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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen als Antriebselement eines Kraftfahrzeugs eingesetzten Elektromotor.
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Es ist allgemein bekannt, dass Elektromotoren vor Überhitzung geschützt werden sollten, um insbesondere eine Schädigung der Wicklungen und/oder eine negative Beeinträchtigung der Magnete zu vermeiden. Dies wird in der Regel dadurch bewirkt, dass die Temperatur eines Elektromotors an einer oder mehreren Stellen direkt oder indirekt überwacht wird und ab einer vorgegebenen Temperatur Maßnahmen ergriffen werden, um einem weiteren Temperaturanstieg entgegenzuwirken. In den meisten Fällen erfolgt dies durch eine Steuerung oder Regelung mit Hilfe der Leistungselektronik. Hinsichtlich der aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten, die Temperatur eines Elektromotors direkt oder indirekt zu erfassen, wird auf die Druckschriften
DE 10 2008 054 216 A1 ,
WO 00/55588 ,
DE 198 42 523 A1 ,
DE 44 04 926 A1 ,
DE 10 2007 030 633 A1 ,
DE 101 54 920 A1 ,
DE 101 30 982 A1 ,
DE 199 26 542 A1 und
DE 101 20 414 A1 verwiesen.
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Bei als Antriebselementen für Kraftfahrzeuge eingesetzten Elektromotoren werden in der Praxis zur Temperaturerfassung häufig mehrere Temperatursensoren mit dem Wicklungsdraht eines Wickelkopfes vergossen. Dieses Prinzip ist in der Einleitung von
DE 101 54 920 A1 beschrieben und hat den Nachteil, dass im Falle eines Defekts ein anderer, vergossener Temperatursensor verwendet werden muss. Dazu ist ein Umpinnen erforderlich. Sind alle vergossenen Temperatursensoren defekt, muss der Elektromotor ausgetauscht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, dessen Herstellungs- und Wartungskosten reduziert sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft Elektromotoren mit Rotor und Stator, deren Stator mehrere Wicklungen umfasst, die einen Wickelkopf bilden, wobei jede Wicklung aus einer oder mehreren Spulen besteht. Im Bereich des Wickelkopfes eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist ein formstabiles, schlauchartiges Element mit einem Wärmeübertragungsbereich und einem Zugangsbereich angeordnet, wobei der Wärmeübertragungsbereich im Bereich der einen oder mehreren Spulen des Wickelkopfes fest mit dem Wickelkopf verbunden ist und der Zugangsbereich eine Öffnung zum Einsetzen und Entnehmen eines Temperatursensors aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt, umfasst ein erfindungsgemäßer Elektromotor mit dem schlauchartigen Element die Möglichkeit, einen auf das schlauchartige Element abgestimmten Temperatursensor an eine durch die Position des schlauchartigen Elements festgelegte Position zu bringen und dort die Temperatur zu überwachen. Unter ”formstabil” wird im vorliegenden Fall insbesondere verstanden, dass das schlauchartige Element dem Druck des bei der Herstellung des Elektromotors auftretenden Bandagierens und Imprägnierens insofern standhält, als der Innenquerschnitt nicht oder nur unwesentlich verändert wird. Eine Verbindung zwischen dem schlauchartigen Element und dem Wickelkopf kann ohne zusätzlichen Aufwand einfach und kostengünstig dadurch hergestellt werden, dass das schlauchartige Element vordem Bandagieren und Imprägnieren eines Wickelkopfes positioniert und durch das Bandagieren und Imprägnieren (z. B. durch Tränken des Wickelkopfes in ein Harz und anschließendes Aushärten mittels Wärme und/oder UV-Bestrahlung) in seiner Position fixiert wird. Alternativ kann das schlauchartige Element auch durch Kleben oder auf eine sonstige bekannte Art und Weise vor oder nach dem Bandagieren und/oder Imprägnieren innerhalb des Wickelkopfes fixiert werden. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor hat den Vorteil, dass nur ein Temperatursensor verbaut werden muss. Fällt der Temperatursensor aufgrund eines Defekts aus, kann er einfach durch die in dem schlauchartigen Element ausgebildete Öffnung entnommen und durch das Einführen eines funktionsfähigen Temperatursensors ersetzt werden.
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Das Ersetzen eines Temperatursensors wird erleichtert, wenn der Zugangsbereich aus dem Wickelkopf herausragt, so dass die Öffnung zum Entnehmen und Einführen von Temperatursensoren ebenfalls außerhalb des Wickelkopfes anordenbar ist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ragt der Zugangsbereich auch aus einem den Wickelkopf umgehenden Statorgehäuse (auch Lagerschild genannt) heraus, so dass die Öffnung außerhalb des Statorgehäuses anordenbar und somit ein Einbringen und Entnehmen von Temperatursensoren außerhalb des Statorgehäuses möglich ist.
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Das Ersetzen eines Temperatursensors wird ferner erleichtert, wenn das schlauchartige Element Richtungsänderungen aufweist, die maximal 45° betragen. Bevorzugt sind die Richtungsänderungen kleiner als 30° und besonders bevorzugt kleiner als 20°. Im Bereich der vorstehend genannten Richtungsänderungen werden Radien bevorzugt, die mindestens 10 cm, bevorzugt mindestens 20 cm und besonders bevorzugt mindestens 30 cm betragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das schlauchartige Element keine Richtungsänderungen auf, so dass ein Temperaturfühler geradlinig in dieses eingebracht und wieder aus diesem entnommen werden kann.
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Der Wärmeübertragungsbereich und die Öffnung des Zugangsbereichs sind vorzugsweise im Bereich der Enden des schlauchartigen Elements angeordnet. Besonders bevorzugt ist im Bereich eines Endes der Wärmeübertragungsbereich und im Bereich des anderen Endes die Öffnung des Zugangsbereiches vorgesehen. Die Öffnung kann in diesem Fall in Ersteckungsrichtung des schlauchartigen Elements angeordnet werden, so dass ein einzuführender und ein zu entnehmender Temperatursensor im Bereich der Öffnung beim Einführen und Entnehmen in die gleiche Richtung bewegt werden kann bzw. muss wie innerhalb des schlauchartigen Elements. Somit ist eine Richtungsänderung nicht erforderlich.
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Das schlauchartige Element weist in einer weiteren praktischen Ausführungsform im Bereich des Wärmeübertragungsbereichs einen Anschlag auf. Ein solcher Anschlag hat den Vorteil, dass die Position eines einzuführenden Temperatursensors vorgebbar ist und der Anwender durch den Anschlag eine taktile Rückmeldung hinsichtlich des Erreichens der Position erhält. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Position des Temperatursensors visuell nicht überprüfbar ist, weil sie innerhalb des Wickelkopfes, hinter dem Statorgehäuse und/oder in einem aus anderen Gründen schlecht einsehbaren Bereich liegt. Ein Anschlag kann durch Ausbildung einer Verjüngung innerhalb des schlauchartigen Elements ausgebildet werden oder dadurch, dass der Wärmeübertragungsbereich im Bereich eines geschlossenen Endes des schlauchartigen Elements angeordnet ist, so dass der ”Boden” des schlauchartigen Elements den Anschlag bildet.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist das schlauchartige Element zweiteilig ausgebildet. In diesem Fall kann das schlauchartige Element in dem Wärmeübertragungsbereich und in dem Zugangsbereich aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sein und/oder unterschiedliche Gestaltungen aufweisen. Unter einer zweiteiligen Ausbildung wird auch verstanden, dass nur in einem Teilbereich des schlauchartigen Elements ein Material mit besonderen Eigenschaften (z. B. besonders hoher Wärmeleitfähigkeit) ergänzend oder substitutiv verwendet wird.
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Vorzugsweise ist der Wärmeübertragungsbereich aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 80 W/(mK), bevorzugt mindestens 120 W/(mK) und besonders bevorzugt mindestens 230 W/(mK) hergestellt. Besonders bevorzugte Werkstoffe für den Wärmeübertragungsbereich sind Aluminium und Kupfer.
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Der Zugangsbereich soll vor allem sicherstellen, dass ein von einem in dem schlauchartigen Element angeordneten Temperatursensor führendes Kabel zu einer Leistungselektronik oder einer sonstigen Steuerung vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Ferner sollen Störungen des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Wickelkopfes nach Möglichkeit vermieden werden. Beide Eigenschaften erfüllt ein Spiralfederschlauch. Ein solcher Schlauch ist darüber hinaus relativ kostengünstig.
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In eine weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist in dem Wärmeübertragungsbereich ein Temperatursensor angeordnet. Dieser steht über ein wärmeleitendes Medium mit dem Wärmeübertragungsbereich in Kontakt. Unter einem wärmeleitenden Medium werden in diesem Zusammenhang alle Medien verstanden, die einen Wärmeleitwert von mindestens 1 W/(mK) aufweisen, insbesondere Wärmeleitpaste, welche üblicherweise Wärmeleitwerte zwischen 2 und 4 W/(mK) aufweist. Wenn als wärmeleitendes Medium eine Paste oder sogar ein fließfähiges Medium verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, wenn der Wärmeübertragungsbereich innerhalb des Elektromotors auf einem niedrigeren Höhenniveau angeordnet ist als die Öffnung zum Einsetzen und Entnehmen des Temperatursensors, insbesondere an der in Bezug auf die Gravitation niedrigsten Position des schlauchartigen Elements. So kann sichergestellt werden, dass die Paste bzw. das sonstige wärmeleitende Medium aufgrund der Schwerkraft in dem Wärmeübertragungsbereich verbleibt bzw. stets in diesen Bereich zurückströmt. Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann der Wärmeübertragungsbereich durch ein sich über den Querschnitt erstreckendes Trennelement (z. B. eine durchstoßbare Membran) von dem Zugangsbereich separiert werden.
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Das Einsetzen eines Temperatursensors wird erleichtert und die Wärmeübertragung wird weiter verbessert, wenn der Temperatursensor aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff in einem Sensorgehäuse angeordnet ist. In diesem Zusammenhang werden als wärmeleitfähig wiederum alle Werkstoffe mit einem Wärmeleitwert von mindestens 80 W/(mK), bevorzugt mindestens 120 W/(mK) und besonders bevorzugt mindestens 230 W/(mK) verstanden. Für das Sensorgehäuse werden als Werkstoffe wiederum bevorzugt Aluminium und Kupfer eingesetzt.
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Für das Einsetzen eines in einem Sensorgehäuse angeordneten Temperatursensors ist es vorteilhaft, wenn die Maße in Querrichtung (z. B. der Durchmesser bei rundem Querschnitt) kleiner sind als die Innenmaße des schlauchartigen Elements. Je größer die Maßdifferenz ist, desto leichter lässt sich das Sensorgehäuse einführen, insbesondere wenn das schlauchartige Element eine oder mehrere Krümmungen aufweist. Damit der Temperatursensor möglichst kurze Ansprechzeiten aufweist und sich zu hohe Temperaturen zeitnah feststellen lassen, ist es wünschenswert, dass der Temperatursensor möglichst großflächig im Wärmeübertragungsbereich an der Innenseite des schlauchartigen Elements anliegt. Dazu wäre es ideal, wenn das Gehäuse des Temperatursensors vollflächig an den Innenseiten des schlauchartigen Elements anliegen würde. Eine praktische Lösung der vorstehenden Aufgaben besteht darin, das Sensorgehäuse selbst federelastisch auszubilden, so dass es bei Belastung in Umfangsrichtung (etwa beim Einführen durch Krümmungen) innerhalb eines Toleranzbereichs komprimierbar ist und es durch eine entsprechende Konstruktion stets bestrebt ist, sich so weit wie möglich auszudehnen. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise als geschlitzter Hohlzylinder ausgebildet sein, dessen Durchmesser sich innerhalb eines schlauchartigen Elements durch radial wirkende Federelemente an die Außenmaße des schlauchartigen Elements anpasst.
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Alternativ kann als Sensorgehäuse auch ein starres Gehäuse mit kleineren Außenmaßen als die Innenmaße des schlauchartigen Elements verwendet werden. An der Außenseite des Sensorgehäuses und/oder an der Innenseite des schlauchartigen Elements kann mindestens ein federelastisches, wärmeleitendes Kontaktelement angeordnet sein, welches einen wärmeleitenden Kontakt zwischen dem schlauchartigen Element und dem Sensorgehäuse im Wärmeübertragungsbereich sicherstellt.
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Das Sensorgehäuse und das schlauchartige Element weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, weil derartige Querschnitte Relativbewegungen besonders gut zulassen und somit das Einführen und Entnehmen eines Sensorgehäuses erleichtern. Das Sensorgehäuse ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor eignet sich insbesondere als Antriebselement eines Kraftfahrzeuges.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem in dem Wickelkopf eingesetzten schlauchartigen Element,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Endes des in 1 dargestellten schlauchartigen Elements,
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3 das in 2 dargestellte schlauchartige Element mit einem eingeführten Sensorgehäuse einschließlich Kabelverbindung und
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4 das in 3 dargestellte aus dem schlauchartigen Element entnommene Sensorgehäuse einschließlich Kabelverbindung.
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1 zeigt einen Elektromotor 10 in einer schematischen Darstellung. Ein Rotor 12 umfasst eine Rotorwelle 14, die fest mit einem Rotorblechpaket 16 und Magneten 18 verbunden ist. Der Rotor 12 ist umgeben von einem Stator 20, der einen Wickelkopf 22 sowie ein den Wickelkopf 22 teilweise umschließendes Statorblechpaket 24 umfasst. Der Wickelkopf 22 besteht aus mehreren Wicklungen (nicht dargestellt), wobei jede Wicklung aus mehreren miteinander verbundenen Spulen gleicher Weite (nicht dargestellt) besteht. Bei dem gezeigten Elektromotor handelt es sich um einen Drehstrommotor mit drei Phasen, wobei die zu den Phasen gehörigen Wicklungen ringförmig umeinander angeordnet sind, so dass sich eine äußere Wicklung, eine innere Wicklung und eine zwischen der äußeren Wicklung und der inneren Wicklung angeordnete mittlere Wicklung ergibt.
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In 1 ist schematisch dargestellt, wie ein an einem Ende 28 eines schlauchartigen Elements 26 angeordneter Wärmeübertragungsbereich in den Wickelkopf 22 axial hineinragt. Das erste Ende 28 ist zwischen zwei Spulen einer Wicklung, vorzugsweise der mittleren Wicklung, angeordnet und fest mit dem Wickelkopf 22 verbunden. Das schlauchartige Element 26 wurde vor der Bandagierung und Imprägnierung in den Wickelkopf 22 eingebracht und durch den Imprägniervorgang und insbesondere durch das Aushärten der Imprägnierung fest mit dem Wickelkopf 22 verbunden.
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Wie vor allem in den 2 und 3 gut zu erkennen ist, schließt sich an den Wärmeübertragungsbereich 30 ein Zugangsbereich 32 an, der sich bis zu dem zweiten Ende 34 erstreckt. Im Bereich des zweiten Endes 34 ist an der Stirnseite des schlauchartigen Elements eine Öffnung 36 ausgebildet.
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Die Öffnung 36 dient dazu, ein wie in 4 dargestelltes Sensorgehäuse 38 mit integriertem Sensor (nicht dargestellt) in das schlauchartige Element einzuführen und in die in 3 gezeigte Position zu bringen.
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Wie insbesondere in 4 zu erkennen ist, ist das Sensorgehäuse 38 hohlzylindrisch ausgebildet. Es ist in der gezeigten Ausführungsform aus Kupfer hergestellt. Mit dem Kupfermaterial der Innenseite des Sensorgehäuses 38 ist ein Temperatursensor (nicht dargestellt) verbunden, der über ein Sensorkabel 40 zu einem nicht dargestellten Anschlussstecker führt und über diesen mit der Leistungselektronik (nicht dargestellt) des Elektromotors 10 in Verbindung steht.
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Entlang des Umfangs des Sensorgehäuses 38 sind mehrere radial abstehende, federelastische Nasen 44 als Kontaktelemente 42 angeordnet. Diese verbessern den thermischen Kontakt zwischen dem Sensorgehäuse 38 und dem Wärmeübertragungsbereich 30 des schlauchartigen Elements 26.
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Der Wärmeübertragungsbereich 30 ist in der gezeigten Ausführungsform als Kupferhülse ausgebildet. Der Zugangsbereich 32 ist in der gezeigten Ausführungsform als Spiralfederschlauch ausgebildet. Die Kupferhülse und der Spiralfederschlauch sind miteinander verpresst.
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Der Wärmeübertragungsbereich 30 und der Zugangsbereich 32 sind so ausgelegt, dass sie sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Elektromotors und während der Herstellung, insbesondere bei Druckbelastung während der Bandagierung und Imprägnierung, nicht oder nur in sehr engen Grenzen (z. B. um maximal 5%, vorzugsweise maximal 3%) in ihrem Querschnitt verändern. Dadurch ist sichergestellt, dass auf die Innenmaße abgestimmte Sensorgehäuse, die vorzugsweise um 1–30% geringere Außenmaße (insbesondere Durchmesser) aufweisen, sicher durch die Öffnung 36 des schlauchartigen Elements 26 eingeführt und in den Wärmeübertragungsbereich bewegt werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtung des Fachwissens des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Rotor
- 14
- Rotorwelle
- 16
- Rotorblechpaket
- 18
- Magnet
- 20
- Stator
- 22
- Wickelkopf
- 24
- Statorblechpaket
- 26
- schlauchartiges Element
- 28
- erstes Ende
- 30
- Wärmeübertragungsbereich
- 32
- Zugangsbereich
- 34
- zweites Ende
- 36
- Öffnung
- 38
- Sensorgehäuse
- 40
- Sensorkabel
- 42
- Kontaktelement
- 44
- Nase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054216 A1 [0002]
- WO 00/55588 [0002]
- DE 19842523 A1 [0002]
- DE 4404926 A1 [0002]
- DE 102007030633 A1 [0002]
- DE 10154920 A1 [0002, 0003]
- DE 10130982 A1 [0002]
- DE 19926542 A1 [0002]
- DE 10120414 A1 [0002]
