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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse, mit einem Stator, wobei der Stator eine Statorwicklung aufweist und in dem Motorgehäuse angeordnet ist, und mit einer Sensoreinrichtung zur Messung einer Temperatur, wobei die Sensoreinrichtung in dem Motorgehäuse angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung eine Sensorumhüllung und einen Sensor aufweist, wobei der Sensor in der Sensorumhüllung angeordnet ist und wobei die Sensorumhüllung eine Hülse und einen Boden umfasst.
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Elektromotoren weisen in üblicher Bauweise einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Stator eine Statorwicklung umfasst. Im Betrieb wird durch die Statorwicklung elektrischer Strom geleitet, um den Elektromotor anzutreiben. Durch den Stromfluss werden die Statorwicklungen jedoch aufgeheizt, wobei es in ungünstigen Fällen zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Elektromotors kommen kann. Vor diesem Hintergrund ist es üblich, einen Temperatursensor in den Elektromotor zu integrieren, um die Temperatur zu überwachen.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 101 30 982 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, einen Temperaturfühler für die Statorwicklung von Elektromotoren, wobei ein Sensor in einem Schrumpfschlauch aufgenommen ist und wobei diese Baugruppe zumindest teilweise in einen Stator eingebaut ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmessung für einen Elektromotor zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird ein Elektromotor 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 jedoch der Elektromotor zur Integration in einem Fahrzeug ausgebildet. Insbesondere dient der Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für dieses Fahrzeug. Ein möglicher weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem Elektromotor, wobei der Elektromotor zur Erzeugung des Antriebsdrehmoments für das Fahrzeug realisiert.
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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 ein 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.
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Der Stator weist eine 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 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.
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Der Elektromotor weist eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Temperatur auf, welche innerhalb des Motorgehäuses insbesondere nahe am Stator angeordnet ist. Insbesondere misst die Sensoreinrichtung die Temperatur der Statorwicklung oder die Temperatur im Bereich der Statorwicklung.
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Die Sensoreinrichtung weist eine Sensorumhüllung und einen Sensor auf, wobei der Sensor gegebenenfalls mit weiteren Anschlusskabeln in der Sensorumhüllung angeordnet ist. Der Sensor ist besonders bevorzugt als ein Temperaturwiderstand, insbesondere als ein Heißleiter oder als ein NTC-Widerstand, als ein PTC-Element, als ein Pt100-Element, als ein NiCrNi-Element, als ein KTY-Element oder als ein Bimetallelement etc. ausgebildet.
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Die Sensorumhüllung kann als eine harte oder als eine weiche Umhüllung ausgebildet sein. Die Sensorumhüllung umfasst eine Hülse und einen Boden, wobei der Boden an einem freien Ende der Hülse angeordnet ist. Die Hülse ist in Richtung des Bodens geöffnet. Besonders bevorzugt bilden Hülse und Boden gemeinsam eine rohrförmige oder hohlzylindrische Umhüllung mit einem abgeschlossenen Ende aus. Das abgeschlossene Ende und/oder der Boden ist dem Stator zugewandt, das andere freie Ende der Hülse ist bevorzugt zu einer Umgebung des Motorgehäuses gewandt. Insbesondere ist das andere freie Ende der Hülse gegenüber einer Umgebung geöffnet und/oder bildet eine Montageöffnung für den Sensor, wobei die Montageöffnung vorzugsweise auch bei montierten Elektromotor zugänglich ist. Insbesondere ist die Montageöffnung so platziert, dass der Sensor montiert und/oder demontiert werden kann ohne die Sensorumhüllung zu demontieren.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Boden der Sensorumhüllung zumindest benachbart zu der Statorwicklung platziert ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Flächenerstreckung des Bodens in einer Radialebene senkrecht zu der Hauptachse und zugleich parallel zu einer axialen Stirnseite der Statorwicklung. Alternativ oder ergänzend und besonders bevorzugt steht der Boden in einem körperlichen und/oder unmittelbaren Kontakt mit der Statorwicklung. Insbesondere ist der Boden auf die Statorwicklung aufgepresst. Ferner wird beansprucht, dass der Wärmewiderstand – z.B. ausgedrückt in W/K – des Bodens kleiner als der Wärmewiderstand der Hülse ausgebildet ist. Somit wird die Temperatur im Innenraum der Sensorumhüllung durch die Außentemperatur in dem Bereich des Bodens, insbesondere durch die Temperatur der Statorwicklung dominiert, wohingegen die Temperatur benachbart zu der Hülse einen deutlich geringeren Einfluss auf die Innentemperatur der Sensorumhüllung hat.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass eine hohe Genauigkeit der Messung der Temperatur der Statorwicklung für eine effektive Ansteuerung des Elektromotors vorteilhaft ist. Ist die Temperaturmessung ungenau oder durch Wärmekapazitäten zeitlich verzögert, so müssen Grenzen für eine Schutzabschaltung oder für eine Leistungsreduzierung des Elektromotors so früh aktiviert werden, dass sichergestellt ist, dass der Elektromotor nicht überhitzt. Somit kann durch eine ungenaue oder verzögerte Temperaturmessung das Leistungspotential des Elektromotors nicht vollständig ausgeschöpft werden.
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Die Erfindung greift an der physikalischen Messung der Temperatur an und verbessert diese dadurch, dass die Sensoreinrichtung 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. Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Elektromotors und insbesondere der Sensoreinrichtung die Grundlage für eine bessere Temperaturmessung und dadurch für eine verbesserte Ansteuerung des Elektromotors erreicht. Dadurch, dass das Potential des Elektromotors besser ausgereizt werden kann, ohne Beschädigungen durch Überhitzungen befürchten zu müssen, wird das gesamte Betriebsverhalten des Elektromotors verbessert.
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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.
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Als bevorzugte Werte für eine Wärmeleitfähigkeit der Hülse werden Werte kleiner 0,5 W/mK, insbesondere kleiner 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 fünfmal so groß, vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie der Wärmewiderstand des Bodens.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einer weiteren Alternative der Erfindung ist die Wärmeleiteinrichtung als eine mechanische, insbesondere als eine metallische Wärmeleiteinrichtung ausgebildet. Beispielsweise ist die Wärmeleiteinrichtung als eine 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. Eine derartige Wärmeleiteinrichtung kann auch auf den Sensor aufgebracht sein und mit diesem in die Sensorumhüllung eingebracht werden.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist der Sensor an seinem freien Ende eine Glasperle auf, in der das Temperaturelement integriert oder eingebettet ist. Mit dieser Glasperle wird der Sensor in die Isolationsschicht gedrückt, in die Wärmeleiteinrichtung eingebettet oder auf die Wärmeleiteinrichtung gedrückt.
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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.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Boden und der Hülse ein Wärmeentkopplungselement angeordnet. Dieses kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Temperaturen an der Statorwicklung sehr hoch sind und die Hülse nicht entsprechend temperaturfest ausgelegt werden kann. Durch das Wärmeentkopplungselement können Temperatursprünge umgesetzt werden, welche größer als 20 Grad, vorzugsweise größer als 40 Grad, sind. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass Statorwicklungstemperaturen im Bereich von 180 Grad vorliegen können und die Hülse trotzdem nur auf Temperaturen kleiner als 150 Grad ausgelegt ist.
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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.
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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.
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Prinzipiell wäre es möglich, bei dem Gussvorgang einen Platzhalter für die Sensoreinrichtung vorzusehen und diese nachfolgend zu montieren. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass die Sensorumhüllung in der Vergussmasse eingebettet ist. Insbesondere wird die Sensorumhüllung zunächst montiert und nachfolgend die Vergussmasse eingefüllt. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Sensorumhüllung 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 der Hülse beim Einfüllen der Vergussmasse abgedichtet werden.
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Dadurch, dass das freie Ende der Sensorumhüllung, insbesondere der Hülse, in die Umgebung geöffnet ist, kann der eigentliche Sensor nachträglich eingesetzt werden oder bei Bedarf ausgetauscht werden. Damit ergeben sich besonders wertvolle Vorteile, wenn die Sensorumhüllung bereits bei der Fertigung stoffschlüssig in dem Motorgehäuse durch die Vergussmasse befestigt wird hinsichtlich der Montierbarkeit und/oder der Reparaturfreundlichkeit der Sensoreinrichtung, da der austauschbare Sensor einfach aufgebaut und preisgünstig herstellbar ist.
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Bei alternativen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Hülse auch als ein Spritzgussteil ausgebildet sein, wobei das Spritzgussteil dann weitere Funktionsabschnitte aufweist. Derartige Funktionsabschnitte können beispielsweise als mechanische Führungen für den Sensor, als eine Verdrehsicherung für den Sensor und/oder als mechanische Anschlussabschnitte zum Anschluss der Sensoreinrichtung an das Motorgehäuse etc. ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Elektromotors als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 in gleicher Schnittansicht eine vergrößerte Darstellung der Sensoreinrichtung in dem Elektromotor aus der 1;
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3a, b, c eine Illustration zur Montage der Sensoreinrichtung in einer schematischen Längsschnittdarstellung;
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4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Elektromotors als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 in gleicher Schnittansicht eine vergrößerte Darstellung der Sensoreinrichtung in dem Elektromotor aus der 4;
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6 eine schematische Illustration zur Herstellung und zum Aufbau eines Metallfederelements der Sensoreinrichtung;
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7 in gleicher Darstellung wie die 6 eine alternative Ausgestaltung des Metallfederelements in der 5.
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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 aufgesetzt 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. Kühlmantel 3 und Flansch 4 sind z.B. miteinander verschraubt, so dass der Flansch 4 über den Kühlmantel 3 gekühlt ist.
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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.
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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.
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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 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.
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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, welche eine stabförmige Gestalt aufweist, die in einem Querschnitt beispielsweise kreisrund ausgebildet ist. 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 parallel zu der Hauptachse H ausgerichtet. Mit einem freien Ende der Sensoreinrichtung 14 kontaktiert die Sensoreinrichtung 14 die Statorwicklung 8, insbesondere den Wicklungskopf 9. Das andere freie Ende weist eine Montageöffnung 16 auf, die in eine Umgebung U des Elektromotors 1 geöffnet ist.
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In der 2 ist die Sensoreinrichtung 14 in der gleichen Längsschnittdarstellung vergrößert dargestellt. Die Sensoreinrichtung 14 weist eine Sensorumhüllung 17 auf, welche durch eine Hülse 18 und einen Boden 19 gebildet ist. Ferner weist die Sensoreinrichtung 14 einen Sensor 20 auf, welcher durch die Montageöffnung 16 in den Sensorinnenraum 21 eingeführt ist. Der Sensor 20 weist ein Sensorelement 22 auf, wobei das Sensorelement 22 beispielsweise als ein NTC-Element ausgebildet ist. Das Sensorelement 22 ist in eine Wärmeleiteinrichtung 23 eingebettet.
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Der Boden 19 ist mit seiner Außenfläche unmittelbar kontaktierend auf der Statorwicklung 8, insbesondere auf dem Wicklungskopf 9 aufgesetzt. Dadurch ist der Boden 19 ideal mit der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9 thermisch gekoppelt. Die Wärmeleiteinrichtung 23, welche beispielsweise als eine wärmeleitende Masse oder Paste ausgebildet sein kann, liegt mit der einen Seite unmittelbar kontaktierend an dem Boden 19 an, mit der anderen Seite umhüllt die Wärmeleiteinrichtung 23 das Sensorelement 22, sodass ein sehr guter Wärmeübergang zwischen der Statorwicklung 8, insbesondere dem Wicklungskopf 9 und dem Sensorelement 22 gebildet ist.
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Die Hülse 18 ist als ein rohrförmiger Abschnitt ausgebildet und wird beispielsweise aus einem Kunststoff als Endlosmaterial gefertigt. Die Wanddicke w der Hülse 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel größer ausgebildet, als die Dicke d des Bodens 19. Zudem sind der Boden 19 und die Hülse 18 aus unterschiedlichem Material oder Materialverbünden gefertigt. Es ist dabei vorgesehen, dass ein Wärmewiderstand des Bodens 19 zu dem Sensorelement 22 deutlich kleiner als der Wärmewiderstand durch die Hülse 18 ist. Hierzu wird für den Boden 19 ein Material oder Materialverbund gewählt, welcher eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Material oder der Materialverbund der Hülse 18. Die Ankopplung hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit zwischen Boden 19 und Sensorelement 22 wird durch die Wärmeleiteinrichtung 23 optimiert.
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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 kann dagegen die Messung dieser Temperatur beeinträchtigen, da aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Vergussmasse 13 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 19 mit einem sehr geringen Wärmewiderstand und der Hülse 18 mit einem deutlich höheren Wärmewiderstand wird erreicht, dass durch das Sensorelement 22 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.
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Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass über die Statorwicklung 8 Spannungen zwischen 350 und 450 Volt geleitet werden. Somit müssen der Sensor 20, insbesondere das Sensorelement 22, elektrisch isoliert von der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9 werden. Der Boden 19 weist mindestens eine Isolationsschicht 24 auf. In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Boden 19 durch die Isolationsschicht 24 gebildet. Die Isolationsschicht 24 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.
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Die Isolationsschicht 24 ist elastisch ausgebildet, sodass diese sich bei einem Aufdrücken der Sensorumhüllung 17 auf die Statorwicklung 8 bzw. auf den Wicklungskopf 9 elastisch verformt, wie dies schematisiert in der Abfolge in den 3a, b, c dargestellt ist. In diesen Figuren ist die Sensorumhüllung 17 mit der Hülse 18 und dem Boden 19 ausgebildet als die Isolationsschicht 24 dargestellt. In der 3a ist die Sensorumhüllung 17 beabstandet zu der Statorwicklung 8 bzw. dem Wicklungskopf 9. In der 3b ist die Sensorumhüllung 17 auf die Statorwicklung 8, insbesondere auf den Wicklungskopf 9 aufgedrückt. Es ist zu erkennen, dass der Boden 19 bzw. die Isolationsschicht 24 verformt, insbesondere elastisch verformt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders gute thermische Ankopplung des Bodens 19 bzw. der Isolationsschicht 24 an die Statorwicklung 8 bzw. den Wicklungskopf 9.
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Bei der Fertigung oder bei der Montage des Elektromotors 1 wird zumindest die Sensorumhüllung 17 montiert, bevor die Vergussmasse 13 eingefüllt wird. Somit wird in einem ersten Schritt die Sensorumhüllung 17 in die Aufnahmeöffnung 15 eingeführt und derart angeordnet, dass der Boden 19 mit Vorspannung auf der Statorwicklung 8, insbesondere dem Wicklungskopf 9 anliegt und elastisch verformt wird, wie dies in der 3b gezeigt ist. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die Vergussmasse 13 eingefüllt. Durch die Vergussmasse 13 wird die Sensorumhüllung 17 stoffschlüssig fixiert, sodass die Vorspannung und insbesondere die elastische Verformung gemäß 3b erhalten bleibt. Ferner kann durch die Hülse beim Einfüllen der Vergussmasse 13 die Aufnahmeöffnung 15 abgedichtet werden. Alternativ hierzu kann die Sensorumhüllung 17 auch in die Aufnahmeöffnung 15 eingeklebt werden und dadurch zum einen abgedichtet und zum anderen vorfixiert werden.
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Der Sensor 20 kann gemeinsam mit der Sensorumhüllung 17 montiert werden oder nachträglich durch die Montageöffnung eingeschoben werden. Das Sensorelement 22 wird über die Wärmeleiteinrichtung 23 thermisch an den Boden 19 angekoppelt, wie dies in der 3c dargestellt ist.
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Die 3c zeigt eine andere Ausführungsform des Sensors 20, wobei das Sensorelement 22 in einer Umhüllung, insbesondere einer Glasperle 25, angeordnet ist, wobei der Sensor 20 derart unter Vorspannung in der Sensorumhüllung montiert wird, dass die Glasperle 25 in den Boden 19 eingedrückt wird. Durch die elastische Verformung des Bodens 19 wird die Kontaktfläche zwischen dem Boden 19 und der Glasperle 25 vergrößert, so dass die thermische Anbindung verbessert ist. Diese Ausgestaltung wird insbesondere verwendet, wenn der Boden 19 ausschließlich durch die Isolationsschicht 24 gebildet wird.
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Um ein Anpressen der Sensorumhüllung 17 und insbesondere des Bodens 19 auf die Statorwicklung 8 und insbesondere auf den Wicklungskopf 9 zu verbessern, drückt die Hülse 18 auf einen Randbereich des Bodens 19. Damit wird der Boden 19 in dem Randbereich unmittelbar durch die Hülse 18 aufgedrückt. Der mittlere Bereich des Bodens 19 wird mittelbar durch die Hülse 18 aufgedrückt. Optional ergänzend kann in dem Boden 19 eine Verstärkung, insbesondere ein Stützkörper (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 19 durch den Sensor 20 umgesetzt oder zumindest unterstützt werden, wobei der Sensor 20 mit Vorspannung in axialer Richtung montiert wird und den mittleren Bereich unmittelbar andrückt.
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Die 4 zeigt in der gleichen Schnittansicht wie die 1 eine Längsschnittdarstellung eines Elektromotors 1 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Bezeichnung der Teile und Größen wurden die gleichen Bezugszeichen wie bei den vorhergehenden Figuren verwendet, im Nachfolgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. Für Übereinstimmungen wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.
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Im Gegensatz zu dem Elektromotor 1 in der 1 ist das Motorgehäuse 2 in Bezug auf den Flansch 4 und den Kühlmantel 3 einstückig ausgebildet, sodass das Motorgehäuse 2 als ein Topfgehäuse realisiert ist. Die Wicklungen, insbesondere Leitungen, der Statorwicklung 8 bzw. des Wicklungskopfs 9 sind im gezeigten Längsschnitt kreisrund ausgebildet, wohingegen diese in den vorhergehenden Figuren eine rechteckige Form eingenommen hatten. Die Statorwicklung 8 bzw. der Wicklungskopf 9 sind jedoch wie zuvor im Spulenkörper 7 angeordnet. Ebenso wie zuvor ist das Motorgehäuse 2 mit der Vergussmasse 13 ausgegossen, welche eine gut leitende Wärmeverbindung zwischen der Statorwicklung 8, insbesondere dem Wicklungskopf 9 und dem Motorgehäuse 2 schafft.
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In dem Flansch 4 ist wieder die Aufnahmeöffnung 15 angeordnet, in die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 14 eingeschoben ist. Wie zuvor ist die Sensoreinrichtung 14 und/oder die Tiefenerstreckung der Aufnahmeöffnung 15 in axialer Richtung zu der Hauptachse H ausgerichtet. Die Sensoreinrichtung 14 berührt mit ihrem freien Ende, insbesondere mit dem Boden 19, die Statorwicklung 8 bzw. den Wicklungskopf 9 und ist mit Vorspannung auf dieser bzw. diesem aufgesetzt.
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In der 5 ist in gleicher Darstellung wie in der 2 die Sensoreinrichtung 14 gezeigt, wobei übereinstimmend zu der Sensoreinrichtung 14 in der 2 diese einer Sensorumhüllung 17 aufweist, welche eine Hülse 18 und einen Boden 19 umfasst. Im Gegensatz zu der Ausbildung in der 2 ist jedoch der Bereich des Sensors 20 abweichend ausgebildet, wie nachfolgend beschrieben wird:
Das Sensorelement 22 ist wie in dem Ausführungsbeispiel in der 3c in einer Glasperle 25 angeordnet. Es kann jedoch auch ungeschützt oder mit einer anderen Ummantelung vorliegen. Der Sensor 20 umfasst ein Sensorkabel 26 zur Signalübertragung, welches eine oder mehrere Adern 27 aufweist, welche mit einem Isoliermantel 28 umgeben und elektrisch isoliert sind. An einem freien Ende des Sensorkabels 26 ist die Ader 27 abisoliert und verläuft frei bis zum Sensorelement 22 in der Glasperle 25. Zur mechanischen Stabilisierung befindet sich zwischen dem freien Ende des Isoliermantels 28 und der Glasperle 25 ein Schrumpfschlauch 29, der die Glasperle 25 hält und gegenüber dem Isoliermantel 28 mechanisch abstützt.
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An die Hülse 18 schließt sich eine Sensorbuchse 30 an, welche als ein Kunststoffteil zur Kabelführung und Abdichtung ausgebildet ist. Die Hülse 18 ragt im eingebetteten Zustand nicht vollständig durch die Aufnahmeöffnung 15, sondern ist in Bezug auf die axiale Erstreckung von der Aufnahmeöffnung 15 beabstandet, sodass die Sensorbuchse 30 in den Flansch 4 eingesteckt und dadurch formschlüssig gehalten werden kann. Insbesondere erstreckt sich die Hülse 18 in axialer Richtung zu weniger als 80 % der axialen Dicke des Flansches 4. Die Sensorbuchse 30 ist über O-Ringe 31 gegenüber dem Isoliermantel 28 und gegenüber dem Flansch 4 abgedichtet und zugleich reibschlüssig gehalten. Zur Fixierung der Sensorbuchse 30 bzw. zur Führung des Sensorkabels 26 kann eine Feder 32 vorgesehen sein, welche das Sensorkabel 26 in Richtung des Flansches 4 drückt und dabei auch eine permanente Andrückkraft des Sensors 20 gegen den Boden 19 gewährleistet.
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Zwischen dem Boden 19, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als die Isolationsschicht 24 ausgebildet ist, und der Glasperle 25 ist ein Metallfederelement 33 angeordnet, welches als die Wärmeleiteinrichtung 23 wirkt. Das Metallfederelement 33 ist im gezeigten Längsschnitt in Richtung der Glasperle 25 und/oder des Sensorelements 22 konkav ausgebildet und kontaktiert die Glasperle 25 flächig. Auf der der Glasperle 25 abgewandten Seite wird das Metallfederelement 33 in dem Boden 19, insbesondere in die Isolationsschicht 24 eingedrückt und/oder eingeformt. Durch das Metallfederelement 33 wird somit eine große Kontaktfläche zwischen Metallfederelement 33 und der Glasperle 25 erreicht und zugleich durch das Eindrücken in den Boden 19 bzw. die Isolationsschicht 24 eine gute thermische Wärmeanbindung an dem Boden 19 umgesetzt.
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Das Metallfederelement 33 ist z.B. so vorgespannt, dass es die Glasperle 25 elastisch umklammert.
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Die 6 zeigt in drei Zeilen eine schematische Illustration zur Herstellung des Metallfederelements 33 in der vorhergehenden Figur. 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 35 werden in einem ersten Schritt Aussparungen herausgetrennt, wobei der Trennvorgang beispielsweise über Laserstrahlschneiden umgesetzt wird. Hierbei werden zwei oder vier Flügel 36 herausgetrennt, wobei die Flügel 36 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 35, in der obersten Zeile ist zunächst in der seitlichen Ansicht nur der Blechstreifen zu erkennen.
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In einem Schritt II werden die Flügel 36 in eine Richtung aus der Ebene des Metallstreifens 35 herausgebogen, sodass diese in ihrer Gesamtheit eine Schale zur flächigen Aufnahme der Glasperle 35 bilden. In einem nächsten Schritt wird das Metallfederelement 33 dann freigeschnitten und auf diese Weise von dem Blechstreifen 35 getrennt. Neben den Flügeln 36 weist das freigeschnittene Metallfederelement 33 eine umlaufende Basisplatte 37 auf, die immer noch in der Ebene des Blechstreifens 35 angeordnet ist. Die Basisplatte 37 wird zwischen der Hülse 18 und dem Boden 19 angeordnet, sodass das Metallfederelement 33 in der Lage definiert ist. Das Metallfederelement ist insbesondere als ein Stanzbiegeteil oder Trennbiegeteil ausgebildet. Durch das Metallfederelement 33 wird eine gute thermische Anbindung des Sensorelements 22 an den Boden 19 und damit an die Statorwicklung 8 beziehungsweise den Wicklungskopf 9 erreicht.
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In der 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Metallfederelement 33 gezeigt, welches in ähnlicher Weise gefertigt wird, sodass auf die Beschreibung der 6 verwiesen wird. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in der 6 ist das Metallfederelement 33 gemäß der 7 komplett innerhalb der Rohröffnung der Hülse 18 angeordnet.
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Es gibt somit eine Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten für die Sensoreinrichtung 14, die jeweils spezifische Vorteile aufweisen. Besonders hervorzuheben sind die nachfolgenden fünf Ausführungsbeispiele:
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Ausführungsbeispiel 1:
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Dieses Ausführungsbeispiel ist in der 3 gezeigt und weist als Boden 19 nur die Isolationsschicht 24 auf.
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Ausführungsbeispiel 2:
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Das zweite Ausführungsbeispiel ist in den 4 und 5 gezeigt und zeigt ein Metallfederelement 33 als Wärmeleiteinrichtung 23 zwischen dem Boden 19 und dem Sensor 20.
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Ausführungsbeispiel 3:
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Das dritte Ausführungsbeispiel weist ebenfalls ein Metallfederelement 33 als Wärmeleitelement 23 auf, wobei dieses jedoch am Kopf des austauschbaren Sensors fixiert ist und einen flächigen Kontakt in Richtung des Bodens 19 ausbildet, sodass auch der Kontakt zwischen Boden 19 und dem Sensorelement 22 verbessert ist.
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Ausführungsbeispiel 4:
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Das vierte Ausführungsbeispiel weist einen bis zu 3-schichtigen Aufbau auf, wobei der Boden 19 die Isolationsschicht 24 und eine Metallscheibe als Stützelement umfasst, welches einen Teil der Wärmeleiteinrichtung zu dem Sensor 20 bildet. insbesondere ist die Wärmleiteinrichtung wie das Metallfederelement 33 in der 7 ausgebildet. Optional ergänzend wird eine formlose Wärmeleitmasse, insbesondere Wärmeleitpaste verwendet. Die Wärmeleitpaste weist insbesondere Metallpartikel als Füllmaterial auf.
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Ausführungsbeispiel 5:
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Das fünfte Ausführungsbeispiel weist – wie in 1 und 2 gezeigt – die Isolationsschicht 24 als Boden 19 auf sowie eine Wärmeleiteinrichtung 23, welche als Wärmeleitmasse oder Wärmeleitpaste ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Motorgehäuse
- 3
- Kühlmantel
- 4
- Flansch
- 5
- Stator
- 6
- Blechpaket
- 7
- Spulenkörper
- 8
- Statorwicklung
- 9
- Wicklungskopf
- 10
- leer
- 11
- Innenraum
- 12
- Zylindermantelgrenze
- 13
- Vergussmasse
- 14
- Sensoreinrichtung
- 15
- Aufnahmeöffnung
- 16
- Montageöffnung
- 17
- Sensorumhüllung
- 18
- Hülse
- 19
- Boden
- 20
- Sensor
- 21
- Sensorinnenraum
- 22
- Sensorelement
- 23
- Wärmeleiteinrichtung
- 24
- Isolationsschicht
- 25
- Glasperle
- 26
- Sensorkabel
- 27
- Ader
- 28
- Isoliermantel
- 29
- Schrumpfschlauch
- 30
- Sensorbuchse
- 31
- O-Ringe
- 32
- Feder
- 33
- Metallfederelement
- 34
- leer
- 35
- Blechstreifen
- 36
- Flügel
- 37
- Basisplatte
- H
- Hauptachse
- U
- Umgebung
- w
- Wanddicke
- d
- Dicke des Bodens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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