EP4107500A1 - Method and device for contactlessly sensing the temperature of a rotating part of an electrical machine - Google Patents

Method and device for contactlessly sensing the temperature of a rotating part of an electrical machine

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EP4107500A1
EP4107500A1 EP20839306.6A EP20839306A EP4107500A1 EP 4107500 A1 EP4107500 A1 EP 4107500A1 EP 20839306 A EP20839306 A EP 20839306A EP 4107500 A1 EP4107500 A1 EP 4107500A1
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EP
European Patent Office
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temperature
rotating part
fluorescent element
light
fluorescent
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EP20839306.6A
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Inventor
Dragan Mikulec
Alex Maier
Olaf Ziemann
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Vitesco Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies Germany GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

The invention relates to a method for contactlessly sensing the temperature of a rotating part (10) of an electrical machine, which rotates with respect to an axis of rotation (12), by means of a fluorescent element (16) that is located on the rotating part (10) and thermally connected thereto, a light source (18) for exciting the fluorescent element (16) and at least one light sensor (20) for detecting fluorescent light that is emitted as a result of the excitation of the fluorescent element (16), wherein from this detection process, a variable correlating with a temperature-dependent decay time constant τ of the material of the fluorescent element is determined and the temperature of the rotating part (10) is determined using said variable. The invention also relates to a corresponding device (14) for contactlessly sensing the temperature of a rotating part (10) of an electrical machine.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine Method and device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine. The invention relates to a method and a device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine.
Bei elektrischen Maschinen besteht vielfach der Wunsch die Temperatur von einem Rotor oder anderen rotierenden Teilen im laufenden Betrieb exakt, d.h. auf wenige Grad Celsius (1-5 °C) genau, zu bestimmen. Die genaue Kenntnis der Temperatur ist u.a. für Überwachungszwecke wichtig. Aus der Theorie der elektrischen Maschinen ist bekannt, dass die Rotortemperatur in bestimmten Betriebspunkten die maximale obere Grenztemperatur überschreiten kann. Wird die Temperatur nicht überwacht bzw. die Temperatur nicht exakt bestimmt, kann es zur Schädigung der elektrischen Maschine kommen. With electrical machines, there is often a desire to determine the temperature of a rotor or other rotating parts exactly during operation, i.e. to a few degrees Celsius (1-5 ° C). Exact knowledge of the temperature is important for monitoring purposes, among other things. It is known from the theory of electrical machines that the rotor temperature can exceed the maximum upper limit temperature at certain operating points. If the temperature is not monitored or the temperature is not precisely determined, the electrical machine can be damaged.
Das Dokument DE 10 2011 108 382 A1 beschreibt eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator, wobei wenigstens ein am Rotor angeordnetes und mit ihm thermisch verbundenes Element vorgesehen ist, dessen Absorptionsgrad für einfallende Photonen einer Lichtquelle sich in Abhängigkeit der Temperatur ändert, wobei vorgesehen ist, dass ein vom momentanen Absorptionsgrad des Elements abhängiges Messsignal ermittelt wird, das ein Maß für die Element- bzw. Rotortemperatur darstellt. The document DE 10 2011 108 382 A1 describes an electrical machine comprising a rotor and a stator, with at least one element arranged on the rotor and thermally connected to it being provided, the degree of absorption of which for incident photons of a light source changes as a function of the temperature is that a measurement signal dependent on the momentary degree of absorption of the element is determined, which represents a measure of the element or rotor temperature.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahme anzugeben, mittels derer die Temperatur eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine mit moderatem Aufwand präzise ermittelbar ist. It is the object of the invention to specify measures by means of which the temperature of a rotating part of an electrical machine can be precisely determined with moderate effort.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Vorrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen und/oder in der Beschreibung und/oder den Figuren beschriebene beziehungsweise gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. The present invention is achieved by a method having the features of claim 1. The object is also achieved by a device having the features of claim 8. Preferred embodiments of the invention are in the subclaims, in the description and in the figures described, wherein further features described or shown in the dependent claims and / or in the description and / or the figures can represent an object of the invention individually or in any combination if the context does not clearly indicate the opposite.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements, einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und mindestens eines Lichtsensors zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei aus diesem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils bestimmt wird. Die ermittelte Größe ist ein Maß für die Abklingzeitkonstante t und kann beispielsweise die Abklingzeitkonstante t selbst sein. Das fluoreszierende Element ist dabei einer Winkelposition bzw. einem Winkelbereich des Rotationsteils zugeordnet. The present invention relates to a method for the contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation by means of a fluorescent element arranged on the rotating part and thermally connected to it, a light source for exciting the fluorescent element and at least one light sensor for the detection of Fluorescent light that is emitted by the fluorescent element as a result of the excitation, a quantity correlating with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element being determined from this detected fluorescent light and the temperature of the rotating part being determined from this. The determined variable is a measure of the decay time constant t and can, for example, be the decay time constant t itself. The fluorescent element is assigned to an angular position or an angular range of the rotating part.
Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur des rotierenden Rotationsteils unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist, erfasst werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit auch sehr heiße Objekte mit einer Temperatur von bis zu 1000 °C thermisch erfasst werden können. The essence of the invention is that the temperature of the rotating rotating part can be detected using the physical effect that the decay time constant of a fluorescent body is temperature-dependent. Another feature of the invention is that the temperature can be detected without contact and thus very hot objects with a temperature of up to 1000 ° C. can be detected thermally.
Das Rotationsteil ist ein drehendes Teil der elektrischen Maschine. In der Regel weist die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator auf, wobei das Rotationsteil insbesondere besagter Rotor ist. Durch das Verfahren bzw. die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius. The rotating part is a rotating part of the electrical machine. As a rule, the electrical machine has a rotor and a stator, the rotating part being in particular said rotor. Through the method or the use of a corresponding device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine, the temperature can be determined with a very high steady-state accuracy. The order of magnitude here is around 1-5 degrees Celsius.
Dadurch ergeben sich für den Anwendungsfall der elektrischen Maschinen und ganz besonders für die Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM) die nachfolgend beschriebenen Vorteile: This results in the advantages described below for the application of electrical machines and especially for the permanent magnet synchronous machine (PSM):
A) Senkung der Gesamtkosten: Die Temperaturklasse von in der elektrischen Maschine verwendeter Magnete kann gesenkt werden, da durch die exakte (ausreichende) Bestimmung der Rotortemperatur keine Sicherheitsreserve mehr benötigt wird. Die Annahme ist zulässig, wenn von einer elektrischen Leistung in der Größenordnung von 150-250KW bei elektrischen Maschinen ausgegangen werden kann. A) Reduction of the total costs: The temperature class of magnets used in the electrical machine can be reduced, since the exact (sufficient) determination of the rotor temperature means that no safety reserve is required any more. The assumption is permissible if an electrical power in the order of magnitude of 150-250KW can be assumed for electrical machines.
B) Leistungskompensation: Der Leistungsabfall bei der PSM, kann im Feldschwachbereich durch Stromanhebung kompensiert werden. Der Leistungsabfall resultiert aufgrund der Drehmomentabsenkung, welche wiederum aufgrund der Polradabsenkung resultiert. Die Polradabsenkung wiederum resultiert aufgrund der Erwärmung der Magnete im Rotor. Die Polradabsenkung und damit die Drehmoment- und Leistungsabsenkung nimmt mit zunehmender Drehzahl zu, wenn sie nicht kompensiert wird. Die Strom kompensation erfolgt beispielsweise mittels der feldorientierten Regelung der permanenterregten Synchronmaschine durch Anhebung des Statorstroms mittels der Leistungselektronik. B) Power compensation: The drop in power with the PSM can be compensated in the weak field range by increasing the current. The drop in performance results from the reduction in torque, which in turn results from the reduction in the pole wheel. The lowering of the pole wheel results from the heating of the magnets in the rotor. The lowering of the pole wheel and thus the lowering of torque and power increases with increasing speed if it is not compensated for. The current compensation takes place, for example, by means of the field-oriented regulation of the permanent magnet synchronous machine by increasing the stator current by means of the power electronics.
C) Komponentenschutz: Durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur können bessere Überwachungs- und Derating-Strategien in der Funktions-Software entwickelt und implementiert werden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Rotortemperaturerfassung wird mangels exakter (ausreichender) Kenntnis der Rotortemperatur zu früh ins Derating geschaltet. D) Verbesserung des funktionalen Sicherheitskonzepts: Die Drehmomentüberwachung auf Drehmomentfehler kann durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur verbessert werden. C) Component protection: With precise knowledge of the rotor temperature, better monitoring and derating strategies can be developed and implemented in the functional software. With the methods for recording the rotor temperature known from the prior art, derating is switched too early due to a lack of exact (sufficient) knowledge of the rotor temperature. D) Improvement of the functional safety concept: The torque monitoring for torque errors can be improved through the exact knowledge of the rotor temperature.
Die Verbesserung resultiert in einem engeren Toleranzband (Vergleich zwischen Soll- und Istmoment). Das engere Toleranzband führt zu einer kürzeren Erkennungs- und Abschaltzeit. The improvement results in a narrower tolerance band (comparison between target and actual torque). The narrower tolerance band leads to a shorter detection and switch-off time.
E) Reduzierung der gesamten Software-Applikationszeit: Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche die Rotortemperatur mittels eines Rotortemperaturmodels (Schätzmodel) ermitteln, erfordern eine Vielzahl von Fahrzeugmessungen und Erprobungen in Heiß- und Kaltlandversuchen. Durch eine exakte Rotortemperaturbestimmung mittels des hier dargestellten Verfahrens, reduziert sich der Software-Applikationsaufwand in einem erheblichen Umfang. Die Folge: Zeit- und Kosteneinsparung. E) Reduction of the total software application time: The methods known from the prior art, which determine the rotor temperature by means of a rotor temperature model (estimation model), require a large number of vehicle measurements and tests in hot and cold country tests. Exact determination of the rotor temperature using the method shown here reduces the software application effort to a considerable extent. The result: time and cost savings.
Bei dem Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass das fluoreszierende Element durch die Rotation des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird. In the method, it is preferably provided that the fluorescent element is first guided past the light source and then past the light sensor or successively past the light sensors by the rotation of the rotating part.
Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und Anzahl der Lichtsensoren die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann. Another feature is that through a clever arrangement and number of light sensors, the temperature accuracy can be increased and, in addition, the speed and the direction of rotation can be recorded.
Dementsprechend wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus dem Signal des detektierten Fluoreszenzlichts weiterhin eine Drehzahl und/oder Drehrichtung des Rotationsteils bestimmt. Accordingly, according to a preferred embodiment of the invention, a speed and / or direction of rotation of the rotating part is also determined from the signal of the detected fluorescent light.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluoreszierende Element als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf. According to a further preferred embodiment of the invention, the fluorescent element has ruby, in particular in the form of a crystal, as the fluorescent material.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lichtquelle als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet ist. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Lichtsensor als Photoempfänger, insbesondere Photodiode (PD), ausgebildet ist. Furthermore, it is advantageously provided that the light source is designed as a light or laser diode (LED). According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the at least one light sensor is designed as a photo receiver, in particular a photodiode (PD).
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors ermittelt. According to yet another preferred embodiment of the invention, the variable correlating with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element is determined in advance by a reference measurement using the fluorescent element, the light source and the at least one light sensor.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine, mit (i) einem auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Element, (ii) einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und (iii) mindestens einem Lichtsensor zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils zu bestimmen. The present invention also relates to a device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation, with (i) a fluorescent element arranged on the rotating part and thermally connected to it, (ii) a light source for exciting the fluorescent element Element and (iii) at least one light sensor for the detection of fluorescent light which is emitted due to the excitation of the fluorescent element, the device further comprising an evaluation unit which is set up to convert the detected fluorescent light into a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element to determine correlating variable and to determine the temperature of the rotating part via this variable.
Die im Zusammenhang mit dem vorstehend genannten Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil genannten vorteilhaften Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch hier für die Vorrichtung. Diese ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet. The advantageous refinements mentioned in connection with the above-mentioned method for contactless detection of the temperature of a rotary part rotating with respect to an axis of rotation also apply analogously here to the device. This is set up in particular to carry out the above-mentioned method.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine feste räumliche Anordnung der Lichtquelle, des mindestens einen Lichtsensors und der Rotationsachse vorgesehen, bei der das fluoreszierende Element durch ein Rotieren des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird. According to a preferred embodiment of the device according to the invention, a fixed spatial arrangement of the light source, the at least one light sensor and the axis of rotation is provided, in which the fluorescent element is through a Rotating the rotating part is first guided past the light source and then past the light sensor or successively past the light sensors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors zu ermitteln. According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the evaluation unit is set up to determine the variable correlating with the decay time constant t of the material of the fluorescent element in advance by means of a reference measurement using the fluorescent element, the light source and the at least one light sensor.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Rotationsteil ein Rotor oder zumindest eine Rotorkomponente der elektrischen Maschine ist. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM). According to yet another preferred embodiment of the device according to the invention, it is provided that the rotating part is a rotor or at least a rotor component of the electrical machine. The electrical machine, for its part, is in particular a permanent magnet synchronous machine (PSM).
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine elektrische Maschine mit einem bezüglich einer Rotationsachse rotierbar gelagerten Rotationsteil und einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM). Finally, the invention also relates to an electrical machine with a rotating part mounted rotatably with respect to an axis of rotation and a device described above for contactless detection of the temperature of the rotating rotating part. The rotating part 10 is in particular a rotor of the electrical machine. The electrical machine, for its part, is in particular a permanent magnet synchronous machine (PSM).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt The invention is shown in the drawings using a preferred exemplary embodiment and is described in more detail below. It shows
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Temperatur-Erfassung eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, 1 shows a schematic representation of a device for temperature detection of a rotating part of an electrical machine according to a preferred embodiment of the invention,
Fig. 2 Graphen der entsprechenden optischen Signale, 2 graphs of the corresponding optical signals,
Fig. 3 Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung einer mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils. Die Fig. 1 zeigt ein Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine, welches bezüglich einer Rotationsachse 12 rotierbar gelagert ist, sowie eine Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils 10. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor 15 der elektrischen Maschine. 3 shows graphs of relevant variables when determining a variable that correlates with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element and the temperature of the rotating part. 1 shows a rotating part 10 of an electrical machine, which is mounted rotatably with respect to a rotation axis 12, as well as a device 14 for contactless detection of the temperature of the rotating rotating part 10. The rotating part 10 is in particular a rotor 15 of the electrical machine.
Die Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des bezüglich der Rotationsachse 12 rotierbaren/rotierenden Rotationsteils 10 weist die folgenden Komponenten auf: ein auf dem Rotationsteil 12 angeordnetes und mit diesem thermisch verbundenes fluoreszierenden Element 16, eine Lichtquelle 18 zum Anregen des fluoreszierenden Elements 16, mehrere Lichtsensoren 20 zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element 16 emittiert/ausgesandt wird, und eine Auswerteeinheit 22, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils 10 zu bestimmen. The device 14 for contactless detection of the temperature of the rotating part 10 rotatable / rotating with respect to the axis of rotation 12 has the following components: a fluorescent element 16 arranged on the rotating part 12 and thermally connected to it, a light source 18 for exciting the fluorescent element 16, several Light sensors 20 for the detection of fluorescent light that is emitted / sent out by the fluorescent element 16 due to the excitation, and an evaluation unit 22 which is set up to determine from the detected fluorescent light a variable that correlates with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element 16 and to determine the temperature of the rotating part 10 via this variable.
Die Verknüpfung zwischen der mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe und der Temperatur ist beispielsweise in einer Datenbank der Auswerteeinheit 22 hinterlegt. The link between the variable correlating with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element 16 and the temperature is stored, for example, in a database of the evaluation unit 22.
Die räumliche Anordnung der Lichtquelle 18, der Lichtsensoren 20 und der Rotationsachse 12 des Rotationsteils 10 ist innerhalb der elektrischen Maschine so festgelegt, dass das fluoreszierende Element 16 durch ein Rotieren des Rotationsteils 12 an der Lichtquelle 18 und anschließend nacheinander an den Lichtsensoren 20 vorbeigeführt wird (Pfeil 24). Die Lichtquelle 18 und die Lichtsensoren 20 sind dazu an einem maschinenfesten Teil der elektrischen Maschine, wie etwa einem Gehäuse oder einem dem Rotor 15 entsprechenden Stator (nicht explizit gezeigt) angeordnet/befestigt. The spatial arrangement of the light source 18, the light sensors 20 and the axis of rotation 12 of the rotating part 10 is determined within the electrical machine in such a way that the fluorescent element 16 is guided past the light source 18 by rotating the rotating part 12 and then one after the other past the light sensors 20 ( Arrow 24). For this purpose, the light source 18 and the light sensors 20 are arranged / attached to a part of the electrical machine that is fixed to the machine, such as a housing or a stator (not explicitly shown) corresponding to the rotor 15.
Die Lichtquelle 18 ist hier im Beispiel als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet und die Lichtsensoren 20 sind als Photoempfänger, genauer gesagt Photodioden (PD), ausgebildet. Das fluoreszierende Element 16 weist als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf. In the example, the light source 18 is designed as a light or laser diode (LED) and the light sensors 20 are photo receivers, more precisely photodiodes (PD) trained. The fluorescent element 16 has ruby, in particular in the form of a crystal, as the fluorescent material.
Die Fig. 2 zeigt nun Graphen der entsprechenden optischen Signale, wobei jeweils eine Signal-Intensität, hier als auf die Fläche bezogene Leistung P angegeben, über der Zeit t dargestellt ist. Der obere Graph zeigt das konstante Signal der Lichtquelle 18. Der mittlere Graph zeigt das Fluoreszenz-Signal des fluoreszierenden Elements 16 und die unteren drei Graphen die diskreten Signale der Lichtsensoren 20. Diese diskreten Signale werden von der jeweiligen Position des fluoreszierenden Elements 16 bezüglich der Lichtquelle 18 und der Lichtsensoren 20 getriggert. FIG. 2 now shows graphs of the corresponding optical signals, a signal intensity, indicated here as power P related to the area, being shown over time t. The upper graph shows the constant signal of the light source 18. The middle graph shows the fluorescence signal of the fluorescent element 16 and the lower three graphs the discrete signals of the light sensors 20. These discrete signals are from the respective position of the fluorescent element 16 with respect to the light source 18 and the light sensors 20 triggered.
Die Fig. 3 zeigt zwei Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung der mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils aus dieser Größe. 3 shows two graphs of relevant variables when determining the variable correlating with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element and the temperature of the rotating part from this variable.
Über die von den Lichtsensoren 20 detektierte Intensität des Fluoreszenzlichts und die Zeitdifferenz zwischen den von den unterschiedlichen Sensoren 20 detektierten Signalen wird die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt (linker Graph) und über diese Größe und die Temperaturabhängigkeit der Abklingzeitkonstante t die Temperatur des fluoreszierenden Elements 16 und des damit thermisch verbundenen Rotationsteils 10 bestimmt. The quantity correlating with the decay time constant t of the material of the fluorescent element is determined via the intensity of the fluorescent light detected by the light sensors 20 and the time difference between the signals detected by the different sensors 20 (left graph) and via this quantity and the temperature dependency of the decay time constant t the temperature of the fluorescent element 16 and the rotating part 10 thermally connected to it is determined.
Im vorliegenden Fall der Fig. 3 gilt beispielsweise in Bezug auf den ersten und den dritten Lichtsensor 20: In the present case of FIG. 3, the following applies, for example, with regard to the first and the third light sensor 20:
Im konkret gezeigten Beispiel also: T = 6ms/ln(0, 58/0,115) = 3,7ms Mit dem im zweiten Graph der Fig. 3 gegebenen Zusammenhang ergibt sich eine Temperatur von 7°C. In the example shown specifically: T = 6ms / ln (0.58 / 0.115) = 3.7ms With the relationship given in the second graph in FIG. 3, a temperature of 7 ° C. results.
Eine besonders exakte Temperaturerfassung ist für den Drehzahlbereich nm ^ n < nmax mit nmin = 100 min-1 und nmax = 21.000 min-1 möglich. A particularly accurate temperature detection is possible for the speed range n m ^ n <n m ax with n m = 100 min -1 and n ma x = 21.000 min -1.
Im Folgenden soll der Kern der Erfindung, einige Einzelaspekte sowie Vorteile der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden: In the following, the core of the invention, some individual aspects and advantages of the invention will be described again in other words:
Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur an einem rotierenden Teil 10 erfasst werden kann unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit ein sehr heißes Messobjekt (hier beispielsweise der Rotor 15) auch bis zu 1000 °C erfasst werden kann. The essence of the invention is that the temperature on a rotating part 10 can be detected using the physical effect that the decay time constant of a fluorescent body is temperature-dependent. Another feature of the invention is that the temperature can be recorded without contact and thus a very hot measurement object (here, for example, the rotor 15) can also be recorded up to 1000 ° C.
Durch die Verwendung der Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius. By using the device 14 for contactless detection of the temperature of a rotating part 10 of an electrical machine, the temperature can be determined with a very high steady-state accuracy. The order of magnitude here is around 1-5 degrees Celsius.
Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und höhere Anzahl der Lichtsensoren 20 die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann. A further feature is that the temperature accuracy can be increased through a clever arrangement and a higher number of light sensors 20 and, in addition, the speed and the direction of rotation can be detected.
Bezugszeichen Reference number
10 Rotationsteil 10 rotary part
12 Rotationsachse 14 Vorrichtung 12 axis of rotation 14 device
15 Rotor 15 rotor
16 fluoreszierendes Element16 fluorescent element
18 Lichtquelle 18 light source
20 Lichtsensor 22 Auswerteeinheit 20 light sensor 22 evaluation unit
24 Pfeil 24 arrow
T Temperatur des RotationsteilsT Temperature of the rotating part
T Abklingzeitkonstante T decay time constant

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse (12) rotierenden Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil (10) angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements (16), einer Lichtquelle (18) zum Anregen des fluoreszierenden Elements (16) und mindestens eines Lichtsensors (20) zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung des fluoreszierenden Elements (16) emittiert wird, wobei daraus eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils (10) bestimmt wird. 1. A method for the contactless detection of the temperature of a rotating part (10) of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation (12) by means of a fluorescent element (16) arranged on the rotating part (10) and thermally connected to it, a light source (18) for Exciting the fluorescent element (16) and at least one light sensor (20) for the detection of fluorescent light which is emitted as a result of the excitation of the fluorescent element (16), a variable correlating with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element being determined therefrom and This is used to determine the temperature of the rotating part (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fluoreszierende Element (16) durch die Rotation des Rotationsteils (10) an der Lichtquelle (18) und anschließend an dem Lichtsensor (20) oder nacheinander an den Lichtsensoren (20) vorbeigeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the fluorescent element (16) is guided past the light source (18) and then the light sensor (20) or successively past the light sensors (20) by the rotation of the rotating part (10).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal des detektierten Fluoreszenzlichts weiterhin eine Drehzahl und/oder Drehrichtung des Rotationsteils (10) bestimmt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a speed and / or direction of rotation of the rotating part (10) is also determined from the signal of the detected fluorescent light.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluoreszierende Element (16) als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, aufweist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fluorescent element (16) has ruby, in particular in the form of a crystal, as the fluorescent material.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) als Leucht- oder Laserdiode ausgebildet ist. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the light source (18) is designed as a light or laser diode.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtsensor (20) als Photoempfänger, insbesondere Photodiode ausgebildet ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one light sensor (20) is designed as a photo receiver, in particular a photodiode.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements (16) korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements (16), der Lichtquelle (18) und des mindestens einen Lichtsensors (20) ermittelt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element (16) correlating size in advance by a reference measurement by means of the fluorescent element (16), the light source (18) and the at least one light sensor (20) is determined.
8. Vorrichtung (14) zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse (12) rotierenden Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine, mit einem auf dem Rotationsteil (10) angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Element (16), einer Lichtquelle (18) zum Anregen des fluoreszierenden Elements (16), mindestens einem Lichtsensor (20) zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung des fluoreszierenden Elements (16) emittiert wird, und einer Auswerteeinheit (22), die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements (16) korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils (10) zu bestimmen. 8. Device (14) for contactless detection of the temperature of a rotating part (10) of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation (12), with a fluorescent element (16) arranged on the rotating part (10) and thermally connected to it, a light source (18) for exciting the fluorescent element (16), at least one light sensor (20) for detecting fluorescent light that is emitted due to the excitation of the fluorescent element (16), and an evaluation unit (22) which is set up from which the detected Fluorescent light to determine a variable that correlates with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element (16) and to determine the temperature of the rotating part (10) via this variable.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine feste räumliche Anordnung der Lichtquelle (18), des mindestens einen Lichtsensors (22) und der Rotationsachse (12), bei der das fluoreszierende Element (16) durch ein Rotieren des Rotationsteils (10) an der Lichtquelle (18) und anschließend an dem Lichtsensor (20) oder nacheinander an den Lichtsensoren (20) vorbeigeführt wird. 9. The device according to claim 8, characterized by a fixed spatial arrangement of the light source (18), the at least one light sensor (22) and the axis of rotation (12), in which the fluorescent element (16) by rotating the rotary part (10) the light source (18) and then past the light sensor (20) or successively past the light sensors (20).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements (16), der Lichtquelle (18) und des mindestens einen Lichtsensors (20) zu ermitteln. 10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the evaluation unit is set up, the with the decay time constant t of the material of the fluorescent element correlating variable in advance by a To determine reference measurement by means of the fluorescent element (16), the light source (18) and the at least one light sensor (20).
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