Temperaturen in Motoren zuverlässig messen

Die DIN EN 61800-5-1 bildet den Rahmen für die sichere und zuverlässige Temperaturmessung in Motoren innerhalb von elektrischen Antriebssystemen. Sie stellt sicher, dass die Temperaturüberwachung den erforderlichen Sicherheitsstandards entspricht, und trägt somit zum Schutz des Motors und des gesamten Antriebssystems bei.

Bisher setzten Motorenhersteller überwiegend Sensoren vom Typ KTY-84-130 ein. Diese werden inzwischen allerdings nur noch selten verwendet, da einerseits die Normanforderungen an die Temperaturmessung in den Leistungsantriebssystemen gestiegen sind und andererseits die KTY-Versionen teilweise von Herstellern abgekündigt wurden.

Aktuell werden auch in den Motoren überwiegend Temperatursensoren vom Typ Pt1000 eingebaut. Der Aufbau eines solchen Temperatursensors mit einem Pt1000 wurde analog zum KTY beibehalten. Das heißt, als Isolierwerkstoffe werden hier häufig Schrumpfschläuche einfach oder mehrfach auf die Messstelle aufgebracht. Doch diese Bauform erfüllt nur teilweise die erhöhten Anforderungen an das geforderte Isoliersystem hinsichtlich der gestiegenen Normanforderungen: Die Schrumpfschläuche bestehen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), das zur Gruppe der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) gehört. Diese Substanzen stehen aufgrund ihrer Persistenz in der Umwelt in der Kritik.

Zentrale Herausforderungen

Beispiel eines gewickelten Stators mit Rotoreinsatz © Jumo

PGT Thermprozesstechnik, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Jumo, hat für die Motorenindustrie zur Sensierung der Hotspot-Temperaturen neuartige Temperatursensoren entwickelt. Die Aufgabe bestand darin, die neuen Normanforderungen an die Spannungsfestigkeit und an das Isoliersystem in den Leistungsantrieben auch für die Temperatursensoren sicherzustellen.

Zentrale Anforderungen hierbei waren:

Ovaler Pt1000-Sensorkopfaufbau 3 mm/3,4 mm © Jumo

• Verwendung eines Platin-Messwiderstandes Pt1000 nach IEC 60751
• Sicherstellung der Stehspannungsfestigkeit als dauerhafte elektrische Isolation zwischen Sensor und Motorwicklung (Normforderung DIN EN 61800-5-1)
• Sicherstellung der Stoßspannungssicherheit, um kurzzeitigen Spannungsspitzen oder transienten Überspannungen zu widerstehen (Normforderung DIN EN 61800-5-1)
• Erreichung der normativen Teilentladungsfestigkeit, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Isoliersystems der neuen Temperatursensoren im Motor zu gewährleisten
• Entwicklung einer Messmethode zur reproduzierbaren Messung von Teilentladungen im Sensor, an den Anschlusslitzen und im Motorsystem des Herstellers
• Spezifizierung einer temperaturbeständigen Anschlusslitze, die über eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit verfügt und nur einen Außendurchmesser von maximal 1 mm hat
• Auswahl aller Komponenten unter dem Aspekt einer Harmonisierung nach UL 61800-5-1 und CSA 22.2 No. 274
• Entwicklung eines funktionalen recyclingfähigen und wärmeleitend modifizierten Thermoplast-Werkstoffes
• Entwicklung eines Spritzgusswerkzeugkonzeptes und eines Spritzgussprozesses, der sicherstellt, dass die Kunststoffschmelze das Messelement beim Spritzgießen weder thermisch noch mechanisch zerstört
• Skalierung des Werkzeugkonzeptes vom Prototyp-Einfachwerkzeug hin zum Mehrkavitäten-Werkzeug (4-fach)
• Optimierung der Handhabbarkeit von Einlegebaugruppen durch mechanische Entkopplung mithilfe von entwickelten Fixierhilfen
• Validierung von Verbindungstechniken bezüglich der Verbindung von Litzen mit dem Sensoranschluss, um eng tolerierte Bauteilhöhen und Kontaktierungspositionen sicherzustellen, damit das Isoliersystem des Sensors der Norm entspricht
• Definition der Luft- und Kriechstrecken im Sensorkopf zur Sicherstellung der Spannungsfestigkeiten nach Norm
• Entwicklung einer Mehrfach-Prüfvorrichtung zur Messung des Sensorsignals am kalten Ende des Sensors, nach dem Spritzgussprozess, für alle gängigen Leitungsenden

Das Ergebnis von PGT beinhaltet ein eigens für dieses Produkt entwickeltes thermoplastisches Polymer, das mit einem ebenfalls neu entwickelten Spritzgussverfahren den Sensormesskopf spritzgießt. PVDF-Schrumpfschläuche sind also nicht mehr nötig. Aufgrund der hohen Stückzahl am Markt ist das Spritzgussverfahren geeignet, auch sehr hohe Stückzahlen mit reproduzierbarer Messelementlage im Sensorkopf zur Erhaltung des Isoliersystems zu produzieren.

Aktuell werden die Sensoren in einem PGT-4-fach-Spritzgusswerkzeug hergestellt. Durch dieses Verfahren wurden folgende neue Produktmerkmale realisiert:

• UL-zugelassene Komponenten
• Frei wählbares Design für den Sensorkopf (Standarddurchmesser 3 bis 4 mm, Länge 16 bis 18 mm)
• Anschlusslitze mit 1 mm Durchmesser und bis zu 13 kV Spannungsfestigkeit
• Thermisch leitfähiger Sensorkopf aus Thermoplast (2 bis 6 W/mK)
• Erschütterungs- und Vibrationsfestigkeit
• Designbare Stehspannungsfestigkeit im Bereich von 4 bis 10 kV nach DIN EN 61800-5-1
• Stoßspannungsfestigkeit nach DIN EN 61800-5-1
• Temperaturzulassung für alle Isolationssysteme A, E, B, F, H, N (+105 bis +220 °C)
• Sichere Teilentladungsfestigkeit der Sensorbaugruppe <10 pC bei 1,5 × UPD (15 Sek.)
• Temperaturbereich -40 bis +240 °C
• Schnelle Reaktionszeit/Ansprechzeit des Sensorkopfes im Bereich weniger Sekunden (t90)
• Einsatz eines Messwiderstandes Pt1000 als SMD-Bauform oder als bedrahtete Version (Jumo)

Michael Klose ist Presssprecher von Jumo in Fulda. © Jumo

Somit stehen dem Motorenmarkt nun Temperatursensoren zur Verfügung, die die aktuellen Anforderungen der Norm DIN EN 61800-5-1 ebenso erfüllen wie die erhöhten Anforderungen der zukünftigen Norm. Die Sensoren werden derzeit in hoher Stückzahl für Industriemotoren sowie für Fahrzeugmotoren gefertigt. Sie dienen der sicheren Erkennung von Temperaturerhöhungen in oder an Motorwicklungspaketen. Die Messung erfolgt direkt auf den stromführenden Leitern.

Die neu entwickelte Technologie der Kunststoffummantelung empfindlicher Messelemente wird auch branchenübergreifend für Lösungen herangezogen. Neben der Verarbeitung von analogen Messwiderständen können so auch digitale Temperatursensoren in Form gebracht werden.