Beschreibungdescription
Elektrische Maschine und Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden PotentialsElectric machine and method for measuring the potential applied to a movable element of an electrical machine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden Potentials .The invention relates to an electrical machine and to a method for measuring the potential applied to a movable element of an electrical machine.
Es ist bekannt, zur Messung eines statischen Potentials ein kapazitives Element zu verwenden, von dem zumindest ein Teil so bewegt wird, dass sich die Kapazität des kapazitiven Elements ändert und ein Maxwellscher Verschiebungsstrom fließt. Aus der Stromstärke des Maxwellschen Verschiebungsstroms kann dann das Potential abgeleitet werden. Dieses Prinzip wird beispielsweise bei der so genannten Feldmühle verwendet (vergleiche beispielsweise US-Patent 5,315,232) und bei dem aus der WO 2005/121819 Al bekannten Messgerät. Das zu messende Potential liegt hierbei an einem unbeweglichen Element an.It is known to use a capacitive element for measuring a static potential, at least part of which is moved in such a way that the capacitance of the capacitive element changes and a Maxwellian displacement current flows. The potential can then be derived from the current intensity of the Maxwell's displacement current. This principle is used for example in the so-called field mill (see, for example, US Pat. No. 5,315,232) and in the measuring device known from WO 2005/121819 A1. The potential to be measured is applied to an immovable element.
Aus dem US-Patent 4,963,829 ist eine Einrichtung zum Messen der Drehgeschwindigkeit einer Welle bekannt, bei der axial an die Welle eine nicht kreisförmige Platte gekoppelt wird, und wobei eine zweite Platte als Gegenstück zu der Platte bereitgestellt ist und so mit dieser ein kapazitives Element bildet. Zwischen den Platten wird extern eine Spannung angelegt. Da die an die Welle gekoppelte Platte nicht kreisförmig ist, ändert sich die Kapazität des kapazitiven Elements während der Rotation der Welle, und dadurch fließt ein Maxwellscher Verschiebungsstrom. Aus dessen zeitlichem Verhalten kann die Drehgeschwindigkeit der Welle abgeleitet werden. Ein sich durch den Betrieb der Welle ausbildendes, an der Welle anliegendes Potential spielt in der US 4,963,829 keine Rolle. Zur Messung der Drehgeschwindigkeit muss eigens eine Spannung zwischen den beiden Platten angelegt werden.
Bei elektrischen Maschinen, die ein elektrisch leitendes bewegliches Element aufweisen, können sich elektrische Spannungen zwischen den beweglichen Elementen und den sonstigen Bauteilen der elektrischen Maschine, namentlich den unbewegli- chen Elementen (Stator und Gehäuse), ausbilden. Die Ursachen hierfür können vielfältig sein: Die Spannungen können auf kapazitive oder induktive Kopplung, atmosphärische Felder und Defekte in den Maschinen zurückzuführen sein. Die sich ausbildenden Potentiale können zur Funktionsbeeinträchtigung führen. Regelmäßig werden durch hohe Spannungen Überschläge ausgelöst, welche zu einer Zerstörung des zwischen dem beweglichen Element der elektrischen Maschine und unbeweglichen Elementen bereitgestellten Schmierstoffs (durch dessen Verbrennung) führen können, und Funkenerosion kann sogar zu einer Zerstörung der Lagerung führen. Bisher erkennt man die Überschläge lediglich an ihren Wirkungen. Wirkung der Überschläge kann jedoch ein plötzlich auftretender Defekt der Maschine sein. Im Rahmen der so genannten vorbeugenden Wartung (im Englischen auch als „preventive maintenance" bekannt) soll bei einer Alterung der Maschine regelmäßig ein Austausch von Bauteilen der elektrischen Maschine oder auch der gesamten elektrischen Maschine stattfinden, um einen überraschenden Defekt der elektrischen Maschine zu vermeiden. Es wäre wünschenswert, würde man Überschläge rechtzeitig erkennen o- der gar vermeiden können. Es liegt nahe, dies über eine Messung des an dem beweglichen Element der elektrischen Maschine anliegenden Potentials zu tun. Diese Messung muss eine In- situ-Messung sein, die auch während des Betriebs der elektrischen Maschine erfolgt. Es ist im Stand der Technik kein Ver- fahren zur Messung des Potentials an einem solchen beweglichen Element einer elektrischen Maschine bekannt .From US Pat. No. 4,963,829 there is known a device for measuring the rotational speed of a shaft, in which a non-circular plate is axially coupled to the shaft, and wherein a second plate is provided as a counterpart to the plate and thus forms with it a capacitive element , A voltage is applied externally between the plates. Since the plate coupled to the shaft is not circular, the capacitance of the capacitive element changes during rotation of the shaft, and thereby a Maxwellian displacement current flows. From its temporal behavior, the rotational speed of the shaft can be derived. A potential which forms on the shaft during operation of the shaft plays no role in US Pat. No. 4,963,829. To measure the rotational speed, a voltage must be applied between the two plates. In electrical machines having an electrically conductive movable element, electrical voltages between the movable elements and the other components of the electrical machine, namely the immovable elements (stator and housing) can form. The reasons for this can be manifold: The voltages can be due to capacitive or inductive coupling, atmospheric fields and defects in the machines. The developing potentials can lead to functional impairment. Frequently, flashovers are triggered by high voltages, which can lead to the destruction (by combustion) of the lubricant provided between the movable element of the electric machine and immovable elements, and spark erosion can even lead to the destruction of the bearing. So far, one recognizes the flashovers only by their effects. However, the effect of the flashovers may be a sudden machine failure. As part of the so-called preventive maintenance (known in English as "preventive maintenance") should take place at an aging of the machine regularly replacement of components of the electric machine or the entire electric machine to avoid a surprising defect in the electrical machine. It would be desirable to be able to detect or even avoid flashovers in a timely manner, since it is reasonable to do so by measuring the potential applied to the moving element of the electric machine During the operation of the electrical machine, no method for measuring the potential on such a movable element of an electrical machine is known in the prior art.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Messung zu ermöglichen und hierzu eine verbesserte elektrische Maschine und ein geeignetes Messverfahren bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Somit umfasst die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein auf vorbestimmte Art bewegliches, elektrisch leitendes Element und ein unbewegliches, elektrisch leitendes Element, das derart an das bewegliche Element gekoppelt ist, dass das unbewegliche Element und die (elektrisch leitende) Oberfläche des beweglichen Elements je eine Seite eines kapazitiven Elements bilden. Die Oberfläche des beweglichen Elements ist derart ausgebildet, dass sich bei der Bewegung des bewegli- chen Elements auf die vorbestimmte Art die Kapazität des kapazitiven Elements ändert. Die elektrische Maschine weist schließlich Mittel zum Messen der Stromstärkenamplitude des auf das unbewegliche Element und von ihm wegfließenden elektrischen Stroms auf.It is an object of the invention to enable such a measurement and to provide an improved electrical machine and a suitable measuring method for this purpose. The object is achieved by an electrical machine having the features according to patent claim 1 and a method having the features according to patent claim 10. Thus, the electric machine according to the invention comprises a predetermined manner movable, electrically conductive element and a stationary, electrically conductive element which is coupled to the movable member such that the immovable member and the (electrically conductive) surface of the movable member each side of a form capacitive element. The surface of the movable element is designed such that the capacitance of the capacitive element changes as the movable element moves in the predetermined manner. Finally, the electric machine has means for measuring the amplitude of the current flowing to and away from the immovable element.
Der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei variabler Kapazität zwischen unbeweglichem Element und der Oberfläche des beweglichen Elements ein Maxwellscher Verschiebungsström fließt, dessen Stromstärke proportional zu dem zwischen dem beweglichen Element und dem unbeweglichen Element gegebenen elektrischen Potentialunterschied ist. Es muss lediglich der Proportionalitätsfaktor bekannt sein bzw. ermittelt werden. Da die Potentialmessung an dem beweglichen Element nicht hochgenau sein muss, sondern lediglich einen Anhaltspunkt liefern muss, ob Überschläge stattfinden können, genügt es, wenn der Proportionalitätsfaktor größenordnungsmäßig bekannt ist.The invention is based on the recognition that, with variable capacitance between immovable element and the surface of the movable element, a Maxwellian displacement current flows whose current intensity is proportional to the electric potential difference given between the movable element and the immovable element. It is only necessary to know or determine the proportionality factor. Since the potential measurement on the movable element does not have to be highly accurate, but merely has to provide a clue as to whether arcing can take place, it is sufficient if the proportionality factor is known on the order of magnitude.
Die Erfindung kann sowohl bei Drehantrieben als auch bei Li- nearantrieben verwendet werden. Somit kann das bewegliche E- lement ein rotatorisch bewegliches zylindrisches Bauteil sein, und dann stellt ein Abschnitt der Zylinderoberfläche des beweglichen Elements einen Teil des kapazitiven Elements bereit. Das bewegliche Element kann auch ein translatorisch bewegliches plattenförmiges Bauteil sein, und ein Abschnitt einer ebenen Oberfläche des beweglichen Elements stellt dann einen Teil des kapazitiven Elements bereit.
Bevorzugt sind in der elektrischen Maschine gesonderte Auswertemittel bereitgestellt, die von den Mitteln zum Messen der Stromstärke Messsignale empfangen und dazu ausgelegt sind, aus den Messsignalen aufgrund einer mathematischen oder einer empirisch ermittelten Beziehung einen Wert für das an dem beweglichen Element anliegende Potential abzuleiten. Wie bereits erwähnt, muss dieser Wert nicht hochgenau sein, sondern kann mit einem Fehler behaftet sein derart, dass die Auswertemittel ein Intervall für den Wert des elektrischen Potentials angeben.The invention can be used both in rotary drives and in linear drives. Thus, the movable member may be a rotatably movable cylindrical member, and then a portion of the cylinder surface of the movable member provides a part of the capacitive element. The movable element may also be a translationally movable plate-shaped component, and a portion of a planar surface of the movable element then provides a part of the capacitive element. Separate evaluation means are preferably provided in the electrical machine which receive measurement signals from the means for measuring the current intensity and are designed to derive a value for the potential applied to the movable element from the measurement signals on the basis of a mathematical or an empirically determined relationship. As already mentioned, this value need not be highly accurate, but may be subject to an error such that the evaluation means indicate an interval for the value of the electric potential.
Da die Ausbildung der Oberfläche des beweglichen Elements den Maxwellschen Verschiebungsström vorgibt, kann die Messung des elektrischen Potentials umso genauer werden, je genauer der zeitliche Verlauf des gemessenen Maxwellschen Verschiebungsstroms der Oberfläche zugeordnet werden kann. Hierbei können Störsignale die Genauigkeit der Auswertung beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, wird die Auswertung bevorzugt an eine Messung der jeweiligen Drehposition gekoppelt. Dies kann bei- spielsweise dadurch geschehen, dass optische Sensoren zur Abtastung der Bewegung des beweglichen Elements bereitgestellt sind, was dann möglich ist, wenn die Oberfläche des beweglichen Elements so gestaltet ist, dass sich mit der Änderung der Kapazität des kapazitiven Elements bei ihrer Bewegung auch ihr Aussehen ändert, so dass die Phase ableitbar ist.Since the formation of the surface of the movable element predetermines the Maxwellian displacement flow, the more accurately the time characteristic of the measured Maxwell's displacement current can be assigned to the surface, the more accurate the measurement of the electrical potential. This interference can affect the accuracy of the evaluation. To avoid this, the evaluation is preferably coupled to a measurement of the respective rotational position. This can be done, for example, by providing optical sensors for sensing the movement of the movable element, which is possible when the surface of the movable element is designed so that the capacitance of the capacitive element changes as it moves their appearance changes so that the phase is derivable.
Die optischen Sensoren können dann Messsignale an die Auswertemittel senden, und die Auswertemittel müssen lediglich die Messsignale der optischen Sensoren bei der Ableitung des e- lektrischen Potentials aus den Messungen der Mittel zum Mes- sen der Stromstärkenamplitude einbeziehen. Beispielsweise können durch die optischen Signale Taktungen für die Abfrage der Stromstärkenamplitudensignale vorgegeben werden.The optical sensors can then send measurement signals to the evaluation means, and the evaluation means only have to incorporate the measurement signals of the optical sensors in the derivation of the electrical potential from the measurements of the means for measuring the amplitude of the current amplitude. For example, the optical signals can be used to specify clock rates for the interrogation of the current amplitude signals.
Die Kapazität ist bei einem Plattenkondensator eine Funktion der Fläche der Platten, des Abstands der Platten und der Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten befindlichen Dielektrikums, welches Luft sein kann. Dementsprechend kann die Ausbildung der Oberfläche des beweglichen Elements zum
Zwecke der Änderung der Kapazität des kapazitiven Elements bei der Bewegung des beweglichen Elements so aussehen, dass die elektrisch leitende Oberfläche des beweglichen Elements so strukturiert ist, dass sich bei der Bewegung des bewegli- chen Elements der Abstand zwischen unbeweglichem Element und der Oberfläche des beweglichen Elements ändert. Es kann auch auf einem Teil der elektrisch leitenden Oberfläche des beweglichen Elements elektrisch nicht-leitendes Material aufgebracht sein, und es können beide Maßnahmen gleichzeitig ge- troffen sein. (Eine Flächenänderung der zueinander weisenden Seiten des kapazitiven Elements ist nur schwer konstruktiv zu verwirklichen. )The capacitance for a plate capacitor is a function of the area of the plates, the spacing of the plates, and the dielectric constant of the inter-plate dielectric, which may be air. Accordingly, the formation of the surface of the movable member for For purposes of changing the capacitance of the capacitive element in the movement of the movable member so that the electrically conductive surface of the movable member is structured so that when moving the movable member, the distance between immovable member and the surface of the movable member changes. It is also possible to apply electrically non-conductive material to a part of the electrically conductive surface of the movable element, and both measures can be taken simultaneously. (A change in the area of the facing sides of the capacitive element is difficult to constructively realize.)
Die einfachste Form eines kapazitiven Elements ist ein Plat- tenkondensator . So ist bevorzugt das unbewegliche Element plattenförmig, wobei die Plattenform eben oder gewölbt sein kann. Beispielsweise kann bei einer elektrischen Maschine mit rotatorischem beweglichen Element der Wölbungsradius so gewählt sein, dass der Mittelpunkt des den Wölbungsradius defi- nierenden Kreises mit dem Mittelpunkt der Zylinderform des beweglichen Bauteils zusammenfällt.The simplest form of capacitive element is a plate capacitor. Thus, the immovable element is preferably plate-shaped, wherein the plate shape may be flat or curved. For example, in an electric machine having a rotatable movable element, the curvature radius may be selected such that the center of the circle defining the curvature radius coincides with the center point of the cylindrical shape of the movable component.
Das unbewegliche Element ist bevorzugt mechanisch mit anderen unbeweglichen Bauteilen der elektrischen Maschine verbunden, also mit dem Stator oder zumindest dem Gehäuse, in dem der Stator angeordnet ist. Die elektrische Verbindung erfolgt hingegen nicht unmittelbar, sondern z. B. über einen Gleichrichter oder z. B. über einen Analog-Digital-Wandler mit anschließender Digitalauswertung, dann weiter über die nachge- ordneten Mittel zum Messen der Stromstärkenamplitude und gegebenenfalls die Auswertemittel.The immovable element is preferably mechanically connected to other immovable components of the electrical machine, ie with the stator or at least the housing in which the stator is arranged. The electrical connection, however, is not immediate, but z. B. via a rectifier or z. B. via an analog-to-digital converter with subsequent digital evaluation, then continue on the downstream means for measuring the current amplitude and possibly the evaluation.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden Poten- tials umfasst die Schritte:The method according to the invention for measuring the potential applied to a movable element of an electrical machine comprises the steps:
- Bereitstellen eines unbeweglichen Elements, das kapazitiv an das bewegliche Element gekoppelt wird bzw. ist,
- Versehen der Oberfläche des beweglichen Elements mit derartigen Strukturen oder Materialeigenschaften, dass sich die Kapazität zwischen dem beweglichen Element und dem unbeweglichen Element bei einer Bewegung des beweglichen Elements ändert,Providing an immovable element that is capacitively coupled to the movable element, Providing the surface of the movable element with such structures or material properties that the capacitance between the movable element and the immovable element changes during a movement of the movable element,
- Erfassen von Messwerten der Stromstärkenamplitude des auf das unbewegliche Element oder von ihm wegfließenden elektrischen Stroms,Detecting measured values of the current amplitude amplitude of the electric current flowing away from the stationary element or from it,
- Ableiten des Potentials an dem beweglichen Element aus den Messwerten aufgrund einer mathematischen oder einer empirisch ermittelten Beziehung.Deriving the potential at the movable element from the measured values on the basis of a mathematical or an empirically determined relationship.
Die Auswertung wird bevorzugt an die Istbewegung des beweglichen Elements gekoppelt. So wird im Falle, dass sich das be- wegliche Element rotatorisch bewegt, dessen Rotationsgeschwindigkeit gemessen und beim Ableiten des Potentials aus den Messwerten der Stromstärkenamplitude einbezogen. Im Falle, dass sich das bewegliche Element translatorisch bewegt, wird die Translationsgeschwindigkeit des beweglichen Elements gemessen und beim Ableiten des Potentials aus den Messwerten der Stromstärkenamplitude einbezogen.The evaluation is preferably coupled to the actual movement of the movable element. Thus, in the event that the moveable element moves in rotation, its rotation speed is measured and included in deriving the potential from the measured values of the current amplitude amplitude. In the case that the movable element moves in translation, the translation speed of the movable element is measured and included in deriving the potential from the measured values of the current amplitude.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings, in which:
FIG 1 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,1 shows in cross-section the capacity-forming parts of the electric machine according to a first embodiment of the invention,
FIG 2 perspektivisch die vollständige Anordnung der elektrischen Maschine bei dieser Ausführungsform zeigt,FIG 2 shows in perspective the complete arrangement of the electric machine in this embodiment,
FIG 3 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausfüh- rungsform der Erfindung zeigt,
FIG 4 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und3 shows in cross-section the capacity-forming parts of the electric machine according to a second embodiment of the invention, 4 shows in cross section the capacitance-forming parts of the electric machine according to a third embodiment of the invention, and
FIG 5 im Querschnitt zur zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß FIG 3 eine optische Abtastung veranschaulicht.FIG 5 illustrates in cross section to the second embodiment of the invention according to FIG 3, an optical scanning.
Eine in FIG 1 im Querschnitt und in FIG 2 in perspektivischer Darstellung gezeigte Welle 10 ist als bewegliches ElementA shaft 10 shown in FIG. 1 in cross-section and in FIG. 2 in a perspective illustration is a movable element
Teil einer in FIG 2 im Ganzen gezeigten elektrischen Maschine 12. Die Welle 10 ist in einem Lager 14 gelagert, das sich wiederum in einem Stator 16 befindet. Zwischen der Welle 10 und dem Stator 16 kann sich eine elektrische Spannung U aus- bilden. Diese soll vorliegend gemessen werden. Zur Messung des Potentials soll eine veränderliche Kapazität verwendet werden, damit ein zur anliegenden Spannung U proportionaler Maxwellscher Verschiebungsstrom fließt. Zur Bildung einer Kapazität ist als unbewegliches Element eine Kondensatorplatte 18 bereitgestellt. Diese kann als ebener Quader ausgebildet sein, vergleiche FIG 2 und gestrichelte Linie in FIG 1, oder sie kann gewölbt sein, vergleiche durchgezogene Linie in FIG 1. Die Platte 18 ist mit einem Messwandler 20 (z. B. Strom-Spannungs-Wandler) verbunden. Der Messwandler 20 ist mit seinem Ausgang mit Mitteln 22 zum Messen der Höhe der vom Messwandler 20 ausgehenden Signale verbunden, und den Mitteln 22 zum Messen dieser Signalhöhe sind Auswertemittel 24 nachgeordnet, die die Messwerte empfangen und auswerten.Part of an electric machine 12 shown as a whole in FIG. 2. The shaft 10 is mounted in a bearing 14, which in turn is located in a stator 16. An electrical voltage U can form between the shaft 10 and the stator 16. This should be measured in the present case. To measure the potential, a variable capacitance is to be used so that a Maxwellian displacement current proportional to the applied voltage U flows. To form a capacitance, a capacitor plate 18 is provided as a stationary element. 2 and dashed line in FIG. 1, or it may be curved, compare solid line in FIG. 1. The plate 18 is provided with a measuring transducer 20 (eg current-voltage converter). connected. The transducer 20 is connected at its output to means 22 for measuring the level of the signals emanating from the transducer 20, and the means 22 for measuring this signal level are followed by evaluation means 24 which receive and evaluate the measured values.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine lässt sich näherungsweise anhand der Gleichung für einen Plattenkondensator erläutern. Für die Kapazität C eines Plattenkondensators gilt:
wobei A die Fläche der einzelnen Platten des Plattenkondensators ist, d ihr Abstand ist, So die Dielektrizitätkonstante ' und ε die Dielektrizitätszahl des zwischen den beiden Platten
befindlichen Materials ist, wobei für Vakuum ε = 1 gilt. Gleichzeitig gilt für die Kapazität C:The mode of operation of the electric machine according to the invention can be approximately explained with reference to the equation for a plate capacitor. For the capacitance C of a plate capacitor, the following applies: where A is the area of the individual plates of the plate capacitor, d is their spacing, so the dielectric constant ' and ε the dielectric constant of the between the two plates located material, where for vacuum ε = 1 applies. At the same time, for the capacity C:
(2, C-§. wobei Q die jeweilige Ladung auf den Kondensatorplatten ist und U die zwischen den Kondensatorplatten anliegende Spannung. Die Ladung Q ist nun das Produkt aus der Stromstärke mal der Zeit t. Aus den beiden Gleichungen (1) und (2) erhält man die neue Gleichung:
Tatsächlich messen bekannte Elektrometer die Ladung, um auf die Spannung U rückzuschließen. Dies ist vorliegend bei der elektrischen Maschine 12 nicht ohne weiteres möglich. Ändert sich nun aber eine der Größen, die die Kapazität gemäß Gleichung (1) definieren, so ändert sich die Ladung, es fließt also ein Strom. Während die Fläche A schwer veränderlich ist, ist es möglich, den Abstand d der Platten des Plattenkondensators kurzfristig zu ändern oder auch das zwischen den Platten befindliche Dielektrikum zu ändern und damit die Die- lektrizitätszahl ε zu ändern. Bei einer Erweiterung können d und ε gleichzeitig verändert werden. Die übrigen Bestimmungsgrößen der Kapazität C können bekannt sein bzw. die konstanten Faktoren durch Kalibrierung ermittelt werden, so dass aufgrund des fließenden Stroms (also der zeitlichen Ableitung von Q) auf die Spannung U zurückgeschlossen werden kann, wel- che in Gleichung (3) als konstanter Faktor anzusehen ist.(2, C-§, where Q is the charge on the capacitor plates and U is the voltage between the capacitor plates.) The charge Q is now the product of the current t times t. From equations (1) and (2 ) you get the new equation: In fact, known electrometers measure the charge to return to the voltage U. In the present case, this is not readily possible with the electric machine 12. If, however, one of the quantities that define the capacitance according to equation (1) changes, the charge changes, so that a current flows. While the area A is difficult to change, it is possible to change the distance d of the plates of the plate capacitor in the short term or to change the dielectric located between the plates and thus to change the dielectric constant ε. In an extension d and ε can be changed simultaneously. The remaining determination variables of the capacitance C can be known or the constant factors can be determined by calibration, so that it is possible to deduce the voltage U due to the flowing current (ie the time derivative of Q), which in equation (3) constant factor is to be considered.
FIG 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der näherungsweise ein Plattenkondensator zwischen der Welle 10 und der Platte 18 gebildet wird, wobei sich der Abstand zwischen den Platten periodisch ändert. Hierzu sind über einen axialen Abschnitt der Welle 10 Zähne 26 an der Welle 10 ausgebildet, die ebenfalls elektrisch leitend sind. Zur Bildung einer solchen Struktur kann die Welle 10 geeignet aus einem Metallteil gefräst werden. Kommt ein Zahn 26 an der Platte 18 vorbei, ist der Abstand zwischen den beiden Seiten des kapazitiven Elements klein. Kommt eine Lücke 28 zwischen zwei Zähnen 26 an
der Platte 18 vorbei, ist dieser Abstand größer. Durch den Wechsel zwischen Zähnen 26 und Lücke 28 fließt ein Maxwellscher Verschiebungsstrom, der proportional zur Spannung U ist. Dieser Maxwellsche Verschiebungsstrom wird durch den Messwandler 20 gleichgerichtet, und seine Amplitude wird durch die Mittel 22 zum Messen der Amplitude gemessen. Die Messwerte werden dem Auswertemittel 24 zugeführt. In dem Auswertemittel 24 ist entweder eine mathematische Beziehung, zum Beispiel entsprechend Gleichung (3) mit Zahlenwerten für die konstanten Faktoren, eingespeichert, oder eine empirische Beziehung mit Tabellenwerten. Die Auswertemittel 24 können dann auf die Spannung U zurückwirken. Die Spannung U soll gemessen werden, um für die elektrische Maschine 12 schädliche Überschläge rechtzeitig voraussehen zu können. Entweder wird auf einem Display 30 der Zahlenwert der Spannung U angezeigt oder angezeigt, dass die Spannung U einen Grenzwert überschritten hat, ab dem die elektrische Maschine 12 Beschädigungen durch auf die Spannung U zurücklegende Ströme und Überschläge erleiden könnte, oder es wird an eine Warnlampe 32 ein Strom- signal ausgegeben, damit dieses anzeigt, wenn die Spannung U einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hat.1 shows an embodiment in which approximately a plate capacitor is formed between the shaft 10 and the plate 18, wherein the distance between the plates changes periodically. For this purpose, 10 teeth 26 are formed on the shaft 10 via an axial portion of the shaft, which are also electrically conductive. To form such a structure, the shaft 10 can be suitably milled from a metal part. If a tooth 26 passes by the plate 18, the distance between the two sides of the capacitive element is small. If a gap 28 between two teeth 26 arrives the plate 18 over, this distance is greater. By changing between teeth 26 and gap 28 flows a Maxwell shear displacement current which is proportional to the voltage U. This Maxwell's displacement current is rectified by the transducer 20 and its amplitude is measured by the means 22 for measuring the amplitude. The measured values are supplied to the evaluation means 24. In the evaluation means 24 is either a mathematical relationship, for example according to equation (3) with numerical values for the constant factors, stored, or an empirical relationship with table values. The evaluation means 24 can then react on the voltage U. The voltage U should be measured in order to be able to foresee damaging flashovers in good time for the electric machine 12. Either the numerical value of the voltage U is displayed or indicated on a display 30 that the voltage U has exceeded a limit from which the electrical machine 12 could suffer damage due to currents and flashovers laying down on the voltage U, or it is sent to a warning lamp 32 a current signal is output so that it indicates when the voltage U has exceeded a predetermined limit.
Bei der Ausführungsform gemäß FIG 3 sind die Zwischenräume zwischen den Zähnen 26 im Unterschied zur Ausführungsform ge- maß FIG 1 mit einem Dielektrikum 34 gefüllt. Es ändert sich dann bei einer Drehung der Welle 10' wie bei der ersten Ausführungsform der Abstand d, aber nicht so, dass ε konstant ist, sondern dass über einen Teil des Abstands die Dielektri- zitätszahl ε des Dielektrikums 34 zu verwenden ist. Es sei angemerkt, dass im Falle der Ausführungsform gemäß FIG 3 der Maxwellsche Verschiebungsström geringer ist, weil eine Erhöhung von ε einer Erhöhung des Abstands d entgegenwirkt, vergleiche die Plattenkondensatorformel (3).In the embodiment according to FIG. 3, in contrast to the embodiment of FIG. 1, the interspaces between the teeth 26 are filled with a dielectric 34. In the case of rotation of the shaft 10 ', as in the first embodiment, the distance d changes, but not so that ε is constant, but over a part of the distance the dielectric constant ε of the dielectric 34 is to be used. It should be noted that in the case of the embodiment according to FIG. 3 the Maxwellian displacement flow is lower, because an increase of ε counteracts an increase of the distance d, compare the plate capacitor formula (3).
Bei der Welle 10'' gemäß FIG 4 ist eine dritte Ausführungsform verwirklicht. Hier ist das elektrisch leitende Material der Welle durchgehend kreisförmig im Querschnitt, und über einen axialen Abschnitt ist ein Dielektrikum 36 aufgebracht.
Das Dielektrikum 36 kann beispielsweise durch einfache Klebestreifen („Tape") bereitgestellt sein. In diesem Falle wird bei einer Drehung der Welle 10'' lediglich das Dielektrikum geändert, es ändert sich also ε, während der Abstand d, der ja zwischen den elektrisch leitenden Bauteilen definiert ist, konstant bleibt.In the shaft 10 '' in FIG 4, a third embodiment is realized. Here, the electrically conductive material of the shaft is continuously circular in cross-section, and over an axial portion of a dielectric 36 is applied. The dielectric 36 can be provided, for example, by simple adhesive tape ("tape"). In this case, only the dielectric is changed upon rotation of the shaft 10 ", ie ε changes, while the distance d between the electrically conductive ones changes Components is defined, remains constant.
Sämtliche drei Ausführungsformen (Welle 10 aus FIG 1, Welle 10' aus FIG 3, Welle 10'' aus FIG 4) sind dergestalt, dass sich die Oberfläche bei einer Drehung der jeweiligen Welle auch optisch ändert. Somit kann mithilfe einer geeigneten optischen Abtastung 38 (z. B. LED-Lichtschranke) die Oberfläche dauerhaft abgetastet werden. Die LED-Lichtschranke 38 ermittelt somit den Rhythmus der Änderungen auf der Oberfläche mit der Drehung der Welle und die LED-Lichtschranke 38 ist mit den Auswertemitteln 24 gekoppelt. Diese kann die von den Mitteln 22 zum Messen der Stromstärkenamplitude ausgegebenen Messsignale in Beziehung zu den Messsignalen der LED- Lichtschranke 38 setzen, so dass eine Phasenbeziehung ermit- telt wird. Die Messsignale von den Mitteln 22 zum Messen können somit synchron abgefragt werden. Dadurch wird der Ein- fluss von Störsignalen, die bei der Größe der elektrischen Maschine 12 naturgemäß auftreten können, unterdrückt.All three embodiments (shaft 10 of FIG. 1, shaft 10 'of FIG. 3, shaft 10 "of FIG. 4) are such that the surface also changes optically upon rotation of the respective shaft. Thus, by means of a suitable optical scan 38 (eg LED light barrier), the surface can be permanently scanned. The LED light barrier 38 thus determines the rhythm of the changes on the surface with the rotation of the shaft and the LED light barrier 38 is coupled to the evaluation means 24. The latter can set the measurement signals output by the current amplitude amplitude measuring means 22 in relation to the measurement signals of the LED light barrier 38, so that a phase relationship is determined. The measurement signals from the measuring means 22 can thus be interrogated synchronously. As a result, the influence of interference signals, which naturally can occur with the size of the electric machine 12, is suppressed.
Die erfindungsgemäßen Prinzipien können genauso auch bei einer elektrischen Maschine mit einem translatorisch beweglichen Element (Linearmotor) angewandt werden. Beispielsweise kann das translatorisch bewegliche Element plattenförmig sein, und die Oberfläche dieser Platte kann uneben gestaltet sein, in Entsprechung zu den Zähnen 26 der Welle 10 oder 10'. Auf die Platte kann auch die dielektrisches Material aufgebracht sein. Beispielsweise können in festen Abständen Streifen dielektrischem Klebeband nach Art der Streifen 36 auf der Welle 10' aufgebracht sein.
The principles of the invention can also be applied to an electric machine with a translationally movable element (linear motor). For example, the translationally movable member may be plate-shaped, and the surface of this plate may be made uneven, corresponding to the teeth 26 of the shaft 10 or 10 '. The dielectric material can also be applied to the plate. For example, strips of dielectric adhesive tape of the type of strips 36 may be applied to shaft 10 'at fixed intervals.