WO2021094021A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2021094021A1
WO2021094021A1 PCT/EP2020/076276 EP2020076276W WO2021094021A1 WO 2021094021 A1 WO2021094021 A1 WO 2021094021A1 EP 2020076276 W EP2020076276 W EP 2020076276W WO 2021094021 A1 WO2021094021 A1 WO 2021094021A1
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WO
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primary
rotor
temperature
coil
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/076276
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English (en)
French (fr)
Inventor
Konstantin Lindenthal
Stephan Usbeck
Thomas Pawlak
Florian Herzog
Claus-Christian Oetting
Marcus Alexander
Murat KOL
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H02P29/662—Controlling or determining the temperature of the rotor the rotor having permanent magnets
    • 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
    • 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

Definitions

  • a measurement of a rotor temperature of a rotor of electrical machines is fundamentally important, since the rotor temperature is fundamentally a limiting parameter for a continuous output of the electrical machine.
  • this effect is usually particularly great, because in order to protect magnets it must be ensured that countermeasures can be taken when a critical magnet temperature is reached, such as reducing phase currents.
  • the following methods for determining the rotor temperature are known.
  • DE 102007 062 712 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.
  • EP 2853873 A1 describes a device and a method for detecting a temperature of a rotor of an electric motor, a resolver assigned to the electric motor functioning as a means for detecting the temperature of the rotor and a use of a resolver provided for detecting a rotational position of a rotor of an electric motor as Means for determining a temperature of a rotor of the electric motor.
  • the devices and methods known from the prior art are fundamentally limited in their accuracy, since they basically only calculate the rotor temperature indirectly.
  • the calculation rules require knowledge of other parameters.
  • the other parameters are basically not exactly known, since they either depend on an operating state of the electrical machine, such as, for example, on fluid mechanics as a function of load states and a coolant liquid temperature and / or vary from electrical machine to electrical machine. This can relate, for example, to a remanence of the magnets used.
  • wireless signal transmission by means of telemetry is generally not suitable for large-scale production. The direct determination of the rotor temperature is therefore always preferable. It is therefore a challenge to measure the temperature of the rotor of the electrical machine directly and to transmit a corresponding measurement signal wirelessly.
  • 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 is proposed.
  • the device comprises a primary circuit provided on the stator or on a housing of the electrical machine.
  • the primary circuit comprises a measuring device for detecting an electrical current I primarily in the primary circuit or for detecting a variable that primarily characterizes the current I.
  • the primary circuit comprises a signal generator for generating a signal voltage or two connections for feeding a signal voltage into the primary circuit and at least one primary coil.
  • the device further comprises a secondary circuit formed on the rotor.
  • the secondary circuit has at least one secondary coil which is arranged for inductive coupling with the at least one primary coil.
  • the secondary circuit has at least one temperature-dependent electrical load.
  • the measuring device is set up to induce a secondary voltage in the secondary circuit when the rotor rotates and when the signal voltage is fed into the primary circuit through an inductive coupling between the primary circuit and the secondary circuit, whereby a secondary current L flowing through the temperature-dependent load is secondary in the secondary circuit and as a result of the Secondary current I secondary a rotor temperature-dependent primary current I is primarily caused in the primary circuit.
  • the device is also set up to detect the primary current I primarily by means of the measuring device and to determine the temperature of the rotor therefrom, in particular using a formula, table, matrix, characteristic diagram or characteristic curve stored in a memory.
  • the temperature-dependent electrical load can be a temperature-dependent electrical resistance with a negative temperature coefficient.
  • the temperature-dependent load can be a temperature-dependent electrical resistance with a positive temperature coefficient.
  • Other electrical components that change their characteristic electrical value, for example ohmic resistance, inductance or capacitance, as a function of the temperature are possible as temperature-dependent electrical loads.
  • Bimetal switches that switch at a temperature threshold could also be used as a temperature-dependent electrical load.
  • the primary coil and the secondary coil are arranged according to a first and second embodiment such that the inductive coupling between the primary coil and the secondary coil once per Rotation of the rotor is achieved exclusively in a certain rotational position range of the rotor.
  • the specific rotational position range is of course less than 360 degrees.
  • the primary coil and the secondary coil extend in the circumferential direction with respect to the axis of rotation only over a certain partial area of 360 degrees and when both coils are aligned with their coil axes in the axial direction or in the radial direction with respect to the axis of rotation .
  • the primary coil and the secondary coil can each be made very small or compact and therefore require little installation space.
  • the primary coil and the secondary coil each extend with several turns around a rotor shaft of the rotor, one of the two coils being arranged radially inside the other coil with respect to the axis of rotation of the rotor in such a way that in each rotational position of the Rotor an inductive coupling of the two coils is achieved.
  • the primary coil and the secondary coil face each other in each rotational position, each with a circumferential surface.
  • the primary coil and the secondary coil can advantageously 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 electrical machine can be a 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 temperature-dependent load is in electrical contact with the secondary coil.
  • the temperature-dependent load can be introduced at critical measuring points.
  • the temperature-dependent load can be introduced into magnet pockets of a rotor body of the rotor, the magnet pockets being provided to accommodate permanent magnets.
  • the rotor body is designed as a laminated rotor core.
  • the temperature-dependent load can be set up to measure a temperature of the permanent magnets of the rotor. The temperature of the rotor can therefore correspond to the temperature of the permanent magnets.
  • a method for determining a temperature of the rotor of a synchronous machine is described.
  • the process steps mentioned can in particular be carried out in the order mentioned, although a different order is also possible.
  • two or more or all of the process steps mentioned can be carried out at the same time or overlapping in time.
  • 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.
  • the method comprises the following steps: a) providing the electrical machine as it has already been described or will be described below; b) Induction of the secondary voltage in the secondary circuit when the signal voltage is fed into the primary circuit through an inductive coupling between the primary circuit and 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 L eecondary, a rotor temperature-dependent primary current I primary in Primary circuit is effected; c) Detecting the primary current I primarily by means of the measuring device and determining the temperature of the rotor, in particular using a formula, table, matrix, characteristic diagram or characteristic curve stored in a memory. It is advantageous if the signal voltage is fed in when the primary coil and the secondary coil are opposite one another, since the primary coil and the secondary coil are particularly well magnetically coupled to one another in this way.
  • 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 fundamentally 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.
  • primary circuit and “secondary circuit” are to be regarded as pure descriptions, without specifying an order 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.
  • primary circuit and “secondary circuit” can in particular each be electrical circuits.
  • inductive coupling basically refers to the 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.
  • a direct detection of the current can be implemented, for example, by means of a multimeter, ammeter or the like.
  • An indirect acquisition is about the acquisition of the current characterizing variable, such as voltage, possible. In this case, the current can be determined from the detected voltage and a resistance of known magnitude.
  • FIG. 1A shows a schematic view of an electrical machine with a device according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 1B is a schematic view of an electrical machine with a device according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. IC shows a schematic view of an electrical machine with a device according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 2 a side view of the device according to the invention, in which the primary coil and the secondary coil according to the first and second exemplary embodiments according to FIGS. 1A and 1B are shown, and FIG
  • FIG. 3 an electrical circuit diagram of the device according to the invention.
  • FIGS. 1A to 1C show a schematic view of an electrical machine with a device 110 for determining a temperature of a rotor of the electrical machine according to three possible embodiments of the present invention.
  • the electrical machine 112 comprises a rotor 114, a stator 118 and a device 110 for determining a temperature of the rotor 114 of the electrical machine 112.
  • the rotor 114 has, for example, a shaft and a rotor body arranged on the shaft.
  • the rotor body can be a laminated core, for example.
  • the stator 118 can be arranged in a housing 120.
  • the device 110 comprises a primary circuit 122 provided on the stator 118 or on the housing of the electrical machine and a secondary circuit 124 provided on the rotor 114.
  • the primary circuit 122 is permanently connected to the stator 118 or the housing 120.
  • the primary circuit 122 can be attached to the stator 118 or to the housing 120 in a form-fitting, non-positive and / or material-fitting manner.
  • the secondary circuit 124 is formed on the rotor 114 and 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 a 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.
  • FIG. 3 shows an electrical circuit diagram of the device according to the invention according to FIGS. 1A to 1C and FIG.
  • 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 to be fed into the primary circuit 122.
  • the primary circuit 122 can comprise at least two connections 127 for feeding a signal voltage into the primary circuit 122.
  • the primary circuit 122 also has at least one primary coil 130 and, for example, a capacitor 132.
  • the primary coil 130 can in particular be a winding.
  • the capacitor 132 is designed to generate an oscillating circuit in the primary circuit 122.
  • a series resistor 136 is arranged between the signal generator 128 and the capacitor 132, for example.
  • the measuring device 126 can be, for example, a voltmeter that measures a voltage drop across the series resistor 136 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 136 and by means of the voltage drop measured at the series resistor 136.
  • 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 and a temperature-dependent electrical load 138.
  • the secondary coil 134 is arranged for inductive coupling with the primary coil 130.
  • the secondary coil 134 can in particular be an electrical winding.
  • the temperature-dependent electrical load 138 serves as a measuring element and can be a temperature-dependent electrical resistor.
  • the temperature-dependent electrical load 138 is a temperature-dependent electrical resistor with a negative temperature coefficient, i.e. a so-called NTC (negative temperature coefficient).
  • NTC negative temperature coefficient
  • other embodiments are also fundamentally conceivable, such as, for example, a temperature-dependent electrical resistance with a positive temperature coefficient, i.e. a so-called PTC (positive temperature coefficient).
  • the temperature-dependent electrical load 138 is arranged at a specific position 142 of the rotor 114, for example in a magnet pocket of the rotor body that accommodates permanent magnets, in order to detect the temperature of the rotor there.
  • the temperature-dependent electrical load 138 is in electrical contact with the secondary coil 134.
  • the fixed primary coil 130 and the rotatable secondary coil 134 are arranged such that the secondary coil 134 is moved past the fixed primary coil 130 once per revolution of the rotor 114.
  • a secondary voltage is induced in the secondary coil 134 during the movement by inductive coupling.
  • the induced secondary voltage causes a secondary current L eecondary to flow through the temperature-dependent load 138.
  • the amplitude of the secondary current L eecondary is thus determined by the temperature of the rotor 114.
  • the secondary current I is correspondingly secondary of the secondary circuit 124 depending on the rotor temperature.
  • a rotor temperature-dependent primary current I is primarily produced in the primary circuit 122.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 each have a coil axis around which the respective winding is wound.
  • the signal voltage in the primary circuit 122 induces a secondary voltage in the secondary circuit 124 via an inductive coupling between the primary coil 130 and the secondary coil 16.
  • the induced secondary voltage which is of course an alternating voltage, causes a secondary current I secondary to flow through the temperature-dependent load 138.
  • the amplitude of the secondary current I secondary is determined by the temperature of the rotor 114.
  • the secondary current I secondary of the secondary circuit 124 is correspondingly dependent on the rotor temperature.
  • a rotor temperature-dependent primary current I is primarily produced in the primary circuit 122, which is of course an alternating current.
  • the primary current I primary 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 variable that primarily characterizes the primary current I, such as a voltage.
  • the alternating voltage brings about an alternating magnetic flux in accordance with the law of induction; this induces the secondary voltage in the secondary coil 136 magnetically coupled to the primary side 122.
  • the capacitor 132 in the primary circuit 122 must be omitted.
  • the secondary voltage is then generated in the secondary winding 136 according to the generator principle.
  • FIG. 2 shows a side view of the device according to the invention, in which the primary coil and the secondary coil according to the first and second exemplary embodiments according to FIGS. 1A and 1B are shown.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 136 according to the first embodiment according to FIG. 1A and according to the second embodiment according to FIG. 1B can be arranged in such a way that the inductive coupling between the two coils 130, 136 with respect to the axis of rotation 116 exclusively in one certain partial range of 360 degrees takes place once per revolution of the rotor 114.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 136 extend in the circumferential direction with respect to the axis of rotation 116 only over a certain partial area of 360 degrees, so that the secondary coil 136 rotating with the rotor 114 once per revolution of the rotor 114 on the stationary primary coil 130 is moved past.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 136 are briefly opposite one another.
  • a secondary voltage is induced in the secondary coil 136 by inductive coupling.
  • the magnetic coupling of the two coils 130,136 is dependent on the rotational position of the two coils 130,136 with respect to each other in the embodiment according to FIGS. 1A and 1B and is maximal when the coil axes of the two coils 130,136 are aligned with one another.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 134 are spaced apart from one another in the axial direction with respect to the axis of rotation 116 and are provided in a common radial area in the radial direction with respect to the axis of rotation 116, which allows an inductive coupling.
  • the coil axes of the primary coil 130 and the secondary coil 134 are arranged on the same radius with respect to the axis of rotation 116 and are thus aligned with one another when the two coils 130, 134 face one another at a minimal distance as they move past. At least, however, there is an overlap of the radial extensions of the primary coil 130 and the secondary coil 134 if the two coils 130, 34 face one another with a minimal distance as they move past.
  • the coil axes of the primary coil 130 and the secondary coil 134 are aligned in the radial direction with respect to the axis of rotation 116, one of the two coils 130, 134, for example the primary coil 130, being arranged radially further outside than the other coil 130, 134.
  • the coil axes of the two coils 130, 134 are aligned with one another when the two coils 130, 134 face one another at a minimal distance as they move past.
  • the signal voltage of the signal generator 128 can be a direct voltage or an alternating voltage in order to induce a secondary voltage in the secondary circuit 124 due to a change in a magnetic field and thus the inductive coupling of the two coils 130, 136 reach.
  • the alternating voltage is an alternating voltage with any waveform, for example with a sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular waveform.
  • the primary coil 130 and the secondary coil 136 can be arranged according to a third embodiment according to FIG. 1C in such a way that the inductive coupling between the two coils 130, 136 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 136 each run with a plurality of turns around a rotor shaft of the rotor 114.
  • One of the two coils 130, 136 for example the secondary coil 136, lies radially inside the other coil 130, 136, for example the primary coil 130, with respect to the axis of rotation 116 136 each have a coil axis which is aligned with the axis of rotation 116 of the rotor 114.
  • the signal voltage of the signal generator 128 can only be an alternating voltage in order to induce a secondary voltage in the secondary circuit 124 due to a change in a magnetic field and thus achieve the inductive coupling of the two coils 130, 136.
  • the alternating voltage is an alternating voltage with any waveform, for example with a sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular waveform.
  • Temperature changes at the rotor 114 produce a change in resistance of the temperature-dependent electrical load 138.
  • This temperature-dependent change in resistance at the temperature-dependent load 138 leads to a change in the amplitude of the primary current I primarily of the primary circuit 122. Consequently, there is a relationship between the amplitude of the primary current I primarily in the primary circuit 122 and the temperature of the rotor 114 to be determined.
  • the primary current I is primarily detected in the primary circuit 122 by means of the measuring device 126 and the temperature of the rotor 114 at the position of the temperature-dependent load 138 is determined or ascertained therefrom.
  • the electronic control device can be a control device of the electrical machine or an external control device.
  • 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, 136, also part of the primary current.
  • the signal is only transmitted when the
  • the capacitor 132 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.

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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 (138) 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, den Primärstrom Iprimär mittels der Messvorrichtung (126) zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine
Stand der Technik
Eine Messung einer Rotortemperatur eines Rotors von elektrischen Maschinen ist grundsätzlich wichtig, da die Rotortemperatur grundsätzlich einen begrenzenden Parameter für eine Dauerleistung der elektrischen Maschine ist. Insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen ist dieser Effekt üblicherweise besonders groß, denn für einen Schutz von Magneten muss grundsätzlich sichergestellt sein, dass bei einem Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, wie zum Beispiel ein Reduzieren von Phasenströmen. Je genauer die Rotortemperatur bekannt ist, umso später können diese Maßnahmen getroffen werden und umso höhere Dauerleistungen können grundsätzlich erzielt werden. Folgende Verfahren zur Rotortemperaturbestimmung sind bekannt.
In DE 102007 062 712 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 sowie eine Verwendung eines zur Erfassung einer Rotationslage eines Rotors eines Elektromotors vorgesehenen Resolvers als Mittel zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors des Elektromotors.
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.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind grundsätzlich in ihrer Genauigkeit eingeschränkt, da sie Rotortemperatur grundsätzlich nur indirekt berechnen. Insbesondere setzen die Berechnungsvorschriften Kenntnis von weiteren Parametern voraus. Die weiteren Parameter sind jedoch grundsätzlich nicht genau bekannt, da sie entweder von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine abhängig sind, wie beispielsweise von einer Strömungsmechanik in Abhängigkeit von Lastzuständen und einer Kühlmittelflüssigkeitstemperatur und/oder von elektrische Maschine zu elektrischer Maschine streuen. Dies kann beispielsweise eine Remanenz der eingesetzten Magnete betreffen. Weiterhin ist eine drahtlose Signalübertragung mittels Telemetrie aufgrund hoher Kosten grundsätzlich nicht geeignet für eine Großserie. Die direkte Ermittlung der Rotortemperatur ist folglich grundsätzlich vorzuziehen. So ist es eine Herausforderung, die Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine direkt zu messen und ein entsprechendes Messsignal drahtlos zu übertragen.
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 einen am Stator oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis. Der Primärkreis umfasst eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stroms lprimär im Primärkreis oder zum Erfassen einer den Strom I primär charakterisierenden Größe. Weiterhin umfasst der Primärkreis einen Signalgenerator zum Erzeugen einer Signalspannung oder zwei Anschlüsse zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis und mindestens eine Primärspule. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen am Rotor ausgebildeten Sekundärkreis. Der Sekundärkreis weist mindestens eine Sekundärspule auf, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule angeordnet ist.
Der Sekundärkreis weist mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last auf. Die Messvorrichtung ist eingerichtet, bei Drehen des Rotors und bei Einspeisen 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 lprimär im Primärkreis bewirkt wird. Die Einrichtung ist weiterhin eingerichtet, den Primärstrom lprimär mittels der Messvorrichtung zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
Die temperaturabhängige elektrische Last kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten sein.
Alternativ kann die temperaturabhängige Last ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten sein. Als temperaturabhängige elektrische Last sind weitere elektrische Bauteile möglich, 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 verwendbar.
Sehr vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule nach einer ersten und zweiten Ausführung derart angeordnet sind, dass die induktive Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule einmal pro Umdrehung des Rotors ausschließlich in einem bestimmten Drehlagenbereich des Rotors erreicht wird. Der bestimmte Drehlagenbereich ist dabei selbstverständlich kleiner als 360 Grad. Diese Ausführungen haben den Vorteil, dass die Primärspule und die Sekundärspule jeweils sehr klein bzw. kompakt gebaut werden können und dadurch wenig Bauraum beanspruchen.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule sich nach der ersten und zweiten Ausführung in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad erstrecken und wenn beide Spulen mit ihren Spulenachsen in axialer Richtung oder in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse ausgerichtet sind. Auf diese Weise können die Primärspule und die Sekundärspule jeweils sehr klein bzw. kompakt gebaut werden und beanspruchen dadurch wenig Bauraum.
Vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule nach einer dritten Ausführung sich jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors herum erstrecken, wobei eine der beiden Spulen bezüglich der Rotationsachse des Rotors derart radial innerhalb der anderen Spule angeordnet ist, dass in jeder Drehlage des Rotors eine induktive Kopplung der beiden Spulen erreicht ist. Dazu stehen sich die Primärspule und die Sekundärspule in jeder Drehlage gegenüber, jeweils mit einer Umfangsfläche. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen unabhängig von der Drehlage des Rotors stets gleichbleibt. Die Signalübertragung ist bei stillstehendem Motor ebenso wie bei hoher Motordrehzahl möglich. Ebenso wird das übertragene Signal nicht durch eine variierende induktive Kopplung beeinflusst.
Nach der dritten Ausführung können die Primärspule und die Sekundärspule vorteilhafterweise konzentrisch zueinander angeordnet sein, wobei die Primärspule und die Sekundärspule jeweils eine Spulenachse aufweisen, die jeweils mit der Rotationsachse des Rotors fluchtet.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine sein. Der Rotor ist eingerichtet, synchron von einem magnetischen Drehfeld des Stators angetrieben zu werden. Die Synchronmaschine kann insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine sein. Die temperaturabhängige Last steht in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule. Insbesondere kann die temperaturabhängige Last an kritischen Messstellen eingebracht sein. Insbesondere kann die temperaturabhängige Last in Magnettaschen eines Rotorkörpers des Rotors eingebracht sein, wobei die Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten vorgesehen sind. Beispielsweise ist der Rotorkörper als Rotorblechpaket ausgebildet. Die temperaturabhängige Last kann zur Messung einer Temperatur der Permanentmagnete des Rotors eingerichtet sein. Die Temperatur des Rotors kann folglich der Temperatur der Permanentmagnete entsprechen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors einer Synchronmaschine beschrieben. 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 Messvorrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Messvorrichtung durchgeführt werden kann.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen der elektrischen Maschine wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird; b) Induzieren der Sekundärspannung in dem Sekundärkreis bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom Lekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Lekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lprimär im Primärkreis bewirkt wird; c) Erfassen des Primärstroms lprimär mittels der Messvorrichtung und Ermitteln der Temperatur des Rotors, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie. Vorteilhaft ist, wenn die Signalspannung eingespeist wird, wenn die Primärspule und die Sekundärspule einander gegenüberliegen, da die Primärspule und die Sekundärspule auf diese Weise besonders gut miteinander magnetisch gekoppelt sind.
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 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.
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 1A eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 1B eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur IC eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der die Primärspule und die Sekundärspule gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig.lA und Fig.lB dargestellt sind und
Figur 3: ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Fig.lA bis Fig.lC zeigen eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung 110 zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors der elektrischen Maschine gemäß drei möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die elektrische Maschine 112 umfasst einen Rotor 114, einen Stator 118 und eine Einrichtung 110 zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors 114 der elektrischen Maschine 112. Der Rotor 114 weist beispielsweise eine Welle und einen auf der Welle angeordneten Rotorkörper auf. Der Rotorkörper kann beispielsweise ein Blechpaket sein. Der Stator 118 kann in einem Gehäuse 120 angeordnet sein.
Die Einrichtung 110 umfasst einen an dem Stator 118 oder an dem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis 122 und einen am Rotor 114 vorgesehenen Sekundärkreis 124.
Der Primärkreis 122 ist fest mit dem Stator 118 oder dem Gehäuse 120 verbunden. Insbesondere kann der Primärkreis 122 an dem Stator 118 oder an dem Gehäuse 120 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
Der Sekundärkreis 124 ist am Rotor 114 ausgebildet und 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 einer Welle des Rotors 114 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 124 an dem Rotor 114 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
Figur 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig.lA bis Fig.lC und Fig.2.
Der Primärkreis 122 weist nach Fig.3 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 in den Primärkreis 122 einzuspeisenden Signalspannung auf. Alternativ kann der Primärkreis 122 mindestens zwei Anschlüsse 127 zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis 122 umfassen.
Der Primärkreis 122 weist nach Fig.l und Fig.3 weiterhin mindestens eine Primärspule 130 und beispielsweise einen Kondensator 132 auf. Bei der Primärspule 130 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln. Der Kondensator 132 ist zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis 122 ausgebildet. Zwischen dem Signalgenerator 128 und dem Kondensator 132 ist beispielsweise ein Vorwiderstand 136 angeordnet. Die Messvorrichtung 126 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 136 des Primärkreises 122 misst, so dass der Primärstrom lprimär mittels des bekannten elektrischen Widerstandes des Vorwiderstandes 136 und mittels des an dem Vorwiderstand 136 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 nach Fig.l und Fig.3 mindestens eine Sekundärspule 134 und eine temperaturabhängige elektrische Last 138 auf. Die Sekundärspule 134 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 130 angeordnet. Bei der Sekundärspule 134 kann es sich insbesondere um eine elektrische Wicklung handeln. Die temperaturabhängige elektrische Last 138 dient als Messelement und kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die temperaturabhängige elektrische Last 138 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 elektrischer Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter PTC (positive temperature coefficient). Die temperaturabhängige elektrische Last 138 ist an einer bestimmten Position 142 des Rotors 114 angeordnet, beispielsweise in einer Permanentmagnete aufnehmenden Magnettasche des Rotorkörpers, um dort die Temperatur des Rotors zu erfassen. Die temperaturabhängige elektrische Last 138 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 134.
Die feststehende Primärspule 130 und die drehbare Sekundärspule 134 sind derart angeordnet, dass die Sekundärspule 134 einmal pro Umdrehung des Rotors 114 an der feststehenden Primärspule 130 vorbeibewegt wird. Dabei wird während der Vorbeibewegung durch induktive Kopplung eine Sekundärspannung in der Sekundärspule 134 induziert. Beim Vorbeibewegen stehen sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 kurzzeitig gegenüber. Die induzierte Sekundärspannung bewirkt einen Stromfluss eines Sekundärstroms Lekundär durch die temperaturabhängige Last 138. Somit wird die Amplitude des Sekundärstroms Lekundär durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom Isekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms Isekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lprimär im Primärkreis 122 bewirkt.
Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 weisen jeweils eine Spulenachse auf, um die die jeweilige Wicklung gewickelt ist.
Die Signalspannung im Primärkreis 122 induziert über eine induktive Kopplung der Primärspule 130 mit der Sekundärspule 16 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 124. Die induzierte Sekundärspannung, die selbstverständlich eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 138 fließenden Sekundärstrom Isekundär. Die Amplitude des Sekundärstroms Isekundärwird durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom Isekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig.
Infolge des Sekundärstroms Isekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lprimär im Primärkreis 122 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom lprimär 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.
Im Falle einer in den Primärkreis 122 eingespeisten Wechselspannung bewirkt die Wechselspannung entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss, dieser induziert in der mit der Primärseite 122 magnetisch gekoppelten Sekundärspule 136 die Sekundärspannung. Wird statt der Wechselspannung eine Gleichspannung in den Primärkreis eingespeist, muss der Kondensator 132 im Primärkreis 122 entfallen. In dem Fall der eingespeisten Gleichspannung wird dann nach dem Generatorprinzip in der Sekundärwicklung 136 die Sekundärspannung erzeugt.
Fig.2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der die Primärspule und die Sekundärspule gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig.lA und Fig.lB dargestellt sind.
Wie in Fig.2 dargestellt, können die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 nach der ersten Ausführung nach Fig.lA und nach der zweiten Ausführung nach Fig.lB derart angeordnet sein, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 130, 136 bezüglich der Rotationsachse 116 ausschließlich in einem bestimmten Teilbereich von 360 Grad einmal pro Umdrehung des Rotors 114 erfolgt. Um dies zu erreichen, erstrecken sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse 116 nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad, so dass die mit dem Rotor 114 drehende Sekundärspule 136 einmal pro Umdrehung des Rotors 114 an der feststehenden Primärspule 130 vorbeibewegt wird. Beim Vorbeibewegen stehen sich die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 kurzzeitig gegenüber. Während der Vorbeibewegung wird durch induktive Kopplung eine Sekundärspannung in der Sekundärspule 136 induziert. Die magnetische Kopplung der beiden Spulen 130,136 ist bei der Ausführung nach Fig.lA und Fig.lB abhängig von der Drehlage der beiden Spulen 130,136 zueinander und wird maximal, wenn die Spulenachsen der beiden Spulen 130,136 zueinander fluchten.
Gemäß der ersten Ausführung nach Fig.lA sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 134 in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 zueinander beabstandet und in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 in einem gemeinsamen radialen Bereich vorgesehen, der eine induktive Kopplung erlaubt. Beispielsweise sind die Spulenachsen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 auf dem gleichen Radius bezüglich der Rotationsachse 116 angeordnet und fluchten damit zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,134 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der radialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,34 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen.
Gemäß der zweiten Ausführung nach Fig.lB sind die Spulenachsen der Primärspule 130 und der Sekundärspule 134 in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 ausgerichtet, wobei eine der beiden Spulen 130,134, beispielsweise die Primärspule 130, radial weiter außerhalb als die andere Spule 130,134 angeordnet ist. Beispielsweise fluchten die Spulenachsen der beiden Spulen 130,134 zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,134 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der axialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 134 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,34 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Gemäß der ersten und zweiten Ausführung in Fig.lA und Fig.lB kann die Signalspannung des Signalgenerators 128 eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein, um eine Sekundärspannung im Sekundärkreis 124 aufgrund einer Änderung eines Magnetfeldes zu induzieren und damit die induktive Kopplung der beiden Spulen 130, 136 zu erreichen.
Falls vorgesehen, ist die Wechselspannung eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform.
Alternativ können die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 gemäß einer dritten Ausführung nach Fig.lC derart angeordnet sein, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 130, 136 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 136 jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors 114 herum. Dabei liegt eine der beiden Spulen 130,136, beispielsweise die Sekundärspule 136, bezüglich der Rotationsachse 116 radial innerhalb der anderen Spule 130,136, beispielsweise der Primärspule 130. Außerdem sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse 116 des Rotors 114 fluchtet.
Bei dieser dritten Ausführung kann die Signalspannung des Signalgenerators 128 nur eine Wechselspannung sein, um eine Sekundärspannung im Sekundärkreis 124 aufgrund einer Änderung eines Magnetfeldes zu induzieren und damit die induktive Kopplung der beiden Spulen 130, 136 zu erreichen. Die Wechselspannung ist eine Wechselspannung mit einer beliebigen Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform.
Temperaturänderungen am Rotor 114 erzeugen eine Widerstandsänderung der temperaturabhängigen elektrischen Last 138. Diese temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 138 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. Daher wird der Primärstrom lprimär in dem Primärkreis 122 mittels der Messvorrichtung 126 erfasst und daraus die Temperatur des Rotors 114 an der Position der temperaturabhängigen Last 138 bestimmt bzw. ermittelt. Dies geschieht beispielsweise mittels einer in einem elektronischen Speicher eines Steuergerätes abgelegten Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einer gemessenen Amplitude des Primärstroms lprimär und einer zugehörigen Temperatur des Rotors 114 vorliegt. Das elektronische Steuergerät kann ein Steuergerät der elektrischen Maschine oder ein externes Steuergerät sein.
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 130,136 auch Teil des Primärstroms. Selbstverständlich erfolgt die Signalübertragung nur bei Einspeisen der
Signalspannung.
Der Kondensator 132 verändert das Übertragungssystem der Einrichtung 110 und somit das Systemverhalten, was zur Einstellung der Messgenauigkeit der Einrichtung 110 verwendet werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (112) 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 Stroms I primär im Primärkreis (122) oder zum Erfassen einer den Strom Iprimär charakterisierenden Größe, einen Signalgenerator (128) zum Erzeugen einer in den Primärkreis (122) einzuspeisenden Signalspannung oder zwei Anschlüsse (127) zum Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis (122), mindestens eine Primärspule (130) und insbesondere einen Kondensator (132) 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 (138) 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 (138) fließender Sekundärstrom I sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Lekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis (122) bewirkt wird, die Einrichtung (110) weiterhin eingerichtet ist, den Primärstrom Iprimär mittels der Messvorrichtung (126) zu erfassen und daraus die Temperatur des Rotors (114) zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
2. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die temperaturabhängige Last (138) ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten ist.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) derart angeordnet sind, dass die induktive Kopplung zwischen der Primärspule (130) und der Sekundärspule (136) einmal pro Umdrehung des Rotors (114) ausschließlich in einem bestimmten Drehlagenbereich des Rotors (114) erreicht wird.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) sich in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse (116) nur über einen bestimmten Teilbereich von 360 Grad erstrecken und wobei beide Spulen (130,136) mit ihren Spulenachsen in axialer Richtung oder in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse (116) ausgerichtet sind.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) sich jeweils mit mehreren Windungen um eine Rotorwelle des Rotors (114) herum erstrecken, wobei eine der beiden Spulen (130,136) bezüglich der Rotationsachse (116) des Rotors (114) derart radial innerhalb der anderen Spule (130,136) angeordnet ist, dass in jeder Drehlage des Rotors (114) eine induktive Kopplung der beiden Spulen (130,136) erreicht ist.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Primärspule (130) und die Sekundärspule (136) jeweils eine Spulenachse aufweisen, die mit der Rotationsachse (116) des Rotors (114) fluchtet.
7. Elektrische Maschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die temperaturabhängige Last (138) in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule (134) ist.
8. Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (114) einer elektrischen Maschine (112), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen der elektrischen Maschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Induzieren der Sekundärspannung in dem Sekundärkreis (124) bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis (122) durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis (122) und dem
Sekundärkreis (124), wodurch ein durch die temperaturabhängige Last (138) fließender Sekundärstrom Lekundär im Sekundärkreis (124) und infolge des Sekundärstroms Lekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom lprimär im Primärkreis (122) bewirkt wird; c) Erfassen des Primärstroms lprimär mittels der Messvorrichtung (126) und
Ermitteln der Temperatur des Rotors (114), insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Signalspannung eingespeist wird, wenn die Primärspule (130) und die Sekundärspule (134) gegenüberliegend angeordnet sind.
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