antriebstechnik 1-2/2018

Temperatur in [°C]
Temperatur in [°C]
SENSORIK UND MESSTECHNIK
02
Messergebnisse: Querebenen
03
Messergebnisse: Mäander
160
Temperaturverteilung in der Querebene der Nut
Oben
Mitte
Unten
80
Temperaturverteilung Längsebene der Nut
Meander
Stahl Oben
Stahl Unten
140
70
120
60
100
50
80
40
60
30
40
20
20
10
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Position Quer zur Nut [cm]
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Position in der Nut [cm]
Messaufbau
Das faseroptische Temperaturmesssystem (DTS) arbeitet nach dem
Puls-Echo-Verfahren. Die Position des Messpunktes wird durch die
Laufzeit des Lichtimpulses bestimmt. Die Temperaturinformation
kann aus dem rückgestreuten optischen Spektrum berechnet werden.
Das Verhältnis zwischen Stokes und Anti-Stokes Signal ist von
der Temperatur abhängig und wird durch die Signalverarbeitung
im Messgerät ausgewertet [2].
Es kommen zusätzliche diskrete Temperatursensoren zum Einsatz,
damit die gewonnenen Messdaten der optischen Sensoren verifiziert
werden können. Zur Vereinfachung der Messung und zur
Reduzierung des Aufwandes beim Bau des Prüfstandes, wird die
Messanordnung als lineare Stator Geometrie ausgeführt. Diese Anordnung
bietet ausreichend Platz, um die diskreten und faseroptischen
Sensoren auch innerhalb der Wicklungen einbauen zu können.
Ergebnisse
Für den Messaufbau werden die nachfolgenden Ergebnisse ermittelt:
Der Aufbau wird mit einer konstanten Leistung von 1 500 W in
Form von Kupferverlusten aufgeheizt. Die Unterseite der Anordnung
wird mit einem konstanten Luftstrom von zwölf 120 mm Lüftern
gekühlt. Durch diesen Luftstrom wird der Gradient im Inneren
des Aufbaus verstärkt und es entsteht eine Asymmetrie im Temperaturprofil
entlang der Nut.
Die Anlage wird bis zur thermischen Beharrung aufgewärmt. Es
wird die Temperaturverteilung längs und quer in der mittleren Nut
gemessen. Die Querrichtung ist die kurze Seite und die Längsrichtung
entspricht der Paketlänge des Linearstators.
Es haben sich nun folgende Temperaturverhältnisse eingestellt:
Auf der Querebene der Nut liegt die Zone der höchsten Temperatur
im oberen Drittel der Spule. In Längsrichtung der Anordnung hat
sich die Zone der höchsten Temperatur von der Mitte der Spule in
Richtung des Luftstroms zum Ende hin verschoben. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass der vordere Teil stärker durch den anfangs
noch kalten Luftstrom abgekühlt wird. Es gibt einen Temperaturgradienten
von der Mitte aus zum Rand der Anordnung mit Symmetrie
in Querrichtung. Der Anfang der Anordnung ist kühler als
das Ende, welches in Richtung des Luftstromes liegt.
Der Temperaturverlauf in Längsrichtung der Nut (im eingeschwungenen
Zustand) lässt sich mit den faseroptischen und diskreten Sensoren
nachweisen. Die Ortsauflösung des faseroptischen Systems
kann von 1 m auf 10 cm reduziert werden. Dazu wird die Glasfaser auf
eine bestimmte Weise in der Nut verlegt. Die diskreten Sensoren untermauern
die gewonnenen optischen Messergebnisse. Die Querrichtung
der Nut wird durch sechs Glasfaserbündel und neun diskrete
Sensoren, welche gemeinsam in einer Ebene angeordnet sind, abgedeckt.
Eine Lokalisierung von Hotspots ist somit auch quer zur Nut
möglich. Das System ermöglicht es somit – sowohl quer, als auch längs
zur Nut – den Temperaturgradienten zu erfassen. Die Ortsauflösung
der Messung ist so fein, dass auch die Kühlwirkung der Montageträger
im Temperaturverlauf, in Form von lokalen Minima, sichtbar wird.
Fazit
Die Vorarbeiten der RFH Köln im Bereich der örtlich verteilten Temperaturmessung
innerhalb elektrischer Maschinen wurden getätigt,
damit künftige F&E-Aktivitäten in Kooperation mit Anwendern besser
positioniert werden können. Es ist möglich eine mittlere Temperatur
im Inneren der elektrischen Maschine unter Verwendung von
Glasfasertechnik zu messen. Die Messmethode kann auf die Größe
einer elektrischen Maschine angepasst werden. Erreicht wird dies
durch eine geschickte Verlegetechnik, welche die Ortsauflösung des
optischen Temperaturmessgerätes besser ausnutzt.
www.rfh-koeln.de
Literaturverzeichnis:
[1] DIN EN 60034, Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten, 2011
[2] R. Engelbrecht, Nichtlineare Faseroptik, Springer Vieweg 2014
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