Verfahren zur Klassifizierung von Elektroblech

Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung von Elektroblech, welches für die Herstellung einer elektrischen Maschine verwendet wird und in Form eines Bandwickels vorliegt . Stand der Technik

Die bei Betrieb einer elektrischen Anlage, z.B. eines

Leistungstransformators auftretende Geräuschemission wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn die Anlage in der Nähe eines Wohnbereiches installiert ist. Bei der

Herstellung eines geräuscharmen Leistungstransformators ist man daher bestrebt, ein weichmagnetisches Material zu

verwenden, das eine möglichst geringe Magnetostriktion aufweist. In der Praxis erweist sich aber die Klassifizierung von weichmagnetischen Materialien als schwierig.

Üblicherweise wird zum Zwecke der Klassifizierung aus einem Bandwickel (aus dem in einem späteren Verarbeitungsschritt die Blechteile für den Transformatorkern gestanzt werden) eine Probe entnommen und in einer Messeinrichtung

hinsichtlich des Magnetostriktions-Verhaltens und anderer magnetische Eigenschaften analysiert. Dabei tritt zunächst das Problem auf, dass bekannte Messeinrichtungen nicht übereinstimmende Messergebnisse liefern. Zum anderen ist das Messergebnis vom Ort der Probenentnahme abhängig: Es kann sein, dass eine am Anfang eines Bandwickels entnommene Probe und eine am Ende des Bandwickels entnommene Probe jeweils ein stark unterschiedliches Magnetostriktions-Verhalten zeigen. Eine zufriedenstellende Vorhersage für das Geräuschverhalten der elektrischen Maschine ist mit bekannten Mess- und

Klassifizierungsmethoden kaum möglich.

Darstellungen der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Klassifizierung von Elektroblech anzugeben, mit dem das Geräuschverhalten und gegebenenfalls auch die magnetischen Verluste einer elektrischen Maschine besser vorhergesagt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in abhängigen Ansprüchen definiert.

In einem Grundgedanken geht die Erfindung davon aus, für die Klassifizierung des weichmagnetischen Ausgangsproduktes nicht eine dem angelieferten Material entnommene Probe zu

untersuchen, sondern den Bandwickel im Ganzen, so wie er bei der Fertigungsstätte angeliefert wird. Hierfür wird der

Blechwickel, oder auch Coil genannt, mit einer

Erregerwicklung versehen. Mittels einer Speiseeinrichtung wird im gewickelten Flachband ein zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss erzeugt. Dieser zeitlich veränderliche magnetische Fluss hat aufgrund der Magnetostriktion eine Formänderung des Bandwickels zur Folge. Entsprechend der Magnetostriktion entstehen Schwingungen in Vorzugrichtung des magnetischen Werkstoffs. Mittels einer Messeinrichtung werden die quer zur Vorzugsrichtung verlaufende Formänderungen des Bandwickels und gegebenenfalls auch die magnetischen Verluste gemessen und einer Auswerteeinrichtung zugeführt. In der Auswerteeinrichtung erfolgt die Berechnung von Geräuschpegeln (Schallleistungspegeln) und Verlustkennziffern und die

Zuordnung dieser Werte zu Klassen. Auf diese Weise kann das zu erwartende Betriebsverhalten der elektrischen Maschine, das heißt mit Blick auf das zu erwartende Geräuschverhalten und gegebenenfalls auch hinsichtlich der zu erwartenden magnetischen Verluste, besser vorhergesagt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können vor Beginn der Produktion aus den angelieferten Bandwickeln jene herausgefiltert werden, die für einen geräuscharmen Betrieb einer

elektrischen Maschine als besonders bzw. als weniger gut geeignet erscheinen. Da das Coil in seiner Gesamtheit

bewertet wird, ist das Klassifizierungsergebnis nicht mehr abhängig vom Ort einer Probenentnahme. Die Prognose ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weitaus treffsicherer.

Insbesondere bei der Herstellung von großen Maschinen, wie beispielsweise geräuscharmen Leistungstransformatoren, ist das erfindungsgemäße Verfahren von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Die Auswerteeinrichtung, welche die

Klassifizierung beziehungsweise Kategorisierung des

Elektroblechs durchführt, kann auf der Grundlage vorgegebener Merkmale (Geräuschpegel, Verluste) die Einteilung in Klassen automatisch vornehmen. Die Auswerteeinheit ist z.B. ein entsprechend modifizierter Personal Computer (PC) , der vergleichsweise einfach aus an sich bekannten Hardware- und Softwarekomponenten zusammengesetzt gesetzt sein kann. Die Zuordnung des Elektroblechs zu Geräuschklassen erfordert in der Produktion nur einen geringen Aufwand. Das

Klassifizierungs-Verfahren ist kaum störanfällig.

In axialer Richtung des Blechwickels lässt sich die

Formänderung des Bandwickels messtechnisch besonders einfach erfassen, indem an einer oder gegebenenfalls an beiden

Stirnflächen des Bandwickels eine Sensoreinrichtung

angeordnet wird, welche die Schwingungen in axialer Richtung des Bandwickels erfasst.

Wenn an jeder Stirnfläche mehrere Detektoren angeordnet werden, kann auf einfache Weise eine Mittelung der

Längenänderung durchgeführt werden. Zum Detektieren der Formänderung des Coils können vorteilhaft herkömmlich verfügbare Beschleunigungssensoren verwendet werden. Aus dem Signal eines Beschleunigungssensors lässt sich auf einfache Weise ein Geschwindigkeitssignal berechnen, welches in einer weiteren Folge durch Fourieranalyse in einzelne Frequenzkomponenten zerlegt werden kann. Das

Schwingungsspektrum kann dann vergleichsweise einfach in ein dem Geräusch proportionales Spektrum umgerechnet und in einem weitern Schritt einer Geräuschklasse zugeordnet werden. Es ist zweckmäßig, wenn bei der Klassifizierung des

Elektroblechs die späteren Betriebsbedingungen der

elektrischen Maschine bereits berücksichtigt werden, das heißt die Erregerwicklung wird mit 50 Hz (Europa)

beziehungsweise 60 Hz (USA) und veränderbarer Amplitude gespeist.

Es hat sich herausgestellt, dass es günstig sein kann, wenn der mittels der Erregerwicklung im Bandwickel erzeugte magnetische Fluss in einem technisch relevanten Intervall zwischen 0,5 T bis 2 T stufenweise vorgegeben wird. In der Praxis haben sich dabei Stufen von etwa 0,1 T als günstig herausgestellt. Dadurch kann das zu erwartende

Geräuschverhalten in Abhängigkeit der magnetischen

Aussteuerung ermittelt werden. Eine gute Klassifizierung des Geräuschverhaltens des

Elektroblechs lässt sich insbesondere dann erreichen, wenn bei der Auswertung der Messesignale der Detektoren nur

Geschwindigkeitsamplituden ganzzahliger Vielfachen der vorgegebenen Frequenz (100 Hz, 150 Hz, 200 Hz,...

beziehungsweise 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz,...) verwendet werden.

Ferner kann es günstig sein, wenn die spektralen

Geschwindigkeitsanteile auf eine bestimmte Breite des

Bandwickels, beispielsweise auf eine Breite von 1 m, normiert werden. Dadurch ist die Klassifikation unabhängig von der Größe der angelieferten Coils möglich. Eine besonders präzise Vorhersage lässt sich dadurch

erreichen, wenn die Schwingungen des Bandwickels durch mehrere Sensoren an einer oder an beiden Stirnseiten erfasst werden und diese Messesignale gemittelt werden. Günstig ist, wenn die gemessenen Werte in Geräuschpegeln

(Schallleistungspegeln) umgerechnet und in einer Datenbank abgespeichert werden, so dass zu bestimmten Werten der magnetische Flussdichte jeweils eine bestimmte bei Betrieb auftretende Formänderung des Blechmaterials zugeordnet werden kann.

Als Sensoren zum Erfassen der Deformation können dabei unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz kommen;

beispielsweise Piezo-Aufnehmer, Laserinterferometer, ohmsche, kapazitive oder induktive Messumformer. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Es zeigt: Figur 1 einen Bandwickel mit einer Erregerwicklung und

einer erfindungsgemäßen Mess- und

Auswerteeinrichtung zur Klassifizierung des

Bandwickels hinsichtlich Geräuschemission und Verluste in einer schematischen Darstellung;

Figur 2 eine Detaildarstellung der Figur 1, in welcher die

Anordnung einer Beschleunigungs-Sensoreinrichtung an einer Stirnfläche des Bandwickels im Schnitt dargestellt ist;

Figur 3 eine Detaildarstellung der Figur 1, in welcher die

Anordnung einer optischen Sensoreinrichtung an einer Stirnfläche des Bandwickels im Schnitt dargestellt ist.

Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt in einer räumlichen Skizze einen

hohlzylindrischen Bandwickel 1. Bei der Herstellung einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines

Leistungstransformators, stellt ein solcher Bandwickel 1 das Ausgangsprodukt dar, aus dem in einem späteren

Verarbeitungsschritte die einzelnen Blechteile des weichmagnetischen Trafokerns gestanzt werden. Üblicherweise hat ein solcher Bandwickel im Großmaschinenbau etwa einen Durchmesser von bis zu 900 mm, eine Breite von 70 cm bis 1 m und eine Masse von etwa 1 bis 5 Tonnen.

Wie bereits eingangs erwähnt, zeigt die Praxis, dass das Geräuschverhalten von elektrischen Maschinen, die aus einem solchen Ausgangsmaterial hergestellten werden, von Bandwickel zu Bandwickel mehr oder weniger stark variiert. Bei der

Herstellung einer geräuscharmen elektrischen Maschine ist man aber bestrebt, ein weichmagnetisches Material mit möglichst günstigen Magnetostriktions-Eigenschaften zu verwenden.

Gemäß der Erfindung wird nun ein Bandwickel oder Coil 1 (in dieser Form wird das Material üblicher Weise bei der

Produktion einer elektrischen Maschine angeliefert) im Ganzen klassifiziert beziehungsweise kategorisiert . Hierfür wird das Coil 1 mit einer Erregerwicklung 2 versehen. Wie aus Figur 1 zu sehen ist, erstreckt sich diese Erregerwicklung 2 quer zur Umfangsrichtung 11 in Richtung der Achse 13 und umschlingt spiralförmig die äußere Mantelfläche 9, die Stirnflächen 7 und 8, sowie die innere Mantelfläche 10 des hohlzylindrischen Bandwickels 1. Die Erregerwicklung 2 steht mit einer

Speiseeinrichtung 5 in Verbindung. Die Speiseeinrichtung 5 versorgt die Erregerwicklung 2 mit einer hinsichtlich

Frequenz und Amplitude einstellbaren sinusförmigen

Speisespannung.

Zur Klassifizierung des Bandwickels hinsichtlich

Geräuschemission wird nun an die Erregerwicklung 2 eine sinusförmige Spannung bevorzugt mit z.B. 50 Hz oder 60 Hz angelegt. Der in der Erregerwicklung 2 fließende Wechselstrom bewirkt, dass sich im Bandwickel 1 ein in Umfangsrichtung 11 gerichteter magnetischer Wechselfluss ausbildet. Der in die Erregerwicklung eingespeiste Strom wird mittels eines Stromsensors 23 erfasst. Der vom Stromsensor 23 bereitgestellte Messwert 24 wird einer Auswerteeinheit 4 zugeleitet.

Um den durch die Erregerwicklung 2 hervorgerufenen

magnetischen Fluss im Blechwickel 1 zu erfassen, ist um den Bandwickel 1 eine Messschleife 6 angeordnet. Bei einer

Flussänderung im Blechwickel 1 wird in der Messschleife 6 eine Spannung induziert, welche proportional zur magnetischen Flussdichte B ist. Die induzierte Spannung wird als Messwert 22 der Auswerteeinrichtung 4 zugeleitet. Der in Umfangsrichtung 11 des Bandwickels 1 sich ausbreitende magnetische Wechselfluss bewirkt durch die Magnetostriktion des weichmagnetischen Materials eine Formänderung des

Bandwickels 1. Es kommt sowohl zu einer Änderung der

Wickellänge, als auch zu einer Querkontraktion, das heißt zu einer Änderung der axialen Länge des Bandwickels 1.

Um diese Deformation zu erfassen, ist an der Stirnfläche 7 eine Sensoreinrichtung 3 angeordnet. Die Sensoren 3 liefern Messesignale 21, welche ebenfalls der Auswerteeinrichtung 4 zugeführt sind.

Zur Klassifizierung des Bandwickels hinsichtlich

Geräuschemission wird nun die Speisespannung der

Erregerwicklung 2 stufenweise verändert, bis ein bestimmter Wert der Flussdichte im Bandwickel 1 erreicht ist. Für diese eingestellte Flussdichte werden die von den Sensoren 3 bereitgestellten Messesignale in der Auswerteeinrichtung 4 wie folgt ausgewertet: In der Auswerteeinrichtung 4 werden mittels einer Fourier- Analyse die Messesignale der Sensoren 3 in Frequenz- Komponenten zerlegt. Dabei werden nur die

Geschwindigkeitsamplituden der ganzzahligen Vielfachen von 50 Hz bzw. 60 Hz betrachtet.

Die spektralen Geschwindigkeits-Amplituden werden auf eine Längeneinheit des Bandwickels 1, beispielsweise auf einen Meter Blechbreite des Bandwickels 1 normiert. Für jede

Frequenzkomponenten wird ein Mittelwert gebildet: 1 M

V ₁ ... mittlere Geschwindigkeit bei Frequenz j

M... Anzahl der Aufnehmer

j... j ' te Frequenzkomponente (z.B. 100 Hz Komp.)

Anschließend wird für jede Frequenzkomponente ein gemittelter Schallleistungspegel berechnet. C ₃ ... Anpassfaktor

Die Anpassungsfaktoren C _j berücksichtigt Unterschiede in der Schallabstrahlung unterschiedlicher Frequenzkomponenten j .

Die Anpassungsfaktoren C _j werden quantitativ so gewählt, dass sie den Zusammenhang zwischen einer schwingenden Fläche von 1 m ² und der Schallleistung L _w darstellen. In einem weiteren Schritt werden der unbewertete und der A- bewertete Schallleistungspegel gemäß der Formel

N... Anzahl der 50 Hz Vielfachen beziehungsweise

A-,... A-Bewertung bei der Frequenz f-. berechnet . In der Auswerteeinrichtung 4 ist eine als Datenbank

ausgebildete Speichereinrichtung 20 implementiert, in welcher Messwerte der Flussdichte, die berechneten relativen Gesamt- Schallleistungspegel und spektralen Komponenten abgelegt sind. Unter Heranziehung dieser Werte können die Bandwickel sortiert werden und somit der Einfluss eines Bandwickels auf das Geräuschverhalten einer elektrischen Maschine besser vorhergesagt werden.

Für jeden vorgegebenen Wert der magnetischen Flussdichte wird mittels Auswerteeinrichtung 4 gleichzeitig auch der

magnetische Verlustwert und der Magnetisierungsbedarf des Blechwickels ermittelt. Diese Werte werden ebenfalls in der Datenbank 20 abgelegt. Dadurch ist es möglich, auch die

Magnetisierungsverluste und den Magnetisierungsstrombedarf einer elektrischen Maschine genauer vorherzusagen. Die Figur 2 zeigt eine mögliche Anordnung einer

Sensoreinrichtung 3. Dargestellt ist eine beispielhafte

Ausführungsform, bei der der Sensor 3 als ein

Beschleunigungssensor 14 ausgebildet ist und mittels eines Zwischenstückes 16 und mittels eines Dauermagneten 15 an einer Stirnfläche 7 des hohlzylindrischen Bandwickels 1 angeordnet ist. Der Beschleunigungssensor 14 erfasst die axiale Deformation des Blechwickels 1, welche durch den magnetischen Wechselfluss im Blechwickel 1 erzeugt wird. Die Messinformation wird als Messsignal 21 der Auswerteeinheit 4 zugeführt (siehe Figur 1) . Die Befestigung des Sensors 3 könnte auch anders erfolgen, beispielsweise durch eine Klebeoder Wachsverbindung. Wie bereits erwähnt, können auf der Stirnfläche 7 mehrere Sensoren auf diese oder andere Weise befestigt sein.

In der Figur 3 ist eine andere Ausführung der

Sensoreinrichtung gezeigt. Die Sensoreinrichtung 3 ist hier als optische Sensoreinrichtung ausgebildet. Eine optische Sendeeinrichtung 17 erzeugt einen auf einem Reflektor 19 gerichteten Lichtstrahl 12. Dieser Lichtstrahl 12 wird gemäß der Magnetostriktion des weichmagnetischen Werkstoffs

unterschiedlich reflektiert, was ein optischer Detektor 18 erkennt. Die Messinformation des Detektors 18 ist wieder der Auswerteeinheit 4 zugeleitet.

Zum Erfassen der Deformation des Blechwickels 1 sind wie bereits erwähnt auch andere Messmethoden denkbar,

beispielsweise ohmsche, kapazitive oder induktive

Messaufnehmer .

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Bandwickel (Coil) in einer Klasse zusammen zufassen, und zwar gleichzeitig sowohl hinsichtlich der zu erwartenden Geräuschemission, als auch der magnetischen Verluste und des

Magnetisierungsstrombedarfes . Unterschiedliche

Materialeigenschaften am Anfang und am Ende des Bandwickels fallen durch die Gesamtbewertung des Coil weg.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

I Bandwickel (Coil)

2 Erregerwicklung

3 Sensoreinrichtung

4 Auswerteeinrichtung

5 Speiseeinrichtung

6 Messschleife

7 Stirnfläche

8 Stirnfläche

9 äußere Mantelfläche

10 innere Mantelfläche

II Umfangsrichtung

12 Lichtstrahl

13 Achse

14 Beschleunigungssensor

15 Permanentmagnet

16 Zwischenstück

17 optische Sendeeinrichtung

18 optische Empfangseinrichtung

19 Reflektor

20 Speichereinrichtung, Datenbank

21 Messsignal der Sensoren 3

22 Messsignal der in 6 induzierten Spannung (magnetische Flussdichte B in Coil 1)

23 Stromsensor

24 Messsignal des Stromsensors 23