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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatursensoreinheit für eine elektrische Maschine, einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine selbst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Maschinen vor Überhitzung geschützt werden müssen, insbesondere um eine Schädigung der Wicklungen und/oder eine negative Beeinträchtigung der Magnete zu vermeiden. Dazu ist es notwendig die Temperatur der elektrischen Maschine an einer oder mehreren Stellen zu erfassen, um so eine Überwachung der Temperatur der elektrischen Maschine gewährleisten zu können. In der Regel erfolgt eine Erfassung der Temperatur über zumindest einen Temperatursensor, der im Bereich eines Wicklungskopfes angeordnet ist. Insbesondere bei gängigen Runddrahtwicklungen besteht jedoch die Problematik, dass solche Temperatursensoren nur schwer systematisch eingebracht werden können. Die führt zu einer starken Varianz zwischen aufgebauten elektrischen Maschinen und deren Verhalten.
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Eine bereits bekannte Lösung zur Anordnung eines Temperatursensors ist das Öffnen des Wickelkopfes und ein manuelles Einlegen eines Temperatursensors. Der Nachteil besteht darin, dass sämtliche Werkzeuge, die ein Einbringen des Temperatursensors nach dem Vorpressen des Wicklungskopfes ermöglichen, eben diesem oftmals durch die entstehenden hohen mechanischen Belastungen Beschädigungen zufügen. Die thermische Kontaktierung kann zwischen verschiedenen Aufbauten stark variieren. Außerdem ist der Sensor durch das direkte Einlegen sehr exponiert für mechanische Belastungen im weiteren Verpressprozess (Finalformen) des Wickelkopfes - es kann hier zu massiven Stückzahlausfällen kommen, da die Sensoren abgequestscht werden und oftmals brechen. Weiterhin sind Sensoren, die durch diese Methode eingebracht werden, nicht tauschbar. Bei fehlerhafter Funktion des Sensors muss somit der gesamte Motoraufbau ausgetauscht werden, was zu hohen Kosten führt.
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Eine weitere bekannte zweite Lösung zur Anordnung eines Temperatursensors ist das oberflächliche Aufbringen zumindest eines Temperatursensors an zumindest eine, Wickelkopf. Der Temperatursensor kann an der Oberfläche des Wickelkopfes aufgelegt oder aufgeklebt werden, jedoch kann eine stabile thermische Kontaktierung nicht sichergestellt werden. Weiterhin repräsentiert der Sensor nicht die Kerntemperatur des Wickelkopfes und während der Produktion kann ein Herausziehen oder Verschieben des Sensors sehr leicht geschehen. Dies führt wiederum zu starken Variationen in den Aufbauten. Außerdem ist der Sensor aufgrund seiner oberflächlichen Positionierung nicht für Maschinen geeignet, welche in einem Öl oder einem anderweitigem Fluid betrieben werden. Sensoren, welche durch diese Methode eingebracht werden, sind nicht tauschbar. Auch hier muss bei fehlerhafter Funktion des Sensors der gesamte Motoraufbau ausgetauscht werden, was zu hohen Kosten führt.
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Eine dritte bekannte Lösung zur Anordnung eines Temperatursensors ist ein Andrücken eines Sensors mittels eines Haltsystems am Gehäuse der elektrischen Maschine. Diese Lösung ist der eben zuvor beschriebenen zweiten Lösung ähnlich, jedoch entfallen die fixierungsbedingten Unsicherheiten. Es verbleibt eine schwankende Kontaktierung an er Oberfläche des Wickelkopfes und die Abhängigkeit der Temperatursensierung von einem über seine Lebenszeit veränderlichen federbelasteten Andrücksystems. Diese Methode ist identisch zur zweiten Lösung ungeeignet für den Betrieb der elektrischen Maschine in Fluiden.
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Eine vierte bekannte Lösung zum Anordnen eines Temperatursensors stellt das Einbringen eines Sensor-Dummies, einer (Vorsteck-)hülse oder eines anderen Platzhalters in den Wickelkopf vor dem finalen Wickelkopfverpressen dar. Nach dem Verpressen wird dann der Temperatursensor eingesetzt. Die Problematik hierbei besteht darin, dass die Hülse, der Sensor-Dummie oder der Platzhalter anderer Art während des Verpressprozesses wandern kann. Dies kann dazu führen, dass dieser aus seiner Position oder gar aus dem Wickelkopf herausgedrückt wird, mit dem Resultat einer verschlechterten thermischen Anbindung. Im Umkehrschluss kann die Hülse, der Sensor-Dummie oder der Platzhalter anderer Art jedoch auch in den Wickelkopf gedrückt werden und so nicht mehr erreichbar sein, eine Applikation des Sensors ist danach unmöglich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine formstabile Temperatursensoreinheit mit einem austauschbaren Sensorelement anzugeben, die sich dazu eignet auf einfache Art und Weise in einen Wickelkopf eines Stators einer elektrischen Maschine eingebracht zu werden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Stator mit eben einer solchen Temperatursensoreinheit sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator anzugeben, die sich durch einen kompakten Aufbau, einen sicheren Betrieb über deren Lebensdauer und einen optimierten Wartungsaufwand auszeichnet.
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Dieser Bedarf kann durch die Gegenstände der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 7 und 8 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformender vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Temperatursensoreinheit weist ein Gehäuse und ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement reversibel in dem Gehäuse anordenbar ist. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende und einen Zwischenbereich, nämlich einen Bereich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, auf.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäuse in Bezug auf eine erste Schnittebene durch eine Längsachse der Temperatursensoreinheit spiegelsymmetrisch ausgebildet und verjüngt sich in Bezug auf die erste Schnittebene zumindest teilweise von dem Zwischenbereich hin zum zweiten Ende.
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Unter einer ersten Schnittebene durch die Längsachse der Temperatursensoreinheit ist eine erste Symmetrieebene der Temperatursensoreinheit zu verstehen.
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Bevorzugt ist das Gehäuse in Bezug auf eine zweite Schnittebene durch die Längsachse der Temperatursensoreinheit senkrecht auf die erste Schnittebene der Temperatursensoreinheit spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei sich das Gehäuse in Bezug auf die zweite Schnittebene zumindest teilweise von dem Zwischenbereich hin zum zweiten Ende keilförmig verjüngt.
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Unter einer zweiten Schnittebene durch die Längsachse der Temperatursensoreinheit ist eine zweite Symmetrieebene der Temperatursensoreinheit senkrecht auf die erste Symmetrieebene zu verstehen.
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Bevorzugt weist der Zwischenbereich des Gehäuses der Temperatursensoreinheit einen Befestigungsbereich und einen Erfassungsbereich auf, wobei der Befestigungsbereich zwischen dem ersten Ende und dem Erfassungsbereich und der Erfassungsbereich zwischen dem Befestigungsbereich und dem zweiten Ende ausgebildet ist.
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Der Befestigungsbereich weist vorzugsweise einen Absatz und oder zumindest eine Verhakungsrippe auf.
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Der Erfassungsbereich weist vorzugsweise zumindest eine Öffnung auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Temperatursensoreinheit sind in dem Gehäuse sich ausgehend von dem zweiten Ende zumindest teilweise über den Zwischenbereich erstreckende Fluidführungsrillen ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße Stator umfasst eine Temperatursensoreinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei die Temperatursensoreinheit in zumindest einem Wickelkopf des Stators angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei der Stator den Rotor außenumfänglich umgibt. Eine umgekehrte Anordnung, d.h. eine Anordnung, in der der Rotor den Stator umgibt, ist jedoch auch denkbar.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators mit einer erfindungsgemäßen Temperatursensoreinheit anzugeben, wobei sich das Verfahren durch geringere Fertigungsvarianzen sowie durch optimierte Herstellungskosten auszeichnet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators mit einer erfindungsgemäßen Temperatursensoreinheit, wobei der Stator ein Blechpaket aufweist, zumindest umfassend die folgenden Schritte:
- - Bewicklung des Blechpakets mit mehreren Spulen,
- - Vorformen zumindest eines Wickelkopfs an einer Stirnseite des Stators,
- - Finalformen des zumindest einen Wickelkopfes,
- - Hineinstecken der Temperatursensoreinheit in den Wickelkopf, wobei die Steckrichtung im Wesentlichen axial ist,
- - Imprägnieren des Wickelkopfes.
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Bevorzugt wird nach dem Imprägnieren des Wickelkopfes zumindest dieser noch zumindest teilweise mit einer Vergussmasse vergossen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Temperatursensoreinheit erlaubt ein einfaches Einbringen eben dieser in einen Wickelkopf eines Stators nachdem dieser final geformt wurde. Es werden die mechanischen Belastungen möglichst klein gehalten und der Bedarf an zusätzlichen Werkzeugen, Komponenten sowie weiteren Verfahrensschritten zur Positionierung der Temperatursensoreinheit entfällt. Weiterhin ist es möglich einen systematischen Einbau der Temperatursensoreinheit in den Wickelkopf des Stators zu gewährleisten. Zudem ist das Sensorelement der Temperatursensoreinheit auf einfache Art und Weise tauschbar.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Temperatursensoreinheit.
- 2 zeigt mehrere Seitenansichten einer Temperatursensoreinheit gemäß 1.
- 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Temperatursensoreinheit gemäß 1.
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements einer Temperatursensoreinheit gemäß 1.
- 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer Temperatursensoreinheit gemäß 1.
- 6 zeigt mehrere Seitenansichten eines Gehäuses gemäß 5.
- 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuse gemäß 5.
- 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wickelkopfes mit einer Temperatursensoreinheit gemäß 1.
- 9 zeigt eine Seitenansicht eines Wickelkopfes mit einer Temperatursensoreinheit gemäß 8.
- 10 zeigt eine weitere Seitenansicht eines Wickelkopfes mit einer Temperatursensoreinheit gemäß 8.
- 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators mit einem Wickelkopf sowie einer Temperatursensoreinheit in dem Wickelkopf.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 bis 7 ist eine Temperatursensoreinheit 1 für eine elektrische Maschine und deren einzelne Komponenten in unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Die Temperatursensoreinheit 1 dient der Erfassung einer Temperatur innerhalb eines Wickelkopfes 15 eines Stators 14 einer elektrischen Maschine.
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Die Temperatursensoreinheit 1 umfasst ein Gehäuse 2 und ein in dem Gehäuse 2 angeordnetes Sensorelement 3.
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Das Gehäuse 2 der Temperatursensoreinheit 1 weist ein erstes Ende 4, ein zweites Ende 5 sowie einen Zwischenbereich 6, nämlich einen Bereich zwischen dem ersten Ende 4 und dem zweiten Ende 5, auf. Das Gehäuse 2 ist in Bezug auf eine erste Schnittebene durch eine Längsachse 7 der Temperatursensoreinheit 1 spiegelsymmetrisch ausgebildet und verjüngt sich in Bezug auf die erste Schnittebene zumindest teilweise von dem Zwischenbereich 6 hin zum zweiten Ende 5. Das Gehäuse 2 ist somit im Wesentlichen spaltkeilförmig ausgebildet.
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Unter einer ersten Schnittebene durch die Längsachse 7 der Temperatursensoreinheit 1 ist eine erste Symmetrieebene der Temperatursensoreinheit 1 zu verstehen.
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Weiterhin ist das Gehäuse 2 in Bezug auf eine zweite Schnittebene durch die Längsachse 7 der Temperatursensoreinheit senkrecht auf die erste Schnittebene der Temperatursensoreinheit 1 spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei sich das Gehäuse 2 in Bezug auf die zweite Schnittebene zumindest teilweise von dem Zwischenbereich 6 hin zum zweiten Ende 5 keilförmig verjüngt.
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Unter einer zweiten Schnittebene durch die Längsachse 7 der Temperatursensoreinheit ist eine zweite Symmetrieebene der Temperatursensoreinheit 1 senkrecht auf die erste Symmetrieebene zu verstehen.
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Der Zwischenbereich 6 des Gehäuses 2 der Temperatursensoreinheit 1 weist einen Befestigungsbereich 8 und einen Erfassungsbereich 9 auf, wobei der Befestigungsbereich 8 zwischen dem ersten Ende 4 und dem Erfassungsbereich 9 und der Erfassungsbereich 9 zwischen dem Befestigungsbereich 8 und dem zweiten Ende 5 ausgebildet ist.
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In dem Erfassungsbereich 9 sind in dem Gehäuse 2 zwei einander im Wesentlichen gegenüberliegende Öffnungen 12 ausgebildet.
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Das Sensorelement 3 ist reversibel in dem Gehäuse 2 anordenbar, d.h. das Sensorelement 3 kann zerstörungsfrei aus dem Gehäuse 2 entfernt werden und durch ein neues Sensorelement 3 ersetzt werden. Die Ausbildung des Gehäuses 2 erlaubt ein einfaches Austauschen eines defekten Sensorelements 3 bei gleichzeitig sicherer Verankerung in dem Wickelkopf 15.
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In 1 bis 3 ist das Sensorelement 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet. Das Sensorelement 3 weist einen Sensoranschluss 18 und eine Sensorspitze 19 auf (4). Mithilfe des Sensorelements 3, genauer der Sensorspitze 19, kann eine Temperatur erfasst werden. Die Sensorspitze 19 ist an bzw. in dem Erfassungsbereich 9, d.h. im Bereich des zweiten Endes 5 des Gehäuses 2, angeordnet und zwar im Wesentlichen im Bereich der Öffnungen 12. Durch die Anordnung des Sensorspitze 19 im Bereich der Öffnungen 12 kann ein direkter Kontakt zwischen der wärmeempfindlichen Sensorspitze 19 und einem Messbereich an einem Wicklungskopf 15 gewährleistet werden.
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Der Sensoranschluss 18 ist im Wesentlichen an dem ersten Ende 4 des Gehäuses 2 angeordnet und elastisch, zum Beispiel als flexibler Draht, ausgebildet. Der Sensoranschluss 18 kann mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden werden, die die von der Sensorspitze 19 erfassten Daten wiedergibt, speichert und/oder auswertet, um eine elektrische Maschine, in welche die Temperatursensoreinheit 1 eingeführt werden kann, zu regeln.
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Der Zwischenbereich 6 des Gehäuses 2 kann je nach Ausgestaltung des Wickelkopfes 15 an diesen angepasst ausgebildet werden und dient als Verlängerung, um die Sensorspitze 19 möglichst weit innerhalb des Wickelkopfes 15 des Stators 14 einer elektrischen Maschine platzieren zu können.
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Der Befestigungsbereich 8 weist einen Absatz 10 und zwei Verhakungsrippen 11 auf. Der Befestigungsbereich 8 dient unter anderem dazu die Temperatursensoreinheit 1 ortsfest in dem Wickelkopf 15 des Stators 14 einer elektrischen Maschine zu platzieren. Zwischen dem ersten Ende 4 des Gehäuses 2 und dem Absatz 10 ist in dem Befestigungsbereich 8 ein Befestigungskopf 21 ausgebildet. In bzw. an dem Befestigungskopf 21 ist eine Fixierungsanordnung 20 zur Fixierung des Sensoranschlusses 18 des Sensorelements 3 und somit des Sensorelements 3 in dem Gehäuse 2 ausgebildet. Die Fixierungsanordnung 20 weist eine in dem Befestigungskopf 21 ausgebildete Ausnehmung 22 auf, die teilweise von einem Vorsprung 23 überdeckt wird. Der Sensoranschluss 18 kann unter dem Vorsprung eingeklemmt werden. In einfachster Weise wird dazu das Sensorelement 3 in das Gehäuse 2 eingeführt, sodass sich der Sensoranschluss 18 im Bereich der Ausnehmung 22 befindet. Durch ein Verdrehen des Sensoranschlusses 18 in Richtung des Vorsprungs 23 kann der Sensoranschluss 18 und somit das Sensorelement 3 in bzw. an dem Gehäuse 2 fixiert werden (1, 5, 6).
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In dem Gehäuse 2 sind ausgehend von dem zweiten Ende 5 sich teilweise über den Zwischenbereich 6 erstreckende Fluidführungsrillen 13 ausgebildet. Die Fluidführungsrillen 13 dienen der Führung bzw. Leitung eines Imprägnierfluids bei einer Imprägnierung des Wickelkopfes 15.
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In 8 bis 10 ist der Wickelkopf 15 des Stators 14 mit einer Temperatursensoreinheit 1 dargestellt. Die Temperatursensoreinheit 1 ist zumindest teilweise axial in dem Wickelkopf 15 angeordnet. Die Einbringungstiefe der Temperatursensoreinheit 1 in den Wickelkopf 15 wird durch die Ausbildung des Absatzes 10 in bzw. an dem Befestigungsbereich 8 des Zwischenbereichs 6 des Gehäuses 2 begrenzt.
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Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Längsachse 7 der Temperatursensoreinheit 1.
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In 11 ist der Stator 14 mit dem Wickelkopf 15 an einer Stirnseite 17 des Stators 14 dargestellt. Der Stator 14 weist ein Blechpaket 16 auf und ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. An der Stirnseite 17 des Blechpakets 16 ist der im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Wickelkopf 15 ausgeformt. In dem Wickelkopf 15 ist eine Temperatursensoreinheit 1 angeordnet, wobei in dem Wickelkopf 15 natürlich auch mehr als eine Temperatursensoreinheit 1 vorgesehen sein können.
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Ein Verfahren zur Herstellung des Stators 14 entsprechend der 11 umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Bewicklung des Blechpakets 16 mit mehreren Spulen,
- - Vorformen zumindest eines Wickelkopfs 15 an der Stirnseite 17 des Stators 14,
- - Finalformen des zumindest einen Wickelkopfes 15,
- - Hineinstecken der Temperatursensoreinheit 1 in den Wickelkopf 15, wobei die Steckrichtung im Wesentlichen axial ist,
- - Imprägnieren des Wickelkopfes 15.
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Durch die Ausformung des Gehäuses 2 der Temperatursensoreinheit 1 ist es möglich diese direkt ohne ein Platzhalterelement, ein zusätzliches Werkzeug oder dergleichen in den Wickelkopf 15 einzubringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperatursensoreinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Sensorelement
- 4
- Erstes Ende
- 5
- Zweites Ende
- 6
- Zwischenbereich
- 7
- Längsachse
- 8
- Befestigungsbereich
- 9
- Erfassungsbereich
- 10
- Absatz
- 11
- Verhakungsrippen
- 12
- Öffnung
- 13
- Fluidführungsrillen
- 14
- Stator
- 15
- Wickelkopf
- 16
- Blechpaket
- 17
- Stirnseite
- 18
- Sensoranschluss
- 19
- Sensorspitze
- 20
- Fixierungsanordnung
- 21
- Befestigungskopf
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Vorsprung
