Beschreibung

Elektrische Maschine und Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden Potentials

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden Potentials .

Es ist bekannt, zur Messung eines statischen Potentials ein kapazitives Element zu verwenden, von dem zumindest ein Teil so bewegt wird, dass sich die Kapazität des kapazitiven Elements ändert und ein Maxwellscher Verschiebungsstrom fließt. Aus der Stromstärke des Maxwellschen Verschiebungsstroms kann dann das Potential abgeleitet werden. Dieses Prinzip wird beispielsweise bei der so genannten Feldmühle verwendet (vergleiche beispielsweise US-Patent 5,315,232) und bei dem aus der WO 2005/121819 Al bekannten Messgerät. Das zu messende Potential liegt hierbei an einem unbeweglichen Element an.

Aus dem US-Patent 4,963,829 ist eine Einrichtung zum Messen der Drehgeschwindigkeit einer Welle bekannt, bei der axial an die Welle eine nicht kreisförmige Platte gekoppelt wird, und wobei eine zweite Platte als Gegenstück zu der Platte bereitgestellt ist und so mit dieser ein kapazitives Element bildet. Zwischen den Platten wird extern eine Spannung angelegt. Da die an die Welle gekoppelte Platte nicht kreisförmig ist, ändert sich die Kapazität des kapazitiven Elements während der Rotation der Welle, und dadurch fließt ein Maxwellscher Verschiebungsstrom. Aus dessen zeitlichem Verhalten kann die Drehgeschwindigkeit der Welle abgeleitet werden. Ein sich durch den Betrieb der Welle ausbildendes, an der Welle anliegendes Potential spielt in der US 4,963,829 keine Rolle. Zur Messung der Drehgeschwindigkeit muss eigens eine Spannung zwischen den beiden Platten angelegt werden.

Bei elektrischen Maschinen, die ein elektrisch leitendes bewegliches Element aufweisen, können sich elektrische Spannungen zwischen den beweglichen Elementen und den sonstigen Bauteilen der elektrischen Maschine, namentlich den unbewegli- chen Elementen (Stator und Gehäuse), ausbilden. Die Ursachen hierfür können vielfältig sein: Die Spannungen können auf kapazitive oder induktive Kopplung, atmosphärische Felder und Defekte in den Maschinen zurückzuführen sein. Die sich ausbildenden Potentiale können zur Funktionsbeeinträchtigung führen. Regelmäßig werden durch hohe Spannungen überschläge ausgelöst, welche zu einer Zerstörung des zwischen dem beweglichen Element der elektrischen Maschine und unbeweglichen Elementen bereitgestellten Schmierstoffs (durch dessen Verbrennung) führen können, und Funkenerosion kann sogar zu einer Zerstörung der Lagerung führen. Bisher erkennt man die überschläge lediglich an ihren Wirkungen. Wirkung der überschläge kann jedoch ein plötzlich auftretender Defekt der Maschine sein. Im Rahmen der so genannten vorbeugenden Wartung (im Englischen auch als „preventive maintenance" bekannt) soll bei einer Alterung der Maschine regelmäßig ein Austausch von Bauteilen der elektrischen Maschine oder auch der gesamten elektrischen Maschine stattfinden, um einen überraschenden Defekt der elektrischen Maschine zu vermeiden. Es wäre wünschenswert, würde man überschläge rechtzeitig erkennen o- der gar vermeiden können. Es liegt nahe, dies über eine Messung des an dem beweglichen Element der elektrischen Maschine anliegenden Potentials zu tun. Diese Messung muss eine In- situ-Messung sein, die auch während des Betriebs der elektrischen Maschine erfolgt. Es ist im Stand der Technik kein Ver- fahren zur Messung des Potentials an einem solchen beweglichen Element einer elektrischen Maschine bekannt .

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Messung zu ermöglichen und hierzu eine verbesserte elektrische Maschine und ein geeignetes Messverfahren bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Somit umfasst die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein auf vorbestimmte Art bewegliches, elektrisch leitendes Element und ein unbewegliches, elektrisch leitendes Element, das derart an das bewegliche Element gekoppelt ist, dass das unbewegliche Element und die (elektrisch leitende) Oberfläche des beweglichen Elements je eine Seite eines kapazitiven Elements bilden. Die Oberfläche des beweglichen Elements ist derart ausgebildet, dass sich bei der Bewegung des bewegli- chen Elements auf die vorbestimmte Art die Kapazität des kapazitiven Elements ändert. Die elektrische Maschine weist schließlich Mittel zum Messen der Stromstärkenamplitude des auf das unbewegliche Element und von ihm wegfließenden elektrischen Stroms auf.

Der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei variabler Kapazität zwischen unbeweglichem Element und der Oberfläche des beweglichen Elements ein Maxwellscher Verschiebungsström fließt, dessen Stromstärke proportional zu dem zwischen dem beweglichen Element und dem unbeweglichen Element gegebenen elektrischen Potentialunterschied ist. Es muss lediglich der Proportionalitätsfaktor bekannt sein bzw. ermittelt werden. Da die Potentialmessung an dem beweglichen Element nicht hochgenau sein muss, sondern lediglich einen Anhaltspunkt liefern muss, ob überschläge stattfinden können, genügt es, wenn der Proportionalitätsfaktor größenordnungsmäßig bekannt ist.

Die Erfindung kann sowohl bei Drehantrieben als auch bei Li- nearantrieben verwendet werden. Somit kann das bewegliche E- lement ein rotatorisch bewegliches zylindrisches Bauteil sein, und dann stellt ein Abschnitt der Zylinderoberfläche des beweglichen Elements einen Teil des kapazitiven Elements bereit. Das bewegliche Element kann auch ein translatorisch bewegliches plattenförmiges Bauteil sein, und ein Abschnitt einer ebenen Oberfläche des beweglichen Elements stellt dann einen Teil des kapazitiven Elements bereit.

Bevorzugt sind in der elektrischen Maschine gesonderte Auswertemittel bereitgestellt, die von den Mitteln zum Messen der Stromstärke Messsignale empfangen und dazu ausgelegt sind, aus den Messsignalen aufgrund einer mathematischen oder einer empirisch ermittelten Beziehung einen Wert für das an dem beweglichen Element anliegende Potential abzuleiten. Wie bereits erwähnt, muss dieser Wert nicht hochgenau sein, sondern kann mit einem Fehler behaftet sein derart, dass die Auswertemittel ein Intervall für den Wert des elektrischen Potentials angeben.

Da die Ausbildung der Oberfläche des beweglichen Elements den Maxwellschen Verschiebungsström vorgibt, kann die Messung des elektrischen Potentials umso genauer werden, je genauer der zeitliche Verlauf des gemessenen Maxwellschen Verschiebungsstroms der Oberfläche zugeordnet werden kann. Hierbei können Störsignale die Genauigkeit der Auswertung beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, wird die Auswertung bevorzugt an eine Messung der jeweiligen Drehposition gekoppelt. Dies kann bei- spielsweise dadurch geschehen, dass optische Sensoren zur Abtastung der Bewegung des beweglichen Elements bereitgestellt sind, was dann möglich ist, wenn die Oberfläche des beweglichen Elements so gestaltet ist, dass sich mit der änderung der Kapazität des kapazitiven Elements bei ihrer Bewegung auch ihr Aussehen ändert, so dass die Phase ableitbar ist.

Die optischen Sensoren können dann Messsignale an die Auswertemittel senden, und die Auswertemittel müssen lediglich die Messsignale der optischen Sensoren bei der Ableitung des e- lektrischen Potentials aus den Messungen der Mittel zum Mes- sen der Stromstärkenamplitude einbeziehen. Beispielsweise können durch die optischen Signale Taktungen für die Abfrage der Stromstärkenamplitudensignale vorgegeben werden.

Die Kapazität ist bei einem Plattenkondensator eine Funktion der Fläche der Platten, des Abstands der Platten und der Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten befindlichen Dielektrikums, welches Luft sein kann. Dementsprechend kann die Ausbildung der Oberfläche des beweglichen Elements zum

Zwecke der änderung der Kapazität des kapazitiven Elements bei der Bewegung des beweglichen Elements so aussehen, dass die elektrisch leitende Oberfläche des beweglichen Elements so strukturiert ist, dass sich bei der Bewegung des bewegli- chen Elements der Abstand zwischen unbeweglichem Element und der Oberfläche des beweglichen Elements ändert. Es kann auch auf einem Teil der elektrisch leitenden Oberfläche des beweglichen Elements elektrisch nicht-leitendes Material aufgebracht sein, und es können beide Maßnahmen gleichzeitig ge- troffen sein. (Eine Flächenänderung der zueinander weisenden Seiten des kapazitiven Elements ist nur schwer konstruktiv zu verwirklichen. )

Die einfachste Form eines kapazitiven Elements ist ein Plat- tenkondensator . So ist bevorzugt das unbewegliche Element plattenförmig, wobei die Plattenform eben oder gewölbt sein kann. Beispielsweise kann bei einer elektrischen Maschine mit rotatorischem beweglichen Element der Wölbungsradius so gewählt sein, dass der Mittelpunkt des den Wölbungsradius defi- nierenden Kreises mit dem Mittelpunkt der Zylinderform des beweglichen Bauteils zusammenfällt.

Das unbewegliche Element ist bevorzugt mechanisch mit anderen unbeweglichen Bauteilen der elektrischen Maschine verbunden, also mit dem Stator oder zumindest dem Gehäuse, in dem der Stator angeordnet ist. Die elektrische Verbindung erfolgt hingegen nicht unmittelbar, sondern z. B. über einen Gleichrichter oder z. B. über einen Analog-Digital-Wandler mit anschließender Digitalauswertung, dann weiter über die nachge- ordneten Mittel zum Messen der Stromstärkenamplitude und gegebenenfalls die Auswertemittel.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des an einem beweglichen Element einer elektrischen Maschine anliegenden Poten- tials umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines unbeweglichen Elements, das kapazitiv an das bewegliche Element gekoppelt wird bzw. ist,

- Versehen der Oberfläche des beweglichen Elements mit derartigen Strukturen oder Materialeigenschaften, dass sich die Kapazität zwischen dem beweglichen Element und dem unbeweglichen Element bei einer Bewegung des beweglichen Elements ändert,

- Erfassen von Messwerten der Stromstärkenamplitude des auf das unbewegliche Element oder von ihm wegfließenden elektrischen Stroms,

- Ableiten des Potentials an dem beweglichen Element aus den Messwerten aufgrund einer mathematischen oder einer empirisch ermittelten Beziehung.

Die Auswertung wird bevorzugt an die Istbewegung des beweglichen Elements gekoppelt. So wird im Falle, dass sich das be- wegliche Element rotatorisch bewegt, dessen Rotationsgeschwindigkeit gemessen und beim Ableiten des Potentials aus den Messwerten der Stromstärkenamplitude einbezogen. Im Falle, dass sich das bewegliche Element translatorisch bewegt, wird die Translationsgeschwindigkeit des beweglichen Elements gemessen und beim Ableiten des Potentials aus den Messwerten der Stromstärkenamplitude einbezogen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:

FIG 1 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

FIG 2 perspektivisch die vollständige Anordnung der elektrischen Maschine bei dieser Ausführungsform zeigt,

FIG 3 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausfüh- rungsform der Erfindung zeigt,

FIG 4 im Querschnitt die eine Kapazität bildenden Teile der elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und

FIG 5 im Querschnitt zur zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß FIG 3 eine optische Abtastung veranschaulicht.

Eine in FIG 1 im Querschnitt und in FIG 2 in perspektivischer Darstellung gezeigte Welle 10 ist als bewegliches Element

Teil einer in FIG 2 im Ganzen gezeigten elektrischen Maschine 12. Die Welle 10 ist in einem Lager 14 gelagert, das sich wiederum in einem Stator 16 befindet. Zwischen der Welle 10 und dem Stator 16 kann sich eine elektrische Spannung U aus- bilden. Diese soll vorliegend gemessen werden. Zur Messung des Potentials soll eine veränderliche Kapazität verwendet werden, damit ein zur anliegenden Spannung U proportionaler Maxwellscher Verschiebungsstrom fließt. Zur Bildung einer Kapazität ist als unbewegliches Element eine Kondensatorplatte 18 bereitgestellt. Diese kann als ebener Quader ausgebildet sein, vergleiche FIG 2 und gestrichelte Linie in FIG 1, oder sie kann gewölbt sein, vergleiche durchgezogene Linie in FIG 1. Die Platte 18 ist mit einem Messwandler 20 (z. B. Strom-Spannungs-Wandler) verbunden. Der Messwandler 20 ist mit seinem Ausgang mit Mitteln 22 zum Messen der Höhe der vom Messwandler 20 ausgehenden Signale verbunden, und den Mitteln 22 zum Messen dieser Signalhöhe sind Auswertemittel 24 nachgeordnet, die die Messwerte empfangen und auswerten.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine lässt sich näherungsweise anhand der Gleichung für einen Plattenkondensator erläutern. Für die Kapazität C eines Plattenkondensators gilt:

wobei A die Fläche der einzelnen Platten des Plattenkondensators ist, d ihr Abstand ist, So die Dielektrizitätkonstante ^' und ε die Dielektrizitätszahl des zwischen den beiden Platten

befindlichen Materials ist, wobei für Vakuum ε = 1 gilt. Gleichzeitig gilt für die Kapazität C:

(2, C-§. wobei Q die jeweilige Ladung auf den Kondensatorplatten ist und U die zwischen den Kondensatorplatten anliegende Spannung. Die Ladung Q ist nun das Produkt aus der Stromstärke mal der Zeit t. Aus den beiden Gleichungen (1) und (2) erhält man die neue Gleichung:

Tatsächlich messen bekannte Elektrometer die Ladung, um auf die Spannung U rückzuschließen. Dies ist vorliegend bei der elektrischen Maschine 12 nicht ohne weiteres möglich. ändert sich nun aber eine der Größen, die die Kapazität gemäß Gleichung (1) definieren, so ändert sich die Ladung, es fließt also ein Strom. Während die Fläche A schwer veränderlich ist, ist es möglich, den Abstand d der Platten des Plattenkondensators kurzfristig zu ändern oder auch das zwischen den Platten befindliche Dielektrikum zu ändern und damit die Die- lektrizitätszahl ε zu ändern. Bei einer Erweiterung können d und ε gleichzeitig verändert werden. Die übrigen Bestimmungsgrößen der Kapazität C können bekannt sein bzw. die konstanten Faktoren durch Kalibrierung ermittelt werden, so dass aufgrund des fließenden Stroms (also der zeitlichen Ableitung von Q) auf die Spannung U zurückgeschlossen werden kann, wel- che in Gleichung (3) als konstanter Faktor anzusehen ist.

FIG 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der näherungsweise ein Plattenkondensator zwischen der Welle 10 und der Platte 18 gebildet wird, wobei sich der Abstand zwischen den Platten periodisch ändert. Hierzu sind über einen axialen Abschnitt der Welle 10 Zähne 26 an der Welle 10 ausgebildet, die ebenfalls elektrisch leitend sind. Zur Bildung einer solchen Struktur kann die Welle 10 geeignet aus einem Metallteil gefräst werden. Kommt ein Zahn 26 an der Platte 18 vorbei, ist der Abstand zwischen den beiden Seiten des kapazitiven Elements klein. Kommt eine Lücke 28 zwischen zwei Zähnen 26 an

der Platte 18 vorbei, ist dieser Abstand größer. Durch den Wechsel zwischen Zähnen 26 und Lücke 28 fließt ein Maxwellscher Verschiebungsstrom, der proportional zur Spannung U ist. Dieser Maxwellsche Verschiebungsstrom wird durch den Messwandler 20 gleichgerichtet, und seine Amplitude wird durch die Mittel 22 zum Messen der Amplitude gemessen. Die Messwerte werden dem Auswertemittel 24 zugeführt. In dem Auswertemittel 24 ist entweder eine mathematische Beziehung, zum Beispiel entsprechend Gleichung (3) mit Zahlenwerten für die konstanten Faktoren, eingespeichert, oder eine empirische Beziehung mit Tabellenwerten. Die Auswertemittel 24 können dann auf die Spannung U zurückwirken. Die Spannung U soll gemessen werden, um für die elektrische Maschine 12 schädliche überschläge rechtzeitig voraussehen zu können. Entweder wird auf einem Display 30 der Zahlenwert der Spannung U angezeigt oder angezeigt, dass die Spannung U einen Grenzwert überschritten hat, ab dem die elektrische Maschine 12 Beschädigungen durch auf die Spannung U zurücklegende Ströme und überschläge erleiden könnte, oder es wird an eine Warnlampe 32 ein Strom- signal ausgegeben, damit dieses anzeigt, wenn die Spannung U einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hat.

Bei der Ausführungsform gemäß FIG 3 sind die Zwischenräume zwischen den Zähnen 26 im Unterschied zur Ausführungsform ge- maß FIG 1 mit einem Dielektrikum 34 gefüllt. Es ändert sich dann bei einer Drehung der Welle 10' wie bei der ersten Ausführungsform der Abstand d, aber nicht so, dass ε konstant ist, sondern dass über einen Teil des Abstands die Dielektri- zitätszahl ε des Dielektrikums 34 zu verwenden ist. Es sei angemerkt, dass im Falle der Ausführungsform gemäß FIG 3 der Maxwellsche Verschiebungsström geringer ist, weil eine Erhöhung von ε einer Erhöhung des Abstands d entgegenwirkt, vergleiche die Plattenkondensatorformel (3).

Bei der Welle 10'' gemäß FIG 4 ist eine dritte Ausführungsform verwirklicht. Hier ist das elektrisch leitende Material der Welle durchgehend kreisförmig im Querschnitt, und über einen axialen Abschnitt ist ein Dielektrikum 36 aufgebracht.

Das Dielektrikum 36 kann beispielsweise durch einfache Klebestreifen („Tape") bereitgestellt sein. In diesem Falle wird bei einer Drehung der Welle 10'' lediglich das Dielektrikum geändert, es ändert sich also ε, während der Abstand d, der ja zwischen den elektrisch leitenden Bauteilen definiert ist, konstant bleibt.

Sämtliche drei Ausführungsformen (Welle 10 aus FIG 1, Welle 10' aus FIG 3, Welle 10'' aus FIG 4) sind dergestalt, dass sich die Oberfläche bei einer Drehung der jeweiligen Welle auch optisch ändert. Somit kann mithilfe einer geeigneten optischen Abtastung 38 (z. B. LED-Lichtschranke) die Oberfläche dauerhaft abgetastet werden. Die LED-Lichtschranke 38 ermittelt somit den Rhythmus der änderungen auf der Oberfläche mit der Drehung der Welle und die LED-Lichtschranke 38 ist mit den Auswertemitteln 24 gekoppelt. Diese kann die von den Mitteln 22 zum Messen der Stromstärkenamplitude ausgegebenen Messsignale in Beziehung zu den Messsignalen der LED- Lichtschranke 38 setzen, so dass eine Phasenbeziehung ermit- telt wird. Die Messsignale von den Mitteln 22 zum Messen können somit synchron abgefragt werden. Dadurch wird der Ein- fluss von Störsignalen, die bei der Größe der elektrischen Maschine 12 naturgemäß auftreten können, unterdrückt.

Die erfindungsgemäßen Prinzipien können genauso auch bei einer elektrischen Maschine mit einem translatorisch beweglichen Element (Linearmotor) angewandt werden. Beispielsweise kann das translatorisch bewegliche Element plattenförmig sein, und die Oberfläche dieser Platte kann uneben gestaltet sein, in Entsprechung zu den Zähnen 26 der Welle 10 oder 10'. Auf die Platte kann auch die dielektrisches Material aufgebracht sein. Beispielsweise können in festen Abständen Streifen dielektrischem Klebeband nach Art der Streifen 36 auf der Welle 10' aufgebracht sein.