung ist ein derartiger Temperatursensor durch einen Kaltleiter (PTC - Positive Temperature Coefficient) gebildet.
In einer Ausführungsform kann die hier offenbarte Anordnung zur Übertragung von Daten von der zweiten Spule zu der ersten Spule genutzt werden. Hierbei kann die Informationsquelle zum Verändern der Belastung der zweiten Spule eine Schalteinrichtung aufweisen, wobei die zu übertragende Information durch eine Schaltposition der Schalteinrichtung kodierbar ist. Wenn die Schalteinrichtung beispielsweise ein binärer Schalter ist, der zwischen einer geschlossenen und einen offenen Schaltposition wechseln kann, kann mit einer geschlossenen Schalteinrichtung eine logische „0“ und mit einer offenen Schalteinrichtung eine logische „1“ übertragen werden. Auf diese Weise kann durch die Schaltposition jeweils ein Bit übertragen werden. Sofern mehrere Bits zu übertragen sind, können diese Bits nacheinander durch die Schalteinrichtung kodiert werden.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen lassen sich auch kombinieren. Hierzu kann die Schalteinrichtung parallel zu dem Sensor geschaltet sein und den Sensor für eine Übertragung von Bits überbrücken. So kann eine offene Schalteinrichtung beispielsweise eine Übertragung einer logischen „0“ bedeuten, während eine geschlossene Schalteinrichtung eine Übertragung einer logischen „1“ bedeuten würde. Die Übertragung eines Messwerts und dieser weiteren Daten kann parallel erfolgen, wobei bei einer offenen Schalteinrichtung zusätzlich der Messwert ausgelesen wird. Statt eines Überbrückens des Sensors ist auch denkbar, dass der Sensor durch die Schalteinrichtung von der zweiten Spule getrennt wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Empfangseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler und eine Auswerteeinrichtung, wobei der Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines digitalen Werts aus einer elektrischen Größe an der ersten Spule ausgebildet ist und wobei die Auswerteeinrichtung zum Zuordnen des digitalen Werts zu der zu übertragenden Information oder einem Teil der zu übertragenden Information ausgebildet ist. Der Analog-Digital-Wandler ermöglicht eine digitale Auswertung der Änderung der elektrischen Größe, beispielsweise der Spannungsänderung. Dabei kann der Analog-Digital-Wandler Bestandteil eines Mikrocontrollers sein, in dem zudem die Auswerteeinrichtung implementiert sein kann. Vor dem Analog-Digital-Wandler kann ein Filter und ein Verstärker angeordnet sein, wobei der Filter durch einen Bandpass gebildet sein kann und beispielsweise unerwünschte spektrale Anteile herausfiltern kann. Der Verstärker kann das Niveau der elektrischen Größe anpassen.
Ein Zuordnen des digitalen Werts zu einer zu übertragenden Information, beispielsweise einem Messwert, kann auf verschiedenste Weise erfolgen. In einer Weiterbildung kommt hierbei eine oder mehrere Formeln zum Einsatz. In einer anderen Weiterbildung wird eine Lookup-Tabelle genutzt, die Zuordnungen aus einer Referenzmessung, beispielsweise aus eine Kalibrierungsmessung oder einer Referenzfahrt bei definierter Umgebungstemperatur, enthält. Die Empfangseinrichtung kann lediglich einen Teil der zu übertragenden Information rekonstruieren, wenn die zu übertragende Information beispielsweise aus einer Serie von Bits besteht.
In einer Ausführungsform umfasst die Empfangseinrichtung einen Parametriereingang, in den Parameter für eine Ermittlung der zu übertragenden Information eingebbar sind, wobei die Parameter vorzugsweise einen Koppelfaktor, eine Drehzahl, eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder eine Charakteristik der Informationsquelle umfassen. Auf diese Weise lassen sich die Zuordnungen von erfassten Änderungen der elektrischen Größe und zu übertragende Informationen an jeweilige Betriebszustände oder konkrete Einsatzszenarien anpassen. Die hier eingegebenen Parameter können beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinheit stammen. Alternativ kann die Anordnung eine Parametriereinheit aufweisen, durch die Parameter ermittelt werden. Ein Parameter kann auch in einem Speicher abgelegt sein und in den Parametriereingang eingegeben werden. Dies bietet sich beispielsweise bei Größen wie dem Koppelfaktor an. Eine hinterlegte Charakteristik kann beispielsweise bei einem Sensor dessen Sensorkennlinie beschreiben.
In einer Ausführungsform ist die hier offenbarte Anordnung in einen Elektromotor integriert, der einen Stator und einen Rotor aufweist. Dabei kann der Rotor relativ zu dem Stator um eine Motorachse oder eine Motorwelle drehbar gelagert sein und die erste Spule der Anordnung kann an dem Stator und die zweite Spule der Anordnung an dem Rotor angeordnet sein, sodass die zweite Spule auf einer Kreisbahn und wiederholt an der ersten Spule vorbei bewegbar ist. Auf diese Weise entstehen besonders gut definierte Relativbewegungen zwischen erster und zweiter Spule.
In einer Ausführungsform des Elektromotors ist die zweite Spule an einer Haltevorrichtung angeordnet, wobei eine Bewegung der Haltevorrichtung direkt oder indirekt mit einer Bewegung des Rotors gekoppelt ist und wobei die Haltevorrichtung vorzugsweise durch ein innenliegendes Lüfterrad des Elektromotors oder eine separate Halterung gebildet ist. Die Verwendung einer Haltevorrichtung erlaubt es, dass die erste Spule und die zweite Spule näher aneinander gebracht werden können, wodurch die zweite Spule eine deutlichere Spannungsänderung an der ersten Spule hervorrufen kann. Ferner kann mit geringem Abstand zwischen erster und zweiter Spule der Radius der Kreisbahn maximiert werden, sodass die zweite Spule mit größerer Geschwindigkeit an der ersten Spule vorbeibewegt wird und der Gradient des magnetischen Flusses und damit der erzielte Effekt gesteigert werden kann. Das Nutzen eines innenliegenden Lüfterrads erspart das Vorsehen eines zusätzlichen Bauteils. Eine separate Halterung erlaubt eine unabhängige Platzierung der zweiten Spule. Die Haltevorrichtung kann dabei aus einem Kunststoff hergestellt sein.
In einer Ausführungsform des Elektromotors umfasst die Informationsquelle einen Sensor und ist der Sensor in einer Ausnehmung in der Motorwelle oder der Motorachse angeordnet, wobei die Ausnehmung vorzugsweise durch eine Bohrung, eine Aussparung, ein Loch, eine Kerbe oder dergleichen gebildet ist. Dadurch ist es möglich, den Sensor an einer definierten Position zu halten. Dabei kann die Ausnehmung zentriert in der Motorwelle / Motorachse angebracht sein, was die mechanischen Beanspruchungen des Sensors minimiert. Der Sensor kann dabei möglichst nahe bei einem wellen-/achsenseitigen Lagersitz angeordnet sein, sodass sich - bei Verwendung eines Temperatursensors - eine Erwärmung des Lagers besonders gut messen lässt.
In einer Ausführungsform des Elektromotors ist an dem Rotor und/oder der Motorachse/Motorwelle ein Permanentmagnet angeordnet, der bei einer Bewegung des Rotors an der ersten Spule vorbei bewegbar ist, und dass die Empfangseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Spannung, die durch Bewegung des Permanentmagneten an der ersten Spule vorbei induziert wird, mit einem Sollwert zu vergleichen. Durch den Permanentmagneten entsteht ein zusätzliches Signal, das insbesondere Aufschlüsse auf einen Fehler am Rotor oder Fehler an Komponenten des Elektromotors insgesamt liefern kann. Wenn der Spannungsimpuls, der durch den Permanentmagneten induziert wird, nicht einem vorgegebenen Sollwert entspricht, kann beispielsweise die Motorwelle / Motorachse in axialer Richtung verschoben sein. Ein variierender Spannungsimpuls kann darauf hindeuten, dass die Lager die Motorwelle / Motorachse nicht ausreichend fest halten und die Motorwelle / Motorachse schlingert.
In einer Ausführungsform weist der Elektromotor eine Fehlerdetektionseinrichtung auf, wobei die Fehlerdetektionseinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einem zeitlichen Verlauf der Änderung einer elektrischen Größe an der ersten Spule einen Fehler des Elektromotors zu erkennen. Derartige Fehler können einen Fehler des Rotors, einen Fehler eines Lagers, einen Fehler einer Lagerisolation, einen Fehler eines Lagersitzes und/oder einen Fehler einer (anderen) mechanischen Komponente des Elektromotors umfassen. Dadurch entsteht ein Zusatznutzen der Spannungsänderungen. Hierbei können auch die voranstehend genannten Spannungsimpulse infolge eines Permanentmagneten ausgewertet werden. Zur verbesserten Auswertung des zeitlichen Verlaufs kann ein Speicher vorgesehen sein, in dem Spannungsänderungen aus vorhergehenden Messungen abgespeichert sind.
In einer Ausführungsform weist der Elektromotor eine auf einer Platine aufgebaute Motorelektronik auf und die Empfangseinrichtung und/oder die Erregereinrichtung sind auf der Platine angeordnet. Eine derartige Motorelektronik kann beispielsweise in einem Elektronikgehäuse angeordnet sein, das an einer Statorbuchse des Elektromotors ausgebildet ist. Das Nutzen der Motorelektronik bietet den Vorteil, dass dort bereits eine Energieversorgung vorhanden ist. Ferner lassen sich eventuell Teile der Motorelektronik, wie beispielsweise ein noch nicht vollständig ausgenutzter Mikrocontroller, für die vorliegend offenbarte Anordnung nutzen. Darüber hinaus können die übertragenen Messwerte dann direkt in der Motorelektronik genutzt werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Elektromotor eine Meldeeinrichtung, wobei die Meldeeinrichtung dazu ausgebildet ist, durch die Anordnung erfasste Messwerte, aus den Messwerten gebildete Kenngrößen, Warnmeldungen, Wartungsmeldungen und/oder dergleichen zu versenden. Die Meldeeinrichtung kann dabei auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Einfache Leuchtanzeigen, beispielsweise in Form von lichtemittierenden Dioden, können ebenso genutzt werden, wie Einrichtungen, die Meldungen über eine Kommunikationsverbindung versenden. In dem letztgenannten Fall kann die Meldeeinrichtung eine Kommunikation mit einer Industrie 4.0 Umgebung oder dergleichen ermöglichen. Eine Meldung kann beispielsweise an den Hersteller des Elektromotors gesendet werden, um eine vorbeugende Wartung einzuplanen. Die Meldung kann auch an den Betreiber des Elektromotors versendet werden, um beispielsweise einen ungünstigen Betrieb des Motors zu signalisieren. Die Meldung kann auch an eine übergeordnete Steuereinheit gesendet werden, die dann beispielsweise eine Lastverteilung zur Entlastung des Elektromotors anstößt.
In einer Ausführungsform kann eine Spannung, die bei einer Drehung des Rotors in der zweiten Spule und/oder einer an dem Rotor angeordneten dritten Spule induziert wird, zur Versorgung eines rotorseitig angeordneten Verbrauchers genutzt werden. Ein derartiger Verbraucher kann beispielsweise einen weiteren Sensor, Ansteuerelektronik oder einen Mikroprozessor umfassen. Die induzierte Spannung kann mit geeigneten Mitteln gleichgerichtet und über ein Speicherelement (beispielsweise einen Kondensator) geglättet werden. Ein Linearregler kann für eine konstante Ausgangsspannung sorgen.
In einer Ausführungsform kann der Elektromotor Teil eines Ventilators sein, wobei der Rotor des Elektromotors dann mit einem Laufrad des Ventilators gekoppelt sein kann. Da Ventilatoren häufig in einem Dauereinsatz betrieben werden, kann auf diese Weise der Betriebszustand des Ventilators besser überwacht werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2 einen Schnitt durch den Elektromotor gemäß 1 entlang der Linie A - A,
3 eine erste Ausführungsform einer Schaltung zum kontaktlosen Übertragen eines Messwerts eines Sensors,
4 eine zweite Ausführungsform einer Schaltung zum kontaktlosen Übertragen eines Messwerts eines Sensors und
5 ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf einer Spannungsänderung infolge eines Vorbeibewegens einer zweiten Spule an einer ersten Spule.

1 zeigt eine Draufsicht und 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung. Dabei ist jeweils - der Übersichtlichkeit wegen - lediglich ein relevanter Ausschnitt des Elektromotors 1 dargestellt. Der Elektromotor weist eine Statorbuchse 2 auf, deren Dom 3 ein Elektronikgehäuse 4 begrenzt. In dem Elektronikgehäuse 4 ist ein Ausschnitt einer Platine 5 dargestellt, auf der eine Motorelektronik (nicht dargestellt) aufgebaut ist. An der Statorbuchse 2 ist ein Wicklungspaket des Stators (nicht dargestellt) angeordnet. Ein Wicklungspaket oder ein Permanentmagnet des Rotors (ebenfalls nicht dargestellt) ist an einer Motorwelle 6 angeordnet, wobei die Motorwelle 6 mittels eines Lagers 7 drehbar gelagert ist. Ein zweites Lager an dem gegenüberliegenden Ende der Motorwelle 6 ist ebenfalls nicht dargestellt. Zwischen Lager 7 und Motorwelle 6 ist eine Isolierung 8 angeordnet, die Lagerströme verhindern soll.
An diesem Elektromotor 1 ist eine Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet. Eine erste Spule 9 ist an dem Dom 3 der Statorbuchse 2 und damit statorseitig angeordnet. Eine zweite Spule 10 ist an einer Haltevorrichtung 11 angeordnet, die wiederum an der Motorwelle 6 befestigt ist. Damit dreht sich die zweite Spule 10 und die Haltevorrichtung 11 mit der Motorwelle 6 und dem Rotor mit, was in 1 durch einen Pfeil 12 angedeutet ist. An der der zweiten Spule 10 abgewandten Seite der Haltevorrichtung 11 kann eine Referenzspule (nicht dargestellt) angeordnet sein, die damit abwechselnd zu der zweiten Spule an der ersten Spule vorbeibewegt wird. In einer Bohrung 13, die in Längsrichtung der Motorwelle 6 in der Motorwelle 6 bei einer Längsachse der Motorwelle 6 (und damit zentral) ausgebildet ist, ist ein Sensor 14 angeordnet. Der Sensor 14 ist dabei als Heißleiter (auch als NTC - Negative Temperature Coefficient - bekannt) ausgebildet, also als resistiver Temperatursensor. Aufgrund der Nähe des Sensors 13 zu einem rotorseitigen Lagersitz 15 kann der Sensor 14 sehr gut die Temperatur des Lagers 7 messen.
Die elektrische Funktionsweise der Anordnung ist in zwei Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 zu erkennen. Beide Ausführungsformen umfassen eine erste Spule 9 und eine zweite Spule 10. Mit der zweiten Spule 10 ist ein Sensor 14 verbunden, der durch einen variablen Widerstand dargestellt ist. Der Widerstand ändert sich in Abhängigkeit einer physikalischen Größe, im vorliegenden Fall der Temperatur des Sensors 14. Beide Ausführungsformen umfassen ferner eine Empfangseinrichtung 16, die hier vereinfacht als Spannungsmesser (Kreis mit einem „V“) dargestellt ist. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich durch die Ausgestaltung einer Erregereinrichtung 17. In 3 ist die Erregereinrichtung 17 durch eine Spannungsquelle 18, in 4 durch eine Stromquelle 19 gebildet. In beiden Fällen erzeugt die Erregereinrichtung 17 einen Erregerstrom 20, der als Gleichstrom ausgebildet ist und durch einen Pfeil symbolisiert ist. In dem derart gebildeten Stromkreis ist zudem jeweils ein Vorwiderstand 21 angeordnet.
Beim Betrieb dieser Schaltungen erzeugt die Erregereinrichtung 17 also den Erregerstrom 20, der wiederum ein Magnetfeld in einem Einflussbereich der ersten Spule 9 hervorruft. Wenn sich die zweite Spule 10 an der ersten Spule 9 vorbeibewegt (durch Pfeil 12 angedeutet), befindet sich die zweite Spule 10 zeitweise im Einflussbereich der ersten Spule 9. In den 3 und 4 ist jeweils der Zeitpunkt dargestellt, an dem die Spulenachsen der ersten und zweiten Spule zusammen fallen und sich damit die zweite Spule 10 vollständig im Einflussbereich der ersten Spule befindet. Durch die Bewegung der zweiten Spule 10 an der ersten Spule 9 vorbei induziert das Magnetfeld, das durch den Erregerstrom 20 erzeugt wird, in der zweiten Spule eine Spannung. Diese induzierte Spannung führt durch die Belastung der zweiten Spule 10 durch den Sensor 14 zu einem Stromfluss, der gemäß Induktionsgesetz der Änderung des Magnetfelds an der zweiten Spule 10 entgegenwirkt. Dadurch wird der ersten Spule 9 Energie entzogen, was sich durch eine Spannungsänderung bemerkbar macht. Diese Spannungsänderung wird durch die Empfangseinrichtung 16 erfasst und ausgewertet. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Widerstand des Sensors 14 und damit auf die bei dem Sensor 14 vorliegende Temperatur ziehen. Eine Zuordnung zwischen Spannungsänderung und Temperatur kann beispielsweise über eine Lookup-Tabelle erfolgen, die Daten aus einer Referenzfahrt bei bekannter Umgebungstemperatur oder aus einer Kalibrierungsmessung enthalten kann. Die Zuordnung kann auch über eine Formel oder auf sonstige Weise berechnet werden.
Ein beispielhafter Verlauf einer derartigen Spannungsänderung ist in 5 dargestellt. Die obere Kurve zeigt die tatsächlich anliegende Spannungsänderung 22, die untere Kurve ein aufbereitetes Signal 23. Zum Gewinnen des aufbereiteten Signals 23 ist die tatsächlich anliegende Spannungsänderung 22 durch einen Bandpassfilter und einen Verstärker aufbereitet worden. Wenn sich die zweite Spule 10 durch den Einflussbereich der ersten Spule 9 bewegt, verändert sich die erfasste Spannung. Dabei wirkt die zweite Spule 10 und der Stromfluss durch die zweite Spule 10 auf die erste Spule 9 zurück. Insgesamt führt dies zu der beispielhaft dargestellten Spannungsänderung. Aus dem Ausmaß der Spannungsänderung kann auf den Widerstand des Sensors 14 zurückgeschlossen werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Statorbuchse
3: Dom der Statorbuchse
4: Elektronikgehäuse
5: Platine (der Motorelektronik)
6: Motorwelle
7: Lager
8: Isolierung
9: erste Spule
10: zweite Spule
11: Haltevorrichtung
12: Bewegungsrichtung
13: Bohrung
14: Sensor
15: (innerer) Lagersitz
16: Empfangseinrichtung
17: Erregereinrichtung
18: Spannungsquelle
19: Stromquelle
20: Erregerstrom
21: Vorwiderstand
22: anliegende Spannungsänderung
23: aufbereitetes Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19739587 A1 [0005]

Claims

Anordnung zum kontaktlosen Übertragen einer Information von einer Informationsquelle, umfassend eine erste Spule (9), eine zweite Spule (10), eine Erregereinrichtung (17) und eine Empfangseinrichtung (16), wobei die Erregereinrichtung (17) zum Erzeugen eines Erregerstroms (20) durch die erste Spule (9) ausgebildet ist, wobei die erste Spule (9) und die zweite Spule (10) relativ zueinander bewegbar sind, wobei sich die zweite Spule (10) zumindest zeitweise in einem Einflussbereich der ersten Spule (9) bewegt und dadurch ein durch den Erregerstrom (20) erzeugtes Magnetfeld eine Spannung in der zweiten Spule (10) induziert, wobei die Informationsquelle elektrisch mit der zweiten Spule (10) verbunden ist, wobei die Informationsquelle dazu ausgebildet ist, eine Belastung der zweiten Spule (10) zu bilden, wobei die Belastung von einer zu übertragenden Information abhängig ist, und wobei die Empfangseinrichtung (16) elektrisch mit der ersten Spule (9) verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Änderung einer elektrischen Größe, vorzugsweise eine Spannungsänderung oder eine Stromänderung, an der ersten Spule (9) infolge eines Vorbeibewegens der zweiten Spule (10) an der ersten Spule (9) oder der ersten Spule (9) an der zweiten Spule (10) zu erfassen und auszuwerten.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom (20) durch einen Erregergleichstrom gebildet ist und dass die Erregereinrichtung eine Gleichspannungsquelle (18) oder eine Gleichstromquelle (19) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung dazu ausgebildet ist, dass die zweite Spule (10) wiederholt, vorzugsweise im Wesentlichen periodisch, in dem Einflussbereich der ersten Spule (9) bewegbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Referenzspule mit einer definierten Belastung umfasst, wobei die Referenzspule vorzugsweise abwechselnd zu der zweiten Spule (10) in den Einflussbereich der ersten Spule (9) bewegbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsquelle durch einen Sensor (14) gebildet ist und dass die zu übertragende Information ein Messwert des Sensors (14) umfasst, wobei der Sensor (14) vorzugsweise einen resistiven Sensor umfasst, dessen Widerstand von einer erfassten physikalischen Größe abhängt, und/oder wobei der Sensor (14) vorzugsweise einen Temperatursensor umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsquelle zum Verändern der Belastung der zweiten Spule (10) eine Schalteinrichtung aufweist, wobei die zu übertragende Information durch eine Schaltposition der Schalteinrichtung kodierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (16) einen Analog-Digital-Wandler und eine Auswerteeinrichtung umfasst, wobei der Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines digitalen Werts aus einer elektrischen Größe an der ersten Spule (9) ausgebildet ist und wobei die Auswerteeinrichtung zum Zuordnen des digitalen Werts zu der zu übertragenden Information oder einem Teil der zu übertragenden Information ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (16) einen Parametriereingang umfasst, in den Parameter für eine Ermittlung der zu übertragenden Information eingebbar sind, wobei die Parameter vorzugsweise einen Koppelfaktor, eine Drehzahl, eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder eine Charakteristik der Informationsquelle umfassen.
Elektromotor mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor relativ zu dem Stator um eine Motorachse oder eine Motorwelle (6) drehbar gelagert ist, wobei die erste Spule (9) der Anordnung an dem Stator und die zweite Spule (10) der Anordnung an dem Rotor angeordnet sind, sodass die zweite Spule (10) auf einer Kreisbahn und wiederholt an der ersten Spule (9) vorbei bewegbar ist.
Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (10) an einer Haltevorrichtung (11) angeordnet ist, wobei eine Bewegung der Haltevorrichtung (11) direkt oder indirekt mit einer Bewegung des Rotors gekoppelt ist und wobei die Haltevorrichtung (11) vorzugsweise durch ein innenliegendes Lüfterrad des Elektromotors oder eine separate Halterung gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsquelle einen Sensor (14) umfasst und dass der Sensor (14) in einer Ausnehmung (13) in der Motorwelle (6) oder der Motorachse angeordnet ist, wobei die Ausnehmung (13) vorzugsweise durch eine Bohrung, eine Aussparung, ein Loch oder eine Kerbe gebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotor und/oder der Motorachse/Motorwelle (6) ein Permanentmagnet angeordnet ist, der bei einer Bewegung des Rotors an der ersten Spule (9) vorbei bewegbar ist, und dass die Empfangseinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, eine Spannung, die durch Bewegung des Permanentmagneten an der ersten Spule (9) vorbei induziert wird, mit einem Sollwert zu vergleichen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) eine Fehlerdetektionseinrichtung aufweist, wobei die Fehlerdetektionseinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einem zeitlichen Verlauf der Änderung einer elektrischen Größe an der ersten Spule einen Fehler des Elektromotors zu erkennen, wobei der Fehler des Elektromotors vorzugsweise einen Fehler des Rotors, eines Lagers, einer Lagerisolation, eines Lagersitzes und/oder einer mechanischen Komponente des Elektromotors umfasst.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) eine auf einer Platine (5) aufgebaute Motorelektronik aufweist und dass die Empfangseinrichtung (16) und/oder die Erregereinrichtung (17) auf der Platine (5) angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung, die bei einer Drehung des Rotors in der zweiten Spule (10) und/oder einer an dem Rotor angeordneten dritten Spule induziert wird, zur Versorgung eines rotorseitig angeordneten Verbrauchers dient.
Ventilator mit einem Laufrad und einem Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Laufrad mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.