E-Tdirekt – Entwicklung eines drahtlosen Temperatursensors für die Rotortemperaturmessung elektrischer Maschinen bei Großserienanwendungen

Projektbeschreibung

Ziel des gemeinsam mit der pro-micron GmbH durchgeführten Projekts ist die Entwicklung eines kabellosen Sensors zur Messung der Rotortemperatur von Elektromotoren. Ein entsprechendes Messsignal bietet beim Betrieb elektrischer Maschinen entscheidende Mehrwerte hinsichtlich der Auslastung, der Effizienz sowie der Drehmomentengenauigkeit und einem zuverlässigen Übertemperaturschutz. Die Realisierung der Maschinensteuerung wird dadurch einfacher und gleichzeitig universeller, weil aufwändige und individuelle Temperaturmodelle seitens der Steuerung entfallen. 

Zentral hierbei ist die Entwicklung zweier Komponenten: 

• Eines drahtlos abfragbaren, passiven, auf dem SAW-Prinzip (Surface Acoustic Wave = Oberflächenwellen) basierenden Temperatursensors zur Messung der Rotortemperatur von E-Motoren. Dieser wenige Millimeter große Sensor muss den extremen Belastungen im Motor dauerhaft standhalten und wird so in den Rotor integriert, dass er ohne Beeinflussung der Motorperformance zuverlässig die Rotortemperatur misst. 
• Einer sehr kompakten Sende-Empfangs-Elektronik, bestehend aus einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) als Hochfrequenz-Frontend sowie einem Micro-Controller für die komplexe Signalverarbeitung. 

Das Projekt umfasst 

• die Entwicklung der Sensorik und Elektronik (pro-micron)
• die Erforschung der Wechselwirkung von Sensor und Motormagnetfeld in der Theorie sowie der experimentellen Bestätigung (Hochschule Kempten)
• die Motor-Integration und Verifikation der Funktionalität durch Tests in Motor-Prüfständen und Fahrzeugen (Hochschule Kempten), 
• die Entwicklung von neuen Regelungskonzepten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von E-Motoren (pro-micron)
• die begleitende Risikoabschätzung mittels Fehlereffekt- und Ausfallanalyse (FMEA) für diverse Anwendungen (Hochschule Kempten).

Hinsichtlich der Integration der Sensorik werden detaillierte Feldsimulationsmodelle erstellt, die mit typischen Spannungs- und Stromsignalen (Wechselrichterbetrieb) angeregt werden. Daraus werden wiederum – anhand konkreter Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Industrie und Fahrzeugtechnik – Auslegungs-­ bzw. Applikationsregeln entwickelt. So wird die pro-micron GmbH zukünftig in der Lage sein, bei Kundenanfragen schnell wichtige Hilfestellungen oder Empfehlungen zur Sensorintegration liefern zu können. 

Außerdem werden Temperaturmodelle erstellt, anhand derer sich Temperaturextrapolationen vom Applikationsort des Sensors zu potentiellen Hotspots einfach durchführen lassen. Dieses Auslegungswerkzeug ist insbesondere für Anwendungen wichtig, für die keine detaillierte Maschinensimulation (z.B. zum Magnet- oder Temperaturfeld) vorliegt.