-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder sonstigen Nutzfahrzeuges, insbesondere für einen Antriebsstrang oder für einen Radnabenantrieb eines Hybridfahrzeuges oder eines Elektrofahrzeuges, mit einem Stator, einem relativ zu dem Stator verdrehbaren Rotor, einem zur Erfassung einer Temperatur des Stators angeordneten und ausgebildeten Temperatursensor sowie einem zur Erfassung einer Drehzahl und/oder Drehposition des Rotors angeordneten und ausgebildeten, statorfest aufgenommenen Rotorzustandserfassu ngssensor.
-
Gattungsgemäße elektrische Maschinen, wie in Hybridmodulen eingesetzt, sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Die
DE 10 2017 116 232 A1 offenbart bspw. ein Hybridmodul für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Rotorlagesensor und einem Temperatursensor.
-
Somit sind prinzipiell bereits Anwendungen bekannt, in denen verschiedene Sensoren zum Einsatz kommen, welche eine Winkel- und/oder Rotationsinformation der elektrischen Maschine erfassen. Um die Einflüsse von Torsion oder Toleranzen im Betrieb auf die Sensoren zu minimieren, werden diese so nah wie möglich an der elektrischen Maschine angebracht, wobei meist eine Integration in einem Gehäuse der elektrischen Maschine stattfindet. Es hat sich dabei jedoch als nachteilig herausgestellt, dass die Sensoren in den meisten Fällen einzeln mit dem Gehäuse, bspw. über Schraubverbindungen, verbunden werden müssen. Dadurch besteht ein relativ hoher Montageaufwand. Des Weiteren existieren für die Spulen der elektrischen Maschinen verschiedene Wicklungstechnologien, bspw. Hair-Pin- oder Stab-Wellenwicklungen, bei denen sich eine Temperaturerfassung relativ schwierig gestaltet, da diese Wicklungen sehr eng gewickelt oder bestückt sind und kein Temperatursensor zwischen die Wicklungen bzw. die jeweiligen Drähte gesteckt werden kann.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, deren Montageaufwand weiter reduziert ist und die eine verlässliche Erfassung der Temperatur sowie der Drehzahl und/oder Drehposition ermöglicht.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Temperatursensor und der Rotorzustandserfassungssensor als Teilsysteme eines gemeinsamen Sensorsystems umgesetzt sind / in solchen Teilsystemen mit umfasst sind, wobei ein den Temperatursensor aufweisendes erstes Teilsystem flexibel / elastisch / federnd mit einem den Rotorzustandserfassungssensor aufweisenden zweiten Teilsystem (mechanisch) verbunden ist.
-
Durch das Umsetzen eines derartigen Sensorsystems als eine Baueinheit / ein Sensormodul, bestehend aus dem Temperatursensor und dem Rotorzustandserfassungssensor, wird der Montageaufwand deutlich reduziert. Im Wesentlichen braucht nunmehr nach der Montage des Stators der elektrischen Maschine in ein Gehäuse des Gesamtsystems sowie nach der Montage des Rotors der elektrischen Maschine (sowie einem durch den Rotorzustandserfassungssensor erfassten Bestandteils) das Sensorsystem gesamtheitlich inklusive des Rotorzustandserfassungssensors und des Temperatursensors montiert werden, bspw. am Deckel der elektrischen Maschine. Insbesondere ergeben sich durch die derartige Ausbildung folgende Vorteile: weniger Verschraubungen und geringerer Montageaufwand; weniger Toleranzen aufgrund reduzierter Bauteilanzahl; automatisierte Montageprozesse; Kontaktierung von Temperatursensor auf einer Messfläche ist durch ein Ausgleichselement umsetzbar; weniger Bearbeitung der vorhandenen Gussteile; nur ein Kabelkanal; nur ein Stecker.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
-
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn das erste Teilsystem über das zweite Teilsystem elektrisch mit einem Leitungsanschluss des Sensorsystems verbunden ist. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht.
-
Zweckmäßig ist es, wenn das erste Teilsystem über ein elastisches Element mit dem zweiten Teilsystem verbunden ist.
-
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn das erste Teilsystem flexibel oder starr mit einem statorfesten und/oder gehäusefesten Bestandteil verbunden ist.
-
Ist das erste Teilsystem mittels zumindest einer ersten Leitung mit dem zweiten Teilsystem (elektrisch) verbunden, ist die elektrische Versorgung sowie Datenübermittlung ebenfalls auf einfache Weise umgesetzt.
-
Der Leitungsaufbau wird weiter vereinfacht, wenn das zweite Teilsystem mittels zumindest einer zweiten Leitung mit dem Leitungsanschluss elektrisch verbunden ist.
-
Als vorteilhaft hat es sich zudem herausgestellt, wenn der Temperatursensor zumindest zweipolig ausgebildet ist, d. h. über eine zweipolige (erste) Leitung mit dem zweiten Teilsystem / dem Leitungsanschluss verbunden ist. Es können auch mehrere beliebige Temperatursensoren integriert werden.
-
Ebenfalls ist es zweckmäßig, wenn der Rotorzustandserfassungssensor zumindest vierpolig, vorzugsweise vierpolig oder sechspolig, ausgebildet ist / über eine vierpolige / sechspolige (zweite) Leitung mit dem Leitungsanschluss elektrisch verbunden ist.
-
Der Leitungsanschluss ist daher bevorzugt mindestens sechspolig, weiter bevorzugt mindestens achtpolig realisiert. Die Leitungen des Rotorlagesensors und des Temperatursensors können auch getrennt voneinander realisiert werden.
-
Der Temperatursensor weist weiter bevorzugt ein Kontaktelement auf (temperatursensitives Element), das an einer radialen Außenseite, einer radialen Innenseite, einer Umfangsseite oder einer axialen Seite einer Spulenwicklung des Stators anliegt oder zumindest teilweise innerhalb der Spulenwicklung angeordnet / in die Spulenwicklung eingeschoben ist. Dadurch ergibt sich eine effektive Anordnung des Temperatursensors, um eine Temperatur des Stators im Betrieb präzise zu erfassen.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Hybridmodul für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungen und zumindest einer mit dem Rotor wirkverbundenen Kupplung.
-
In anderen Worten ausgedrückt findet erfindungsgemäß eine Integration eines inhärenten Rotorlagesensors (Rotorzustandserfassungssensor) mit einem integrierten Temperatursensor statt. Erfindungsgemäß sind der Rotorlagesensor und der Temperatursensor in ein gemeinsames inhärentes Sensorsystem integriert, welches Sensorsystem wiederum ein den Rotorlagesensor aufweisendes Teilsystem sowie ein den Temperatursensor aufweisendes Teilsystem aufweist, welche Teilsysteme unabhängig voneinander funktionieren und miteinander flexibel verbunden sind.
-
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele prinzipiell gezeigt sind.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei der prinzipielle Aufbau der elektrischen Maschine, insbesondere seitens eines Sensorsystems, zu erkennen ist,
- 2 eine detaillierte perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine nach 1, wobei ein Bestandteil des Sensorsystems sowie einer Spulenwicklung eines Stators der elektrischen Maschine gut erkennbar sind,
- 3 eine Längsschnittdarstellung der elektrischen Maschine nach 2 entlang einer Drehachse eines Rotors der elektrischen Maschine,
- 4 eine Detailansicht der in 3 bereits geschnitten dargestellten Spulenwicklung zur Veranschaulichung unterschiedlicher möglicher Positionen eines Temperatursensors, sowie
- 5a bis 5d mehrere schematische Darstellungen der elektrischen Maschine in verschiedenen Ausführungen, wobei unterschiedliche Verbindungen zwischen einem einen Temperatursensor aufweisenden ersten Teilsystem und einem einen Rotorzustandserfassungssensor aufweisenden zweiten Teilsystem des Sensorsystems zu erkennen sind.
-
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der prinzipiell beschriebenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden.
-
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1, wie sie in ihrem Aufbau prinzipiell in 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu erkennen ist, ist in ihrem Betrieb bevorzugt Bestandteil eines Hybridmoduls 18, das in den 2 bis 3 teilweise zu erkennen ist. Unter einem Hybridmodul 18 wird hier eine spezielle Art einer E-Maschine verstanden bzw. ein spezielles elektrisches System. Die elektrische Maschine 1 ist demnach bevorzugt Bestandteil eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, wie eines Antriebsstranges eine Hybridfahrzeuges oder eines reinen Elektrofahrzeuges. Die elektrische Maschine 1 ist somit als Antriebsmaschine in dem Antriebsstrang eingesetzt. Neben der elektrischen Maschine 1 weist das Hybridmodul 18 auf typische Weise mehrere Kupplungen 19 auf, die eingangsseitig oder ausgangsseitig eines Rotors 3 wirkend eingesetzt sind. Die elektrische Maschine 1 kann prinzipiell auch direkt in einem Radnabenantrieb integriert sein.
-
In 1 ist ein Gehäuse 20 der elektrischen Maschine 1 schematisch dargestellt. Fest mit dem Gehäuse 20 ist ein Stator 2 verbunden. Der Stator 2 ist insbesondere mit seiner Spulenwicklung 17, wie sie bspw. in 2 näher zu erkennen ist, fest in dem Gehäuse 20 aufgenommen. Ein Rotor 3 (Rotorwelle) der elektrischen Maschine 1 ist relativ zu dem Stator 2 verdrehbar in dem Gehäuse 20 gelagert.
-
Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 8 ist gehäusefest / statorfest angebracht. Das erfindungsgemäße Sensorsystem 8 weist sowohl einen Temperatursensor 4 (NTC oder PTC) als auch einen Rotorzustandserfassungssensor 5 in Form eines Rotorlagesensors auf. Erfindungsgemäß sind der Temperatursensor 4 und der Rotorzustandserfassungssensor 5 jeweils in einem eigenen Teilsystem 6, 7 des Sensorsystems 8 integriert. Die beiden Teilsysteme 6, 7 und somit der Temperatursensor 4 und der Rotorzustandserfassungssensor 5 sind miteinander verbunden.
-
Prinzipiell mögliche Verbindungen zwischen den beiden Teilsystemen 6, 7 und zwischen dem ersten Teilsystem 6 und dem Stator 2 sind mit den 5a bis 5d veranschaulicht. Gemäß 5a ist eine Verbindung veranschaulicht, die jedoch nicht erfindungsgegenständlich ist und als starre (mechanische) Verbindung zwischen den beiden Teilsystemen 6, 7 und somit zwischen dem in dem ersten Teilsystem 6 integrierten Temperatursensor 4 und dem in dem zweiten Teilsystem 7 integrierten Rotorzustandserfassungssensor 5 umgesetzt ist. Auch in 5b besteht eine starre Verbindung zwischen diesen Teilsystemen 6, 7.
-
Nach den erfindungsgemäß umgesetzten Ausführungen der 5c und 5d sind die beiden Teilsysteme 6, 7 flexibel miteinander gekoppelt / verbunden. Dazu ist ein elastisches Koppelelement 10 vorhanden, das für die mechanische Verbindung der beiden Teilsysteme 6, 7 und somit für eine flexible Aufnahme des Temperatursensors 4 an dem Rotorzustandserfassungssensor 5 sorgt.
-
Zurückkommend auf 1 sei auch erwähnt, dass der Temperatursensor 4 an eine erste Leitung 11 angeschlossen ist. Diese erste Leitung 11 ist als eine zweipolige Leitung realisiert. Die erste Leitung 11 führt von dem ersten Teilsystem 6 zu dem zweiten Teilsystem 7 hin und ist wiederum innerhalb dieses zweiten Teilsystems 7 weiter verbunden / durch das zweite Teilsystem hindurchgeführt, wobei ein Ausgang des zweiten Teilsystems 7 mit einem Leitungsanschluss 9 weiter verbunden ist. Die zweite Leitung 12 ist als eine vierpolige (alternativ sechspolige) Leitung realisiert. Von dem zweiten Teilsystem 7 führt ein einziges (sechspoliges (alternativ achtpoliges) Kabel, unter Ausbildung der zweiten und ersten Leitung 12, 11 zu dem Leitungsanschluss 9 hin. Der Rotorzustandserfassungssensor 5 / das zweite Teilsystem 7 ist somit an eine zweite Leitung 12 angebunden. Die zweite Leitung 12 führt von dem zweiten Teilsystem 7 zu dem Leitungsanschluss 9 hin. Der als Stecker realisierte Leitungsanschluss 9 weist wiederum die Enden der beiden zu einer Hauptleitung 26 kombinierten Leitungen 11, 12 auf. Von dem zweiten Teilsystem 7 aus erstreckt sich die Hauptleitung 26 in einem Kabelkanal 25 des Sensorsystems 8 zu dem Leitungsanschluss 9 hin. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des Sensorsystems 8. In 1 sowie in den 5a bis 5d sind die Übertragungen der Messsignale mit ersten Pfeilen 27 gekennzeichnet; eine Signalleitung / Stromversorgung ist mit weiteren zweiten Pfeilen 28 gekennzeichnet. Der Leitungsanschluss 9 ist im Betrieb auf übliche Weise mit einer Leistungselektronik 29 weiter verbunden.
-
In 4, welche Darstellung eine Detaildarstellung der in 3 übersichtlich erkennbaren Spulenwicklung 17 ist, sind unterschiedliche Anbringungspositionen eines Kontaktelementes 13 des Temperatursensors 4 durch Punkte zu erkennen. Demnach ist es prinzipiell, in Bezug auf eine zentrale Drehachse 21 der elektrischen Maschine 1 / des Rotors 3 möglich, ein Kontaktelement 13 des Temperatursensors 4 an einer radialen Außenseite 14 der Spulenwicklung 17, an einer radialen Innenseite 15 der Spulenwicklung 17, an einer Umfangsseite der Spulenwicklung 17 oder einer axialen Seite 16 an der Spulenwicklung 17 anzuordnen. In jedem Fall befindet sich das Kontaktelement 13 unmittelbar in Oberflächenkontakt mit einem Draht 22 der Spulenwicklung 17. Auch ist es prinzipiell möglich, das Kontaktelement 13 teilweise oder vollständig in einen Hohlraum 23 der Spulenwicklung 17 zwischen zwei Drähten 22 einzuschieben. Das Kontaktelement 13 ist wiederum messtechnisch mit dem weiteren Aufbau des Temperatursensors 4 / des ersten Teilsystems 6 gekoppelt, um ein entsprechendes Messsignal weiter zu leiten.
-
Wie in den 5a bis 5d ebenfalls zu erkennen ist, kann eine Koppelung des Stators 2 über das Kontaktelement 13 mit dem weiteren Aufbau des ersten Teilsystems 6 starr (5a und 5d) oder flexibel (5b, 5c) stattfinden.
-
Der Rotorzustandserfassungssensor 5, wie er auch in 2 prinzipiell gut zu erkennen ist, ist fest an dem Stator 2 angebracht. Der Rotorzustandserfassungssensor 5 wirkt mit einem drehfest mit dem Rotor 3 gekoppelten Geber 24 zusammen. Der Geber 24 ist bevorzugt als ein entsprechendes Geberrad realisiert und erzeugt an dem Rotorzustandserfassungssensor 5 ein entsprechend der Drehposition korrespondierendes Signal. Der Rotorzustandserfassungssensor 5 ist primär dazu ausgebildet, die Drehposition, d. h. die Winkellage des Rotors 3 zu erfassen. In einer weiteren Ausführung ist der Rotorzustandserfassungssensor 5 gleichzeitig auch zur Erfassung einer Drehzahl des Rotors 3 ausgebildet.
-
In anderen Worten ausgedrückt, besteht die erfinderische Lösung bei einer elektrischen Maschine 1 (EM) darin, zwei Sensorsysteme 6, 7 in einem Gesamt-SensorSystem 8 zu integrieren, das weiterhin aus einem RPS-Teilsystem 7 und einem NTC-Teilsystem 6 besteht, welche weiterhin unabhängig voneinander funktionieren. Der Vorteil besteht im Wesentlichen in der Integration des Gesamtsystems 8, da es nun möglich ist, das Gesamtsensorsystem 8 in einem, und nicht mehr beide Systeme unabhängig und nacheinander, zu integrieren.
-
Im Sinne der erfinderischen Lösung (nach 1) wird der Temperatursensor 4 (bspw. ein NTC oder PTC) mit einem RPS-Sensor 5 kombiniert. Entweder kann der Temperatursensor fest oder flexibel in den RPS-Sensor integriert werden. In jedem Fall ist eine Kontaktfläche zwischen Temperatursensor 4 und der Wicklung 17 der E-Maschine 1 herzustellen, um die Temperatur zu erfassen. Bei einer festen Verbindung lässt sich dies nur schwer realisieren, da axiale, radiale und/oder tangentiale Toleranzen ausgeglichen werden müssen. Die hergestellte Kontaktfläche, idealerweise im Bereich der Wicklungen 17, kann an jeder beliebigen Stelle der E-Maschine 1 (Stator 2) hergestellt werden, bspw. radial, tangential oder axial (4). Die Kontaktfläche des Temperatursensors kann somit radial unterhalb der E-Maschinenwicklung 17 liegen, radial oberhalb, innerhalb der Wicklungen 17 und axial außerhalb der Wicklungen 17. Da mit einer festen Verbindung zwischen Temperatursensor und RPS-Sensor nur schwer eine Kontaktfläche zur E-Maschine (Wicklungen) realisiert werden kann, ist eine flexible Anordnung von Temperatursensor 4 und RPS-Sensor 5 umgesetzt. Diese flexible Verbindung kann beispielsweise durch ein geeignetes flexibles oder elastisches Element 10 hergestellt werden. In den 5a bis 5d sind unterschiedliche Kombinationen einer solchen flexiblen Verbindung dargestellt. Die Kontaktfläche des Temperatursensors kann aktiv oder passiv auf die zu erfassende Messfläche wirken. Der Temperatursensor hat an einer definierten und festsitzenden Position an der Wicklung anzuliegen. Bei dem Rotorlagesensor kann es sich beispielsweise um das Funktionsprinzip eines Resolvers, Wirbelstromsensors, GMR, etc. handeln. Auch neuartige Sensoren sind denkbar. RPS steht im englischen für „rotor position sensor“ und wird in der deutschen Übersetzung als RLS / Rotorlagesensor bezeichnet. Durch diese Integration kann auch die Bauteileanzahl reduziert werden, da bspw. ein Kabelkanal 25 oder ein gemeinsamer Stecker 9 verwendet werden kann. Der Temperatursensor ist in der Regel 2-polig, d.h. er besitzt zwei Signalleitungen. Der RPS-Sensor ist in der Regel 4- oder 6-polig. Im Sinne der Erfindungsmeldung kann nun ein gemeinsamer Stecker 9 mit 6 oder 8 Polen verwendet werden. Somit ergibt sich ein Kosten- und Bauraumvorteil. Durch die gemeinsame Integration sind die beiden Signalleitungen des Temperatursensors 4 durch den RPS-Sensor 5 bis hin zur Leistungselektronik 29 geführt. Im RPS-Sensor 5 erfolgt dies durch eine entsprechend erweiterte Platine / PCB. Außerhalb des Sensors 5 durch entsprechende Kabel.
-
Erfindungsgemäß wird ein Montageverfahren in folgenden Schritten vereinfacht umgesetzt:
- 1. Montage des EM-Stators 2 in das Gehäuse 20 des Gesamtsystems;
- 2. Montage des EM-Rotors 3 inkl. des RPS-Rotors (Geber 24);
- 3. Montage des RPS-Sensors 5 inkl. des Temperatursensors 4 (als Gesamtsensorsystem 8) am Deckel 20 der elektrischen Maschine 1.
-
Die Signalleitungen sind am Deckel 20 vorverlegt. Die Kontaktierung zur Leistungselektronik 29 erfolgt „blind“.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Temperatursensor
- 5
- Rotorzustandserfassungssensor
- 6
- erstes Teilsystem
- 7
- zweites Teilsystem
- 8
- Sensorsystem
- 9
- Leitungsanschluss
- 10
- Element
- 11
- erste Leitung
- 12
- zweite Leitung
- 13
- Kontaktelement
- 14
- Außenseite
- 15
- Innenseite
- 16
- axiale Seite
- 17
- Spulenwicklung
- 18
- Hybridmodul
- 19
- Kupplung
- 20
- Gehäuse
- 21
- Drehachse
- 22
- Draht
- 23
- Hohlraum
- 24
- Geber
- 25
- Kabelkanal
- 26
- Hauptleitung
- 27
- erster Pfeil
- 28
- zweiter Pfeil
- 29
- Leistungselektronik
-
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 102017116232 A1 [0002]
