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WO2003021749A1 - Temperaturmessvorrichtung für einen elektromotor - Google Patents

Temperaturmessvorrichtung für einen elektromotor Download PDF

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WO2003021749A1
WO2003021749A1 PCT/EP2002/009900 EP0209900W WO03021749A1 WO 2003021749 A1 WO2003021749 A1 WO 2003021749A1 EP 0209900 W EP0209900 W EP 0209900W WO 03021749 A1 WO03021749 A1 WO 03021749A1
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temperature
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section
windings
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Inventor
Thomas Hoppe
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K5/00—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material
    • G01K5/48—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors

Definitions

  • the invention relates to a temperature measuring device for measuring the temperature on a component of an electric motor provided with windings.
  • thermocouples For temperature measurement, it is known to attach a thermocouple as a thermal sensor in the area of the windings. Due to the strong insulation, however, thermocouples are relatively slow and the positioning of thermocouples with selective measurement is not optimally reproducible, which can lead to a measurement error of + 10 ° C.
  • the invention has for its object to provide a temperature measurement device for electric motors that can be used easily and provides accurate and reliable results. Furthermore, a method for temperature measurement is to be specified.
  • the measuring element made of a material with temperature-dependent material properties, the measuring element extending over a section along at least one winding and changes in the material properties being detected via a detector device.
  • the measuring element can be designed, for example, as a rod, the temperature-dependent change in length of which can be detected by suitable distance sensors acting on one or both ends of the rod. Basically, this can also be done optically.
  • the measuring element is designed as a rod or as a glass or plastic fiber and can be used, for example, as a light guide.
  • the measuring element is preferably formed from a uniform material in the region of the section.
  • the measuring element runs over a section of at least one winding, the material of the measuring element heats up in this section, so that the temperature-dependent material property changes accordingly and the temperature can be inferred from this change.
  • an additional line made of uniform, electrically conductive material can be used as the measuring element, which runs over a section along at least one winding and the ends of which are led to the outside of the motor.
  • the electrical properties, in particular the temperature dependence of the resistance, of a known material are generally known or can be measured in a simple manner. Since, according to the invention, the additional line runs over a section of at least one winding, the material of the additional line heats up in this section, so that the resistance changes accordingly and the temperature can be inferred from this change.
  • the measuring element or the additional line can be placed on a winding or, preferably, embedded in a winding so that the temperature inside the winding can be determined.
  • the additional line is preferably designed as an insulated single wire.
  • the section of the measuring element is also arranged in this area, in particular in such a way that the section covers the entire area of the winding which lies within the winding core , wherein the section can be divided into several sections.
  • the additional line can be designed as an insulated double line with a short-circuited end; it is also possible to wind the additional line as a coil in the area of the winding.
  • the measuring element can in particular be easily integrated into the winding structure if the diameter of the measuring element is approximately as large as the diameter of the winding wires forming the windings.
  • the temperature measuring device and the method according to the invention are suitable both for rotary electric motors and for linear electric motors.
  • Fig. 1 is a schematic end view of a primary part of a linear motor
  • FIG. 2 is a top view, partially broken away, of the primary part of FIG. 1.
  • the primary part of a linear motor shown in the figures basically has a conventional structure consisting of a winding core 10 with winding teeth 12 to which windings 20 are applied. Since the further construction of a primary part of a linear motor is known, an explanation is omitted here.
  • the primary part according to the invention comprises at least one additional line 30 with a section which is embedded in at least one winding.
  • the line 30 comprises two sections 32 and 36, which are embedded in the form of an insulated double line with an insulated short-circuited end 34 in the coils such that they cover essentially the entire area of the coils or windings 20 between the winding teeth 12.
  • the sections 32 and 36 are connected to one another via a bridge 38.
  • the connections of the additional line 30 are led out of the primary part and can be connected outside with the necessary electrical circuits for measuring the resistance.
  • three additional lines 30 are shown, each of which is assigned to a coil 20. These three additional lines can be operated separately for temperature measurement in the individual windings, so that each phase, U, V, W can be regulated individually when operating with three-phase alternating current.
  • the electrical resistance of the additional line 30 is measured by suitable methods, which are generally known and therefore not explained in detail, and compared with resistance values which are calculated from the dimensions of the lines and the temperature-dependent material properties and / or are determined by calibrating the additional line. Any electrically conductive materials with a suitable temperature dependence can be used as materials for the additional lines.
  • the conductors of the additional lines should at least in the region of the section on the windings consist of a "uniform" material, ie of a single material. This avoids voltage effects at contact points and the determination of the resistance value is simplified.
  • the coils or windings 20 themselves to determine the temperature. Since material properties are also temperature-dependent here, measurement of electrical variables can be used to draw conclusions about the resistance or changes in resistance. Such measurements can be carried out, for example, with a single coil or with all coils belonging to a phase by suitable calibration of the primary part, for example by recording resistance values depending on a set temperature, a table for determining the resistance values and thus the temperature values can be created.

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Abstract

Zur Ermittlung der Temperatur im Wicklungsbereich von Elektromotoren, insbesondere Linearmotoren, werden Zusatzleitungen 30 aus einem einheitlichen, elektrisch leitfähigem Material in die Wicklungen 20 eingebettet, und zwar vorzugsweise in Abschnitten zwischen Wicklungszähnen 12. Insbesondere sind die Zuleitungen als einseitig kurz geschlossene, isolierte Doppelleitungen 32 ausgebildet. Die mit einer Temperaturänderung verbundene Änderung des Widerstandswertes der Zusatzleitungen kann in einfacher Weise ermittelt werden, so dass in einfacher Weise auf die Temperatur im Bereich der Wicklungen rückgeschlossen werden kann. Alternativ ist ein längliches Messelement in die Wicklungen eingebettet und temperaturabängige Materialeigeschaften wie Längenausdehnung, optische Eigenschaften oder dergleichen werden erfasst.

Description

Temperaturmeßvorrichtung für einen Elektromotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturmeßvorrichtung zur Messung der Temperatur an einem mit Wicklungen versehenen Bauteil eines Elektromotors.
Beim Betrieb eines mit Wicklungen versehenen Bauteils (Primärteil) eines Elektromotors entsteht Abwärme, die zu einer Temperaturerhöhung innerhalb des Bauteils führt. Um ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur, was zu Beschädigungen der Wicklungsisolierungen und zur dauerhaften Beschädigung des Bauteils führen kann, zu ver- hindern, sollte bei Elektromotoren, insbesondere bei Hochleistungsmotoren, die Temperatur überwacht werden, damit gegebenenfalls Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
Zur Temperaturmessung ist es bekannt, ein Thermoelement als Thermofühler im Be- reich der Wicklungen anzubringen. Wegen der starken Isolierung sind jedoch Thermoelemente relativ träge und die Positionierung von Thermoelementen mit punktueller Messung ist nicht optimal reproduzierbar, was zu einem Meßfehler von + 10°C führen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmeßvorrichtung für Elektromotoren anzugeben, die einfach eingesetzt werden kann und genaue und zuverlässige Ergebnisse liefert. Des weiteren soll ein Verfahren zur Temperaturmessung angegeben werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Norrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mindestens ein Meßelement aus einem Material mit temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu verwenden, wobei das Meßelement sich über einen Abschnitt entlang mindestens einer Wicklung erstreckt und über eine Detektorvorrichtung Änderungen der Materialeigenschaften erfaßt werden. Dazu kann das Meßelement beispielsweise als Stab ausgebildet sein, dessen temperaturabhängige Längenänderung erfaßt werden kann, indem geeignete Wegmesser an einem oder an beiden Enden des Stabes angreifen. Grundsätzlich kann diese Erfassung auch auf optischem Wege erfolgen.
Des weiteren können optische Eigenschaften von Gläsern oder Kunststoffen, die temperaturabhängig sind, ausgewertet werden, wobei in diesem Fall das Meßelement als Stab oder als Glas bzw. Kunststoff-Faser ausgebildet ist und beispielsweise als Lichtleiter verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist das Meßelement aus einem einheitlichen Material im Bereich des Abschnittes ausgebildet.
Da erfindungsgemäß das Meßelement über einen Abschnitt mindestens einer Wicklung verläuft, erwärmt sich das Material des Meßelementes in diesem Abschnitt, so daß sich die temperaturabhängige Materialeigenschaft entsprechend ändert und aus dieser Änderung auf die Temperatur zurückgeschlossen werden kann.
Erfmdungsgemäß kann als Meßelement eine Zusatzleitung aus einheitlichem, elektrisch leitfähigem Material verwendet werden, die über einen Abschnitt entlang mindestens einer Wicklung verläuft und deren Enden zur Außenseite des Motors geführt sind. Erfmdungsgemäß wird dabei die Tatsache ausgenutzt, daß die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, eines bekannten Materials in der Regel bekannt sind oder in einfacher Weise gemessen werden können. Da erfin- dungsgemäß die Zusatzleitung über einen Abschnitt mindestens einer Wicklung verläuft, erwärmt sich das Material der Zusatzleitung in diesem Abschnitt, so daß sich der Widerstand entsprechend ändert und aus dieser Änderung auf die Temperatur zurückgeschlossen werden kann.
Dieser Effekt wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt, in dem vorgeschlagen wird, den Gleichstrom- Widerstandswert mindestens einer Spule oder Wicklung während des Betriebs zu überwachen und aus dem Widerstandswert auf die Temperatur zurückzuschließen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Meßelement bzw. die Zusatzleitung auf eine Wicklung aufgelegt sein oder, vorzugsweise, in eine Wicklung eingebettet sein, so daß die Temperatur im Inneren der Wicklung ermittelt werden kann.
Vorzugsweise ist die Zusatzleitung als isolierter Einzeldraht ausgeführt.
Da normalerweise die höchsten Temperaturen in den Bereichen der Wicklungen auftreten, die innerhalb eines Wicklungskörpers oder -kerns liegen, wird der Abschnitt des Meßelementes ebenfalls in diesem Bereich angeordnet, insbesondere so, daß der Abschnitt den gesamten Bereich der Wicklung abdeckt, der innerhalb des Wicklungskerns liegt, wobei der Abschnitt in mehrere Teilabschnitte unterteilt sein kann.
Um den Abschnitt der Zusatzleitung zur Messung einer Widerstandsänderung lang auszugestalten, kann die Zusatzleitung als isolierte Doppelleitung mit einem kurzgeschlossenen Ende ausgebildet sein; auch ist es möglich, die Zusatzleitung im Bereich der Wicklung als Spule zu wickeln.
Das Meßelement läßt sich insbesondere dann einfach in den Wicklungsaufbau integrieren, wem der Durchmesser des Meßelementes etwa genauso groß ist wie der Durchmesser der die Wicklungen bildenden Wicklungsdrähte.
Schließlich sei darauf verwiesen, daß die erfindungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für elektrische Rotationsmotoren als auch für elektrische Linearmotoren geeignet sind.
Ein Ausführui gsbeispiel für die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Stirnansicht eines Primärteils eines Linearmotors und
Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den Primärteil von Fig. 1.
Der in den Figuren dargestellte Primärteil eines Linearmotors hat grundsätzlich einen konventionellen Aufbau aus einem Wicklungskern 10 mit Wicklungszähnen 12, auf die Wicklungen 20 aufgebracht sind. Da der weitere Aufbau eines Primärteils eines Linearmotors bekannt ist, wird hier auf eine Erläuterung verzichtet.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Bauteilen umfaßt der erfindungsgemäße Primärteil mindestens eine Zusatzleitung 30 mit einem Abschnitt, der in mindestens eine Wicklung eingebettet ist. Im dargestellten Fall umfaßt die Leitung 30 zwei Teilabschnitte 32 und 36, die in Form einer isolierten Doppelleitung mit einem isolierten kurzgeschlossenen Ende 34 in die Spulen so eingebettet sind, daß sie im wesentlichen den gesamten Bereich der Spulen oder Wicklungen 20 zwischen den Wicklungszähnen 12 abdecken. Die Teilabschnitte 32 und 36 sind über eine Brücke 38 miteinander verbunden. Die Anschlüsse der Zusatzleitung 30 sind aus dem Primärteil herausgeführt und können außerhalb mit erforderlichen elektrischen Schaltungen zum Messen des Widerstandes verbunden werden.
In der Zeichnung sind drei Zusatzleitungen 30 dargestellt, die jeweils einer Spule 20 zugeordnet sind. Diese drei Zusatzleitungen können separat zur Temperaturmessung in den einzelnen Wicklungen betrieben werden, so daß bei Betrieb mit Dreiphasenwechselstrom jede Phase, U, V, W einzeln geregelt werden kann.
Der elektrische Widerstand der Zusatzleitung 30 wird durch geeignete Verfahren, die allgemein bekannt sind und deshalb nicht näher erläutert werden, gemessen und mit Widerstandswerten verglichen, die aus den Abmessungen der Leitungen und den temperaturabhängigen Materialeigenschaften berechnet werden und/oder durch Kalibrierung der Zusatzleitung ermittelt werden. Als Materialien für die Zusatzleitungen können beliebige elektrisch leitfähige Materialien mit einer geeigneten Temperaturabhängigkeit verwendet werden. Die Leiter der Zusatzleitungen sollten zumindest im Bereich des Abschnittes an den Wicklungen aus einem "einheitlichen" Material bestehen, d.h. aus einem einzigen Material. Dadurch wer- den Spannungseffekte an Kontaktstellen vermieden und die Ermittlung des Widerstandswerts ist vereinfacht.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Spulen oder Wicklungen 20 selbst zur Ermittlung der Temperatur zu verwenden. Da auch hier Materialeigenschaften temperaturabhängig sind, kann durch eine Messung elektrischer Größen auf den Widerstand bzw. auf Widerstandsänderungen zurückgeschlossen werden. Derartige Messungen können beispielsweise bei einer einzelnen Spule vorgenommen werden oder bei allen zu einer Phase gehörigen Spulen durch eine geeignete Kalibrierung des Primärteils, beispielsweise indem Widerstandswerte abhängig von einer eingestellten Temperatur aufgenommen werden, kann eine Tabelle zur Ermittlung der Widerstandswerte und damit der Temperaturwerte erstellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Messen von Temperatur an einem mit Wicklungen (20) versehenen Bauteil eines Elektromotors, g ekennz e i chnet durch ein längliches Meßelement aus Material mit einer temperaturabhängigen Materialeigenschaft, wobei das Meßelement über einen Abschnitt entlang mindestens einer Wiclclung verläuft, und einer Detektorvorrichtung, die eine Änderung der Materialeigenschaft erfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g eke nnz ei chnet, daß das Meßelement ein Stab ist und das die Materialeigenschaft die Längenausdehnung des Stabes ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzei chnet , daß das Material Glas oder Kunststoff ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadur ch g ekennze ichnet , daß die Detektorvorrichtung optische Materialeigenschaften des Mate- rials erfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß das Meßelement eine Zusatzleitung (30) aus einheitlichem elektrisch leitfähigem Material ist, die über einen Abschnitt entlang mindestens einer Wicklung (20) verläuft und deren Enden zur Außenseite des Motors geführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennz e i chn et , daß das Meßelement (30) auf die Wicklung (20) aufgelegt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadur ch gekennzeichnet, daß das Meßelement in die Wicklung (20) eingebettet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzei chnet, daß die Zusatzleitung ein isolierter Einzeldraht ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g ekennzei chnet , daß der Abschnitt in einem Bereich eines Wicklungskerns (12) liegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Meßelement in dem Abschnitt eine einseitig kurzgeschlossene Doppelleitung ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g ekennzeichnet, daß der Abschnitt mehrere Teilabschnitte aufweist, die im wesentlichen den gesamten Bereich der Wicklung abdecken, der innerhalb des Wick- lungskerns liegt.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadur ch ge kennze i chnet , daß der Durchmesser des Meßelementes etwa dem Durchmesser der Wicklungsdrähte entspricht.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadur ch ge kennz e i chnet, daß der Abschnitt um einen Wicklungszahn (12) gewickelt ist.
14. Linear- oder Rotationsmotor mit einer Temperaturmeß Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
15. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur im Bereich von Wicklungen eines Elektromotors, dadurch g ekennze i chnet , daß man während des Betriebs des Elektromotors die elektrischen Eigenschaften zumindest einer Spule überwacht und den momentanen Spulenwiderstand ermittelt und daß man aus dem Spulenwiderstand die Temperatur im Bereich der Wicklung ermittelt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß man mehrere Spulen überwacht.
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