Testen des Zustands von Motorwicklungen – Wird dies bei aktuellen Elektrofahrzeugen spontan durchgeführt?

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Im März 2014 schrieb mein Freund Steen Carlsen, ein Ingenieur für Leistungselektronik, eine Arbeit, in der er die Entwicklung eines tragbaren und eines stationären „Wicklungstesters“ für elektrische Maschinen (Motoren, Generatoren und Transformatoren) initiieren wollte. Er wusste nicht, dass ein solches Gerät verfügbar wäre, und dachte, es wäre ein enormer Vorteil, von einem „vorbeugenden Wartungsprotokoll“ zu einem „Austausch bei Bedarf“-Protokoll für elektrische Maschinen in jeder Branche weltweit überzugehen.

Er hat noch keine Kenntnis davon, dass ein solches Gerät verfügbar ist, und er glaubt, dass aktuelle Wicklungstester – wie das ALL-TEST Pro 7 – wendet nicht dasselbe Konzept an.

Als Steen mir kürzlich von dem Artikel erzählte – ich glaube, wir diskutierten über elektrische Transportmittel –, wusste ich nicht einmal, dass es so etwas wie einen Verschleiß der Isolierung von Kupferwicklungen in einer elektrischen Maschine gibt. Es stellt sich heraus, dass dies tatsächlich der Fall ist, und zwar aufgrund der elektromagnetischen Kräfte, die auf die physikalischen Drähte einwirken, so dass diese sich ganz leicht bewegen/vibrieren – was dazu führt, dass die Isolierung benachbarter Drähte aneinander reibt, bis zu dem Punkt, an dem die Isolierung durchschleift oder reißt was zu Kurzschlüssen führen kann. Dies wiederum führt zu Wärme- und Leistungsverlusten, die außer Kontrolle geraten und schließlich zum völligen Ausfall führen.

Ich fragte mich, ob das Mittel dagegen – das Steen mir jetzt erklärt hatte – möglicherweise bereits in der realen Welt im Einsatz ist? Dies ist etwas, das nahezu unmöglich zu erforschen ist, da Motoren einfach funktionieren, bis sie es nicht mehr tun. Ein Hersteller eines Produkts kann eine erwartete Lebensdauer eines Produkts angeben, beispielsweise eine Million Meilen für einen Elektromotor in einem Auto. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei jedoch um Vermutungen, da der Hersteller nicht wissen kann, welchem ​​Drehmomentmuster der Motor im Laufe der Zeit ausgesetzt sein wird. Dennoch könnten sie diese Art der Überwachung der motorischen Gesundheit implementieren – möglicherweise unentdeckt von Experten wie … Sandy Munro? Keine Chance, oder?

Mit Erlaubnis von Steen Carlsen habe ich seinen Artikel hier beigefügt und möchte alle technisch versierten Elektromaschinen-Nerds dringend bitten, dabei zu helfen, herauszufinden, ob dieses Konzept tatsächlich angewendet wird. Mein Freund Steen und ich sind einfach neugierig und wir hoffen, dass Sie – nachdem Sie vielleicht zum ersten Mal von diesem Konzept gehört haben – auch neugierig sind.

Hier ist ein leicht bearbeiteter Auszug des Artikels, wie er vor fast 10 Jahren verfasst wurde:

Bisher war es nicht möglich, die Entwicklung des Verschleißes der Isolierung elektrischer Maschinen, also Motoren, Generatoren und Transformatoren, zu überwachen. Erst als eine verschlechterte Isolierung Teilentladungen verursachte und damit einen drohenden fatalen Wicklungsausfall anzeigte, war der Verschleiß bisher erkennbar. In diesem Artikel wird eine neue Möglichkeit vorgestellt, die Entwicklung der Verschlechterung der Drahtisolierung in elektrischen Maschinen zu überwachen und so ihren Besitzern Sicherheit zu geben.

Das Konzept basiert auf der Überwachung der Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Resonanzkreise, die sich aus der inhärenten Induktivität der Wicklung(en) und der (zunehmenden) Kapazität aufgrund der abnehmenden Schichtdicke der Lackisolation in den Bereichen, in denen sie entstehen, zusammensetzen die Isolierung nutzt sich ab.

Die Verschiebung der Resonanzfrequenzen kann durch Messung der Wicklungsimpedanzen Z(s) der Maschine als Funktion der Frequenz erfasst werden.

Die meisten Elektriker würden eine elektrische Maschine diagnostizieren, indem sie die Ströme in ihren drei Phasen vergleichen oder indem sie eine vergleichende Messung der Unterschiede in den Widerständen der drei Wicklungen verwenden. Aber erst wenn es zu einem fatalen Durchbruch in der Drahtisolierung kommt, kann man weder eine signifikante Änderung der Widerstände der drei Wicklungen noch eine signifikante Änderung der Phasenströme feststellen. Daher können diese Methoden nicht verwendet werden, um die verbleibende Lebensdauer vorherzusagen, bevor die Maschine kurz vor dem Untergang steht.

Auf den folgenden Seiten wird ein neues Konzept zur Verschleißerkennung der Wicklungsisolation elektrischer Maschinen vorgestellt. Mit dieser Methode lässt sich auch feststellen, welche der Phasenwicklungen kurz vor dem Untergang steht.

Verschleiß in elektrischen Maschinen führt zu einer Verringerung der Lackisolierung der Drähte, was wiederum zu einer Änderung der Kapazität zwischen benachbarten (Draht-)Windungen in der Maschine führt.

Die Erfassung der Kapazitätsänderungen kann entweder im Frequenzbereich, also der Impedanz Z(s), und/oder im Zeitbereich, also durch die Änderung der Ausbreitungsverzögerung durch die Wicklungen, erfolgen.

Während der gesamten Lebensdauer der Maschine und bis zum Zeitpunkt des Ausfalls bleibt die physikalische Konfiguration, also die Anzahl der Windungen und damit die Induktivität zwischen solchen Bereichen, vom Verschleiß der Maschine unberührt. Solange also die Kerne der beiden benachbarten Windungen in der Wicklung noch nicht kurzgeschlossen sind, bleibt die Induktivität zwischen den beiden Bereichen vom Verschleiß unbeeinflusst. Durch den Verschleiß der Isolierung erhöht sich jedoch die Kapazität. Mit zunehmender Abnutzung der Isolierung sinkt daher die Resonanzfrequenz, die mit der Kapazität und der Induktivität zwischen den beiden abgenutzten Bereichen verbunden ist.

Beachten Sie, dass bereits während der Herstellung der Maschine eine Verschlechterung der Drahtisolierung einsetzt, wenn die Drahtspannung durch die Wickelmaschine aufgebracht wird und der Draht nach unten gezogen wird, sodass er auf den darunter liegenden Schichten ruht.

Das hast du richtig gelesen. Dies ist eine nicht-invasive Methode zur Messung des Zustands einer elektrischen Maschine während des Betriebs! Ohne Steens Carlsens lebenslange Verdienste hätte ich das für unmöglich gehalten.

Bei dem Brief handelt es sich um ein 17-seitiges Dokument mit umfangreichen technischen Einzelheiten darüber, wie diese Art der Verschleißmessung in elektrischen Maschinen umgesetzt werden könnte. Es übersteigt bei weitem meine Fähigkeit, es im Detail zu verstehen, aber ich verstehe die wichtigsten Punkte.

Um einige Fragen zusammenzufassen, die mir in den Sinn kommen:

• Wird diese Technik heute in der realen Welt eingesetzt?
• Kann eine solche Technik patentiert werden oder ist sie bereits vorhanden? (Laut Steen Carlsen wurde so etwas schon vor vielen Jahren patentiert, aber die Patente wurden nicht eingehalten, sodass diese Idee inzwischen vielleicht frei verwendet werden könnte?)
• Gilt das auch für Hairpin-Motoren?

Angesichts der Beschleunigung des Umbruchs bei Elektrofahrzeugen halte ich solche Dinge für äußerst relevant. Bedenken Sie, dass die meisten elektrischen Maschinen in der Vergangenheit meist in statischen, engen und stabilen Umgebungen unterwegs waren, aber jetzt sind Millionen von Elektrofahrzeugen in der freien Natur unterwegs, in einer vergleichbaren, viel härteren Umgebung mit Vibrationen, extremen Temperaturen und heftigen Leistungswechseln Lasten (Beschleunigung, Rekuperation).

Ich möchte Sie ermutigen, unten einen Kommentar abzugeben, wenn Sie Kenntnisse über diese neuartige Art der Überwachung elektrischer Maschinen haben. Vielleicht ist es nicht einmal eine Neuigkeit? Oder überhaupt möglich? Aber wenn ja, wäre es dann nicht cool, wenn jemand damit elektrische Maschinen noch zuverlässiger machen würde?