DE10015040A1 - Elektromotor mit hochintegrierter Elektronik am Bürstenhalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme von hochintegrierten Elektronikkomponenten (25) im Inneren eines Elektromotors (1). Dieser ist mit einem einen Kommutator (7) umschließenden Grundkörper (9) versehen, an dem eine Steckerverbindung (10) ausgebildet ist und der die Ankerwelle (5) und einen Ringmagneten (6) umschließt. Die hochintegrierten Elektronikkomponenten (25) sind auf einem wärmeleitfähigen Trägersubstrat (12) aufgenommen, welches federnd an den Grundkörper (9) angestellt ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit hochintegrierter Elektronik am Bürstenhalter, wie beispielsweise einem Gleichstrommotor. Bei solchen Elektromotoren, bestehend aus Poltopf und Getriebegehäuse, befindet sich die Auswerteelektronik in der Regel in einem eigens am Poltopf befestigten separaten Elektronikgehäuse.

Stand der Technik

Es sind Gleichstrommotoren bekannt, an deren Poltopf ein Getriebegehäuse, beispielsweise für ein Schneckengetriebe angeflanscht ist. Zwischen dem Getriebegehäuse und dem Poltopf befindet sich ein Bürstenhalter, an dem eine ring- oder halbringförmig ausgebildete Leiterplatte mit Hallsensoren oberhalb eines Ringmagneten aufgenommen ist. Die Auswerteelektronik ist weit entfernt vom Elektromotor beispielsweise zentral in einem Kraftfahrzeug angeordnet.

Es sind ferner Gleichstrommotorenkonfigurationen bekannt geworden, bei denen ein Ringmagnet von einer Leiterplatte umschlossen ist, die sich in radiale Richtung verlängert und sich in ein oberhalb des Poltopfes des Elektromotors angeordnetes Gehäuse erstreckt. In diesem Gehäuse, welches mit einem Steckeranschluß versehen sein kann, ist neben der Leiterplatte die Auswerteelektronik untergebracht. Eine so beschaffene Leiterplattenkonfiguration beansprucht extrem viel Bauraum oberhalb des Poltopfes, was die Einsatzmöglichkeit eines solcher Art beschaffenen Gleichstrommotors mit angeflanschtem Getriebegehäuse erheblich einschränkt.

Schließlich sind Elektronikgehäuse an Gleichstrommotoren bekannt geworden, die in das Getriebegehäuse eines Getriebes integriert sind, welche wiederum an den Elektromotor angeflanscht sind. Das Elektronikgehäuse ist zwar nach wie vor außerhalb des Gleichstrommotors untergebracht, baut aber erheblich kürzer über die Poltopflänge des Elektromotors gesehen.

Allen skizzierten Lösungen aus dem Stande der Technik ist gemeinsam, daß die die Auswerteelektronik aufnehmenden Elektronikgehäuse außerhalb des Gleichstrommotors angeordnet sind. Dies kostet Bauraum und macht ein separates Spritzgußteil am Elektromotor erforderlich.

Darstellung der Erfindung

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufnahme von hochintegrierten Elektronikbauteilen auf einem wärmeleitfähigen Trägersubstrat, lassen sich ein zentraler Rechner, ein oder mehrere einen Ringmagneten zuzuordnende Hallsensoren sowie Leistungsschaltelemente ohne eigenes die Außenabmessungen eines Gleichstrommotors unnötig vergrößerndes eigenes Elektronikgehäuse unterbringen. Es läßt sich verglichen mit den voluminösen Elektronikgehäusen eine wesentlich kompaktere Bauform eines Gleichstromelektromotors mit angeflanschtem Getriebe erzielen.

Das bisher zur Aufnahme der Elektronikkomponenten dienende Gehäuse kann vollständig entfallen, wodurch eine Spritzgußkomponente eingespart werden kann. Durch den Entfall des Spritzgußgehäuses zur Aufnahme der Elektronikkomponenten läßt sich eine wesentlich einfachere Dichtkontur verglichen mit einem am Getriebegehäuse anzuflanschenden Elektronikgehäuse erzielen. Eine einfacher zu verlegende Dichtung ist einfacher montierbar und setzt das Auftreten von Montagefehlern durch lageungenaues Einpassen der Dichtung drastisch herab.

Die erfindungsgemäß auf dem leitfähigen Trägersubstrat aufzubringenden elektronischen Baukomponenten und dessen Integration in das Innere des Elektromotors gestattet es, den Grundmotor ohne Modifikationen unverändert zu übernehmen und bestehende Teile des Baukastensystems sowie die Montagevorrichtungen der Motorenfertigung unverändert einzusetzen, was eine erheblich rationellere Serienfertigung erlaubt. Der Umstand, das leitfähige Substrat, auf dem die Elektronikkomponenten aufgenommen sind, an den Grundkörper mit Hilfe eines Andrückelementes anzustellen, erlaubt ein rasches Auswechseln des leitfähigen Trägersubstrates und das Einschieben einer neuen oder einer andere Charakteristik aufweisenden Motorelektronik für die Positionserkennung oder auch für die Schließkraftbegrenzung in den jeweiligen Gleichstrommotor.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung detailliert erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Getriebegehäuse, welches an einem Elektromotor angeflanscht ist im Längsschnitt,

Fig. 2 den Querschnitt durch den Elektromotor,

Fig. 3 den Querschnitt durch den Elektromotor im Bereich der an den Kommutator federnd angestellten Kohlebürsten und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Bürstenhaltergrundkörpers mit Ansicht des die Elektronikkomponenten aufnehmenden wärmeleitfähigen Substrates.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 zeigt ein Getriebegehäuse, welches an einen Elektromotor angeflanscht ist im Längsschnitt.

Der Elektromotor 1 umfaßt ein Polgehäuse 2, in welches im Bereich der Wandung zwei einander gegenüberliegend angeordnete Permanentmagnete 3 bzw. 4 eingelassen sind. Die einander gegenüberliegenden Permanentmagnete 3, 4 umschließen ein Ankerpaket 8 mit Wicklungen - hier beispielsweise acht Teilsegmente mit entsprechender Kupferdrahtwicklung. Die dargestellten acht Ankerpakete 8 sind auf der Ankerwelle 5 aufgenommen, wobei die Kupferwicklungen aus jedem der Ankerpakete 8 mit einem Bereich des ebenfalls an der Ankerwelle 5 aufgenommenen in acht voneinander isolierte Teilbereiche unterteilten Kommutators 7 verbunden ist.

An dem auf der Ankerwelle 5 aufgenommenen Kommutator 7 schließt sich ein Ringmagnet 6 an, neben dem sich am Bürstenhaltergrundkörper 9 das leitfähige Substrat 12 erstreckt. Auf diesem Substrat 12 ist ein Hallsensor 13 aufgenommen, der somit direkt dem zylindrischen Bereich des auf der Ankerwelle 5 aufgenommenen Ringmagneten 6 zugeordnet ist. Durch eine Bohrung 20 im Grundkörper 9 erstreckt sich die Ankerwelle 5 in ein Getriebegehäuse 15. Die Ankerwelle 5 rotiert um ihre Rotationsachse 16 und treibt mittels eines Schneckengetriebes ein nicht näher dargestelltes Schneckenrad an, welches einen Motorabtrieb 17 aufweist.

Am Bürstenhaltergrundkörper 9 befindet sich einerseits ein Stecker 10 zur Aufnahme des Anschlußkabels des Elektromotors 1. Im Polgehäuse 2 ist im Bereich des Steckers 10 ein Lagerungselement 11 eingelassen, durch welches sich das Innere des Polgehäuses 2 nach außen hin abdichten läßt. Der Steckverbindung 10 gegenüberliegend befindet sich am Bürstenhaltergrundkörper 9 ein Kühlkörper 14, dessen Oberfläche zur Verbesserung der Wärmeabfuhr an die Umgebung verrippt ausgeführt sein kann. Auch hier ist ein Lagerungselement 11 vorgesehen, welches zudem als Abdichtung des Polgehäuse-Inneren dient. Am Bürstenhaltergrundkörper 9 ist im Bereich des Kommutators 7 ein Federelementstift 27 vorgesehen, der ein gewickeltes Federelement 21 aufnimmt, mit dessen Hilfe eine Kohlebürste 22 bzw. 24 an die Oberfläche des auf der Ankerwelle 5 aufgenommenen Kommutators 7 angedrückt werden kann.

Jeder der durch eine Längsnut voneinander getrennten Kommutatorbereiche ist mit einer Kupferwicklung einer der acht Ankerpakete 8 des Ankers verbunden, die von den beiden Permanentmagneten 3. 4 im Polgehäuse 2 umschlossen sind.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das Polgehäuse des Elektromotors dargestellt.

Oberhalb des Polgehäuses 2 befindet sich die Steckverbindung 10, über welche der Elektromotor 1 seine Versorgungsspannung aufnimmt. Die mittig liegende Ankerwelle 5 ist vom Bürstenhaltergrundkörper 9 umschlossen. Unter Neigung ist an eine Anschrägung am Bürstenhaltergrundkörper 9 das leitfähige Trägersubstrat 12 federnd angestellt. Auf der der Anschrägung des Bürstenhaltergrundkörpers 9 abgewandten Seite des leitfähigen Substrates 12 sind die einzelnen Elektronikkomponente 25 wie beispielsweise eine zentrale Recheneinheit, ein oder mehrere Hallsensoren 13 sowie Leistungsschaltkomponenten aufgebracht. Das wärmeleitfähige Trägersubstrat 12 wird über ein Andrückelement 18 beispielsweise eine Feder oder dergleichen an die Anschrägung des Bürstenhaltergrundkörpers 9 angestellt und kann leicht ausgewechselt werden. Je nach Einsatzzweck des Elektromotors 1 kann in der Motorsteuerelektronik aufgebracht auf das wärmeleitfähige Substrat 12 eine Positionserkennung oder eine Schließkraftbegrenzung oder eine andere Art von Auswerteelektronik implementiert sein. Durch die federnde Anstellung des wärmeleitfähigen Substrates 12 mit den darauf aufgebrachten Elektronikkomponenten 25 kann ein wärmeleitfähiges Substrat gegen ein anderes mit einer anderen Schaltung versehenes Substrat 12 ausgewechselt werden, um auf diese Weise die Motorsteuerelektronik dem Einsatzzweck leicht anzupassen.

Die geneigt im Inneren des Elektromotors 1 aufgenommene Motorsteuerelektronik steht über eine Kühlkörperbrücke 19 mit dem außen am Polgehäuse 2 vorgesehenen Kühlkörper 14 in Verbindung. Zur Verbesserung des Wärmetransportes ist die Oberfläche des Kühlkörpers 14 mit einer Längsverrippung versehen.

Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch den Elektromotor 1 im Bereich der an den Kommutator 7 federnd angestellten Kohlebürsten dar.

Bei diesem aus der im Vergleich zu Fig. 2 aus entgegengesetzter Richtung dargestellten Querschnitt ist oberhalb des Polgehäuses 2 die Steckerverbindung 10 zu erkennen, mit welcher die Einspeisung der Versorgungsspannung an den Elektromotor 1 erfolgt. Seitlich an eine Anschrägung am Bürstenhaltergrundkörper 9 angestellt befindet sich das wärmeleitfähige Trägersubstrat 12, auf dessen Außenseite die flachen elektronischen Bauelemente 25 aufgebracht sind. Unterhalb des wärmeleitfähigen Substrates 12 ist eine Kühlkörperbrücke 19 zu erkennen, über welche die am wärmeleitfähigen Substrat 12 entstehende Wärme an den an der Außenseite des Polgehäuses 2 aufgenommenen Kühlkörper 14 mit verrippter Oberfläche abgeführt werden kann. Am Bürstenhaltergrundkörper 9 sind zwei Federstiftelemente 27 bzw. 28 zu erkennen, auf denen federnde Andrückelemente 21 bzw. 23 für die Kohlebürsten 22, 24 aufgenommen sind. Über diese werden die im Bürstenkörper 22, 24 auf die Oberfläche der einzelnen voneinander isolierten Umfangselemente des Kommutators 7 gedrückt. Die Kohlebürsten 22, 24 sind jeweils in Bürstenführungen 26 im Bürstenhaltergrundkörper. 9 geführt. In der Mitte der Querschnittsdarstellung nach Fig. 3 ist die Ankerwelle 5 zu erkennen, welche sich in axialer Richtung durch das Polgehäuse 2 des Elektromotors 1 erstreckt.

In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist der Hallsensor 13 erkennbar, der so auf dem wärmeleitfähigen Substrat 12 plaziert ist, daß dieser nach Montage des wärmeleitfähigen Substrates am Bürstenhaltergrundkörper 9 oberhalb des zylindrischen Abschnittes des mit der Ankerwelle 5 umlaufenden Ringmagneten 6 liegt. Obwohl in Fig. 3 nicht näher dargestellt, sei erwähnt, daß das wärmeleitfähige Trägersubstrat 12, auf dessen Außenseite die elektronischen Bauelemente 25 aufgebracht sind, federnd an die Anschrägung des Bürstenhaltergrundkörpers 9 angestellt ist. Dazu ist ein federndes Andrückelement 18 vorgesehen, wie bereits in Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben wurde.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 4 geht die Seitenansicht des Bürstenhaltergrundkörpers 9 hervor, an dessen Seitenfläche daß die Elektronikkomponenten aufnehmende wärmeleitfähige Trägersubstrat aufgenommen ist.

Auf dem wärmeleitfähigen Substrat 12 sind die einzelnen elektronischen Bauelemente 25 wie beispielsweise eine zentrale Recheneinheit, Hallsensoren 13 sowie Leistungsschaltelemente aufgebracht. Der Hallsensor 13 ist so angeordnet, daß er unmittelbar über dem Ringmagneten 6 liegt der auf der Ankerwelle 5 aufgenommen ist, von der hier lediglich die Rotationsachse 16 dargestellt ist. Unterhalb des Bürstenhaltergrundkörpers 9 ist in der Seitenansicht die Kühlkörperbrücke 19 dargestellt, die das wärmeleitfähige Substrat 12 mit dem Kühlkörper 14 verbindet. Oberhalb des Bürstenhaltergrundkörpers 9 ist die Steckerverbindung 10 in seitlicher nur schematisch wiedergegebener Ansicht dargestellt. Das wärmeleitfähige Substrat 12 gemäß Fig. 4 ist federnd an den Bürstenhaltergrundkörper 9 angestellt. Die Steckkontakte, die Kohlebürsten 22, 24 und die Anschlußpins des Bürstenhaltergrundkörpers 9 können durch leitfähige Leiterbahnen miteinander vernetzt sein. Diese können eingespritzt und/oder aus nachträglich eingesetzten Teilen bestehen. Ferner können die Leiterbahnen mittels 3D-MID-Technik nachträglich auf Bürstenhaltergrundkörper 9 und auf das wärmeleitfähige Trägersubstrat 12 aufgalvanisiert werden.

In die Einstecköffnung am Polgehäuse für den Kühlkörper 14 könnte zur Aufnahme größerer elektronischer Bauelemente 25 auch ein äußeres Gehäuse eingesteckt werden, welches mit extrem kompakten Abmessungen versehen ist und zur Aufnahme größerer elektronischer Bauelemente 25 dienen kann.

Bezugszeichenliste

1

Elektromotor

2

Polgehäuse

3

Permanentmagnet

4

Permanentmagnet

5

Ankerwelle

6

Ringmagnet

7

Kommutator

8

Ankerpaket mit Wicklung

9

Bürstenhaltergrundkörper

10

Steckverbindung

11

Lagerungselement

12

wärmeleitfähiges Trägersubstrat

13

Hallsensor

14

Kühlkörper

15

Getriebegehäuse

16

Rotationsachse Ankerwelle

17

Motorabtrieb

18

Andrückelement

19

Kühlkörperbrücke

20

Bohrung

21

Federelement

22

Kohlebürste

23

Federelement

24

Kohlebürste

25

elektronische Bauelemente

26

Bürstenführung

27

Federelementstift

28

Federelementstift

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Aufnahme von hochintegrierten Elektronikkomponenten (25) im Inneren eines Elektromotors (1), der mit einem einen Kommutator (7) umschließenden Grundkörper (9) versehen ist, an dem eine Steckverbindung (10) ausgebildet ist und der Ankerwelle (5) und einen Ringmagneten (6) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die hochintegrierten Elektronikkomponenten (25) auf ein wärmeleitfähiges Trägersubstrat (12) aufgebracht sind, welches federnd an den Grundkörper (9) angestellt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am wärmeleitfähigen Trägersubstrat (12) ein Hallsensor (13) aufgenommen ist, der sich oberhalb eines Ringmagneten (6) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das wärmeleitfähige Trägersubstrat (12) mittels eines Andrückelementes (18) an den Grundkörper (9) angestellt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am wärmeleitfähigen Substrat (12) aufgenommenen elektronischen Komponenten (25) Leistungsschaltungskomponenten, zentrale Rechner sowie mindestens einen Hallsensor (13) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitfähige Substrat (12) über eine Kühlkörperbrücke (19) mit einem Kühlkörper (14) in Verbindung stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (14) mit einer verrippten Oberfläche versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckerverbindung (10), Kohlbürsten (22, 24) sowie die Anschlußpins des Grundkörpers (9) durch leitfähige Bahnen miteinander vernetzt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Bahnen eingespritzt und/oder durch nachträglich eingelegte Leiterbahnen verwirklicht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen mittels 3D-MID-Technik nachträglich auf den Grundkörper (9) aufgalvanisiert sind.