DE102016211536A1

DE102016211536A1 - Elektromotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102016211536A1
Application number: DE102016211536.7A
Authority: DE
Inventors: Alex Wist; Mike Fippl
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-12-28
Also published as: US10256703B2; US20170373565A1; CN107546924A; CN107546924B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, bei dem zur Überwachung der Betriebstemperaturen einer Wicklung ein Temperatursensor vorgesehen ist. Dieser wird durch eine radiale Durchbrechung (8) am Umfang des Isolationselementes (5) in eine Ausnehmung eingesetzt, die zwischen einer Ausformung (10) an dem entsprechenden Vorsprung (6) des Isolationselementes (5) und der Wicklung begrenzt ist. Die Ausformung (10) hat eine Steigung, sodass eine translatorische Verlagerung des Temperatursensors zugleich zu einer Erhöhung der Vorspannung des Temperatursensors gegenüber der Wicklung führt. Auf diese Weise kann durch die Fügekraft die gewünschte Vorspannkraft und damit eine zuverlässige Kontaktfläche zwischen dem Temperatursensor und der Wicklung sichergestellt und zugleich der Temperatursensor in der Ausformung (10) kraftschlüssig fixiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen insbesondere als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges einsetzbaren Elektromotor mit einer Wicklung, vorzugsweise einer Wellenwicklung, und mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur mit einem insbesondere scheibenförmigen Isolationselement, an welchem die Wicklung an einer an radialen Vorsprüngen gebildeten Auflagefläche fixiert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektromotors.
Bei Elektromotoren können im Betrieb durch Abwärme hohe Temperaturen entstehen. Eine lokale Temperaturerhöhung tritt vor allem im Bereich des Stators, insbesondere bei den Umlenkbereichen der Wicklung auf. In ungünstigen Fällen kann es zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Elektromotors kommen.
Zur Auswahl geeigneter Isolationselemente sind verschiedene Kriterien, wie mechanische Festigkeit, Durchschlagfestigkeit und thermischer Durchgangskoeffizient zu beachten. Die bislang eingesetzten Isolationselemente bieten zwar in der Regel eine ausreichende mechanische Festigkeit und die erforderlichen Durchschlagfestigkeiten, behindern aber gleichzeitig aufgrund ihres geringen Wärmedurchgangskoeffizienten den Wärmetransport von der Wärmequelle, beispielsweise der Wicklung, zur Wärmesenke, zum Beispiel in den Grundkörper.
Vor diesem Hintergrund ist es bereits bekannt, einen Temperatursensor in den Elektromotor zu integrieren, um die Temperatur zu überwachen.
Die Vergussmasse oder ein Kühlöl im Innenraum kann die Messung dieser Temperatur beeinträchtigen, da aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Vergussmasse oder des Kühlöls die Temperatur mit wachsendem Abstand zu der Wicklung bzw. zu dem Wicklungskopf stark abfällt. Gleiches gilt für den Flansch, welcher aus Metall gefertigt ist und über den Kühlmantel sehr gut gekühlt werden kann.
Beispielsweise offenbart die DE 101 30 982 A1 einen Temperatursensor für eine Statorwicklung von Elektromotoren, der teilweise in den Stator eingebaut ist.
Die EP 1 278 291 A2 beschreibt einen Temperatursensor, welcher in einem Elektromotor integriert ist und einen verschiebbaren Temperatursensorabschnitt zur Anlage an einen Stator des Elektromotors aufweist.
Die DE 10 2014 215 916 A1 betrifft einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur eines Stators eines Elektromotors durch Messung eines temperaturabhängigen Widerstandes.
Außerdem bezieht sich eine für denselben Zweck bestimmte Temperatursensoreinrichtung gemäß der DE 10 2014 215 917 A1 auf einen Temperatursensor, der in einer Temperatursensorumhüllung angeordnet ist, die einen Boden benachbart zu der Statorwicklung umfasst, wobei der Wärmewiderstand des Bodens kleiner ist als der Wärmewiderstand der Hülse.
Die verschiedenen Funktionen führen teils zu konträren konstruktiven Anforderungen, so auch in Bezug auf die Positionierung und Isolation von Spulendrähten. Die elektrische Isolation der Spulenwicklung wird herkömmlich zumeist durch Isolierpapiere oder durch Kunststoffumspritzung des Grundkörpers erreicht.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor derart auszuführen, dass die Temperaturmessung wesentlich verbessert, insbesondere also unerwünschte Fehlereinflüsse durch einen entsprechend geeigneten konstruktiven Aufbau vermieden werden. Weiterhin soll ein besonders einfaches Herstellungsverfahren für einen solchen Elektromotor geschaffen werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Elektromotor gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Elektromotor vorgesehen, bei dem das Isolationselement zumindest eine radial zugängliche Ausnehmung für den Temperatursensor aufweist, welche einerseits durch eine radiale Ausformung an zumindest einem der Vorsprünge des Isolationselementes, andererseits durch die Wicklung begrenzt ist. Somit wird erstmals durch die erfindungsgemäße Ausformung des Isolationselementes durch das Anbringen der Wicklung zugleich der Temperatursensor in seiner radialen und axialen Position in der Ausformung zuverlässig und mit reproduzierbarer Genauigkeit fixiert und ein optimaler Wärmeübergang zwischen der Wicklung und dem Temperatursensor erreicht, sodass unerwünschte Fehlereinflüsse und Messwertabweichungen zuverlässig vermieden werden. Zudem gelingt es so erstmals, die Temperaturmessung nicht lediglich in einem radial oder axial äußeren Randbereich vorzunehmen, welcher durch die erhöhte Wärmeabfuhr einer anderen Betriebstemperatur unterworfen ist, sondern im Inneren der Wicklung. Dabei dient der Draht der Wicklung als mechanische Fixierung des Temperatursensors, wobei die Ausformung derart bemessen ist, dass der darin angeordnete Temperatursensor die Auflagefläche der übrigen Vorsprünge für die Wicklung hinsichtlich der Abmessungen und der Kontur nahezu identisch reproduziert. Mit anderen Worten entspricht also die äußere Kontur des Vorsprunges mit dem in seiner Ausformung angeordneten Temperatursensor derjenigen der übrigen Vorsprünge. Darüber hinaus ist der Temperatursensor aber auch durch seine Anordnung in der Ausnehmung vor Umwelteinflüssen optimal geschützt, sodass beispielsweise keine Schmierstoffe auf den Temperatursensor gelangen können.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Ausformung eine rampenförmige Steigung gegenüber der Hauterstreckungsebene des Isolationselementes bzw. des betreffenden Vorsprunges aufweist, derart, dass eine nach innen gerichtete radiale Verlagerung bei der Montage zugleich zu einer Verlagerung des Temperatursensors in einer Querrichtung zu der Haupterstreckungsebene in Richtung der Wicklung führt. Hierdurch kann also die Fixierung noch dadurch verbessert werden, dass der Temperatursensor noch weiter in der Ausformung nach innen verlagert und auf die Wicklung zubewegt wird bzw. mit einer erhöhten Vorspannkraft gegen die Wicklung angepresst wird.
Selbstverständlich kann hierzu unterstützend eine Bauform des Temperatursensors eingesetzt werden, die ihrerseits eine zumindest abschnittsweise kegelförmige Umfangskontur aufweist, sodass der Effekt noch verstärkt wird, wobei gegebenenfalls auch die Steigung der Ausformung entbehrlich ist. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass durch einen die Ausformung im Querschnitt vermindernden Vorsprung eine formschlüssige Fixierung, beispielsweise eine Verrastung durch eine Hinterschneidung des Temperatursensors erreicht wird.
Hierzu weist gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung die Ausformung eine gegenüber der Haupterstreckungsebene des Isolationselementes geneigte, einen Winkel zwischen 5° und 35° einschließende Auflagefläche auf, sodass der Temperatursensor bei seiner radialen Fügebewegung als ein Keil wirkt und so bei geringer radialer Fügekraft eine vergleichsweise große Anpresskraft gegenüber der Wicklung quer zu der Fügerichtung erreicht wird.
Grundsätzlich ist es möglich, den Temperatursensor von oben in die Ausformung einzulegen, sodass dieser unlösbar durch das nachfolgende Anbringen der Wicklung in der Ausnehmung eingeschlossen ist. Besonders vorteilhaft ist demgegenüber eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei welcher eine zu der Ausnehmung korrespondierende, fluchtende Durchbrechung am Umfang des Isolationselementes angeordnet ist. Hierdurch kann der Temperatursensor durch die Durchbrechung nicht nur montiert, sondern auch beispielsweise zu Service- oder Reparaturzwecken wieder entnommen werden. Dabei kann die Herstellung des Elektromotors zunächst unabhängig von dem Temperatursensor unter Verwendung eines Platzhalters vorgenommen werden, sodass eine anderenfalls mögliche Beschädigung des Temperatursensors bei der Wicklung vermieden wird. Durch die Durchbrechung wird nach dem Fertigstellen der Wicklung der Temperatursensor durch Austauschen gegen den Platzhalter eingesetzt.
Dabei kann das Isolationselement aus unterschiedlichen, elektrisch isolierenden Materialien hergestellt sein. Besonders praxisnah ist hingegen eine Weiterbildung der Erfindung, bei welcher das Isolationselement aus einem Kunststoffmaterial besteht und somit bereits bei der Herstellung in einfacher Weise die erforderliche Ausformung eingebracht werden kann.
Gemäß einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Isolationselement eine Vielzahl radial nach innen weisender kammartiger, insbesondere gleichverteilter Vorsprünge mit einer ebenen oder konvexen Auflagefläche für die Wicklung auf, die von der Wicklung wechselseitig umschlungen sind, wobei die jeweilige Ausnehmung durch eine konkave Ausformung in einem der Vorsprünge gebildet ist. Somit wird eine große Kontaktfläche zwischen der Wicklung und der Auflagefläche und dementsprechend auch zwischen der Wicklung und der Umfangsfläche des Temperatursensors erreicht.
Eine weitere besonders praxisgerechte Ausgestaltungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Ausformung in axialer Richtung in einem ersten Abschnitt den Temperatursensor über den gesamten Umfang rohrförmig einschließt und in einem zweiten Abschnitt lediglich einen Umfangsabschnitt des Temperatursensors, insbesondere nicht mehr als 50 % einschließt. Auf diese Weise wird in dem ersten Abschnitt eine optimale Fixierung des Temperatursensors ermöglicht, indem mittels einer klemmschlüssigen Fixierung über den gesamten Umfang des Temperatursensors bei der Positionierung eine Orientierung des Temperatursensors mit sehr geringen Toleranzmaßen realisierbar ist. Durch den lediglich als Auflager wirkenden zweiten Abschnitt wird demgegenüber ein optimaler Kontakt zu der Wicklung erreicht.
Der Temperatursensor könnte durch eine entsprechende Umfangsgestaltung in der Ausformung formschlüssig fixiert sein. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn der Temperatursensor insbesondere in dem ersten Abschnitt der Ausformung reib- bzw. klemmschlüssig fixiert ist, wobei die Klemmung gegenüber der Wicklung erfolgt. Dadurch kann eine kraftgesteuerte Montage erfolgen, um so im Gegensatz zu einer weggesteuerten formschlüssigen Fixierung den jeweils gewünschten Kontakt durch eine einstellbare Vorspannkraft sicherzustellen.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, bei dem auf einem Isolationselement eine Wicklung angebracht wird, indem ein Draht nach einem bestimmten Muster über oder unter kammartigen Vorsprüngen des Isolationselementes geführt wird und gegen eine Anlagefläche des jeweiligen Vorsprunges anliegt, wobei vor dem Anbringen der Wicklung zumindest ein Platzhalter an zumindest einer Ausformung fixiert und anschließend die Wicklung derart unter teilweisem Einschluss des Platzhalters angebracht wird, dass der Draht gegen einen Umfangsabschnitt des Platzhalters anliegt und dass nach der Fertigstellung der Wicklung an dem Isolationselement der Platzhalter aus der Ausformung entfernt und durch einen Temperatursensor ersetzt wird. Hierdurch wird einerseits eine unerwünschte, unter Umständen zu einer Beschädigung führende Belastung des Temperatursensors bei der Montage vermieden, indem dieser erst nach der Fertigstellung der Wicklung an dem Isolationselement angeordnet und zugleich die Vereinfachung der Montage erreicht wird. Andererseits kann aber auch eine kraftgesteuerte Fügetechnik eingesetzt werden, sodass der Temperatursensor mit einer vorbestimmten Kraft gegen die Wicklung angepresst wird. Hierzu ist der Temperatursensor entweder abschnittsweise konisch ausgeführt oder aber vorzugsweise entlang einer mit der Hauptebene der Wicklung einen spitzen Winkel einschließenden Ebene im Wesentlichen radial beweglich, sodass eine radial nach innen gereichte Fügebewegung auch zu einer zunehmenden Anpresskraft gegen die Wicklung durch die Verlagerung in der Querrichtung zu der Haupterstreckungsebene des Isolationselementes führt. Ferner kann der Temperatursensor zu Reparatur- oder Kontrollzwecken wieder entnommen werden.
Dabei hat es sich bereits als besonders praxisnah erwiesen, wenn der Querschnitt des Platzhalters zumindest abschnittsweise geringer als der Querschnitt des Temperatursensors ausgewählt wird. Hierdurch entsteht beim Fügen des Temperatursensors ein Klemmschluss aufgrund des geringfügig größeren Querschnittes des Temperatursensors, der somit zuverlässig fixiert wird. Dabei kann gegebenenfalls auch auf eine geneigt verlaufende Auflagefläche der Ausformung verzichtet werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine geschnittene Detailansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem an einem Isolationselement angeordneten Temperatursensor;
2 eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Isolationselementes ohne den Temperatursensor;
3 eine weitere perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Isolations elementes ohne den Temperatursensor;
4 eine weitere perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung des Isolationselementes mit einer daran angeordneten Wicklung;
5 eine Seitenansicht des in 4 gezeigten Isolationselementes mit der daran angeordneten Wicklung.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor 1 als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges wird nachstehend anhand der 1 bis 5 näher erläutert. Bei derartigen Elektromotoren 1 treten im Betrieb unerwünscht hohe Temperaturen auf, wodurch es zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Elektromotors 1 kommen kann. Zur Überwachung der Temperatur ist der Elektromotor 1 daher mit einem einer Wicklung 2 zugeordneten Temperatursensor 3 ausgestattet.
Wie insbesondere in den 1 und 2 zu erkennen, umfasst der grundsätzliche Aufbau des Elektromotors 1 ein Blechpaket 4, auf dem ein scheibenförmiges Isolationselement 5 angeordnet ist. Das Isolationselement 5 hat eine Vielzahl radial nach innen weisender Vorsprünge 6, die als Träger der hier als Wellenwicklung realisierten Wicklung 2 aus mehreren lediglich andeutungsweise dargestellten Drähten 7 dienen.
Der Temperatursensor 3 ist durch eine radiale Durchbrechung 8 am Umfang des Isolationselementes 5 in eine Ausnehmung 9 eingesetzt, die zwischen einer Ausformung 10 an dem entsprechenden Vorsprung 6 des Isolationselementes 5 und der Wicklung 2 begrenzt ist.
Wie in 1 zu erkennen, hat die Ausformung 10 eine Steigung mit einem Winkel α, sodass eine translatorische Verlagerung des Temperatursensors 3 in Pfeilrichtung 11 zugleich zu einer Erhöhung der Vorspannung des Temperatursensors 3 gegenüber der Wicklung 2 führt. Auf diese Weise kann durch die Fügekraft die gewünschte Vorspannkraft und damit eine zuverlässige Kontaktfläche zwischen dem Temperatursensor 3 und der Wicklung 2 sichergestellt werden.
Wie in 3 dargestellt, hat die Ausformung 10 in einem radial äußeren ersten Abschnitt 12 eine rohrförmige Gestaltung, die den in 1 gezeigten Temperatursensor 3 an seinem gesamten Umfang einschließt. Diesem ersten Abschnitt 12 schließt sich ein radial innenliegender zweiter Abschnitt 13 an, der lediglich eine an die Form des Temperatursensors 3 angepasste konkave Auflage der Ausformung 10 für den Temperatursensor 3 aufweist und dabei lediglich gegen einen Teil seines Umfanges anliegt. Dadurch ist der Temperatursensor 3 in dem ersten Abschnitt 12 in der Ausformung 10 kraftschlüssig fixiert.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Wicklung
3: Temperatursensor
4: Blechpaket
5: Isolationselement
6: Vorsprung
7: Draht
8: Durchbrechung
9: Ausnehmung
10: Ausformung
11: Pfeilrichtung
12: Erster Abschnitt
13: Zweiter Abschnitt
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10130982 A1 [0006]
EP 1278291 A2 [0007]
DE 102014215916 A1 [0008]
DE 102014215917 A1 [0009]

Claims

Elektromotor (1), insbesondere als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Temperatursensor (3) zur Erfassung der Temperatur einer Wicklung (2) und mit einem Isolationselement (5), an welchem die Wicklung (2) an einer an radialen Vorsprüngen (6) gebildeten Auflagefläche fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (5) zumindest eine radial zugängliche Ausnehmung (9) für den Temperatursensor (3) aufweist, welche einerseits durch eine Ausformung (10) an zumindest einem der Vorsprünge (6) des Isolationselementes (5), andererseits durch die Wicklung (2) begrenzt ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (10) gegenüber der Haupterstreckungsebene des Isolationselementes (5) oder des Vorsprunges (6) eine mit einem Winkel (α) geneigte Auflagefläche aufweist.
Elektromotor (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Ausnehmung (9) korrespondierende Durchbrechung (8) am Umfang des Isolationselementes (5) angeordnet ist.
Elektromotor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (5) aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Elektromotor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (5) eine Vielzahl radial nach innen weisender Vorsprünge (6) mit einer ebenen oder konvexen Auflagefläche für die Wicklung (2) aufweist, die von der Wicklung (2) wechselseitig umschlungen sind, und dass die jeweilige Ausnehmung (9) durch eine konkave Ausformung (10) in einem der Vorsprünge (6) gebildet ist.
Elektromotor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (10) in axialer Richtung in einem ersten Abschnitt (12) den Temperatursensor (3) über den gesamten Umfang einschließt und in einem zweiten Abschnitt (13) lediglich gegen einen Teil des Umfanges des Temperatursensors (3) anliegt.
Elektromotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) in dem ersten Abschnitt (12) der Ausformung (10) kraftschlüssig fixiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf einem Isolationselement (5) eine Wicklung (2) angebracht wird, indem zumindest ein Draht (7) über kammartige Vorsprünge (6) geführt wird und gegen eine Anlagefläche des jeweiligen Vorsprunges (6) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Platzhalter an zumindest einer Ausformung (10) angeordnet und anschließend die Wicklung (2) derart angebracht wird, dass der Draht (7) gegen einen Umfangsabschnitt des Platzhalters anliegt und dass nach der Fertigstellung der Wicklung (2) an dem Isolationselement (5) der Platzhalter aus der Ausformung (10) entfernt und durch einen Temperatursensor (3) ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) radial in die Ausnehmung (9) zwischen der Wicklung (2) und den Vorsprüngen (6) eingefügt wird, bis eine kraftschlüssige Fixierung erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Platzhalters zumindest abschnittsweise geringer als der Querschnitt des Temperatursensors ausgewählt wird.