DE102017006952A1

DE102017006952A1 - Verfahren zur Erfassung der Temperatur des Läufers mit induktiver Energieversorung einer fremderrregten Synchronmaschine und System

Info

Publication number: DE102017006952A1
Application number: DE102017006952.2A
Authority: DE
Inventors: Marcel Maier; Patrick Kleemann; Nejila Parspour
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturerfassung einer Last in einem Resonanzsystem, wobei die Last durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei das induktive Energieübertragungssystem einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis aufweist, die miteinander induktiv gekoppelt sind und jeweils ein kapazitives Glied und ein induktives Glied aufweisen; wobei das Resonanzsystem zumindest die Last und das induktive Energieübertragungssystem umfasst; gekennzeichnet durch die Schritte: Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz oder einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz, wobei die Erregerfrequenz einer Resonanzfrequenz des Resonanzsystems entspricht, und wobei die Resonanzfrequenz des Resonanzsystems vom Widerstand der Last abhängt; und Bestimmen der Temperatur der Last basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, einen Resonanzwandler und einem Mittel zum Ermitteln der Temperatur der Last.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Temperatur einer durch ein induktives Energieübertragungssystem betriebenen Last und ein dazu geeignetes System umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, einen Resonanzwandler und einem Mittel zum Ermitteln der Temperatur der Last.
Hintergrund der Erfindung
Drahtlose Energieversorgung von Geräten und Bauteilen kann mittels induktiver- und/oder kapazitiver Nahfeldkopplung realisiert werden. Kontaktlose, induktive Energieübertragungssysteme besitzen zwei Resonanzkreise mit zwei induktiv gekoppelten Spulen, die eine Energieübertragungsstrecke ausbilden. Durch Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds mithilfe der Spule im ersten Resonanzkreis wird Energie auf die Spule im zweiten Resonanzkreis übertragen und einem Verbraucher zugeführt. Die Resonanzkreise sind auf die im Wesentlichen selbe Resonanzfrequenz abgestimmt, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Typische Anwendungsbeispiele für solche Energieübertragungssysteme sind die Ladung von Akkus in Mobiltelefonen und elektrischen Zahnbürsten. In gängigen kontaktlosen Energieübertragungssystemen beträgt der Abstand zwischen den Spulen wenige Zentimeter bis zu einigen 10 cm. Der verwendete Frequenzbereich der Resonanzfrequenzen reicht von einigen 10 kHz bis in den MHz-Bereich.
Bei Systemen deren Last induktiv mit Energie versorgt wird, sind Messungen von Parametern von Bauteilen, die sich auf der Seite der Last befinden, teilweise problematisch. Da keine direkte Verbindung zu diesen Bauteilen besteht, können lediglich Sensoren mit kontaktloser Datenübertragung für die Messungen eingesetzt werden. Allerdings können solche Sensoren, beispielsweise bei hohen Temperaturen, sich bewegendem Sender oder Empfänger und/oder externen Störfeldern, eine zuverlässige Messung nicht ohne Weiteres gewährleisten.
Insbesondere in der Leistungselektronik und bei Elektromotoren, deren Erregerwicklungen eine induktive Energieversorgung besitzen, ist die Überwachung der Läufertemperatur überaus wichtig, um eine Zerstörung des Systems durch Überhitzung zu vermeiden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erfassung der Temperatur einer durch ein induktives Energieübertragungssystem betriebenen Last und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, einen Resonanzwandler und ein Mittel zum Ermitteln der Temperatur der Last bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Temperaturerfassung einer Last in einem Resonanzsystem, wobei die Last durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei das induktive Energieübertragungssystem einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis aufweist, die miteinander induktiv gekoppelt sind und jeweils ein kapazitives Glied und ein induktives Glied aufweisen; wobei das Resonanzsystem zumindest die Last und das induktive Energieübertragungssystem umfasst; gekennzeichnet durch die Schritte: Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz oder einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz, wobei die Erregerfrequenz einer Resonanzfrequenz des Resonanzsystems entspricht, und wobei die Resonanzfrequenz des Resonanzsystems vom Widerstand der Last abhängt; und Bestimmen der Temperatur der Last basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Das Bestimmen der Temperatur einer Last mit einem induktiven Energieübertragungssystem basierend auf der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises bietet den Vorteil, dass kein Temperatursensor im Umfeld der Last benötigt wird. Ein solcher Temperatursensor müsste mit Energie versorgt werden und müsste darüber hinaus eine kontaktlose Datenübertragung besitzen. Insbesondere die kontaktlose Datenübertragung ist bei bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei hohen Temperaturen, sich bewegendem Sender oder Empfänger und/oder externen Störfeldern, störanfällig, weshalb eine zuverlässige Temperaturerfassung nicht ohne weiteres gewährleistet werden kann.
Das kontaktlose, induktive Energieübertragungssystem, das die Last mit Energie versorgt, weist einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis auf, die jeweils ein kapazitives und ein induktives Glied aufweisen. Der Primärresonanzkreis und der Sekundärresonanzkreis sind durch die zwei induktiven Glieder in der Form von Spulen miteinander induktiv gekoppelt. Der Abstand zwischen den beiden magnetisch gekoppelten Spulen wird als Energieübertragungsstrecke bezeichnet. Die Spule des Primärresonanzkreises, im Weiteren als Primärwicklung bezeichnet, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Aufgrund der induktiven Kopplung der beiden Spulen wird in der Spule des Sekundärresonanzkreises, im Weiteren als Sekundärwicklung bezeichnet, eine Wechselspannung induziert. Die Wechselspannung wird einem Verbraucher zugeführt, wodurch ein Stromfluss im Sekundärresonanzkreis erzeugt wird. Der Verbraucher, der an den Sekundärresonanzkreis angeschlossen ist, ist beispielsweise ein ohmscher Lastwiderstand.
Der Primärresonanzkreis und der Sekundärresonanzkreis sind auf die im Wesentlichen selbe Resonanzfrequenz abgestimmt. Die Resonanzfrequenz ω_ph0, auf die der Primärresonanzkreis und der Sekundärresonanzkreis abgestimmt sind, wird im Weiteren als Designfrequenz bezeichnet. Das induktive Energieübertragungssystem, umfassend den Primärresonanzkreis und den Sekundärresonanzkreis, und der Verbraucher sind Bestandteil eines Resonanzsystems. Das Betreiben des Resonanzsystems bzw. des induktiven Energieübertragungssystems mit der Designfrequenz hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Der Primärresonanzkreis wird durch Anlegen einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms, im Weiteren als Erregerspannung bzw. Erregerstrom bezeichnet, mit einer bestimmten Frequenz, im Weiteren als Erregerfrequenz bezeichnet, angeregt. Die Erregerspannung bzw. der Erregerstrom kann beispielsweise einen Sinusverlauf oder bevorzugt einen Rechteckverlauf aufweisen. Durch die bestehende Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung wird die Erregerfrequenz auf den Sekundärresonanzkreis übertragen und es prägt sich ein sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis aus.
Das Resonanzverhalten des Resonanzsystems hängt unter anderem vom elektrischen/ohmschen Widerstand der Last ab. Eine Erhöhung des Widerstandes der Last wird beispielsweise durch Erwärmung der Last im Betrieb verursacht und führt zu einer Veränderung des Resonanzsystems. Überschreitet der Widerstand der Last einen bestimmten Grenzwert, treten neben der Resonanzfrequenz ω_ph0, welche der Designfrequenz des Resonanzsystems entspricht, zwei weitere Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auf. Im Gegensatz zur Resonanzfrequenz ω_ph0 weisen die Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH einen vom Widerstand der Last abhängigen Verlauf auf.
Wird das Resonanzsystem in diesem Bereich weiter mit der Designfrequenz ω_ph0 angeregt, kann sich aufgrund von auftretenden Oberwellen kein sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis ausbilden. Dies führt zu einem nicht optimalen Übertragungsverhalten und einem geringeren Wirkungsgrad.
Bei Anregen des Resonanzsystems mit einer Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. einem Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz, wobei die Erregerfrequenz einer der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH entspricht, prägt sich ein sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis aus. Bei weiterer Erhöhung des Widerstandes der Last, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Last, ändern sich auch die Werte der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH.
Entspricht die Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms einer der vom Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH, weist das induktive Energieübertragungssystem stets ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad auf.
Somit ermöglicht das Verfahren das Bestimmen und Überwachen der Temperatur einer an den Sekundärresonanzkreis angeschlossenen Last aufgrund der am Primärresonanzkreis anliegenden Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms, da die im Primärresonanzkreis anliegende Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms abhängig von der Temperatur der Last aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen/ohmschen Widerstands der Last ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Last eine Erregerwicklung eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine, wobei die kapazitiven Glieder im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis des induktiven Energieübertragungssystems Blindstromkompensatoren zur Blindleistungskompensation sind; und wobei der Widerstand der Last von der Temperatur der Erregerwicklung des Läufers abhängt.
Das Bestimmen der Temperatur der Erregerwicklung eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine mit einem induktiven Energieübertragungssystem basierend auf der Frequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Sensor am Läufer der fremderregten Synchronmaschine angebracht und mit Energie versorgt werden muss. Mit der bevorzugten Ausführungsform wird eine zuverlässige Temperaturerfassung auch bei der hohen Drehzahlen und der Hohen Temperaturen des Läufers gewährleistet, was anderweitig, insbesondere bei einem Sensor mit kontaktloser Datenübertragung, nur schwierig umzusetzen wäre.
Unter einer fremderregten Synchronmaschine mit einem induktiven Energieübertragungssystem wird im Sinne der Erfindung eine Synchronmaschine verstanden, deren Läufer/Rotor eine Feldspule, im weiteren als Erregerwicklung bezeichnet, auf einem Schenkel des Läufers/Rotors besitzt. Die Erregerwicklung muss mit Energie versorgt werden, um die für den Betrieb der Synchronmaschine benötigte Magnetisierung zu erzeugen.
Die Versorgung der Erregerwicklung erfolgt über ein kontaktloses, induktives Energieübertragungssystem: Ein Gleichrichter, der an den Sekundärresonanzkreis angeschlossen und Bestandteil des Resonanzsystems ist, konvertiert die übertragene Energie in eine Gleichspannung und führt diese der Erregerwicklung des Läufers zu, wobei der Sekundärresonanzkreis mit dem Läufer drehfest verbunden ist.
In induktiven Energieübertragungssystemen werden Blindleistungskompensatoren im Primärresonanzkreis und Sekundärresonanzkreis verwendet, um Blindleistung und Blindstrom in der Elektronik gering zu halten bzw. zu verhindern. Der periodische Aufbau und Abbau der magnetischen Felder der in Primärresonanzkreis und Sekundärresonanzkreis befindlichen Spulen bewirkt eine Blindleistung und einen Blindstrom, die an der elektrischen Arbeit bzw. an der Energieübertragung unbeteiligt sind, jedoch den Bedarf der zur Anregung des Primärresonanzkreises benötigten Versorgungsleistung erhöhen.
Zur Blindleistungskompensation bei induktiven Energieübertragungssystemen können kapazitive Glieder, wie beispielsweise Kondensatoren, verwendet werden. Die Anordnung der Kondensatoren kann im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis jeweils entweder seriell oder parallel erfolgen. Die zum Aufbau und Abbau der magnetischen Felder erforderliche Energie wird von den Kondensatoren aufgenommen und wieder abgegeben und bleibt somit im System, wodurch die zum Betrieb erforderliche Versorgungsleistung um den Anteil der Blindleistung reduziert wird.
Erregerwicklungen eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine bestehen nahezu ausnahmslos aus Kupferdraht und besitzen eine gegebene Induktivität und einen gegebenen elektrischen/ohmschen Widerstand. Insbesondere der elektrische/ohmsche Widerstand ist abhängig von der Temperatur der Erregerwicklung, wobei sich der elektrische Widerstand einer aus Kupferdraht bestehenden Spule mit steigender Temperatur im Wesentlichen linear erhöht.
Im Betrieb fließt Strom durch die Erregerwicklung, was zu einer Temperaturerhöhung der Erregerwicklung und folglich zu einer Erhöhung des elektrischen/ohmschen Widerstandes der Erregerwicklung führt. Für den im Betrieb von fremderregten Synchronmaschinen üblichen Temperaturberreich gilt für Kupfer ein im Wesentlichen linearer Temperaturkoeffizient von 3,9*10^-3 1/K.
Andere in einer Last vorkommende Materialien, im wesentlichen Metalle und Halbleiter wie beispielsweise Gold, Aluminium und Platin, verändern ebenfalls ihren ohmschen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur bei Temperaturkoeffizienten von ca. 3,9*10^-3 1/K.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Resonanzsystem bis zu drei Resonanzfrequenzen gleichzeitig auf, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, von den bis zu drei Resonanzfrequenzen einen von dem Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
Abhängig vom Widerstand der Last treten in dem Resonanzsystem neben der Resonanzfrequenz ω_ph0, zwei weitere Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auf, welche einen vom Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den Schritt: Betreiben des Resonanzsystems in einem Bereich, in dem das Resonanzsystem mindestens eine, bevorzugt zwei, der von dem Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenzen aufweist.
Um das Verfahren zur Temperaturerfassung einer Last in einem Resonanzsystem wie oben beschrieben zu gewährleisten, muss das Resonanzsystem in einem Bereich betrieben werden, in dem die vom Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auftreten.
Die Komponenten des Primärresonanzkreises und des Sekundärresonanzkreises des induktiven Energieübertragungssystems werden entsprechend der gewünschten Designparameter des Resonanzsystems gewählt. Dabei muss die spezifische Temperaturabhängigkeit der Last berücksichtigt werden, um zu gewährleisten, dass im Betrieb der Bereich erreicht wird, in dem drei Resonanzfrequenzen auftreten.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen der Nulldurchgänge der am Primärresonanzkreis anliegenden Erregerspannung bzw. des Erregerstroms; und Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms basierend auf den zeitlichen Abständen der Nulldurchgänge der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms.
Eine Möglichkeit für das Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises bildet das Erfassen der Nulldurchgänge der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms, beispielsweise mithilfe eines FPGAs (Field-Programmable-Gate-Array) oder Mikrocontrollers. Da die Erregerspannung bzw. der Erregerstrom eine sich periodisch wiederholende Form besitzt, beispielsweise Rechteck- oder Sinusverlauf, können die Nulldurchgänge, also die Zeitpunkte bei denen die Amplitude des Signals gleich 0 ist und die Polarität des Signals wechselt, detektiert werden. Da die Frequenz eines solchen Signals dem Kehrwert der Periodendauer entspricht, kann die am Primärresonanzkreis anliegende Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms beispielsweise durch den Kehrwert des doppelten zeitlichen Abstands zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen berechnet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den Schritt: Anpassen der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises, sodass die Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises im Wesentlichen einer von dem Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenz des Resonanzsystems entspricht.
Um ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad des induktiven Energieübertragungssystems zu gewährleisten, wird die Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms an eine der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH angepasst. Durch das Nachführen der Erregerfrequenz bleibt der sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis erhalten. Bei weiterer Erhöhung des Widerstandes der Last, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Last, ändern sich auch die Werte der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH.
Eine Möglichkeit der Nachführung der Erregerfrequenz besteht durch die Verwendung eines Funktionsgenerators in Form einer regelbaren Spannungsquelle und/oder einer regelbaren Stromquelle.
Eine beispielhafte Ausführung einer solchen Nachführung ist ein Wechselrichter mit einer Halbbrücke oder Vollbrücke: Ein FPGA oder Mikrocontroller misst den Stromfluss durch die Primärwicklung im Primärresonanzkreis bei einer angelegten Spannung und polt die angelegte Spannung an dem Zeitpunkt, an dem kein Strom mehr fließt, um. So wird eine variable Rechteckspannung erzeugt, die sich an die im Resonanzsystem herrschende Resonanzfrequenz anpasst.
Vorzugsweise wird die Erregerfrequenz durch einen Auto-Resonanzwandler angepasst. Der Auto-Resonanzwandler erzeugt eine Wechselspannung, deren Frequenz sich an eine Resonanzfrequenz des Resonanzsystems anpasst. Somit gewährleistet der Auto-Resonanzwandler auch bei einer Veränderung der Resonanzfrequenz ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad des Energieübertragungssystems.
Dabei wird die Erregerfrequenz stets an die vom Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenz ω_phL angepasst, da sich das Resonanzsystem bei ω_phL in einem energetisch günstigeren Zustand befindet, als bei ω_ph0 oder ω_phH.
Herkömmliche Auto-Resonanzwandler sind dem einschlägigen Fachmann bekannt, wie beispielsweise der Royer-Oszillator.
Die Benutzung eines Auto-Resonanzwandlers bedingt die Verwendung eines zur Primärwicklung parallel geschalteten Kondensators als Blindstromkompensator.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den Schritt: Erstellen einer Kennlinie basierend auf wenigstens einer ersten ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises bei einem ersten, bekannten Widerstand der Last und einer zweiten ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises bei einem zweiten, bekannten und von dem ersten unterschiedlichen Widerstand der Last.
Um die Temperatur der Last aufgrund der Erregerfrequenz im Primärresonanzkreis genau bestimmen zu können, wird eine Kennlinie erstellt, die das Verhältnis zwischen dem Widerstand der Last und der nachgeführten Erregerfrequenz im Primärresonanzkreis definiert. Dazu werden wenigstens zwei Referenzmessungen mit nachgeführter Erregerfrequenz durchgeführt:
Der Widerstand der Last kann durch eine Änderung der Temperatur der Last erreicht werden:
Bei einer ersten Referenzmessung wird die nachgeführte Erregerfrequenz bei einer ersten, bekannten Temperatur der Last erfasst. Die erste Temperatur entspricht bevorzugt der bei Prüf- und Messmitteln üblicherweise gewählten Maßbezugstemperatur von 20°C. Bei einer zweiten Referenzmessung wird die nachgeführte Erregerfrequenz bei einer zweiten, bekannten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, erfasst. Die zweite Temperatur ist bevorzugt höher ist als die erste Temperatur, wobei die zweite Temperatur weiter bevorzugt 150°C beträgt.
Bevorzugt sind weitere, bevorzugt 5, weiter bevorzugt 10, Referenzmessungen im Temperaturbereich zwischen 20 und 150°C, weiter bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 0 und 170°C, durchzuführen um eine genaue Systemcharakterisierung zu erhalten.
Das Verhältnis zwischen der Temperatur der Last und der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises ist ebenso wie die Temperaturabhängigkeit des elektrischen/ohmschen Widerstands der Last vorzugsweise im Wesentlichen linear: Für den im Betrieb von fremderregten Synchronmaschinen üblichen Temperaturberreich gilt für Kupfer ein im Wesentlichen linearer Temperaturkoeffizient von 3,9*10^-3 1/K. Andere in einer Last vorkommende Materialien, im wesentlichen Metalle und Halbleiter wie beispielsweise Gold, Aluminium und Platin, verändern ebenfalls ihren ohmschen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur bei Temperaturkoeffizienten von ca. 3,9*10^-3 1/K.
Der Widerstand der Last kann auch durch Einbringen eines zu der Last parallel und/oder seriell verschalteten Widerstands erreicht werden:
Bei einer ersten Referenzmessung wird die nachgeführte Erregerfrequenz bei einem ersten, bekannten elektrischen/ohmschen Widerstand der Last erfasst. Der erste Widerstand der Last entspricht bevorzugt dem Widerstand, der die Last im späteren Betrieb bei 20°C aufweist. Bei einer zweiten Referenzmessung wird die nachgeführte Erregerfrequenz bei einem zweiten, bekannten Widerstand, der sich von dem ersten Widerstand unterscheidet, erfasst. Der zweite Widerstand ist bevorzugt höher ist als der erste Widerstand, wobei der zweite Widerstand bevorzugt dem Widerstand entspricht, der die Last im späteren Betrieb bei 150°C aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den Schritt: Ermitteln der Temperatur der Last mithilfe der erstellten Kennlinie basierend auf einer ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises.
Durch die Kennlinie, die das Verhältnis zwischen Temperatur der Last und Erregerfrequenz im Primärresonanzkreis beschreibt, kann bei nachgeführter Erregerfrequenz zu der am Primärresonanzkreis angelegten Erregerfrequenz die Temperatur der sich im Sekundärresonanzkreis befindlichen Last ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Lösung zur Aufgabe betrifft ein Antriebssystem mit: einer fremderregten Synchronmaschine mit: einem Stator; einem Läufer mit zumindest einer Erregerwicklung, die durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei die zumindest eine Erregerwicklung und das induktive Energieübertragungssystem Teil eines Resonanzsystems sind und wobei das induktive Energieübertragungssystem Blindstromkompensatoren zur Blindleistungskompensation im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis aufweist; einem Funktionsgenerator zum Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz; und einem Mittel zum Ermitteln der an der zumindest einen Erregerwicklung des Läufers anliegenden Temperatur basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Ein Antriebssystem, das zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist, umfasst eine fremderregte Synchronmaschine, einen Funktionsgenerator und ein Mittel zum Ermitteln der an der Erregerwicklung des Läufers anliegenden Temperatur basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Die fremderregte Synchronmaschine umfasst zumindest einen Stator und zumindest einen Läufer mit zumindest einer Erregerwicklung, wobei der Läufer durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird. Die zumindest eine Erregerwicklung und das induktive Energieübertragungssystem sind Teil eines Resonanzsystems. Das induktive Energieübertragungssystem weist außerdem Blindstromkompensatoren im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis zur Blindleistungskompensation auf.
Bei fremderregten Synchronmaschinen mit mehreren Statoren und/oder Läufern gelten die vorangehenden und nachfolgenden Ausführungen analog.
Der Funktionsgenerator dient zum Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz.
Das Mittel ermittelt die an der zumindest einen Erregerwicklung des Läufers der fremderregten Synchronmaschine anliegende Temperatur basierend auf der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Das kontaktlose, induktive Energieübertragungssystem, das die zumindest eine Erregerwicklung mit Energie versorgt, weist eine Energieübertragungsstrecke bestehend aus einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf, wobei die Primärwicklung Teil des Primärresonanzkreises und die Sekundärwicklung Teil des Sekundärresonanzkreises ist. Der Verbraucher im Sekundärresonanzkreis ist die zumindest eine Erregerwicklung des Läufers der fremderregten Synchronmaschine, wobei ein Gleichrichter an den Sekundärresonanzkreis angeschlossen ist, die übertragene Energie in eine Gleichspannung konvertiert und diese der zumindest einen Erregerwicklung des Läufers zuführt, wobei der Sekundärresonanzkreis mit dem Läufer drehfest verbunden ist. Das Resonanzsystem wird aus Energieübertragungssystem, Gleichrichter und Erregerwicklung(en) gebildet.
Das Energieübertragungssystem wird durch den Funktionsgenerator bei einer Designfrequenz, auf die der Primärresonanzkreis und der Sekundärresonanzkreis abgestimmt sind, angeregt. Dabei wird an den Primärresonanzkreis eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. ein Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz angelegt.
Die Versorgung der zumindest einen Erregerwicklung erfolgt über das kontaktlose, induktive Energieübertragungssystem: Ein Gleichrichter konvertiert die übertragene Energie in eine Gleichspannung und führt diese der zumindest einen Erregerwicklung des Läufers zu, wobei der Sekundärresonanzkreis mit dem Läufer drehfest verbunden ist.
Das Energieübertragungssystem umfasst Blindleistungskompensatoren im Primärresonanzkreis und Sekundärresonanzkreis, beispielsweise in Form von zu Primärwicklung und Sekundärwicklung parallel und/oder seriell angeordneten Kondensatoren, um Blindleistung und Blindstrom im System gering zu halten bzw. zu verhindern.
Die zumindest eine Erregerwicklungen des Läufers der fremderregten Synchronmaschine besteht beispielsweise aus Kupferdraht und besitzt eine bestimmte Induktivität und einen bestimmten elektrischen/ohmschen Widerstand. Insbesondere der elektrische/ohmsche Widerstand ist abhängig von der Temperatur der Erregerwicklung, wobei sich der elektrische Widerstand einer aus Kupferdraht bestehenden Spule mit steigender Temperatur im Wesentlichen linear erhöht.
Eine Erhöhung des elektrischen/ohmschen Widerstandes der zumindest einen Erregerwicklung, beispielsweise durch Erwärmung im Betrieb, führt zu einer Veränderung des Resonanzsystems. Überschreitet der Widerstand der Last einen bestimmten Grenzwert, treten neben der Resonanzfrequenz ω_ph0, welche der Designfrequenz des Resonanzsystems entspricht, zwei weitere Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auf. Im Gegensatz zur Resonanzfrequenz ω_ph0 weisen die Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH einen vom Widerstand der Last abhängigen Verlauf auf.
Das Antriebssystem eignet sich somit zur Durchführung des Verfahrens, da die anliegende Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms abhängig von der Temperatur der zumindest einen Erregerwicklung aufgrund der Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstands der zumindest einen Erregerwicklung ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems umfasst ein Mittel zum Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Das Mittel zum Ermitteln der Frequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises kann beispielsweise ein FPGA (Field-Programmable-Gate-Array) oder ein Mikrocontroller sein, der an den Primärresonanzkreis angeschlossen ist und die Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms beispielsweise durch Erfassen der Nulldurchgänge der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms und berechnen des Kehrwerts des doppelten zeitlichen Abstands zwischen zwei aufeinander folgenden Nulldurchgängen ermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebssystems weist das Resonanzsystem bis zu drei Resonanzfrequenzen gleichzeitig auf, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, von den bis zu drei Resonanzfrequenzen einen von dem Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
Abhängig vom Widerstand der Last treten in dem Resonanzsystem neben der Resonanzfrequenz ω_ph0, zwei weitere Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auf, welche einen vom Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebssystems sind die Komponenten des Resonanzsystems so gewählt, dass das Resonanzsystem in einem Bereich betrieben wird, in dem das Resonanzsystem mindestens eine, bevorzugt zwei, der von dem Widerstand der zumindest einen Erregerwicklung abhängigen Resonanzfrequenzen aufweist.
Um das Verfahren zur Temperaturerfassung einer Last in einem Resonanzsystem eines Antriebssystems wie oben beschrieben zu gewährleisten, muss das Resonanzsystem in einem Bereich betrieben werden, in dem die vom Widerstand der Erregerwicklung(en) abhängigen Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auftreten.
Die Komponenten des Primärresonanzkreises und des Sekundärresonanzkreises des induktiven Energieübertragungssystems werden entsprechend der gewünschten Designparameter des Resonanzsystems gewählt. Dabei muss die spezifische Temperaturabhängigkeit der Last berücksichtigt werden, um zu gewährleisten, dass im Betrieb der Bereich erreicht wird, in dem drei Resonanzfrequenzen auftreten
Eine bevorzugte Ausführungsform des Antriebssystems umfasst einen Funktionsgenerator, der die Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises im Wesentlichen an eine von dem Widerstand der zumindest einen Erregerwicklung abhängigen Resonanzfrequenz anpasst.
Um ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad des induktiven Energieübertragungssystems zu gewährleisten, wird die Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms an eine der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH angepasst. Durch das Nachführen der Erregerfrequenz bleibt der sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis erhalten. Bei weiterer Erhöhung des Widerstandes der Last, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Last, ändern sich auch die Werte der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebssystems wird das Resonanzsystem auto-resonant betrieben.
Vorzugsweise wird die Erregerfrequenz durch einen Auto-Resonanzwandler angepasst. Der Auto-Resonanzwandler erzeugt eine Wechselspannung, deren Frequenz sich an eine Resonanzfrequenz des Resonanzsystems anpasst. Somit gewährleistet der Auto-Resonanzwandler auch bei einer Veränderung der Resonanzfrequenz ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad des Energieübertragungssystems.
Dabei wird die Erregerfrequenz stets an die vom Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenz ω_phL angepasst, da sich das Resonanzsystem bei ω_phL in einem energetisch günstigeren Zustand befindet, als bei ω_ph0 oder ω_phH.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems umfasst einen Blindstromkompensator im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis, der jeweils ein zu den induktiven Gliedern parallel verschalteter Kondensator ist.
Die Blindstromkompensatoren im Primärresonanzkreis und Sekundärresonanzkreis sind jeweils zur Primärwicklung bzw. Sekundärwicklung parallel geschaltete Kondensatoren.
Ein weiterer Aspekt der Lösung zur Aufgabe betrifft eine Verwendung eines Mittels zum Bestimmen der Temperatur einer Erregerwicklung eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine basierend auf einer ermittelten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises, wobei die fremderregte Synchronmaschine zumindest umfasst: einen Stator; einen Läufer mit zumindest einer Erregerwicklung, die durch das induktive Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei das induktive Energieübertragungssystem einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis aufweist, die miteinander induktiv gekoppelt sind, und wobei das induktive Energieübertragungssystem Blindstromkompensatoren im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis zur Blindleistungskompensation aufweist.
Figurenliste

1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung.
2 zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm des Resonanzverhaltens eines kontaktlosen Energieübertragungssystems bei variablem Lastwiderstand R_L.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Systems, das zum Betreiben einer fremderregten Synchronmaschine mit kontaktloser Energieversorgung des Läufers geeignet ist.
4 zeigt Funktionskurven der Eingangsimpedanz, der Spannungsübertragung und der Stromübertragung des Systems aus 3.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt zur Veranschaulichung eine vereinfachte Darstellung eines kontaktlosen, induktiven Energieübertragungssystems 1 mit einem Primärresonanzkreis 10 und einem Sekundärresonanzkreis 20. An dem Primärresonanzkreis 10 liegt die Erregerspannung U_IN an, die den Primärresonanzkreis 10 anregt, wobei der Primärresonanzkreis 10 die Primärwicklung 11 und den Blindstromkompensator 12 umfasst. Die Erregerspannung U_IN ist vorzugsweise eine Rechteckspannung, um vorzugsweise einen im Wesentlichen sinusförmigen Wechselstrom I_IN im Primärresonanzkreis 10 zu erhalten. Der Blindstromkompensator 12 dient zur Blindleistungskompensation und umfasst vorzugsweise ein oder mehrere mit der Primärwicklung 11 seriell und/oder parallel verschaltete Kondensatoren. Die Primärwicklung 11 ist induktiv mit der Sekundärwicklung des Sekundärresonanzkreises 20 gekoppelt, wodurch eine Energieübertragungsstrecke 2 zwischen Primärresonanzkreis 10 und Sekundärresonanzkreis 20 ausgebildet wird. Der Sekundärresonanzkreis 20 umfasst die Sekundärwicklung 21 und den Blindstromkompensator 22. Der Blindstromkompensator 22 dient zur Blindleistungskompensation und ist vorzugsweise ein mit der Sekundärwicklung 21 seriell oder parallel verschalteter Kondensator.
Die an den Primärresonanzkreis 10 angelegte Erregerspannung U_IN erzeugt in diesem einen Stromfluss I_IN, wodurch die Primärwicklung 1a ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Aufgrund der induktiven Kopplung zwischen Primärwicklung 11 und Sekundärwicklung 21 wird in der Sekundärwicklung 21 eine Wechselspannung U_L induziert, welche im Verbraucher, in diesem Beispiel im Lastwiderstand R_L, einen Wechselstrom I_L hervorruft. Primärresonanzkreis 10, Sekundärresonanzkreis 20 und Lastwiderstand R_L bilden ein Resonanzsystem.
Das Resonanzsystem ist auf eine bestimmte Resonanzfrequenz, die Designfrequenz, abgestimmt. Die Erregerspannung U_IN regt den Primärresonanzkreis 10 mit der Designfrequenz an. Über die Energieübertragungsstrecke 2 wird auch der Sekundärresonanzkreis 20 mit der Designfrequenz angeregt und führt zur Wechselspannung U_L und zum Wechselstrom I_L, wodurch der Verbraucher im Sekundärresonanzkreis 20 mit Energie versorgt wird.
Erhöht sich der Lastwiderstand R_L im Sekundärresonanzkreis 20, beispielsweise aufgrund einer Erwärmung des Lastwiderstands R_L, führt dies zu einer Veränderung des Resonanzsystems 30. Die Frequenz der Wechselspannung U_L, die Erregerfrequenz, entspricht nicht mehr der Designfrequenz. Die an den Primärresonanzkreis 10 angelegte Erregerfrequenz entspricht somit nicht mehr der Designfrequenz, mit der die Erregerspannung U_IN den Primärresonanzkreis 10 anregt.
2 zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm des Resonanzverhaltens eines Resonanzsystems mit einem kontaktlosen Energieübertragungssystem bei variablem Lastwiderstand R_L:
Abhängig vom Lastwiderstand R_L existiert ein Bereich mit nur einer Resonanzfrequenz (ω_ph0) und ein Bereich mit drei Resonanzfrequenzen (ω_ph0, ω_phL, (ω_phH).
Für R_L kleiner R_L,c befindet sich das Resonanzsystem in seinem abgestimmten Zustand und wird bei der Designfrequenz betrieben. In diesem Bereich tritt nur eine Resonanzfrequenz ω_ph0 auf.
Erhöht sich der Lastwiderstand R_L, beispielsweise durch Erwärmung, treten bei R_L größer R_L,c neben der Resonanzfrequenz ω_ph0 zwei weitere Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH auf. Im Gegensatz zur Resonanzfrequenz ω_ph0 weisen die Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH einen vom Lastwiderstand R_L abhängigen Verlauf auf. Die Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH verändern sich also, wenn sich der Lastwiderstand R_L ändert. Wird das Resonanzsystem in diesem Bereich weiter mit der Designfrequenz ω_ph0 angeregt, kann sich aufgrund von auftretenden Oberwellen kein sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis ausbilden. Dies führt zu einem nicht optimalen Übertragungsverhalten und einem geringeren Wirkungsgrad.
Bei Anregen des Resonanzsystems mit einer Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. einem Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz, wobei die Erregerfrequenz einer der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH entspricht, prägt sich ein sinusförmiger Stromverlauf im Sekundärresonanzkreis aus. Bei weiterer Erhöhung des Widerstandes der Last, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Last, ändern sich auch die Werte der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH. Ein Nachführen der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises an eine der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH erreicht, dass das Resonanzsystem wieder ein optimales Übertragungsverhalten und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Das Resonanzsystem wird gezielt bei einer der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH betrieben.
Das Nachführen der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises an eine der Resonanzfrequenzen ω_phL oder ω_phH hat den Effekt, dass eine Änderung des Lastwiderstandes R_L auch eine Änderung der Erregerfrequenz bewirkt. So kann die Höhe des Lastwiderstands R_L aufgrund der im Primärresonanzkreis anliegenden Erregerfrequenz ermittelt werden. Bevorzugt wird das Resonanzsystem nahe an R_L,c betrieben, da in diesem Bereich sowohl der Wirkungsgrad als auch die Veränderung der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH im Verhältnis zur Veränderung des Lastwiderstandes R_L am höchsten ist.
Bei automatischer Nachführung der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises, beispielsweise durch einen Auto-Resonanzwandler, stellt sich die Erregerfrequenz auf die Resonanzfrequenz ω_phL ein, da sich das Resonanzsystem bei ω_phL in einem energetisch günstigeren Zustand befindet, als bei ω_ph0 oder ω_phH.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Materials des Lastwiderstands R_L kann somit auf die Temperatur des Lastwiderstands R_L rückgeschlossen werden.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Antriebssystem, das zum Betreiben einer fremderregten Synchronmaschine mit kontaktloser Energieversorgung des Läufers geeignet ist. Erregerspannung U_IN wird durch einen Auto-Resonanzwandler erzeugt.
Der Primärresonanzkreis 10 umfasst die Primärwicklung 11 und den Blindstromkompensator 12, der in diesem Beispiel ein zur Primärwicklung 11 parallel geschalteter Kondensator ist. Der Sekundärresonanzkreis 20 umfasst die Sekundärwicklung 21 und den Blindstromkompensator 22, der in diesem Beispiel ein zur Sekundärwicklung 21 parallel geschalteter Kondensator ist. Die in der Sekundärwicklung 21 induzierte Wechselspannung U_L wird von einem Gleichrichter 23 (z.B. Mittelpunktgleichrichter) zu einer Gleichspannung konvertiert, welche an einem Lastwiderstand R_Läufer anliegt. Primärresonanzkreis 10, Sekundärresonanzkreis 20, Gleichrichter 23 und Lastwiderstand R_L bilden das Resonanzsystem.
Das kontaktlose Energieübertragungssystem in 3 weist aufgrund dem zu Primärwicklung 11 bzw. Sekundärwicklung 21 parallel verschalteten Kondensator 12 bzw. Kondensator 22 eine „1p2p-Kompensationstopologie“ auf, wodurch sich auf Seiten der Last ein gewünschtes Stromquellenverhalten ausprägt. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der 1p2p-Kompensationstopologie das Betreiben des Energieübertragungssystems mit einem Auto-Resonanzwandler, wie z.B. einem Royer-Oszillator.
Zusätzlich weist das Antriebssystem ein Mittel 14 zum Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung U_IN auf, sowie ein Mittel 15 zur Bestimmung der Temperatur der Last aufgrund der ermittelten Erregerfrequenz der Erregerspannung U_IN des Primärresonanzkreises 10.
Das Mittel 14 zum Ermitteln der Erregerfrequenz f_UIN der Erregerspannung U_IN ist beispielsweise ein mit dem Primärresonanzkreis 10 verbundener FPGA (Field-Programmable-Gate-Array), der die Nulldurchgänge der an der Primärwicklung 11 anliegenden Erregerspannung U_IN erfasst, und die Erregerfrequenz der Erregerspannung U_IN ermittelt. Die Erregerfrequenz kann beispielsweise mithilfe des zeitlichen Abstandes t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nullpunkten wie folgt berechnet werden: $f_{UIN} = \frac{1}{2 t}$
Das Mittel 15 zur Bestimmung der Temperatur der Last aufgrund der ermittelten Erregerfrequenz f_UIN der Erregerspannung U_IN gleicht die ermittelte Erregerfrequenz mit einer Kennlinie ab. Die Kennlinie kann mithilfe von zumindest zwei Referenzmessungen beispielsweise bei bekannten und voneinander unterschiedlichen Temperaturen erstellt werden. Die Kennlinie beschreibt das Verhältnis von Temperatur der Last und Erregerfrequenz f_UIN.
Im Folgenden wird beispielhaft das Übertragungsverhalten eines kontaktlosen Energieübertragungssystems, wie in 3 dargestellt, erläutert:
Aus dem Kleinsignalersatzschaltbild des 1p2p-Systems ergeben sich die folgenden Kompensationskondensatoren C_1p im Primärresonanzkreis 10 und C_2p im Sekundärresonanzkreis 20, wobei k der Kopplung der Energieübertragungsstrecke 2, L1 der Primärwicklung 11 im Primärresonanzkreis 10 und L2 der Sekundärwicklung 21 im Sekundärresonanzkreis 20 entspricht: $\begin{matrix} C_{1 p} = \frac{1}{ω_{0}^{2} L_{1} (1 - k^{2})} & C_{2 p} = \frac{1}{ω_{0}^{2} L_{2} (1 - k^{2})} \end{matrix}$
Für den Ersatzwiderstand der Last R_L,c ergibt sich für die Resonanzfrequenzen: $\begin{matrix} ω_{ph 0} = ω_{0} & ω_{phL} < ω_{0} & ω_{phH} > ω_{0} \end{matrix}$
$R_{L, c} \approx \frac{ω_{0} L_{2}}{k}$
Die resultierenden Funktionskurven beim Betreiben des Resonanzsystems mit einer stabilen Resonanzfrequenz, die ω_ph0, ω_phL und ω_phH bei R_L größer R_L,c und sonst ω_ph0 entspricht, sind in 4 dargestellt, wobei Z_IN dem Verlauf der Eingangsimpedanz, Mu der Spannungsübertragungsfunktion und M_l der Stromübertragungsfunktion entspricht. $\begin{matrix} {\underline{Z}}_{I N} = \frac{{\underline{U}}_{I N}}{{\underline{I}}_{I N}} & M_{U} = \frac{| {\underline{U}}_{L} |}{| {\underline{U}}_{I N} |} & M_{I} = \frac{| {\underline{I}}_{L} |}{| {\underline{I}}_{I N} |} \end{matrix}$
Das Diagramm in 4 zeigt den Verlauf der Eingangsimpedanz Z_IN, der Spannungsübertragungsfunktion Mu und der Stromübertragungsfunktion Mi in Abhängigkeit von der Last R_L.
Bei R_L kleiner R_L,c tritt lediglich eine Resonanzfrequenz ω_ph0 und eine dazugehörige Funktion der Eingangsimpedanz Z_IN und jeweils eine Spannungsübertragungsfunktion Mu und Stromübertragungsfunktion M_l auf. Jede dieser Funktionen weist eine Abhängigkeit von R_L auf.
Bei R_L größer R_L,c treten drei Resonanzfrequenzen ω_ph0, ω_phL und ω_phH auf. Der Verlauf der Funktionen für ω_phL und ω_phH sind identisch, wobei die Spannungsübertragungsfunktion Mu und die Stromübertragungsfunktion M_l konstant und damit unabhängig vom Widerstand der Last R_L sind.
Bevorzugt wird das Resonanzsystem im markierten Bereich nahe an R_L,c betrieben, da in diesem Bereich die Veränderung der Resonanzfrequenzen ω_phL und ω_phH im Verhältnis zur Veränderung des Lastwiderstandes R_L am höchsten ist, was eine genauere Bestimmung der Temperatur des Lastwiderstandes R_L aufgrund der höheren Auflösung ermöglicht.
Wichtige Parameter für die Konzeption und das Design eines solchen Energieübertragungssystems sind unter anderem Spulenanordnung, Betriebsfrequenz und Ausgangsleistung. Der detaillierte Prozess ist beispielsweise in D. Maier, J. Heinrich, M. Zimmer, M. Maier, and N. Parspour, „Contribution to the system design of contactless energy transfer systems,“ in 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Sept 2016, pp. 1008-1013 erläutert, auf die Bezug genommen wird und die dahingehend Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung ist.
Grundlegende Designaspekte und spezielle Anforderungen bezüglich eines induktiven Energieübertragungssystems für den Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine werden beispielsweise in M. Maier, M. Hagl, M. Zimmer, J. Heinrich, and N. Parspour, „Design and construction of a novel rotating contactless energy transfer system for an electrical excited synchronous machine," in 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Sept 2016, pp. 709- 714 detailliert erläutert, auf die Bezug genommen wird und die dahingehend Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung ist.
Bezugszeichenliste

1: kontaktloses, induktives Energieübertragungssystem
2: Energieübertragungsstrecke
10: Primärresonanzkreis
11: Primärwicklung
12: Blindstromkompensator
13: Funktionsgenerator
14: Mittel zur Nullpunktdetektion & Frequenzberechnung
15: Mittel zur Temperaturbestimmung
20: Sekundärresonanzkreis
21: Sekundärwicklung
22: Blindstromkompensator
23: Gleichrichter
30: Resonanzsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Maier, M. Hagl, M. Zimmer, J. Heinrich, and N. Parspour, „Design and construction of a novel rotating contactless energy transfer system for an electrical excited synchronous machine,“ in 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Sept 2016, pp. 709- 714 [0107]

Claims

Verfahren zur Temperaturerfassung einer Last in einem Resonanzsystem, wobei die Last durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei das induktive Energieübertragungssystem einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis aufweist, die miteinander induktiv gekoppelt sind und jeweils ein kapazitives Glied und ein induktives Glied aufweisen; wobei das Resonanzsystem zumindest die Last und das induktive Energieübertragungssystem umfasst; gekennzeichnet durch die Schritte: Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz oder einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz, wobei die Erregerfrequenz einer Resonanzfrequenz des Resonanzsystems entspricht, und wobei die Resonanzfrequenz des Resonanzsystems vom Widerstand der Last abhängt; und Bestimmen der Temperatur der Last basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last eine Erregerwicklung eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine ist, wobei die kapazitiven Glieder im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis des induktiven Energieübertragungssystems Blindstromkompensatoren zur Blindleistungskompensation sind; und der Widerstand der Last von der Temperatur der Erregerwicklung des Läufers abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Resonanzsystem bis zu drei Resonanzfrequenzen gleichzeitig aufweist, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, von den bis zu drei Resonanzfrequenzen einen von dem Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Betreiben des Resonanzsystems in einem Bereich, in dem das Resonanzsystem mindestens eine, bevorzugt zwei, der von dem Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenzen aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen der Nulldurchgänge der am Primärresonanzkreis anliegenden Erregerspannung bzw. des Erregerstroms; und Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms basierend auf den zeitlichen Abständen der Nulldurchgänge der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Anpassen der Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises, sodass die Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises im Wesentlichen einer von dem Widerstand der Last abhängigen Resonanzfrequenz des Resonanzsystems entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt: Erstellen einer Kennlinie basierend auf wenigstens einer ersten ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises bei einem ersten, bekannten Widerstand der Last und einer zweiten ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises bei einem zweiten, bekannten und von dem ersten unterschiedlichen Widerstand der Last.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Änderung des Widerstandes der Last durch eine Änderung der Temperatur der Last erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Änderung des Widerstandes der Last durch Einbringen eines zu der Last parallel und/oder seriell verschalteten Widerstandes erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt: Ermitteln der Temperatur der Last mithilfe der erstellten Kennlinie basierend auf einer ermittelten Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises.
Antriebssystem mit: einer fremderregten Synchronmaschine mit: einem Stator; einem Läufer mit zumindest einer Erregerwicklung, die durch ein induktives Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei die zumindest eine Erregerwicklung und das induktive Energieübertragungssystem Teil eines Resonanzsystems sind und wobei das induktive Energieübertragungssystem Blindstromkompensatoren zur Blindleistungskompensation im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis aufweist; einem Funktionsgenerator zum Anregen des Primärresonanzkreises durch eine Erregerspannung mit einer Erregerfrequenz bzw. einen Erregerstrom mit einer Erregerfrequenz; und einem Mittel zum Ermitteln der an der zumindest einen Erregerwicklung des Läufers anliegenden Temperatur basierend auf der angelegten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Antriebssystem nach Anspruch 11, mit einem Mittel zum Ermitteln der Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Resonanzsystem bis zu drei Resonanzfrequenzen gleichzeitig aufweist, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, von den bis zu drei Resonanzfrequenzen einen von dem Widerstand der Last abhängigen Verlauf aufweisen.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Komponenten des Resonanzsystems so gewählt sind, dass das Resonanzsystem in einem Bereich betrieben wird, in dem das Resonanzsystem mindestens eine, bevorzugt zwei, der von dem Widerstand der zumindest einen Erregerwicklung abhängigen Resonanzfrequenzen aufweist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Funktionsgenerator die Erregerfrequenz des Primärresonanzkreises im Wesentlichen an eine von dem Widerstand der zumindest einen Erregerwicklung abhängigen Resonanzfrequenz anpasst.
Antriebssystem nach Anspruch 15, wobei das Resonanzsystem auto-resonant betrieben wird.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Blindstromkompensator im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis jeweils ein zu den induktiven Gliedern parallel verschalteter Kondensator ist.
Verwendung eines Mittels zum Bestimmen der Temperatur einer Erregerwicklung eines Läufers einer fremderregten Synchronmaschine basierend auf einer ermittelten Erregerfrequenz der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Primärresonanzkreises, wobei die fremderregte Synchronmaschine zumindest umfasst: einen Stator; einen Läufer mit zumindest einer Erregerwicklung, die durch das induktive Energieübertragungssystem mit Energie versorgt wird, wobei das induktive Energieübertragungssystem einen Primärresonanzkreis und einen Sekundärresonanzkreis aufweist, die miteinander induktiv gekoppelt sind, und wobei das induktive Energieübertragungssystem Blindstromkompensatoren im Primärresonanzkreis und im Sekundärresonanzkreis zur Blindleistungskompensation aufweist.