WO2006082190A1 - Überwachung der lagertemperatur einer elektrischen maschine - Google Patents

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Abstract

Bei dem Verfahren wird ein Temperaturmodell vorgegeben, welches auf Basis eines Mehrmassenmodells die thermischen Verhältnisse in der elektrischen Maschine (1) nachbildet. Es werden die Drehzahl (n) und der Strom (i) der elektrischen Maschine (1) als Eingangsgrößen des Temperaturmodells fortlaufend erfasst und zumindest eine mit einem Lager (8,9) korrespondierende Lagerverlustleistung (PL') und/oder Lagerinnenringtemperatur (TIL1') fortlaufend aus dem Temperaturmodell abgeleitet. Es wird dann eine erste Warnmeldung (W1) ausgegeben, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerverlustleistung einen vorgebbaren Vergleichswert überschreitet. Zudem wird eine zweite Warnmeldung (W2) ausgegeben, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerinnenringtemperatur eine vorgebbare Temperaturdifferenz (ΔT) zu einer zugehörigen rechnerischen Lageraußenringtemperatur (TAL1') überschreitet. Dadurch können vorteilhaft alleinig durch Auswertung des Stroms (i) und der Drehzahl (n) die thermischen Verhältnisse von nicht zugänglichen Komponenten, insbesondere die des Lagers (8, 9), ermittelt werden. Zudem kann vorteilhaft auf den Einbau von Temperatursensoren (2,3,4,12) in der elektrischen Maschine (1) verzichtet werden.

Description

ÜBERWACHUNG DER LAGERTEMPERATUR EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE
Beschreibung
Verfahren zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers einer elektrischen Maschine, eine hiermit korrespondie- rende Überwachungseinrichtung sowie elektrische Maschine mit einer derartigen Überwachungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwa¬ chung der Temperatur zumindest eines Lagers einer elektri- sehen Maschine, wie z . B . eines Motors oder Generators , welche mehrere Komponenten wie Stator, Rotor und Wicklungen aufweist . Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine korres¬ pondierende Überwachungseinrichtung sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Überwachungseinrichtung .
Aus der DE 103 05 368 Al sind Verfahren bzw . Vorrichtungen bekannt , bei denen relevante Komponenten der elektrischen Maschine quasi in Echtzeit von einer Auswertevorrichtung mittels berührungslos arbeitender Temperatursensoren überwacht werden .
Es ist weiterhin bekannt , dass durch übermäßig starke Belas¬ tung der elektrischen Maschine insbesondere die Lager einer starken Ermüdung bzw . einem starken Verschleiß unterliegen . Dies kann dazu führen, dass das Lager und letztendlich die elektrische Maschine ausfällt .
Zusätzlich kann eine zu hohe Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren und inneren Teil des Lagers , dem sog . Lageraußenring und dem sogenannten Lagerinnenring, ein Klemmen des Lagers durch thermische Spannungen verursacht werden . Derartige Tem¬ peraturdifferenzen, insbesondere ab einem Wert von ca . 8 O 0C, führen zu einem stark beschleunigten Verschleiß und folglich zu einem raschen Ausfall des Lagers bzw . der gesamten elekt- rischen Maschine . Die Ursache für derartig große Temperatur¬ unterschiede ist eine im Rotor durch Ummagnetisierungsvorgän- ge hervorgerufene hohe Wärmeverlustleistung, die nur schwer aus dem Rotor abgeführt werden kann .
Zwar ist es auch möglich, wie in der DE 103 05 368 Al be- schrieben, berührungslos die Temperatur von rotatorischen
Komponenten, wie z . B . des Rotors , zu erfassen . Allerdings erlauben die äußerst beengten räumlichen Verhältnisse in einer kompakten elektrischen Maschine keine zuverlässige Messwert¬ erfassung .
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Überwachungseinrichtung anzugeben, welche eine genaue Erfassung der Lagertemperaturen auch an messtechnisch unzugänglichen Stellen innerhalb der elektrischen Maschine ermög- liehen .
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine hierzu geeig¬ nete elektrische Maschine anzugeben .
Die Aufgabe wird Erfindung wird wie folgt gelöst : Es wird ein Temperaturmodell vorgegeben, welches auf Basis eines Mehrmas¬ senmodells die thermischen Verhältnisse in der elektrischen Maschine nachbildet . Es werden die Drehzahl und der Strom der elektrischen Maschine als Eingangsgrößen des Temperaturmo- dells fortlaufend erfasst und zumindest eine, mit einem Lager korrespondierende, Lagerverlustleistung und/oder Lagerinnenringtemperatur fortlaufend aus dem Temperaturmodell abgelei¬ tet . Es wird eine erste Warnmeldung ausgegeben, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerverlustleistung einen vorgebbaren Vergleichswert überschreitet . Zudem wird eine zweite Warnmel¬ dung ausgegeben, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerinnenringtemperatur eine vorgebbare Temperaturdifferenz zu einer zugehörigen rechnerischen Lageraußenringtemperatur überschreitet .
Damit ist der große Vorteil verbunden, dass alleinig durch Auswertung des Stroms und der Drehzahl der elektrischen Ma- schine, die zur Regelung der elektrischen Maschine bereits vorliegen, die thermischen Verhältnisse von nicht zugänglichen Komponenten, insbesondere die des Lagers , ermittelt wer¬ den können . Zudem kann vorteilhaft auf den Einbau von Tempe- ratursensoren in der elektrischen Maschine verzichtet werden , Nach erfolgter Warnung bei Überschreiten vorgebbarer kritischer Lagerverlustleistungen sowie kritischer Lagertemperaturen kann das betreffende Lager zu einem betrieblich geeigneten Zeitpunkt getauscht werden . Dadurch wird der Ausfall der elektrischen Maschine sowie einer ggf . mit dieser in Verbindung stehenden Anlage vermieden .
Insbesondere wird eine den Komponenten der elektrischen Maschine zugeordnete Wicklungsverlustleistung, Magnetisierungs- Verlustleistung und Wärmeabgabeleistung sowie die Lagerverlustleistung in Abhängigkeit von Drehzahl und Strom aus dem Temperaturmodell abgeleitet . Im Temperaturmodell werden ins¬ besondere die Wärmeleitfähigkeiten, die spezifischen Wärmekapazitäten, die elektrischen Leitwerte sowie die magnetische Verlustzahl der jeweiligen Komponenten der elektrischen Maschine hinterlegt . Diese materialabhängigen Parameter können z . B . in Versuchen messtechnisch ermittelt werden oder aus einem geeigneten CAD-System abgeleitet werden . Dadurch kann vorteilhaft das Verfahren mittels Änderung der materialabhän- gigen Parameter auf unterschiedliche Bauarten von elektrischen Maschinen angewandt werden .
Eine genauere örtliche Temperaturbestimmung sowie eine genau¬ erer Ermittlung der Lagerverlustleistung sind vorteilhaft dann möglich, wenn als weitere Eingangsgröße des Temperatur¬ modells zumindest eine Wicklungstemperatur erfasst wird . Hierzu wird im Temperaturmodell die jeweilige Lagerverlust¬ leistung und/oder Wärmeabgabeleistung an die Umgebung derart nachgeführt , dass die rechnerisch ermittelte Wicklungstempe- ratur mit einer korrespondierenden Wicklungstemperatur möglichst übereinstimmt . Durch eine derartige Regelung erfolgt in vorteilhafter Weise eine NachJustierung des Temperaturmo- dells . Üblicherweise ist es ausreichend, wenn eine konstante Umgebungstemperatur angenommen wird, an welche die Wärmeverlustleistungen abgegeben werden . Für weitergehende Anforderungen ist es auch möglich, die Umgebungstemperatur zu erfas- sen .
Weiterhin kann zur Erhöhung der Genauigkeit als weitere Eingangsgröße des Temperaturmodells zumindest eine Lageraußen¬ ringtemperatur erfasst werden . Hierzu wird im Temperaturmo- dell die jeweilige Lagerverlustleistung und/oder die Wärmeab¬ gabeleistung derart nachgeführt , dass die rechnerisch ermit¬ telte Lageraußenringtemperatur mit der korrespondierenden er- fassten Lageraußenringtemperatur möglichst übereinstimmt .
Die rechnerisch ermittelte Lagerverlustleistung kann auch auf eine Nennverlustleistung normiert werden . Dadurch ist eine einfachere Vergleichsmöglichkeit gegeben, vor allem dann, wenn die normierte Lagerverlustleistung mit einem vorgebbaren Überlastfaktor verglichen wird . Der Überlastfaktor kann dazu vorteilhaft in Prozentwerten angegeben werden .
Vorzugsweise beträgt der Überlastfaktor mindestens 30%, so dass eine hinreichend genaue Feststellung eines Lagerver¬ schleißes bei einer noch ausreichenden Vorlaufzeit zum Wech- sei des Lagers möglich ist .
Die vorgebbare Temperaturdifferenz zwischen Lagerringaußen- und Lagerringinnentemperatur beträgt vorzugsweise mindestens 8 O 0C . Dadurch ist auch hier eine hinreichend genaue Feststel- lung eines Lagerverschleißes bei einer noch ausreichenden Vorlaufzeit zum Wechsel des Lagers möglich .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise durch Funktionseinheiten einer Überwachungseinrichtung wie Recheneinheit , Subtrahierer, Dividierer, Vergleicher und
Speicher rechnerisch durchgeführt werden . Derartige Funkti¬ onseinheiten können als integrierter Schaltkreis , insbesonde- re als anwendungsspezifischer Schaltkreis , ausgebildet sein . Ein derartiger anwendungsspezifischer Schaltkreis kann z . B . ein MikroController oder ein PLD (Programmable Logic Device) sein .
Zur Überwachung der Lagertemperatur weist vorzugsweise eine elektrische Maschine eine solche Überwachungseinrichtung auf . Durch die kompakte Bauart kann diese z . B . im elektrischen Anschlussbereich der elektrischen Maschine untergebracht wer- den .
Geeignet ist die Überwachungseinrichtung für elektrische Ma¬ schinen mit einer elektrischen Leistung von mindestens 1 kW . Für elektrische Maschinen in einem darunter liegenden Leis- tungsbereich wäre u . U . ein Austausch der gesamten elektrischen Maschine schneller und wirtschaftlicher .
Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert . Dabei zeigt
FIG 1 einen Längsschnitt einer beispielhaft dargestellten elektrischen Maschine sowie eine beispielhafte Überwa¬ chungsvorrichtung, welche bereits mit Temperatursenso¬ ren der elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungs- form der Erfindung verbunden ist , und
FIG 2 ein beispielhaftes Funktionsschema einer Überwachungs¬ einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
FIG 1 zeigt einen Längsschnitt einer beispielhaft dargestell¬ ten elektrischen Maschine 1 sowie eine beispielhafte Überwa¬ chungsvorrichtung 11 , welche bereits mit Temperatursensoren 2 , 3 , 4 zur Erfassung von beispielhaft zwei Lageraußenringtemperaturen TALl , TAL2 sowie einer Wicklungstemperatur TW der elektrischen Maschine 1 verbunden ist . Die elektrische Ma¬ schine 1 kann dabei z . B . ein Motor oder auch ein Generator sein . Im Längsschnitt sind weiterhin ein Rotor 7 mit einer Welle 9' sowie ein Stator 6 mit einer Wicklung 5 dargestellt . An der Welle 9' ist beispielhaft ein Lüfter 10 angebracht , welcher in Abhängigkeit von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 1 diese kühlt . Die Welle 9' der elektrischen Maschi- ne 1 ist über zwei Lager 8 , 9 gelagert . Mit den Bezugszeichen 81 , 91 ist der Lageraußenring, mit den Bezugszeichen 82 , 92 der Lagerinnenring des jeweiligen Lagers 8 , 9 bezeichnet . Die beiden Temperatursensoren 2 , 3 dienen der Erfassung der jeweiligen Lageraußenringtemperatur TALl , TAL2. Sie sind daher möglichst nahe am jeweiligen Lageraußenring 81 , 82 platziert . In der Wicklung 5 ist ein weiterer Temperatursensor 4 zur Erfassung der Wicklungstemperatur TW eingebracht . Im Beispiel der Figur ist gestrichelt ein Temperatursensor 12 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur TU eingezeichnet . Wie eingangs beschrieben, kann in vielen Fällen auf diesen Temperatursensor 4 verzichtet werden .
Die beispielhafte Überwachungseinrichtung 11 ist gemäß der Erfindung weiterhin mit einem Drehzahlmesser 13 und mit einem Strommesser 14 zur Erfassung der Drehzahl n sowie des Stroms i der elektrischen Maschine 1 verbunden . Wie eingangs beschrieben, erfolgen über diese die maßgebliche Ermittlung des Belastungsgrads der elektrischen Maschine 1 und der damit verbundene Wärmeleistungseintrag in diese . Mit Wl und W2 sind die erste und zweite Warnmeldung bezeichnet , welche bei Über¬ schreitung der zulässigen Werte für die Lagerverlustleistung sowie bei Überschreitung der zulässigen Temperaturdifferenz zwischen Lageraußenring 81 , 82 und Lagerinnenring 91 , 92 ausgegeben werden .
FIG 2 zeigt ein beispielhaftes Funktionsschema einer Überwa¬ chungseinrichtung 11 zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform. Die Überwachungseinrichtung 11 weist hierzu Funktionseinheiten wie Recheneinheit 21 , Subtrahierer 27 , Dividierer 26 , Vergleicher 24 , 25 und einen Speicher 28 auf . Eine Modelliereinheit 20 , welche u . a . die Recheneinheit 21 sowie Vergleicher 22 , 23 aufweist , dient der rechnerischen Ausführung des Temperaturmodells der elektrischen Maschine 1. Die Recheneinheit 21 ist über die elektri¬ schen Eingänge 32 , 33 der Überwachungseinrichtung 11 mit dem Drehzahlmesser 13 zur Erfassung der Drehzahl n sowie mit dem Strommesser 14 zur Erfassung des Stroms i verbunden . Aus diesen beiden Größen n, i ermittelt die Recheneinheit 21 fort¬ laufend die eingangs genannten Verlustleistungen . Diese sind die Magnetisierungsverlustleistung PM' , Wicklungsverlustleistung PW , Wärmeabgabeleistung PU' an die Umgebung sowie bei- spielhaft - zum besseren Verständnis - nur eine Lagerverlust¬ leistung PL' . Die zum zweiten Lager 9 gehörenden Bezugszeichen TAL2 , TAL2 ' , TIL2 ' sind daher in Klammern gesetzt . Zudem ermittelt die Recheneinheit 21 fortlaufend eine zum Lager 8 zugehörige Lagerinnenringtemperatur TILI ' , eine Lageraußen- ringtemperatur TALl ' sowie eine Wicklungstemperatur TW' .
Gemäß der Erfindung werden die rechnerisch ermittelte Wicklungstemperatur TW' sowie die rechnerisch ermittelte Lageraußenringtemperatur TALl ' je einem Vergleicher 22 , 23 zuge- führt , welche die rechnerisch ermittelten Temperaturen TW' , TAL' mit den messtechnisch erfassten Temperaturen TW, TALl vergleichen . Hierzu sind die zugehörigen Temperatursensoren 2 , 4 über die elektrischen Eingänge 31 , 34 mit den jeweiligen Vergleichern 22 , 23 verbunden . Das jeweilige Vergleichsergeb- nis wird dann wieder der Recheneinheit 21 zugeführt . Die Re¬ cheneinheit 21 fungiert sozusagen als Regler, welcher durch Nachführung der ermittelten Lagerverlustleistung PL' und der Wärmeabgabeleistung an die Umgebung PU' bestrebt ist , die Vergleichswerte zu minimieren .
Des Weiteren weist die Überwachungseinrichtung 11 vorzugsweise einen elektronischen Speicher 28 auf, aus welchem zur Modellbildung die Recheneinheit 21 die maschinenspezifischen und materialspezifischen Werte wie z . B . die Wärmeleitkoeffi- zienten λv und spezifischen Wärmeleitkapazitäten cv geladen werden können . Gemäß der Erfindung wird die rechnerisch ermittelte und nachgeführte Lagerverlustleistung PL' mit einem vorgebbaren Vergleichswert verglichen . Zuvor wird die Lagerverlustleistung PL' mittels eines Dividierers 26 auf eine Nennverlustleistung PN normiert . Diese normierte Lagerverlustleistung NPL wird schließlich mittels eines Vergleichers 24 mit einem Überlast¬ faktor ULF verglichen . Im Falle einer Überschreitung erzeugt der Vergleicher 24 die erste Warnmeldung Wl , welche am elektrischen Ausgang 41 dann zur weiteren Auswertung bereitsteht .
Parallel dazu wird mittels eines Subtrahierers 27 die Diffe¬ renz zwischen der rechnerisch ermittelten Lagerinnenringtemperatur TILI ' und der vorzugsweise gemessenen Lageraußenringtemperatur TALl gebildet . Alternativ ist es auch möglich, an- stelle der gemessenen Lageraußenringtemperatur TALl die rechnerisch ermittelte Lageraußenringtemperatur TAL' zur Differenzbildung heranzuziehen . Nachfolgend wird die ermittelte Temperaturdifferenz mit einer vorgebbaren Temperaturdifferenz ΔT verglichen . Im Falle einer Überschreitung erzeugt der Vergleicher 25 dann die zweite Warnmeldung W2 , welche am elektrischen Ausgang 42 zur weiteren Auswertung bereitsteht .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers ( 8 , 9) einer elektrischen Maschine ( 1 ) , welche mehrere Komponenten wie Stator (10) , Rotor (9) und Wicklungen (5) aufweist, dadur ch gekenn z e i chnet , da s s a) ein Temperaturmodell vorgegeben wird, welches auf Basis eines Mehrmassenmodells die thermischen Verhältnisse in der elektrischen Maschine ( 1 ) nachbildet , b) die Drehzahl (n) und der Strom (n) der elektrischen Ma¬ schine ( 1 ) als Eingangsgrößen des Temperaturmodells fort¬ laufend erfasst werden, c) zumindest eine mit einem Lager ( 8 , 9 ) korrespondierende La- gerverlustleistung (PL' ) und/oder Lagerinnenringtemperatur
( TILI ' , TIL2 ' ) fortlaufend aus dem Temperaturmodell abge¬ leitet wird bzw . werden, d) eine erste Warnmeldung (Wl ) ausgegeben wird, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerverlustleistung (PL' ) einen vorgebbaren Vergleichswert überschreitet , und/oder e) eine zweite Warnmeldung (W2 ) ausgegeben wird, falls eine rechnerisch ermittelte Lagerinnenringtemperatur ( TILI ' , TIL2 ' ) eine vorgebbare Temperaturdifferenz (ΔT ) ZU einer zugehörigen rechnerischen Lageraußenringtemperatur ( TALl ' , TAL2 ' ) überschreitet .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine den Komponenten ( 5 , 8 , 9 , 10 ) der elektrischen Maschine ( 1 ) zugeordnete Wick¬ lungsverlustleistung (PW' ) , Magnetisierungsverlustleistung (PM' ) und Wärmeabgabeleistung (PU' ) sowie die Lagerverlust¬ leistung (PL' ) in Abhängigkeit von Drehzahl (n) und Strom ( i ) aus dem Temperaturmodell abgeleitet werden .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei als weitere Ein- gangsgröße des Temperaturmodells zumindest eine Wicklungstem¬ peratur ( TW) erfasst wird und wobei im Temperaturmodell die jeweilige Lagerverlustleistung (PL' ) und/oder Wärmeabgabe- leistung (PU' ) derart nachgeführt wird, dass die rechnerisch ermittelte Wicklungstemperatur (TW ) mit einer korrespondierenden Wicklungstemperatur (TW) möglichst übereinstimmt .
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei als weitere Eingangsgröße des Temperaturmodells zumindest ei¬ ne Lageraußenringtemperatur (TALl , TAL2 ) erfasst wird und wobei im Temperaturmodell die jeweilige Lagerverlustleistung (PL' ) und/oder die Wärmeabgabeleistung (PU' ) derart nachge- führt wird, dass die rechnerisch ermittelte Lageraußenring¬ temperatur (TALl ' , TAL2 ' ) mit der korrespondierenden erfassten Lageraußenringtemperatur (TALl , TAL2 ) möglichst übereinstimmt .
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die rechnerisch ermittelte Verlustleistung (PL' ) auf eine
Nennverlustleistung (PN) eines Lagers ( 8 , 9) normiert (NPL) wird .
6. Verfahren nach Anspruch 5 , wobei die normierte Lagerver- lustleistung (NPL) mit einem vorgebbaren Überlastfaktor (ULF) verglichen wird .
7. Verfahren nach Anspruch 6 , wobei der Überlastfaktor (ULF) mindestens 30% beträgt .
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die vorgebbare Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Lagerringau- ßen- und Lagerringinnentemperatur mindestens 8 O 0C beträgt .
9. Überwachungsvorrichtung ( 11 ) zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers ( 8 , 9) einer elektrischen Maschine (1 ) mit mehreren Komponenten wie Stator ( 10 ) , Rotor ( 9) und Wicklungen ( 5 ) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a) elektrische Eingänge ( 31-34 ) zur Verbindung der Überwachungsvorrichtung ( 11 ) mit einem Drehzahlmesser ( 13 ) , einem Strommesser ( 14 ) sowie mit Temperatursensoren (2 , 3 , 4 , 12 ) zur Erfassung der Drehzahl (n) , des Stroms (i) sowie zumindest einer Lageraußenringtemperatur und einer Wicklungstemperatur (TALl , TAL2 , TW) der elektrischen Maschine ( 1 ) , b) elektrische Ausgänge ( 41 , 42 ) zur Ausgabe einer ersten und/oder zweiten Warnmeldung (Wl , W2 ) und c) Funktionseinheiten wie Recheneinheit (21 ) , Subtrahierer (27 ) , Dividierer (26 ) , Vergleicher (22-25 ) und einen e- lektronischen Speicher (28 ) zur rechnerischen Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche .
10. Überwachungsvorrichtung ( 11 ) nach Anspruch 9, wobei die Funktionseinheiten als integrierter Schaltkreis , insbesondere als anwendungsspezifischer Schaltkreis , ausgebildet sind .
11. Elektrische Maschine ( 1 ) , g e k e n n z e i c h n e t durch eine Überwachungseinrichtung ( 11 ) nach Anspruch 9 oder 10 zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers ( 8 , 9) .
12. Elektrische Maschine ( 1 ) nach Anspruch 11 mit einer elektrischen Leistung von mindestens 1 kW .
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