Nuten-Widerstandsthermometer Maßgeschneiderte Aufpasser elektrischer Wicklungen

Wer über den Einsatz von Sensoren zur thermischen Überwachung elektrischer Antriebe nachdenkt, muss zahlreiche Details technischer und anwendungsspezifischer Art berücksichtigen, um die jeweils bestgeeignetste Bauart in den verschiedenen Bauformen auswählen zu können oder was nicht selten ist entwickeln zu lassen.

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FAULHABER Antriebssysteme

Eine umfassende Palette dieser Wächter über das thermische Wohl und Wehe elektrischer Wicklungen fertigt EPHY-Mess, deren Produkte aber auch als „Aufpasser“ hochbeanspruchter Lager weltweit im Einsatz sind. Welche Fragen müssen sich Konstrukteure stellen, wenn es um die Integration von Nuten-Widerstandstherometern (NWT) geht, was sollten sie über diese Temperatur-Sensoren wissen?

Der glimmerisolierte bifilar gewickelte NWT stellt die technisch hochwertigste Variante der Nuten-Widerstandsthermometer dar. Er ist unempfindlich gegen elektromagnetische Wechselfelder (Annullierung induzierter Spannungen) und zeigt Dank des maximal zu erreichenden Verhältnisses von temperaturempfindlicher Oberfläche zu Volumen das schnellste Ansprechverhalten. Dazu trägt auch das Isoliermaterial Glimmer bei. Glimmer ist ein sehr guter elektrischer Isolator bei gleichzeitig gutem Wärmeleitverhalten. Zwei Eigenschaften, die sich zum Beispiel bei Kunststoffen nicht gleichzeitig erzielen lassen. Darüber hinaus zeigt Glimmer eine extrem hohe Langzeitstabilität, d.h. dass vorhandene Teilentladungen die Isolierfähigkeit auf Dauer nicht beeinträchtigen.

Der Qualität und Sicherheit zuliebe: Keine Messwendel-Versionen

Am Markt erhältliche, auf Basis der Messwendel-Version gewickelte NWT werden von EPHY-Mess grundsätzlich nicht hergestellt. Das hat gute Gründe: Eine offen liegende Messwendel-Version ist ein Kompromiss zwischen kostengünstigem Aufbau und einer quasi-flächigen Temperaturmessung, wobei durch die aufgespannte Leiterschleife sehr leicht Störungen durch elektromagnetische Wechselfelder auftreten können, die nicht immer durch entsprechende Filter in der Auswerteelektronik eliminiert werden.

Die gekreuzte Messwendel erhebt den Anspruch, zwei gegenläufige gleichgroße Flächen zu erzeugen, in denen sich die induzierten Störungen gegenseitig aufheben. Dadurch, dass die Fläche anschlussseitig aber offen ist, also keine geschlossene Fläche bildet, gelingt dies nur unvollkommen. Allerdings wird mit ihr wenigstens eine Mittelung der Temperatur über die Länge der Messwendel erreicht.

Widerstandsabgleich und Wicklung für bifilare NWTs weltweit erstmals vollautomatisch

Der bisher von Hand gefertigte bifilare Nuten-Widerstandsthermometer ist aus den oben genannten Gründen dem Messwendel-Prinzip technisch überlegen. Seit Januar 2008 erfolgt bei EPHY-Mess, weltweit erstmals überhaupt, der Widerstandsabgleich vollautomatisch auf einer eigens entwickelten Laserabgleich-Maschine, die sogar den Vorgang der bifilaren Wicklung automatisiert.

Die Anlage ist eine Weltneuheit. Sie stellt in der physikalischen Messtechnik einen Quantensprung hinsichtlich Genauigkeit und Prozessfähigkeit dar. Andreas Becker, Geschäftsführer von EPHY-Mess, ist sich ganz sicher: „Mit dieser Maschine, die entsprechend unseren Vorgaben gebaut wurde, werden bifilare NWTs von EPHY-Mess auch in Zukunft auf dem Weltmarkt bezüglich Produktqualität und Preis-/Leitungsverhältnis eine herausragende Stellung einnehmen. Globaler Wettbewerb kann uns nicht schrecken“.

Es werden NWTs in unterschiedlichen Bauformen und Leistungscharakteristika zur thermischen Überwachung elektrischer Maschinen wie Nieder-, Mittel-, Hochspannungsmaschinen, Generatoren und Transformatoren hergestellt:

Bifilare Pt100 Nutenthermometer (NWT)

Entsprechend der Vielfalt der konstruktiven Anforderungen bietet der Wiesbadener Hersteller NWTs in ungeschirmter und abgeschirmter Bauform als starre oder flexible Sensoren. Neben den Vorteilen der bifilaren Wicklung zeichnet sich die flexible Bauform durch Unempfindlichkeit gegenüber Torsion und Biegung (Biegeradius bis zu 100 mm) aus. Dies wird durch die Verwendung bestimmter Kunststoffe als Isoliermaterial im Gegensatz zu Glimmer bei der starren Variante erreicht. Flexible NWTs tragen den Anwendungen Rechnung, die eine gewisse Flexibilität des Thermometerkörpers bei der Montage oder im Betrieb fordern. So wie die starren sind auch die flexiblen NWTs von der PTB für den Einsatz im Ex-Bereich bis Zone 1 (erhöhte Sicherheit) zugelassen.

Die Reaktion auf schnelle Temperaturänderung ist jedoch gegenüber der mit Glimmer isolierten starren Variante minimal langsamer. Im Gegensatz zur starren Ausführung ist im flexiblen NWT der Platindraht weitestgehend druckentlastet eingebaut. Diese NWTs haben die bifilare Pt100-Platindraht-Wicklung, also keine Messwendel-Version und erfassen die Temperatur annähernd auf der gesamten Länge des Sensors. Solche Nuten-Widerstandsthermometer werden vorzugsweise im Stator elektrischer Maschinen eingebaut, genau wie starre, mit einem Cu-Blech zusätzlich abgeschirmte NWTs. Der Einbau abgeschirmter NWTs (NWT-A) wird zum Schutz vor sehr starken elektromagnetischen Feldern und bei explosionsgefährdeten Bereichen empfohlen. Die Abschirmung ist so ausgelegt, dass sie im Störungsfall einen Fehlerstrom von bis zu 50 A über seinen Schirm ableiten kann (Erdung). Dadurch gewinnt der Motorschütz etwas mehr Zeit für die Abschaltung. Muss für die NWT-A mit Zündschutzart Eigensicher (EEx i) ein potentialfreier Einbau gewährleistet werden, dient die Erdungsleitung in diesem Fall nur als Potentialausgleich und lässt sich, falls die hohe Stromtragfähigkeit nicht benötigt wird, im Leitungsquerschnitt deutlich geringer auslegen.

Einen anderen Aufbau haben die abgeschirmten NWTs der Baureihe SH A: Der innere Schirm aus versilbertem Cu-Geflecht bedeckt mehr als 80% der Sensorlänge. Eine Einzellitze aus Teflon dient auch hier als Potentialausgleich. Die Zuleitung erfolgt mit abgeschirmten Teflonlitzen von AWG20/19 bis AWG26/7; alternativ sind diese NWTs sogar mit abgeschirmter mehradriger Teflonschlauchleitung herstellbar, wobei das Geflecht jeweils auf Masse gelegt wird. Auch für diese NWTs gilt grundsätzlich das zu den flexiblen bifilaren NWTs Gesagte.

Platzsparend

Die NWT-FLEX Nutenthermometer sind dem flexiblen bifilaren Nutenthermometer ähnlich. Die bifilare Messwicklung ist hier auf einem sehr dünnen, flexiblen Trägerkörper aufgebracht und nur mit einem Schrumpfschlauch isoliert somit ohne mechanisch schützenden Aufnahmekörper. Auch diese NWTs erfassen die Temperatur auf der gesamten Sensorlänge. Sie passen sich durch ihre sehr flexible Bauform sehr gut an ihre Umgebung an, bieten aber keinerlei Druckentlastung. Durch ihre geringe Bauhöhe (< 1 mm Dicke) sind sie ideal für den Einsatz in engen Zwischenräumen sowie für Transformatoren geeignet.

Hochflexible Spezialausführung

Polyimid Folien-Fühler vom Typ NWT-F kommen dem NWT-FLEX nahe. Der extrem dünne Folien-NWT aus reinem Polyimid ist hochflexibel. Auch er hat eine bifilare Pt100-Platindraht-Wicklung (blanker Pt-Draht und keine Messwendel-Version) und die Temperatur wird auf gesamter Sensorlänge ermittelt. Dieser Folienfühler hat ebenfalls keinen Aufnahmekörper; Trägerkörper und Außenisolierung sind aus Polyimid und der Widerstandsdraht ist in die Polyimidfolie eingebettet. Dank der geringen Abmessung von 0,5 × 10 × 102 mm³ findet dieser Sensor auch unter ungünstigen Einbaubedingungen Platz. Er ist ideal bei kleinen und unebenen Platzverhältnissen und lässt sich sogar um Rohrleitungen führen. In einer besonderen Bauform steht dieser Sensor als einseitig klebender Folienthermometer in der Miniaturausführung Chip (0,5 × 8 × 8 mm³) für die Punktmessung zur Verfügung.

Für besonders harten Einsatz

Unter der Typenbezeichnung ST/ZS bietet EPHY-Mess verstärkte starre NWTs an. Mit Eigenschaften wie der normale starre bifilare Nutenthermometer ist diese Ausführung für besonders harte Einsatzbedingungen gewappnet. Die mit Resi-Glas verstärkten, bruch- und druckfesten, glimmerisolierten NWTs werden als Zwischenlage in der Motornut verbaut. Sie sind für häufig sehr raue Montagebedingungen auch in Nutkeilabmessung lieferbar. Die Zuleitung ist auf Wunsch mit Lackglas-Filamentschlauch zusätzlich gegen mechanische Belastung isoliert und fixiert. Einsatz finden diese NWTs in Nieder-, Mittel- und Hochspannungsmaschinen.

Neuentwicklung: MultiSpot NWT

Der neu entwickelte MultiSpot-NWT weist ebenfalls eine flexible Bauform auf. Er gleicht den Nachteil des Chip-NWT durch eine Ansammlung von in Längsrichtung aufgereihten, punktförmigen Messwiderständen aus. Die Positionierung des Sensors innerhalb der Nut ist deshalb nicht so kritisch wie zum Beispiel bei einem Chip-NWT, der Kenntnis über den Hot-Spot innerhalb der Nut voraussetzt. Trotzdem hat der MultiSpot, bedingt durch seinen Aufbau, keine so hohe durchschnittliche Temperatur-Empfindlichkeit wie ein bifilar gewickelter NWT. In diesem druckentlasteten, flexiblen NWT werden mehrere Pt100-Dünnschicht-Sensoren zu einem Pt100-NWT verbaut. Der MultiSpot enthält keine Platindraht-Messwicklung. Er wird einer Prüfspannung von 2,5 kV ausgesetzt und ist gedacht für Einsatztemperaturen von – 40 bis + 155°C. Abmessungen ab 2 mm Dicke, ab 12 mm Breite und ab 100 mm Länge sind Standard; MultiSpots mit einer Breite ab 7 mm sind in Entwicklung. Auch eine ATEX-Ausführung ist geplant. Dieser Sensortyp ist gedacht für Generatoren, Nieder-, Mittel- und Hochspannungs-Maschinen.

Deutlich langsamer, dafür preiswerter

Der Chip-NWT zeichnet sich vor allem durch geringere Kosten aus. Sein Ansprechverhalten ist gegenüber den gewickelten Sensoren deutlich langsamer, da die temperaturempfindliche Länge äußerst klein ist (2 mm). Die Messung ist also eine reine Einzel-Punktmessung. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Positionierung des Messpunktes innerhalb der Nut entsprechend genau festzulegen. Dies setzt Kenntnis des Hot-Spots in der Maschine voraus! Alle Chip-Bauarten sind starr. In drei Bauarten AK, ZS, KS lieferbar, haben sie nur einen einzigen Pt100-Dünnschicht-Sensor (also keine Platindraht-Messwicklung mehr) und sind auch mit Pt500 oder Pt1000 erhältlich. Je nach Anwendung gibt es Chip-NWTs in den verschiedenen Kunststoff-Aufnahmekörpern, die sich dadurch in ihrem Aufbau, in der Spannungsfestigkeit, Einsatztemperatur und vor allem in den Abmessungen unterscheiden. Alle Typen sind für den explosionsgeschützten Bereich geeignet und werden in Erregermaschinen, Nieder-, Mittel- und Hochspannungsmaschinen eingesetzt. Eine abgeschirmte Variante für den eigensicheren Bereich ist bei der PTB zur Zertifizierung eingereicht.

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