EP3295542A1

EP3295542A1 - Messspuleneinheit und elektrische maschine mit einer derartigen messspuleneinheit sowie verfahren zum bestimmen von betriebsparametern einer elektrischen maschine

Info

Publication number: EP3295542A1
Application number: EP16722254.6A
Authority: EP
Inventors: Ludwig Brabetz; Thomas Waldmann; Mohamed Ayeb
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2018-03-21
Also published as: US20180294696A1; WO2016184814A1; DE102015107666A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator (10) und einem Rotor (20), die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei eine Messspuleneinheit (30) mit mehreren, nebeneinander liegende Messspulen (35, 35a-35e) in dem Luftspalt angeordnet ist. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Messspulen (35, 35a-35e) in axialer Richtung hintereinanderliegend im Luftspalt angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine in einem Luftspalt einer solchen elektrischen Maschine einsetzbare Messspuleneinheit (30), sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine mit einer derartigen Messspuleneinheit (30).

Description

Messspuleneinheit und elektrische Maschine mit einer derartigen Messspuleneinheit sowie Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft eine Messspuleneinheit zur Verwendung in einem zwischen einem Stator und einem Rotor einer elektrischen Maschine liegenden Luftspalt. Die Messspuleneinheit weist mehrere nebeneinander liegende Mess- spulen auf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit einem Rotor und einem Stator, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei eine derartige Messspuleneinheit in dem Luftspalt angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine mit Rotor und Stator sowie dazwischen liegenden Luftspalt mittels einer derartigen, in dem Luftspalt angeordneten Messspuleneinheit.

Eine elektrische Maschine der genannten Art kann als Generator oder als Elektromotor ausgebildet sein. Bei einer elektrischen Maschine dreht sich ein meist vielpoliger Rotor in einem Magnetfeld eines ebenfalls meist vielpoligen Stators. Die sich dabei gegenüberstehenden Polflächen von Rotor und Stator sind bei Ihrer Bewegung zueinander durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Dabei kann die elektrische Maschine sowohl als Außenläufer aufgebaut sein, bei der der Stator innen liegt und von dem Rotor umgeben ist, oder als In- nenläufer, bei dem der Rotor innen liegt und von einem außen liegenden Stator umgeben ist.

In elektrischen Maschinen mit hohem Wirkungsgrad und hoher spezifischer Leistung, wie sie in industriellen und zunehmend auch mobilen Anwendungen eingesetzt werden, sind üblicherweise Messaufnehmer (Sensoren) vorgesehen, die zu Überwachungszwecken (monitoring) und zu Regelungszwecken eingesetzt werden. Dabei werden Sensoren zur Messung verschiedenster Betriebsparameter eingesetzt. Besonders relevant für eine Regelung der elektrischen Maschine ist der sogenannte Polradwinkel, der den Winkel zwischen einem Drehwinkel des Rotors und der Ausrichtung des sich im Luftspalt ergebenden Magnetfelds aus der Überlagerung des vom Rotor erzeugten Magnetfelds (Rotorfeld) und des vom Stator erzeugten Magnetfelds (Statorfeld) angibt. Um den Polradwinkel zu be- stimmen werden beispielsweise die Rotorposition und die Phasenlage von Strömen in Wicklungen des Stators gemessen. Zur Messung der Rotorposition sind verschiedene Verfahren etabliert, zum Beispiel werden optische oder auf dem Hall-Effekt basierende Positionssensoren eingesetzt, die außerhalb des Motors angeordnet sind und einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem

Stator an der Rotorachse messen. Solche Positionssensoren arbeiten häufig digital und liefern Positionsinformationen inkrementell oder absolut. Daneben sind auch analog arbeitende magnetische oder elektromagnetische externe Sensoren bekannt.

Sensoren, die vornehmlich zum Zwecke des Monitoring eingesetzt werden, dienen vor allen Dingen dazu, kritische Zustände der Maschine rechtzeitig zu erkennen, um vor diesen kritischen Zuständen zu warnen bzw. um gegensteuern zu können. Neben einer Messung von mechanischen Parametern wie Vib- rationen ist hier insbesondere eine Temperaturmessung relevant. Ein Übersteigen von Grenztemperaturen kann zu Funktionseinbußen und sogar nicht reversiblen Schäden von empfindlichen Komponenten der elektrischen Maschine (Isolationen, Kleber, Magnete usw.) führen. Zur Messung von Temperaturen werden beispielsweise ohmsche Temperaturfühler eingesetzt oder Halbleiter- Sensoren, Quarze oder Strahlungssensoren.

Weiterhin ist es bekannt, indirekt auf eine Temperatur zu schließen, beispielsweise durch Vermessung von temperaturabhängenden Eigenschaften von Materialien, z.B. der Koerzitivfeldstärke von Magneten oder der relativen

Dielektrizität, gemessen auf der Basis von magnetischen oder kapazitiven

Messverfahren. Besonders schwierig gestaltet sich dabei die Vermessung der Rotortemperatur. In Laboranlagen oder in großen elektrischen Maschinen werden hierzu aufwendige funkbasierte Messsysteme verwendet oder es wird nur die Oberflächentemperatur mithilfe von Strahlungssensoren ermittelt oder es wird nur indirekt über die Vermessung von temperaturabhängigen Eigenschaften auf die Rotortemperatur geschlossen.

Aus der Druckschrift DE 1 0 2005 050670 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Drehposition eines Rotors und der Drehzahl des Rotors einer elektrischen Ma- schine bekannt, bei der eine Messeinheit verwendet wird, die im Luftspalt zwischen Rotor und Stator angeordnet ist. Die Messeinheit besteht aus einer dünnen Schaltungsfolie, auf der eine Mehrzahl von planaren Wicklungen als Messspulen nebeneinander angeordnet ist. Die Messspulen sind als konzentrische Einlagespulen ausgeführt liegen alle in einer Ebene. Sie werden am Umfang des Luftspalts der Maschine verteilt, um die induzierten Spannungen der azimuthal verteilten Stränge und Pole der Maschine zu erfassen und zu verarbeiten. Die Schaltungsfolie wird radial umlaufend in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor eingebracht und kann sich über die gesamte Länge des Luftspalts erstrecken, um die größtmöglichen Wicklungsflächen zu realisieren und damit die Amplituden der erfassten Signale zu maximieren und ein gutes Signal-Rausch- Verhältnis zu erzielen. Es sind jeweils mehrere der Wicklungen so zusammen- geschaltet, dass sich ein oder mehrere Messstränge ergeben, die von außen kontaktiert werden können. Bei Bewegung des Rotors gegenüber dem Stator in den Messsträngen induzierte Spannungen geben Rückschlüsse über die Position und Drehzahl des Rotors. Der Polradwinkel selbst kann alleine aus dieser Messung nicht bestimmt werden, da zwar Informationen über das sich im Luft- spalt einstellende Magnetfeld gewonnen werden, aber keine Informationen darüber, wie sich dieses aus den Anteilen des Statorfelds und des Rotorfelds zusammensetzt. Die bei diesem Verfahren erzielbare Winkelauflösung bei der Bestimmung der Rotorposition ist von dem Verhältnis der Anzahl der Messspulen entlang des Umfangs des Luftspalts zu der Anzahl von Polen des Stators bzw. Rotors bestimmt. Die Winkelauflösung wird maximal, wenn eine Messspule pro Pol vorgesehen ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Bestimmung von Betriebsparametern, insbesondere der Rotorposition und des Pol- radwinkels, bei einer elektrischen Maschine mit einer hohen radialen Auflösung anzugeben. Die Auflösung soll insbesondere größer sein können, als der Winkelabstand zweier benachbarter Pole der elektrischen Maschine.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messspuleneinheit, eine elektrische Ma- schine mit einer Messspuleneinheit und ein Messverfahren für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Messspulen in axialer Richtung

hintereinanderliegend im Luftspalt angeordnet sind. Durch die axiale, d.h. in Richtung einer Rotorachse verlaufende Anordnung der Messspulen wird es möglich, zusätzliche Informationen zu ermitteln, die zum einen die unmittelbare Bestimmung des Polradwinkels ermöglichen und die zu einer höheren Winkelauflösung führen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektrische Maschine jeweils eine Mehrzahl von Statorzähnen im Bereich eines Pols des Stators auf, wobei die Messspulen entlang einem der Statorzähne angeordnet sind und eine Breite aufweisen, die kleiner oder gleich einer Breite des Statorzahns ist.

Da mehrere Statorzähne im Bereich eines Statorpols liegen, ist damit die Breite der Messspulen somit deutlich kleiner als die Breite eines Statorpols, dessen Breite wiederum der eines Rotorpols entspricht. Durch diese Ausführung der Messspule lässt sich der vom Rotorfeld induzierte Anteil von dem vom

Statorfeld induzierten Anteil in der gemessenen Spannung trennen. Beim Überfahren der Messspule durch einen Rotorpol wird nämlich aufgrund der geringen Breite der Messspule sowohl beim Einfahren, als auch beim Ausfahren des Rotorpols eine Signalspitze (Spike) in den Messspulen induziert, die das periodische Signal des Statorfelds überlagert. Anhand der Signalspitze kann die Größe des Rotorfelds separat von der Größe des Statorfelds bzw. der Größe des Gesamtfelds bestimmt werden. Dadurch lässt sich sowohl die Rotorposition als auch die relative Position des gesamten Luftspaltfelds zum Rotor, der drehmomentbestimmende Polradwinkel, bestimmen

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Rotor der elektrischen Maschine eine Mehrzahl von gegeneinander verdrehten Segmenten auf. Be- vorzugt ist jedem dieser Segmente mindestens eine Messspule zugeordnet.

Besonders bevorzugt ist die einem der Segmente zugeordnete mindestens eine Messspule so positioniert, dass sie im Bereich eines von dem betreffenden Segment generierten Magnetfelds liegt. Die Segmentierung des Rotors verbunden mit der individuell einem Segment zugeordneten Messspule führt zu einer Phasenverschiebung zwischen zwei induzierten Spannungen zweier benachbarter Messspulen. Diese Phasenverschiebung entspricht dem Winkelversatz zwischen zwei Rotorsegmenten. Je mehr axial angeordnete Messspulen über den Rotorsegmenten zum Einsatz kommen, desto genauer werden Rotorposition und Polradwinkel bestimmt und das Verhältnis Nutzsignal zum Rauschen weiter verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die parallele Messung über den Rotorsegmenten eine Eliminierung von Querempfindlichkeiten, z.B. der Temperatur auf die Magnetisierung, sowie die eindeutige, oben bereits angeführte Trennung der von Rotor- und Statorfeld induzierten Anteile der Messspannung auch für den Fall, dass die Verläufe beider Anteile ähnlich sind, z.B. beide sinusförmig. Die Verdrehung der Segmente gegeneinander kann stufenweise, aber auch kontinuierlich erfolgen. Eine kontinuierliche Segmentierung liegt beispielsweise bei einem Kurzschlussläufer ei- ner Asynchronmaschine vor.

Besonders bevorzugt werden die zuvor beschriebenen Weiterbildungen kombiniert, indem ein segmentierter Rotor mit den Segmenten zugeordneten Messspulen eingesetzt wird, wobei die einem der Segmente zugeordnete mindes- tens eine Messspule auf dem Statorzahn gegenüber dem betreffenden Segment angeordnet ist. Hieraus resultiert eine bestmögliche Winkelauflösung und die Möglichkeit den Polradwinkel mit gutem Signal- zu-Rausch-Verhältnis zu bestimmen. Eine erfindungsgemäße Messspuleneinheit zur Verwendung in einem zwischen einem Stator und einem Rotor einer elektrischen Maschine liegenden Luftspalt, weist mehrere nebeneinander liegende Messspulen auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messspulen auf einem länglichen Träger angeordnet sind und Anschlüsse der Messspulen zu Anschlusskontakten geführt sind, die an einer Querseite des Trägers angeordnet sind. Eine derartige Messspuleneinheit kann in einer elektrischen Maschine axial im Luftspalt angeordnet und kontaktiert werden. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine beschriebenen Vorteile. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messspuleneinheit weist jede der Messspulen zumindest zwei übereinanderliegende planare Wicklungen auf, wobei eine der Wicklungen auf einer Oberseite des Trägers und eine Wicklungen auf einer Unterseite des Trägers ausgebildet ist. Jede der Messspulen ist bevorzugt separat über die Anschlusskontakte kontaktierbar. Bei dieser Ausge- staltung der Messspuleneinheit können die Zuleitungen von den Anschlusskontakten zu den einzelnen Messspulen übereinanderliegend einmal auf der Unterseite und einmal auf der Oberseite der Messspuleneinheit angeordnet sein. Sich in den Zuleitungen induzierte Spannungen auf der Ober- und der Unterseite heben sich dann gerade auf und werden nicht mehr als Artefakte erfasst.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Messspuleneinheit ist der Träger eine flexible Folie. Eine solche flexible Folie kann besonders dünn ausgebildet und damit auch in einem engen Luftspalt angeordnet werden. Weiter bevorzugt weist die Messspuleneinheit elektronische Komponenten zur Verar- beitung und/oder Auswertung eines Messsignals der Messspulen auf, wodurch eine Signalverarbeitung möglichst störungsarm in nächster räumlicher Nähe an den Messspulen erfolgen kann. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor mit einer Mehrzahl von gegeneinander verdrehten Segmenten sowie einem dazwischen liegenden Luftspalt, in dem eine Messspuleneinheit angeordnet ist, die in axialer Richtung hintereinander liegende Messspulen aufweist, umfasst die folgenden Schritte: Es werden induzierte Signale von mindestens zwei der Messspulen, die verschiedenen Segmenten zugeordnet sind, erfasst. Dann wird eine Drehposition des Rotors gegenüber dem Stator und/oder ein Polradwinkel unter Berücksichtigung der Verdrehung der Segmenten zueinander bestimmt. Auch hier ergeben sich die im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine erläuterten Vorteile.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist jedem Segment mindestens eine Messspule zugeordnet und es wird mindestens eine Anzahl von induzierten Signalen erfasst und ausgewertet, die der Anzahl der Segmente des Rotors entspricht. Auf diese Weise wird eine bestmögliche Winkelauflösung erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird aus einem ohmschen Widerstand mindestens einer der Messspulen eine Temperatur des Stators bestimmt. Bevorzugt wird die Widerstandsmessung wiederholt bei zumindest zwei unterschiedlichen Messströmen vorgenommen, wobei aus einem Unterschied der bei unterschiedlichen Messströmen ermittelten Widerstände ein mit einer Konvektion im Luftspalt korrelierter Wert bestimmt wird. Durch die Widerstandsmessung können zusätzlich die ansonsten schwer zugänglichen Betriebsparameter Statortemperatur und Konvektion im Luftspalt axial aufgelöst an den Positionen der einzelnen Messspulen ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Stators einer elektrischen Maschine mit einer Messspuleneinheit; Fig.2 eine Draufsicht auf eine Messspuleneinheit, zur Verwendung in einem Luftspalt einer elektrischen Maschine und

Fig.3 eine schematische Ansicht eines Abschnitts der Messspuleneinheit gemäß Fig. 2 mit einem Ausschnitt eines Rotors.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Blick in einen Stator 10 einer elektrischen Maschine. Von dem Stator 1 0 ist lediglich ein Abschnitt entlang seines Umfangs wiedergegeben. Ein zugehöriger Rotor ist in dieser Darstellung nicht wiedergegeben, um einen Blick auf den Stator 1 0 zu gewähren.

Entlang einer inneren Mantelfläche des Stators 1 0 ist eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Statorzähnen 1 1 zu erkennen. Die Statorzähne 1 1 sind der in dieser Perspektive sichtbare Teil eines Statorblechpakets. In Nuten des Statorblechpakets, die die Statorzähne 1 1 voneinander trennen, verlaufen Drähte einer Statorwicklung 1 2. Durch die Statorwicklung 1 2 wird im Betrieb der elektrischen Maschine ein Statormagnefeld, kurz Statorfeld genannt, erzeugt. Das Statorfeld weist umlaufend entlang der Mantelfläche mehrere Pole auf, wobei im Bereich eines jeden Pols jeweils eine Mehrzahl der Statorzähne 1 1 liegt.

Im unteren Teil der Figur sind radial verlaufende Gehäusestäbe zu erkennen, die das Statorgehäuse mit einem zentralen Lagersitz 1 3 verbinden. In diesem Lagersitz 1 3 ist im zusammengebauten Zustand der elektrischen Maschine ein Lager für eine Achse des Rotors angeordnet.

Auf einem der Statorzähne 1 1 ist eine Messspuleneinheit 30 angeordnet. Die Messspuleneinheit 30 verläuft entlang der gesamten Länge des Statorzahns 1 1 und ist damit in axialer Richtung parallel zur hier nicht sichtbaren Rotorachse ausgerichtet. Die Messspulenanordnung 30 ist in ihrer Breite der Breite des Statorzahns 1 1 angepasst und ist somit deutlich kleiner als die Breite eines Pols. An dem in der Fig. 1 oben liegenden Ende des betreffenden Statorzahns 1 1 ragt die Messspuleneinheit 30 über den Statorzahn 1 1 und die Wicklung 1 2 hinaus und mündet in einem Anschlussbereich.

Die Messspuleneinheit 30 ist bevorzugt als eine dünne flexible Folie ausgebildet, die auf dem Statorzahn 1 1 fixiert ist, beispielsweise aufgeklebt ist. Das obere, über den Statorzahn 1 1 hinausragende Ende kann aufgrund der Flexibilität nach hinten geneigt werden, um den Anschlussbereich im zusammenge- bauten Zustand der elektrischen Maschine kontaktieren zu können. Die Dicke der Messspuleneinheit 30 liegt bevorzugt in einem Bereich von weniger als 200 μηι (Mikrometer) besonders bevorzugt weniger als 1 00 μιτι, um die Messspuleneinheit 30 auch in einer elektrischen Maschine einsetzen zu können, die ei- nen nur schmalen Luftspalt zwischen Rotor und Stator aufweist.

Fig. 2 zeigt eine Messspuleneinheit 30, wie sie beispielsweise bei einem Stator 1 0 gemäß Fig. 1 verwendet werden kann, detaillierter in einer Draufsicht. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Messspuleneinheit 30 entspricht in seinem Grundaufbau im Wesentlichen der in Fig.1 verwendeten Messspuleneinheit 30. Um Details besser wiedergeben zu können, ist in Fig.2 abweichend von Fig.1 eine Messspuleneinheit 30 dargestellt, die gemessen an ihrer Länge breiter ist, als dies im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig.1 ist. Die Messspuleneinheit 30 weist einen länglichen Träger 31 auf, der sich in einen Spulenabschnitt 32 und einem sich daran anschließenden Anschlussabschnitt 33 unterteilen lässt. An dem den Spulenabschnitt 30 gegenüberliegendem Ende mündet der Anschlussabschnitt 33 in einem Anschlusskopf 34. Der Spulenabschnitt 32 ist der Teil der Messspuleneinheit 30, der sich entlang einem der Statorzähne 1 1 (vergl. Fig. 1 ) erstreckt und auf diesem fixiert, bevorzugt aufgeklebt ist. Entlang des Spulenabschnitts 32 ist eine Mehrzahl von vorliegend fünf Messspulen 35 ausgebildet, die gleichmäßig voneinander beabstandet in Längsrichtung der Messspuleneinheit 30 hintereinander positio- niert sind. Die Messspulen 35 sind als spiralförmige Planarspulen mit rechteck- förmigen Windungen ausgebildet. Jede der Messspulen ist bevorzugt zweilagig ausgebildet, wobei eine erste Lage der Fig.2 sichtbar ist und eine zweite Lage mit gleichen Wicklungssinn auf der in der Fig. 2 nicht sichtbaren Rückseite der Messspuleneinheit 30 angeordnet sind. Zur Verbindung der beiden Lagen un- tereinander ist im zentralen Bereich einer jeden Messspule 35 eine

Durchkontaktierung 36 vorgesehen.

Jede der Messspulen 35 ist mit separaten Zuleitungen 37 mit entsprechenden Anschlusskontakten 38 im Anschlusskopf 34 verbunden, um von außen kontak- tiert werden zu können. Die Anschlusskontakte sind somit an einer Querseite des Trägers angeordnet, wodurch alle Messspulen 35 außerhalb des Luftspalts kontaktiert werden können. Bevorzugt liegen alle Anschlusskontakte an einer Querseite. Alternativ und insbesondere bei elektrischen Maschinen mit einer langen Bauform und/oder bei einer großen Anzahl an Messspulen 35 können auch beide Querseiten mit Anschlusskontakten 38 versehen sein.

Jeweils eine dem Anschluss einer Messspule 35 dienende Zuleitung 37 verläuft hier sichtbar auf der Oberseite der Messspuleneinheit 30. Eine zweite Zuleitung ist auf der hier nicht sichtbaren Unterseite der Messspuleneinheit 30 angeordnet. Die Zuleitungen 37 auf der Ober und der Unterseite der Messspuleneinheit 30 verlaufen möglichst deckungsgleich, wodurch sich in den Zuleitungen 37 induzierte Spannungen auf der Ober- und der Unterseite aufheben. Im Bereich der Anschlusskontakte 38 sind kurze Abschnitte der auf der Unterseite der

Messspuleneinheit 30 verlaufenden Zuleitungen gestrichelt als Zuleitungen 37' symbolisiert.

Mit einer dünnen flexiblen Folie als Träger 31 kann die Messspuleneinheit 30 vorteilhaft als eine flexible Leiterplatte (FPC - Flexible Printed Circuit) ausgebildet sein. Sowohl die Messspulen 35 als auch die Zuleitungen 37 sind dabei aus einer auf den Träger 31 aufgebrachten dünnen Metallschicht herausgearbeitet, bevorzugt in einem Ätzprozess. Auf Ober- und Unterseite der Messspuleneinheit 30 ist nach Strukturierung der Messspulen 35 und der Zuleitungen 37 bevorzugt eine isolierende Abschlusslage, beispielsweise ein Isolierlack aufgebracht. In alternativen Ausgestaltungen der Messspuleneinheit 30 werden andere leiterbahnbildende Verfahren eingesetzt. In einer alternativen Ausgestaltung ist denkbar, dass zumindest Teile der Messspuleneinheit 30, z.B. die Messspulen 35, auch unmittelbar, d.h. ohne den Träger 31 , auf den Statorzahn 1 l aufgebracht sind.

In alternativen Ausgestaltungen kann auch eine mehr als zweilagige Messspule 35 vorgesehen sein, beispielsweise indem ein Stapel von zwei oder mehr Trägerfolien verwendet wird, die aufeinandergelegt den Träger 31 bilden. Mit jeder zusätzlich aufgelegten Folienlage kann eine weitere Spulenlage gebildet werden. Mit zwei aufeinander gelegten Folien als Träger 31 kann beispielsweise eine dreilagige Messspule 35 gebildet werden und mit drei aufeinandergelegten Folien eine vierlagige Messspule 35 gebildet werden. Je größer die Anzahl der Lagen der Spule, umso höher sind die induzierten Spannungen und umso ein- facher bzw. genauer kann eine Auswertung erfolgen. Die Anzahl der Folienlagen und damit der Lagen der Messspulen 35 ist dabei jedoch durch die maximale Dicke der Messspuleneinheit 30 sowie des Luftspalts limitiert. Nachfolgend wird anhand von Fig. 3 die Funktionsweise der anmeldungsgemäßen Messspuleneinheit 30 erläutert. Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Messspuleneinheit 30 der Fig. 2 ohne den Stator 1 0 vor einem Rotor 20, der sich gegenüber dem nicht dargestellten Stator und somit auch gegenüber der dargestellten Messspuleneinheit 30 bewegt. Von dem Rotor 20 ist lediglich ein kleiner Abschnitt seiner Mantelfläche in der Fig. 3 oberhalb der Messspuleneinheit 30 in einer abgewickelten Projektion dargestellt. Im Betrieb bewegt sich diese Mantelfläche bei Drehung des Rotors 20 unter der Messspuleneinheit 30 her.

Anmeldungsgemäß wird die Messspuleneinheit 30 im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine verwendet, die einen segmentierten Rotor 20 aufweist. Bei einem solchen segmentierten Rotor 20 sind Rotorpole 21 nicht gerade und parallel verlaufend zur Rotorachse ausgeführt, sondern in mehrere Segmente 22a-22e unterteilt, die jeweils zueinander um einen bestimmten Winkelversatz Δφ zueinander versetzt sind.

In der Fig. 3 ist dieses für zwei Rotorpole 21 dargestellt. Die beiden Rotorpole 21 weisen zueinander einen Winkelversatz von φ auf, den auch die Pole des zugehörigen Stators 1 0 zueinander aufweisen. Diesen gleichen Versatz φ zeigen die Segmente 22a-22e der beiden dargestellten Rotorpole 21 auch jeweils zueinander.

Der zwischen benachbarten Segmenten 22a zu 22b bzw. 22b zu 22c usw. be- stehende Versatz der Größe Δφ besteht auch zwischen dem letzten Segment 22e eines Rotorpols 21 und dem ersten Segment 22a eines dazu benachbarten Rotorpols 21 . Der Winkelversatz φ zwischen zwei Rotorpolen 21 teilt sich somit in diesem Ausführungsbeispiel gleichmäßig in fünf gleich große Winkelversätze Δφ = 1 /5 <|> auf.

Es wird angemerkt, dass die Anzahl und die Art der Segmente 22a-22e bei dem segmentierten Rotor 20 rein beispielhaft ist. Eine Segmentierung kann auch in mehr oder weniger als den angegebenen fünf Segmenten bestehen. Weiterhin ist der Winkelversatz Δφ zwischen benachbarten Segmenten sowie zwischen einem letzten Segment eines Rotorpols und dem ersten Segment eines nächsten Rotorpols nicht zwingend genau so groß wie ein Versatz zwischen benachbarten Segmenten. Bei Drehung des Rotors 20 gegenüber dem Stator 10 und entsprechend bei Bewegung der Rotorpole 21 gegenüber der Messspuleneinheit 30 erreicht das jeweilige Magnetfeld eines Segments 22a-22e eines Rotorpols 21 die entsprechende zugeordnete Messspule 35 nicht gleichzeitig, sondern mit entspre- chendem Winkelversatz Δφ und damit einhergehendem Zeitversatz. Der leichteren Zuordnung halber sind die Messspulen 35 in der Fig. 3 ebenfalls durch einen Index a-e voneinander unterschieden.

Bei Rotation des Rotors 20 wird in den einzelnen Messspulen 35a-35e jeweils ein in erster Linie periodisches Signal induziert, das die sich ändernden Magnetfelder am Ort der jeweiligen Messspule 35a-e widerspiegelt. Da die jeweilige Messspule 35a-35e aufgrund der Induktion nicht Absolutwerte der Felder, sondern eine zur Änderung der Felder proportionale Spannung bereitstellt, ist für das Signal sowohl die Größe des Luftspaltmagnetfelds, als auch die Rotorbe- wegung relevant.

Jedes der in den Messspulen 35a-35e induzierte Signal zeigt eine periodische Änderung mit einer - bezogen auf die Winkelbewegung des Rotors 20 - Periodenlänge von 2φ. Die einzelnen Signale der Messspulen 35a-35e sind jedoch aufgrund des Winkelversatzes Δφ gegeneinander phasenversetzt. Bei einem anmeldungsgemäßen Messverfahren werden die Signale der Messspulen 35a- 35e untereinander verglichen. Dadurch ist es möglich, die Drehbewegung des Rotors 20 mit einer Winkelauflösung nachzuverfolgen, die um einen Faktor, der der Anzahl der Segmente 22 entspricht, hier also um den Faktor 5, höher ist, als es bei Auswertung des Signals nur einer der Messspulen 35 der Fall wäre.

In einer detaillierten Auswertung der Signale der einzelnen Messspulen 35a- 35e ist dabei zu beachten, dass die in den einzelnen Messspulen 35a-e induzierten Signale bezüglich ihrer Form und ihres Verlaufs Einflüsse des Rotor- felds und des Statorfelds sich nichtlinear überlagern. Bei Kenntnis der magnetischen Sättigung und Hysterese kann auf die lineare Überlagerung zurückgerechnet werden. Darüber hinaus liegt die Breite der Messspulen 35 im Bereich der Breite eines Statorzahns 1 1 . Da mehrere Statorzähne 1 1 im Bereich eines Statorpols liegen, ist damit die Breite der Messspulen 35 deutlich kleiner als die Breite eines Statorpols und damit des Rotorpols 21 . Durch diese Ausführung der Messspule 35 lässt sich der vom Rotorfeld induzierte Anteil von dem vom Statorfeld induzierten Anteil in der gemessenen Spannung trennen. Beim Überfahren der Messspule 35 durch einen Rotorpol 21 wird aufgrund der geringen Breite der Messspule 35 sowohl beim Einfahren, als auch beim Ausfahren des Rotorpols 21 eine Signalspitze (Spike) in der Messspule 35 induziert, die das periodische Signal des Statorfelds überlagert. Anhand der Signalspitze kann die Größe des Rotorfelds separat von der Größe des Statorfelds bzw. der Größe des Gesamtfelds bestimmt werden. Dadurch lässt sich sowohl die Rotorpo- sition als auch die relative Position des gesamten Luftspaltfelds zum Rotor, der drehmomentbestimmende Polradwinkel, bestimmen. Bei einer Messspule, deren Breite nicht unter der Breite eines Rotorpols liegt, kann die Signalspitze nicht separat beobachtet werden, sondern ist nicht trennbar im Gesamtsignal enthalten.

Durch die axial angeordneten Messspulen 35 und unter Nutzung der Rotor- schrägung lässt sich die Rotorposition noch genauer bestimmen, da die Phasenverschiebung zwischen zwei induzierten Spannungen zweier benachbarter Messspulen 35a-35e der Winkelversatz Δφ zwischen zwei Rotorsegmenten 22a-22e entspricht. Je mehr axial angeordnete Messspulen 35a-35e über den Rotorsegmenten 22a-22e zum Einsatz kommen, desto genauer werden Rotorposition und Polradwinkel bestimmt und das Verhältnis Nutzsignal zum Rauschen weiter verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die parallele Messung über den Rotorsegmenten 22a-22e die Eliminierung von Querempfindlichkeiten, z.B. der Temperatur auf die Magnetisierung, sowie die eindeutige, oben bereits angeführte Trennung der von Rotor- und Statorfeld induzierten Anteile der Messspannung auch für den Fall, dass die Verläufe beider Anteile ähnlich sind, z.B. beide sinusförmig. Gegenüber einer externen Messung der Drehposition des Rotors 20 bietet die vorgestellte interne Messung zusätzlich den Vorteil, dass die Position nicht auf Basis der Stellung von mechanischen Komponenten, beispielsweise Ankerblechen oder ähnlichem, ermittelt wird, sondern die Stellung sich auf die Relativposition der Magnetfelder, die vom Stator und vom Rotor erzeugt werden, be- zieht. Für eine Ansteuerung eines Motors als elektrischer Maschine ist dieses die relevante Größe. Es wird also nicht nur die Rotorposition, sondern unmittelbar der Polradwinkel bestimmt.

In einer weiteren Ausgestaltung einer elektrischen Maschine mit Messspulen- einheit 30 ist eine derartige Messspuleneinheit 30 mehrfach vorhanden. Durch die Anordnung mehrerer Messspuleneinheiten 30 kann beispielweise durch eine Reihenschaltung von Messspulen 35a-35e, die jeweils dem gleichen Segment 22a-22e zugeordnet sind, eine höhere Signalstärke erzielt werden. Weiterhin zeigt es sich, dass einzelne Rotorpole 21 beim Vorbeibewegen an einer Messspule 35a-35e auch bei ansonsten gleichen Bedingungen in der Regel zu leicht unterschiedlichen induzierten Spannungsverläufen und/oder Spannungsamplituden führen. Den einzelnen Rotorpole 21 weisen somit eine Art Signatur auf, durch die sie identifiziert werden können. Eine Berücksichtigung dieser Signatur bei der Auswertung ermöglicht es, die Bewegung des Rotors 20 gegenüber dem Stator 1 0 nicht nur relativ, sondern auch in absoluten Positionen zu erkennen. Die Sicherheit, mit der diese Erkennung vorgenommen werden kann, steigt, wenn mehrere Messspuleneinheiten 30 vorhanden sind, die separat ausgewertet werden.

Eine Auswertung der aufgenommenen Messsignale kann extern erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von analogen und/oder digitalen Signalfiltern und Verstärkern. Insbesondere ist ein digitaler Signalprozessor zur Auswertung geeignet. Eine erste Signalverarbeitung kann dabei durch eine Auswerteschaltungen erfolgen, die auf dem Träger 31 der Messspuleneinheit 30 integriert ist, bevorzugt im Bereich des Anschlussabschnitts 33.

Neben dem primären Einsatzgebiet der Messspuleneinheit 30 zur Bestimmung der Position bzw. Bewegung des Rotors 20 gegenüber dem Stator 10, können weitere Betriebsparameter einer elektrischen Maschine zusätzlich oder alternativ mithilfe der Messspuleneinheit 30 erfasst werden.

In einer weiteren Ausgestaltung eines anmeldungsgemäßen Messverfahrens von Betriebsparametern für eine elektrische Maschine werden die ohmschen Widerstände der Messspulen 35 einer Messspuleneinheit 30 bestimmt. Bei bekanntem Widerstandstemperaturkoeffizienten der Messspulen 35 kann aus dem Widerstand auf eine Temperatur der Messspule 35 geschlossen werden. Wenn die Widerstandsmessung zur Bestimmung des Widerstands der Mess- spulen 35 mit einem geringen Messstrom ausgeführt wird, hat dieser Messstrom keinen Einfluss auf die Temperatur der Messspule 35. Somit gibt die gemessene Temperatur die Temperatur des Statorzahns 1 1 , auf dem die Messspule 35 angeordnet ist, wieder. Eine Messung bei verschiedenen, in axialer Richtung unterschiedlich positionierten Messspulen 35a-35e gibt Aufschluss über eine Temperaturverteilung entlang des Statorzahns 1 1 .

Die Widerstandsmessung ist für eine ruhende, unbestromte elektrische Maschine unproblematisch. Bei gleichzeitig rotierender Maschine und damit in den Messspulen 35 induzierten periodischen Spannungen sind zur Widerstandsmessung deren Gleich- bzw. Mittelwertanteile zu ermitteln.

In einer Weiterbildung des beschriebenen Verfahrens wird der Widerstand der Messspulen 35 wie zuvor zunächst mit niedrigem und nachfolgend mit erhöhtem Messstrom bestimmt. Die Messung mit niedrigem Messstrom liefert, wie zuvor beschrieben, die Temperatur der Messspule 35 basierend auf der Temperatur des Statorzahns 1 1 . Während der Temperaturmessung mit erhöhtem Messstrom erhöht sich die Temperatur der Messspule 35 durch Einbringen von elektrischer Verlustleistung aufgrund des höheren Messstroms. Die sich einstellende erhöhte Temperatur bzw. der Zeitverlauf, mit dem sich die Temperatur erhöht, geben Auf- schluss über die Wärmedissipation am Ort der Messspule 35. Diese Wärme- dissipation am Ort der Messspule 35 ist durch im Wesentlichen zwei Anteile bestimmt, von der einer in der Wärmeleitung in den Statorzahn 1 1 gegeben ist. Ein zweiter Anteil ist die Wärmeabgabe von der Messspule 35 in den Luftspalt, die vor allem von der Luftkonvektion im Luftspalt abhängt. Aus Vergleichsmessungen bei ruhendem Motor kann der in den Statorzahn 1 1 geleitete Wärmean- teil temperaturabhängig ermittelt und hinterlegt werden. Bei Messung mit rotierendem Rotor 20 kann dieser Anteil herausgerechnet werden, sodass mit dem beschriebenen Verfahren Informationen über die Konvektion im Luftspalt, ebenfalls axial ortsaufgelöst an der Position der verschiedenen Messspulen 35a- 35e, bestimmt werden kann.

Eine weitere zusätzliche Bestimmung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen Motors kann vorgenommen werden, wenn während eines Umlaufs des Rotors 20 im Stator 10 die Amplituden der Ströme in den Rotorwicklungen und den Statorwicklungen konstant sind. Ein solcher Betriebszustand tritt bei sich nicht schnell änderndem An- steuerungs- und Lastbedingungen bei einem elektrischen Motor häufig auf. Wenn während eines solchen Umlaufs die Amplitude der Spannungssignale der Messspulen 35 variiert, deutet dieses auf Asymmetrien in der Magnetisierung von Permanentmagneten des Ankers 20 des elektrischen Motors hin.

Bevorzugt wird eine derartige Messung vorgenommen, wenn die Temperatur des Rotors 20 bekannt ist. Hierzu kann beispielsweise ausgenutzt werden, dass vor Inbetriebnahme nach einer längeren Stillstandszeit des Motors die Annahme gerechtfertigt ist, dass die Temperatur des Rotors 20 gleich der leicht messbaren Temperatur des Stators 1 0 und gleich der Umgebungstemperatur ist. Wird die beschriebene Messung der Asymmetrie der Magnetisierung dann zusätzlich im Betrieb des Motors vorgenommen, können Änderungen der Magnetisierung umgekehrt genutzt werden, um auf eine Temperatur der Magnete zu schließen, die andernfalls nicht oder nur mit großem Aufwand messbar ist.

Eine Änderung der Magnetisierung im Betrieb kann jedoch auch auf eine irreversible Entmagnetisierung der Magnete, beispielsweise durch eine Übertemperatur, zurückzuführen sein. Eine solche irreversible Entmagnetisierung betrifft meist jedoch nicht alle Magnete gleichzeitig und im gleichen Maße, sodass sich eine Entmagnetisierung üblicherweise von einem normalen Temperatureffekt unterscheiden lässt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, eine Messung der Magnetisierung wiederholt durch- zuführen und den Zeitverlauf der Änderung an einer Magnetisierung zu betrachten. Während eine Temperaturänderung ein dynamischer Prozess ist, der sich in Abhängigkeit von ebenfalls bekannten Betriebszuständen wie

Bestromung und Last entwickelt, zeigt sich eine Entmagnetisierung üblicherweise erst in Betriebszuständen der Überlast. Eine kontinuierliche Beobachtung unter Berücksichtigung der Betriebszustände des elektrischen Motors erlaubt eine Unterscheidung zwischen einer temperaturabhängigen und reversiblen Änderung der Magnetisierung der einzelnen Permanentmagnete und einer irreversiblen Entmagnetisierung. Bei einem weiteren anmeldungsgemäßen Messverfahren werden die Messspulen 35 der Messspuleneinheit 30 mit einem Impuls, beispielsweise einem Rechteckimpuls bestromt. Durch diesen Impuls erzeugen die Messspulen 35 selbst ein Magnetfeld, das sich mit dem Magnetfeld der Permanentmagneten des Rotors 20 überlagert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich der Ro- tor 20 im Stillstand befindet. Unmittelbar anschließend an den Stromimpuls durch die Messspulen 35 wird das in den Messspulen 35 induzierte und gemäß der Lenz'schen Regel abklingende Induktionssignal aufgezeichnet. Die Form und Zeitkonstante, mit der sich dieses Induktionssignal verringert, gibt Auf- schluss über den magnetischen Widerstand der Umgebung der Messspule 35. Dieser magnetische Widerstand wird nennenswert von dem Permanentmagneten im Rotor 20 bestimmt. Bei bestehenden Asymmetrien der Permanentmagnete spiegeln sich diese Asymmetrien im Verhalten des Induktionssignals in der Messspule 35 wider. Auch bezüglich ihres magnetischen Widerstands und ihrer Magnetisierungsrichtung (Nordpol, Südpol) tragen die Permanentmagnete folglich eine Signatur. Bei bekannter Signatur der einzelnen Permanentmagnete kann so eine Positionserkennung der Position des Rotors 20 gegenüber dem Stator 10 auch im Stillstand des Rotors erfolgen.

Bezugszeichen

10 Stator

1 1 Statorzahn

12 Statorwicklung

13 Lageraufnahme

20 Rotor

21 Rotorpol

22a-e Segment

30 Messspuleneinheit

31 Träger

32 Spulenabschnitt

33 Anschlussabschnitt

34 Anschlusskopf

35, 35a-e Messspule

36 Durchkontaktierung

37 Zuleitung

38 Anschlusskontakt

Φ Winkel zwischen zwei Rotorpolen

Δφ Winkelversatz zwischen zwei Segmenten

Claims

Ansprüche

1 . Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einem Stator (10) und einem Rotor (20), die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei eine Messspuleneinheit (30) mit mehreren, nebeneinander liegende Messspulen (35, 35a-35e) in dem Luftspalt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Messspulen (35, 35a-35e) in axialer Richtung hintereinanderliegend im Luftspalt angeordnet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , aufweisend jeweils eine Mehrzahl von Statorzähnen (1 1 ) im Bereich eines Pols des Stators (10), wobei die Messspulen (35, 35a-35e) entlang einem der Statorzähne (1 1 ) angeordnet sind und eine Breite aufweisen, die kleiner oder gleich einer Breite des Statorzahns (1 1 ) ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Rotor (20) eine Mehrzahl von gegeneinander verdrehten Segmenten (22a-22e) aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, bei der jedem Segment (22a-22e) mindestens eine Messspule (35, 35a-35e) zugeordnet ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, bei der die einem der Segmente (22a-22e) zugeordnete mindestens eine Messspule (35, 35a-35e) so positioniert ist, dass sie im Bereich eines von dem betreffenden Segment (22a- 22e) generierten Magnetfelds liegt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 und 5, bei der die einem der Segmente (22a-22e) zugeordnete mindestens eine Messspule (35, 35a-35e) auf dem Statorzahn (1 1 ) gegenüber dem betreffenden Segment (22a-22e) angeordnet ist.

7. Messspuleneinheit (30) zur Verwendung in einem zwischen einem Stator (10) und einem Rotor (20) einer elektrischen Maschine liegenden Luftspalt, aufweisend mehrere nebeneinander liegende Messspulen (35, 35a-35e), dadurch gekennzeichnet, dass

die Messspulen (35, 35a-35e) auf einem länglichen Träger (31 ) angeordnet sind und Anschlüsse der Messspulen (35, 35a-35e) zu Anschlusskon- takten (38) geführt sind, die an einer Querseite des Trägers (31 ) angeordnet sind.

8. Messspuleneinheit (30) nach Anspruch 7, bei der jede der Messspulen (35, 35a-35e) zumindest zwei übereinanderliegende planare Wicklungen aufweist, wobei eine der Wicklungen auf einer Oberseite des Trägers (31 ) und eine Wicklungen auf einer Unterseite des Trägers (31 ) ausgebildet ist.

9. Messspuleneinheit (30) nach Anspruch 7 oder 8, bei der jede der Messspulen (35, 35a-35e) separat über die Anschlusskontakte (38)

kontaktierbar ist.

10. Messspuleneinheit (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Träger (31 ) eine flexible Folie ist.

1 1 . Messspuleneinheit (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, aufweisen elektronische Komponenten zur Verarbeitung und/oder Auswertung eines Messsignals der Messspulen (35, 35a-35e).

12. Verfahren zur Bestimmung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine mit einem Stator (10) und einem Rotor (20) mit einer Mehrzahl von gegeneinander verdrehten Segmenten (22a-22e) sowie einem dazwischen liegenden Luftspalt, in dem eine Messspuleneinheit (30) angeordnet ist, die in axialer Richtung hintereinander liegende Messspulen (35, 35a-35e) aufweist, mit den folgenden Schritten:

- Erfassen von induzierten Signalen von mindestens zwei der Messspulen (35, 35a-35e), die verschiedenen Segmenten (22a-22e) zugeordnet sind; und

- Bestimmen einer Drehposition des Rotors (20) gegenüber dem Stator (10) und/oder eines Polradwinkels unter Berücksichtigung der Verdrehung der Segmenten (22a-22e) zueinander.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem jedem Segment (22a-22e) mindestens eine Messspule (35, 35a-35e) zugeordnet ist und bei dem mindestens eine Anzahl von induzierten Signalen erfasst und ausgewertet wird, die der Anzahl der Segmente (22a-22e) des Rotors (20) entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem aus einem ohmschen Widerstand mindestens einer der Messspulen (35, 35a-35e) eine Temperatur des Stators (10) bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Widerstandsmessung wiederholt bei zumindest zwei unterschiedlichen Messströmen vorgenommen wird und bei dem aus einem Unterschied der bei unterschiedlichen Messströmen ermittelten Widerstände ein mit einer Konvektion im Luftspalt korrelierter Wert bestimmt wird.