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Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug als Generator und/oder elektrischer Motor verwendet bzw. kann generatorisch und/oder motorisch betrieben werden.
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Vorbekannte elektrische Maschinen umfassen in der Regel einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor. In dem Stator und/oder in dem Rotor sind gewickelte Spulen angeordnet. Zur Überwachung der Temperatur in den Spulen werden Temperatursensoren in die Spulen mit eingewickelt. Befinden sich die Temperatursensoren innerhalb der Spule nicht an einer vorbestimmten exakten Position, werden gemessene Temperaturwerte falsch interpretiert. Dies kann zu einem unnötigen Abschalten der elektrischen Maschine oder zu einem Ausfall der elektrischen Maschine führen. In der Regel werden die Temperatursensoren während der Montage manuell positioniert, so dass es hier durchaus zu Fehlpositionierungen kommen kann.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Maschine anzugeben, bei dem bereits im Herstellungsprozess die genaue Positionierung des Temperatursensors überprüft werden kann. Insbesondere soll dadurch das Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine kostengünstig und effizient durchführbar sein.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet. Insbesondere dient die elektrische Maschine als Elektromotor im Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine zum alleinigen oder unterstützenden Antrieb vorgesehen ist und dabei sowohl generatorisch (Hochvoltgenerator) als auch motorisch betrieben werden kann. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (i) Wickeln einer Spule aus einem Draht für einen Stator oder Rotor der elektrischen Maschine. Die Spule kann dabei außerhalb des Stators oder Rotors gewickelt werden und nachträglich eingesetzt werden. Genauso ist es möglich, den Draht direkt in Nuten des Stators oder des Rotors einzuwickeln. (ii) Vor, während oder nach dem Wickeln erfolgt ein Positionieren zumindest eines Temperatursensors direkt in der Spule. Der Temperatursensor ist dabei direkt zwischen den gewickelten Drähten positioniert, so dass die Drähte an dem Temperatursensor anliegen. (iii) Nach dem vollständigen Wickeln der Spule und nach dem Positionieren des Temperatursensors erfolgt ein Beaufschlagen der Spule mit Strom und gleichzeitig ein Erfassen eines Temperaturverlaufes mit dem Temperatursensor. (iv) Der erfasste Temperaturverlauf wird mit einem vorgegebenen Temperaturverlauf verglichen. Dadurch kann bestimmt werden, ob der Temperatursensor korrekt positioniert ist. Bei einer Abweichung des erfassten Temperaturverlaufes von dem vorgegebenen Temperaturverlauf innerhalb gewisser Grenzen, wird auf eine korrekte Position geschlossen.
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Das Erfassen des Temperaturverlaufs kann derart erfolgen, dass für zumindest einen Erfassungszeitpunkt, der einen genügend großen zeitlichen Abstand zu dem Beaufschlagungszeitpunkt hat, zu dem das Beaufschlagen der Spule mit dem Strom beginnt, ein mit dem Temperatursensor gemessener Temperaturwert festgehalten, d. h. zumindest zeitweise bzw. vorübergehend gespeichert wird. Vorzugsweise werden jedoch für eine Vielzahl von Zeitpunkten, die vorteilhafterweise untereiander denselben zeitlichen Abstand aufweisen, die mit dem Temperatursensor gemessenen Temperaturwerte festgehalten, d. h. zumindest zeitweise bzw. vorübergehend gespeichert. Bei dem vorgegebenen Temperaturverlauf handelt es sich um einen im Vorfeld ermittelten und dauerhaft hinterlegten bzw. gespeicherten Referenztemperaturverlauf.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass eine Steigung des erfassten Temperaturverlaufes mit einer Steigung des vorgegebenen Temperaturverlaufes verglichen wird. Die Steigung ist jeweils ein repräsentativer Wert für den Verlauf der Temperatur. Vorzugsweise reicht es aus, zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, die genügend weit auseinanderliegen, jeweils einen Temperaturwert zu messen. Anhand des zeitlichen Abstands der beiden Zeitpunkte und des sich aus den beiden Temperaturwerten ergebenden Temperaturunterschieds kann dann die Steigung für den erfassten Temperaturverlauf ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden für eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten mit dem Temperatursensor die jeweils vorliegenden Temperaturwerte gemessen und diese dann zwischengespeichert, wobei es sich um deutlich mehr als zwei Zeitpunkte und somit Temperaturwerte handelt. Insbesondere bei der Verwendung einer computergestützten Methode zum Messen und Vergleichen wird man sehr viele einzelne Temperaturwerte aneinanderreihen, um den Verlauf und infolgedessen auch die Steigung darzustellen. Die Steigung kann beispielsweise mittels statistischer Analyseverfahren ermittelt werden, vorzugsweise mittels Regressionsanalyseverfahren. Dabei bietet es sich an, beispielsweise mittels linearer Regression eine Ausgleichsgerade oder mittels polynomialer Regression ein Ausgleichspolynom zu ermitteln, und anhand dieser bzw. diesem dann einen Wert für die Steigung zu ermitteln.
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Konsequenterweise ist die Steigung in Abhängigkeit der Zeit definiert und repräsentiert somit die zeitliche Änderung der erfassten Temperatur und somit des erfassten Temperaturverlaufs.
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Vorteilhafterweise können alternativ und/oder ergänzend einzelne Messpunkte des erfassten Temperaurverlaufs mit einzelnen Messpunkten des vorgegebenen Temperaturverlaufs verglichen werden. Theoretisch reicht es aus, zu einem einzigen definierten Zeitpunkt den hierzu vorliegenden Temperaturwert des erfassten Temperaturverlaufs mit dem hierzu vorliegenden Temperaturwert des vorgegebenen Temperaturverlaufs zu vergleichen. Um eine zuverlässigere Aussage machen zu können, kann solch ein Vergleich vorzugsweise für eine größere Anzahl von Zeitpunkten vorgenommen werden.
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Bevorzugt wird eine Abweichung des erfassten Temperaturverlaufes vom vorgegebenen Temperaturverlauf bestimmt. Je nachdem, wie groß diese Abweichung ist, kann die tatsächliche Position des Temperatursensors noch als akzeptabel bestimmt werden oder nicht. Insbesondere wird eine Abweichung der Steigung bestimmt. Alternativ kann auch eine Abweichung in den Temperaturwerten selbst ausgewertet werden.
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Der vorgegebene Temperaturverlauf repräsentiert eine optimale Position des Temperatursensors in der Spule. Insbesondere ist dabei die Position des Temperatursensors im Querschnitt der Spule ausschlaggebend. Betrachtet man den Querschnitt der Spule, so befindet sich der Temperatursensor besonders bevorzugt mittig im Querschnitt. Wenn die tatsächliche Position des Temperatursensors von dieser mittigen Position abweicht, verändern sich infolgedessen auch der erfasste Temperaturverlauf und insbesondere die Steigung des erfassten Temperaturverlaufes.
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Insbesondere wird der Temperatursensor im Spulenkopf positioniert. Der Spulenkopf befindet sich an den beiden Stirnseiten des Stators bzw. Rotors. Zwischen den Spulenköpfen verlaufen die Drähte der Spule parallel zueinander, beispielsweise in Nuten. An den Spulenköpfen sind die Drähte umgelenkt. Die Spulenköpfe liegen meist frei, so dass an diesen Positionen sehr gut Temperatursensoren integriert werden können.
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Der Temperatursensor wird vor dem Wickeln der Spule, während dem Wickeln der Spule oder nach dem Wickeln der Spule positioniert. Nach dem Wickeln der Spule oder während dem Wickeln der Spule kann der Temperatursensor manuell oder maschinell zwischen die Drähte eingedrückt werden.
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Das Messen bzw. Erfassen des Temperaturverlaufes und das Vergleichen des erfassten Temperaturverlaufes mit dem vorgegebenen Temperaturverlauf erfolgt bevorzugt, bevor die Spule imprägniert wird und/oder mit Harz umgossen wird. Erst wenn festgestellt wird, dass der Temperatursensor exakt positioniert ist, werden die weiteren Schritte zur Herstellung der elektrischen Maschine vollzogen. Sollte festgestellt werden, dass der Temperatursensor nicht exakt positioniert ist, kann entweder die Position des Temperatursensors korrigiert werden, oder aber die Spule wird ausgesondert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einer Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Maschine implementiert, die folgende Einheiten aufweist: eine Wickeleinheit, die dazu ausgebildet ist, aus Draht eine Spule für einen Stator oder einen Rotor der elektrischen Maschine zu wickeln, eine Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Spule mit einem Strom zu beaufschlagen und mittels eines in der Spule angeordneten Temperatursensors einen Temperaturverlauf zu erfassen, und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, den erfassten Temperaturverlauf mit einem vorgegebenen Temperaturverlauf zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses zu bestimmen, ob der Temperatursensor korrekt positioniert ist. Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine Positioniereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den Temperatursensor derart in der zu wickelnden oder gewickelten Spule zu positionieren, dass der Temperatursensor von dem Draht umgeben ist.
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Die erfindungsgemäße Idee muss nicht zwangsläufig bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Maschine zum Einsatz kommen. Sie kann auch bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Herstellung einer Spule eingesetzt werden. Die Spule mit dem in ihr angeordneten Temperatursensor kann dann mit weiteren Komponenten zu einer elektrischen Maschine zusammengebaut werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
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2 verschiedene Temperaturverläufe aus dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der 1 und 2 beschrieben.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine 9. Gezeigt ist ein Teil einer Spule 10 im Schnitt. Die Spule 10 ist in der elektrischen Maschine 9 in einem Stator eingesetzt.
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Die Spule 10 ist gewickelt aus einem Draht 12. 1 zeigt im oberen Bereich einen Schnitt durch einen Spulenkopf 11. Die Bezugszeichen 1 bis 8 zeigen in 1 verschiedene Positionen für einen Temperatursensor im Querschnitt des Spulenkopfes 11. Die optimale Position 4 des Temperatursensors ist in der Mitte gekennzeichnet. Die verbleibenden Positionen 1 bis 3 und 5 bis 8 zeigen beispielhafte Abweichungen von der optimalen Position 4. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 auf die Darstellung des Temperatursensors verzichtet.
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Nach dem Wickeln des Drahtes 12 und dem Positionieren des Temperatursensors im Wickelkopf 11, wird die Spule 10 bestromt und der Temperaturverlauf mit dem Temperatursensor über der Zeit gemessen, d. h. für eine Vielzahl von Zeitpunkten der jeweils vorliegende Temperaturwert erfasst. Dadurch kann noch vor dem Weiterverarbeiten der Spule 10 bestimmt werden, ob der Temperatursensor zumindest in der Nähe der optimalen Position 4 eingebaut wurde. Vorzugsweise werden für eine Zeitspanne von 60 Sekunden 60 Temperaturwerte erfasst, es können aber auch für eine Zeitspanne von 30 Sekunden 30 Temperaturwerte erfasst werden.
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2 zeigt Temperaturverläufe an den verschiedenen Positionen 1 bis 8. Es wurde jeweils die Temperatur über 60 Sekunden gemessen. Beim Herstellungsverfahren für die elektrische Maschine wird der Temperaturverlauf mit dem Temperatursensor erfasst und mit einem vorgegebenen Temperaturverlauf verglichen. Dieser vorgegebene Temperaturverlauf entspricht dem Temperaturverlauf an der optimalen Position 4 in 2. Insbesondere werden die Steigungen der Temperaturverläufe ermittelt und mit der Steigung des vorgegebenen Temperaturverlaufs verglichen.
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Wie 2 zeigt, führen die Positionen 2, 3 und 5 zu relativ moderaten Abweichungen vom Temperaturverlauf an der optimalen Position 4. Je nach Anwendungsfall kann das Verfahren so ausgestaltet werden, dass solch eine Abweichung toleriert wird.
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Wohingegen die Positionen 1, 6, 7 und 8, jeweils zu Temperaturverläufen führen, deren jeweilige Steigung deutlich geringer ist, als die Steigung des zu der Position 4 gehörenden Temperaturverlaufs. Diese Temperaturverläufe sind problematisch, da diese eine niedrigere als die tatsächlich vorliegende Temperatur vermuten lassen, was dazu führen kann, dass die elektrische Maschine weiter betrieben wird, obwohl die Temperatur in der Wicklung bereits Werte erreicht hat, bei denen die elektrische Maschine nicht mehr weiter betrieben werden sollte, um deren Beschädigung zu vermeiden.
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Alternativ und/oder ergänzend können neben einer Auswertung der Steigung der Temperaturverläufe auch die absoluten Temperaturwerte ausgewertet werden. Dies kann beispielsweise in der Form erfolgen, dass zu einem oder mehreren fest vorgegebenen Zeitpunkten, die für den erfassten Temperaturverlauf und den vorgegebenen Temperaturverlauf jeweils vorliegenden Temperaturwerte jeweils paarweise miteinander verglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1 bis 8
- Positionen für Temperatursensor
- 9
- Elektrische Maschine
- 10
- Spule
- 11
- Spulenkopf
- 12
- Draht
