Titel

Elektrische Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Im Fall einer permanenterregten Synchronmaschine kann eine zu hohe Rotortemperatur zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen.

Die Rotortemperatur ist daher ein begrenzender Parameter für die Dauerleistung der elektrischen Maschine. Zum Schutz der Permanentmagnete muss sichergestellt sein, dass bei einem Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie zum Beispiel das Reduzieren von Phasenströmen. Je genauer die Rotortemperatur bekannt ist, desto später können diese Maßnahmen getroffen werden und desto höhere Dauerleistungen können erzielt werden.

In DE 10 2007 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 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Rotors eines Elektromotors beschrieben, wobei ein dem Elektromotor zugeordneter Resolver als Mittel zur Erfassung der Temperatur des Rotors fungiert.

Aus dem Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, Springer-Verlag, 2. Auflage, Seite 84, Kapitel 1.4.2 sind Verfahren für eine Erfassung einer Rotordrehzahl und für eine Messung von dynamischen Aktionsmomenten bekannt, welche induktiv Signale übertragen.

Darüber hinaus sind teure telemetrische Systeme mit drahtloser Signalübertragung bekannt. Diese sind jedoch aufgrund der hohen Kosten für eine Anwendung in einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs nicht geeignet.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass sie zur Messung der Temperatur des Rotors eine drahtlose Übertragung des entsprechenden Signals bzw. der entsprechenden Temperaturinformation umfasst, die mit nur wenigen Standardkomponenten realisierbar und dadurch sehr kostengünstig ist.

In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur des Rotors vorgeschlagen. Die Einrichtung umfasst mindestens einen Primärkreis. Der Primärkreis ist am Stator oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehen. Der Primärkreis weist mindestens eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stroms l _primär im Primärkreis oder zum Erfassen einer den Strom l _primär charakterisierenden Größe, einen Signalgenerator zum Erzeugen einer Signalspannung oder zwei Anschlüsse zum Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis oder mindestens zwei Anschlüsse zum Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis, mindestens eine Primärspule und einen Kondensator zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis auf. Weiterhin umfasst die Einrichtung mindestens einen Sekundärkreis. Der Sekundärkreis ist am Rotor ausgebildet. Der Sekundärkreis weist mindestens eine Sekundärspule, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule angeordnet ist, und eine temperaturabhängige Last auf. Die Einrichtung ist eingerichtet, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom L _sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms I _sekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom I _primär im Primärkreis bewirkt wird. Die Einrichtung ist weiterhin eingerichtet, den Primärstrom I _primär mittels der Messvorrichtung und eine Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom I _primär zu erfassen und basierend auf der Phasenverschiebung die Temperatur des Rotors zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Kennfeld oder Kennlinie.

Die temperaturabhängige 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 Einrichtung kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen.

Die Formel, Funktion, Tabelle, Kennfeld bzw. Kennlinie kann eine Zuordnung der Phasenverschiebung zu einer bestimmten Temperatur darstellen, wobei die Zuordnung sich ergibt aus den Formeln:

Der Kondensator kann derart ausgelegt sein, dass die Formel, Funktion, Tabelle, Matrix, Kennfeld bzw. Kennlinie zur Bestimmung der Temperatur des Rotors eine maximale Auflösung in einem bestimmten Temperaturbereich aufweist. Der bestimmte Temperaturbereich kann beispielsweise ein Temperaturbereich nahe unterhalb einer sicherheitsrelevanten Temperaturschwelle sein, um beispielsweise Magnete eines Rotors vor einer Entmagnetisierung zu schützen.

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.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß den vorstehenden Ausführungen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Induzieren einer Sekundärspannung in dem Sekundärkreis durch die induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis bei Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis, wodurch der durch die temperaturabhängige Last fließende Strom l _sekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms l _sekundär der rotortemperaturabhängige Primärstrom l _primär im Primärkreis bewirkt wird; und

Erfassen des Primärstroms l _primär mittels der Messvorrichtung und der Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom l _primär und Ermitteln der Temperatur des Rotors basierend auf der Phasenverschiebung, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.

Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Einrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung durchgeführt werden kann. Die Begriffe „Primärkreis“ und „Sekundärkreis“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von Primärkreisen 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.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist eine geschickte Manipulation des natürlichen Systemverhaltens einer induktiven Übertragungstrecke zwischen zwei Spulen zur drahtlosen Übermittlung. Dies wird durch Hinzufügen eines zusätzlichen Kondensators im Primärkreis erreicht. Ein Temperatursensor (z.B. NTC) im Sekundärkreis dient zur temperaturabhängigen Widerstandänderung. Diese temperaturabhängige Widerstandsänderung führt zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Primärkreis. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der gemessenen Phasenverschiebung im Primärkreis und der zu bestimmenden Temperatur. Diese Phasenverschiebung wird ermittelt und daraus die Temperatur am Messelement des Rotors bestimmt. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So werden nur wenige Standardkomponenten benötigt, ein einfacher Aufbau realisiert und diese haben einen geringen Platzbedarf. Weiterhin sind diese günstig und eine Serienfertigung ist möglich. Weiterhin sind diese störunempfindlich und robust. Außerdem erlauben diese eine einfache Auswertung.

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 1C eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig.1A bis Fig.1C, Figur 3A zwei Verläufe der Phasenverschiebung im Primärkreis der erfindungsgemäßen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors,

Figur 3B zwei Verläufe der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors,

Figur 4 ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung für eine Modellbildung mit transformiertem Widerstand,

Figur 5 einen Verlauf einer Arkustangens- Funktion, Figur 6A einen Verlauf der Phasenverschiebung im Primärkreis der erfindungsgemäßen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur für zwei verschiedene Systemauslegungen und Figur 6B einen Verlauf der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen

Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur für die zwei verschiedenen Systemauslegungen nach Fig.6A.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Fig.1A bis Fig.1C 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 Einrichtung 110 kann insbesondere Teil einer elektrischen Maschine 112, wie beispielsweise einer Synchronmaschine, sein. Die elektrische Maschine 112 umfasst einen Rotor 114, der um eine Rotationsachse 116 rotierbar ist, und einen mit dem Rotor 114 zusammenwirkenden Stator 118.

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.

Figur 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung 110 nach Fig.1A bis Fig.1C.

Die Einrichtung 110 umfasst einen elektrischen Primärkreis 122 und einen elektrischen Sekundärkreis 124.

Der Primärkreis 122 ist am Gehäuse 120 oder am Stator 118 ausgebildet und dort befestigt. Insbesondere kann der Primärkreis 122 am Gehäuse 120 oder am Stator 118 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.

Der Sekundärkreis 124 ist 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 der Welle des Rotors 114 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 124 an dem Rotor 114 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein. Der Primärkreis 122 weist mindestens eine Messvorrichtung 126 zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms l _primär 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 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 elektrischer Vorwiderstand 134 angeordnet.

Die Messvorrichtung 126 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 136 des Primärkreises 122 misst, so dass der Primärstrom l _primär 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 einer weiteren Messvorrichtung 126 bestimmt werden oder aufgrund einer Kalibrierung des Signalgenerators 128 bekannt sein.

Der Sekundärkreis 124 weist mindestens eine Sekundärspule 136 und eine temperaturabhängige elektrische Last 138 auf. Die Sekundärspule 136 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 130 angeordnet. Bei der Sekundärspule 136 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 des Rotors 114 angeordnet, beispielsweise in einer Permanentmagnete aufnehmenden Magnettasche des Rotorkörpers, um dort die Temperatur des Rotors 114 zu erfassen. Die temperaturabhängige elektrische Last 138 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 136.

Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 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 136 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 124. Die induzierte Sekundärspannung, die selbstverständlich eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 138 fließenden Sekundärstrom l _sekundär . Die Amplitude des Sekundärstroms l _sekundär wird durch die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom l _sekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig.

Infolge des Sekundärstroms l _sekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom l _primär im Primärkreis 122 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom l _primär in dem Primärkreis 122 wird mittels der Messvorrichtung 126 erfasst, beispielsweise direkt oder indirekt über eine den Primärstrom l _primär 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.

Die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 können 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.1A und Fig.1B 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.1A sind die Primärspule 130 und die Sekundärspule 136 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 136 auf dem gleichen Radius bezüglich der Rotationsachse 116 angeordnet und fluchten damit zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,136 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der radialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 136 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,136 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen.

Gemäß der zweiten Ausführung nach Fig.lB sind die Spulenachsen der Primärspule 130 und der Sekundärspule 136 in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 116 ausgerichtet, wobei eine der beiden Spulen 130,136, beispielsweise die Primärspule 130, radial weiter außerhalb als die andere Spule 130,136 angeordnet ist. Beispielsweise fluchten die Spulenachsen der beiden Spulen 130,136 zueinander, wenn sich die beiden Spulen 130,136 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen. Zumindest ist jedoch eine Überlappung der axialen Erstreckungen von Primärspule 130 und Sekundärspule 136 gegeben, wenn sich die beiden Spulen 130,136 beim Vorbeibewegen mit minimalem Abstand gegenüberstehen.

Gemäß der ersten und zweiten Ausführung in Fig.1A und Fig.1B 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.1C 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 zu induzieren. 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 Last 138. Diese temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 138 führt zu einer Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom I _primär des Primärkreises 122. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der Phasenverschiebung im Primärkreis 122 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 114. Daher wird erfindungsgemäß die Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom I _primär ermittelt und daraus die Temperatur des Rotors 114 bestimmt. Die ermittelte Temperatur ist die Temperatur an der Position der temperaturabhängigen Last 138. Die Berechnung bzw. Ermittlung der Temperatur des Rotors 114 kann insbesondere über eine in einem elektronischen Speicher eines elektronischen Steuergerätes abgelegte Formel oder Funktion, insbesondere eine Arkustangensfunktion, oder über eine in einem elektronischen Speicher eines elektronischen Steuergerätes abgelegte Tabelle, Kennfeld, Kennlinie oder Matrix erfolgen, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einer Phasenverschiebung und der zugehörigen Temperatur des Rotors 114 vorliegt. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom l _primär wird der Primärstrom I _primär mittels der Messvorrichtung 126 gemessen und basierend darauf die Phasenverschiebung ermittelt.

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.

Figur 3A zeigt zwei beispielhafte Verläufe der Phasenverschiebung im Primärkreis 122 der erfindungsgemäßen Einrichtung 110 in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors. Auf der X-Achse ist die Temperatur q in [°C] aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die Phasenverschiebung φ in [°] aufgetragen.

Die Kurve 140 zeigt den Verlauf der Phasenverschiebung im Primärkreis 122 ohne einen Kondensator 132 und die Kurve 142 zeigt den Verlauf der Phasenverschiebung mit dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Kondensators 132 im Primärkreis 122.

Aus dem Vergleich der beiden Kurven 140,142 ist ersichtlich, dass aus einer geringen Phasenverschiebung von beispielsweise -87° bis -82° gemäß der Kurve 140 im Temperaturbereich von 20°C bis 180°C eine Phasenverschiebung von - 70° bis +45° gemäß der Kurve 142 erreicht wird. Die Änderung der Phasenverschiebung über der Temperatur wird somit durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Kondensators 132 im Primärkreis 122 von 5° auf 115° vergrößert. Dies beruht auf einer Überlagerung von kapazitiven und induktiven Anteilen.

Figur 3B zeigt zwei beispielhafte Verläufe der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors. Die beiden Verläufe der Empfindlichkeit ergeben sich jeweils direkt aus dem Verlauf der Steigung der jeweiligen Kurven 140,142 nach Fig.3A.

Auf der X-Achse ist die Temperatur q in [°C] aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die Empfindlichkeit, also die Änderung der Phasenverschiebung Δφ/ ^o C in [°] aufgetragen. Die Empfindlichkeit gibt an, um wie viel Grad sich die Phasenverschiebung pro 1°C Temperaturunterschied ändert.

Die Kurve 144 zeigt den Verlauf der Empfindlichkeit ohne Kondensator 132 im Primärkreis 122 und die Kurve 146 zeigt den Verlauf der Empfindlichkeit mit dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Kondensators 132 im Primärkreis 122.

Durch das Vorsehen des Kondensators 132 im Primärkreis 122 wird also die Empfindlichkeit des Übertragungssystems auf eine Temperaturänderung erhöht.

Das Übertragungssystem der Einrichtung wird beispielsweise derart ausgelegt, beispielsweise durch entsprechendes Auslegen des Kondensators 132, dass die maximale Empfindlichkeit des Übertragungssystems in einem bestimmten Temperaturbereich liegt, in dem die Genauigkeit der Temperaturmessung am höchsten sein soll und der im folgenden als Hauptmessbereich der Einrichtung 110 bezeichnet wird. Beispielsweise liegt die maximale Empfindlichkeit des Übertragungssystems in der Mitte des Hauptmessbereichs der Einrichtung 110.

Die Zuordnung zwischen einer messbaren Phasenverschiebung im Übertragungssystem und der zugehörigen Temperatur kann mittels einer Arkustangens- Funktion ermittelt werden, die nachfolgend genannt wird.

Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung für eine Modellbildung mit transformiertem Widerstand. In dem Ersatzschaltbild der Figur 4 sind im Vergleich zu dem Schaltbild der Figur 2 die Primärspule 130 zusätzlich mit einem ersten Leitungswiderstand 148 und die Sekundärspule 136 zusätzlich mit einem zweiten Leitungswiderstand 150 abgebildet. Die Leitungswiderstände 148, 150 geben insbesondere die Kupferwiderstandswerte der Spulen 130, 136 an. Weiterhin ist im Primärkreis 122 ein transformierter Widerstand Z _trans zur einfacheren Auslegung eingezeichnet.

Der transformierte Widerstand Z _trans kann wie folgt ermittelt werden:

Dabei ist ω die Übertagungsfrequenz, k der Kopplungsfaktor zwischen Primärspule 130 und Sekundärspule 136, L ₁ die Induktivität der Primärspule 130, L ₂ die Induktivität der Sekundärspule 136, R _L2 der Leitungswiderstand der Sekundärspule 136 und R _NTC der Widerstand der temperaturabhängigen Last 138, die hier ein NTC ist.

Damit ergibt sich folgende Arkustangensfunktion:

Dabei ist L _p die Induktivität der Primärspule 130, L _s die Induktivität der Sekundärspule 136, R _LS der Leitungswiderstand der Sekundärspule 136, R _p der Leitungswiderstand der Primärspule 130, R _v der Leitungswiderstand des Vorwiderstands 134, C die Kapazität des Kondensators 132 und R _NTC der Widerstand der temperaturabhängigen Last 138, die hier ein NTC ist.

Mittels dieser Arkustangens- Funktion kann die Zuordnung zwischen einzelnen Werten der Phasenverschiebung und der zugehörigen Temperatur ermittelt werden. Die Arkustangens- Funktion kann als Funktion in dem elektronischen Speicher abgelegt sein und zur Berechnung der Temperatur des Rotors verwendet werden. Alternativ können mittels der Arkustangens- Funktion berechnete Zuordnungspaare bestehend aus Phasenverschiebung und zugeordneter Temperatur in einer Tabelle, einem Kennfeld oder einer Matrix im Speicher eines Steuergerätes abgelegt sein.

Eine mathematische Arkustangens- Funktion hat im allgemeinen einen Bereich der größten Steigung, der nach Fig.5 um einen Nullpunkt herum liegt. Zur Erzielung einer optimalen Auflösung im Bereich des Hauptmessbereichs der Einrichtung 110 wird der Kondensator 132 daher beispielsweise derart ausgelegt, dass die größte Steigung der erfindungsgemäßen Arkustangens- Funktion im Hauptmessbereich liegt. Die Temperatur des Rotors kann dadurch im Hauptmessbereich genauer ermittelt werden.

Das Übertragungssystem der Einrichtung 110 kann durch Variierung der Einflussgrößen der zuvor genannten Formeln für die Arkustangensfunktion spezifisch ausgelegt werden, insbesondere hinsichtlich der Empfindlichkeit, der Auflösung und des Hauptmessbereichs. Insbesondere sind dafür die nachfolgenden Parameter geeignet: - Koppelfaktor k zwischen der Spule oder den Spulen des Primärkreises 122 und der Spule oder den Spulen des Sekundärkreises 124 - Induktivitäten L _p , L _s der Spulen des Primärkreises 122 und des Sekundärkreises 124, - Kupferwiderstandswerte R _Lp , R _Ls der Spulen des Primärkreises 122 und des Sekundärkreises 124, - Übertragungsfrequenz ω , - Widerstandskennline R _NTC der Last 138, - Kapazität C des Kondensators 132.

Figur 6A zeigt einen Verlauf der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Temperatur für zwei verschiedene Systemauslegungen.

Auf der X-Achse ist die Temperatur ϑ in [°C] aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die Phasenverschiebung φ in [°] aufgetragen.

Die Kurve 158 in Fig.6A zeigt eine erste Systemauslegung für die Einrichtung 110 mit einer maximalen Empfindlichkeit bei 130°C, wie aus der Kurve 162 in Fig.6B ersichtlich. Die Kurve 160 in Fig.6A zeigt eine zweite Systemauslegung für die Einrichtung 110 mit einer maximalen Empfindlichkeit bei 100°C, wie aus der Kurve 164 in Fig.6B ersichtlich.

Figur 6B zeigt einen Verlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur für die zwei Systemauslegungen nach Fig.6A. In Fig.6B ist also der

Verlauf der Steigung der Kurven nach Fig.6A dargestellt. Auf der X-Achse ist die Temperatur ϑ in [°C] aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die Änderung der Phasenverschiebung Δφ/ ^o C in [°] aufgetragen.

Die Kurve 162 zeigt den Verlauf der Empfindlichkeit der ersten Systemauslegung und die Kurve 164 den Verlauf der Empfindlichkeit der zweiten

Systemauslegung.

Aus den beispielhaften Systemauslegungen in Fig.6A und Fig.6B wird nochmals deutlich, dass die maximale Empfindlichkeit der Einrichtung in den gewünschten Hauptmessbereich der Einrichtung 110 gelegt werden kann.