WO2021164930A1 - Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen erfassung der temperatur von einem rotationsteil einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen erfassung der temperatur von einem rotationsteil einer elektrischen maschine Download PDF

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fluorescent element
light
fluorescent
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Dragan Mikulec
Alex Maier
Olaf Ziemann
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Vitesco Technologies Germany Gmbh
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    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/35—Devices for recording or transmitting machine parameters, e.g. memory chips or radio transmitters for diagnosis

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine.
  • the document DE 10 2011 108 382 A1 describes an electrical machine comprising a rotor and a stator, with at least one element arranged on the rotor and thermally connected to it being provided, the degree of absorption of which for incident photons of a light source changes as a function of the temperature is that a measurement signal dependent on the momentary degree of absorption of the element is determined, which represents a measure of the element or rotor temperature.
  • the present invention is achieved by a method having the features of claim 1.
  • the object is also achieved by a device having the features of claim 8.
  • Preferred embodiments of the invention are in the subclaims, in the description and in the figures described, wherein further features described or shown in the dependent claims and / or in the description and / or the figures can represent an object of the invention individually or in any combination if the context does not clearly indicate the opposite.
  • the present invention relates to a method for the contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation by means of a fluorescent element arranged on the rotating part and thermally connected to it, a light source for exciting the fluorescent element and at least one light sensor for the detection of Fluorescent light that is emitted by the fluorescent element as a result of the excitation, a quantity correlating with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element being determined from this detected fluorescent light and the temperature of the rotating part being determined from this.
  • the determined variable is a measure of the decay time constant t and can, for example, be the decay time constant t itself.
  • the fluorescent element is assigned to an angular position or an angular range of the rotating part.
  • the essence of the invention is that the temperature of the rotating rotating part can be detected using the physical effect that the decay time constant of a fluorescent body is temperature-dependent. Another feature of the invention is that the temperature can be detected without contact and thus very hot objects with a temperature of up to 1000 ° C. can be detected thermally.
  • the rotating part is a rotating part of the electrical machine.
  • the electrical machine has a rotor and a stator, the rotating part being in particular said rotor.
  • the temperature can be determined with a very high steady-state accuracy.
  • the order of magnitude here is around 1-5 degrees Celsius.
  • the drop in power with the PSM can be compensated in the weak field range by increasing the current.
  • the drop in performance results from the reduction in torque, which in turn results from the reduction in the pole wheel.
  • the lowering of the pole wheel results from the heating of the magnets in the rotor.
  • the lowering of the pole wheel and thus the lowering of torque and power increases with increasing speed if it is not compensated for.
  • the current compensation takes place, for example, by means of the field-oriented regulation of the permanent magnet synchronous machine by increasing the stator current by means of the power electronics.
  • the improvement results in a narrower tolerance band (comparison between target and actual torque).
  • the narrower tolerance band leads to a shorter detection and switch-off time.
  • the fluorescent element is first guided past the light source and then past the light sensor or successively past the light sensors by the rotation of the rotating part.
  • Another feature is that through a clever arrangement and number of light sensors, the temperature accuracy can be increased and, in addition, the speed and the direction of rotation can be recorded.
  • a speed and / or direction of rotation of the rotating part is also determined from the signal of the detected fluorescent light.
  • the fluorescent element has ruby, in particular in the form of a crystal, as the fluorescent material.
  • the light source is designed as a light or laser diode (LED).
  • the at least one light sensor is designed as a photo receiver, in particular a photodiode (PD).
  • variable correlating with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element is determined in advance by a reference measurement using the fluorescent element, the light source and the at least one light sensor.
  • the present invention also relates to a device for contactless detection of the temperature of a rotating part of an electrical machine rotating with respect to an axis of rotation, with (i) a fluorescent element arranged on the rotating part and thermally connected to it, (ii) a light source for exciting the fluorescent element Element and (iii) at least one light sensor for the detection of fluorescent light which is emitted due to the excitation of the fluorescent element, the device further comprising an evaluation unit which is set up to convert the detected fluorescent light into a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element to determine correlating variable and to determine the temperature of the rotating part via this variable.
  • a fixed spatial arrangement of the light source, the at least one light sensor and the axis of rotation is provided, in which the fluorescent element is through a Rotating the rotating part is first guided past the light source and then past the light sensor or successively past the light sensors.
  • the evaluation unit is set up to determine the variable correlating with the decay time constant t of the material of the fluorescent element in advance by means of a reference measurement using the fluorescent element, the light source and the at least one light sensor.
  • the rotating part is a rotor or at least a rotor component of the electrical machine.
  • the electrical machine for its part, is in particular a permanent magnet synchronous machine (PSM).
  • the invention also relates to an electrical machine with a rotating part mounted rotatably with respect to an axis of rotation and a device described above for contactless detection of the temperature of the rotating rotating part.
  • the rotating part 10 is in particular a rotor of the electrical machine.
  • the electrical machine, for its part, is in particular a permanent magnet synchronous machine (PSM).
  • PSM permanent magnet synchronous machine
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for temperature detection of a rotating part of an electrical machine according to a preferred embodiment of the invention
  • 3 shows graphs of relevant variables when determining a variable that correlates with the temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element and the temperature of the rotating part.
  • 1 shows a rotating part 10 of an electrical machine, which is mounted rotatably with respect to a rotation axis 12, as well as a device 14 for contactless detection of the temperature of the rotating rotating part 10.
  • the rotating part 10 is in particular a rotor 15 of the electrical machine.
  • the device 14 for contactless detection of the temperature of the rotating part 10 rotatable / rotating with respect to the axis of rotation 12 has the following components: a fluorescent element 16 arranged on the rotating part 12 and thermally connected to it, a light source 18 for exciting the fluorescent element 16, several Light sensors 20 for the detection of fluorescent light that is emitted / sent out by the fluorescent element 16 due to the excitation, and an evaluation unit 22 which is set up to determine from the detected fluorescent light a variable that correlates with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element 16 and to determine the temperature of the rotating part 10 via this variable.
  • the link between the variable correlating with a temperature-dependent decay time constant t of the material of the fluorescent element 16 and the temperature is stored, for example, in a database of the evaluation unit 22.
  • the spatial arrangement of the light source 18, the light sensors 20 and the axis of rotation 12 of the rotating part 10 is determined within the electrical machine in such a way that the fluorescent element 16 is guided past the light source 18 by rotating the rotating part 12 and then one after the other past the light sensors 20 ( Arrow 24).
  • the light source 18 and the light sensors 20 are arranged / attached to a part of the electrical machine that is fixed to the machine, such as a housing or a stator (not explicitly shown) corresponding to the rotor 15.
  • the light source 18 is designed as a light or laser diode (LED) and the light sensors 20 are photo receivers, more precisely photodiodes (PD) trained.
  • the fluorescent element 16 has ruby, in particular in the form of a crystal, as the fluorescent material.
  • FIG. 2 now shows graphs of the corresponding optical signals, a signal intensity, indicated here as power P related to the area, being shown over time t.
  • the upper graph shows the constant signal of the light source 18.
  • the middle graph shows the fluorescence signal of the fluorescent element 16 and the lower three graphs the discrete signals of the light sensors 20. These discrete signals are from the respective position of the fluorescent element 16 with respect to the light source 18 and the light sensors 20 triggered.
  • the quantity correlating with the decay time constant t of the material of the fluorescent element is determined via the intensity of the fluorescent light detected by the light sensors 20 and the time difference between the signals detected by the different sensors 20 (left graph) and via this quantity and the temperature dependency of the decay time constant t the temperature of the fluorescent element 16 and the rotating part 10 thermally connected to it is determined.
  • the essence of the invention is that the temperature on a rotating part 10 can be detected using the physical effect that the decay time constant of a fluorescent body is temperature-dependent. Another feature of the invention is that the temperature can be recorded without contact and thus a very hot measurement object (here, for example, the rotor 15) can also be recorded up to 1000 ° C.
  • a very hot measurement object here, for example, the rotor 15
  • the temperature can be determined with a very high steady-state accuracy.
  • the order of magnitude here is around 1-5 degrees Celsius.
  • a further feature is that the temperature accuracy can be increased through a clever arrangement and a higher number of light sensors 20 and, in addition, the speed and the direction of rotation can be detected.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse (12) rotierenden Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil (10) angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements (16), einer Lichtquelle (18) zum Anregen des fluoreszierenden Elements (16) und mindestens eines Lichtsensors (20) zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung des fluoreszierenden Elements (16) emittiert wird, wobei daraus eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante τ des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils (10) bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung (14) zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine.
Bei elektrischen Maschinen besteht vielfach der Wunsch die Temperatur von einem Rotor oder anderen rotierenden Teilen im laufenden Betrieb exakt, d.h. auf wenige Grad Celsius (1-5 °C) genau, zu bestimmen. Die genaue Kenntnis der Temperatur ist u.a. für Überwachungszwecke wichtig. Aus der Theorie der elektrischen Maschinen ist bekannt, dass die Rotortemperatur in bestimmten Betriebspunkten die maximale obere Grenztemperatur überschreiten kann. Wird die Temperatur nicht überwacht bzw. die Temperatur nicht exakt bestimmt, kann es zur Schädigung der elektrischen Maschine kommen.
Das Dokument DE 10 2011 108 382 A1 beschreibt eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator, wobei wenigstens ein am Rotor angeordnetes und mit ihm thermisch verbundenes Element vorgesehen ist, dessen Absorptionsgrad für einfallende Photonen einer Lichtquelle sich in Abhängigkeit der Temperatur ändert, wobei vorgesehen ist, dass ein vom momentanen Absorptionsgrad des Elements abhängiges Messsignal ermittelt wird, das ein Maß für die Element- bzw. Rotortemperatur darstellt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahme anzugeben, mittels derer die Temperatur eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine mit moderatem Aufwand präzise ermittelbar ist.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Vorrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen und/oder in der Beschreibung und/oder den Figuren beschriebene beziehungsweise gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements, einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und mindestens eines Lichtsensors zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei aus diesem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils bestimmt wird. Die ermittelte Größe ist ein Maß für die Abklingzeitkonstante t und kann beispielsweise die Abklingzeitkonstante t selbst sein. Das fluoreszierende Element ist dabei einer Winkelposition bzw. einem Winkelbereich des Rotationsteils zugeordnet.
Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur des rotierenden Rotationsteils unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist, erfasst werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit auch sehr heiße Objekte mit einer Temperatur von bis zu 1000 °C thermisch erfasst werden können.
Das Rotationsteil ist ein drehendes Teil der elektrischen Maschine. In der Regel weist die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator auf, wobei das Rotationsteil insbesondere besagter Rotor ist. Durch das Verfahren bzw. die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius.
Dadurch ergeben sich für den Anwendungsfall der elektrischen Maschinen und ganz besonders für die Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM) die nachfolgend beschriebenen Vorteile:
A) Senkung der Gesamtkosten: Die Temperaturklasse von in der elektrischen Maschine verwendeter Magnete kann gesenkt werden, da durch die exakte (ausreichende) Bestimmung der Rotortemperatur keine Sicherheitsreserve mehr benötigt wird. Die Annahme ist zulässig, wenn von einer elektrischen Leistung in der Größenordnung von 150-250KW bei elektrischen Maschinen ausgegangen werden kann.
B) Leistungskompensation: Der Leistungsabfall bei der PSM, kann im Feldschwachbereich durch Stromanhebung kompensiert werden. Der Leistungsabfall resultiert aufgrund der Drehmomentabsenkung, welche wiederum aufgrund der Polradabsenkung resultiert. Die Polradabsenkung wiederum resultiert aufgrund der Erwärmung der Magnete im Rotor. Die Polradabsenkung und damit die Drehmoment- und Leistungsabsenkung nimmt mit zunehmender Drehzahl zu, wenn sie nicht kompensiert wird. Die Strom kompensation erfolgt beispielsweise mittels der feldorientierten Regelung der permanenterregten Synchronmaschine durch Anhebung des Statorstroms mittels der Leistungselektronik.
C) Komponentenschutz: Durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur können bessere Überwachungs- und Derating-Strategien in der Funktions-Software entwickelt und implementiert werden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Rotortemperaturerfassung wird mangels exakter (ausreichender) Kenntnis der Rotortemperatur zu früh ins Derating geschaltet. D) Verbesserung des funktionalen Sicherheitskonzepts: Die Drehmomentüberwachung auf Drehmomentfehler kann durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur verbessert werden.
Die Verbesserung resultiert in einem engeren Toleranzband (Vergleich zwischen Soll- und Istmoment). Das engere Toleranzband führt zu einer kürzeren Erkennungs- und Abschaltzeit.
E) Reduzierung der gesamten Software-Applikationszeit: Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche die Rotortemperatur mittels eines Rotortemperaturmodels (Schätzmodel) ermitteln, erfordern eine Vielzahl von Fahrzeugmessungen und Erprobungen in Heiß- und Kaltlandversuchen. Durch eine exakte Rotortemperaturbestimmung mittels des hier dargestellten Verfahrens, reduziert sich der Software-Applikationsaufwand in einem erheblichen Umfang. Die Folge: Zeit- und Kosteneinsparung.
Bei dem Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass das fluoreszierende Element durch die Rotation des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird.
Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und Anzahl der Lichtsensoren die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann.
Dementsprechend wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus dem Signal des detektierten Fluoreszenzlichts weiterhin eine Drehzahl und/oder Drehrichtung des Rotationsteils bestimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluoreszierende Element als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lichtquelle als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet ist. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Lichtsensor als Photoempfänger, insbesondere Photodiode (PD), ausgebildet ist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors ermittelt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine, mit (i) einem auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Element, (ii) einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und (iii) mindestens einem Lichtsensor zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils zu bestimmen.
Die im Zusammenhang mit dem vorstehend genannten Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil genannten vorteilhaften Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch hier für die Vorrichtung. Diese ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine feste räumliche Anordnung der Lichtquelle, des mindestens einen Lichtsensors und der Rotationsachse vorgesehen, bei der das fluoreszierende Element durch ein Rotieren des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors zu ermitteln.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Rotationsteil ein Rotor oder zumindest eine Rotorkomponente der elektrischen Maschine ist. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM).
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine elektrische Maschine mit einem bezüglich einer Rotationsachse rotierbar gelagerten Rotationsteil und einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Temperatur-Erfassung eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 Graphen der entsprechenden optischen Signale,
Fig. 3 Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung einer mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils. Die Fig. 1 zeigt ein Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine, welches bezüglich einer Rotationsachse 12 rotierbar gelagert ist, sowie eine Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils 10. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor 15 der elektrischen Maschine.
Die Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des bezüglich der Rotationsachse 12 rotierbaren/rotierenden Rotationsteils 10 weist die folgenden Komponenten auf: ein auf dem Rotationsteil 12 angeordnetes und mit diesem thermisch verbundenes fluoreszierenden Element 16, eine Lichtquelle 18 zum Anregen des fluoreszierenden Elements 16, mehrere Lichtsensoren 20 zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element 16 emittiert/ausgesandt wird, und eine Auswerteeinheit 22, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils 10 zu bestimmen.
Die Verknüpfung zwischen der mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe und der Temperatur ist beispielsweise in einer Datenbank der Auswerteeinheit 22 hinterlegt.
Die räumliche Anordnung der Lichtquelle 18, der Lichtsensoren 20 und der Rotationsachse 12 des Rotationsteils 10 ist innerhalb der elektrischen Maschine so festgelegt, dass das fluoreszierende Element 16 durch ein Rotieren des Rotationsteils 12 an der Lichtquelle 18 und anschließend nacheinander an den Lichtsensoren 20 vorbeigeführt wird (Pfeil 24). Die Lichtquelle 18 und die Lichtsensoren 20 sind dazu an einem maschinenfesten Teil der elektrischen Maschine, wie etwa einem Gehäuse oder einem dem Rotor 15 entsprechenden Stator (nicht explizit gezeigt) angeordnet/befestigt.
Die Lichtquelle 18 ist hier im Beispiel als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet und die Lichtsensoren 20 sind als Photoempfänger, genauer gesagt Photodioden (PD), ausgebildet. Das fluoreszierende Element 16 weist als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf.
Die Fig. 2 zeigt nun Graphen der entsprechenden optischen Signale, wobei jeweils eine Signal-Intensität, hier als auf die Fläche bezogene Leistung P angegeben, über der Zeit t dargestellt ist. Der obere Graph zeigt das konstante Signal der Lichtquelle 18. Der mittlere Graph zeigt das Fluoreszenz-Signal des fluoreszierenden Elements 16 und die unteren drei Graphen die diskreten Signale der Lichtsensoren 20. Diese diskreten Signale werden von der jeweiligen Position des fluoreszierenden Elements 16 bezüglich der Lichtquelle 18 und der Lichtsensoren 20 getriggert.
Die Fig. 3 zeigt zwei Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung der mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils aus dieser Größe.
Über die von den Lichtsensoren 20 detektierte Intensität des Fluoreszenzlichts und die Zeitdifferenz zwischen den von den unterschiedlichen Sensoren 20 detektierten Signalen wird die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt (linker Graph) und über diese Größe und die Temperaturabhängigkeit der Abklingzeitkonstante t die Temperatur des fluoreszierenden Elements 16 und des damit thermisch verbundenen Rotationsteils 10 bestimmt.
Im vorliegenden Fall der Fig. 3 gilt beispielsweise in Bezug auf den ersten und den dritten Lichtsensor 20:
Figure imgf000010_0001
Im konkret gezeigten Beispiel also: T = 6ms/ln(0, 58/0,115) = 3,7ms Mit dem im zweiten Graph der Fig. 3 gegebenen Zusammenhang ergibt sich eine Temperatur von 7°C.
Eine besonders exakte Temperaturerfassung ist für den Drehzahlbereich nm ^ n < nmax mit nmin = 100 min-1 und nmax = 21.000 min-1 möglich.
Im Folgenden soll der Kern der Erfindung, einige Einzelaspekte sowie Vorteile der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden:
Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur an einem rotierenden Teil 10 erfasst werden kann unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit ein sehr heißes Messobjekt (hier beispielsweise der Rotor 15) auch bis zu 1000 °C erfasst werden kann.
Durch die Verwendung der Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius.
Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und höhere Anzahl der Lichtsensoren 20 die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann.
Bezugszeichen
10 Rotationsteil
12 Rotationsachse 14 Vorrichtung
15 Rotor
16 fluoreszierendes Element
18 Lichtquelle
20 Lichtsensor 22 Auswerteeinheit
24 Pfeil
T Temperatur des Rotationsteils
T Abklingzeitkonstante

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse (12) rotierenden Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil (10) angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements (16), einer Lichtquelle (18) zum Anregen des fluoreszierenden Elements (16) und mindestens eines Lichtsensors (20) zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung des fluoreszierenden Elements (16) emittiert wird, wobei daraus eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils (10) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fluoreszierende Element (16) durch die Rotation des Rotationsteils (10) an der Lichtquelle (18) und anschließend an dem Lichtsensor (20) oder nacheinander an den Lichtsensoren (20) vorbeigeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal des detektierten Fluoreszenzlichts weiterhin eine Drehzahl und/oder Drehrichtung des Rotationsteils (10) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluoreszierende Element (16) als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) als Leucht- oder Laserdiode ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtsensor (20) als Photoempfänger, insbesondere Photodiode ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements (16) korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements (16), der Lichtquelle (18) und des mindestens einen Lichtsensors (20) ermittelt wird.
8. Vorrichtung (14) zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse (12) rotierenden Rotationsteil (10) einer elektrischen Maschine, mit einem auf dem Rotationsteil (10) angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Element (16), einer Lichtquelle (18) zum Anregen des fluoreszierenden Elements (16), mindestens einem Lichtsensor (20) zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung des fluoreszierenden Elements (16) emittiert wird, und einer Auswerteeinheit (22), die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements (16) korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils (10) zu bestimmen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine feste räumliche Anordnung der Lichtquelle (18), des mindestens einen Lichtsensors (22) und der Rotationsachse (12), bei der das fluoreszierende Element (16) durch ein Rotieren des Rotationsteils (10) an der Lichtquelle (18) und anschließend an dem Lichtsensor (20) oder nacheinander an den Lichtsensoren (20) vorbeigeführt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements (16), der Lichtquelle (18) und des mindestens einen Lichtsensors (20) zu ermitteln.
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