WO2021094019A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2021094019A1
WO2021094019A1 PCT/EP2020/076264 EP2020076264W WO2021094019A1 WO 2021094019 A1 WO2021094019 A1 WO 2021094019A1 EP 2020076264 W EP2020076264 W EP 2020076264W WO 2021094019 A1 WO2021094019 A1 WO 2021094019A1
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WO
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primary
coil
rotor
circuit
temperature
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PCT/EP2020/076264
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English (en)
French (fr)
Inventor
Konstantin Lindenthal
Thomas Pawlak
Patrick Buchenberg
Manfred Ulrich Werder
Murat KOL
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/02—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers
    • G01K1/024—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers for remote indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/04—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies
    • G01K13/08—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies in rotary movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K5/00—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material
    • G01K5/48—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid
    • G01K5/56—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid
    • G01K5/62—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid the solid body being formed of compounded strips or plates, e.g. bimetallic strip
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/66—Controlling or determining the temperature of the rotor
    • H02P29/664—Controlling or determining the temperature of the rotor the rotor having windings

Definitions

  • the invention is based on an electrical machine according to the preamble of the main claim.
  • the rotor temperature is therefore a limiting parameter for the continuous output of the electrical machine.
  • a critical magnet temperature such as reducing phase currents, for example.
  • DE 102007062 712 A1 describes a method for determining the temperature of a rotor having a magnetic rotor field of a permanent-magnet synchronous machine provided with a field-oriented current regulator, which has a stator with a stator winding consisting of at least two phase windings. It is provided that an electrical machine equation for a component (Usq) of a stator voltage vector (Us) running transversely to the rotor field direction is set up in a field-oriented coordinate system that contains a magnetic flux (Psi) of the rotor.
  • the component (Usq) of the stator voltage vector (Us) is calculated by a voltage manipulated variable (UsqCC) and the magnetic flux (Psi) is thus determined. It is also provided that the temperature (T) of the rotor is determined from the magnetic flux (Psi).
  • EP 2853873 A1 a device and a method for detecting a temperature of a rotor of an electric motor is described, with a dem Electric motor associated resolver acts as a means for detecting the temperature of the rotor.
  • the electrical machine according to the invention with the features of the main claim has the advantage that it includes wireless transmission of the corresponding signal or the corresponding temperature information to measure the temperature of the rotor, which can be implemented with only a few standard components and is therefore very cost-effective.
  • an electrical machine with a stator, a rotor and a device for determining a temperature of the rotor comprises at least one primary circuit.
  • the primary circuit is provided on the stator or on a housing of the electrical machine.
  • the primary circuit includes at least a measuring device for detecting an electric primary current I p rimär in the primary circuit or for detecting a primary current Ip rimär variable characterizing a signal generator for generating a form of an alternating voltage signal voltage or two terminals for feeding a form of an alternating voltage signal voltage in the primary circuit and at least one primary coil.
  • the device comprises at least one secondary circuit.
  • the secondary circuit is formed on the rotor.
  • the secondary circuit has at least one secondary coil, which is arranged for inductive coupling with the primary coil, and a temperature-dependent electrical load.
  • the device is set up when the signal voltage is fed into the primary circuit by an inductive circuit Coupling between the primary circuit and the secondary circuit to induce a secondary voltage in the secondary circuit, whereby a secondary current L eecondary flowing through the temperature-dependent load in the secondary circuit and, as a result of the secondary current I secondary, a rotor temperature-dependent primary current I pnmär is caused in the primary circuit.
  • the device is also set up to detect the primary current I pnmär in the primary circuit and to determine the rotor temperature therefrom, in particular using a formula, function, table, characteristic diagram or characteristic curve stored in a memory.
  • the primary coil has a first axial length in a direction parallel to an axis of rotation of the rotor
  • the secondary coil has a second axial length in a direction parallel to the axis of rotation, the first axial length differing from the second axial length .
  • the secondary winding attached to the rotor moves in the axial direction during operation due to tolerances and due to the bearing of the rotor. Due to the different axial lengths according to the invention, the axial change in position of the secondary coil has almost no effect on the inductive coupling of the two coils and therefore does not influence the temperature measurement.
  • the device can in particular be set up for use in a motor vehicle, in particular for traction applications for electrical machines.
  • a “rotor” is generally understood to mean any element that rotates about at least one axis.
  • the rotor can be a shaft, for example a shaft in a drive machine, for example a camshaft or a crankshaft.
  • Other properties and / or other combinations of properties can also be detectable.
  • the secondary coil is advantageously arranged radially inside the primary coil with respect to the axis of rotation, the extent of the primary coil in the direction of the axis of rotation and the extent of the secondary coil in the direction of the axis of rotation at least partially overlapping.
  • the first axial length can be greater than the second axial length.
  • the first axial length can be at least twice as large as the second axial length.
  • the second axial length can be greater than that be first axial length.
  • the second axial length can be at least twice as large as the first axial length.
  • the primary coil can be a winding.
  • the secondary coil can be a winding.
  • the temperature-dependent electrical load can be, for example, a temperature-dependent resistor and is in electrical contact with the second coil.
  • a temperature-dependent electrical load further electrical components are conceivable which change their electrical characteristic value, for example ohmic resistance, inductance or capacitance, as a function of the temperature. Bimetal switches that switch at a temperature threshold would also be conceivable as a temperature-dependent electrical load.
  • the primary coil and the secondary coil can be designed in such a way that the inductive coupling takes place in every rotational position of the rotor.
  • the inductive coupling does not necessarily require a rotation of the rotor.
  • the primary coil and the secondary coil can each extend over the full circumference of the rotor.
  • the primary coil and the secondary coil can in particular be arranged concentrically to one another, the primary coil and the secondary coil each having a coil axis which is aligned with the axis of rotation of the rotor.
  • the primary coil can comprise a coil body in which the primary coil is received.
  • the primary coil can be designed as a baked lacquer coil without a coil body.
  • a baked enamel coil a wire is wound onto a mandrel, thermally bonded to one another using baked enamel and pulled off the mandrel.
  • a bobbin is no longer necessary for a baked enamel winding. This makes it possible to reduce the air gap by the thickness of the coil body base. The reduced air gap increases the coupling between the primary coil and the secondary coil, which increases the measuring accuracy of the measuring system.
  • the secondary coil can each comprise a coil body in which the respective coil is received.
  • the electrical machine can be a synchronous machine.
  • the rotor In the synchronous machine, the rotor is set up to be driven synchronously by a rotating magnetic field of the stator.
  • the synchronous machine can in particular be a permanently excited synchronous machine.
  • the process steps mentioned can in particular be carried out in the order mentioned, although a different order is also possible. Furthermore, two or more or all of the process steps mentioned can be carried out at the same time or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of the process steps mentioned can be carried out once, repeatedly or even permanently.
  • the method can furthermore comprise one or more additional method steps not mentioned. For further details of the method, reference can in principle be made to the above description of the device, since the method can in particular be carried out using the proposed device.
  • primary circuit and “secondary circuit” are to be regarded as pure descriptions, without specifying a sequence or ranking and, for example, without excluding the possibility that several types of primary circuits and / or secondary circuits or exactly one type can be provided. There can also be additional circles.
  • the terms “primary circuit” and “secondary circuit” can in particular each be electrical circuits.
  • inductive coupling basically refers to a mutual Magnetic influence of two or more spatially adjacent electrical circuits or electrical coils through electromagnetic induction as a result of a change in a magnetic flux.
  • coil basically refers to a winding or a winding material that is suitable for generating or detecting a magnetic field.
  • the coil can comprise at least one winding of a current conductor, in particular made of a wire.
  • the current conductor can be wound on a bobbin, in particular a bobbin, and at least partially have a soft magnetic core.
  • a “measuring device” in the sense of the present invention is basically to be understood as any device that is set up to acquire at least one measured variable that either directly or indirectly represents the current to be acquired.
  • the current can be measured directly, for example using a multimeter,
  • Indirect detection is possible by detecting a variable that characterizes the current, such as voltage.
  • the current can be determined from the detected voltage and a resistance of known magnitude.
  • the devices and methods according to the invention have numerous advantages over conventional devices and methods. In this way, a direct and precise temperature measurement can be made on the magnets. In principle, the sensor signal can be transmitted wirelessly. Wear can thus be avoided. Furthermore, a method that is basically less susceptible to interference can be implemented, in particular with regard to magnetic fields from the stator. The measuring device is also basically suitable for recording very high rotor temperatures. In addition, it is basically a cost-effective process. The robustness of methods for inductive signal transmission against electromagnetic interference fields is increased. The accuracy of methods for inductive signal transmission is increased by keeping the inductive coupling of the two transmitter coils constant with respect to axial movement. A simple structure is implemented, since two winding pairs can be produced on one winding mandrel.
  • the arrangement of the coil pairs shows a good inductive coupling without interference from the rotor shaft and stator laminations.
  • the inductive coupling of the coil pairs is significantly improved and thus the quality of the signal transmission is improved.
  • the accuracy of methods for inductive signal transmission is increased by the inductive coupling of the two Transmission coils is kept constant with respect to axial movement.
  • Figure 1 is a sectional view of an electrical machine with a device according to a first embodiment
  • Figure 2 is an electrical circuit diagram of the device according to Fig.l,
  • Figure 3 shows a section A of the device according to Fig.l for the first embodiment
  • FIG. 4 shows a section A of the device according to FIG. 1 for a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an electrical machine with a device 110 according to a first embodiment of the present invention.
  • the device 110 can in particular be part of an electrical machine 112, such as a synchronous machine, for example.
  • the electrical machine 112 comprises a rotating element in the form of a rotor 114, which rotates about an axis of rotation 116, and a stator 118.
  • the stator 118 can be arranged in a housing 120.
  • the device 110 comprises a primary circuit 122 and a secondary circuit 124.
  • the primary circuit 122 is formed on the housing 120 or on the stator 118 and is fastened there.
  • the primary circuit 122 can be attached to the housing 120 or to the stator 118 in a form-fitting, non-positive and / or material-fitting manner.
  • the secondary circuit 124 is formed on the rotor 114.
  • the secondary circuit 124 is fixedly, in particular non-rotatably, connected to the rotor 114.
  • the secondary circuit 124 is arranged or fastened on an end face of the rotor body of the rotor 114 and / or on the shaft of the rotor 114.
  • the secondary circuit 124 can be attached to the rotor 114 in a form-fitting, non-positive and / or material-fitting manner.
  • Figure 2 shows an electrical circuit diagram of the device 110 according to Fig.l.
  • the primary circuit 122 has at least one measuring device 126 for detecting an electrical primary current I primarily in the primary circuit 122.
  • the primary circuit 122 has a signal generator 128 for generating a signal voltage designed as an alternating voltage and to be fed into the primary circuit 122.
  • the primary circuit 122 can comprise at least two connections 127 for feeding a signal voltage in the form of an alternating voltage into the primary circuit 122.
  • the signal voltage is an alternating voltage with any waveform, for example with a sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular waveform.
  • the primary circuit 122 furthermore has at least one primary coil 130 and, for example, an electrical capacitor 133.
  • the primary coil 130 can in particular be a winding.
  • the capacitor 133 is designed to generate an oscillating circuit in the primary circuit 122.
  • an electrical series resistor 132 is arranged between the signal generator 128 and the capacitor 133.
  • the measuring device 126 can be, for example, a voltmeter that measures a voltage drop across the series resistor 132 of the primary circuit 122, so that the primary current I can be determined primarily by means of the known electrical resistance of the series resistor 132 and by means of the voltage drop measured at the series resistor 132.
  • the voltage of the signal generator 128 can be determined with a further measuring device 126 or can be known on the basis of a calibration of the signal generator 128.
  • the secondary circuit 124 has at least one secondary coil 134.
  • the secondary coil 134 is arranged for inductive coupling with the primary coil 130.
  • the secondary coil 134 can in particular be a winding.
  • the secondary circuit 124 has a temperature-dependent electrical load 136, which serves as a measuring element.
  • the temperature-dependent load 136 can in particular be a temperature-dependent electrical resistor.
  • the temperature-dependent load 136 is a temperature-dependent electrical resistor with a negative temperature coefficient, i.e. a so-called NTC (negative temperature coefficient).
  • NTC negative temperature coefficient
  • PTC positive temperature coefficient
  • the temperature dependent load 136 can be a bimetal switch.
  • the temperature-dependent load 136 is arranged at a specific position of the rotor 114 in order to detect the temperature there.
  • the temperature-dependent load 136 is in electrical contact with the secondary coil 134.
  • the signal voltage in the primary circuit 122 induces a secondary voltage in the secondary circuit 124 via an inductive coupling of the primary coil 130 with the secondary coil 134.
  • the signal voltage of the signal generator 128 is an alternating voltage in order to induce the secondary voltage in the secondary circuit 124 due to a change in a magnetic field and thus the inductive To achieve coupling of the two coils 130, 134.
  • the alternating voltage is an alternating voltage with any waveform, for example with a sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular waveform.
  • the induced secondary voltage which is of course an alternating voltage causes a current flowing through the temperature-dependent load 136 L secondary current ekund ä r.
  • the amplitude of the secondary current L ekund ä r is determined by the temperature of the rotor 114th Accordingly, the secondary current I-secondary r of the secondary circuit 124 is rotor dependent on temperature. As a result of the secondary current L ekund ä r a rotor temperature-dependent primary current l Pnm ä r is effected in the primary circuit 122, which is of course an alternating current.
  • the primary current I prim ä r is detected by the device 110 by means of the measuring device 126 in the primary circuit 122, for example, directly or indirectly via a primary current I prim ä r characterizes such as a voltage.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 are arranged in such a way that the inductive coupling between the two coils 130, 134 is independent of a rotation of the rotor 114 over 360 degrees with respect to the axis of rotation 116.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 each run with a plurality of turns around a rotor shaft of the rotor 114.
  • One of the two coils 130, 134, for example the secondary coil 134 lies radially inside the other coil 130, 134, for example the primary coil 130, with respect to the axis of rotation 116.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 are arranged concentrically to one another, for example, the primary coil 130 and the secondary coil 134 each have a coil axis that is aligned with the axis of rotation 116 of the rotor 114.
  • the temperature of the rotor 114 can thus be determined based on the value of a measured by the measuring device 126 the primary current prim l ä r. This is done, for example, by means of a formula, table, matrix, characteristic field or characteristic curve stored in the electronic memory of the control unit, whereby in each case an assignment between one measured value of the primary current I primary and an associated temperature of the rotor 114 is present.
  • the temperature-dependent change in resistance at the temperature-dependent load 136 also leads to a phase shift between the signal voltage fed in and the primary current I primarily of the primary circuit 122. Consequently, there is also a relationship between the phase shift in the primary circuit 122 and the temperature of the rotor 114 to be determined.
  • the temperature of the rotor 114 can therefore be alternatively determined based on the detected phase shift between the injected signal voltage and the primary current l primary, in particular via a stored in an electronic memory of an electronic control unit formula or function, in particular an arc tangent function, or a stored in the memory table, Map, curve or matrix. In this way, there is an association between a determined phase shift and the associated temperature of the rotor 114.
  • the primary current I is primarily measured by means of the measuring device 126 and the phase shift is determined based thereon.
  • a wireless signal transmission thus takes place.
  • the signal that can be transmitted is the temperature of the rotor 114.
  • the temperature information is indirectly part of the secondary current or, via the inductively coupled coils 130, 134, also part of the primary current.
  • the additional capacitor 133 changes the transmission system of the device 110 and thus the system behavior, which can be used to adjust the measurement accuracy of the device 110.
  • Figure 3 shows a section A of the device according to Fig.l for the first embodiment.
  • the primary coil 130 has a first axial length 138 in a direction parallel to the axis of rotation 116.
  • the secondary coil 134 has a second axial length 140 in a direction parallel to the axis of rotation 116.
  • the first axial length 138 differs from the second axial length 140.
  • the first axial length 138 is greater than the second axial length 140.
  • the first axial length 138 is at least twice as large as the second axial length 140.
  • the winding lengths of the two coils 130, 134 are thus different and the The secondary coil 134 lies in the radial direction with respect to the axis of rotation 116 within the primary coil 130.
  • the extent of the primary coil 130 in the direction of the axis of rotation 116 and the extent of the secondary coil 134 in the direction of the axis of rotation 116 overlap at least partially.
  • the secondary coil 134 arranged on a shaft of the rotor 114 moves due to tolerances and storage in the axial direction during operation. Due to the winding arrangement described with the different axial lengths and the overlapping of the axial extensions, this axial change in position has almost no effect on the coupling of the two coils 130, 134 and therefore does not influence the temperature measurement.
  • Figure 4 shows a section A of the device according to Fig.l for a second embodiment. Only the differences from the device 110 of the first embodiment are described below and the same or comparable components are provided with the same reference symbols.
  • the second axial length 140 is greater than the first axial length 138.
  • the second axial length 140 is at least twice as large as the first axial length 138.
  • the winding lengths of the two coils 130, 134 are thus different and one coil is located in the radial direction with respect to the axis of rotation 116 within the other coil.
  • the extension of the primary coil 130 in the direction of the axis of rotation and the extension of the secondary coil 134 in the direction of the axis of rotation overlap at least partially.
  • the primary coil 130 of the stator 118 is located within the axial dimension of the second coil 134 of the rotor 114.
  • the secondary coil 134 fastened to the rotor 114 moves in the axial direction during operation due to tolerances and mounting.
  • the secondary coil 134 each extend with several turns around a rotor shaft of the rotor 114, the secondary coil 134 being arranged radially within the primary coil 130 with respect to the axis of rotation 116 of the rotor 114 in such a way that the two coils 130, 134 are inductively coupled in each rotational position of the rotor 114 is present.
  • the inductive coupling therefore does not necessarily require a rotation of the rotor 114.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 are arranged concentrically to one another, for example, the primary coil 130 and the secondary coil 134 each having a coil axis that is aligned with the axis of rotation 116 of the rotor 114.
  • the primary coil 130 can comprise a coil former in which the primary coil 130 is received.
  • the primary coil 130 can be designed as a baked lacquer coil without a coil body.
  • the secondary coil 134 also has, for example, a coil body in which the respective coil is received.

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Abstract

Elektrische Maschine mit einer Einrichtung (110) zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (114), wobei die Einrichtung (110) einen am Stator (118) oder an einem Gehäuse (120) der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis (122) mit einer Primärspule (130) und einen am Rotor (114) ausgebildeten Sekundärkreis (124) mit einer Sekundärspule (136) und einer temperaturabhängigen Last (138) umfasst. Die Einrichtung (110) ist eingerichtet, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124) eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (136) fließender Sekundärstrom Isekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Isekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis (122) bewirkt wird. Die Einrichtung (110) ist weiterhin eingerichtet, mittels der Messvorrichtung (126) den Primärstrom Iprimär und/oder eine Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär zu erfassen und basierend auf dem Wert des Primärstroms Iprimär oder basierend auf der Phasenverschiebung die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln. Die Primärspule (130) weist eine erste axiale Länge (138) in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse (116) des Rotors (114) auf, wobei die Sekundärspule (134) eine zweite axiale Länge (140) in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse (116) aufweist, wobei sich die erste axiale Länge (138) von der zweiten axialen Länge (140) unterscheidet.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Im Fall einer permanenterregten Synchronmaschine kann eine zu hohe Rotortemperatur zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen.
Die Rotortemperatur ist daher ein begrenzender Parameter für die Dauerleistung der elektrischen Maschine. Zum Schutz der Permanentmagnete muss sichergestellt sein, dass bei einem Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie zum Beispiel das Reduzieren von Phasenströmen. Je genauer die Rotortemperatur bekannt ist, desto später können diese Maßnahmen getroffen werden und desto höhere Dauerleistungen können erzielt werden.
In DE 102007062 712 Al wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines ein magnetisches Rotorfeld aufweisenden Rotors einer mit einem feldorientierten Stromregler versehenen permanenterregten Synchronmaschine beschrieben, die einen Stator mit einer aus mindestens zwei Phasenwicklungen bestehenden Statorwicklung aufweist. Es ist vorgesehen, dass eine elektrische Maschinengleichung für eine quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente (Usq) eines Statorspannungsvektors (Us) in einem feldorientierten Koordinatensystem aufgestellt wird, die einen magnetischen Fluss (Psi) des Rotors enthält. Weiter ist vorgesehen, dass die Komponente (Usq) des Statorspannungsvektors (Us) durch eine Spannungsstellgröße (UsqCC) berechnet und damit der magnetische Fluss (Psi) bestimmt wird. Zudem ist vorgesehen, dass aus dem magnetischen Fluss (Psi) die Temperatur (T) des Rotors bestimmt wird.
In EP 2853873 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Rotors eines Elektromotors beschrieben, wobei ein dem Elektromotor zugeordneter Resolver als Mittel zur Erfassung der Temperatur des Rotors fungiert.
Aus dem Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, Springer-Verlag, 2. Auflage, Seite 84, Kapitel 1.4.2 sind Verfahren für eine Erfassung einer Rotordrehzahl und für eine Messung von dynamischen Aktionsmomenten bekannt, welche induktiv Signale übertragen.
Darüber hinaus sind teure telemetrische Systeme mit drahtloser Signalübertragung bekannt. Diese sind jedoch aufgrund der hohen Kosten für eine Anwendung in einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs nicht geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass sie zur Messung der Temperatur des Rotors eine drahtlose Übertragung des entsprechenden Signals bzw. der entsprechenden Temperaturinformation umfasst, die mit nur wenigen Standardkomponenten realisierbar und dadurch sehr kostengünstig ist.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors vorgeschlagen. Die Einrichtung umfasst mindestens einen Primärkreis. Der Primärkreis ist am Stator oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehen. Der Primärkreis weist mindestens eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms I primär im Primärkreis oder zum Erfassen einer den Primärstrom Iprimär charakterisierenden Größe, einen Signalgenerator zum Erzeugen einer als Wechselspannung ausgebildeten Signalspannung oder zwei Anschlüsse zum Einspeisen einer als Wechselspannung ausgebildeten Signalspannung in den Primärkreis und mindestens eine Primärspule auf. Weiterhin umfasst die Einrichtung mindestens einen Sekundärkreis. Der Sekundärkreis ist am Rotor ausgebildet. Der Sekundärkreis weist mindestens eine Sekundärspule auf, die zur induktiven Kopplung mit der Primärspule angeordnet ist, und eine temperaturabhängige elektrische Last auf. Die Einrichtung ist eingerichtet, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom Lekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Isekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Ipnmär im Primärkreis bewirkt wird. Die Einrichtung ist weiterhin eingerichtet, den Primärstrom Ipnmär im Primärkreis zu erfassen und daraus die Rotortemperatur zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Kennfeld oder Kennlinie.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Primärspule eine erste axiale Länge in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des Rotors aufweist, die Sekundärspule eine zweite axiale Länge in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse aufweist, wobei die erste axiale Länge sich von der zweiten axialen Länge unterscheidet. Die am Rotor befestigte Sekundärwicklung bewegt sich bei Betrieb in axialer Richtung aufgrund von Toleranzen und aufgrund der Lagerung des Rotors. Durch die erfindungsgemäß unterschiedlichen axialen Längen wirkt sich die axiale Lageänderung der Sekundärspule nahezu nicht auf die induktive Kopplung der beiden Spulen aus und beeinflusst daher nicht die Temperaturmessung.
Die Einrichtung kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem „Rotor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann der Rotor eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Die Sekundärspule ist vorteilhafterweise bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der Primärspule angeordnet, wobei die Erstreckung der Primärspule in Richtung der Rotationsachse und die Erstreckung der Sekundärspule in Richtung der Rotationsachse zumindest teilweise überlappen.
Die erste axiale Länge kann größer als die zweite axiale Länge sein. Insbesondere kann die erste axiale Länge mindestens doppelt so groß wie die zweite axiale Länge sein. Alternativ kann die zweite axiale Länge größer als die erste axiale Länge sein. Insbesondere kann die zweite axiale Länge mindestens doppelt so groß wie die erste axiale Länge sein.
Die Primärspule kann eine Wicklung sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundärspule eine Wicklung sein.
Die temperaturabhängige elektrische Last kann beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand sein und ist in elektrischem Kontakt mit der zweiten Spule. Als temperaturabhängige elektrische Last sind weitere elektrische Bauteile denkbar, die in Abhängigkeit von der Temperatur ihren elektrischen Kennwert, beispielsweise ohmscher Widerstand, Induktivität oder Kapazität, ändern. Auch Bimetallschalter, die bei einem Temperaturschwellwert schalten, wären als temperaturabhängige elektrische Last denkbar.
Die Primärspule und die Sekundärspule können derart ausgebildet sein, dass die induktive Kopplung in jeder Drehlage des Rotors erfolgt. Die induktive Kopplung erfordert nicht zwingend eine Drehung des Rotors.
Die Primärspule und die Sekundärspule können sich jeweils über den vollen Umfang des Rotors erstrecken. Die Primärspule und die Sekundärspule können insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet sein, wobei die Primärspule und die Sekundärspule jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse des Rotors fluchtet.
Die Primärspule kann einen Spulenkörper umfassen, in dem die Primärspule aufgenommen ist. Alternativ kann die Primärspule als Backlackspule ohne Spulenkörper ausgebildet sein. Bei einer Backlackspule wird ein Draht auf einem Dorn aufgewickelt, mittels Backlack thermisch miteinander verklebt und vom Dorn abgezogen. Ein Spulenkörper ist für eine Backlackwicklung nicht weiter notwendig. Dadurch ist es möglich, den Luftspalt um die Stärke des Spulenkörpergrunds zu reduzieren. Durch den reduzierten Luftspalt wird die Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule erhöht, was die Messgenauigkeit des Messsystems erhöht.
Die Sekundärspule kann jeweils einen Spulenkörper umfassen, in dem die jeweilige Spule aufgenommen ist. Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine sein. Bei der Synchronmaschine ist der Rotor eingerichtet ist, synchron von einem magnetischen Drehfeld des Stators angetrieben zu werden. Die Synchronmaschine kann insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß den vorstehenden Ausführungen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Induzieren der Sekundärspannung in dem Sekundärkreis durch die induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom Lekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Lekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lprimär im Primärkreis bewirkt wird; und Erfassen des Primärstroms I primär und Ermitteln der Temperatur des Rotors.
Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Einrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung durchgeführt werden kann.
Die Begriffe „Primärkreis“ und „Sekundärkreis“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von Primärkeisen und/oder Sekundärkreisen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein können. Weiterhin können zusätzliche Kreise vorhanden sein. Die Begriffe „Primärkreis“ und „Sekundärkreis“ können insbesondere jeweils Stromkreise sein. Der Begriff „induktive Kopplung“ bezeichnet grundsätzlich eine gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter elektrischer Stromkreise oder elektrischer Spulen durch eine elektromagnetische Induktion infolge einer Änderung eines magnetischen Flusses. Der Begriff „Spule“ bezeichnet grundsätzlich eine Wicklung oder ein Wickelgut, welches geeignet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Die Spule kann mindestens einer Wicklung eines Stromleiters, insbesondere aus einem Draht, umfassen. Der Stromleiter kann auf einem Spulenkörper, insbesondere Spulenträger gewickelt sein und zumindest teilweise einen weichmagnetischen Kern aufweisen. Unter einer „Messvorrichtung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, die entweder unmittelbar oder mittelbar den zu erfassenden Strom darstellt. Eine direkte Erfassung des Stroms ist beispielsweise mittels eines Multimeters,
Amperemeters oder dergleichen realisierbar. Eine mittelbare Erfassung ist über die Erfassung einer den Strom charakterisierenden Größe, wie z.B. Spannung, möglich. In diesem Fall kann der Strom aus der erfassten Spannung und einem Widerstand bekannter Größe ermittelt werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So kann grundsätzlich eine direkte und genaue Temperaturmessung an den Magneten erfolgen. Das Sensorsignal kann grundsätzlich drahtlos übertragen werden. Ein Verschleiß kann somit vermieden werden. Weiterhin ist ein grundsätzlich wenig störanfälliges Verfahren realisierbar, insbesondere gegenüber von Magnetfeldern des Stators. Die Messeinrichtung ist weiterhin grundsätzlich für eine Erfassung von sehr hohen Rotortemperaturen geeignet. Darüber hinaus handelt es sich grundsätzlich um ein kostengünstiges Verfahren. Die Robustheit von Verfahren zur induktiven Signalübertragung gegenüber elektromagnetischen Störfeldern wird erhöht. Die Genauigkeit von Verfahren zur induktiven Signalübertragen wird erhöht, indem die induktive Kopplung beider Übertragerspulen gegenüber axialer Bewegung konstant gehalten wird. Es wird ein einfacher Aufbau realisiert, da je zwei Wicklungspaare auf einem Wickeldorn gefertigt werden können. Die Anordnung der Spulenpaare zeigt eine gute induktive Kopplung ohne Störung durch Rotorwelle und Stator- Blech pakete. Die induktive Kopplung der Spulenpaare wird deutlich verbessert und damit die Qualität der Signalübertragung verbessert. Die Genauigkeit von Verfahren zur induktiven Signalübertragung wird erhöht, indem die induktive Kopplung der beiden Übertragerspulen gegenüber axialer Bewegung konstant gehalten wird.
Weiterhin wirkt eine geringe Fliehkraft bedingt durch einen geringen Wicklungsdurchmesser der drehenden Wicklung direkt auf dem Rotor. Außerdem wird ein konstanter magnetischer Fluss realisiert, d.h. in der Wicklung wird keine Spannung durch die Felder in der elektrischen Maschine induziert, was das System robuster gegenüber Störungen macht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 ein elektrisches Schaltbild der Einrichtung nach Fig.l,
Figur 3 einen Ausschnitt A der Einrichtung nach Fig.l für die erste Ausführungsform und
Figur 4 einen Ausschnitt A der Einrichtung nach Fig.l für eine zweite Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung 110 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Einrichtung 110 kann insbesondere Teil einer elektrischen Maschine 112, wie beispielsweise einer Synchronmaschine, sein. Die elektrischen Maschine 112 umfasst ein rotierendes Element in Form eines Rotors 114, der um eine Rotationsachse 116 rotiert, und einen Stator 118. Der Stator 118 kann in einem Gehäuse 120 angeordnet sein. Die Einrichtung 110 umfasst einen Primärkreis 122 und einen Sekundärkreis 124.
Der Primärkreis 122 ist am Gehäuse 120 oder am Stator 118 ausgebildet und und dort befestigt. Insbesondere kann der Primärkreis 122 am Gehäuse 120 oder am Stator 118 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
Der Sekundärkreis 124 ist an dem Rotor 114 ausgebildet. Der Sekundärkreis 124 ist fest, insbesondere drehfest, mit dem Rotor 114 verbunden. Beispielsweise ist der Sekundärkreis 124 an einer Stirnseite des Rotorkörpers des Rotors 114 und/oder an der Welle des Rotors 114 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 124 an dem Rotor 114 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
Figur 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Einrichtung 110 nach Fig.l.
Der Primärkreis 122 weist mindestens eine Messvorrichtung 126 zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms lprimär im Primärkreis 122 auf. Darüber weist der Primärkreis 122 einen Signalgenerator 128 zum Erzeugen einer als Wechselspannung ausgebildeten und in den Primärkreis 122 einzuspeisenden Signalspannung auf. Alternativ kann der Primärkreis 122 mindestens zwei Anschlüsse 127 zum Einspeisen einer als Wechselspannung ausgebildeten Signalspannung in den Primärkreis 122 umfassen.
Die Signalspannung ist eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform.
Der Primärkreis 122 weist weiterhin mindestens eine Primärspule 130 und beispielsweise einen elektrischen Kondensator 133 auf. Bei der Primärspule 130 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln. Der Kondensator 133 ist zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis 122 ausgebildet. Zwischen dem Signalgenerator 128 und dem Kondensator 133 ist beispielsweise ein elektrischer Vorwiderstand 132 angeordnet. Die Messvorrichtung 126 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 132 des Primärkreises 122 misst, so dass der Primärstrom lprimär mittels des bekannten elektrischen Widerstandes des Vorwiderstandes 132 und mittels des an dem Vorwiderstand 132 gemessenen Spannungsabfalls ermittelbar ist. Die Spannung des Signalgenerators 128 kann mit einem weiteren Messvorrichtung 126 bestimmt werden oder aufgrund einer Kalibrierung des Signalgenerators 128 bekannt sein.
Der Sekundärkreis 124 weist mindestens eine Sekundärspule 134 auf. Die Sekundärspule 134 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 130 angeordnet. Bei der Sekundärspule 134 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln.
Darüber hinaus weist der Sekundärkreis 124 eine temperaturabhängige elektrische Last 136 auf, die als Messelement dient. Die temperaturabhängige Last 136 kann insbesondere ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die temperaturabhängige Last 136 ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter NTC (negative temperature coefficient). Auch andere Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich denkbar, wie beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter PTC (positive temperature coefficient). Alternativ kann die temperaturabhängige Last 136 ein Bimetallschalter sein. Die temperaturabhängige Last 136 ist an einer bestimmten Position des Rotors 114 angeordnet, um dort die Temperatur zu erfassen. Die temperaturabhängige Last 136 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 134.
Die Signalspannung im Primärkreis 122 induziert über eine induktive Kopplung der Primärspule 130 mit der Sekundärspule 134 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 124. Die Signalspannung des Signalgenerators 128 ist eine Wechselspannung, um die Sekundärspannung im Sekundärkreis 124 aufgrund einer Änderung eines Magnetfeldes zu induzieren und damit die induktive Kopplung der beiden Spulen 130, 134 zu erreichen. Die Wechselspannung ist eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform. Die induzierte Sekundärspannung, die selbstverständlich eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 136 fließenden Sekundärstrom Lekundär. Die Amplitude des Sekundärstroms LekundärWird durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom I sekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms Lekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lPnmär im Primärkreis 122 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom Iprimär wird durch die Einrichtung 110 mittels der Messvorrichtung 126 in dem Primärkreis 122 erfasst, beispielsweise direkt oder indirekt über eine den Primärstrom lprimär charakterisierende Größe, wie beispielsweise einer Spannung.
Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 sind derart angeordnet, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 130, 134 unabhängig von einer Drehung des Rotors 114 über 360 Grad bezüglich der Rotationsachse 116 vorliegt. Um dies zu erreichen, verlaufen die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors 114 herum. Dabei liegt eine der beiden Spulen 130,134, beispielsweise die Sekundärspule 134, bezüglich der Rotationsachse 116 radial innerhalb der anderen Spule 130,134, beispielsweise der Primärspule 130. Außerdem sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse 116 des Rotors 114 fluchtet.
Temperaturänderungen am Rotor 114 erzeugen eine Widerstandsänderung der temperaturabhängigen Last 136.
Die temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 136 führt zu einer Änderung der Amplitude des Primärstroms lprimär des Primärkreises 122. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der Amplitude des Primärstroms lprimär im Primärkreis 122 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 114. Die Temperatur des Rotors 114 kann somit basierend auf dem Wert eines mittels der Messvorrichtung 126 gemessenen Primärstroms lprimär ermittelt werden. Dies geschieht beispielsweise mittels einer in dem elektronischen Speicher des Steuergerätes abgelegten Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einem gemessenen Wert des Primärstroms lprimär und einer zugehörigen Temperatur des Rotors 114 vorliegt.
Die temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 136 führt außerdem zu einer Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom lprimär des Primärkreises 122. Folglich besteht auch eine Beziehung zwischen der Phasenverschiebung im Primärkreis 122 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 114. Die Temperatur des Rotors 114 kann somit alternativ auch basierend auf der ermittelten Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom lprimär ermittelt werden, insbesondere über eine in einem elektronischen Speicher eines elektronischen Steuergerätes abgelegte Formel oder Funktion, insbesondere eine Arkustangensfunktion, oder über eine in dem Speicher abgelegte Tabelle, Kennfeld, Kennlinie oder Matrix. Auf diese Weise liegt jeweils eine Zuordnung zwischen einer ermittelten Phasenverschiebung und der zugehörigen Temperatur des Rotors 114 vor. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom lprimär wird der Primärstrom lprimär mittels der Messvorrichtung 126 gemessen und basierend darauf die Phasenverschiebung ermittelt.
Erfindungsgemäß erfolgt also eine kabellose Signalübertragung. Das Signal, welches übertragen werden kann, ist die Temperatur des Rotors 114. Die Temperatur-Information ist indirekt Teil des Sekundärstroms bzw. über die induktiv gekoppelten Spulen 130,134 auch Teil des Primärstroms.
Der zusätzliche Kondensator 133 verändert das Übertragungssystem der Einrichtung 110 und somit das Systemverhalten, was zur Einstellung der Messgenauigkeit der Einrichtung 110 verwendet werden kann.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt A der Einrichtung nach Fig.l für die erste Ausführungsform.
Die Primärspule 130 weist eine erste axiale Länge 138 in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse 116 auf. Die Sekundärspule 134 weist eine zweite axiale Länge 140 in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse 116 auf. Dabei unterscheidet sich die erste axiale Länge 138 von der zweiten axialen Länge 140. Bei der ersten Ausführungsform ist die erste axiale Länge 138 größer als die zweite axiale Länge 140. Insbesondere ist die erste axiale Länge 138 mindestens doppelt so groß wie die zweite axiale Länge 140. Die Wicklungslängen beider Spulen 130, 134 sind somit verschieden und die Sekundärspule 134 liegt in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 innerhalb der Primärspule 130. Die Erstreckung der Primärspule 130 in Richtung der Rotationsachse 116 und die Erstreckung der Sekundärspule 134 in Richtung der Rotationsachse 116 überlappen dabei zumindest teilweise.
Die an einer Welle des Rotors 114 angeordnete Sekundärspule 134 bewegt sich aufgrund von Toleranzen und Lagerung in axialer Richtung bei Betrieb. Durch die beschriebene Wicklungsanordnung mit den verschiedenen axialen Längen und der Überlappung der axialen Erstreckungen wirkt sich diese axiale Lageänderung nahezu nicht auf die Kopplung beider Spulen 130, 134 aus und beeinflusst daher nicht die Temperaturmessung.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt A der Einrichtung nach Fig.l für eine zweite Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Einrichtung 110 der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die zweite axiale Länge 140 größer als die erste axiale Länge 138. Insbesondere ist die zweite axiale Länge 140 mindestens doppelt so groß wie die erste axiale Länge 138. Die Wicklungslängen beider Spulen 130, 134 sind somit verschieden und eine Spule liegt in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 innerhalb der anderen Spule. Die Erstreckung der Primärspule 130 in Richtung der Rotationsachse und die Erstreckung der Sekundärspule 134 in Richtung der Rotationsachse überlappen dabei zumindest teilweise. So befindet sich die Primärspule 130 des Stators 118 innerhalb der axialen Abmessung der zweiten Spule 134 des Rotors 114. Die am Rotor 114 befestigte Sekundärspule 134 bewegt sich aufgrund von Toleranzen und Lagerung in axialer Richtung bei Betrieb. Durch die beschriebene Wicklungsanordnung mit den verschiedenen axialen Längen und der radialen Überlappung wirkt sich diese axiale Lageänderung nahezu nicht auf die Kopplung beider Spulen 130, 134 aus und beeinflusst daher nicht die Temperaturmessung. Die elektrische Maschine bzw. Einrichtung der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann wie folgt modifiziert werden, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Die feststehende Primärspule 130 und die mit dem Rotor 114 drehbare
Sekundärspule 134 erstrecken sich jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors 114 herum, wobei die Sekundärspule 134 bezüglich der Rotationsachse 116 des Rotors 114 derart radial innerhalb der Primärspule 130 angeordnet ist, dass in jeder Drehlage des Rotors 114 eine induktive Kopplung der beiden Spulen 130,134 vorliegt. Die induktive Kopplung erfordert also nicht zwingend eine Drehung des Rotors 114. Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 sind beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse 116 des Rotors 114 fluchtet.
Die Primärspule 130 kann einen Spulenkörper umfassen, in dem die Primärspule 130 aufgenommen ist. Alternativ kann die Primärspule 130 als Backlackspule ohne Spulenkörper ausgebildet sein. Die Sekundärspule 134 weist beispielsweise ebenfalls einen Spulenkörper auf, in dem die jeweilige Spule aufgenommen ist.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Stator (118), einem Rotor (114) und einer Einrichtung (110) zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors (114), wobei die Einrichtung (110) umfasst: einen am Stator (118) oder an einem Gehäuse (120) der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis (122), der eine Messvorrichtung (126) zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms I primär im Primärkreis (122)_oder zum Erfassen einer den Primärstrom Iprimär charakterisierenden Größe, einen Signalgenerator (128) zum Erzeugen einer in den Primärkreis (122) einzuspeisenden Signalspannung oder zwei Anschlüsse (127) zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis (122), wobei die Signalspannung eine Wechselspannung ist, und mindestens eine Primärspule (130) aufweist; insbesondere einen Kondensator (133) zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis (122) aufweist; einen am Rotor (114) ausgebildeten Sekundärkreis (124), der mindestens eine Sekundärspule (134) aufweist, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule (130) angeordnet ist, wobei der Sekundärkreis (124) mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last (136) aufweist, insbesondere einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, die Einrichtung (110) eingerichtet ist, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124) eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (136) fließender Sekundärstrom Isekundär im Sekundärkreis (124) und infolge des Sekundärstroms Isekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis bewirkt wird, die Einrichtung (110) weiterhin eingerichtet ist, mittels der Messvorrichtung (126) den Primärstrom Iprimär und/oder eine Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär zu erfassen und basierend auf dem Wert des Primärstroms Iprimär oder basierend auf der Phasenverschiebung die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, und die Primärspule (130) eine erste axiale Länge (138) in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse (116) des Rotors (114) aufweist, wobei die Sekundärspule (134) eine zweite axiale Länge (140) in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse (116) aufweist, wobei sich die erste axiale Länge (138) von der zweiten axialen Länge (140) unterscheidet.
2. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sekundärspule (134) bezüglich der Rotationsachse (116) radial innerhalb der Primärspule (130) angeordnet ist, wobei die Erstreckung der Primärspule (130) in Richtung der Rotationsachse (116) und die Erstreckung der Sekundärspule (134) in Richtung der Rotationsachse (116) zumindest teilweise überlappen.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste axiale Länge (138) der Primärspule (130) größer als die zweite axiale Länge (140) der Sekundärspule (134) ist.
4. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste axiale Länge (138) der Primärspule (130) mindestens doppelt so groß wie die zweite axiale Länge (140) der Sekundärspule (134) ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite axiale Länge (140) der Sekundärspule (134) größer als die erste axiale Länge (138) der Primärspule (130) ist.
6. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite axiale Länge (140) der Sekundärspule (134) mindestens doppelt so groß wie die erste axiale Länge (138) der Primärspule (130) ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (130) und/oder die Sekundärspule (134) eine Wicklung ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die temperaturabhängige Last (136) ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand oder ein Bimetallschalter ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) derart ausgebildet sind, dass die induktive Kopplung in jeder Drehlage des Rotors (114) erfolgt.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) sich jeweils über den vollen Umfang des Rotors (114) erstrecken, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse (116) des Rotors (114) fluchtet.
11. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Primärspule (130) einen Spulenkörper umfasst, in dem die Primärspule (130) aufgenommen ist oder wobei die Primärspule (130) als Backlackspule ohne Spulenkörper ausgebildet ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Sekundärspule (134) jeweils einen Spulenkörper umfasst, in dem die jeweilige Spule aufgenommen ist.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine eine Synchronmaschine (112) ist, wobei der Rotor (114) eingerichtet ist, synchron von einem magnetischen Drehfeld des Stators (118) angetrieben zu werden.
14. Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (114) einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Induzieren einer Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) durch die induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem Sekundärkreis (124) bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis (122), wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (136) fließender Sekundärstrom Lekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Isekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Ipnmär im Primärkreis bewirkt wird; und
Erfassen des Primärstroms Ipnmär und Ermitteln der Temperatur des Rotors (114), insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
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