Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Messwertes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Messwertes im Inneren des Gehäuses eines Motors oder Generators .

Elektrische Antriebe sind heute im industriellen Umfeld sehr verbreitet. Sowohl zur Regelung als auch zur überwachung der hierbei eingesetzten Elektromotoren müssen häufig Messwerte aus dem Inneren des Gehäuses ermittelt werden. Um dies zu gewährleisten, werden Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Lagerstromsensoren, Vibrations- und Drehmomentsensoren, direkt im Motorinneren angebracht. Eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von den Sensoren erfassten Messwerten wird in der Regel aus praktikablen Gründen außerhalb des Motorgehäuses platziert.

Um eine solche Auswerteeinheit mit den Sensoren zu verbinden, werden heute in der Regel gesonderte Leitungen vorgesehen. Eine leitungsgeführte Auskopplung der Sensorwerte ist jedoch mit aufwändigen Arbeiten bei der Herstellung und der Montage von Motorwicklungen verbunden. Sofern die Sensoren auf rotie- renden Teilen des Motors bzw. Generators angeordnet sind, ist die Datenauskopplung noch aufwändiger. Beispielsweise müssen verschleißbehaftete Schleifringe vorgesehen werden, um die Daten von dem rotierenden Teil auszukoppeln.

Eine Alternative zu der leitungsgeführten Auskopplung der

Sensorwerte ist eine übertragung der Messwerte vom Sensor zur Auswerteeinheit per Funk. Hierzu wird zumindest ein Funkempfänger der Auswerteeinheit ebenfalls im Inneren des Motorbzw. Generatorgehäuses angeordnet, wobei das Motorgehäuse elektromagnetische Felder abschirmt und somit in seiner Wirkung einem Faraday' sehen Käfig ähnelt.

Aus der US 4,114,077 ist beispielsweise ein System zum Schutz von übertemperaturen eines Käfigläufers einer Asynchronmaschine bekannt. Ein mit einem Temperatursensor verbundener Funksender ist auf dem Rotor der Asynchronmaschine angebracht und sendet im Falle einer übertemperatur ein Funksignal an einen ebenfalls im Motorinneren angebrachten Funkempfänger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine drahtlose übertragung von Messwerten aus dem Gehäuseinneren eines Mo- tors oder Generators zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Messwertes im Gehäuseinneren eines Motors oder Generators ge- löst, der eine zumindest im rotierenden Betrieb elektrisch gegenüber dem Gehäuse isoliert gelagerte Welle aufweist, wobei zumindest ein erster, im Gehäuseinneren befindlicher Abschnitt der Welle mit einem zweiten, außerhalb des Gehäuses angeordneten Abschnitt der Welle elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Vorrichtung einen zum Messen des Messwertes geeigneten Sensor, eine Einkopplungsvorrichtung zum Einkoppeln eines zur übertragung des Messwertes geeigneten Messsignals in den ersten Abschnitt der Welle und - einen Funkempfänger zum Empfang des vom zweiten Abschnitt der Welle abgestrahlten Messsignals außerhalb des Gehäuses aufweist .

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Erfassung eines Messwertes im Gehäuseinneren eines Motors oder Generators gelöst, der eine zumindest im rotierenden Betrieb elektrisch gegenüber dem Gehäuse isoliert gelagerte Welle aufweist, wobei zumindest ein erster, im Gehäuseinneren befindlicher Ab- schnitt der Welle mit einem zweiten, außerhalb des Gehäuses angeordneten Abschnitt der Welle elektrisch leitend verbunden ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

Messen des Messwertes mit einem geeigneten Sensor, Einkoppeln eines zur übertragung des Messwertes geeigneten Messsignals in den ersten Abschnitt der Welle mit einer Einkopplungsvorrichtung, und - Empfangen des vom zweiten Abschnitt der Welle abgestrahlten Messsignals mit einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Funkempfänger.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die allgemein verbreitete Lehrmeinung, ein Motor oder ein Generator sei ein Faraday-Käfig und schirme daher elektromagnetische Felder derart ab, dass elektrische Signale nicht nach außen gefunkt werden könnten, nicht in der Verallgemeinerung gilt. Durch eine gezielte Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften des Motors bzw. Generators kann vielmehr eine effiziente Signalübertragung schon mit geringer Sendeleistung erzielt werden. Die Grundidee ist hierbei, die Schirmwirkung des Gehäuses durch eine geeignete Anregung der Welle zu durchbrechen. Voraussetzung hierfür ist, dass die Welle zu- mindest im Betrieb des Motors oder Generators bei rotierender Welle elektrisch gegenüber dem Gehäuse isoliert gelagert ist und zumindest teilweise aus dem Gehäuse herausragt. Der aus dem Gehäuse herausragende Teil der Welle muss elektrisch leitend mit einem im Gehäuse-Inneren und von der Einkoppelungs- Vorrichtung angeregten Teil der Welle verbunden sein. Auf diese Art und Weise transportiert die Welle das Messsignal aus dem Gehäuse heraus nach außen, wobei besagter zweiter Abschnitt die Funktion einer Funkantenne übernimmt. Der zweite, außerhalb des Gehäuses angeordnete Abschnitt der Welle strahlt das Messsignal auf elektromagnetischem Wege über die Luft ab, so dass es durch den außerhalb des Gehäuses angeordneten Funkempfänger empfangen und schließlich ausgewertet werden kann.

Die Voraussetzungen für die erfindungsgemäße Messsignalüber- tragung, dass die Welle zumindest im Betrieb gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert gelagert ist und dass besagter erster Abschnitt und besagter zweiter Abschnitt leitend mit-

einander verbunden sind, sind in der Regel bei nahezu allen Elektro- und Verbrennungsmotoren sowie Generatoren gegeben. Die isolierte Lagerung der Welle resultiert aus dem elektrisch isolierenden Schmierfilm der Wellenlager. Dieser bildet sich häufig erst bei der drehenden Welle vollständig aus, so dass die erfindungsgemäße Funkübertragung bei Stillstand der Welle unter Umständen nicht funktioniert.

Damit der zweite Abschnitt der Welle außerhalb des Motors ef- fizient elektromagnetische Wellen aussenden und/oder empfangen kann, ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der die Einkopplungsvorrichtung zur Anregung der Welle derart vorgesehen ist, dass die Wellenlänge des Messsignals in Luft kleiner oder gleich der vierfachen Länge des zweiten Abschnitts ist.

Eine minimale Dämpfung des Messsignals erfolgt bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Einkopplungsvorrichtung zur Anregung der Welle derart vorge- sehen ist, dass die elektrische Feldstärke im Wesentlichen radial zwischen der Gehäuseinnenwand und der Welle verläuft.

Die Anregung der Welle kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung berührungslos erfolgen, wobei die Einkopplungs- Vorrichtung eine elektrische Dipol- oder Monopolantenne aufweist. Vorteilhafterweise steht eine derartige Dipol- oder Monopolantenne senkrecht auf der Welle.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann die Einkopplungsvorrichtung zur kapazitiven, induktiven oder elektromagnetischen Einkopplung des Messsignals in den ersten Abschnitt der Welle vorgesehen sein.

Zur überwachung und Regelung eines Motors oder Generators sind verschiedene Messgrößen aus dem Inneren des Gehäuses potentiell von Interesse. Beispielsweise kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Sensor zur Vibrationsmessung oder zur Drehmomentmessung vorgesehen sein.

Alternativ oder zusätzlich ist eine Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der der Sensor zur Temperaturmessung, insbesondere eines Lagerrings vorgesehen ist. Eine derartige Messung ist für überwachungszwecke zur Verlängerung der Le- bensdauer zweckmäßig .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Sensor zur Strommessung, insbesondere eines Lagerstroms, vorgesehen ist. Auch die Lagerstromüberwachung ist für Maintenance-Zwecke einzusetzen, um Betriebsausfälle zu verhindern.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung eines Messwertes im Inneren eines Motors,

FIG 2 einen Verlauf der elektrischen Feldstärke zwischen einer Welle eines Motors und dessen Gehäuse bei einer

übertragung eines Messsignals gemäß einer Ausführung der Erfindung, und

FIG 3 einen Sensor und eine Einkopplungsvorrichtung zum

Einkoppeln eines Messsignals in eine Welle eines Mo- tors oder Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung eines Messwertes im Inneren eines Motors 1, wobei nur ein Gehäuseende des Motors 1 im Querschnitt zur Erläuterung der Erfindung dargestellt ist.

Beispielsweise soll die Temperatur eines Lagers 12, welches zum Lagern einer Welle 3 des Motors 1 dient, im Inneren eines Gehäuses 7 des Motors 1 erfasst und an einen außerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Funkempfänger 6 übertragen werden.

Die Welle 3 des Motors 1 ist durch die Lagerung 12 zumindest im rotierenden Betrieb isolierend gegenüber dem Gehäuse 7 gelagert. Die Isolierung ist auf den Schmierfilm des Lagers 12 zurückzuführen .

Die Temperatur des Lagers 12 wird mit Hilfe eines Temperatursensors 4 erfasst. Ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Messsignal wird mit Hilfe einer Einkopplungsvorrichtung 5, die hier nur schematisch als Dipolantenne mit Gegengewicht dargestellt ist, kapazitiv in die Welle 3 des Motors 1 eingekoppelt. Die kapazitive Einkopplung geschieht in einen ersten Abschnitt der Welle 2, der sich im Inneren des Motors 1 befindet. Die Welle 2 umfasst einen zweiten Abschnitt 3, der aus dem Gehäuse über eine Länge L herausragt, wobei der zwei- te Abschnitt 3 der Welle 2 elektrisch leitend mit dem ersten Abschnitt der Welle 2, in den das Messsignal eingekoppelt wird, verbunden ist. Vorteilhafterweise wird hierbei die Länge L des zweiten Abschnitts 3 derart gewählt, dass das Vierfache dieser Länge L mindestens so groß ist wie die Wellen- länge des eingekoppelten Messsignals in Luft. Beispielsweise beträgt die Länge L = 0,5 m, bevor anschließend eine isolierende Kupplung auf die Welle tritt. Die minimale Frequenz des Messsignals in Luft ergibt sich hierbei zu:

3 x 10 ⁸ m/s / (4 x 0,5 m) = 150 MHz

Die in FIG 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt auch, wie die elektromagnetischen Eigenschaften eines Motors oder Generators effizient zur Signalübertragung genutzt wer- den können. Sie zeigt, wie die Schirmwirkung des Gehäuses, welches nach allgemeiner Lehrmeinung im Sinne eines Fara- day' sehen Käfigs wirkt, geschickt umgangen werden kann, und über den zweiten Abschnitt 3 der Welle 2 Funksignale aus dem Gehäuseinneren eines Motors 1 nach außen übertragen werden können .

FIG 2 zeigt einen Verlauf der elektrischen Feldstärke 11 zwischen einer Welle 2 eines Motors und dessen Gehäuse 7 bei der

übertragung eines Messsignals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Messsignal wurde hierbei derart in einen im Inneren des Gehäuses 7 befindlichen Abschnitt der Welle 2 eingekoppelt, dass sich ein radialer Feldstärkeverlauf zwi- sehen dem Gehäuse 7 und der Welle 2 ergibt.

FIG 3 zeigt einen Sensor 4 und eine Einkopplungsvorrichtung 5 zum Einkoppeln eines Messsignals in eine Welle 2 eines Motors oder Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er- findung. Der Sensor 4 dient beispielsweise der Lagerstrommessung zu Maintenance-Zwecken. Die von ihm erfasste Messgröße wird von einem Oszillator 9 der Einkopplungsvorrichtung 5 in ein hochfrequentes Messsignal umgeformt. Beispielsweise resultiert eine effiziente drahtlose Datenübertragung bei einer Frequenz von 2 , 4 GHz . über eine senkrecht auf der Welle 2 stehende Dipol- oder Monopolantenne 8 mit einem Gegengewicht 10 wird das Messsignal kapazitiv in die Welle 2 des Motors eingekoppelt. Anschließend folgt die bereits beschriebene übertragung des Messsignals über die Welle 2 nach außen.

Durch die gezielte Anregung der Welle 2 wird bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung das Gehäuse 7 des Motors 1 zusammen mit dessen Welle 2 ähnlich einem Koaxialkabel betrieben, welches durch eine transversal-elektromagne- tische Welle (TEM-Welle) angeregt wird. Die Ausnutzung dieses Effektes zur übertragung von Messsignalen aus dem Inneren eines Motors oder Generators zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger mit entsprechender Auswerteeinheit kann effizient genutzt werden, um die Schirmwirkung des Mo- torgehäuses zu umgehen.