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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die einen Temperatursensor aufweist. Insbesondere ist durch die Erfindung eine optimierte Temperaturmessung ermöglicht.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die Temperatursensoren aufweisen. Diese werden an kritische Stellen, beispielsweise an Wickelköpfen, angebracht, um somit eine Aussage über die Temperatur der elektrischen Maschine zu erhalten. In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur der elektrischen Maschine ist ein Ansteuerverhalten und eine Leistungsausgabe der elektrischen Maschine anzupassen.
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Temperatursensoren werden üblicherweise an Steckwicklungen verwendet. Dazu werden diese Temperatursensoren als separate Bauteile an ein Element der Steckwicklung geklebt oder gepresst. Der Verbau eines konventionellen Temperatursensors setzt somit einen verfügbaren Bauraum und ein Montagekonzept voraus, das gegebenenfalls im Design der übergeordneten Baugruppenkomponenten berücksichtigt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ermöglicht eine Temperaturerfassung mittels eines Temperatursensors, wobei die Art und Weise der Integration des Temperatursensors optimiert ist. So ist insbesondere keine nachträgliche Montage wie Stecken und/oder Klemmen mehr vorhanden, sondern der Temperatursensor ist direkt in ein Leiterelement integriert. Dies ermöglicht einerseits eine einfache Herstellung der elektrischen Maschine, andererseits eine optimierte Positionierung des Temperatursensors, so dass hochwertige Temperaturinformationen erhalten werden können. Insbesondere kann darauf verzichtet werden, mittels eines Temperaturmodells die gemessenen Temperaturen in tatsächlich auftretende Maximaltemperaturen umzurechnen, was insbesondere dann notwendig ist, wenn der Temperatursensor nicht optimal positioniert werden kann. Durch eine Positionierung an heißesten Bereichen eines Stators oder Rotors der elektrischen Maschine kann der Temperatursensor bereits die gewünschten Informationen direkt und unmittelbar erfassen.
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Die elektrische Maschine gemäß der Erfindung weist einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator und/oder der Rotor wiederum weisen eine Steckwicklung aus einer Vielzahl von einzelnen elektrischen Leiterelementen auf. Bei den Leiterelementen handelt es sich insbesondere um I-förmige Leiter (auch I-Pins genannt) und/oder um U-förmige Leiter (auch U-Pins genannt), die in einen Rotorgrundkörper oder Statorgrundkörper eingesteckt werden und deren Enden nach einem vordefinierten Muster kombiniert werden. Auf diese Weise lässt sich eine Steckwicklung herstellen, die beispielsweise drei separate, insbesondere ineinander verschachtelte, Wicklungsstränge umfasst. Aufgrund der Verwendung von Leiterelementen, die insbesondere einen rechteckigen Querschnitt und außerdem bevorzugt einen größeren Querschnitt als flexible Leiter aufweisen, ist eine Stromtragfähigkeit der Steckwicklung erhöht.
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Zumindest eines der Leiterelemente weist einen Temperatursensor auf. Der Temperatursensor ist dabei als Dünnschichtsensorik ausgebildet. Die Dünnschichtsensorik ist in eine elektrische Isolierung des Leiterelements integriert. Somit ist der Temperatursensor auch direkt in die Steckwicklung integriert. Eine separate Montage des Temperatursensors ist nicht erforderlich, vielmehr ist lediglich das entsprechende Leiterelement in den Rotorgrundkörper oder Statorgrundkörper einzuschieben. Die Steckwicklung kann einen oder mehrere Temperatursensoren aufweisen. Besonders bevorzugt weist ein elektrisches Leiterelement maximal einen Temperatursensor auf. Somit können insbesondere mehrere elektrische Leiterelemente mit jeweils einem Temperatursensor vorhanden sein. Durch die Anbringung des Temperatursensors an der elektrischen Isolierung ist insbesondere ein ungünstiger Wärmeübergang zwischen Leiterelement und Temperatursensor vermieden. Insbesondere sind keine zusätzlichen Harzschichten oder Luftspalte vorhanden, wie dies insbesondere beim Anpressen von Temperatursensoren von außen an die Leiterelemente der Fall wäre. Auch ermöglich die elektrische Maschine einen Verzicht auf zusätzliche Stecksysteme und/oder Haltesysteme, die ansonsten zum Halten des Temperatursensors erforderlich wären. Damit ist der erforderliche Bauraum für die elektrische Maschine optimiert.
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Der elektrische Schaltkreis der Dünnschichtsensorik, die den Temperatursensor bildet, ist bevorzugt auf das elektrische Isolationsmaterial des Leiterelementes gedruckt oder anderweitig aufgebracht. Somit sind an der Isolierung des Leiterelements Leiterbahnen und/oder Halbleiterelemente vorhanden, die den Temperatursensor als elektrischen Schaltkreis bilden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Temperatursensor an der elektrischen Isolierung angebrachte elektrische Kontaktierungsstellen aufweist. Die Kontaktierungsstellen sind insbesondere durch Leiterbahnen und/oder Kontaktpads gebildet und ermöglichen eine Kontaktierung des Temperatursensors. Über die elektrischen Kontaktierungsstellen ist der Temperatursensor mit einer Auswerteeinheit elektrisch kontaktierbar. Insbesondere ist hierzu eine Lötverbindung zu den elektrischen Kontaktierungsstellen ausbildbar. Dies wird besonders vorteilhaft durch die o.g. Kontaktierungspads erreicht. Somit ist ein einfaches und aufwandsarmes Verbinden von Auswerteeinheit und Temperatursensor ermöglicht. Bei der Auswerteeinheit handelt es sich insbesondere um Niederspannungsstromkreise zur Signalauswertung des Temperatursensors.
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Der Temperatursensor ist vorteilhafterweise durch physikalische Gasphasenabscheidung als Dünnschichtsensorik auf die Isolierung aufgebracht oder in die Isolierung eingebracht. Insbesondere ermöglicht die physikalische Gasphasenabscheidung eine direkte Integration des Temperatursensors in die Isolierungsschicht um das elektrische Leiterelement. Aufgrund der Ausbildung als Dünnschichtsensorik ist somit keine oder nur eine minimale Materialdickung auf den Isolationslack erforderlich. Durch das Abscheiden des Schaltkreises kann der Schaltkreis besonders vorteilhaft entweder auf einem Isolationslack aufgebracht oder in einen Isolationslack eingebracht werden. Somit ist insbesondere die Handhabung des elektrischen Leiterelements vereinfacht, da dieses Leiterelement wie jedes andere Leiterelement auch für die Steckwicklung verwendet werden kann. Durch eine vorteilhafterweise vorhandene elektrische Kontaktierungsstelle an einer passenden Stelle des elektrischen Leiterelements ist ein elektrisches Kontaktieren des Temperatursensors, insbesondere wie zuvor beschrieben, ermöglicht.
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Die Isolierung weist vorteilhafterweise einen ersten Isolierungsbereich, der auf einem elektrisch leitfähigen Kern des Leiterelements angebracht ist, und einen zweiten Isolierungsbereich auf. Der Temperatursensor ist zwischen dem ersten Isolierungsbereich und dem zweiten Isolierungsbereich angeordnet. Der zweite Isolierungsbereich ist bevorzugt auf dem ersten Isolierungsbereich und dem Temperatursensor angebracht. Somit ist insbesondere der Temperatursensor selbst auch elektrisch isoliert, so dass einerseits eine elektrische Kontaktierung des Schaltkreises des Temperatursensors nicht bzw. nur an den dafür vorgesehenen Stellen ermöglicht ist. So ist insbesondere erreicht, dass weiterhin eine elektrische Kontaktierung nur an den zuvor beschriebenen elektrischen Kontaktierungsstellen möglich ist. Andererseits kann die elektrische Isolierung den als Dünnschichtsensorik ausgebildeten Temperatursensor bevorzugt vor mechanischen äußeren Einflüssen schützen. Der Temperatursensor ist somit insbesondere sicher und zuverlässig und damit vorteilhafterweise verliersicher an dem elektrischen Leiterelement angeordnet.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Temperatursensor als Dünnschichtsensorik auf eine Trägerfolie aufgebracht ist. Die Trägerfolie weist somit einen Schaltkreis auf, der als Temperatursensor fungiert. Dabei ist die Trägerfolie entweder auf die Isolierung des Leiterelements aufgebracht oder ist selbst zumindest ein Teil der Isolierung und somit direkt auf einem elektrisch leitfähigen Kern des Leiterelements angeordnet. Durch die Verwendung der Trägerfolie ist eine räumliche Trennung zwischen der pysikalischen Gasphasenabscheidung und dem elektrischen Leiterelement selbst erreicht. Somit kann insbesondere eine Vorfertigung der Temperatursensoren als Dünnschichtsensoriken erreicht werden, wobei diese vorgefertigten Temperatursensoren auf die Leiterelemente nachträglich aufbringbar sind. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Herstellungsaufwands der elektrischen Maschine.
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Die Isolierung ist besonders vorteilhaft ein elektrisch isolierender Isolationslack. Der Isolationslack ist auf den Kern des Leiterelements aufgebracht. Insbesondere erfolgt das Aufbringen des Isolationslacks zusammen mit dem Aufbringen des Temperatursensors, wobei vorteilhafterweise zunächst eine Schicht Isolationslack aufgebracht ist, anschließend der Temperatursensor angeordnet ist und anschließend wiederum Isolationslack aufgebracht ist. Durch entsprechende Ausgestaltung der Dicken des Isolationslacks ist vorteilhafterweise erreichbar, dass der Temperatursensor die gesamte Lackschickt des Leiterelements nicht vergrößert, sondern insbesondere innerhalb der Dicke der Lackschicht verbleibt. Somit ist insbesondere keine Aufdickung an der Stelle vorhanden, an der sich der Temperatursensor befindet. Das elektrische Leiterelement mit dem Temperatursensor weist somit vorteilhafterweise eine durchgängig konstante Dicke auf.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Isolationslack aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamidimid, aus Polyetherimid oder aus Polyetheretherketon gebildet ist. Besonders vorteilhaft handelt es sich um einen organischen Isolationslack. Durch die genannten Materialien ist einerseits eine zuverlässige elektrische Isolierung, andererseits eine hohe mechanische Festigkeit der elektrischen Isolierung erreicht.
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Die Schichtdicke des als Dünnschichtsensorik ausgebildeten Temperatursensors beträgt vorteilhafterweise weniger als 50 Mikrometer, insbesondere weniger als 10 Mikrometer. Somit ist der Temperatursensor platzsparend an dem elektrischen Leitelement angeordnet. Das elektrische Leiterelement kann somit im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise verwendet werden, wie ein elektrisches Leitelement ohne Temperatursensor. Außerdem kann der Temperatursensor somit an einer optimalen Messposition angeordnet werden.
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Der Temperatursensor ist vorteilhafterweise verliersicher an der elektrischen Isolierung des Leiterelements angebracht. Somit ist insbesondere ein Trennen von Temperatursensor und elektrischem Leiterelement nicht zerstörungsfrei möglich. Damit ist die Handhabung des elektrischen Leiterelements während der Montage der elektrischen Maschine vereinfacht.
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Bei dem Temperatursensor handelt es sich insbesondere um einen negativetemperature-coefficient-(NTC)-Sensor. Der Temperatursensor ist somit bevorzugt durch einen NTC-Schaltkreis gebildet, wobei der NTC-Schaltkreis als Dünnschichtelement ausgebildet ist. Somit eine sichere und zuverlässige Temperaturerfassung ermöglicht, während gleichzeitig ein Bauraum für den Temperatursensor minimiert ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Teilansicht des Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Teilansicht eines elektrischen Leiterelements der Wicklung des Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Teilansicht einer alternativen Ausgestaltung des elektrischen Leiterelements der Wicklung des Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 3 und einen Stator 2 auf. Der Stator 2 ist an einem Gehäuse 2a angeordnet, wobei an dem Gehäuse 2a eine Rotorwelle 3a drehbar gelagert ist, an der der Rotor 3 angebracht ist. Somit ist der Rotor 3 um eine Mittelachse 100 rotierbar, wobei die Mittelachse 100 auch eine Mittelachse des Stators 2 ist. Die elektrische Maschine 1 ist besonders vorteilhaft ein Antriebssystem 4 für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Automobil oder ein Fahrrad.
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2 zeigt schematisch den Stator 2 der elektrischen Maschine 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stator 2 weist einen Statorgrundkörper 6 auf, an dem eine Steckwicklung 4 angebracht ist. Die Steckwicklung 4 ist aus einer Vielzahl von einzelnen elektrischen Leiterelementen 5 zusammengesetzt. Dies ist in 3 gezeigt. So ist insbesondere eine Vielzahl von I-förmigen Leiterelementen 5 und/oder U-förmigen Leiterelementen 5 vorgesehen, wobei diese Leiterelemente in Statornuten 7 des Statorgrundkörpers 6 gesteckt werden. Enden der elektrischen Leiterelemente werden passend verbunden, insbesondere um drei separate Wicklungsstränge an dem Statorgrundkörper 6 zu realisieren. Der Statorgrundkörper 6 ist vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von Einzelblechen gestapelt, wobei 3 der Einfachheit halber und zur besseren Übersichtlichkeit lediglich ein einziges dieser Statorbleche zeigt.
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Durch eine derart aufgebaute Steckwicklung 4 ist erreicht, dass hohe elektrische Ströme durch die elektrischen Leiterelemente 5 fließen können. Insbesondere weisen die einzelnen Leiterelemente 5 einen im Vergleich zu herkömmlichen, flexiblen Leitern vergrößerten Querschnitt auf. Insbesondere ist ein rechteckiger Querschnitt vorhanden. Dadurch ist eine Stromtragfähigkeit der einzelnen Leiterelemente 5 erhöht, wodurch die elektrische Maschine eine hohe Ausgangsleistung aufweist.
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Durch die hohe Ausgangsleistung entstehen allerdings auch hohe Temperaturen in der elektrischen Maschine 1. Diese werden von einem Temperatursensor 8 erfasst, so dass die Temperatur als Parameter für die (Ab-)Regelung der elektrische Maschine 1 verwendet werden kann. Insbesondere lässt sich somit eine Überhitzung der elektrischen Maschine 1 vermeiden.
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Innerhalb der elektrischen Maschine 1 sind außerdem verschiedene Positionen vorhanden, an denen unterschiedliche Temperaturen vorherrschen. Für eine optimale Temperaturerfassung ist daher vorteilhaft, die Temperatur an heißesten Stellen zu erfassen, was insbesondere an einem Wickelkopf der Steckwicklung 4 der Fall ist. Der in dem Ausführungsbeispiel nachfolgend beschriebene Temperatursensor 8 ermöglicht eine optimale Positionierung, insbesondere an heißesten Stellen, auch Hot-Spots genannt, so dass eine optimale Temperaturerfassung möglich ist.
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4 zeigt eine Ausführungsform des Temperatursensors 8, wobei der Temperatursensor 8 in eine Isolierung 10 des elektrischen Leiterelements 5 integriert ist. So weist das elektrische Leiterelement 5 einen elektrisch leitfähigen Kern 12 auf, wobei der Kern 12 insbesondere aus Kupfer gefertigt ist. Auf dem Kern 12 sind mehrere Schichten eines Isolationslacks als Isolierung 10 aufgebracht, wobei der Temperatursensor 8 in den Isolationslack eingebettet ist. So ist ein erster Isolationsbereich 9a und ein zweiter Isolationsbereich 9b vorhanden, wobei der erste Isolationsbereich 9a auf den Kern 12 aufgebracht ist. Der Temperatursensor 8 ist als Dünnschichtsensorik ausgebildet und zwischen dem ersten Isolationsbereich 9a und dem zweiten Isolationsbereich 9b angeordnet. Der zweite Isolationsbereich 9b ist auf den ersten Isolationsbereich 9a und auf den Temperatursensor 8 aufgebracht. Der erste Isolationsbereich 9a und der zweite Isolationsbereich 9b können beispielsweise einzelne Schichten der Isolierung 10 oder auch Bereiche einer kontinuierlichen Isolierung 10 sein. Der Temperatursensor 8 ist durch einen elektrischen Schaltkreis gebildet, wobei besagter elektrischer Schaltkreis als Dünnschichtelement in die Isolierung 10 des Leiterelements 5 eingebracht ist. Besonders vorteilhaft ist der Temperatursensor 8 durch ein physikalisches Gasphasenabscheideverfahren gebildet. Ein solches Verfahren wird auch als Physical-Vapour-Deposition (PVD), bezeichnet. Dies erlaubt eine direkte Integration des Schaltkreises und damit des Temperatursensors 8 in die Isolierung 10 des elektrischen Leiterelements 5. Durch die Ausbildung als Dünnschichtsensorik ist dabei keine oder nahezu keine Aufdickung der Isolierung 10 vorhanden. Somit kann der Temperatursensor 8 derart in das Leiterelement 5 integriert werden, dass das Leiterelement 5 weiterhin genauso handhabbar ist wie ohne Temperatursensor 8. Somit ist einerseits der Aufbau und der Montageaufwand der Steckwicklung 4 nicht beeinflusst, während andererseits die Montage des Temperatursensors 8 an der elektrischen Maschine 1 selbst wegfällt. Vielmehr erfolgt die Montage die Temperatursensors 8 automatisch mit dem Anbringen des zugehörigen elektrischen Leiterelements 5.
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Durch die Ausbildung als Dünnschichtsensorik ist außerdem ermöglicht, den Temperatursensor 8 nahezu beliebig an dem elektrischen Leitelement 5 zu platzieren. Somit lässt sich die zuvor beschriebene optimale Positionierung erreichen, so dass mittels des Temperatursensors 8 optimale Temperaturmessungen ermöglicht sind.
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Zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors 8 sind Kontaktierungsstellen 13 vorgesehen. Die elektrischen Kontaktierungsstellen 13 sind insbesondere als Kontaktpads ausgebildet. Diese erlauben vorteilhafterweise eine Lötverbindung, um den Temperatursensor 8 mit einer Auswertelektronik zu koppeln. Bei der Auswerteelektronik handelt es sich besonders bevorzugt um einen Niederspannungskreis. Die Kontaktierungsstellen 13 sind vorteilhafterweise ebenso wie und insbesondere gleichzeitig mit dem den Temperatursensors 8 bildenden elektrischen Schaltkreis auf das elektrische Leitelement 5 aufgebracht. Somit erfolgt die Aufbringung insbesondere mittels eines physikalischen Gasphasenabscheideverfahrens. Bei den Kontaktierungsstellen handelt es sich somit besonders vorteilhaft um eine dünne Beschichtung aus einem metallischen Material.
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Eine Dicke des Temperatursensors 8 als Dünnschichtsensorik, und insbesondere auch eine Dicke der Kontaktierungsstellen 13, beträgt vorteilhafterweise max. 50 µm, insbesondere max. 10 µm. Somit ist besagte dünne Ausgestaltung des Temperatursensors 8 erreicht.
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Bei der Isolierung 10 handelt es sich vorteilhafterweise um einen Kunststoff. Der Kunststoff ist insbesondere Polyetherimid oder Polyamidimid oder Polyetheretherketon. Derartige Kunststoffe weisen eine optimale elektrische Isolationsfestigkeit auf und sind außerdem mechanisch belastbar, so dass eine sichere und zuverlässige elektrische Isolierung vorliegt.
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In einer alternativen Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, ist der Temperatursensor 8 auf eine Trägerfolie 11 aufgebracht. Somit ist der Temperatursensor 8 auf die Trägerfolie 11 vorteilhafterweise durch ein physikalisches Gasphasenabscheideverfahren aufgebracht. Die Trägerfolie 11 dient zumindest als Teil der Isolierung 10 des elektrischen Leiterelements 5 und ist somit direkt auf dem Kern 12 aufgebracht. In einer Alternative kann die Trägerfolie 11 auch auf eine bereits vorhandene Isolierung 10 des elektrischen Leiterelements 5 aufgebracht werden. Stellt die Trägerfolie 11 einen Teil der Isolierung 10 dar, so ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass andere Bereiche des elektrischen Leiterelements 5 durch andere Isolationsmaßnahmen, insbesondere durch einen Isolationslack, isoliert sind. Auch kann ein Isolationslack auf die Trägerfolie 11 und den Temperatursensor 8 aufgebracht werden. Die elektrische Kontaktierung des Temperatursensors 8 erfolgt wie im vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, somit insbesondere über elektrische Kontaktierungsstellen 13.
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In den Ausführungsbeispielen wurde stets gezeigt, dass ein einzelner Temperatursensor 8 auf einem elektrischen Leiterelement 5 vorgesehen ist. In einer Alternative können auch mehrere Temperatursensoren 8 auf jeweils einem elektrischen Leiterelement 5 vorhanden sein. In der Steckwicklung 4 sind insbesondere sowohl elektrische Leiterelemente 5 mit Temperatursensor 8 als auch elektrische Leiterelemente 5 ohne Temperatursensor 8 vorhanden. Vorteilhafterweise ist in der Steckwicklung 4, insbesondere in jedem der drei Wicklungsstränge der Steckwicklung 4, ein Temperatursensor 8 vorhanden. Ebenso kann in einer Ausführungsform jegliches elektrisches Leiterelement 5 der Steckwicklung 4 einen eigenen Temperatursensor 8 aufweisen.
