Sensorik: Temperaturen am Hotspot des Elektromotors messen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit ein Elektromotor optimal arbeitet, müssen ihn Temperatur-Sensoren permanent und präzise überwachen. Neben hohen Temperaturen dürfen Spannungen bis 1 kV das Sensor-Ergebnis nicht verfälschen.

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Der Stator eines Elektromotors: Mit Standard-NTC-Sensoren lässt sich die Temperatur nah am Hotspot nur schwierig messen. Hier sind individuelle Anpassungen notwendig.
Der Stator eines Elektromotors: Mit Standard-NTC-Sensoren lässt sich die Temperatur nah am Hotspot nur schwierig messen. Hier sind individuelle Anpassungen notwendig.
(Bild: Schlaeger)

Dauerstress für einen Elektromotor: Temperaturen von bis zu 200 °C und Hochspannung im Kilovolt-Bereich. Trotzdem muss der Motor seine optimale Leistung erbringen und darf dabei nicht überhitzen. Überwacht von cleverer Elektronik, die innerhalb von kürzester Zeit auf extreme Bedienungen wie hohe Temperaturen und starke Vibrationen reagieren muss. Alle wichtigen Einstellungen müssen dynamisch angepasst werden. Dazu gehören der zulässige Maximalstrom oder die elektrische Dauerleistung. Doch das setzt voraus, den aktuellen Status des Motors zu kennen.

Erst dann kann die Fahrzeugelektronik auch in Ausnahmesituationen korrekt reagieren, um etwa bei einem Überholvorgang am Leistungslimit kurzzeitig auch in eine geplante Überlast zu fahren. „Mit standardisierten NTC-Sensoren ist es allerdings oftmals schwierig, so geschützt und nah wie notwendig am Hotspot zu messen“, berichtet Maximilian Küchler, Key Account Manager bei Schlaeger M-Tech.

„Denn jede Motorumgebung bietet andere Herausforderungen – etwa das Spannungsniveau bei PHEV/BEV-Fahrzeugen, die Medienumgebung mit verschiedenen Ölen, einen begrenzten Bauraum oder hohe Betriebstemperaturen.“

Der Elektromotor präzise vermessen

Bisherige standardisierte NTC-Sensorkomponenten sind nicht für den jeweiligen Messort und die gewünschte Montage anpassbar. Dadurch ergeben sich Ungenauigkeiten in der Präzision der Messergebnisse. Eine individualisierte Temperaturmessung für unterschiedliche Anwendungsumgebungen ist zwingend Voraussetzung. Die Entwickler von Schlaeger können auf ein vielfältiges Wissen bei den magnetischen Felderzeugern, der Elektronik und der Messtechnik zurückgreifen. Innerhalb von zehn Wochen entwickeln die Mechatronik-Experten in enger Zusammenarbeit mit ihren Kunden eine einbaufertige Anwendung für die effiziente Datenanalyse jedes elektrischen Motors.

Bei den speziellen Sensoranfertigungen von Schlaeger handelt es sich um individuell anpassbare Baugruppen mit einer mehrteiligen Kunststoffhülle aus Thermoplast (Polyphenylensulfid), in der sich der Thermistor befindet.
Bei den speziellen Sensoranfertigungen von Schlaeger handelt es sich um individuell anpassbare Baugruppen mit einer mehrteiligen Kunststoffhülle aus Thermoplast (Polyphenylensulfid), in der sich der Thermistor befindet.
(Bild: Schlaeger)

In jeder Sonderanfertigung wird zunächst der handelsübliche NTC-Sensor so nah wie möglich am gewünschten Messort platziert und mithilfe einer elektrisch-isolierenden Abstandswand aus Thermoplast (Polyphenylensulfid) geschützt. Schlaeger fertigt zusätzlich eine spezielle Kunststoffhülle, um den bestmöglichen Schutz bei gleichzeitig höchster Messpräzision zu gewährleisten.

„Umgeben wird dieses Element von einer mehrteiligen Thermoplastkomponente, die wir auch als Baukastensystem mit hoher Funktionsintegration auslegen können“, erläutert Küchler. „Dadurch kann in der Montagefolge unserer Kunden der Einbau am Ende der Herstellung erfolgen – für verschiedene axiale Motorlängen und servicefreundlich wiedermontierbar.

Da Schlaeger die Bauteile nicht nur selbst fertigt, sondern die dazugehörigen Spritzgusswerkzeuge und -prozesse entwickelt, kann das Unternehmen sämtliche geometrischen Anforderungen erfüllen und widerstandsfähige Kunststoffumspritzungen mit einer Wandstärke von bis zu 0,25 mm reproduzierbar herstellen. Auch zusätzliche Montagefedern zur Erzeugung hoher Anpresskräfte und Werkstoffe zur Wärmeeinkopplung lassen sich in das Design integrieren.

Spannungen von 1000 V am Hotspot

In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden entwickelt Schlaeger eine individualisierte Messbaugruppe, die montierbar, mediensicher sowie thermoschockbeständig ist und den VDE-Normen für eine korrekte Isolation in einer Hochspannungsumgebung entspricht.
In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden entwickelt Schlaeger eine individualisierte Messbaugruppe, die montierbar, mediensicher sowie thermoschockbeständig ist und den VDE-Normen für eine korrekte Isolation in einer Hochspannungsumgebung entspricht.
(Bild: Schlaeger)

Für den ersten Prototyp einer der Sensorentwicklung benötigen die Entwickler lediglich ein CAD-Baumodell des zu messenden Elektromotors sowie Informationen über geplante Sensorsysteme. Danach entwickelt das Ingenieurs-Team die Messbaugruppe. „So müssen beispielsweise die Luft- und Kriechstrecken in allen Raumrichtungen untersucht werden, denn direkt am Hotspot sind Spannungen von bis zu 1000 V keine Seltenheit“, erläutert Küchler.

„Daher nehmen wir stets eine CAD-gestützte Analyse vor, um die kritischen Problemstellen herauszufinden und die Baugruppe so robust und widerstandsfähig wie möglich zu konstruieren.“ Anhand aller ermittelten Daten eine individualisierte Lösung entwickelt, die den VDE-Normen für eine korrekte Isolation in einer Hochspannungsumgebung entspricht, aber ebenso mediensicher und thermoschockbeständig ist. Diese kann mit entsprechenden Messaufbauten auch unter thermischer Belastung auf eigenen Prüfständen qualifiziert werden.

Unabhängig vom Sensor-Anbieter

Der Sensor selbst mit seiner kundenspezifischen Widerstandskennline wird bei Schlaeger immer eine Zukaufkomponente von spezialisierten Lieferanten sein. Derzeit kauft das Unternehmen noch vormontierte Baugruppen von externen Dienstleistern hinzu, forscht jedoch bereits an der Integration von NTC-Katalogware in bedrahteter Ausführung oder als SMD-Version.

„Auf lange Sicht ist es unser Ziel, alle Vorstufen unserer Messbaugruppen selbst herzustellen“, berichtet Küchler. „Dank einer solchen Erweiterung unseres Portfolios werden wir noch besser auf die Wünsche unserer Kunden eingehen können und so die Miniaturisierung weiter vorantreiben. Außerdem verkürzen wir dadurch die Lieferzeiten, da wir nicht mehr auf die Zulieferung von spezifischen Baugruppen angewiesen sind.“ Solche Sensorprototypen sind für Ende 2020 geplant.

Auf diese Weise arbeitet Schlaeger kontinuierlich an der Verbesserung seine Dienstleistung, damit Fahrzeughersteller auf Grundlage von zuverlässigen Analysedaten das Maximum aus jedem Elektromotor herausholen können.

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