Wenn Hitze zur Gefahr wird

Die Temperaturüberwachung in elektrischen Maschinen ist ein essenzieller Bestandteil sowohl der Entwicklung als auch des Betriebs dieser Maschinen. Sie spielt eine zentrale Rolle für die Leistung, Lebensdauer und Effizienz der Maschinen und trägt dazu bei, unerwünschte Ausfälle und Schäden zu vermeiden. 

Warum die Temperaturkontrolle in elektrischen Maschinen so wichtig ist und welche Rolle telemetrische Systeme bei der Übermittlung dieser Daten spielen, soll hier näher erläutert werden. 

Die Bedeutung der Temperaturüberwachung 

Elektrische Maschinen, wie Motoren, Generatoren oder Transformatoren, sind oft hochbelastet und arbeiten unter anspruchsvollen Bedingungen. Temperatur ist dabei ein wichtiger Faktor, der die Effizienz, das Verhalten und die Lebensdauer dieser Maschinen beeinflusst. Hier sind einige Gründe, warum die Temperaturüberwachung so entscheidend ist: 

a) Vermeidung von Schäden 

Elektrische Maschinen erzeugen bei ihrem Betrieb Wärme, insbesondere durch die Verluste, die durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen, Magnetfelder und mechanische Reibung entstehen. Wenn die Temperatur zu hoch wird, kann dies zu einer Überhitzung führen. Übermäßige Hitze kann die Isolierung von Drähten und anderen Komponenten beschädigen und die strukturelle Integrität der Maschine gefährden. Je nach Maschinentyp können zu hohe Temperaturen auch zur Entmagnetisierung des Rotors führen. Dies könnte letztlich zu einem Ausfall der Maschine führen. Eine kontinuierliche Überwachung der Temperatur ermöglicht eine frühzeitige Erkennung von Überhitzung und das rechtzeitige Eingreifen, um Schäden zu verhindern. 

b) Steigerung der Leistung und Effizienz 

Die Leistung und Effizienz einer elektrischen Maschine sind direkt mit ihrer Betriebstemperatur verknüpft. Hohe Temperaturen führen in der Regel zu höheren Verlusten (z. B. durch Widerstände) und können die Energieeffizienz der Maschine erheblich beeinträchtigen. Eine konstante Temperaturüberwachung hilft, den optimalen Temperaturbereich für den Betrieb der Maschine aufrechtzuerhalten und so ihre Effizienz zu maximieren. 

c) Verlängerung der Lebensdauer 

Je höher die Betriebstemperatur, desto kürzer wird in der Regel die Lebensdauer der einzelnen Komponenten einer elektrischen Maschine, insbesondere der Isolierungen und der Wicklungen. Temperaturüberwachung hilft, den Verschleiß von Komponenten zu kontrollieren und somit Ausfälle aufgrund von Materialermüdung zu vermeiden. Eine präventive Überwachung der Temperatur ermöglicht es, rechtzeitig Wartungsmaßnahmen zu ergreifen, um die Lebensdauer der Maschine zu verlängern. 

Warum Temperaturüberwachung in der Entwicklung wichtig ist 

Während der Entwicklung elektrischer Maschinen ist die Überwachung und das Validieren der Temperaturgrenzen entscheidend, um sicherzustellen, dass die Maschine unter den beabsichtigten Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass alle Komponenten und Materialien der Maschine den thermischen Belastungen standhalten, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind. 

a) Prototypen und Tests 

Während des Entwicklungsprozesses werden verschiedene Prototypen und Designkonfigurationen getestet, um die bestmögliche thermische Performance zu gewährleisten. Mit Hilfe der Temperaturüberwachung können Ingenieure Fehlerquellen und Schwachstellen im Design frühzeitig erkennen und die Maschine entsprechend anpassen. Dies ist besonders wichtig, um sicherzustellen, dass das endgültige Produkt unter realen Betriebsbedingungen zuverlässig und effizient funktioniert. 

b) Einhaltung von Normen und Sicherheitsanforderungen 

Viele elektrische Maschinen müssen internationalen Normen und Sicherheitsanforderungen entsprechen. Diese beinhalten häufig strenge Vorschriften zur maximalen Betriebstemperatur und der sicheren Handhabung von Wärmequellen. Die kontinuierliche Temperaturüberwachung während der Entwicklung stellt sicher, dass diese Vorschriften eingehalten werden, was die Zulassung der Maschine für den Markt ermöglicht. 

Telemetrische Systeme zur Übermittlung der Temperaturdaten 

Um eine kontinuierliche und effiziente Temperaturüberwachung zu gewährleisten hat Atesteo das telemetrische Systeme IRTS entwickelt. 

Der Systemaufbau des IRTS-Systems hängt vom Anwendungsfall ab. Aktuell unterstützt IRTS drei Systemtypen, die in drei verschiedene Arten von Anwendungsfällen genutzt werden können: die Integration von IRTS in einen Prüfling mit rotierenden Teilen, die Montage von IRTS auf rotierenden Wellen sowie die Kombination von IRTS mit einem Drehmomentmessflansch. 

Die IRTS-Serie verfügt über die typischen Telemetriekomponenten: Rotor, Stator und Auswerteeinheit. Am Rotor werden die Thermoelemente angeschlossen, die die Temperaturen an den rotierenden Teilen messen. Bis zu 16 Thermoelemente können an die Rotorelektronik angeschlossen werden. Die Stromversorgung und der Datenaustausch zwischen Rotor und Stator erfolgt berührungslos mit bewährter Telemetrietechnologie. Die Verarbeitung der digitalen Messdaten findet in der 
Auswerteeinheit (TCU5-IRTS) statt, die CAN-Bus-Nachrichten oder bis zu vier analoge Spannungssignale generiert. Die Konfiguration des Systems kann über eine Ethernet-Schnittstelle (Website) erfolgen. Das System enthält Fehler-Erkennungen wie Kabelbrucherkennung. Eine Kaltstellenkompensation ist ebenfalls integriert. 

Integration in einen Prüfling 

Die Integration in einen Prüfling ist die individuellste und komplexeste Lösung. Das Rotor- und Statordesign wird nach Kundenwunsch passend zum Prüfling erstellt werden. Unsere erfahrenen Konstrukteure unterstützen den Kunden dabei, die richtige Position für die Integration der Träger zu finden. Unsere Experten des Elektronik-Teams designen Leiterplatten gemäß dem neu gestalteten Rotor/Stator. Sobald das individuelle Design fertig ist, abgenommen wurde und gefertigt ist, kann es von Atesteo in den Prüflingskörper eingebaut werden. Dies ist Instrumentierung auf höchstem Niveau. 

Die Halbschalen-Lösung 

Die Lösung mit Halbschalen kann auf Wellen eines Antriebsstrangs aufgesteckt werden. Diese Lösung ist am besten, wenn die Zeit knapp ist und der Platz groß ist. Der Rotor kann mit kundenspezifischen Innenlochdurchmessern konstruiert werden, um ihn an den vorhandenen Kundenwellen anzupassen. Ein 3D-Druck des Rotors ermöglicht eine schnelle Herstellung des komplexen Rotordesigns. Nach kleineren Änderungen am Stator, passt dieser zum Rotor. Die Montage am Prüfstand ist dank der Halbschalen einfach. Der Rotor wird um die Welle geklemmt und mit Schrauben gesichert. Die Thermoelemente werden mit den mitgelieferten Steckern verbunden. So kann die Montage komplett ohne Löten erfolgen. 

Kombination mit hochpräziser Drehmomentmesswelle  

Eine weitere Lösung für Prüfstände ist die Kombination des Temperaturtelemetriesystems IRTS mit einer Atesteo Drehmomentmesswelle. Hierzu wurden die hochgenauen Drehmomentmessflansche der DF ibex-Serie entwickelt. Diese haben einen ausgeklügelten Messkörper, einen teilbaren Ringstator und eine digitale Datenübertragung. Der zusätzliche Überlastkanal der DF-Produktfamilie überträgt Messwerte bis zu 300% vom Nennmoment. Auch die Rotortemperatur wird übertragen. Die Flanschabmessungen der DF-Familie entsprechen der DIN-Norm und sind kompatibel mit vergleichbaren Konkurrenzsystemen.