ES3044435T3 - Monitoring the state of a rotating element, in particular of an electric motor rotor - Google Patents
Monitoring the state of a rotating element, in particular of an electric motor rotorInfo
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Abstract
Un motor o máquina de trabajo con una carcasa (2, 3), un estator y un rotor (4) dispuestos en su interior, dispone de un dispositivo de monitorización para supervisar un parámetro de estado del rotor (4). El dispositivo de monitorización comprende una unidad sensora (8) dispuesta en la carcasa (4) que contiene un elemento de acoplamiento y una estructura conductora, un sensor SAW que conecta los elementos mencionados, y una unidad de consulta. La unidad de consulta funciona preferentemente según el principio S-FSCW. Dicha unidad cuenta con un generador de señales para generar señales de consulta y una estructura de acoplamiento (9) conectada a este. La estructura de acoplamiento (9) está dispuesta en una zona situada a lo largo del entrehierro formado entre el rotor (4) y el estator, o la sección de la carcasa (2, 3), hasta una zona cubierta por el elemento de acoplamiento cuando este gira. Esta posición permite el acoplamiento entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento para la transmisión de señales a través del entrehierro. La unidad de consulta cuenta con un circuito de evaluación para evaluar las señales de respuesta recibidas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
[0001] DESCRIPCIÓN
[0003] Monitorización de estado para un elemento giratorio de una máquina motriz o de trabajo, en particular para el rotor de un motor eléctrico
[0005] La invención se refiere a un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, tal como la temperatura de un elemento giratorio de una máquina motriz o de trabajo, en particular el rotor de un motor eléctrico, en particular un motor síncrono, con las características del preámbulo de la reivindicación 11. También se refiere a una máquina motriz o de trabajo, en particular a un motor eléctrico, con una parte de carcasa, con un elemento de estátor y un dispositivo de rotor dispuestos ambos en la parte de carcasa, así como con un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, tal como una temperatura, del elemento de rotor, con las características del preámbulo de la reivindicación 1.
[0007] En diversas aplicaciones, en particular en máquinas motrices o de trabajo, hay elementos giratorios dispuestos dentro de elementos estáticos. Esto se aplica a las máquinas de trabajo, como los generadores, al igual que a las máquinas motrices, como motores o turbinas. En este sentido ocupan un lugar especial los motores eléctricos en los que hay rotores dispuestos dentro de estátores y unos campos magnéticos alternos generados por un flujo de corriente regulado adecuadamente a través de conductores eléctricos tendidos en devanados son impulsados para girar alrededor de un eje de rotación.
[0009] Los motores síncronos, en los que los rotores están equipados con imanes permanentes, son un diseño particular de tales motores eléctricos. Este tipo de motores síncronos se utilizan en particular en el ámbito de los vehículos eléctricos, en particular los coches eléctricos. En esta aplicación en particular, los motores síncronos funcionan a alta potencia para generar fuertes pares y lograr altas aceleraciones y velocidades de marcha de los automóviles eléctricos. Como es sabido, en el caso de una alta potencia absorbida por el motor síncrono, resulta problemático un calentamiento de sus componentes, en este sentido en particular el rotor con los imanes permanentes dispuestos en el mismo. Se trata aquí de evitar que el rotor supere una temperatura crítica, ya que de lo contrario existe el riesgo de que los imanes permanentes pierdan su magnetización o incluso se desmagneticen por completo y, por lo tanto, causen daños irreparables al motor síncrono.
[0011] Sin embargo, una monitorización de la temperatura del rotor también es importante en el caso de los motores asíncronos. En particular, es deseable conocer y poder monitorizar la temperatura de los devanados en cortocircuito en el rotor.
[0013] En general, conocer la temperatura del rotor de una máquina motriz o de trabajo también es importante, no obstante, por otras razones, siendo deseable poder conocer y monitorizar esta temperatura con la mayor precisión posible: temperaturas excesivamente altas pueden dañar los elementos que siguen al eje del elemento de rotor, en particular los cojinetes. Por ejemplo, la grasa de un cojinete puede descomponerse a unos 150 °C, lo que provoca una pérdida de lubricación de los cojinetes y, por lo tanto, un riesgo de dañarlos. Además, cuando el rotor está caliente, pero el elemento de estátor está notablemente más frío, las bolas del cojinete pueden presionarse excesivamente, lo que resulta en un desgaste muy elevado.
[0015] En general, un aumento de temperatura conduce a un alargamiento, lo que también puede afectar al funcionamiento de otros componentes y, en el caso de los motores de husillo de las máquinas de arranque de virutas, por ejemplo, hace que se vea afectada la precisión del mecanizado. Con un alargamiento de 10 ppm/K y una longitud axial supuesta de 100 mm, una variación de temperatura de 10 K da como resultado una variación de la longitud de 10 jm . Conocer y predecir esta variación de la longitud mediante un conocimiento preciso de la temperatura es una gran ventaja en diversas aplicaciones, si es que no es absolutamente necesario.
[0017] En el estado de la técnica ya se ha abordado el problema de monitorizar la temperatura de los rotores en los motores síncronos. Sin embargo, la temperatura del rotor no se mide, a este respecto, directamente, sino que normalmente se estima indirectamente en una aproximación basada en simulación o extrapolación. Ejemplos de tales métodos y procedimientos se describen en el documento EP 3190697 A1 y también en el documento DE 102017207401 A1. Aunque este método ya permite determinar las temperaturas del rotor de forma útil, la temperatura real aplicada al rotor no puede, sin embargo, determinarse de este modo con precisión. En consecuencia, los controladores de potencia para motores síncronos que funcionan con este método siempre incluyen un cierto margen de seguridad para la temperatura y, por lo tanto, el motor síncrono funciona normalmente a una potencia máxima establecida por debajo de una potencia máxima teóricamente alcanzable para tener en cuenta un error dado en el método de determinación indirecta de la temperatura del rotor y garantizar así que no se alcance en ningún caso o no se supere en absoluto una temperatura crítica del rotor a la que puedan producirse los procesos de desmagnetización descritos anteriormente.
[0019] En el documento DE 102018213405 A1 se describe un sistema de sensores para determinar una temperatura y al menos una propiedad de rotación de un elemento que gira alrededor de un eje de rotación. Este sistema también incluye un sensor de temperatura que se puede interrogar de forma inalámbrica y funciona con la
evaluación de ondas superficiales.
[0021] El documento EP 2351 992 A1 divulga un sistema en un motor eléctrico en el que la temperatura del rotor se puede determinar y leer de forma inalámbrica utilizando la tecnología SAW. La interrogación se basa en el principio FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave:onda continua de frecuencia modulada) y, en consecuencia, requiere una detección precisa de la posición del rotor con respecto al estátor para llevar a cabo las consultas en una posición geométrica en la que haya una conexión de señal suficientemente buena entre la unidad de sensor y la unidad de interrogación.
[0023] Además de la temperatura del elemento de rotor de una máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico o incluso una turbina o un generador, a menudo también es interesante o incluso esencial conocer los valores de estado de otros parámetros de estado, como el valor de un par aplicado, y también poder monitorizar estos parámetros de estadoin situy poder medir su valor de estado directamente en el elemento de rotor.
[0025] Partiendo de este estado de la técnica conocido y de los antecedentes del problema expuesto, el objetivo de la invención es especificar una forma de determinar el valor de estado de un parámetro de estado, tal como en particular la temperatura, de elementos giratorios, en particular en máquinas motrices o de trabajo, mediante medición directa y prever un sistema de sensores que permita esto también en un motor eléctrico a fin de determinar el valor de estado del parámetro de estado, tal como la temperatura, del elemento de rotor.
[0027] La presente invención aborda este problema y este objetivo y especifica una solución que permite una monitorización de un parámetro de estado, tal como en particular la temperatura, de un componente giratorio en general, en particular la monitorización de la temperatura del elemento de rotor de una máquina motriz o de trabajo, en particular del rotor de un motor eléctrico, en forma de una determinación real del valor de temperatura mediante medición. Ventajosamente, esta medición y determinación deben ser robustas con respecto a las condiciones del entorno, ser fiables incluso a altas velocidades de rotación del elemento giratorio y, preferiblemente, funcionar incluso sin una sincronización exacta de la interrogación con una posición de rotación del elemento giratorio.
[0029] Para ello, un primer aspecto de la invención especifica una máquina motriz o de trabajo, tal como, en particular, un motor eléctrico, con una parte de carcasa, por ejemplo, una carcasa de motor, con un elemento de estátor y un elemento de rotor dispuestos ambos en la parte de carcasa, así como con un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, en particular una temperatura, del elemento de rotor, tal como se define en la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos de una máquina motriz o de trabajo diseñada de esta manera se especifican en las reivindicaciones dependientes 2 a 10. En otro aspecto, la invención también especifica un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, en particular una temperatura, de un elemento giratorio, en particular el elemento de rotor de una máquina motriz o de trabajo, tal como el rotor de un motor eléctrico, tal como se define en la reivindicación 11. Perfeccionamientos de un dispositivo de monitorización de este tipo se definen en las reivindicaciones dependientes 12 a 14.
[0031] Según la invención, una máquina motriz o de trabajo con una parte de carcasa y con un elemento de estátor y un elemento de rotor, dispuestos ambos en la parte de carcasa, presenta un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, tal como una temperatura o incluso un par aplicado, del elemento de rotor. Este dispositivo de monitorización comprende una unidad de sensor y una unidad de interrogación que funciona según el principio S-FSCW(Switched-Frequency Stepped Continuous Wave:onda continua de frecuencia escalonada con conmutación). La unidad de sensor está dispuesta en el elemento de rotor. Contiene al menos un elemento de sensor SAW basado en el principio de las ondas superficiales para detectar un valor de estado del parámetro de estado, un elemento de acoplamiento y una estructura conductora que conecta el elemento de sensor SAW y el elemento de acoplamiento para transmitir señales electromagnéticas analógicas. A este respecto, la unidad de sensor también puede comprender, en particular, más de un elemento de sensor SAW, y estos múltiples elementos de sensor SAW se pueden conectar entonces, en particular, a un mismo elemento de acoplamiento a través de estructuras conductoras correspondientes. La unidad de interrogación incluye un generador de señales para generar señales de interrogación. Una estructura de acoplamiento está conectada a este generador de señales con fines de señalización, y esta estructura de acoplamiento está dispuesta en el elemento de estátor o en una sección de la parte de carcasa de manera orientada hacia el elemento de rotor, específicamente en una región que se correlaciona, a lo largo de un entrehierro formado entre el elemento de rotor y el elemento de estátor o en la sección de la parte de carcasa, con una región barrida por el elemento de acoplamiento al girar el elemento de rotor de tal manera que es posible un acoplamiento entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento para la transmisión de señales. La unidad de interrogación presenta, finalmente, un circuito de evaluación para evaluar señales de respuesta recibidas por la unidad de sensor. La disposición de la estructura de acoplamiento descrita anteriormente puede ser, a este respecto, la opuesta, por ejemplo, aunque este no tiene por qué ser necesariamente el caso. En este caso se selecciona preferiblemente una disposición que permita el acoplamiento y la transmisión de señales entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento a través del mayor ángulo de rotación posible entre el elemento de rotor y el elemento de estátor.
[0032] Un aspecto esencial de esta solución según la invención es, ahora, que al menos un elemento de sensor SAW se usa para una medición directa de un valor de estado de un parámetro de estado, tal como la temperatura, del elemento de rotor. Por un lado, este tipo de sensor es robusto y también se puede usar en condiciones difíciles, como a altas velocidades de rotación, como las que se alcanzan con muchas máquinas motrices o de trabajo, por ejemplo, motores eléctricos, turbinas o incluso generadores de alta velocidad (velocidades de rotación de, por ejemplo, hasta 20.000 r.p.m. para motores eléctricos). Además, dentro de los motores eléctricos, pero también en los generadores, hay campos magnéticos extremadamente altos, gradientes de campo magnético y variaciones extremadamente rápidas del campo magnético a lo largo del tiempo. Si bien para los circuitos electrónicos, como los que se utilizan normalmente en los sensores, estas condiciones límite son, en cualquier caso, extremadamente desafiantes y, a menudo, excluyen por completo su uso, los elementos de sensor SAW también se pueden usar en estas condiciones extremas y pueden medir de manera fiable los valores de estado de los parámetros de estado que se van a monitorizar.
[0034] Otro aspecto esencial de la invención es que la unidad de interrogación es una que funciona según el principio S-FSCW(Switched-Frequency Stepped Continuous Wave:onda continua de frecuencia escalonada con conmutación). Este principio se describe, por ejemplo, en el artículo "Wireless Readout of Multiple SAW Temperature Sensors", publicado en Sensors 2019, 19, 3077 por los autores Gudrun Bruckner y Jochen Bardong y se explica con más detalle en el libro "Surface Acoustic Wave Devices in Telecommunications" de Hashimoto, K., publicado por la ed. Springer, Berlín, Alemania, 2000, y que también se menciona en dicho artículo. Es cierto que una interrogación que utiliza este principio lleva más tiempo en comparación con otros métodos de interrogación, como el FMCW ya mencionado anteriormente. Sin embargo, los inventores han descubierto que, en la aplicación según la invención, para una calidad de señal suficiente de la señal de respuesta consultada, no se requiere una determinación precisa de la posición del elemento de rotor con el elemento de sensor o el elemento de acoplamiento unido al mismo, como sí se requería en el estado de la técnica, para llevar a cabo una interrogación sincronizada en este sentido. En cambio, la interrogación se puede realizar en un intervalo angular mucho mayor, idealmente, si se pueden usar señales reflejadas, incluso de 360°, es decir, en cualquier posición de rotación del elemento de rotor. Los inventores también han descubierto que son posibles respuestas de señal útiles incluso con una relación señal a ruido poco favorable, en cuyo caso ya no es posible leer el elemento de sensor con una interrogación según el principio FMCW. Esto también contribuye al hecho de que una interrogación utilizando el principio S-FSCW, que se aplica preferiblemente aquí, es posible en un intervalo angular más amplio de la posición relativa entre el elemento de rotor y el elemento de estátor. Además, debido a la interrogación escalonada, los posibles ecos en el sistema, como los causados por entornos metálicos y las reflexiones de señal que se producen allí, pueden suprimirse con el S-FSCW determinándose en consecuencia, por los tiempos de espera entre las emisiones y la recepción respectiva, que los ecos han disminuido al menos en gran medida durante estos tiempos.
[0036] El uso del principio S-FSCW también permite reaccionar ante posibles señales de interferencia de radio, por ejemplo, simplemente ignorando las frecuencias críticas en la interrogación escalonada y sin enviar pulsos de interrogación a estas frecuencias. La transmisión/recepción repetida y dirigida de frecuencias individuales seleccionadas también es posible con este principio. Otra ventaja del principio elegido de manera preferible es la posibilidad de construir la electrónica de interrogación con componentes estándar relativamente económicos, tales como los utilizados en la tecnología WLAN convencional, por ejemplo. Esto también se aplica entonces al procesamiento de señales aguas abajo en la unidad de interrogación.
[0038] En particular, la unidad de interrogación puede diseñarse como se describe en el documento EP 3171291 A1 y funcionar según el principio divulgado allí.
[0040] Como ya se ha mencionado, el elemento de sensor SAW puede estar configurado, en principio, para medir un valor de estado de cualquier parámetro de estado que se vaya a medir con dicho elemento de sensor, por ejemplo, para medir una fuerza, un par o incluso para medir una temperatura. Para medir una temperatura, el elemento de sensor SAW también puede denominarse elemento de sensor de temperatura SAW. Se pueden seleccionar nombres similares para los elementos de sensor SAW para monitorizar otros parámetros de estado.
[0041] En el caso más simple, la estructura conductora que conecta el elemento de acoplamiento al elemento de sensor SAW puede ser una conexión eléctrica directa entre el elemento de acoplamiento y el elemento de sensor SAW, por ejemplo, una junta de soldadura en la que conexiones eléctricas del elemento de acoplamiento se sueldan a contactos eléctricos del elemento de sensor SAW. Sin embargo, la estructura conductora también puede ser un elemento extendido espacialmente, dispuesto entre el elemento de acoplamiento y el elemento de sensor SAW. Las propiedades de alta frecuencia de esta estructura conductora deben adaptarse entonces al elemento de acoplamiento para poder transferir señales de alta frecuencia, por ejemplo a una frecuencia de 2,4 GHz, como la que se puede usar normalmente para interrogar al elemento de sensor SAW y excitar o acoplar ondas superficiales allí, desde el elemento de acoplamiento al elemento de sensor SAW y también desde allí de vuelta al elemento de acoplamiento. Además, la estructura conductora también debe adaptarse al elemento de sensor SAW para que la señal electromagnética transportada a través de la estructura conductora pueda convertirse allí en una onda superficial y, por lo tanto, la onda superficial de retorno pueda provocar allí que una señal electromagnética de alta frecuencia se realimente a la estructura conductora. Con
una selección y un diseño inteligentes de la estructura conductora, es posible incluso obtener, dado el caso, una mejora en las propiedades de alta frecuencia de toda la unidad de sensor, es decir, del sistema conectado formado por el elemento de acoplamiento, la estructura conductora y el elemento de sensor SAW.
[0043] Los elementos de sensor SAW también se pueden producir en gran medida miniaturizados, de modo que se puedan disponer en un elemento de rotor, como el rotor de un motor eléctrico, en las palas de turbina de una turbina o incluso en el rotor de un generador, con relativa facilidad. En particular, también es posible, a este respecto, disponer el o los elementos de sensor SAW empotrados en el material macizo del elemento de rotor, por ejemplo, en un orificio introducido en su cuerpo partiendo de una superficie del elemento de rotor. Para este propósito, orificios u otras aberturas que ya existan de todos modos en el lado de producción en un elemento de rotor de este tipo también se pueden usar como alojamiento para el o los elementos de sensor SAW. Como resultado de un alojamiento empotrado de este tipo, por un lado, se puede realizar de manera todavía más dirigida una medición de un valor de estado, tal como una temperatura, en una región sensible, incluso en varias secciones si se utilizan varios elementos de sensor SAW; por otro lado, el o los elementos de sensor SAW están dispuestos en dicho orificio de manera protegida y no es necesario protegerlos particularmente, por ejemplo, contra las posibles fuerzas centrífugas que surgen al girar el elemento de rotor. Dado que los elementos de rotor de máquinas motrices o de trabajo, tal como el rotor de un motor eléctrico, normalmente se componen de un material metálico que apantalla la radiación electromagnética, el elemento de acoplamiento ha de disponerse en la región de la superficie del elemento de rotor. En el caso de una disposición preferiblemente empotrada del elemento de sensor SAW en un orificio, la distancia que se extiende dentro del orificio entre el elemento de acoplamiento y el o los elementos de sensor SAW es salvada, a este respecto, por las estructuras conductoras, formadas entonces como un componente independiente y no solo creadas mediante una simple conexión eléctrica, dado el caso soportadas por un soporte sobre el que están dispuestos los componentes de la unidad de sensor. Como ya se mencionó anteriormente, la o las estructuras conductoras están así configuradas y coordinadas para conducir señales electromagnéticas recibidas por el elemento de acoplamiento, de la frecuencia de interrogación, que puede situarse en el rango de la banda de frecuencia de 2,4 GHz, desde el elemento de acoplamiento hasta el o los elementos de sensor SAW e igualmente para transmitir la respuesta de señal del elemento de sensor SAW / los elementos de sensor SAW de vuelta al elemento de acoplamiento para la transmisión inalámbrica de esta respuesta a la estructura de acoplamiento.
[0045] Si la unidad de sensor está fija en un orificio, entonces, si se va a utilizar para monitorizar una temperatura del elemento de rotor, puede presentar uno o más elementos de sensor de temperatura SAW y puede estar incrustada en el orificio en un material, en particular endurecible y pastoso, que tenga una alta conductividad térmica y que haga que la unidad de sensor se ancle al orificio. De esta manera, la unidad de sensor se sujeta firmemente al elemento de rotor incluso a altas velocidades de rotación y contra las fuerzas resultantes y, al mismo tiempo, se logra un aumento en la precisión de medición de la temperatura, ya que la temperatura aplicada al elemento de rotor se transmite muy bien al o a los elementos de sensor de temperatura SAW incrustados en el material, que tiene una alta conductividad térmica. En particular, se pueden usar aquí rellenos o adhesivos pastosos que, por un lado, puedan mantener la unidad de sensor en el orificio de tal manera que se asiente firmemente en el orificio incluso a altas velocidades de rotación del elemento de rotor y a las fuerzas centrífugas resultantes, pero que, por otro lado, también tengan una flexibilidad y tensiones térmicas suficientemente altas como para compensar un calentamiento debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica del material del elemento de rotor y del material de la unidad de sensor, en particular del material cristalino del elemento de sensor SAW o de los elementos de sensor, y así evitar que el o los elementos de sensor SAW, en particular, se dañen.
[0047] El término "alta conductividad térmica" significa, a este respecto, que el material mejora significativamente la transferencia de calor desde el material del elemento de rotor al o a los elementos de sensor de temperatura SAW, en comparación con un estado sin dicho material. Para este propósito, el material usado preferiblemente aquí tiene una conductividad térmica significativamente mayor que el aire (cuya conductividad es de aproximadamente 0,024 W/mK) y preferiblemente tiene una conductividad térmica de 1 W/mK o más en el intervalo de temperatura relevante de las temperaturas de operación.
[0049] Dado que la estructura de acoplamiento de la unidad de interrogación también se puede implementar en un tamaño pequeño, se puede disponer en un espacio y una región relativamente estrechos de un entrehierro de dimensiones reducidas, que puede tener, por ejemplo, una dimensión de 20 mm o menos, en particular de 15 mm o menos, dado el caso, incluso menos, tal como 7 mm o menos, o incluso de hasta tan solo 2 mm, en una posición frente a la región barrida por el elemento de acoplamiento al girar el elemento de rotor y, por lo tanto, puede establecer así una comunicación entre la unidad de interrogación y la unidad de sensor a través de transmisión inalámbrica de señales entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento sin afectar con ello al diseño y la función del motor eléctrico, por ejemplo.
[0051] Con la tecnología descrita anteriormente y el diseño especial de la máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico, con el sistema de sensores descrito, se puede medir directamente el valor de estado de un parámetro de estado, tal como la temperatura, del elemento de rotor, de modo que no es necesario recurrir a
una determinación aproximada basada en cálculos y simulaciones. En consecuencia, cuando se mide, por ejemplo, una temperatura, la ventana de error de la temperatura determinada es significativamente menor, de modo que, por ejemplo, un motor eléctrico equipado de esta manera puede funcionar con una potencia más alta en el rango límite, ya que una reducción de la potencia cuando se alcanza una temperatura crítica solo debe tener lugar cuando esta temperatura se mide realmente, y no antes mediante la inclusión de un margen de seguridad debido a las imprecisiones de una estimación indirecta de la temperatura mediante simulación y derivación computacional a partir de otros parámetros determinados. Los inventores suponen aquí que es posible hacer funcionar un motor eléctrico construido según la invención en un intervalo de hasta un 10 % por encima del límite superior de potencia de aquellos modelos que se basan en los métodos indirectos de simulación o determinación computacional indirecta para determinar la temperatura.
[0053] El elemento de sensor SAW de la unidad de sensor puede basarse, en principio, en cualquiera de los dos principios conocidos, el del resonador o el del elemento de sensor SAW que funciona según el principio de retardo de tiempo de vuelo (denominado línea de retardo-SAW). Sin embargo, los inventores han descubierto que los elementos de sensor SAW del diseño y modo de funcionamiento mencionados en segundo lugar son particularmente adecuados para implementar la invención.
[0055] Aunque, por lo que respecta a la implementación de la invención en un motor eléctrico, en principio puede ser importante determinar la temperatura exacta del rotor en varias formas posibles de motores eléctricos, tanto en motores asíncronos como en motores síncronos, esto es particularmente importante para los motores síncronos con imanes permanentes dispuestos en el rotor. Esto se debe a que, como ya se ha indicado anteriormente, una temperatura del rotor excesivamente alta puede provocar aquí una desmagnetización parcial o completa de los imanes permanentes del rotor y, por lo tanto, un daño irreversible y un fallo funcional del motor. Especialmente en el caso de los motores síncronos que se usan actualmente en el ámbito de los vehículos eléctricos, un diseño según la invención es particularmente ventajoso, ya que permite un control de potencia más preciso de los motores eléctricos y, al hacerlo, permite que estos motores síncronos funcionen más dentro del rango límite de una potencia máxima, de modo que se puede obtener una mayor potencia a partir de motores síncronos del mismo diseño, o bien, para lograr una potencia específica, también se pueden utilizar motores síncronos de diferente diseño y más simples, que suelen ser más económicos. Para que la desmagnetización de los imanes permanentes comience a las temperaturas más altas posibles, los imanes permanentes integrados en los motores eléctricos utilizan aleaciones con tierras raras extremadamente escasas y muy caras. Como resultado de un conocimiento más preciso de la temperatura real del rotor, tal como lo hace posible la invención, la potencia del motor eléctrico se puede aumentar con los mismos imanes permanentes, o bien se puede lograr la misma potencia con imanes permanentes de otras aleaciones y, por lo tanto, más económicos.
[0057] Además de monitorizar la temperatura, monitorizar otros parámetros de estado también puede suponer una gran ventaja, especialmente en un motor síncrono.
[0059] Es particularmente ventajoso que la unidad de sensor esté dispuesta de tal manera que el elemento de acoplamiento esté dispuesto en una superficie que se sitúa en un extremo axial del rotor. La estructura de acoplamiento de la unidad de interrogación se dispone entonces normalmente en un elemento de carcasa frontal, por ejemplo, una cubierta de carcasa, de la máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico. Los inventores han reconocido que dicha disposición también permite una conexión de comunicación inalámbrica entre la estructura de acoplamiento de la unidad de interrogación y el elemento de acoplamiento de la unidad de sensor en un amplio rango de rotación del rotor, a menudo en un rango de 270° o incluso más, en particular cuando esto se combina con la elección del principio S-FSCW para la unidad de interrogación. Un rango de rotación tan amplio en el que sea posible la interrogación es ventajoso, ya que la señal de interrogación debería, idealmente debe, transmitirse hasta la recepción de la señal de respuesta dentro de una ventana de tiempo, en la que exista de forma continua una conexión inalámbrica entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento. Especialmente a altas velocidades, dicha ventana de tiempo solo es lo suficientemente grande si la conexión entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento está asegurada en un amplio ángulo de rotación del rotor. Cuando se disponen el elemento de acoplamiento y la estructura de acoplamiento como se ha explicado anteriormente, puede ser ventajoso que se coloquen a una distancia radial sustancialmente igual del eje de rotación del elemento de rotor. En muchos casos, se puede favorecer así aún más un acoplamiento óptimo entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento. Dependiendo de la estructura y la geometría del entorno en el que los elementos implicados estén dispuestos en el elemento de estátor y el elemento de rotor, y también dependiendo de si están previstos, dado el caso, varios sensores que deban ser consultados por la unidad de interrogación, también pueden ser ventajosas otras disposiciones con una distancia radial diferente al eje de rotación, en particular si permiten una cobertura particularmente buena de una interrogación que es posible con una buena respuesta de señal en un amplio intervalo de ángulos de rotación del elemento de rotor.
[0061] En particular, dado que, en el caso de la máquina motriz o de trabajo según la invención, como un motor eléctrico, el entrehierro puede tener una reducida extensión de altura, como ya se ha mencionado anteriormente, una dimensión de 20 mm o menos, en particular de 15 mm o menos, incluso hasta distancias
muy pequeñas de 1 a 2 mm, la unidad de interrogación, en particular su estructura de acoplamiento, y el elemento de acoplamiento de la unidad de sensor pueden estar configurados y coordinados de tal manera que tenga lugar una comunicación de corto alcance entre la unidad de interrogación y la unidad de sensor definida principalmente por el campo magnético variable en el tiempo. De hecho, la distancia entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento formada por el entrehierro normalmente no es tan grande como para que se puedan formar ondas electromagnéticas completas de la comunicación por radio típica, sino que, más bien, se puede observar y se debe utilizar un acoplamiento de campo cercano, que está definido ventajosamente por el campo magnético (campo B). En este sentido, el elemento de acoplamiento y la estructura de acoplamiento tampoco están diseñados preferiblemente como antenas en el sentido convencional, sino que están optimizados para una transmisión de campo cercano como se describió anteriormente. En particular, esto también permite que los componentes del elemento de acoplamiento y la estructura de acoplamiento se diseñen en un tamaño pequeño y un diseño compacto, lo que realmente hace posible que se dispongan en un entrehierro estrecho.
[0063] Especialmente cuando se han de lograr altas velocidades de rotación, puede ser apropiado, en la máquina motriz o de trabajo según la invención, sincronizar la unidad de interrogación con la rotación del elemento de rotor de tal manera que la unidad de interrogación consulte a la unidad de sensor mientras el elemento de acoplamiento se encuentra en una región en la que puede acoplarse con la estructura de acoplamiento. Tal sincronización puede llevarse a cabo, a este respecto, de manera convencional, especialmente porque en las máquinas motrices o de trabajo habitualmente conocidas, como en particular en los motores eléctricos, en particular los motores síncronos, la posición angular del elemento de rotor se monitoriza de todos modos o se puede determinar a partir de señales e información que ya se están consultando.
[0065] El método de interrogación según el principio S-FSCW empleado dentro del marco de la invención registra datos en un mayor número de puntos de frecuencia de diferentes frecuencias, por ejemplo, en 600 de dichos puntos de frecuencia. Sin embargo, no se requieren todos los puntos de frecuencia registrados para obtener un resultado útil de la transformación que ha de ejecutarse entonces entre el dominio de la frecuencia y del tiempo, por ejemplo, una transformación de Fourier. Al asociar espacialmente la medición en un punto de frecuencia específico a una posición angular específica, por ejemplo reconocida o detectada mediante un sensor de posición o un sensor de posición angular, y con mediciones repetidas a la misma frecuencia en la misma posición angular a varias revoluciones, se puede realizar un promediado de la respuesta de señal para este punto de frecuencia y, por lo tanto, se puede aumentar el contenido de información de este punto de frecuencia. En cambio, sin la sincronización de la medición como se describió anteriormente, las mediciones repetidas en un punto de frecuencia tendrían entonces diferentes posiciones angulares, posiciones buenas y desfavorables, para el punto de frecuencia respectivo, como resultado de lo cual el contenido de información de dicho punto seguiría siendo reducido. En cambio, al sincronizar y promediar, se obtienen puntos de frecuencia con un alto contenido de información (señal fuerte recibida de la unidad de interrogación) y aquellos con una señal baja. El método de evaluación ahora puede tener en cuenta preferiblemente los resultados de los puntos de frecuencia con una fuerte respuesta de señal, por ejemplo, con una ponderación más alta, y así lograr una transformación significativamente mejor en el dominio del tiempo, que luego se evalúa adicionalmente. Para ello se requiere una disposición en la que haya muchas posiciones en un intervalo angular amplio con suficiente acoplamiento, es decir, una respuesta de señal fuerte, en particular una buena relación señal a ruido. Este procedimiento da como resultado entonces una situación de los datos mejor que con una medición con solo unas pocas de tales posiciones con un acoplamiento particularmente bueno, posiblemente incluso mejor diseñado que los acoplamientos obtenidos en la solución anterior, con una fuerte respuesta de señal.
[0067] Con el método según la invención, mediante una combinación con una detección de la posición de rotación del elemento de rotor con respecto al elemento de estátor, una frecuencia de muestreo o un múltiplo entero de esta frecuencia de una serie de medición completa que se realizará varias veces, el denominado barrido de frecuencia, por ejemplo, una medición de 600 puntos de frecuencia, puede sincronizarse con la frecuencia de rotación o múltiplos enteros de esta frecuencia de rotación del elemento de rotor, o puede sincronizarse cada punto de frecuencia individual de la serie de medición ejecutada repetidamente con una posición angular del rotor específica.
[0069] En principio, es posible que, con una unida de interrogación, varias unidades de sensor o incluso varios elementos de sensor SAW en una sola unidad de sensor puedan direccionarse y consultarse utilizando una estructura de acoplamiento común. A este respecto, se puede prever, en particular, que la máquina motriz o de trabajo según la invención tenga al menos dos, dado el caso más de dos unidades de sensor, que estén construidas y funcionen según el principio descrito anteriormente y cuyos elementos de acoplamiento estén dispuestos cada uno para acoplarse con la estructura de acoplamiento de la unidad de interrogación. A continuación, las múltiples unidades de sensor se pueden interrogar a través de varias ventanas de comunicación. Una interrogación a través de varias ventanas de comunicación puede significar, en particular, que las unidades de sensor «responden» con diferentes desfases temporales, por ejemplo, mediante una disposición diferente de los reflectores en los elementos de sensor SAW y, por lo tanto, diferentes tiempos de transmisión de la señal en los elementos de sensor SAW, de modo que las señales de respuesta pueden
diferenciarse y asociarse en el espectro temporal. Aquí, por ejemplo, es posible colocar elementos de sensor SAW en varios puntos del elemento de rotor y conectarlos a los elementos de acoplamiento asociados mediante estructuras conductoras apropiadas y formar unidades de sensor. Por ejemplo, los elementos de acoplamiento de diferentes unidades de sensor se pueden colocar en diferentes posiciones angulares en el mismo radio del elemento de rotor, unidades de sensor que se extienden en diferentes longitudes axiales y se adentran hacia la profundidad del elemento de rotor, de modo que los elementos de sensor SAW de las diversas unidades de sensor se colocan en diferentes posiciones axiales. De esta manera, por ejemplo, se pueden determinar los gradientes de temperatura o la distribución del valor de estado de otros parámetros de estado en el elemento de rotor; por ejemplo, se pueden determinar las temperaturas u otros parámetros de estado en varios puntos neurálgicos, o similares. También es posible disponer unidades de sensor con elementos de sensor SAW en la región del elemento de estátor o de la parte de carcasa, y colocar su elemento de acoplamiento a su vez de tal manera que puedan acoplarse con la estructura de acoplamiento de la unidad de interrogación. De esta manera, con una misma unidad de interrogación, por ejemplo, también se pueden detectar y monitorizar uno o más parámetros de estado del estátor, como la temperatura del estátor, o parámetros de estado, como las temperaturas, de otros elementos de la máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico, para obtener un análisis aún mejor de la máquina, por ejemplo, el motor eléctrico, durante el funcionamiento y, dado el caso, para crear una opción de control basada en parámetros.
[0071] En otro aspecto, como ya se ha mencionado, la invención especifica un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, tal como la temperatura de un elemento giratorio, en particular el elemento de rotor de una máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico, en particular un motor síncrono. Este dispositivo de monitorización incluye, por un lado, una unidad de sensor y, por otro lado, una unidad de interrogación. La unidad de sensor es una unidad como la descrita anteriormente, es decir, una que tiene al menos un elemento de sensor SAW basado en el principio de las ondas superficiales para registrar un valor de estado de un parámetro de estado, un elemento de acoplamiento y una estructura conductora que conecta el elemento de sensor SAW y el elemento de acoplamiento para transmitir señales electromagnéticas analógicas. Este elemento de sensor está diseñado como un componente miniaturizado independiente y puede usarse en consecuencia, puede disponerse sobre elementos giratorios, tales como, en particular, un rotor de un motor eléctrico u otro elemento de rotor de una máquina motriz o de trabajo, tal como en un rotor de turbina, y puede empotrarse, en particular, en un orificio practicado allí. Para este propósito, la unidad de sensor está diseñada de manera alargada en una dirección axial y presenta el elemento de acoplamiento en un primer extremo longitudinal y el elemento de sensor SAW en un segundo extremo longitudinal opuesto y, entremedias, la estructura conductora que conecta el elemento de acoplamiento y el elemento de sensor SAW en la dirección longitudinal. El dispositivo de monitorización según la invención también incluye la unidad de interrogación, que presenta un generador de señales para generar señales de interrogación, una estructura de acoplamiento que puede conectarse al generador de señales y un circuito de evaluación para evaluar señales de respuesta recibidas desde la unidad de sensor. La unidad de interrogación es una tal que funciona según el principio S-FSCW. Esto proporciona las ventajas ya descritas anteriormente con respecto a la aplicación de este principio.
[0072] Como ya se ha mencionado, un dispositivo de monitorización de este tipo es particularmente adecuado para monitorizar un parámetro de estado, por ejemplo, la monitorización de la temperatura, de un elemento giratorio, en particular en una máquina motriz o de trabajo, tal como un motor eléctrico, y para instalarse o colocarse o disponerse para tal fin en la máquina, tal como el motor eléctrico, de la manera descrita anteriormente. Si la unidad de sensor comprende más de un elemento de sensor SAW, estos se diseñan, por ejemplo, diseñando y colocando resonadores o reflectores en el cristal SAW, y se conectan al elemento de acoplamiento mediante estructuras conductoras de tal manera que haya una diferencia de tiempo de vuelo entre las respuestas de señal, de modo que las señales de respuesta de los elementos de sensor SAW puedan detectarse por separado.
[0074] En el caso de la unidad de sensor del dispositivo de monitorización según la invención, el elemento de acoplamiento, la estructura conductora y el al menos un elemento de sensor SAW pueden disponerse en particular sobre un sustrato común, o bien estos elementos pueden formarse sobre un sustrato común. Dicho sustrato puede ser, en particular, un material no ferromagnético, por ejemplo cerámica, plástico o similar. Un sustrato común de este tipo proporciona a la unidad de sensor una resistencia intrínseca y permite que se empotre y se instale y fije con relativa facilidad, por ejemplo, en un orificio introducido en un elemento giratorio, en particular un rotor de un motor eléctrico.
[0076] Aunque también son posibles elementos de sensor SAW que funcionan según el principio resonador, en principio, como ya se ha mencionado anteriormente, se prefiere un elemento de sensor SAW que sea un elemento de sensor SAW que funcione según el principio de retardo de tiempo de vuelo (línea de retardo).
[0077] El dispositivo de monitorización puede incluir preferiblemente exactamente una unidad de interrogación y al menos dos, en particular más de dos, unidades de sensor que pueden ser interrogadas por la unidad de interrogación y pueden ser evaluadas por separado en cuanto a sus respuestas. Todas estas unidades de sensor tienen entonces un elemento de sensor SAW, un elemento de acoplamiento y una estructura conductora que conecta ambos elementos. Pueden diseñarse todas para medir valores de estado del mismo parámetro de
estado, tal como una temperatura. Sin embargo, también pueden diseñarse para medir valores de estado de parámetros de estado diferentes (como la temperatura y el par), de modo que una unidad de evaluación pueda monitorizar diferentes parámetros de estado con el dispositivo de monitorización.
[0079] Otras ventajas y características de la invención se desprenden de la siguiente descripción de posibles formas de realización con ayuda de las figuras adjuntas. A este respecto, muestran:
[0081] Figura 1 una vista esquemática de los componentes esenciales de un motor eléctrico en una representación en despiece ordenado con partes del dispositivo de monitorización según la invención;
[0083] Figura 2 una representación en despiece ordenado comparable a la de la figura 1 desde otra perspectiva;
[0084] Figura 3 en una representación fragmentaria ampliada y en despiece ordenado, la disposición de una unidad de sensor en un orificio en una cara frontal del rotor del motor eléctrico de la figura 1;
[0086] Figura 4 una vista comparable a la de la figura 3, pero con una unidad de sensor dispuesta de manera empotrada;
[0088] Figura 5 una representación fragmentaria en sección para ilustrar la disposición de la unidad de sensor en el orificio;
[0090] Figura 6 una representación en despiece ordenado de una posible primera variante de diseño de la unidad de sensor; y
[0092] Figura 7 una representación en despiece ordenado de una posible segunda variante de diseño de la unidad de sensor.
[0094] Las figuras muestran posibles variantes de diseño de la invención, usando como ejemplo una implementación en un motor eléctrico, las cuales se explican con más detalle a continuación. A este respecto, debe enfatizarse una vez más aquí que la invención no se limita al uso en motores eléctricos, sino que también se puede usar en otros sistemas con elementos giratorios en los que sea necesario monitorizar estados, tal como, en particular, en otras máquinas motrices o incluso en máquinas de trabajo, tales como turbinas, generadores y similares.
[0096] En primer lugar, las figuras 1 y 2 muestran, cada una, una ilustración en despiece ordenado de los componentes esenciales de un motor eléctrico 1 como ejemplo de una máquina de trabajo que se va a mejorar con la invención. Se muestran un recipiente 2 de carcasa que aloja un estátor (no mostrado con más detalle), una cubierta 3 de carcasa que cierra el recipiente 2 de carcasa y que, junto con este, forma una carcasa de motor, y un rotor 4 alojado en la carcasa de motor. El motor eléctrico 1 mostrado aquí es, en particular, un motor síncrono cuyo rotor 4 contiene imanes permanentes, que no se muestran aquí con más detalle. Estos están dispuestos o incrustados en un cuerpo 5 de rotor. El cuerpo 5 de rotor presenta orificios 7 guiados axialmente hacia el interior del cuerpo de rotor desde una cara frontal 6, cuyas aberturas, cuando se ensambla el motor eléctrico 1, apuntan en dirección a la cubierta 3 de carcasa. Una unidad 8 de sensor está dispuesta (parcialmente) empotrada en uno de los orificios 7. Una estructura 9 de acoplamiento de una unidad de interrogación (no representada con más detalle con sus componentes adicionales) está dispuesta y fijada a la cubierta 3 de carcasa. La disposición de la unidad 8 de sensor en uno de los orificios 7 del cuerpo 5 de rotor se muestra con mayor detalle una vez más en las figuras 3 a 5. En primer lugar, la figura 5 muestra la estructura adicional de la unidad 8 de sensor, que está dispuesta con una parte significativa de su extensión empotrada en el orificio 7. La disposición de sensor 8 está formada de manera sustancialmente longitudinal con un elemento 10 de acoplamiento dispuesto en un primer extremo longitudinal, un elemento 11 de sensor SAW dispuesto en un segundo extremo longitudinal, que puede ser, por ejemplo, un elemento de sensor de temperatura SAW usado para monitorizar la temperatura del rotor, y una estructura conductora 12 que conecta estos dos elementos, el elemento 9 de acoplamiento y el elemento 11 de sensor SAW. La estructura conductora 12 y el elemento 11 de sensor SAW están dispuestos empotrados en el orificio 7; el elemento 10 de acoplamiento está situado fuera del orificio 7 y, por lo tanto, sobre la superficie de la cara frontal 6. La posición radial del elemento 10 de acoplamiento con respecto a un eje 13 de rotación del rotor 4 corresponde, a este respecto, a la posición radial de la estructura 9 de acoplamiento de la unidad de interrogación con respecto al mismo eje 13. En el estado ensamblado, entre la cubierta 3 de carcasa del motor eléctrico 1 y la estructura 9 de acoplamiento dispuesta allí y entre la cara frontal 6 del cuerpo 5 de rotor y el elemento 10 de acoplamiento de la unidad 8 de sensor dispuesto allí se forma un entrehierro estrecho, que puede ser de 10 mm, por ejemplo. A través de este entrehierro se puede formar una conexión de comunicación inalámbrica entre la estructura 9 de acoplamiento y el elemento 10 de acoplamiento para transmitir señales analógicas, en particular señales de alta frecuencia, en particular un acoplamiento de campo cercano, de modo que, partiendo de una electrónica de interrogación con un generador de señales, que está conectado a la estructura 9 de acoplamiento, pueda transmitirse una señal de interrogación, por ejemplo una de frecuencia de 2,4 GHz, al elemento 10 de acoplamiento y pueda conducirse desde allí, a través de la estructura conductora 12, al elemento 11 de sensor
SAW. El elemento 11 de sensor SAW puede ser, en particular, uno que funcione según el denominado principio de línea de retardo y que, con un retardo determinado por el valor de estado del parámetro de estado, por ejemplo, por la temperatura del rotor a la que está expuesto el elemento de sensor SAW, transmita la señal de nuevo al elemento 10 de acoplamiento a lo largo de la estructura conductora 12, desde donde se devuelve a la unidad de interrogación a través del acoplamiento con la estructura 9 de acoplamiento. Desde la estructura 9 de acoplamiento, la señal llega entonces a un circuito de evaluación de la unidad de interrogación que, a partir del retardo de tiempo de vuelo establecido, determina un valor de estado del parámetro de estado presente en la ubicación del elemento 11 de sensor SAW, por ejemplo, la temperatura presente allí. La unidad de interrogación es una tal que funciona según el principio S-FSCW. De este modo, así como debido al posicionamiento de la unidad 8 de sensor, en particular su elemento 10 de acoplamiento, y de la estructura 9 de acoplamiento, así como debido a un acoplamiento de campo cercano implementado aquí, se logra mantener un acoplamiento entre la estructura 9 de acoplamiento y el elemento 10 de acoplamiento en un amplio rango de rotación del rotor 4. En particular, puede ser de 270° o más, de modo que se puede iniciar una interrogación de señal desde la unidad de interrogación, en particular a través de su estructura 9 de acoplamiento, a la unidad 8 de sensor, y la señal de respuesta se puede recibir mientras el elemento 10 de acoplamiento se encuentra en la región de acoplamiento con la estructura 9 de acoplamiento.
[0098] Con esta disposición, el valor de estado de un parámetro de estado, por ejemplo la temperatura, del rotor 4, se puede determinar con una medición real y este valor se puede usar entonces para controlar el funcionamiento del motor eléctrico 1, en particular para el control de potencia o la limitación de potencia. Si la temperatura se puede determinar de manera exacta de esta manera, el motor eléctrico 1 puede funcionar entonces dentro del rango límite hasta una temperatura máxima permitida sin tener que incluir aquí un margen de seguridad tan amplio para las imprecisiones resultantes de la estimación o simulación habitual de la temperatura del rotor.
[0099] Las figuras 6 y 7 muestran dos posibles variantes de cómo se puede formar la unidad 8 de sensor. En la variante según la figura 6, se muestra un elemento 14 de sustrato, al que se fijan el elemento 11 de sensor SAW, por un lado, y el elemento 10 de acoplamiento, por otro lado, y a través del cual se guían las estructuras conductoras, que no se muestran con más detalle aquí. A este respecto, el elemento 14 de sustrato lleva la conexión de señal electromagnética, pero también forma un puente mecánicamente estable y un soporte para los elementos individuales. El elemento 14 de sustrato está hecho, en particular, de un material no ferromagnético para no afectar al rotor ni influir en la formación de los campos magnéticos.
[0101] La figura 7 muestra una estructura alternativa en la que la estructura conductora 12 está diseñada como un conductor coaxial o hueco y, además de la función de conducción, también realiza una función de estabilización mecánica y de conexión. El elemento 11 de sensor SAW y el elemento 10 de acoplamiento están conectados cada uno a los extremos longitudinales de la estructura conductora 12.
[0103] Cabe mencionar aquí que, a diferencia de los ejemplos mostrados en las figuras, no solo se puede disponer una unidad 8 de sensor en el rotor 4, sino que de sus unidades 8 de sensor con una estructura análoga también se pueden disponer dos o más en el rotor 4, en particular también con un posicionamiento de los elementos 11 de sensor SAW a diferentes profundidades axiales del rotor 4, mejor dicho, del cuerpo 5 de rotor, para realizar de esta manera, en diferentes posiciones, mediciones de los valores de estado de parámetros de estado, tales como mediciones de temperatura. Estas múltiples unidades de sensor pueden ser interrogadas en general con una misma unidad de interrogación, en particular a través de una misma estructura 9 de acoplamiento, en particular en diferentes canales de comunicación. También es posible colocar un elemento 11 de sensor SAW correspondiente en uno de los elementos estacionarios, estátor y/o carcasa o incluso en una bobina de arranque, y disponer los elementos 10 de acoplamiento de las unidades 8 de sensor asociadas de tal manera que se acoplen con la estructura 9 de acoplamiento de la unidad de interrogación y, en consecuencia, también puedan ser interrogados y leídos por la unidad de interrogación.
[0105] También cabe mencionar aquí que la estructura 9 de acoplamiento de la unidad de interrogación no tiene que estar necesariamente dispuesta en la cubierta de carcasa del motor eléctrico 1. Más bien, la estructura de acoplamiento también puede disponerse en una caja de cambios, por ejemplo, cuando el motor eléctrico 1, como ya está previsto en la actualidad, por ejemplo para motores eléctricos que se utilizan para impulsar vehículos eléctricos, está formado en una unidad estructural con un engranaje de transmisión.
[0107] Lista de referencias
[0109] 1 motor eléctrico
[0111] 2 recipiente de carcasa
[0113] 3 cubierta de carcasa
[0115] 4 rotor
[0116] 5 cuerpo de rotor
[0117] 6 cara frontal
[0118] 7 orificio
[0119] 8 unidad de sensor
[0120] 9 estructura de acoplamiento
[0121] 10 elemento de acoplamiento
[0122] 11 elemento de sensor SAW
[0123] 12 estructura conductora
[0124] 13 eje de rotación
[0125] 14 elemento de sustrato
Claims (14)
1. REIVINDICACIONES
1. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), con una parte (2, 3) de carcasa, con un elemento de estátor y un elemento (4) de rotor dispuestos ambos en la parte (2, 3) de carcasa, así como con un dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, en particular la temperatura, del elemento (4) de rotor, en donde el dispositivo de monitorización comprende una unidad (8) de sensor y una unidad de interrogación, en donde la unidad (8) de sensor está dispuesta en el elemento (4) de rotor y presenta al menos un elemento (11) de sensor SAW basado en el principio de las ondas superficiales para detectar un valor de estado del parámetro de estado, un elemento (10) de acoplamiento y una estructura conductora (12) que conecta el elemento (11) de sensor SAW y el elemento (10) de acoplamiento para transmitir señales electromagnéticas analógicas, y en donde la unidad de interrogación comprende un generador de señales para generar señales de interrogación, una estructura (9) de acoplamiento conectada al generador de señales, dispuesta en el estátor o en una sección de la parte (2, 3) de carcasa de manera orientada hacia el elemento (4) de rotor, así como un circuito de evaluación para evaluar señales de respuesta recibidas por la unidad (8) de sensor, en donde la estructura (9) de acoplamiento está dispuesta en una región que se correlaciona, a lo largo de un entrehierro formado entre el elemento (4) de rotor y el elemento de estátor o la sección de la parte (2, 3) de carcasa, con una región barrida por el elemento (10) de acoplamiento al girar el elemento (4) de rotor de tal manera que es posible un acoplamiento entre la estructura de acoplamiento y el elemento de acoplamiento para transmitir señales a través del entrehierro, caracterizada por que la unidad de interrogación es una unidad de interrogación que funciona según el principio S-FSCW y está configurada para una sincronización de la unidad de interrogación con la rotación del elemento (4) de rotor de tal manera que la unidad de interrogación realiza repetidamente una interrogación a la unidad (8) de sensor en el transcurso de al menos dos revoluciones del elemento (4) de rotor en un punto de frecuencia específico, en donde la interrogación a la unidad (8) de sensor en el punto de frecuencia específico se realiza en la misma posición de ángulo de rotación del elemento (4) de rotor con respecto al elemento de estátor.
2. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según la reivindicación 1, caracterizada por que el elemento (11) de sensor SAW es un elemento (11) de sensor SAW que funciona según el principio de retardo de tiempo de vuelo.
3. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que es un motor síncrono con imanes permanentes dispuestos en el elemento (4) de rotor.
4. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el elemento (10) de acoplamiento está dispuesto en una superficie del elemento (4) de rotor que se sitúa en un extremo axial del rotor (4).
5. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según la reivindicación 4, caracterizada por que el elemento (10) de acoplamiento y la estructura (9) de acoplamiento están posicionados de tal manera que se puede lograr un acoplamiento entre el elemento (10) de acoplamiento y la estructura (9) de acoplamiento y, por lo tanto, pueden recibirse señales útiles, en un rango de ángulo de rotación lo más grande posible del elemento (4) de rotor con respecto al elemento de estátor.
6. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la unidad de sensor (9) tiene una forma axialmente alargada y está dispuesta, en cualquier caso, parcialmente empotrada en un orificio (7) en el elemento (4) de rotor de tal manera que uno o más elementos (11) de sensor SAW están dispuestos dentro del orificio (7) y el elemento (10) de acoplamiento queda expuesto en la superficie del elemento (10) de rotor.
7. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según la reivindicación 6, caracterizada por que la unidad (8) de sensor presenta un elemento (11) de sensor de temperatura SAW y está incrustada en el orificio (7) en un material, en particular pastoso, que tiene una alta conductividad térmica y que hace que la unidad de sensor se ancle en el orificio (7).
8. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el entrehierro tiene una dimensión de 20 mm o menos, en particular de 15 mm o menos.
9. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según la reivindicación 8, caracterizada por que la unidad de interrogación, en particular su estructura (9) de acoplamiento, y el elemento (10) de acoplamiento de la unidad (8) de sensor están configurados y coordinados de tal manera que tiene lugar una comunicación de corto alcance entre la unidad de interrogación y la unidad (8) de sensor definida principalmente por el campo magnético variable en el tiempo.
10. Máquina motriz o de trabajo, en particular motor eléctrico (1), según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que presenta al menos dos unidades (8) de sensor, cada una de las cuales presenta un elemento (11) de sensor SAW basado en el principio de las ondas superficiales, un elemento (10) de
acoplamiento y una estructura conductora (12) que conecta el elemento (11) de sensor SAW y el elemento (10) de acoplamiento para transmitir señales electromagnéticas analógicas, cuyos elementos (10) de acoplamiento están dispuestos para acoplarse con la estructura (9) de acoplamiento de una unidad de interrogación para una transmisión de señales, y por que la unidad de interrogación está configurada para interrogar las al menos dos unidades (8) de sensor en diferentes ventanas de comunicación.
11. Dispositivo de monitorización para monitorizar un parámetro de estado, tal como una temperatura, de un elemento giratorio, en particular el rotor (4) de una máquina motriz o de trabajo, en particular de un motor eléctrico (1), en particular de un motor síncrono, con una unidad (8) de sensor y una unidad de interrogación, en donde la unidad (8) de sensor presenta al menos un elemento (11) de sensor SAW basado en el principio de las ondas superficiales para detectar un valor de estado del parámetro de estado, un elemento (10) de acoplamiento y una estructura conductora (12) que conecta el elemento (11) de sensor SAW y el elemento (10) de acoplamiento para transmitir señales electromagnéticas analógicas y en donde la unidad de interrogación presenta un generador de señales para generar señales de interrogación, una estructura (9) de acoplamiento que se puede conectar al generador de señales, así como un circuito de evaluación para evaluar señales de respuesta recibidas por la unidad (8) de sensor, en donde la unidad (8) de sensor está formada de manera alargada en una dirección axial con el elemento (10) de acoplamiento en un primer extremo longitudinal de la unidad (8) de sensor y el elemento (11) de sensor SAW en un segundo extremo longitudinal de la unidad (8) de sensor, opuesto al primero extremo longitudinal y, entremedias, la estructura conductora (12) que conecta el elemento (10) de acoplamiento y el elemento (11) de sensor SAW en la dirección longitudinal, caracterizado por que la unidad de interrogación es una unidad de interrogación que funciona según el principio S-FSCW, en donde la unidad de interrogación está configurada para sincronizarse con la rotación del elemento giratorio de tal manera que realice repetidamente una interrogación a la unidad (8) de sensor en el transcurso de al menos dos revoluciones del elemento giratorio en un punto de frecuencia específico, en donde la interrogación a la unidad (8) de sensor en el punto de frecuencia específico se realiza en la misma posición de ángulo de rotación del elemento giratorio.
12. Dispositivo de monitorización según la reivindicación 11, caracterizado por que el elemento (10) de acoplamiento, la estructura conductora (12) y el elemento (11) de sensor SAW están dispuestos y/o formados sobre un sustrato (14) común.
13. Dispositivo de monitorización según una de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado por que el elemento (11) de sensor SAW es un elemento (11) de sensor SAW que funciona según el principio de retardo de tiempo de vuelo.
14. Dispositivo de monitorización según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que incluye exactamente una unidad de interrogación y al menos dos, en particular más de dos, unidades (8) de sensor que pueden ser consultadas por la unidad de interrogación y pueden evaluarse por separado en cuanto a sus respuestas.
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