DE102014215916A1

DE102014215916A1 - Sensoreinrichtung für einen Elektromotor sowie Elektromotor mit der Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102014215916A1
Application number: DE102014215916.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-02-18

Abstract

Bei Elektromotoren können im Betrieb durch Abwärme hohe Temperaturen entstehen. Eine lokale Temperaturerhöhung tritt vor allem im Bereich des Stators, insbesondere bei den Umlenkbereichen der Statorwicklungen – auch Wicklungskopf genannt – auf. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinrichtung für einen Elektromotor sowie einen Elektromotor mit der Sensoreinrichtung vorzuschlagen, welche sich durch ein besonders sicheres Betriebsverhalten auszeichnet bzw. auszeichnen. Hierzu wird eine Sensoreinrichtung 14 zur Bestimmung der Temperatur von einem Stator 5 eines Elektromotors 1, mit einem Sensorgehäuse 17, mit einem Sensor 18 zur Erfassung der Temperatur, wobei der Sensor 18 in dem Sensorgehäuse 17 angeordnet ist, wobei das Sensorgehäuse 17 einen Bodenabschnitt 19 mit einem Boden 23 zur Auflage auf den Stator 5 in einer Erfassungsrichtung 16 und einen Basisabschnitt 20 zur Befestigung der Sensoreinrichtung 14 aufweist, wobei der Sensor 18 die Temperatur über den Boden 23 erfasst, vorgeschlagen, wobei der Bodenabschnitt 19 relativ zu dem Basisabschnitt 20 in der Erfassungsrichtung 16 bewegbar angeordnet ist und wobei die Sensoreinrichtung 14 zum Einsatz in eine Aufnahmeöffnung 15 eines Flansches 4 des Elektromotors 1 ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Temperatur von einem Stator eines Elektromotors, mit einem Sensorgehäuse, mit einem Sensor zur Erfassung der Temperatur, wobei der Sensor in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei das Sensorgehäuse einen Bodenabschnitt mit einem Boden zur Auflage auf den Stator in einer Erfassungsrichtung und einen Basisabschnitt zur Befestigung der Sensoreinrichtung aufweist, wobei der Sensor die Temperatur über den Boden erfasst und wobei der Bodenabschnitt relativ zu dem Basisabschnitt in der Erfassungsrichtung bewegbar angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs mit der Sensoreinrichtung.
Bei Elektromotoren können im Betrieb durch Abwärme hohe Temperaturen entstehen. Eine lokale Temperaturerhöhung tritt vor allem im Bereich des Stators, insbesondere bei den Umlenkbereichen der Statorwicklungen – auch Wicklungskopf genannt – auf. In ungünstigen Fällen kann es zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Elektromotors kommen. Vor diesem Hintergrund ist es üblich, einen Temperatursensor in den Elektromotor zu integrieren, um die Temperatur zu überwachen.
Die Druckschrift DE 101 30 982 A1 offenbart einen Temperaturfühler für eine Statorwicklung von Elektromotoren, wobei ein Sensor in einem Schrumpfschlauch aufgenommen ist und wobei diese Baugruppe zumindest teilweise in den Stator eingebaut ist.
Die Druckschrift EP 1 278 291 A2 , die den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart einen Temperaturfühler, welcher in einem Elektromotor integriert ist und einen verschiebbaren Sensorabschnitt zur Anlage an einen Stator des Elektromotors aufweist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinrichtung für einen Elektromotor sowie einen Elektromotor mit der Sensoreinrichtung vorzuschlagen, welche sich durch ein besonders gute Betriebseigenschaften auszeichnet bzw. auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Temperatur von einem Stator eines Elektromotors vorgeschlagen. Prinzipiell kann es sich bei dem Elektromotor um einen beliebigen Elektromotor, insbesondere um einen stationär angeordneten Elektromotor, zum Beispiel in einer Arbeitsmaschine, handeln. Besonders bevorzugt ist der Elektromotor jedoch zur Integration in einem Fahrzeug ausgebildet. Insbesondere dient der Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für dieses Fahrzeug.
Die Sensoreinrichtung umfasst ein Sensorgehäuse sowie einen Sensor, wobei der Sensor – optional mit Anschlusskabeln – in dem Sensorgehäuse angeordnet ist. Der Sensor umfasst besonders bevorzugt einen Temperaturwiderstand, insbesondere einen Heißleiter, oder einen NTC-Widerstand, ein PTC-Element, ein Pt100-Element, ein NiCrNi-Element, ein KTY-Element oder ein Bimetall-Element, etc. Das Sensorgehäuse ist insbesondere als ein mehrteiliges Sensorgehäuse ausgebildet.
Das Sensorgehäuse weist einen Bodenabschnitt und einen Basisabschnitt auf. Der Basisabschnitt ist zur Befestigung der Sensoreinrichtung ausgebildet. Insbesondere ist der Basisabschnitt zur Befestigung der Sensoreinrichtung in oder an dem Elektromotor, im Speziellen an einem Motorgehäuse des Elektromotors, ausgebildet.
Der Bodenabschnitt weist einen Boden auf, wobei der Boden an einem freien Ende der Sensoreinrichtung angeordnet ist. Im Betrieb ist der Boden dem Stator zugewandt. Der Boden dient zur Auflage auf den Stator, insbesondere zur Kontaktierung des Stators. Besonders bevorzugt kontaktiert der Boden die Statorwicklung, im Speziellen den Wicklungskopf des Stators. Zur Auflage weist der Boden eine Auflagefläche auf, wobei die Auflagefläche besonders bevorzugt eben oder flach ausgebildet ist. Der Boden wird auf den Stator in einer Erfassungsrichtung aufgesetzt. Insbesondere ist die Erfassungsrichtung senkrecht zu der Auflagefläche ausgerichtet. Besonders bevorzugt kontaktiert der Boden den Stator mit der Auflagefläche flächig. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Auflagefläche in einer Radialebene senkrecht zu einer Hauptachse des Elektromotors und/oder parallel zu einer axialen Stirnseite der Statorwicklung des Stators.
Der Boden steht mit dem Sensor in einer wärmeleitenden Verbindung, sodass über den Sensor die Temperatur des Stators erfasst werden kann.
Es wird vorgeschlagen, dass der Bodenabschnitt relativ zu dem Basisabschnitt in der Erfassungsrichtung bewegbar angeordnet ist. Somit bilden Bodenabschnitt und Basisabschnitt keine starre Baugruppe, sondern der Bodenabschnitt kann in der Erfassungsrichtung derart bewegt werden, sodass der Boden in Richtung zu dem Stator, insbesondere zur Statorwicklung, im Speziellen zum Wickelkopf, nachgeführt werden kann.
Es ist dabei eine Überlegung, dass Elektromotoren wie alle anderen Baugruppen mit Fertigungstoleranzen versehen sind. Für die Funktionsweise der Sensoreinrichtung ist es jedoch wichtig, dass diese einen körperlichen Kontakt zu dem Stator, insbesondere zu der Statorwicklung, im Speziellen zu dem Wicklungskopf, einnimmt, da bereits geringe Luftschichten oder unnötige wärmeisolierende Zwischenschichten zu einer Verfälschung des Temperaturergebnisses führen würden. Durch die Bewegbarkeit des Bodenabschnitts relativ zu dem Basisabschnitt wird erreicht, dass der Basisabschnitt zum Beispiel an einem Motorgehäuse des Elektromotors festgelegt werden kann und der Bodenabschnitt gegebenenfalls toleranzkompensierend an den Stator herangeführt werden kann. Durch diese toleranzausgleichende Maßnahme wird erreicht, dass die Temperaturmessung an dem Stator und damit an dem Elektromotor verbessert wird. Dies führt dazu, dass der Elektromotor im Betrieb näher an seine Leistungsgrenze herangefahren werden kann, da die ermittelten Temperaturwerte eine geringe Fehlerbreite aufweisen. Durch die bessere Temperaturkontrolle können somit höhere Leistungen und/oder ein sichereres Betriebsverhalten des Elektromotors erreicht werden. Somit wird durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung das Betriebsverhalten der Sensoreinrichtung und damit des Elektromotors verbessert.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung zum Einsatz in eine Aufnahmeöffnung, insbesondere Durchgangsöffnung eines Flansches, insbesondere ausgebildet als ein Endflansch oder Lagerschild, des Elektromotors ausgebildet ist. Insbesondere weist die Sensoreinrichtung mindestens einen Teilabschnitt auf, welcher nach dem Einbau der Sensoreinrichtung in den Elektromotor zugänglich ist. Dieser zugängliche Teilabschnitt kann zum einen zur Verkabelung der Sensoreinrichtung genutzt werden. Zum anderen ist es möglich, dass der zugängliche Teilabschnitt eine mechanische Schnittstelle zur Reparatur und sogar zum Austausch der Sensoreinrichtung, insbesondere Teilen der Sensoreinrichtung bildet. Damit ist die Sensoreinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik wartungs- und reparaturfreundlicher ausgebildet. Durch die relative Bewegbarkeit wird sichergestellt, dass Toleranzen zwischen dem Flansch und dem Stator überbrückt werden können oder bei einem Austausch von Teilen der Sensoreinrichtung wieder eine korrekte Messposition eingestellt werden kann. durch das Zusammenwirken der besseren Zugänglichkeit, der Wartungs- und reparaturgerechten Ausbildung und/oder dem betriebssicheren Verhalten werden die Betriebseigenschaften insgesamt verbessert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine erste Federeinrichtung zur Beaufschlagung einer Vorspannkraft auf den Bodenabschnitt in der Erfassungsrichtung auf. Somit ist der Bodenabschnitt in der Erfassungsrichtung durch die Vorspannkraft elastisch vorgespannt, sodass dieser aufgrund der Vorspannkraft in Richtung des Stators verfahren wird und sich dadurch an dem Stator selbsttätig und damit zuverlässig anlegt. Die erste Federeinrichtung wirkt zwischen dem Basisabschnitt und dem Bodenabschnitt. Somit spreizt die erste Federeinrichtung den Boden relativ zu der Verankerung des Basisabschnitts, also zum Beispiel relativ zu dem Motorgehäuse des Elektromotors. In dieser Ausgestaltung tritt neben der vereinfachten und toleranzkompensierenden Erstmontage noch der Vorteil hinzu, dass auch über die Lebensdauer des Elektromotors ein körperlicher Kontakt zwischen dem Boden und dem Stator, insbesondere der Statorwicklung, im Speziellen dem Wicklungskopf, erhalten bleibt, indem der Bodenabschnitt vorgespannt anliegt. Somit wird die sichere Temperaturbestimmung nicht nur zu Beginn der Lebensdauer des Elektromotors erreicht, sondern über die gesamte Lebensdauer sichergestellt, da der Bodenabschnitt gegebenenfalls durch die erste Federeinrichtung elastisch nachgeführt wird.
Es ist prinzipiell möglich, dass der Sensor mit dem Bodenabschnitt derart verbunden ist, dass dieser durch den Bodenabschnitt mitgezogen oder mitgeführt wird, wenn der Bodenabschnitt durch die erste Federeinrichtung in der Erfassungsrichtung verschoben wird. Alternativ oder ergänzend weist die Sensoreinrichtung eine zweite Federeinrichtung zur Beaufschlagung einer zweiten Vorspannkraft auf den Sensor in der Erfassungsrichtung auf, wobei die zweite Federeinrichtung zwischen dem Basisabschnitt und dem Sensor wirkt. Durch die zweite Federeinrichtung wird der Sensor elastisch in der Erfassungsrichtung nachgeführt. Es können dabei zwei Varianten unterschieden werden: Bei der ersten Variante weist die Sensoreinrichtung die erste und die zweite Federeinrichtung auf, wobei die erste Federeinrichtung den Bodenabschnitt in Erfassungsrichtung vorspannt und die zweite Federeinrichtung den Sensor in Erfassungsrichtung nachführt. Bei einer zweiten Alternative weist die Sensoreinrichtung nur die zweite Federeinrichtung auf, wobei die zweite Federeinrichtung den Sensor in der Erfassungsrichtung vorspannt, wobei der Sensor gegen den Boden drückt und dadurch den Bodenabschnitt in der Erfassungsrichtung mitführt. Bei beiden Varianten ist jedoch sichergestellt, dass sowohl der körperliche und damit wärmeleitende Kontakt zwischen Stator und Bodenabschnitt sowie der körperliche und damit wärmeleitende Kontakt zwischen Boden und Sensor auch dauerhaft sichergestellt ist.
Bei einer möglichen Weiterbildung oder Alternative der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine dritte Federeinrichtung zur Beaufschlagung einer Vorspannkraft auf den Bodenabschnitt, insbesondere auf den Boden, auf, wobei die dritte Federeinrichtung zwischen dem Sensor und dem Bodenabschnitt wirkt und als eine wärmeleitende Verbindung ausgebildet ist. Die dritte Federeinrichtung ist damit so realisiert, dass sie spreizend zwischen dem Boden und dem Sensor angeordnet ist und zugleich als eine wärmeleitende Verbindung ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die dritte Federeinrichtung längenveränderbar ausgebildet. Beispielsweise kann die dritte Federeinrichtung als eine Metallfeder, insbesondere als eine Spiraldruckfeder aus Metall, ausgebildet sein, wobei die Federwirkung durch die Druckfeder sichergestellt wird und die wärmeleitende Verbindung durch die Ausgestaltung aus Metall und den körperlichen und damit wärmeleitenden Kontakt zwischen der Metallfeder und dem Boden einerseits und der Metallfeder und dem Sensor andererseits erreicht wird. Die dritte Federeinrichtung kann in Kombination mit der ersten Federeinrichtung oder sogar allein ohne die erste und die zweite Federeinrichtung umgesetzt werden.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist der Basisabschnitt einen Buchsenteilabschnitt und einen Steckerteilabschnitt auf, welche vorzugsweise lösbar miteinander verbindbar und/oder verbunden sind. Der Buchsenteilabschnitt wird in oder an dem Elektromotor befestigt oder integriert und/oder an diesem befestigt. Besonders bevorzugt ist der Basisabschnitt, insbesondere der Buchsenteilabschnitt und der Steckerteilabschnitt, gegebenenfalls jeweils als ein Kunststoffteil, insbesondere als ein Kunststoffspritzgussteil, ausgebildet. Der Steckerteilabschnitt kann dagegen demontiert werden und stellt somit einen frei zugänglichen Teilabschnitt der Sensoreinrichtung dar.
Der Buchsenteilabschnitt weist vorzugsweise ausgestaltet einen ersten Aufnahmeraum zur Aufnahme des Bodenabschnitts und einen zweiten Aufnahmeraum zur Aufnahme des Steckerteilabschnitts auf. Die Aufnahmeräume sind jeweils vorzugsweise so gestaltet, dass diese den Bodenabschnitt beziehungsweise den Steckerteilabschnitt nur teilweise oder abschnittsweise aufnehmen.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem ersten Aufnahmeraum und dem zweiten Aufnahmeraum eine Zwischenwand mit einer Durchlassöffnung für den Sensor angeordnet. Die erste Federeinrichtung ist bevorzugt als ein elastischer ringförmiger Körper oder als eine Druckfedereinrichtung ausgebildet, welche sich an dem Bodenabschnitt und an der Zwischenwand abstützt. Ein ringförmiger Körper aus einem temperaturstabilen Elastomerwerkstoff als eine weitere Alternative gewährleistet in dem Bauteil neben dem Toleranzausgleich und der Andrückkraft in Erfassungsrichtung auch die Abdichtung des Sensorinnenraums.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der Bodenabschnitt als ein Tasthülsenabschnitt ausgebildet, wobei der Tasthülsenabschnitt in der Erfassungsrichtung relativ zu dem Basisabschnitt verschiebbar gelagert ist. Insbesondere sind Bodenabschnitt, im Speziellen ausgebildet als der Tasthülsenabschnitt, und der Basisabschnitt teleskopartig ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass der Bodenabschnitt in dem Basisabschnitt, insbesondere in dem ersten Aufnahmeraum, angeordnet sind. Zwischen dem Bodenabschnitt und dem Basisabschnitt kann eine, insbesondere umlaufende, Dichtungseinrichtung ausgebildet sein, welche verhindert, dass Stoffe aus dem Elektromotor, insbesondere Öl aus dem laufenden Betrieb oder Vergussmasse bei der Erstmontage, in den ersten Aufnahmeraum eindringen können.
In der Ausgestaltung als Tasthülsenabschnitt ist es bevorzugt, dass der Tasthülsenabschnitt den Boden und eine Hülse umfasst. Es ist bevorzugt, dass der Wärmewiderstand – zum Beispiel ausgedrückt in W/K – des Bodens kleiner als der Wärmewiderstand der Hülse ausgebildet ist. Somit wird die Temperatur im Innenraum des Tasthülsenabschnitts durch die Außentemperatur im Bereich des Bodens, insbesondere durch die Temperatur des Stators, der Statorwicklung beziehungsweise des Wicklungskopfs, dominiert, wohingegen die Temperatur benachbart zu der Hülse einen deutlich geringeren Einfluss auf die Innentemperatur des Tasthülsenabschnitts hat. Es ist dabei eine weiterführende Überlegung der Erfindung, dass eine hohe Genauigkeit der Messung der Temperatur der Statorwicklung bzw. des Wicklungskopfs für eine effektive Ansteuerung des Elektromotors vorteilhaft ist. Die Weiterführung greift an der physikalischen Messung der Temperatur an und verbessert diese dadurch, dass die Sensoreinrichtung, insbesondere der Tasthülsenabschnitt, konstruktiv so ausgebildet ist, dass die an dem Sensor anliegende Temperatur zum einen durch die Temperatur der Statorwicklung bestimmt ist, indem Störtemperatureinflüsse durch die Hülse verringert werden und zudem ein schneller Temperaturübergang von der Statorwicklung zu dem Sensor erreicht wird, indem der Boden benachbart, insbesondere körperlich kontaktierend, zu der Statorwicklung angeordnet ist. Besonders bevorzugt sind der Boden und die Hülse aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus unterschiedlichen Materialverbünden, gefertigt. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Boden mehrschichtig ausgebildet ist. Als bevorzugte Werte für eine Wärmeleitfähigkeit der Hülsen werden Werte kleiner als 0,5 W/mK, insbesondere kleiner als 0,2 W/mK angenommen. Die Wanddicke der Hülse beträgt vorzugsweise mehr als 0,5 Millimeter, insbesondere mehr als 1 Millimeter. In einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung weist die Hülse einen freien Innendurchmesser von 3 Millimeter und einen Außendurchmesser von 5 Millimetern auf. Für die Wärmeleitfähigkeit des Bodens wird dagegen bevorzugt ein Wert größer als 1 W/mK, vorzugsweise größer als 5 W/mK angenommen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke des Bodens kleiner als 0,8 Millimeter, vorzugsweise kleiner als 0,5 Millimeter und insbesondere kleiner als 0,2 Millimeter ausgeführt. In dieser oder anderen beispielhaften Konstellationen ist der Wärmewiderstand der Hülse vorzugsweise mindestens fünf Mal so groß, vorzugsweise mindestens zehn Mal so groß wie der Wärmewiderstand des Bodens ausgeführt.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist der Boden eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung auf, wobei die Isolationsschicht benachbart, vorzugsweise unmittelbar benachbart zu der Statorwicklung angeordnet ist, im Speziellen in einem körperlichen Kontakt mit der Statorwicklung steht. Es kann vorgesehen sein, dass an der Statorwicklung Spannungen größer als 300 Volt anliegen, dagegen ist es bevorzugt, dass die Spannungen kleiner als 1000 Volt sind. Durch diese Spannungen wird eine elektrische Isolierung zwischen dem Sensor und der Statorwicklung notwendig, wobei diese elektrische Isolierung durch die Isolationsschicht realisiert ist.
In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsschicht elastisch ausgebildet. Insbesondere ist die Isolationsschicht elastisch verformbar. Bei einer bevorzugten Realisierung ist die elektrische Isolationsschicht als eine Kunststoffmatrix mit Keramikkörpern als Füllstoff ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmatrix durch ein Silikon gebildet.
Alternativ oder ergänzend ist die Isolationsschicht als eine Silikonfolie mit eingelagerten Keramikkörpern, insbesondere als eine sogenannte Sil-Pad, ausgebildet, welche aus der Leistungselektronik hinreichend bekannt sind. Es handelt sich dabei um Folienmaterial, welches als Kunststoffmatrix Silikon aufweist, in das Keramikkörper zur Isolation, wie zum Beispiel AIN, BrN oder AlxOy eingelagert sind.
Eine derartige Folie hat zum einen den Vorteil, dass eine hohe elektrische Isolationswirkung gegeben ist und auf der anderen Seite den Vorteil, dass diese elastisch verformbar ist, sodass diese sich an die Oberfläche der Statorwicklung anformen kann. Insbesondere wird die Oberfläche der Statorwicklung in die Isolationsschicht elastisch eingedrückt. Dabei gibt die Isolationsschicht um mindestens 0,05 Millimeter, vorzugsweise um mindestens 0,1 Millimeter nach. Als Füllstoff können auch Fiberglasteilchen verwendet werden. Bei einer Weiterbildung ist es besonders bevorzugt, dass die Isolationsschicht als eine Klebefolie ausgebildet ist, welche bei der Montage in einfacher Weise auf die Hülse aufgeklebt werden kann, um die Montage zu vereinfachen.
Eine vorteilhaften Ausgestaltung sieht vor, dass die Hülse einen vorzugsweise vollständig umlaufenden Randabschnitt des Bodens an der Statorwicklung fixiert und/oder aufdrückt. Die Montage der Sensoreinrichtung beziehungsweise der Sensorumhüllung wird dadurch wesentlich vereinfacht. Besonders bevorzugt wird der Boden, insbesondere die Isolationsschicht, auf ein freies Ende der Hülse aufgeklebt so dass eine Vorbaugruppe gebildet ist. Nachfolgend wird diese Vorbaugruppe mit dem Boden auf die Sensorwicklung gedrückt. Dadurch, dass die Hülse den Randabschnitt des Bodens fixiert, wird auch der Flächenanteil des Bodens, welcher deckungsgleich mit einer Öffnung der Hülse angeordnet ist, auf die Statorwicklung aufgespannt und dadurch angedrückt. Somit wird bei einfacher Montage eine sehr gute Wärmekopplung zwischen Boden und Statorwicklung erreicht.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist der Boden einen metallischen Stützkörper auf, wobei der metallische Stützkörper durch die Isolationsschicht von der Statorwicklung isoliert ist. Es kann zum einen vorgesehen sein, dass der Stützkörper in der Isolationsschicht beidseitig eingebettet ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Boden eine Schichtenfolge aufweist, wobei zunächst die Isolationsschicht und nachfolgend der Stützkörper als weitere Schicht angeordnet ist. Der Stützkörper weist beispielsweise einen Plattenabschnitt auf, welcher parallel zu der Isolationsschicht ausgerichtet ist. Durch den Stützkörper kann erreicht werden, dass auch der Flächenanteil der Isolationsschicht, welcher deckungsgleich zu der Öffnung der Hülse ist, besser auf die Statorwicklung angedrückt werden kann. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass der Stützkörper Fixiereinrichtungen, wie zum Beispiel Fixierarme aufweist, welche sich an der Hülse abstützen können, um den Anpressdruck auf die Statorwicklung zu verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine Wärmeleiteinrichtung auf, wobei der Sensor über die Wärmeleiteinrichtung mit dem Boden wärmeleitend verbunden ist. Für die Umsetzung der Wärmeleiteinrichtung können verschiedene Alternativen gewählt werden:
In der einfachsten Ausgestaltung besteht der Boden ausschließlich aus der Isolationsschicht. Da diese bevorzugt elastisch ist, kann der Sensor in die Isolationsschicht eingedrückt werden, sodass diese die Wärmeleiteinrichtung bildet.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärmeleiteinrichtung als eine wärmeleitende, formlose Masse, insbesondere als eine Wärmeleitpaste insbesondere mit elektrisch leitenden Füllstoffen aus Metallen oder Graphit ausgebildet sein, welche in die Sensorumhüllung eingebracht wird und zum einen den Boden, insbesondere die Isolationsschicht, und zum anderen den Sensor kontaktiert. Insbesondere kann der Sensor in der Wärmeleiteinrichtung eingebettet sein. Eine derartige formlose Wärmeleiteinrichtung kann auch auf den Stützkörper aufgebracht werden.
Bei einer weiteren Alternative der Erfindung ist die Wärmeleiteinrichtung als eine mechanische, insbesondere als eine metallische Wärmeleiteinrichtung ausgebildet. Beispielsweise ist die Wärmeleiteinrichtung als die dritte Federeinrichtung ausgebildet, welche sich zum einen an dem Boden und zum anderen an dem Sensor abstützt, sodass zum einen der Boden gegen die Statorwicklung gedrückt wird und zum anderen die Wärmeleiteinrichtung gegen den Sensor gedrückt wird, um einen optimalen Wärmeübergang zu erreichen.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist der Sensor an seinem freien Ende eine Glasperle auf, in der ein Temperaturelement des Sensors integriert oder eingebettet ist. Mit dieser Glasperle wird der Sensor in die Isolationsschicht gedrückt, in die Wärmeleiteinrichtung eingebettet oder auf die Wärmeleiteinrichtung gedrückt.
Das Material der Hülse besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem hochtemperaturfesten Kunststoff, im Speziellen ohne Füllstoffe, wie zum Beispiel PA66, PPS, PEEK und kann beispielsweise durch Extrudieren kostengünstig als hohlzylindrisches Rohr endlos hergestellt und nach Bedarf abgelängt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Federeinrichtung auf die Hülse wirkt und über die Hülse den Boden an die Statorwicklung, insbesondere an den Wicklungskopf andrückt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Elektromotor mit der Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Der Elektromotor umfasst ein Motorgehäuse, welches eine äußere Behausung des Elektromotors bildet. Insbesondere weist das Motorgehäuse mechanische Schnittstellen zur Ankopplung an eine Umgebungskonstruktion, insbesondere an das Fahrzeug, auf. In dem Motorgehäuse ist der Stator angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Elektromotor als ein Innenläufer ausgebildet, wobei der Stator einen Rotor des Elektromotors koaxial und konzentrisch umgibt. Der Stator und/oder der Rotor definieren mit der Motorachse eine Hauptachse des Elektromotors. Der Stator weist die Statorwicklung, insbesondere in Form von mehreren gewickelten Spulen, auf, wobei sich diese beispielsweise entlang der Hauptachse des Elektromotors erstreckt und an den freien Enden Spulenköpfe oder Wicklungsköpfe aufweist. Diese nachfolgend einheitlich als Wicklungskopf oder Wicklungsköpfe bezeichneten Bereiche der Statorwicklung bilden Wendepunkte bei der Statorwicklung, wobei Leitungen, welche zunächst in eine axiale Richtung in Bezug auf die Hauptachse entlang des Stators laufen, in die Gegenrichtung umgeleitet werden. Ferner weist der Stator bevorzugt ein Blechpaket auf, welches besonders bevorzugt als eine Vielzahl von Lamellenblechen ausgebildet ist. Die Trennebenen der Lamellenbleche sind senkrecht zu der Längserstreckung der Hauptachse und/oder der Motorachse. Die Statorwicklung ist besonders bevorzugt in einem Spulenkörper aufgenommen, welcher eine elektrische Isolierung zwischen der Statorwicklung und dem Blechpaket bildet. Ferner bildet der Spulenkörper eine Wicklungshilfe bei der Wicklung der Statorwicklung. Die Wicklungsköpfe befinden sich in einer ringförmigen Anordnung koaxial zu der Hauptachse oder zu der Motorachse an jeweils einem Ende des Stators und liegen bevorzugt getrennt durch den Spulenkörper auf einer axialen Stirnseite des Blechpakets des Stators auf. Die Sensoreinrichtung ist zumindest abschnittsweise innerhalb des Motorgehäuses, insbesondere nahe am Stator, angeordnet. Insbesondere misst die Sensoreinrichtung die Temperatur der Statorwicklung oder die Temperatur im Bereich der Statorwicklung. Besonders bevorzugt liegt die Sensoreinrichtung mit dem Boden auf der Statorwicklung, insbesondere auf dem Wicklungskopf kontaktierend auf.
Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist ein Innenraum zwischen dem Motorgehäuse und der Statorwicklung mit einer Vergussmasse aufgefüllt, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass die Vergussmasse als eine wärmeleitende Vergussmasse ausgebildet ist. Beispielsweise ist in der Vergussmasse ein Füllstoff angeordnet oder eingebettet, welcher den Wärmetransport unterstützt. Der Grundgedanke einer derartigen Vergussmasse ist es, dass die an der Statorwicklung auftretende Temperatur besonders einfach von der Statorwicklung zu dem Motorgehäuse übertragen werden kann.
Das Motorgehäuse kann ein Topfgehäuse umfassen, wobei das Topfgehäuse koaxial zu der Hauptachse angeordnet ist. Bevorzugt ist das Topfgehäuse einteilig ausgebildet. Alternativ ist das Topfgehäuse als eine Baugruppe mit einem vorzugsweise hohlzylindrischen Kühlmantel und einem auf dem Kühlmantel aufgesetzten in einer Radialebene zu der Hauptachse verlaufenden Flansch ausgebildet. Der Innenraum befindet sich auch in einem Randbereich zwischen Kühlmantel und Flansch. Durch die Vergussmasse wird erreicht, dass die Vergussmasse spaltfrei sowohl an der Statorwicklung als auch an dem Flansch und/oder dem Kühlmantel und/oder dem Motorgehäuse anliegt.
Prinzipiell wäre es möglich, bei dem Gussvorgang einen Platzhalter für die Sensoreinrichtung vorzusehen und diese nachfolgend zu montieren. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass das Sensorgehäuse in der Vergussmasse eingebettet ist. Insbesondere wird das Sensorgehäuse zunächst montiert und nachfolgend die Vergussmasse eingefüllt. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Sensorgehäuse durch die Vergussmasse fixiert, insbesondere stoffschlüssig gesichert ist. Zudem kann durch die Vergussmasse optional ergänzend eine Aufnahmeöffnung in dem Motorgehäuse, insbesondere in dem Topfgehäuse, im Speziellen in dem Flansch, mit dem Sensorgehäuse beim Einfüllen der Vergussmasse abgedichtet werden.
Dadurch, dass die Sensoreinrichtung bei einer bevorzugten Ausgestaltung den Steckerteilabschnitt aufweist, welcher lösbar oder nachträglich montierbar ausgebildet ist, – kann zunächst der Buchsenteilabschnitt mit dem Bodenabschnitt ggf. mit der ersten Federeinrichtung bei der Montage eingesetzt und vergossen werden. In einem nachfolgenden Schritt kann der eigentliche Sensor mit dem Steckerteilabschnitt nachträglich eingesetzt werden oder bei Bedarf ausgetauscht werden. Damit ergeben sich besonders wertvolle Vorteile, wenn der Buchsenteilabschnitt mit dem Bodenabschnitt bereits bei der Fertigung stoffschlüssig in dem Motorgehäuse durch die Vergussmasse befestigt wird hinsichtlich der Montierbarkeit und/oder der Reparaturfreundlichkeit der Sensoreinrichtung.
Ein möglicher weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem Elektromotor, wobei der Elektromotor zur Erzeugung des Antriebsdrehmoments für das Fahrzeug realisiert ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Elektromotors als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 in gleicher Schnittansicht eine vergrößerte Darstellung der Sensoreinrichtung in dem Elektromotor aus der 1;
3 die Sensoreinrichtung in der 2 in einem getrennten Zustand;
4a, b, c eine Illustration zur Montage der Sensoreinrichtung in einer schematischen Längsschnittdarstellung;
5 eine schematische Illustration zur Herstellung und zum Aufbau des Metallfederelements in der Sensoreinrichtung;
6 in gleicher Darstellung wie die 5 eine alternative Ausgestaltung des Metallfederelements in der 5.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Längsschnittdarstellung eines Elektromotors 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 1 dient zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für ein Fahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen. Der Elektromotor 1 weist ein Motorgehäuse 2 auf, von dem in der Längsschnittdarstellung nur ein Teilabschnitt dargestellt ist. Der dargestellte Abschnitt ist als ein Topfgehäuse ausgebildet und umfasst einen Kühlmantel 3, welcher eine gerade hohlzylindrische Form einnimmt, und einen Flansch 4, welcher an einem Ende des Kühlmantels 3 angeordnet und mit diesem einstückig verbunden ist. Der Flansch 4 bildet insbesondere ein Lagerschild des Elektromotors 1. Der Kühlmantel 3 kann bei manchen Ausführungsformen mit Kühlkanälen für eine Wasserkühlung versehen sein, so dass der Flansch 4 über den Kühlmantel 3 gekühlt ist. Kühlmantel 3 und Flansch 4 können alternativ z.B. miteinander verschraubt sein,
In dem Motorgehäuse 2 ist ein Stator 5 angeordnet, welcher in seiner Gesamtheit einen geraden Hohlzylinder bildet. In dem Stator 5, insbesondere innerhalb des Hohlzylinders, ist ein Rotor angeordnet, der in der 1 jedoch zeichnerisch nicht dargestellt ist. Der Stator 5, der nicht dargestellte Rotor bzw. auch das Motorgehäuse 2 definieren eine Hauptachse H, welche der Motorachse und/oder der Rotationsachse des Stators 5 entspricht.
Der Stator 5 weist ein Blechpaket 6 auf, welches aus einer Vielzahl von Blechlamellen aufgebaut ist, wobei die Blechlamellen in der Flächenerstreckung gleichgerichtet zu Radialebenen zu der Hauptachse H sind. In der 1 ist auf einer axialen Stirnseite des Blechpakets 6 ein Spulenkörper 7 angeordnet, in dem schematisiert dargestellt Wicklungen einer Statorwicklung 8 angeordnet sind. In dem axialen Endbereich des Stators 5 wird die Statorwicklung 8 auch als Wicklungskopf 9 bezeichnet. Die Wicklungen der Statorwicklung 8 erstrecken sich im Blechpaket entlang der Hauptachse H und werden im Bereich des Wicklungskopfs 9 in der Richtung umgelenkt, sodass diese in tangentialer Richtung zu der Hauptachse H hin und her laufen. Der Spulenkörper 7 ist z.B. aus Kunststoff ausgebildet und hat zum einen die Aufgabe, die Statorwicklung 8, insbesondere den Wicklungskopf 9, von dem Blechpaket 6 elektrisch zu isolieren und zum zweiten, eine Wicklungshilfe und Aufnahme für die Wicklungen zu bilden. Der Spulenkörper 7 weist einen in axialer Richtung geöffneten Aufnahmeraum 10 auf, welcher in seiner Gesamtheit als ein Ringraum ausgebildet ist und in dem der Wicklungskopf 9 angeordnet ist.
In einem Innenraum 11 des Motorgehäuses 2, welcher sich in axialer Erstreckung zwischen dem Flansch 4 und der axialen Stirnseite des Blechpakets 6 und in radialer Richtung zwischen dem Kühlmantel 3 und einer Zylindermantelgrenze 12 erstreckt, ist eine Vergussmasse 13 eingebracht. Die Vergussmasse 13 liegt spaltfrei und kontaktierend an dem Kühlmantel 3, an dem Flansch 4 sowie an der Statorwicklung 8 und damit an dem Wicklungskopf 9 an. In die Vergussmasse 13 sind wärmeleitende Partikel eingebracht, sodass diese als eine wärmeleitende Vergussmasse 13 ausgebildet ist. Die Aufgabe der Vergussmasse 13 ist es, Wärme von der Statorwicklung 8, insbesondere von dem Wicklungskopf 9, zu dem metallischen Flansch 4 bzw. zu dem Kühlmantel 3 zu leiten und dadurch den Wicklungskopf 9 zu kühlen. Bei der Fertigung des Elektromotors 1 wird zunächst der Stator 5 in das topfförmigen Gehäuse bestehend aus Kühlmantel 3 und Flansch 4 montiert und nachfolgend die Vergussmasse 13 eingebracht, sodass der Stator 5 bereits in seiner Endposition ist und nachfolgend eingegossen oder vergossen wird.
Im Betrieb des Elektromotors 1 wird Abwärme generiert, wobei die Abwärme insbesondere in dem Wicklungskopf 9 entsteht. Zur Messung der Temperatur an dem Wicklungskopf 9 umfasst der Elektromotor 1 eine Sensoreinrichtung 14. Die Sensoreinrichtung 14 ist in einer Aufnahmeöffnung 15, welche beispielsweise als eine Bohrung ausgebildet sein kann, in dem Flansch 4 angeordnet und/oder durchgreift diesen. Die Sensoreinrichtung 14 ist mit einer Erfassungsrichtung 16 parallel zu der Hauptachse H ausgerichtet. Mit einem freien Ende der Sensoreinrichtung 14 kontaktiert die Sensoreinrichtung 14 die Statorwicklung 8, insbesondere den Wicklungskopf 9, in der Erfassungsrichtung 16.
In der 2 ist die Sensoreinrichtung 14 in der gleichen Längsschnittdarstellung vergrößert dargestellt. Die Sensoreinrichtung 14 weist ein Sensorgehäuse 17 auf, in der ein Sensor 18 angeordnet ist. Das Sensorgehäuse 17 kann in einen Basisabschnitt 20 und in einen Bodenabschnitt 19 unterteilt werden. Der Basisabschnitt 20 teilt sich auf in einen Steckerteilabschnitt 21 und in einen Buchsenteilabschnitt 22. Der Steckerteilabschnitt 21 und der Buchsenteilabschnitt 22 sind jeweils als Kunststoffbauteile, insbesondere Spritzgusskunststoffbauteile ausgebildet. Wie sich insbesondere aus der 3 ergibt, die die Sensoreinrichtung 14 in gleicher Darstellung, jedoch teildemontiert zeigt, sind der Steckerteilabschnitt 21 und der Buchsenteilabschnitt 22 zueinander lösbar und/oder verbindbar ausgebildet.
Der Basisabschnitt 20 ist abschnittsweise in den Flansch 4 eingesteckt und mit diesem z.B. stoffschlüssig über die Vergussmasse 13 verbunden. So weist der Basisabschnitt 20, insbesondere der Buchsenteilabschnitt 22, einen Einsteckbereich, der über die Aufnahmeöffnung 15 bis in den Innenraum 11 ragt sowie einen Auflagebereich auf, der auf dem Flansch 4 oder wie in der 1 gezeigt in einer Aufnahmevertiefung des Flansches 4 liegt.
Der Bodenabschnitt 19 ist an dem freien Ende des Basisabschnitts 20, insbesondere des Buchsenteilabschnitts 22, in dem Basisabschnitt 20, insbesondere in dem Buchsenteilabschnitt 22, in der Erfassungsrichtung 16 verschiebbar aufgenommen, so dass eine axiale Länge der Sensoreinrichtung 14 in der Erfassungsrichtung 16 durch das Verschieben des Bodenabschnitts 19 relativ zu dem Basisabschnitt 20 und damit zu dem Flansch 4 oder zu dem Motorgehäuse 2 ermöglicht wird. Der Bodenabschnitt 19 weist einen Boden 23 auf, welcher einen endseitigen Abschluss des Bodenabschnitts 19 bildet und welcher in einer Radialebene zu der Hauptachse H und/oder in einer Ebene senkrecht zu der Erfassungsrichtung 16 liegt. Der Boden 23 ist mit seiner Außenfläche oder Anlagefläche unmittelbar kontaktierend auf der Statorwicklung 8, insbesondere auf dem Wicklungskopf 9 aufgesetzt. Dadurch ist der Boden 23 ideal oder zumindest bestmöglich mit der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9 thermisch gekoppelt. Ferner weist der Bodenabschnitt 19 eine Hülse 26 auf, welche sich in der Erfassungsrichtung 16 erstreckt und endseitig durch den Boden 23 abgeschlossen ist.
Der Sensor 18 weist ein Sensorelement 24 auf, wobei das Sensorelement 24 beispielsweise als ein NTC-Element ausgebildet ist. Das Sensorelement 24 ist in einer Glasperle 28 angeordnet. Es kann jedoch auch ungeschützt oder mit einer anderen Ummantelung vorliegen. Der Sensor 18 umfasst ein Sensorkabel 29 zur Signalübertragung, welches eine oder mehrere Adern 30 aufweist, welche mit einem Isoliermantel 31 umgeben und elektrisch isoliert sind. An einem freien Ende des Sensorkabels 29 ist die Ader 30 abisoliert und verläuft frei bis zum Sensorelement 24 in der Glasperle 28. Zur mechanischen Stabilisierung befindet sich zwischen dem freien Ende des Isoliermantels 31 und der Glasperle 28 ein Schrumpfschlauch 32, der die Glasperle 28 hält und gegenüber dem Isoliermantel 31 mechanisch abstützt.
Das Sensorelement 24 ist in dem Bodenabschnitt 19 angeordnet und z.B. in eine Wärmeleiteinrichtung 25 eingebettet. Die Wärmeleiteinrichtung 25, welche beispielsweise als eine wärmeleitende Masse oder Paste ausgebildet sein kann, liegt mit der einen Seite unmittelbar kontaktierend an dem Boden 23 an, mit der anderen Seite umhüllt die Wärmeleiteinrichtung 25 das Sensorelement 24, sodass ein sehr guter Wärmeübergang zwischen der Statorwicklung 8, insbesondere dem Wicklungskopf 9 und dem Sensorelement 24 gebildet ist.
Die Hülse 26 ist als ein rohrförmiger Abschnitt ausgebildet und wird beispielsweise aus einem Kunststoff als Endlosmaterial gefertigt. Der Boden 23 und die Hülse 26 sind aus unterschiedlichem Material oder Materialverbünden gefertigt. Es ist dabei vorgesehen, dass ein Wärmewiderstand des Bodens 23 zu dem Sensorelement 24 deutlich kleiner als der Wärmewiderstand durch die Hülse 26 ist. Hierzu wird für den Boden 23 ein Material oder Materialverbund gewählt, welcher eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Material oder der Materialverbund der Hülse 26. Die Ankopplung hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit zwischen Boden 23 und Sensorelement 24 wird durch die Wärmeleiteinrichtung 25 optimiert.
Hintergrund dieser Ausgestaltung ist es, dass für Regel- und Steuerungsprozesse des Elektromotors 1 die aktuelle Temperatur an der Statorwicklung 8, insbesondere an dem Wicklungskopf 9 relevant ist. Die Vergussmasse 13 oder ein Kühlöl im Innenraum 11 kann dagegen die Messung dieser Temperatur beeinträchtigen, da aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Vergussmasse 13 oder des Kühlöls die Temperatur mit wachsendem Abstand zu der Statorwicklung 8 bzw. zu dem Wicklungskopf 9 stark abfällt. Gleiches gilt für den Flansch 4, welcher aus Metall gefertigt ist und über den Kühlmantel 3 sehr gut gekühlt werden kann. Durch die Auswahl des Bodens 23 mit einem sehr geringen Wärmewiderstand und der Hülse 26 mit einem deutlich höheren Wärmewiderstand wird erreicht, dass durch das Sensorelement 24 maßgeblich die Temperatur der Statorwicklung 8, insbesondere des Wicklungskopfes 9 gemessen wird und Störeinflüsse aufgrund der Vergussmasse 13 und/oder des Flansches 4 unterdrückt werden. Somit ist die Temperaturmessung schneller und genauer als bei anderen Ausgestaltungen der Sensoreinrichtung 14.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass über die Statorwicklung 8 Spannungen zwischen 350 und 450 Volt geleitet werden. Somit müssen der Sensor 18, insbesondere das Sensorelement 24, elektrisch isoliert von der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9 werden. Der Boden 23 weist mindestens eine Isolationsschicht 27 auf. In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Isolationsschicht 27 die äußerste Lage des Bodens 23. Die Isolationsschicht 27 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ein Folienmaterial ausgebildet, welches aus einem Silikonmaterial besteht und in dem Keramikkörper oder -partikel eingebettet sind. Derartige Stoffverbünde sind unter dem Namen Sil-Pad bekannt und werden in der Leitungselektronik eingesetzt, um einerseits eine thermische Anbindung und andererseits eine elektrische Isolierung zu erreichen.
Die Isolationsschicht 27 ist elastisch ausgebildet, sodass diese sich bei einem Aufdrücken des Bodenabschnitts 20 auf die Statorwicklung 8 bzw. auf den Wicklungskopf 9 elastisch verformt, wie dies schematisiert in der Abfolge in den 4a, b, c dargestellt ist. In diesen Figuren ist der Bodenabschnitt 19 mit der Hülse 26 und dem Boden 23 ausgebildet als die Isolationsschicht 27 dargestellt.
In der 4a ist der Bodenabschnitt 19 beabstandet zu der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9. In der 4b ist der Bodenabschnitt 19 auf die Statorwicklung 8, insbesondere auf den Wicklungskopf 9 aufgedrückt. Es ist zu erkennen, dass der Boden 23 bzw. die Isolationsschicht 27 verformt, insbesondere elastisch verformt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders gute thermische Ankopplung des Bodens 23 bzw. der Isolationsschicht 27 an die Statorwicklung 8 bzw. den Wicklungskopf 9.
Bei der Fertigung oder bei der Montage des Elektromotors 1 wird zumindest der Basisabschnitt 20, insbesondere der Buchsenteilabschnitt 22, mit dem Bodenabschnitt 19 montiert, bevor die Vergussmasse 13 eingefüllt wird. Somit wird in einem ersten Schritt der Basisabschnitt 20 in die Aufnahmeöffnung 15 eingeführt und derart angeordnet, dass der Boden 23 auf der Statorwicklung 8, insbesondere dem Wicklungskopf 9 anliegt und elastisch verformt wird, wie dies in der 4b gezeigt ist. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die Vergussmasse 13 eingefüllt. Durch die Vergussmasse 13 wird der Basisabschnitt 20, insbesondere der Buchsenteilabschnitt 22 stoffschlüssig fixiert. Ferner kann durch den Buchsenteilabschnitt 22 beim Einfüllen der Vergussmasse 13 die Aufnahmeöffnung 15 abgedichtet werden. Alternativ hierzu kann der Basisabschnitt 20, insbesondere der Buchsenteilabschnitt 22, in die Aufnahmeöffnung 15 eingeklebt werden und dadurch zum einen abgedichtet und zum anderen vorfixiert werden.
Die 4c zeigt den Sensor 18 in einer Vergrößerung, wobei zu erkennen ist, dass das Sensorelement 24 in einer Umhüllung, insbesondere in der Glasperle 28, angeordnet ist, wobei der Sensor 18 derart unter Vorspannung in dem Bodenabschnitt 19 montiert wird, dass die Glasperle 28 in den Boden 23 eingedrückt wird. Durch die elastische Verformung des Bodens 23 wird die Kontaktfläche zwischen dem Boden 23 und der Glasperle 28 vergrößert, so dass die thermische Anbindung verbessert ist. Diese Ausgestaltung wird insbesondere verwendet, wenn der Boden 23 ausschließlich durch die Isolationsschicht 27 gebildet wird.
Um ein Anpressen des Bodens 23 auf die Statorwicklung 8 und insbesondere auf den Wicklungskopf 9 zu verbessern, drückt die Hülse 26 auf einen Randbereich des Bodens 23. Damit wird der Boden 23 in dem Randbereich unmittelbar durch die Hülse 26 aufgedrückt. Der mittlere Bereich des Bodens 23 wird mittelbar durch die Hülse 26 aufgedrückt. Optional ergänzend kann in dem Boden 23 eine Verstärkung, insbesondere ein Stützkörper (in den 4a, b, c nicht dargestellt), wie z.B. einen Metallscheibe, eingearbeitet sein, um das Anpressen auf die Statorwicklung 8, insbesondere auf den Wicklungskopf 9 zu verbessern. Ferner kann die Anpressung des mittleren Bereichs des Bodens 23 durch den Sensor 18 umgesetzt oder zumindest unterstützt werden, wobei der Sensor 18 mit Vorspannung in axialer Richtung montiert wird und den mittleren Bereich unmittelbar andrückt.
Konstruktiv betrachtet weist der Buchsenteilabschnitt 22 einen ersten und einen zweiten Aufnahmeraum 33, 34 auf, welche voneinander durch eine Zwischenwand 35 getrennt sind. In dem ersten Aufnahmeraum 33 ist der Bodenabschnitt 19 in der Erfassungsrichtung 16 verschiebbar angeordnet. Die Abdichtung des ersten Aufnahmeraums 33 und optional ergänzend die Führung des Bodenabschnitts 19 kann über eine Dichtungseinrichtung 36 erfolgen, welche an einem Ausgang des ersten Aufnahmeraums 33 in den Buchsenteilabschnitt 22 eingesetzt ist. Z.B. ist der erste Aufnahmeraum 33 im Querschnitt senkrecht zu der Erfassungsrichtung 16 kreisrund ausgebildet, wobei der Bodenabschnitt 19 koaxial und konzentrisch in dem ersten Aufnahmeraum 33 angeordnet ist. Durch die Hülse 26 und die Dichtungseinrichtung 36 wird eine Temperaturentkopplung zwischen dem Buchsenteilabschnitt 22 und dem Bodenabschnitt 19 umgesetzt.
In dem ersten Aufnahmeraum 33 ist eine erste Federeinrichtung 37 angeordnet, wobei die erste Federeinrichtung 37 funktional betrachtet ausgebildet ist, den Bodenabschnitt 19 in Erfassungsrichtung 16 mit einer Vorspannkraft zu belasten, so dass der Boden 23 mit der Vorspannkraft auf die Statorwicklung 8 bzw. auf den Wicklungskopf 9 aufgedrückt wird. Konstruktiv betrachtet ist die erste Federeinrichtung 37 als eine Spiralfeder in der Ausgestaltung einer Druckfeder ausgebildet. Die Spiralfeder ist koaxial zu dem Sensor 18 angeordnet, so dass sich dieser durch den freien Mittelteil der Spiralfeder erstreckt. Mit einem freien Ende stützt sich die Federeinrichtung 37 an der Zwischenwand 35 und somit über den Buchsenteilabschnitt 22 an dem Motorgehäuse 2 ab. Mit dem anderen Ende stützt sich die erste Federeinrichtung 37 an dem freien Ende der Hülse 26 ab, so dass die Vorspannkraft über die Hülse 26 in den Boden 23 fließt und diesen auf die Statorwicklung 8 bzw. den Wicklungskopf 9 aufdrückt.
Der zweite Aufnahmeraum 34 formt eine Aufnahme für den Steckerteilabschnitt 21, der einen Deckel für den Buchsenteilabschnitt 22 bildet. Der Sensor 18 verläuft ausgehend vom ersten Aufnahmeraum 33 durch eine Öffnung in der Zwischenwand 35 durch den zweiten Aufnahmeraum 34, wird dort rechtwinklig umgelenkt und endet in einer Kontaktbuchse 38. Ein Endabschnitt des Sensors 18 stützt sich im Bereich der rechtwinkligen Biegung an dem Steckerteilabschnitt 21 an einem Stützbereich 41 ab oder ist mit diesem sogar z.B. stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden. In eine gemeinsam durch den Buchsenteilabschnitt 22 und den Steckerteilabschnitt 21 gebildete Buchse 39 kann ein Sensorstecker 40 eingeführt werden, der den Sensor 18 signaltechnisch und/oder elektrisch kontaktiert.
In einem Zustand, in dem der Steckerteilabschnitt 21 und der Buchsenteilabschnitt 22 bestimmungsgemäß verbunden sind, ist die Länge des Sensors 18 zwischen dem Stützbereich 41 und dem Boden 23 derart bemessen, dass sich mindestens oder genau eine Auswölbung 42 des Sensors ergibt, wobei die Auswölbung 42 in eine Richtung senkrecht zu der Erfassungsrichtung 16 geformt ist. Zur Unterstützung der Auswölbung 42 weist der Buchsenteilabschnitt 22 einen Auswölbungsbereich 43 auf, der die grobe Form der Auswölbung 42 beim Schließen von Steckerteilabschnitt 21 und Buchsenteilabschnitt 22 vorgibt. Die Länge des Sensors 18 und der Auswölbungsbereichs 43 sind so aufeinander abgestimmt, dass zwischen dem Auswölbungsbereichs 43 und der Auswölbung 42 des Sensors 18 ein Freibereich 44 entsteht.
Die Sensoreinrichtung 14 weist eine zweite Federeinrichtung 45 auf, welche als ein Federblech ausgebildet ist und welche so angeordnet ist, dass diese die Auswölbung 42 des Sensors 18 in Richtung des Auswölbungsbereichs 43 zurückdrückt. Dadurch, dass der Sensor in Überlänge dimensioniert ist, wird diese Federbelastung in eine Vorspannkraft umgesetzt, die das freie Ende des Sensors 18, insbesondere das Sensorelement 24 gegen den Boden 23 drückt und damit eine sichere wärmeleitende Verbindung zwischen dem Sensorelement 24 und dem Boden 23 erreicht. Die zweite Federeinrichtung 45 kann z.B. einen Federblechabschnitt aufweisen, welcher gegensinnig zu der Auswölbung 42 gekrümmt ist. Wie sich durch den Vergleich der 2 und 3 zeigt, stützt sich die zweite Federeinrichtung 45 an dem Steckerteilabschnitt 21 ab und wird beim Schließen von Steckerteilabschnitt 21 und Buchsenteilabschnitt 22 durch die Gegenkraft am Boden 23 auf den Sensor vorgespannt. Alternativ sind auch Federeinrichtungen einsetzbar die durch das Zusammenfahren des Steckerteilabschnitts 21 und des Buchsenteilabschnitts 22 gespannt werden und sich derart verformen, dass der Auswölbungsbereich 43 des Sensors abgeflacht und so der Sensorverlängert wird bis er gegen den Boden 19 drückt. In diesem Fall ist der Freibereich 44 erst bei entspannter Federeinrichtung größer und wird beim Einschieben des Steckerteilabschnitts 21 verkleinert.
Zwischen dem Boden 23, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als die Isolationsschicht 27 ausgebildet ist, und der Glasperle 28 bzw. dem Sensorelement 24 ist ein Metallfederelement 46 angeordnet, welches als eine Wärmeleiteinrichtung 25 wirkt und zugleich eine mechanische Abstützung des Bodens 23 bildet. Der genaue Aufbau des Metallfederelements 46 ist in der 6 dargestellt. In der 5 ist zunächst eine alternative Ausgestaltung des Metallfederelements 46 gezeigt.
Die 5 zeigt in drei Zeilen eine schematische Illustration zur Herstellung einer Alternative des Metallfederelements 46 für die Sensoreinrichtung 14 in den vorhergehenden Figuren. In der obersten Zeile ist eine seitliche Ansicht, in der mittleren Zeile eine Draufsicht von oben und in der untersten Zeile Hinweise zur Fertigungstechnik gegeben. Die weitere Beschreibung bezieht sich maßgeblich auf die mittlere Zeile. Ausgehend von einem Blechstreifen 47 werden in einem ersten Schritt Aussparungen herausgetrennt, wobei der Trennvorgang beispielsweise über Laserstrahlschneiden umgesetzt wird. Hierbei werden zwei oder vier Flügel 48 herausgetrennt, wobei die Flügel 48 gegenüberliegend oder in Umlaufrichtung gleichmäßig verteilt sind. In der untersten Zeile sind Schnittspalte und Löcher angedeutet, die mittlere Zeile zeigt die Aussparungen in dem Blechstreifen 47, in der obersten Zeile ist zunächst in der seitlichen Ansicht nur der Blechstreifen 47 zu erkennen.
In einem Schritt II werden die Flügel 48 in eine Richtung aus der Ebene des Metallstreifens 47 herausgebogen, sodass diese in ihrer Gesamtheit eine Schale zur flächigen Aufnahme der Glasperle 28 bilden. In einem nächsten Schritt III wird das Metallfederelement 46 dann freigeschnitten und auf diese Weise von dem Blechstreifen 47 getrennt. Neben den Flügeln 48 weist das freigeschnittene Metallfederelement 46 eine umlaufende Basisplatte 49 auf, die immer noch in der Ebene des Blechstreifens 47 angeordnet ist. Die Basisplatte 49 wird zwischen der Hülse 26 und dem Boden 23 angeordnet, sodass das Metallfederelement 46 in der Lage definiert ist. Das Metallfederelement 46 ist insbesondere als ein Stanzbiegeteil oder Trennbiegeteil ausgebildet. Durch das Metallfederelement 46 wird eine gute thermische Anbindung des Sensorelements 24 an den Boden 23 und damit an die Statorwicklung 8 beziehungsweise den Wicklungskopf 9 erreicht.
In der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Metallfederelement 46 gezeigt, welches in der Sensoreinrichtung 14 in den 1 bis 3 verwendet wird und in ähnlicher Weise wie das vorhergehenden Ausführungsbeispiel gefertigt wird, sodass auf die Beschreibung der 5 verwiesen wird. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in der 5 ist das Metallfederelement 46 gemäß der 6 komplett innerhalb der Rohröffnung der Hülse 26 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Motorgehäuse
3: Kühlmantel
4: Flansch
5: Stator
6: Blechpaket
7: Spulenkörper
8: Statorwicklung
9: Wicklungskopf
10: Aufnahmeraum
11: Innenraum
12: Zylindermantelgrenze
13: Vergussmasse
14: Sensoreinrichtung
15: Aufnahmeöffnung
16: Erfassungsrichtung
17: Sensorgehäuse
18: Sensor
19: Bodenabschnitt
20: Basisabschnitt
21: Steckerteilabschnitt
22: Buchsenteilabschnitt
23: Boden
24: Sensorelement
25: Wärmeleiteinrichtung
26: Hülse
27: Isolationsschicht
28: Glasperle
29: Sensorkabel
30: Adern
31: Isoliermantel
32: Schrumpfschlauch
33: erster Aufnahmeraum
34: zweiter Aufnahmeraum
35: Zwischenwand
36: Dichtungseinrichtung
37: erste Federeinrichtung
38: Kontaktbuchse
39: Buchse
40: Sensorstecker
41: Stützbereich
42: Auswölbung
43: Auswölbungsbereich
44: Freibereich
45: zweite Federeinrichtung
46: Metallfederelement
47: Blechstreifen
48: Flügel
49: Basisplatte
H: Hauptachse
U: Umgebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10130982 A1 [0003]
EP 1278291 A2 [0004]

Claims

Sensoreinrichtung (14) zur Bestimmung der Temperatur von einem Stator (5) eines Elektromotors (1), mit einem Sensorgehäuse (17), mit einem Sensor (18) zur Erfassung der Temperatur, wobei der Sensor (18) in dem Sensorgehäuse (17) angeordnet ist, wobei das Sensorgehäuse (18) einen Bodenabschnitt (19) mit einem Boden (23) zur Auflage auf den Stator (5) in einer Erfassungsrichtung (16) und einen Basisabschnitt (20) zur Befestigung der Sensoreinrichtung (14) aufweist, wobei der Sensor (18) die Temperatur über den Boden (23) erfasst, wobei der Bodenabschnitt (19) relativ zu dem Basisabschnitt (20) in der Erfassungsrichtung (16) bewegbar angeordnet ist und die Sensoreinrichtung (14) zum Einsatz in eine Aufnahmeöffnung (15) eines Flansches (4) des Elektromotors (1) ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung (14) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Federeinrichtung (37) zur Beaufschlagung einer Vorspannkraft auf den Bodenabschnitt (19) in der Erfassungsrichtung (16), wobei die erste Federeinrichtung (37) zwischen dem Basisabschnitt (20) und dem Bodenabschnitt (19) wirkt.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zweite Federeinrichtung (45) zur Beaufschlagung einer Vorspannkraft auf den Sensor (18) in der Erfassungsrichtung (16), wobei die zweite Federeinrichtung (45) zwischen dem Basisabschnitt (20) und dem Sensor (18) wirkt.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Federeinrichtung zur Beaufschlagung einer Vorspannkraft auf den Bodenabschnitt (19), wobei die dritte Federeinrichtung zwischen dem Sensor (18) und dem Bodenabschnitt (19) wirkt und als eine wärmeleitende Verbindung ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (20) einen Buchsenteilabschnitt (22) und einen Steckerteilabschnitt (21) aufweist, wobei der Buchsenteilabschnitt (22) einen ersten Aufnahmeraum (33) zur Aufnahme des Bodenabschnitts (19) und einen zweiten Aufnahmeraum zur (34) Aufnahme des Steckerteilabschnitts (21) aufweist.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Aufnahmeraum (33) und dem zweiten Aufnahmeraum (34) eine Zwischenwand (35) mit einer Durchlassöffnung für den Sensor (18) angeordnet ist, wobei die erste Federeinrichtung (37) als eine Druckfedereinrichtung ausgebildet ist, welche sich an dem Bodenabschnitt (19) und an der Zwischenwand (35) abstützt.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenabschnitt (19) als ein Tasthülsenabschnitt ausgebildet ist, wobei der Tasthülsenabschnitt in der Erfassungsrichtung (16) relativ zu dem Basisabschnitt (20) verschiebbar gelagert ist. (Dichtungseinrichtung)
Sensoreinrichtung (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tasthülsenabschnitt eine Hülse (26) und den Boden (23) umfasst, wobei der Wärmewiderstand der Hülse (26) größer als der Wärmewiderstand des Bodens (23) ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (23) elektrisch isolierend und zugleich elastisch ausgebildet ist.
Elektromotor (1) insbesondere für ein Fahrzeug, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. wobei die Sensoreinrichtung (14) in der Aufnahmeöffnung (15) des Flansches (4) des Elektromotors (1) eingesetzt ist.