In Elektromotoren werden je nach Messaufgabe Widerstandsthermometer, Thermistoren, Thermoelemente oder faseroptische Sensoren eingesetzt. Neben der Wicklungstemperatur können auch Lagertemperaturen, Gehäusetemperaturen und weitere innere Messstellen relevant sein. Jeder Einbauort liefert eine andere thermische Information.
Der geeignete Sensor hängt vom Messort, dem Temperaturbereich, der elektrischen Umgebung, der erforderlichen Genauigkeit, dem Ansprechverhalten, dem Einbauraum und der Überwachungsschnittstelle ab.
Welche Temperatursensoren werden in Elektromotoren verwendet?
Vier Sensortypen decken die meisten Motortemperaturmessungen ab. Widerstandsthermometer (Widerstandstemperaturdetektoren) nutzen die Änderung des elektrischen Widerstands mit der Temperatur. Thermistoren nutzen ebenfalls eine Widerstandsänderung, allerdings mit Halbleitermaterialien und einer anderen Ansprechkurve. Thermoelemente erzeugen eine kleine Spannung, die von der Temperatur abhängt. Faseroptische Sensoren verwenden ein optisches Signal, und bei fluoreszenzbasierten Designs wird die Temperatur aus dem Fluoreszenzverhalten eines Materials an der Sensorspitze abgeleitet.
Motoren können auch Lagertemperatursensoren und Oberflächen- oder Gehäusesensoren tragen. Lager- und Gehäusesensoren messen andere thermische Größen als Wicklungs- und Statorsensoren.
RTD-Sensoren zur Motortemperaturmessung
Ein RTD ist ein Widerstandstemperaturdetektor. Sein Widerstand ändert sich stabil und wiederholbar mit der Temperatur und das Überwachungsgerät wandelt den gemessenen Widerstand in einen Temperaturwert um. PT100 und PT1000 sind gängige Bezeichnungen, die sich auf den Nennwiderstand bei einer Referenztemperatur beziehen.
In Motoren sind Widerstandsthermometer üblicherweise in die Statorwicklung eingebettet oder an Lagern angebracht. Ein Wicklungs-RTD wird während der Fertigung an einer ausgewählten Stelle installiert, häufig zwischen den Spulenseiten oder an einer anderen durch die Motorkonstruktion definierten Position. Da die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur stabil ist, eignen sich Widerstandsthermometer gut für die kontinuierliche Temperaturüberwachung und viele Motorschutzrelais, SPS und Überwachungssysteme akzeptieren RTD-Eingänge direkt.
Mehrere Punkte müssen bei der Auswahl beachtet werden. Ein RTD erfordert elektrische Leiter, daher müssen Leitungsverkabelung und Isolierung berücksichtigt werden, insbesondere bei Hochspannungsmaschinen. Auch in elektrisch anspruchsvollen Umgebungen kann die Signalführung Sorgfalt erfordern. Spezifische Genauigkeitsklassen, Toleranzen und Temperaturbereiche hängen vom RTD-Typ und Hersteller ab und sollten der Produktdokumentation entnommen werden.
Thermistoren in Motorwicklungen
Thermistoren sind temperaturempfindliche Widerstände. NTC-Typen nehmen mit steigender Temperatur an Widerstand ab, während PTC-Typen im Allgemeinen einen starken Widerstandsanstieg um eine definierte Temperatur herum zeigen.
PTC-Thermistoren werden häufig zum Schutz und zur Schwellenerkennung verwendet. Eine Steuerschaltung überwacht den Widerstand und eine plötzliche Änderung signalisiert, dass die Wicklung einen Sollzustand erreicht hat. NTC-Thermistoren stellen einen temperaturabhängigen Widerstand bereit, der bei Verwendung geeigneter Schaltungen als Temperaturwert ausgelesen werden kann.
Thermistoren sind nützlich, wenn eine kompakte Größe, eine einfache Schutzfunktion oder eine schnelle Widerstandsänderung erforderlich sind. Sie sollten nicht alle als kontinuierliche, präzise Temperaturmessgeräte betrachtet werden. Ihr Verhalten und Überwachungszweck hängen vom Sensortyp und dem Steuerkreis ab, an den er angeschlossen ist. Ein zum Schutz verwendeter Thermistor beantwortet eine andere Frage als ein Sensor, der für kontinuierliche Wicklungstemperaturdaten verwendet wird.
Thermoelemente zur Motortemperaturmessung
Ein Thermoelement verbindet zwei unterschiedliche Metalle und die Verbindung erzeugt eine Spannung, die von der Temperatur abhängt. Der Sensoranschluss kann klein sein und die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konstruktion ab. Thermoelemente werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt und finden sich auch in Motoren und angetriebenen Geräten.
Die wichtigsten Überlegungen sind elektrischer Natur. Das Signal ist eine von Leitern übertragene Niederspannungsspannung, und für die Messung ist eine Referenzverbindungsanordnung im Instrument erforderlich. In elektrisch anspruchsvollen Umgebungen können Erdung, Abschirmung und Signalführung das Ergebnis beeinflussen. Dies schließt den Einsatz von Thermoelementen in Motoren nicht aus. Das bedeutet, dass in manchen Umgebungen der Verkabelung mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden muss als bei der optischen Abtastung.
Faseroptische Temperatursensoren für Motorwicklungen
INNOs Technologie ist eine fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperaturmessung. Die Sonde verfügt über eine Messspitze, an der die Temperatur gemessen wird. Eine optische Faser leitet das Anregungslicht zur Spitze und das Rücksignal zurück zu einem kompatiblen Instrument, das es in einen Temperaturwert umwandelt.
Jede Sonde misst einen definierten physischen Standort. Die Faser zwischen der Sensorspitze und dem Instrument überträgt das Signal, misst jedoch nicht die Temperatur entlang ihrer Länge. Dabei handelt es sich um eine Punkterkennung, nicht um eine verteilte Erkennung, und eine Sonde findet nicht automatisch einen unbekannten Hotspot. Der Messpunkt muss im Voraus ausgewählt werden.
Für Wicklungen wird ein faseroptische Temperaturfühler für Motorwicklungen mit seiner Messspitze an einer ausgewählten Wicklungsstelle installiert. Der allgemeine Aufbau und die Auswahl an Sondentypen werden auf der Seite für faseroptische Temperatursensoren beschrieben.
Zu den für Motoranwendungen relevanten Eigenschaften gehören:
- Elektrische Trennung des optischen Erfassungspfads
- Hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen
- Eignung für ausgewählte Hochspannungsumgebungen oder Umgebungen mit starken elektromagnetischen Feldern
- Kleine Sondengeometrie, die bei begrenztem Einbauraum hilfreich sein kann
- Mehrpunktüberwachung mit mehreren unabhängigen Sonden
Dies sind Merkmale der Erfassungsmethode und keine Garantien für jede Installation. Ob ein faseroptischer Tastkopf zu einem bestimmten Motor passt, hängt vom Messort, der Wicklungskonstruktion und der Art und Weise ab, wie die Faser aus der Maschine herausgeführt werden kann.
RTD vs. Thermistor vs. Thermoelement vs. Glasfasersensor
Die folgende Tabelle vergleicht die vier Typen nach ihrer Funktionsweise und wo sie häufig in Betracht gezogen werden. Es handelt sich um einen neutralen Vergleich, nicht um eine Rangfolge, und jede Zeile spiegelt allgemeine Merkmale wider, die je nach Produkt variieren.
| Sensortyp | Messprinzip | Typische Motornutzung | Elektrisches Signal am Messpunkt | Kontinuierliche Temperaturmessung | Wichtige Überlegungen zur Auswahl |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD | Widerstand ändert sich mit der Temperatur | Eingebettete Wicklungs-, Stator- und Lagerüberwachung | Ja, elektrische Leiter verlaufen zum Sensorelement | Ja | Leitungsverkabelung, Isolierung und Signalführung im elektrischen Umfeld |
| Thermistor | Halbleiterwiderstand ändert sich mit der Temperatur | Wicklungsschutz und Schwellenwerterkennung sowie in einigen Designs Temperaturanzeige | Ja, elektrische Leiter verlaufen zum Sensorelement | Abhängig vom Sensortyp und der Steuerschaltung | Ob der Zweck Schutz oder kontinuierliche Daten ist |
| Thermoelement | Thermoelektrische Spannung an einer Verbindung unterschiedlicher Metalle | Allgemeine industrielle Messungen, einschließlich einiger Motor- und Gerätepositionen | Ja, Niederspannungssignal auf Leitern | Ja | Vergleichsstelle, Erdung und Abschirmung |
| Glasfasersensor | Optisches Signal von der Sensorspitze, z. B. Fluoreszenzverhalten | Direkte Messung an ausgewählten Wicklungspunkten, auch in elektrisch anspruchsvollen Umgebungen | Nein, der Signalweg am Messpunkt ist optisch | Ja | Punktplatzierung, Faserführung und kompatible Instrumentenkanäle |
Wo sind Temperatursensoren in einem Elektromotor installiert?
Der Messort schränkt oft die Auswahl des Sensors ein, bevor andere Faktoren berücksichtigt werden, da unterschiedliche Orte unterschiedliche Ziele verfolgen.
Statorwicklungen
Die Statorwicklung ist ein Hauptstandort für die Motortemperaturüberwachung. Sensoren werden in der Regel während der Herstellung in ausgewählte Wicklungsstellen eingebettet oder dort platziert. Ein Statortemperatursensor jeglicher Art misst nur dort, wo er installiert ist, daher ist die Position relativ zur Wicklung genauso wichtig wie der Sensortyp.
Lager
Die Überwachung der Lagertemperatur hat ein anderes Ziel als die Überwachung der Wicklung. Dabei geht es um die Schmierung und den mechanischen Zustand, und Widerstandsthermometer werden dort häufig eingesetzt. Für Lager ist im Allgemeinen keine faseroptische Sensorik erforderlich, und die Wahl hängt von den gleichen Faktoren wie anderswo ab: Standort, Umgebung und Überwachungssystem.
Motorgehäuse
Die Gehäuse- oder Oberflächentemperatur ist leichter zugänglich, sie entspricht jedoch nicht direkt der inneren Wicklungstemperatur. Der Unterschied hängt vom Motordesign, der Belastung und der Kühlung ab. Gehäusemessungen können auch für andere Zwecke sinnvoll sein, sie sind jedoch kein Ersatz für einen Sensor an der Wicklung.
Andere interne Standorte
Abhängig vom Motordesign können auch andere interne Stellen von Interesse sein, etwa Nuten, Endwicklungen oder andere thermische Stellen. Welche davon für die Sensorplatzierung zugänglich sind, hängt von der Konstruktion ab und es gibt keine allgemeine Regel, die für jeden Motor gilt.
Warum die Wicklungstemperatur wichtig ist
Die Wicklungstemperatur spiegelt den kombinierten Effekt von Strom, Verlusten, Last, Kühlung, Umgebungsbedingungen und Luftstrom wider. Wenn der Laststrom steigt, nehmen im Allgemeinen die Wicklungsverluste und damit auch die Wärmeentwicklung zu. Wenn die Kühlung oder der Luftstrom eingeschränkt sind, kann die gleiche Last zu einer höheren Wicklungstemperatur führen. Ein Sensor an der Wicklung erfasst das Ergebnis all dieser Faktoren, was bei Oberflächenmessungen nicht möglich ist.
Zulässige Temperaturwerte hängen von der Motorkonstruktion, dem Isolationssystem und den geltenden Spezifikationen ab und sollten daher der Motordokumentation und nicht allgemeinen Zahlen entnommen werden. Die Messmethoden selbst, einschließlich Wicklungswiderstand und Oberflächentechniken, werden in unserem Artikel über wie die Motorwicklungstemperatur gemessen wird.
behandeltÜberwachung mehrerer Motortemperaturpunkte
Ein einzelner Punktsensor liefert einen Temperaturwert an einem Ort. Wo mehrere Standorte wichtig sind, benötigt jeder seinen eigenen Sensor. Bei der faseroptischen Punkterkennung entspricht ein definierter Punkt einer Sonde und einem kompatiblen aktiven Kanal am Instrument.
Als Konfigurationsbeispiel würde die Überwachung von drei unabhängigen Wicklungsstandorten normalerweise drei Sonden und mindestens drei kompatible aktive Kanäle erfordern. Dies ist nur ein Beispiel. Die Anzahl der Messpunkte hängt vom Motordesign und dem Überwachungsziel ab und nicht jeder Motor benötigt drei.
Mehrere Sonden liefern mehrere unabhängige Punktmessungen, kein verteiltes Temperaturprofil. Mehrkanalinstrumente werden auf der Seite für faseroptische Temperaturüberwachungssysteme beschrieben, und der breitere Anwendungskontext wird unter Motor- und Generatortemperaturüberwachung behandelt.
So wählen Sie einen Temperatursensor für einen Elektromotor aus
Arbeiten Sie die folgenden Punkte der Reihe nach durch. Jeder einzelne schränkt die Optionen ein.
- Messort: Wicklung, Stator, Lager, Gehäuse oder ein anderer interner Punkt.
- Erwarteter Temperaturbereich: anhand der Sensordokumentation bestätigen.
- Erforderliches Antwortverhalten: wie schnell der Messwert Änderungen folgen muss.
- Erforderliche Messgenauigkeit: wie in der Spezifikation angegeben und für den gewählten Sensor bestätigt.
- Anforderung an die elektrische Isolierung: ob eine leitende Verkabelung am Messpunkt akzeptabel ist.
- Elektromagnetische Umgebung: Hochspannung, starke Felder oder Hochfrequenzbedingungen.
- Verfügbarer Installationsraum: der Raum am vorgesehenen Messpunkt.
- Sensordurchmesser und -geometrie: ob die Sonde zum Standort passt.
- Kabel- oder Faserführung: wie die Verbindung den Motor verlässt und das Instrument erreicht.
- Anzahl der Messpunkte: Jeder unabhängige Standort benötigt einen eigenen Sensor.
- Erforderliche Überwachungskanäle: genügend kompatible Eingangskanäle für alle Sensoren.
- Steuerungs-, SPS- oder Überwachungsschnittstelle: der Signaltyp, den das bestehende System akzeptiert.
Sensorauswahl nach Anwendungsbedingung
Die Tabelle listet Sensortypen auf, die üblicherweise für typische Bedingungen in Betracht gezogen werden, zusammen mit der Frage, die zwischen ihnen entscheidet. Es schließt andere Optionen nicht aus.
| Anwendungsbedingung | Häufig berücksichtigte Sensortypen | Schlüsselfrage |
|---|---|---|
| Eingebettete Statorwicklungsüberwachung | RTD, Thermistor, Thermoelement, Glasfaser | Akzeptiert das Überwachungssystem den Signaltyp und ist der Standort während der Herstellung zugänglich? |
| Motorschutzschwelle | Thermistor, RTD | Reinigt eine Schaltfunktion oder werden kontinuierliche Temperaturdaten benötigt? |
| Allgemeine industrielle Temperaturmessung | RTD, Thermoelement | Welchen Bereich und welche Schnittstelle benötigt die Anwendung? |
| Hochspannungsmotorwicklung | RTD, Glasfaser | Wie erfolgt die Isolierung und galvanische Trennung am Messpunkt? |
| Starke elektromagnetische Umgebung | Abgeschirmte elektrische Sensoren, Glasfaser | Können Verkabelung und Abschirmung das elektrische Signal zuverlässig halten, oder wird ein optischer Pfad bevorzugt? |
| Mehrpunkt-Wicklungsüberwachung | RTD, Glasfaser | Wie viele unabhängige Punkte werden benötigt und sind genügend Kanäle verfügbar? |
| Peilungsüberwachung | RTD, Thermoelement | Welche Montage und Schnittstelle ermöglicht die Lagerposition? |
Temperaturmessung in Hochspannungs- und starken EMI-Umgebungen
Elektrische Sensoren basieren auf leitenden Leitungen und elektrischen Signalen. Bei vielen Motoren funktioniert das gut, aber bei Hochspannungsmaschinen oder dort, wo starke elektromagnetische Felder vorhanden sind, wird die Verkabelung zum Teil des Konstruktionsproblems. Isolierung, Erdung, Abschirmung und Kabelführung müssen beachtet werden, und das Signal muss in der Präsenz des Feldes zuverlässig bleiben.
Die faseroptische Abtastung nutzt einen optischen Pfad zwischen dem Abtastpunkt und dem Instrument. Da am Messpunkt kein leitender Signalpfad vorhanden ist, kann dies in einigen Hochspannungs-, Starkfeld- oder Hochfrequenzumgebungen die elektrische Isolierung und Signalführung vereinfachen. Hierbei handelt es sich um eine Aussage über die Erfassungsmethode, nicht um den Anspruch auf vollständige Immunität. Faseroptische Sonden weisen eine hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen auf und das tatsächliche Ergebnis hängt immer noch von der Installation ab.
Neues Motordesign vs. nachgerüstete Temperaturüberwachung
In einem neuen Motor können eingebettete Sensoren während der Konstruktion und Herstellung geplant werden. Es können Messpunkte vereinbart, Sensoren platziert werden, während die Wicklung zugänglich ist, und die Verlegung von Drähten oder Fasern in die Konstruktion eingebaut werden.
Bei einem vorhandenen Motor ist der Zugang zur internen Wicklung normalerweise eingeschränkt. Zu den Optionen können vorhandene eingebettete Widerstandsthermometer, Peilungssensoren, Oberflächenmessungen oder andere zugängliche interne Punkte gehören. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass eine faseroptische Sonde immer in eine bestehende Wicklung nachgerüstet werden kann und in jedem Fall eine technische Überprüfung erforderlich ist.
Installationseinschränkungen, die die Sensorauswahl ändern können
- Wählen Sie einen Sensor aus, bevor Sie den Messort festlegen.
- Gehäusetemperatur als Wicklungstemperatur behandeln.
- Angenommen, ein Sensor repräsentiert die gesamte Wicklung.
- Ignorieren der Anforderungen an die elektrische Isolation am Messpunkt.
- Kabel- oder Glasfaserführung erst spät im Design ignorieren.
- Verwendung eines Schutzthermistors, wenn kontinuierliche Temperaturdaten erforderlich sind.
- Angenommen, mehrere Punktsonden ermöglichen eine verteilte Erfassung.
Schlussfolgerung
Elektromotoren können Widerstandsthermometer, Thermistoren, Thermoelemente und faseroptische Sensoren verwenden, sie dienen jedoch unterschiedlichen Mess- und Schutzzielen. Widerstandsthermometer unterstützen eine kontinuierliche Überwachung auf Basis des elektrischen Widerstands. Thermistoren bieten kompakte Erfassungs- und Schutzfunktionen. Thermoelemente decken ein breites Spektrum industrieller Temperaturmessungen ab. Faseroptische Sensoren ermöglichen eine direkte Punktmessung über einen elektrisch isolierten optischen Signalpfad.
Die Sensorauswahl beginnt mit dem Messpunkt und der Betriebsumgebung, nicht mit dem Sensornamen. Sobald der Standort, der Temperaturbereich, die elektrischen Bedingungen und die Überwachungsschnittstelle definiert sind, sind die geeigneten Optionen in der Regel klar.
Wenn ein Motorprojekt eine direkte Messung der Wicklungstemperatur erfordert, kann INNO dabei helfen, die Messpunkte, die Sondenkonfiguration, die Faserführung und die Kanalanforderungen zu überprüfen.
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