DE102015203435B4

DE102015203435B4 - Elektrische Maschine mit Temperatursensor und Stator sowie Verfahren zur Herstellung eines Stators

Info

Publication number: DE102015203435B4
Application number: DE102015203435.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill; Marco Hergert; Matthias Kästle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: DE102015203435A1

Abstract

Elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine aufweist:einen Rotor,einen Stator (20) mit einer einen isolierten Draht (D1, D2, D3, D4) aufweisenden Spule (20.1, 20.2) und einer eine Kontaktfläche (22.1, 22.2) aufweisenden Aufnahme (22), wobei der isolierte Draht (D1, D2, D3, D4) zumindest einen Teil der Kontaktfläche (22.1, 22.2) bildet, undeinen in der Aufnahme (22) des Stators (20) aufgenommen Temperatursensor (1) mit einem ersten Ende (2), einem zweiten Ende (3) und einem Übergangsbereich (4) zwischen dem ersten Ende (2) und dem zweiten Ende (3), wobei in dem Übergangsbereich (4) ein Sensorelement (5) und an dem ersten Ende (2) ein Sensoranschluss (7) angeordnet ist, zwischen dem ersten Ende (2) und dem Übergangsbereich (4) ein Hauptkörper (8) angeordnet ist,zwischen dem Übergangsbereich (4) und dem zweiten Ende (3) eine Sensorspitze (9) zum Kontaktieren der Kontaktfläche (22.1, 22.2) angeordnet ist, und die Sensorspit-ze (9) einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und der Hauptkörper (8) einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Temperatursensor und einem Stator und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators .
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen mit Temperatursensoren bekannt. Der im Stator der elektrischen Antriebsmaschine verbaute Temperatursensor dient zur Bestimmung der vorherrschenden Betriebstemperatur. Dies ist für eine genaue Ansteuerung sowie als Schutz vor Bauteilbeschädigungen der Antriebsmaschine durch thermische Überbeanspruchungen erforderlich.
Für eine möglichst genaue Bestimmung der Betriebstemperatur spielt neben den allgemeinen geometrischen Toleranzen, die in Serie reproduzierbare thermische Anbindung des Temperatursensors an den Stator eine maßgebliche Rolle.
Eine Möglichkeit der Temperaturerfassung in einer elektrischen Antriebsmaschine besteht darin, einen temperaturempfindlichen Sensor innerhalb der Statorwicklung unterzubringen. Vorteilhaft ist einerseits die Temperaturerfassung an nahezu jeder beliebigen Stelle innerhalb des Stators. Andererseits gestaltet sich die Tauschbarkeit, derartig verbauter Temperatursensoren, als äußerst schwierig.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin Temperatursensoren an frei zugänglichen Statorbereichen, wie beispielsweise Stirnflächen, zu montieren. Hierfür werden geeignete Stellen am Stator vorgesehen und Temperatursensoren montiert, die aufgrund ihrer Befestigungsmittel austauschbar sind.
Aufgrund der herstellungsbedingten Toleranzen entstehen zwischen den Temperatursensoren und dem Stator unterschiedlich große Spaltmaße. Diese verringern die thermische Leitfähigkeit, was auf die sehr gute Isolationsfähigkeit von Gasen, insbesondere von Luft, zurückzuführen ist. Dies wirkt sich aber negativ auf eine genaue Ansteuerung der Antriebsmaschine aus, weil sich die Erwärmungsdauer der Temperatursensoren maßgeblich verlängert und ein mit den Toleranzen stark schwankender Offset zwischen der Spulentemperatur und der Temperatur im Sensorkopf ausbildet.
In der DE 10 2012 011 004 A1 bilden mehrere Wicklungen einen Wickelkopf und im Bereich einer Wicklung wird ein Aufnahmeraum ausgebildet, indem vor dem Imprägnieren und damit Verfestigen der Wicklungen diese verformt werden, um einen Platzhalter zwischen die Drahtspulen zu steckten. Nach dem Aushärten des Imprägniermaterials wird der Platzhalter entfernt und in den Aufnahmeraum wird ein in einem schlauchartigen Element eingebetteter Temperatursensor vorzugsweise in axialer Richtung eingesteckt. Beim Ausfall des Temperatursensors kann dieser einfach ausgetauscht werden. Mehre Wicklungen die einen ringförmigen Wickelkopf bilden entstehen bei verteilten Wicklungen die durch axial lange Wickelköpfe und niedrige Nutfüllfaktoren in axial kurzen Hybridantrieben eine niedrige Leistungsdichte aufweisen.
Bei einem Temperatursensor gemäß DE 10 2011 084 229 A1 wird ein Sensorelement an einer Befestigungsvorrichtung durch eine Anschlussvorrichtung befestigt, die in einer Längsrichtung des Temperatursensors federnd ausgeführt ist. Die Sensoranschlussleitungen können so ausgeführt sein, dass diese die federnde Kraft auf das Sensorelement ausüben, wobei es sich bei den Sensoranschlussleitungen um jegliche elektrisch leitenden Leitungen handeln kann und in Abhängigkeit der auszuübenden Kraft auf das Sensorelement ein Material mit entsprechenden Eigenschaften und Ausmaßen gewählt wird. In Elektromotoren auftretende Vibrationen führen zu Mikrobewegungen zwischen der Sensorspitze und der Wicklung und beschädigen die durch den Drahtlack gebildete dünne Isolationsschicht.
Um von Toleranzen unabhängig zu sein, wird in DE 101 54 920 A1 ein wärmeleitfähiges Bauelement aus Metall - bevorzugt Kupferdraht - verwendet, das einen austauschbaren Temperatursensor thermisch mit der Wicklung verbindet. Das zusätzliche Bauteil erhöht die thermische Zeitkonstante des Sensorsystems und die Kosten.
DE 697 26 112 T2 beschreibt ein Wicklungs-Temperaturfühlelement das durch ein Durchgangsloch im Motorgehäuse montiert wird und durch eine einbiegbare Lasche gegen die Wicklung gedrückt wird, wobei ein hochwärmeleitfähiges Harz einen gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem Fühlelement und der Motorwicklung herstellt.
EP 2 485 023 A2 beschreibt einen Temperatursensor, welcher einen Polymerkörper zur Befestigung des Sensors an einer Montagefläche und zur Positionierung eines Temperatursensorelements in einer Zielflüssigkeit umfasst. Das Temperatursensorelement kann am distalen Ende des Polymerkörpers positioniert und durch eine mit einem wärmeleitenden Material gefüllte Metallkappe gegenüber der Flüssigkeit abgedichtet werden. Auf diese Weise kann der Polymerkörper das Temperatursensorelement und die Leiterbahnen innerhalb des Polymerkörpers von der Montagefläche thermisch isolieren. Der Polymerkörper kann auch einen Stecker am proximalen Ende aufweisen, um eine elektrische Verbindung mit dem Temperaturfühlelement zu erleichtern, einen Flansch, um den Sensor an der Montagefläche zu installieren, und eine Befestigungsfläche, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Montagefläche zusammenpasst. In einigen Beispielen kann der Polymerkörper in zwei Stufen aufgebaut sein, um unterschiedliche Konfigurationen des Anschlusses, des Flansches und/oder der Befestigungsfläche zu ermöglichen.
DE 41 42 180 C1 beschreibt einen Elektromotor mit mindestens zwei ausgeprägten, eine Wicklung tragenden Ständerpolen sowie mit mindestens einem der Feldwicklung zugeordneten Thermoschutzschalter. Eine sichere wärmeschlüssige Verbindung dieses Thermoschutzschalters mit dem Wickelkopf der Feldwicklung wird dadurch erzielt, dass der Thermoschutzschalter in einer Halterung mit einem zum Wickelkopf hin geöffneten Einsteckschlitz verrastbar angeordnet ist und dass die Halterung ein federndes Element aufweist, durch das die Kontaktfläche des Thermoschutzschalters gegen die Windungen des Wickelkopfes (19) pressbar ist. Hierdurch wird eine sichere und einfache wärmeschlüssige Verbindung zwischen dem Thermoschutzschalter und der Wicklung erzielt. Außerdem werden Schwankungen der Wickelkopfhöhe ohne zusätzliche Maßnahmen ausgeglichen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit Stator und Temperatursensor derart zu verbessern, dass unter Berücksichtigung aller in der Fertigung des Stators und des Temperatursensors auftretender Toleranzen ein gleichbleibend guter thermischer Kontakt zwischen einem austauschbaren Temperatursensor und der Statorwicklung aus konzentriert gewickelten Spulen bzw. dem Stator und somit ein geringer Messfehler bei schnellem Ansprechen des Temperatursensors erreichbar ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten unabhängigen Patentanspruchsgelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Stators anzugeben, wobei das Verfahren einen verbesserten Kontakt zwischen einem austauschbaren Temperatursensor und dem Stator gewährleisten soll, wobei vorzugsweise gleichzeitig geringe Herstellungskosten anfallen und bei Anwendung des Verfahrens vorher erzeugte Toleranzabweichungen ausgleichbar sind.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des zweiten unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem ersten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Temperatursensor für elektrische Maschinen vorzugsweise mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem Übergangsbereich zwischen beiden Enden ausgestattet ist.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor wird vorteilhafterweise in elektrischen Traktionsantrieben, insbesondere in leistungsstarken (>20kW) elektrischen Traktionsantrieben, im Bereich der Elektromobilität eingesetzt.
Bei elektrischen Maschinen handelt es sich vorzugsweise um Maschinen, die konzentriert gewickelte Einzelpole bzw. Einzelpolspulen aufweisen. Bei derartigen Spulen werden die Drähte mit einem bestimmten Drahtzug gewickelt, sodass diese ihre Position innerhalb der Spule halten. Vorteilhafterweise weisen die Spule bzw. die Spulen einer solchen elektrischen Maschine eine orthozyklische Wicklung auf.
Dabei ist an dem bzw. im Übergangsbereich ein Sensorelement und an dem ersten Ende ein Sensoranschluss angeordnet. Auf diese Weise ist das Sensorelement über den Sensoranschluss mit einer Auswerteeinheit verbindbar, wodurch eine Auswertung erfasster Daten des Sensorelements ermöglicht wird.
Des Weiteren ist zwischen dem ersten Ende und dem Übergangsbereich ein Hauptkörper und zwischen dem Übergangsbereich und dem zweiten Ende eine Sensorspitze angeordnet. Vorteilhafterweise dient der Hauptkörper zur Befestigung des Temperatursensors an beispielsweise einem Statorträger und als Verlängerung für das Sensorelement am Übergangsbereich, um dieses weit in einen Stator einzubringen. Günstigerweise erfüllt die Sensorspitze den Zweck, eine Kontaktierung in einem Messbereich zu gewährleisten, der vorzugsweise im Inneren eines Stators, beispielsweise zwischen zwei Spulen des Stators, liegt.
Auch weist die Sensorspitze einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und der Hauptkörper einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Übergangsbereich ebenfalls einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann die durch das Sensorelement zu erfassende Temperatur zum Sensorelement transportiert werden. Durch die zwei unterschiedlichen Werkstoffe kann die thermische Zeitkonstante der Sensorspitze bzw. des Temperatursensors reduziert und der Temperaturgradient zwischen der Spulenoberfläche und dem Sensorelement minimiert werden, wodurch schneller und exakter Temperaturen über das Sensorelement erfassbar sind.
Günstigerweise weist der Hauptkörper des Temperatursensors eine erste Querschnittsfläche und die Sensorspitze eine zweite Querschnittsfläche auf, wobei vorzugsweise die zweite Querschnittsfläche kleiner als die erste ist. Auf diese Weise kann die Sensorspitze einen Querschnitt aufweisen, der unterhalb des benötigten Querschnitts für ein Sensorelement liegt. Folglich kann die Sensorspitze in Bereiche zwischen zwei Spulen eines Stators einer elektrischen Maschine vordringen, die einem Sensorelement aufgrund seiner Größe verwehrt sind. Auch kann dadurch ein Sensorelement mit einem größeren Bauraumbedarf verwendet werden, das günstiger beschaffbar und weniger störanfällig ist.
Im vorliegenden Fall wird unter dem Begriff Querschnittsfläche eine Fläche verstanden, die lediglich von der äußersten Mantellinie umgeben wird. Anders ausgedrückt, wird unter einer Querschnittsfläche im Falle eines Hohlzylinders nicht die Fläche verstanden, an der der Hohlzylinder Material aufweist, sondern die Querschnittsfläche ist die gesamte innere Fläche des Hohlzylinders inklusive seinem Inneren ohne Material. Demzufolge haben z. B. ein Hohlzylinder und ein Vollzylinder mit identischem Außendurchmesser dieselbe Querschnittsfläche.
Bevorzugterweise weist die Sensorspitze des Temperatursensors einen trapezförmigen Querschnitt auf. Diese Form erlaubt beispielsweise das Einbringen der Sensorspitze in einen Zwischenraum eines Stators zwischen zwei auf hohe Nutfüllfaktoren optimierte Einzelpolspulen des Stators. Dabei ist die Trapezform an den vorgegebenen Zwischenraum angepasst und anpassbar.
Auch ist es bevorzugt, wenn die Sensorspitze des Temperatursensors einen H-förmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise kann eine z. B. gegenüber der Trapezform verminderte Querschnittfläche geschaffen werden. Mit der Gewichtsreduzierung sinkt auch die Wärmekapazität der Sensorspitze und damit die thermische Zeitkonstante des Temperatursensors.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Sensorspitze mindestens eine Fläche zur Kontaktierung aufweist. Mit Hilfe dieser mindestens einen Fläche kann die Sensorspitze optimal z. B. die Betriebstemperatur in einem Zwischenraum zwischen zwei Spulen eines Stators aufnehmen und zum Sensorelement leiten, wo diese vorzugsweise erfasst wird. Ferner erlaubt die mindestens eine Fläche eine einfache und praktikable Art der Anordnung in einem Messbereich, wobei der Messbereich vorzugsweise mindestens eine Gegenfläche aufweist, an der die mindestens eine Fläche anordenbar ist.
Günstigerweise weist die Sensorspitze zusätzlich zu der mindestens einen Fläche eine weitere Fläche aufweist, an der ein elastisches Element angeordnet ist. Auch ist es von Vorteil, wenn rückseitig zur mindestens einen Fläche ein elastisches Element angeordnet ist. Durch das elastische Element ist eine Kraft erzeugbar, die auf die mindestens eine Fläche wirkt. Dadurch kann ein verbesserter Kontakt zwischen der mindestens einen Fläche und mindestens einer Gegenfläche, angeordnet an einer Spule eines Stators, erreicht werden. Anders ausgedrückt, erzeugt das elastische Element beim Einschieben des austauschbaren Temperatursensors in den Zwischenraum bzw. durch einen Platzhalter geschaffenen Aufnahmeraum des Stators eine Kraft auf die Sensorspitze. Dadurch entsteht eine Flächenpressung zwischen der mindestens einen Fläche des Temperatursensors und der mindestens einen Gegenfläche des Aufnahme- bzw. Zwischenraums.
Bevorzugterweise weist die Sensorspitze des Temperatursensors zwei gegenüberliegende ebene Flächen zur Kontaktierung in einem Messbereich auf. Die Sensorspitze des Temperatursensors ist somit vorteilhafterweise stets in Kontakt zu zwei benachbarten Spulen angeordnet. Somit kann Die Betriebstemperatur eines Stators einer elektrischen Maschine exakt bestimmt werden.
Günstigerweise sind die zwei Flächen gegeneinander geneigt, wobei vorzugsweise die zwei Flächen einen Nutwinkel eines Stators einschließen. Mithilfe der Neigung der Flächen gegeneinander kann beispielsweise eine Trapezform erreicht werden, die mit ihren geneigten Flächen optimal an einen Zwischenraum zwischen zwei Spulen eines Stators anpassbar ist, wodurch eine gute Kontaktierung zweier benachbarter Spulen eines Stators gewährleistet werden kann. Somit ist also auch die Temperatur von zwei Spulen gleichzeitig erfassbar, wodurch der Arbeitspunkt des Stators genau bestimmbar ist.
Bevorzugt ist es ferner, dass zwischen den zwei Flächen ein elastisches Element angeordnet ist. Auch ist es von Vorteil, wenn die weitere Fläche zwischen den zwei Flächen angeordnet ist und vorzugsweise das elastische Element an der weiteren Fläche angeordnet ist. Das elastische Element erzeugt eine Kraft auf die zwei Flächen, sodass eine Flächenpressung zwischen den Flächen des Temperatursensors und Kontaktflächen im Messbereich auftreten kann, wodurch ein guter Kontakt zwischen der Sensorspitze und dem Messbereich bzw. Gegenflächen im Messbereich geschaffen wird.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die Sensorspitze an ihrem freien Ende eine gespaltene Messspitze mit mindestens einer Fläche zur Kontaktierung in einem Messbereich aufweist. Auch ist es bevorzugt, dass die gespaltene Messspitze ein federndes Element aufweist, um die mindestens eine Fläche mit einer Kraft zu beaufschlagen. Somit kann eine Anpresskraft auf die Messflächen erzeugt werden, wobei die gespaltene Messspitze, bei welcher durch die eigene Strukturfestigkeit oder durch ein federndes Element die beiden Spitzenhälften der Messspitze auseinandergedrückt und damit gegen die Messflächen gepresst werden.
Auch vorstellbar ist eine elastisch gekrümmte Ausführung des Hauptkörpers und/oder der Sensorspitze. Alternativ ist auch eine asymmetrische Dichtung zur Abdichtung des Temperatursensors gegen einen Statorträger denkbar. All diese Ausführungen helfen vorzugsweise dabei die mindestens eine Fläche bzw. die zwei gegenüberliegenden Flächen gegen mindestens eine Kontaktfläche zu pressen, um somit einen guten wärmeleitfähigen Kontakt zwischen der Sensorspitze und Kontaktflächen in einem Messbereich zu schaffen.
Vorteilhafterweise weist die Sensorspitze einen isolierenden Werkstoff, vorzugsweise einen Füllstoff, bevorzugt einen Kunststoff mit einem Füllstoff und besonders bevorzugt einen Kunststoff mit einem isolierenden jedoch wärmeleitenden Füllstoff auf. Mit Hilfe der isolierenden Eigenschaft kann die Sensorspitze zwei benachbarte Spulen, zwischen denen die Spitze angeordnet ist, gegeneinander isolieren und gleichzeitig die an diesem Ort erzeugte Temperatur abnehmen und zum Sensorelement leiten.
Bei dem isolierenden Werkstoff oder dem Kunststoff mit einem isolierenden jedoch wärmeleitenden Füllstoff handelt es sich bevorzugterweise um einen elektrisch isolierenden Werkstoff bzw. Kunststoff mit Füllstoff. Somit können beispielsweise zwei aneinandergrenzende Bauteile oder Spulen elektrische gegeneinander isoliert werden, um z. B. einen Funkenschlag zu verhindern.
Bevorzugterweise weist die Sensorspitze eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Dies erlaubt eine gute Wärmeweiterleitung von vorzugsweise mindestens einer Fläche der Sensorspitze zum Sensorelement. Gleiches gilt vorzugsweise für den Übergangsbereich.
Vorteilhafterweise weist der isolierende Werkstoff und vorzugsweise der Füllstoff Bornitrid- und/oder Aluminiumnitridpulver auf, um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten.
Auch ist es günstig, wenn die Sensorspitze mit einem Duroplast als Bindemittel ausgestattet ist. Dieser Kunststoff ist hart, ein elektrischer Isolator, ermöglicht hohe Füllgrade und weist nach der Herstellung keinen Schwund auf, wodurch passgenaue Formen für präzise Anwendungen realisierbar sind.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Sensorspitze mit dem Hauptkörper einstückig ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine stabile und einfache Konstruktion möglich.
Auch ist es günstig, wenn die Sensorspitze mit dem Hauptkörper als Spritzgussteil, insbesondere als 2K-Spritzgussteil bzw. Zwei-Komponenten-Spritzgussteil, einstückig ausgebildet ist. Somit kann der Temperatursensor einfach in einem Verfahren als ein Bauteil hergestellt werden, wobei der Spritzguss eine einfache und schnelle Produktion erlaubt.
Ferner ist es bevorzugt, dass zwischen dem ersten Ende und dem Übergangsbereich ein Befestigungsbereich angeordnet ist, der vorzugsweise einen Absatz aufweist. Auf diese Weise kann der Temperatursensor leicht an z. B. einem Statorträger befestigt werden.
Auch ist es von Vorteil, dass an dem Absatz eine Dichtung angeordnet ist, die vorzugsweise in Längsrichtung des Temperatursensors dichtet. Somit ist eine axiale Dichtung des Temperatursensors in eingebauten Zustand, d.h. wenn der Temperatursensor an einem Stator oder einem Statorträger angeordnet bzw. befestigt ist, möglich.
In der oben ausgeführten Beschreibung handelt es sich um einen austauschbaren Temperatursensor. Auf diese Weise kann ein defekter Temperatursensor z. B. einer elektrischen Maschine einfach und kostengünstig ausgetauscht werden, ohne dass aufwendige Reparaturarbeiten an der Maschine oder gar der Austausch einer elektrischen Maschine durchgeführt werden müssen.
Betreffend den ersten Aspekt der Erfindung, aber auch betreffend den noch folgenden dritten Aspekt, werden die zuvor erläuterten Merkmale ergänzt und nochmals mit anderen Worten widergegeben.
Erfindungsgemäß weist ein Temperatursensor mit einem ersten und einem zweiten Ende sowie mit einem Sensorelement, vorzugsweise zwischen den beiden Enden, zwei Werkstoffe mit unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit auf.
Weiter weist die zum Stator weisende Seite des Sensorelements - also zwischen Sensorelement und zweitem Ende - einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist und die gegenüberliegende Seite - zwischen Sensorelement und erstem Ende - einen Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit auf, der vorzugsweise Anschlussleitungen des Sensorelements umhüllt.
Weiter bildet der Teil mit hoher Wärmeleitfähigkeit - zwischen Sensorelement und zweiten Ende - eine Verlängerung bzw. eine Sensorspitze des austauschbaren Temperatursensors aus, welche vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Hierbei weist die Trapezform bevorzugterweise in Umfangsrichtung gegenüberliegende Kanten auf, die vorzugsweise bezogen auf einen Stator radial nach außen einen Öffnungswinkel bilden, der in etwa dem Nutwinkel 360 Grad/Nutzahl eines Stators entspricht.
Günstigerweise weisen diese Kanten der Verlängerung bezogen auf einen Stator in radialer Richtung eine Länge auf, die mindestens dem radialen Abstand zweier Drähte zweier benachbarter Spulen entspricht. Damit kann bei Runddrähten ein guter Kontakt zu mindestens einem Draht jeder der zwei benachbarten Spulen gewährleistet werden, unabhängig von der radialen Position des Temperatursensors relativ zur Spule.
Bevorzugterweise weist die wärmeleitende Verlängerung des Temperatursensors unter Beibehaltung der genannten Kanten eine gegenüber der reinen Trapezform verminderte Querschnittsfläche auf. Auf diese Weise kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden, wodurch die Wärmekapazität der Verlängerung bzw. der Sensorspitze sinkt und damit die thermische Zeitkonstante des Temperatursensors herabgesetzt wird.
Vorteilhafterweise weist eine nach außen weisende Kante der Verlängerung bzw. des Verlängerungsquerschnitts mindestens eine Vertiefung auf, in welcher vorzugsweise ein elastisches Element angeordnet ist. Mithilfe des elastischen Elements kann beim Einschieben des austauschbaren Temperatursensors in einem Aufnahmeraum bzw. in einen freien Zwischenraum zwischen zwei Spulen im Stator eine Kraft zur Drehachse bzw. zur Statormitte hin erzeugt werden, die auf die Sensorspitze bzw. die Verlängerung drückt und damit für eine Flächenpressung zwischen den Flächen des Temperatursensors und dem Aufnahmeraum sorgt.
Dank der Fläche bzw. der Flächen an der Sensorspitze bzw. der Verlängerung kann die Wärme mit einem sehr geringen Wärmekontaktwiderstand vom Spulenmaterial in die Sensorverlängerung bzw. in die Sensorspitze fließen. Es entsteht nur ein geringer Wärmegradient, der über alle Fertigungstoleranzen auch nur gering schwankt und so einen Messfehler klein hält.
Die Verlängerung bzw. die Sensorspitze des Temperatursensors weist vorzugsweise ein geringes Volumen auf; bei einer Querschnittsfläche <100mm² ist die Sensorspitze günstigerweise ca. 1 bis 100mm lang, damit ergeben sich 100 bis 10000mm³; vorzugsweise ist bei einer Querschnittsfläche <10mm² die Sensorspitze günstigerweise ca. 3 bis 10 mm lang, damit ergeben sich 30 bis 100mm³. Aufgrund des kleinen Volumens kann sehr hochwertiges Keramikpulver als Füllstoff mit geringen Auswirkungen auf die Kosten eingesetzt werden.
Die wärmeleitfähige Sensorspitze besteht vorteilhafterweise aus Bornitrid- oder Aluminiumnitridpulver mit vorzugsweise einem Duroplast als Bindemittel. Mit dem gleichen Duroplastwerkstoff allerdings ohne wärmeleitende Füllstoffe kann der Hauptkörper bzw. der Halteteil des Temperatursensors zum Anbringen an z. B. einem Statorträger ausgebildet sein.
Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Stator zur Aufnahme eines Temperatursensors für elektrische Maschinen mindestens eine Spule mit mindestens einem isolierten Draht aufweist. Mithilfe der mindestens einen Spule kann ein Magnetfeld erzeugt werden.
Des Weiteren weist der Stator eine Aufnahme auf, die mindestens eine Kontaktfläche umfasst. Auf diese Weise kann der Stator einen Temperatursensor, wie er vorzugsweise unter dem ersten Aspekt der Erfindung dargestellt ist, in seiner Aufnahme aufnehmen. Auch ist es mittels der mindestens einen Kontaktfläche möglich, zwischen dem Temperatursensor und dem Stator einen Kontakt herzustellen.
Ferner bildet der mindestens eine isolierte Draht zumindest einen Teil der mindestens einen Kontaktfläche. Dabei ist der Aufnahmeraum vorzugsweise derart an dem isolierten Draht der Spule angeordnet, dass die Kontaktfläche des Aufnahmeraums zumindest teilweise mit der Drahtoberfläche übereinstimmt. Dies erlaubt es auch eine Kontaktfläche direkt an dem mindestens einen Draht anzuordnen. Somit wird ein Ort geschaffen, an welchem die Temperatur der mindestens einen Spule ohne bzw. mit nur sehr geringem Temperaturgradient erfasst werden kann.
Bevorzugterweise ist der mindestens eine isolierte Draht mittelbar oder unmittelbar kontaktierbar. Auf diese Weise kann ein Fehler bei der Temperaturerfassung der mindestens einen Spule weiter reduziert werden. Dabei wird unter einer mittelbaren Kontaktierung bzw. Kontaktmöglichkeit verstanden, dass der mindestens eine Draht zumindest von einem weiteren Material, abgesehen von der Isolierung des mindestens einen Drahtes, umgeben ist. Bei einer unmittelbaren Kontaktierung bzw. Kontaktmöglichkeit steht der mindestens eine isolierte Draht direkt für eine Kontaktierung zur Verfügung, ohne weiteres Material, das den mindestens einen Draht bzw. dessen Isolierung umgibt. Somit kann z. B. zwischen einem Temperatursensor, wie bereits vorgestellt, und dem mindestens einen isolierten Draht ein Kontakt hergestellt werden, der im Falle der unmittelbaren Kontaktierung eine höhere Genauigkeit der Temperaturerfassung ermöglicht als bei der mittelbaren Kontaktierung.
Günstigerweise weist die Aufnahme des Stators in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung des Stators einen Querschnitt auf, der sich in Richtung der axialen Statormitte verjüngt. Auch ist es günstig, wenn die Aufnahme einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Aufnahme den trapezförmigen Querschnitt vorzugsweise zumindest in einem Endbereich der Aufnahme bzw. in einem Messbereich des Stators aufweist. Somit kann die Aufnahme des Stators an den Temperatursensor nach dem ersten Aspekt der Erfindung angepasst werden. Dies erlaubt einen guten Wärmeübergang vom Stator zum Temperatursensor, wodurch eine elektrische Maschine exakter steuerbar ist.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die mindestens zwei Kontaktflächen gegenüberliegend in der Aufnahme angeordnet sind. Eine gegenüberliegende Anordnung hat den Vorteil, dass die Temperatur zweier benachbarter Spulen erfassbar ist. Somit kann exakter auf die Temperatur im Stator rückgeschlossen werden, wodurch z. B. der Arbeitspunkt einer elektrischen Maschine besser steuerbar wird.
Vorteilhafterweise ist eine Kontaktfläche an einer Spule und eine weitere Kontaktfläche an einer weiteren Spule angeordnet. Durch die Anordnung der Kontaktfläche an einer Spule kann die Genauigkeit der Temperaturerfassung durch beispielsweise einen Temperatursensor gesteigert werden. Somit ist die Spulentemperatur auf einfache Weise erfassbar.
Der Stator weist vorzugsweise mindestens einen vergossenen Wickelkopf auf. Auf diese Weise kann Wärme vom Wickelkopf abgeführt und auf ein größeres Volumen verteilt werden. Somit wird eine bessere Kühlung ermöglicht. Ferner wird dessen mechanische Stabilität erhöht. Ferner sind vorzugsweise die Vorteile eines vergossenen Wickelkopfes die Vermeidung von Mikroschwingungen des Spulendrahts und der Schutz von unter elektrischer Spannung stehender Teile bzw. Spulen vor Fremdstoffen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Stators vor. Dabei weist der Stator einen Statorträger oder eine Vergussvorrichtung und einen Platzhalterstift auf, wobei der Stator mindestens zwei Spulen und der Statorträger oder die Vergussvorrichtung ein Durchgangsloch umfasst.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass in die Vergusseinrichtung ein Stator mit einem topfförmigen Statorträger eingelegt wird. Dabei bildet der Topfboden des Statorträgers die axiale Begrenzung des Vergussraums und das Durchgangsloch ist im Statorträger angeordnet.
Der Statorträger dient bevorzugterweise zum Halten von Statorelementen wie. z. B. von mit Spulen bewickelten Kernen eines Stators einer elektrischen Maschine, wobei vorzugsweise die Statorelemente durch den Statorträger zu einem Ring zusammengehalten werden. Hierbei kann der Statorträger den Zusammenhalt der Statorelemente an sich, beispielsweise durch Einpressen oder Befestigen mittels Befestigungsmittel, erzeugen oder auch einen bereits zusammengefügten Stator unterstützen.
Ferner weist der Statorträger oder die Vergussvorrichtung ein Durchgangsloch auf, durch welches ein Zugang durch den Statorträger oder die Vergussvorrichtung zu den mindestens zwei Spulen bzw. in den Stator möglich ist. Dadurch kann beispielsweise ein Platzhalterstift durch das Durchgangsloch in den Stator vorzugsweise zwischen zwei Spulen eingeführt werden.
Der Stator weist mindestens zwei Spulen, jedoch vorzugsweise eine Zahl an Spulen auf, sodass ein kreisförmiger Stator gebildet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nachstehende Schritte:

In einem Schritt des Verfahrens findet ein Anordnen des Statorträgers oder der Vergussvorrichtung an dem Stator mit den mindestens zwei Spulen statt. Auf diese Weise wird der Stator vor dem Vergießen bzw. Anspritzen eines Wickelkopfvergusses vormontiert.

Dabei ist in axialer Richtung des Stators ein freier Zwischenraum zwischen den mindestens zwei Spulen innerhalb des Durchgangslochs des Statorträgers oder der Vergussvorrichtung angeordnet. Somit kann auf einfache Weise von außen ein Platzhalterstift vor dem Vergießen durch das Durchgangsloch in den Zwischenraum zwischen zwei Spulen eingeführt werden, die den freien Zwischenraum innerhalb der Nuten eines Statorkerns auf einen tangential kleinen Spalt reduzieren. Mit dem dadurch realisierten hohen Nutfüllfaktor lassen sich höhere Leistungen erzielen.
Bei konzentriert gewickelten Einzelpolspulen, die vorzugsweise der Stator aufweist, findet sich zwischen zwei Spulen ein freier Zwischenraum, welcher keinen Draht aufweist. Unter dem „freien Zwischenraum“ wird vorzugsweise ein Hohlraum zwischen zwei Einzelpolspulen verstanden. Bei Spulen mit in Stufen variabler Spulenbreite ist es auch möglich, dass sich der freie Zwischenraum in radialer Richtung in mehrere Teile bzw. Zwischenraumteile untergliedert. Vorzugsweise weist der freie Zwischenraum bzw. der Zwischenraumteil eine V-Form auf, welcher einen schmalen Bereich mit einer Verengung (unteres Ende der V-Form) und einen breiten Bereich (oberes bzw. offenes Ende der V-Form) aufweist. Hierbei liegt günstigerweise der schmale Bereich radial innen bezüglich eines Stators und der breite Bereich radial außen bezüglich eines Stators.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens findet ein axiales Einschieben des Platzhalterstifts durch das Durchgangsloch in den freien Zwischenraum zwischen die mindestens zwei Spulen statt. Somit kann ein Platzhalterstift zum Zwecke des Freihaltens einer Aufnahme bzw. eines Aufnahmeraums in den Zwischenraum eingebracht werden.
Vorteilhafterweise wird das axiale Einschieben in einem radial äußeren Bereich des freien Zwischenraums durchgeführt, wobei günstigerweise die tangentiale Breite des freien Zwischenraums in diesem Bereich am größten ist bzw. handelt es sich hier bevorzugt um einen breiten Bereich einer V-Form des Zwischenraums.
Bevorzugterweise weist der Platzhalterstift eine trapezförmige Spitze auf, bei welcher vorzugsweise die lange Basis der Trapezform radial außen und die kurze Basis radial innen bezüglich der Statormitte angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Platzhalterstift mit seiner Spitze einfach zwischen zwei Spulen eingebracht werden, wobei die Form der Spitze an die Form des freien Zwischenraums angepasst ist.
Bei einer Temperaturmessung eines Stators mit radial innenliegendem Rotor ist es bevorzugt, den Teil des Zwischenraums bzw. den Zwischenraum zu wählen, der möglichst nah an der Statormitte angeordnet ist, um aussagekräftige Temperaturwerte während des Betriebs eines Stators zu erhalten.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens findet ein Bewegen des Platzhalterstifts radial nach innen zur Statormitte statt. Dadurch wird der Platzhalterstift in der V-Form des freien Zwischenraums in Richtung der Verengung bewegt.
Günstigerweise erfolgt das radiale Bewegen kraftgesteuert. Somit kann vorbestimmt werden, mit welcher Kraft der Platzhalterstift in radialer Richtung bewegt wird. Von der anderen Seite betrachtet, kann mit einer kraftgesteuerten Bewegung vorbestimmt werden, wann die Bewegung in die Statormitte beendet ist. Denn die kraftgesteuerte Bewegung erlaubt nur eine Bewegung in eine Richtung bis zum Erreichen einer vorbestimmten Gegenkraft, bei welcher sich die Kraft in Bewegungsrichtung und die Kraft entgegen der Bewegungsrichtung, hervorgerufen durch z. B. Bauteilkontakt, gegeneinander aufheben.
Es ist bevorzugt, dass durch das radiale Bewegen des Platzhalterstifts mindestens ein Draht jeder der mindestens zwei Spulen kontaktiert wird. Auf diese Weise ist die oben erwähnte Kraft in Bewegungsrichtung bzw. das radiale kraftgesteuerte Bewegen bis zum Kontakt an mindestens zwei Spulen bzw. deren Draht vorbestimmbar. Vorteilhafterweise ist die Kraft für das radiale Bewegen so eingestellt, dass eine Beschädigung der Drahtisolierung bzw. des Isolierlacks auf den gewickelten Drähten einer Spule sicher vermieden werden kann.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens finden ein Vergießen des Stators und ein Abkühlen unter den Erstarrungspunkt des Vergusswerkstoffs statt. Dabei werden durch den Verguss die Spulen weiter stabilisiert und geschützt sowie die Wicklungswärme verteil- und ableitbar.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens findet ein axiales Ausschieben des - Platzhalterstifts statt. Dadurch wird der mit dem Platzhalterstift freigehalten Raum bzw. eine Aufnahme frei zum Einbringen eines Temperatursensors, wie er unter dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Bei dem beschriebenen Verfahren ist es günstig, wenn die Bewegungsrichtung des Platzhalterstifts tangential zum Stator freigegeben ist. Dadurch kann ein Winkelfehler beim Anordnen des Statorträgers oder der Vergussvorrichtung an dem Stator mit den mindestens zwei Spulen ausgeglichen, vorzugsweise automatisch ausgeglichen werden. Ein Winkelfehler entsteht z. B. dadurch, dass ein Statorträger an einem Stator vormontiert wird, und dabei der Statorträger nicht exakt an dem Stator ausgerichtet wird, sodass beispielsweise das Durchgangsloch nicht exakt zu einem freien Zwischenraum ausgerichtet ist bzw. dass die Achse des mindestens einen Durchgangslochs mit der Achse des freien Zwischenraums nicht fluchtet.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die tangentiale Bewegung zumindest während dem Schritt des radialen Bewegens des Platzhalterstifts nach innen zur Statormitte freigegeben ist. Somit kann ein automatisches Ausgleichen auf einfache Art erfolgen und der Kontakt des Platzhalterstiftes zu Drähten der zwei benachbarten Spulen gewährleistet werden.
Bevorzugterweise weist der Platzhalterstift einen Absatz auf, an welchem vorzugsweise eine Dichtung angeordnet ist, die günstigerweise den Platzhalterstift axial gegen den Statorträger oder die Vergussvorrichtung abdichtet. Mithilfe der axialen Abdichtung kann auf einfache Weise der zu vergießende Innenraum um den Statorwickelkopf im Bereich des Durchgangsloches mit dem Platzhalterstift abgedichtet werden.
Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn ein Statorträger topfförmig ausgebildet ist und/oder einen Teil einer Vergussvorrichtung bildet.
Des Weiteren werden betreffend alle vorgestellten Aspekte im Bereich der axialen Stirnseite des Stators, in dem ein austauschbarer Temperatursensor eingebracht werden soll, unter einer Vergussvorrichtung oder unter einem Statorträger ein topfförmiges und/oder ein einstückiges Bauteil verstanden, das den zu vergießenden Raum axial begrenzt. Radial nach innen und auf der gegenüberliegenden Wickelkopfseite schließt die Vergussvorrichtung den Gussraum vorzugsweise dicht ab. Der Verguss erfolgt bevorzugt unter hohem Druck als Spritzguss. Auch kann der Statorträger mehrteilig ausgeführt sein und bevorzugt aus einem rohrförmigen Kühlmantel mit Flansch bestehen, wobei der Flansch bevorzugterweise angeschraubt und/oder scheibenförmig ausgebildet ist. Auch kann der Statorträger eine Hülle sein, die einen Stator teilweise umgeben, wobei die Hülle vorzugsweise stationär den Stator umgibt. Beispielsweise kann der Statorträger auch ein Motorschild, ein Lagerschild oder ein Motorgehäuse sein, wobei vorzugsweise ein Durchgangsloch in einem Gehäusedeckel angeordnet ist.
Die Vergussvorrichtung wird zur Herstellung des Vergusses benutzt und dichtet während des Gießvorgangs alle Oberflächen des Vergussraums ab, die nicht durch den Stator (seinen Kern und Träger) gebildet werden.
Anders ausgedrückt wird bevorzugterweise unter dem Begriff „Statorträger“ ein Gehäusebauteil bzw. werden alle Gehäusebauteile verstanden, die stationär einen Stator umgeben. Die Vergussvorrichtung umgibt den Stator an den freien Flächen nur temporär während des Gießprozesses und dichtet den Gießraum gegen den vormontierten Statorträger ab, so dass der Gießraum im Zusammenspiel von Statorträger und Vergussvorrichtung einen abgedichteten Hohlraum bildet, in den Vergusswerkstoff mit Druck eingebracht werden kann.
Bevorzugt bildet ein Teil des Statorträgers beim Vergießen in axiale Richtung die Begrenzung eines Vergussraums, so dass der Guss bzw. der gegossene Werkstoff einen sehr guten dauerhaften Kontakt zu einem Statorträger bilden kann.
Alternativ ist es auch möglich, den Statorträger, insbesondere dessen Flansch, auch nachträglich zu montieren. Hierbei ist es günstig, wenn die Aufnahme oder eine Erhöhung des Vergusses um die Öffnung der Aufnahme als Positionierhilfe dient, so dass das mindestens eine Durchgangsloch des Statorträgers günstigerweise geringfügig größer (d.h. größer 10 %, vorzugsweise größer 5 %, besonders bevorzugt größer 0,5 %, günstigerweise als Spielpassung) als ein Durchgangsloch der Vergussvorrichtung ausgebildet ist.
Für den Fall, dass der Statorträger oder ein vergleichbares Gehäusebauteil nach dem Vergießen des Stators axial auf die entstandene Vergussstirnfläche des Statorgusses montiert wird, ist es bevorzugt, dass zur Schaffung eines verbesserten Wärmeübergangs vom Guss zum Statorträger eine Wärmeleitpaste zwischen dem Guss und dem Statorträger angeordnet ist.
Die vorgenannten Richtungen, wie z. B. radial, tangential oder axial beziehen sich stets auf den Stator, in dessen radialer Mitte die Statormitte bzw. die Drehachse eines Rotors liegt, wobei sich der Umfang des Stators in tangentialer Richtung erstreckt und der bezüglich seiner Achse axial ortsfest ist. Diese Richtungsdefinition ist auch für die anderen vorgestellten Aspekte analog anwendbar.
Betreffend den dritten Aspekt der Erfindung, aber auch betreffend den ersten Aspekt, werden die zuvor erläuterten Merkmale ergänzt und nochmals mit anderen Worten widergegeben.
Im erfindungsgemäßen Verfahren weist der Platzhalterstift vorzugsweise eine trapezförmige Spitze auf, wobei die Trapezform vorteilhafterweise so angeordnet ist, dass sich diese zum radialen Ende hin in Richtung des freien Zwischenraums verjüngt.
Der Platzhalterstift kann vorzugsweise in einem Vergusswerkzeug in drei Raumrichtungen beweglich ausgestaltet sein, wobei günstigerweise in tangentialer Richtung mindestens ein Federelement einen geringen Weg für einen Toleranzausgleich zulässt.
In radialer Richtung sorgt günstigerweise ein Stellantrieb für eine kraftgesteuerte Kurzhubbewegung, so dass vorzugsweise der Platzhalterstift auf einem etwas größeren Radius in einen trapezförmigen Hohlraum zwischen zwei Einzelpolspulen axial eingeschoben werden kann. Zum Abschluss der Einschubbewegung wird der Platzhalterstift günstigerweise radial von einem Stellantrieb nach innen bewegt. Durch den tangentialen Toleranzausgleich und die abschließende Radialbewegung kann sichergestellt werden, dass der Platzhalterstift auf einer größeren Fläche direkt an den Drähten der Spulen auf beiden tangentialen Seiten anliegt, ohne dass beim axialen Einschieben durch einen Reibkontakt eine Beschädigung der Drahtisolierung des Isolierlacks auftritt.
Bevorzugterweise reicht die radiale Druckkraft der Platzhalterspitze aus, um die Drähte bzw. Runddrähte an der Kontaktlinie zwischen dem Platzhalterstift und der mindestens einen Spule etwas abzuflachen, so dass vorzugsweise Kontaktstreifen entstehen bzw. mindestens eine Kontaktfläche, insbesondere mit einer Breite von mehreren Zehntelmillimeter. Alternativ kann die Oberfläche der Spulen mit Drähten bzw. Runddrähten insbesondere im Sensorbereich schon vor der Montage in einen Statorring durch ein separates Werkzeug vorbehandelt bzw. gepresst werden.
Der direkte Kontakt der wärmeleitenden Sensorspitze über die beidseitigen Kontaktstreifen bzw. -flächen zum Lack der Drähte bzw. der Spulen stellt eine sehr geringe Temperaturdifferenz zwischen der Draht- bzw. Spulentemperatur am Kontaktstreifen und der Sensorelementtemperatur in der Sensorspitze sicher.
Dank des sehr geringen thermischen Widerstands an den Kontaktstreifen und der hohen Wärmeleitfähigkeit des Verlängerungsbereichs bzw. der Sensorspitze, stellt sich vorteilhaft ein von Fertigungstoleranzen weitgehend unbeeinflusster geringer Temperaturunterschied zwischen einem Spulendraht und dem Sensorelement ein. Die Messunsicherheit über die gesamte Fertigungsstreuung sinkt von mehreren Kelvin auf wenige Zehntel Kelvin und erlaubt eine wesentlich exaktere Ausnutzung der Antriebsleistung einer elektrischen Maschine.
Die erfindungsgemäße Lösung nutzt ferner vorteilhafterweise den Raum bzw. den freien Zwischenraum zwischen mindestens zwei Spulen optimal aus, indem der Raum zwischen zwei benachbarten Spulen vorzugsweise nicht nur bis zum tangential beidseitigen Kontakt ausgenutzt wird. Sondern es wird bevorzugterweise die tangential verfügbare Breite des Raums durch Krafteinwirkung auf den Platzhalterstift und Ausnutzen von Elastizitäten im Spulenaufbau ausgenutzt bzw. bei einem Abplatten des Runddrahts die Drahtoberfläche sogar noch vergrößert.
Trotzdem kann bei auf hohe Nutfüllfaktoren optimierten Einzelpolspulen der Raum für den Temperatursensor zwischen den Spulen innerhalb der Nut bzw. im freien Zwischenraum nicht für die Anordnung des Sensorelements ausreichen. In diesen Fällen bleibt das Sensorelement axial außerhalb der Nut des Statorkerns angeordnet und vorzugsweise nur die wärmeleitende Verlängerung bzw. die Sensorspitze ragt eine kurze Strecke im freien Zwischenraum axial in den Nutbereich des Statorkerns.
Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform des Temperatursensors und des Verfahrens zur Herstellung weicht die erfasste Temperatur nur wenige Zehntel Kelvin von der tatsächlichen Drahtoberflächentemperatur ab. Auch bei großen Stückzahlen und über die gesamten Fertigungstoleranzen schwankt diese Temperaturabweichung nur um wenige Zehntel Kelvin und ist damit um ca. den Faktor 10 geringer als bei konventionellen Lösungen.
Die radiale Höhe einer Platzhalterspitze eines Platzhalterstifts übertrifft vorzugsweise den radialen Abstand der Runddrähte um mindestens 10%, so dass günstigerweise in der Kontaktfläche der Sensorspitze mindestens eine Kontaktlinie zum Spulendraht auf jeder der beiden Seiten bzw. zu jeder der mindestens zwei Spulen gewährleistet ist.
Zur Realisierung dieses vorteilhaft gesicherten doppelseitigen direkten Wärmekontakts zu stromführenden Spulendrähten ist günstigerweise die Position des Temperatursensors radial variabel, wie es bereits zuvor ausgeführt wurde.
Ferner ist günstigerweise die Sensorspitze bzw. die wärmeleitende Verlängerung des Temperatursensors - unabhängig von auftretenden Abmessungstoleranzen der Spule - im Kontakt zu zwei benachbarten Spulen angeordnet. Dies kann dadurch erreicht werden, indem die radiale Position des Temperatursensors variiert. Hierbei vergrößert sich der Positionsradius bei Spulen mit Übermaß und bei Untermaß wird eine Position radial näher an der Drehachse bzw. der Statormitte realisiert. Anders ausgedrückt, kann ein gesicherter doppelseitiger und vorzugsweise direkter Wärmekontakt zu stromführenden Spulendrähten dadurch realisiert werden, indem die Position des Temperatursensors bezogen auf eine Nut des Stators radial variabel ist.
Zusätzlich variiert bevorzugterweise auch die tangentiale Position des Temperatursensors in Bezug auf ein Durchgangsloch entsprechend der Positionstoleranz bei der Montage des Stators an dem Statorträger bzw. einer Vergussvorrichtung. Die Position des Temperatursensors orientiert sich vorzugsweise vollständig an den relevanten Spulenoberflächen des Stators, auch wenn ungünstigerweise die Vergussvorrichtung am Statorträger und nicht am Statorkern referenziert wird.
Im Aufnahmeraum des Vergusses für den Temperatursensor gibt es vorzugsweise auf tangential gegenüberliegenden Seiten Kontaktflächen bzw. -streifen, die direkt durch die Isolierung des Spulendrahts meist Drahtlack gebildet werden. Diese Kontaktstreifen weisen bevorzugterweise auch bei Runddrähten eine geringe Breite in radialer Richtung auf, da der Platzhalterstift beim Einfügen vorzugsweise kraftgesteuert auf die Drähte drückt und hierdurch eine gewünschte lokale Abplattung der Drahtoberfläche erzeugt werden kann.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine elektrische Maschine, vorzugsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges, einen Temperatursensor, einen Rotor und einen Stator aufweist. Bei einer elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Elektroantrieb oder um einen Elektromotor handeln.
Dabei umfasst der Temperatursensor die oben unter dem ersten Aspekt betreffend den Temperatursensor genannten Merkmale, einzeln oder in Kombination. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Stator die oben unter dem zweiten Aspekt hinsichtlich des Stators genannten Merkmale, einzeln oder in Kombination aufweist.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Stator eine Aufnahme mit mindestens einer Kontaktfläche und vorzugsweise konzentriert gewickelte Einzelpolspulen aufweist. Die Kontaktfläche erlaubt eine einfache Kontaktierung.
Günstigerweise weist der Temperatursensor eine Sensorspitze zur Erfassung einer Betriebstemperatur des Stators auf. Die Sensorspitze erlaubt es die Temperatur eines Stators dort zu erfassen, wo ein Sensorelement nicht oder nur schwer z. B. aufgrund der baulichen Größe anordenbar ist.
Ferner ist es günstig, wenn die Sensorspitze mindestens eine Fläche zur Kontaktierung mindestens einer Kontaktfläche einer Spule des Stators aufweist. Somit kann über die mindestens eine Fläche in Anlage bzw. in Kontakt mit beispielsweise der mindestens einen Kontaktfläche die Sensorspitze bzw. der Temperatursensor einfach und schnell die Temperatur im Spulendraht des Stators erfassen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensorspitze ein- und ausführbar in der an die Form der Sensorspitze angepassten Aufnahme des Stators aufgenommen ist. Dadurch wird ein schneller und einfacher Austausch eines defekten Temperatursensors ermöglicht, ohne dass die gesamte elektrische Maschine demontiert werden muss.
Bevorzugterweise weist die Sensorspitze zusätzlich zu der mindestens einen Fläche eine weitere Fläche auf, an der ein elastisches Element angeordnet ist. Mithilfe dessen kann eine Kraft auf die mindestens eine Fläche ausgeübt werden.
Auch ist es von Vorteil, wenn das elastische Element der Sensorspitze, die vorzugsweise in die Aufnahme eingebracht bzw. eingeführt ist, eine Kraft auf die mindestens eine Fläche ausübt, sodass günstigerweise die mindestens eine Fläche auf die mindestens eine Kontaktfläche der Aufnahme gedrückt wird. Durch die Kraft kann ein sicherer Kontakt zwischen der Sensorspitze bzw. deren mindestens einen Fläche und einer Statorwicklung bzw. deren mindestens einer Kontaktfläche gewährleistet werden.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors vorgesehen, der vorzugsweise die oben unter dem ersten Aspekt genannten Merkmale einzeln oder in Kombination umfasst. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die nochmalige Einführung bereits bekannter Merkmale aus den anderen Aspekten verzichtet. Gleichwohl sind die Merkmale der anderen Aspekte auch hier anwendbar.
Günstigerweise weist der Temperatursensor ein Sensorelement auf, welches vorzugsweise in einer Glasperle angeordnet bzw. von einer Glasperle umhüllt ist. Somit kann ein Standardelement für das Sensorelement verwendet werden, wodurch Kosten niedrig gehalten werden können.
Vorzugsweise an drei Stellen wird die Glasperle beim Zwei-Komponenten-Umspritzen in einem Spritzwerkzeug mittig ausgerichtet, ohne dass im Spritzgusswerkzeug zur Sensorherstellung aufwendige Schieberelemente benötigt werden.
Das Verfahren umfasst bevorzugterweise nachstehende Schritte:

Ein erster Schritt weist günstigerweise ein Ausrichten des Sensorelements auf, vorzugsweise der Glasperle, in einem ersten Werkzeug. Dabei wird günstigerweise das Sensorelement bzw. die Glasperle mittig ausgerichtet. Dies geschieht bevorzugt mit drei Kontaktpunkten am Werkzeug.

Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Schließen des ersten Werkzeugs auf. Dadurch ist das Werkzeug für ein Einspritzen von einem ersten Werkstoff vorbereitet.
Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Einspritzen eines ersten Werkstoffes mit einer ersten Spritzeinheit für die Herstellung mindestens einer Fläche zur Kontaktierung in einem Messbereich auf. Mithilfe der mindestens einen Fläche kann auf einfache Weise eine Kontaktierung einer Sensorspitze des Temperatursensors in z. B. einem Aufnahmebereich eines Stators mit mindestens einer entsprechenden Gegen- bzw. Kontaktfläche stattfinden. Der erste Werkstoff weist günstigerweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch vorzugsweise einen hohen Füllgrad mit isolierendem, wärmeleitfähigen Pulver auf. Bezüglich weiterer Ausgestaltungen mit Werkstoffen wird auf die Merkmale zum Temperatursensor verwiesen.
Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Abkühlen unter den Erstarrungspunkt des ersten Werkstoffs auf. Somit wird der erste Werkstoff ausgehärtet und der Temperatursensor ist von der Sensorspitze bis zu einem Übergangsbereich fertiggestellt.
Ein weiterer Schritt weist vorzugsweise ein Umsetzen und Ausrichten des Zwischenprodukts aus dem ersten Werkstoff in ein zweites Werkzeug auf. Somit kann ein Zwei-Komponenten-Umspritzen realisiert werden. Alternativ kann das erste Werkzeug weiterbenutzt werden, indem lediglich die das Sensorelement zunächst positionierende Werkzeughälfte gewechselt wird (Core-Back-Technik).
Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Schließen des zweiten Werkzeugs auf. Dadurch ist das Werkzeug für ein Einspritzen von einem zweiten Werkstoff vorbereitet.
Ein weiterer Schritt umfasst vorzugsweise ein Einspritzen des zweiten Werkstoffes für die Herstellung eines Hauptkörpers des Temperatursensors.
Der zweite Werkstoff besteht hierzu bevorzugt aus dem gleichen Kunststofftyp wie der erste Werkstoff nur ohne wärmeleitende Füllstoffe. Dafür können im zweiten Werkstoff auch Fasern wie z. B. Glasfasern zur Erhöhung der Festigkeit eingesetzt werden.
Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Abkühlen unter Erstarrungspunkt des zweiten Werkstoffs auf. Somit wird der zweite Werkstoff bzw. der Hauptkörper ausgehärtet.
Ferner ist es in einem weiteren Schritt möglich, an den Temperatursensor bzw. an dessen Sensorspitze ein elastisches Element anzuspritzen, das günstigerweise an einer weiteren Fläche angeordnet ist, die die Sensorspitze zusätzlich zu der mindestens einen Fläche aufweist. Dieses elastische Element weist vorzugsweise einen dritten Werkstoff auf. Auf diese Weise kann beim Einsetzen der Sensorspitze bzw. des Temperatursensors in eine an die Sensorspitze angepasste Aufnahme eine Kraft auf die mindestens eine Fläche ausgeübt werden, wodurch die mindestens eine Fläche gegen mindestens eine Kontaktfläche in der Aufnahme gepresst wird. Dadurch kann ein guter wärmeleitender Kontakt geschaffen werden. Dies ist für eine Temperaturmessung z. B. innerhalb einer elektrischen Maschine nützlich, um die elektrische Maschine mit maximaler Leistung zu Betreiben und vor Überhitzung zu schützen.
In einen letzten bevorzugten Schritt wird der fertige Temperatursensor ausgeworfen.
Betreffend das vorgestellte Herstellungsverfahren eines Temperatursensors wird darauf hingewiesen, dass auf weitere Verfahren des Zweikomponentenspritzgießens anwendbar sind, sowie deren Kombination.
So können beispielsweise für den Temperatursensor auch die Werkzeug-Techniken Drehteller, Drehwerkzeug, Drehkreuze / Drehkerne, Umsetz- bzw. Einlegetechnik und Core-Back-Technik zum Einsatz kommen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale des Temperatursensors, des Stators, des Verfahrens zur Herstellung eines Stators, der elektrischen Maschine sowie der Herstellung des Temperatursensors über alle Aspekte der Erfindung hin miteinander kombinierbar sind.
Merkmale, die beispielsweise nur zu einem Aspekt der Erfindung vorgestellt wurden, insbesondere betreffend die Sensorspitze, den Temperatursensor, den Stator, das Verfahren zur Herstellung eines Stators, die elektrische Maschine oder die Herstellung des Temperatursensors, sind auch auf einen anderen Aspekt übertragbar, da vorzugsweise die einzelnen Aspekte miteinander in Beziehung stehen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen schematisch:

1 einen Temperatursensor in geschnittener Ansicht;
2 in Schnittansicht einen Temperatursensor eingesetzt in eine elektrische Maschine;
3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie C-C aus 2;
4 in Schnittansicht einen Platzhalterstift in einer elektrischen Maschine während des Vergusses;
5 einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Aufnahme für einen Temperatursensor in einer elektrischen Maschine;
6 einen weiteren Schritt des Verfahrens aus 5;
7 einen in die erstellte Aufnahme aus 5 und 6 eingeführten Temperatursensor; und
8 relative Positionen von Durchgangsloch und Platzhalterstift zueinander beim Verfahren zur Herstellung eines Stators.

In nachfolgender Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
1 zeigt einen Temperatursensor 1 für elektrische Maschinen in geschnittener Ansicht. Der Temperatursensor 1 hat ein erstes Ende 2, ein zweites Ende 3 und einen Übergangsbereich 4 zwischen den beiden Enden 2, 3.
An bzw. in dem Übergangsbereich 4 ist ein Sensorelement 5 angeordnet. Mithilfe des Sensorelements 5 kann eine Temperatur erfasst werden. Das Sensorelement ist in einer Glasperle 6 eingebettet. An dem ersten Ende 2 ist ein Sensoranschluss 7 angeordnet. Der Sensoranschluss 7 kann mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden werden, die die vom Sensorelement 5 erfassten Daten wiedergibt, speichert und/oder auswertet, um eine elektrische Maschine, in welche der Temperatursensor eingeführt werden kann, zu regeln.
Zwischen dem ersten Ende 2 und dem Übergangsbereich 4 befindet sich ein Hauptkörper 8. Dieser dient als Einführverlängerung für den Temperatursensor 1, um das Sensorelement 5 möglichst weit innen in einer elektrischen Maschine zu platzieren. Der Hauptkörper 8 weist einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf. Hierfür kommen beispielsweise Kunststoffe in Frage, insbesondere Duroplaste, da diese bei der Herstellung keinen Schwund aufweisen, und somit hoch präzisen Anwendungen - wie im vorliegenden Fall - genügen.
Am Hauptkörper 8 bzw. zwischen dem ersten Ende 2 und dem Übergangsbereich 4 ist ein Befestigungsbereich 12 angeordnet, der einen Absatz 13 aufweist. Der Befestigungsbereich 12 bzw. der Absatz 13 hilft, den Temperatursensor 1 ortsfest in einer elektrischen Maschine bzw. in einem Stator 20 zu befestigen. Der Absatz 13 kann dabei beispielsweise mit einem Statorträger 10 verschraubt werden. Eine Schraubverbindung erlaubt einen einfachen Austausch eines defekten Temperatursensors bei gleichzeitiger stabiler und sicherer Halterung in einem Messbereich.
Zwischen dem Übergangsbereich 4 und dem zweiten Ende 3 befindet sich eine Sensorspitze 9 zur Kontaktierung in einem Messbereich z. B. innerhalb eines Stators 20. Dabei weist die Sensorspitze 9 im Gegensatz zum Hauptkörper 8 einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf.
Anders ausgedrückt, hat die Sensorspitze 9 einen Werkstoff, der im Vergleich zum Werkstoff des Hauptkörpers 8 eine hohe bzw. höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Konkret handelt es sich bei der Sensorspitze 9 um einen elektrisch isolierenden Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder einen Kunststoff mit einem Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Bornitrid- und/oder Aluminiumnitridpulver. Diese können mit demselben Kunststofftyp wie der Hauptkörper 8, insbesondere mit einem Duroplast als Bindemittel ausgebildet sein.
Auf diese Weise wird die in einem Messbereich erzeugte Wärme von der Sensorspitze 9 aufgenommen und zum Übergangsbereich 4 geleitet, in welchem das Sensorelement 5 die Temperatur erfassen kann.
Ferner ist der Temperatursensor 1 sowie die Sensorspitze 9 einstückig ausgebildet. Auch somit wird eine stabile und sichere Wärmeleitung von der Sensorspitze hin zum Übergangsbereich 4 bzw. zum Sensorelement 5 gewährleistet. Gleichzeitig weist eine einstückige Bauweise eine hohe mechanische Stabilität auf.
Der Übergangsbereich 4 selbst weist ebenfalls den Werkstoff der Sensorspitze 9 mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf, der im Übergangsbereich 4 allerdings nicht den gesamten Umfangsraum um das Sensorelement füllen muss. So ist es möglich, dass der Werkstoff des Hauptkörpers 8 partiell in den Übergangsbereich 4 ragt.
Aufgrund der Ausbildung des Hauptkörpers 8 mit einem Werkstoff von geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Sensorspitze 9 und als der Übergangsbereich 4 wird die von der Sensorspitze 9 weitergeleitete Wärme nicht oder nur schlecht vom Übergangsbereich 4 zum Hauptkörper 8 bzw. zum ersten Ende 2 transportiert. Anders ausgedrückt, ist mithilfe des Werkstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Temperatur an einem entfernten Ort über die Sensorspitze 9 erfassbar, ohne dass Wärme von dem Übergangsbereich 4 mit seinem Sensorelement 5 über den Hauptkörper 8 abgeleitet wird. Dadurch entsteht in der Sensorspitze 9 nur ein sehr kleiner Temperaturgradient und im Wesentlichen ist die Temperatur am Sensorelement 5 erfassbar, die tatsächlich an den Kontaktflächen 9.1, 9.2 der Sensorspitze 9 vorhanden ist.
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass durch die zwei unterschiedlichen Werkstoffe der Einfluss variabler Temperaturgradienten minimiert und hierdurch die Messgenauigkeit signifikant verbessert wird. Zusätzlich wird die thermische Zeitkonstante der Sensorspitze 9 bzw. des Temperatursensors 1 reduziert, wodurch schneller und exakter Temperaturen über das Sensorelement 5 erfassbar sind.
1 zeigt ferner zwei Schnitte durch den Temperatursensor 1, und zwar einen Schnitt durch die Sensorspitze 9 entlang der Linie A-A und einen weiteren Schnitt durch den Hauptkörper 8.entlang der Linie B-B.
Der Schnitt A-A zeigt, dass die Sensorspitze 9 - abgeleitet von einer Trapezform - einen H-förmigen Querschnitt hat, wobei die Sensorspitze 9 zwei gegenüberliegende ebene Flächen 9.1, 9.2 zur Kontaktierung in einem Messbereich aufweist. Ferner schließen die zwei gegeneinander geneigten Flächen 9.1, 9.2 einen Nutwinkel α eines Stators 20 ein.
Auf diese Weise kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden, wodurch die Wärmekapazität der Sensorspitze 9 sinkt und damit die thermische Zeitkonstante des Temperatursensors 1 herabgesetzt wird.
Zwischen den zwei Flächen bzw. rückseitig zu den Flächen 9.1, 9.2 ist ein elastisches Element 10 angeordnet. Anders ausgedrückt, ist das elastische Element 10 auf einer weiteren Fläche 9.3 angeordnet, die die beiden Flächen 9.1, 9.2 verbindet. Dieses Element hat die Aufgabe ein Kraft F auf die beiden Flächen 9.1, 9.2 auszuüben, um einen wärmeleitenden Kontakt herzustellen. Für eine weiterführende Erklärung wird auf die nachfolgenden Figuren verwiesen.
Alternativ zu dem elastischen Element 10 kann die Sensorspitze 9 an ihrem freien Ende eine gespaltene Messspitze mit zwei gegenüberliegenden Flächen zur Kontaktierung in einem Messbereich aufweisen. Um einen sicheren Kontakt mit einem Messbereich herzustellen kann die gespaltene Messspitze ein federndes Element zwischen den beiden Flächen aufweisen, um die Flächen mit einer zusätzlichen Kraft zu beaufschlagen.
Im Schnitt B-B ist der Querschnitt des Hauptkörpers 8 dargestellt. Dieser ist im vorliegenden Fall rund, insbesondere kreisrund. Der Querschnitt kann aber auch jede andere Form, wie z. B. eine dreieckige, rechteckige oder polygone Form aufweisen.
Bei Vergleich der Querschnittsfläche Q1 des Hauptkörpers 8 mit der Querschnittsfläche Q2 fällt auf, dass die Querschnittsfläche Q2 kleiner ist als die erste Querschnittsfläche Q1.
Dies erlaubt zum einen die Erfassung einer Temperatur über die Sensorspitze 9 in einem Raum, welcher für das Sensorelement 5 zu klein ist, und zum anderen weist aufgrund des größeren Querschnitts bzw. aufgrund der Querschnittsfläche Q1 der Temperatursensors 1 eine höhere mechanische Stabilität auf.
Um die Wärmeleitfähigkeit des Hauptkörpers 8 weiter zu vermindern, kann dieser ähnlich einem Hohlzylinder ausgestaltet sein. Denn Luft weist eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf bzw. ist ein guter Isolator.
Des Weiteren ist in 1 ein Koordinatenpfeil eingezeichnet, der eine axiale Richtung A bzw. eine Längsrichtung L des Temperatursensors 1 anzeigt. In den nachfolgenden Figuren ist ein Koordinatenkreuz dargestellt, das drei Richtungsachsen aufweist, nämlich eine axiale Richtung A (auch Längsrichtung L), eine tangentiale Richtung T und eine radiale Richtung R. Die Richtungen sind stets auf einen Stator 20 bezogen.
2 zeigt einen Temperatursensor 1 in einer elektrischen Maschine mit zwei Spulen 20.1, 20.2 eines Stators 20 und einem Statorträger 11. Der Raum zwischen den Spulen 20.1, 20.2 und dem Statorträger 11 ist durch einen Vergusswerkstoff 25 gefüllt, welcher die Spulen stabilisiert und schützt, sowie einen Wärmefluss zwischen den Spulen 20.1, 20.2 und dem Träger 11 ermöglicht.
Der Temperatursensor 1 ist in einer Aufnahme 22, die in einen freien Zwischenraum 21 zwischen den zwei Spulen 20.1, 20.2 des Stators 20 ragt, eingesetzt. Dabei ist die Länge des Temperatursensors 1 auf die Länge der Aufnahme 22 bis in den Zwischenraum 21 angepasst.
Der Temperatursensor 1 ist ferner durch ein Durchgangsloch 24 im Statorträger 11 eingesetzt. Der Statorträger 11 weist neben dem Durchgangsloch 24 eine Senke 17 mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Durchgangslochs 24 ist. Mithilfe dieser Senke 17 kann der Temperatursensor 1 nah an den Spulen 20.1, 20.2 angebracht werden, wobei ein bündiger Abschluss des Statorträgers 11 mit dem ersten Ende 2 möglich ist. Auf diese Weise wird Bauraum und Material gespart, aber auch ein kompakter Aufbau ermöglicht.
Ferner ist in 2 die Kante 15 der Senke 17 im Statorträger 11 dargestellt. Diese Kante 15 liegt in tangentialer Richtung T weiter von der Mitte des Temperatursensors 1 entfernt als eine äußere Kante 16 des Temperatursensors 1.
Günstigerweise ist der Temperatursensor 1 an dem Statorträger 11 befestigt, wodurch ein sicherer Halt der Sensorspitze 9 zwischen den Spulen 20.1, 20.2 des Stators 20 gewährleistet wird.
Um zu verhindern, dass Feuchtigkeit und Schmutz in die Aufnahme 22 und somit zwischen den Statorträger 11 und die zwei Spulen 20.1, 20.2 gelangt, weist der Temperatursensor 1 eine Dichtung 14 auf, die den Absatz 13 gegen den Statorträger 11 in axialer Richtung A des Stators 20 durch eine axiale Anpresskraft dichtet.
3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C aus 2 mit Blick in axialer Richtung A des Stators 20. Der Temperatursensor 1 bzw. dessen Sensorspitze 9 ist zwischen den zwei Spulen 20.1, 20.2 in der Aufnahme 22 des Stators 20 eingesetzt.
Bezüglich der Merkmale der Sensorspitze 9 wird auf obige Ausführungen zu 1 bzw. zum Schnitt A-A aus 1 verwiesen. Wie bereits erwähnt, zeigt 3 wie der Temperatursensor 1 bzw. dessen Sensorspitze 9 in der Aufnahme 22 angeordnet ist. Die Aufnahme 22 ist in diesem Längenabschnitt trapezförmig ausgebildet und somit an die Sensorspitze 9 angepasst.
Hierbei kontaktiert die Fläche 9.1 bzw. 9.2 eine Kontaktfläche 22.2 bzw. 22.1, wobei die Kontaktflächen 22.1, 22.2 von den Spulen 20.1 und 20.2 gebildet werden. Durch den Kontakt zwischen den Kontaktflächen 22.1, 22.2 und den Flächen 9.1, 9.2 wird ein Wärmeübergang von den Spulen 20.1, 20.2 zu der Sensorspitze hergestellt. Zur Kennzeichnung der Flächen und um die einzelnen Flächen, wie z. B. die Fläche 22.2 oder 9.1, genau zu kennzeichnen, sind die Flächen 9.1, 9.2 und die Kontaktflächen 22.1, 22.2 entgegen der obigen Beschreibung beabstandet, also nicht im Kontakt dargestellt. Jedoch sollen sich im vorliegenden Beispiel die vorgenannten Flächen, d. h. Fläche 9.2 mit Kontaktfläche 22.1 und Fläche 9.1 mit Kontraktliche 22.2 kontaktieren.
Um die zwar kleinen aber vorhandenen Fertigungstoleranzen bei Herstellung der Aufnahme 22 und des Temperatursensors 1 auszugleichen, weist die Sensorspitze 9 das elastische Element 10 auf. Dieses stützt sich in 3 gegen die obere Fläche der trapezförmigen Aufnahme 22 ab und drückt somit die Sensorspitze 9 in radiale Richtung R bzw. nach unten.
Durch die Trapezform der Aufnahme 22 im Bereich der Sensorspitze 9, die sich in radialer Richtung R bzw. deren Querschnitt sich in Richtung der Statormitte SM verjüngt, werden somit die Flächen 9.1, 9.2 auf die Kontaktflächen 22.2, 22.1 in tangentialer Richtung T gepresst. Hierdurch wird ein sicherer Kontakt zwischen den genannten Flächen geschaffen, der vorteilhafterweise nicht gelöst wird, selbst bei Vibrationen im Stator 20 bzw. in einer elektrischen Maschine.
Zur Veranschaulichung in welche Richtung die durch das elastische Element 10 hervorgerufene Kraft wirkt, sind die beiden resultierenden Kräfte F, die gegen die Kontaktflächen 22.1 und 22.2 wirken, dargestellt.
4 zeigt in Schnittansicht einen Platzhalterstift 23 in einer elektrischen Maschine mit einem Stator 20, der zwei Spulen 20.1 und 20.2 aufweist, und einem Statorträger 11. 4 zeigt den Platzhalterstift 23 ferner während des Vergusses bzw. beim Aushärten. Die beiden dargestellten Spulen 20.1, 20.2 weisen jeweils ein Statorblechpaket 29 auf.
Die Spulen 20.1, 20.2 sind mit dem Statorträger 11 über einen Vergusswerkstoff 25 verbunden, welcher zwischen dem Träger 11 und den Spulen 20.1, 20.2 angeordnet ist.
Der Platzhalterstift 23 erzeugt beim Ausschieben in axiale Richtung im Verguss 25 eine Aufnahme 22 für den Temperatursensor 1. Die Aufnahme 22 reicht axial bis in einen freien Zwischenraum 21 zwischen den zwei Spulen 20.1, 20.2 des Stators 20. Die Länge des Temperatursensors 1 ist auf die Länge der Aufnahme 22 bis in den Zwischenraum 21 angepasst.
Der Platzhalterstift 23 ist ähnlich wie der Temperatursensor 1 in 2 durch ein Durchgangsloch 24 im Statorträger 11 eingesetzt. Auch hier weist der Statorträger 11 zusätzlich zum Durchgangsloch 24 eine Senke 17 mit einem im Vergleich zum Durchgangsloch 24 größeren Durchmesser auf. Durch die Senke 17 kann der Platzhalterstift 23 im Messbereich, nahe an den Spulen 20.1, 20.2 angebracht werden.
Ferner ist in 4 die Kante 15 der Senke 17 im Statorträger 11 dargestellt. Diese Kante 15 liegt in tangentialer Richtung T weiter von der Mitte des Platzhalterstifts 23 entfernt als eine äußere Kante 26 des Platzhalterstifts 23.
Um einen sicheren Verguss von Statorträger 11 und Spulen 20.1, 20.2 zu gewährleisten, wird der Platzhalterstift 23 während dem Einfüllen des Vergusswerkstoffes 25 axial gegen den Statorträger 11 gedrückt.
Damit kein Vergusswerkstoff 25 über das Durchgangsloch 24 austritt, steht die äußere Kante 26 des Platzhalterstifts 23 über den Durchmesser des Durchgangslochs 24, wodurch das Durchgangsloch 24 durch den Platzhalterstift 23 verschlossen wird.
In axialer Richtung A des Platzhalterstifts 23 ist zwischen einem Absatz 31 des Platzhalterstifts 23 und dem Statorträger 11 eine Dichtung 27 angeordnet, die den Absatz 31 gegen den Statorträger 11 in axialer Richtung A des Stators 20 dichtet. Anders ausgedrückt, dichtet die Dichtung 27 den Platzhalterstift 23 axial gegen den Statorträger 11 ab. Dadurch wird verhindert, dass Vergusswerkstoff 25 beim Vergießen austritt.
5 zeigt exemplarisch einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators 20 mit konzentriert gewickelten Spulen 20.1, 20.2 und einem Platzhalterstift 23. Prinzipiell können in einem Stator mehrere Aufnahmen für Temperatursensoren realisiert werden. Wirtschaftlich anzustreben ist jedoch die Begrenzung auf einen Temperatursensor mit hoher Messgenauigkeit, weshalb der Einfachheit halber in nachfolgender Beschreibung die Herstellung mithilfe eines einzigen Platzhalterstifts 23 erläutert wird.
In einem ersten, nicht dargestellten Schritt, wird der Statorträger 11 oder einen diesen ersetzende Vergussvorrichtung in axialer Richtung vor dem Stator 20 mit den Spulen 20.1, 20.2 angeordnet, wobei der Statorträger 11 oder die Vergussvorrichtung ein Durchgangsloch 24 aufweisen, das axial vor einer Nut des Statorblechpakets 29 angeordnet ist. In axialer Richtung A des Stators 20 befindet sich ein freier Zwischenraum 21 zwischen den Spulen 20.1, 20.2.
Beim Anordnen des Statorträgers 11 und/oder der Vergussvorrichtung an dem Stator 20 wird das Durchgangsloch 24 so angeordnet, dass in axialer Richtung A der Zwischenraum 21 innerhalb des Durchgangslochs 24, bevorzugt möglichst in der tangentiale Mitte des Durchgangslochs, angeordnet ist.
Daraufhin wird der Platzhalterstift 23 durch das Durchgangsloch 24 bis in den freien Zwischenraum 21 zwischen die zwei Spulen 20.1, 20.2 axial eingeschoben bzw. in axialer Richtung A eingeschoben.
Dieses Einschieben findet an einem radial äußeren Bereich des freien Zwischenraums 21 statt. 5 zeigt den axial eingeschobenen Platzhalterstift 23 in einem Zwischenraum 21, wobei der Platzhalterstift 23 eine trapezförmige Spitze aufweist (vgl. auch 4), deren lange Basis radial außen und deren kurze Basis radial innen bezüglich der Statormitte SM angeordnet ist.
Bei dem Zwischenraum 21 handelt es sich um einen Bereich, dessen radialer Abstand zur Statormitte SM kleinstmöglich bzw. am kleinsten ist. Anders ausgedrückt, ist der Zwischenraum möglichst weit von einer Wärmesenke des Stators 20 entfernt.
In einem weiteren Verfahrensschritt, dargestellt in 6 - wird der Platzhalterstift 23 radial nach innen zur Statormitte SM bewegt. Das radiale Bewegen erfolgt kraftgesteuert, wobei durch das radiale Bewegen der Platzhalterstift 23 wenigstens einen Draht D1, D2 jeder der zwei Spulen 20.1, 20.2 kontaktiert.
Das kraftgesteuerte Bewegen - in 6 mit einem Kraftpfeil F dargestellt - erlaubt es vorzubestimmen mit welcher Kraft der Platzhalterstift in radialer Richtung R bewegt wird. Dadurch kann vorbestimmt werden, dass die Bewegung hin zur Statormitte SM erst bei der Realisierung eines direkten Kontakts zu den Drähten der Spulen beendet ist. Denn die kraftgesteuerte Bewegung erlaubt nur eine Bewegung in die vorgegebene Richtung bis zum Erreichen einer vorbestimmten Gegenkraft, bei welcher sich die Kraft in Bewegungsrichtung und die Kraft entgegen der Bewegungsrichtung, hervorgerufen durch z. B. Kontakt mit den Drähten, gegeneinander aufheben.
Während dem Schritt des radialen Bewegens des Platzhalterstifts 23 nach innen zur Statormitte SM ist die Bewegungsrichtung des Platzhalterstifts 23 tangential zum Stator 20 freigegeben. D.h., dass bei dem axialen Einschieben und beim radialen Bewegen des Platzhalterstifts 23 ein Freiheitsgrad der Bewegung und zwar in tangentialer Richtung T frei ist. Auf diese Weise können Winkelfehler beim Anordnen des Statorträgers 11 oder der Vergussvorrichtung an dem Stator 20 automatisch ausgeglichen werden.
Nach der axialen, radialen und tangentialen Positionierung des Platzhalterstifts 23 wird der Stator 20 vergossen. Anschließend wird der Vergusswerkstoff 25 unter seinen Erstarrungspunkt abgekühlt und der Platzhalterstift 23 axial ausgeschoben.
Die in den 5 und 6 gezeigten Linien S dienen der Darstellung der Fertigungstoleranz der Spulen 20.1, 20.2. Somit wird auch klar, dass der freigegebene Freiheitsgrad der Bewegung in tangentialer Richtung T - wie oben beschrieben - dem Ausgleichen der Fertigungstoleranz der Spulendrähte dient, die im Stator verwendet werden. Denn der Durchmesser der Spulendrähte bzw. des Spulendrahts variiert herstellungsbedingt und führt zu einer Toleranz der tangentialen Breite der Spulen 20.1, 20.2.
7 zeigt eine Sensorspitze 9 in der mit dem Platzhalterstift 23 erstellten Aufnahme 22, ähnlich zu 3. Hier ist ferner der Nutwinkel α zwischen den beiden Flächen 9.1 und 9.2 gezeigt. Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Fläche 9.2 eine Seitenkante B - dargestellt in 1 - aufweist, die es erlaubt wenigstens die Drähte D1 und D3 zu kontaktieren. Vorige Beschreibung ist analog anwendbar auf die Fläche 9.1 mit den Drähten D2 und D4. Folglich weist die Seitenkante B zumindest einen radialen Abstand X zweier Drähte auf.
Des Weiteren zeigt 7, dass die isolierten Drähte D1 bis D4 zumindest einen Teil der Kontaktfläche 22.1, 22.2 bilden, wobei die isolierten Drähte D1, D2, D3 und D4 bzw. deren Isolierung unmittelbar durch die Aufnahme 22 bzw. von der Flächen 9.1, 9.2 des Temperatursensors 1 kontaktiert werden. Bezüglich der Flächen 9.1, 9.2 und 22.2, 22.2 wird auf die vorhergehenden Figuren, insbesondere 3, verwiesen, da diese der Übersichtlichkeit halber in 7 nicht dargestellt sind.
8 zeigt relative Positionen des Durchgangslochs 24 des Statorträgers 11 und des Platzhalterstifts 23 zueinander beim Verfahren zur Herstellung mehrerer Statoren 20 mit unterschiedlichen Toleranzen bzw. die variable Position einer Aufnahme 22 in Relation zu der Kante des Durchgangsloches in unterschiedlichen Exemplaren einer Baureihe desselben Stators 20 bzw. desselben Statortyps. Die Ansicht entspricht dem Schnitt D-D aus 4.
Wie bereits erläutert, wird der Platzhalterstift 23 durch ein Durchgangsloch 24 zwischen die beiden Spulen 20.1, 20.2 eingesetzt. Der Statorträger 11 weist neben dem Durchgangsloch 24 eine Senke 17 mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Durchgangslochs 24 ist. Die Senke 17 hat eine Kante 15.
Ferner hat der Platzhalterstift 23 einen Absatz 31, der in axialer Richtung A das Durchgangsloch 24 gegen den Statorträger 11 mithilfe einer Dichtung 27 dichtet. Der Absatz 31 vergrößert die Maße des Platzhalterstifts 23 in der Senke 17. Anders ausgedrückt, dichtet die Dichtung 27 den Platzhalterstift 23 axial gegen den Statorträger 11 ab. Dadurch wird das Austreten von Vergusswerkstoff 25 vermieden. Der Absatz 31 des Platzhalterstifts 23 hat eine äußere Kante 26.
Die äußere Kante 26 und die Kante 15 der Senke 17 sind, wie auch 4 zeigt, voneinander beabstandet. Gleiches gilt für den Platzhalterstift 23 im Durchgangsloch 24. Auf diese Weise ist der Platzhalterstift 23 also innerhalb der Senke 17 bzw. innerhalb des Durchgangslochs 24 beweglich. D.h., dass der Platzhalterstift sowohl radial als auch tangential im Stator 22 zwischen den beiden Spulen 20.1, 20.2 bewegt werden kann. Auf diese Weise können Winkelfehler bei der Montage des Statorträgers 11 an dem Stator 22 ausgeglichen werden.
Konkret bedeutet dies für die 8 a) bis 8 d), dass dem Platzhalterstift 23 als maximalen Spielraum für den Ausgleich des Winkelfehlers der Durchmesser der Senke 17 zur Verfügung steht. In den 8 a) bis 8 d) ist der Senkendurchmesser mit der Kante 15 der Senke 17 dargestellt.
Die Positionierung des Platzhalterstifts 23 innerhalb der Senke 17 ist durch die äußere Kante 26 des Platzhalterstifts 23 dargestellt. Ferner ist das Durchgangsloch 24, in welchem der Platzhalterstift 23 angeordnet ist, gezeigt.
Wie die 8 a) bis 8 d) zeigen, wird immer das Durchgangsloch 24 von dem Platzhalterstift 23 bzw. von dessen äußerer Kante 26 verschlossen, sodass beim Vergießen kein Vergusswerkstoff durch das Durchgangsloch 24 treten kann.
Im Einzelnen zeigen die 8 a) bis 8 d) folgendes.
In 8 a) ist der Platzhalterstift 23 in einer Position oberhalb der Mitte der Senke 17 angeordnet. Der Platzhalterstift verbleibt nach dem Einführen in axialer Richtung in den Stator 20 in dieser Position, wenn die Drahtspulen eine maximale Breite aufweisen bzw. der freie Zwischenraum 21 tangential schmaler und die radiale Bewegung früh beendet ist und kein Winkelfehler vorliegt.
In 8 b) ist der Platzhalterstift 23 ebenfalls in einer Position oberhalb der Mitte der Senke 17 angeordnet. Der Platzhalterstift 23 verbleibt nach dem Einführen in axialer Richtung in dieser Position, wenn die Drahtspulen eine maximale Breite aufweisen und ein Winkelfehler von z. B. 0,4 Grad vorliegt. Ferner wird das Durchgangsloch 24 grenzwertig vom Absatz 31 des Platzhalterstifts 23 abgedeckt.
In 8 c) ist der Platzhalterstift 23 in einer Position unterhalb der Mitte der Senke 17 angeordnet. Der Platzhalterstift 23 wird in diese Position radial bewegt bzw. gedrückt wenn die Drahtspulen eine minimale Breite aufweisen bzw. der freie Zwischenraum 21 eine große tangentiale Weite aufweist und kein Winkelfehler vorliegt.
In 8 d) ist der Platzhalterstift 23 in einer Position unterhalb der Mitte der Senke 17 angeordnet. Der Platzhalterstift 23 wird in diese Position radial bewegt bzw. gedrückt wenn die Drahtspulen eine minimale Breite aufweisen und ein Winkelfehler von z. B. - 0,4 Grad vorliegt.
Bezugszeichenliste

1: Temperatursensor
2: erstes Ende
3: zweites Ende
4: Übergangsbereich
5: Sensorelement
6: Glasperle
7: Sensoranschluss
8: Hauptkörper
9: Sensorspitze
10: elastisches Element
11: Statorträger / Vergussvorrichtung
12: Befestigungsbereich
13: Absatz
14: Dichtung
15: Kante der Senke im Statorträger
16: äußere Kante des Temperatursensors
17: Senke
18: - frei -
19: - frei -
20: Stator
20.1: Spule
20.2: Spule
21: Zwischenraum
22: Aufnahme
22.1: Kontaktfläche
22.2: Kontaktfläche
23: Platzhalterstift
24: Durchgangsloch
25: Vergusswerkstoff
26: äußere Kante des Platzhalterstifts
27: Dichtung
28: Senklochkante
29: Statorblechpaket
30: Auswerteeinheit
31: Absatz
F: Kraft
L: Längsrichtung
Q1: erste Querschnittfläche
Q2: zweite Querschnittsfläche
B: Seitenkante
X: radialer Abstand zweier Drähte
D1: Draht
D2: Draht
D3: Draht
D4: Draht
SM: Statormitte
α: Nutwinkel
A: axiale Richtung
S: Linien der Fertigungstoleranz der Spulendrähte
T: tangentiale Richtung
R: radiale Richtung

Claims

Elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine aufweist: einen Rotor, einen Stator (20) mit einer einen isolierten Draht (D1, D2, D3, D4) aufweisenden Spule (20.1, 20.2) und einer eine Kontaktfläche (22.1, 22.2) aufweisenden Aufnahme (22), wobei der isolierte Draht (D1, D2, D3, D4) zumindest einen Teil der Kontaktfläche (22.1, 22.2) bildet, und einen in der Aufnahme (22) des Stators (20) aufgenommen Temperatursensor (1) mit einem ersten Ende (2), einem zweiten Ende (3) und einem Übergangsbereich (4) zwischen dem ersten Ende (2) und dem zweiten Ende (3), wobei in dem Übergangsbereich (4) ein Sensorelement (5) und an dem ersten Ende (2) ein Sensoranschluss (7) angeordnet ist, zwischen dem ersten Ende (2) und dem Übergangsbereich (4) ein Hauptkörper (8) angeordnet ist, zwischen dem Übergangsbereich (4) und dem zweiten Ende (3) eine Sensorspitze (9) zum Kontaktieren der Kontaktfläche (22.1, 22.2) angeordnet ist, und die Sensorspit-ze (9) einen Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und der Hauptkörper (8) einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Stator (20) konzentriert gewickelte Einzelpolspulen aufweist, die Sensorspitze (9) zum Erfassen einer Betriebstemperatur des Stators (20) dient, die Sensorspitze (9) eine Fläche (9.1, 9.2) zum Kontaktieren der Kontaktfläche (22.1, 22.2) des Stators (20) aufweist, die Aufnahme (22) des Stators (20) an eine Form der Sensorspitze (9) angepasst ist und die Sensorspitze (9) ein- und ausführbar in der Aufnahme (22) des Stators (20) aufgenommen ist, die Sensorspitze (9) eine weitere Fläche (9.3) aufweist, an der ein elastisches Element (10) angeordnet ist, und das elastische Element (10) der in die Aufnahme (22) eingeführten Sensorspit-ze (9) eine Kraft (F) derart auf die Fläche (9.1, 9.2) ausübt, dass die Fläche (9.1, 9.2) auf die Kontaktfläche (22.1, 22.2) der Aufnahme (22) gedrückt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hauptkörper (8) des Temperatursensors (1) eine erste Querschnittsfläche (Q1) aufweist, die Sensorspitze (9) des Temperatursensors (1) eine zweite Querschnittsfläche (Q2) aufweist und die zweite Querschnittsfläche (Q2) kleiner als die erste Querschnittsfläche (Q1) ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensorspitze (9) des Temperatursensors (1) zwei gegenüberliegende ebene Flächen (9.1, 9.2) zum Kontaktieren in einem Messbereich aufweist, die zwei Flächen (9.1, 9.2) gegeneinander geneigt sind, die zwei Flächen (9.1, 9.2) einen Nutwinkel (α) eines Stators (20) einschließen, und zwischen den zwei Flächen (9.1, 9.2) ein elastisches Element (10) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Werkstoff der Sensorspitze (9) isolierend ist, und die Sensorspitze (9) mit dem Hauptkörper (8) als Spritzgussteil einstückig ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen dem ersten Ende (2) und dem Übergangsbereich (4) ein Befestigungsbereich (12) angeordnet ist, der einen Absatz (13) aufweist, an welchem eine Dichtung (14) angeordnet ist, die in Längsrichtung (L) des Temperatursensors (1) dichtet.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Aufnahme (22) des Stators (20) in einer Ebene senkrecht zu einer axialen Richtung (A) des Stators (20) einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung einer axialen Statormitte (SM) verjüngt, und die Aufnahme (22) des Stators (20) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (20), das aufweist: Anordnen eines Statorträgers (11) oder einer Vergussvorrichtung mit einem Durchgangsloch (24) an einem Stator (20) mit zwei Spulen (20.1, 20.2), wobei in axialer Richtung (A) des Stators (20) ein freier Zwischenraum (21) zwischen den zwei Spulen (20.1, 20.2) innerhalb des Durchgangslochs (24) des Statorträgers (11) oder der Vergussvorrichtung angeordnet ist, axiales Einschieben eines Platzhalterstifts (23) durch das Durchgangsloch (24) in den freien Zwischenraum (21) zwischen die zwei Spulen (20.1, 20.2) in einem radial äußeren Bereich des freien Zwischenraums (21), Bewegen des Platzhalterstifts (23) radial nach innen zu einer Statormitte (SM), Vergießen des Stators (20) mit einem Vergusswerkstoff (25) und Abkühlen des Stators (20) unter einen Erstarrungspunkt des Vergusswerkstoffs (25), und axiales Ausschieben des Platzhalterstifts (23).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Platzhalterstift (23) eine trapezförmige Spitze aufweist, bei welcher die lange Basis der Trapezform radial außen und die kurze Basis radial innen bezüglich der Statormitte (SM) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Bewegen des Platzhalterstifts (23) radial nach innen zu der Statormitte (SM) derart kraftgesteuert erfolgt, dass ein Draht (D1, D2, D3, D4) jeder der zwei Spulen (20.1, 20.2) kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Bewegen des Platzhalterstifts (23) tangential zu dem Stator (20) während des Bewegens des Platzhalterstifts (23) radial nach innen zu der Statormitte (SM) freigegeben ist, um einen Winkelfehler beim Anordnen des Statorträgers (11) oder der Vergussvorrichtung an dem Stator (20) mit den zwei Spulen (20.1, 20.2) automatisch auszugleichen, und der Platzhalterstift (23) einen Absatz (31) aufweist, an welchem eine Dichtung (27) angeordnet ist, die den Platzhalterstift (23) axial gegen den Statorträger (11) oder die Vergussvorrichtung abdichtet.