Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Temperaturüberwachungsvorrich tung sowie ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer Motorwicklung eines Elektromotors.

Es gibt im Stand der Technik diverse sensorgebundene Lösungen zur Überwachung der Motortemperatur bzw. der Temperatur der Motorwicklungen. Bekannte Verfahren oder Maßnahmen sind die Verwendung von Thermofühlern, Kalmanfilter, Sensoren oder mittels mathematischer Modelle.

Bei einer Verwendung von Sensoren wie Thermoschalter oder Thermofühler, welche die Temperatur insbesondere an den Wicklungen des Elektromotors messen, wird die Temperatur einerseits nur lokal erfasst und besteht ein Montageaufwand die Sensoren an geeigneter Stelle zu montieren. Um eine effiziente Temperaturüberwa- chung zu ermöglichen, ist bekannt, aus den punktuell erfassten Temperaturwerten mithilfe von thermischen Modellen eine Temperaturverteilung zu berechnen. Hierfür ist jedoch teilweise eine hohe Rechenleistung und eine Prozessverarbeitung erforderlich, wodurch die für die Berechnungen notwendige Hardware teuer ist und einen großen Platzbedarf hat. Hinzukommt, dass die thermischen Modelle, auf deren Grundlage die Temperaturverteilung berechnet wird, fehlerhaft sein können und meist nicht auf Veränderungen der Bedingungen angepasst werden können und teil weise auch nicht anpassbar sind. Beispielsweise kann eine berechnete Temperaturverteilung durch Verschleiß oder durch durchgeführte Wartungsmaßnahmen von der tatsächlichen Temperaturverteilung abweichen.

Ein weiterer Nachteil diverser im Stand der Technik bekannter Methoden unter Verwendung von Sensoren und Thermoschaltern liegt in der technisch bedingten Alte rung und demnach in einer begrenzten Lebensdauer.

Wünschenswert wäre daher eine Lösung, die kostengünstig zu realisieren ist, wenig Bauraum benötigt, eine hohe Lebensdauer mit konstanten Bedingungen aufweist und zuverlässig eine Temperaturerfassung ermöglicht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und kostengünstig realisierbare Temperaturüberwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung von Motorwicklungstemperaturen bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 ge löst.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Elektromotor mit einem Stator mit Motorwicklungen und mit einer Temperaturüberwachungsvorrichtung zur Überwachung der Temperatur wenigstens einer Motorwicklung vorgeschlagen, wobei die Temperaturüberwachungsvorrichtung eine (isolierte) Messleitung im Bereich der Motorwicklung aufweist, die sich von einem Anschluss zur Einkopplung eines elektromagnetischen Im pulses oder Signals bis zu einem Messleitungsende erstreckt, wobei die Tempera turüberwachungsvorrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Impulses oder Signals aufweist sowie eine Messeinrichtung zum Messen der Signallaufzeit in der Messleitung sowie eine Auswerteeinheit aufweist, die ausgebildet ist, aus der jeweils gerade aktuell erfassten Signallaufzeit (Impulslaufzeit) die aktuelle Temperatur der Motorwicklung zu bestimmen.

Die Laufzeit ist über die temperaturabhängige Permitivität des Dielektrikum des impulsleitenden Mediums (hier: Messdrahtanordnung mit Isolation) wiederum selbst eine temperaturabhängige Größe. Durch Messen der Laufzeit des eingebrachten Impulses lässt sich daher die Temperatur über eine Auswertung ermitteln.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messleitung entlang eines Statorabschnittes des Stators (vorzugsweise einem Statorzahn) im Bereich einer zu überwachenden Motorwicklung angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass einerseits die Bewicklung des Statorzahns mit der Messleitung analog der eigentlichen Motorwicklung erfolgen kann und ferner die Messung unmittelbar im Be reich der Motorwicklung erfolgt, deren Temperatur zu erfassen ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messleitungsende mit einem Abschlusswiderstand abgeschlossen bzw. ausgebildet ist. Als Abschlusswiderstand wird die technische Ausführung eines hochfrequenz tauglichen Widerstands bezeichnet, der z. B. für Messzwecke oder zur Vermeidung von Reflexionen als Last am Ende einer Leitung angeschlossen wird. Abschlusswi derstände sollten besonders induktionsarm aufgebaut sein, daher kommen auch Massewiderstände zum Einsatz. Insofern kann das Messleitungsende direkt mit einem die zu überwachende Motorwicklung tragenden Statorzahn verbunden werden, der dann als Abschlusswiderstand wirkt.

Es ist weiter von Vorteil, wenn zunächst die Messleitung um einen Statorzahn, mit dem die Motorwicklung später umwickelt wird, gewickelt wurde. Somit liegt die Mess leitung im Inneren der Motorwicklung und kann mit dem gleichen Wickelverfahren bzw. der Wickeltechnik wie die Motorwicklung um den Statorzahn gewickelt werden, was fertigungstechnische und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass eine minimal zulässige Laufzeit t _mjn vorgegeben (und vorzugsweise dauerhaft gespeichert) ist und die Auswerteeinheit bei Unterschreiten dieser Laufzeit t _mi n die Spannungsversorgung vom Motor trennt oder die Stromaufnahme auf einen entsprechend niedrigeren Wert reduziert. Dies kann z. B. bei einer Impulsgeschwindigkeit von weniger als 1/100 der Lichtgeschwindigkeit der Fall sein. So kann für die Länge der relevanten Messstrecke eine entsprechende Laufzeit als Grenzwert definiert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laufzeit des Impulses mittels eines Rechenoperators aus der von der Permitivität abhängigen Impulsgeschwindigkeit bei einer bekannten Messleitungslänge auf Basis der folgenden Funktion mit der Auswerteeinheit ermittelt wird:

mit den folgenden Größen:

L ^* : der induktive Leitungsbelag

C*: der kapazitive Leitungsbelag

s _r : relative Permitivität

e ₀ : elektrische Feldkonstante

m _G: relative Permeabilität

m _0: magnetische Feldkonstante.

In einer ersten Näherung ergeben sich dabei Werte zwischen 1/50 und 1/100 der Lichtgeschwindigkeit c aus der folgenden Näherungsgleichung für einen beispielhaf ten Isolator (hier Bariumtitanat):

In der Figur 3 der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele findet sich der funktionale Zusammenhang der Dielektrizitätskonstante zur Temperatur.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dazu vorgesehen, dass die mit einer Motorwicklung jeweils umwickelten Statorzähne des Elektromotors mit einer

Bariumtitanatschicht (BaTi03-Beschichtung) versehen sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur wenigstens einer (vorzugsweise jedoch aller) Motorwicklungen eines wie zuvor beschriebenen Elektromotors, welches folgenden Schritte um fasst: a. Erzeugen eines Impulses mittels der Signalerzeugungseinrichtung und

Einkopplung des Impulses in die Messleitung, b. Erfassen der Impulslaufzeit des Impulses in der Messeleitung, c. Bestimmen der aktuellen Temperatur der Motorwicklung mittels der Auswerte einheit aus der Signallaufzeit.

Es ist von Vorteil, wenn dabei bei Erreichen einer Grenztemperatur und zwar bei Unterschreiten einer vordefinierten Impulslaufzeit, vorzugsweise bei Unterschreiten von einem Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit ein Stromfluss durch die Motorwicklungen unterbrochen oder reduziert oder die Spannungsversorgung des Motors kom plett getrennt wird.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevor zugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 2 ein Detail aus der Figur 1 , die einen exemplarischen Statorzahn mit ei ner Messleitung zeigt und Fig. 3 zeigt den funktionalen Zusammenhang der Dielektrizitätskonstante von

Bariumtitanat (BaTio3) zur Temperatur.

In Figur 1 ist ein Elektromotor in schematischer Darstellung mit einem Stator 1 mit Motorwicklungen 2 und mit einer Temperaturüberwachungsvorrichtung 10 gezeigt. Die Temperaturüberwachungsvorrichtung 10 verfügt zur Überwachung der Tempera tur der jeweiligen Motorwicklungen 2 über eine jeweilige Messleitung 20, die im Be reich der jeweiligen Motorwicklung 2 angeordnet ist, wie im Detail der Figur 2 zu erkennen ist.

In dem Detail der Figur 2 ist die Messleitung 20 um einen Statorzahn 11 herum gewickelt und zwar unterhalb der eigentlichen Motorwicklung. Das bedeutet, dass die Messleitung als Wicklung um den Zahn herum an einer Bariumtitanatschicht geführt ist. Die Messleitung 20 erstreckt sich von einem Anschluss 21 zur Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses oder Signals bis hin zu einem Messleitungsende 22, an dem ein Abschlusswiderstand 23 angebracht ist.

Die Temperaturüberwachungsvorrichtung 10 verfügt ferner über eine Signalerzeugungseinrichtung 30 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Impulses oder Signals sowie über eine Messeinrichtung 40 zum Messen der Signallaufzeit in der Messleitung 20.

Darüber hinaus ist eine Auswerteeinheit 50 vorgesehen, die ausgebildet ist aus der jeweils gerade aktuell erfassten Signallaufzeit die aktuelle Temperatur der jeweiligen Motorwicklung 2 zu bestimmen.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Statorzahn mit einer Beschichtung B aus Bariumtitanat (BaTi03) beschichtet. Die Figur 3 zeigt den funktionalen Zusammenhang der Dielektrizitätskonstante von Bariumtitanat (BaTio3) zur Temperatur. Dabei zeigt sich in dem Bereich um 120°C ein signifikanter Anstieg der Permitivität. Kommt die Wicklungstemperatur und damit die Temperatur des Bariumtitanats in die Nähe von 120°C ändert sich demnach die Impulsgeschwindigkeit von ca. c/50 auf ca. c/100, was mit einer herkömmlichen Messvorrichtung zum Messen von Impulslaufzeiten erfasst werden kann. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der erläuterten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.