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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Temperaturüberwachung
in der Statoreinheit eines elektrischen Antriebes gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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In modernen elektrischen Antrieben
ist aus Sicherheitsgründen
in der Regel eine Überwachung der
Wicklungstemperaturen auf Seiten der Statoreinheit vorgesehen. Im Überhitzungsfall
kann auf diese Art und Weise von einer nachgeordneten Folgeelektronik
ggf. eine Notabschaltung veranlasst werden. Oftmals erfolgt die Übertragung
der jeweiligen Temperaturdaten, die von einem in der Statoreinheit
angeordneten Temperatursensor erfasst werden, über eine ebenfalls am Antrieb
angeordnete Positionsmesseinrichtung, beispielsweise eines Drehgebers. Von
der Positionsmesseinrichtung werden an die Folgeelektronik nicht
nur die ermittelten Positionsdaten zur Weiterverarbeitung übertragen,
sondern auch die Temperaturdaten und ggf. weitere Daten; in diesem Zusammenhang
sei etwa auf die
JP 08-261792 verwiesen.
Insbesondere im Fall einer seriellen Datenübertragung zur Folge elektronik
erweist es sich als vorteilhaft, wenn bereits in einer Signalverarbeitungseinheit
der Positionsmesseinrichtung – respektive
in der Geberelektronik – aus
den vom Temperatursensor gelieferten Ausgangssignalen unmittelbar
die jeweilige Temperatur bestimmt wird. Aufgrund der üblicherweise
hohen Motorströme
im Bereich der Statoreinheit resultieren jedoch erhebliche Störeinflüsse auf
die Signalverarbeitungseinheit bzw. Geberelektronik. Da die Signalverarbeitungseinheit
zudem zur Weiterverarbeitung der positionsabhängigen Signale dient, wirken
sich derartige Störungen
auch negativ hinsichtlich der Verarbeitung der Positionsdaten in der
Positionsmesseinrichtung aus. Nur mit relativ hohem Aufwand lassen
sich derartige Störeinflüsse minimieren,
beispielsweise durch geeignete Entstörmaßnahmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine Anordnung zur Temperaturüberwachung in der Statoreinheit
eines elektrischen Antriebes anzugeben, die mit möglichst
geringem Aufwand eine sichere Temperaturbestimmung gewährleistet. Gleichzeitig
soll eine möglichst
geringe Störung
weiterer Sensorik am Antrieb resultieren, insbesondere auf Seiten
einer am Antrieb angeordneten Positionsmesseinrichtung.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Anordnung zur Temperaturüberwachung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Temperaturüberwachung
ergeben sich aus den Maßnahmen,
die in den von Anspruch 1 abhängigen
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, eine
galvanische Trennung des eigentlichen Temperatursensors von der
Elektronik der Positionsmesseinrichtung vorzunehmen, insbesondere
der Signalverarbeitungseinheit derselben. Dies erfolgt in besonders
vorteilhafter Weise mit Hilfe einer elektrischen Übertragereinheit,
mit der die temperaturabhängigen
Sensorsignale des in die Statoreinheit integrierten Temperatursensors
in die Signalverarbeitungs einheit respektive Elektronik der Positionsmesseinrichtung
zur Weiterverarbeitung eingekoppelt werden.
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Über
die Übertragereinheit
lässt sich
eine gute Unterdrückung
von Störeinflüssen, insbesondere
von Gleichtaktstörungen,
auf die Geberelektronik bzw. Signalverarbeitungseinheit der Positionsmesseinrichtung
sicherstellen. Gleichzeitig ist eine hinreichende Isolierung zwischen
dem Stromkreis des Temperatursensors und der Verarbeitungseinheit
der Positionsmesseinrichtung gewährleistet.
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Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der Übertragereinheit
existieren je nach Anwendung verschiedenste Ausführungsmöglichkeiten.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand
der beiliegenden Figuren.
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Dabei zeigt
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1 ein
schematisiertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung;
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2a ein
schematisiertes Schaltbild zur Erläuterung einer ersten Variante
einer geeigneten Übertragereinheit;
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2b ein
Signaldiagramm zur Erläuterung der
Signalverarbeitung in der Variante der Übertragereinheit gemäß 2a;
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3a ein
schematisiertes Schaltbild zur Erläuterung einer zweiten Variante
einer geeigneten Übertragereinheit;
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3b ein
Signaldiagramm zur Erläuterung der
Signalverarbeitung in der Variante der Übertragereinheit gemäß 3a;
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4a ein
schematisiertes Schaltbild zur Erläuterung einer dritten Variante
einer geeigneten Übertragereinheit;
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4b ein
Signaldiagramm zur Erläuterung der
Signalverarbeitung in der Variante der Übertragereinheit gemäß 4a.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung
in schematisierter Form dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 10 wird
in dieser Darstellung die Statoreinheit eines elektrischen Antriebes
bezeichnet, beispielsweise eines Asynchronmotors; ebenfalls nur
schematisch angedeutet ist ein Kabel 11, über das
die Stromversorgung des Antriebes erfolgt. Über eine Welle 30 ist
mit dem Antrieb eine Positionsmesseinrichtung 20 verbunden,
ausgebildet als Drehgeber. Die Positionsmesseinrichtung 20 dient
primär
zur Erzeugung positionsabhängiger
Ausgangssignale bzw. Positionsdaten bezüglich der Wellenrotation. Die
positionsabhängigen
Ausgangssignale werden über
eine Signalübertragungsleitung 21 vorzugsweise
in serieller Form an eine nachgeordnete Folgeelektronik 40 zur Weiterverarbeitung übertragen.
Bei der Folgeelektronik 40 kann es sich z.B. um eine Antriebsregelung handeln.
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Auf die Erzeugung der positionsabhängigen Ausgangssignale
der Positionsmesseinrichtung 20 sei an dieser Stelle nicht
weiter eingegangen. Dies kann in bekannter Art und Weise über die
optische, magnetische, induktive oder kapazitive Abtastung einer
mit der Welle 30 rotierenden Maßverkörperung bzw. Teilscheibe erfolgen.
Bei den erzeugten positionsabhängigen
Ausgangssignalen kann es sich sowohl um absolute Positionsdaten
wie auch um inkrementale Positionsdaten etc. handeln. In der Darstellung
der 1 ist auf Seiten
der Positionsmesseinrichtung ferner eine Signalverar beitungseinheit 22 angedeutet, über welche
u.a. eine Verarbeitung der Positionsdaten, beispielsweise die Gewinnung
von absoluten Positionsdaten, Interpolation etc., und die Aufbereitung
der an die Folgeelektronik 40 zu übertragenden Daten erfolgt.
Bzgl. weiterer Aufgaben der Signalverarbeitungseinheit 22 in
Verbindung mit der Temperaturüberwachung
der Statoreinheit 10 sei auf die nachfolgende Beschreibung
verwiesen.
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Wie bereits eingangs angedeutet ist
vorgesehen, über
die erfindungsgemäße Anordnung
die Temperatur der – in 1 nicht dargestellten – Wicklungen
in der Statoreinheit 10 des Antriebes zu überwachen
und entsprechende temperaturabhängige Sensorsignale
ebenfalls über
die Signalübertragungsleitung 21 zur
Weiterverarbeitung an die nachgeordnete Folgeelektronik 40 zu übertragen.
Im Fall einer eventuellen Überhitzung
kann derart beispielsweise eine Notabschaltung von der Folgeelektronik 40 veranlasst
werden. Darüber
hinaus können
die temperaturabhängigen
Sensorsignale von der Folgeelektronik 40 zu sonstigen Regelungszwecken
verwendet werden, insbesondere zur Vorbeugung gegen unzulässig hohe
Betriebstemperaturen der Antriebswicklungen etc..
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Die eigentliche Erzeugung der temperaturabhängigen Sensorsignale
erfolgt auf Seiten der Statoreinheit 10 des Antriebes über einen
Temperatursensor 15. Der Temperatursensor 15 ist
vorzugsweise als temperaturabhängiger
Widerstand ausgebildet, z.B. als halbleitender Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten,
wie er unter der Typenbezeichnung KTY 84 von der Fa. PHILIPS
vertrieben wird. Der Temperatursensor 15 ist in bekannter
Art und Weise in die Wicklung der Statoreinheit 10 des Antriebes
integriert, beispielsweise in eine freiliegende Wicklung an der
Statorstirnseite. Über
eine schematisch angedeutete Isolierung 16 ist der Temperatursensor 15 elektrisch
von der Antriebswicklung isoliert.
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Erfindungsgemäß ist eine elektrische Übertragereinheit 23 vorgesehen, über die
die erzeugten temperaturabhängigen
Sensorsignale des Temperatursensors 15 in die Signalverarbeitungseinheit 22 der
Positionsmesseinrichtung 20 eingekoppelt werden, um dort
weiterverarbeitet und über
die Signal übertragungsleitung 21 zur
Folgeelektronik 40 übertragen
zu werden. Wie aus der schematisiert angedeuteten Darstellung der Übertragereinheit 23 in 1 ersichtlich ist, umfasst
die Übertragereinheit
23 im wesentlichen zwei induktiv gekoppelte Spulen 23.1, 23.2;
eine erste Spule 23.1 ist der Signalverarbeitungseinheit 22 zugeordnet,
eine zweite Spule 23.2 dem Temperatursensor 15 in
der Statoreinheit 10. Optional kann die Übertragereinheit 23 ferner
noch einen Kern 23.3 aufweisen. Auf weitere Details konkreter
Ausführungsformen
geeigneter elektrischer Übertragereinheiten 23 sei
im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung der restlichen 2a – 4b näher eingegangen.
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Über
die elektrische Übertragereinheit 23 ist eine
galvanische Trennung zwischen der Signalverarbeitungseinheit 22 auf
Seiten der Positionsmesseinrichtung 20 und dem Stromkreis
des Temperatursensors 15 gewährleistet. Eventuelle Störeinflüsse des
Temperatursensors 15 auf die Signalverarbeitungseinheit 22 der
Positionsmesseinrichtung 20, wie z.B. hohe Gleichtaktströme auf den
Leitungen des Temperatursensors 15, lassen sich derart
minimieren. Gleichzeitig gewährleistet
die Vennrendung der Übertragereinheit 23 die
Energieversorgung des Temperatursensors 15.
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Auf Seiten der Signalverarbeitungseinheit 22 sind
in 1 ferner in schematischer
Form Mittel 22.1 zur Bestimmung der Temperatur auf Basis
der eingekoppelten Sensorsignale angedeutet. Bei den Mitteln 22.1 kann
es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor handeln. Ferner weist
die Signalverarbeitungseinheit 22 – ebenfalls nur schematisch
angedeutete – Signalübertragungsmittel 22.2 auf, über die die Übertragung
der Temperaturdaten als auch weiterer Daten – wie etwa der Positionsdaten – an die nachgeordnete
Folgeelektronik erfolgt. Vorzugsweise sind die Signalübertragungsmittel 22.2 zur
seriellen Datenübertragung über die
Signalübertragungsleitung 21 an
die Folgeelektronik 40 ausgelegt.
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Grundsätzlich weisen die jeweiligen
Varianten geeigneter Übertragereinheiten
Möglichkeiten zur
Erzeugung eines Erregersignals und zur Detektion des temperaturabhängigen Sensorsignals
auf. Konkrete Ausführungsmöglich keiten
geeigneter Übertragereinheiten
seien anhand der nachfolgenden 2a – 4b erläutert.
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2a zeigt
hierbei eine erste Variante einer konkreten Ausführungsform einer geeigneten
elektrischen Übertragereinheit 223.
Als Erregersignal dient ein sinusförmiges Wechselsignal, beispielsweise
ein sinusförmiges
Stromoder Spannungssignal U(t), das von einer geeigneten Wechselsignalquelle 223.5 in Form
einer Strom- bzw. Spannungsquelle erzeugt wird und mit dem in einem
ersten Teil der Übertragereinheit 223 die
erste Spule 223.1 beaufschlagt wird. Im zweiten, galvanisch
getrennten Teil der Übertragereinheit 223 ist
die zweite Spule 223.2 sowie der Temperatursensor 15 angeordnet.
Die erste und zweite Spule sind wie in 1 über
einen Kern 223.3 gekoppelt. Im ersten Teil der Übertragereinheit 223 ist
ferner ein Messwiderstand 223.4 (Widerstandswert RM) angedeutet, der den ersten Widerstand
einer bekannten Spannungsteilerschaltung darstellt; als zweiter
Widerstand der Spannungsteilerschaltung fungiert der transformierte
Widerstand des Temperatursensors 15 (Widerstandswert RT). Der jeweilige Widerstandswert RT des Temperatursensors 15 wird
hierbei entsprechend dem bekannten Übertragungsverhältnis der Übertragereinheit 223 transformiert.
Unter Berücksichtigung
der Verfälschung durch
die Übertragereinheit 223 lässt sich
somit in bekannter Art und Weise der unbekannte Widerstand des Temperatursensors 15 – und damit
die Temperatur desselben – mit
Hilfe des bekannten, konstanten Messwiderstandes 223.4 ermitteln.
Als Messgröße fungiert
hierbei das über
dem transformierten Widerstand des Temperatursensors 15 abgegriffene Mess-Spannungssignal
UT(t).
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In 2b ist
neben dem sinusförmigen
Erregersignal in Form des sinusförmigen
Spannungssignals U(t) auch die über
dem transformierten Temperatursensor 15 abgegriffene Mess-Spannung
UT(t) veranschaulicht, aus der in bekannter
Art und Weise die interessierende Temperaturinformation bzgl. des Temperatursensors 15 gewonnen
werden kann.
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Eine zweite Ausführungsform einer geeigneten Übertragereinheit 323 ist
in 3a schematisiert angedeutet.
Als Erregersignal dient hierbei ein im pulsförmiges Erregersignal U(t),
beispielsweise in Form eines geeigneten Strom- oder Spannungsimpulses,
das von einer geeigneten Impulssignalquelle 323.5 erzeugt
wird. Mit dem impulsförmigen
Erregersignal U(t) wird im ersten Teil der Übertragereinheit 323 wiederum
die erste Spule 323.1 beaufschlagt. Im zweiten Teil der Übertragereinheit 323 ist
die zweite Spule 323.2 sowie der Temperatursensor 15 in
Form eines temperaturabhängigen
Widerstand angeordnet. Wie im vorherigen Beispiel sind die beiden
Spulen 323.1, 323.2 über einen Kern 323.3 gekoppelt. Über dem
im ersten Teil der Übertragereinheit 323 angeordneten
Messwiderstand 323.4 mit dem bekannten Widerstandswert
erfolgt wiederum die Detektion des eigentlichen temperaturabhängigen Sensorsignals
UT(t) als Antwort auf das angelegte Erregersignal
U(t). Der Temperatursensor 15 bzw. der hierzu eingesetzte,
entsprechende temperaturabhängige
Widerstand ist in diesem Beispiel somit Bestandteil eines Spannungsteilers.
Der unmittelbar nach Anlegen des Spannungsimpulses U(t) resultierende
bzw. gemessene Wert UT(t) des Sensorsignals ist
ein unmittelbares Maß für den zu
bestimmenden Widerstand und damit für die zu bestimmende Temperatur
in der Antriebswicklung. In Bezug auf den Signalverlauf seitens
des angelegten Spannungsimpulses U(t) sowie des über dem Messwiderstand ermittelten
Wertes UT(t) bzgl. des Sensorsignals sei
wiederum auf die 3b verwiesen.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel einer geeignet
ausgebildeten Übertragereinheit 423 sei
abschließend
anhand der 4a und 4b erläutert. Zur Eizeugung eines
periodischen Erregersignals ist in diesem Beispiel eine Oszillatorschaltung
vorgesehen, die z.B. als bekannter Multivibrator ausgebildet sein
kann und den in 4a veranschaulichten
Aufbau aufweist. Der zweite Teil der Übertragereinheit 424 weist
wiederum einen identischen Aufbau zu dem in den vorherigen Beispielen
erläuterten
Varianten auf und umfasst im wesentlichen die zweite Spule 424.2 und
den Temperatursensor 15 in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes.
Im ersten Teil der Übertragereinheit 424,
der wiederum über
einen Kern 424.4 mit dem zweiten Teil gekoppelt ist, ist
neben der ersten Spule 424.1 die erwähnte Oszillatorschaltung angeordnet.
Die Oszillatorschaltung umfasst hierbei u.a. einen Kondensator C,
einen Operationsverstärker OV,
zwei Widerstände
R1, R2.
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Der zu messende Widerstand des Temperatursensors 15 bildet
einen weiteren Bestandteil des resultierenden Oszillators und stellt
das frequenzbestimmende Element des Oszillators dar. Die seitens des
Oszillators resultierende Frequenz f ist somit das Maß für den zu
bestimmenden Widerstand dar und lässt sich wie in 4b dargestellt aus dem gemessenen
Signal UA(t) ermitteln. Aus dem bestimmten Widerstand
wiederum resultiert in bekannter Art und Weise die interessierende
Temperatur der Antriebswicklung, wobei hierzu selbstverständlich auch
die Bauteiltoleranzen berücksichtigt
werden müssen,
die die Frequenz f beeinflussen.
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Neben den erläuterten Varianten zur Ausbildung
geeigneter Übertragereinheiten
existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch
weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten.