Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine.

Bei elektrischen Maschinen besteht vielfach der Wunsch die Temperatur von einem Rotor oder anderen rotierenden Teilen im laufenden Betrieb exakt, d.h. auf wenige Grad Celsius (1-5 °C) genau, zu bestimmen. Die genaue Kenntnis der Temperatur ist u.a. für Überwachungszwecke wichtig. Aus der Theorie der elektrischen Maschinen ist bekannt, dass die Rotortemperatur in bestimmten Betriebspunkten die maximale obere Grenztemperatur überschreiten kann. Wird die Temperatur nicht überwacht bzw. die Temperatur nicht exakt bestimmt, kann es zur Schädigung der elektrischen Maschine kommen.

Das Dokument DE 10 2011 108 382 A1 beschreibt eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator, wobei wenigstens ein am Rotor angeordnetes und mit ihm thermisch verbundenes Element vorgesehen ist, dessen Absorptionsgrad für einfallende Photonen einer Lichtquelle sich in Abhängigkeit der Temperatur ändert, wobei vorgesehen ist, dass ein vom momentanen Absorptionsgrad des Elements abhängiges Messsignal ermittelt wird, das ein Maß für die Element- bzw. Rotortemperatur darstellt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahme anzugeben, mittels derer die Temperatur eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine mit moderatem Aufwand präzise ermittelbar ist.

Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Vorrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen und/oder in der Beschreibung und/oder den Figuren beschriebene beziehungsweise gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine mittels eines auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Elements, einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und mindestens eines Lichtsensors zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei aus diesem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt wird und über diese die Temperatur des Rotationsteils bestimmt wird. Die ermittelte Größe ist ein Maß für die Abklingzeitkonstante t und kann beispielsweise die Abklingzeitkonstante t selbst sein. Das fluoreszierende Element ist dabei einer Winkelposition bzw. einem Winkelbereich des Rotationsteils zugeordnet.

Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur des rotierenden Rotationsteils unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist, erfasst werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit auch sehr heiße Objekte mit einer Temperatur von bis zu 1000 °C thermisch erfasst werden können.

Das Rotationsteil ist ein drehendes Teil der elektrischen Maschine. In der Regel weist die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator auf, wobei das Rotationsteil insbesondere besagter Rotor ist. Durch das Verfahren bzw. die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius.

Dadurch ergeben sich für den Anwendungsfall der elektrischen Maschinen und ganz besonders für die Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM) die nachfolgend beschriebenen Vorteile:

A) Senkung der Gesamtkosten: Die Temperaturklasse von in der elektrischen Maschine verwendeter Magnete kann gesenkt werden, da durch die exakte (ausreichende) Bestimmung der Rotortemperatur keine Sicherheitsreserve mehr benötigt wird. Die Annahme ist zulässig, wenn von einer elektrischen Leistung in der Größenordnung von 150-250KW bei elektrischen Maschinen ausgegangen werden kann.

B) Leistungskompensation: Der Leistungsabfall bei der PSM, kann im Feldschwachbereich durch Stromanhebung kompensiert werden. Der Leistungsabfall resultiert aufgrund der Drehmomentabsenkung, welche wiederum aufgrund der Polradabsenkung resultiert. Die Polradabsenkung wiederum resultiert aufgrund der Erwärmung der Magnete im Rotor. Die Polradabsenkung und damit die Drehmoment- und Leistungsabsenkung nimmt mit zunehmender Drehzahl zu, wenn sie nicht kompensiert wird. Die Strom kompensation erfolgt beispielsweise mittels der feldorientierten Regelung der permanenterregten Synchronmaschine durch Anhebung des Statorstroms mittels der Leistungselektronik.

C) Komponentenschutz: Durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur können bessere Überwachungs- und Derating-Strategien in der Funktions-Software entwickelt und implementiert werden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Rotortemperaturerfassung wird mangels exakter (ausreichender) Kenntnis der Rotortemperatur zu früh ins Derating geschaltet. D) Verbesserung des funktionalen Sicherheitskonzepts: Die Drehmomentüberwachung auf Drehmomentfehler kann durch die genaue Kenntnis der Rotortemperatur verbessert werden.

Die Verbesserung resultiert in einem engeren Toleranzband (Vergleich zwischen Soll- und Istmoment). Das engere Toleranzband führt zu einer kürzeren Erkennungs- und Abschaltzeit.

E) Reduzierung der gesamten Software-Applikationszeit: Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche die Rotortemperatur mittels eines Rotortemperaturmodels (Schätzmodel) ermitteln, erfordern eine Vielzahl von Fahrzeugmessungen und Erprobungen in Heiß- und Kaltlandversuchen. Durch eine exakte Rotortemperaturbestimmung mittels des hier dargestellten Verfahrens, reduziert sich der Software-Applikationsaufwand in einem erheblichen Umfang. Die Folge: Zeit- und Kosteneinsparung.

Bei dem Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass das fluoreszierende Element durch die Rotation des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird.

Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und Anzahl der Lichtsensoren die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann.

Dementsprechend wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus dem Signal des detektierten Fluoreszenzlichts weiterhin eine Drehzahl und/oder Drehrichtung des Rotationsteils bestimmt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluoreszierende Element als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf.

Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lichtquelle als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet ist. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Lichtsensor als Photoempfänger, insbesondere Photodiode (PD), ausgebildet ist.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors ermittelt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil einer elektrischen Maschine, mit (i) einem auf dem Rotationsteil angeordneten und mit diesem thermisch verbundenen fluoreszierenden Element, (ii) einer Lichtquelle zum Anregen des fluoreszierenden Elements und (iii) mindestens einem Lichtsensor zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element emittiert wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils zu bestimmen.

Die im Zusammenhang mit dem vorstehend genannten Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem bezüglich einer Rotationsachse rotierenden Rotationsteil genannten vorteilhaften Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch hier für die Vorrichtung. Diese ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine feste räumliche Anordnung der Lichtquelle, des mindestens einen Lichtsensors und der Rotationsachse vorgesehen, bei der das fluoreszierende Element durch ein Rotieren des Rotationsteils zunächst an der Lichtquelle und anschließend an dem Lichtsensor oder nacheinander an den Lichtsensoren vorbeigeführt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe vorab durch eine Referenzmessung mittels des fluoreszierenden Elements, der Lichtquelle und des mindestens einen Lichtsensors zu ermitteln.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Rotationsteil ein Rotor oder zumindest eine Rotorkomponente der elektrischen Maschine ist. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM).

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine elektrische Maschine mit einem bezüglich einer Rotationsachse rotierbar gelagerten Rotationsteil und einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ihrerseits ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Temperatur-Erfassung eines Rotationsteils einer elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 Graphen der entsprechenden optischen Signale,

Fig. 3 Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung einer mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils. Die Fig. 1 zeigt ein Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine, welches bezüglich einer Rotationsachse 12 rotierbar gelagert ist, sowie eine Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des rotierenden Rotationsteils 10. Das Rotationsteil 10 ist insbesondere ein Rotor 15 der elektrischen Maschine.

Die Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des bezüglich der Rotationsachse 12 rotierbaren/rotierenden Rotationsteils 10 weist die folgenden Komponenten auf: ein auf dem Rotationsteil 12 angeordnetes und mit diesem thermisch verbundenes fluoreszierenden Element 16, eine Lichtquelle 18 zum Anregen des fluoreszierenden Elements 16, mehrere Lichtsensoren 20 zur Detektion von Fluoreszenzlicht, das aufgrund der Anregung vom fluoreszierenden Element 16 emittiert/ausgesandt wird, und eine Auswerteeinheit 22, die eingerichtet ist, aus dem detektierten Fluoreszenzlicht eine mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe zu ermitteln und über diese Größe die Temperatur des Rotationsteils 10 zu bestimmen.

Die Verknüpfung zwischen der mit einer temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements 16 korrelierende Größe und der Temperatur ist beispielsweise in einer Datenbank der Auswerteeinheit 22 hinterlegt.

Die räumliche Anordnung der Lichtquelle 18, der Lichtsensoren 20 und der Rotationsachse 12 des Rotationsteils 10 ist innerhalb der elektrischen Maschine so festgelegt, dass das fluoreszierende Element 16 durch ein Rotieren des Rotationsteils 12 an der Lichtquelle 18 und anschließend nacheinander an den Lichtsensoren 20 vorbeigeführt wird (Pfeil 24). Die Lichtquelle 18 und die Lichtsensoren 20 sind dazu an einem maschinenfesten Teil der elektrischen Maschine, wie etwa einem Gehäuse oder einem dem Rotor 15 entsprechenden Stator (nicht explizit gezeigt) angeordnet/befestigt.

Die Lichtquelle 18 ist hier im Beispiel als Leucht- oder Laserdiode (LED) ausgebildet und die Lichtsensoren 20 sind als Photoempfänger, genauer gesagt Photodioden (PD), ausgebildet. Das fluoreszierende Element 16 weist als fluoreszierendes Material Rubin, insbesondere in Form eines Kristalls, auf.

Die Fig. 2 zeigt nun Graphen der entsprechenden optischen Signale, wobei jeweils eine Signal-Intensität, hier als auf die Fläche bezogene Leistung P angegeben, über der Zeit t dargestellt ist. Der obere Graph zeigt das konstante Signal der Lichtquelle 18. Der mittlere Graph zeigt das Fluoreszenz-Signal des fluoreszierenden Elements 16 und die unteren drei Graphen die diskreten Signale der Lichtsensoren 20. Diese diskreten Signale werden von der jeweiligen Position des fluoreszierenden Elements 16 bezüglich der Lichtquelle 18 und der Lichtsensoren 20 getriggert.

Die Fig. 3 zeigt zwei Graphen von relevanten Größen bei der Ermittlung der mit der temperaturabhängigen Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe und der Temperatur des Rotationsteils aus dieser Größe.

Über die von den Lichtsensoren 20 detektierte Intensität des Fluoreszenzlichts und die Zeitdifferenz zwischen den von den unterschiedlichen Sensoren 20 detektierten Signalen wird die mit der Abklingzeitkonstante t des Materials des fluoreszierenden Elements korrelierende Größe ermittelt (linker Graph) und über diese Größe und die Temperaturabhängigkeit der Abklingzeitkonstante t die Temperatur des fluoreszierenden Elements 16 und des damit thermisch verbundenen Rotationsteils 10 bestimmt.

Im vorliegenden Fall der Fig. 3 gilt beispielsweise in Bezug auf den ersten und den dritten Lichtsensor 20:

Im konkret gezeigten Beispiel also: T = 6ms/ln(0, 58/0,115) = 3,7ms Mit dem im zweiten Graph der Fig. 3 gegebenen Zusammenhang ergibt sich eine Temperatur von 7°C.

Eine besonders exakte Temperaturerfassung ist für den Drehzahlbereich n _m ^ n < n _m ax mit n _m in = 100 min ^-1 und n _ma x = 21.000 min ^-1 möglich.

Im Folgenden soll der Kern der Erfindung, einige Einzelaspekte sowie Vorteile der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden:

Kern der Erfindung ist, dass die Temperatur an einem rotierenden Teil 10 erfasst werden kann unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, dass die Abklingzeitkonstante von einem fluoreszierenden Körper temperaturabhängig ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Temperatur berührungslos erfasst werden kann und somit ein sehr heißes Messobjekt (hier beispielsweise der Rotor 15) auch bis zu 1000 °C erfasst werden kann.

Durch die Verwendung der Vorrichtung 14 zur berührungslosen Erfassung der Temperatur von einem Rotationsteil 10 einer elektrischen Maschine kann die Temperatur mit einer sehr hohen stationären Genauigkeit ermittelt werden. Die Größenordnung liegt hier bei ca. 1-5 Grad Celsius.

Ein weiteres Merkmal ist, dass durch eine geschickte Anordnung und höhere Anzahl der Lichtsensoren 20 die Temperaturgenauigkeit erhöht werden kann und zusätzlich die Drehzahl und die Drehrichtung erfasst werden kann.

Bezugszeichen

10 Rotationsteil

12 Rotationsachse 14 Vorrichtung

15 Rotor

16 fluoreszierendes Element

18 Lichtquelle

20 Lichtsensor 22 Auswerteeinheit

24 Pfeil

T Temperatur des Rotationsteils

T Abklingzeitkonstante