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Die Erfindung betrifft eine Temperatursensor-Einheit, eine Anordnung einer Temperatursensor-Einheit in einem Elektromotor und ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines Wickelkopfes eines Elektromotors. Die Erfindung betrifft insbesondere Temperatursensor-Einheiten sowie Anordnungen von Temperatursensor-Einheiten für in Kraftfahrzeugen als Antriebsmotor einsetzbarere Elektromotoren.
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In
DE 101 54 920 A1 wird Bezug auf einen Elektromotor mit mehreren Temperatursensoren genommen, welche in den Wicklungsdraht des Wickelkopfes eingegossen und damit nicht austauschbar sind. Ferner nimmt die genannte Druckschrift Bezug darauf, einen Temperatursensor außerhalb des Wickelkopfes anzuordnen und mit einem wärmeleitenden Bauelement zu verbinden, das in den Wickelkopf hineingeführt ist. Das Verbinden des Temperatursensors mit einem in den Wickelkopf hineingeführten Bauelements ist sehr aufwendig, insbesondere wenn der Temperatursensor nach der Erstmontage ausgetauscht werden soll.
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Aus
EP 0 993 099 A1 ist ein Elektromotor mit einer Vorrichtung einschließlich Temperatursensor zur Überwachung der Wicklungstemperatur bekannt. Zur Überwachung der Temperatur ist an mindestens einer Wicklung eine in wärmeleitender Verbindung zu den Wicklungen stehende Aufnahme zur auswechselbaren Anordnung eines Temperatursensors vorgesehen. Die Ausbildung einer Aufnahme in einer Wicklung und die Anordnung eines Temperatursensors in wärmeleitender Verbindung in der Aufnahme sind relativ aufwendig und kostenintensiv.
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Aus
EP 2 230 749 A2 ist ein Elektromotor mit zwischen zwei Statorwicklungen angeordnetem Temperatursensor bekannt. Dieser Temperatursensor ist weder von außerhalb des Gehäuses des Elektromotors zugänglich noch austauschbar.
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Aus
EP 2 239 832 A1 ist ein Elektromotor mit einem Temperatursensor bekannt, bei welchem der Temperatursensor in einer Ausnehmung des Gehäuses in radialer Richtung außerhalb des Stators eingegossen ist. Der Temperatursensor soll eine gute wärmeleitende Verbindung zum Gehäuse aufweisen, und in Abhängigkeit der Gehäusetemperatur soll der Elektromotor gesteuert werden. Problematisch ist, dass die Gehäusetemperatur sich unabhängig von der Temperatur der Wicklung entwickeln kann und dass der Temperatursensor nicht bzw. nur mit großem Aufwand austauschbar ist.
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Aus
WO 2010/015269 A1 ist ein Elektromotor mit einem Infrarot-Temperatursensor bekannt, der über eine Luftstrecke auf den Wickelkopf des Elektromotors ausgerichtet wird, um selektiv in einem Wellenlängenbereich einer Absorptionsbande eines bei Teilentladungen entstehenden Ionisationsproduktes (z. B. Ozon) eine Strahlungsintensität zu messen und aus der gemessenen Strahlungsintensität eine Kenngröße für die Teilentladungsaktivität innerhalb des Elektromotors als Maß für den Betriebszustand des Elektromotors zu ermitteln. Das beschriebene Verfahren ist relativ umständlich und kostenintensiv. Ferner ist der Temperatursensor innerhalb des Gehäuses angeordnet und von außerhalb des Gehäuses nicht zugänglich.
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Aus
DE 10 2006 041 056 A1 ist ein Elektromotor mit Temperatursensoren bekannt, die zwischen Rotor und Rotorlager axial beabstandet zum Rotor derart angeordnet sind, dass die Lagerinnentemperatur und die Lageraußentemperatur erfasst wird. Diese Temperatursensoren sind nicht geeignet, die Wicklungstemperatur des Elektromotors zu erfassen.
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Aus
DE 101 20 414 A1 ist ein Elektromotor mit Temperatursensor bekannt, bei welchem der Temperatursensor außerhalb des Wickelkopfes, aber innerhalb des Gehäuses direkt auf der Steuerplatine hinter einer Öffnung eines Schirmblechs angeordnet ist. Der Temperatursensor dieser Vorrichtung ist von außerhalb des Gehäuses nicht montierbar und/oder austauschbar.
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Aus
DE 198 44 893 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Läufers eines Synchronmotors mit einem Temperatursensor bekannt, der in der Nähe einer separaten elektrischen Referenzwicklung zu einem Wickelkopf beabstandet angeordnet ist. Die separate Wicklung soll ein thermisches Abbild des Wickelkopfes darstellen. Sie besteht daher aus dem gleichen Material wie der Läufer des Synchronmotors und wird mit der gleichen Stromdichte beaufschlagt wie der Läufer des Synchronmotors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursensor-Einheit, eine Anordnung einer Temperatursensor-Einheit in einem Elektromotor sowie ein Verfahren zur Anordnung einer Temperatursensor-Einheit zur Verfügung zu stellen, die auf einfache und kostengünstige Art und Weise die Erfassung der Temperatur des Wickelkopfes eines Elektromotors ermöglichen. Es soll außerdem eine leichte Austauschbarkeit ermöglicht werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 bzw. 10.
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Eine erfindungsgemäße Temperatursensor-Einheit für einen Elektromotor umfasst ein Messelement, eine zu dem Messelement führende Zuleitung sowie ein Sensorgehäuse, wobei das Sensorgehäuse einen langgestreckten Einschubbereich aufweist und wobei das Messelement gegenüber dem Sensorgehäuse in seiner Lage fixiert ist. Eine erfindungsgemäße Temperatursensor-Einheit hat den Vorteil, dass sie auf einfache Art und Weise herstellbar und mit ihrem Einschubbereich in eine Öffnung eines Gehäuses eines Elektromotors einsetzbar ist. Dabei ist der Sensor relativ zu dem Sensorgehäuse festgelegt und kann insbesondere geschützt in dem Gehäuse angeordnet werden.
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Die Länge des Einschubbereichs ist vorzugsweise größer als die Materialstärke eines Gehäuses eines Elektromotors im Bereich einer Öffnung, in welche der Einschubbereich der Temperatursensor-Einheit eingesetzt wird.
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Die Fixierung des Messelements an dem Gehäuse erfolgt vorzugsweise in einer Position, in welcher das Messelement nach bestimmungsgemäßem Einsetzen der Temperatursensor-Einheit in die Öffnung des Gehäuses des Elektromotors in das Sensorgehäuse hineinragt und somit in einem Abstand x zu der Innenwand des Gehäuses des Elektromotors angeordnet ist.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit weist das Sensorgehäuse einen als Anschlag dienenden Flansch auf, welcher beim bestimmungsgemäßen Einsetzen der Temperatursensor-Einheit in eine in einem Gehäuse eines Elektromotors ausgebildete Öffnung die Einschubtiefe begrenzt. Dadurch kann eine präzise und wiederholbare Positionierung der Temperatursensor-Einheit gegenüber einem Gehäuse eines Elektromotors festgelegt werden. Da das Messelement gegenüber dem Sensorgehäuse festgelegt ist, ist somit gleichzeitig eine relative Positionierung des Messelements gegenüber dem Gehäuse des Elektromotors festgelegt.
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Wenn an dem Sensorgehäuse einer erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit Mittel zur Befestigung vorgesehen sind, erleichtert dies die Verbindung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Gehäuse eines Elektromotors und/oder eines Messelements und dem Sensorgehäuse. Bevorzugt sind Mittel zur Herstellung einer lösbaren Verbindung, wie z. B. Rastelemente, Klemmelemente, Öffnungen zum Verschrauben etc. Möglich ist es auch, zum Verkleben oder sonstigen stoffschlüssigen Verbinden der Elemente geeignete Oberflächen oder sonstige Mittel zu einer einmaligen und nicht zerstörungsfrei wieder lösbaren Verbindung vorzusehen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit ist die Querschnittsform des Einschubbereichs über die gesamte Länge ähnlich ausgebildet. Mit ”ähnlich ausgebildet” ist gemeint, dass die Profilform im Wesentlichen über die Länge erhalten bleibt, sich als nicht oder nur unwesentlich verändert. Auch die Maße des Querschnitts sollen sich nicht verändern oder nur geringfügig voneinander abweichen (beispielsweise maximal 10% Abweichung). Vom Schutzumfang umfasst sein soll es insbesondere, wenn die Querschnittsformen über die gesamte Länge kongruent oder zumindest ähnlich (im mathematischen Sinne) sind. Ebenfalls vom Schutzumfang erfasst soll es sein, wenn eine oder mehrere Verjüngungen über die Einschublänge ausgebildet sind, insbesondere um eine Klemmverbindung im Bereich der Öffnung eines Gehäuses eines Elektromotors herzustellen und das Sensorgehäuse so in der Öffnung des Gehäuses fixierbar auszubilden.
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Die Fixierung eines Messelements im Sensorgehäuse kann bei einer erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Messelement in dem Sensorgehäuse mit Hilfe einer Füllmasse fixiert ist. Es kann beispielsweise mit Hilfe von Klebstoff fixiert oder mit einem Kunststoff umspritzt sein. Dazu muss der Sensor lediglich an einer gewünschten Stelle positioniert und dann durch Spritzgießen, Kleben oder auf andere Art und Weise dauerhaft in seiner Lage fixiert werden.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit ist das Messelement, quer zur Erstreckungsrichtung des Sensorgehäuses betrachtet, im mittleren Bereich des Sensorgehäuses angeordnet. Darunter ist beispielsweise bei zylindrischer Ausbildung des Einschubbereiches zu verstehen, dass das Messelement auf oder in der Nähe der Mittelachse angeordnet ist (beispielsweise maximal um 30%, bevorzugt maximal 20% zur Mittelachse versetzt, wobei sich die Angaben auf das Verhältnis der Abstände zwischen Mittelachse und Mittelpunkt des Messelements bzw. Mittelachse zur äußeren Wand des Einschubbereichs beziehen).
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung einer Temperatursensor-Einheit in einem Elektromotor, gemäß welcher ein Messelement an einem Sensorgehäuse festgelegt ist, wobei das Sensorgehäuse durch eine in dem Gehäuse des Elektromotors ausgebildete Öffnung in das Gehäuse eingeschoben ist und wobei das Messelement in der eingeschobenen Position der Temperatursensor-Einheit zwischen der Innenwand des Gehäuses des Elektromotors und dem Wickelkopf des Stators frei angeordnet ist. Mit ”frei angeordnet” ist gemeint, dass es keine Materialverbindung über wärmeleitende Elemente zwischen dem Messelement und dem Wickelkopf gibt. Es wird daher nicht die Temperatur des Wickelkopfes selbst, sondern die Temperatur an einer bestimmten Position in der Nähe des Wickelkopfes als Referenzwert gemessen. Als Temperatursensor-Einheit kann insbesondere eine wie vorstehend beschriebene Temperatursensor-Einheit verwendet werden. Das Messelement ist bei einer erfindungsgemäßen Anordnung vorzugsweise direkt gegenüber dem Wickelkopf angeordnet, d. h. insbesondere in Umfangsrichtung im Bereich des Wickelkopfes und vorzugsweise mittig zum Wickelkopf. Das Sensorgehäuse kann von außen oder von innen in das Gehäuse des Elektromotors eingesetzt angeordnet sein. Bevorzugt wird es von außen eingesetzt. Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung können Temperatursensoren als Temperatursensor-Einheit auf einfache und kostengünstige Art und Weise in Elektromotoren eingesetzt und wieder entnommen werden. Das hat insbesondere den Vorteil, dass die Anordnung nur eines Temperatursensors ausreichend ist, da defekte Temperatursensoren leicht entnehmbar sind und somit ohne großen Aufwand ausgetauscht werden können.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Anordnung die Erstreckungsrichtung der Öffnung des Gehäuses des Elektromotors und/oder die in dem Sensorgehäuse ausgebildete Öffnung sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors des Elektromotors erstrecken. So kann sichergestellt werden, dass das Messelement senkrecht zum Wickelkopf steht und somit auf diesen ausgerichtet ist. So kann sichergestellt werden, dass vom Wickelkopf abgestrahlte Wärme auf direktem Wege zu dem Messelement gelangen kann. Messungenauigkeiten durch zwischen dem Messelement und dem Wickelkopf angeordnete Elemente, insbesondere durch Bereiche mit dicken Wandstärken des Sensorgehäuses, werden dadurch vermieden.
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Bevorzugt ist zwischen Messelement und Wickelkopf nur Luft und ggf. zusätzlich eine dünne Schutzschicht des Sensorgehäuses oder eine Füllmasse angeordnet. Eine etwaige Schutzschicht ist vorzugsweise maximal 10 mm, besonders bevorzugt maximal 5 mm und weiter bevorzugt maximal 2 mm dick.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist das Messelement gegenüber dem Gehäuse des Elektromotors und/oder gegenüber dem Sensorgehäuse thermisch isoliert. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass die verwendeten Materialien zwischen dem Messelement und dem Lagerschild und/oder dem Sensorgehäuse einen Wärmeleitwert von maximal 0,3 [W/(m·K)] aufweisen. Bevorzugt liegt der Wärmeleitwert bei maximal 0,2 [W/(m·K)] und besonders bevorzugt bei maximal 0,1 [W/(m·K)]. Geeignet sind neben bekannten Isolationswerkstoffen auch gasförmige Isolatoren, insbesondere Luft.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Wickelkopfes eines Elektromotors, gemäß welchem eine Temperatursensor-Einheit mit einem Messelement in einer wie vorstehend beschriebenen Anordnung angeordnet wird, mit Hilfe des Messelements eine Referenztemperatur gemessen wird und auf Grundlage der Referenztemperatur mit Hilfe einer Korrelationstabelle, einer Formel oder eines sonstigen Algorithmus eine Wickelkopftemperatur ermittelt wird. Auf die vorstehend bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit und der erfindungsgemäßen Anordnung genannten Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
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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 Schnittdarstellung eine Elektromotors mit einer erfindungsgemäßen Temperatursensor-Einheit in einer erfindungsgemäßen Anordnung,
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2 eine vergrößerte Darstellung des in 1 mit II gekennzeichneten Bereichs und
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3 eine dreidimensionale Darstellung der in den 1 und 2 gezeigten Temperatursensor-Einheit.
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In den 1–3 ist eine erfindungsgemäße Temperatursensor-Einheit 10 in verschiedenen Darstellungen gezeigt, wobei in den 1 und 2 die erfindungsgemäße Anordnung 12 der Temperatursensor-Einheit 10 in einem Gehäuse 14 eines Elektromotors 16 dargestellt ist und in den 2 und 3 Einzelheiten der Temperatursensor-Einheit 10 vergrößert dargestellt und daher besonders gut zu erkennen sind.
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Bei dem dargestellten Elektromotor 16 handelt es sich um einen Antriebsmotor für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Der Elektromotor 16 umfasst einen um eine Drehachse 18 drehbar gelagerten Rotor 20, der in bekannter Art und Weise von einem Stator 22 mit einem Wickelkopf 24 umgeben ist. In dem Gehäuse 14 des Elektromotors 16 ist in axialer Richtung eine Öffnung ausgebildet, in welche – wie in den 1 und 2 gezeigt – eine erfindungsgemäße Temperatursensor-Einheit 10 eingeschoben ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung in dem Gehäuse 14 in der als Lagerschild ausgebildeten Seite ausgebildet. Der Lagerschild ist von dem Gehäuse 14 abnehmbar (nicht dargestellt) ausgebildet.
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Die Temperatursensor-Einheit 10 umfasst ein Sensorgehäuse 26 mit einem langgestreckten, zylindrischen Einschubbereich 28 und einem sich an den Einschubbereich 28 anschließenden kreisförmig ausgebildeten Flansch 30. Das Sensorgehäuse 26 weist eine Durchgangsöffnung 32 auf, in welcher im Bereich der Mittelachse 38 ein Messelement 34 mit einer zweiadrigen Zuleitung 36 angeordnet ist. Bei dem gezeigten Messelement 34 handelt es sich um eine sogenannte NTC-Pille. Als Messelemente 34 können jedoch auch andere geeignete Elemente genutzt werden.
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Die in dem Sensorgehäuse ausgebildete Durchgangsöffnung 32 ist mit einer thermisch isolierenden, verfestigten Füllmasse 40 gefüllt. Die Füllmasse 40 dient zum einen dazu, das Messelement 34 gegenüber dem Sensorgehäuse 26 thermisch zu isolieren, und zum anderen dazu, das Messelement 34 gegenüber dem Sensorgehäuse 26 zu positionieren.
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Wie insbesondere in 1 erkennbar ist, ist das Messelement zu der Innenwand 42 des Gehäuses 14 um den Wert x und zu dem Wickelkopf um den Wert y beabstandet. Das Messelement hat somit nach Einsetzen einer erfindungsgemäßen Sensorelement-Einheit 10 in die Öffnung eines Elektromotors 16 einen definierten Abstand zu dem Wickelkopf 24 und zu dem Gehäuse 14. Erwärmt sich der Wickelkopf 24 wird mit dem Messelement 34 eine Temperatur gemessen, die mit der Temperatur des Wickelkopfes 24 korreliert, so dass wie vorstehend beschrieben auf die Temperatur des Wickelkopfes 24 zurückgeschlossen werden kann.
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In 3 ist erkennbar, dass das Messelement 34 um den Wert z zu dem rechten, zum Wickelkopf 24 weisenden Ende von dem Füllmaterial 40 bedeckt ist. Statt mit Hilfe einer Füllmasse 40 kann das Messelement 34 auch vollständig in ein Sensorgehäuse 26 eingegossen sein, durch Umspritzen beim Spritzgießen in dem Sensorgehäuse positioniert oder auf sonstige Art und Weise befestigt sein.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensorelement-Einheit
- 12
- Anordnung
- 14
- Gehäuse
- 16
- Elektromotor
- 18
- Drehachse
- 20
- Rotor
- 22
- Stator
- 24
- Wickelkopf
- 26
- Sensorgehäuse
- 28
- Einschubbereich
- 30
- Flansch
- 32
- Durchgangsöffnung
- 34
- Messelement
- 36
- Zuleitung
- 38
- Mittelachse
- 40
- Füllmasse
- 42
- Innenwand des Gehäuses des Elektromotors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10154920 A1 [0002]
- EP 0993099 A1 [0003]
- EP 2230749 A2 [0004]
- EP 2239832 A1 [0005]
- WO 2010/015269 A1 [0006]
- DE 102006041056 A1 [0007]
- DE 10120414 A1 [0008]
- DE 19844893 A1 [0009]
