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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator mit an Statorzähnen angeordneten konzentrierten Wicklungen, sowie wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur wenigstens einer Wicklung.
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Elektrische Maschinen kommen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zum Einsatz. Als Beispiel ist der Einsatz solcher elektrischen Maschinen in Kraftfahrzeugen in Form elektrischer Hybridfahrzeuge sowie in rein elektrisch fahrenden Fahrzeugen zu nennen, oder aber als Radnabenantriebe oder ähnliches. Eine elektrische Maschine verfügt bekanntlich über einen Stator und einen Rotor, die magnetisch interagieren. Für den Stator sind zur Bildung der Spulen unterschiedliche Wickeltechniken bekannt. Für eine besonders dichte und kompakte Wicklung wird die so genannte konzentrierte Wicklung verwendet. Bei dieser Wickeltechnik sind auf den einzelnen Statorzähnen einzelne Wicklungen vorgesehen, was eine sehr hohe Packungsdichte ermöglicht, die benachbarten Wicklungen liegen äußerst eng aneinander an.
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Im Betrieb erwärmen sich die Wicklungen. Deshalb ist es im Rahmen der Erfassung von Leistungsparametern der Maschine erforderlich, die Temperaturänderung im Bereich der Wicklungen zu messen. Hierzu dient ein Temperatursensor, der im Wicklungsbereich angeordnet wird. Eine solche Anordnung zur Temperaturerfassung in der Statorwicklung ist beispielsweise aus
DE 10 2013 201 835 A1 bekannt. Bei dieser Anordnung ist ein Temperatursensor auf einer Lanze angeordnet, der Sensorkopf ist am freien Ende der Lanze positioniert. Der Temperatursensor respektive diese Lanze ist über ein entsprechendes Ausrichtelement an einem Gehäuse der Maschine angeordnet, wobei über dieses Ausrichtelement auch die Signalleitungen vom Sensorkopf zu einem gehäuseexternen Steckanschluss geführt sind, wo die Messsignale abgegriffen werden können. Die Lanze wird freitragend zwischen zwei Statorwicklungsabschnitten geführt, der Sensorkopf ist freitragend zwischen den Wicklungen aufgenommen. Neben dem Umstand, dass eine separate Halteeinrichtung für das Ausrichtelement vorgesehen ist, die entsprechend zu montieren ist, ist der Temperatursensor mit dem Lanzenbauteil, das drüber hinaus von einer Kunststoffhülle umgeben ist, in seinem Aufbau aufwendig, wobei hinzukommt, dass der Sensorkopf freitragend ist und demzufolge nur die Umgebungstemperatur der Wicklungen misst.
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Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine demgegenüber verbesserte elektrische Maschine anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Maschine der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Temperatursensor an einem benachbart zu der wenigstens einen Wicklung angeordneten Stator-Bauteil angeordnet und mittels eines am Bauteil vorgesehenen oder aufgelagerten Federelements gegen die Wicklung gespannt ist.
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Erfindungsgemäß ist ein direkt thermischer Kontakt zwischen dem Temperatursensor und der Wicklung, deren Temperatur gemessen werden soll, gegeben, nachdem der Temperatursensor über ein Federelement gegen die Wicklung gespannt ist. Dieses Federelement ist entweder an einem benachbart zum Stator vorgesehenen Bauteil, das ein entsprechender zwingender Bestandteil der Maschine ist, unmittelbar angeordnet bzw. vorgesehen, oder es ist dort auf- oder gegengelagert. In Folge der thermischen Kopplung des Temperatursensors und der Wicklung erfolgt demzufolge eine direkte Messung der Wicklungstemperatur bzw. eines ein Maß für die Wicklungstemperatur darstellenden Signals. Dadurch, dass ein ohnehin vorhandenes Bauteil genutzt wird, um das Federelement abzustützen respektive an dem das Federelement vorgesehen ist, ist darüber hinaus kein zusätzliches Bauteil von Nöten, anderes als im Stand im Technik wie vorstehend beschrieben. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Federelements besteht darin, dass, nachdem der Temperatursensor permanent gegen die Wicklung gespannt ist, auch etwaige Temperaturänderungen resultierend aus Geometrieänderungen oder aus Vibrationen resultierende Bewegungen und dergleichen ausgeglichen werden und demzufolge eine dauerhafte und gleichbleibende thermische Kopplung gewährleistet ist.
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Bevorzugt ist das Bauteil, an dem das Federelement vorgesehen respektive gelagert ist, axial zu der Wicklung angeordnet, so dass der Temperatursensor axial gegen die Wicklung gespannt ist. Das heißt, dass der Temperatursensor, gesehen in Richtung der Statorlängsachse, axial gegen die Wicklung bzw. den Wicklungskopf angefedert ist.
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Besonders vorteilhaft lässt sich diese axiale Anordnung dadurch realisieren, wenn es sich bei dem Bauteil um einen einen oder mehrere metallene Verschaltungsringe tragenden Kunststoffring handelt. Bei einer elektrischen Maschine mit konzentrierter Wicklung erfolgt die Verschaltung der einzelnen, um den Umfang verteilten Wicklungen über entsprechende, üblicherweise aus Kupfer bestehende Verschaltungsringe, die an separaten Kunststoffringen fixiert sind, oder an einem gemeinsamen Kunststoffring, die oder der wiederum gehäuseseitig festgelegt sind. Diese Kunststoff- oder Verschaltungsringe werden axial auf das Wicklungspaket aufgesetzt. Ist nun der Temperatursensor an einem solchen Kunststoffring oder einem Verschaltungsring angeordnet und über das Federelement abgestürzt, so kann er auf einfache Weise beim Aufsetzen des Kunststoff- oder Verschaltungsrings axial positioniert und in thermischen Kontakt mit der Wicklung gebracht werden. Der Temperatursensor ist dabei unabhängig von Aufbau und der Form des Kunststoff- oder Verschaltungsrings montierbar. Er wird über den positionsfixierten Kunststoff- oder Verschaltungsring ohne weiteres in seiner Position gehalten. Eine solche Anordnung respektiver Integration des Temperatursensors nutzt daher optimal den vorhandenen axialen Bauraum aus, in den er ohne weiteres integriert werden kann. Durch diese Art der Anbindungsintegration ist es möglich, ein reproduzierbares Temperatursignal über die Lebensdauer zu gewährleisten.
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Ist das Federelement am Kunststoffring vorgesehen, so kann es einstückig an dem Kunststoffring, der bevorzugt ein Kunststoffspritzteil ist, angeformt sein, es wird also beim Herstellen des Kunststoffrings angeformt. Es ist lediglich erforderlich, den Temperatursensor anzuordnen und in Wirkungsverbindung mit dem Federelement zu bringen, so dass der Temperatursensor respektive der Sensorkopf des Temperatursensors gegen die Wicklung gespannt wird.
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Alternativ dazu kann es sich bei dem Federelement auch um ein separates Element handeln, beispielsweise einen Federclip oder ähnliches, das respektive der am Kunststoffring oder am Verschaltungsring befestigt ist. In diesem Fall ist lediglich ein einfach konfiguriertes, beispielsweise blattfeder- oder federzungenartiges Federelement am Kunststoff- oder Verschaltungsring anzuordnen, dort beispielsweise zu verklemmen, zu verrasten oder ähnliches. Auch so kann gleichermaßen eine permanente thermische Kopplung des Temperatursensors respektive des Sensorkopfes mit der Wicklung erreicht werden.
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Das Federelement selbst, sei es ein einstückiges angeformtes Federelement, sei es ein separates Element, ist bevorzugt eine Federzunge, an der der Temperatursensor anliegt. An der Federzunge kann der Temperatursensor beispielsweise klemmfixiert oder über ein Klemmmittel fixiert sein, oder über ein aufgestecktes Halteelement oder ähnliches.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den Temperatursensor, bei dem es sich beispielsweise um ein NTC- oder ein PTC- Widerstandselement handeln kann, respektive den temperatursensitiven Sensorkopf über ein Federelement in direkten, unmittelbaren Kontakt an die Wicklung anzufedern. Alternativ ist es denkbar, ein aus einem Elastomer bestehendes Wärmekopplungselement vorzusehen, über das der Temperatursensor mit der Wicklung thermisch gekoppelt ist. Dieses Elastomer, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann einerseits die thermische Anbindung verbessern, andererseits aber auch eine axiale Toleranz ausgleichen. Dieses Wärmekopplungselement kann an der Wicklung befestigt sein, beispielsweise daran angeklebt oder angespritzt sein, wobei der Temperatursensor dann unmittelbar gegen das Wärmekopplungselement über das Federelement gespannt ist. Alternativ kann das Wärmekopplungselement auch am Temperatursensor befestigt sein und zusammen mit dem Temperatursensor bzw. Sensorkopf gegen die Wicklung gespannt sein.
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Des Weiteren kann, um den Temperatursensor sicher in Position zu halten, am Kunststoffring ein Befestigungsabschnitt angeformt sein, an oder in dem der Temperatursensor befestigt, beispielsweise angeklipst oder angeklemmt ist. Alternativ kann am Kunststoffring oder am Verschaltungsring ein separater Befestigungsabschnitt, an oder in dem der Temperatursensor befestigt ist, angeordnet sein. Bei diesem Befestigungsabschnitt kann es sich beispielsweise um einen anklemm- oder anklipsbare oder über eine Schraubverbindung fixierte Halteklammer oder dergleichen handeln, die auf einfache Weise eine Positionierung des Temperatursensors ermöglicht.
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Die Signalleitungen des Temperatursensors sind in bekannter Weise zu einer entsprechenden Schnittstelle, z.B. in Form einer Steckverbindung, die üblicherweise außerhalb des Maschinengehäuses angeordnet ist zu führen. Um eine saubere Leitungsführung ohne freihängende Leitungen realisieren zu können, sind am Kunststoffring eine oder sind mehrere Kabelhalterungen zum Fixieren einer oder mehrerer vom Temperatursensor zu einer Schnittstelle geführten Leitung angeformt, wiederum z.B. in Form von Klemm- oder Rastvorsprüngen, an bzw. zwischen denen die Leitungen eingeklemmt werden können. Alternativ können am Kunststoffring oder am Verschaltungsring auch ein oder mehrere separate Kabelhalterungen zum Fixieren der einen bzw. mehreren Leitungen angeordnet sein, bei denen es sich wiederum um einfache, beispielsweise aufsteck- oder aufklemmbare Klemmhalter handeln kann.
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Der Bereich der Verbindung der Leitungen mit der Schnittstelle ist üblicherweise abzudichten, um ein Eindringen von Wasser, Feuchtigkeit, Öl etc. zu vermeiden. Diese Abdichtung kann dadurch erfolgen, dass der Bereich der Schnittstelle oder der gesamte Stator vergossen ist, mithin also die Leitungs- oder Anschlusskomponenten im Bereich der Schnittstelle, oder der gesamte Stator mit sämtlicher Wicklungen etc. in eine Vergussmaße eingebettet sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass bei einem unvergossenen Stator der Bereich der Schnittstelle über ein Dichtmittel abgedichtet ist, beispielsweise in Form eines aufgespritzten Dichtmittels oder ein aufgeschrumpften Dichtmittels etc.
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Alternativ zur Verlegung von Leitungen können diese auch in Form eines Stanzgitters ausgebildet sein, wobei das Stanzgitter in Bereich der Schnittstelle am Anschlussterminal der Maschine fest integriert ist. Auch in diesem Fall ist eine entsprechende Abdichtung vorzusehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine unter Darstellung nur des axial offenen Stators,
- 2 eine geschnittene Teilansicht des Stators aus 2,
- 3 eine weitere Teilansicht des Stators aus 3 ohne Wicklungen,
- 4 eine geschnittene Teilansicht des Stators aus 1 unter Darstellung der Schnittstelle des Temperatursensors, und
- 5 eine vergrößerte Teilansicht auf den Stator aus 1.
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1 zeigt einen Teil einer elektrischen Maschine 1, wobei hier nur der Stator 2 gezeigt ist, umfassen ein Statorgehäuse respektive einen Statorträger 3 mit einer Vielzahl von Statorzähnen 4, an denen jeweils eine Wicklung 5 angeordnet ist, so dass sich ein konzentrierter Wicklungsaufbau ergibt.
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Die einzelnen Wicklungen bzw. die Wicklungsgruppen sind über drei Verschaltungsringe 6 in bekannter Weise miteinander verbunden, wobei die Verschaltungsringe 6 im gezeigten Beispiel an einem gemeinsamen Kunststoffring 7 angeordnet sind. Der Kunststoffring 7 mit den Verschaltungsringen 6 ist axial auf die kreisförmige Wicklungsanordnung aufgesetzt, so dass die einzelnen Verschaltungsringe die einzelnen Anschlüsse der jeweils zu verbindenden Wicklungen 5 kontaktieren.
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Gezeigt ist des Weiteren ein Anschlussterminal 8, mit dem die einzelnen Verschaltungsringe 6, die den entsprechenden Phasen zugeordnet sind, über entsprechende Anschlussabschnitte 9 verbunden sind, so dass am Anschlussterminal 8 die erzeugte Hochspannung abgegriffen werden kann. Am Anschlussterminal 8 befindet sich des Weiteren eine Schnittstelle 10, an der das Signal eines nachfolgend beschriebenen Temperatursensors zur Messung einer Temperatur einer Wicklung abgegriffen werden kann.
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2 zeigt eine Teilansicht des Stators 2 aus 1 in Richtung des Pfeils II, mit Blick auf den Innenumfang des Stators. Gezeigt sind, geschnitten, entsprechende Wicklungen 5, ebenfalls zwei geschnitten gezeigte Verschaltungsringe 6, sowie der Kunststoffring 7. An der zu der Wicklung 5 gerichteten Innenseite des Kunststoffrings 7 ist ein Temperatursensor 11 angeordnet, der axial gegen eine Wicklung 5, hier in 2 die links geschnitten gezeigt Wicklung 5, angefedert ist. Der Temperatursensor 11 ist mit einem Sensorgehäuse 12 an einem entsprechenden Befestigungsabschnitt 13, der, ebenfalls aus Kunststoff, im gezeigten Beispiel einstückig am Kunststoffring 7 angeformt ist, gehaltert, vorzugsweise klemmfixiert. Ebenso ist am Kunststoffring 7, einstückig angeformt, ein Federelement 14 hier in Form einer Federzunge 15 angeformt, über das der Temperatursensor 11 respektive der Sensorkopf 16 in thermischen Kontakt mit der Wicklung 5 gebracht respektive angefedert wird. Vorgesehen ist hier, optional, ein aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Elastomer bestehendes Wärmekopplungselement 17, das dem zusätzlichen axialen Toleranzausgleichen, hervorgerufen von Vibrationen oder thermisch bedingten Geometrieänderung oder dergleichen, dient, so dass einerseits über das Federelement 14, andererseits über das elastische Wärmekopplungselement 17 sichergestellt ist, dass ein dauerhafter Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor 11 respektive dem Sensorkopf 16, bei dem sich um einen PTC- oder NTC-Sensor handeln kann, gegeben ist.
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Das weiteren vorgesehen ist eine ebenfalls am Kunststoffring 7 einstückig aus- oder angeformte Kabelhalterung 18, in der die eine oder die mehreren Leitungen 19, die den Temperatursensor 11 mit der Schnittstelle 10 verbinden, bevorzugt klemmfixiert sind. Die Leitungen 19 laufen von der in 2 gezeigten Kabelhalterung 18 zu einer Kabelhalterung 23, die an einer radial außenliegenden Position des Kunststoffrings 7 vorgesehen sind, siehe 3. Von dort laufen die Leitungen zur Sensorschnittstelle 10, wie in den 4 und 5 gezeigt, wo sie mit entsprechenden Anschlussabschnitten 20 beispielsweise in Form eines Stanzgitters oder der gleichen verbunden sind.
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Das heißt, dass es sich bei dem Kunststoffring 7 um ein multifunktionales Bauteil handelt, das einerseits als Träger für die Verschaltungsringe 6 dient, andererseits aber auch als zentrale Halte- und Spannkomponenten dient, an der der Temperatursensor 11 fixiert respektive mit dem er bzw. der Sensorkopf 16 gegen die Wicklung 5 zu einer optimalen Temperaturmessung gespannt ist.
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Im Rahmen der Montage wird zunächst der Temperatursensor 11 an dem Befestigungsabschnitt 13 fixiert, derart, dass der Sensorkopf 16 am Federelement 14 bzw. der Federzunge 15 anliegt. Das Elastomer-Wärmekopplungselement 17 kann entweder am Temperatursensor 11 respektive am Sensorkopf 16 angeordnet sein, wird also mit dem Temperatursensor 11 montiert. Alternativ kann es aber auch an der Wicklung 5 befestigt, beispielsweise angeklebt oder angespritzt sein. Die Leitungen 19 werden in der Kabelhalterung 18 fixiert, und in entsprechender Weise vom Kunststoffring 7 zu der Schnittstelle 10 geführt, wo sie angeschlossen sind.
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Nach Montage des Temperatursensors 11 wird der Kunststoffring 7, an bzw. in dem die Verschaltungsringe 6 bereits angeordnet, axial aufgesetzt und in bekannter Weise am Stator 2 respektive dem Statorträger 3 fixiert, wobei mit dem Aufsetzen auch die Windungen 5 mit den einzelnen Verschaltungsringen 6 kontaktiert sind. Mit dem Aufsetzen einher geht aber auch die thermische Kopplung des Temperatursensors 11 respektive des Sensorkopfes 16 mit der Wicklung 5, so dass eine unmittelbare Temperaturmessung an der Wicklung 5 möglich ist.
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4 zeigt eine einen vergrößerten Bereich zeigende Perspektivansicht, geschnitten, des Stators 2, wobei hier einerseits der Temperatursensor 11 sowie die Federzunge 15, mit der der Temperatursensor 11 respektive der Sensorkopf 16 gegen die Stirnfläche 21 der benachbarten Wicklung 5 gespannt ist, gezeigt ist, wie auch die Sensorschnittstelle 10, zu der die Signalleitungen 19 laufen.
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In 5 ist in vergrößerter Ansicht die Sensorschnittstelle 10 sowie der Verbindungsbereich der Signalleitungen 19 und der Anschlussabschnitte 20 bzw. des Stanzgitters gezeigt. Die Leitungsverbindung erfolgt im Bereich einer Vertiefung 22, die zur Abdichtung mit einem Vergussmittel oder Dichtmittel ausgegossen werden kann.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, den gesamten Stator 2 zu vergießen, also die Komponenten insgesamt in einer Vergussmasse einzubetten, so dass auch der Temperatursensor 11, das Federelement 15 sowie die Signalleitungen 19 etc. in die Vergussmasse eingebettet und dadurch komplett abgedichtet sind.
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Wenngleich in den Figuren der Befestigungsabschnitt 13, das Federelement 14 und die Kabelhalterung 18, 23 einstückig am Kunststoffring 7 angeformt sind, ist es gleichermaßen denkbar, diese in Form separater Teile am Kunststoffring 7 zu befestigen. Darüber hinaus besteht grundsätzlichen auch die Möglichkeit, diese entsprechenden Elemente an einem der Verschaltungsringe 6, dann als separate Elemente, anzuordnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Statorträger
- 4
- Statorzähne
- 5
- Wicklung
- 6
- Verschaltungsring
- 7
- Kunststoffring
- 8
- Anschlussterminal
- 9
- Anschlussabschnitte
- 10
- Schnittstelle
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Sensorgehäuse
- 13
- Befestigungsabschnitt
- 14
- Federelement
- 15
- Federzunge
- 16
- Sensorkopf
- 17
- Wärmekopplungselement
- 18
- Kabelhalterung
- 19
- Signalleitungen
- 20
- Anschlussabschnitt
- 21
- Stirnfläche
- 22
- Vertiefung
- 23
- Kabelhalterung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201835 A1 [0003]
