Eigenschaft einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von mindestens einer Eigen schaft, insbesondere eines Betriebsparameters, einer elektrischen Maschine, bei der eine Messspuleneinheit in einem zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung aus einer elektrischen Maschine mit einer derartigen Messspuleneinheit sowie einer Anordnung zur Auswertung von Signalen der Messspuleneinheit.

Eine elektrische Maschine der genannten Art kann als Generator oder als Elektro motor ausgebildet sein. Bei einer elektrischen Maschine dreht sich ein meist viel- poliger Rotor in einem Magnetfeld eines ebenfalls meist vielpoligen Stators. Die sich dabei gegenüberstehenden Polflächen von Rotor und Stator sind bei Ihrer Bewegung zueinander durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Dabei kann die elektrische Maschine sowohl als Außenläufer aufgebaut sein, bei der der Stator innen liegt und von dem Rotor umgeben ist, oder als Innenläufer, bei dem der Ro tor innen liegt und von einem außen liegenden Stator umgeben ist.

In elektrischen Maschinen mit hohem Wirkungsgrad und hoher spezifischer Leis tung, wie sie in industriellen und zunehmend auch mobilen Anwendungen einge setzt werden, sind üblicherweise Messaufnehmer (Sensoren) vorgesehen, die zu Überwachungszwecken (Monitoring) und zu Regelungszwecken eingesetzt wer den. Dabei werden Sensoren zur Messung verschiedenster Betriebsparameter eingesetzt.

Besonders relevant für eine Regelung der elektrischen Maschine ist der sogenann te Polradwinkel, der den Winkel zwischen einem Drehwinkel des Rotors und der Ausrichtung des sich im Luftspalt ergebenden Magnetfelds aus der Überlagerung des vom Rotor erzeugten Magnetfelds (Rotorfeld) und des vom Stator erzeugten Magnetfelds (Statorfeld) angibt. Um den Polradwinkel zu bestimmen, werden bei spielsweise die Rotorposition und die Phasenlage von Strömen in Wicklungen des Stators gemessen. Zur Messung der Rotorposition sind verschiedene Verfahren etabliert, zum Beispiel werden optische oder auf dem Hall-Effekt basierende Posi tionssensoren eingesetzt, die außerhalb des Motors angeordnet sind und einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator an der Rotorachse messen. Solche Positionssensoren arbeiten häufig digital und liefern Positionsinformationen inkre- mentell oder absolut. Daneben sind auch analog arbeitende magnetische oder elektromagnetische externe Sensoren bekannt.

Sensoren, die vornehmlich zum Zwecke des Monitorings eingesetzt werden, die nen vor allen Dingen dazu, kritische Zustände der Maschine rechtzeitig zu erken nen, um vor diesen kritischen Zuständen zu warnen bzw. um gegensteuern zu können. Neben einer Messung von mechanischen Parametern wie Vibrationen ist hier insbesondere eine Temperaturmessung relevant. Ein Übersteigen von Grenz temperaturen kann zu Funktionseinbußen und sogar nicht reversiblen Schäden von empfindlichen Komponenten der elektrischen Maschine (Isolationen, Kleber, Magnete usw.) führen. Zur Messung von Temperaturen werden beispielsweise ohmsche Temperaturfühler eingesetzt oder Halbleitersensoren, Quarze oder Strahlungssensoren.

Weiterhin ist es bekannt, indirekt auf eine Temperatur zu schließen, beispielsweise durch Vermessung von temperaturabhängenden Eigenschaften von Materialien, z.B. der Remanenzflussdichte von Magneten oder der relativen Dielektrizität, ge messen auf der Basis von magnetischen oder kapazitiven Messverfahren. Beson ders schwierig gestaltet sich dabei die Vermessung der Rotortemperatur. In La boranlagen oder in großen elektrischen Maschinen werden hierzu aufwendige funkbasierte Messsysteme verwendet oder es wird nur die Oberflächentemperatur mithilfe von Strahlungssensoren ermittelt oder es wird nur indirekt über die

Vermessung von temperaturabhängigen Eigenschaften auf die Rotortemperatur geschlossen.

Aus der Druckschrift DE 10 2015 107 666 A1 ist ein Verfahren zur Messung ver schiedener Betriebsparameter einer elektrischen Maschine bekannt, bei der eine Messspuleneinheit verwendet wird, die in den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist. Die Messspuleneinheit umfasst mehrere Messspulen, die in axialer Richtung hintereinanderliegend im Luftspalt an geordnet sind. Die Messspulen sind zu diesem Zweck auf einem länglichen Träger ausgebildet und mit Anschlüssen versehen, die zu Anschlusskontakten geführt sind, die an einer Querseite des Trägers angeordnet und damit zugänglich sind.

Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenem Messverfahren werden induzierte Sig nale von mindestens zwei der Messspulen erfasst und daraus eine Drehposition des Rotors gegenüber dem Stator bzw. ein Polradwinkel der elektrischen Maschine be stimmt. Das Verfahren wird vorteilhaft bei einer elektrischen Maschine durchgeführt, die einen Rotor mit einer Mehrzahl von gegeneinander verdrehten Segmenten auf- weist, wobei die ausgewerteten induzierten Signale von Messspulen stammen, die verschiedenen Segmenten zugeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich unter Be rücksichtigung der (bekannten) Verdrehung der Segmente zueinander aus den indu zierten Signalen die Drehposition des Rotors gegenüber dem Stator mit einer Win kelauflösung bestimmen, die um einen Faktor, der der Anzahl der Segmente ent spricht, höher ist, als es bei einer Auswertung eines Signals nur einer Messspule der Fall wäre. Zudem kann bei einer Verwendung von ausreichend kleinen Messspulen der vom Rotorfeld induzierte Anteil von dem vom Statorfeld induzierten Anteil in der gemessenen Spannung getrennt werden. Dadurch lässt sich sowohl die Rotorpositi on als auch die relative Position des gesamten Luftspaltfelds zum Rotor, der dreh momentbestimmende Polradwinkel, bestimmen.

Weiter kann gemäß der genannten Druckschrift eine Widerstandsmessung der ein zelnen Messspulen einen Rückschluss auf die Temperatur der Messspulen und da mit der Temperatur des Stators geben. Aufgrund der Anordnung von mehreren Messspulen axial am Stator kann eine entlang der Motorachse ortaufgelöste Mes sung erfolgen.

Bei dem in der Druckschrift DE 10 2015 107666 A1 beschriebenen Verfahren ist eine Bestimmung der Drehposition des Rotors gegenüber dem Stator nur während einer Drehung des Rotors möglich. Insbesondere zur Anlaufsteuerung der elektrischen Maschine ist ein Verfahren wünschenswert, das Aussagen über die Drehposition auch im Stillstand der elektrischen Maschine geben kann. Weiterhin ist im Hinblick auf eine Temperaturmessung ein Verfahren wünschenswert, das in der Lage ist, nicht nur eine Stator-, sondern auch eine Rotortemperatur mit hinreichender Genau igkeit zu ermitteln. Dieses ist mit herkömmlichen Verfahren, wie z. B. der Anordnung von Temperatursensoren aufgrund der Drehung des Rotors nur höchst aufwendig und fehleranfällig zu bewerkstelligen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Eigenschaften, insbesondere Betriebsparameter, z.B. eine Rotorstellung im Stillstand und eine Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine zuverlässig ermittelt werden können. Es ist eine weitere Aufgabe der vor liegenden Erfindung eine Anordnung mit einer elektrischen Maschine zu beschrei ben, mit dem ein derartiges Verfahren durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen von mindestens einer Ei genschaft einer elektrischen Maschine wird ein Hochfrequenzsignal in die mindes tens eine Messspule eingespeist und es werden elektrische Größen des Hochfre quenzsignals an der mindestens einen Messspule gemessen. Aus den gemessenen elektrischen Größen wird eine Impedanz der Messspule bestimmt. Zusätzlich wird innerhalb der gleichen oder einer nachfolgenden Messung eine in der mindestens einen Messspule induzierte Spannung gemessen. Anschließend wird die mindestens eine Eigenschaft der elektrischen Maschine anhand der ermittelten Impedanz und der gemessenen induzierten Spannung bestimmt.

Erfindungsgemäß wird somit die bekannte im Luftspalt durchgeführte Induktionsmes sung mit einer Impedanzmessung kombiniert. Die Kombination ermöglicht es, Eigen schaften zu bestimmen, die sich sowohl auf die Induktionsmessung als auch die Im pedanzmessung auswirken, die aber aus einer der Messungen alleine nicht eindeutig zu ermitteln bzw. zu berechnen sind.

Die gemessene Induktionsspannung ergibt sich aus der zeitlichen Änderung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt, welche wiederum vom Betriebszustand der Maschine sowie der Reluktanz abhängt. Der Betriebszustand umfasst im Allgemei nen z.B. den Strom in den Statorwicklungen, die Drehzahl des Rotors und die Tem peratur der Maschine.

Die gemessene Impedanz ist abhängig vom magnetischen Widerstand in der Umge bung der Spule, welcher sich insbesondere aus der Luftspaltbreite und der relativen Winkelstellung zwischen Rotor und Stator ergibt.

Viele der Eigenschaften der elektrischen Maschine, die von Interesse sind, wie bei spielsweise Magnetstärken von Rotormagneten und Rotortemperaturen bei perma nenterregten Synchronmaschinen oder Ströme und Temperaturen in Leiterstäben von Käfigen von asynchronen Maschinen, sind häufig von mindestens zwei Größen abhängig, die durch nur eine Art der Messung - nur der induzierten Spannung oder nur der Impedanz - nicht bestimmt werden können. Beispielsweise kann auf die Temperatur der Rotormagnete nur dann korrekt aus einem durch eine Induktions messung bestimmten magnetischen Fluss angegeben werden, wenn eine Breite des Luftspalts bekannt ist, die wiederum nur der Impedanzmessung zugänglich ist. Ins besondere da die Breite des Luftspalts ihrerseits temperaturabhängig ist, führt an dernfalls eine Annahme eines festen Werts für die Luftspaltbreite zu einer nicht kor rekten Messung der Temperatur der Rotormagnete. Die erfindungsgemäße Kombi- nation beider Messverfahren erlaubt in diesem Beispiel eine entsprechende Kom pensation des Einflusses der Temperaturabhängigkeit der Luftspaltbreite.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Imaginärteil der ermittel ten Impedanz bestimmt, der eine magnetische Reduktanz eines durch die Messspule sowie Abschnitte des Stators und des Rotors führenden Magnetkreises widerspie gelt. Weiter bevorzugt werden als Eigenschaften der elektrischen Maschine anhand des Imaginärteils der ermittelten Impedanz und der induzierten Spannung eine Dreh position und/oder eine Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator und/oder ein Pol radwinkel bestimmt.

Zumindest die Messung der elektrischen Größen des Hochfrequenzsignals an der mindestens einen Messspule zum Ermitteln der Impedanz der Messspule kann dabei vorteilhaft beim Stillstand des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden. Auch diesbezüglich ergänzen sich die beiden kombinierten Messverfahren, da die Impe danzmessung insbesondere bei kleinen Drehzahlen des Rotors gegenüber des Sta tors bis hin zum Stillstand durchgeführt werden kann, wohingegen die Messung der induzierten Spannung umso größere Signalstärken aufweist, je größer eine Drehzahl des Rotors ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Eigenschaft der elektrischen Maschine anhand des Imaginärteils der ermittelten Impedanz eine Breite des Luftspalts in Abhängigkeit der Drehposition des Rotors bestimmt. Be vorzugt wird aus der Drehpositions-abhängigen Breite des Luftspalts ein Maß einer Exzentrizität des Rotors ermittelt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Eigenschaft der elektrischen Maschine eine Magnetstärke von Rotormagneten, die in den Ro tor eingebettet sind, bestimmt. Dabei wird die Amplitude des magnetischen Flus ses des Rotors bestimmt, welche ein Maß für die temperaturabhängige Magnet stärke ist. Aus den bekannten Materialeigenschaften ergibt sich somit indirekt auch die Rotor-Temperatur im Betrieb der Maschine, die anderen Messmethoden nur schwer zugänglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Eigenschaft der elektrischen Maschine ein Widerstand eines Käfigstabs des Rotors bestimmt.

Bei diesem Verfahren, das bei Asynchronmaschinen mit Rotoren mit Käfigstäben eingesetzt werden kann, wird eine resultierende magnetische Flussdichte im Luft spalt gemessen, die ein Verhältnis aus dem Magnetfeld des Stators und der Ant- wort des Rotors darstellt. Die resultierende magnetische Flussdichte ist vom Strom im Käfigstab abhängig, der wiederum vom elektrischen Widerstand des Stabs ab hängig ist. Da der so ermittelte Käfig-Widerstand stark temperaturabhängig ist, kann von dem elektrischen Widerstand zudem auf die Temperatur des Käfigstabs geschlossen werden.

Dabei ist der magnetische Fluss von der Luftspaltbreite abhängig, da diese maß geblich den magnetischen Widerstand bestimmt. In beiden Fällen der Rotor- Temperaturmessung ist daher der Einfluss der Luftspaltbreite zu kompensieren, was durch die erfindungsgemäße Ermittlung von Impedanz und induzierter Span nung erfolgen kann.

Weiter kann ein Realteil der ermittelten Impedanz bestimmt werden, der einen elektrischen Widerstand der Messspule widerspiegelt, aus dem sich eine Tempe ratur der Messspule damit des Stators ermitteln lässt.

Vorteilhaft wird zur Ermittlung der Impedanz das Signal der Messspule gefiltert, bevorzugt durch einen schmalbandigen Bandpassfilter oder einen Lock-in Verstär ker, die auf die anregende Hochfrequenz abgestimmt sind. Die zur Anregung be nutzte Hochfrequenz ist weiter bevorzugt so gewählt, dass sie sich von einem ganzzahligen Vielfachen einer Schaltfrequenz eines Umrichters unterscheidet, der mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Auf diese Weise werden störende Ein flüsse des Umrichters möglichst klein gehalten. Dabei kann die zur Anregung be nutzte Hochfrequenz dynamisch im Betrieb variiert werden, da sich auch das Stör spektrum des Umrichters im Betrieb mit der Drehzahl der Maschine ändert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Messungen jeweils an einer Gruppe von mindestens zwei miteinander verschalteten Messspulen durchgeführt, wobei eine gleichsinnige Verschaltung vorteilhaft für die Messung der induzierten Spannung ist, da sich die in den einzelnen Messspulen einer Gruppe in duzierten Spannungen addieren, wohingegen eine gegensinnige Verschaltung die induzierten Spannungen möglichst eliminiert, was vorteilhaft für die Impedanzmes sung ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind mindestens zwei Messspulen oder Messspulengruppen axial hintereinanderliegend in dem Luftspalt angeordnet, so dass die Messungen an verschiedenen Positionen im Luftspalt durchgeführt werden können. Zudem können die verschiedenen Messpositionen ver- schiedenen Segmenten des Rotors zugeordnet werden, wenn es sich um einen segmentierten Rotor handelt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Messungen der Impedanzen bzw. der induzierten Spannungen der mindestens zwei Messspulen oder Messspulengruppen mit Hilfe eines Multiplexers zeitlich nacheinander ausge führt werden. Auf diese Weise kann der apparative Aufwand zur Messung und Aus wertung verringert werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung aus einer elektrischen Maschine mit einem Sta tor und einem Rotor sowie einem dazwischenliegenden Luftspalt, in dem eine Mess spuleneinheit angeordnet ist, zeichnet sich durch eine Auswerteeinheit zur Impe danzmessung und zur Messung einer induzierten Spannung in der mindestens einen Messspule aus, die zur Durchführung eines der zuvor genannten Verfahren einge richtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Stators einer elektri schen Maschine mit einer Messspuleneinheit;

Figur 2a, b jeweils eine Draufsicht auf eine Messspuleneinheit zur Verwendung in einem Luftspalt einer elektrischen Maschine;

Figur 3 ein Ausschnitt eines schematischen Schnittbildes durch eine elektri sche Maschine in radialer Richtung; und

Figur 4 eine gemessene Impedanzkurve, die eine Impedanz einer Messspule im Luftspalt einer elektrischen Maschine widergibt.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Blick in einen Stator 10 einer elektrischen Maschine. Von dem Stator 10 ist lediglich ein Abschnitt entlang seines Umfangs wiedergegeben. Ein zugehöriger Rotor ist in dieser Darstellung nicht wiedergegeben, um Einblick in den Stator 10 gewähren zu können.

Entlang einer inneren Mantelfläche des Stators 10 ist eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Statorzähnen 1 1 zu erkennen. Die Statorzähne 11 sind der in dieser Perspektive sichtbare Teil eines Statorblech pakets. In Nuten des

Statorblechpakets, die die Statorzähne 1 1 voneinander trennen, verlaufen Drähte einer Statorwicklung 12. Durch die Statorwicklung 12 wird im Betrieb der elektri schen Maschine ein Statormagnetfeld, kurz Statorfeld genannt, erzeugt. Das Statorfeld weist umlaufend entlang der Mantelfläche mehrere Pole auf, wobei im Bereich eines jeden Pols jeweils eine Mehrzahl der Statorzähne 1 1 liegt.

Im unteren Teil der Figur sind radial verlaufende Gehäusestäbe zu erkennen, die das Statorgehäuse mit einem zentralen Lagersitz 13 verbinden. In diesem Lager sitz 13 ist im zusammengebauten Zustand der elektrischen Maschine ein Lager für eine Achse des Rotors angeordnet.

Auf einem der Statorzähne 1 1 ist eine Messspuleneinheit 30 angeordnet. Die Messspuleneinheit 30 verläuft entlang der gesamten Länge des Statorzahns 1 1 und ist damit in axialer Richtung parallel zur hier nicht sichtbaren Rotorachse aus gerichtet. Die Messspulenanordnung 30 ist in ihrer Breite der Breite des Stator zahns 1 1 angepasst und ist somit deutlich kleiner als die Breite eines Pols. An dem in der Figur 1 obenliegenden Ende des betreffenden Statorzahns 11 ragt die Messspuleneinheit 30 über den Statorzahn 1 1 und die Wicklung 12 hinaus und mündet in einem Anschlussbereich.

Die Messspuleneinheit 30 ist bevorzugt als eine dünne flexible Folie ausgebildet, die auf dem Statorzahn 1 1 fixiert ist, beispielsweise aufgeklebt ist. Das obere, über den Statorzahn 11 hinausragende Ende kann aufgrund der Flexibilität nach hinten geneigt werden, um den Anschlussbereich im zusammengebauten Zustand der elektrischen Maschine kontaktieren zu können. Die Dicke der Messspuleneinheit 30 liegt bevorzugt in einem Bereich von weniger als 200 pm (Mikrometer) beson ders bevorzugt weniger als 100 pm, um die Messspuleneinheit 30 auch in einer elektrischen Maschine einsetzen zu können, die einen nur schmalen Luftspalt zwi schen Rotor und Stator aufweist.

Die Figuren 2a und 2b zeigen jeweils eine Messspuleneinheit 30, wie sie bei spielsweise bei einem Stator 10 gemäß Figur 1 verwendet werden kann, detaillier ter in einer Draufsicht. Die in den Figuren 2a, b dargestellten Ausführungsbeispiele der Messspuleneinheit 30 entsprechen in ihrem Grundaufbau im Wesentlichen der in Figur 1 verwendeten Messspuleneinheit 30. Um Details besser wiedergeben zu können, ist in den Figuren 2a, b abweichend von der Figur 1 eine Messspulenein heit 30 dargestellt, die gemessen an ihrer Länge breiter ist, als dies im Fall des Ausführungsbeispiels der Figur 1 ist. Die Messspuleneinheit 30 weist jeweils einen länglichen T räger 31 auf, der sich in einen Spulenabschnitt 32 und einem sich daran anschließenden Anschlussab schnitt 33 unterteilen lässt. An einem dem Spulenabschnitt 32 gegenüberliegenden Ende mündet der Anschlussabschnitt 33 in einen Anschlusskopf 34.

Der Spulenabschnitt 32 ist der Teil der Messspuleneinheit 30, der sich entlang ei nem der Statorzähne 1 1 (vergl. Figur 1 ) erstreckt und auf diesem fixiert, bevorzugt aufgeklebt ist. Entlang des Spulenabschnitts 32 ist eine Mehrzahl von Messspulen 35 ausgebildet, die gleichmäßig voneinander beabstandet bzw. in gleichmäßig voneinander beabstandeten Gruppen in Längsrichtung der Messspuleneinheit 30 hintereinander positioniert sind. Die Messspulen 35 sind als spiralförmige

Planarspulen mit rechteckförmigen Windungen ausgebildet. Jede der Messspulen ist bevorzugt zweilagig ausgebildet, wobei eine erste Lage der Figur 2 sichtbar ist und eine zweite Lage mit gleichen Wicklungssinn auf der in der Figur 2 nicht sicht baren Rückseite der Messspuleneinheit 30 angeordnet sind. Zur Verbindung der beiden Lagen untereinander ist im zentralen Bereich einer jeden Messspule 35 eine Durchkontaktierung 36 vorgesehen.

Jede der Messspulen 35 ist mit separaten Zuleitungen 37 mit entsprechenden An schlusskontakten 38 im Anschlusskopf 34 verbunden, um von außen kontaktiert werden zu können. Die Anschlusskontakte sind somit an einer Querseite des Trä gers angeordnet, wodurch alle Messspulen 35 außerhalb des Luftspalts kontaktiert werden können. Bevorzugt liegen alle Anschlusskontakte an einer Querseite. Al ternativ und insbesondere bei elektrischen Maschinen mit einer langen Bauform und/oder bei einer großen Anzahl an Messspulen 35 können auch beide Quersei ten mit Anschlusskontakten 38 versehen sein.

Jeweils eine dem Anschluss einer Messspule 35 dienende Zuleitung 37 verläuft hier sichtbar auf der Oberseite der Messspuleneinheit 30. Eine zweite Zuleitung ist auf der hier nicht sichtbaren Unterseite der Messspuleneinheit 30 angeordnet. Die Zuleitungen 37 auf der Ober- und der Unterseite der Messspuleneinheit 30 verlau fen möglichst deckungsgleich, wodurch sich in den Zuleitungen 37 induzierte Spannungen auf der Ober- und der Unterseite aufheben.

Mit einer dünnen flexiblen Folie als Träger 31 kann die Messspuleneinheit 30 vor teilhaft als eine flexible Leiterplatte (FPC - Flexible Printed Circuit) ausgebildet sein. Sowohl die Messspulen 35 als auch die Zuleitungen 37 sind dabei aus einer auf den Träger 31 aufgebrachten dünnen Metallschicht herausgearbeitet, bevor- zugt in einem Ätzprozess. Auf Ober- und Unterseite der Messspuleneinheit 30 ist nach Strukturierung der Messspulen 35 und der Zuleitungen 37 bevorzugt eine isolierende Abschlusslage, beispielsweise ein Isolierlack aufgebracht. In alternati ven Ausgestaltungen der Messspuleneinheit 30 werden andere leiterbahnbildende Verfahren eingesetzt. In einer alternativen Ausgestaltung ist denkbar, dass zumin dest Teile der Messspuleneinheit 30, z.B. die Messspulen 35, auch unmittelbar, d.h. ohne den T räger 31 , auf den Statorzahn 1 1 aufgebracht sind.

In alternativen Ausgestaltungen kann auch eine mehr als zweilagige Messspule 35 vorgesehen sein, beispielsweise indem ein Stapel von zwei oder mehr Trägerfolien verwendet wird, die aufeinandergelegt den T räger 31 bilden. Mit jeder zusätzlich aufgelegten Folienlage kann eine weitere Spulenlage gebildet werden. Mit zwei aufeinander gelegten Folien als Träger 31 kann beispielsweise eine dreilagige Messspule 35 gebildet werden und mit drei aufeinandergelegten Folien eine vier- lagige Messspule 35 gebildet werden. Je größer die Anzahl der Lagen der Spule, umso höher sind die induzierten Spannungen und umso einfacher bzw. genauer kann eine Auswertung erfolgen. Die Anzahl der Folienlagen und damit der Lagen der Messspulen 35 ist dabei jedoch durch die maximale Dicke der Messspulenein heit 30 sowie des Luftspalts limitiert.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Messspuleneinheit 30 gemäß Figur 2a sind un abhängig voneinander in einem in der Figur oberen Abschnitt einreihig hinterei nander angeordnete Messspulen 35 angeordnet. Diese Messspulen 35 erstrecken sich ausschließlich in axialer Richtung entlang des Luftspalts, in dem die Messspu leneinheit 30 eingesetzt wird. Eine Messspuleneinheit 30 mit nur diesen Spulen 35, ergänzt um die zugeordneten Zuleitungen 37 und Anschlüsse 38 ist für sich ge nommen bereits mit entsprechender Auswertetechnik zur Durchführung eines er findungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Wenn die Messspuleneinheit 30 in Verbindung mit einem segmentierten Rotor eingesetzt wird, der in axialer Richtung mehrere verdreht zueinander ausgerichtete Segmente aufweist, kann einem Segment jeweils eine Messspule 35 oder auch mehrere Messspulen 35 zugeordnet sein. Jeweils zwei Messspulen 35 können dabei mit gegensinnigem Wicklungssinn elektrisch ebenfalls gegensinnig in Reihe geschaltet sein, um einen Einfluss äußerer Störungen zu minimieren. Die Messung der induzierten Spannung kann weiterhin über einen Mittelabgriff von zwei derartig verschalteten Messspulen 35 realisiert werden. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2a ist in dem unteren Abschnitt der Messspu leneinheit 30 eine alternative Anordnung von Messspulen 35‘ wiedergegeben, mit denen ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Bei dieser Anordnung sind in axialer Richtung vorliegend 5 Gruppen von jeweils drei Messspulen 35‘ entlang des Luftspalts verteilt. Je nach dem, auf welche Detailas pekt des erfindungsgemäßen Verfahrens abgestellt wird, ist eine lineare Anord nung in Reihen, wie sie für die Messspulen 35 gezeigt ist, oder eine Anordnung bei der innerhalb einer Gruppe jeweils mehrere Messspulen 35‘ in Drehrichtung des Rotors hintereinander im Luftspalt angeordnet sind, vorteilhaft.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2b sind 5 Gruppen von Messspulen 35 und 35‘ mit je zwei Messspulen 35, 35‘ vorgesehen. Die Messpulengruppen sind zur Ver deutlichung durch gestrichelte Linien voneinander getrennt. Bei dieser Anordnung können vorteilhaft die beiden Messspulen 35, 35‘ einer Gruppe für eine Impe danzmessung so verschaltet werden, dass sich in ihnen induzierte Signale mög lichst aufheben. Für eine Messung der induzierten Spannung wird entsprechend so verschaltet, dass sich die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungen ad dieren.

Die in Figur 2a bzw. b wiedergegebene Messspuleneinheit 30 umfasst Messspulen 35, 35‘ in beiden geeigneten und je nach Anwendungsfall vorteilhafteren Anord nungsgeometrien. Die Signale dieser Messspulen 35, 35’ können gleichzeitig und/oder alternativ ausgewertet werden.

Nachfolgend wird anhand der Figuren 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel eines an wendungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Betriebsparametern beispiel haft anhand einer permanenterregten Synchronmaschine näher erläutert.

Figur 3 zeigt zunächst einen Querschnitt in radialer Richtung, also senkrecht zur Achse einer schematisch angedeuteten elektrischen Maschine. Von dem Quer schnitt ist ein 45 Grad Segment, also ein Achtel des gesamten Querschnitts dar gestellt. Das gezeigte Segment wiederholt sich entsprechend sieben Mal in dem nicht dargestellten Bereich.

Von der insgesamt zylinderförmigen elektrischen Maschine ist im Außenbereich der Stator 10 angedeutet. Konzentrisch zum Stator 10 ist drehbar ein Rotor 20 ge lagert, dessen äußerer Umfang von dem Stator 10 durch einen Luftspalt 14 ge trennt ist. Der Stator 10 ist schematisch und ohne innere Struktur wiedergegeben, Statorzähne (vergleiche Bezugszeichen 1 1 in Figur 1 ) oder eine Statorwicklung (vergleiche Bezugszeichen 12 in Figur 1 ) sind aufgrund der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.

Entlang des Umfangs sind beim Rotor 20 jeweils geometrisch in sich identische Abschnitte 21 ausgebildet, wobei jeder Abschnitt 21 zwei Permanentmagnete 22 aufnimmt, die ein statisches Erregerfeld bilden. Die Permanentmagnete 22 sind in radialer Richtung magnetisiert. In der Figur 3 sind N- bzw. S-Pol der Permanent magnete 22 durch leere bzw. ausgefüllte Bereiche der Permanentmagnete 22 symbolisiert. Die Permanentmagnete 22 eines Abschnitts 21 sind leicht gewinkelt v-förmig zueinander angeordnet, mit im Wesentlichen gleicher magnetischer Aus richtung. Benachbart aneinander angrenzende Abschnitte 21 sind jeweils magne tisch gegensinnig ausgerichtet. Es ergeben sich so die schematisch durch gestri chelt dargestellte Feldlinien verdeutlichten Magnetkreise. Jeweils mittig in jedem Abschnitt wird ein Rotorpol 23 gebildet. Darüber hinaus können Erregerwicklungen vorgesehen sein, in denen ein induziertes Magnetfeld im Betrieb entsteht, durch das höhere Rotormagnetstärken möglich sind, als sie von den Permanentmagne ten 22 hervorgerufen werden können.

Im Luftspalt 14 ist eine Messspuleneinheit 30 positioniert, z.B. die in Figur 2a oder 2b dargestellte Messspuleneinheit 30 mit hintereinander in Luftspalt 14 liegenden Messspulen 35 oder gruppenweise hintereinander und innerhalb der Gruppen ne beneinanderliegenden Messspulen 35‘.

Bei einer Drehung des Rotors 20 gegenüber dem Stator 10 passieren die ver schiedenen Rotorpole 23 die Messspuleneinheit 30 mit ihren Messspulen 35 und/oder 35‘. Entsprechend wird in den Messspulen 35, 35‘ eine Spannung indu ziert, die, wie beispielsweise in der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2015 107666 A1 beschrieben ist, gemessen wird und ausgewertet werden kann.

Anmeldungsgemäß wird zusätzlich bei dem vorliegenden Verfahren eine Impe danz mindestens einer der Messspulen 35, 35‘ ermittelt.

Die Impedanz wird bevorzugt als komplexe Größe bestimmt, die sich aus einem Realteil, der den im Wesentlichen den in der Regel temperaturabhängigen ohm schen Widerstand der Messspulen 35, 35‘ angibt, und einem Imaginärteil zusam mensetzt. Der Imaginärteil der Impedanz ist proportional zur Induktivität der Mess spule 35, 35’, die umgekehrt proportional zu dem magnetischen Widerstand (Re luktanz) des resultierenden magnetischen Kreises ist, in den die Messspule 35, 35‘ eingebunden ist. Bei der vorgesehenen Anordnung der Messspulen 35, 35‘ im Luftspalt 14 der elektrischen Maschine bedeutet das, dass ein während der Messung (siehe unten) in die Messspule 35, 35‘ eingeprägter Strom einen magnetischen Fluss erzeugt, der sich über den Luftspalt 14 hinweg über den Rotor 20 und den Stator 10 der Maschine schließt. Der magnetische Kreis wird sich zumindest zu einem Teil über den Abschnitt des Stators 10 schließen, an dem die Messspule 35, 35‘ angeordnet ist, beispielsweise dem entsprechenden Statorzahn (vergl. 1 1 der Figur 1 ).

Die Reluktanz des entstehenden magnetischen Kreises ist maßgeblich von der Breite des Luftspalts 14 bestimmt, da diese bezüglich des magnetischen Wider stands dominierend gegenüber dem Eisenmaterial von Rotor 20 und Stator 10 ist.

Darüber hinaus ist die Reluktanz beeinflusst durch die im Rotor 20 angeordneten Permanentmagnete 22, da die relative Permeabilität der Permanentmagnete 22 oder auch ggf. von Lufttaschen, die angrenzend an den Permanentmagneten 22 vorgesehen sind, deutlich unter der relativen Permeabilität des sonstigen Materials (typischerweise Elektroblech) des Rotors 20 und des Stators 10 liegt. Weiter ist die Reluktanz abhängig vom Grad der magnetischen Sättigung der Materialien. Da die relative Permeabilität gängiger magnetischer Merkstoffe keine nennenswerte Temperaturabhängigkeit zeigt, ist auch die Reluktanz des magnetischen Kreises im Wesentlichen temperaturunabhängig.

Zusammenfassend bedeutet dies, dass durch Messung der Impedanz der Mess spulen 35, 35‘ die Reluktanz, die ein der Spule zugeordneter magnetischer Kreis zeigt, ermittelt werden kann, wobei diese Reluktanz von der lokalen Luftspaltbreite im Bereich der Messspule 35, 35‘ sowie der Stellung des Rotors 20 sowie ggf. ei ner magnetischen Sättigung abhängig ist.

Figur 4 zeigt eine Impedanzkurve 40, die einen Imaginärteil z‘=lm(z) einer gemes senen Impedanz z einer der Messspulen 35, 35‘ in Abhängigkeit eines Drehwin kels f des Rotors 20 angibt. Der Imaginärteil z‘ der Impedanz z wird auch als Blindwiderstand bezeichnet. Er ist proportional zu einer Induktivität der entspre chenden Messspule 35, 35‘, die wiederum von ihrer Umgebung beeinflusst wird, konkret von der Reluktanz des magnetischen Kreises, in dem sich die Messspule 35, 35‘ befindet.

Zur Messung der Impedanz z wird die Messspule 35, 35‘ mit einem hochfrequen ten Signal angeregt. Um die Signalquelle von einer bei Drehung des Rotors 20 in der Messspule 35, 35‘ induzierten Spannung zu entkoppeln, ist es vorteilhaft, das Signal mit einer hochohmigen Stromquelle einzuprägen, beispielsweise mit einem Transkonduktanzverstärker. Während der Signalanregung werden bevorzugt mit einer Vierleitermessung Strom und Spannung gemessen und daraus die Impedanz der Messspule 35, 35‘ bestimmt. Die Frequenz des hochfrequenten eingekoppel ten Signals ist bevorzugt so zu wählen, dass sie außerhalb eines Frequenzspekt rums liegt, das bei Drehung der elektrischen Maschine im induzierten Signal auf- tritt.

Dabei ist auch die Umrichterfrequenz, mit der Schaltelemente eines Umrichters arbeiten, zu berücksichtigen. Da die Frequenz von Oberschwingungen des Um richters die maximale Grundfrequenz um mehrere Dekaden übersteigen kann, ist es vorteilhaft eine Anregungsfrequenz zu wählen, die zwischen Frequenzmaxima des Schwingungsspektrums des Umrichters liegen. Ganzzahlige Vielfache der Schaltfrequenz des Umrichters sind zu vermeiden. In einer vorteilhaften Weiterbil dung wird die Anregungsfrequenz abhängig von der im Betrieb wechselnden Schaltfrequenz des Umrichters zur Betriebszeit gewählt. So kann dynamisch auch im Betrieb störenden Frequenzen ausgewichen werden.

Das ausgekoppelte Signal wird bevorzugt gefiltert, um Komponenten bei der Anre gungsfrequenz des hochfrequenten Signals zur Analyse auszukoppeln. Dieses kann beispielsweise durch einen bevorzugt schmalbandigen Bandpassfilter ge schehen. Weiter vorteilhaft ist die Verwendung eines (ggf. Dual-phase) Lock-in Verstärkers.

Parallel zur Impedanzmessung kann ein niederfrequenterer Anteil des Signals der Messspulen 35, 35‘ ausgewertet werden, der die in der Spule induzierte Spannung aufgrund einer Drehbewegung angibt. Diese Auswertung liefert Signale, die der in der Druckschrift DE 10 2015 107666 A1 beschriebenen entsprechen. Alle in dieser Druckschrift angegebenen Analyseverfahren zur Berechnung von Betriebsparame tern können folglich bei der hier beschriebenen elektrischen Maschine mit der Messspuleneinheit 30 durch geringfügige Erweiterung der Auswerteschaltung zu sätzlich durchgeführt werden.

Das beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Impedanz der Messspule 35, 35‘ kann an einer oder an mehreren der Messspulen der Messspuleneinheit 30 durch geführt werden. Werden mehrere Messspulen 35, 35‘ vermessen, kann dieses bei geeigneter Signaleinkopplung (z. B. kapazitiv) gleichzeitig erfolgen. Aufgrund un vermeidlicher magnetischer Kopplung ist eine sequenzielle Messung, bei der die verschiedenen Messspulen 35, 35‘ nacheinander vermessen werden, jedoch be vorzugt. Ein sequenzielles Verfahren kann mit Hilfe eines Multiplexers durchge führt werden und bietet den weiteren Vorteil, dass mehrere Messspulen mit einer einzigen Signalquelle und einer einzigen Frequenzanalyseschaltung vermessen werden können.

Wie zuvor erwähnt, ist die Reluktanz des magnetischen Kreises, die sich in der Impedanz z widerspiegelt, abhängig vom Drehwinkel des Rotors 20, da dieser im Hinblick auf die relativen Permeabilitäten, insbesondere durch die eingesetzten Permanentmagnete 22, nicht zylindersymmetrisch ist. Entsprechend spiegelt sich im Verlauf der Impedanzkurve 40, die in der Figur 4 über einen Winkelbereich dar gestellt ist, der gerade den in Figur 3 gezeigten Segment der elektrischen Maschi ne entspricht, die Anordnung der Permanentmagnete 22 und der magnetischen Pole 23 wider.

Die Art des Pols (Nord- bzw. Südpol) ist anhand der Impedanzkurve 40 alleine je doch nicht unterscheidbar. Durch kurze Einprägung von Strom durch den Umrich ter in die Statorwicklung (Bezugszeichen 12, vergl. Figur 1 ) können jedoch Berei che des Rotors 20 abhängig von dem Rotorpol 23 in eine magnetische Sättigung gebracht werden und dadurch unterschieden werden. Bevorzugt wird ein soge nannter l _d - Strom eingeprägt, der kein Drehmoment erzeugt, sodass dieses Ver fahren ebenfalls im Stillstand des Rotors 20 der elektrischen Maschine durchge führt werden kann. Um einen solchen l _d - Strom, der keinen Drehmoment erzeugt, mit der benötigten Phasenlage erzeugen zu können, ist die Drehstellung des Ro tors 20 zumindest auf 180 Grad genau bekannt sein, was in der Regel möglich ist, wenn der Rotor 20 ein so genannter segmentierter Rotor ist und verschiedene Messspulen 35, 35‘ den in axialer Richtung hintereinander angeordneten Rotor segmenten zugeordnet sind.

Weiterhin zeigt sich an dem Kurvenverlauf 40, dass sich wiederholende Merkmale, wie bspw. die Doppelspitzen beim Übergang von einem Rotorabschnitt 21 zum nächsten nicht exakt gleich ausgeprägt sind. Grund hierfür sind kleine Toleranzen im Material der einzelnen Permanentmagnete 22 oder Toleranzen in der genauen Positionierung dieser Magnete innerhalb des Rotors 20. Diese können nach Art einer Signatur verwendet werden, um auch ohne dem Einsatz von Sättigungseffek ten die Rotorposition über den gesamten Drehwinkel von 0 bis 360 Grad eindeutig ermitteln zu können. Der in der Figur 4 gezeigte Kurvenverlauf wiederholt sich bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors 20 mehrfach, beim gezeigten Beispiel acht Mal. Wie er wähnt können kleine Unterschiede im Kurvenverlauf als Signatur einzelner Perma nentmagnete 22 angesehen werden. Aus Symmetriegründen ist jedoch anzuneh men, dass alle Magnetpaare in der Maschine grundsätzlich identisch aufgebaut sind. Stark ausgeprägte Variation der Amplitude innerhalb einer mechanischen Periode beruhen daher in der Regel auf einer Exzentrizität des Rotors 20, die zu einer periodischen Variation der Luftspaltbreite führt.

Auch eine Abnahme der Magnetkraft einzelner der Permanentmagnete 22, ein so genanntes Derating, kann zu einer starken periodischen Schwankung der Amplitu de führen. Exzentrizität und Derating unterscheiden sich in der Regel jedoch durch die Kurvenform der Variation, die bei einer Exzentrizität eher einen sinusförmigen und bei einem Derating einen eher sprunghaften Verlauf zeigt. Eine Beeinflussung des Kurvenverlaufs ist insbesondere in den magnetisch hochgesättigten Bereichen (z.B. in den nach unten weisenden Spitzen in Figur 4) zu beobachten. Eine Ex zentrizität (oder auch Luftspaltänderungen anderer Ursache) sind dagegen im ge samten Signalverlauf zu sehen. Um eine Vermischung mit anderen Ursachen zu vermeiden, kann eine Auswertung in magnetisch schwachgesättigten Bereichen (z.B. den Plateaus in Figur 4) durchgeführt werden.

Durch die Berechnung eines gleitenden Mittelwerts über eine elektrische Periode können die einzelnen signifikanten Spitzen (Peaks) im Kurvenverlauf geglättet werden und es kann beispielsweise eine Kennzahl bestimmt werden, die ein Maß für die Luftspaltbreite in Abhängigkeit des Rotorwinkels (und damit für die dynami sche Exzentrizität) ist.

Dieses ermöglicht es Änderungen der Luftspaltbreite zu detektieren, die in elektri schen Maschinen aus verschiedenen Gründen auftreten können, z.B. einer Aus dehnung des Rotors 20 durch Fliehkrafteinfluss bei hohen Drehzahlen, durch eine thermische Verformung von Rotor 20 und Stator 10 durch Wärmeeintrag, durch eine mechanische Verformung von Rotor 20 und Stator 10 durch äußere Einwir kung und/oder durch eine baulich bedingte Exzentrizität des Rotors (statisch oder dynamisch).

Eine gemessene umlaufende Variation der Luftspaltbreite kann insbesondere ein gesetzt werden, um Ergebnisse weiterer Messungen, die von der Luftspaltbreite abhängig sind, bezüglich der Luftspaltbreite zu kompensieren. Dieses kann z.B. bei der in der Druckschrift DE 10 2015 107666 A1 beschriebenen Messung der Rotortemperator über die Remanenzflussdichte eingesetzt werden. Dabei wird die Amplitude des magnetischen Flusses des Rotors bestimmt, welche ein Maß für die temperaturabhängige Magnetstärke ist. Aus den bekannten Materialeigenschaften ergibt sich somit die Temperatur.

Die anmeldungsgemäße Impedanzmessung bietet weiterhin die Möglichkeit, eine Rotortemperatur bei einer Asynchronmaschine als elektrische Maschine zu be stimmen.

Dazu kann der Widerstand eines Käfigstabs des Rotors der Asynchronmaschine indirekt gemessen werden, indem das Verhältnis aus einem anregenden Magnet feld des Stators und der Antwort des Rotors, also eine resultierende magnetische Flussdichte, bestimmt wird. So kann die Anregung unter Zuhilfenahme des Um richters über die Statorwicklungen eingebracht werden, wobei entweder die dreh momentbildende Stromkomponente oder ein überlagertes Signal genutzt werden kann. Die resultierende magnetische Flussdichte ist vom Strom im Käfigstab ab hängig, der wiederum vom elektrischen Widerstand des Stabs abhängig ist. Da der so ermittelte Käfig-Widerstand stark temperaturabhängig ist, kann von dem elektri schen Widerstand auf die Temperatur geschlossen werden.

In beiden Fällen der Rotor-Temperaturmessung ist der Einfluss der Luftspaltbreite zu kompensieren, was mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erfolgen kann. Grund dafür ist die Abhängigkeit des magnetischen Flusses von der Luftspaltbrei te, da diese maßgeblich den magnetischen Widerstand bestimmt. Hierbei ist ins besondere zu beachten, dass eine Beeinflussung der Messung durch das Feld des Rotors vermieden wird. Dies ist dann gegeben, wenn die Induktivität, d.h. der Ima ginärteil der Impedanz, dann ausgewertet wird, wenn die Messspule durch Dre hung des Rotors außerhalb des Wirkbereichs der Käfigstäbe bzw. der Perma nentmagnete steht. Dies ist durch die hohe Winkelauflösung des Messverfahrens möglich. Bezugszeichen

10 Stator

1 1 Statorzahn

12 Statorwicklung

13 Lageraufnahme

14 Luftspalt

20 Rotor

21 Rotorabschnitt

22 Permanentmagnet

23 Rotorpol

30 Messspuleneinheit

31 T räger

32 Spulenabschnitt

33 Anschlussabschnitt

34 Anschlusskopf

35, 35‘ Messspule

36 Durchkontaktierung

37 Zuleitung

38 Anschlusskontakt

40 Impedanzkurve z Impedanz

z‘ Imaginärteil der Impedanz f Drehwinkel