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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, die in Bereichen eingesetzt werden, in denen ein Fluid, insbesondere Wasser, ins Innere der elektrischen Maschine eindringen kann, wie z. B. in Waschmaschinen und dergleichen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren, um ein in eine elektrische Maschine eingedrungenes Fluid zu erkennen.
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Stand der Technik
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Je nach Anwendungsgebiet können elektrische Maschinen in wassernahen Umgebungen eingesetzt werden. Diese sind dadurch häufig der Gefahr ausgesetzt, das diese überflutet werden und Wasser ins Innere des Gehäuses der elektrischen Maschine eindringt. Dadurch können beispielsweise elektrische Kurzschlüsse entstehen, die Bauelemente des Systems beschädigen oder zerstören können.
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Um der Beschädigung und der Zerstörung von Bauelementen vorzubeugen, wird in der Regel eine Wassererkennung implementiert, die bei Erkennen eines Eindringens von Wasser ein Abschalten des Elektromotors oder sonstigen Komponenten bewirkt. Häufig werden dazu Elektroden in einem unteren Bereich in dem Gehäuse der betreffenden Maschine angeordnet, um durch Messung und Überwachung des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden eingedrungenes Wasser zu erkennen. Dies ist möglich, da der elektrische Widerstand von Wasser oder einem anderen Fluid deutlich geringer ist als der von Luft.
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Das Anordnen von Elektroden zur Wassererkennung ist jedoch aufwändig, da die Elektroden ausgeformt werden müssen und nahe des Elektromotors im Inneren des Gehäuses platziert werden müssen. Zudem ist eine zusätzliche Auswerteelektronik notwendig, bei der ein zusätzlicher Aufwand entsteht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen bei einem geringeren Bauteileaufwand und einem geringeren Montageaufwand in die elektrische Maschine eingedrungenes Wasser erkannt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Erkennen von in eine elektrische Maschine eingedrungenes Fluid gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zum Erkennen von eingedrungenem Fluid in ein Gehäuse einer elektrischen Maschine vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit, um eine parasitäre Kapazität zwischen einer elektrisch ansteuerbaren Wicklung der elektrischen Maschine und dem Gehäuse zu überwachen und um abhängig von einer erkannten Änderung der parasitären Kapazität eingedrungenes Fluid festzustellen.
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Eine Idee der Erfindung besteht darin, die parasitäre Kapazität zwischen einer Wicklung der elektrischen Maschine und dem Gehäuse der elektrischen Maschine für die Erkennung von eingedrungenem Fluid auszuwerten. Diese parasitäre Kapazität ändert sich auf Grund der von Luft verschiedenen Dielektrizitätskonstanten des Fluids, wenn ein Fluid in das Gehäuse eingedrungen ist und sich somit zumindest teilweise zwischen den stromführenden Wicklungen und den Gehäuse befindet. Dadurch kann ein Eindringen von Fluid detektiert werden, ohne zusätzliche Elektroden oder sonstige Maßnahmen in dem Gehäuse der elektrischen Maschine vorzusehen.
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Weiterhin kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um eine Angabe zu einer Frequenz eines mit der parasitären Kapazität gebildeten Schwingkreises zu überwachen. Die Induktivität der Wicklung der elektrischen Maschine bildet üblicherweise mit der parasitären Kapazität ein oder mehrere Schwingkreise, so dass man durch Überwachen der Schwingkreisfrequenz eine Veränderung des Kapazitätswertes feststellen kann. Bei Vorliegen einer festgestellten Kapazitätsveränderung kann dann auf eingedrungenes Wasser geschlossen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um eine Angabe einer charakteristischen Frequenz eines Motorstroms zu erfassen und um abhängig von einer Änderung der charakteristischen Frequenz des Motorstroms auf eingedrungenes Fluid zu schließen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System vorgesehen. Das System umfasst eine elektrische Maschine mit einem zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gehäuse und einer elektrisch ansteuerbaren Wicklung sowie die obige Vorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Erkennen von eingedrungenem Fluid in ein Gehäuse einer elektrischen Maschine, mit folgenden Schritten:
- – Überwachen einer parasitären Kapazität zwischen einer Wicklung der elektrischen Maschine und dem Gehäuse,
- – Erkennen von eingedrungenem Fluid, wenn eine Änderung der parasitären Kapazität festgestellt worden ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem mehrphasigen Elektromotor;
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2 ein Ersatzschaltbild zum Detektieren einer Änderung der parasitären Kapazität einer oder mehrerer Phasenwicklungen des Elektromotors der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Elektromotor 2, der über eine Treiberschaltung 3 betrieben wird. Die Treiberschaltung 3 wird mit Hilfe einer Steuereinheit 4 angesteuert, um dem Elektromotor 2 in geeigneter Weise anzutreiben.
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Der Elektromotor 2 ist vorzugsweise als mehrphasige elektronisch kommutierte elektrische Maschine ausgebildet, insbesondere als ein mehrphasiger z. B. dreiphasiger Synchronmotor. Beispielsweise weist die elektrische Maschine 2 einen Stator mit mehreren Statorwicklungen 21 auf, die den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine 2 zugeordnet sind. Der Stator befindet sich in einem zumindest teilweise leitfähigen Gehäuse 22, das vorzugsweise geerdet oder mit einem vordefinierten Potenzial verbunden ist.
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Die einzelnen Statorwicklungen sind in Dreiecks- oder Sternschaltung oder Kombinationen davon verschaltet und werden über jeweils zugeordnete Inverterschaltungen 31 der Treiberschaltung 3 angesteuert. Die Inverterschaltungen 31 weisen elektronische Schalter 32 in Form von Halbleiterschaltern auf. Jede Inverterschaltung 31 umfasst einen Pull-High-Schalter und einen Pull-Low-Schalter, die in Reihe zwischen Versorgungspotenzialen VH, VL geschaltet sind.
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Zwischen den Versorgungspotenzialen VH, VL ist ein Kondensator 8 vorgesehen, der Rückwirkungen der Schaltvorgänge auf die Versorgungsleitungen reduziert.
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Abhängig von Steuersignalen, die von der Steuereinheit 4 entsprechend einem Vorgabewert V bereitgestellt werden, wird während eines vorbestimmten Zeitfensters einer der Pull-High-Schalter der Inverterschaltungen 31 geschlossen (leitend geschaltet), während die übrigen geöffnet (nicht-leitend) sind, und gleichzeitig wird der Pull-Low-Schalter einer der übrigen Inverterschaltungen 31 geschlossen, während die übrigen Pull-Low-Schalter geöffnet sind. Dadurch kann ein Motorstrom durch zwei ausgewählte der Statorwicklungen 21 der elektrischen Maschine 2 fließen.
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Die Treiberschaltung 3 kann auch andere Ausgestaltungen haben, insbesondere kann jede der Statorwicklungen der elektrischen Maschine 2 über geeignete H-Brücken angesteuert werden.
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Die elektrische Maschine ist nicht auf eine Synchronmaschine beschränkt, sondern es ist hierin grundsätzlich jede elektrische Maschine denkbar, die bestrombare Wicklungen aufweist.
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In der Regel ist das Gehäuse 22 der elektrischen Maschine 2 nicht wasserdicht ausgeführt, so dass je nach Einsatzgebiet des Elektromotors 2 in der Umgebung befindliches Wasser eindringen kann. Das Wasser sammelt sich zunächst in einem unteren Bereich des Gehäuses 22 und befindet sich in einem Teilbereich somit zwischen den Statorwicklungen 21 und dem Gehäuse 22.
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Eine parasitäre Kapazität des Elektromotors 2 wird in der Regel zu einem großen Anteil durch die Kapazität zwischen den Statorwicklungen und dem Gehäuse bestimmt. Befindet sich ein Medium, wie z. B. Wasser in einem Teilbereich zwischen einer Statorwicklung 21 und dem Gehäuse 22, so wird die parasitäre Kapazität aufgrund der von Luft verschiedenen Dielektrizitätskonstante des Mediums stark verändert (Dielektrizitätskonstante von Wasser εr = 80).
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In 2 ist ein Ersatzschaltbild des sich zu einem bestimmten Zeitpunkt ergebenden Stromkreises dargestellt. Man erkennt, dass bei einem Zustand, zu dem einer der Pull-High-Schalter geschlossen ist, die Induktivität Lx der zugehörigen Statorwicklung 21 mit einem ersten Versorgungspotenzial VH verbunden ist und mit einem weiteren Anschluss die parasitäre Kapazität CPhase_Gehäuse anliegt, so dass sich aus der Induktivität der Statorwicklung 21 und der Kapazität der parasitären Kapazität ein Schwingkreis bildet. Befindet sich weiterhin in einem unteren Bereich des Gehäuses 22 Wasser, so wirkt dies wie eine Serienschaltung von zwei parasitären Kapazitäten. Die erste parasitäre Kapazität CWasser ist durch den Wasserstand bedingt und die zweite parasitäre Kapazität ist bedingt durch die Kapazität CPhase_Gehäuse zwischen der betreffenden Statorwicklung 21 und dem unteren Bereich des Gehäuses 22 bzw., bei eingedrungenem Wasser, der Wasseroberfläche.
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Die Induktivität der Statorwicklung 21 sowie die Serienschaltung der oben genannten Kapazitäten bilden einen Serienschwingkreis, dessen Frequenz durch eine geeignete Auswerteschaltung 6 erfasst werden kann. Die Anregung des Schwingkreises erfolgt durch das permanente Schalten der Inverterschaltungen 31 in der Treiberschaltung 3.
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Die Frequenz f
r des Schwingkreises ergibt sich gemäß:
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Die Auswertung der resultierenden Frequenz kann mit Hilfe eines Frequenzdetektors 61 erfolgen, der in der Auswerteeinheit 6 vorgesehen ist. Frequenzdetektoren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beispielsweise kann die Frequenz mit Hilfe eines Zählers festgestellt werden, der die Schwingungen innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters zählt und daraus durch Division der Anzahl der festgestellten Schwingungen durch die Zeitdauer des festgelegten Zeitfensters bestimmt.
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Die Auswerteeinheit 6 kann separat von der Steuereinheit 4 oder integriert in der Steuereinheit 4 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 6 kann einen Frequenzfilter 62, wie z. B. einen Hochpassfilter aufweisen, um die Schaltfrequenzen der Halbleiterschalter 32, die durch das Schaltverhalten der Steuereinheit 4 vorgegeben wird, herauszufiltern.
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Entspricht die Frequenz des empfangenen elektrischen Signals einer vorgegebenen bzw. zuvor bestimmten Referenz für eine elektrische Maschine, in die kein Wasser eingedrungen ist, so kann ein ordnungsgemäßer Zustand festgestellt werden. Weicht das von der parasitären Kapazität abhängige Signal von der vorgegebenen Referenz ab, so kann auf ein Eindringen von Wasser geschlossen werden.
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Die Auswerteeinheit 6 kann beispielsweise die Frequenz eines Motorstroms detektieren, der über einen Messwiderstand 7 erfasst wird. Die Auswerteeinheit 6 weist ferner einen Ausgang zum Ausgeben eines Anzeigesignals auf, das angibt, ob sich die überwachte Frequenz geändert hat.
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Die Erfindung ist grundsätzlich auf jede Art von elektrischen Maschinen anwendbar, bei der zwischen in der elektrischen Maschine vorgesehenen Wicklungen und dem diese umgebenden Gehäuse eine messbare parasitäre Kapazität besteht. Jedoch ist es zweckmäßig, wenn die Wicklungen der elektrischen Maschine als Statorwicklungen eines Stators ausgebildet sind. Sind diese im Läufer ausgebildet, muss die Lage der für die Überwachung der parasitären Kapazität betreffenden Spulenwicklung berücksichtigt werden. Z. B. kann vorgesehen sein, dass die Messung nur bei bestimmten Positionen des Läufers der elektrischen Maschine vorgenommen wird.
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Anstelle des Frequenzverhaltens des mit der parasitären Kapazität gebildeten Serienschwingkreises können auch andere Verfahren zur Messung der parasitären Kapazität zwischen der Statorwicklung und dem Gehäuse angewendet werden. Wesentlich ist es, ein von der parasitären Kapazität abhängiges Signal zur weiteren Auswertung zu erhalten. Dieses Signal kann dann überwacht werden. Eine Änderung des Signals kann dann als ein Eindringen eines Mediums in das Gehäuse interpretiert werden.