Maschine

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Regelung eines Betriebs

zustandes einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors eines Generators oder eines

Transformators, sowie eine Anordnung, die das Verfahren nutzt.

In zahlreichen Anwendungen elektrischer Maschinen, insbesondere rotatorischer oder translatorischer elektrischer Maschinen, ist eine Überwachung und/oder Regelung des Bewegungsvorgangs erforderlich. So erfolgt bei elektromagnetischen Antrieben die Überwachung des Bewegungsvorgangs häufig mit zusätzlichen Sensoren, welche dann - in einen Regelkreis integriert - eine Regelung des Antriebs, insbesondere eine Kraft-,

Drehzahl- oder Positionsregelung, erlauben.

Zur Drehzahl-Regelung von Elektromotoren werden in der Regel Hall-Sensoren eingesetzt, welche im Luftspalt zwischen Rotor und Stator des Elektromotors angebracht werden. Diese Hall-Sensoren ermöglichen auch eine gesteuerte rotorwinkelabhängige Umschaltung der

Statorwicklungen (Kommutierung) . Hierbei misst der Hall-Sensor das Magnetfeld des sich drehenden Rotors und leitet diese Information an eine Steuerelektronik weiter, welche dann abhängig vom Hall-Signal die jeweils dem Permanentmagneten des Synchronmotors gegenüberstehenden bewegten Zähne als Nord- oder Südpol schaltet und damit eine anziehende oder abstoßende Kraft bewirkt, die zur Rotordrehung führt. Dies

erfordert jedoch immer zusätzliche Sensoren und deren Anordnung innerhalb des Elektromotors bzw. der

elektrischen Maschine.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung oder Regelung eines Betriebszustandes wie beispielsweise Drehzahl,

Bewegungsgeschwindigkeit oder elektrischer Belastung einer elektrischen Maschine sowie eine zugehörige

Anordnung anzugeben, die eine sensorlose und

kostengünstige Bestimmung oder Regelung eines

derartigen Betriebszustandes ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der

Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patent

ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird an einer magnetisch leitenden Komponente der elektrischen

Maschine wenigstens eine Differenzspannung zwischen zwei Messstellen an der magnetisch leitenden Komponente zeitaufgelöst gemessen. Die Messstellen werden hierbei derart gewählt, dass über diese Messstellen Potential unterschiede in der magnetisch leitenden Komponente erfassbar sind, die durch den Betrieb der elektrischen Maschine hervorgerufen werden. Unter einer magnetisch leitenden Komponente ist dabei eine den magnetischen Fluss führende Komponente der elektrischen Maschine zu verstehen, also beispielsweise der in der Regel aus Eisen oder Eisenblechen gebildete Rotor oder Stator einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder eines Generators. Aus und/oder auf Basis der gemessenen Differenzspannung und/oder einem zeitlichen Verlauf der gemessenen Differenz spannung wird dann der Betriebszustand, je nach

elektrischer Maschine beispielsweise die Drehzahl, die Bewegungsgeschwindigkeit oder die elektrische Belastung der elektrischen Maschine, bestimmt und/oder geregelt. Die Messung der Differenzspannung erfolgt während des Betriebs der elektrischen Maschine, also während eines Stromflusses durch die eine oder mehreren Spulen der elektrischen Maschine. Das Verfahren nutzt die

Erzeugung von Wirbelströmen in den magnetisch leitenden Komponenten. Die Wirbelströme werden durch die im magnetischen Kreis induzierte elektrische Spannung getrieben, wenn sich der magnetische Fluss aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine zeitlich ändert. Wird ein Magnetsystem mit einem zeitlich

veränderlichen Strom beaufschlagt, wirft dieser einen zeitlichen veränderlichen Fluss hervor. Dies hat eine induzierte elektrische Spannung ui _nd zur Folge:

-d0

Uind = F Eds dt Hierdurch entstehen Wirbelströme i„i _rb im

elektrisch leitfähigen Material, welche wieder ein induziertes magnetisches Feld Hi _nd zur Folge haben:

Bei einer homogenen Verteilung der Wirbelströme herrscht dabei im gesamten elektrisch leitfähigen

Material das gleiche Potential. Ist die Verteilung der Wirbelströme inhomogen, so entstehen Potentialunter schiede. Diese Potentialunterschiede können als

Differenzspannungen an der magnetisch leitenden

Komponente gemessen werden. Hierfür werden beim

vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung elektrische Abgriffe am durchfluteten und elektrisch leitfähigen Material, also an wenigstens einer der magnetisch leitenden Komponenten der elektrischen

Maschine, angebracht. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannungen können dann Rückschlüsse auf Betriebszustände wie die Drehzahl bei einer rotatorischen Maschine, die momentane relative Lage des Rotors der rotatorischen Maschine zum Stator, oder auch die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder

Position des Läufers eines Linearmotors relativ zum Stator getroffen werden. Auch Rückschlüsse auf eine momentane Belastung eines Transformators als ruhender elektrischer Maschine lassen sich durch diese Messung ziehen . Es können auch mehrere Differenzspannungen

zwischen unterschiedlichen Messstellen an der oder den magnetisch leitenden Komponenten zeitaufgelöst gemessen werden, um daraus den jeweiligen Betriebszustand zu bestimmen oder auf deren Basis zu regeln.

Die vorgeschlagene Anordnung umfasst eine

elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, einen Generator oder einen Transformator, die

wenigstens eine magnetisch leitende Komponente

aufweist. An der magnetisch leitenden Komponente ist wenigstens ein elektrischer Abgriff zur Messung einer Differenzspannung zwischen zwei Messstellen angebracht, an denen die magnetisch leitende Komponente elektrisch kontaktiert wird. Die Anordnung weist weiterhin eine mit dem elektrischen Abgriff verbundene Messeinrichtung zur zeitaufgelösten Messung der Differenzspannung und eine Auswerte- und/oder Regeleinrichtung auf, die auf Basis der gemessenen Differenzspannung und/oder eines zeitlichen Verlaufs der gemessenen Differenzspannung einen Betriebszustand der elektrischen Maschine

bestimmt (und ggf. ausgibt) und/oder regelt. Die

Anordnung ist dabei in einen oder mehreren Ausgestal tungen so ausgeführt, dass damit die unterschiedlichen Ausführungsformen entsprechend der auf das Verfahren gerichteten Patentansprüche ausgeführt werden können. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige

Anordnung lassen sich in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen ein Betriebszustand einer

elektrischen Maschine überwacht, geregelt oder bestimmt werden soll. Das Verfahren und die Anordnung

ermöglichen beispielsweise bei rotatorischen

Elektromotoren oder Generatoren eine sensorlose

Drehzahlerfassung oder auch die Erfassung der

momentanen rotatorischen Position des Rotors, bei Linearmaschinen die Erfassung der Bewegungsgeschwindig keit oder Position des Läufers sowie bei Transforma toren die Erfassung einer momentanen Belastung und können zur entsprechenden Drehzahl-, Geschwindigkeits- , Positrons- oder Leistungsregelung eingesetzt werden.

Das Messsystem der Anordnung kann nachträglich an bereits vorhandenen elektrischen Maschinen angebracht werden, ohne diese im Aufbau verändern zu müssen. Die jeweilige magnetisch leitende Komponente muss hierzu nur an wenigstens zwei Messstellen elektrisch

kontaktiert werden. Dies kann beispielsweise durch Anklemmen, Anlöten oder Schrauben entsprechender elektrischer Kontakte an diese magnetisch leitende Komponente erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden im Folgenden anhand von zwei

Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Elektromotors mit entsprechenden elektrischen

Abgriffen gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines ungewickelten

Stators eines Außenläufermotors mit entsprechenden elektrischen Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung; Fig . 3 eine Prinzipskizze eines Linearmotors mit entsprechenden elektrischen

Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines ungewickelten

Drei-Phasen-Transformatorkerns mit elektrischen Abgriffen gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden

Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines

beispielhaften Regelkreises für eine Drehzahlregelung gemäß der vorliegenden Erfindung .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der

jeweilige Betriebszustand sensorlos aus Magnetfeld änderungen in einer magnetisch leitenden Komponente der elektrischen Maschine ermittelt, die über einen

Spannungsabfall an diesem Magnetfluss führenden

Bauelement abgegriffen und ausgewertet werden. Auch Aussagen über das Magnetfeld in dem Material der magnetisch leitenden Komponente, in der Regel Eisen, können hierbei abgeleitet werden. Im Folgenden werden das Verfahren und die zugehörige Anordnung anhand von vier Ausführungsbeispielen mit unterschiedlichen elektrischen Maschinen und unterschiedlichen

Betriebszuständen nochmals erläutert. Im ersten Beispiel wird die Drehzahl eines

Elektromotors bestimmt, dessen Rotor und Stator aus geschichteten, elektrisch isolierten Blechen

zusammengesetzt ist. Die einzelnen Bleche führen hierbei den magnetischen Fluss. Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines derartigen Elektromotors. In der Figur sind der innen liegenden Rotor 1 und der außen liegende Stator 2 zu erkennen. Im vorliegenden Beispiel wurde am Stator 2 eine

elektrische Kontaktierung an entsprechend gewählten Blechen zur Spannungsmessung angebracht. Die beiden Messstellen 3, 4 sind in der Figur zu erkennen. Die Messstellen liegen in diesem Beispiel an gegenüber liegenden Seiten (Innen- und Außenseite) des Stators, können jedoch auch in einem für die Messung der

Potentialunterschiede geeigneten Abstand an einer Seite des Stators 2 angebracht sein. Durch die Kommutierung während der Rotordrehung versursachte Stromrippel bewirken ein zeitlich veränderliches Magnetfeld im Stator 2, welches im Statormaterial einen Wirbelstrom hervorruft. Der Wirbelstrom verursacht in dem Stator einen Spannungsabfall, der bei dem vorgeschlagenen Verfahren über die elektrische Kontaktierung gemessen wird und zu Zwecken einer Überwachung oder Regelung des Elektromotors Anwendung finden kann. Aufgrund der

Drehung des Rotors wird hierbei ein Spannungsverlauf der gemessenen Differenzspannung U aus wiederkehrenden Maxima und Minima erhalten. Über ein Schwellwert verfahren können hierbei beispielsweise die Maxima detektiert und in Abhängigkeit von der Zeit gezählt werden, um die momentane Drehzahl zu bestimmen. Das Messergebnis kann einem Regelkreis zur Drehzahlregelung des Elektromotors zugeführt werden, wie dies in

Verbindung mit Figur 5 noch erläutert wird.

Ein weiteres Beispiel betrifft die Bestimmung der Drehzahl eines Außenläufermotors. Figur 2 zeigt hierbei den Stator 2 eines Außenläufermotors, wie dieser vielfach bei Lüftern Anwendung findet. In der Regel ist dieser Stator 2 ebenfalls aus geschichteten

Einzelblechen hergestellt. In der Figur ist hierbei wiederum die elektrische Kontaktierung eines oder mehrerer Bleche des Stators 2 zum Abgriff des

Spannungsabfalls U dargestellt, welcher sich aufgrund der durch Drehung des mit Permanentmagneten besetzten Außenläufers (Rotor) induzierte elektrische Spannung im Blech einstellt. Dieser Rotor ist in Figur 2 nicht dargestellt. Der über die beiden Messstellen 3, 4 gemessene Spannungsabfall U kann dann beispielsweise für Kommutierungszwecke einem Regelkreis wie dem der Figur 5 zugeführt werden. Auch hier sind die beiden Messstellen 3, 4 für den elektrischen Abgriff nur beispielhaft zu verstehen und können selbstverständlich auch an anderen Stellen oder in anderem Abstand

zueinander am Stator 2 vorgesehen werden. Das

dargestellte technische Prinzip ist selbstverständlich auch auf Innenläufermotoren anwendbar.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich auch bei Linearmotoren bzw. linearen Schrittmotoren einsetzen, wie dies beispielhaft in Verbindung mit Figur 3

dargestellt ist. Diese Figur zeigt einen beispielhaften Stator 2 und Läufer 5 eines Linearmotors. In dieser Figur sind ebenfalls zwei Spulen 6 des Läufers sowie ein Verlauf eines magnetischen Flusses fi angedeutet. In diesem Beispiel wurde ein einzelner Zahn des Stators 2 über den elektrischen Abgriff mit den Messstellen 3 und 4 kontaktiert. Durch Abgriff der Differenzspannung U einzelner Zähne und Zuführung dieser Spannung an einen Regelkreis, wie dieser in Figur 5 dargestellt ist, kann der Läufer 5 auf Position, Weg und

Geschwindigkeit geregelt werden. Auch hier ist die Position der Messstellen 3, 4 wiederum nicht auf die in der Figur dargestellte Position festgelegt. Weiterhin lässt sich diese Technik selbstverständlich auch auf andere Typen von Linearmotoren übertragen.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich auch zur Bestimmung eines Betriebszustandes einer ruhenden elektrischen Maschine wie eines Transformators

einsetzen. Figur 4 zeigt hierbei beispielhaft einen ungewickelten 3-Phasen-Transformatorkern 7, der in der Regel ebenfalls aus einer Vielzahl geschichteter und elektrisch isolierter Bleche zusammengesetzt ist. Die Figur zeigt wiederum beispielhaft eine elektrische Kontaktierung an zwei Messstellen 3, 4 zum

Spannungsabgriff. Der Spannungsabgriff - und auch weitere Spannungsabgriffe - können auch an anderen Stellen erfolgen, beispielsweise direkt an den

Transformatorschenkeln. Die gemessenen Spannungen erlauben durch Eingang in einen Regelkreis wie dem der Figur 5 eine Lastregelung des Transformators. Bei

Abgriffen an den Transformatorschenkeln können zudem Aussagen über die Belastung einzelner Phasen des

Transformators getätigt werden. Die Methode lässt sich auf Transformatoren mit beliebiger Phasenzahl anwenden. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung ermöglichen sowohl die Überwachung als auch eine Regelung einzelner Betriebsparameter einer elektrischen Maschine. Figur 5 zeigt hierzu

beispielhaft eine schematische Darstellung eines

Drehzahl-Regelkreises mit dem Regler 8, der Stellgröße u(t), der Regelstrecke 9, einer Störgröße M(t), einem Messsystem 10, der Wunschdrehzahl n _wunsch , der

Differenzdrehzahl n _d und der mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemessenen Differenzspannung u _d . Die

Regelstrecke 9 kann hierbei beispielsweise den

Elektromotor aus Figur 1 darstellen, die Störgröße kann beispielsweise ein Last- oder Momentensprung sein. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemessene

Differenzspannung u _d dient als Eingangsgröße des

Messsystems und wird in die Ist-Drehzahl n _dst überführt, welche zur Drehzahlabweichungsberechnung n _d verwendet wird .

Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Stator

3 Messstelle

4 Messstelle

5 Läufer

6 Spule

7 Transformatorkern

8 Regler

9 Regelstrecke

10 Messsystem