(57)【要約】本方法においては、マルチ・マスモデルを基礎として電気機械（１）における熱的振舞いをシミュレートする温度モデルが設定される。電気機械（１）の回転速度（ｎ）及び電流（ｉ）が温度モデルの入力量として連続して検出され、軸受（８、９）と対応する軸受損失出力（PL´）及び軸受内輪温度（TIL1´）の少なくとも一方の少なくとも１つが連続して温度モデルから導出される。そして計算で確定された軸受損失出力があらかじめ設定され得る比較値を上回るとき第１の警告表示（W1）が発生される。加えて、計算で確定された軸受内輪温度が所属の計算された軸受外輪温度（TAL1´）に対するあらかじめ設定され得る温度差（ΔT）を上回るとき第２の警告表示（W2）が発生される。それによって、電流（ｉ）及び回転速度（ｎ）を評価するだけで、近寄ることが困難な構成要素、特に軸受（８、９）の熱的振舞いを有利に確定することができる。さらに温度センサ（２、３、４、１２）を電気機械（１）内に組み込む必要がないという有利さがある。
2008528901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（１０）、回転子（９）及び巻線（５）のような複数の構成要素を有する電気機械（１）の少なくとも１つの軸受（８、９）の温度を監視するための方法において、
ａ）マルチ・マスモデルを基礎として電気機械（１）内の熱的振舞いをシミュレートする温度モデルが設定され、
ｂ）温度モデルの入力量として電気機械（１）の回転速度（ｎ）及び電流（ｉ）が連続して検出され、
ｃ）軸受（８、９）と対応する軸受損失出力（PL´）及び軸受内輪温度（TIL1´、TIL2´）の少なくとも一方の少なくとも１つが連続して温度モデルから導出され、
さらに
ｄ）計算で確定された軸受損失出力（PL´）があらかじめ設定され得る比較値を上回るとき第１の警告表示（W1）が発生される、
及び
ｅ）計算で確定された軸受内輪温度（TIL1´、TIL2´）が所属の計算された軸受外輪温度（TAL1´、TAL2´）に対するあらかじめ設定され得る温度差（ΔT）を上回るとき第２の警告表示（W2）が発生される
の少なくとも一方が行われる
ことを特徴とする電気機械の軸受温度監視方法。
【請求項２】
電気機械（１）の構成要素（５、８、９、１０）に属する巻線損失出力（PW´）、磁化損失出力（PM´）及び放熱出力（PU´）並びに軸受損失出力（PL´）が回転速度（ｎ）及び電流（ｉ）に依存して温度モデルから導出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
温度モデルの別の入力量として少なくとも１つの巻線温度（TW）が検出され、その際温度モデルにおいて、計算で確定された巻線温度（TW´）と対応する巻線温度（TW）とができるだけ一致するように、各軸受損失出力（PL´）及び放熱出力（PU´）の少なくとも一方が追従されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
温度モデルの別の入力量として少なくとも１つの軸受外輪温度（TAL1、TAL2）が検出され、その際温度モデルにおいて、計算で確定された軸受外輪温度（TAL1´、TAL2´）と対応する検出された軸受外輪温度（TAL1、TAL2）とができるだけ一致するように、各軸受損失出力（PL´）及び放熱出力（PU´）の少なくとも一方が追従されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの記載の方法。
【請求項５】
計算で確定された損失出力（PL´）が軸受（８、９）の定格損失出力（PN）に正規化（NPL）されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
正規化された軸受損失出力（NPL）があらかじめ設定され得る過負荷率（ULF）と比較されることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
過負荷率（ULF）が少なくとも30％の値であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
軸受輪外部温度と軸受輪内部温度との間のあらかじめ設定され得る温度差（ΔT）が少なくとも80℃の値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
固定子（１０）、回転子（９）及び巻線（５）のような複数の構成要素を有する電気機械（１）の少なくとも１つの軸受（８、９）の温度を監視するための監視装置（１１）において、
ａ）電気機械（１）の回転速度（ｎ）、電流（ｉ）並びに少なくとも１つの軸受外輪温度及び巻線温度（TAL1、TAL2、TW）を検出するための回転速度測定器（１３）、電流測定器（１４）並びに温度センサ（２、３、４、１２）と監視装置（１１）を結ぶための電気入力端（３１〜３４）、
ｂ）第１の警告表示（W1）及び第２の警告表示（W2）の少なくとも一方を出力するための電気出力端（４１、４２）、及び
ｃ）請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法の計算を実行するための、計算ユニット（２１）、減算器（２７）、割り算器（２６）、比較器（２２〜２５）及び電子式記憶装置（２８）のような機能ユニット
を備えることを特徴とする電気機械の軸受温度監視装置。
【請求項１０】
機能ユニットが集積回路として、特に特定用途向け回路として形成されていることを特徴とする請求項９記載の監視装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの軸受（８、９）の温度を監視するため請求項９又は１０記載の監視装置（１１）を有することを特徴とする電気機械。
【請求項１２】
電気出力が少なくとも１kWであることを特徴とする請求項１１記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械の少なくとも１つの軸受の温度を監視するための方法、それと対応する監視装置及びそのような監視装置を有する電気機械。
【０００２】
本発明は、固定子、回転子及び巻線のような複数の構成要素を有する、例えば電動機又は発電機のような電気機械の少なくとも１つの軸受の温度を監視するための方法に関する。本発明はさらに、対応する監視装置及びそのような監視装置を有する電気機械に関する。
【０００３】
独国特許出願公開第10305368 A1号明細書から、電気機械の重要な構成要素が非接触式に作動する温度センサを用いて評価装置によりいわばリアルタイムに監視される方法ないし装置が知られている。
【０００４】
さらに、電気機械の過度に大きい負荷によって、特に軸受が強い疲労ないし強い磨損にかかることが知られている。このことは、軸受及び最終的には電気機械が突然停止することに結びつく可能性がある。
【０００５】
さらに、軸受の外側部分と内側部分との間、いわゆる軸受外輪と内輪、との間の温度差が高過ぎると、熱的応力による軸受の焼付きを生じることがあり得る。そのような温度差、とりわけ約80℃以上の温度差は、磨損を激しく加速し、したがって軸受ないし電気機械全体の突然の停止に導く。そのような大きな温度差の原因は、回転子において反転磁化作用により生じる高い熱損失であり、この熱損失の回転子からの放出は困難でしかない。
【０００６】
たしかに独国特許出願公開第10305368 A1号明細書に記載されているように、例えば回転子のような回転する構成要素の温度を非接触式に検出することも可能である。ただコンパクトな電気機械においては、極度に狭められた空間的な状態が信頼できる測定値の把握を許さない。
【０００７】
したがって本発明の課題は、電気機械内部の測定技術的に近寄ることが困難な箇所においても軸受温度の正確な把握を可能にする方法および監視装置を提示することにある。
【０００８】
本発明の別の課題は、それに合った適切な電気機械を提示することにある。
【０００９】
この本発明の課題は以下のように解決される。即ち、マルチ・マスモデルを基礎として電気機械内の熱的振舞いをシミュレートする温度モデルがあらかじめ設定される。温度モデルの入力量として電気機械の回転速度及び電流が連続して検出され、軸受と対応する軸受損失出力及び軸受内輪温度の少なくとも一方の少なくとも１つが連続して温度モデルから導出される。計算で確定された軸受損失出力があらかじめ設定され得る比較値を上回った場合には、第１の警告通報が発せられる。加えて、計算で確定された軸受内輪温度が所属の計算した軸受外輪温度に対するあらかじめ設定され得る温度差を上回った場合には、第２の警告通報が発せられる。
【００１０】
それと大きな利点が結び付いている。即ち電気機械の制御のために既に手元にある電気機械の電流及び回転速度を評価することによってだけで、近寄ることが困難な構成要素の熱的振舞い、とりわけ軸受の熱的振舞いを確定することができる。さらに、電気機械内に温度センサを組み込まなくてよいという点で有利である。あらかじめ定められ得る臨界軸受損失出力及び臨界軸受温度を上回ったときに行われる警告に従い、当該軸受は運転上の適切な時点に交換することができる。それによって電気機械並びに場合によってはこの電気機械と結ばれた状態にある設備の突然の停止を防ぐことができる。
【００１１】
特に、電気機械の構成要素に関連する巻線損失出力、磁化損失出力及び放熱損失出力並びに軸受損失出力は、回転速度及び電流に依存して温度モデルから導き出される。温度モデルにおいては、特に電気機械の各構成要素の、熱伝導度、比熱容量、電気コンダクタンス、並びに磁気損失数が保管される。これらの材料に依存するパラメータは、例えば試験で測定技術的に確定されるか、又は適切なCADシステムから導き出すことができる。それによって、本発明の方法は、材料に依存するパラメータを変更することにより、電気機械の種々の構造様式に適用することができる。
【００１２】
場所に関するより正確な温度決定及び軸受損失出力のより正確な確定は、温度モデルの別の入力量として少なくとも１つの巻線温度が検出されると有利に可能である。そのため、温度モデルにおいて、計算で確定された巻線温度が対応する巻線温度とできるだけ一致するように、各軸受損失出力及び周囲への放熱損失出力の少なくとも一方が追従される。このような制御によって、温度モデルの再調整が有利に行われる。通常は、損失熱が放出される周囲温度が一定と仮定される場合にはそれで充分である。より充分な要求に対しては、周囲温度を検出することも可能である。
【００１３】
さらに、精度を高めるため温度モデルの別の入力量として少なくとも１つの軸受外輪温度を検出することができる。そのため温度モデルにおいて、計算で確定された軸受外輪温度が対応する検出された軸受外輪温度とできるだけ一致するように、各軸受損失出力及び放熱損失出力の少なくとも一方が追従される。
【００１４】
計算で確定された軸受損失出力は定格損失出力に正規化されてもよい。それによって、より簡単な比較可能性が、とりわけ正規化された軸受損失出力があらかじめ設定され得る過負荷率と比較される場合には、より簡単な比較可能性が与えられる。過負荷率はそのためパーセント値で示されるのが有利である。
【００１５】
過負荷率は少なくとも30％の値であるのが有利であり、その結果軸受の交換までのリードタイムがなお充分ある場合に、軸受摩損の十分に正確な確認が可能である。
【００１６】
軸受輪外部温度と軸受輪内部温度との間のあらかじめ設定され得る温度差は少なくとも80℃の値であるのが有利である。それによってこの場合も軸受の交換までのリードタイムがなお充分ある場合に、軸受摩損の十分に正確な確認が可能である。
【００１７】
本発明に従う方法は、計算ユニット、減算器、割り算器、比較器及び記憶装置のような監視装置の機能ユニットにより有利に実行することができる。そのような機能ユニットは集積回路として、特に特定用途向け回路として形成することができる。そのような特定用途向け回路は、例えばマイクロコントローラ又はPLD（プログラム論理デバイス）であってよい。
【００１８】
軸受温度を監視するため、電気機械がそのような監視装置を備えるのが有利である。コンパクトな構造様式によって、この監視装置は電気機械の例えば電気接続領域に格納することができる。
【００１９】
監視装置は少なくとも１kWの電気出力の電気機械に対し適している。それ以下の出力範囲の電気機械に対しては、事情によっては電気機械全体の交換のほうがより迅速で経済的であろう。
【００２０】
本発明を図面について詳細に説明する。
【００２１】
図１は模範的に表された電気機械１の縦断面及び模範的な監視装置１１を示し、その監視装置１１は既に模範的に電気機械１の２つの軸受外輪温度TAL1、TAL2及び巻線温度TWを検出するための温度センサ２、３、４と結ばれている。電気機械１はその際例えば電動機又は発電機であってよい。縦断面にはさらに、軸９´を有する回転子７及び巻線５を有する固定子６が表示されている。軸９´には模範的にファン１０が取り付けられ、このファンは電気機械１の回転速度ｎに依存して電気機械を冷却する。電気機械１の軸９´は２つの軸受８、９を介して支承されている。符号８１、９１で各軸受８、９の軸受外輪、符号８２、９２で各軸受８、９の軸受内輪が示されている。両温度センサ２、３は各軸受外輪温度TAL1、TAL2を検出するために用いられる。それ故両温度センサはできるだけ各軸受外輪８１、９１に近く配置されている。巻線５内には巻線温度TWを検出するため別の温度センサ４が挿入されている。図の例では周囲温度TUを検出するため温度センサ１２が破線で示されている。冒頭に述べたように、多くの場合この温度センサ１２はなくてもよい。
【００２２】
模範的な監視装置１１は、本発明に従えばさらに、電気機械１の回転速度ｎを検出するための回転速度測定器１３及び電流ｉを検出するための電流測定器１４と結ばれている。先に述べたように、これらの測定器を介して電気機械１の負荷率及びそれと結び付く電気機械内の熱出力損害の標準的な確定が行われる。W1及びW2で第１及び第２の警告表示を示し、これらの警告表示は、軸受損失出力に対する許容値を上回ったとき、また軸受外輪８１、８２と軸受内輪９１、９２との間の許容温度差を上回ったとき出力される。
【００２３】
図２は本発明の方法を実施するための有利な実施形態に従う監視装置１１の模範的な機能説明図を示す。監視装置１１はこのため計算ユニット２１、減算器２７、割り算器２６、比較器２４、２５及び記憶装置２８のような機能ユニットを備える。なかんずく計算ユニット２１及び比較器２２、２３を有するモデリングユニット２０は、電気機械１の温度モデルの計算を実行するために用いられる。計算ユニット２１は、監視装置１１の電気入力端３２、３３を介して回転速度ｎを検出するための回転速度測定器１３及び電流ｉを検出するための電流測定器１４と接続されている。これらの量ｎ、ｉから、計算ユニット２１は連続して先に述べた損失出力を確定する。これらの損失出力は、磁化損失出力PM´、巻線損失出力PW´、周囲への放熱出力PU´、並びに模範的に、理解をよくするため軸受損失出力PL´のみである。第２の軸受９に属する符号TAL2、TAL2´、TIL2´はそれ故括弧でくくられている。加えて計算ユニット２１は連続して、軸受８に所属する軸受内輪温度TIL1´、軸受外輪温度TAL1´、及び巻線温度TW´を確定する。
【００２４】
本発明に従えば、計算で確定された巻線温度TW´及び計算で確定された軸受外輪温度TAL1´はそれぞれ比較器２２、２３に与えられ、これらの比較器は計算で確定された温度TW´、TAL1´を測定技術で検出された温度TW、TAL1と比較する。そのため所属の温度センサ２、４は電気入力端３１、３４を介して各比較器２２、２３と接続されている。その各比較結果はそれから再び計算ユニット２１に導かれる。計算ユニット２１は、確定された軸受損失出力PL´及び周囲への放熱出力PU´の追従によって比較値を最小にしようとするいわば制御器としての役割をする。
【００２５】
さらに監視装置１１は電子的記憶装置２８を有するのが有利であり、この記憶装置から、モデル形成のため、計算ユニット２１は例えば熱伝導係数λν及び比熱伝導容量cνのような機械特有の値及び材料特有の値を加えられ得る。
【００２６】
本発明に従えば、計算で確定され追従される軸受損失出力PL´があらかじめ設定され得る比較値と比較される。前もって軸受損失出力PL´が割り算器２６を用いて定格損失出力PNに正規化される。この正規化された軸受損失出力NPLは最後に比較器２４を用いて過負荷率ULFと比較される。上回る場合には、比較器２４は第１の警告表示W1を発生し、この警告表示は電気出力端４１に別の評価のために待機する。
【００２７】
それと並行して、減算器２７を用いて、計算で確定された軸受内輪温度TIL1´と好ましくは測定された軸受外輪温度TAL1との間の差が形成される。それに代えて、測定された軸受外輪温度TAL1の代わりに計算で確定された軸受外輪温度TAL´を差形成に引き入れることも可能である。次いで確定された温度差があらかじめ設定され得る温度差ΔTと比較される。上回る場合には比較器２５は第２の警告表示W2を発生し、この警告表示は電気出力端４２に別の評価のため待機する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】温度センサと接続された本発明の電気機械の縦断面図である。
【図２】本発明の方法を実施するための監視装置の機能説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  電気機械
２、３、４  温度センサ
５  巻線
６  固定子
７  回転子
８、９  軸受
８１、９１  軸受外輪
８２、９２  軸受内輪
９´  軸
１０  ファン
１１  監視装置
１２  温度センサ
１３  回転速度測定器
１４  電流測定器
２０  モデリングユニット
２１  計算ユニット
２２、２３、２４、２５  比較器
２６  割り算器
２７  減算器
２８  記憶装置
３１、３２、３３、３４  電気入力端
４１、４２  電気出力端
ｎ  回転速度
ｉ  電流
PL´  軸受損失出力
PM´  磁化損失出力
PU´  放熱出力
PW´  巻線損失出力
TIL1、TIL1´、TIL2、TIL2´  軸受内輪温度
TAL1、TAL1´、TAL2、TAL2´  軸受外輪温度
TW、TW´  巻線温度
【図１】
2008528901.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
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2008528901.tif 000006
2008528901.tif 000007
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